Þ.². Ãóáñüêèé Á²ÎËÎò×ÍÀ ղ̲ß
 ï³äðó÷íèêó âèêëàäåíèé êóðñ á³îëîã³÷ íî ¿
õ³ì³¿ â³äïîâ³äíî äî ïðîãðàìè äëÿ ñòóäåíò³â
âèùèõ ìåäè÷íèõ íàâ÷àëüíèõ çàêëàä³â:
ðîçãëÿíóò³ ñòðóêòóðà òà ôåðìåíòàòèâí³
ðåàêö³¿ ïåðåòâîðåííÿ îñíîâíèõ êëàñ³â
á³îìîëåêóë — á³ëê³â, àì³íîêèñëîò,
âóãëåâîä³â, ë³ï³ä³â, â³òàì³í³â, íóêëåîòèä³â,
³íôîðìàö³éíèõ íóêëå¿íîâèõ êèñëîò.
Âèñâ³òëåí³ ïèòàííÿ ìîëåêóëÿðíî¿ á³îëî㳿
òà ãåíåòèêè, á³îõ³ì³÷í³ îñíîâè ô³ç³îëîã³÷íèõ
ôóíêö³é îðãàí³çìó ëþäèíè òà ¿õ íåé-
ðîãîðìîíàëüíî¿ ðåãóëÿö³¿, ìîëåêóëÿðí³
ìåõàí³çìè âèíèêíåííÿ íàéá³ëüø ïîøè-
ðåíèõ ïàòîëîã³÷íèõ ïðîöåñ³â (àòåðî-
ñêëåðîçó, öóêðîâîãî ä³àáåòó, îæèð³ííÿ) òà
ñïàäêîâèõ åíçèìîïàò³é. Çíà÷íó óâàãó
ïðèä³ëåíî ìîëåêóëÿðíèì ìåõàí³çìàì
ôóíêö³îíóâàííÿ êë³òèí êðîâ³, ïå÷³íêè,
ì’ÿç³â, ³ìóííî¿, íåðâîâî¿ ñèñòåìè, åíçèìî-
ä³àãíîñòèö³ òà á³îõ³ì³÷íèì çàñàäàì
ôàðìàêîòåðàﳿ ïîðóøåíü îáì³íó ðå÷îâèí.
ϳäðó÷íèê ìîæå áóòè òàêîæ âèêî ðèñòàíèé
àñï³ðàíòàìè, ñïåö³àë³ñòàìè òà íàóêîâöÿìè,
ùî ïðàöþþòü â ãàëóç³ çàãàëüíî¿ ³ ìåäè÷-
íî¿ á³îõ³ì³¿, ôàð ìàêîëî㳿, ì³êðîá³îëî㳿 òà
³íøèõ á³î ìåäè÷íèõ íàóê.
1
Ю.І. ГУБСЬКИЙ
Б І О Л О Г І Ч Н А
Х І М І Я
Допущено Міністерством
охорони здоров’я України
як підручник для студентів вищих
медичних навчальних закладів освіти
III-IV рівнів акредитації
Êè¿â-Òåðíîï³ëü
«Óêðìåäêíèãà»
2 0 0 0
2 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
ББК 28072Я73
Г93
УДК 612.015(075.8)+577.1(075.8)
Губський Ю.І. — д.м.н., професор, член-кореспондент АМН України,
заслужений діяч науки і техніки України, завідувач кафедри біоорганічної,
біологічної та фармацевтичної хімії Національного медичного університету
ім. О.О.Богомольця.
Рецензенти: член-кор. НАН України, д.б.н., проф., лауреат Державної премії України
М.Є.Кучеренко (Київський університет ім. Т.Г.Шевченка);
д.м.н., проф., лауреат премії ім. О.В.Паладіна Ю.В.Хмелевський
(Національний медичний університет ім. О.О.Богомольця);
д.б.н., проф., лауреат Державної премії України М.Д.Курський (Інститут
біохімії НАН України).
Допущено Міністерством охорони здоров’я України як підручник для студентів вищих медичних
навчальних закладів освіти III-IV рівнів акредитації (лист МОЗ України № 1.01/5 від 11.02.2000).
Губський Ю.І.
Г93 Біологічна хімія: Підручник.– Київ-Тернопіль: Укрмедкнига, 2000. –508 с.
ISBN 966-7364-41-0
В підручнику викладений курс біологічної хімії відповідно до програми для студентів
вищих медичних навчальних закладів: розглянуті структура та ферментативні реакції
перетворення основних класів біомолекул — білків, амінокислот, вуглеводів, ліпідів, вітамінів,
нуклеотидів, інформаційних нуклеїнових кислот. Висвітлені питання молекулярної біології та
генетики, біохімічні основи фізіологічних функцій організму людини та їх нейрогормональної
регуляції, молекулярні механізми виникнення найбільш поширених патологічних процесів
(атеросклерозу, цукрового діабету, ожиріння) та спадкових ензимопатій. Значну увагу приділено
молекулярним механізмам функціонування клітин крові, печінки, м’язів, імунної, нервової
системи, ензимодіагностиці та біохімічним засадам фармакотерапії порушень обміну речовин.
Підручник може бути також використаний аспірантами, спеціалістами та науковцями, що
працюють в галузі загальної і медичної біохімії, фармакології, мікробіології та інших біомедичних
наук.
ББК 28072Я73
УДК 612.015(075.8)+577.1(075.8)
ISBN 966-7364-41-0 © Ю.І.Губський, 2000
3
Çì³ñò
ЗМІСТ
ПЕРЕРЕДМОВА .................................................................................................................................. 7
ВСТУП. БІОХІМІЯ ЯК НАУКА ........................................................................................................ 9
РОЗДІЛ I. БІОМОЛЕКУЛИ ТА КЛІТИННІ СТРУКТУРИ ........................................................ 12
ГЛАВА 1. БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИН ...................................................................... 12
ГЛАВА 2. БІЛКИ І ПЕПТИДИ ......................................................................................................... 18
2.1. Біологічні функції білків і пептидів ...................................................................................... 18
2.2. Будова й амінокислотний склад білків і пептидів ................................................................ 19
2.3. Рівні структурної організації білкових молекул ................................................................. 26
2.4. Фізико-хімічні властивості білків .......................................................................................... 33
2.5. Методи виділення та аналізу білків і пептидів .................................................................... 36
ГЛАВА 3. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ. НУКЛЕОТИДИ ................................................................. 41
3.1. Нуклеотиди: структура, біохімічні функції ........................................................................ 41
3.2. Нуклеїнові кислоти: структура, властивості ...................................................................... 44
3.3. Будова, властивості та біологічні функції ДНК .................................................................. 45
3.4. Будова, властивості й біологічні функції РНК .................................................................... 52
3.5. Молекулярна організація ядерного хроматину і рибосом ................................................ 55
ГЛАВА 4. ВУГЛЕВОДИ ТА ЇХ ПОХІДНІ ....................................................................................... 57
4.1. Моносахариди та їх похідні ................................................................................................... 57
4.2. Складні вуглеводи. Олігосахариди. Гомополісахариди ...................................................... 61
4.3. Гетерополісахариди. Протеоглікани. Глікопротеїни ............................................................ 65
4.4. Пептидоглікани клітинної стінки мікроорганізмів .............................................................. 69
ГЛАВА 5. ЛІПІДИ. БІОМЕМБРАНИ .............................................................................................. 72
5.1. Загальна характеристика ліпідів. Жирні кислоти ................................................................ 72
5.2. Структура та функції ліпідів ................................................................................................ 73
5.3. Біологічні мембрани .............................................................................................................. 78
РОЗДІЛ II. ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ .................................................. 86
ГЛАВА 6. ФЕРМЕНТИ. I. СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ .......................................................... 86
6.1. Властивості ферментів як біологічних каталізаторів .......................................................... 86
6.2. Номенклатура та класифікація ферментів ........................................................................... 88
6.3. Хімічна структура ферментів. Коферменти ........................................................................ 89
ГЛАВА 7. ФЕРМЕНТИ. II. МЕХАНІЗМИ КАТАЛІЗУ. КІНЕТИКА. РЕГУЛЯЦІЯ ................ 98
7.1. Механізми дії ферментів ........................................................................................................ 98
7.2. Кінетика ферментативних реакцій. Інгібітори ферментів ................................................. 103
7.3. Регуляція ферментативних процесів. Ензимопатії ............................................................. 108
ГЛАВА 8. ОБМІН РЕЧОВИН: КАТАБОЛІЗМ, АНАБОЛІЗМ ................................................... 115
8.1.Загальні закономірності обміну речовин ............................................................................ 115
8.2. Методи вивчення обміну речовин ..................................................................................... 118
8.3. Стадії катаболізму біомолекул ............................................................................................ 120
ГЛАВА 9. БІОЕНЕРГЕТИЧНІ ПРОЦЕСИ: ТРАНСПОРТ ЕЛЕКТРОНІВ;
OКИСНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ В МІТОХОНДРІЯХ ........................................... 122
9.1. Реакції біологічного окислення ........................................................................................... 122
9.2. Ферменти біологічного окислення ...................................................................................... 125
9.3. Молекулярна організація ланцюга біологічного окислення в мітохондріях .................. 127
9.4. Окисне фосфорилювання та АТФ-синтетаза мітохондрій ................................................ 130
9.5. Інгібітори електронного транспорту та окисного фосфорилювання в мітохондріях .... 134
4 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
ГЛАВА 10. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ...................................................................... 137
10.1. Загальна характеристика циклу трикарбонових кислот ................................................. 137
10.2. Ферментативні реакції циклу трикарбонових кислот ..................................................... 138
10.3. Енергетичний баланс циклу трикарбонових кислот ....................................................... 140
10.4. Анаплеротичні й амфіболічні реакції ............................................................................... 142
РОЗДІЛ III. МЕТАБОЛІЗМ ОСНОВНИХ КЛАСІВ БІОМОЛЕКУЛ ....................................... 143
ГЛАВА 11. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ. I. АЕРОБНЕ ТА АНАЕРОБНЕ
ОКИСЛЕННЯ ГЛЮКОЗИ ........................................................................................... 143
11.1. Шляхи внутрішньоклітинного катаболізму моносахаридів ........................................... 143
11.2. Аеробне окислення глюкози ............................................................................................. 144
11.3. Гліколіз: реакції, енергетика, регуляція ........................................................................... 146
11.4. Енергетика гліколізу й аеробного окислення глюкози .................................................... 154
ГЛАВА 12. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ. II. АЛЬТЕРНАТИВНІ ШЛЯХИ
ОБМІНУ МОНОСАХАРИДІВ. РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ ГЛЮКОЗИ ................... 156
12.1. Пентозофосфатний шлях метаболізму глюкози ............................................................... 156
12.2. Метаболізм фруктози та галактози .................................................................................. 163
12.3. Біосинтез глюкози та його регуляція ................................................................................ 166
12.4. Регуляція обміну глюкози. Цукровий діабет .................................................................. 172
ГЛАВА 13. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ. III. ОБМІН ГЛІКОГЕНУ ТА ГЛІКОКОН’ЮГАТІВ . 176
13.1. Біосинтез та розщеплення глікогену ................................................................................ 176
13.2. Регуляція глікогенолізу та глікогенезу ............................................................................. 179
13.3. Генетичні порушення метаболізму глікогену .................................................................. 184
13.4. Метаболізм вуглеводних компонентів глікокон’югатів ................................................... 185
13.5. Глікозидози. Генетичні порушення метаболізму глікозамінгліканів ............................... 188
ГЛАВА 14. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ. I. КАТАБОЛІЗМ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ
ТА ЖИРНИХ КИСЛОТ ............................................................................................. 190
14.1. Шляхи метаболізму ліпідів ................................................................................................ 190
14.2. Катаболізм триацилгліцеролів .......................................................................................... 190
14.3. Окислення жирних кислот та гліцеролу ........................................................................... 194
14.4. Біосинтез та катаболізм кетонових тіл .............................................................................. 197
ГЛАВА 15. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ. II. БІОСИНТЕЗ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ
І СКЛАДНИХ ЛІПІДІВ.............................................................................................. 201
15.1. Біосинтез вищих жирних кислот ....................................................................................... 201
15.2. Біосинтез триацилгліцеролів ............................................................................................. 209
15.3. Біосинтез фосфогліцеридів ................................................................................................ 211
15.4. Метаболізм сфінголіпідів. Сфінголіпідози ...................................................................... 213
ГЛАВА 16. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ. III. ОБМІН ХОЛЕСТЕРИНУ. ТРАНСПОРТ ЛІПІДІВ ...... 217
16.1. Біосинтез холестерину ....................................................................................................... 217
16.2. Біотрансформація холестерину ........................................................................................ 220
16.3. Транспорт та депонування ліпідів. Ліпопротеїни плазми. Гіперліпопротеїнемії ......... 224
16.4. Патологія ліпідного обміну: атеросклероз, ожиріння, цукровий діабет ....................... 230
ГЛАВА 17. МЕТАБОЛІЗМ АМІНОКИСЛОТ. I. ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ..... 234
17.1. Шляхи перетворення амінокислот у тканинах ................................................................. 234
17.2. Трансамінування амінокислот .......................................................................................... 236
17.3. Дезамінування амінокислот ............................................................................................... 239
17.3. Декарбоксилювання амінокислот ..................................................................................... 240
17.4. Обмін аміаку. Біосинтез сечовини ..................................................................................... 242
5
Çì³ñò
ГЛАВА 18. МЕТАБОЛІЗМ АМІНОКИСЛОТ. II. СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ ... 248
18.1. Шляхи метаболізму безазотистого скелета амінокислот. Глюкогенні
та кетогенні амінокислоти ................................................................................................. 248
18.2. Спеціалізовані шляхи обміну ациклічних амінокислот .................................................... 250
18.3. Спеціалізовані шляхи обміну циклічних амінокислот ..................................................... 260
18.4. Метаболізм порфіринів ..................................................................................................... 263
РОЗДІЛ IV. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ СПАДКОВОСТІ ТА РЕАЛІЗАЦІЇ
ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ .................................................................................... 270
ГЛАВА 19. БІОСИНТЕЗ НУКЛЕОТИДІВ .................................................................................... 270
19.1. Біосинтез пуринових нуклеотидів .................................................................................... 270
19.2. Біосинтез піримідинових нуклеотидів .............................................................................. 275
19.3. Біосинтез дезоксирибонуклеотидів .................................................................................. 277
19.4. Катаболізм нуклеотидів ..................................................................................................... 281
ГЛАВА 20. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ РЕПЛІКАЦІЇ ДНК ТА ТРАНСКРИПЦІЇ РНК . 284
20.1. Біологічне значення реплікацїї ДНК. Напівконсервативний механізм реплікації ......... 284
20.2. Ферменти реплікації ДНК у прокаріотів та еукаріотів .................................................. 286
20.3. Молекулярні механізми реплікації ДНК .......................................................................... 289
20.4. Ферменти та механізми транскрипції РНК ....................................................................... 292
ГЛАВА 21. БІОСИНТЕЗ БІЛКІВ У РИБОСОМАХ .................................................................... 300
21.1. Генетичний код та його властивості .................................................................................. 300
21.2. Рибосомальна білоксинтезуюча система .......................................................................... 302
21.3. Етапи та механізми трансляції ........................................................................................... 304
21.4. Регуляція трансляції. Антибіотики — інгібітори трансляції .......................................... 307
ГЛАВА 22. РЕГУЛЯЦІЯ ЕКСПРЕСІЇ ГЕНІВ. ГЕНЕТИЧНІ РЕКОМБІНАЦІЇ ........................ 310
22.1. Регуляція експресії генів у прокаріотів ........................................................................... 310
22.2. Особливості молекулярної організації та експресії геному в еукаріотів ...................... 313
22.3. Молекулярні механізми мутацій. Репарація ДНК ........................................................... 322
22.4. Генна інженерія. Рекомбінантні ДНК ................................................................................ 326
РОЗДІЛ V. ГОРМОНИ В СИСТЕМІ МІЖКЛІТИННОЇ ІНТЕГРАЦІЇ ФУНКЦІЙ ОРГАНІЗМУ 330
ГЛАВА 23. ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЯЦІЯ МЕТАБОЛІЗМУ ТА БІОЛОГІЧНИХ
ФУНКЦІЙ КЛІТИНИ. I. БІОХІМІЧНІ СИСТЕМИ
ВНУТРІШНЬОКЛІТИННОЇ ТРАНСДУКЦІЇ ГОРМОНАЛЬНИХ СИГНАЛІВ . 330
23.1. Гормони та біорегулятори: визначення, класифікація .................................................... 330
23.2. Молекулярно-клітинні механізми дії пептидних гормонів та біогенних амінів ............. 332
23.3. Молекулярно-клітинні механізми дії стероїдних та тиреоїдних гормонів ..................... 341
ГЛАВА 24. ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЯЦІЯ МЕТАБОЛІЗМУ ТА БІОЛОГІЧНИХ
ФУНКЦІЙ КЛІТИНИ. II. ГОРМОНИ — ПОХІДНІ ПЕПТИДІВ
ТА АМІНОКИСЛОТ .................................................................................................. 345
24.1. Гіпоталамо-гіпофізарна система ........................................................................................ 345
24.2. Гормони підшлункової залози та шлунково-кишкового тракту .................................... 353
24.3. Тиреоїдні гормони ............................................................................................................. 360
24.4. Катехоламіни та інші біогенні аміни .................................................................................. 363
ГЛАВА 25. ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЯЦІЯ МЕТАБОЛІЗМУ ТА БІОЛОГІЧНИХ ФУНКЦІЙ
КЛІТИНИ. III. ГОРМОНИ ТА ІНШІ БІОРЕГУЛЯТОРИ
ЛІПІДНОГО ПОХОДЖЕННЯ ..................................................................................... 367
25.1. Загальна характеристика стероїдних гормонів ................................................................ 367
25.2. Стероїдні гормони кори наднирникових залоз ................................................................ 368
6
Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
25.3. Стероїдні гормони статевих залоз .................................................................................... 373
25.4. Гормони — регулятори гомеостазу кальцію .................................................................. 376
25.5. Фізіологічно активні ейкозаноїди ...................................................................................... 381
РОЗДІЛ VI. БIОХIМIЯ ФIЗIОЛОГIЧНИХ ФУНКЦIЙ ТА СПЕЦIАЛIЗОВАНИХ ТКАНИН ... 386
ГЛАВА 26. БIОХІМІЯ ХАРЧУВАННЯ ЛЮДИНИ. I. КОМПОНЕНТИ ХАРЧУВАННЯ.
ТРАВЛЕННЯ ПОЖИВНИХ РЕЧОВИН .................................................................. 386
26.1. Компоненти нормального харчування людини ................................................................ 386
26.2. Потреби організму людини в поживних сполуках .......................................................... 387
26.3. Механізми перетворення поживних речовин у травному тракті .................................. 392
ГЛАВА 27. БІОХІМІЯ ХАРЧУВАННЯ ЛЮДИНИ. II. ВІТАМІНИ ЯК КОМПОНЕНТИ
ХАРЧУВАННЯ ........................................................................................................... 399
27.1. Вітаміни як компоненти харчування людини; хвороби вітамінної недостатності .......... 399
27.2. Коферментні вітаміни. Аскорбінова кислота та біофлавоноїди ...................................... 400
27.3. Жиророзчинні вітаміни. Біоантиоксиданти ...................................................................... 411
ГЛАВА 28. БІОХІМІЯ І ПАТОБІОХІМІЯ КРОВІ ....................................................................... 418
28.1. Фізіологічні та біохімічні функції крові ........................................................................... 418
28.2. Дихальна функція еритроцитів. Біохімія та патобіохімія гемоглобіну ........................... 419
28.3. Кислотно-основний стан. Буферні системи крові ........................................................... 423
28.4. Біохімічний склад крові в нормі та патології ................................................................... 425
ГЛАВА 29. БІОХІМІЯ ЗГОРТАЛЬНОЇ І ФІБРИНОЛІТИЧНОЇ СИСТЕМ КРОВІ ................. 432
29.1. Функціональні та біохімічні властивості системи гемостазу ........................................... 432
29.2. Згортальна система крові: компоненти, механізми активації .......................................... 433
29.3. Антизгортальна система крові .......................................................................................... 437
29.4. Фібринолітична система крові .......................................................................................... 438
ГЛАВА 30. БІОХІМІЯ ІМУННИХ ПРОЦЕСІВ ........................................................................... 440
30.1. Клітинна і біохімічна організація імунної системи ........................................................... 440
30.2. Імуноглобуліни: структура, біологічні функції .............................................................. 441
30.3. Медіатори і гормони імунної системи .............................................................................. 443
30.4. Біохімічні компоненти системи комплементу .................................................................... 445
30.5. Біохімічні механізми імунодефіцитних станів ................................................................... 447
ГЛАВА 31. БІОХІМІЧНІ ФУНКЦІЇ ПЕЧІНКИ. ПРОЦЕСИ ДЕТОКСИКАЦІЇ ....................... 449
31.1. Структурно-функціональна організація печінки. Біохімічні функції гепатоцитів ....... 449
31.2. Біотрансформація ксенобіотиків та ендогенних токсинів. Мікросомальне окислення ....... 455
31.3. Обмін жовчних пігментів. Біохімія жовтяниць ................................................................ 462
ГЛАВА 32. БІОХІМІЯ М’ЯЗІВ І М’ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ ............................................... 468
32.1. Ультраструктура і хімічний склад м’язів ........................................................................ 468
32.2. Молекулярні механізми м’язового скорочення .............................................................. 472
32.3. Біоенергетика м’язової тканини ........................................................................................ 476
ГЛАВА 33. БІОХІМІЯ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ. МОЛЕКУЛЯРНА ПСИХОБІОЛОГІЯ ........ 478
33.1. Особливості хімічного складу та метаболізму нервової системи ................................... 478
33.2. Нейромедіатори. Рецептори для нейромедіаторів і фізіологічно активних сполук ..... 480
33.3. Нейрохімічні механізми дії психотропних засобів ............................................................ 488
ЛІТЕРАТУРА .................................................................................................................................... 491
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК ...................................................................................................... 492
7
Ïåðåäìîâà
ПЕРЕДМОВА
Біологічна хімія, або біохімія — фундаментальна біомедична наука та навчальна дисципліна,
що вивчає хімічний склад живих організмів та хімічні перетворення, яким підлягають молекули,
що входять до їх складу.
Розвиток усього комплексу наук про живу природу протягом ХХ сторіччя відзначався
зростанням значення молекулярного рівня мислення, концептуальних підходів та методів
дослідження. Стає все більш зрозумілим, що тільки шляхом розкриття хімічних, фізико-хімічних,
молекулярних та субмолекулярних закономірностей функціонування живих систем можливе
опанування внутрішніми механізмами патогенезу найважливіших хвороб людини —
онкологічних, серцево-судинних, вірусних, генетичних, нейропсихічних захворювань,
імунодефіцитів, розшифровка механізмів старіння, що визначають тривалість життя Homo sapiens
як біологічного виду. Відповідно до цього фундаментального твердження, сучасна біохімія та її
відгалуження — 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, екології тощо.
У вищих медичних навчальних закладах України біохімія традиційно викладається протягом
третього-четвертого семестрів і складає, поряд з іншими медико-біологічними дисциплінами,
підвалини для подальшого вивчення загальної патології та клінічних предметів, формування
наукового світогляду лікаря. У зв’язку з цим, курс біохімії, який вивчається студентами медичних
університетів або відповідних факультетів загальноосвітніх університетів, повинен містити наукові
відомості, що стосуються насамперед біохімічних процесів, які відбуваються в організмі здорової
та хворої людини, і засвоєння яких є необхідною передумовою для оволодіння знаннями про
молекулярні механізми як фізіологічних функцій, так і розвитку патологічних процесів. Крім
того, значення глибокого розуміння закономірностей перебігу біохімічних процесів в організмі
людини постійно зростає у зв’язку з тією обставиною, що біохімічні, молекулярно-біологічні
підходи та методи посідають все важливіше місце в діагностичному процесі, контролі за перебігом
хвороби та ефективністю лікування.
Вивчення в курсі біохімії молекулярної організації клітини, зокрема біологічних мембран,
ядерного генетичного апарату, рибосомальної системи білкового синтезу, механізмів регуляції
біохімічних реакцій, які лежать у підгрунті фізіологічних функцій організму людини і вищих
тварин в нормі та за умов патології, має принципове значення також для розробки засобів та
методів фармакологічної корекції порушених метаболічних процесів. Визначним досягненням
біохімічної фармакології стало створення високоефективних кардіотропних, нейротропних,
протизапальних, протипухлинних, протиінфекційних засобів. Так, наприклад, розв’язання
молекулярних і клітинних основ впливу нейромедіаторів і фізіологічно активних сполук з
8 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
психоактивними властивостями на біохімічні процеси в нейронах головного мозку, дослідження
молекулярної біології мембранних рецепторів для біогенних амінів та нейропептидів створило
наукові засади для можливостей спрямованого синтезу психотропних препаратів. Виходячи із
зазначеного, вивчення біологічної хімії є особливо важливим для подальшого засвоєння
студентами загальної та клінічної фармакології (медичні факультети), фармацевтичної хімії,
фармакотерапії та клінічної фармації (фармацевтичні факультети).
Кінець XX сторіччя позначився новою хвилею інфекційних хвороб, особливо вірусного
походження. За оцінками багатьох вчених, справжньою загрозою існуванню людини стало
розповсюдження вірусу СНІДу, що поставило принципово нові наукові проблеми перед
біохімією мікроорганізмів, медичною мікробіологією. Вивчення молекулярної біології і генетики
мікроорганізмів, особливостей будови та біосинтезу вірусних та бактеріальних ДНК та РНК,
розробки в галузі технології рекомбінантних ДНК стають все більш актуальними завданнями
біохімічної науки, що повинно знайти своє відображення у відповідних навчальних програмах.
Таким чином, викладання біохімії у вищих навчальних закладах медичного профілю потребує
ретельного відбору із загального великого обсягу сучасної наукової інформації про біохімічні
закономірності в живих організмах різного еволюційного рівня саме тих відомостей, що
становлять предмет медичної біохімії. Разом з тим, автор вважає, що, незважаючи на професійну
спрямованість та певну профілізацію навчального матеріалу, що викладається, курс біохімії в
системі вищих медичних закладів повинен обов’язково зберігати характер фундаментальної
біологічної дисципліни, яка забезпечує базову університетську освіту майбутнього фахівця.
Тому основа структури підручника — викладення сучасного стану питань, що стосуються
будови, біологічних функцій та біосинтезу основних класів біомакромолекул — білків та
нуклеїнових кислот, основ ензимології, біоенергетики, мембранології, молекулярної генетики,
механізмів та взаємозв’язку обміну різних класів біомолекул, закономірностей їх регуляції
фізіологічно активними сполуками — внутрішньоклітинними месенджерами та гормонами,
багато з яких застосовуються в сучасній клінічній практиці як ефективні лікарські засоби нового
покоління ( інсуліни, стероїди, інтерферони, імуномодулятори тощо).
Біохімія разом із молекулярною біологією є однією з найбільш розвинених природничих
наук сучасності і тому вирішення зазначеного двоєдиного дидактичного завдання можливе
лише за умов ретельного критичного відбору та логічного структурування навчального
матеріалу. Сприяє викладанню основних теоретичних закономірностей біохімії протягом двох
семестрів, що відводяться на цей курс у вищих навчальних закладах, вивчення біохімічної статики
та сучасних уявлень про структуру біомолекул в курсі біоорганічної хімії, який у більшості
медичних університетів передує вивченню біохімії та закінчується контрольним іспитом у
другому навчальному семестрі (див.: Біоорганічна хімія: Навчальний посібник/ Ю.І.Губський
та співавт.– К.: Вища школа, 1997). Розвиток елементів патобіохімії, шо включені в матеріал
підручника, доцільно повторно та на більш високому науковому і методичному рівнях
здійснювати в окремому навчальному курсі — клінічної біохімії, яку на медичних факультетах
доцільно викладати на п’ятому-шостому курсах, тобто після завершення вивчення основних
клінічних дисциплін терапевтичного та хірургічного циклів.
В основу підручника, що пропонується, покладено багаторічний досвід викладання на
кафедрі біоорганічної та біологічної хімії Національного медичного університету ім. О.О. Бого-
мольця. Пропонується принципово новий тип підручника для вищих медичних навчальних
закладів, і всі зауваження та пропозиціїї для його удосконалення будуть сприйняті з вдячністю.
Автор висловлює глибоку подяку педагогічному колективу кафедри за участь в обговоренні та
формулюванні концептуальних засад викладання біохімії в системі вищої медичної освіти.
9Âñòóï. Á³îõ³ì³ÿ ÿê íàóêà
Das Sein ist ewig: denn Gesetze
Bewahren die Lebend’gen Schatze,
Aus welchen sich das All geschmuckt.
Johann-Wolfgang Goethe
Буття є вічним, тому що існують
Закони, що оберігають скарби Життя,
якими прикрашає себе Всесвіт.
Йоган-Вольфганг Гете
ВСТУП. БІОХІМІЯ ЯК НАУКА
Біологічна хімія (біохімія) — наука, предметом вивчення якої є хімічний склад
організмів людини, тварин, рослин, мікроорганізмів, вірусів та хімічні (біохімічні) реакції,
в які вступають біоорганічні (переважно) і біонеорганічні сполуки (біомолекули), що
входять до складу цих організмів.
Структура біомолекул, тобто хімічна будова і просторове розміщення окремих
атомів — конфігурація та конформація — є передумовою їх взаємодії та перетворень
у біохімічних реакціях, що складають “молекулярну логіку живого” (А. Ленінджер,
1982). Ці біохімічні перетворення становлять сутність обміну речовин (метаболізму).
Оскільки переважаюча більшість реакцій метаболізму здійснюється за участю білкових
каталізаторів — ферментів, основним завданням біохімії є вивчення перебігу
ферментативних реакцій, їх механізмів та регуляції.
Окрім суто хімічних перетворень, що супроводжуються змінами ковалентної
структури біомолекул, визначальну роль в біологічних процесах мають фізико-хімічні
закономірності, які становлять основу численних взаємодїй між комплементарними
сполуками — білками, нуклеїновими кислотами, оліго- та полісахаридами і низько-
молекулярними лігандами, в тому числі неорганічними речовинами. Такі нековалентні
(водневі, йонні, диполь-дипольні, гідрофобні) взаємодії беруть участь в утворенні
надмолекулярних комплексів та біоструктур, ферментативному каталізі, зв’язуванні
гормонів та медіаторів з рецепторами, імуноглобулінів (антитіл) з відповідними
структурами на поверхні лімфоцитів та макрофагів, міжклітинному “пізнаванні” тощо.
Об’єктами вивчення біохімії є живі організми на різних етапах еволюційного
розвитку: віруси, бактерії, рослини, тварини, організм людини як біологічний об’єкт.
Основні розділи біохімії:
1. Статична біохімія.
2. Динамічна біохімія.
3. Функціональна біохімія.
10 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Статична біохімія вивчає хімічний склад живих організмів та структуру
біоорганічних молекул — біомолекул, що входять до їх складу: білків, амінокислот,
нуклеїнових кислот, нуклеотидів, вуглеводів та їх похідних, вітамінів, гормонів тощо).
Сучасна статична біохімія за своїми об’єктами дослідження та методологією
близька до біоорганічної хімії. На відміну від біоорганічної хімії, біохімія приділяє
основну увагу значенню певних біомолекул в утворенні клітиних та тканинних
структур, реалізації фізіологічних функцій організму.
Динамічна біохімія вивчає хімічні (біохімічні) реакції, що складають у своїй
сукупності обмін речовин, або метаболізм живих організмів. Головними своїми
завданнями динамічна біохімія має вивчення перебігу та механізмів реакцій обміну
речовин, зокрема перетворень в живих організмах таких основних біомолекул, як
вуглеводи, ліпіди, білки, нуклеїнові кислоти. Прості біоорганічні молекули, які
утворюються в процесі метаболізму (моносахариди, жирні кислоти, амінокислоти,
низькомолекулярні карбонові кислоти та їх похідні, нуклеотиди тощо) носять назву
метаболітів.
Біоенергетика — розділ динамічної біохімії, що вивчає закономірності
вивільнення, акумуляцїї та споживання енергії в біологічних системах.
Розуміння структури та діяльності живих клітин неможливе без молекулярної
біології та молекулярної генетики — розділів біохімії та клітинної біології, що
розкривають закономірності збереження та реалізації генетичної інформації шляхом
вивчення будови та функціонування інформаційних макромолекул — нуклеїнових
кислот ДНК та РНК.
Розвиток молекулярної біології та молекулярної генетики сприяв виникненню
принципово нового етапу клітинної біології — генної інженерії, або біотехнології,
які вивчають можливості направлених змін ядерного генетичного апарату;
особливого значення набуває використання технології рекомбінантних ДНК для
синтезу фізіологічно активних сполук — антибіотиків, гормонів, ферментів.
Функціональна біохімія — розділ біохімії, що вивчає біохімічні реакції, які лежать
в основі певних фізіологічних функцій. Функціональна біохімія близька за своєю
сутністю до молекулярної фізіології.
Функціональна біохімія, зокрема, вивчає: біохімічні основи травлення поживних
речовин (білків, вуглеводів, ліпідів) в шлунково-кишковому тракті; біохімічні
механізми, що лежать в основі таких фізіологічних процесів, як м’язове скорочення,
генерація, проведення нервового імпульсу та вищі інтегративні функції нервової
системи, дихальна функція крові, регуляція кислотно-основного стану в організмі,
екзо- та ендокринна секреція, детоксикаційна функція печінки, видільна функція нирок,
захисна функція імунної системи тощо.
Головним об’єктом дослідження та вивчення в медичній біохімії є організм
людини. Біохімія людини, або 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
11Âñòóï. Á³îõ³ì³ÿ ÿê íàóêà
генезу, зокрема спричинених дією на організм ушкоджуючих 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 (науково-практичною галуззю) 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 (медична) 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 процесі.
12 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Розділ I. БІОМОЛЕКУЛИ ТА КЛІТИННІ СТРУКТУРИ
ГЛАВА 1. БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИН
Біохімічний склад живих організмів суттєво відрізняється від хімічного складу
компонентів неживої природи на Землі та відомих космічних об’єктах.
Особливості хімічного складу живих організмів
У живих організмах в складі біоорганічних сполук та у вільному стані виявлено
більше 40 різних хімічних елементів, що знаходяться також у складі літосфери та
атмосфери.
Разом з тим, кількісний склад та розподіл хімічних елементів у живих
організмах та в земній корі суттєво відрізняються, тобто виникнення
життя в умовах Землі було пов’язане з
відбором хімічних елементів.
Так, зокрема, якщо в складі земної кори більше 1/3 її кількості займають Al та Si,
то вони практично відсутні в біологічних системах або зустрічаються у слідових
кількостях. З іншого боку, вуглець (С), азот (N), водень (Н) та фосфор (Р) скон-
центровані в живих організмах у кількостях, що в 20-200 разів перевищують їх вміст
у об’єктах неживої природи (табл. 1.1):
Т а б л и ц я 1.1. Вміст хімічних елементів (%) в земній корі та в організмі людини
Найбільшу кількість (більше 99 % елементного складу) в живих організмах
складають такі елементи, як вуглець (С), кисень (О), водень (Н), азот (N),
фосфор (P), сірка (S).
Ці елементи входять до складу всіх біоорганічних сполук живих організмів
(біомолекул) і отримали назву біоелементів, або органогенів.
Елемент Земна кора Тіло людини
Кисень (O) 50,0 63,0
Кремній (Si) 28,0 сліди
Алюміній (Al) 9,0 –
Залізо (Fe) 5,0 0,004
Водень (H) 0,9 10,0
Вуглець (C) 0,09 20,0
Фосфор (P) 0,08 1,0
Азот (N) 0,03 3,0
Сірка (S) 0,05 2,0
13Ãëàâà 1. Á³îõ³ì³÷í³ êîìïîíåíòè êë³òèí
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 хрома-
тину 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 (протеїни) —
найважливіший клас біомолекул, з наявністю яких, а також
нуклеїнових кислот, пов’язують саму хімічну сутність
життя в умовах Землі. Білки є біополімерами, що
складаються з двадцяти L-амінокислот, які утворилися
в умовах хімічної еволюції на етапі “переджиття”
(П.Тейяр де Шарден) і становлять разом з нуклеотидами
молекулярну абетку будь-якої живої клітини. Головний
внесок у становлення уявлень про пептидну будову
білкових молекул зроблено видатним німецьким хіміком-
органіком та біохіміком Е.Фішером.
Нуклеїнові кислоти та нуклеотиди. Нуклеїнові
кислоти — дезоксирибонуклеїнові (ДНК) та рибонук-
леїнові (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. Лінійна послідовність певних
мононуклеотидів у складі генетичних молекул нуклеїнових кислот детермінує
послідовність амінокислотних залишків у відповідному білку (пептиді). Сутність
генетичного (біологічного) коду полягає в тому, що послідовність із трьох нуклеотидів
(триплет, або кодон) у молекулі ДНК або РНК відповідає одній з 20 L-амінокислот,
що включається на певне місце пептидного ланцюга, який синтезується.
Рис. 1.1. Фішер (Fischer) Еміль
Герман (1852-1919).
Наукові розробки з хімії
пептидів, вуглеводів,
пуринів. Нобелівська
премія (1902).
14 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Відкриття нуклеїнових кислот — хімічних сполук,
вивчення структури та властивостей яких принципово
змінило обличчя сучасних біології та медицини, —
людство зобов’язане швейцарському лікарю та біохі-
міку Ф.Мішеру (1869 р.), який вперше виявив у клітин-
них ядрах (nucleus) фосфатовмісні сполуки кислого
характеру.
Сучасна молекулярна біологія народилася майже
через 100 років після відкриття Ф.Мішером нуклеїнових
кислот в результаті фундаментального дослідження
Дж.Уотсона (J.Watson) та Фр.Кріка (Fr.Crick) (1953 р.).
Дж.Уотсон та Фр.Крік постулювали для молекули
ДНК структуру типу “подвійної спіралі”, що стало пе-
редумовою розкриття основних закономірностей її
подвоєння — реплікації та пояснило фундаментальну
загадку життя — можливість консерватизму спад-
ковості шляхом копіювання спадкових ознак у прийдеш-
ніх поколіннях. Подальша розшифровка генетичного
коду, тобто відповідності послідовностей триплетів нуклеотидів в молекулах генетичних
нуклеїнових кислот послідовностям амінокислот в білкових молекулах, та з’ясування
біологічних функцій різних класів РНК дозволило сформулювати основні закономірності
молекулярної біології, які визначають напрямки перенесення біологічної інформації у
всіх живих системах:
Вуглеводи та їх похідні — клас біомолекул, що складається з моносахаридів,
гомо- та гетерополісахаридів. В організмі людини та тварин моносахариди (глюкоза,
фруктоза, галактоза) та гомополісахарид глікоген виконують енергетичні функції;
гетерополісахариди (до складу яких як мономери входять переважно аміноцукри-
гексозаміни та їх N-ацетильовані похідні) беруть участь в утворенні біологічних
структур (мембран, глікокаліксу, сполучної тканини).
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 функ-
ціонують певні найважливіші ферментні системи. Вітаміни повинні постійно надходити
в організм у складі продуктів харчування, переважно рослинного (більшість
водорозчинних вітамінів) або тваринного (деякі жиророзчинні вітаміни) походження.
Гормони — біомолекули, що є передавачами хімічних сигналів у системі
ендокринної регуляції. Завдяки регуляторній дії гормонів, медіаторів нервової системи
та наявності локалізованих на клітинах-мішенях біохімічних структур, що специфічним
ДНК РНК
білок
Рис. 1.2. Мішер (Miescher) Іоган
Фрідріх (1844-1895).
Першовідкривач нуклеї-
нових кислот.
15Ãëàâà 1. Á³îõ³ì³÷í³ êîìïîíåíòè êë³òèí
чином реагують на дію цих біорегуляторів зміною своєї функціональної активності
(клітинних рецепторів), відбувається інтеграція окремих анатомо-фізіологічних систем
у цілісний багатоклітинний організм.
Крім зазначених біоорганічних молекул, до складу всіх живих організмів входить
певна кількість вільних амінокислот, азотистих сполук, нуклеотидів, низькомолекулярних
моно-, ди- і трикарбонових кислот, спиртів, амінів, що є проміжними продуктами обміну
речовин. У всіх живих організмах міститься значна (стала) кількість води та міне-
ральних елементів (зокрема кальцію, калію, натрію, магнію, заліза, марганцю, хлору,
йоду), що виконують специфічні регуляторні та структурні функції, беруть участь як
кофактори в багатьох ферментних реакціях, є компонентами металозалежних
ферментів.
Хімічний склад живих клітин відрізняється у прокаріотів та еукаріотів, і в багатоклі-
тинному організмі суттєво залежить від функціональної спеціалізації клітини, що, в
свою чергу, визначається її диференціацією, яка відбувається протягом раннього
онтогенезу. Склад головних біохімічних компонентів у найбільш вивчених об’єктах
дослідження біохімії та молекулярної біології — кишковій паличці Escherichia Coli
(E.Coli) та печінці білих щурів — наведено в табл. 1.2.
Т а б л и ц я 1.2. Хімічний склад (% загальної маси) метаболічно активних клітин прокаріотів
та еукаріотів
Середній кількісний хімічний склад організму людини подано в табл. 1.3.
Т а б л и ц я 1.3. Загальний хімічний склад організму людини масою 65-70 кг
(за S. Rapoport, 1964; R. Murray, 1988, середні дані)
Біохімічний склад усіх живих організмів знаходиться в стаціонарному стані, тобто
в стані постійного оновлення всіх клітинних компонентів, яке забезпечується
безперервним обміном речовинами та енергією з навколишнім середовищем (мета-
болізмом). Для всіх класів біомолекул характерна середня тривалість напівжиття
(Т
1/2
), протягом якого компоненти певної біологічної структури (цілого організму, органа,
Біохімічний компонент E. Coli Печінка щура
Білки 15 21
Нуклеїнові кислоти:
ДНК 10,2
РНК 61
Вуглеводи 3 3–5
Ліпіди 26
Вода 70 69
Неорганічні солі 1 1–2
Біохімічний компонент Вміст, % маси тіла Маса, кг
Білки 18 11–14
Нуклеїнові кислоти 10,7–1,0
Вуглеводи 10,7–1,0
Ліпіди (жири) 14 9–10
Вода 61 40–42
Мінеральні сполуки 53,5–4,0
16 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
тканини, клітинної структури) обмінюються наполовину. В організмі людини Т
1/2
білків усього тіла складає в середньому 12 тижнів, білків печінки — 2 тижні, білків
м’язів — 27 тижнів; напівоновлення білків кісткової тканини займає багато місяців
(А.Я.Николаєв, 1998).
Основні біохімічні перетворення біо-
молекул, які становлять сутність обміну
речовин, відбуваються внутрішньоклі-
тинно, в субклітинних органелах — ядрі,
мітохондріях, рибосомах, ендоплазма-
тичному ретикулумі, лізосомах, перокси-
сомах, апараті Гольджі. Для кожної суб-
клітинної структури притаманні певна
сукупність ферментів, що в ній містять-
ся, та певна послідовність реакцій обмі-
ну речовин — компартменталізація
метаболізму (від англ. compartment —
відсік, відділення). Схему будови живої
клітини подано на рис.1.3.
У зв’язку з динамічним станом всіх
біологічних структур живі організми
повинні постійно отримувати із середо-
вища у вигляді продуктів харчування
основні біомолекули — білки, вуглеводи, ліпіди, вітаміни, а також воду і певні
неорганічні сполуки. Залежно від того, в якому вигляді організм отримує з навко-
лишнього середовища енергію та вуглець, необхідні для побудови власних біо-
молекул — метаболітів і структурних елементів, — усі організми поділяються на
два класи: аутотрофи (мікроорганізми та рослинні організми, що синтезують
свої вуглецьвмісні молекули із атмосферного діоксиду вуглецю та води за рахунок
енергії сонячного світла) та гетеротрофи (тваринні організми, до яких належить
організм людини, що отримують вуглець у вигляді складних органічних молекул
їжі та енергію за рахунок реакцій біологічного окислення).
Оскільки живі організми є не тепловими, а хімічними машинами, тобто системами,
в яких різні види роботи здійснюються за умов сталої температури, джерелом енергії
для ендергонічних процесів, що відбуваються в гетеротрофних клітинах, є
хімічна енергія, яка звільняється в результаті реакцій окислення біомоле-
кул — проміжних продуктів внутрішньоклітинного розщеплення моносахаридів
(переважно глюкози), жирних кислот, гліцерину, деяких амінокислот. Основні реакції
біологічного окислення, що вивільняють енергію, необхідну для процесів життедіяльності,
відбуваються в мітохондріях (саркосомах), у мембранах яких локалізовані також
складні ферментні та йон-транспортуючі системи, які реалізують накопичення енергії
окислювальних процесів у вигляді високоенергетичних (макроергічних) зв’язків АТФ.
Походження біомолекул
Принципово важливим, фундаментальним завданням сучасної біохімії є розв’язання
проблеми виникнення життя на Землі, хімічної еволюції, що передувала появі перших
7
6
1
2
3
4
5
10
9
11
12
Рис. 1.3. Схема будови клітини людини і тварин:
1— плазматична мембрана; 2— піно-
цитозна бульбочка; 3 — апарат Голь-
джі; 4 — центріолі; 5 — рибосоми; 6 —
ядерна мембрана; 7 — ендоплазматич-
ний ретикулум; 8 — мітохондрія; 9 —
ядерце; 10 — ядро; 11 — цитоплазма
(цитозоль); 12 — лізосома.
8
17Ãëàâà 1. Á³îõ³ì³÷í³ êîìïîíåíòè êë³òèí
живих організмів. Згідно з існуючими уявленнями, витоки яких були закладені ще
Чарльзом Дарвіном (1871), створення біомолекул та перших примітивних живих клітин
відбувалось в умовах прадавньої Землі під впливом фізичних факторів атмосфери
приблизно 3 млрд. років тому за такою схемою:
Вирішальним етапом у розвитку проблеми походження біомолекул в умовах первісної
земної кори стали дослідження з абіогенного синтезу біоорганічних сполук, що входять
до складу живих організмів. Визначним досягненням в експериментальному доведенні
можливостей хімічної еволюції стало класичне дослідження С.Міллера (S. Miller, 1951),
який вперше показав можливість утворення карбонових кислот та
αα
αα
α-амінокислот, 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:
Наведені реакції, які свідчать про можливість утворення біомолекул за умов, що
моделюють первісну атмосферу Землі, мають фундаментальне значення для
сучасного розуміння проблеми виникнення життя. Проте, оскільки синтез макромо-
лекул білків та нуклеїнових кислот в умовах існуючих біосистем є матричним, тобто
послідовність включення окремих мономерів в макромолекули (амінокислот та моно-
нуклеотидів, відповідно) програмується на основі інформації, яка закладена в
послідовностях матричних ланцюгів ДНК або РНК, головною нез’ясованою проб-
лемою в питанні походження життя є синтез первісних інформаційних молекул, що,
попри існуючі теорії та гіпотези, належить до нерозв’язаних фундаментальних загадок
сучасної теоретичної біохімії.
HCN + 3H
2
CH
4
+ NH
3
Порфіни
Ціанамід
Амінокислоти
Пурини
Ціаноацетилен
Амінокислоти
Піримідини
HCN Нітрили Амінокислоти
Неорганічні молекули
первісної атмосфери
та океану
(метан, аміак, вода)
Протоклітини
Первинні біомолекули
(амінокислоти, нуклеотиди)
18 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
ГЛАВА 2. БІЛКИ І ПЕПТИДИ
Білки — біоорганічні високомолекулярні сполуки, молекули яких являють
собою гетерополімери, побудовані із залишків амінокислот, об’єднаних кислото-
амідними (пептидними) зв’язками (–CO–NH–).
Білки є найбільш розповсюдженими з усіх класів біомолекул; вони входять
до складу всіх клітинних компонентів мікроорганізмів, рослин, тварин (ядра,
біомембран, цитоплазми) та міжклітинних структур. Білковий склад живих клітин
ускладнюється пропорційно ступеню складності геному та етапу еволюційного
розвитку організму. Кількість різних білків в прокаріотичній клітині E.Coli —
близько 3 000, в організмі людини приблизно 5 000 000, всього в різних видах
організмів, що складають біосферу Землі, — 10
10
-10
12
різних білків.
2.1. БІОЛОГІЧНІ ФУНКЦІЇ БІЛКІВ І ПЕПТИДІВ
1. Ферментативна (каталітична) функція.
Усі ферменти (біокаталізатори) за своєю хімічною природою є білками або
комплексами білків із низькомолекулярними небілковими сполуками (коферментами,
кофакторами).
2. Структурна функція.
Білки входять до структури біомембран, становлять основу цитоскелета (мікро-
трабекулярна сітка, мікрофіламенти), міжклітинного матриксу (колаген, еластин) та
певних спеціалізованих тканин (кератини).
3. Регуляторна функція.
Білкову та пептидну природу мають численні біорегулятори — гормони, медіатори
та модулятори, що виробляються в ендокринній системі, нейронах головного мозку,
імунній системі: прості білки (інсулін, глюкагон тощо), глікопротеїни (тропні гормони
гіпофіза тощо), низькомолекулярні пептиди (окситоцин, вазопресин, опіоїдні пептиди
мозку, пептиди тимоцитів тощо).
4. Рецепторна функція.
Білкову природу мають мембранні рецептори для фізіологічно активних сполук,
що приймають хімічний сигнал від гормонів, нейромедіаторів (адренорецептори,
холінорецептори, гістамінові рецептори тощо).
5. Транспортна функція.
Білки зв’язують та здійснюють міжклітинний та внутрішньоклітинний (транс-
мембранний, цитоплазматичний) транспорт різних лігандів — біомолекул, іонів металів,
чужорідних хімічних сполук (ксенобіотиків). Транспортними білками крові людини є
сироваткові альбуміни (переносять жирні кислоти, білірубін, лікарські та токсичні
сполуки), гемоглобін еритроцитів (транспортує кисень), ліпопротеїни (транспортують
ліпіди), трансферин (транспортує залізо).
6. Скорочувальна функція.
Білки є молекулярними структурами, що реалізують скорочувальну функцію м’язів
(актин, міозин), джгутиків та війок (тубуліни, динеїни) тощо.
19
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
7. Захисна функція.
Білки виконують функцію імунного захисту (імуноглобуліни, лімфокіни, інтерлейкіни
тощо), протидіють кровотечі та тромбоутворенню (білки згортальної, антикоагулянт-
ної та фібринолітичної систем крові).
2.2. БУДОВА Й АМІНОКИСЛОТНИЙ СКЛАД БІЛКІВ І ПЕПТИДІВ
Молекулярна маса білків. Білки є високомолекулярними сполуками; їх
молекулярна маса (м.м.) коливається в межах від декількох тисяч до декількох
мільйонів а.о.м. (дальтонів). Індивідуальні білки побудовані з декількох сотень аміно-
кислотних залишків.
Білки можуть складатися з одного або декількох окремих поліпептидних
ланцюгів, що об’єднані ковалентними (дисульфідними) та нековалентними
зв’язками. Білки, в яких є один поліпептидний ланцюг, мають молекулярну масу
від
~
5-6 до
~
50 кД; білки з більшою м.м. складаються, як правило, з декількох
поліпептидних ланцюгів, що складають протомери (субодиниці) — мультилан-
цюгові (олігомерні) білки (табл. 2.1).
Т а б л и ц я 2.1. Молекулярна маса білків
Пептиди (олігопептиди, поліпептиди) відрізняються від власне білків моле-
кулярною масою (меншою 5-6 кД) та відповідними фізико-хімічними властивостями.
Форма білкових молекул
Поліпептидні ланцюги, що лежать в основі ковалентної структури білкових молекул,
здатні до формування впорядкованих конформацій, які стабілізуються водневими та
іншими слабкими фізико-хімічними зв’язками. Ці високовпорядковані конформації
створюють певні рівні структурної організації білків (див. нижче), що відображу-
ються в різних формах будови білкових молекул.
За формою молекул білки поділяються на глобулярні — кулеподібні та фібри-
лярні — з витягнутою формою молекули.
Детальніше питання утворення глобулярних та фібрилярних білків будуть
розглянуті при обговоренні механізмів формування вищих рівнів структурної
організації білків.
Амінокислотний склад білків і пептидів
При гідролізі природних білків та пептидів вивільнюється близько 20 різних
αα
αα
α-L-амінокислот, розміщення кожної з яких у поліпептидному ланцюгу коду-
ється триплетом нуклеотидів у ДНК геному.
Білок Молекулярна маса, кД Кількість субодиниць
(протомерів)
Інсулін 5,7 1
Рибонуклеаза 12,6 1
Пепсин 35,5 1
Алкогольдегідрогеназа 80,0 2
Піруваткіназа 240,0 4
Фенілаланін-тРНК-синтетаза 276,0 4
20 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Структура протеїногенних амінокислот
Амінокислоти, що входять до
складу природних білків та пептидів
(протеїногенні амінокислоти),
мають загальну хімічну структуру,
яка представлена наведеною зви-
чайною структурною (а) та проек-
ційною (б) формулами (рис. 2.1).
Структурні особливості протеїногенних амінокислот:
1) аміногрупа, іон водню та боковий ланцюг (R-група) зв’язані з атомом вуглецю,
що міститься в
αα
αα
α-положенні відносно карбоксильної групи, тобто природні
амінокислоти є
αα
αα
α-амінокислотами; деякі амінокислоти (лізин, аргінін) мають
додаткову аміногрупу, що розташована в кінцевому положенні (
ωω
ωω
ω-) радикала R;
2) за своєю абсолютною конфігурацією протеїногенні амінокислоти є стереоізо-
мерами L-ряду (L-амінокислотами). D-амінокислоти до складу природних білків
не входять; вони зустрічаються в бактеріальних та рослинних об’єктах, входять до
складу деяких антибіотиків (граміцидин, актиноміцин D). Оптичні ізомери аміно-
кислот диференціюються за смаком (L — гіркі або без смаку, D — солодкі), що
свідчить про стереоспецифічність смакових рецепторів.
Класифікація протеїногенних амінокислот
Природні
αα
αα
α-амінокислоти можуть поділятися на класи залежно від хімічної будови
бічного радикалу R:
Сучасна раціональна класифікація, що базується на полярності та заряді
радикалу R, передбачає чотири класи амінокислот (табл. 2.2):
I— амінокислоти з неполярними (гідрофобними) R-групами;
II — амінокислоти з полярними (гідрофільними) незарядженими R-групами;
III — амінокислоти з негативно зарядженими R-групами (кислі амінокислоти);
IV — амінокислоти з позитивно зарядженими R-групами (основні амінокислоти).
Крім зазначених у таблиці 2.2 двадцяти амінокислот, у складі деяких білків вияв-
лено похідні цих амінокислот, зокрема 4-гідроксипролін, 5-гідроксилізин, N-метилізин,
3-метилгістидин, фосфосерин, фосфотреонін, дийодтирозин. Хімічна модифікація (гід-
роксилювання, фосфорилювання, йодування) відповідних амінокислот відбувається вже
після їх включення в поліпептидні ланцюги (посттрансляційна модифікація білків).
Рис. 2.1. Структурна (а) та проекційна (б) формули
протеїногенних амінокислот. Наведено
проекційну формулу L-амінокислоти.
C
H
NH
2
R
COOH
CNH
2
COOH
H
R
αα
αα
α
аб
моноаміномонокарбонові
моноамінодикарбонові
діаміномонокарбонові
діамінодикарбонові
Амінокислоти
Імінокислоти
Циклічні
(залежно від кількості аміно-
та карбоксильних груп)
Із первинною
аміногрупою в
бічному ланцюзі
Ациклічні
Карбоциклічні Гетероциклічні
21
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
Т а б л и ц я 2.2. Амінокислоти, що входять до складу білків
Назва Міжнародний
символ
Структурна формула pI
Амінокислоти з неполярними R-групами
Аланін Ala (A) 6,02
Валін Val (V) 5,97
Лейцин Leu (L) 5,98
Ізолейцин Ile (I) 6,02
Метіонін Met (M) 5,75
Пролін Pro (P) 6,10
Триптофан Trp (W) 5,88
Фенілаланін Phe (F) 5,98
Амінокислоти з полярними незарядженими R-групами
Гліцин Gly (G) 5,97
Серин Ser (S) 5,68
H
3
CCH
NH
3
+
COO
–
H
3
C
CH
CH
H
3
C
NH
3
+
COO
–
H
3
C
CH
CH
H
3
C
NH
3
+
COO
–
CH
2
H
3
C
CH CH
H
2
C
NH
3
+
COO
–
H
3
C
H
3
C
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
S
CH
2
CH
COO
–
CH
2
N
+
H
2
CH
2
H
2
C
N
H
CCH
2
CH
NH
3
+
COO
–
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
H
CH
NH
3
+
COO
–
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
HO
22 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Властивості протеїногенних амінокислот
1. Кислотно-основні властивості амінокислот.
Амінокислоти є амфотерними електролітами, що можуть дисоціювати з утворенням
іонних форм — аніона або катіона. У водному середовищі амінокислоти існують у
вигляді рівноважної суміші, що складається з аніонної, катіонної форм та біполярного
іона (цвіттер-іона) — рис. 2.2.
Треонін Thr (T) 6,53
Цистеїн Cys (C) 5,02
Тирозин Tyr (Y) 5,65
Аспарагін Asn (N) 5,41
Глутамін Gln (Q) 5,65
Амінокислоти з негативно зарядженими R-групами
Аспарагінова
кислота
Asp (D) 2,97
Глутамінова
кислота
Glu (E) 3,22
Амінокислоти з позитивно зарядженими R-групами
Лізин Lys (K) 9,74
Аргінін Arg (R) 10,76
Гістидин His (H) 7,58
CH
CH
NH
3
+
COO
–
H
3
C
OH
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
HS
OH CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
CH
2
N
O
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
CH
2
N
O
CH
2
CH
2
CH
NH
3
+
COO
––
OOC
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
–
OOC
CH
2
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
CH
2
CH
2
CH
2
N
+
H
3
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
HC
H
+
N
C
H
NH
C
CH
2
CH
NH
3
+
COO
–
CH
2
NHC
NH
2
+
NH
2
CH
2
Продовження табл. 2.2
23
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
Зазначені реакції утворення аніонів, катіонів та біполярних іонів амінокислот пов-
ністю відповідають тільки схемі кислотно-основної дисоціації моноаміномоно-
карбонових амінокислот, що мають по одній
αα
αα
α-амінній та
αα
αα
α-карбоксильній групі. У
цьому найпростішому випадку рівновага між позитивно та негативно зарядженими
молекулами може теоретично досягатися вже в нейтральних розчинах, тобто при
рН=7.
Разом із тим, деякі амінокислоти мають бокові ланцюги R, що містять додаткові
функціональні групи, здатні до дисоціації:
– кислотні групи Asp, Glu;
– основні групи Lys, Arg, His.
Таким чином, сумарний заряд молекул амінокислот (та, відповідно, білків і
пептидів, до складу яких вони входять) визначається взаємовідношенням між
кількістю вільних кислотних та основних груп, ступенем їх дисоціації (рК
а
)
та рН середовища.
У кислих розчинах переважає катіонна форма амінокислот (молекули заря-
джені позитивно), в лужних розчинах — аніонна (амінокислоти заряджені
негативно). Ці фізико-хімічні властивості амінокислот визначають їх здатність до
електрофорезу — розділенню у високовольтному постійному електричному полі.
При рівновазі позитивних та негативних зарядів молекула амінокислоти перебуває
в ізоелектричному стані. Характерне для кожної амінокислоти значення рН,
при якому амінокислота має сумарний нульовий заряд, називається рН
ізоелектричної точки (рІ).
2. Полярність молекул амінокислот.
Залежно від полярності бічних радикалів R (табл. 2.2), амінокислоти в більшій
або меншій мірі взаємодіють із диполями води, тобто проявляють гідрофільні або
гідрофобні властивості.
Полярність функціональних груп амінокислот разом з їх кислотно-основними
властивостями визначають особливості структури, більшість фізико-хімічних та,
відповідно, біологічних властивостей білків, що синтезуються з цих амінокислот.
3. Оптичні властивості амінокислот.
αα
αα
α-Атом вуглецю всіх протеїногенних амінокислот, за винятком гліцину, зв’язаний
із чотирма різними функціональними групами (асиметричний атом) і є хіральним
центром молекули; на основі цього, протеїногенні амінокислоти є оптично активними
сполуками, тобто здатні до обертання площини поляризованого світла.
4. Здатність до утворення кислото-амідних зв’язків.
Характерною хімічною особливістю амінокислот є здатність їх
αα
αα
α-амінної та
αα
αα
α-карбоксильної груп утворювати кислото-амідний (пептидний) зв’язок за раху-
нок відщеплення елементів молекули води, тобто вступати до реакції поліконденсації:
абв
H
2
NCH
R
COO
–
H
3
N
+
CH
R
COO
–
H
3
N
+
CH
R
COOH
– H
+
+ H
+
Рис. 2.2. Аніонна (а), катіонна (б) та біполярна (в) форми амінокислот у водних розчинах.
24 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Поліаміди, що утворюються в зазначених реакціях, отримали назву пептидів
(дипептидів, трипептидів ... олігопептидів ... поліпептидів, відповідно).
Структура пептидної групи
Чотири атоми, що входять до
складу пептидної групи (–СО–NH–),
розміщені в одній геометричній
площині, тобто є компланарними.
Кисень карбонільної групи та водень
NH-групи розташовані в транспо-
ложенні (рис. 2.3).
Довжина зв’язку між атомами
вуглецю карбонільної групи та азоту
амідної групи дорівнює 0,132 нм,
тобто цей зв’язок коротший зви-
чайного одинарного зв’язку C–N
(0,147 нм) і є приблизно на 50 %
подвійним. Такий характер подвій-
ного зв’язку зумовлений спряженням
вільної пари p-електронів азоту з
ππ
ππ
π-електронами подвійного зв’язку
С=О (р,
ππ
ππ
π-спряження) та утворенням
резонансної структури:
Виходячи з будови пептидного зв’язку та пептидної групи, вільне обертання в
пептидному ланцюзі можливе тільки навколо груп –CHR, що розташовані між
окремими компланарними пептидними групами (рис. 2.3). Ці структурні обмеження,
разом із здатністю певних функціональних груп пептидних ланцюгів до сильних та
слабких взаємодій, детермінують особливості утворення упорядкованих конформацій
молекул білків, що розглянуті нижче.
5. Хімічні реакції, що використовуються для аналізу амінокислот.
Завдяки різноманітності своїх функціональних груп молекули
αα
αα
α-амінокислот можуть
вступати в хімічні реакції, які застосовуються в аналітичній та клінічній біохімії для
Рис. 2.3. Компланарне розміщення атомів пептид-
ної групи в молекулах пептидів та білків.
C
R
111°
O
C
N
C
R
110°
C
C
C
C
C
C
C
O
O
O
N
N
N
H
R
R
H
H
H
H
H
H
H
H
2
NCH
R
1
C
O
OH
NCH
R
2
C
O
OH
H
H
NCH
R
n
COOH
H
H
+
+ . . . +
NH
2
CH
R
1
C
O
N
H
CH
R
2
C
O
NCH
HR
n
COOH
. . .
C
O
N
H
C
O
–
N
+
25
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
ідентифікації і кількісного визначення окремих амінокислот. Ці реакції (так звані
“кольорові реакції”) використовуються для визначення як вільних амінокислот, що
містяться як у біологічних об’єктах (плазмі крові, сечі тощо), так і в межах аналізу
амінокислотного складу білків та пептидів.
Нінгідринова реакція
Нінгідрин (трикетогідринденгідрат) при нагріванні з
αα
αα
α-амінокислотами спричиняє
їх декарбоксилювання з утворенням NH
3
, СО
2
та альдегіду — продукту окислю-
вального декарбоксилювання амінокислоти. У подальшому аміак, що вивільнився,
реагує з відновленим нінгідрином, утворюючи комплекс синьо-фіолетового кольору з
максимумом поглинання при
λλ
λλ
λ
max
= 570 нм. За допомогою нінгідринової реакції можливо
детектувати 1 нмоль амінокислоти:
Флуорескамінова реакція
Високочутливим реагентом на
αα
αα
α-амінокислоти є
також флуорескамін, який утворює з амінокислотами
флуоресцуючі комплекси. Флуорескамінова реакція є
більш чутливою, ніж нінгідринова, і дозволяє визначати
амінокислоти в кількостях 10-50 пмолей.
Спектрофотометричне або спектрофлуоро-
метричне вимірювання комплексів амінокислот із
нінгідрином або флуорескаміном дозволяє кількісно
визначати амінокислоти не тільки як вільні метабо-
літи, а й у складі білкових гідролізатів після їх хрома-
тографічного розділення, що використовується в
аналізі первинної структури білків та пептидів.
Крім зазначених, у клінічній біохімії застосовують такі “кольорові реакції”
амінокислот:
– ксантопротеїнова реакція — характерна для бензольного ядра циклічних
амінокислот (фенілаланіну, тирозину, триптофану), яке нітрується при дії кон-
центрованої азотної кислоти з утворенням нітросполук жовтого кольору;
O
O
O
O
Флуорескамін
C
R
H
COOH
NH
2
C
C
O
O
C
OH
OH
+ 2
100°C
α - Амінокислота Нінгідрин
C
C
C
O
OH
N
C
C
C
O
O
+ CO
2
+ R – CHO
26 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
– реакція Мілона — специфічна реакція на тирозин (амінокислоту, що містить
фенольний гідроксил). В умовах нагрівання фенолів та їх похідних із реактивом Мілона
(суміш нітратів ртуті (I) та (II)) утворюються ртутні похідні цегляно-червоного кольору;
– реакція Сакагучі — реакція, що застосовується для ідентифікації гуанідино-
вої групи аргініну. При взаємодії гуанідину з
αα
αα
α-нафтолом та гіпохлоритом натрію
в лужних умовах утворюються сполуки з червоним забарвленням;
– реакція Ерліха — застосовується для виявлення індольного кільця трипто-
фану, яке при реакції з n-диметиламінобензальдегідом у кислому середовищі дає
сполуки з фіолетовим забарвленням;
– реакція Фоля — реакція, характерна для сірковмісних амінокислот. При
кіп’ятінні розчину білка або відповідних амінокислот із лугом у присутності плюм-
біту натрію утворюється чорно-бурий осад сульфіду свинцю.
2.3. РІВНІ СТРУКТУРНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ БІЛКОВИХ МОЛЕКУЛ
Усі білки та пептиди мають унікальну тримірну просторову організацію
(конформацію), що є структурною основою їх специфічної біологічної функції.
Високовпорядковані конформації білкових молекул створюються на основі
поліпептидних ланцюгів, що мають ковалентну структуру, та стабілізуються за
рахунок утворення між амінокислотними залишками певних пептидних ділянок
слабких фізико-хімічних зв’язків і взаємодій.
Типи зв’язків у білкових молекулах
1. Ковалентні зв’язки.
1.1. Пептидні зв’язки — виникають внаслідок взаємодії
αα
αα
α-карбоксильних та
αα
αα
α-аміногруп амінокислот, що утворюють пептидний ланцюг.
1.2. Дисульфідні зв’язки (–S–S–) — утворюються між залишками молекул
цистеїну, що входять до одного або різних пептидних ланцюгів.
2. Нековалентні зв’язки та слабкі взаємодії — фізико-хімічні зв’язки, що
беруть участь у взаємодії як певних частин одного пептидного ланцюга, так і різних,
близько розташованих ланцюгів, утворюючи вищі рівні конформації білкових
молекул.
2.1. Водневі зв’язки — виникають між двома електронегативними атомами
за рахунок атома водню, ковалентно зв’язаного з одним із електронегативних
атомів. Вони найчастіше утворюються між воднем, що входить до складу груп
=NH, –OH, –SH, та сусіднім атомом кисню, наприклад:
2.2. Іонні зв’язки — зв’язують між собою іонізовані амінні та карбоксильні
групи (головним чином, бічних радикалів діаміно- та дикарбонових амінокислот).
2.3. Дипольні зв’язки — електростатичні взаємодії постійних чи індукованих
диполей, які можуть утворюватися між радикалами полярних амінокислот (серину,
треоніну, цистеїну, тирозину тощо), що входять до складу білкових молекул.
NH
· · ·
OC
27
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
2.4. Гідрофобні взаємодії — слабкі взаємодії, що виникають між бічними ради-
калами таких амінокислот, як валін, лейцин, ізолейцин, фенілаланін тощо за рахунок їх
“виштовхування” з полярної (звичайно, водної) фази.
Рівні структурної організації білків
Первинна структура білків
Під первинною структурою білків розуміють пептидний (поліпептидний) ланцюг,
побудований із залишків L-амінокислот. У
поняття первинної структури білка або
пептиду входять його якісний та кількісний
амінокислотний склад та порядок чергу-
вання (послідовність) окремих амінокис-
лотних залишків.
Фрагмент первинної структури полі-
пептидного ланцюга із структурними пара-
метрами, що встановлені на підставі рент-
геноструктурного аналізу пептидів, пред-
ставлено на рис. 2.4.
Крім пептидних зв’язків, первинну струк-
туру білків створюють також дисульфідні
зв’язки, що з’єднують певні ділянки поліпеп-
тидного ланцюга або окремі пептиди.
Прикладом може бути розмі-
щення дисульфідних зв’язків
у молекулі білкового гормону
інсуліну, яка складається з
двох пептидних ланцюгів
(А-ланцюг — 21 аміно-
кислотний залишок та В-лан-
цюг — 30 залишків):
Назви пептидів, що визначають їх первинну структуру, будуються таким чином:
а) першим вказується залишок амінокислоти, що має вільну
αα
αα
α-аміногрупу
(так званої “N-кінцевої амінокислоти”);
б) у назвах усіх амінокислот, що беруть участь в утворенні пептидного зв’язку
αα
αα
α-карбоксильною групою, закінчення -ин (-ін) змінюється на -іл (-іл);
в) амінокислота, що має вільну
αα
αα
α-карбоксильну групу (“С-кінцева амінокис-
лота”), свого закінчення (-ин (-ін)) не змінює.
Приклад назви пептиду аланіл-гліцил-метіоніл-серин:
Рис. 2.4. Параметри структурних елементів
поліпептидного ланцюга (розміри
подано в ангстремах; 1Å = 0,1 нм).
S
S
S
S
SS
1
1
6
30
7
11
20
21
7
19
NH
2
CH
CH
3
C
O
N
H
CH
2
C
O
N
H
CH C
O
N
(CH
2
)
2
SCH
3
H
CH
CH
2
COOH
OH
ала- глі- мет- сер-
28 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
За допомогою міжнародних скорочених символів цей тетрапептид може бути
позначений так:
Ala – Gly – Met – Ser
Ці скорочені записи пептидів мають особливе значення для позначення білків,
до первинної структури яких входить багато сотень амінокислотних залишків.
У зв’язку із зазначеною вище здатністю окремих функціональних груп пеп-
тидного ланцюга до внутрішньоланцюгових взаємодій, пептидний ланцюг набуває
певної просторової структури (конформації). Розрізняють два рівні конформації
пептидного ланцюга (та, відповідно, білкової молекули, що утворюється на його
основі) — вторинну та третинну структури. Вторинну, третинну та четвер-
тинну (див. нижче) структури називають разом вищими рівнями структурної
організації білкових молекул.
Вторинна структура білків
Вторинна структура білків — це ряд конфор-
мацій, утворення яких зумовлено, головним
чином, водневими зв’язками між окремими
ділянками (переважно, пептидними групами)
пептидного ланцюга або різними пептидними
ланцюгами.
Розрізняють два основних типи впорядкованої
вторинної структури білкових молекул:
αα
αα
α-спіраль
та
ββ
ββ
β-структуру.
1.
αα
αα
α-Спіраль — конформація, яка утворюєть-
ся при просторовому скручуванні поліпептидного
ланцюга за рахунок водневих зв’язків, що вини-
кають між С=О- та NH-групами поліпептидного
ланцюга, що віддалені одна від одної на чотири
амінокислотних залишки. Водневі зв’язки в
αα
αα
α-спіралі спрямовані паралельно до осі молекули.
αα
αα
α-Спіраль можна уявити собі у вигляді лінії,
що йде по боковій поверхні уявного циліндра. На
один оберт
αα
αα
α-спіралі припадає 3,6 амінокислотних
залишків. Напрямок обертання поліпептидного
ланцюга в природних білках — правий (“права”
αα
αα
α-спіраль) (рис. 2.5).
Геометричні параметри
αα
αα
α-спіралі: радіус — 0,25 нм; крок (період ідентич-
ності) — 0,54 нм; висота зсунення на один амінокислотний залишок — 0,15 нм;
на один оберт
αα
αα
α-спіралі припадає 3,6 амінокислотних залишків.
αα
αα
α-Спіраль є молекулярною структурою, що утворюється за умов певних стерич-
них взаємовідносин між амінокислотними залишками, і її формування залежить від
амінокислотного складу поліпептидного ланцюга. Окремі амінокислоти (Pro, Gly,
Glu, Asp, Arg тощо) протидіють утворенню
αα
αα
α-спіралі або дестабілізують її. У зв’язку
з цим, можливе виникнення спіральних структур, що за своїми геометричними
параметрами відрізняються від
αα
αα
α-спіралі. Прикладом є спіраль білка колагену —
Рис. 2.5. Модель вторинної структу-
ри поліпептидного ланцюга
у вигляді
αα
αα
α-спіралі (за Л. По-
лінгом та Р. Корі).
аб
29
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
головного білкового компонента
сполучної тканини, у складі якого
міститься 33 % гліцину і 21 % про-
ліну та гідроксипроліну.
Декілька білкових молекул із
вторинною структурою у вигляді
спіралей можуть взаємодіяти одна
з одною, утворюючи міжмолеку-
лярні комплекси, що являють собою
суперспіралізовані (“супервто-
ринні”) структури.
2.
ββ
ββ
β-Структура — структура
типу складчастого шару, склада-
ється із зигзагоподібно розгорнутих
поліпептидних ланцюгів, що роз-
ташовані поряд (двох або більшої
кількості) — рис. 2.6.
ββ
ββ
β-Структури утворюються за рахунок міжланцюгових водневих зв’язків, що
з’єднують групи С=О та NH сусідніх поліпептидів (рис. 2.7):
ββ
ββ
β-Конформацію мають білки
ββ
ββ
β-кератини, які складаються з зигзагоподібних,
антипаралельно орієнтованих поліпептидних ланцюгів. Представником
ββ
ββ
β-кератинів
є фіброїн — фібрилярний нерозчинний білок шовку та павутиння.
Крім упорядкованих типів (
αα
αα
α-спіралі та
ββ
ββ
β-структури), вторинна структура може
являти собою нерегулярну, невпорядковану (хаотичну) конформацію.
У багатьох природних білках вздовж одного поліпептидного ланцюга, що стано-
вить первинну структуру даного білка, присутні як
αα
αα
α-спіралізовані ділянки, так і
зони, що становлять складчастий шар (
ββ
ββ
β-структури) або мають нерегулярну
Рис. 2.6.
ββ
ββ
β-Конформація поліпептидного ланцюга.
Схематично зображені три паралельних
ланцюги, що утворюють структуру типу
складчастого шару.
Рис. 2.7. Утворення
ββ
ββ
β-структур: а – вигляд збоку; б – вигляд зверху.
аб
30 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
конформацію. Наприклад, у молекулі хімотрипсину до 14 % загальної кількості аміно-
кислотних залишків входить до складу
αα
αα
α-спіралей, 45 % —
ββ
ββ
β-структур, 61 % —
ділянок із невпорядкованою структурою. Поліпептидні ланцюги в молекулах міо-
глобіну та тропоміозину майже повністю
αα
αα
α-спіралізовані (на 80 та 100 %, відповідно).
Третинна структура білків
Третинна структура білків являє собою спосіб укладання в тримірному просторі
поліпептидного ланцюга з певною вторинною структурою. В утворенні та стабілі-
зації третинної структури беруть участь водневі, іонні, гідрофобні зв’язки та взаємодії.
Залежно від форми та особливостей три-
мірної просторової організації, виділяють глобу-
лярні та фібрилярні білки.
Глобулярні білки — білки, що мають округлу
(кулеподібну, або еліпсоїдну) форму. Відношення
довгої та короткої осей молекули в глобулярних
білках — від 1:1 до 50:1. Це альбумін сироватки
крові, міоглобін м’язів, гемоглобін, більшість фер-
ментних білків.
Глобулярні білки побудовані з одного або де-
кількох зв’язаних дисульфідними місточками
поліпептидних ланцюгів, що згорнуті в щільні
кулеподібні форми. Модель просторової струк-
турної організації молекули міоглобіну, вперше
запропоновану Дж.Кендр’ю (J.Kendrew) в 1958 р.
на підставі рентгеноструктурного аналізу білкових
кристалів, подано на рис. 2.8.
Тримірна організація глобуляр-
них білків утворюється за рахунок
просторового згортання поліпеп-
тидного ланцюга, окремі частини
якого можуть містити
αα
αα
α-спіралі,
ββ
ββ
β-структури та ділянки без упоряд-
кованої структури (див.: Вторин-
на структура білків).
Схему просторової конформації
міоглобіну, значна частина поліпеп-
тидного ланцюга якого
αα
αα
α-спіра-
лізована, подано на рис. 2.9.
Третинну структуру глобулярного
ферментного білка гексокінази, по-
ліпептидний ланцюг якого утворює як
αα
αα
α-спіралі, так і складчасті шари,
зображено на рис. 2.10.
Стабілізація компактної глобули
реалізується за рахунок водневих та
Рис. 2.8. Модель третинної структури
молекули міоглобіну. Зобра-
жено просторове розташу-
вання поліпептидного лан-
цюга, зв’язаного з молеку-
лою гему.
Рис. 2.9. Просторова конформація міоглобіну із
зображенням характеру вторинної струк-
тури поліпептидного ланцюга.
31
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
інших слабких зв’язків між бічними радика-
лами амінокислотних залишків, які фіксують
відносно один одного певні частини поліпеп-
тидного ланцюга (або ланцюгів, з’єднаних
S–S-зв’язками).
Особливістю третинної структури глобу-
лярних білків, що визначає їх важливі фізико-
хімічні та біологічні властивості, є характер
розташування полярних та неполярних
амінокислотних залишків. У більшості гло-
булярних білків полярні (гідрофільні) залишки
розміщені на поверхні глобули, де вони
контактують із водною фазою, тоді як не-
полярні радикали занурені у внутрішню
гідрофобну фазу молекули. Такі особли-
вості будови білкових глобул визначають
ступінь їх розчинності, особливості взає-
модії з іншими білками та лігандами різної
хімічної природи.
Фібрилярні білки — білки, структурною
особливістю яких є витягнута форма моле-
кул. Вони схильні до утворення мульти-
молекулярних ниткоподібних комплексів —
фібрил, що складаються з декількох пара-
лельних поліпептидних ланцюгів.
Фібрилярні білки є структурними ком-
понентами сполучної або інших опорних
тканин організму. Прикладами структурних
фібрилярних білків є колаген — найбільш
розповсюджений білок організму людини, що
становить до 30 % загальної кількості тка-
нинних білків, еластин сполучної тканини,
αα
αα
α-кератин опірних тканин, епідермісу
шкіри, волосся.
Формування багатьох біологічно важли-
вих фібрилярних білків відбувається шляхом
утворення супервторинних (суперспіра-
лізованих) структур, зокрема:
1. Молекули тропоколагену — струк-
турні одиниці колагенових фібрил сполуч-
ної тканини. Молекули тропоколагену
складаються з трьох поліпептидних ланцюгів (спіралей колагену), що обвиті один
навколо одного за типом тугого джгута. Стабілізація тропоколагену досягається за
рахунок водневих зв’язків між С=О- та NH-групами сусідніх поліпептидних ланцюгів.
12
аб
Рис. 2.11. Модель формування фібрилярних
білків з окремих
αα
αα
α-спіралізованих
поліпептидів: а — поліпептидний
ланцюг, що являє собою “велику” спі-
раль, сформовану на основі “малої”
αα
αα
α-спіралі; в моделі, що зображена,
крок “малої” спіралі (1) у 12,5 раза
менший від кроку “великої” спіралі
(2); б — суперспіраль типу бага-
тожильного каната, побудована із
семи
αα
αα
α-спіралізованих поліпептидів.
Рис. 2.10. Тримірна організація ферменту
гексокінази. На цьому рисунку і
на рисунку 2.13 α-спіралі умовно
зображено у вигляді циліндрів,
β-структури – у вигляді стрілок
(за А.Я. Ніколаєвим, 1989).
32 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Рис. 2.12. Четвертинна структура
молекули гемоглобіну.
2. Білки
αα
αα
α-кератини — основний тип фібрилярних білків, з яких побудовано
зовнішні захисні покриття хребцевих тварин (епідерміс шкіри, волосся, нігті людини;
шерсть, пір’я, рогові утворення).
αα
αα
α-Кератини являють собою мікрофібрили діаметром
приблизно 2 нм, побудовані з трьох
αα
αα
α-спіралізованих поліпептидних ланцюгів
(суперспіраль). Окремі мікрофібрили, з’єднані міжланцюговими дисульфідними зв’яз-
ками, утворюють структури, подібні до багатожильного канату, що забезпечує міцність
волосся та інших тканин, побудованих з
αα
αα
α-кератинів.
Схему утворення фібрилярних білків за рахунок суперспіралізації окремих
поліпептидних ланцюгів, що мають конформацію
αα
αα
α-спіралі, подано на рис. 2.11.
Четвертинна структура білків
Четвертинна структура білків утворюється при об’єднанні (агрегації) декількох
поліпептидних ланцюгів або протомерів, кожен з яких має свою характерну
впорядковану конформацію.
Окремі протомери (субодиниці) в білках з четвертинною структурою об’єднані
нековалентними зв’язками, що спричиняє порівняно легку їх дисоціацію при зміні фізико-
хімічних властивостей середовища. Разом із тим, така дисоціація призводить до втрати
специфічної для даного білка біологічної активності, яка притаманна лише цілісному
олігомерному утворенню.
Прикладами білків із четвертинною структурою є олігомерні білки з м.м. вище
50 кД, що подані в табл. 2.1.
Значний фізіологічний та клінічний інтерес
становить білок еритроцитів гемоглобін (Hb), що
є транспортером кисню в організмі людини та
вищих тварин. Він є типовим представником білків,
що мають четвертинну структуру. М.м. гемогло-
біну дорівнює 68 кД; його молекула побудована з
чотирьох попарно однакових субодиниць — двох
αα
αα
α- та двох
ββ
ββ
β-поліпептидних ланцюгів, кожен з яких
з’єднаний з небілковою сполукою гемом — порфі-
риновим похідним, що зв’язує молекулу кисню
(рис. 2.12):
Білки з четвертинною структурою можуть
включати як однакові протомери (як у прикладі
гемоглобіну), так і різні. У складі багатьох біл-
ків-ферментів містяться різні протомери, що
виконують різні біохімічні функції (зокрема,
каталітичну та регуляторну).
Доменні білки
Домени — структурні ділянки білкових молекул, що являють собою глобулярні
утворення всередині білків із третинною структурою. Діаметр глобулярного домену
дорівнює в середньому 2,5 нм; до його складу входить 100-150 амінокислотних
залишків.
33
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
Окремі домени є функціонально відносно автономними утвореннями в складі
білкових молекул, і доменні білки в цьому відношенні подібні до олігомерних білків.
Але, на відміну від білків із четвертинною структу-
рою (олігомерів), окремі доменні глобули утво-
рюються тим самим поліпептидним ланцюгом і,
відповідно, зв’язані між собою пептидними фраг-
ментами (“шарнірними” ділянками). Зв’язки між
доменами можна розщепити тільки за допомогою
протеолітичних ферментів.
Прикладами доменних білків є ферменти гліко-
літичного шляху окислення глюкози — гліцераль-
дегідфосфатдегідрогеназа та фосфогліцерат-
кіназа (рис. 2.13), у складі яких окремі домени
реалізують різні етапи складного
каталітичного акту.
Завершуючи розгляд молеку-
лярних механізмів формування
вищих рівнів структурної органі-
зації білків, необхідно зауважити,
що всі високовпорядковані
форми просторової конформа-
ції білкових молекул детермі-
новані первинною структурою
поліпептидного ланцюга, тоб-
то амінокислотною послідов-
ністю, яка визначається гене-
тичним кодом клітини, в якій
синтезується даний білок.
Вторинна, третинна, четвер-
тинна та доменна організації білків
є результатом довільного, спонтан-
ного формування просторових
угруповань, що спрямовані на
досягнення складним біофізичним
утворенням, яке являє собою мак-
ромолекулу білка, термодинаміч-
но стабільного стану (рис. 2.14).
2.4. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БІЛКІВ
1. Кислотно-основні властивості білків.
Завдяки наявності значної кількості іоногенних груп (
αα
αα
α-амінні та
αα
αα
α-карбоксильні
кінцеві групи, бічні радикали кислих та основних амінокислот) білкові молекули є
амфотерними електролітами й у водних розчинах утворюють амфіони, знак та
заряд яких залежить від їх амінокислотного складу та рН середовища.
Рис. 2.13. Доменна організація фер-
менту фосфогліцерат-
кінази.
Рис. 2.14. Формування вищих рівнів структурної
організації білків на основі первинної
структури.
34 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Подібно до вільних амінокислот, у кислому середовищі переважають катіонні
форми білкових молекул, у лужних — аніонні. Наявність заряду в молекулах білків
визначає їх здатність до електрофорезу — руху в постійному електричному полі.
Електрофоретична рухомість молекул білків залежить від їх заряду та молекулярної
маси, що дозволяє застосовувати метод електрофорезу для фракціонування складних
білкових сумішей.
Електрофорез як метод розділення білків сироватки крові широко використовується
в клінічній біохімії. При застосуванні паперового або гелевого електрофорезу білки
крові поділяються на такі основні фракції: альбуміни,
αα
αα
α
1
- ,
αα
αα
α
2
-,
ββ
ββ
β- та
γγ
γγ
γ-глобуліни,
фібриноген (детально — див. главу “Біохімія крові”).
Змінюючи рН, можливо перевести білок у стан, при якому сумарний електричний
заряд білкової молекули дорівнює нулю (ізоелектричний стан). Відповідне значення
рН отримало назву рН ізоелектричної точки білка (рІ). У складі більшості природних
білків кількість аніоногенних амінокислотних залишків перевищує кількість
катіоногенних залишків, тому для багатьох білків рІ знаходиться в кислому середовищі,
і при нейтральних або слаболужних значеннях рН вони знаходяться у формі аніонів
(наприклад, білки плазми крові). Лужними є компоненти ядерних дезоксирибо-
нуклеопротеїнів білки гістони, що містять у своєму складі значну кількість залишків
позитивно заряджених амінокислот аргініну та лізину.
2. Розчинність білків.
Розчинність окремих білків у різних фізико-хімічних середовищах залежить від
переважання в їх складі полярних або неполярних амінокислотних залишків.
Багато глобулярних білків (зокрема, білків сироватки крові та інших біологічних
рідин) містять на своїй поверхні гідрофільні залишки полярних незаряджених або
заряджених амінокислот, які добре взаємодіють із дипольними молекулами води,
утворюючи навколо білкових молекул гідратні оболонки. Ці білки добре розчинні у
воді або слабких сольових розчинах солей лужних металів.
Збільшення в розчинах вмісту катіонів металів та амонію супроводжується
дегідратацією білкових молекул і осадженням певних білків (метод висолювання). Із
цією метою найбільш часто використовуються концентровані розчини сульфату
амонію, сульфату натрію, хлоридів натрію та калію. Змінюючи концентрацію ви-
солюючих реагентів, можливо здійснювати диференційоване осадження
(фракціонування) певних білкових фракцій. Наприклад, в умовах напівнасичення
сироватки крові сірчанокислим амонієм відбувається осадження глобулінів, при повному
насиченні — альбумінів.
3. Денатурація білків.
Під денатурацією розуміють втрату білковою молекулою притаманної їй
просторової структури (нативної конформації) та порушення характерних для даного
білка фізико-хімічних властивостей. Денатурація супроводжується зниженням або
втратою специфічної для даного білка біологічної активності (ферментативної,
гормональної тощо).
Вона відбувається внаслідок впливу на білкові розчини та білки, що знаходяться в
біологічних середовищах, жорстких хімічних, фізико-хімічних та фізичних факторів.
Денатурацію викликають дія кислот, лугів, органічних розчинників, нагрівання білків
до 60–80 °С, дія високих доз ультрафіолетового та іонізуючого випромінювання.
35
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
Механізм впливу денатуруючих агентів полягає в руйнуванні слабких зв’язків (водневих,
іонних, дипольних, гідрофобних), що стабілізують упорядковані типи просторової
організації білкових молекул (вторинну та третинну структуру).
4. Взаємодія білків із різними хімічними лігандами.
Внаслідок наявності на поверхні білкових молекул значної кількості активних
функціональних груп, білки здатні до зв’язування різноманітних хімічних лігандів.
До лігандів, з якими можуть взаємодіяти білкові молекули, належать низькомо-
лекулярні та високомолекулярні сполуки, зокрема як біомолекули, так і чужорідні
хімічні сполуки, що надходять в організм з оточуючого середовища.
Зв’язування білками певних хімічних лігандів у багатьох випадках є механізмом
реалізації транспортної, регуляторної або каталітичної функцій даних білків. На-
приклад, сорбція жирних кислот та білірубіну альбуміном сироватки крові, зв’язу-
вання глюкокортикоїдів та прогестинів транскортином плазми є етапом циркулятор-
ного транспорту цих біомолекул, взаємодія специфічного білка клітин шлунка
(фактору Касла) з вітаміном В
12
необхідна для всмоктування цього вітаміну
слизовою оболонкою. Взаємодія деяких білків із лігандами являє собою форму
депонування останніх (наприклад, зв’язування іонів заліза з білком феритином).
Поряд із білками, взаємодія яких із небілковими лігандами є етапом їх транс-
порту або депонування, існують класи білків, які постійно зв’язані з певними небіл-
ковими сполуками, що являються інтегральними структурними компонентами
цих білків. У даному випадку йдеться про генетичну запрограмованість окремих
білкових структур до взаємодії із своїми лігандами і реалізацію білком його специ-
фічних функцій тільки у складі таких хімічних або фізико-хімічних комплексів. На
відміну від зазначених вище типів взаємодій, зв’язування таких складних білків з
їх небілковими частинами в багатьох представників цих білків (глікопротеїнів,
фосфопротеїнів) відбувається внутрішньоклітинно, є етапом біосинтезу даного
білка — посттрансляційної модифікації, що здійснюється в ендоплазматичному
ретикулумі або апараті Гольджі після рибосомального збору поліпептидного
ланцюга.
Прості та складні білки
Білки, до складу яких входять лише залишки амінокислот, об’єднані в поліпептидні
ланцюги, отримали назву простих білків. Білки, до складу яких входять приєднані
ковалентними або нековалентними зв’язками інші біомолекули або іони металів,
називаються складними білками.
Сполуками неамінокислотної природи, що входять до складу складних білків
(простетичними групами), можуть бути вуглеводи, ліпіди, нуклеїнові кислоти,
нуклеотиди, порфірини, іони металів, залишки фосфорної кислоти. Простетична група
може бути з’єднана з білковою частиною (апопротеїном) як ковалентними зв’язками,
так і нековалентними (водневими, іонними, гідрофобними).
Залежно від хімічної природи простетичної групи складні білки поділяються на:
а) глікопротеїни — білки, простетичними групами в яких є моно- або олігоса-
хариди. У складі глікопротеїнів вуглеводна частина ковалентно зв’язана з одним із
бічних амінокислотних радикалів пептидного ланцюга. Комплекси білків із висо-
комолекулярними гетерополісахаридами (мукополісахаридами) називаються
протеогліканами;
36 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
б) ліпопротеїни — білки, простетичними групами яких є ліпіди (триацил-
гліцероли, складні ліпіди тощо);
в) нуклеопротеїни — білки, небілковою частиною яких є нуклеїнові кислоти
ДНК та РНК (дезоксирибонуклеопротеїни та рибонуклеопротеїни, відповідно).
Нуклеопротеїни є надмолекулярними комплексами, що становлять субклітинні
органели — хроматин, рибосоми тощо;
г) хромопротеїни — білки, що мають забарвлену, пігментну простетичну групу
(нуклеотид, порфірин у комплексі з металом); прикладами хромопротеїнів є флаво-
протеїни та цитохроми дихального ланцюга мітохондрій, гемоглобін еритроцитів;
д) металопротеїни — білки, які містять метал, що не входить до складу
металопорфіринового комплексу;
е) фосфопротеїни — білки, які містять у своєму складі залишок фосфорної
кислоти, поєднаний фосфодіефірним зв’язком із гідроксильної групою серину або
треоніну пептидного ланцюга.
2.5. МЕТОДИ ВИДІЛЕННЯ ТА АНАЛІЗУ БІЛКІВ І ПЕПТИДІВ
2.5.1. Методи виділення та фракціонування білків
Виділення індивідуальних білків із тканин, клітин та біологічних рідин живих
організмів (тварин, рослин, бактерій, сироватки крові людини) є розповсюдженою
біохімічною та біотехнологічною процедурою, що широко застосовується з метою
отримання лікарських засобів (гормонів, ферментів, інтерферонів) або дослідження
властивостей певних білків в аналітичній біохімії.
Виділення білків
Для виділення білків із біологічних об’єктів найчастіше використовують їх екстра-
гування за допомогою різних розчинників, вибір яких залежить від фізико-хімічних
властивостей білка або групи білків, яку потрібно отримати. У разі необхідності одер-
жання білків, які локалізовані в певних субклітинних органелах та зв’язані з біострук-
турами (мембранами, ядерним хроматином тощо), процедура виділення білка включає
в себе:
– руйнування тканинних та клітинних структур (гомогенізація тканини, меха-
нічне розтирання, осмотичний шок);
– диференційне центрифугування тканинних гомогенатів із метою отримання
ізольованих фракцій ядер, мітохондрій, мембран ендоплазматичного ретикулуму,
лізосом тощо;
– переведення білків субклітинних фракцій у розчинний стан шляхом обробки
біоструктур детергентами або сольовими розчинниками;
– осадження білків шляхом висолювання або застосування таких дегідратуючих
реагентів, як етанол (метод Кона), ацетон.
Фракціонування білків
Результатом зазначених біохімічних процедур є, як правило, отримання екстрак-
тів, в яких міститься значна кількість різних білків та небілкових компонентів.
Тому наступним етапом виділення індивідуальних білків є фракціонування
37
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
білкових сумішей, яке здійснюється на основі відмінностей у фізико-хімічних
властивостях індивідуальних білків (молекулярній масі, заряді, розчинності, хі-
мічній та біохімічній активності). Ці ж методи дозволяють проводити визначення
і відповідних фізико-хімічних параметрів певних білкових молекул.
Методи фракціонування:
1.
Методи, що базуються на відмінностях у молекулярній масі білків:
– метод ультрацентрифугування (седиментаційного аналізу).
Метод грунтується на застосуванні швидкісних ультрацентрифуг, за допомогою
яких білкові молекули (або інші високомолекулярні сполуки) зазнають дії центро-
біжного прискорення, що в сотні тисяч разів перевищує прискорення земного
тяжіння (100 000-500 000 g). Внаслідок дії значної центробіжної сили, макромолекули
осідають (седиментують) із швидкістю, яка залежить від їх розмірів та молеку-
лярної маси.
Визначення швидкості седиментації білкової молекули, яка виражається коефі-
цієнтом седиментації s, дозволяє обчислити молекулярну масу білка (М) за
рівнянням Сведберга:
де R — газова стала, Т — абсолютна температура, D — коефіцієнт дифузії
білка, v — парціальний питомий об’єм білка,
ρρ
ρρ
ρ — густина розчинника.
– метод гель-фільтрації (гель-хроматографії).
В основу методу покладено відмінності в швидкостях проходження (фільт-
рації) білкових молекул, що відрізняються молекулярними масами, через спе-
ціальні гелі, які відіграють роль молекулярних сит.
Для гель-фільтрації застосовують полімерні сполуки, найчастіше — похідні
полісахариду декстрану (комерційна назва — Сефадекси), що мають форму гранул
із порами певного розміру. Під час проходження через хроматографічну колонку,
яка містить гранули Сефадексу, суміші білків та інших хімічних сполук, відбува-
ється фракціонування останніх залежно від розмірів молекул та, відповідно, здат-
ності до проникнення в сітку гелю. Швидкість проходження різних молекул через
молекулярні сита зворотньо пропорційна їх розмірам та молекулярним масам.
2.
Методи, що базуються на відмінностях у кислотно-основних властивостях білків.
Амфіонні властивості білків дозволяють здійснювати їх фракціонування
методами іонообмінної хроматографії та електрофорезу.
Метод іонообмінної хроматографії базується на здатності заряджених моле-
кул білків вибірково зв’язуватися за допомогою іонного обміну з певними ділянками
іонообмінників. Фракціонування компонентів білкових сумішей досягається шляхом
пропускання буферних розчинів білків при різних значеннях рН через хромато-
графічні колонки, що містять катіоно- або аніонообмінники.
Із метою хроматографічного розділення білків шляхом іонного обміну найчас-
тіше використовують іонообмінники на основі целюлози: катіонообмінник ді
етиламіноетилцелюлозу (ДЕАЕ-целюлозу) або аніонообмінник карбоксиметил-
целюлозу (КМ-целюлозу).
М =
RTs
D (1 – v
ρρ
ρρ
ρ)
38 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
3. Методи, що базуються на відмінностях у біохімічній активності індиві-
дуальних білків.
Ця група методів грунтується на використанні різної спорідненості природних
білків до певних хімічних лігандів, з якими окремі білкові молекули активно
взаємодіють у живих організмах — хроматографія за спорідненістю, або афінна
хроматографія (від англ. affinity — спорідненість, нахил).
Для реалізації методу афінної хроматографії суміш білків пропускають через
хроматографічну колонку, що містить природні ліганди для білка, який потрібно
виділити із складної біологічної суміші. Наприклад, для виділення ферментів
застосовують їх специфічне зв’язування із субстратами, гормонів — із рецеп-
торами, імуноглобулінів — із відповідними антигенами.
2.5.2. Методи визначення амінокислотного складу та первинної
структури білків і пептидів
Вивчення амінокислотного складу білків
Дослідження амінокислотного складу (ідентифікація окремих амінокислотних
залишків та з’ясування їх кількісного складу) є першим етапом у визначенні первинної
структури білка чи пептиду.
Етапи вивчення амінокислотного складу білків (пептидів):
а) гідроліз пептидного ланцюга білка чи пептиду, що досліджується.
Гідроліз пептидного ланцюга здійснюється шляхом кислотного розщеплення
пептидних зв’язків. Стандартною процедурою гідролізу є кип’ятіння білка в соляній
кислоті (5,7 моль/л) при 105-110 °С протягом 24 год;
б) розділення амінокислот гідролізату.
Здійснюється шляхом іонообмінної хроматографії компонентів гідролізату на
сульфополістиролових смолах, що несуть на своїй поверхні катіонні групування —
SO
3
H
–
Na
+
. При пропусканні через хроматографічну колонку, що заповнена сульфо-
полістиролом, суміші амінокислот останні сорбуються на певних рівнях колонки.
Подальше промивання колонки буферними розчинами з різними значеннями рН
призводить до вимивання (елюції) певних амінокислот;
в) ідентифікація та кількісне визначення окремих амінокислот.
Здійснюється за допомогою реакції з нінгідрином або флуорескаміном, які
дають при взаємодії з амінокислотами відповідні кольорові або флуоресцуючі
комплекси (див. розділ 2.2).
Метод кількісного аналізу амінокислотного складу білків та пептидів був уперше
запропонований у 1958 р. У.Стейном (W.Stein) та C.Муром (S.Moore) і в наш час
реалізується за допомогою автоматичних амінокислотних аналізаторів.
Розшифровка первинної структури білків і пептидів
Визначення послідовності амінокислотних залишків у молекулах білків та пептидів
(розшифровка первинної структури) складається з таких етапів:
1.
Аналіз N- та С-кінцевих амінокислотних залишків
Оскільки в поліпептидному ланцюзі, що формує первинну структуру будь-якого
білка, на одному кінці розташована вільна
αα
αα
α-NH
2
-група, а на другому — вільна
39
Ãëàâà 2. Á³ëêè ³ ïåïòèäè
αα
αα
α-карбоксильна група, визначення N- та С-кінцевих амінокислотних залишків дозволяє
оцінити кількість поліпептидних ланцюгів, що складають дану білкову молекулу.
Ідентифікація N-кінцевих амінокислот здійснюється шляхом використання
хімічних реагентів, що ковалентно зв’язуються з кінцевою
αα
αα
α-амінною групою
пептидного ланцюга. Після подальшого кислотного гідролізу “міченого” пептиду
хімічно модифікований N-термінальний амінокислотний залишок ідентифікується
хроматографічним методом.
Для модифікації N-кінцевих амінокислот у білках та пептидах застосовують такі
реагенти:
– 2,4-динитрофторбензол (ДНФБ) — реагент, який, взаємодіючи з
αα
αα
α-амі-
ногрупою кінцевої амінокислоти, утворює ДНФ-похідний білка чи пептиду.
Подальший кислотний гідроліз продукту арилювання поліпептиду утворює суміш
ДНФ-похідного N-кінцевої амінокислоти, яке ідентифікують хроматографічно, та
вільних амінокислот, що входять до складу досліджуваного білка (рис. 2.15):
– дансил-хлорид (1-диметиламінонафталін-5-сульфохлорид, ДНС) — реа-
гент, що в результаті взаємодії з N-кінцевою амінокислотою утворює ДНС-по-
хідні білків та пептидів. Завдяки подальшому кислотному гідролізу ДНС-полі-
пептидів відбувається хроматографічна ідентифікація ДНС-амінокислот.
Ідентифікація С-кінцевих амінокислот здійснюється шляхом ферментатив-
ного гідролізу білків та пептидів карбоксипептидазами — протеолітичними фермен-
тами, що специфічно відщеплюють від поліпептидного ланцюга С-кінцеву аміно-
кислоту.
2.
Фрагментація поліпептидного ланцюга та розділення пептидних
фрагментів
Розщеплення досліджуваного білка чи пептиду на короткі фрагменти здійснюється,
звичайно, методом ферментативного гідролізу із застосуванням протеолітичних
Рис. 2.15. Схема утворення ДНФ-похідних N-кінцевих амінокислот.
NO
2
NO
2
F + H N
H
CH
R
1
C
O
N
H
пептид
(n)
HF
NO
2
O
2
N
N
H
CH
R
1
C
O
N
H
пептид
(n)
+H
2
O
(HCl)
NO
2
O
2
N
N
H
CH
R
1
COOH +
(Амінокислоти)
(n)
40 Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
ферментів трипсину, хімотрипсину або інших протеаз (пепсину, еластази, папаїну
тощо). Пептидні фрагменти, що утворились внаслідок гідролізу, складаються з
10-20 амінокислотних залишків і можуть розділятися за допомогою одного з хро-
матографічних методів (зокрема, методу високоефективної рідинної хромато-
графії — ВЕРХ) або методом електрофорезу.
3.
Визначення амінокислотних послідовностей у пептидах
Основним сучасним методом розшифровки амінокислотних послідовностей є
метод ступінчастої деградації поліпептидних ланцюгів за допомогою фенілізо-
тіоціанату (ФІТЦ).
Він був запропонований шведським біохіміком П.Едманом (P.Edman) у 1950-
1956 рр. і складається з таких етапів:
– взаємодія ФІТЦ з
αα
αα
α-аміногрупою N-кінцевої амінокислоти пептиду, що
досліджується, з утворенням фенілтіокарбамоїл (ФТК)-пептиду;
– відщеплення в кислому середовищі від ФТК-пептиду фенілтіогідантоїнового
(ФТГ)-похідного N-кінцевої амінокислоти та його ідентифікація (рис. 2.16):
Унікальною особливістю методу Едмана є послідовне вкорочення дослі-
джуваного пептиду з N-кінця на один мономер без руйнування пептидних зв’язків
між іншими амінокислотними залишками. Таким чином, стають можливими
повторення зазначеної послідовності операцій та аналіз усього пептиду шляхом
поступового відщеплення його N-кінцевих амінокислотних залишків. Авто-
матизація методу, що реалізована в спеціальному приладі — “сіквенаторі”, від
англ. — “sequence” — послідовність, дозволяє аналізувати з високою ефектив-
ністю продукти білкового гідролізу і природні пептиди.
N = C = S + H
2
N
CH
R
1
C
O
NH
NH C
S
NH CH
R
1
C
O
NH
N
C
NH
S
O
H
R
1
CH
R
2
C
O
NH
+ H
2
N
OH
–
HCl
Фенілізотіоціанат
Пептид (n амінокислот)
Фенілтіогідантоїнова похідна
N-кінцевої амінокислоти
Залишок пептиду
((n-1) амінокислот)
Рис. 2.16. Схема аналізу пептидів за методом П. Едмана.
41Ãëàâà 3. Íóêëå¿íîâ³ êèñëîòè. Íóêëåîòèäè
ГЛАВА 3. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ. НУКЛЕОТИДИ
Нуклеїнові кислоти — дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК) та рибонуклеї-
нові 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 акуму-
люванням, зберіганням та міжмолекулярним перенесенням енергії в клітинах.
3.1. НУКЛЕОТИДИ: СТРУКТУРА, БІОХІМІЧНІ ФУНКЦІЇ
Структура нуклеотидів
За умов повного гідролізу нуклеїнових кислот (кислотного або лужного) в гідро-
лізатах виявляють пуринові та піриміди-
нові азотисті основи, пентози (D-рибоза
або 2-дезокси-D-рибоза) та фосфорну
кислоту.
В основі структури азотистих основ нук-
леотидів 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:
C
C
H
C
N
HC
N
N
H
CH
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Пурин Піримідин
CH
CH
H
C
N
HC
N
3
2
1
6
5
4
Аденін
(6-амінопурин)
N
C
C
C
HN
C
N
H
CH
N
NH
2
O
N
C
C
C
N
C
N
H
CH
N
NH
2
OH
N
C
C
C
N
HC
NH
2
N
H
CH
N
Лактамна форма Лактимна форма
Гуанін (2-аміно-6-оксипурин)
42
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
OP
HO
HO
OCH
2
B
OH
R
O
-H
-OH
1'
2'
3'
4'
5'
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 фор-
мах — лактамних і лактимних, — залежно від рН середовища. У складі нуклео-
тидів 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 азотис-
тої 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 фос-
форною кислотою) певного гідроксилу
в пентозі, що входить до складу нуклео-
зиду, призводить до утворення нуклео-
тиду (нуклеозидфосфату). Нуклеотиди
(та нуклеозиди) ДНК містять 2-дез-
окси-D-рибозу, РНК — D-рибозу:
N
H
CH
CH
C
HN
C
O
O
N
CH
CH
C
N
C
HO
OH
N
H
CH
C
C
HN
C
O
O
N
CH
C
C
N
C
HO
OH
CH
3
CH
3
N
H
CH
CH
C
N
C
O
N
CH
CH
C
N
C
HO
NH
2
NH
2
Цитозин (2-окси-4-амінопіримідин)
Лактамна форма
Лактимна форма Лактамна форма
Лактамна форма
Лактимна форма
Лактимна форма
Урацил (2,4-діоксипіримідин) Тимін (5-метил-2,4-діоксипіримідин)
43Ãëàâà 3. Íóêëå¿íîâ³ êèñëîòè. Íóêëåîòèäè
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
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, 1-метилурацил,
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
(
ΨΨ
ΨΨ
Ψ) — нуклеотид, в якому рибоза приєднана до урацилу в 5-му положенні, тобто не
азот-вуглецевим, а вуглець-вуглецевим зв’язком.
Біологічні функції мінорних нуклеотидів до кінця не з’ясовані.
Назви азотистих основ Скорочені
повні скорочені
укр.; англ.
Нуклеозиди Нуклеотиди позначення
нуклеотидів
РНК
Пуринові:
Аденін (А; A) Аденозин Аденілова кислота (аденозин-5'-фосфат) АМФ
Гуанін (Г; G) Гуанозин Гуанілова кислота (гуанозин-5'-фосфат) ГМФ
Піримідинові:
Цитозин (Ц; C) Цитидин Цитидилова кислота (цитидин-5'-фосфат) ЦМФ
Урацил (У; U) Уридин Уридилова кислота (уридин-5'-фосфат) УМФ
ДНК
Пуринові:
Аденін (А; A) Дезокси-
аденозин
Дезоксиаденілова кислота (дезоксиаденозин-5'-
фосфат)
дАМФ
Гуанін (Г; G) Дезокси-
гуанозин
Дезоксигуанілова кислота (дезоксигуанозин-5'-
фосфат)
дГМФ
Піримідинові:
Цитозин (Ц; C) Дезокси-
цитидин
Дезоксицитидилова кислота (дезоксицитидин-
5'-фосфат)
дЦМФ
Тимін (Т; T) Тимідин Тимідилова кислота (тимідин-5'-фосфат) ТМФ
Нуклеозид-3’-фосфатиНуклеозид-5’-фосфати Нуклеозид-2’-фосфати
CH
2
B
O
CH
2
B
O
OH
O
OH
P
CH
2
B
OH
O
O
HO
P
OH OH
O
P
44
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Біохімічні функції вільних нуклеотидів:
1. Участь в енергетичному обміні (реакціях окисного фосфорилювання) — функ-
цію 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.
3.2. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ: СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ
Первинна структура нуклеїнових кислот
Як уже зазначалося, всі класи нуклеїнових кислот (ДНК та РНК) є високо-
молекулярними сполуками, основою первинної структури яких є полінуклео-
тидний 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 пен-
този позначають вертикальними лініями, 3'-, 5'-фосфодіефірні зв’язки — похилими
лініями з буквою Ф (P) посередині.
Первинна структура ДНК (фрагмент
полідезоксирибонуклеотидного ланцюга).
Первинна структура РНК (фрагмент
полірибонуклеотидного ланцюга).
CH
2
O
H
O
PHO O
O
CH
2
O
H
O
PHO O
O
CH
2
O
OH
O
PHO O
O
CH
2
O
OH
O
PHO O
1'
2'
3'
4'
5'
(Азотиста основа)
1
1'
2'
3'
4'
5'
1'
2'
3'
4'
5'
1'
2'
3'
4'
5'
O
(Азотиста основа)
1
(Азотиста основа)
2
(Азотиста основа)
2
45Ãëàâà 3. Íóêëå¿íîâ³ êèñëîòè. Íóêëåîòèäè
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 нуклео-
тидів, що визначають їх біологічні функції.
Таблиця 3.2. Особливості первинної структури ДНК та РНК
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'
3'.
3.3. БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ ТА БІОЛОГІЧНІ ФУНКЦІЇ ДНК
Біологічні функції ДНК:
1. Збереження спадкової інформації.
Кількість ДНК у соматичних та статевих клітинах організму людини є сталою
величиною, яку ці клітини отримують у процесах запліднення батьківських гамет та
подальшого поділу зиготи.
Ф
А
Ф
3’
5’
У
Ф
3’
5’
Г
Ф
3’
5’
Ц
Ф
3’
5’
А
Ф
3’
5’
Т
Ф
3’
5’
У
ОН
3’
5’
Кінцевий
5’–фосфат
Кінцева 3’–
ОН–група
Полярність ланцюга нуклеїнової кислоти
5’ 3’
Азотисті основиНуклеїнові кислоти Пентози
пурини піримідини
ДНК
2'-дезоксирибоза аденін, гуанін цитозин, тимін
РНК
рибоза аденін, гуанін цитозин, урацил
46
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
2. Передавання генетичної інформації нащадкам.
Подвоєння молекул ДНК у процесі реплікації та передавання нащадкам копій
материнських молекул є основою консерватизму спадковості, збереження протягом
багатьох поколінь основних біологічних ознак виду.
3. Реалізація генетичної інформації.
Ця біологічна функція здійснюється за рахунок передачі закодованої в ДНК інформації
молекулам інформаційних (матричних) РНК (транскрипції) та подальшої розшиф-
ровки цієї інформації при синтезі білків (трансляції).
Сукупність зазначених біологічних функцій ДНК та механізмів їх реалізації отримала
назву — центральна догма молекулярної біології (Ф.Крік) (рис. 3.1):
Експериментальне доведення генетичної ролі ДНК (феномен трансформації)
У 1928 р. англійським мікробіологом Ф. Гріффітом (F. Griffith) при вивченні двох
штамів пневмококів Streptococcus pneumoniae — патогенного, що викликає
пневмонію в людини та мишей (капсульної S-форми), та непатогенного мутанта
(безкапсульної R-форми) — було відкрито явище трансформації. Вона полягала
в можливості перетворення непатогенної R-форми в патогенну S-форму:
трансформація
R
S
Гріффіт встановив, що трансформація пневмококів відбувається за умов
взаємодії в організмі піддослідних тварин (мишей) вбитої нагріванням S-форми
(патогенної) з живою непатогенною R-формою. Був зроблений висновок, що у
вбитих нагріванням вірулентних клітинах пневмококів (штам S) присутній певний
трансформуючий фактор, який, проникаючи в живі невірулентні клітини (штам
R), змінює біологічні властивості останніх, надаючи їм властивість патогенності,
до того ж ця властивість є спадковою:
трансформуючий фактор
R
S
Пізніше, в 1944 р., групою дослідників із Рокфелерівського інституту (США) —
О.Евері, К.Мак-Леодом та М.Мак-Карті (O.Avery, C.McLeod, M.McCarthy) при
дослідженні хімічної природи екстрактів патогенних пневмококів, які спричиняють
трансформацію, було доведено, що трансформуючим фактором пневмококів є
клітинна ДНК:
ДНК
R
S
Таким чином, у результаті досліджень О.Евері та співавторів генетичне
поняття “фактор спадковості”, або “ген” уперше набуло конкретного моле-
кулярного змісту — ним виявилась дезоксирибонуклеїнова кислота.
Рис. 3.1. Центральна догма молекулярної біології.
трансляція
РНК
Реплікація
транскрипція
БілокДНК
47Ãëàâà 3. Íóêëå¿íîâ³ êèñëîòè. Íóêëåîòèäè
Молекулярна маса і розміри молекул ДНК
Молекулярна маса (м.м.) дезоксирибонуклеїнових кислот суттєво варіює в різних
біологічних об’єктах: вірусах, прокаріотичних та еукаріотичних клітинах.
Точному визначенню молекулярної маси різних зразків ДНК перешкоджає
гідродинамічна ламкість гігантських молекул нуклеїнових кислот, особливо у вищих
організмів, які при спробі виділити їх в інтактному стані руйнуються на більш
короткі фрагменти. Крім того, ДНК багатьох об’єктів має складну молекулярну
організацію і становить широкий спектр різних полінуклеотидних конформацій:
лінійні одноланцюгові та дволанцюгові молекули, кільцеві одноланцюгові та
дволанцюгові молекули, суперспіралізовані структури.
Утім, застосування сучасних фізико-хімічних методів дослідження та електрон-
ної мікроскопії дозволило встановити, що молекулярна маса ДНК (при розрахунку
на один полінуклеотидний ланцюг) складає в середньому діапазон від 10
6
до
10
11
дальтон (Д).
ДНК вірусів і прокаріотів
Найменшу молекулярну масу та довжину молекули мають ДНК найпростіших
живих утворень — вірусів, зокрема вірусів бактерій (бактеріофагів). Наприклад,
м.м. одного з найменших за розміром бактеріофагів — фага ∅X 174 — становить
(за даними різних досліджень) 1,6·10
6
(або 3,4·10
6
) Д.
У прокаріотичних клітинах мікроорганізмів кількість ДНК та її молекулярна
організація значно вищі, ніж у вірусів. Зокрема, ДНК кишкової палички E.Coli є
ковалентно замкненим дволанцюговим кільцем з м.м. 1,9·10
9
(або, за іншими
даними, 26·10
9
) Д. Відповідно до зростання складності біологічної організації, при
переході від вірусів до прокаріотів зростає і кількість нуклеотидних пар у дволан-
цюгових молекулах ДНК.
ДНК еукаріотичних клітин
У клітинах без’ядерних прокаріотів міститься одна молекула ДНК, яка розта-
шована в спеціальній зоні цитоплазми — нуклеоїді. ДНК еукаріотів розміщена в
ядрі й, поза фазами клітинного поділу, входить до складу аморфного нуклеопротеї-
нового утворення — ядерного хроматину. В період підготовки до мітозу (у фазі S
клітинного циклу) відбувається подвоєння ДНК із подальшою конденсацією хро-
матину й утворенням цитологічних структур — хромосом, — в яких сконцентро-
ваний ядерний генетичний матеріал клітини.
За рахунок подвоєння (реплікації) молекул ядерної ДНК у фазі S у кожній сома-
тичній клітині утворюється диплоїдний набір генетичного матеріалу, що забезпе-
чує його рівномірний поділ між двома дочірніми клітинами. Таким чином, в період
метафази клітинного циклу (період, що передує розходженню в дочірні клітини
генетичного матеріалу) кожна хромосома еукаріотичної клітини містить дві
повністю ідентичних молекули ДНК. Кількість хромосом в еукаріотичних
клітинах специфічна для біологічного виду. Так, клітини улюбленого об’єкта кла-
сичної генетики — плодової мушки Drosophila melanogaster — мають по 8 хро-
мосом, соматичні клітини людини — 46 хромосом. Молекулярна маса ДНК із
хромосом людського організму дорівнює в середньому 1,6·10
11
Д, що відповідає
2,4·10
9
парам азотистих основ. Фізична довжина розгорнутих молекул ДНК із
клітин еукаріотів досягає декількох сантиметрів.
48
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Біооб'єкт Молекулярна маса,
Д
Кількість
нуклеотидних пар
Д
овжина молек
у
ли
Віруси
Вірус поліоми 3·10
6
4,6·10
4
1,1 мкм
Бактеріофаг
λ
3,3·10
7
5·10
4
13 мкм
Бактеріофаг Т41,3·10
8
2·10
5
50 мкм
Прокаріоти
Haemophilus influenzae 8·10
8
1,2·10
6
300 мкм
Escherichia coli 1,9·10
9
3·10
6
1 мм
Еукаріоти
Drosophila melanogaster 4,3·10
10
6,5·10
7
2 см
Хромосоми людини 1,6·10
11
2,4·10
9
8,2 см
Мітохондрії миші 9,5·10
6
1,4·10
4
5 мкм
Молекулярні параметри розмірів ДНК деяких представників вірусів, прокаріотів
та еукаріотів подано в табл. 3.3.
Таблиця 3.3. Молекулярна маса і розміри молекул ДНК із різних біологічних об’єктів
Як свідчать дані таблиці 3.3, в цілому існує пряма пропорційність між зро-
станням еволюційного рівня, біологічної складності живих організмів та
кількістю генетичного матеріалу, вираженого в чисельності нуклеотидних
пар та, відповідно, молекулярній масі молекул ДНК. Значно менші молекулярні
розміри та складність нуклеотидної організації ДНК мітохондрій тільки підтверджують
існуючу теорію про походження цих органел із примітивних прокаріотів.
Вторинна структура
Вивчення нуклеотидного складу молекул ДНК із різних біологічних об’єктів
показало, що, незалежно від джерела походження (бактеріальні, рослинні, тваринні
організми), всі ДНК мають певні кількісні взаємовідносини між вмістом пуринових та
піримідинових нуклеотидів. Згідно з цими закономірностями (правилами Чаргафа),
у складі ДНК:
1) сума пуринових основ дорівнює сумі піримідинових основ, тобто:
А + Г = Т + Ц, або
2) кількість 6-аміногруп дорівнює кількості 6-кетогруп (за хімічною номенклатурою
Фішера);
3) вміст аденіну дорівнює вмісту тиміну, а вміст гуаніну дорівнює вмісту цитозину
(правило еквівалентності):
А = Т, Г = Ц.
Зазначені кількісні взаємовідношення між азотистими основами, а також резуль-
тати вивчення будови молекул ДНК методом рентгеноструктурного аналізу
(М.Уілкінс), дозволили американському біохіміку Джеймсу Уотсону та англійсько-
му фізику Френсису Кріку, що працювали в Кембриджському університеті, запро-
понувати просторову модель структури молекули ДНК у вигляді подвійної спіралі.
Згідно з моделлю Уотсона-Кріка, молекула ДНК складається з двох ланцю-
гів, що утворюють правообертаючу спіраль, в якій обидва полінуклеотидні ланцюги
закручені навколо центральної осі; при цьому два полінуклеотидні ланцюги в
молекулі ДНК антипаралельні (рис. 3.2, 3.3).
49Ãëàâà 3. Íóêëå¿íîâ³ êèñëîòè. Íóêëåîòèäè
Стабілізація подвійного
ланцюга здійснюється за
рахунок водневих зв’язків, що
утворюються між протилеж-
но розташованими, так звани-
ми комплементарними (до-
датковими), азотистими осно-
вами (аденіном і тиміном та
гуаніном і цитозином, відпо-
відно), що пояснює зазначені
вище емпіричні правила Чар-
гафа.
Крім водневих зв’язків,
стабільність молекули ДНК
підтримується також у резуль-
таті взаємодій між
ππ
ππ
π-елект-
ронними хмарами гетероцик-
лів азотистих основ, що розмі-
щені один під одним вздовж
осі спіралі — так звані “сте-
кінг-взаємодії”.
Структурні особливості подвійної спіралі: діаметр спіралі — 20
µµ
µµ
µ; відстань між
азотистими основами впродовж осі спіралі — 3,4 А
о
; спіральна структура повто-
рюється з інтервалом у 34 А
о
, тобто через 10 нуклеотидних пар.
Зазначені структурні особливості стосуються запропонованої Уотсоном і Кріком
В-форми молекули ДНК (рис. 3.4). Разом із тим, залежно від взаємодії з різною
34 А
3,4 А
10 А
Рис. 3.2. Схематичне зображення дво-
спіральної молекули ДНК.
Рис. 3.3. Антипаралельність полінуклеотидних
ланцюгів в молекулі ДНК.
H
N
C
N
C
NC
C
N
C
H
C
H
N
H
H
C
N
C
C
C
N
H
O
C
H
H
H
C
N
C
N
C
NC
C
N
C
H
C
O
H
N
H
H
C
N
C
C
C
N
N
C
H
H
C
O
H
H
Аденін
Гуанін
А
Тимін
Цитозин
5
50
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
кількістю молекул води та катіонами, ДНК
набуває інших структурних форм: А, С та Z, які
можуть відповідати певним фізіологічним
умовам та взаємодії ДНК із білками ядерного
хроматину (С-форма).
Третинна структура
У живій клітині подвійна спіраль, що
становить вторинну структуру ДНК, не має
вигляду розгорнутої молекули, а додатково
згорнута в просторі, утворюючи певні третинні
структури — суперспіралі.
У суперспіралізованому стані молекули
ДНК у комплексі з певними клітинними
білками входять до складу нуклеоїду прока-
ріотів та ядерного хроматину еукаріотів.
Завдяки суперспіралізації довгі молекули
ДНК формують компактні утворення, зокрема хромосоми ядра. Так, у результаті
компактизації ядерна молекула ДНК клітин організму людини, що становить
приблизно 8 см, вміщається в хромосомі довжиною 5 нм.
Фізико-хімічні властивості
Реакційноздатність
Усі полінуклеотиди, ДНК зокрема, є сильними багатоосновними кислотами з
низьким значенням рК. Кислотність ДНК обумовлена вторинними фосфатними
групами, що при рН > 4 повністю іонізовані.
Завдяки кислотним властивостям і наявності на своїй поверхні негативних
зарядів молекули ДНК при фізіологічних значеннях рН активно реагують і
утворюють комплекси з катіонами:
– поліамінами (спермідином, сперміном);
– основними білками (гістонами, протамінами);
– катіонами металів (Са
2+
, Mg
2+
, Fe
2+
).
Рис. 3.4. В-форма молекули ДНК.
Н
С у фосфоефірному
ланцюзі
С і N в основах
О
Р
. . .
Рис. 3.5. Схема взаємодії полінуклеотидного ланцюга ДНК з основними білками.
Основа-пентоза
Основа-пентоза
. . .
51Ãëàâà 3. Íóêëå¿íîâ³ êèñëîòè. Íóêëåîòèäè
В’язкість та оптична активність
Висока молекулярна маса і велика довжина молекул ДНК зумовлюють високу
в’язкість навіть дуже розбавлених їх розчинів. В’язкість молекул ДНК у розчині
залежить від їх конформації і суттєво змінюється за умов денатурації та рена-
турації (див. нижче), що дозволяє використовувати віскозиметричні методи для
дослідження кінетики цих процесів.
Завдяки впорядкованій вторинній структурі молекули ДНК є оптично актив-
ними, тобто вони здатні обертати площину поляризованого світла. Оптична ак-
тивність розчинів ДНК також застосовується з метою реєстрації конформаційних
змін молекул.
Поглинання в УФ-ділянці
Азотисті сполуки (та відповідні нуклеотиди), що входять до складу нуклеїнових кислот
ДНК і РНК, мають властивість поглинати ультрафіолетове світло при 260 нм.
За умов утворення полінуклеотидів взаємний вплив паралельно розташованих по
довжині молекули ДНК пар азотистих основ супроводжується певним зниженням
УФ-поглинання. Таким чином, поглинання при 260 нм нативної молекули ДНК дещо
нижче (в середньому на 40 %) від відповідного поглинання суми азотистих основ, що
входять до складу полінуклеотиду — гіпохромний ефект. При порушенні
високовпорядкованої двоспіральної конформації ДНК та структурних взаємовідносин
між азотистими основами спостерігається гіперхромний ефект, тобто зростання
поглинання розчинів молекул ДНК при 260 нм, що дозволяє досліджувати процес
денатурації.
Денатурація
Денатурація ДНК — це порушення на-
тивної двоспіральної конформації молекул
ДНК та їх упорядкованого просторового
розташування з утворенням невпорядко-
ваних одноланцюгових клубків. За умов
денатурації ковалентні зв’язки в ДНК збе-
рігаються, проте відбувається розкручу-
вання подвійної спіралі з втратою специ-
фічних взаємодій між азотистими основа-
ми. Ренатурація — відновлення нативної
вторинної конформації ДНК, що спостері-
гається за певних умов.
Денатурація ДНК супроводжується
гіперхромним ефектом та зменшенням
в’язкості її розчинів (рис. 3.6).
Нуклеїнові кислоти, що піддані процесу денатурації, втрачають свої біологічні
властивості.
Молекулярною основою денатурації молекул ДНК є руйнування водневих
зв’язків між комплементарними азотистими основами А–Т та Г–Ц,
відповідно.
Pneumococcus
Serratia
Температура, °С
Відносне поглинання при 260 нм
Рис. 3.6. Гіперхромний ефект у процесі де-
натурації ДНК мікроорганізмів.
52
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Рис. 3.7. Утворення “шпильок” у вторинній структурі РНК.
Структурні зміни в молекулах ДНК, що призводять до їх денатурації, відбуваються
внаслідок:
– різких змін рН у кислий або лужний бік;
– нагрівання розчинів ДНК до певних температур.
Термічна денатурація ДНК отримала назву процесу плавлення. Для кожного
типу молекул ДНК (тобто молекул, що мають певний нуклеотидний склад) харак-
терна відповідна температура денатурації, що позначається як температура
(точка) плавлення — Т
m
(від англ. melting — плавлення). Т
m
різних зразків ДНК
залежить від співвідношення в їх складі G–C- та A–T-пар.
Співвідношення між G–C- та A–T-парами є важливим показником нуклео-
тидного складу молекул ДНК з різних біологічних об’єктів. Оскільки між гуані-
ном та цитозином в складі двоспіральної молекули ДНК утворюється три водневих
зв’язки (на відміну від двох — між аденіном та тиміном), термічна дисоціація
пари G–C потребує більших затрат енергії, тобто відбувається при більш високих
температурах, ніж руйнування пари A–T. Виходячи з цього, температура плавлення
молекул ДНК прямо пропорційна вмісту в них G–C-пар, що дозволяє використати
визначення Т
m
як показника нуклеотидного складу ДНК.
3.4. БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ Й БІОЛОГІЧНІ ФУНКЦІЇ РНК
Рибонуклеїнові кислоти — полірибонуклеотиди, що в клітинах еукаріотів та
прокаріотів за характером своєї структури та біологічних функцій поділяються на
такі основні класи: інформаційні (матричні) РНК (мРНК), транспортні РНК
(тРНК), рибосомні РНК (рРНК). У клітинах РНК-вмісних вірусів полірибонуклео-
тиди виконують генетичну функцію зберігання та переносу спадкової інформації.
Особливості первинної структури РНК розглянуто вище (табл. 3.2). На від-
міну від дволанцюгових ДНК, молекули РНК вищих організмів є одноланцюговими
полінуклеотидами. Дволанцюгову структуру мають лише генетичні РНК деяких
вірусів (реовірусів, вірусів ранових пухлин рослин, вірусу карликовості рису). Разом
із тим, одноланцюгові РНК за рахунок внутрішньомолекулярних взаємодій набу-
вають конформацій, що позначаються як вторинні та третинні структури.
Вторинна структура
одноланцюгових поліри-
бонуклеотидів еукаріотів
характеризується наяв-
ністю ділянок, що мають
двоспіральну структуру.
Ці ділянки молекул РНК
(так звані “шпильки”) утво-
рюються за рахунок згинів
полірибонуклеотидного
ланцюга та взаємодії між
собою комплементарних
азотистих основ (А–У
53Ãëàâà 3. Íóêëå¿íîâ³ êèñëîòè. Íóêëåîòèäè
та Г–Ц) у межах одного ланцюга. Такі спіралізовані ділянки містять 20-30 нук-
леотидних пар і чергуються з неспіралізованими фрагментами РНК (рис. 3.7).
Як і ДНК, полінуклеотиди РНК характеризуються максимумом поглинання
при 260 нм, зумовленим азотистими основами, мають гіпохромний ефект, оптичну
активність та підлягають денатурації при дії жорстких фізико-хімічних факторів.
Інформаційні (матричні) РНК
Це клас РНК, що складають 2-5 % загальної кількості клітинної РНК. мРНК
виконують функцію переносників генетичної інформації від геному (ядерної ДНК)
до білоксинтезуючої системи клітини. Вони є інформаційними матрицями, які ви-
значають амінокислотні послідовності в молекулах поліпептидів, що синтезуються
в рибосомах.
мРНК властиві метаболічна нестабільність і найбільша гетерогенність молеку-
лярної маси та розмірів молекул (від 25·10
3
до 1-2·10
6
) з константами седиментації
від 6 до 25 s. Широкий спектр окремих молекул мРНК відповідає кількості білків
організму, носіями генетичної інформації для синтезу яких є РНК цього класу.
За своїм нуклеотидним складом мРНК відповідає (з урахуванням принципу
комплементарності) нуклеотидній послідовності фрагмента одного з ланцюгів ядер-
ної ДНК, транскриптом якого вона (мРНК) є. Особливістю первинної структури
мРНК є також наявність на 5'- та 3'-кінцях молекули характерних для цього класу
РНК нуклеотидних послідовностей.
5'-кінець усіх
молекул мРНК
еукаріотів та дея-
ких вірусів в якості
першого нуклео-
тиду містить 7-ме-
тилгуанозин (пер-
ший нуклеотид), що
через трифосфат-
ний залишок зв’я-
заний із 5'-гідрок-
силом сусіднього
(другого) нуклео-
тиду. Нуклеотид, з
яким зв’язаний 5'-
кінцевий 7-метил-
гуанозин, має, зви-
чайно, метильова-
ну по С-2'-рибозу:
Модифікований
7-метилгуанозином 5'-кінець мРНК має назву “кепа” (від англ. cap — шапочка).
До його складу можуть входити 1-3 залишки 7-метилгуанозину.
3'-кінець багатьох мРНК еукаріотів містить відносно довгі поліаденілатні (poly(A))
послідовності. До складу poly(A)-“хвостів” мРНК — входять 20-250 нуклеотидів.
CC
CH
O
CH
OH
H
OH
H
NH
N
O
NH
2
N
N
CH
3
H
2
C
O
P
O
O
–
O
P
O
O
O
–
P
O
–
O
O
CH
2
CC
CH
O
CH
HH
O
OCH
3
N
N
N
N
NH
2
P
O
O
O
–
CH
2
CH
CC
CH
O
H
H
OH
N
NH
O
O
O
P
O
O
–
5'
5'
3'
2'
3'
54
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Вважають, що 5'-кепування та 3'-поліаденілування стабілізують молекули
мРНК, запобігаючи дії нуклеаз, та мають велике значення для зв’язування мРНК
із рибосомами в процесі трансляції.
Вторинна структура мРНК характеризується численними внутрішньолан-
цюговими двоспіральними ділянками (“шпильками”), до складу яких входить до
40-50 % нуклеотидного складу полірибонуклеотиду.
Транспортні РНК
На тРНК припадає 10-20 % клітинної РНК. Їх молекули — це полірибонук-
леотидні ланцюги, довжина яких — 70-90 нуклеотидів. Молекулярна маса
тРНК — (23-28)·10
3
кД, константа седиментації — 4 s. Усього в клітинах зна-
ходиться не менше 20 типів тРНК, що відповідає кількості природних L-аміно-
кислот, з якими тРНК взаємодіють у ході трансляції.
Первинна структура тРНК відзначається великою кількістю мінорних нук-
леотидів — наявністю метильованих, псевдоуридилових та дигідроуридилових
залишків.
Вторинна структура молекул тРНК у двомірному просторі має конформацію
“листка конюшини”, що утворюється за рахунок специфічної взаємодії ком-
плементарних азотистих основ упродовж полірибонуклеотидного ланцюга.
Неспарені нуклеотидні послідовності формують специфічні для будови тРНК
структурні елементи:
Акцепторну гілку (стебло) — 3'-кінець молекули, який містить термінальну
послідовність нуклеотидів ЦЦА. Кінцевий аденозин через 3'-гідроксильну групу
рибози акцептує амінокислоту в процесі трансляції.
Антикодонову петлю — містить групу з трьох нуклеотидів (антикодон),
комплементарних триплету нуклеотидів (кодону)
в складі мРНК. Ця петля відповідає за взає-
модію тРНК із певними нуклеотидами мРНК
при утворенні в рибосомі транслюючого
комплексу.
Дигідроуридилову петлю — складається з
8-12 нуклеотидів, містить у собі 1-4 дигідроури-
дилові залишки.
Псевдоуридилову петлю — ділянка тРНК,
яка в усіх молекулах містить обов’язкову нуклео-
тидну послідовність — 5‘-Т
ψψ
ψψ
ψС-3’. Вважають,
що ця петля необхідна для взаємодії тРНК із
рибосомою.
Додаткову гілку — структура, за кількістю
нуклеотидних залишків в якій тРНК поділяються
на два класи: тРНК класу I — містить 3-5 нук-
леотидів; тРНК класу II — з додатковою гілкою,
яка має довжину від 13 до 21 нуклеотиду.
Схему будови тРНК подано на рис. 3.8.
3’
А—ОН
Ц
Ц
5’
Ф
Акцепторна
гілка
Додаткова
гілка
Антикодон
I
I I
I I I
I V
Рис. 3.8. Узагальнена схема вторин-
ної структури молекули
тРНК типу “листка коню-
шини”.
55Ãëàâà 3. Íóêëå¿íîâ³ êèñëîòè. Íóêëåîòèäè
Притаманні тРНК структури типу “листка конюшини” можуть утворювати
більш компактні просторові конформації — третинні структури. За даними
рентгеноструктурного аналізу, третинна структура молекул тРНК нагадує велику
латинську літеру L.
Рибосомні РНК
Рибосомні РНК (рРНК) — клас клітинних РНК, що входять до складу рибосом
прокаріотичних та еукаріотичних клітин. На рРНК припадає до 90 % загальної
кількості клітинних РНК.
рРНК разом із специфічними білками становлять основу структури та функції
рибосом (рибонуклеопротеїнових часточок), в яких відбувається процес транс-
ляції — біосинтез поліпептидних ланцюгів на основі коду, що поставляється мРНК.
Рибонуклеїнові кислоти цього типу є метаболічно стабільними молекулами; взає-
модіючи з рибосомними білками, вони виконують функцію структурного каркаса
для організації внутрішньоклітинної системи білкового синтезу.
Модифікованих (мінорних) основ у складі рРНК значно менше, ніж у тРНК.
Проте рибосомні РНК є також високометильованими полірибонуклеотидами, в
яких метильні групи зв’язані або з азотистими основами, або з 2'-гідроксильними
групами рибози.
Вторинна структура рРНК представлена значною кількістю коротких двоспі-
ральних ділянок, що мають вигляд “шпильок” або паличок.
Крім зазначених класів РНК, в ядрах клітин ссавців містяться рибонуклеїнові
кислоти різної молекулярної маси, так звані гетерогенні ядерні РНК (гяРНК).
Їх молекулярна маса може перевищувати 10
7
. ГяРНК є продуктами транскрипції
генів, що не зазнали посттранкрипційної модифікації — процесингу.
3.5. МОЛЕКУЛЯРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ЯДЕРНОГО
ХРОМАТИНУ І РИБОСОМ
За своєю молекулярною організацією хроматин клітинного ядра або нуклеоїд
та рибосоми еукаріотів і прокаріотів є складними за структурою нуклео-
протеїновими комплексами.
Ядерний хроматин
Хроматин ядра еукаріотів є структурою, що на
електронних мікрофотографіях являє собою волок-
на, які нагадують нитки намиста. Окремі кулепо-
дібні намистини хроматинових волокон отримали
назву нуклеосом.
Усередині нуклеосоми знаходиться білкова
частина — ядро, або нуклеосомний кор (від англ.
core — серцевина, ядро), на поверхню якого на-
мотаний відрізок двоспіральної ДНК (рис. 3.9).
До складу нуклеосомного кору входять вісім
молекул гістонів (гістоновий октамер): по дві мо-
лекули гістонів Н2А, Н2В, Н3 та Н4 (табл. 3.4).
Рис. 3.9. Схема молекулярної ор-
ганізації нуклеосом ядер-
ного хроматину.
56
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Тип Молекулярна
маса, кД
Вміст
лізину,%
Вміст
аргініну,%
Локалізація в
нуклеосомі
Н1 21,0 29 1,5 Інтерлінкерна ДНК
Н2А 14,5 11 9,5 Кор нуклеосоми
Н2В 13,7 16 6,5 Кор нуклеосоми
Н3 15,3 10 13,5 Кор нуклеосоми
Н4 11,3 11 14,0 Кор нуклеосоми
Т а б л и ц я 3.4. Гістони ядерного хроматину
Гістоновий октамер у складі нуклеосоми формує кулеподібну структуру, обмо-
тану двоспіральною ДНК за типом суперспіралі. Нуклеосомна ДНК утворює нав-
коло кору 1,75 витка (приблизно 140 нуклеотидних пар) і переходить на іншу нуклео-
сому. Із відрізком ДНК, який об’єднує сусідні нуклеосоми (лінкерна ДНК, довжина
якої — 50 нуклеотидних пар) зв’язаний гістон Н1.
Гістони, що входять до складу хроматину, є основними білками, які містять
значну кількість діаміномонокарбонових амінокислот лізину та аргініну, позитивний
заряд яких дає їм можливість утворювати солеподібні комплекси з фосфатними
групами ДНК. Біологічна функція гістонів полягає в регуляції зчитування генетичної
інформації з молекул ДНК.
Крім гістонів (білків основного характеру), до складу ядерного хроматину входять
певна кількість кислих негістонових білків (НГБ) (декілька десятків фракцій) та
незначний відсоток ліпідів і іонів металів, зокрема Mg
2+
, Ca
2+
, Fe
2+
. Біохімічні функції
цих мінорних компонентів хроматину ще не повністю з’ясовані.
Рибосоми
Рибосоми — субклітинні часточки, що за біохімічним складом являють собою
рибонуклеопротеїнові структури. Вони є “молекулярними машинами”, в яких
відбуваються основні етапи біосинтезу білків — трансляції. У клітинах людини і тварин
більша частина рибосом зв’язана з мембранами ендоплазматичного ретикулуму.
Рибосоми прокаріо-
тичних та еукаріотичних
клітин мають схожу мо-
лекулярну організацію,
складаючись із двох суб-
одиниць — меншої та
більшої, — що відріз-
няються за розмірами та
наборами специфічних
рРНК і рибосомних біл-
ків (рис. 3.10).
Участь окремих суб-
одиниць рибосом у ре-
алізації біохімічних ре-
акцій трансляції буде
розглянуто в главі 21.
Рис. 3.10. Схема будови рибосом прокаріотичних та еукаріотичних
клітин.
23S
Прокаріоти (E. Coli) Еукаріотичні клітини
70S 80S
50S
30S
60S
40S
5S 16S
28S 5,8S 5S
18S
РНК
Білки
великої
суб-
одиниці
Білки
малої
суб-
одиниці
РНК
РНК
РНК
Білки
великої
суб-
одиниці
Білки
малої
суб-
одиниці
57Ãëàâà 4. Âóãëåâîäè òà ¿õ ïîõ³äí³
ГЛАВА 4. ВУГЛЕВОДИ ТА ЇХ ПОХІДНІ
Вуглеводи (глюциди, цукри) — біоорганічні сполуки, що за своєю хімічною
будовою є альдегідо- та кетопохідними багатоатомних спиртів, або
поліоксіальдегідами та поліоксикетонами.
Вуглеводи, що відповідають зазначеним хімічним структурам і не підлягають
гідролізу (тобто розщепленню водою на більш прості сполуки), є простими
вуглеводами, або моносахаридами. Вуглеводи, що гідролізуються до моносахаридів,
мають назву складних вуглеводів — олігосахаридів та полісахаридів.
Вуглеводи утворюються в природі з діоксиду вуглецю та води за рахунок фото-
синтезу, що протікає в рослинах та деяких мікроорганізмах, і складають основну масу
органічного вуглецю біосфери; їх вміст у тканинах рослин становить близько 80 %
маси. У свою чергу, рослинні вуглеводи є одним із основних джерел вуглецю для
тваринних організмів.
У тваринних організмах вміст вуглеводів відносно невисокий, становлячи в
середньому 1-2 % сухої маси, в основному у вигляді резервного полісахариду гліко-
гену. Втім, вуглеводи відіграють життєво важливі енергетичні (моносахариди глю-
коза, фруктоза, гомополісахарид глікоген) та структурні (гетерополісахариди) функції.
4.1. МОНОСАХАРИДИ ТА ЇХ ПОХІДНІ
Залежно від кількості вуглецевих атомів, моносахариди (монози) поділяються
на тріози, тетрози, пентози, гексози, гептози т.і. Найбільш поширеними в тваринних
організмах моносахаридами є гексози та пентози, які знаходяться в клітинах як
учасники обміну речовин — метаболіти та виконують певні структурні функції,
входячи до складу інших біомолекул.
Гексози
Гексози поділяються на:
– альдогексози, до яких належать D-глю-
коза і її епімери D-галактоза, D-маноза, D-фу-
коза тощо;
– кетогексози, представником яких є
D-фруктоза.
αα
αα
α-D-Глюкоза
αα
αα
α-D-Галактоза
αα
αα
α-D-Маноза
H
O
OH
H
OH
H
OHH
OH
CH
2
OH
H
OH
O
H
H
OH
H
OHH
OH
CH
2
OH
H
H
O
OH
H
OH
OH
HH
OH
CH
2
OH
H
1
23
4
5
6
ββ
ββ
β-D-Фруктоза
CH
2
CH
2
OH
H
OH
H
H
HO
O
HO
OH
1
2
3
4
5
6
58
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
D-Глюкоза (виноградний цукор, декстроза) — моносахарид, широко поши-
рений у природі: у вільному стані глюкоза знаходиться в рослинах, крові людини
(4,44-6,66 ммоль/л) та інших біологічних рідинах. Глюкоза є структурним ком-
понентом дисахаридів сахарози, лактози та гомополісахаридів крохмалю, клітко-
вини та глікогену. Рослинний полісахарид крохмаль є основним джерелом над-
ходження глюкози в організм людини. В організмі людини за рахунок аеробного
окислення глюкози вивільняється в середньому 60-70 % хімічної енергії, необхідної
для енергозабезпечення процесів життєдіяльності.
D-Галактоза (молочний цукор) — входить до складу дисахариду лактози,
що міститься в молоці, а також у гетерополісахаридах (глікозамінгліканах, або
мукополісахаридах) тваринних тканин. Головним джерелом галактози для орга-
нізму людини є лактоза, яка після гідролізу звільнює галактозу, здатну перетво-
рюватися на глюкозу.
D-Маноза — є структурним компонентом полісахариду манану, що є компо-
нентом рослинних та бактеріальних глікопротеїнів; у вільному стані міститься в
шкурці цитрусових. У тваринному організмі входить до складу олігосахаридної
частини гліколіпідів та глікопротеїнів мембран та біологічних рідин. Продукт від-
новлення манози — шестиатомний спирт манітол (маніт) застосовують у медицині
як осмотичний діуретик і як замінник сахарози в дієті хворих на цукровий діабет.
Пентози
Біологічно важливими представниками пентоз є:
– альдопентози: D-рибоза, 2-дезокси-D-рибоза, L-арабіноза, D-ксилоза;
– кетопентози: D-рибулоза і D-ксилулоза.
D-Рибоза — альдопентоза, що в
ββ
ββ
β-фуранозній формі входить до складу
нуклеотидів рибонуклеїнових кислот та вільних рибонуклеотидів, ряду коферментів
(НАД, НАДФ, ФАД, ФМН), глікозидів і антибіотиків.
2-Дезокси-D-рибоза (дезоксирибоза) — пентоза, що відрізняється від D-рибози
відсутністю атома кисню в 2-му положенні. Входить до складу нуклеотидів
дезоксирибонуклеїнових кислот.
L-арабіноза — альдопентоза, що входить до складу полісахаридів рослин
арабінанів, рослинних камедів, зокрема, гуміарабіку (див. нижче), полісахаридів
туберкульозної палички. У вільному стані міститься в хвойних деревах.
D-ксилоза — зустрічається у складі рослинних ксиланів. Використовується в
кондитерському виробництві як поживна речовина для росту кормових дріжджів, а
також для синтезу спирту ксиліту, що застосовується як лікарський засіб.
D-рибулоза, D-ксилулоза — кетопентози, які у вигляді фосфорних ефірів
утворюються в організмі людини і тварин як метаболіти пентозофосфатного шляху
обміну глюкози.
2-дезокси-D-рибоза
αα
αα
α-D-рибоза
H
H
CH
2
OH
OH
OH
HH
O
H
H
CH
2
H
H
OH
HH
O
OH
OH
1
2
3
4
5
59Ãëàâà 4. Âóãëåâîäè òà ¿õ ïîõ³äí³
Амінопохідні моносахаридів (аміноцукри)
До найбільш поширених аміноцукрів належать 2-амінопохідні гексоз D-глюкози
та D-галактози — гексозаміни:
N-ацетильовані похідні гексозамінів найчастіше зустрічаються у складі гетеропо-
лісахаридів (див. нижче) — глікозамінгліканів (компонентів протеогліканів), оліго-
сахаридних ланцюгів глікопротеїнів та гліколіпідів.
Нейрамінова та сіалова кислоти
Біологічно важливим амінопохідним моносахаридів є нейрамінова кислота.
Із хімічної точки зору нейрамінова кислота є похідним моносахариду кетононози
(нонулози). В біологічних об’єктах нейрамінова кислота присутня у вигляді N- та
O-ацильних похідних, що відомі під назвою сіалові кислоти.
D-Глюкозамін (хітозамін)
D-Галактозамін (хондрозамін)
H
O
OH
H
OH
H
NH
2
H
OH
CH
2
OH
H
OH
O
H
H
OH
H
NH
2
H
OH
CH
2
OH
H
N-Ацетилглюкозамін N-Ацетилгалактозамін
H
O
OH
H
OH
H
NHH
OH
CH
2
OH
OH
O
H
H
OH
H
NHH
OH
CH
2
OH
C
O
CH
3
C
O
CH
3
Нейрамінова кислота (3,5-дидезокси-
5-амінононулонова кислота)
N-Ацетилнейрамінова
(сіалова) кислота
COOH
CO
CH
2
OHH
HNH
2
OH
HHO
H
CH
2
OH
OHH
NH
2
O
H
COOH
OH
H
HOH
H
(CHOH)
2
H
CH
2
OH
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2
5
NH
O
H
COOH
OH
H
HOH
H
(CHOH)
2
H
CH
2
OH
CCH
3
O
60
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
D-Глюкуронова кислота D-Галактуронова кислота L-Ідуронова кислота
H
O
OH
H
OH
H
OHH
OH
COOH
H
OH
O
H
H
OH
H
OHH
OH
COOH
H
H
O
OH
H
OH
H
OHH
OH
H
COOH
Нейрамінова та сіалові кислоти є структурними компонентами гліколіпідів
біомембран (гангліозидів), глікопротеїнів та протеогліканів біологічних рідин, слизу,
сполучної тканини, виконуючи важливі механічні, імунохімічні функції.
Глікарові (цукрові) кислоти
При окисленні моносахаридів утворюються глікарові (цукрові) кислоти, які по-
діляються на окремі хімічні групи, залежно від того, яка функціональна група
(альдегідна або первинноспиртова) підлягає окисленню.
Альдонові кислоти — продукти окислення альдоз за альдегідним атомом вуг-
лецю. Прикладом альдонових кислот є глюконова кислота, яка у вигляді фосфорного
ефіру (6-фосфоглюконової кислоти) утворюється в реакціях пентозо-фосфатного шляху
окислення глюкози.
Уронові кислоти — продукти окислення первинної гідроксильної групи альдоз.
Важливе біологічне значення мають уронові кислоти, що утворюються при окисленні
глюкози та галактози — D-глюкуронова та D-галактуронова кислоти, що, поряд з
аміноцукрами, зустрічаються в організмі переважно як структурні елементи
гетерополісахаридів. Похідне гексози L-ідози L-ідуронова кислота є структурним
компонентом гетерополісахариду гепарину, дерматансульфатів сполучної тканини.
Вільна глюкуронова кислота виконує важливі функції
в реакціях детоксикації в тваринних організмах, утворю-
ючи продукти кон’югації — глюкуроніди з метаболітами
катаболізму білків, порфіринів, чужорідними хімічними
сполуками.
Аскорбінова кислота — цукровою кислотою є також
L-аскорбінова кислота (
γγ
γγ
γ-лактон 2-кето-L-гулонової
кислоти). Аскорбінова кислота синтезується в тканинах
рослин та більшості вищих тварин із глюкози. Організм
людини, інших приматів та морських свинок не має фер-
ментних систем, необхідних для утворення аскорбінової
кислоти, у зв’язку з чим дана сполука є необхідним харчо-
вим фактором — вітаміном С.
Глікозиди
Глікозиди — сполуки, що є продуктом конденсації моносахаридів (або
моносахаридних залишків у складі більш складного цукру) із спиртами або фенолами.
Глікозиди формуються за рахунок взаємодії напівацетальної ОН-групи вуглеводу
з ОН-групою спирту (фенолу). Назви глікозидів утворюються із назв відповідних
O
C
COH
COH
HC
CH
CH
2
OH
HO
O
L-Аскорбінова кислота
61Ãëàâà 4. Âóãëåâîäè òà ¿õ ïîõ³äí³
моносахаридів за рахунок зміни суфікса -оза на -озид (наприклад: глюкозид,
галактозид, фруктозид, рибозид тощо).
Глікозидні зв’язки, що виникають між залишками окремих цукрів, є основою
будови складних вуглеводів (див. нижче). При взаємодії ацетального гідроксилу
моносахариду з гідроксилвмісними невуглеводними молекулами виникають чис-
ленні глікозиди, що є фізіологічно активними сполуками; невуглеводний компонент
глікозиду називають агліконом. Агліконами можуть бути залишки метанолу, гліце-
ролу, фенолу, стеролу.
Рослинні стероїд-
вмісні глікозиди ма-
ють кардіотонічну дію
і набули широкого за-
стосування в медич-
ній практиці — серце-
ві глікозиди. Серцеві
глікозиди, які викори-
стовують для стимуля-
ції діяльності міокарда
при серцевій недо-
статності, виділяють
із різних видів на-
перстянки (наперстян-
ки пурпурової — Digi-
talis purpurea, наперс-
тянки шерстистої —
Digitalis lanata), стро-
фанту (строфанту гладкого — Strophanthus gratus, строфанту Комбе — Strophanthus
Kombe) та конвалії (Convallaria).
Крім розглянутих глікозидів, що утворюються при взаємодії вуглеводів із
гідроксилвмісними сполуками (О-глікозидів), в живій природі широко представлені
N-глікозиди. N-глікозиди є продуктами взаємодії моносахаридів з агліконами через
атом азоту NH-групи, яка входить до складу аліфатичних, ароматичних,
гетероциклічних амінів. Біологічно важливими прикладами N-глікозидів є
нуклеозиди, що є структурними компонентами нуклеотидів нуклеїнових кислот
та багатьох коферментів.
4.2. СКЛАДНІ ВУГЛЕВОДИ. ОЛІГОСАХАРИДИ.
ГОМОПОЛІСАХАРИДИ
Складні вуглеводи (глікани) — продукти конденсації моносахаридів та їх
похідних, що містять у своєму складі від двох-, трьох- (олігосахариди) до багатьох
тисяч (полісахариди) мономерних залишків цукрів.
Олігосахариди
Найважливіше значення в біохімії і фізіології людини мають дисахариди
лактоза, сахароза, мальтоза.
HO
O
O
OHOH
CH
2
OH
O
CH
2
OH
OH
OH
OH
CH
3
OH
O
Серцевий глікозид уабаїн
62
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
O
HO
OH
OH
CH
2
OH
O
CH
2
OH
OH
OH
O
1
6
1
2
6
HOCH
2
H
O
OH
H
H
OHH
OH
CH
2
OH
H
H
O
H
OH
H
OHH
OH
CH
2
OH
H
4
1
O
4
1
(α-1,4)
Лактоза (
ββ
ββ
β-D-галактозидо-1,4-
αα
αα
α-D-глюкоза) — молочний цукор, складається
із залишків
ββ
ββ
β-галактози та
αα
αα
α-глюкози, сполучених 1,4-глікозидним зв’язком.
Лактоза є важливим компонентом харчування людини, входячи до складу жіночого
(6-7 %) та коров’ячого (близько 5 %) молока.
Сахароза (
αα
αα
α-D-глюкозил-1,2-
ββ
ββ
β-D-фруктозид) — один із найбільш розпо-
всюджених у природі та практично важливих дисахаридів, що міститься в стеблах,
коренях, бульбах та плодах рослин. У харчуванні людини найбільше значення має
сахароза, яка утворюється в цукровому буряку (12-20 %) та цукровій тростині
(14-26 %) і є основним компонентом харчового цукру.
Мальтоза (
αα
αα
α-D-глюкозил-1,4-
αα
αα
α-D-глюкоза), солодовий цукор — дисахарид,
що складається із залишків двох молекул глюкози. Мальтоза утворюється в
травному каналі людини під дією на харчовий крохмаль ферменту
ββ
ββ
β-амілази.
Окрім зазначених дисахаридів, до організму людини у складі рослинних
продуктів харчування надходять трисахарид рафіноза з цукрового буряка та
інших рослин, тетрасахарид стахіоза.
HO
O
H
H
H
OHH
OH
CH
2
OH
O
H
O
H
OH
H
OHH
OH
CH
2
OH
b
a
4
1
63Ãëàâà 4. Âóãëåâîäè òà ¿õ ïîõ³äí³
Полісахариди — складні вуглеводи, які за хімічною структурою є полімерами,
побудованими із залишків багатьох тисяч молекул моносахаридів та їх похідних,
об’єднаних за допомогою реакції поліконденсації. За особливостями хімічної будови
ці сполуки поділяються на гомополісахариди та гетерополісахариди.
Гомополісахариди — складні вуглеводи, мономерами яких є залишки одна-
кових моносахаридів (найчастіше глюкози) або їх похідних. Гомополісахариди
поділяються на вуглеводи тваринного (глікоген, хітин), рослинного (крохмаль,
клітковина, інулін, пектини) та мікробного (декстран) походження.
Гетерополісахариди — складні вуглеводи, утворені з різних за хімічною
структурою мономерів — похідних гексоз (див. п. 4.3).
Гомополісахариди
Крохмаль — рослинний гомополісахарид, що складається з двох фракцій —
амілози та амілопектину, які становлять 15-20 % та 80-85 % загальної маси
крохмалю, відповідно.
Амілоза — лінійний полісахарид, молекули якого містять від 200 до 1000 мо-
номерів (залишків глюкози); м.м. амілози — 40-160 кД. У складі амілози мономери
сполучені
αα
αα
α-1,4-глікозидними зв’язками. Гомополімери амілози формують спіральні
структури, кожен виток яких включає шість молекул глюкози. Специфічна
кольорова реакція на крохмаль із йодом (синє забарвлення) зумовлена включенням
молекул йоду в молекулярні канали всередині спіралей амілози.
Амілопектин — розгалужений полісахарид з м.м. від 1 до 6 млн. Головний
ланцюг амілопектину утворений
αα
αα
α-1,4-глікозидними зв’язками; розгалуження
формуються
αα
αα
α-1,6-глікозидними зв’язками. Між точками розгалужень містяться
20-30 глюкозидних мономерів.
Крохмаль є основним джерелом резервної енергії в рослинних клітинах, що
утворюється внаслідок фотосинтезу і відкладається в коренях, бульбах і насінні.
Крохмаль — головний вуглевод в харчуванні людини, який міститься в значних
кількостях у хлібних злаках, картоплі, бобових рослинах.
Глікоген — гомополісахарид тваринного походження з м.м. близько 100 млн.
За хімічною структурою глікоген близький до амілопектину крохмалю (“тваринний
H
O
OH
H
OHH
OH
CH
2
OH
H
O
H
OHH
OH
CH
2
OH
· · · O
H
O
O
H
O
H
OH
H
OH
CH
2
OH
H
H
2
C
O
H
OHH
OH
H
O
H
OHH
OH
CH
2
OH
H
O
· · ·
O
O
H
OHH
OH
CH
2
OH
H
H
O
HO
H
OHH
OH
CH
2
OH
H
O
O
H
OHH
OH
CH
2
OH
H
O
O
(α-1,4)
(
α
-1,4) (
α
-1,6)
(
α
-1,4)
n
Фрагмент молекули глікогену. Представлені лінійні (
αα
αα
α-1,4) ланцюги та точки розгалуження (
αα
αα
α-1,6).
64
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
крохмаль”), але має більш розгалужені молекули. Лінійні відрізки основного ланцю-
га глікогену вміщають 6-12 залишків молекул глюкози, об’єднаних
αα
αα
α-1,4-гліко-
зидними зв’язками; розгалуження формуються за рахунок
αα
αα
α-1,6-глікозидних
зв’язків.
Глікоген утворює внутрішньоклітинні гранули — депо метаболічної енергії, в
яких резервується надлишок глюкози, що надходить із їжею. Найбільша кількість
глікогену в організмі людини міститься в печінці (2-5 %) та хребцевих м’язах
(0,5-2 %).
Целюлоза (клітковина) — гомополісахарид, який є головним структурним
компонентом клітинних стінок рослин. До складу целюлози входить більше 50 %
усього органічного вуглецю біосфери; деревина складається з целюлози приблизно
наполовину, а бавовна є майже чистою целюлозою.
Молекули целюлози — нерозгалужені ланцюги, що складаються із залишків
молекул глюкози, сполучених
ββ
ββ
β-1,4-глікозидними зв’язками. Макромолекулярний
ланцюг целюлози утворюється з 2500-12000 молекул глюкози, м.м. — 1-2 млн. У
травному каналі людини целюлоза не розщеплюється.
Крім целюлози, з їжею до травного каналу людини потрапляють і інші рослинні
гомо- і гетерополісахариди, що формують харчові волокна (глава 26). До цих
полісахаридів належать геміцелюлоза (полімер молекул D-ксилози, сполучених
ββ
ββ
β(1→4)-зв’язками, що можуть також містити залишки інших моносахаридів —
арабінози, галактози, манози і т.ін.)) та пектини (див. нижче).
Декстран — гомополісахарид дріжджів та бактерій із розгалуженою будовою.
Основний тип зв’язку в молекулах декстрану —
αα
αα
α-1,6-глікозидний; розгалуження
утворюються за рахунок
αα
αα
α-1,2,
αα
αα
α-1,3 або
αα
αα
α-1,4-зв’язків. Декстрани використо-
вуються в клінічній медицині як плазмо- і кровозамінники (фармацевтичні препа-
рати Поліглюкін та Реополіглюкін) та в біохімічній практиці як гелі для хромато-
графічного розділення макромолекул (гель-хроматографія).
Хітин — тваринний гомополісахарид, що утворений із залишків N-ацетилглю-
козаміну, об’єднаних
ββ
ββ
β-1,4-глікозидними зв’язками. Хітин надзвичайно поширений
у живій природі: подібно до клітковини рослин, хітин утворює міцні нерозгалужені
ланцюги, що є основою поверхневого панцира комах та ракоподібних.
Інулін — рослинний гомополісахарид, що має лінійну будову. Молекула інуліну
складається із залишків
ββ
ββ
β-D-фруктози (фруктозан), сполучених 2,1-глікозидними
зв’язками; м.м. інуліну не перевищує 6 кД. Інулін використовується у фізіологічних
дослідженнях для визначення швидкості клубочкової фільтрації в нирках.
Пектини (пектинові речовини) — гомополісахариди, основою структури яких
є полігалактуронова (пектова) кислота, яка складається із залишків
αα
αα
α-D-галак-
туронової кислоти, об’єднаних 1,4-глікозидними зв’язками. Пектини синтезуються
у вищих рослинах та деяких водоростях і надходять в організм людини з рослин-
ними продуктами харчування. Пектини використовуються для виготовлення гелів
і є основою ряду лікарських препаратів.
Гетерополісахариди тваринного походження будуть розглянуті нижче (п. 4.3).
Медичне значення мають деякі рослинні гетерополісахариди, зокрема розглянуті
вище геміцелюлози та камеді — рослинні гетерополісахариди з розгалуженою
65Ãëàâà 4. Âóãëåâîäè òà ¿õ ïîõ³äí³
будовою, які містять у своєму складі залишки моносахаридів (D-галактози, D-глю-
кози, L-арабінози, L-рамнози тощо) та уронових кислот. У фармацевтичній практиці
як емульгатор при виготовленні лікарських емульсій застосовується аравійська
камідь (гуміарабік), до складу якої входять залишки L-арабінози, D-галактози,
D-глюкуронової кислоти та метилпентоз.
4.3. ГЕТЕРОПОЛІСАХАРИДИ. ПРОТЕОГЛІКАНИ.
ГЛІКОПРОТЕЇНИ
Гетерополісахариди
Гетерополісахариди — полімери, побудовані з великої кількості різних
моносахаридних одиниць та їх похідних. У біохімії та фізіології людини і тварин
найбільше значення мають гетерополісахариди глікозамінглікани.
Глікозамінглікани — гетерополісахариди, побудовані з дисахаридних залишків,
які повторюються. Моносахаридними компонентами дисахаридних залишків
глікозамінгліканів є найчастіше гексуронові кислоти (глюкуронова або іноді ідуронова
тощо) та N-ацетилпохідні гексозамінів (глюкозаміну, галактозаміну).
До глікозамінгліканів належать численні тваринні біополімери, що складають
міжклітинний матрикс сполучної тканини, який заповнює простір між окремими
клітинами. Застаріла назва цих сполук — мукополісахариди — вказує, що сполуки
даного класу були вперше виділені з муцину — компоненту слизів, що є змазуючою
речовиною, яка виконує функцію фізіологічного мастила. Найбільш вивченими гліко-
замінгліканами є гіалуронова кислота, хондроїтинсульфати, дерматансульфати,
кератансульфати, гепарансульфати, які входять до складу шкіри, сухожиль, хрящів
суглобів, забезпечуючи механічну міцність та пружність органів, еластичність їх
сполучень. Глікозамінглікан гепарин є природним антикоагулянтом.
Глікозамінглікани є поліаніонними молекулами. Щонайменше один із моносаха-
ридних компонентів у молекулах глікозамінгліканів несе кислотне угруповання —
карбоксильну або сульфатну групу, що забезпечує їх високу гідрофільність, тобто
здатність утримувати в біологічних тканинах значну кількість води.
Усі глікозамінглікани виконують свої біохімічні та фізіологічні функції,
будучи зв’язаними з білками. Ковалентні комплекси глікозамінгліканів сполучної
тканини (гіалуронової кислоти, хондроїтинсульфатів тощо) з білками отримали назву
протеогліканів, що є представниками мішаних біополімерів (глікокон’югатів).
Т а б л и ц я 4.1. Структурні компоненти глікозамінгліканів
Глікозамінглікан Склад дисахаридної одиниці
Гіалуронова кислота D-глюкуронат + N-ацетилглюкозамін
Хондроїтинсульфати D-глюкуронат + N-ацетилгалактозамінсульфат
Дерматансульфати D-ідуронат + N-ацетилгалактозамінсульфат (або D-глюкуронат)
Кератансульфати D-галактоза + N-ацетилглюкозамінсульфат
Гепарансульфати та
Гепарин
D-глюкуронат + N-ацетилглюкозамінсульфат (або D-ідуронат)
66
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Гіалуронова кислота — лінійний гетерополісахарид, у якому D-глюкуронова
кислота та N-ацетил-D-глюкозамін сполучені між собою
ββ
ββ
β-1,3-глікозидним зв’яз-
ком; окремі дисахаридні фрагменти об’єднані
ββ
ββ
β-1,4-глікозидними зв’язками:
Гіалуронова кислота має найбільшу молекулярну масу з усіх глікозамінглі-
канів — 10
5
-10
7
. Велика кількість груп —СОО
–
формує значний негативний заряд
молекули, сприяє утриманню води та катіонів Na
+
. Гіалуронова кислота наявна в
пухкій сполучній тканині, синовіальній рідині суглобів, скловидному тілі ока.
Хондроїтинсульфати — глікозамінглікани, що у складі відповідних протео-
гліканів (див. нижче) є важливими структурними компонентами хрящової тканини.
Молекулярна маса хондроїтинсульфатів — 10-60 кД. Дисахаридні фрагменти
складаються із глюкуронової кислоти та сульфатованого N-ацетилгалактозаміну,
сполучених
ββ
ββ
β-1,3-глікозидним зв’язком. Група —SOO
–
присутня в 4-му або 6-му поло-
женнях залишку N-ацетилгалактозаміну (хондроїтин-4- та хондроїтин-6-сульфати,
відповідно):
Кератансульфати — глікозамінглікани, сульфатовані в 6-му положенні залишку
N-ацетилглюкозаміну. Подібно до хондроїтинсульфатів, кератансульфати сполучені з
білками у формі протеогліканів. Розрізняють кератансульфат I — глікозамінглікан
рогівки ока та кератансульфат II — компонент кісткової тканини.
Гепарансульфати — глікозамінглікани, присутні на зовнішніх поверхнях
тваринних клітин. Уроновими кислотами у складі дисахаридних одиниць гепаран-
сульфатів є глюкуронова та ідуронова кислоти, що сполучені
ββ
ββ
β-1,4-глікозидними
зв’язками із сульфатованими N-ацетилглюкозамінними залишками.
Гепарин — глікозамінглікан, який синтезується тучними клітинами сполучної
тканини і виконує функцію антикоагулянта за рахунок активації інгібуючої дії анти-
тромбіну III, що протидіє внутрішньосудинному згортанню крові.
Подібно до гепарансульфатів, ланцюги гепарину мають дисахаридні одиниці,
до складу яких входить ідуронова та глюкуронова кислоти (ідуронова кислота
переважає у гепарині на відміну від гепарансульфатів, складаючи до 90 %
· · ·
H
O
H
H
OHH
OH
COOH
H
H
O
H
H
NHCOCH
3
H
CH
2
OH
H
OH
O
O
H
O
H
H
OHH
OH
COOH
H
H
O
H
H
NHCOCH
3
H
CH
2
OH
H
OH
O
O
· · ·
а
а
б
б
Будова молекули гіалуронової кислоти: a — D-глюкуронат; б — N-ацетил-D-глюкозамін.
Дисахаридний фрагмент молекули хондроїтинсульфатів: a — D-глюкуронат; б — N-ацетил-6-cульфога-
лактозамін. Окремі дисахаридні фрагменти сполучені між собою
ββ
ββ
β-1,4-глікозидним зв’язком.
· · ·
H
O
H
H
OHH
OH
COOH
H
HO
O
H
H
NHCOCH
3
H
CH
2
OSO
3
H
H
H
O
O
б
· · ·
а
67Ãëàâà 4. Âóãëåâîäè òà ¿õ ïîõ³äí³
загального вмісту уронових кислот), зв’язані за типом
ββ
ββ
β(1→4) з N- або O-суль-
фатованими залишками глюкозаміну та N-ацетилглюкозаміну:
Гепарин та гепарансульфати мають спільного попередника у вигляді несульфа-
тованого полісахаридного ланцюга гепаринового протеоглікану. Модифікація поліса-
хариду в складі протеоглікану включає в себе дію епімерази, яка перетворює частину
залишків глюкуронової кислоти в ідуронову, та реакції O- і N-сульфування.
Протеоглікани
Протеоглікани — гібридні молекули (глікокон’югати), у складі яких білки кова-
лентно зв’язані з полісахаридами глікозамінгліканами. У складі протеогліканів на
частку білків припадає 5-10 % маси молекули і на частку вуглеводної частини —
90-95 %.
Полісахаридні ланцюги сполучені з поліпептидним фрагментом молекул протео-
глікану, утворюючи:
1) О-глікозидні зв’язки між гідроксильними групами моносахаридів та OH-гру-
пами серину або треоніну;
2) N-глікозиламінові зв’язки між ацетильною групою N-ацетилглюкозамінів та
амідним азотом аспарагіну поліпептиду.
Типова молекула протеоглікану складається із
центрального, серцевинного поліпептидного лан-
цюга — кору (core — серцевина, ядро; англ.), з
боків якого приєднані молекули глікозамінгліканів.
Завдяки електростатичному відштовхуванню
окремих поліаніонних ланцюгів полісахаридів
загальна структура протеоглікану нагадує в цілому
щіточку або ялинку.
За умов взаємодії в міжклітинному матриксі
сполучної тканини протеогліканів із молекулами
гіалуронової кислоти утворюються складні струк-
турні комплекси з гіалуроновою кислотою посере-
дині та бічними ланцюгами протеогліканів (“ялинка
з ялинок”). Встановлено, що з однією молекулою
гіалуронової кислоти може сполучатися до 150 мо-
лекул сульфатованих протеогліканів (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Схема будови протеогліка-
нового агрегату, що скла-
дається з молекули гіалу-
ронової кислоти (а), серце-
винних (“корових”) полі-
пептидів (b) та глікозамін-
гліканів (с).
с
a
b
Будова ланцюга молекули гепарину.
Подані три дисахаридні фрагменти (А), (В) та (С) (в квадратних дужках), до складу яких входять:
(А) О- та N-сульфатований глюкозамін (a), сполучений із сульфатованою ідуроновою кислотою (b);
(В) O- та N-сульфатований глюкозамін (c), сполучений із глюкуроновою кислотою (d);
(С) О-сульфатований N-ацетилглюкозамін (е), сполучений із сульфатованою ідуроновою кисло-
тою (f).
· · ·
H
O
H
H
NHSO
3
HH
OH
CH
2
OSO
3
H
H
H
O
H
H
OSO
3
HH
OH
H
O
H
O
H
NHSO
3
HH
OH
CH
2
OSO
3
H
H
O
H
H
OHH
OH
COOH
H
O
O
O
H
O
H
H
NHCOCH
3
H
OH
CH
2
OSO
3
H
O
H
OSO
3
HH
OH
H
O
H
O
(а)
(c)
(b)
(d) (e)
(f)
COOH
(A)
(C)
(B)
COOH
· · ·
68
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Протеоглікани, сполучені з гіалуроновю кислотою, утворюють гелеподібний
матрикс — “основну речовину” сполучної тканини, яка протидіє дифузії чужо-
рідних молекул та мікроорганізмів усередину тканин. Будучи полівалентними
аніонами, глікозамінгліканові компоненти протеогліканів зв’язують значну кількість
екстрацелюлярного Na
+
та, відповідно, Н
2
О, що зумовлює механізм участі
тканинних протеогліканів у регуляції водно-сольового обміну.
Глікопротеїни
Глікопротеїни — гібридні молекули, що є складними білками, з поліпептидною
основою яких ковалентно зв’язані олігосахаридні (гліканові) ланцюги.
Глікопротеїни є численною групою білків із різноманітними функціями. В цілому
можна зазначити, що глікопротеїнами є більшість позаклітинних білків. Це
структурні білки біомембран та екстрацелюлярного матриксу, зокрема сполучної
тканини (колаген, еластин, муцини, слизові секрети, білки кісткового матриксу);
білки крові, в тому числі фактори згортальної системи, транспортери вітамінів,
гормонів, мінеральних елементів; гормони (хоріонічний гонадотропін, тиреотропін);
білки імунної системи (імуноглобуліни, інтерферони, компоненти системи комп-
лементу); ферменти (протеази, нуклеази, глікозидази) тощо.
Глікопротеїни та близькі до них за будовою гліколіпіди створюють поверхне-
воклітинний глікокалікс, компоненти якого беруть участь у міжклітинній взаємодії,
регуляції клітинного поділу та її порушеннях при злоякісному рості. Глікопротеїни
клітинної поверхні реалізують функцію взаємного розпізнавання клітин, що має
особливе значення в процесах імунітету: полісахариди клітинної мембрани є
антигенами, відносно яких розвиваються реакції клітинного імунітету, зокрема
при трансплантації органів та тканин.
Вміст вуглеводного компоненту в більшості глікопротеїнів невеликий, але іноді
складає до 50-80 % маси молекули. Кількість вуглеводних ланцюгів у складі
окремих молекул глікопротеїнів змінюється від одного до кількох десятків. У свою
чергу, кожен олігосахаридний ланцюг глікопротеїнів містить від 1 до 15 монозних
залишків. Ці ланцюги можуть бути лінійними або розгалуженими.
Найчастіше у вуглеводному фрагменті глікопротеїнів організму людини зустрі-
чаються такі цукри, як галактоза (Gal), глюкоза (Glc), маноза (Man), фукоза (Fuc),
N-ацетилгалактозамін (GalNAc), N-ацетилглюкозамін (GlcNAc), N-ацетилнейра-
мінова (сіалова) кислота (NeuAc).
Подібно до протеогліканів, у молекулах глікопротеїнів олігосахаридні ланцюги
зв’язані з поліпептидною частиною молекули за рахунок:
1) O-глікозидного зв’язку між цукром та OH-групою серину або треоніну;
2) N-глікозидного зв’язку між цукром та амідною групою аспарагіну.
Представниками О-зв’язаних глікопротеїнів є муцини (слизові білки) і деякі
білки крові та біомембран. У складі цих глікопротеїнів цукром, що безпосередньо
зв’язаний з Ser або Thr пептидного ланцюга, є GalNAc.
N-зв’язані глікопротеїни мають як олігосахаридний фрагмент, що безпосередньо
зв’язаний з NH-групою аспарагіну, пентасахарид (Man)
3
(GlcNAc)
2
, з яким сполучені
69Ãëàâà 4. Âóãëåâîäè òà ¿õ ïîõ³äí³
різні за будовою зовнішні олігосахаридні фрагменти. Ці зовнішні розгалужені
олігосахаридні ланцюги нагадують молекулярні “антени”, що відіграють головну
роль у взаємодії клітин між собою та з іншими білковими і полісахаридними струк-
турами.
Приклади будови O- та N-зв’язаних олігосахаридних компонентів глікопро-
теїнів:
4.4. ПЕПТИДОГЛІКАНИ КЛІТИННОЇ СТІНКИ МІКРООРГАНІЗМІВ
Більшість мікробів значну частину свого життєво-
го циклу проводять у вигляді одноклітинних організмів,
тому їх крихка цитоплазматична мембрана обгор-
нена зовнішньою клітинною стінкою, що захищає
мембрану від пошкоджуючих факторів середовища.
Основу клітинної стінки бактерій складають особ-
ливі гетерополісахариди, що сполучені з мембранними
білками у вигляді протеогліканів або пептидогліканів.
Мурамін — гетерополісахарид клітинної стінки бак-
терій, нерозгалужені ланцюги якого складаються із за-
лишків N-ацетилглюкозаміну та N-ацетилмурамової
аб
OH
CH
C
CC
CH
O
H
H
HN
H
OH
CH
2
OH
CO
CH
3
OCH
2
CH
H
CH
C
CC
CH
O
OH
H
NH
H
OH
CH
2
OH
CO
CH
3
NCCH
2
HO
CH
Зв’язок N-ацетилгалактозаміну із серином (а) та N-ацетилглюкозаміну з аспарагіном (б) в
молекулах глікопротеїнів.
Мурамова кислота (подано
ββ
ββ
β-кон-
фігурацію замінників при С-1).
H
O
HO
OH
H
H
NH
2
H
CH
2
OH
H
O
CH COOH
CH
3
O- та N-зв’язані олігосахаридні фрагменти хоріонального гонадотропіну.
NeuAc — Gal — GalNAc — Ser
. . .
. . .
NeuAc
Man — GlcNAc — GlcNAc — Asn
. . .
. . .
NeuAc — Gal — GlcNAc — Man
NeuAc — Gal — GlcNAc — Man
70
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
кислоти, що спо-
лучені між собою
ββ
ββ
β-1,4-глікозидним
зв’язком. Мурамо-
ва кислота є похід-
ним D-глюкозаміну,
до якого в 3-му по-
ложенні приєднана
молочна кислота
(лактильний зали-
шок).
Організація будови мураміну подібна до такої целюлози і хітину (нерозгалужені
ланцюги з
ββ
ββ
β-зв’зками між мономерами), що визначає механічну міцність цих
гетерополісахаридів та їх структурну функціональну роль. До того ж шлунково-
кишковий тракт організму людини не містить ферментів, що здатні розщеплювати
ці полісахариди.
Муреїн. У фор-
муванні клітинної
стінки бактерій
бере участь мура-
мін, сполучений із
пептидними лан-
цюгами у вигляді
протеоглікану (або
пептидоглікану)
муреїну. Муреїн —
це мішаний біопо-
лімер, що склада-
ється з паралель-
них полісахаридних
ланцюгів, які зв’я-
зані один з одним у
поперечному нап-
рямку короткими
пептидними лан-
цюгами. Фактично
мурамін можна со-
бі уявити як єдину
молекулу, що у
вигляді гігантсь-
кого мішка або кар-
каса охоплює бак-
теріальну клітину.
Рис. 4.2. Схема молекулярної організації пептидоглікану бактеріальної
стінки — на прикладі муреїну Salmonella aureus (за А.Ленін-
джером, 1974). А. Будова поперечних пептидних зв’язків між
окремими ланцюгами полісахаридів (X — залишок N-ацетил-
глюкозаміну; Y — залишок N-ацетилмурамової кислоти). Тетра-
пептидні (L-Ала – D-Глн – L-Ліз – D-Ала) бічні ланцюги кожного
полісахаридного (мурамінового) ланцюга сполучені між собою пен-
тапептидними “місточками” з п’яти залишків гліцину. Б. Пара-
лельні гетерополісахаридні ланцюги муреїну зв’язані між собою
в єдиний макромолекулярний каркас пептидоглікану за рахунок
поперечних пептидних ланцюгів.
А
Б
— Глі —
X
Y
D-Глі
Ліз
D-Ала — Глі
— Глі
— Глі
— Глі
X
Y
Ала
D-Глі
Ліз
D-Ала — Глі
— Глі
— Глі
— Глі —
X
Y
Ала
D-Глі
Ліз
D-Ала — Глі
Фрагмент молекули мураміну.
H
O
H
H
NHCOCH
3
H
OH
CH
2
OH
H
O
O
H
O
H
H
NHCOCH
3
H
CH
2
OH
H
OCHCOOH
CH
3
O
. . .
. . .
71Ãëàâà 4. Âóãëåâîäè òà ¿õ ïîõ³äí³
Грампозитивні та грамнегативні мікроорганізми
Стінки бактеріальних клітин, окрім охарактеризованої вище пептидогліканової
сітки, мають у своєму складі деякі додаткові біохімічні компоненти полісахаридної,
ліпідної та білкової природи, що варіюють у різних мікроорганізмів.
Особливістю складу клітинних стінок є молекулярна основа класичного роз-
поділу бактерій на грампозитивні та грамнегативні, що відрізняються своїм
відношенням до забарвлення сумішшю генціанового фіолетового, йоду та сафра-
ніну. Грампозитивні бактерії за умов їх послідовної обробки зазначеними реактива-
ми дають синьо-фіолетове забарвлення внаслідок утримання комплексу йоду з
генціановим фіолетовим, грамнегативні бактерії — не дають позитивної реакції
на зазначений барвник.
Грампозитивні мікроорганізми — бактерії, характерною особливістю біохі-
мічного складу клітинної стінки яких є наявність тейхоєвих кислот, вплетених у
пептидоглікановий матрикс. Тейхоєві кислоти є складними полімерами, ланцюги
яких побудовані із залишків спиртів гліцерину та рибіту, що сполучені фосфоді-
ефірними зв’язками. У деяких тейхоєвих кислотах з основним ланцюгом молекули
зв’язані залишки D-аланіну та D-глюкози або N-ацетил-D-глюкозаміну. Пептидо-
глікани складають більшу частину (40-90 %) маси клітинної стінки грампозитив-
них бактерій.
Грамнегативні мікроорганізми — бактерії, до складу клітинної стінки яких
входить додаткова зовнішня мембрана. Зовнішня мембрана складається із шару
ліпополісахаридів, ліпідів та білків, під якими міститься шар пептидогліканів, які, в
свою чергу, вкривають внутрішню (цитоплазматичну) мембрану. Загальний вміст
пептидогліканів у стінці грамнегативних бактерій значно нижчий (5-10 %), ніж у
грампозитивних організмів.
Антибіотики — інгібітори синтезу клітинної стінки
Розщеплення або порушення синтезу окремих компонентів пептидогліканової
структури клітинних стінок мікроорганізмів є молекулярною основою антибакте-
ріальної дії деяких антибіотиків.
Пеніциліни — антибіотики, що продукуються пліснявими грибами штамів
Penicillium і мають значну бактерицидну активність відносно грампозитивних
мікроорганізмів. Механізм біохімічної дії пеніцилінів полягає в гальмуванні однієї
із заключних стадій у формуванні пептидоглікану, а саме — взаємодії пентагліцину
з термінальним D-аланіном бічних тетрапептидних ланцюгів, що зв’язані з гетеро-
полісахаридом. Така дія антибіотика призводить до порушення формування му-
реїнового каркаса клітинної стінки мікроорганізму, що в остаточному підсумку
спричиняє загибель бактерій.
Подібно до пеніцилінів діють цефалоспорини — антибіотики, що виділені з
гриба Cephalosporinum acremonium. Цефалоспорини також спричиняють пригні-
чення активності ферментів, які необхідні для формування пептидогліканів клітинної
стінки бактерій.
Лізоцим — антибактеріальний фактор тваринного походження, що є компо-
нентом неспецифічної резистентності організму. За механізмом дії лізоцим є
мурамінідазою. Це гідролітичний фермент, який розщеплює (1→4)-глікозидні
зв’язки між дисахаридними компонентами в полісахаридному ланцюгу мураміну,
що призводить до руйнування клітинної стінки мікроорганізмів.
72
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
ГЛАВА 5. ЛІПІДИ. БІОМЕМБРАНИ
Ліпіди — клас біоорганічних сполук, характерною ознакою яких є нерозчинність у
воді й інших полярних розчинниках та здатність до розчинення в неполярних
(гідрофобних) рідинах. Неполярні розчинники (діетиловий ефір, тетрахлорметан,
хлороформ тощо) використовують для екстрагування ліпідів із біологічних об’єктів
(крові, тканин тощо).
В організмі людини та тварин ліпіди виконують важливі функції як акумулятори та
постачальники енергії, компоненти структури клітин, особливо біологічних мембран;
певні класи ліпідів є фізіологічно активними речовинами (вітаміни, гормони).
5.1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЛІПІДІВ.
ЖИРНІ КИСЛОТИ
За своєю хімічною структурою більшість ліпідів є складними ефірами вищих
карбонових (жирних) кислот та спиртів (гліцеролу, сфінгозину, холестеролу тощо). До
складу багатьох класів ліпідів (складних ліпідів) входять також залишки фосфорної
кислоти, азотистих основ (коламіну, холіну), вуглеводів тощо.
Жирні кислоти. Найважливішою ознакою, що визначає фізико-хімічні та
біологічні властивості ліпідів, є їх жирнокислотний склад. Кількість вуглецевих атомів
та, відповідно, довжина вуглеводневого ланцюга, ступінь насиченості жирних кислот,
що входять до складу природних ліпідів (нейтральних жирів, фосфоліпідів, сфінголіпідів
тощо) обумовлюють їх консистенцію (рідкі, тверді) та поверхневу активність, зокрема,
здатність до комплексоутворення з білками і, відповідно, утворення міцел, бішарів,
транспортних ліпопротеїнів, ліпідного матриксу біологічних мембран.
До складу ліпідів організму людини і вищих тварин входять жирні кислоти з парним
числом вуглецевих атомів, що містять від 12 до 24 атомів С, переважно від С
16
до С
20
(вищі жирні кислоти) (табл. 5.1).
В організмі людини жирні кислоти знаходяться частково у вільному, тобто не-
етерифікованому, стані (так звані неестерифіковані жирні кислоти — НЕЖК) —
головним чином, у плазмі крові — та переважно входять до складу складних
структурних ліпідів і тригліцеридів жирової тканини як резерв енергетичного матеріалу
(табл. 5.2).
Серед насичених жирних кислот у жирах людини переважає пальмітинова кислота
(С
15
Н
31
СООН), серед ненасичених — олеїнова (С
17
Н
33
СООН), яка становить близько
60 % від загальної кількості головних жирних кислот, що входять до складу
триацилгліцеридів жирової тканини людини. Наявність у ліпідах значної кількості
олеїнової кислоти з низькою температурою плавлення зумовлює рідкий стан жирів
тіла людини, температура плавлення яких становить в середньому 10-15 °С. Так,
зокрема, ліпіди, які депоновані в адипоцитах жирової тканини, являють собою сферичну
ліпідну краплину, що складається переважно з тригліцеридів; ліпіди плазми крові
являють собою розчин ліпідних міцел, стабілізованих білками у вигляді ліпопротеїнів.
73Ãëàâà 5. ˳ï³äè. Á³îìåìáðàíè
Т а б л и ц я 5.1. Найпоширеніші природні жирні кислоти (Ю.І. Губський та співавт., 1997)
Т а б л и ц я 5.2. Вміст жирних кислот у тригліцеридах жирової тканини людини
5.2. СТРУКТУРА ТА ФУНКЦІЇ ЛІПІДІВ
Залежно від хімічної структури компонентів, що вивільняються за умов повного
гідролізу, ліпіди поділяються на такі класи:
1. Прості ліпіди.
1.1. Ацилгліцероли.
1.2. Стериди.
1.3. Цериди (воски).
2. Складні ліпіди.
2.1. Фосфоліпіди.
2.1.1. Гліцерофосфоліпіди.
2.1.2. Сфінгофосфоліпіди.
Кодове
позна-
чення
Структура Систематична назва Тривіальна назва
Насичені кислоти
С
12:0
СН
3
(СН
2
)
10
СООН н-Додеканова Лауринова
С
14:0
СН
3
(СН
2
)
12
СООН н-Тетрадеканова Міристинова
С
16:0
СН
3
(СН
2
)
14
СООН н-Гексадеканова Пальмітинова
С
18:0
СН
3
(СН
2
)
16
СООН н-Октадеканова Стеаринова
С
20:0
СН
3
(СН
2
)
18
СООН н-Ейкозанова Арахінова
С
22:0
СН
3
(СН
2
)
20
СООН н-Докозанова Бегенова
С
24:0
СН
3
(СН
2
)
22
СООН н-Тетракозанова Лігноцеринова
Ненасичені моноєнові кислоти
С
16:1
СН
3
(СН
2
)
5
СН=СН(СН
2
)
7
СООН цис-Гексадецен-10-ова Пальмітоолеїнова
С
18:1
СН
3
(СН
2
)
7
СН=СН(СН
2
)
7
СООН цис-Октадецен-9-ова Олеїнова
С
22:1
СН
3
(СН
2
)
7
СН=СН(СН
2
)
11
СООН цис-Докозен-13-ова Ерукова
Ненасичені полієнові кислоти
С
18:2
СН
3
(СН
2
)
4
(СН=СНСН
2
)
2
(СН
2
)
6
СООН цис,цис-Октадекадієн-
9,12-ова
Лінолева
С
18:3
СН
3
СН
2
(СН=СНСН
2
)
3
(СН
2
)
6
СООН цис,цис,цис-Октадека-
трієн-9,12,15-ова
Ліноленова
С
20:4
СН
3
(СН
2
)
4
(СН=СНСН
2
)
4
(СН
2
)
2
СООН цис,цис,цис,цис-Ейко-
затетраєн-5,8,11,14-ова
Арахідонова
Жирні кислоти Вміст, %
Температура плавлення,
°С
Насичені жирні кислоти
Міристинова 3 +54,4
Пальмітинова 20 +62,8
Стеаринова 5 +69,6
Ненасичені жирні кислоти
Пальмітоолеїнова 5+1,0
Олеїнова 55–60 +13,0
Лінолева 10 –11,0
Арахідонова 0,2 –49,5
74
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
2.2. Гліколіпіди.
2.2.1. Глікозилгліцероли.
2.2.2. Глікосфінголіпіди.
1. Прості ліпіди — ліпіди, що при гідролізі утворюють спирт та жирні кислоти.
1.1. Ацилгліцероли (ацилгліцериди) — ліпіди, що є складними ефірами гліце-
ролу (гліцерину) та жирних кислот. Ацилгліцероли (зокрема триацилгліцероли, або
тригліцериди) мають емпіричну назву — нейтральні жири. Тригліцериди є
основною складовою частиною адипоцитів жи-
рової тканини людини і тварин, являючи собою
молекулярну форму зберігання вищих жирних
кислот — найбільш енергоємкого метаболіч-
ного палива. Природні тригліцериди є змішаними
ліпідами, тобто до їх складу входять залишки
різних жирних кислот.
1.2. Стериди — ліпіди, що є складними ефірами циклічних спиртів стеролів
(стеринів) та жирних кислот. Стероли є 3-гідроксипохідними вуглеводню стерану
(циклопентанпергідрофенантрену). Найбільш розповсюдженим стеролом тваринного
організму є холестерол (холестерин), що входить як структурний ліпід до складу
плазматичних мембран та є попередником в синтезі інших стеринів та їх похідних
(стероїдів).
До біологічно важливих стеринів належать стероїдні гормони кори надниркових
залоз, чоловічі та жіночі статеві гормони, вітаміни групи Д та їх похідні, жовчні кислоти.
1.3. Цериди (воски) — прості ліпіди, які є складними ефірами вищих жирних
кислот та високомолекулярних спиртів, зокрема цетилового (С
16
Н
33
ОН) та
мірицилового (С
30
Н
61
ОН). До восків тваринного походження належать бджолиний
віск, спермацет, ланолін, що використовуються у фармації для виготовлення мазей,
кремів, у виробництві косметичних засобів.
2. Складні ліпіди — ліпіди, що при гідролізі вивільняють спирт (гліцерол, сфінгозин,
інозит), а також фосфат, аміносполуки, вуглеводи. Складні ліпіди є полярними,
амфіфільними сполуками і більшість із них виконує структурні функції, входячи до
складу біологічних мембран.
R
2
C
O
OCH
CH
2
CH
2
OC
O
R
1
OC
O
R
3
1
3
2
Триацилгліцерол (тригліцерид)
1
2
3
4
5
10
6
7
8
9
11
12
13
14
17
15
16
AB
C
D
3
5
10
6
17
OH
CH
3
CH
3
CH
CH
3
(CH
2
)
3
CH
CH
3
CH
3
Холестерол
(холестерин)
Стеран
(циклопентанпергідрофенантрен)
75Ãëàâà 5. ˳ï³äè. Á³îìåìáðàíè
2.1. Фосфоліпіди.
Численну групу складних ліпідів складають фосфоліпіди, які, залежно від спирту,
що входить до їх складу, поділяються на гліцерофосфоліпіди та сфінгофосфоліпіди.
До фосфоліпідів належать:
Гліцерофосфоліпіди (фосфогліцериди) —
складні ефіри гліцеролу та вищих жирних кислот, що
є похідними фосфатидної кислоти, етерифіко-
ваної аміноспиртами холіном, етаноламіном ( кола-
міном) і оксіамінокислотою серином.
Фосфодіефірний зв’язок у складі гліцеро-
фосфоліпідів утворений гідроксильними групами
холіну (фосфатидилхоліни,
або лецитини), етаноламіну
(фосфатидилетаноламіни,
або кефаліни) або серину (фос-
фатидилсерини).
Природні гліцерофосфо-
ліпіди містять у центральному
(2-му,
ββ
ββ
β-) положенні залишки
ненасичених, а в крайньому
(1-му,
αα
αα
α-) — насичених жир-
них кислот.
Сфінгофосфоліпіди —
складні ефіри багатоатомного
аміноспирту сфінгозину та
вищих жирних кислот, що
можуть також містити залиш-
ки холіну, фосфорної кислоти.
N-ацильні похідні сфінгозину
та жирних кислот мають наз-
ву церамідів:
Сфінгофосфоліпіди є фосфорними ефірами церамідів та аміноспиртів — холіну,
етаноламіну, серину. В нервовій тканині людини та вищих тварин присутні сфінго-
мієліни (N-ацил-сфінгеніл-фосфохоліни):
POCH
2
O
HO
HO
HC
H
2
CO
O
C
C
O
R
1
O
R
2
Фосфатидна кислота
POCH
2
HC
H
2
CO
O
C
C
O
C
17
H
35
O
C
17
H
33
OH
O
OR
CH
2
CH
2
O
NH
2
CH
2
CH
2
O
COOH
H
C
NH
2
CH
2
O
Холін
Етаноламін
Серин
(CH
3
)
3
Фосфатидилхолін
Фосфатидилетаноламін
Фосфатидилсерин
N
+
OH CH
2
CH NH
2
CH
OH
CH CH (CH
2
)
12
CH
3
OH CH
2
CH NH
CHOH CH CH (CH
2
)
12
CH
3
C
O
R
N-Ацилсфінгозин (церамід)Сфінгозин
76
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
2.2. Гліколіпіди — сполуки, в яких ліпідна частина ковалентно зв’язана з
вуглеводною. Гліколіпіди є складними ефірами вищих жирних кислот та гліцеролу або
сфінгозину і містять у своєму складі вуглеводний компонент (зокрема, глюкозу, галактозу
та їх похідні або олігосахаридну групу).
Глікозилгліцероли (глікозилгліцериди) — гліколіпіди, що є ефірами гліцеролу.
Глікосфінголіпіди — гліколіпіди,
що є ефірами N-ацилсфінгозинів
(церамідів). Цей клас гліколіпідів
(або сфінголіпідів) має важливе
біологічне значення у зв’язку з
розповсюдженням глікосфінголіпідів
у складі біомембран, зокрема в
нервовій тканині; до того ж, існує ряд
спадкових захворювань, пов’язаних з порушенням метаболізму цього класу ліпідів.
Залежно від будови вуглеводної частини молекули, глікосфінголіпіди розділяють на
декілька класів: цереброзиди, гангліозиди, сульфатиди та глобозиди:
а) цереброзиди —
моногексозиди церамідів;
найбільш поширеними
представниками є га-
лактоцереброзиди та
глюкоцереброзиди:
Природними цереброзидами мембран нейронів головного мозку є галакто-
цереброзиди; аномальне накопичення в мозку глюкоцереброзидів спостерігається при
хворобі Гоше (Gaucher), що супроводжується затримкою розумового розвитку та
важкими неврологічними порушеннями.
б) сульфатиди — сульфатовані похідні цереброзидів, найбільш поширеним
представником яких є галактоцереброзидсульфат (3'-сульфогалактоцереброзид).
Генетичний дефект, який призводить до підвищеного вмісту в нервовій тканині
галактоцереброзидсульфату, має місце при спадковій хворобі — метахроматичній
лейкодистрофії, що проявляється важкими психічними розладами.
в) глобозиди — олігосахаридні похідні (олігогексозиди) церамідів.
Олігосахаридний залишок глобозидів найчастіше містить у своєму складі галактозу,
глюкозу або N-ацетилгалактозамін. Прикладами глобозидів є дигексозид лакто-
зилцерамід еритроцитарних мембран, тригексозид галактозиллактозилоцерамід.
OCH
2
CH NH
CHOH CH CH (CH
2
)
12
CH
3
C
O
R
P
O
OH
ON
+
(H
3
C)
3
CH
2
CH
2
Сфінгомієліни
CH
2
CH O
CH
2
O
C
O
C
17
H
33
HO
O
H
OH
OH
CH
2
OH
O
C
O
C
17
H
35
Глікозилгліцерид
(Моногалактозилдіацилгліцерин)
Галактоцереброзид
CH
2
CH NH
HO
O
OH
OH
CH
2
OH
O
C
O
R
CH
OH CH CH (CH
2
)
12
CH
3
77Ãëàâà 5. ˳ï³äè. Á³îìåìáðàíè
г) гангліозиди — глікосфінголіпіди, що містять в олігосахаридному ланцюзі,
крім галактози, глюкози та N-гексозамінів, один або більше залишків дев’ятивугле-
цевого моносахариду нейрамінової або N-ацетилнейрамінової (сіалової) кислоти.
Для позначення окремих гангліозидів застосовують спеціальну номенклатуру.
Згідно з номенклатурою молекула гангліозиду позначається літерою G (ganglio-
side) з індексами, що складаються з літер, які вказують на кількість залишків сіало-
вої кислоти (M — mono-; D — di-; T — tri; Q — quatro) та умовних цифрових позначень:
CH
2
CH NH
O
OH
OH
CH
2
OH
O
C
O
R
CH
CH CH (CH
2
)
12
CH
3
HO
O
OH
OH
CH
2
OH
O
OH
Глобозид (лактозилцерамід)
де: Cer — церамід; Glc — глюкоза; Gal — галактоза; NeuAc — N-ацетилнейра-
мінова кислота.
Найбільший вміст гангліозидів у мембранах гангліонарних нейронів. Аномальне
накопичення їх у головному мозку внаслідок генетичного дефекту ферментів їх
метаболізму (гангліозидози) супроводжується важкими нервово-психічними розла-
дами: G
M2
-гангліозидоз — хвороба Тея-Сакса (Tay-Sachs), G
M1
-гангліозидоз тощо.
Розглянуті класи ліпідів (прості, складні) здатні до гідролізу. Разом з тим, до
ліпідів відносять численні біомолекули, що мають фізико-хімічні властивості ліпідів
(гідрофобність, нерозчинність у полярних розчинниках), але не гідролізуються до
більш простих сполук. Це — вільні жирні кислоти та біологічно активні похідні
арахідонової кислоти (ейкозаноїди), вищі спирти, ізопреноїди та їх похідні, зокрема
різноманітні стероїди, жиророзчинні вітаміни (А, Д, Е, К).
Ліпопротеїни — комплекси ліпідів різної хімічної будови з білками. В утво-
ренні ліпопротеїнів беруть участь нековалентні зв’язки та фізико-хімічні взаємодії
(водневі, іонні, ван-дер-ваальсові, гідрофобні).
Найбільше значення в біохімії мають ліпопротеїни, в складі яких ліпіди
знаходяться в плазмі крові людини, та ліпопротеїни, що є інтегральними ком-
понентами біологічних мембран.
Ліпопротеїни плазми крові є молекулярними комплексами різних класів ліпідів
(головним чином, тригліцеридів, холестерину, фосфогліцеридів) з білками, що
утворюють міцелярні структури, в складі яких ліпіди розчинені (суспендовані) в
плазмі, яка за своїми фізико-хімічними властивостями є водним розчином.
Фізіологічною функцією цих ліпопротеїнів є міжорганний транспорт ліпідів —
транспортні ліпопротеїни. Детально хімічний склад та метаболізм транспортних
ліпопротеїнів плазми крові людини буде розглянуто нижче (глава 16).
G
M1
: Gal – GalNAc – Gal – Glc – Cer
NeuAc
G
M2
: GalNAc – Gal – Glc – Cer
NeuAc
78
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
5.3. БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ
Біологічні мембрани (біомембрани) — клітинні структури, що відокрем-
люють клітину від навколишнього середовища та розділяють внутрішньоклітинний
простір на певні компартменти (органелли, субклітинні структури).
Протягом багатьох років основним науковим обгрунтуванням наявності на
поверхні живих клітин спеціальних структурних утворень — мембран — був
феномен обмеженої та вибіркової проникності клітини для хімічних сполук в
іонній та молекулярній формах. У свою чергу, ця обмежена проникність зумов-
лює притаманну будь-якій клітині різницю концентрацій іонів усередині і в
зовнішньому середовищі та наявність електричної різниці потенціалів між
цитоплазмою і зовнішньоклітинною рідиною, особливо вираженої у збудливих
нервових та м’язових клітинах.
Прямим доведенням наявності на по-
верхні клітини спеціального морфологіч-
ного утворення — плазматичної мемб-
рани стали безпосередні електронно-
мікроскопічні дослідження, які встановили
також тришарову структуру всіх клітин-
них мембран, що відповідає внутрішньому
ліпідному шару, вкритому ззовні та зсе-
редини білковими молекулами. Електрон-
номікроскопічне зображення плазматич-
ної мембрани, що оточує еритроцит, по-
дано на рис. 5.1.
Функції біомембран:
а) відмежовування внутрішньоклітинного простору від навколишнього хімічного
середовища за рахунок вибіркової проникності плазматичних мембран для іонів
та молекул;
б) створення та підтримання на плазматичній мембрані іонних градієнтів та
електричних потенціалів;
в) регуляція клітинних функцій біорегуляторними хімічними сигналами, що над-
ходять від нервової та ендокринної систем;
г) поділ клітини на окремі компартменти, що характеризуються специфічними
наборами ферментів, метаболітів та реакцій обміну речовин;
д) створення структурних, біофізичних умов для організації мембранозв’язаних
мультиферментних комплексів (ферментних ансамблів), які реалізують життєво
важливі клітинні функції (наприклад, електронтранспортних ланцюгів у мембранах
мітохондрій та ендоплазматичного ретикулуму), функціонування іонних каналів
та насосів);
е) участь у процесах міжклітинної взаємодії як необхідного фактора регуляції
клітинного росту, створення тканин (гістогенезу).
Рис. 5.1. Тришарова будова плазматичної
мембрани еритроцита (за Е. Sim,
1982).
79Ãëàâà 5. ˳ï³äè. Á³îìåìáðàíè
Мембранні структури тваринної клітини:
– плазматична мембрана;
– мембрани ендоплазматичного (саркоплазматичного) ретикулуму;
– мітохондріальні мембрани;
– ядерна мембрана;
– мембрани комплексу Гольджі;
– мембрани лізосом та фагосом;
– мембрани пероксисом (мікротілець).
Молекулярні компоненти біомембран
Головними хімічними компонентами біологічних мембран є білки, ліпіди та
вуглеводи. Співвідношення між вказаними біохімічними компонентами значно від-
різняється в окремих типах біомембран і залежить від їх функціональної та біохі-
мічної спеціалізації (табл. 5.3).
Т а б л и ц я 5.3. Середній хімічний склад (%) деяких клітинних мембран
Як слідчать дані таблиці 5.3, вміст білків у клітинних мембранах становить в
середньому 50-75 %, ліпідів — 25-45 %, вуглеводів — 0-10 %. Для зовнішніх
клітинних (плазматичних) мембран притаманна наявність певної кількості вугле-
водів, що входять до складу гліколіпідів та глікопротеїнів, для мієлінових мембран
мозку – значна концентрація ліпідів. Внутрішні (субклітинні) мембрани мітохондрій,
ендоплазматичного ретикулума містять відносно більшу кількість білків, що
відображує наявність у цих мембранних структурах важливих мультиферментних
комплексів.
А. Ліпіди мембран
Ліпідні компоненти біологічних мембран представлені переважно різними кла-
сами полярних ліпідів: фосфоліпідами (фосфатидилхоліном, фосфатидилетанол-
аміном, фосфатидилсерином, сфінгомієліном) — до 80-90% загального вмісту
мембранних ліпідів; гліколіпідами (переважно глікосфінголіпідами). Зовнішня
плазматична мембрана характеризується значним вмістом вільного холестеролу та
його ефірів і наявністю гліколіпідів, які відсутні в інших мембранних структурах
(табл. 5.4).
Білки Ліпіди Вуглеводи
Плазматична мембрана еритроцитів
людини
49 43 8
Внутрішня мембрана мітохондрій
печінки
76 24 0
Мембрани ендоплазматичного
ретикулума клітин печінки
55 45 0
Мієлінові мембрани мозку людини 18 79 3
Salmonella typhimurium
зовнішні мембрани 44 20 36
внутрішні мембрани 65 35 0
80
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Т а б л и ц я 5.4. Ліпідний склад (%) субклітинних мембран печінки щурів (за А. Ленінджером, 1985)
Особливістю структурної організацїї молекул ліпідів, що входять до складу
біологічних мембран — фосфоліпідів та гліколіпідів, є наявність у них гідрофіль-
ної “голівки”, що утворена залишком фосфату, етерифікованим полярними або
зарядженими групами, та гідрофобних “хвостиків”, які утворені ацилами наси-
чених та ненасичених жирних кислот (С
16
, С
18
, С
20
тощо) — рис. 5.2 та рис. 5.3.
На рис. 5.4 подано схематичні зображення молекулярних моделей основних
мембранних ліпідів, у яких гідрофобний кінець молекул складають вуглеводневі
радикали жирних кислот або вищого спирту сфінгозину, гідрофільний — іонізовані
фосфати, ковалентно зв’язані з залишками холіну, етаноламіну, серину, гліцеролу,
інозитолу, вуглеводу.
Молекула холестеролу входить до складу біомембран також завдяки наяв-
ності в її структурі гідрофобної частини (поліциклічний вуглеводень циклопентан-
пергідрофенантрен) та гідрофільної — ОН-групи — рис. 5.5.
Рис. 5.2. Молекулярна будова
фосфогліцеридів біо-
логічних мембран.
Рис. 5.3. Молекулярна модель фосфатидилетаноламіну
(відображено конформацію гідрофобних ацилів, яку
вони набувають через наявність подвійних зв’язків).
Мембрана Фосфоліпіди Гліколіпіди Холестерин
Ефіри холестеролу
та інші мінорні
ліпіди
Плазматична 57 6 15 22
Ядерна 85 0 5 10
Мітохондріальна внутрішня 92 0 0 8
Ендоплазматичного ретикулума 85 0 5 10
Апарату Гольджі 57 0 9 34
81Ãëàâà 5. ˳ï³äè. Á³îìåìáðàíè
Рис. 5.4. Схематичні зображення молекулярних моделей ліпідів біомембран.
Моногалактозил-
дигліцерид
Фосфатидилхолін
Фосфатидилетаноламін
Фосфатидилсерин
Фосфатидилгліцерол
Фосфатидилінозитол
Сфінгомієлін
Галактозилцерамід
CH
3
N
+
CH
2
H
3
C
H
3
C
CH
2
OP
O
O
–
OCH
2
CH O
H
2
COC
O
C
O
NH
2
CH
2
CH
2
OP
O
O
–
OCH
2
CH O
H
2
COC
O
C
O
NH
2
CH CH
2
OP
O
O
–
OCH
2
CH O
H
2
COC
O
C
O
C
O
O
–
CH CH
2
OP
O
O
–
OCH
2
CH O
H
2
COC
O
C
O
OH
CH
2
P
O
O
–
OCH
2
CH O
H
2
COC
O
C
O
HO
O
OHOH
OH
OH
CH
2
CH O
H
2
COC
O
C
O
HO
O
OH
OH
CH
2
OH
O
CH
3
N
+
CH
2
CH
2
OP
O
O
–
OCH
2
CH
HO
NH C
O
CH
2
CH
HO
NH C
O
HO
O
OH
OH
CH
2
OH
O
HO
CH
3
CH
3
82
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Б. Білки мембран
Білки біологічних мембран — це, переважно: ферменти; білки іонних каналів
та інших систем мембранного транспорту; рецепторні білки, що зв’язують зовнішні
ліганди та беруть участь у трансформації хімічного сигналу в біологічну реакцію
клітини.
Певна кількість мембранних білків зв’язана з вуглеводами (глікозильована) у
вигляді глікопротеїнів.
За характером розташування у мембрані білки поділяють на зовнішні (пери-
феричні) та внутрішні. Зв’язок білків із різними мембранними структурами буде
розглянуто нижче.
В. Вуглеводи мембран
Вуглеводи в складі біологічних мембран зв’язані з іншими хімічними компо-
нентами мембрани у вигляді гліколіпідів та глікопротеїнів.
Гліколіпіди мембран є, головним чином, похідними сфінгозину (глікосфінго-
ліпіди, або глікоцераміди).
Глікопротеїни мембран є молекулярними структурами, що утворюються за
рахунок ковалентних зв’язків олігосахаридних ланцюгів з мембранними білками.
Ці зв’язки формуються за участю гідроксильних груп серину або треоніну (О-глі-
козидні зв’язки) та амідної групи аспарагіну (N-глікозидний зв’язок).
Мономерними залишками у складі олігосахаридних ланцюгів мембранних
гліколіпідів та глікопротеїнів є такі моносахариди та їх похідні: галактоза, глюкоза,
маноза, галактозамін, глюкозамін, нейрамінова та сіалова кислота, фруктоза.
Гліколіпіди та глікопротеїни входять до складу, як правило, плазматичної
мембрани клітини, контактуючи із зовнішньоклітинним оточенням та міжклітинним
матриксом. Олігосахаридні залишки виконують функції лігандів для зовнішніх білків,
CH
C
CH
2
C
CH
2
CH
CH CH
C
CH
2
CH
OH
CH
3
CH
3
CH
H
3
C
HC
CH
3
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
Рис. 5.5. Модель молекули холестеролу.
83Ãëàâà 5. ˳ï³äè. Á³îìåìáðàíè
тобто забезпечують процес розпізнавання та міжклітинної взаємодії, особливо
важливі в реакціях клітинного імунітету. Аномальні зміни структури поверхневих
гангліозидів у мембранах пухлинних клітин призводять до втрати характерного
для росту нормальних клітинних пластів феномену “контактного гальмування”,
що супроводжується притаманним злоякісним пухлинам інфільтративним ростом.
Молекулярна організація біомембран
Наявність у мембранних ліпідах (гліцерофосфоліпідах, сфінгофосфоліпідах, глі-
коліпідах) полярних голівок та неполярних гідрофобних структур (вуглеводневих
радикалів жирних кислот та сфінгозину) визначає їх амфіфільну (амфіпатичну)
природу, тобто здатність до взаємодії як з гідрофільними (полярними), так і з гід-
рофобними (неполярними) молекулами.
Завдяки амфіфільній будові молекул, ліпіди, що беруть участь у побудові біо-
мембран, здатні до утворення в полярних середовищах впорядкованих структур:
міцел, моношарових та бішарових плівок (моношарів та бішарів) — рис 5.6.
а) Міцели — молекулярні структури, які амфіфільні ліпіди утворюють у
водному (полярному) оточенні. У міцелах вуглеводневі хвости ліпідів вкриті від
контакту з водою та утворюють гідрофобну фазу, а гідрофільні голівки молекул
розташовуються на поверхні. Міцелярні структури характерні для ліпопротеїнів
крові та для ліпідних комплексів, що всмоктуються в кишковому тракті.
б) Мономолекулярні шари — плівки, які амфіфільні ліпіди утворюють на
поверхні водних розчинів. У мономолекулярних шарах гідрофільні голівки молекул
взаємодіють з водною фазою, а вуглеводневі хвости спрямовані до повітряної
фази. Мономолекулярний шар, що утворює в легеневих альвеолах фосфогліцерид
дипальмітоїлфосфатидилхолін, виконує функцію легеневого сурфактанту,
який протидіє злипанню легеневих альвеол.
в) Бімолекулярні шари — молекулярні структури, в яких вуглеводневі хвости
ліпідів спрямовані всередину, утворюючи неперервний вуглеводневий бішар, а
гідрофільні (полярні) голівки направлені в бік водної фази, що оточує бімолекулярну
плівку, яка утворилася; бімолекулярні шари є основою будови біологічних мембран.
Амфіфільний характер мембранних ліпідів є фізико-хімічною властивіс-
тю, що зумовлює їх здатність до утворення ліпідних бішарів, які складають
основу молекулярної структури біологічних мембран.
Рис. 5.6. Мембранні структури, що утворюються полярними ліпідами.
Вода
Вода
Вода
Полярний ліпід
Гідрофільна
голівка
Гідрофобні
хвостики
Вода
84
Ðîçä³ë I. Á³îìîëåêóëè òà êë³òèíí³ ñòðóêòóðè
Рідинно-мозаїчна модель будови біомембрани
Вперше припущення про те, що основу молекулярної організації біомембран
складає подвійний ліпідний шар (бішар) було висунуте в 1925 р. Гортером та Грен-
делем (E.Gorter, F.Grendel). У 1935 р. Даніелі та Даусон (J.F.Danielli, H.Davson)
запропонували модель, згідно з якою біологічні мембрани складаються з подвійного
шару ліпідів, який вкрито із
зовнішнього та внутрішнього
боку шарами білків — “бутер-
бродна” модель. Модифікація
моделі Даніелі-Даусона (мо-
дель Стейна-Даніелі, 1956)
постулювала наявність в біо-
мембранах полярних пор, при-
датних для трансмембранно-
го переносу гідрофільних мо-
лекул — рис. 5.7.
Згідно з сучасною рідинно-мозаїчною мо-
деллю Сінгера-Ніколсона (S.J.Singer, G.L.Nicol-
son), основу (безперервний матрикс) біоло-
гічної мембрани складає полярний ліпідний
бішар, в який занурені окремі білкові молекули.
За умов нормальних фізіологічних температур
ліпіди біомембран знаходяться в рідинному
стані, являючи собою “ліпідне озеро”, в якому
плавають, подібно до айсбергів, мембранні
білки — рис. 5.8.
За своєю лока-
лізацією відносно
інших компонен-
тів біомембрани
мембранні білки
поділяються на
такі типи (рис. 5.9):
а) поверхневі (пе-
риферичні) білки;
б) білки, що част-
ково занурені у
бішар;
в) внутрішні (ін-
тегральні) білки.
Біофізичні властивості мембран
1. Плинність та в’язкість ліпідної фази, що визначається співвідношенням
між ненасиченими (рідкими) та насиченими (твердими) жирними кислотами в
Рис.5.8. Рідинно-мозаїчна модель
будови біомембран.
Рис.5.7. Моделі біомембран за Даніелі-Даусоном (а) та
Стейном-Даніелі (б): 1 — білкові шари; 2 —
бішар ліпідів; 3 — мембранні пори.
3
11
11
2
2
аб
Рис. 5.9. Молекулярна організація біомембрани. Мембранні білки.
а
б
б
в
в
в
85Ãëàâà 5. ˳ï³äè. Á³îìåìáðàíè
складі мембранних ліпідів та постійною рухомістю
вуглеводневих хвостів ацилів та сфінгозину (подібно до
“корзини із живими зміями”) — рис. 5.10.
Холестерол, що входить до складу біомембран, вико-
нує важливу функцію модифікатора фізико-хімічних влас-
тивостей ліпідного бішару, стабілізуючи його шляхом
обмеження рухомості внутрішньомембранних компонен-
тів, тобто зменшуючи плинність та збільшуючи в’язкість
матриксу мембранних ліпідів.
2. Рухомість окремих молекулярних компонен-
тів мембрани — ліпідів та білків.
Ліпіди біомембран мають певну впорядкованість, але
разом з тим вони здатні до латеральної дифузії, тобто
переміщення впродовж рідинної ліпідної фази (рідкісно-
кристалічний стан мембранних ліпідів).
До латеральної дифузії здатні також молекули мемб-
ранних білків, що сприяє утворенню внутрішньо-
мембранних білок-білкових ансамблів (кластерів). Важ-
ливим прикладом фізіологічного значення кластероутво-
рення білків у площині біологічної мембрани є “шапко-
утворення” (capping) мембранних рецепторів лімфоцитів
при дії на клітину чужорідних лігандів.
3. Асиметрія мембранної структури.
Зовнішня та внутрішня поверхні будь-якої мембрани
суттєво відрізняються за своїми фізико-хімічними влас-
тивостями та за складом основних біохі-
мічних компонентів, що пов’язано з різною
функціональною спеціалізацією двох по-
верхней мембран. Із зовнішньою поверх-
нею плазматичних мембран зв’язані ре-
цептори для гормонів і інших фізіологічно
активних речовин, із внутрішньою —
деякі цитозольні ферменти та компоненти
цитоскелета. Внутрішній моношар ліпід-
ного бішару відрізняється від зовнішнього
за складом фосфоліпідів.
Наприклад, зовнішня поверхня мемб-
рани еритроциту містить олігосахаридні
залишки гліколіпідів, які відіграють роль
детермінант груп крові (система А, В, О);
із зовнішньою поверхнею еритроцитарної
мембрани зв’язаний фермент ацетил-
холінестераза, із внутрішньою — білок
спектрин — рис. 5.11.
Рис. 5.10. Рухомість жир-
нокислотних
залишків у мо-
лекулах мемб-
ранних ліпідів.
6
7
3
5
4
21
Рис. 5.11. Схема молекулярної організації плаз-
матичної мембрани еритроцита
(А.А.Заварзин, А.Д.Харазова, 1982):
1 — білок глікофорин; 2 — мемб-
ранний глікопротеїн; 3 — Na
+
, K
+
–
АТФ-аза; 4 — ацетилхолінестераза;
5 — білок спектрин; 6 — ліпіди бі-
шар; 7 — ліпіди, що контактують з
мембранними білками.
86 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Розділ II. ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ
ГЛАВА 6. ФЕРМЕНТИ
I. СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ
Ферменти (ензими) — біологічні каталізатори білкової природи, які синте-
зуються в клітинах живих організмів та забезпечують необхідні швидкість і
координацію біохімічних реакцій, що становлять обмін речовин (метаболізм).
Розділ біохімії, що вивчає структуру, властивості та механізми дії ферментів,
називається ензимологією. Прийняті в ензимології позначення:
E — фермент, ензим (“enzyme”; англ.) — біологічний каталізатор;
S — субстрат (“substrate”; англ.) — хімічна речовина, сполука, перетворення
якої каталізує фермент;
P — продукт (“product”; англ.) — сполука, що утворилася в результаті фермен-
тативної реакції.
6.1. ВЛАСТИВОСТІ ФЕРМЕНТІВ ЯК БІОЛОГІЧНИХ
КАТАЛІЗАТОРІВ
Ферменти — специфічні білки, в основі каталітичної дії
яких лежать загальні фізико-хімічні та термодинамічні за-
кономірності хімічної кінетики. Білкову природу ферментів
беззаперечно довів Дж.Самнер (1926), який отримав перші
кристалічні препарати ферменту уреази.
Властивості ферментів
– ферменти значно підвищують швидкість перебігу біохі-
мічних реакцій, але не входять до складу кінцевих продуктів
реакції;
– ферменти забезпечують перебіг лише тих біохімічних
реакцій, які можливі, виходячи із законів термодинаміки;
– ферменти прискорюють швидкість як прямої, так і зво-
ротної реакції перетворення субстрату, не змінюючи конс-
танти рівноваги (К
р
) реакції та зменшуючи термін часу до
досягнення стану рівноваги (або стаціонарного стану у від-
критій 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
Рис. 6.1. Самнер (Sumner)
Джеймс Б. (1887-
1955) — амери-
канський біохімік,
професор та завіду-
вач лабораторії хімії
ферментів Кор-
нельського ун-ту.
Нобелівська премія
(1946).
87
Ãëàâà 6. Ôåðìåíòè. I. Ñòðóêòóðà. Âëàñòèâîñò³
ході якого фермент та субстрат підлягають ступеневому
перетворенню з утворенням продукту реакції та регене-
рацією ферменту;
– ферменти є високоспецифічними каталізаторами,
тобто діють, як правило, на структурно близькі субстра-
ти, що мають певний хімічний зв’язок, структурно подібні
радикали або функціональні групи. Проявом високої
специфічності ферментів є їх стереоспецифічність,
тобто здатність перетворювати тільки певні стереоізо-
мери, наприклад L- або D-амінокислоти, D- або L-мо-
носахариди;
– відповідно до білкової природи, каталітична активність ферментів дуже
чутлива до змін фізико-хімічних 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.
Одиниці виміру активності ферментів
Оскільки кількість ферменту в біологічному об’єкті в більшості випадків визна-
чити неможливо, для характеристики швидкості біохімічної реакції, що каталі-
зується певним ферментом, за умов сталості інших показників середовища (фізико-
хімічних параметрів, концентрації активаторів та інгібіторів) користуються значен-
нями активності ферменту.
Одиниці активності ферментів — умовні величини, що базуються на лінійній
залежності швидкості ферментативної реакції від кількості ферменту (або кіль-
кості його молекул, що перебувають у каталітично активному стані).
1. У біохімічній практиці загальноприйнятими є одиниці ферменту.
Одиницею ферменту (U — unit; англ.) є така його кількість, яка каталізує
перетворення 1 мкмоля субстрату за 1 хв:
1 U = 1 мкмоль/хв.
2. При використанні одиниць системи СІ (SI) активність ферменту виражають
в каталах (кат).
1 катал — така кількість ферменту, яка каталізує перетворення 1 моля
субстрату за 1 с:
1 кат = 1 моль/c.
3. Розповсюдженою одиницею є питома активність ферменту, яка визнача-
ється 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 біологічної рідини, що досліджується, — сироватки крові, слини,
сечі тощо (U/л).
ES
SP
E
88 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
6.2. НОМЕНКЛАТУРА ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ФЕРМЕНТІВ
Номенклатура та класифікація ферментів, що є прийнятими в біохімії, були
затверджені Комісією з ферментів Міжнародного біохімічного союзу (1961).
А. Номенклатура ферментів.
1. Систематична номенклатура.
Згідно із систематичною номенклатурою, назва (найменування) ферменту
включає в себе: хімічну назву субстрату або субстратів; тип реакції, що каталі-
зується; суфікс -аза.
2. Тривіальна номенклатура.
Тривіальні назви ферментів утворюються на основі хімічної назви субстрату
з додаванням суфікса -аза. У біохімії існують також загальноприйняті, історично
усталені назви ферментів, що не відображають хімічної природи реакції, зокрема,
пепсин, трипсин, тромбін, плазмін тощо. Тривіальна назва (або назви)
ферменту звичайно вказується в дужках.
Наприклад:
Систематична назва ферменту (Е): карбамідамідогідролаза.
Тривіальна назва ферменту: уреаза (urea — сечовина; лат.).
Б. Класифікація ферментів.
Ферменти поділяють на класи згідно з типом реакції, яку вони каталізують; класи
ферментів поділяють на підкласи, а останні — на підпідкласи, в 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, 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, метильні, ацильні, фосфатні, глікозильні групи, відповідно.
До трансфераз належать також кінази, зокрема протеїнкінази — ферменти, що
каталізують фосфорилювання субстратів та інших білків за рахунок фосфатного
залишку АТФ.
3-й 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.
сечовина
Е
С = О(NН
2
)
2
+ Н
2
О CО
2
+ 2 NH
3
89
Ãëàâà 6. Ôåðìåíòè. I. Ñòðóêòóðà. Âëàñòèâîñò³
4-й клас. Ліази — ферменти, що каталізують реакції розщеплення кова-
лентних зв’язків між атомами С, О, N, S негідролітичним шляхом.
До ліаз належать декарбоксилази — ферменти, що відщеплюють від орга-
нічних кислот карбоксильну групу у вигляді СО
2
; альдолази, що розщеплюють
вуглець-вуглецеві зв’язки з утворенням альдегідів; дегідратази, які відщеп-
люють 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) склада-
ється з чотирьох цифр, що позначають: клас – підклас – підпідклас – порядковий
номер ферменту в підпідкласі.
Наприклад:
КФ 1.1.1.1. Алкоголь: НАД
+
-оксидоредуктаза (алкогольдегідрогеназа):
Алкоголь + НАД
+
Альдегід (кетон) + НАДН + Н
+
КФ 2.6.1.2. Аланін: оксоглутарат-амінотрансфераза (аланінамінотранс-
фераза):
L-Аланін + Оксоглутарат
Піруват + L-Глутамат
КФ 3.2.1.23.
ββ
ββ
β-D-Галактозид-галактогідролаза (
ββ
ββ
β-галактозидаза; лак-
таза):
ββ
ββ
β-D-Галактозид + Н
2
О Спирт + D-Галактоза
КФ 4.3.1.3. Гістидин-аміак-ліаза (гістидаза):
L-Гістидин
Уроканінова кислота + NH
3
КФ 5.3.1.3. D-Гліцеральдегід-3-фосфат-кетол-ізомераза (тріозофосфат-
ізомераза):
D-Гліцеральдегід-3-фосфат
Діоксиацетонфосфат
КФ 6.3.1.2. L-Глутамат: аміак-лігаза (глутамінсинтетаза):
L-Глутамат + NH
3
+ АТФ L-Глутамін + АДФ + Н
3
PO
4
(Ф
н
)
6.3. ХІМІЧНА СТРУКТУРА ФЕРМЕНТІВ. КОФЕРМЕНТИ
А. Будова ферментних білків
За хімічною структурою ферменти є простими білками або складними біл-
ками (тобто такими, що містять у собі небілкову частину).
Білкова частина складного білка-ферменту має назву апофермент (апоен-
зим), небілкова — кофермент (коензим) — див. нижче. Повна назва складного
ферменту — холофермент:
апофермент + кофермент
холофермент
90 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Олігомерні білки-ферменти
Багато ферментних білків складаються з декількох субодиниць (протомерів),
що являють собою різні поліпептидні ланцюги, сполучені нековалентними зв’яз-
ками — олігомерні ферменти.
Найбільш розповсюджені олігомерні ферменти, що містять у собі два (С
2
),
чотири (С
4
) або шість (С
6
) протомерів. Окрім ферментів, що складаються з
однакових за хімічною природою протомерів, існують ферменти, до складу яких
входять різні за будовою та біохімічними функціями субодиниці. Наприклад,
фермент аспартат-карбамоїлтрансфераза складається з шести каталітичних
та шести регуляторних субодиниць (С
6
R
6
). Приклади деяких білків-ферментів,
що мають олігомерний склад, були наведені в таблиці 2.1.
У клітині, особливо в складі біологічних мембран, деякі ферменти здатні
утворювати поліферментні (мультиензимні) комплекси (системи), що каталі-
зують послідовності спряжених біохімічних реакцій. Такі поліферментні комплекси
складаються з декількох десятків фізично асоційованих білків-ферментів, кожен
з яких каталізує певну реакцію. Розрізняють (рис. 6.1):
1. Розчинні мультиен-
зимні системи, в яких
відсутня постійна асоці-
ація між ферментами Е
1
,
Е
2
, Е
3
, Е
4
; відбувається
дифузія субстратів A, B,
C, D між окремими фер-
ментами.
2. Мультиензимні системи, в яких окремі ферменти сполучені між собою неко-
валентними зв’язками, утворюючи комплекси, які полегшують передавання
субстратів та продуктів між окремими ферментними білками.
3. Мембрано-зв’язані мультиензимні системи, в яких окремі ферменти асоці-
йовані з ліпідним бішаром субклітинних органел (мітохондрій, ендоплазматич-
ного ретикулума тощо).
Прикладом мультиензимних систем може бути піруватдегідрогеназний
комплекс, виділений із мітохондрій та E. Coli. Зокрема, піруватдегідрогеназний
комплекс E. Coli, що має м.м. 4,0 10
6
, складається з 24 молекул ферментного
білка піруватдегідрогенази (м.м. — 90 кД; із кожною молекулою білка зв’яза-
ний тіаміндифосфат — ТДФ), молекули дигідроліпоїлтрансацетилази (яка
складається з 24 протомерів — окремих поліпептидних ланцюгів із м.м. 36 кД;
кожен ланцюг містить залишок ліпоєвої кислоти) та 12 молекул дигідроліпоїл-
дегідрогенази (м.м. — 55 кД; кожна молекула сполучена з ФАД).
Ізоферменти
Ізоферменти (ізозими) — множинні молекулярні форми одного й того ж
ферменту. Ізоферменти каталізують одну й ту ж біохімічну реакцію, але розріз-
няються за своєю первинною структурою і, відповідно, фізико-хімічними (мо-
лекулярною масою, рухомістю при електрофорезі тощо) та каталітичними (різною
спорідненістю ферменту із субстратом — К
m
) властивостями.
Рис. 6.1. Типи мультиензимних систем в клітині.
123
91
Ãëàâà 6. Ôåðìåíòè. I. Ñòðóêòóðà. Âëàñòèâîñò³
Різні ізоферменти одного й того ж ферменту можуть бути присутніми в різних
органах і тканинах (ізоферменти лактатдегідрогенази), субклітинних структурах
(мітохондріальний та цитозольний ізоферменти ізоцитратдегідрогенази).
Ізоферменти належать до більш широкого класу ізобілків — множинних
молекулярних форм певного білка, що зустрічаються в різних організмах в межах
одного біологічного виду і є результатами експресії різних генетичних локусів або
алеломорфами — продуктами одного локусу. В разі, якщо фермент, що пред-
ставлений ізоферментними формами, має олігомерну будову, його ізоферменти
формують за рахунок різних комбінацій неідентичних протомерів. Прикладом
такого ізоферментного сімейства можуть бути ізоферменти лактатдегідрогенази
(ЛДГ-аза) — ферменту, що каталізує обернену реакцію перетворення піровино-
градної кислоти в молочну:
піруват + НАДН + Н
+
лактат + НАД
+
За своєю молекулярною будовою ЛДГ-аза 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-ази: ЛДГ
1
(Н
4
), ЛДГ
2
(Н
3
М), ЛДГ
3
(Н
2
М
2
),
ЛДГ
4
(НМ
3
) та ЛДГ
5
(М
4
), що розподілені переважно в різних органах (міокарді,
печінці, скелетних м’язах, нирках тощо). Ці ізоферменти розрізняються за своєю
електрофоретичною рухомістю та їх визначення в сироватці крові хворих має
діагностичне значення для виявлення пошкоджень мембранних структур, що
спостерігаються при різних захворюваннях (інфаркті міокарда, гепатиті тощо).
Б. Кофактори та коферменти
Кофактори
Багато ферментів потребують для реалізації своєї каталітичної активності наяв-
ності певних низькомолекулярних небілкових сполук — кофакторів. Роль кофак-
торів можуть відігравати біоорганічні сполуки різної хімічної природи або іони
металів (Mg
2+
, Ca
2+
, Fe
3+
– Fe
2+
, Cu
2+
– Cu
1+
т.і.).
Іони металів зв’язані з апоферментом або входять до складу небілкової просте-
тичної групи (див. нижче) — найчастіше порфіринового кільця гемінових ферментів
(цитохромів, пероксидаз, каталази). Ферменти, які міцно зв’язані з іонами ме-
талів і не втрачають цього зв’язку за умов виділення та фракціонування ферменту,
назваються металоферментами (табл. 6.1).
Т а б л и ц я 6.1. Металоферменти та відповідні метали-кофактори
Металоферменти Іони металів
Аргіназа
Алкогольдегідрогеназа
Карбоангідраза
Карбоксипептидаза А
Супероксиддисмутаза
Ксантиноксидаза
Цитохром с
Цитохроми (a + a
3
)
Mn
2+
Zn
2+
Zn
2+
Zn
2+
Zn
2+
, Cu
2+
Mo
6+
Fe
2+
Fe
2+
, Cu
+
92 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
У деяких випадках іони металів не входять до складу ферментів як інтегральні
структурні компоненти, а виконують лише функцію їх активаторів.
Коферменти (коензими) — біорганічні сполуки небілкової природи, що є
необхідними для дії ферменту, тобто перетворення субстрату в каталітичному
акті.
Коферменти можуть сполучатися з білковою частиною (апоферментом) неко-
валентними фізико-хімічними або ковалентними зв’язками (в останньому випад-
ку вони є простетичними групами ферментного білка — флавінові коферменти,
піридоксальфосфат, ліпоєва кислота тощо); деколи коферменти утворюють комп-
лекси з апоферментом лише в ході каталітичного процесу (НАД, НАДФ).
Класифікація коферментів
А. За хімічною природою коферменти підрозділяють на:
– похідні вітамінів, зокрема: вітаміну В
1
— тіаміндифосфат; вітаміну В
2
—
флавінмононуклеотид (ФМН); вітаміну В
6
— піридоксальфосфат, піридокса-
мінфосфат; пантотенової кислоти — коензим А; вітаміну В
12
— метилкоба-
ламін, дезоксиаденозилкобаламін; вітаміну Н (біотину) — карбоксибіотин;
фолієвої кислоти — тетрагідрофолієва кислота;
– динуклеотиди (похідні нікотинаміду — НАД
+
, НАДФ
+
; похідний рибофла-
віну — ФАД);
– нуклеотиди — похідні пуринів та піримідинів (АТФ, АДФ, ЦТФ, ЦДФ,
УТФ, УДФ);
– комплекси порфіринів з іонами металів.
Б. За типом реакції, яку вони каталізують, коферменти поділяють на:
1. Коферменти, що є переносниками атомів водню та електронів.
2. Коферменти, що є переносниками різних хімічних груп.
3. Коферменти синтезу, ізомеризації та розщеплення вуглець-вуглецевих зв’язків.
Т а б л и ц я 6.2. Коферменти та ферментативні реакції, в яких вони беруть участь
Коферменти
Біоорганічна сполука,
похідним якої є
кофермент
Тип реакції, що
каталізується
коферментом
1. Переносники водню та електронів:
НАД (нікотинамідаденіндинуклеотид) Вітамін РР (нікотинова
кислота, нікотинамід)
Перенос гідрид-іону
(:Н
-
)
НАДФ (нікотинамідаденіндинуклео-
тидфосфат)
–"– –"–
ФАД (флавінаденіндинуклеотид) Вітамін В
2
(рибофлавін) Перенос атомів водню
(2Н
+
+ 2е
–
)
ФМН (флавінмононуклеотид)–"––"–
Коензим Q Убіхінон Перенос атомів водню
(2Н
+
+ 2е
–
)
Глутатіон
Трипептид: γ-глутамініл-
цистеїніл-гліцин
Перенос водню в
пероксидазних та
редуктазних реакціях
Гемінові коферменти Металопорфірини Перенос електронів
93
Ãëàâà 6. Ôåðìåíòè. I. Ñòðóêòóðà. Âëàñòèâîñò³
Структура найбільш поширених коферментів (с. 94-97).
Коферменти — похідні вітаміну РР (нікотинаміду) (входять до складу
дегідрогеназ): нікотинамідаденіндинуклеотид (НАД
+
) та нікотинамідаденін-
динуклеотидфосфат (НАДФ
+
).
Коферменти — похідні вітаміну В
2
(рибофлавіну) (входять до складу де-
гідрогеназ та оксидаз): флавінаденіндинуклеотид (ФАД), флавінмононуклеотид
(ФМН).
Піридоксалеві коферменти — похідні вітаміну В
6
(піридоксину) (входять
до складу амінотрансфераз, декарбоксилаз): піридоксин (піридоксол), піридо-
ксальфосфат, піридоксамінфосфат.
Металопорфірини — коферменти цитохромів: металопорфіринові струк-
тури цитохромів a (A), b (B), c (C). (Me
2+
: залізо в цитохромах b та c, мідь — у
цитохромі a).
Кофермент ацилювання — похідний пантотенової кислоти: коензим А
(КоА).
2. Переносники інших хімічних груп:
Нуклеозидфосфати:
АТФ (аденозинтрифосфат) Аденозин Перенос фосфатних,
пірофосфатних,
аденозильних радикалів
АДФ(аденозиндифосфат)–"– –"–
УТФ (уридинтрифосфат) Уридин Перенос моносахаридних
радикалів
УДФ (уридиндифосфат)–"––"–
ЦТФ (цитидинтрифосфат) Цитидин Перенос холіну та етанол-
аміну
ЦДФ (цитидиндифосфат)–"– –"–
Піридоксалеві коферменти: Вітамін В
6
(піридоксин) Перенос аміногруп; декар-
боксилювання
Піридоксальфосфат
Піридоксамінфосфат
Коензим ацилювання (КоА; КоА-SH) Вітамін В
3
(пантотенова
кислота)
Перенос ацильних
радикалів
Тетрагідрофолієва кислота (ТГФК) Вітамін В
с
(фолієва
кислота)
Перенос одновуглецевих
радикалів (формільного,
оксиметильного, метиль-
ного)
Ліпоєва кислота Тіооктова кислота Перенос ацетильних
радикалів
3. Коферменти синтезу, ізомеризації та розщеплення вуглець-вуглецевих зв'язків:
Тіаміндифосфат (ТДФ) Вітамін В
1
(тіамін) Окисне декарбоксилюван-
ня оксо(α-кето)- кислот;
перенос кето-фрагментів
Кобамідні коферменти: Вітамін В
12
(кобаламін)
Метилкобаламін Реакції трансметилювання
5-Дезоксиаденозилкобаламін Реакції ізомеризації
Карбоксибіотин Вітамін Н (біотин) —
похідне тіофену
Реакції карбоксилювання
за участю СО
2
Продовження табл. 6.2
94 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Піридоксин (піридоксол) Піридоксальфосфат Піридоксамінфосфат
N
CH
2
OH
HO
H
3
C
CH
2
OH
N
C
HO
H
3
C
CH
2
N
CH
2
NH
2
HO
H
3
C
CH
2
O
H
OPO
OH
OH
OPO
OH
OH
Нікотинамідаденіндинуклеотид (НАД
+
) та
нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат (НАДФ
+
)
N
N
NH
2
N
N
CH
2
OH
OH
O
O
POOH
O
POOH
O
CH
2
N
+
O
OH
O
R
- H(HAД
+
)
- PO
3
H
2
(НАД
+
)
C
O
NH
2
N
N
NH
2
N
N
CH
2
OH
OH
O
O
POHO
O
PO
HO
O
CH
2
(H C—OH)
3
CH
2
N
N
N
NH
CH
3
CH
3
O
O
Флавінаденіндинуклеотид (ФАД)
Флавінмононуклеотид (ФМН)
CH
2
HC
CH
2
N
N
N
NH
CH
3
CH
3
O
O
OP
OH
O
OH
OH
3
95
Ãëàâà 6. Ôåðìåíòè. I. Ñòðóêòóðà. Âëàñòèâîñò³
Коферменти — похідні фолієвої кислоти (коферменти в реакціях переносу
та оксидоредукції одновуглецевих радикалів): 5,6,7,8 – тетрагідрофолієва кислота.
Ліпоєва кислота (кофермент у реакціях окислювального декарбоксилю-
вання
αα
αα
α-кетокислот): ліпоєва кислота (6,8-дитіооктанова кислота).
Тіаміндифосфат — похідний вітаміну В
1
(кофермент у реакціях декарбок-
силювання
αα
αα
α-кетокислот, транскетолазній реакції): тіаміндифосфат.
Кофермент карбоксибіотин (кофермент реакцій карбоксилювання): кар-
боксибіотин.
Металопорфіринові структури цитохромів a (A), b (B), c (C).
(Me
2+
: залізо в цитохромах b та c, мідь — у цитохромі a).
CH CH R
2
CH
3
CHOH
R
1
H
3
C
HOC
CH
2
CH
2
COOH
CH
2
CH
2
COOH
CH
3
CH CH
2
CH
3
CH
CH
2
H
3
C
CH
2
CH
2
COOH
CH
2
CH
2
COOH
CH
3
H
3
C
N
N
N
Me
2+
N
CH CH
3
CH
3
S
H
3
C
CH
2
CH
2
COOH
CH
2
CH
2
COOH
CH
3
H
3
C
CH
3
R
1
S
R
CH
N
N
N
Me
2+
N
N
N
N
Me
2+
N
AB
C
96 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Ліпоєва кислота (6,8-дитіооктанова кислота)
SS
CH
H
2
C
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
C
O
OH
H
2
C
Тіаміндифосфат
N
N
H
3
C
NH
2
CH
2
N
+
S
CH
3
CH
2
CH
2
OP
OH
O
OP
OH
OH
O
Карбоксибіотин
N
C
NH
CH
S
CH
O
C
O
O
–
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
COOH
H
2
C
HC
Коензим А (КоА)
N
N
NH
2
N
N
CH
2
O
OH
O
O
POHO
O
PO
HO
OCH
2
PO
3
H
2
C
CH
3
CH
3
CH
OH
C
O
NH CH
2
CH
2
C
O
NH CH
2
CH
2
SH
Аденозин
Пантотенова кислота
ββ
ββ
β-аміноетантіол
5,6,7,8 – тетрагідрофолієва кислота
Глутамінова кислотаПтероєва кислота
N
N
N
N
OH
H
2
N
H
H
CH
2
H
NH CO NH CH
COOH
CH
2
CH
2
COOH
97
Ãëàâà 6. Ôåðìåíòè. I. Ñòðóêòóðà. Âëàñòèâîñò³
Коферменти — похідні вітаміну В
12
: метилкобаламін (кофермент у реакціях
метилювання), дезоксиаденозилкобаламін (кофермент у реакціях ізомеризації,
спряжених із внутрішньомолекулярним переносом гідридного іона).
NN
N
N
Co
A
B
C
D
CH
3
CH
2
CO NH
2
CH
2
CH
2
CONH
2
CH
3
CH
3
CH
2
CO NH
2
CH
2
CH
2
CO NH
2
CH
3
CH
3
H
3
C
CH
2
CH
2
CONH
2
H
3
C
H
3
C
CH
2
CH
2
CONH
CH
2
CH
CH
3
O
P
O
HO
O
CH
2
CO
NH
2
HOH
2
C
OH
HH
O
H
H
N
N
CH
3
CH
3
CH
3
Метилкобаламін (кофермент у реакціях метилювання)
Дезоксиаденозилкобаламін (кофермент у реакціях ізомеризації, спряжених із внутрішньомолекулярним
переносом гідридного іона)
NN
N
N
Co
A
B
C
D
CH
3
CH
2
CO NH
2
CH
2
CH
2
CONH
2
CH
3
CH
3
CH
2
CO NH
2
CH
2
CH
2
CO NH
2
CH
2
CH
3
H
3
C
CH
2
CH
2
CONH
2
H
3
C
H
3
C
CH
2
CH
2
CONH
CH
2
CH
CH
3
O
P
O
HO
O
CH
2
CO
NH
2
HOH
2
C
OH
HH
O
H
H
N
N
CH
3
CH
3
H
H
HO
OH
H
H
O
N
N
N
N
NH
2
CH
3
98
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
ГЛАВА 7. ФЕРМЕНТИ
II. МЕХАНІЗМИ КАТАЛІЗУ. КІНЕТИКА. РЕГУЛЯЦІЯ
7.1. МЕХАНІЗМИ ДІЇ ФЕРМЕНТІВ
Ферменти збільшують швидкості біохімічних реакцій, які вони каталізують, у
10
8
-10
20
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 експонен-
ційній формі:
k = Ae
–
∆∆
∆∆
∆E/RT
.
Під енергією активації (
∆∆
∆∆
∆Е в рівнянні Арреніуса) в хімічній термодинаміці ро-
зуміють 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 e
–
∆∆
∆∆
∆
E/RT
(фактор Больцмана) —
доля молекул у системі, які мають енергію, достатню для хімічного перетворення.
Оскільки всі метаболічні процеси в живих організмах перебігають в ізотер-
мічних умовах, каталітична дія ферментів реалізується за рахунок зниження
останніми енергії активації (
∆∆
∆∆
∆E) біохімічної реакції, що збільшує фактор
Больцмана, і, відповідно, константу швидкості реакції на декілька порядків:
E
E[S*]
E[S*]
кат
E[S]
E[Р]
S*
S
Р
t
∆∆
∆∆
∆E
k
∆∆
∆∆
∆E
1
2
час реакції
Рис. 7.1. Енергетичні діаграми хімічної реакції (S
P) без каталізатора (1) та в присутності
каталізатора — ферменту (2).
∆∆
∆∆
∆E та
∆∆
∆∆
∆E
к
— енергія активації реакції без та в
присутності каталізатора, відповідно.
99
Ãëàâà 7. Ôåðìåíòè. II. Ìåõàí³çìè êàòàë³çó
Порівняно з хімічними каталізаторами, ферменти значно зменшують
∆∆
∆∆
∆Е
реакцій, які вони каталізують. Так, наприклад, у реакції розщеплення перекису
водню
2 Н
2
О
2
2 Н
2
О + О
2
енергія активації може зменшуватися під дією неорганічних каталізаторів (йодиду,
платини) або, більш сильно, під впливом специфічного ферменту каталази, що
призводить до відповідних величин збільшення швидкості реакції.
Т а б л и ц я 7.1. Неферментативний та ферментативний каталіз розщеплення перекису
водню (t = 25 °С; константу швидкості некаталізуючої реакції прийнято
за одниницю) (за S.Rapoport, 1964)
Активні центри ферментів
Зниження енергії активації біохімічної реакції і, як результат високої каталітич-
ної ефективності ферментів досягають за рахунок взаємодії субстратів із певними
ділянками ферментної молекули (активними, або каталітичними центрами),
що супроводжується зближенням та орієнтацією відповідних хімічних груп субст-
ратів і створює стеричні умови, необхідні для реалізації специфічних актів каталізу.
Активний центр — ділянка молекули ферментного білка, що взаємо-
діє із субстратом під час ферментативної реакції і необхідна для перетво-
рення субстрату в каталітичному процесі.
Він формується з певних ді-
лянок поліпептидного ланцюга,
що просторово зближені за раху-
нок унікальної тривимірної кон-
формації ферментного білка.
До складу активних центрів
різних ферментів входять ради-
кали певних амінокислотних
залишків, головним чином ОН-
групи серину, треоніну та тиро-
зину, імідазольне кільце гісти-
дину, SH-група цистеїну, СОО
–
-
групи дикарбонових аміно-
кислот, NH
3
+
-групи аргініну та
лізину (рис. 7.2). В утворенні
активних центрів беруть участь
також кофактори даного фер-
менту: простетичні групи, іони
металів (рис. 7.3).
Умови реакції Енергія активації
(ккал/моль)
Кількість активованих
молекул
Збільшення
константи швидкості
реакції
Без каталізатора
+ Йодид
+ Платина
+ Каталаза
18
14
12
2
1,3 · 10
-13
1 · 10
-10
3 · 10
-9
4 · 10
-2
1
8 · 10
2
2 · 10
4
3 · 10
11
NH
2
(A)
HOOC(C)
Asp 102
His 57
Ser 195
NH
2
(B)
NH
2
(C)
COOH(A)
COOH(B)
Рис.7.2. Тривимірна будова ферменту хімотрипсину. Ак-
тивний центр ферменту сформований амінокис-
лотними залишками Ser-195, His-57 та Asp-102.
100
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Активний центр локалізується, як правило, в заглибленні, просторовій ніші, що
утворюється в макромолекулі білка-ферменту. Структура активного центру є
комплементарною до просторової будови субстрату, що стало основою уявлення
Е.Фішера про відповідність ферменту і субстрату як “ключа і замка”. Пізніші
теорії ферментативного каталізу (Д.Кошленд) враховують можливі взаємні зміни
просторових конформацій ферменту і субстрату під час їх взаємодії (“теорія інду-
кованої відповідності ферменту і субстрату”).
У структурі активного центру розрізняють:
– ділянку, що зв’язує субстрат, або контактну (“якірну”) ділянку; вона містить
радикали полярних (зв’язують молекули субстрату за рахунок водневих зв’язків
або дипольних взаємодій) або неполярних амінокислотних залишків (створюють
в активному центрі гідрофобні зони, що взаємодіють із відповідними радикалами
в субстраті);
– каталітично активну ділянку, до складу якої входять хімічні групи, що
беруть безпосередню участь у перетворенні субстрату (групи –ОН, –SH, ≥N,
–NH
3
+
, – СОО
–
).
Механізми перетворення субстрату за каталітичної дії ферменту
У механізмі ферментативного перетворення субстрату беруть участь такі
молекулярні ефекти:
1. Ефекти зближення та орієнтації. Адсорбція та фізико-хімічна взаємодія
субстратів з активними центрами ферментів супроводжуються локальним
Рис.7.3. Розташування атома Zn в активному центрі ферменту карбоангідрази.
101
Ãëàâà 7. Ôåðìåíòè. II. Ìåõàí³çìè êàòàë³çó
зростанням концентрації реагуючих молекул, їх зближенням та найбільш ефек-
тивною орієнтацією одна до одної та до каталітично активних груп активного
центру.
2. Ефекти кислотно-основного каталізу. Певні функціональні групи радика-
лів амінокислот, що входять до структури активних центрів, мають властивості
кислот або основ Бренстеда, тобто донорів чи акцепторів протонів (амінні, карбок-
сильні, сульфгідрильні, імідазольні групи).
Прикладом кислотно-основного каталізатора є імідазольна група гістидину, яка
у взаємодії з гідроксильною групою серину створює кислотно-основну пару Бренс-
теда. Функціональні групи
≥N та –OH, що відіграють
каталітичну роль, розміще-
ні, як правило, в різних ді-
лянках пептидного ланцюга
та зближуються за рахунок
унікальної третинної струк-
тури ферментного білка.
3. Ефекти нуклеофільного та електрофільного каталізу. Функціональні
групи амінокислотних залишків, що входять до складу активних центрів, можуть
виступати в каталітичному акті перетворення субстратів як донори електронів
(нуклеофіли) або акцептори електронів (електрофіли), тобто як основи або кислоти
Льюіса, відповідно.
Нуклеофільні групи в складі активних центрів ферментів:
Електрофільні групи в складі активних центрів ферментів:
– NH
3
+ — групи аргініну та лізину;
– іони металів-кофакторів (Mg
2+
, Fe
3+
, Mn
2+
, Cu
2+
).
Механізми каталітичної дії хімотрипсину
Механізми ферментативної дії найбільш вивчені для гідролаз, які є каталіза-
торами з активними центрами кислотно-основного типу. Представниками таких фер-
ментів є біокаталізатори, до складу активних центрів яких входять гістидин-серинові
каталітичні комплекси; це такі поширені ферменти, як хімотрипсин (КФ 3.4.4.5),
трипсин (КФ 3.4.4.4), тромбін (КФ 3.4.4.13), еластаза (КФ 3.4.21.11), ацетилхолін-
естераза (КФ 3.1.1.7).
Хімотрипсин (
αα
αα
α-хімотрипсин) — протеолітичний фермент (протеаза), що
розщеплює пептидні зв’язки за участю води в молекулах певних білків та пептидів.
HN
NOH
SerCH
2
His
A
HN
N
+
O
–
· · · H
CH
2
Б
Імідазол-кислота (А) та імідазол-луг (Б) в структурі
активного центру білка-ферменту.
Гідроксильна група
серину
CH
2
O :
H
N
CH
2
S :
H
N
CH
2
N
N:
CHC
HN
C
H
Сульфгідрильна група
цистеїну
Імідазольна група
гістидину
102
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Як уже зазначалося (рис. 7.2), каталітичний центр хімотрипсину утворюється з
гідроксильної групи серину та імідазольної групи гістидину, що розташовані в
195-му (Ser-195) та 57-му (His-57) положеннях пептидного ланцюга молекули
ферменту.
Перший етап каталітичного акту.
Імідазол діє як основа Бренстеда, віттягуючи на себе протон від ОН-групи
серину, що спричиняє появу надлишкової електронної щільності на атомі кисню
серину та полегшує нуклеофільну атаку групи –СО– субстрату гідроксилом се-
рину. Як результат цього процесу, відбувається ацилування ферменту за рахунок
перенесення ацильного радикала від субстрату на сериновий залишок (Ser-195)
ферменту (рис. 7.4 а,б).
Другий етап каталітичного акту.
Атом гістидину (His-57) здійснює нуклеофільну атаку на кисень ацильного
похідного серину, що сприяє відщепленню та перенесенню ацилу на зовнішній
акцептор — молекулу води (рис. 7.4 в,г).
Механізми каталітичної дії ацетилхолінестерази
Ацетилхолінестераза (КФ 3.1.1.1) — фермент, що розщеплює гідролітичним
шляхом молекулу нейромедіатора ацетилхоліну:
Ацетилхолінестераза також належить до гістидин-серинових гідролаз і здійснює
гідролітичне розщеплення субстрату з проміжним утворенням ацетильованого за
залишком серину ферменту. Разом із тим, до активного центру ацетилхолінестерази
(CH
3
)
3
N
+
CH
2
CH
2
OC
O
CH
3
+ H
2
O
(CH
3
)
3
N
+
CH
2
CH
2
OH + CH
3
COOH
ацетилхолін холін ацетат
Рис. 7.4. Участь функціональних груп активного центру хімотрипсину (His-57 та Ser-195) в
каталітичному акті розщеплення пептидного зв’язку в молекулі субстрату.
N : · · · HHN
CH
2
O
··
RNC
HO
R'
+
N : · · · HHN
CH
2
O
··
RN
C
H
O
R'
N :HN
CH
2
O
N : · · · HHN
CH
2
O
··
R' C
O
OH
+
CO
R'
+
RNH
2
а
фермент
фермент
фермент
фермент
б
гв
103
Ãëàâà 7. Ôåðìåíòè. II. Ìåõàí³çìè êàòàë³çó
входить гідроксильна група тирозину, що, виконуючи функцію лужного каталізатора,
сприяє гідролізу ацетильованого серину та регенерації вихідної структури активного
центру ферменту.
7.2. КІНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНИХ РЕАКЦІЙ. ІНГІБІТОРИ
ФЕРМЕНТІВ
Ферментативна кінетика є розділом хімічної кінетики, що займається вивчен-
ням впливу різних хімічних та фізико-хімічних факторів на швидкість реакцій.
Вона вивчає, зокрема, залежність швидкостей ферментативних реакцій від
концентрацій ферменту, субстрату, рН та температури середовища, дії активаторів
та інгібіторів.
Загальне рівняння односубстратної ферментативної реакції:
З урахуванням взаємодії ферменту із субстратом у ході каталітичного акту (те-
орія Міхаеліса-Ментен) рівняння ферментативного перетворення субстрату
набуває вигляду:
Для характеристики утворення фермент-субстратного комплексу використову-
ється субстратна константа, або константа дисоціації комплексу Міхаеліса:
К
s
= k
-1
/k
+1
Відношення між сумою констант швидкостей реакцій зворотного розпаду (k
-1
)
і розщеплення комплексу з утворенням продуктів реакції (k
+2
) та константою швид-
кості утворення фермент-субстратного комплексу (k
+1
) називається константою
Міхаеліса (К
m
):
К
m
= k
-1
+ k
+2
/ k
+1
К
m
має розмірність концентрації (моль/л) і кількісно визначає спорідненість
ферменту із субстратом — чим активніший фермент, тим нижче значення його К
m
.
Значення К
m
для різних ферментів коливаються в широкому діапазоні — від
10
-6
моль/л для високоактивних ферментів (наприклад, пероксидази) до 10
-2
для
малоактивних протеаз.
Залежність швидкості реакції від концентрації ферменту та субстрату
Концентрації ферменту та субстрату є величинами, що найбільш часто зміню-
ються в умовах будь-якої біохімічної ферментативної реакції.
Цілком зрозуміло, що швидкість ферментативної реакції буде прямо пропорційно
залежати від концентрації ферменту, а саме:
V = k · [E] ,
тобто збільшення в клітині рівня певного ферментного білка повинно супрово-
джуватися зростанням швидкості реакції, що каталізується цим ферментом.
S
P
E
E + SESE + P
k
+1
k
+2
k
-1
104
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Більш складною є залежність швидкості
ферментативної реакції від концентрації
субстрату. Графічно ця залежність зобра-
жується гіперболою, що подана на рис.7.5.
Як видно з ходу гіперболи, ця залежність
має складний характер: при низьких кон-
центраціях субстрату швидкість реакції
прямо пропорційна його концентрації (реак-
ція 1-го порядку), а при високих кон-
центраціях досягається ефект насичення,
тобто незалежність V від [S].
Рівняння залежності V від [S], або рівняння Міхаеліса-Ментен таке:
У випадку, коли V = 1/2 V
max
, маємо:
та після відповідних перетворень:
K
m
= [S].
Константа К
m
дорівнює концентрації субстрату, при якій швидкість
реакції становить половину від максимальної (рис.7.5).
Рівняння Міхаеліса-Ментен можна отримати на основі аналізу кінетики реакції взаємодії ферменту із
субстратом — за Брігсом та Холдейном.
Розглядаємо вихідне кінетичне рівняння.
Введемо такі позначення:
[Е] — загальна кількість ферменту (у вільній та зв’язаній формах);
[ЕS] — концентрація ферменту, що входить до складу фермент-субстратного комплексу;
([Е] – [ЕS]) — концентрація вільного, не зв’язаного з субстратом, ферменту.
Вважаємо також, що [S] » [Е].
Швидкість реакції утворення фермент-субстратного комплексу:
Швидкість реакції розщеплення фермент-субстратного комплексу:
V
max
· [S]
V =
K
m
+ [S]
, звідси:
K
m
+ [S]
V
max
· [S]
=
V
max
2
Рис. 7.5. Залежність швидкості реакції
від концентрації субстрату
(гіпербола Міхаеліса-Ментен).
V
V
max
1/2 V
max
K
m
[S]
K
m
+ [S]
V
max
· [S]
=
1
2
,
Е + S
ЕS Е + P (1)
k
+1
k
–1
k
+2
d [ЕS]
dt
= V
+1
= k
+1
([Е] – [ЕS]) · [S]
(2)
(3)
d [ЕS]
dt
= V
–1
+ V
+2
= k
–1
[ЕS] + k
+2
[ЕS]
105
Ãëàâà 7. Ôåðìåíòè. II. Ìåõàí³çìè êàòàë³çó
Після встановлення в системі стаціонарного стану:
V
+1
= V
–1
+ V
+2
Враховуючи (2) та (3), можна вважати, що:
k
+1
([Е] – [ЕS]) · [S] = k
–1
[ЕS] + k
+2
[ЕS] (4)
Розв’язуємо рівняння (4) через K
m
= k
–1
+ k
+2
/k
+1
:
З рівняння (5) знаходимо концентрацію [ЕS] в стаціонарному стані:
Загальну швидкість ферментативної реакції, тобто швидкість утворення продукту, можна подати як:
V = k
+2
[ЕS] (7)
В умовах, коли
[ЕS] = [Е] (8)
(тобто весь фермент входить до складу фермент-субстратного комплексу), швидкість реакції
V = V
max
,
тобто, враховуючи (7, 8):
V
max
= k
+2
[Е] (9)
Підставляючи значення [Е] та [ЕS] з (7) та (9) до рівняння (6), легко показати, що:
Обробка рівняння Міхаеліса-Ментен за методом подвійних зворотних величин
дає змогу представити залежність V від [S] прямою лінією — рівняння Лайнуівера-
Берка:
Перевагою цього рівняння є прямо пропорційна
залежність між 1/V та 1/[S] (рис.7.6), яка дозволяє
легко отримати значення кінетичних констант К
m
та
V
max
, що неможливо при аналізі звичайної гіперболи
Міхаеліса-Ментен.
Із рівняння Лайнуївера-Берка та графіка
(рис.7.6) очевидно, що кутовий коефіцієнт прямої
(тангенс кута нахилу) дорівнює К
m
/V
max
. Значення
цих констант легко знаходять на графіку.
(6)
[ЕS] =
[Е] · [S]
K
m
+ [S]
(5)
K
m
=
([Е] – [ЕS]) · [S]
[ЕS]
V
max
· [S]
V =
K
m
+ [S]
+
=
K
m
V
max
·
1
V
max
1
V
1
[S]
Рис. 7.6. Залежність 1/v від 1/[S] —
графік Лайнуівера-Берка.
1
V
1
V
max
1
[S]
1
K
m
106
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Залежність швидкості реакції від рН та температури
Вплив рН на активність ферментів
Кожен фермент має свій рН-оптимум,
тобто значення рН середовища, при якому його
каталітична активність максимальна. “Дзвоно-
подібна” залежність активностей ферментів від
змін рН визначається їх білковою природою,
зсувами в дисоціації іоногенних груп та (при
екcтремальних значеннях рН) розвитком кон-
формаційних змін молекул.
Більшість внутрішньоклітинних та тканин-
них ферментів організму людини найактивніші
в нейтральному, слаболужному або слабокис-
лому середовищі (звичайно, в межах рН між 5,0
та 9,0). Ферментами з оптимумами при екстре-
мальних значеннях рН є пепсин (рН
опт
= 1-2) і
аргіназа (рН
опт
= 10-11).
Вплив температури на активність ферментів
Ферменти, відповідно до своєї білкової природи, є термочутливими та термола-
більними утвореннями:
– зростання температури до оптимальних
значень (для більшості ферментів — у межах
37-40 °C) cупроводжується збільшенням швид-
кості ферментативної реакції відповідно за рів-
нянням Арреніуса (за рахунок частіших ефек-
тивних зіткнень між молекулами); cтупінь
збільшення швидкості реакції при зростанні t°
на 10 °C позначають, як температурний
коефіцієнт Q
10
;
– при збільшенні температури вище опти-
мального значення швидкість ферментативної
реакції різко зменшується за рахунок конфор-
маційних (денатураційних) змін у структурі
ферментного білка.
Інгібітори ферментів
Інгібітори — хімічні сполуки, що зменшують каталітичну активність фер-
ментів. На відміну від речовин, які інактивують ферменти за рахунок їх дена-
турації (концентровані кислоти та луги, солі важких металів у високих концент-
раціях), дія інгібіторів є специфічною стосовно певних ферментів або груп ферментів,
вони мають низьку концентрацію.
Залежно від характеру змін, що відбуваються в молекулі ферменту, розрізняють:
– зворотне інгібірування, що описується таким рівнянням взаємодії ферменту
з інгібітором I:
V
20·°
40·°
60·°
температура, t °С
Рис. 7.8. Вплив температури на швид-
кість ферментативної реакції.
Рис. 7.7. Типова рН-залежність швид-
кості ферментативної реакції.
V
6
8
10
pH
107
Ãëàâà 7. Ôåðìåíòè. II. Ìåõàí³çìè êàòàë³çó
E + I EI
– незворотне інгібірування:
E + I
EI.
Зворотне інгібірування ферментів, залежно від механізму взаємодії
ферменту з інгібітором, поділяється на конкурентне та неконкурентне.
Конкурентне інгібірування.
Конкурентне інгібірування 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 EI:
E + I
EI
Класичним прикладом конкурентного інгібітора є малонова кислота НООС–
СН
2
–СООН, яка протидіє зв’язуванню активним центром ферменту сукцинат-
дегідрогенази справжнього субстрату — янтарної кислоти (сукцинату)
НООС–СН
2
–СН
2
–СООН. Конкурентне інгібірування викликають різні антимета-
боліти, тобто сполуки, близькі за будовою
до справжніх клітинних метаболітів: анти-
вітаміни; речовини, близькі до амінокислот,
пуринових та піримідинових основ і нуклео-
тидів. У зв’язку з високою біологічною
активністю деякі антиметаболіти застосо-
вують як антибактеріальні засоби (суль-
фаніламіди, антибіотики), протипухлинні
препарати.
Конкурентне інгібірування ферменту
можна перебороти за рахунок підвищення
концентрації субстрату в інкубаційному
середовищі. Кінетичний аналіз за Лайнуі-
вером-Берком свідчить, що конкурентні
інгібітори збільшують константу Міхае-
ліса К
m
ферменту і не впливають на V
max
реакції (рис. 7.9).
Неконкурентне інгібірування.
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:
ES + I
IES
Приєднання неконкурентного інгібітора до ферменту зменшує його активність
(максимальну швидкість реакції (V
max
), але не впливає на спорідненість ферменту
із субстратом (К
m
) (рис.7.10).
1
V
1
V
max
1
K
m1
1
K
m2
1
[S]
1
2
Рис. 7.9. Конкурентне інгібірування фер-
менту: 1 — без інгібітора; 2 — в
присутності інгібітора.
108
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Неконкурентними інгібіторами є іони
важких металів (Cu
2+
, Hg
2+
, Ag
+
) та їх похід-
ні, що зворотно зв’язуються із SH-групами
цистеїну в молекулах ферментів:
Незворотне інгібірування фермен-
тів — процес, що відбувається внаслідок
руйнування або незворотної хімічної моди-
фікації однієї чи декількох функціональних
груп ферменту. Незворотні інгібітори мають
властивості клітинних отрут.
Прикладом такої модифікації молекули
ферменту є дія алкілуючих агентів (зокрема,
йодацетаміду), що незворотно реагують
із каталітично активними SH-групами:
Практично важливим прикладом незворотного інгібірування ферменту шля-
хом ковалентного зв’язування інгібітора з активним центром є вплив фосфорор-
ганічних сполук (ФОС) на активність ферменту ацетилхолінестерази (АХ-есте-
рази). 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:
7.3. РЕГУЛЯЦІЯ ФЕРМЕНТАТИВНИХ ПРОЦЕСІВ.
ЕНЗИМОПАТІЇ
Упорядкований перебіг біохімічних реакцій в організмі можливий лише за умов
присутності каталітично активних форм ферментів у потрібний час і в потрібному
місці (в тканині, клітині, субклітинному компартменті), що вимагає наявності чіткої
системи регуляції (контролю) діяльності ферментів. Крім того, будь-які зміни
оточуючого або внутрішнього середовища (характеру харчування, інтенсивності
впливу на організм біологічних, хімічних та фізичних факторів) потребують
спрямованих адаптаційних реакцій різних фізіологічних систем, що реалізується
через зміни швидкостей певних метаболічних процесів, які каталізуються
ферментами.
ECH
2
OH + F P O
O
O
CH
CH
3
CH
3
CH
CH
3
CH
3
ECH
2
OPO
O
O
CH
CH
3
CH
3
CH
CH
3
CH
3
+ HF
АХ-естераза
ФОС (діізопропілфторфосфат)
Рис. 7.10. Неконкурентне інгібірування
ферменту: 1 — без інгібітора;
2 — в присутності інгібітора.
1
2
V
1
V
max1
1
V
max2
1
[S]
1
K
m
1
E–SH + ICH
2
–CO–NH
2
E–S–CH
2
–CO–NH
2
+ HI
E–SH + Ag
+
E–S–Ag + H
+
109
Ãëàâà 7. Ôåðìåíòè. II. Ìåõàí³çìè êàòàë³çó
Існують два принципових шляхи регуляції інтенсивності, або швидкості біо-
хімічних 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, клю-
чових ланках метаболізму. Цей шлях забезпечує термінову адаптацію фермент-
ного апарату організму і реалізується протягом декількох секунд або хвилин —
механізм “швидкого реагування”.
Існують чотири основних механізми регуляції каталітичної активності фер-
ментів (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
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 збіль-
шують каталітичну активність ферменту (алостеричні активатори), так і нега-
тивними, тобто такими, що її гальмують (алостеричні інгібітори).
За своєю молекулярною будовою алостеричні регуляторні ферменти склада-
ються, як правило, з декількох поліпептидних ланцюгів, тобто мають четвертинну
структуру. Активний та регуляторний (алостеричний) центри локалізуються на
різних білкових субодиницях — каталітичній та регуляторній, відповідно.
Модифікація каталітичної
активності такого ферменту
здійснюється шляхом пере-
дачі на каталітичні субоди-
ниці конформаційних змін із
регуляторних субодиниць,
які відбуваються в останніх
після взаємодії з ліганда-
ми — ефекторами.
Згідно з моделлю
Ж.Моно, Дж.Уаймена,
Ж.-П.Шанжьо (J.Monod,
J.Wyman, J.-P.Changeux, 1965)
(рис. 7.11), існують два фізич-
них стани алостеричного
Рис.7.11. Перехід між каталітично активною (R) та не-
активною (Т) формами алостеричного ферменту
(модель Monod-Wyman-Changeux). C і R — каталі-
тична і регуляторна субодиниці, відповідно.
Інгібітор
R
R
R
T
C
C
Субстрат
Активатор
а
і
110
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
ферменту, що відрізняються своєю конформацією та каталітичною активністю:
каталітичний (релаксований) стан (R-стан — relaxed, англ.) та інгібірований
(напружений) стан (T-стан — tensed, англ.) (рис. 7.11).
Зворотний перехід між R- та T-станами залежить від взаємодії ферменту з
алостеричними ефекторами (активатором або інгібітором, відповідно), які,
взаємодіючи з місцями зв’язування на регуляторній субодиниці ферменту,
стабілізують його молекулу в одному з конформаційних станів.
Кінетика алостеричних ферментів
Кінетика алостеричних ферментів має ряд
відмінностей від кінетики звичайних фермен-
тів. Крива залежності швидкості реакції від
концентрації субстрату для цих ферментів має
не гіперболічну, а S-подібну (сигмоподібну) фор-
му, що визначається кооперативними ефекта-
ми взаємодії між окремими субодиницями
регуляторного ферменту під час зв’язування
молекул субстрату: при низьких концентраціях
субстрат практично не перетворюється, лише
після досягнення концентрацією певного поро-
гового значення, швидкість реакції починає
стрімко зростати (рис. 7.12).
Алостеричні ферменти каталізують біо-
хімічні реакції, що знаходяться, як правило, на
початку нерозгалужених або розгалужених
метаболічних шляхів. При цьому модуляторами цих ферментів можуть бути як їх
власні субстрати — гомотропні регуляторні ферменти, так і інші хімічні ефек-
тори, зокрема кінцеві продукти багатоступеневого біохімічного процесу — гетеро-
тропні регуляторні ферменти. В останньому випадку продукт (або продукти)
метаболічного шляху (звичайно анаболічного, біосинтетичного характеру) за меха-
нізмом негативного зворотного зв’язку гальмує активність першого ферменту послі-
довності — ретроінгібірування:
Класичним прикладом ферменту з алостеричним механізмом регуляції є
аспартаткарбамоїлтрансфераза (АКТ-аза) — перший фермент біосинтетич-
ного шляху утворення піримідинів, що синтезуються у вигляді таких нуклео-
зидтрифосфатів, як уридинтрифосфат (УТФ) та цитидинтрифосфат (ЦТФ):
S
P
1
P
2
P
n
E
1
E
2
E
3
E
n
. . .
–
Рис. 7.12. Вплив концентрації субстрату
на швидкість реакції для
звичайного (1 — гіперболічна
крива) та алостеричного (2 —
S-подібна крива) ферментів.
1
2
V
[S]
Карбамоїлфосфат
Аспартат
АКТ-аза
Карбамоїлфосфат УТФ
ЦТФ
. . .
111
Ãëàâà 7. Ôåðìåíòè. II. Ìåõàí³çìè êàòàë³çó
Враховуючи роль піримідинів як компонен-
тів нуклеотидів ДНК та РНК і деяких кофер-
ментів, регуляція каталітичної активності
АКТ-ази має надзвичайно велике біологічне
значення. У зв’язку з цим, існує чітка система
контролю за їх кількістю, яка реалізується шля-
хом впливу алостеричних ефекторів на актив-
ність першого ферменту цього біосинтетичного
шляху — АКТ-ази:
ЦТФ — кінцевий продукт біосинтезу — є
алостеричним інгібітором АКТ-ази, що пере-
водить фермент у неактивну Т-форму;
АТФ — продукт біосинтезу пуринів та показ-
ник високого енергетичного стану клітини — є
алостеричним активатором ферменту, що пере-
водить його в активну R-форму.
За своєю молекулярною будовою АКТ-аза
є типовим регуляторним ферментом, що скла-
дається із шести регуляторних та каталітичних
субодиниць (R
6
C
6
), які утворюють білок із
четвертинною структурою (рис.7.13).
Кінетика субстратної залежності швидкості
АКТ-азної реакції подана на рис.7.14. Дода-
вання алостеричного активатора (АТФ) зсуває
кінетичну криву вліво, інгібітора (ЦТФ) — вліво.
Ковалентна модифікація ферментів
Постсинтетична ковалентна модифікація ферментних білків є одним із поширених
механізмів контролю за перебігом метаболічних процесів. Шляхами такої модифікації
є зворотне фосфорилювання-дефосфорилювання (найбільш поширений механізм
регуляції), метилування, аденілування, АДФ-рибозилювання білків-ферментів.
Фосфорилюють білки спеціальні ферменти протеїнкінази (протеїнфосфокінази),
що за рахунок кінцевого (
γγ
γγ
γ-) фосфату АТФ здійснюють фосфорилювання серинового
чи треонінового (деякі протеїнкінази — тирозинового) радикалу відповідного білка:
EOH + АТФ EOФ + АДФ
Зворотна реакція — дефосфорилювання білків — каталізується протеїнфос-
фатазами:
EO
E OH + Ф
Н
Ф + H
2
O
Субстратами протеїнкіназ є численні ферментні білки (глікогенфосфорилаза,
кіназа фосфорилази b, глікогенсинтетаза, тригліцеридліпаза, піруватдегідро-
геназа, ацетил-КоА-карбоксилаза тощо), деякі білки мембранних каналів, гістони
хроматину тощо.
Рис. 7.13. Четвертинна структура ас-
партаткарбамоїлтрансфе-
рази — вигляд зверху. С —
каталітичні, R — регуля-
торні субодиниці.
R
C
Рис. 7.14. Кінетичні криві АКТ-ази в
присутності АТФ та ЦТФ.
АТФ
V
[S]
(–)
ЦТФ
112
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Фосфорилювання багатьох білків-ферментів трансформує їх у каталітично
активну форму (фосфорилювання глікогенфосфорилази, кінази фосфорилази b,
тригліцеридліпази тощо); фосфорилювання інших ферментних білків (гліко-
генсинтетази,
ββ
ββ
β-ГОМК-редуктази) є, навпаки, механізмом їх інактивації. Швид-
кість фосфорилювання-дефосфорилювання білків коливається, як правило, в межах
від декількох секунд до декількох хвилин, відповідно до необхідності включення
або виключення певної фізіологічної функції клітини.
У регуляції численних біохімічних функцій та фізіологічних процесів бере участь
унікальна протеїнкіназа, що активується циклічним аденозинмонофосфатом
(цАМФ) — вторинним посередником у дії на клітину багатьох фізіологічно актив-
них сполук (див. нижче).
Протеолітична активація ферментів
Активація ферментів шляхом обмеженого протеолізу їх молекул є механізмом
незворотної трансформації ферменту в каталітично активний стан. При дії цього
механізму від неактивної форми ферменту-попередника (проферменту, зимогену)
відщеплюється певний пептидний ланцюг; у пептиді, що залишається після об-
меженого протеолізу, відбуваються конформаційні зміни, які призводять до форму-
вання активного центру і створення каталітично активної форми білка-ферменту.
Цей регуляторний механізм функціонує при утворенні активних форм більшості
протеолітичних ферментів травного каналу — пепсину, трипсину, хімотрипсину,
а також активних протеаз, що є компонентами (факторами) згортальної і фібрино-
літичної систем крові людини.
Дія регуляторних білків
Активність деяких ферментів контролюється спеціальними регуляторними
білками, що можуть спричиняти активуючі або інгібіторні ефекти.
Прикладами таких білків-ефекторів є:
– кальмодулін (КМ) — Са-чутливий протеїн, який є хімічним сенсором, що
трансформує збільшення цитозольної концентрації Са
2+
в певні біохімічні та
фізіологічні реакції клітини; після зв’язування чотирьох іонів кальцію комплекс
КМ–4Са
2+
стає здатним до активації багатьох ферментних білків, зокрема фос-
фодіестерази циклічних нуклеотидів, кінази легких ланцюгів міозину тощо;
– протеїназні інгібітори, тобто ефектори, що обмежують (блокують) актив-
ність тканинних протеїназ — ферментів, які спроможні розщеплювати власні білки
організму; найбільш активними інгібіторами є
αα
αα
α
2
-макроглобулін та
αα
αα
α
1
-антитрип-
син (
αα
αα
α
1
-протеїназний інгібітор), які блокують активність серинових та інших
протеїназ за рахунок зв’язування з їх активними центрами;
– антигемофільний глобулін А (фактор VIII згортальної системи крові); цей
білок бере участь в активації фактора Х, що запускає весь коагуляційний каскад,
який призводить до формування кров’яного згустка; спадкова недостатність анти-
гемофільного глобуліну А проявляється схильністю до кровотеч — гемофілією.
Б. Другий шлях регуляції є механізмом довготривалої адаптації фермент-
ного апарату. Для його включення і повної реалізації необхідно декілька годин або
діб. У більшості випадків він полягає в змінах в інтенсивності біосинтезу певного
ферментного білка за рахунок впливу на систему ядерного генома або рибосо-
мального білкового синтезу (тобто процеси транскрипції та трансляції). У деяких
біохімічних системах кількість білка-ферменту в клітині збільшується шляхом
113
Ãëàâà 7. Ôåðìåíòè. II. Ìåõàí³çìè êàòàë³çó
стабілізації існуючих молекул за рахунок гальмування активності протеаз, що їх
розщеплюють.
Цей тип регуляції широко представлений у мікроорганізмів, які мають вражаючу
властивість пристосування до змін у хімічному складі культурального середовища
(концентрацій амінокислот, вуглеводів, присутності певних антибіотиків тощо)
шляхом швидкої активації або гальмування синтезу відповідних ферментів.
Розрізняють два класи ферментів мікроорганізмів:
– конститутивні ферменти — такі, що синтезуються бактеріальними кліти-
нами постійно, незалежно від змін в умовах існування;
– адаптивні ферменти — такі, інтенсивність біосинтезу яких змінюється
залежно від змін в умовах існування.
Адаптивні ферменти мікроорганізмів поділяються на індуцибельні та репреси-
бельні, тобто такі, активність синтезу яких, відповідно, підвищується або гальму-
ється залежно від дії певних сполук-ефекторів. Молекулярні механізми ферментної
індукції та репресії в кишкової палички E.Coli будуть розглянуті в главі 22.
Адаптивна індукція або репресія ферментів має місце і в клітинах еукаріотів.
Прикладами індукції ферментних систем в організмі людини можуть бути зміни в
концентрації білків-ферментів у печінці, що відбуваються залежно від кількості
поживних сполук в їжі (адаптація ферментів вуглеводного, амінокислотного та
ліпідного обмінів), надходження в організм чужорідних сполук — лікарських,
токсичних (індукція ферментів детоксикації — глюкуронування та мікросомаль-
ного окислення).
Циклічні нуклеотиди в регуляції ферментативних процесів
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 ефі-
ри аденілової (АМФ) та гуанілової
(ГМФ) кислот.
Найбільш поширеними є
цАМФ-залежні системи контролю
за внутрішньоклітинними біохі-
мічними процесами, зокрема за
такими, що підлягають нейрогуморальній регуляції з боку цілісного організму, яка
реалізується гормонами та нейромедіаторами (глава 23). Регуляція фермен-
тативних процесів за участю цАМФ включає декілька послідовних стадій
передавання та трансформації хімічного (регуляторного) сигналу.
1. Утворення циклічних нуклеотидів у реакціях, що каталізуються ферментами
циклазами: аденилатциклазою та гуанілатциклазою з нуклеозидтрифосфатів
АТФ та ГТФ, відповідно:
Розщеплення цАМФ та цГМФ до звичайних, нециклічних нуклеозидмонофосфатів
каталізується фосфодіестеразою циклічних нуклеотидів.
цАМФ цГМФ
CH
2
H
O
OH
O
O
PO
OH
N
N
N
N
NH
2
CH
2
H
O
OH
O
O
PO
OH
N
N
N
N
OH
H
2
N
АТФ
3',5'-ГМФ + ФФн
ГТФ
3',5'-АМФ + ФФн
114
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
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 фосфорилювання
інших ферментних білків. Ці цАМФ-залежні протеїнкінази є регуляторними
ферментами, що активуються цАМФ за механізмом алостеричного контролю.
цАМФ-залежна протеїнкіназа є тетрамером, що складається з двох каталітичних
та двох регуляторних субодиниць (C
2
R
2
), як і інші ферменти з алостеричним
механізмом регуляції. Взаємодія чотирьох молекул цАМФ із R-субодиницями
призводить до дисоціації протеїнкіназного комплексу з вивільненням С-субодиниць,
які спроможні до каталізу відповідної реакції (тобто фосфорилювання відповідних
клітинних білків):
Активована протеїнкіназа може фосфорилювати декілька сотень або тисяч білків-
субстратів, що призводить до значного посилення первинного хімічного регуляторного
сигналу — каскадна система регуляції. Більш детально молекулярні механізми
включення цАМФ-залежних каскадів біохімічних реакцій при дії гормонів на чутливі
клітини будуть розглянуті в главі 23.
Порушення ферментативних процесів
Результатом зменшення концентрації в біохімічній системі in vivo будь-якого
ферменту є порушення перебігу відповідної ферментативної реакції. Такі порушення
ферментативних процесів мають місце в організмі людини та є біохімічним базисом
розвитку численних патологічних процесів. У випадку, якщо зменшення кількості
ферменту на певному метаболічному шляху є результатом уродженої нездатності
клітини до його біосинтезу, внаслідок дії спадкових, генетичних факторів, виникають
уроджені вади метаболізму.
Поняття “уроджені вади метаболізму” було висунуто ще в 1908 р. лікарем
А.Garrod, який першим розпізнав спадкову природу таких порушень метаболізму в
людини, як алкаптонурія, цистинурія, альбінізм та пентозурія. Завдяки розвитку
біохімічної генетики встановлено, що молекулярною основою уроджених вад
метаболізму є дефекти ферментів (ензимопатії), що спричинені мутаціями
в складі генів, які відповідальні за синтез певних ферментних білків.
До ензимопатій належать:
– уроджені порушення метаболізму простих та складних вуглеводів;
– уроджені порушення метаболізму ліпідів;
– уроджені порушення метаболізму амінокислот;
– уроджені порушення метаболізму порфіринів;
– уроджені порушення метаболізму пуринів та піримідинів.
На даний час відомо близько 150 спадкових ензимопатій. Зрозуміло, що, якщо ген,
експресія якого відбувається шляхом синтезу білка-ферменту, є домінантним, певна
патологія метаболізму проявляється вже в гетерозиготному стані; у випадку дефекту
в структурі рецесивного гена гетерозиготні за даним геном особини здатні синтезувати
відповідний білок у зменшеній кількості, й ензимопатія у вигляді спадкової патології
часто проявляє себе лише за певних фізіологічних умов.
Біохімічні механізми виникнення окремих типів ензимопатій та їх клінічні прояви
будуть розглянуті у відповідних главах.
C
2
R
2
+ 4цАМФ 2C + R
2
-цАМФ
4
115Ãëàâà 8. Îáì³í ðå÷îâèí: êàòàáîë³çì, àíàáîë³çì
ГЛАВА 8. ОБМІН РЕЧОВИН: КАТАБОЛІЗМ, АНАБОЛІЗМ
Обмін речовин (метаболізм) — сукупність біохімічних реакцій перетворення
хімічних сполук (метаболітів), що відбуваються в живих організмах. Постійний
обмін речовинами та енергією з навколишнім середовищем є головною ознакою
живої клітини, що визначає її термодинамічно стаціонарний стан та протидіє
зростанню ентропії в будь-якій біологічній системі.
8.1. ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ОБМІНУ РЕЧОВИН
Обмін речовин в організмі людини та вищих тварин складається з декількох
послідовних стадій, що включають у себе:
– надходження біоорганічних речовин (поживних сполук) — білків, ліпідів, вуг-
леводів, вітамінів, мінеральних елементів, води — до організму в складі продуктів
харчування;
– перетворення поживних сполук (білків, полісахаридів, жирів) у травному каналі
до простих сполук (амінокислот, моносахаридів, жирних кислот, гліцерину), що
здатні всмоктуватися епітелієм слизової оболонки шлунка та кишечника;
– біотранспорт молекул — продуктів травлення поживних речовин кров’ю та
лімфою, надходження їх через мембрани судин та клітинні мембрани до певних
органів і тканин (печінки, м’язів, головного мозку, нирок, жирової тканини тощо);
– внутрішньоклітинний метаболізм біомолекул в органах і тканинах (проміж-
ний обмін, або власне метаболізм у вузькому значенні);
– виділення (екскреція) з організму — через нирки, легені, шкіру, кишечник —
кінцевих продуктів обміну речовин (діоксиду вуглецю, аміаку, сечовини, води,
продуктів кон’югації деяких органічних молекул та продуктів їх окислення).
Реакції внутрішньоклітинного метаболізму включають у себе такі біохі-
мічні перетворення:
а) розщеплення біоорганічних молекул (глюкози, жирних кислот, амінокислот,
гліцерину) до кінцевих продуктів проміжного обміну (діоксиду вуглецю, води,
аміаку) з вивільненням хімічної енергії та акумуляцією її у формі аденозинтри-
фосфорної кислоти (аденозинтрифосфату, АТФ), інших макроергічних фосфатів
або протонного потенціалу, що забезпечує енергетичні потреби основних процесів
життєдіяльності. Сукупність процесів розщеплення біомолекул з вивільненням
енергії отримала назву катаболізму;
б) синтез специфічних, генетично притаманних даному організмові біомолекул
(білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів, біорегуляторів тощо), що необхідні
для утворення власних клітинних та позаклітинних біоструктур. Ці процеси отри-
мали назву анаболізму та потребують використання енергії у формі АТФ.
в) використання енергії (у формі АТФ або протонного потенціалу) для забезпе-
чення таких процесів клітинної фізіології, як функціонування скоротливих структур
(м’язове скорочення, діяльність елементів цитоскелета, війок і джгутиків тощо),
екзо- та ендоцитоз, генерація мембранного потенціалу, активний транспорт мета-
болітів та неорганічних іонів.
116
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Процеси перетворення одних метаболітів (біомолекул) на інші, що каталізу-
ються ферментами, складають метаболічні шляхи.
Послідовності реакцій, з яких складаються метаболічні шляхи, можуть бути лінійними,
розгалуженими та циклічними:
Метаболічні шляхи поділяються на:
– катаболічні шляхи, які становлять в сукупності катаболізм — реакції розщеп-
лення (гідролізу, окислення тощо) біоорганічних речовин, що надходять із зовнішнього
середовища у складі продуктів харчування (вуглеводів, ліпідів, білків тощо) та біомолекул,
які складають структуру клітин та тканин організму;
– анаболічні шляхи, які становлять анаболізм — реакції синтезу складних
біоорганічних сполук, що складають різні структурні утворення організму (зокрема,
біополімерів — білків, нуклеїнових кислот,полісахаридів) та забезпечують його
функціонування (ліпідів, моносахаридів, амінокислот, нуклеотидів, вітамінів,
коферментів, гормонів тощо).
– амфіболічні шляхи, які містяться на “перехрестях” катаболізму та анаболізму;
метаболіти, що складають амфіболічні шляхи, можуть перетворюватися як в катабо-
лічних, так і в анаболічних процесах; прикладом може бути цикл трикарбонових кислот.
Обмін речовин в організмі безпосередньо пов’язаний з обміном енергії. Серед
реакцій метаболізму розрізняють екзергонічні та ендергонічні реакції.
Екзергонічні реакції (процеси) — такі, що супроводжуються вивільненням
хімічної енергії, необхідної для функціонування живих організмів.
Найбільш важливими екзергонічними процесами в живих системах є окислю-
вальні реакції, що каталізуються окислювально-відновлювальними ферментами
мембран мітохондрій. Енергія, яка вивільняється в окислювальних реакціях,
здебільшого акумулюється у формі макроергічних сполук.
Ендергонічні реакції (процеси) — такі, що потребують для своєї течії витрат
енергії; це ферментативні реакції синтезу та відновлення:
– реакції синтезу призводять до утворення нових хімічних зв’язків, ускладнення
структури біомолекул (простих сполук та біополімерів); за джерело енергії в більшості
реакцій синтезу правлять макроергічні зв’язки АТФ;
Циклічний метаболічний шлях
E
F
DC
B
A
E
1
E
4
E
2
E
3
Розгалужена послідовність біохімічних реакцій
АВ
D
С
Е
E
1
E
2
E
5
E
6
K
L
E
3
E
4
Лінійна послідовність біохімічних реакцій
АВ DС Е
E
1
E
2
E
3
E
4
117Ãëàâà 8. Îáì³í ðå÷îâèí: êàòàáîë³çì, àíàáîë³çì
– реакції відновлення — приєднання до біоорганічних сполук (здебільшого,
ненасичених зв’язків) атомів водню; в реакціях відновлення як донори використо-
вуються молекули відновленого нікотинамідаденіндинуклеотидфосфату (НАДФН).
Спряження ендергонічних процесів з екзергонічними здійснюється за ра-
хунок синтезу протягом екзергонічної реакції сполук з високим енергетич-
ним потенціалом, які в подальшому використовуються в ендергонічних
реакціях, що забезпечує передачу хімічної енергії від екзергонічного до ендер-
гонічного процесу.
Сполуки з високим енергетичним потенціалом — це біомолекули (органічні
фосфати), що мають високу стандартну вільну енергію переносу кінцевої фосфатної
групи (зокрема, гідролізу)
∆∆
∆∆
∆G
o
(або
∆∆
∆∆
∆G
o’
при pH = 7,0). Такі біомолекули та відповідні
хімічні зв’язки мають назву макроергічних. Присутність у цих сполуках високо-
енергетичного (макроергічного) фосфатного зв’язку позначається символом ~
(знак “тильда”), тобто ~ Ф, або
~
P (англ.).
Головною макроергічною сполукою в живих організмах є молекула АТФ. У
структурі молекули АТФ є два макроергічні зв’язки, молекули АДФ — один
макроергічний зв’язок:
До макроергічних сполук належать також такі інтермедіати
вуглеводного, ліпідного і амінокислотного метаболізму, як фосфо-
енолпіруват, 1,3-дифосфогліцерат та важливий енергетичний резерв
м’язів — креатинфосфат.
Вивільнення хімічної енергії відбувається за умов гідролізу АТФ та
АДФ або переносу макроергічних фосфатних груп на інші акцептори:
Зворотне перетворення АДФ в АТФ за участю неорганічного фосфату (Ф
Н
), тобто
фосфорилювання АДФ до АТФ вимагає відповідних витрат хімічної енергії:
N
N
N
N
NH
2
H
CH
2
H
OH
OH
O
OP
O
O~P
OH
O
OH
O~P
O
OH
OH
Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ)
NH ~ P
C
OH
O
OH
N
CH
2
COOH
NH
CH
3
креатинфосфат
АТФ + Н
2
О АДФ + Ф
Н
∆G
0’
= – 7,3 ккал/моль (– 30,5 кдж/моль)
АДФ + Н
2
О
АМФ + Ф
Н
∆G
0’
= – 6,6 ккал/моль (– 27,6 кдж/моль)
АДФ + Ф
Н
АТФ
∆G
0’
= + 7,3 ккал/моль (+ 30,5 кдж/моль)
118
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Відповідно до цих енергетичних законо-
мірностей, циклічні перетворення АТФ в АДФ
зв’язують процеси, що генерують ~ Ф, з про-
цесами, що споживають ~
Ф. Таким чином, у
всіх біологічних системах АТФ є основною
сполукою, яка передає енергію від екзергонічних
до ендергонічних процесів (біохімічних реакцій
та фізіологічних функцій).
Схема спряження екзергонічних (А—В) з
ендергонічними (С—D) реакціями через сис-
тему АТФ — АДФ подана на рис. 8.1.
Типи обміну речовин
Протягом біологічної еволюції на Землі виникли два типи обміну речовин —
аутотрофний та гетеротрофний, що розрізняються залежно від того, у якій
формі організми отримують з навколишнього середовища необхідні для їх жит-
тєдіяльності і побудови біоструктур вуглець та енергію.
Аутотрофні клітини (організми) можуть використовувати як єдине джерело
вуглецю СО
2
атмосфери, з якого вони здатні утворювати всі свої вуглецьвмісні
компоненти. До аутотрофних належать фотосинтезуючі клітини вищих зелених
рослин та клітини деяких прокаріотів — синьо-зелених водоростей, зелених та
пурпурових бактерій. Енергію для своїх ендергонічних реакцій аутотрофи
отримують за рахунок енергії сонячного світла, яка уловлюється та трансформу-
ється в хімічну енергію спеціальними світлочутливими білками, зокрема
хлорофілами хлоропластів зелених рослин.
Сумарне рівняння фотосинтезу:
Гетеротрофні клітини (організми) отримують вуглець, необхідний для по-
будови власних молекул і біоструктур, у вигляді складних біоорганічних сполук
(вуглеводів, ліпідів, білків тощо), що містяться в продуктах харчування. За джерело
енергії для процесів життєдіяльності у гетеротрофів правлять реакції біологічного
окислення метаболітів, які утворюються при катаболізмі моносахаридів, ліпідів
та деяких амінокислот.
До гетеротрофних належать еукаріотичні клітини тваринних організмів, у яких
основні екзергонічні процеси, що супроводжуються вивільненням хімічної енергії,
відбуваються в мітохондріях.
8.2. МЕТОДИ ВИВЧЕННЯ ОБМІНУ РЕЧОВИН
Для вивчення обміну речовин використовують різноманітні хімічні, фізико-
хімічні та фізичні методи, що дозволяють ідентифікувати певні метаболіти,
оцінювати їх перетворення, біологічне значення для здійснення окремих фізіо-
логічних функцій усього організму, спеціалізованих тканин (м’язової, нервової,
сполучної тощо), окремих клітин та субклітинних структур.
АТФ
АДФ
A
B
C
D
Рис. 8.1. Роль системи АТФ —АДФ у
спряженні екзергонічних та
ендергонічних процесів.
С
6
Н
12
О
6
+ 6 О
2
6 СО
2
+ 6 Н
2
О
119Ãëàâà 8. Îáì³í ðå÷îâèí: êàòàáîë³çì, àíàáîë³çì
Сучасними методами розподілу, очищення складних біологічних сумішей та
виділення з них окремих сполук є хроматографія — іонообмінна, абсорбційна,
розподільна, гель-хроматографія, афінна (біоспецифічна) — та електрофорез. Із
метою вивчення структури біомолекул застосовують інфрачервону та ультрафіо-
летову спектроскопію, спектроскопію електронного парамагнітного та ядерного
магнітного резонансів, флуоресцентний та рентгеноструктурний аналіз.
Окремі метаболічні шляхи містяться у визначених внутрішньоклітинних ділян-
ках — компартментах, що відокремлені біологічними мембранами, зокрема:
– в ядрах — реакції біосинтезу (реплікації) ДНК, синтезу інформаційних та
інших класів РНК (транскрипції);
– в мітохондріях — реакції циклу трикарбонових кислот,
ββ
ββ
β-окислення жирних
кислот, електронного транспорту та окисного фосфорилювання;
– в цитоплазмі (цитозолі) — реакції гліколізу, глюконеогенезу, синтезу жирних
кислот, обміну амінокислот тощо;
– в рибосомах — реакції білкового синтезу (утворення поліпептидних ланцюгів);
– у мембранах ендоплазматичного ретикулуму — цитохром Р-45О-залежні
процеси окисного гідроксилювання гідрофобних субстратів ендогенного та екзо-
генного походження (реакції “мікросомального окислення”);
– у лізосомах — реакції гідролітичного розщеплення біополімерів — білків та
нуклеїнових кислот (як власних біомолекул, так і чужорідних сполук, що поглина-
ються певними клітинами за рахунок ендоцитозу).
Для вивчення біохімічних реакцій та окремих метаболітів, які локалізовані в
певних клітинних компартментах, використовують метод диференційного центри-
фугування. Сутність методу полягає в послідовному центрифугуванні з різними
швидкостями гомогенатів біологічних тканин (печінки, м’язів, мозку тощо), що
містять у собі суспендовані субклітинні структури (ядра, мітохондрії, лізосоми,
різні мембранні везикули, рибосоми). Для отримання гомогенату тканину
дезінтегрують у спеціальному гомогенізаторі, суспендуючи її в біологічно інертному
розчині (О,25 М розчин сахарози, сольові розчини). Залежно від розмірів та маси,
означені органели осідають (седиментують) з різною швидкістю, тому, застосо-
вуючи різну швидкість обертання ротору ультрацентрифуги (та, відповідно, збіль-
шуючи фактор седиментації, що кількісно визначається в одиницях прискорення
земного тяжіння — g) досягають фракціонування тканинного гомогенату на окремі
субклітинні структури — табл. 8.1.
Таблиця 8.1. Субклітинні структури, що виділяються за умов фракціонування тканинних
гомогенатів методом диференційного центрифугування
Фактор
седиментації
Фракція Склад фракції, маркерні ферменти
600 g Ядерна Клітинні ядра; ДНК- та РНК-полімерази
10 000 g Мітохондріальна Мітохондрії; ферменти циклу трикарбонових кислот,
біологічного окислення та окисного фосфорилювання
12-16 000 g Лізосомальна Лізосоми; кислі гідролази
100 000 g Мікросомальна Везикули ендоплазматичного ретикулума, рибосоми;
ферменти окисного гідроксилювання, біосинтезу білка
Супернатант Надосадова фракція Розчинні ферменти цитозолю
120
Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
8.3. СТАДІЇ КАТАБОЛІЗМУ БІОМОЛЕКУЛ
У ферментативному розщепленні складних біоорганічних сполук в організмі
виділяють три основних стадії (етапи), що є загальними для катаболізму різних
біомолекул.
Стадія 1. На першій стадії катаболізму складні молекули (макромолекули
вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот та молекули ліпідів) розщеплюються до
простих компонентів:
– полісахариди — до моносахаридів (переважно — глюкози, фруктози, галак-
този);
– ліпіди (триацилгліцероли) — до жирних кислот та гліцеролу;
– білки — до амінокислот;
– нуклеїнові кислоти — до нуклеотидів.
Реакції першої стадії катаболізму є гідролітичними за своїм механізмом і
каталізуються гідролазами травного тракту (шлунка, кишечника). Ці реакції не
супроводжуються суттєвим вивільненням хімічної енергії.
Стадія 2. На другій стадії катаболізму декілька десятків метаболітів, що
утворились на першій стадії, підлягають ферментативним реакціям розщеплення
з вивільненням певної кількості хімічної енергії, яка акумулюється у високо-
енергетичних (макроергічних) зв’язках АТФ.
Реакції другої стадії катаболізму відбуваються внутрішньоклітинно (в цито-
плазмі та частково в мітохондріях). Основними з цих реакцій є:
для моносахаридів — гліколіз, кінцевим метаболітом якого є піровиноградна
кислота (піруват), що в подальшому окислюється до активної форми оцтової
кислоти — ацетил-коензиму А (ацетил-КоА);
для жирних кислот —
ββ
ββ
β-окислення, кінцевим продуктом якого є ацетил-КоА;
для гліцеролу — розщеплення до пірувату, який перетворюється в ацетил-КоА;
для амінокислот та нуклеотидів — дезамінування з виділенням аміаку та
розщепленням безазотистих молекулярних скелетів до дво- і тривуглецевих кар-
бонових кислот та їх похідних; більшість із цих метаболітів у кінцевому підсумку
також утворюють ацетильний радикал у формі ацетил-КоА.
Таким чином, ацетил-КоА — це загальний кінцевий продукт другої стадії
внутрішньоклітинного катаболізму вуглеводів, ліпідів та амінокислот.
Стадія 3. На третій стадії катаболізму відбувається окислення ацетил-КоА
до кінцевих метаболітів — двоокису вуглецю та води. Ця стадія має місце в
мітохондріях і складається з двох процесів:
– циклу трикарбонових кислот (ЦТК, циклу Кребса), в результаті функ-
ціонування якого утворюється СО
2
, а атоми водню використовуються для віднов-
лення коферментів нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД
+
) та флавінаденінди-
нуклеотиду (ФАД);
– системи електронного транспорту в мембранах мітохондрій, в якій
атоми водню (протони та електрони) переносяться на кисень з утворенням Н
2
О;
121Ãëàâà 8. Îáì³í ðå÷îâèí: êàòàáîë³çì, àíàáîë³çì
ця система спряжена з окисним фосфорилюванням, в результаті якого енергія
реакцій біологічного окислення використовується для синтезу молекул АТФ —
головного безпосереднього постачальника енергії у всіх біологічних ендергонічних
процесах.
Метаболічна карта загальних шляхів та стадій катаболізму подана на рис. 8.2:
Ацетил-КоА (С
2
)
ЦТК
2H
+
2H
+
2H
+
2H
+
CO
2
CO
2
CO
2
ПВК
NH
3
Амінокислоти
Моносахариди
Гліцерин
Жирні кислоти
Білки
Вуглеводи
(полісахариди)
Жири
(тригліцериди)
Дихальний ланцюг мітохондрій
H
2
O
O
2
АТФ
АДФ
Рис. 8.2. Схема загальних шляхів катаболізму біомолекул.
122 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
ГЛАВА 9. БІОЕНЕРГЕТИЧНІ ПРОЦЕСИ: ТРАНСПОРТ
ЕЛЕКТРОНІВ; OКИСНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ В
МІТОХОНДРІЯХ
Біоенергетичні процеси — біологічне окислення та спряжене з ним окисне
фосфорилювання — є кінцевою фазою катаболізму молекул у живих організмах,
що реалізується складними мультиензимними комплексами внутрішніх мембран
мітохондрій. Результатом цих структурованих у біомембранах реакцій є генерація
макроергічних зв’язків у молекулі АТФ — основному постачальнику енергії для
всіх ендергонічних процесів клітин.
9.1. РЕАКЦІЇ БІОЛОГІЧНОГО ОКИСЛЕННЯ
Внутрішньомолекулярне окислення біологічних субстратів (біологічне окис-
лення) є основним молекулярним механізмом, за рахунок якого забезпечуються
енергетичні потреби функціонування живих організмів.
Окислення — це процес втрати атомом, молекулою, що окислюється (суб-
стратом окислення), електронів або атомів водню (протонів та електронів).
Відновлення — реакція, зворотна окисленню, супроводжується приєднанням
органічним субстратом електронів або атомів водню (гідруванням субстрату).
Прикладом окислювально-відновлювальної реакції, поширеної в біологічних
системах, є перетворення ферро-іону в ферри-іон:
В окислювально-відновлювальному процесі завжди беруть участь два типи
речовин: окисник (сполука, що приймає електрони) та відновник (сполука, що
віддає електрони окиснику).
Електрони та атоми водню, що беруть участь в окислювально-відновлювальних
реакціях, мають назву відновлювальних еквівалентів.
Окислювально-відновлювальна реакція може полягати в міжатомному або
міжмолекулярному передаванні відновлювальних еквівалентів від донора
електронів (сполуки, що окислюється) акцептору електронів (сполуці, що віднов-
люється) без безпосереднього приєднання акцептора до донора. Існують також
реакції, в ході яких утворюється новий хімічний зв’язок між атомом вуглецю
біомолекули, що окислюється, та гетероатомом, який є більш електронегативним
і виступає окисником (зокрема, атомом кисню).
Окисник та відновник складають окислювально-відновлювальну пару (сис-
тему) (редокс-систему). Здатність окислювально-відновлювальної системи
віддавати або приймати електрони характеризується її окислювально-віднов-
лювальним потенціалом, значення якого обчислюється за рівнянням Нернста:
Fe
2+
Fe
3+
– e
–
(електрон)
ln
RT
nF
E = E
0
+
[OX]
[RED]
,
123
Ãëàâà 9. Á³îåíåðãåòè÷í³ ïðîöåñè
де: R — газова стала, T — абсолютна температура, n — кількість електронів,
що беруть участь у реакції, F — число Фарадея, [OX] та [RED] — концентрації,
відповідно, окисленої та відновленої форми сполуки, E
0
— стандартний окис-
лювально-відновлювальний потенціал системи (тобто окислювально-віднов-
лювальний потенціал за умов рівностей концентрацій окисленої та відновленої форм
редокс-пари).
Величина E
0
кількісно визначає здатність системи бути донором або акцептором
електронів відносно іншої редокс-системи. Згідно з рекомендаціями Міжнародного
союзу з теоретичної та прикладної хімії (International Union of Pure and Applied
Chemie — IUPAC), прийнято вважати, що більш негативні редокс-потенціали
мають системи з підвищеною здатністю віддавати електрони, а більш
позитивні — системи, що схильні акцептувати електрони.
Стандартні окислювально-відновлювальні потенціали (у вольтах) вимірюють
відносно потенціалу водневого електрода H
+
/H
2
, приймаючи останній за 0,0 в при
pH=0. Однак для біологічних систем більш зручно визначати редокс потенціали
за умов pH=7,0 — такий стандартний окислювально-відновлювальний потенціал
позначається E
0
′. За цих умов E
0
′ водневого електрода дорівнює — 0,42 в. Значення
E
0
′ біологічно важливих редокс-систем наведені нижче (п. 9.3).
Тканинне дихання
Реакції біологічного окислення складають молекулярну основу тканинного дихан-
ня — поглинання О
2
живими тканинами, яке є інтегральним фізіологічним показником
інтенсивності перебігу в них окислювально-відновлювальних процесів. Джерелом
кисню для цього процесу є О
2
, який надходить в тканини
за умов нормальної діяльності системи зовнішнього дихан-
ня та кисеньтранспортувальної функції гемоглобіну крові,
і через плазматичні мембрани дифундує всередину клітин.
У результаті тканинного дихання, яке відбувається
в мітохондріях, атоми кисню включаються в молеку-
лу води, а вуглець біоорганічних сполук, що окислю-
ються, виділяється у формі двоокису вуглецю. Саме
мітохондріальне дихання є біохімічною основою утво-
рення та акумуляції вільної хімічної енергіі, яка викори-
стовується у ендергонічних процесах.
У гепатоцитах печінки та клітинах деяких інших спе-
ціалізованих тканин деяка частина кисню, який поглина-
ється клітиною під час тканинного дихання, використо-
вується в біологічному окисленні екзогенних та ендо-
генних субстратів у мембранах ендоплазматичного
ретикулума — процесі мікросомального окислення,
що є механізмом модифікації гідрофобних молекул в
організмі. Його частка в сумарному балансі поглинання
клітиною кисню складає в гепатоцитах до 20 %.
Рис. 9.1. Варбург (Warburg) Отто,
німецький біохімік
(1883-1970). Зробив
значний внесок у з’ясу-
вання біохімічних меха-
нізмів тканинного ди-
хання, будови та функ-
ції дихальних ферментів,
коферментів НАД і
ФАД. Нобелівська пре-
мія (1931).
124 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Типи реакцій біологічного окислення
Усі окислювально-відновлювальні реакції, що відбуваються в живих клітинах,
каталізуються ферментами з класу оксидоредуктаз.
У процесах біологічного окислення, що мають місце в живих системах, ви-
діляють такі класи реакцій:
1. Реакції, пов’язані з передаванням субстратом, що окислюється (SН
2
),
певному акцептору (A), водню (тобто протонів і електронів):
Реакції такого типу називаються реакціями дегідрування, а ферменти, що їх
каталізують — дегідрогеназами.
Коферментами дегідрогеназ, що виконують функції безпосередніх акцепторів
відновлювальних еквівалентів, є такі сполуки:
– нікотинамідні (піридинові) коферменти — нуклеотиди НАД
+
(нікотинамід-
аденіндинуклеотид) та НАДФ
+
(нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат);
– флавінові коферменти — нуклеотиди ФАД (флавінаденіндинуклеотид) та
ФМН (флавінмононуклеотид).
Ці коферменти передають електрони на подальші біохімічні акцептори, утво-
рюючи ланцюги передавання відновлювальних еквівалентів у біологічних системах.
Залежно від хімічної природи акцептора, з яким взаємодіють дегідрогенази,
реакції дегідрування поділяють на такі класи:
1.1. Реакції дегідрування, в яких акцептором є хімічна сполука (R), відмінна
від кисню:
Ферменти, що каталізують такі реакції, — анаеробні дегідрогенази.
1.2. Реакції дегідрування, в яких як акцептор використовується кисень:
Ферменти, що каталізують ці реакції, — аеробні дегідрогенази, або оксидази;
в результаті їх дії утворюється перекис водню.
2. Реакції, що відбуваються з передаванням від субстрату до акцептора
електронів (одного або двох):
Реакції такого типу каталізуються цитохромами дихального ланцюга
мітохондрій.
3. Реакції, що полягають у безпосередньому приєднанні до субстрату, який
окислюється, одного або двох атомів кисню.
Такі реакції дістали назву оксигеназних, а відповідні ферменти, що їх ката-
лізують, — оксигеназ. Залежно від кількості атомів кисню, що взаємодіють із
субстратом, оксигеназні реакції поділяють на:
– монооксигеназні:
SH + 1/2 O
2
S–OH
Se
–
+ A S + Ae
–
SH
2
+ O
2
S + H
2
O
2
SH
2
+ R S + RH
2
SH
2
+ A S + AH
2
125
Ãëàâà 9. Á³îåíåðãåòè÷í³ ïðîöåñè
– діоксигеназні:
Монооксигеназні реакції каталізуються цитохромом Р-450 і лежать в основі
окислювального гідроксилювання багатьох гідрофобних субстратів екзогенного
та ендогенного походження (мікросомальне окислення). До діоксигеназних
належать реакції перекисного окислення ліпідів, тобто ненасичених жирних
кислот, що входять до складу ліпідів природного походження.
9.2. ФЕРМЕНТИ БІОЛОГІЧНОГО ОКИСЛЕННЯ
1. Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів (НАД(Ф)-
залежні дегідрогенази).
Коферментами цих дегідрогеназ є нуклеотиди НАД
+
або НАДФ
+
, у структурі
молекул яких міститься похідне піридину — нікотинамід (глава 6).
Зв’язок між НАД
+
(або НАДФ
+
) та білковою частиною ферменту (апофер-
ментом) у складі піридинзалежних дегідрогеназ нестійкий: він утворюється та
руйнується в процесі каталітичного циклу, що дозволяє вважати нікотинамідні
нуклеотиди скоріше субстратами, ніж простетичними групами.
Реакції, що каталізуються НАД(Ф)-залежними дегідрогеназами, можуть бути
зображені в загальному вигляді такими рівняннями:
Активною структурою в молекулі НАД
+
або НАДФ
+
, що акцептує віднов-
лювальні еквіваленти від субстрату, є піридинове кільце никотинаміду. У ході
ферментативної реакції субстрат відщеплює два 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:
Як свідчить наведене рівняння, під час реакції до четвертого вуглецевого атома
нікотинаміду приєднується атом водню (тобто Н
+
+ е
–
), а додатковий електрон
гідрид-іону взаємодіє з азотом піридинового кільця. В подальшому викладенні
тексту відновлені форми нікотинамідних коферментів (системи НАД(Ф)Н + Н
+
)
для спрощення будуть в деяких випадках позначатися як НАД(Ф)Н.
Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів, дуже поширені в живих
клітинах. Вони виконують функції анаеробних дегідрогеназ, що відщеплюють
протони та електрони від багатьох субстратів, відновлюючи НАД
+
або НАДФ
+
,
передаючи в подальшому відновлювальні еквіваленти на інші акцептори.
HC
HC
N+
CH
C
C
C
O
NH
2
R
H
RH
2
+
HC
HC
N
CH
C
C
C
O
NH
2
R
H
R +
H
+ H
+
S + O
2
SO
2
S + НАДН + Н
+
SH
2
+ НАД
+
S + НАДФН + Н
+
SH
2
+ НАДФ
+
126 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
НАД-залежні дегідрогенази — ці ферменти каталізують окислювально-
відновлювальні реакції, що містяться на окислювальних шляхах метаболізму —
гліколізу, циклу лимонної кислоти,
ββ
ββ
β-окислення жирних кислот, окисного
дезамінування амінокислот, дихального ланцюга мітохондрій.
НАДФ-залежні дегідрогенази — ці ферменти беруть участь у процесах від-
новлювального синтезу, що відбуваються в цитозолі, зокрема постачають атоми
водню при синтезі жирних кислот та стероїдів. Головним джерелом відновленого
НАДФ є дегідрогеназні реакції пентозофосфатного шляху окислення глюкози.
2. Флавінзалежні дегідрогенази.
Дегідрогенази цього типу за хімічною природою є флавопротеїнами, просте-
тичними групами, в яких є флавінаденіндинуклеотид (ФАД) та флавінмоно-
нуклеотид (ФАД) (будову див. главу 6).
На відміну від піридинзалежних дегідрогеназ, у більшості флавінзалежних
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 флавінзалежних дегідро-
геназ:
Активною частиною молекули ФАД або ФМН, що бере участь в окислю-
вально-відновлювальній реакції, є ізоалоксазинове кільце рибофлавіну, яке
акцептує два атоми водню (2Н
+
+ 2е
–
) від субстрату:
У процесах біологічного окислення певні флавопротеїнові ферменти відігра-
ють роль як анаеробних, так і аеробних дегідрогеназ.
Флавопротеїни — анаеробні дегідрогенази:
– НАДН-дегідрогеназа — ФМН-залежний компонент внутрішньої мембрани
мітохондрій; виконує функцію колектора електронів, що забирає їх від НАДН і
передає на більш електропозитивні компоненти дихального ланцюга мітохондрій;
– сукцинатдегідрогеназа — ФАД-залежний фермент циклу трикарбонових
кислот, що окислює янтарну кислоту;
– дигідроліпоїлдегідрогеназа — ФАД-залежний фермент, що бере участь в
окислювальному декарбоксилюванні піровиноградної кислоти;
– ацил-КоА-дегідрогеназа — ФАД-залежний фермент системи
ββ
ββ
β-окислення
жирних кислот;
HN
N
N
N
O
CH
3
CH
3
O
R
HN
N
N
N
O
CH
3
CH
3
O
R
RH
2
+
R +
H
H
SH
2
+ ФМН
S + ФМН–Н
2
SH
2
+ ФАД
S + ФАДН
2
127
Ãëàâà 9. Á³îåíåðãåòè÷í³ ïðîöåñè
– гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназа — ФАД-залежний фермент, що окислює
гліцерол-3-фосфат у мітохондріях.
Флавопротеїни — аеробні дегідрогенази:
– дегідрогеназа (оксидаза) L-амінокислот — ФМН-залежний фермент нирок,
специфічний до природних L-амінокислот;
– ксантиноксидаза (ксантиндегідрогеназа) — ФАД-залежний фермент, який
окислює пурини до сечової кислоти;
– глюкозоксидаза — ФАД-залежний рослинний фермент, що використовується
для кількісного визначення глюкози в біологічних рідинах.
3. Цитохроми.
Цитохроми — залізовмісні білки мітохондрій, що належать до класу гемо-
протеїнів. У цитохромах іон заліза входить до складу металопорфіринового
комплексу (гемінове залізо), близького за хімічною структурою до простетичних
груп гемоглобіну та міоглобіну.
За рахунок оберненої зміни валентності гемінового заліза цитохроми виконують
функцію транспорту електронів у ланцюгах біологічного окислення в аеробних
клітинах:
Залежно від характерних особливостей спектрів поглинання, розрізняють три
класи цитохромів (a, b, c). У мітохондріях еукаріотів наявні п’ять різновидів
цитохромів — b, c, c
1
, a, a
3
; в ендоплазматичному ретикулумі гепатоцитів
містяться цитохроми Р-450 та b
5
, що беруть участь у реакціях окислювального
гідроксилювання.
9.3. МОЛЕКУЛЯРНА ОРГАНІЗАЦІЯ ЛАНЦЮГА
БІОЛОГІЧНОГО ОКИСЛЕННЯ В МІТОХОНДРІЯХ
Система біологічного окислення, що локалізована в мембранах мітохондрій ,
здійснює дегідрування органічних субстратів та послідовний перенос відновлю-
вальних еквівалентів на кисень через ряд проміжних переносників — транспор-
терів електронів та протонів. Ця система організована у вигляді ланцюга
електронного транспорту, або дихального ланцюга мітохондрій.
Дихальний ланцюг мітохондрій — сукупність молекулярних компонентів
(ферментів та коферментів), які вбудовані в ліпідний матрикс внутрішніх міто-
хондріальних мембран і здійснюють окислення біологічних субстратів та послі-
довне, ступеневе транспортування відновлювальних еквівалентів на кисень з
утворенням молекули води.
Компоненти дихального ланцюга мітохондрій:
НАДН-дегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює від-
новлений НАД
+
(НАДН); входить до складу молекулярного комплексу внутрішніх
мітохондріальних мембран НАДН-коензим Q-редуктази.
Цитохром (Fe
3+
) + e
–
Цитохром (Fe
2+
)
128 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Сукцинатдегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює
янтарну кислоту; входить до складу молекулярного комплексу сукцинат-коензим
Q-редуктази.
Коензим Q (убіхінон) — ліпідорозчинний хінон з ізопреноїдним бічним
ланцюгом, що містить у тканинах ссавців десять п’ятивуглецевих ізопреноїдних
залишків (Q
10
). Убіхінон виконує функцію колектора відновлювальних еквівалентів,
акцептуючи протони та електрони не тільки від ФМН-залежної НАДН-дегід-
рогенази, а й від ФАД-залежних дегідрогеназ мітохондрій (сукцинатдегідрогенази
та дегідрогеназ системи
ββ
ββ
β-окислення жирних кислот тощо).
Цитохроми мітохондрій:
Цитохром b.
Цитохром c
1
.
Цитохром c.
Цитохром a.
Цитохром a
3
.
Залізо-сіркові білки, що містять негемове залізо (FeS), — це білки, асоційовані
з флавопротеїнами мітохондрій (металофлавопротеїнами) та цитохромом b.
Послідовність передавання електронів від одного компонента дихального
ланцюга мітохондрій до іншого визначається стандартними окислювально-
відновлювальними потенціалами цих компонентів — табл. 9.1.
Таблиця 9.1. Стандартні окислювально-відновлювальні потенціали компонентів
дихального ланцюга мітохондрій
Окремі ферменти та коферменти, що складають дихальний ланцюг, структурно
об’єднані між собою в надмолекулярні (мультиензимні) комплекси, інтегровані в
ліпідний матрикс внутрішніх мембран мітохондрій, що створює стеричні умови,
необхідні для ефективного перебігу окислювально-відновлювальних реакцій.
Окислювально-відновлювальна пара ¤
E
о
'
, в
НАДН / НАД
+
– 0,32
Лактат / піруват – 0,19
Сукцинат / фумарат + 0,03
Убіхінол / убіхінон + 0,10
Цитохром
b
(Fe
2+
/ Fe
3+
)+ 0,12
Цитохром
c
1
(Fe
2+
/ Fe
3+
) + 0,21
Цитохром
c
(Fe
2+
/ Fe
3+
) + 0,25
Цитохром
a
(Fe
2+
/ Fe
3+
) + 0,29
Цитохром
a
3
(Fe
2+
/ Fe
3+
) + 0,55
H
2
O / 1/2O
2
+ 0,82
O
O
O
O
CH
3
(CH
2
H
3
C
H
3
CCHC
CH
3
CH
2
)
10
H
O
OH
OH
O
CH
3
(CH
2
H
3
C
H
3
C
CH C
CH
3
CH
2
)
10
H
+ 2H
– 2H
129
Ãëàâà 9. Á³îåíåðãåòè÷í³ ïðîöåñè
Комплекси дихального ланцюга внутрішніх мембран мітохондрій
НАДН-коензим Q-редуктаза — ферментний комплекс (являє собою флаво-
протеїн, що містить ФМН), який окислює НАДН і передає відновлювальні
еквіваленти на коензим Q (убіхінон); у складі НАДН-коензим Q-редуктази НАДН-
дегідрогеназа асоційована з FeS-білками (так званий комплекс I).
Сукцинат-коензим Q-редуктаза — ферментний комплекс (ФАД-залежний
флавопротеїн), який окислює сукцинат, відновлюючи коензим Q; до складу комп-
лексу входить флавопротеїн сукцинатдегідрогеназа, асоційована з FeS-білком
(комплекс II).
Коензим Q-цитохром с-редуктаза (убіхінолдегідрогеназа) — ферментний
комплекс, що складається з цитохрому b, FeS-білка та цитохрому c
1
; фермент-
ний комплекс транспортує електрони з відновленого коензиму Q (QH
2
) на цитохром
c (комплекс III).
Цитохром с-оксидаза — ферментний комплекс, що складається з цитохромів
a та a
3
(комплекс IV); комплекс здійснює кінцеву стадію біологічного окислення —
відновлення електронами молекулярного кисню; він містить іони міді, як і інші
оксидази.
Шляхи включення відновлювальних еквівалентів у дихальний ланцюг
мітохондрій
1. Включення протонів і електронів у дихальний ланцюг через ФМН флавопро-
теїну НАДН-коензим Q-редуктази. Цим шляхом на молекулу убіхінону надходять
відновлювальні еквіваленти, відщеплені від відповідних субстратів НАДН-
залежними дегідрогеназами.
2. Включення протонів і електронів у дихальний ланцюг через ФАД сукцинат-
коензим Q-редуктази та деяких інших ФАД-залежних дегідрогеназ. Цим шляхом
на убіхінон надходять відновлювальні еквіваленти від янтарної кислоти —
метаболіту циклу трикарбонових кислот та певних інших субстратів.
Послідовність включення окремих компонентів системи транспорту електро-
нів і протонів у дихальний ланцюг мітохондрій подано на рисунку 9.2.
Як випливає з наведеної схеми, дихальний ланцюг мітохондрій організований
таким чином, що перенос у ньому відновлювальних еквівалентів (електронів)
відбувається в напрямку від електронегативного кінця (флавопротеїнів) до
електропозитивного цитохрому a
3
. Більшість метаболітів (субстрати гліколізу, циклу
трикарбонових кислот тощо) передає атоми водню в дихальний ланцюг через
НАДН-дегідрогеназу (Е-ФМН); сукцинат та КоА-похідні жирних кислот віддають
електрони та протони на коензим Q через специфічні флавопротеїни (Е-ФАД),
минаючи ФМН-залежний флавопротеїн.
Убіхінон є останнім компонентом дихального ланцюга мітохондрій, що здатний
транспортувати як електрони, так і протони. На рівні цитохрому b шляхи електронів
і протонів розділяються — протони переходять з внутрішньої поверхні мітохондрі-
альної мембрани на зовнішню, а електрони через послідовність цитохромів
транспортуються на цитохром a
3
, який відновлює кисень:
2 e
–
+ 1/2 O
2
O
2–
130 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Взаємодія відновленого кисню з вільними протонами мітохондріального
матриксу призводить до утворення молекули води:
9.4. ОКИСНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ ТА АТФ-СИНТЕТАЗА
МІТОХОНДРІЙ
Окисне фосфорилювання — процес, шляхом якого хімічна енергія, що
вивільняється під час транспортування електронів упродовж дихального
(електронотранспортного) ланцюга мітохондрій, уловлюється та викори-
стовується для синтезу аденозинтрифосфату (АТФ) з аденозиндифосфату
(АДФ) та неорганічного фосфату (Ф
Н
).
Синтез АТФ з АДФ та неорганічного фосфату Ф
Н
(P
i
— англ.) отримав назву
спряження дихання (електронного транспорту в мітохондріях) та окисного фосфо-
рилювання.
Вивільнення хімічної енергії в дихальному ланцюзі та ділянки утво-
рення АТФ
Транспортування електронів у дихальному ланцюзі мітохондрій від первинних
донорів відновлювальних еквівалентів (субстратів біологічного окислення) до
2 Н
+
+ О
2–
Н
2
O
[FeS]
n
НАД E-ФМН
Ізоцитрат
α-КГ
Малат
Піруват
Глутамат
β-ГО-ацил-КоА
КоQ
Е-ФАД
Сукцинат
Ацил-КоА
Гл-3-Ф
[FeS]
n
[FeS]
n
Е-ФАД
SH
2
I
II
цит.b цит.c
1
цит.c
цит.aa
3
O
2
[FeS]
n
III IV
Рис. 9.2. Схема організації дихального ланцюга мітохондрій. I-IV — електронотранспортні
комплекси мітохондріальних мембран. Позначення:
αα
αα
α-КГ —
αα
αα
α-кетоглутарат;
ββ
ββ
β-ГО-ацил-КоА —
ββ
ββ
β-гідроксиацил-КоА; Гл-3-Ф — гліцерол-3-фосфат.
131
Ãëàâà 9. Á³îåíåðãåòè÷í³ ïðîöåñè
молекулярного кисню супроводжується зниженням вільної енергії (
∆∆
∆∆
∆G), значення
якого можна розрахувати за рівнянням:
∆∆
∆∆
∆G = – nF
∆∆
∆∆
∆E
0
′ ,
де: п — кількість електронів, що транспортуються (дорівнює двом при утворенні
молекули води);
F — число Фарадея [23,062 ккал/в
.
моль];
∆∆
∆∆
∆E
0
′— різниця стандартних потенціалів електронодонорної та електроноак-
цепторної систем (при pH = 7,0).
Враховуючи дані таблиці 9.1, виконаємо розрахунок вивільнення хімічної енергії
за умов перенесення двох електронів від піридинзалежних дегідрогеназ до кисню:
Сумування двох рівнянь дає:
що відповідає
∆∆
∆∆
∆G = – 2 · 23,062 ·1,14 = – 52,6 ккал (– 220 кДж).
Синтез однієї молекули АТФ з АДФ та Ф
Н
потребує витрат хімічної енергїї,
що дорівнюють + 7,3 ккал (+ 30,5 кДж). Очевидно, що енергії, яка вивільняється
за умов транспорту електронів у дихальному ланцюзі мітохондрій, достатньо
для синтезу декількох молекул АТФ. Безпосередніми біохімічними досліджен-
нями доведено, що за умов окислення субстратів через НАДН-коензим Q-редук-
тазу утворюється 3 молекули АТФ, при дії сукцинат-коензим Q-редуктази — 2
молекули АТФ.
Коефіцієнт окисного фосфорилювання — відношення кількості зв’язаного
(етерифікованого) неорганічного фосфату (моль) до кількості поглинутого міто-
хондріями кисню (моль) (позначається як Ф
Н
(P
i
)/О) — кількісно дорівнює числу
молекул АТФ, що утворюються при перенесенні двох відновлювальних екві-
валентів на один атом кисню, тобто АТФ/О — табл. 9.2.
Таблиця 9.2. Значення коефіцієнта окисного фосфорилювання при окисленні різних
субстратів у мітохондріях
Субстрат
Коефіцієнт Ф
н
/О ( АТФ/О)
α-Кетоглутарат
3
Ізоцитрат 3
Малат 3
L-Глутамат 3
Сукцинат 2
Ацил-КоА 2
НАДН НАД
+
+ H
+
+ 2e
–
∆∆
∆∆
∆E
0
′ = – 0,32 в
1/2 O
2
+ 2H
+
+ 2e
–
∆∆
∆∆
∆E
0
′ = + 0,82 в
Н
2
O
НАДН + Н
+
+ 1/2
О
2
НАД
+
+ Н
2
О
∆∆
∆∆
∆E
0
′ = 1,14 в
132 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Пункти спряження транспорту електронів та окисного фосфорилювання
Утворення АТФ з АДФ та Ф
Н
може відбуватися тільки в певних ділянках
електронотранспортного ланцюга мітохондрій, в яких величина хімічної енергії,
що виділяється при транспортуванні пари електронів між двома редокс-систе-
мами (компонентами дихального ланцюга), достатня для синтезу 1 молекули АТФ
(тобто > 7,3 ккал, або 30,5 кДж) — табл. 9.3.
Таблиця 9.3. Ділянки дихального ланцюга мітохондрій, де вивільнення хімічної енергії
достатнє для синтезу молекули АТФ
Зазначені ділянки електронотранс-
портного ланцюга називаються пункта-
ми спряження дихання (електронного
транспорту) з окисним фосфорилю-
ванням — рисунок 9.3.
Хеміоосмотична теорія окисного
фосфорилювання
Молекулярні механізми генерації
АТФ в ході біологічного окислення в
мітоходріях пояснюються хеміоосмо-
тичною теорією (за П.Мітчелом —
P.Mitchell).
Головний постулат хеміоосмотичної
теорії — спряження електронного
транспорту в мітохондріях із біохі-
мічною системою синтезу АТФ здійс-
нюється за рахунок електрохімічного
потенціалу протонів (
∆∆
∆∆
∆µ
Н+
), що
утворюється під час функціонування
електронотранспортного ланцюга.
Хеміоосмотична теорія передба-
чає, що:
1. Функціонування дихального (електро-
нотранспортного) ланцюга у внутрішніх
(спрягаючих) мембранах мітохондрій супроводжується генерацією на цих
мембранах електрохімічного градієнта протонів (Н
+
).
∆
G
Ділянка дихального ланцюга
∆
E
0
'
(
вольт
)
(
ккал
)(
кДж
)
Комплекс I
(НАДН коензим Q)
0,27 12,2 51,0
Комплекс III
(цитохром
b
цитохром
c
1
)
0,22 9,9 41,4
Комплекс IV
(цитохром
a
3
О
2
)
0,53 23,8 99,6
Субстрати
окислення
(SH
2
)
НАДН
АДФ
АТФ
КоQ
S’’H
2
S’H
2
1
в
с
1
с
аа
3
О
2
2
3
АДФ
АТФ
АДФ
АТФ
Рис. 9.3. Локалізація пунктів спряження (1,2,3)
дихання та окисного фосфорилю-
вання в електронотранспортному лан-
цюзі внутрішніх мембран мітохондрій.
133
Ãëàâà 9. Á³îåíåðãåòè÷í³ ïðîöåñè
2. Окремі компоненти електронотранспортного лан-
цюга діють як протонні помпи, що спричиняють век-
торний (перпендикулярний площині мембрани) транс-
порт протонів, спрямований у напрямку “матрикс
зовнішня поверхня мембрани”.
3. Електрохімічний потенціал протонів на спрягаю-
чих мембранах, який створюється завдяки дії протон-
них помп дихального ланцюга, є рушійною силою син-
тезу АТФ з АДФ та Ф
н
.
4. Існує ферментна система, що використовує
енергію електрохімічного протонного потенціалу для
синтезу АТФ за рахунок транслокації протонів через
мітохондріальну мембрану в напрямку “зовнішня по-
верхня
матрикс”.
Ця ферментна система, яка замикає протонний
цикл на спрягаючих мембранах мітохондрій — про-
тонна АТФаза (Н
+
–АТФаза), або АТФ-синтетаза.
АТФ-синтетаза є білком з четвертинною структурою,
що складається з декількох білкових субодиниць, які
утворюють компоненти F
0
та F
1
(F
0
F
1
– АТФаза).
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 транс-
порту електронів та окисного фос-
форилювання.
Таким чином, згідно з хеміоос-
мотичною теорією, спряження між
переносом електронів в дихально-
му ланцюзі та синтезом АТФ здійс-
нюється за рахунок утворення при
функціонуванні протонних помп
градієнта концентрації Н
+
між двома
поверхнями мітохондріальної
мембрани. АТФ-синтетаза, транс-
портуючи протони у зворотному
напрямку (за електрохімічним гра-
дієнтом) призводить до вивіль-
нення хімічної енергії, за рахунок
якої утворюються макроергічні
зв’язки АТФ.
Схему протонного циклу на
спрягаючих мембранах мітохонд-
рій як рушійної сили окисного
фосфорилювання подано на ри-
сунку 9.5.
Рис. 9.4. Мітчел (Mitchell) Пі-
тер Д. (народ. 1920 р.),
англійський біохімік.
Автор хеміоосмотич-
ної теорії окисного та
фотосинтетичного
фосфорилювання.
Нобелівська премія
(1978).
Рис. 9.5. Хеміоосмотичний механізм спряження транс-
порту електронів у дихальному ланцюзі з
синтезом АТФ АТФ-синтетазою за рахунок
функціонування векторно спрямованих
(перпендикулярно площині мембрани)
протонних помп.
МембранаЗовнішній
простір
2Н
+
2Н
+
2Н
+
2Н
+
2Н
+
2Н
+
2Н
+
О
2
О
– –
е
е
е
S
SH
2
F
1
F
0
AДP
AТP
134 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Спроможність мітохондрі-
альних переносників електронів
до транслокації протонів через
мембрану зумовлюється особ-
ливостями їх внутрішньомемб-
ранної топографії. Вважають, що
дихальний ланцюг укладений у
спрягаючій мембрані у вигляді
трьох окислювально-відновлю-
вальних “петель”, що відповіда-
ють трьом комплексам переносу
електронів — I, III та IV. Кожна
пара відновлювальних еквіва-
лентів (2 Н
+
+ 2 e
–
), проходячи
через “петлю”, транспортує два
іони Н
+
з матриксу в зовнішнє
середовище. Зворотний перенос
іонів Н
+
через протонний канал
АТФ-синтетази спрямовує
електрохімічну енергію в бік
синтезу АТФ:
9.5. ІНГІБІТОРИ ЕЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТУ ТА
ОКИСНОГО ФОСФОРИЛЮВАННЯ В МІТОХОНДРІЯХ
Певні хімічні сполуки здатні специфічним чином порушувати електронний
транспорт (інгібітори електронного транспорту) та окисне фосфорилювання
(інгібітори та роз’єднувачі окисного фосфорилювання) в мітохондріях. Дані
сполуки взаємодіють з певними компонентами дихального ланцюга або систе-
мами окисного фосфорилювання, порушуючи їх біохімічні функції.
Інгібітори електронного транспорту
Сполуки цього класу порушують функціонування дихального ланцюга міто-
хондрій за рахунок зв’язування з окремими ферментними білками або кофермен-
тами, що беруть безпосередню участь у переносі електронів від субстратів біо-
логічного окислення на О
2
. При надходженні в організм людини або тварин ці
речовини діють як клітинні отрути, спричиняючи феномен тканинної гіпоксії.
АТФ
∆∆
∆∆
∆µ
Н+
АДФ + Ф
Н
FMNH
2
Цитозоль Мембрана Матрикс
NADH + H
+
NAD
+
2H
+
2H
+
1/2 O
2
+ 2H
+
H
2
O
2H
+
2H
+
2H
+
2e
–
FeS
QH
2
2e
–
2e
–
FeS
FeS
QH
2
?
b
b
c
1
a
Cu
c
a
3
Cu
Рис. 9.6. Схема внутрішньомембранної організації
електронотранспортних комплексів у вигля-
ді “петель”, що двічі перетинають мембрану.
135
Ãëàâà 10. Öèêë òðèêàðáîíîâèõ êèñëîò
Ротенон — інгібітор транспорту електронів через НАДН-коензим Q-редук-
тазний комплекс. Ротенон застосовується як інсектицид.
Амобарбітал (амітал) та близький до нього за структурою секобарбітал
(секонал). Ці похідні барбітурової кислоти (барбітурати) застосовуються у фарма-
кології 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 c
1
).
Ціаніди (іони CN
–
) — потужні клітинні отрути, що є інгібіторами транспорту
електронів на термінальній ділянці дихального ланцюга мітохондрій (у цито-
хромоксидазному комплексі). Іони CN
–
утворюють комплекси з ферри (Fe
3+
) —
формою молекул гему цитохромоксидази, блокуючи їх відновлення до ферро
(Fe
2+
) — форм.
Монооксид вуглецю (CO) — інгібірує цитохромоксидазу шляхом зв’язування
з ділянкою гему, що взаємодіє з молекулою кисню.
Інгібітори окисного фосфорилювання
Інгібітори окисного фосфорилювання блокують як окислення субстратів, так і
фосфорилювання АДФ у мітохондріях.
Олігоміцин — антибіотик, що протидіє як фосфорилюванню АДФ до АТФ,
так і стимуляції поглинання О
2
, що спостерігається після додавання до мітохондрій
АДФ (феномен “дихального контролю”). Механізм дії олігоміцину полягає в інгібі-
руванні функції АТФ-синтетази.
Роз’єднувачі окисного фосфорилювання
Сполуки цього класу спричиняють “неконтрольоване” дихання мітохондрій,
яке не залежить від функціонування системи фосфорилювання АДФ. В присут-
ності роз’єднувачів спостерігається активне поглинання мітохондріями О
2
, незва-
жаючи на зниження швидкості (або відсутність) генерації АТФ з АДФ та Ф
н
.
Згідно з хеміоосмотичною теорією, роз’єднувачі спричиняють втрату мембраною
протонного потенціалу — рушійної сили генерації макроергічних зв’язків АТФ.
До роз’єднувачів окисного фосфорилювання належать:
– 2,4-динітрофенол та сполуки, близькі до нього за хімічною структурою
(динітрокрезол, пентахлорфенол);
– СССР (карбонілціанід-м-хлорфенілгідразон) — сполука, що в 100 разів пере-
вищує за специфічною активністю 2,4-динітрофенол.
Здатність роз’єднувати дихання та окисне фосфорилювання в мітохондріях
мають також гормони щитовидної залози (тироксин, трийодтиронін).
136 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
ДНФ
Сукцинат
ФП
Олігоміцин
НАД
ЦіанідАнтиміцинРотенон
ДНФ
ДНФ
Оліго-
міцин
Олігоміцин
ФП КоQcbc
1
aa
3
1/2 O
2
AДФ + Ф
н
АТФ AДФ + Ф
н
AДФ + Ф
н
АТФАТФ
Пункти дії деяких інгібіторів електронного транспорту, інгібіторів та роз’єд-
нувачів окисного фосфорилювання, подані на схемі.
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 фосфорилювання за рахунок порушення
спроможності створювати і підтримувати протонний потенціал на спрягаючих
мембранах мітохондрій.
137
Ãëàâà 10. Öèêë òðèêàðáîíîâèõ êèñëîò
ГЛАВА 10. ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ
Цикл трикарбонових кислот (цикл лимонної кислоти, цикл Кребса) —
циклічна послідовність ферментативних реакцій, у результаті яких ацетил-КоА
(CH
3
–CO~S–KoA) — продукт катаболізму основних видів метаболічного палива
(вуглеводів, жирів, амінокислот), окислюється до двоокису вуглецю з утворенням
атомів водню, які використовуються для відновлення первинних акцепторів
дихального ланцюга мітохондрій — нікотинамідних або флавінових коферментів.
10.1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЦИКЛУ
ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ
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 мітохондріаль-
ними електронотранспортними ланцюгами, що викори-
стовують для відновлення атомів кисню відновлю-
вальні еквіваленти від НАДН (НАДН + Н
+
) та ФАДН
2
або ФМНН
2
і утворюють АТФ у ході окисного фос-
форилювання.
Схема функціонування ЦТК
Цикл трикарбонових кислот починається з взаємо-
дії (конденсації) двовуглецевої молекули ацетил-КоА
(C
2
) з чотиривуглецевою (С
4
) щавлевооцтовою кис-
лотою (оксалоацетатом), що призводить до утворення
шестивуглецевої (С
6
) молекули лимонної кислоти
(цитрату). В результаті подальшого багатоступеневого
перетворення три- та дикарбоно-
вих кислот (інтермедіатів ЦТК)
відбувається регенерація оксало-
ацетату (С
4
) та виділяються дві
молекули двоокису вуглецю (С
2
).
Таким чином, коензим А від-
щеплюється від ацетил-КоА (“ак-
тивної форми оцтової кислоти”)
вже в першій реакції ЦТК; у ході
функціонування подальших реакцій
циклу відбувається відщеплення
від цитрату (альтернативна назва
Оксалоацетат
Ци трат
(C
4
)
(C
6
)
CO
2
CO
2
Ацетил-КоА
(C
2
)
КоА-SH
Схема функціонування циклу лимонної кислоти.
Рис 10.1. Кребс (Krebs) Ханс
(1900-1981). Працю-
вав у Німеччині, з
1933 р. — у Кемб-
ріджському, Шеф-
філдському, Окс-
фордському ун-тах
(Велика Британія).
Нобелівська премія
(1953).
138 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
ЦТК — цитратний цикл) двох молекул двоокису вуглецю та чотирьох пар
атомів водню (4 х 2Н), що дозволяє подати таке сумарне рівняння ЦТК:
10.2. ФЕРМЕНТАТИВНІ РЕАКЦІЇ ЦИКЛУ
ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ
1. Утворення лимонної кислоти (цитрату) за рахунок конденсації ацетил-КоА з
щавлевооцтовою кислотою (оксалоацетатом):
Реакція каталізується ферментом цитратсинтазою. Вона є регуляторним фер-
ментом, активність якого гальмується АТФ, НАДН, сукциніл-КоА та довголанцю-
говими ацил-КоА.
2. Перетворення (ізомеризація) цитрату на ізоцитрат. Реакція каталізується
ферментом аконітазою і складається з двох етапів:
2.1. Дегідратація лимонної кислоти з утворенням цис-аконітової кислоти (цис-
аконітату):
2.2. Приєднання до цис-аконітату молекули води. При приєднанні до подвійного
зв’язку в складі цис-аконітату Н
+
та ОН
–
у транс-положенні результатом реакції є
утворення ізолимонної кислоти (ізоцитрату):
3. Дегідрування та декарбоксилювання ізоцитрату. Реакція каталізується НАД-
залежною ізоцитратдегідрогеназою і призводить до утворення
αα
αα
α-кетоглута-
рової кислоти (
αα
αα
α-кетоглутарату).
Ізоцитратдегідрогеназа є регуляторним ферментом, позитивний модулятор
якого — АДФ, негативний — НАДН.
Цитрат Цис-аконітат
CH
2
COOH
C(OH ) COOH
CH
2
COOH
H
2
O
CH
2
COOH
CCOOH
CH COOH
–
CH
2
COOH
CCOOH
CH COOH
H
2
O
CH
2
COOH
CH COOH
CH(OH) COOH
+
Циc-аконітат Ізоцитрат
СН
3
СООН + 2 Н
2
О 2 СО
2
+ 8(4 × 2) Н
CH
3
C
O
SKoA
C(OH) COOH
CH
2
COOH
CH
2
COOH
KoA SH
+
CO COOH
CH
2
COOH
+
Ацетил-КоА Оксалоацетат Цитрат
+ H
2
O
139
Ãëàâà 10. Öèêë òðèêàðáîíîâèõ êèñëîò
CH
2
CH
2
C
COOH
O
SKoA
+ ГДФ + Ф
Н
CH
2
CH
2
COOH
COOH
+ ГТФ
H
+
+
CH
2
COOH
CH
2
C
O
SKoA
CH
2
COOH
CH
2
CO COOH
НАДН
СО
2
+
+
КоА SH
+
+
HAД
+
Фермент має дві молекулярні форми — мономерну (молекулярна маса ізо-
цитратдегідрогенази з мітохондрій серця дорівнює 330 кД) та димерну. В при-
сутності позитивного модулятора АДФ мономери агрегують між собою з утворен-
ням димеру. Негативний модулятор НАДН протидіє індукованій АДФ агрегації
мономерних форм ферменту. Обидві молекулярні форми ізоцитратдегідрогенази
мають каталітичні властивості, але за умов низької концентрації АДФ димер значно
більш активний.
4. Окислення
αα
αα
α-кетоглутарату до сукцинату.
Цей процес відбувається у дві стадії:
4.1. Окислювальне декарбоксилювання
αα
αα
α-кетоглутарату з утворенням
сукциніл-КоА — стадія, що каталізується мультиензимним
αα
αα
α-кетоглутарат-
дегідрогеназним комплексом. Кінцевий продукт — високоенергетичний тіоефір
сукциніл-КоА, в макроергічному зв’язку якого акумульовано хімічну енергію
окислювально-відновлювальною реакцією, що мала місце:
Ізоцитрат
Оксалосукцинат
αα
αα
α-кетоглутарат
CH
2
CH
CH(OH)
COOH
COOH
COOH
+ HAД
+
HAДН
CH
2
CH
CO
COOH
COOH
COOH
– CO
2
CH
2
CH
2
CO
COOH
COOH
αα
αα
α-кетоглутарат Сукциніл-КоА
~
Сукциніл-КоА Сукцинат
НАДН, що утворився в цій реакції, окислюється в дихальному ланцюзі міто-
хондрій із генерацією 3 молекул АТФ.
За механізмом реакції цей процес нагадує окислювальне декарбоксилювання
пірувату до ацетил-КоА (див. главу 11); як і піруватдегідрогеназний,
αα
αα
α-кето-
глутаратдегідрогеназний комплекс має у своєму складі коферменти тіамінди-
фосфат (ТДФ), ліпоєву кислоту (ЛК), КоА, НАД
+
та ФАД. Молекулярна маса
цього комплексу з клітин E.Coli дорівнює 2,1·10
6
.
4.2. Деацилювання сукциніл-КоА (перетворення на янтарну кислоту (сукцинат).
Реакція каталізується ферментом сукцинілтіокіназою. У результаті розщеп-
люється макроергічний зв’язок у молекулі сукциніл-КоА, та за рахунок цієї енергії
утворюється нова макроергічна сполука нуклеозидтрифосфат ГТФ:
~
140 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Потім ГТФ передає свою кінцеву фосфатну групу на АДФ у нуклеозид-
фосфокіназній реакції з утворенням АТФ:
5. Окислення янтарної кислоти до фумарової кислоти (фумарату). Реакція
каталізується ФАД-залежним ферментом сукцинатдегідрогеназою:
Окислення відновленого коферменту (ФАДН
2
) за допомогою коензиму Q
дихального ланцюга мітохондрій призводить до синтезу за рахунок окисного
фосфорилювання 2 молекул АТФ.
6. Перетворення фумарової кислоти на яблучну кислоту (малат) внаслідок
приєднання до фумарату молекули води.
Реакція каталізується ферментом фумарат-гідратазою (фумаразою):
7. Окислення малату до оксалоацетату (щавлевооцтової кислоти).
Реакція каталізується НАД-залежним ферментом — малатдегідрогеназою
мітохондрій:
Окислення НАДН, що утворився, в дихальному ланцюзі мітохондрій призво-
дить до генерації 3 молекул АТФ.
Малатдегідрогеназна реакція завершує цикл трикарбонових кислот. Оксало-
ацетат, який є продуктом даної реакції, здатний до взаємодії з новими моле-
кулами ацетил-КоА.
Загальну метаболічну карту циклу трикарбонових кислот подано на рис. 10.2
10.3. ЕНЕРГЕТИЧНИЙ БАЛАНС ЦИКЛУ
ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ
Біохімічний підсумок циклу трикарбонових кислот полягає в утворенні двох
молекул СО
2
(в ізоцитратдегідрогеназній та
αα
αα
α-кетоглутаратдегідрогеназній реак-
ціях) та чотирьох пар атомів водню, три з яких акцептуються НАД
+
та одна —
ФАД. Відновлені коферменти окислюються в дихальному ланцюзі мітохондрій,
ГТФ + АДФ ГДФ + АТФ
Сукцинат
Фумарат (транс-сполука)
CH
2
CH
2
COOH
COOH
ФАД
ФАДН
2
CH
HC
COOH
COOH
МалатФумарат (транс-сполука)
CH
HC
COOH
+ H
2
O
HC(OH)
COOH CH
2
COOH
COOH
Малат
Оксалоацетат
HC(OH)
CH
2
COOH
COOH
HАД
+
HАДН
CO
CH
2
COOH
COOH
141
Ãëàâà 10. Öèêë òðèêàðáîíîâèõ êèñëîò
утворюючи за рахунок окисного фосфорилювання по 3 молекули АТФ на кожну
молекулу НАДН і по 2 молекули АТФ на кожну молекулу ФАДН
2
. Крім того, одна
молекула АТФ утворюється в субстратному фосфорилюванні при перетворенні
сукциніл-КоА в сукцинат (табл. 10.1).
Таблиця 10.1. Сумарний баланс молекул АТФ, що утворюються при функціонуванні
цитратного циклу
Реакція Кофермент Кількість молекул АТФ, що утворюються
1. Ізоцитрат — α-кетоглутарат
НАД 3
2. α-кетоглутарат — сукциніл-КоА
НАД 3
3. Сукциніл-КоА — сукцинат ГДФ 1
4. Сукцинат — фумарат ФАД 2
5. Малат — оксалоацетат НАД 3
Усього 12
Рис. 10.2. Метаболічна карта циклу трикарбованих кислот та зв’язок ЦТК з
дихальним ланцюгом мітохондрій.
Ацетил-КоА
Оксалоацетат
Цитрат
Малат
Фумарат
Сукцинат
α
-Кетоглутарат
Оксалосукцинат
Ізоцитрат
CO
2
CO
2
НАД
+
НАДН
2
НАД
+
НАДН
2
НАД
+
КоQ
цитохром в
цитохром с
цитохром а (а
3
)
2H
+
+ 1/2 O
2
H
2
O
АДФ
АТФ
АДФ
АТФ
АДФ
АТФ
ФАД
ФАДН
2
НАД
+
НАДН
2
2H
2H
2H
2H
142 Ðîçä³ë II. Çàãàëüí³ çàêîíîì³ðíîñò³ ìåòàáîë³çìó
Таким чином, при повному окисленні однієї молекули ацетил-КоА до СО
2
та Н
2
О
в циклі трикарбонових кислот генерується 12 молекул АТФ.
10.4. АНАПЛЕРОТИЧНІ Й АМФІБОЛІЧНІ РЕАКЦІЇ
Анаплеротичні реакції — реакції клітинного метаболізму, що підвищують
концентрацію субстратів трикарбонового циклу, утворюючи їх з інтермедіатів інших
метаболічних шляхів (зокрема, амінокислот, пірувату). Активуючи ЦТК, анапле-
ротичні реакції сприяють посиленню інтенсивності катаболічних процесів в організмі.
Утворення субстратів ЦТК в анаплеротичних реакціях:
1. Перетворення амінокислот на дикарбонові кислоти — субстрати ЦТК:
– утворення
αα
αα
α-кетоглутарату в реакціях трансамінування;
– утворення оксалоацетату в реакціях трансамінування;
– утворення
αα
αα
α-кетоглутарату в глутаматдегідрогеназній реакції;
– утворення сукциніл-КоА з ізолейцину, валіну, метіоніну, треоніну.
2. Утворення оксалоацетату з пірувату в піруваткарбоксилазній реакції:
Коферментом піруваткарбоксилази є біотин (вітамін H), що в ході реакції зво-
ротно акцептує СО
2
, утворюючи N-карбоксибіотин.
Піруваткарбоксилаза — алостеричний фермент, позитивним модулятором
якого є ацетил-КоА. За умов низької внутрішньоклітинної концентрації ацетил-КоА
активність ферменту і, відповідно, швидкість піруваткарбоксилазної реакції низькі.
Накопичення ацетил-КоА, що спостерігається при активації катаболічних процесів,
стимулює через утворення оксалоацетату інтенсивність ЦТК і активність окислення
його головного субстрату — ацетил-КоА.
Утворення оксалоацетату з пірувату під дією піруваткарбоксилази є найваж-
ливішою анаплеротичною реакцією в клітинах печінки та нирок.
3. Утворення оксалоацетату з фосфоенолпірувату:
Реакція каталізується фосфоенолпіруваткарбоксикіназою. При цьому відбува-
ється утворення макроергічного нуклеозидтрифосфату ГТФ за рахунок розщеплення
високоенергетичного зв’язку в молекулі фосфоенолпірувату — метаболіту гліколізу.
Фосфоенолпіруваткарбоксикіназна реакція є анаплеротичною реакцією ЦТК, що
має місце в міокарді та інших м’язових тканинах. Ця ж реакція, за умов її перебігу
у зворотному напрямку, використовується в процесі синтезу глюкози.
Амфіболічні реакції — реакції, що застосовують субстрати ЦТК для утворення
інтермедіатів, необхідних для біосинтетичних процесів:
1) у ролі амфіболічних можуть виступати реакції, обернені для розглянутих вище
перетворень амінокислот — в цьому разі дикарбонові кислоти, що утворюються в
ЦТК, стимулюють процеси білкового синтезу;
2) важливою реакцією синтезу глюкози (глюконеогенезу) є утворення фосфоенол-
пірувату з оксалоацетату та ГТФ, тобто фосфоенолпіруваткарбоксикіназна реакція
за умов її перебігу в напрямку, зворотному для розглянутого вище анаплеротичного
процесу.
Піруват + CO
2
+ АТФ Оксалоацетат + АДФ + Фн
Фосфоенолпіруват + CO
2
+ ГДФ Оксалоацетат + ГТФ
143Ãëàâà 11. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Розділ III. МЕТАБОЛІЗМ ОСНОВНИХ КЛАСІВ
БІОМОЛЕКУЛ
ГЛАВА 11. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ
I. АЕРОБНЕ ТА АНАЕРОБНЕ ОКИСЛЕННЯ ГЛЮКОЗИ
Прості вуглеводи (моносахариди — глюкоза, фруктоза, галактоза, маноза) 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 надходять в організм з продуктами хар-
чування, формують енергетичні депо метаболічного палива у вигляді глікогену
та нейтральних жирів.
11.1. ШЛЯХИ ВНУТРІШНЬОКЛІТИННОГО КАТАБОЛІЗМУ
МОНОСАХАРИДІВ
Основним моносахаридом, що в результаті катаболічних реакцій окислення
до кінцевих простих продуктів утворює найбільшу кількість АТФ, є D-глюкоза,
основним джерелом якої в організмі людини та тварин є крохмаль рослинних
продуктів харчування. Інші прості вуглеводи, що надходять до організму в складі
їжі (фруктоза — як компонент дисахариду сахарози, галактоза — як компонент
лактози тощо), підлягають метаболічним перетворенням переважно після їх
трансформації у фосфорні ефіри глюкози.
Основні шляхи внутрішньоклітинного катаболізму глюкози:
– аеробне окислення, в результаті якого глюкоза розщеплюється до двоокису
вуглецю та води;
– гліколітичний шлях розщеплення (гліколіз), в результаті якого глюкоза утворює
проміжні продукти катаболізму (піровиноградну або молочну кислоту).
Глюкоза, яка всмоктується в кров у кількості, що перевищує безпосередні
енергетичні потреби організму, відкладається про запас у вигляді глікогену
(“тваринного крохмалю”) або використовується для синтезу триацилгліцеролів
жирової тканини.
Вторинні шляхи перетворення глюкози, що призводять до утворення
біологічно важливих метаболітів:
– пентозофосфатний шлях (шунт) окислення глюкози, в результаті якого
утворюються необхідні для інших реакцій метаболізму фосфорні ефіри моносаха-
ридів (пентоз, тріоз тощо) та відновлена форма НАДФ
+
(НАДФН);
144 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
– перетворення глюкози на глюкуронову кислоту;
– перетворення глюкози на аскорбінову кислоту (метаболічний шлях функціонує
лише в деяких видів тваринних організмів).
11.2. АЕРОБНЕ ОКИСЛЕННЯ ГЛЮКОЗИ
В умовах нормального клітинного 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 двоокису вуглецю та води відповідає такому
сумарному рівнянню:
Складний багатоступеневий процес аеробного окислення глюкози поділяється на такі
етапи:
1. Розщеплення глюкози до піровиноградної кислоти.
Продуктом цього гліколітичного етапу розщеплення глюкози є піруват, а також дві
молекули відновленого НАД
+
і дві молекули АТФ:
Ферментативні реакції утворення з глюкози пірувату (аеробного гліколізу) будуть
розглянуті нижче. Зауважимо, що окислення в дихальному ланцюзі мітохондрій
утворюваних на цьому етапі двох молекул НАДН супроводжується генерацією за
рахунок окисного фосфорилювання шести (2×3) молекул АТФ.
2. Окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти.
У результаті цього процесу утворюється ацетилкоензим А — основний субстрат
окислення в циклі трикарбонових кислот — та відновлена форма НАД
+
.
Сумарне рівняння окислювального декарбоксилювання пірувату:
Окислювальне декарбоксилювання пірувату каталізується піруватдегідрогеназним
комплексом — мультиферментною системою, яка в клітинах еукаріотів міститься в
мембранах мітохондрій, а у прокаріотів — у цитоплазмі. До складу цього комплексу
входять три ферменти, що каталізують три послідовні стадії перетворення пірувату
на ацетил-КоА: піруватдегідрогеназа, дигідроліпоїлацетилтрансфераза, дигідро-
ліпоїлдегідрогеназа та п’ять коферментів і простетичних груп: тіаміндифосфат
(ТДФ), коензим А (КоА), ліпоєва кислота (ЛК), НАД
+
, ФАД.
Ферментативні стадії утворення ацетил-КоА з пірувату.
Стадія I — каталізується піруватдегідрогеназою (Е
1
), коферментом якої є ТДФ.
На цій стадії відбувається взаємодія пірувату з С–2 тіазольного кільця молекули тіаміну;
в результаті реакції утворюється зв’язаний із ферментом гідроксиетильний похідний
тіаміндифосфату:
C
6
H
12
O
6
+ 6 O
2
6 CO
2
+ 6 H
2
O
C
6
H
12
O
6
+ 2 НАД
+
+ 2 АДФ + 2 Ф
Н
2 С
3
H
4
O
3
+ 2 НАДН + 2 Н
+
+ 2 АТФ
CH
3
–CO–COOH + НАД
+
+ КоА–SH CH
3
–CO–КоА + НАДН + Н
+
+ СО
2
145Ãëàâà 11. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Cтадія II — каталізується центральним ферментом комплексу дигідро-
ліпоїлацетилтрансферазою (E
2
), яка переносить гідроксиетильну групу від
ТДФ(E
1
) на простетичну групу ферменту E
2
, що є окисленою формою ліпоєвої
кислоти (ЛК); в результаті реакції утворюється ацетилтіоефір відновлених
ліпоїльних груп ферменту E
2
, що містить макроергічний зв’язок:
Стадія III — дигідроліпоїлацетилтрансфераза переносить ацетильну групу від
відновленої ліпоєвої кислоти на коензим А:
Cтадія IV — окислення відновленої форми ферменту Е
2
ФАД-залежною
дигідроліпоїлдегідрогеназою (E
3
):
Cтадія V — перенесення атомів водню від відновленої ФАД-групи дигідро-
ліпоїлдегідрогенази на НАД
+
з утворенням НАДН:
Відновлений НАДН, що утворюється в результаті окислювального декарбок-
силювання пірувату, в аеробних умовах окислюється в мітохондріальному
електронотранспортному ланцюзі з генерацією шести (2×3) молекул АТФ.
3. Окислення ацетил-КоА до двоокису вуглецю та води в циклі трикарбонових
кислот.
Цикл трикарбонових кислот, функціонально та біохімічно спряжений із
ланцюгом електронного транспорту в мембранах мітохондрій, завершує аеробне
окислення глюкози до СО
2
та Н
2
О, генеруючи 12 молекул АТФ на кожну молекулу
ацетил-КоА, що розщеплюється.
CH
3
CO
COOH
H
ТДФ(Е
1
)
СО
2
-
+
НО С
ТДФ(Е
1
)
СН
3
Н
НО С
ТДФ(Е
1
)
СН
3
СООН
ФАДH
2
(Е
3
) + НАД
+
ФАД(Е
3
) + НАДН + Н
+
CH
3
C
H
HO ТДФ(Е
1
)
+
S
S
ЛК(Е
2
)
O
CCH
3
S
HS
ЛК(Е
2
)
+ H
ТДФ(Е
1
)
+
O
CCH
3
S
S
ЛК(Е
2
)
~
+ KoA
H
SH
O
CCH
3
S KoA
HS
HS
ЛК(Е
2
)
+
+
S
S
ЛК(Е
2
)
H
H
ФАД(Е
3
)
ЛК(Е
2
)
S
S
ФАДН
2
(Е
3
)
146 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
11.3. ГЛІКОЛІЗ: РЕАКЦІЇ, ЕНЕРГЕТИКА, РЕГУЛЯЦІЯ
Загальна характеристика гліколізу
Рис. 11.1. Ембден (Embden)
Густав (1874-1933),
німецький біохі-
мік. Професор та
завідувач кафедри
біохімії, ректор
ун-ту у Франк-
фурті-на-Майні.
Рис. 11.2. Мейєргоф (Meyer-
hoff) Отто (1874-
1951), німецький
біохімік. Працю-
вав у Німеччині,
США. Нобелівська
премія (1922).
В організмі людини та тварин розрізняють:
– аеробний гліколіз, що супроводжується утворенням з
однієї молекули глюкози двох молекул піровиноградної
кислоти (пірувату):
Аеробний гліколіз можна також розглядати як
проміжний (гліколітичний) етап аеробного окислення
глюкози до кінцевих продуктів — двоокису вуглецю та
води (див. п. 11.2);
– анаеробний гліколіз, що супроводжується утворенням з
однієї молекули глюкози двох молекул молочної кислоти
(лактату):
Для більшості тканин людини та вищих тварин в умовах
нормальної життєдіяльності характерний аеробний гліколіз, тобто утворення з глюкози
пірувату, який у подальшому окислюється до вуглекислого газу й води. Анаеробний
гліколіз має місце переважно в м’язах при інтенсивній фізичній діяльності, тобто
при відносній кисневій недостатності, та в деяких високоспеціалізованих клітинах
(зокрема, в еритроцитах, в яких відсутні мітохондрії) або за певних патологічних умов
(клітини злоякісних пухлин).
2 C
2
H
5
OH + 2 СО
2
C
6
H
12
O
6
2 C
3
H
4
O
3
(піруват);C
6
H
12
O
6
С
6
Н
12
О
6
2 С
3
Н
6
О
3
(лактат)
Гліколіз (шлях Ембдена-Мейергофа) — центральний
шлях катаболізму глюкози, сукупність ферментативних
реакцій, в результаті яких шостивуглецева молекула глюкози
C
6
H
12
O
6
розщеплюється до двох тривуглецевих молекул
піровиноградної або молочної кислоти. Гліколіз є шляхом
катаболізму глюкози, в якому кисень не бере безпосередньої
участі, проте, за рахунок наявності в гліколізі окислювально-
відновлювальних реакцій, у результаті гліколітичного
розщеплення глюкози генерується дві молекули АТФ .
Гліколіз є різновидом бродіння — біохімічного процесу, за
рахунок якого забезпечують свою потребу в енергії у формі
АТФ більшість існуючих на Землі анаеробних організмів або
аеробів при функціонуванні в умовах недостатнього за-
безпечення молекулярним киснем. Поширеним типом бро-
діння в анаеробів є утворення з глюкози етилового спирту —
процес, що каталізується ферментами дріжджів і широко
використовується для виробництва алкогольних напоїв:
147Ãëàâà 11. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Реакції гліколізу перебігають у цитозолі клітини і каталізуються ферментами,
що локалізовані в цьому компартменті.
Виділяють дві стадії гліколізу:
1. Розщеплення молекули глюкози до двох молекул фосфотріоз (гліцеральдегід-
3-фосфату та діоксіацетонфосфату). Ця стадія включає в себе послідовність
реакцій, які потребують витрати двох молекул ATP на кожну молекулу глюкози,
що розщеплюється.
2. Перетворення двох молекул фосфотріоз на дві молекули пірувату (або лак-
тату). Ця стадія включає в себе окислювально-відновлювальні реакції (“гліколі-
тична оксидоредукція”), які супроводжуються генерацією чотирьох молекул AT P.
Таким чином, у результаті розщеплення однієї молекули глюкози в реакціях
аеробного або анаеробного гліколізу сумарний вихід АTP складає дві молекули,
що можна подати таким рівнянням:
Ферментативні реакції гліколізу
Реакції аеробного та анаеробного гліколізу повністю співпадають на першій
стадії розщеплення глюкози і розрізняються лише після утворення пірувату, який
для аеробного гліколізу є кінцевим продуктом, а для анаеробного — метаболітом,
який відновлюється до лактату. Крім того, анаеробний та аеробний типи гліколізу
розрізняються за метаболічною часткою відновленого НАД
+
(НАДН), що утворю-
ється на етапі гліколітичної оксидоредукції.
Ферментативні реакції аеробного гліколізу:
1. Активація молекули глюкози шляхом її фосфорилювання до фосфорного ефіру —
глюкозо-6-фосфату. Джерелом фосфату в реакції є молекула АТФ:
Ця реакція каталізується ферментом гексокіназою, що найбільш активна в м’язовій
тканині. У клітинах печінки в утворенні глюкозо-6-фосфату з вільної молекули
глюкози значну роль відіграє також фермент глюкокіназа. Гексокіназа здатна
фосфорилювати різні гексози. Глюкокіназа специфічна для глюкози, проте її
активність проявляється лише при концентраціях глюкози в крові, що перевищують
фізіологічний рівень глікемії (аліментарна гіперглікемія, цукровий діабет).
D-глюкоза + 2 АДФ + 2 Ф
Н
2 піруват(лактат) + 2 АТФ
αα
αα
α-D-глюкоза + ATФ Глюкозо-6-фосфат + AДФ
H
O
HO
H
OH
H
OHH
OH
CH
2
H
OH
+ АТФ
H
O
HO
H
OH
H
OHH
OH
CH
2
H
O
+ АДФ
P
O
OH
OH
αα
αα
α-D-глюкоза D-Глюкозо-6-фосфат
148 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
2. Перетворення (ізомеризація) глюкозо-6-фосфату у фруктозо-6-фосфат:
Реакція каталізується ферментом фосфогексоізомеразою і є зворотною, тобто
легко перебігає в обох напрямках залежно від переважної концентрації субстрату
(глюкозо-6-фосфату або фруктозо-6-фосфату, відповідно). У фізіологічних умовах
рівновагу реакції зсунуто праворуч у зв’язку з використанням фруктозо-6-фосфату
в подальших реакціях гліколізу.
3. Фосфорилювання фруктозо-6-фосфату з утворенням фруктозо-1,6-дифос-
фату. Джерелом фосфату, як і в 1-й реакції гліколізу, є молекула АTФ.
Ферментом, що каталізує цю реакцію, є фосфофруктокіназа, яка належить
до регуляторних ферментів гліколізу з алостеричним механізмом регуляції.
4. Розщеплення фруктозо-1,6-дифосфату на дві молекули фосфотріоз шляхом
розриву ковалентного –С–С– зв’язку між 3-м та 4-м атомами вуглецю в шести-
вуглецевому ланцюзі фруктозо-1,6-дифосфату.
Реакція каталізується ферментом фруктозо-1,6-дифосфатальдолазою (аль-
долазою). У результаті альдолазної реакції утворюються діоксіацетонфосфат
(ДОАФ) та гліцеральдегід-3-фосфат (Г-3-Ф):
D-фруктозо-6-фосфат + ATФ D-фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ
D-глюкозо-6-фосфат D-фруктозо-6-фосфат
H
O
HO
H
OH
H
OHH
OH
CH
2
H
OP
O
OH
OH
CH
2
OP
O
OH
OH
OH
CH
2
H
OH
H
O
OH
HO
H
D-глюкозо-6-фосфат D-фруктозо-6-фосфат
CH
2
OP
O
OH
OH
OH
CH
2
H
OH
H
O
OH
HO
H
+ АТФ
CH
2
OP
O
OH
OH
OH
CH
2
H
OH
H
O
O
HO
H
P
O
OH
OH
+ АДФ
D-фруктозо-6-фосфат D-фруктозо-1,6-дифосфат
D-фруктозо-1,6-дифосфат
діоксіацетонфосфат + гліцеральдегід-3-фосфат
149Ãëàâà 11. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
5. Взаємоперетворення двох фосфотріоз (ДОАФ та Г-3-Ф), що каталізується
ферментом тріозофосфатізомеразою:
Оскільки за фізіологічних умов рівновагу даної реакції зсунуто праворуч у
зв’язку з використанням у подальших реакціях гліколізу саме гліцеральдегід-3-
фосфату, сумарним результатом зазначених п’яти реакцій розщеплення глюкози
є перетворення однієї молекули глюкози на дві молекули Г-3-Ф:
6. Окислення гліцеральдегід-3-фосфату до 3-фосфогліцеринової кислоти (3-ФГК).
Цей процес (гліколітична оксидоредукція) складається з двох етапів, що каталі-
зуються окремими ферментами:
6.1. Окислення гліцеральдегід-3-фосфату до 1,3-дифосфогліцерату (1,3-ди-
фосфогліцеринової кислоти — 1,3-диФГК).
Реакція каталізується ферментом гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназою,
коферментом якого є НАД
+
, що акцептує відновлювальні еквіваленти (електрони)
від альдегідної групи Г-3-Ф. У реакції бере також участь неорганічний фосфат:
D-глюкоза
2 мол. Г-3-Ф
CH
2
OP
O
OH
OH
OH
CH
2
H
OH
H
O
HO
H
CH
2
OP
O
OH
OH
C
CH
2
O
OH
C
H
O
HC
CH
2
OH
OP
OH
O
OH
+
O
P
O
OH
OH
D-фруктозо-1,6-дифосфат
гліцеральдегід-3-фосфат
діоксіацетонфосфат
гліцеральдегід-3-фосфат
діоксіацетонфосфат
CH
2
OP
O
OH
OH
C
CH
2
O
OH
C
H
O
HC
CH
2
OH
OP
OH
O
OH
діоксіацетонфосфат
гліцеральдегід-3-фосфат
C
HC
H
O
OH
CH
2
OP
OH
OH
O
+ НАД
+
+ Н
3
РО
4
C
HC OH
CH
2
OP
OH
OH
O
OO ~ P
OH
O
OH
+ НАДH + Н
+
Гліцеральдегід-3-фосфат
1,3-дифосфогліцерат
Гліцеральдегід-3-фосфат + НАД
+
+ Ф
H
1,3-дифосфогліцерат + НАДН + Н
+
150 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
1,3-диФГК, що утворилася, є мішаним ангідридом фосфорної та 3-фосфо-
гліцеринової кислот (ацилфосфат) і містить у своєму складі макроергічний фос-
фатний зв’язок, тобто 1,3-диФГК — це сполука з високим потенціалом переносу
фосфатної групи (див. главу 8).
Другим продуктом гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназної реакції є НАДН
(“гліколітичний НАДН”), який в аеробних умовах передає свої відновлювальні
еквіваленти на внутрішньомітохондріальний НАД
+
та, послідовно, на міто-
хондріальний ланцюг електронного транспорту, генеруючи при цьому в результаті
окисного фосфорилювання три молекули АТФ.
6.2. Перетворення 1,3-дифосфогліцерату на 3-фосфогліцерат (3-фосфоглі-
церинову кислоту — 3-ФГК).
Ця реакція супроводжується перенесенням макроергічної фосфатної групи
від 1,3-диФГК на АДФ з утворенням молекули АТФ і каталізується ферментом
фосфогліцераткіназою:
2-фосфогліцерат фосфоенолпіруват + Н
2
О
C
HC OH
CH
2
OP
OH
OH
O
OO ~ P
OH
O
OH
+ АTФ
C
O
OH
CH
2
+ АДФ
HC OH
OP
OH
O
OH
1,3-дифосфогліцерат
3-фосфогліцерат
3-фосфогліцерат 2-фосфогліцерат
C
HC
O
OH
C
O
OH
CH
2
HC OH
OP
OH
O
OH
CH
2
OH
OP
OH
O
OH
3-фосфогліцерат 2-фосфогліцерат
фосфоенолпіруват
C
HC
O
OH
CH
2
OH
OP
OH
O
OH
H
2
O
C
C
O
OH
CH
2
O ~ P
OH
O
OH
2-фосфогліцерат
7. Перетворення 3-фосфогліцерату на 2-фосфогліцерат (2-фосфогліцеринову
кислоту — 2-ФГК).
Реакція каталізується ферментом фосфогліцеромутазою:
8. Дегідратація 2-фосфогліцерату з утворенням фосфоенолпірувату (ФЕП).
Реакція каталізується ферментом енолазою:
1,3-дифосфогліцерат + АДФ 3-фосфогліцерат + АТФ
151Ãëàâà 11. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Ця реакція є другою в ході гліколізу, в результаті якої генерується макроергічний
зв’язок (в молекулі ФЕП).
9. Утворення з фосфоенолпірувату пірувату.
Реакція каталізується ферментом піруваткіназою і супроводжується перене-
сенням макроергічної фосфатної групи від молекули ФЕП на АДФ:
піруват + НАДН + Н
+
L-лактат + НАД
+
C
C
O
OH
CH
2
O ~ P
OH
O
OH
+ АДФ
C
O
OH
CH
2
COH
C
O
OH
CH
3
CO
+ АДФ
Фосфоенолпіруват Піруват (енольна та кето-форми)
COOH
CH
3
CO
+ НАДH + Н
+
COOH
CH
3
HC OH
+ НАД
+
Піруват
L-лактат
Реакція каталізується ферментом лактатдегідрогеназою, яка існує у вигляді п’яти
різних ізоферментних форм (ЛДГ
1
—ЛДГ
5
), що відрізняються за своїми кінетичними
властивостями (K
M
, V
max
, ступенем алостеричного інгібірування піруватом).
Загальну послідовність ферментативних реакцій гліколізу подано на рис. 11.3.
Таким чином, ферментативні реакції анаеробного гліколізу майже повністю спів-
падають із реакціями аеробного гліколізу, відрізняючись лише на етапі, що відбувається
після утворення пірувату: при аеробному гліколізі піруват є субстратом перетворення
на ацетилкоензим А та подальшого окислення (див: Аеробне окислення глюкози), а
Піруваткіназна реакція є заключною для аеробного гліколізу. В її результаті
утворюються дві молекули пірувату та дві молекули АТФ (на кожну молекулу глю-
кози, яка стає на шлях гліколітичного розщеплення). Піруваткіназа, як і фосфо-
фруктокіназа, є регуляторним ферментом, на рівні якого здійснюється регуляція
гліколізу.
Ферментативні реакції анаеробного гліколізу
Як свідчать зазначені вище реакції, в аеробних умовах кінцевим продуктом
гліколізу в тваринних тканинах є піруват; при цьому НАДН, що утворився в
результаті окислення гліцеральдегід-3-фосфату, реокислюється в мітохондріях
за рахунок молекулярного кисню. За умов анаеробного гліколізу (наприклад, в
інтенсивно працюючих скелетних м’язах або в молочнокислих бактеріях) гліколі-
тичний НАДН не віддає свої відновлювальні еквіваленти в дихальний ланцюг
мітохондрій, а використовується для відновлення пірувату до L-лактату:
фосфоенолпіруват + АДФ піруват + АТФ
152 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
при анаеробному гліколізі піруват
відновлюється до лактату за рахунок НАДН,
що утворився в реакціях гліколітичної
оксидоредукції. Інакше кажучи, після утво-
рення пірувату подальше його перетворення
може відбуватися за одним із двох альтер-
нативних шляхів, що залежать від стану
окислювально-відновлювальних процесів у
певній тканині:
– в аеробних умовах відбувається окисне
декарбоксилювання пірувату до ацетил-КоА,
який у подальшому окислюється до СО
2
та
Н
2
О в циклі Кребса; НАДН, що утворився
при окисленні гліцеральдегід-3-фосфату,
віддає свої відновлювальні еквіваленти на
дихальний ланцюг мітохондрій через спеці-
альні човникові механізми;
– в анаеробних умовах (або в умовах гіпоксії)
реокислення гліколітичного НАДН відбува-
ється за рахунок дії лактатдегідрогенази, яка
відновлює піруват до лактату; течія лактат-
дегідрогеназної реакції в даному напрямку
генерує НАД
+
, що знову використовується
для окислення гліцеральдегід-3-фосфату і
подальшого накопичення лактату як про-
дукту анаеробного гліколізу. Така послідов-
ність реакцій найбільш характерна для
інтенсивно працюючих скелетних м’язів;
крім скелетних м’язів та еритроцитів,
клітини деяких інших органів та тканин
(головного мозку, шлунково-кишкового
тракту, мозкового шару нирок, сітківки та
шкіри) частково задовольняють свої
енергетичні потреби за рахунок анаероб-
ного гліколізу, утворюючи молочну кислоту.
Взаємовідношення між аеробним
окисленням глюкози, аеробним та анае-
робним гліколізом подано на рис. 11.4.
Глюкоза
АДФ
АТФ
Г-6-Ф
Фр-6-Ф
АДФ
АТФ
Фр-1,6-диФ
2 мол. Г-3-Ф
2 АДФ 2 НАД
+
2 НАДН
2
2 мол. 3-ФГК
2 мол. 2-ФГК
2 мол. ФЕП
2 АДФ
2 АТФ
2 мол. Піруват
2 мол. Лактат
2 АТФ
Рис. 11.3. Метаболічна карта гліколізу.
Рис. 11.4. Взаємовідношення між аеробним окис-
ленням глюкози, аеробним та анае-
робним гліколізом.
Глюкоза
Г-3-Ф
2 НАД
+
2 НАДН
2
1,3-диФГК
Ацетил-КоА
Піруват
2 НАД
+
(мітохондрії)
. . .
Лактат
СО
2
H
2
O
153Ãëàâà 11. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Човникові механізми окислення НАДН
Мембрани мітохондрій непроникні для НАДН, тому гліколітичний НАДН, що
утворюється в цитозолі, не може безпосередньо окислюватися НАДН-дегідро-
геназою мітохондріального електронотранспортного ланцюга. Для окислення
цитозольного НАДН існують човникові системи, що транспортують відновлю-
вальні 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 внутрішньоміто-
хондріальний НАД
+
, і знову повертається до цитозолю.
Транспорт цитозольного (гліколітичного) водню в мітохондрії здійснюється
малат-аспартатною та гліцерофосфатною човниковими системами.
Малат-аспартатна човникова система — сутність її полягає у відновленні
за рахунок водню системи (НАДН
+
+ Н
+
) оксалоацетату до малату (цитозольна
реакція) з подальшим транспортом малату всередину мітохондрії і повторним
його окисленням до оксалоацетату з відновленням НАД
+
(мітохондріальна
реакція); зворотний транспорт оксалоацетату в цитозоль здійснюється після його
перетворення до аспартату (зворотна реакція трансамінування) — рис. 11.5.
Гліцерофосфатна човникова система функціонує шляхом відновлення (за
рахунок гліколітичного водню) діоксіацетонфосфату до гліцерол-3-фосфату (цито-
зольний процес), транспорту гліцерол-3-фосфату всередину мітохондрії та його
окислення в дихальному ланцюзі до діоксіацетонфосфату, який знову поверта-
ється в цитозоль.
Регуляція гліколізу
Регуляція гліколізу здійснюється за рахунок впливу негативних та позитивних
модуляторів (інгібіторів, активаторів) на каталітичну активність регуляторних
ферментів, що каталізують незворотні реакції гліколізу:
T
T
T
Малат Малат
Мембрана
мітохондрій
Цитозоль
Матрикс
мітохондрій
αα
αα
α-кетоглутарат
αα
αα
α-кетоглутарат
НАД
+
Е
1
Оксалоацетат
НАДН
2
НАД
+
НАДН
2
Оксалоацетат
Е
2
Аспартат
Глутамат
Аспартат
Глутамат
Рис. 11.5. Малат-аспартатний шунт транспорту відновлювальних еквівалентів гліколітичного
НАДН
+
в мітохондрії. Е
1
, Е
2
– мітохондріальний та цитоплазматичний ізоферменти
малатдегідрогенази; Т – транслокази мітохондріальних мембран.
154 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
– гексокінази — для ферменту м’язів алостеричним інгібітором є продукт реак-
ції глюкозо-6-фосфат;
– фосфофруктокінази — інгібіторами є метаболіт трикарбонового циклу
цитрат та АТФ; активаторами — субстрат ферменту фруктозо-6-фосфат та АМФ;
висока інтенсивність окислювальних процесів, що характеризується накопи-
ченням у клітині субстратів ЦТК та АТФ, сприяє за рахунок даного механізму
збереженню пулу глюкози; фосфофруктокіназа є швидкість-лімітуючою реакцією
гліколізу;
– піруваткінази — фермент інгібується АТФ, а також субстратами циклу ли-
монної кислоти — ацетил-КоА та жирними кислотами, що забезпечує галь-
мування гліколізу в умовах високої інтенсивності окислювальних процесів;
печінкова ізоформа піруваткінази регулюється за допомогою ковалентної моди-
фікації — цАМФ-залежного фосфорилювання (дефосфорильована форма ак-
тивна, фосфорильована — неактивна); крім того, піруваткіназа гепатоцитів є
індукованим ферментом, синтез якого стимулюється в умовах підвищеного надхо-
дження з їжею вуглеводів та зростання рівня інсуліну.
Гальмування реакцій гліколізу за рахунок пригнічення в умовах активного
клітинного дихання каталітичних активностей фосфофруктокінази та піруват-
кінази є молекулярною основою ефекту Пастера.
11.4. ЕНЕРГЕТИКА ГЛІКОЛІЗУ Й АЕРОБНОГО
ОКИСЛЕННЯ ГЛЮКОЗИ
Енергетика гліколізу
Враховуючи дві молекули АТФ, що використовуються на першій стадії глі-
колізу (гексокіназна та фосфофруктокіназна реакції), та чотири молекули АТФ,
що утворюються на другій стадії (фосфогліцераткіназна та піруваткіназна ре-
акції), сумарний процес аеробного та анаеробного гліколізу можна подати таким
рівнянням:
Утворення в реакціях гліколізу молекул АТФ за рахунок безпосереднього
перенесення макроергічних фосфатних груп від 1,3-диФГК та ФЕП на АДФ
отримало назву субстратного фосфорилювання (“фосфорилювання на рівні
субстрату”).
Енергетика аеробного окислення глюкози
Для підрахунку загальної кількості молекул АТФ, що генеруються за умов
повного окислення глюкози до двоокису вуглецю та води, враховують:
– кількість молекул АТФ, які утворились на етапі аеробного гліколізу (2 мо-
лекули АТФ);
С
6
Н
12
O
6
+ 2 АДФ + 2 Ф
Н
2 C
3
H
4
O
3
(C
3
H
6
O
3
) + 2 АТФ
155Ãëàâà 11. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
C
6
H
12
O
6
+ 6 O
2
+ 38 АДФ + 38 Ф
Н
6 СО
2
+ 6 Н
2
О + 38 АТФ
– кількість молекул АТФ, які утворились за рахунок окислення в мітохондріях
двох молекул гліколітичного НАДН (2×3 = 6 молекул АТФ);
– кількість молекул АТФ, які утворились на етапі окисного декарбоксилювання
двох молекул пірувату за рахунок окислення в мітохондріях НАДН, утвореного в
піруватдегідрогеназній реакції (2×3 = 6 молекул АТФ);
– кількість молекул АТФ, які утворились за рахунок окислення в циклі
трикарбонових кислот двох молекул ацетил-КоА (2×12 = 24 молекули АТФ).
Сумарне рівняння аеробного окислення глюкози, що враховує АТФ, генеро-
вану при субстратному фосфорилюванні на гліколітичному етапі та за рахунок
окисного фосфорилювання в мітохондріях, таке:
У зв’язку зі значно більшою енергетичною ефективністю аеробного окислення
глюкози, порівняно з гліколізом, останній процес розглядається як еволюційно
більш прадавній шлях катаболізму глюкози, що мав першорядне значення в
умовах відсутності в первісній земній атмосфері кисню.
156 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
ГЛАВА 12. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ
II. АЛЬТЕРНАТИВНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ
МОНОСАХАРИДІВ. РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ ГЛЮКОЗИ
12.1. ПЕНТОЗОФОСФАТНИЙ ШЛЯХ МЕТАБОЛІЗМУ
ГЛЮКОЗИ
Гліколітичний шлях окислення глюкози генерує НАДН та АТФ як джерела
енергії для ендергонічних процесів у біологічних системах. Разом з тим, існує
альтернативний механізм метаболізму глюкози — пентозофосфатний (фосфо-
глюконатний) шлях, в результаті функціонування якого утворюється інший тип
метаболічної енергії, а саме — відновлений НАДФ
+
(НАДФН), що в подальшому
використовується у різних реакціях відновлювального біосинтезу, зокрема синтезу
ліпідів. Крім генерації НАДФН, пентозофосфатний шлях є постачальником
пентоз, необхідних для синтезу багатьох важливих біомолекул.
Загальна характеристика пентозофосфатного шляху
Реакції та ферменти пентозофосфатного шляху (ПФШ) окислення глюкози
локалізовані в цитозолі клітин.
Сумарне рівняння процесу має вигляд:
6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ
+
+ 7 Н
2
О 5 глюкозо-6-фосфат +
+ 12 НАДФН + 6 СО
2
+ Ф
н
Як випливає з рівняння реакції, в результаті реакцій ПФШ одна (з шести)
молекула глюкозо-6-фосфату повністю окислюється з вивільненням діоксиду вуг-
лецю та акумуляцією відновлювальних еквівалентів (дванадцяти атомів водню)
у вигляді НАДФН.
Загальний процес складається із двох стадій:
I cтадія — окислювальна, в ході якої активована молекула глюкози (шість
молекул глюкозо-6-фосфату) дегідрується та декарбоксилюється з утворенням
фосфорильованої пентози — рибулозо-5-фосфату (шість молекул); на відміну
від гліколізу, акцептором водню в реакціях дегідрування є НАДФ
+
:
6 глюкозо-6-фосфат + 12 НАДФ
+
+ 6 Н
2
О 6 рибулозо-5-фосфат +
+ 12 НАДФН + 6 СО
2
II стадія — стадія ізомерних перетворень, в ході якої рибулозо-5-фосфат (шість
молекул) знову перетворюється на глюкозо-6-фосфат (п’ять молекул):
6 рибулозо-5-фосфат + Н
2
О 5 глюкозо-6-фосфат + Ф
н
Специфічними для цієї стадії є ферменти транскетолаза та трансальдолаза, що
каталізують реакції міжмолекулярного переносу дво- та тривуглецевих карбонільних
радикалів:
157Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Завдяки дії транскетолази
та трансальдолази утворю-
ються численні проміжні
метаболіти ПФШ, а саме:
фосфорильовані похідні вуг-
леводів — С
5
(ізомери ри-
булозо-5-фосфату — рибозо-
5-фосфат, ксилулозо-5-фос-
фат), С
3
(тріозофосфати), С
7
(седогептулозо-7-фосфат), С
4
(еритрозо-4-фосфат), С
6
(фруктозо-6-фосфат).
Пентозофосфатний
цикл окислення глюкози
У результаті функціону-
вання двох стадій пентозо-
фосфатного шляху метабо-
лізму глюкози відбувається
послідовне перетворення
гексоз на пентози та навпа-
ки (пентоз на гексози), що
дозволяє представити зазна-
чені перетворення у вигляді
метаболічного циклу —
пентозофосфатного циклу
(ПФЦ) окислення глюкози
(рис. 12.1).
Як випливає з наведеної схеми, реакції ПФЦ
шунтують гліколітичний шлях перетворення
глюкози до пірувату, у зв’язку з чим одна з назв
метаболічного шляху, що розглядається, —
“гексозомонофосфатний шунт окислення глю-
кози”.
Враховуючи, що в ході пентозофосфатного
циклу (ПФЦ) відбувається циклічне перетво-
рення шести- та п’ятивуглецевих молекул,
тобто гексоз (С
6
) на пентози (С
5
) з виділенням
шести молекул С
1
(СО
2
), можна подати таку
формалізовану модель циклу:
Ферментативні реакції пентозофосфатного циклу
I cтадія. Окислювальна стадія полягає в послідовному дегідруванні двох мета-
болітів ПФЦ — вихідного субстрату глюкозо-фосфату та інтермедіату 6-фосфо-
глюконату НАДФ-залежними дегідрогеназами.
Радикал, що транспортується
транскетолазою (тіамінди-
фосфатозалежним ферментом).
H
2
COH
CO
H
2
COH
CO
CHO H
Радикал, що транспортується
трансальдолазою.
6 C
6
6 C
6 C
5
5 C
6
5 × (2 C
3
)
Рис. 12.1. Схема пентозофосфатного циклу окислення глюкози
(Г-6-Ф — глюкозо-6-фосфат; Фр-6-Ф — фруктозо-6-фос-
фат; Ри-5-Ф — рибулозо-5-фосфат; ПВК —піруват).
12 НАДФ
+
6 СО
2
12 НАДФН
6 Ри-5-Ф
6 Г-6-Ф
I стадія
II стадія
Пентозофосфатний цикл
5 Фр-6-Ф
ПВК
Гліколіз
Фн
158 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
I.1. Окислення глюкозо-6-фосфату (шести молекул) до 6-фосфоглюконолактону
(фермент — НАДФ-залежна глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа) з подальшим
гідролізом лактону до 6-фосфоглюконату (фермент — лактоназа):
I.2. Окислювальне декарбоксилювання 6-фосфоглюконату до кетопентози —
D-рибулозо-5-фосфату (фермент — НАДФ-залежна 6-фосфоглюконатдегідро-
геназа):
Утворенням рибулозо-5-фосфату (який може легко перетворюватися в свій
ізомер рибозо-5-фосфат), тобто окислювальною стадією, функціонування
пентозо-фосфатного шляху мо-
же завершуватися. Така мета-
болічна ситуація відбувається в
печінці, надниркових, статевих
залозах, лактуючій молочній за-
лозі, тобто в тканинах з перева-
жанням анаболічних процесів
із збалансованою потребою в
НАДФН (необхідному для син-
тезу жирних кислот, стероїдів)
та рибозо-5-фосфаті (необхід-
ному для синтезу нуклеотидів,
нуклеїнових кислот) (рис. 12.2).
Рис. 12.2. Схема функціонування пентозофосфатного шляху
в клітинах тканин із збалансованими потребами
в НАДФН та пентозофосфатах.
Позначення: див. рис.12.1; Р-5-Ф - рибозо-5-фосфат.
Г-6-Ф
Фр-6-Ф
Р-5-Ф
Піруват
Гліколіз
НАДФ
+
СО
2
НАДФН
ПФШ
Ри-5-Ф
Нуклеотиди,
нуклеїнові
кислоти
Ліпіди
. . .
6-фосфоглюконат
глюкозо-6-фосфат 6-фосфоглюконолактон
C
HC
H
OH
OH
CHHO
HC OH
HC
CH
2
OP
O
C
HC
O
OH
CHHO
HC OH
HC
CH
2
OP
O
НАДФН
НАДФ
+
COOH
HC OH
CHHO
HC OH
HC
CH
2
OP
H
2
O
OH
6-фосфоглюконат
рибулозо-5-фосфат
COOH
HC OH
CHHO
HC OH
HC
CH
2
OP
CH
2
CO
HC OH
HC
CH
2
OP
OH
OH
НАДФН
НАДФ
+
6
OH
6
159Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
II стадія. Ця стадія починаєть-
ся з ізомеризації рибулозо-5-фос-
фату і полягає в ізомерних пере-
твореннях цукрофосфатів.
II.1. Ізомеризація шести моле-
кул рибулозо-5-фосфату шляхом
його перетворення в чотири моле-
кули ксилулозо-5-фосфату (фер-
мент — фосфопентоепімераза) та
в дві молекули рибозо-5-фосфату
(фермент — фосфопентоізомераза):
II.2. Перша транскетолазна ре-
акція — взаємодія двох молекул
ксилулозо-5-фосфату з двома моле-
кулами рибозо-5-фосфатом з утво-
ренням гліцеральдегід-3-фосфату
та седогептулозо-7-фосфату (по дві
молекули, відповідно):
II.3. Трансальдолазна реакція — взаємодія двох молекул седогептулозо-7-фосфату
з двома молекулами гліцеральдегід-3-фосфату з утворенням еритрозо-4-фосфату та
фруктозо-6-фосфату (по дві молекули, відповідно):
седогептулозо-7-фосфат гліцеральдегід-3-фосфат еритрозо-4-фосфат фруктозо-6-фосфат
2
CH
2
CO
CH
(H C
CH
2
OP
OH
OH)
3
OH
C
HC
CH
2
OP
OH
H
O
C
HC OH
HC OH
CH
2
OP
H
O
CH
2
CO
CH
HC
CH
2
OP
OH
OH
OH
+ 2
2
+ 2
HC OH
рибулозо-5-фосфат
рибозо-5-фосфат
ксилулозо-5-фосфат
CH
2
CO
HC OH
HC
CH
2
OP
OH
OH
6
CH
2
CO
CH
HC
CH
2
OP
OH
OH
C
HC OH
HC OH
HC
CH
2
OP
OH
OH
H
O
4
2
2
CH
2
CO
CH
HC
CH
2
OP
OH
OH
OH
C
HC
CH
2
OP
OH
H
O
C
HC OH
HC OH
HC
CH
2
OP
OH
H
O
CH
2
CO
CH
(HC
CH
OP
OH
OH)
3
OH
+ 2
2+ 2
ксилулозо-5-фосфат рибозо-5-фосфат гліцеральдегід-3-фосфат седогептулозо-7-фосфат
160 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Ці етапи є перетином ПФШ із гліколізом: гліцеральдегід-3-фосфат, що утво-
рився на етапі II.2., може надходити до фонду метаболітів гліколізу, або продукти
реакції II.3. вступають в другу транскетолазну реакцію, тобто перетворюються
по шляху ПФЦ.
II.4. Друга транскетолазна реакція полягає у взаємодії двох молекул ксилу-
лозо-5-фосфату (утворених в реакції II.1.) із двома молекулами еритрозо-4-
фосфату (утвореним у попередній реакції — II.3.); продукти реакції — гліцераль-
дегід-3-фосфат та фруктозо-6-фосфат (по дві молекули):
II.5. Дві молекули гліцеральдегід-3-фосфату, утворені в реакції II.4, можуть (через
стадію ізомеризації в діоксіацетонфосфат) конденсуватися в молекулу фруктозо-6-
фосфату:
II.6. Ізомеризація п’яти моле-
кул фруктозо-6-фосфату (утворе-
них у реакціях II.3, II.4 та II.5) в
п’ять молекул глюкозо-6-фосфа-
ту (фермент — фосфогексоізо-
мераза) завершує пентозофос-
фатний цикл.
Метаболічну карту реакцій
пентозофосфатного циклу окис-
лення глюкози подано на рис. 12.3.
гліцеральдегід-3-фосфат фруктозо-6-фосфатксилулозо-5-фосфат еритрозо-4-фосфат
2
CH
2
CO
CH
HC
CH
2
OP
OH
OH
HO
C
O
HC
HC
CH
2
OP
OH
H
OH
+ 2
C
O
HC
CH
2
OP
H
OH
2
+ 2
CH
2
CO
CH
HC
CH
2
OP
OH
OH
HO
HC OH
C
HC
H
O
CH
2
OH
OP
C
HC
H
O
CH
2
OH
OP
+
H
2
C
C
CH
2
OP
O
OH
HC
HC
CH
2
OH
OP
CH
OH
HO
C
CH
2
O
OH
2
фруктозо-6-фосфатдіоксіацетонфосфатгліцеральдегід-3-
фосфат
гліцеральдегід-3-
фосфат
HC
HC
CH
2
OH
OP
CH
OH
HO
C
CH
2
O
OH
5
5
HC
HC
CH
2
O
CH
OH
HO
HC
C
OH
OH
H
O
глюкозо-6-фосфатфруктозо-6-фосфат
161Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Рис. 12.3. Схема реакцій пентозофосфатного циклу. Позначення: Г-6-Ф — глюкозо-6-фосфат;
6-Ф-Г — 6-фосфоглюконат; Ри-5-Ф — рибулозо-5-фосфат; Кси-5-Ф — ксилулозо-5-фос-
фат; Р-5-Ф — рибозо-5-фосфат; Г-3-Ф — гліцеральдегід-3-фосфат; ДОАФ — діоксі-
ацетонфосфат; Се-7-Ф — седугептулозо-7-фосфат; Ер-4-Ф — еритрозо-4-фосфат;
Фр-6-Ф — фруктозо-6-фосфат; Фр-1,6-диФ — фруктозо-1,6-дифосфат.
6 Г-6-Ф
6 НАДФ
+
6 НАДФН
6 6-ФГ
6 НАДФ
+
6 НАДФН
6 СО
2
6 Ри-5-Ф
2
Кси-5-Ф 2 Кси-5-Ф 2 Р-5-Ф
2
Г-3-Ф 2 Се-7-Ф
2
Е-4-Ф
2
Фр-6-Ф
2
Фр-6-Ф 2 Г-3-Ф
Г-3-Ф ДОАФ
Фр-1,6-диФ
Фр-6-Ф
Ф
н
Г-6-Ф2 Г-6-Ф 2 Г-6-Ф
162 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
У результаті реакцій, що розглянуті, шість молекул глюкозо-6-фосфату пере-
творюються на п’ять молекул глюкозо-6-фосфату, тобто процес має вигляд метабо-
лічного циклу, як було зазначено вище.
Фізіологічне значення пентозофосфатного шляху
Пентозофосфатний шлях окислення глюкози має важливе фізіологічне значен-
ня для функціонування інших анаболічних (біосинтетичних) механізмів, а саме:
1) за рахунок функціонування пентозофосфатного шляху метаболізму глю-
кози в організмі утворюється приблизно половина пулу НАДФН (решта — в
результаті дії НАДФ-залежних ізоцитратдегідрогенази та малатдегідрогенази),
що використовується у відновлювальних синтезах жирних кислот та стероїдів;
2) пентозо-фосфатний шлях є постачальником рибозо-5-фосфату, який
використовується для утворення нуклеотидів нуклеїнових кислот ДНК та РНК,
коферментних біомолекул НАД (НАДФ), ФАД, АТФ , КоА, циклічних нуклео-
тидів 3',5'-АМФ та 3',5'-ГМФ;
У зв’язку із зазначеними біохімічними функціями, реакції пентозофосфатного
шляху найбільш активно перебігають у тканинах із вираженим анаболізмом, у
клітинах яких найбільш інтенсивно відбуваються синтези ліпідів, вільних
нуклеотидів та нуклеїнових кислот — у жировій тканині, печінці, молочній залозі
в період лактації, корі надниркових залоз, сім’яниках. У тканинах з переважан-
ням окислювального метаболізму, зокрема скелетних м’язах, реакції пентозо-
фосфатного шляху перебігають на дуже низькому рівні.
Оскільки при циклічному функціонуванні пентозофосфатного шляху основ-
ним продуктом усього процесу є саме генерація НАДФН, ПФШ має характер
метаболічного циклу (ПФЦ — рис. 12.1) в адипоцитах жирової тканини, де го-
ловною його функцією є саме генерація відновлювальних еквівалентів для синтезу
ліпідів (тобто існує переважання потреб в НАДФН над потребами в пентозо-
фосфатах). У решті клітин із високим анаболічним потенціалом (де відбувається
активний синтез як ліпідів, так і нуклеотидів) — тканини із збалансованими
потребами в НАДФН та пентозофосфатах — пентозофосфатний шлях або
закінчується на окислювальній стадії (рис. 12.2), або переходить в гліколітичний
шлях окислення глюкози на етапі утворення тріозофосфатів;
3) пентозофосфатний шлях активно функціонує в еритроцитах людини. Біоло-
гічне значення функціонування ПФЦ у цих клітинах полягає в генерації НАДФН,
що необхідний для протидії перекисному окисленню ненасичених жирних кислот
фосфоліпідів еритроцитарних мембран, тобто для попередження гемолізу
еритроцитів.
Спадкова недостатність глюкозо-6-фосфатдегідрогенази проявляється підви-
щеною схильністю еритроцитів хворих до гемолізу, особливо в разі прийому
деяких лікарських засобів (аспірину, сульфаніламідів, протималярійного препа-
рату Примахіну). Такі ж порушення у пацієнтів із дефектом глюкозо-6-фосфат-
дегідрогенази спричиняє споживання бобів Vicia faba (“фавізм”) — захворювання,
яким страждають мільйони населення в країнах Африки та Азії.
163Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
12.2. МЕТАБОЛІЗМ ФРУКТОЗИ ТА ГАЛАКТОЗИ
Важливими субстратами енергетичного обміну є моносахариди D-фруктоза
та D-галактоза, які надходять до організму людини переважно з харчовими
дисахаридами рослинного та тваринного походження: фруктоза — у складі
сахарози, що гідролізується в кишечнику ферментом сахарозою до глюкози та
фруктози, галактоза — у складі “молочного цукру” лактози, що розщеплюється
кишечною лактазою (
ββ
ββ
β-галактозидазою) до галактози та глюкози.
Після проникнення через плазматичні мембрани всередину клітин фруктоза і
галактоза включаються в обмінні процеси шляхом їх перетворення в фосфори-
льовані ефіри глюкози або її метаболітів — інтермедіатів гліколізу.
Перетворення фруктози
Включення фруктози в обмін глюкози здійснюється при дії таких ферментів:
а) неспецифічної гексокінази, що каталізує фосфорилювання різних гексоз:
D-фруктоза + АТФ
D-фруктозо-6-фосфат + АДФ
Продукт реакції — D-фруктозо-6-фосфат є метаболітом гліколітичного окис-
лення глюкози. Цей шлях метаболізму фруктози реалізується в клітинах багатьох
органів, особливо в м’язах і нирках;
б) специфічної фруктокінази, що каталізує фосфорилювання фруктози не за
6-м, а за 1-м вуглецевим атомом:
D-фруктоза + АТФ
D-фруктозо-1-фосфат + АДФ
Фруктокіназний шлях перетворення фруктози функціонує в печінці. Продукт
реакції — D-фруктозо-1-фосфат розщеплюється під дією альдолази (фруктозо-
1-фосфатальдолази) на дві тріози:
D-фруктозо-1-фосфат
гліцеральдегід + діоксіацетонфосфат
Діоксіацетонфосфат, що утворився, є інтермедіатом гліколізу, який перетво-
рюється в гліцеральдегід-3-фосфат при дії тріозофосфатізомерази. Другий про-
дукт альдолазної реакції — гліцеральдегід фосфорилюється з утворенням також
гліцеральдегід-3-фосфату (фермент — тріозокіназа):
гліцеральдегід + АТФ
гліцеральдегід-3-фосфат + АТФ
Таким чином, фруктокіназний шлях обміну фруктози перетинається з гліко-
лізом на етапі утворення двох молекул фосфотріози — гліцеральдегід-3-фосфату.
Особливості обміну фруктози в організмі людини
Основним джерелом фруктози в організмі людини є її надходження з продук-
тами харчування, втім певна кількість цієї гексози синтезується в спеціалізованих
тканинах із глюкози.
164 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Синтез ендогенної фруктози відбувається через утворення з глюкози шести-
атомного спирту сорбітолу за схемою:
Е
1
— альдозоредуктаза; Е
2
— сорбітолдегідрогеназа
1. В організмі людини фруктоза утворюється з глюкози в сім’яних везикулах;
концентрація фруктози в сім’яній рідині досягає 10 мМ. Завдяки здатності міто-
хондрій сперматозоїдів окислювати фруктозу в процесі фруктолізу, вона є енер-
гетичним джерелом для руху сперматозоїдів.
2. Фруктоза міститься в певних концентраціях у кришталику ока, де вона також
утворюється з глюкози через сорбітол. Активність цього метаболічного шляху
збільшується при цукровому діабеті; оскільки проникнення сорбітолу через клі-
тинні мембрани є утрудненим, він, разом із фруктозою, накопичується в криш-
талику, що складає біохімічну основу розвитку діабетичної катаракти.
3. Існують спадкові ензимопатії, пов’язані з генетичними дефектами синтезу
ферментів метаболізму фруктози:
а) непереносимість фруктози — захворювання, молекулярною основою якого
є уроджена недостатність фруктозо-1-фосфатальдолази, що спричиняє накопи-
чення в тканинах фруктозо-1-фосфату, який є інгібітором деяких ферментів вугле-
водного обміну, зокрема фосфорилази глікогену. Патологія проявляється фрук-
тоземією, фруктозурією та важкою гіпоглікемією, що розвиваються після
споживання дієти, яка містить фруктозу;
б) фруктоземія — патологія обміну фруктози, спричинена недостатністю
фруктокінази. Ензимопатія характеризується порушенням клітинної утилізації
фруктози без суттєвих клінічних проявів.
Перетворення галактози
Включення галактози в метаболічні процеси відбувається за таким механізмом:
(1) фосфорилювання D-галактози за 1-м вуглецевим атомом (фермент галак-
токіназа):
D-галактоза + АТФ
D-галактозо-1-фосфат + АДФ
(2) перетворення D-галактозо-1-фосфату в епімерну молекулу D-глюкозо-1-
фосфату. Реакція відбувається при участі нуклеотиду коферментного типу УДФ
(уридиндифосфату), який виконує функцію переносника гексозних груп у формі
нуклеотидцукру УДФ -1-гексози:
D-галактозо-1-фосфат + УДФ-1-глюкоза
D-глюкозо-1-фосфат +
+ УДФ-1-галактоза
Реакція каталізується ферментом галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазою
(УДФ-глюкоза: D-галактозо-1-фосфат-уридилтрансферазою).
Д-глюкоза
НАДФН НАДФ
+
НАД
+
НАДН
Д-сорбітол
Е
1
Д-фруктоза
Е
2
165Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Регенерація УДФ-
1-глюкози, тобто пере-
творення галактозно-
го радикала в глюкоз-
ний (та зворотний епі-
мерний процес) відбу-
вається у складі моле-
кули нуклеотидцукру
УДФ -гексози при дії
НАД-залежного фер-
менту УДФ-галак-
тозо-4-епімерази.
(3) Глюкозо-1-фос-
фат, що є продуктом
реакції (2), перетво-
рюється в глюкозо-6-
фосфат при дії фос-
фоглюкомутази.
Послідовність реакцій включення галактози в обмін глюкози подано на
рис. 12.4:
Розглянута послідовність ре-
акцій перетворення галактози в
глюкозу використовується також
для зворотного процесу — син-
тезу в молочних залозах галак-
този, де моносахарид використо-
вується для утворення молочного
цукру лактози.
Галактоземія
Спадковий дефект синтезу
галактозо-1-фосфат-уридил-
трансферази проявляється уро-
дженою ензимопатією — га-
лактоземією. Внаслідок неспро-
можності біохімічних систем організму перетворювати галактозу в глюкозу, в
крові та внутрішніх органах хворих накопичуються галактоза та галактозо-1-
фосфат, що проявляється збільшенням печінки, змутненням кришталика, за-
тримкою розумового розвитку. Патологія виявляється в ранньому дитячому віці
при споживанні молока, її розвиток може бути затриманий відповідними
дієтичними обмеженнями.
OH
O
H
O
H
OHH
OH
CH
2
OH
P
O
O
OH
P
O
O
OH
CH
2
H
N
H
OH
OH
H
H
O
CH
CH
C
HN
C
O
H
O
OH
H
O
H
OHH
OH
P
O
O
OH
P
O
O
OH
CH
2
H
N
H
OH
OH
H
H
O
CH
CH
C
HN
C
O
O
O
УДФ-1-галактоза
УДФ-1-глюкоза
Рис. 12.4. Схема включення галактози в метаболізм
глюкози. Е
1
— галактокіназа; Е
2
— галак-
тозил-1-фосфат-уридилтрансфераза; Е
3
—
УДФ-галактозо-4-епімераза; Е
4
— фосфо-
глюкомутаза.
Глюкозо-1-фосфат
Галактоза
Галактозо-1-фосфат
Е
1
Е
2
Е
4
Глюкозо-6-фосфат
УДФ -глюкоза
АТФ
АДФ
УДФ -галактоза
Е
3
166 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
12.3. БІОСИНТЕЗ ГЛЮКОЗИ ТА ЙОГО РЕГУЛЯЦІЯ
Головном джерелом глюкози як метаболічного палива для організму людини
є її надходження з харчовими продуктами у вигляді полісахариду крохмалю та
сахарози. Надлишок глюкози, шо не використовується в окислювальних реакціях
аеробного та анаеробного гліколізу, відкладається у вигляді енергетичних депо —
глікогену та триацилгліцеролів. Втім, існують метаболічні шляхи, що забезпе-
чують організм глюкозою за рахунок її синтезу з невуглеводних біомолекул.
Глюконеогенез (гліконеогенез) — синтез глюкози з невуглеводних метаболіч-
них попередників, до яких належать: піруват (та лактат); деякі амінокислоти
(глюкогенні амінокислоти); певна кількість глюкози може утворюватися з гліце-
ролу та продуктів катаболізму жирних кислот з непарною кількістю вуглецевих
атомів у вуглеводневому ланцюзі.
Фізіологічне значення глюконеогенезу
Реакції глюконеогенезу відбуваються переважно в печінці та, в деякій мірі, в
кірковому шарі нирок, оскільки в клітинах саме цих органів присутній повний
набір необхідних ферментів.
За добу в організмі дорослої людини синтезується до 80 г глюкози. Біосинтез
глюкози забезпечує її нормальну концентрацію в умовах зменшеного надходження
моносахариду із зовнішнього середовища та вичерпання головного акумульова-
ного джерела глюкози — глікогену печінки та м’язів. Така фізіологічна ситуація
спостерігається через декілька годин після прийому їжі (постабсорбтивний стан,
що відбувається зранку, натщесерце), в умовах тривалого голодування, після вис-
нажливої фізичної роботи. Особливо чутливий до зменшення внутрішньоклітин-
ної концентрації глюкози головний мозок людини, для якого глюкоза є основним
субстратом енергетичного обміну, що споживається в кількості близько 120 г за добу.
Метаболічний шлях глюконеогенезу
Метаболічний шлях глюконеогенезу є значною мірою оберненням гліколізу
(що утворює з глюкози піруват та лактат) за виключенням трьох гліколітичних
“кіназних” реакцій, які є термодинамічно незворотними і потребують обхідних
(шунтових) механізмів.
Незворотними реакціями гліколізу є:
1) гексокіназна (або глюкокіназна) реакція:
глюкоза + АТФ
глюкозо-6-фосфат + АДФ
∆∆
∆∆
∆G
0
= – 4,0 ккал (16,7 кДж)
2) фосфофруктокіназна реакція:
фруктозо-6-фосфат + АТФ фруктозо-1,6-дифосфат + АДФ
∆∆
∆∆
∆G
0
= – 3,4 ккал (14,2 кДж)
3) піруваткіназна реакція:
фосфоенолпіруват + АДФ піруват + АТФ
∆G
0
= – 7,5 ккал (31,4 кДж)
167Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Виходячи з незворотності зазначених реакцій, для перетворення пірувату (або
лактату) в глюкозу необхідні додаткові, специфічні для глюконеогенезу
ферментативні реакції. Це реакції:
– перетворення глюкозо-6-фосфату в глюкозу;
– перетворення фруктозо-1,6-дифосфату в фруктозо-6-фосфат;
– перетворення пірувату в фосфоенолпіруват.
Реакції та ферменти глюконеогенезу
1. Перетворення пірувату в фосфо-
енолпіруват.
Реакція відбувається в дві послідовні
стадії:
1). Перетворення пірувату в оксало-
ацетат (щавлевооцтову кислоту) за участю
ферменту піруваткарбоксилази:
піруват + СО
2
+ АТФ оксалоацетат + АДФ + Ф
н
Піруваткарбоксилаза локалізована всередині мітохондрій. Простетичною
групою ферменту є карбоксибіотин — коферментна форма СО
2
-транспортуючого
вітаміну Н. Макроергічний зв’язок АТФ витрачається на карбоксилювання
зв’язаного з ферментом біотину (див. главу 15, п. 15.1).
2). Перетворення
оксалоацетату в фос-
фоенолпіруват (ФЕП)
за участю ферменту
фосфоенолпіруват-
карбоксикінази (ФЕП-
кінази):
оксалоацетат + ГТФ
ФЕП + СО
2
+ ГДФ
У клітинах більшості тваринних організмів ФЕП-кіназа локалізована в
цитозолі, у людини — в цитозолі, частково — в мітохондріях.
Компартменталізація перетворення пірувату в ФЕП
Піруваткарбоксилазна реакція є однією з анаплеротичних реакцій циклу три-
карбонових кислот, що забезпечують підтримання високої концентрації певних
метаболітів ЦТК — в даному випадку — оксалоацетату (див. главу 10, п.10.4).
Реакція відбувається всередині мітохондрій, і для включення оксалоацетату в
реакції глюконеогенезу (за рахунок дії цитозольної ФЕП-кінази та інших фер-
ментів глюконеогенезу) необхідно транспортувати оксалоацетат через мембрани
мітохондрій у цитозоль.
Транспортування оксалоацетату в цитозоль забезпечується за допомогою однієї
з човникових систем (шунтів — shuttles, англ.), принцип дії яких полягає в пере-
творенні мітохондріального оксалоацетату, для якого внутрішні мембрани міто-
хондрій є непроникними, в сполуку, що може дифундувати в цитозоль і там
C
CH
3
O
COOH
+ CO
2
C
CH
2
O
COOH
COOH
Піруват Оксалоацетат
COOH
CH
2
CO
COOH
+ ГТФ
C
CH
2
O
COOH
P
OH
O
OH
+ CO
2
+ ГД Ф
оксалоацетат ФЕП
168 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
розщеплюватися з утворенням знову оксалоацетату. Човникові механізми вико-
ристовуються для виходу з мітохондрій у цитозольний простір оксалоацетату,
ацетил-КоА, надходження з цитозолю в мітохондрії гліколітичного НАДН.
Човникові системи транспорту оксалоацетату:
1) малатна човникова система — включає в себе: відновлення оксалоацетату
до малату за участю мітохондріального ізоферменту малатдегідрогенази:
оксалоацетат + НАДН + Н
+
малат + НАД
+
,
вихід малату через мембрани мітохондрій у цитозоль і подальше окислення
малату до оксалоацетату цитозольним ізоферментом малатдегідрогенази:
малат + НАД
+
оксалоацетат + НАДН + Н
+
2) аспартатна човникова система — функціонує шляхом внутрішньоміто-
хондріального перетворення оксалоацетату в аспартат:
оксалоацетат + L-глутамат
аспартат +
αα
αα
α-Кетоглутарат
з подальшим виходом аспартату в цитозоль і зворотним його перетворенням
знову в оксалоацетат; механізм забезпечується послідовною дією мітохондріаль-
ного та цитозольного ізоферментів аспартатамінотрансферази.
3) цитратна човникова система — функціонує шляхом внутрішньоміто-
хондріального утворення з оксалоацетату
цитрату (за рахунок дії цитратсинтази):
оксалоацетат + ацетил-КоА
цитрат,
подальшого виходу цитрату в цитозоль і
його розщеплення з вивільненням знову
оксалоацетату за дії цитратліази:
цитрат + КоА-SH
оксалоацетат +
+ ацетил-КоА
Основним механізмом виходу оксало-
ацетату в цитозоль, що постачає цито-
зольний ФЕП, який далі використовується
в реакціях глюконеогенезу, є малатний
шунт, принципи функціонування якого
подано на схемі (рис. 12.5):
2. Перетворення фруктозо-1,6-дифос-
фату в фруктозо-6-фосфат:
фруктозо-1,6-дифосфат + Н
2
О
фруктозо-6-фосфат + Ф
н
Реакція каталізується регуляторним
ферментом фруктозо-1,6-дифосфата-
зою (Фр-1,6-дифосфатазою), що містить-
ся в печінці (головним чином), а також
у нирках і епітеліоцитах кишечника.
Глюкоза
Гліколіз Глюконеогенез
ФЕП
ГТФ
ГДФ
СО
2
Оксалоацетат
НАД
+
НАДН
Малат
Малат
НАДН
НАД
+
Оксалоацетат
СО
2
Піруват
Піруват
АТФ
АДФ
Рис. 12.5. Схема малатного шунта.
169Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Фруктозо-1,6-дифосфатазна реакція забезпечує шунтування незворотної фос-
фофруктокіназної реакції гліколізу.
3. Перетворення глюкозо-6-фосфату в глюкозу:
глюкозо-6-фосфат +
+ Н
2
О глюкоза + Ф
н
Реакція забезпечує шун-
тування незворотної гексо-
кіназної (глюкокіназної)
реакції гліколізу; каталізу-
ється ферментом глюкозо-6-
фосфатазою (Г-6-Ф-азою),
найбільш високий вміст
якого — в мембранах ен-
доплазматичного ретику-
луму гепатоцитів. Завдяки
наявності в печінці високої
концентрації глюкозо-6-
фосфатази, саме цей орган
забезпечує вихід у кров
вільної глюкози за рахунок
гідролізу глюкозо-6-фос-
фату, що утворюється при
глюконеогенезі або фос-
форолітичному розщеплен-
ні глікогену. Цей механізм
є основним у підтриманні
нормальної глюкоземії,
особливо в умовах голоду-
вання.
Сумарна реакція та
енергетика глюконео-
генезу
Решта реакцій, що необ-
хідні для перетворення не-
вуглеводних субстратів у
глюкозу, є реакціями гліко-
лізу, які можуть перебігати
у фізіологічних умовах як у
прямому, так і в зворотному
напрямках. Сумарна реакція
глюконеогенезу ( враховуючи
Рис. 12.6. Метаболічна карта глюконеогенезу. Позначення:
Г-6-Ф — глюкозо-6-фосфат; Фр-6-Ф — фрукто-
зо-6-фосфат; Фр-1,6-диФ — фруктозо-1,6-ди-
фосфат; Г-3-Ф — гліцеральдегід-3-фосфат;
3-ФГК — 3-фосфогліцеринова кислота; 2-ФГК —
2-фосфогліцеринова кислота; ФЕП — фосфо-
енолпіруват.
Глутамін
Аргінін
Гістидин
Пролін
Оксалоацетат
Фр-6-Ф
Г-3-Ф
3-ФГК
2-ФГК
Ацетил-КоА
Глюкоза
Г-6-Ф
Фр-1,6-диФ
ФЕП
Піруват
Лактат
Аланін
Серин
Цистеїн
Гліцин
Треонін
αα
αα
α-Кетоглутарат
Цитрат
Сукциніл-КоА
Глутамат
Валін
Ізолейцин
Метіонін
Аспартат
Аспарагін
170 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
витрати 2 молекул АТФ та 2 молекул НАДН для зворотного перетворення 2
молекул 3-фосфогліцеринової кислоти на 2 молекули 3-фосфогліцеринового
альдегіду) має вигляд:
2 піруват + 4 АТФ + 2 ГТФ + 2 НАДН + 2 Н
+
+ 4 Н
2
О глюкоза + 2 НАД
+
+
+ 4 АДФ + 2 ГДФ + 6 Ф
н
Наведене рівняння доводить, що глюконеогенез є суттєво ендергонічним
метаболічним шляхом: синтез однієї молекули глюкози з двох молекул пірувату
потребує витрат шести макроергічних зв’язків; тому глюконеогенез, як і гліколіз,
є незворотним біохімічним процесом.
Загальну схему глюконеогенезу подано на рис. 12.6. Суцільними стрілками
позначені реакції глюконеогенезу, перервними — реакції гліколізу та ЦТК. На
схемі зазначені також місця входження в глюконеогенез основних глюкогенних
амінокислот (див. нижче).
Субстрати глюконеогенезу
Основними попередниками (субстратами) глюконеогенезу є піруват (лактат)
та амінокислоти (переважно аланін), що утворюються, головним чином, у
функціонуючих скелетних м’язах, еритроцитах та клітинах деяких інших тканин.
1. Утворення пірувату з лактату в печінці
Лактат, утворенний з пірувату в анаеробному гліколізі, є кінцевим продуктом
метаболізму; його включення в обмін речовин (окислення або використання в
синтезі глюкози — глюконеогенезі) можливе лише через реокислення до пірувату
в лактатдегідрогеназній реакції:
L-лактат + НАД
+
піруват + НАДН + Н
+
Реакція каталізується розглянутою вище (глава 11) лактатдегідрогеназою і є
протилежною за напрямком відносно лактатдегідрогеназної реакції, яка утворює
лактат із пірувату в умовах анаеробного гліколізу.
Напрямок ЛДГ-азної реакції в бік утворення пірувату наявний саме в
глюконеогенних тканинах (печінка, нирки), де його спрямованість визначається
відповідними відношеннями НАД
+
/НАДН, піруват/лактат, присутністю певного
ізоферменту ЛДГ. При цьому джерелом лактату для печінкового глюконеогенезу
є лактат, який надходить через плазму крові з місць його утворення — переважно
скелетних м’язів.
Глюкозо-лактатний цикл
Таким чином, формується циклічний процес (глюкозо-лактатний цикл, або
цикл Корі), що пов’язує процеси утворення лактату в клітинах м’язової тканини
в ході анаеробного гліколізу, його вихід у кров через плазматичні мембрани
м’язових клітин і використання лактату (після окислення в піруват) в гепатоцитах
для глюконеогенезу (рис. 12.7). Частина пірувату (не зазначена на схемі) окислю-
ється в піруватдегідрогеназній реакції до ацетил-КоА.
У скелетних м’язах ЛДГ-азна реакція перебігає переважно в бік утворення з
пірувату лактату (глава 11). За рахунок відновлення пірувату в лактат та
171Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
подальшого його використання для глюконеогенезу в печінці (цикл Корі), скелетні
м’язи не тільки втрачають “зайву” молочну кислоту, що утворюється в особливо
значних кількостях при інтенсивній фізичній праці, а й підтримують високе
співвідношення НАД
+
/НАДН, необхідне для активного функціонування гліколізу
(використання НАД
+
у процесі гліколітичної оксидоредукції).
2. Глюкогенні амінокислоти
Безпосередніми попередниками глюкози при її синтезі (та, власне, метабо-
літами глюконеогенезу) є піруват, оксалоацетат та фосфоенолпіруват. Аміно-
кислоти, які в результаті втрати аміногрупи (в реакціях дезамінування або
трансамінування) перетворюються в зазначені безазотисті сполуки, можуть, таким
чином, розглядатися як субстрати глюконеогенезу; такі амінокислоти отримали
назву глюкогенних амінокислот (амінокислоти, вуглеводнева частина яких пере-
творюється в ацетоацетат або ацетил-КоА, з яких синтез глюкози за рахунок глюко-
неогенезу неможливий — кетогенні амінокислоти).
Окремі глюкогенні амінокислоти та ділянки їх включення в метаболічний шлях
глюконеогенезу зазначені на рис. 12.6.
Глюконеогенез за участю амінокислот найбільш активний за умов повного
голодування, коли підтримання рівня енергетичних процесів в організмі, зокрема
нормальної концентрації глюкози крові та головного мозку, здійснюється за раху-
нок катаболізму власних тканинних білків.
Глюкозо-аланіновий цикл
Важливим субстратом глюконеогенезу в печінці є аланін, який може утворю-
ватися в скелетних м’язах у зворотній реакції трансамінування пірувату з глута-
матом:
піруват + глутамат
L-аланін +
+
αα
αα
α-кетоглутурат
Вивільняючись із працюючих м’я-
зів у кров, аланін поглинається гепато-
цитами і (після перетворення в піруват)
використовується в глюконеогенезі
(глюкозо-аланіновий цикл):
Глюкоза м’язів
Аланін м’язів
Піруват м’язів
Глюкоза печінки
Піруват печінки
Аланін печінки
М'язи Кров Печінка
Глюкоза Глюкоза Глюкоза
Піруват Піруват
Гліколіз
Лактат Лактат Лактат
Глюконеогенез
НАДН
НАД
+
Рис. 12.7. Глюкозо-лактатний цикл (цикл Корі).
НАДН
НАД
+
172 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Регуляція глюконеогенезу
Контроль швидкості процесів глюконеогенезу забезпечується за рахунок
метаболітної (алостеричної) регуляції, гормональної регуляції активності та синтезу
певних глюконеогенних ферментів.
1. Метаболітна регуляція глюконеогенезу — реалізується на рівні таких
регуляторних ферментів:
піруваткарбоксилази — ферменту, позитивним модулятором якого є ацетил-КоА;
за відсутності ацетил-КоА піруваткарбоксилаза є практично неактивною;
фруктозо-1,6-дифосфатази — ферменту, активність якого залежить від спів-
відношення між концентраціями позитивного модулятора АТФ та негативного
модулятора АМФ, який є інгібітором активності фруктозо-1,6-дифосфатази.
Таким чином, через регуляцію рівнів каталітичної активності зазначених
алостеричних ферментів контролюється швидкість усього синтезу глюкози, залеж-
но від загальної метаболічної ситуації в клітині:
– глюконеогенез активується в умовах зменшення внутрішньоклітинної кон-
центрації глюкози, про що свідчить накопичення ацетил-КоА (продукту аероб-
ного гліколізу), та за умов достатнього забезпечення джерелом хімічної енергії
(у формі АТФ);
– глюконеогенез гальмується при зменшенні концентрації ацетил-КоА (що
відображує зменшення швидкості розщеплення глюкози) та за умов недостатнього
енергетичного забезпечення процесу (збільшення співвідношення АМФ/АТФ).
2. Гормональна регуляція глюконеогенезу — здійснюється за участю глю-
кагону, адреналіну (епінефрину), глюкокортикоїдних гормонів кори надниркових
залоз та інсуліну.
2.1. Глюкагон, адреналін та глюкокортикоїди підвищують швидкості синтезу
в гепатоцитах шунтових ферментів глюконеогенезу — ФЕП-кінази, Фр-1,6-
дифосфатази, Г-6-Ф-ази.
2.1. Інсулін пригнічує синтез зазначених глюконеогенних ферментів, що
гальмує активність процесу глюконеогенезу.
12.4. РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ ГЛЮКОЗИ. ЦУКРОВИЙ ДІАБЕТ
Нормальна
концентрація глю-
кози в крові здо-
рової людини (в
постабсорбтивно-
му стані) складає
3,3-5,5 ммоль/л
(60-100 мг %). Цей
рівень глюкоземії
Процеси, що
збільшують
глюкоземію
Процеси, що
зменшують
глюкоземію
Глюкоза
крові (3,3-
5,5 ммоль/л)
Резорбція глюкози в
кишечнику
Мобілізація
глікогену печінки
Глюконеогенез
Окислення глюкози в
м’язах, мозку тощо
Синтез глікогену в
печінці, м’язах тощо
Ліпогенез в жировій
тканині та печінці
173Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
є життєво необхідним для нормального енергетичного обміну головного мозку і
підтримується за рахунок динамічної рівноваги між фізіологічними та біохіміч-
ними процесами, що поставляють глюкозу в кров, та відповідними процесами,
що зменшують її кількість у плазмі крові за рахунок надходження у клітини внут-
рішніх органів.
Зміни концентрації глюкози в плазмі крові призводять до зсувів у біосинтезі
та секреції в кров гормонів, які мають найбільше значення для регуляції процесів
ферментативного контролю метаболізму глюкози, головним чином глюкагону,
інсуліну, глюкортикоїдів та соматотропіну.
Глюкагон. Інсулін
Співвідношення глюкагон/інсулін має найбільше значення для регуляції
взаємовідношення між активностями процесів глюконеогенезу та гліколізу.
1. Зменшення рівня глюкоземії (гіпоглюкоземія, гіпоглікемія), що настає че-
рез декілька годин після останнього споживання їжі, супроводжується підви-
щенням рівня секреції
αα
αα
α-клітинами острівкової частини підшлункової залози
гормону глюкагону, який стимулює процеси глюконеогенезу за розглянутими вище
механізмами. За рахунок активації каскадної аденілатциклазної системи в мемб-
ранах гепатоцитів глюкагон стимулює фосфороліз глікогену, що також робить
свій внесок у збільшення рівня вільної глюкози.
2. Збільшення рівня глюкоземії (гіперглюкоземія, гіперглікемія) стимулює
секрецію
ββ
ββ
β-клітинами підшлункової залози гормону інсуліну, який підвищує ступінь
проникності плазматичних мембран багатьох клітин для глюкози (окрім головного
мозку), сприяючи їх внутрішньоклітинному метаболізму. Інсулін зменшує швид-
кість синтезу ферментів глюконеогенезу в печінці та, навпаки, стимулює синтез
ключових регуляторних ферментів гліколізу — гексокінази, фосфофруктокінази,
піруваткінази, переводячи, таким чином, обмін глюкози з глюкогенного на гліко-
літичний шлях. Крім того, інсулін стимулює синтез у печінці та м’язах глікогену,
що також є метаболічним процесом, спрямованим на зменшення концентрації
вільної глюкози.
Адреналін — гормон мозкової частини надниркових залоз, збільшення секреції
якого призводить до підвищення вмісту глюкози в крові за рахунок стимуляції
фосфоролізу глікогену (детально – див. главу 13) в м’язах та частково в печінці,
що, через Г-6-Ф-азну реакцію, супроводжується гіперглюкоземією.
Глюкокортикоїди, основним представником яких є кортизол, стимулюють
глюконеогенез (і, відповідно, підвищують рівень глюкоземії при тривалому вве-
денні в організм) за рахунок стимуляції синтезу в печінці ферментів глюконео-
генезу — головним чином ФЕП-кінази, та ферментів, що перетворюють у субст-
рати глюконеогенезу деякі глюкогенні амінокислоти (серин, тирозин, триптофан).
Соматотропін — гормон аденогіпофіза, що, подібно до інсуліну, збільшує
проникність плазматичних мембран клітин м’язової та жирової тканини для
глюкози, але, на відміну від інсуліну, — активує глюконеогенез в печінці.
174 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Цукровий діабет
Цукровий діабет — ендокринна хвороба, що характеризується генетично
детермінованим абсолютним або відносним дефіцитом гормону підшлункової залози
інсуліну. В основі розвитку цукрового діабету лежить зниження продукції інсуліну
в
ββ
ββ
β-клітинах острівкового (інсулярного) апарату підшлункової залози або
нездатність відповідних клітинних рецепторів реагувати на інсулін.
Відповідно до зазначеного розрізняють:
– інсулінозалежний цукровий діабет (ІЗЦД), який розвивається внаслідок
руйнування значної кількості (звичайно більше 90 %) секретуючих інсулін
ββ
ββ
β-клі-
тин. Причиною деструкції
ββ
ββ
β-клітин є генетично зумовлений автоімунний процес.
ІЗЦД складає 10-15 % всіх випадків цукрового діабету і проявляється гіпер-
глікемією та схильністю до кетонемії та кетоацидозу. Ця форма цукрового діабету
розвивається звичайно в ранньому віці (до 30 років), найчастіше у дітей та
підлітків;
– інсулінонезалежний цукровий діабет (ІНЗЦД) — форма цукрового діабету,
за якого у більшості хворих зберігаються
ββ
ββ
β-клітини в інсулярній частині
підшлункової залози, але порушені специфічні реакції клітин на дію інсуліну
або регуляція його секреції під впливом збільшеної концентрації глюкози крові.
ІНЗЦД розвивається звичайно у дорослих (старше 30 років) та осіб похилого
віку і проявляється гіперглікемією та ожирінням.
Найбільш характерним клініко-біохімічним проявом цукрового діабету є збіль-
шення (порівняно з нормою) рівня глюкози в крові в умовах натщесерце або
після прийому їжі, який перевищує значення, характерні для фізіологічної, алімен-
тарної гіперглюкоземії, досягаючи значень 500 мг % та більше. При легких фор-
мах захворювання гіперглюкоземія не спостерігається в постабсорбтивному стані
і виявляється лише за умов визначення толерантності організму до глюкози, яке
здійснюється шляхом “цукрового навантаження”.
Стандартним методом виявлення цукрового діабету є “оральний глюкозотоле-
рантний тест”, що здійснюється шляхом надання пацієнту (після 10-14-годинного
голодування) per os розчину, що містить 75 г глюкози; контрольні визначення глю-
кози крові проводять протягом 2 год з 15-хвилинним інтервалом (таблиця 12.1).
Т а б л и ц я 12.1. Діагностичні критерії цукрового діабету у дорослих людей, запропоновані
Національною діабетологічною групою США (за R.Berkow (Ed.): The Merck
Manual of Diagnosis and Therapy, 1992)
1 — глюкоза плазми натщесерце;
2 — оральний глюкозотолерантний тест (через 2 год).
Глюкоза крові, мг%Показник
здорові особи цукровий діабет
ГПН
1
нижче 115 не нижче 140
ОГТТ
2
нижче 140 не нижче 200
175Ãëàâà 12. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Крім зазначеного методу з одноразовим введенням пацієнту глюкози, викори-
стовують також “подвійні цукрові навантаження” (проба Штауба-Трауготта)
(рис. 12.8).
У разі зростання рівнів глюкоземії більше 180 мг % (“нирковий поріг” для
глюкози), остання починається виводитися із сечею — глюкозурія. Важкі форми
некомпенсованого цукрового діабету супроводжуються значними зрушеннями
ліпідного обміну — кетонемією та кетонурією (глава 16, п.16.4), а також підви-
щеним катаболізмом білків і амінокислот із розвитком азотемії та азотурії.
Рис. 12.8. “Цукрові криві” після подвійного навантаження глюкозою. А — здорова особа;
Б — пацієнт із цукровим діабетом.
200
40
60
80
100
120
140
160
180
220
240
260
280
300
320
340
360
0 0,5 1,5 3,0 4,0 5,0
А
50 г
глю-
кози
А
50 г
глю-
кози
20 г
глюкози
20 г
глюкози
А
А
Б
Б
ББ
Цукор крові, мл %
Час, годин
176 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
ГЛАВА 13. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДІВ
III. ОБМІН ГЛІКОГЕНУ ТА ГЛІКОКОН’ЮГАТІВ
Глікоген — тваринний гомополісахарид, що міститься в цитозолі клітин у
вигляді мікроскопічних гранул і являє собою депо лабільного метаболічного
палива. Глікоген є резервною формою глюкози, збереження надлишків якої у
вигляді молекул мономерів неможливе у зв’язку з її високою осмотичною актив-
ністю. Основними органами, в яких депонується найбільша кількість глікогену,
є печінка та скелетні м’язи, які можуть забезпечувати власні енергетичні потреби
та рівень глікемії (печінка) в перервах між споживанням їжі.
Глікокон’югати — складні молекули, що містять оліго- або полісахаридні
ланцюги, сполучені з пептидним або ліпідним фрагментом. Нормальний біосин-
тез та розщеплення вуглеводної частини глікокон’югатів є важливою передумовою
реалізацїї біологічних функцій протеогліканів, глікопротеїнів та гліколіпідів.
13.1. БІОСИНТЕЗ ТА РОЗЩЕПЛЕННЯ ГЛІКОГЕНУ
Реакції метаболізму молекул глікогену каталізуються ферментами, що
структурно зв’язані з цитозольними гранулами полісахариду і забезпечують
контроль швидкості його синтезу або мобілізації, залежно від рівня глікемії
(глюкоземії) та стану регуляторних систем організму.
Ферментативні реакції синтезу глікогену (глікогенезу)
1. Утворення нуклеотидцукру-попередника.
O
HO
O
OH
OH
CH
2
OH
PO
3
H
2
HO P O
O
OH
P
O
O
OH
P
O
O
OH
CH
2
OH
OH
O
N
NH
O
O
O
O
OH
OH
CH
2
OH
PO
O
OH
P
O
O
OH
CH
2
OH
OH
O
N
NH
O
O
HO
+
+
H
4
P
2
O
7
Глюкозо-1-фосфат
УТФ
УДФ -1-глюкоза
177Ãëàâà 13. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Ус і біохімічні реакції утворення складних вуглеводів — оліго- та полісахаридів
потребують наявності метаболічно активних форм моносахаридів, у ролі яких
виступають сполучені з цукрами нуклеотиди (див. також нижче — синтез
глікопротеїнів та протеогліканів).
Метаболічно активною формою глюкози, що використовується у формуванні
нерозгалужених гомополісахаридних ланцюгів глікогену, є УДФ-1-глюкоза, яка
утворюється в реакції, наведеній на с.176.
Реакція катазізується ферментом УДФ-глюкозопірофосфорилазою і є обер-
неною, але у фізіологічних умовах її рівновага зсунута праворуч у зв’язку з постій-
ним гідролізом пірофосфату, що утворюється (Н
4
Р
2
О
7
), пірофосфатазою.
Глюкозо-1-фосфат, який є субстратом реакції, утворюється з глюкозо-6-фос-
фату (див. главу 11) за рахунок дії фосфоглюкомутази.
2. Формування нерозгалужених ланцюгів глікогену.
При синтезі
αα
αα
α-1,4-глікозидних (амілозних) ланцюгів глікогену в ролі акцеп-
торів активованих залишків глюкози виступають нерозгалужені полісахаридні
ланцюги вже наявних у клітині молекул глікогену (“затравочний” глікоген). Фер-
мент УДФ-глікогентрансфераза (глікогенсинтаза) переносить молекули моноса-
хариду від УДФ -1-глюкози на С-4-гідроксильні групи термінальних (n-их)
залишків глюкози:
УДФ-1-глюкоза + (С
6
Н
10
О
5
)
n
УДФ + (С
6
Н
10
О
5
)
n+1
O
HO
O
OH
OH
CH
2
OH
PO
O
OH
P
O
O
OH
Уридин
O
HO
OH
OH
CH
2
OH
O
OH
OH
CH
2
OH
O
O
. . .
O
HO
OH
OH
CH
2
OH
O
OH
OH
CH
2
OH
O
O
O
OH
OH
CH
2
OH
O
. . .
+
(n)
(n-1)
(n+1)
(n) (n-1)
+ УДФ
(С
6
Н
10
О
5
)
n+1
УДФ-1-глюкоза
(С
6
Н
10
О
5
)
n
178 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
3. Формування розгалужень у молекулі глікогену.
Розгалуження в
молекулі глікогену
виникають за раху-
нок внутрішньомо-
лекулярного пере-
носу олігосахарид-
ного фрагмента з 6-7
мономерів із кінця
лінійної ділянки на
С-6-гідроксильну
групу глюкози, що
відстоїть від кінця
молекули на кілька
моносахаридних
залишків. Реакція
каталізується аміло
(1,4-1,6) транс-
глікозилазою (роз-
галужуючий фер-
мент).
За механізмом, що розглянутий, синтезуються макромолекули глікогену
(м.м. 1⋅10
6
-2⋅10
8
), що містять від кількох тисяч до мільйона монозних залишків і
формують гранули розміром 40-200 нм.
Ферментативні реакції розщеплення глікогену (глікогенолізу).
1. Процес глікогенолізу реалізується за механізмом фосфоролітичного роз-
щеплення, яке полягає у фосфоролізі 1,4-глікозидного зв’язку на нередукуючому
кінці молекули глікогену (такому, що містить вільну (С-4)-ОН-групу). В реакції
Рис. 13.1. Схема утворення розгалужень у молекулі глікогену.
(n = 6 – 7)
. . .
E
. . .
O
H
O
OH
OH
CH
2
OH
O
OH
OH
CH
2
OH
O
O
O
OH
OH
CH
2
OH
O
. . .
P
O
OH
OH OH
O
HO
OH
OH
CH
2
OH
PO
OH
O
OH
O
HO
OH
OH
CH
2
OH
O
O
OH
OH
CH
2
OH
O
. . .
+
(С
6
Н
10
О
5
)
n-1
(С
6
Н
10
O
5
)
n
глюкозо-1-фосфат
179Ãëàâà 13. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
вивільнюється глюкозо-1-фосфат, а нерозгалужений фрагмент молекули глікогену
скорочується на один моносахаридний залишок:
(С
6
Н
10
O
5
)
n
+ Н
3
РО
4
глюкозо-1-фосфат + (С
6
Н
10
О
5
)
n-1
Фермент, що каталізує реакцію, — глікогенфосфорилаза.
2. Фосфорилаза відрізає моносахаридні залишки у вигляді глюкозо-1-фосфату
від нерозгалужених амілозних ланцюгів глікогену. Розщеплення розгалужених фраг-
ментів відбувається під дією аміло-1,6-глікозидази (дерозгалужуючий фермент).
Фермент каталізує глікозилтрансферазну та аміло-1,6-глюкозидазну реакції,
а саме:
– переносить олігосахаридні залишки, що складаються із трьох моносаха-
ридів, в кінець нерозгалужених ланцюгів, що експонує залишки глюкози,
сполучені з основним ланцюгом
αα
αα
α(1
6)-глікозидними зв’язками;
– розриває (1
6)-глікозидні зв’язки гідролітичним шляхом, вивільняючи
молекули глюкози.
3. Глюкозо-1-фосфат, що утворюється при фосфоролізі глікогену, під дією
фосфоглюкомутази перетворюється в глюкозо-6-
фосфат.
4. Подальші метаболічні шляхи обміну глюкозо-
6-фосфату відмінні в клітинах печінки і м’язів:
– в печінці глюкозо-6-фосфат при дії глюкозо-
6-фосфатази перетворюється у вільну глюкозу, яка
надходить у кров і використовується в інших орга-
нах і тканинах;
– у м’язах, які не містять глюкозо-6-фосфатази,
глюкозо-6-фосфат використовується для власних
енергетичних потреб, окислюючись аеробним або
анаеробним шляхом.
Схему фосфоролізу глікогену в клітинах печінки
та м’язів подано на рис. 13.2.
13.2. РЕГУЛЯЦІЯ ГЛІКОГЕНОЛІЗУ ТА ГЛІКОГЕНЕЗУ
Глікоген є головною молекулярною формою запасання вуглеводів в організмі
людини і тварин, що акумулюється у вигляді внутрішньоклітинних гранул, пере-
важно в печінці та м’язах, під час травлення і витрачається в проміжках між
прийомами їжі. Концентрація глікогену в гепатоцитах значно перевищує його
концентрацію в клітинах м’язів, але, враховуючи загальну масу скелетних м’язів,
в останніх зберігається більша частина тотального глікогену організму.
Кількісні показники вмісту глікогену в органах дорослої людини наведені в
таблиці 13.1.
Глікоген
(C
6
H
10
O
5
)
n
Глюкозо-1-фосфат
Глюкозо-6-фосфат
Піруват
(лактат)
Глюкоза
М’язи Печінка
Рис. 13.2. Метаболічна схема
фосфоролізу глікогену
в печінці та м’язах.
180 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Т а б л и ц я 13.1. Вміст глікогену та глюкози в організмі людини (масою 70 кг, після
споживання їжі)
1
— маса печінки — 1,8 кг;
2
— маса м’язів — 35 кг;
3
— загальний об’єм екстрацелюлярної рідини — 10 л.
Завдяки наявності глюкозо-6-фосфатази, мобілізація глікогену печінки при-
зводить до утворення вільної глюкози, що визначає функцію гепатоцитів у
підтриманні рівня глікемії в умовах зменшення або відсутності абсорбції глю-
кози з кишечника. Вичерпання резервів глікогену печінки спостерігається у
людини через 12-18 год після прийняття їжі; в цих умовах рівень глюкози в крові,
необхідний для нормального функціонування інших тканин, насамперед
головного мозку, підтримується за рахунок глюконеогенезу в печінці та нирках.
На відміну від печінки, м’язи використовують глікогеноліз лише для покриття
власних енергетичних потреб. Значне зменшення концентрації глікогену м’язів
спостерігається лише після тривалої та виснажливої фізичної роботи.
Виходячи із зазначеного, в організмі повинні існувати регуляторні механізми,
що контролюють координовані зміни процесів синтезу та розпаду глікогену в
умовах змін у режимі харчування, переходу організму від стану спокою до
активної діяльності.
Ключову роль у регуляції реакцій глікогенолізу та глікогенезу відіграють
ключові ферменти розщеплення та синтезу глікогену глікогенфосфорилаза
та глікогенсинтаза. Контроль активностей глікогенфосфорилази та глікогенсин-
тази здійснюється шляхом їх ковалентної модифікації (фосфорилювання —
дефосфорилювання) та частково — за механізмом алостеричної регуляції.
Регуляція активності глікогенфосфорилази
Глікогенфосфорилаза печінки та м’язів — це димер, який містить у своєму складі
піридоксальфосфат. Фермент може перебувати в активній фосфорильованій формі
(фосфорилаза а) та неактивній дефосфорильованій формі (фосфорилаза b).
1. Перетворення неактивної фосфорилази b в активну фосфорилазу a відбувається
шляхом фосфорилювання серинових залишків у молекулі фосфорилази за рахунок
макроергічних зв’язків АТФ:
фосфорилаза b + 4АТФ
фосфорилаза a + 4АДФ
(димер) (тетрамер)
Дефосфорилювання фосфорилази a протеїнфосфатазою (фосфатазою)
призводить до утворення неактивної фосфорилази b.
Пул вуглеводів Концентрація Загальна кількість
Глікоген печінки
1
4,0 % 72 г
Глікоген м'язів
2
0,7 % 245 г
Глюкоза екст
р
ацелюля
р
на
3
0,1 % 10 г
Всього 327 г
181Ãëàâà 13. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
2. Фермент, що фосфорилює фосфорилазу b, — кіназа фосфорилази b. Кіназа
фосфорилази b також існує в двох молекулярних формах — неактивній та активній,
які взаємоперетворюються шляхом фосфорилювання — дефосфорилювання.
Фосфорилювання кінази фосфорилази b (КФ b) відбувається за участю АТФ
під дією цАМФ-залежної протеїнкінази:
цАМФ-залежна
протеїнкіназа
КФ b (неактивна) + АТФ
КФ b (активна) + АДФ
Дефосфорилювання кінази фосфорилази b фосфатазою супроводжується зво-
ротним переходом ферменту в неактивну форму.
3. Каталітично активна протеїнкіназа формується за умов її взаємодії з
3',5'-АМФ (цАМФ), утворення якого в аденілатциклазній реакції є пусковою
молекулярною подією, що включає каскадний механізм регуляції ферментних
процесів у клітині (глава 7).
Активація
аденілатциклази
в гепатоцитах
відбувається за
умов взаємодії з
мембранними ре-
цепторами гормо-
ну
αα
αα
α-клітин під-
шлункової залози
глюкагону. В клі-
тинах м’язів фер-
ментний каскад
глікогенолізу
включається при
взаємодії з
ββ
ββ
β-ад-
ренорецепторами
мембран міоци-
тів гормону моз-
кового шару над-
ниркових залоз
адреналіну (епі-
нефрину).
Схему фер-
ментного каска-
ду регуляції ак-
тивності фос-
форолізу гліко-
гену подано на
рис. 13.3:
Адреналін
Глюкагон
Аденілатциклаза
АТФ
цАМФ
Глікоген
АТФ АДФ
Фосфорилаза b
(неактивна)
Глюкозо-1-фосфат
Ф
цАМФ-залежні
протеїнкінази
АТФ
АДФ
КФb
(неактивна)
КФb
(активна)
Ф
Фосфорилаза а
(активна)
Ф
н
Глюкоза
(CO
2
, H
2
O)
Рис. 13.3. Ферментний каскад фосфоролізу глікогену.
182 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
4. У м’язах існують також механізми стимуляції глікогенолізу шляхом ало-
стеричної активації фосфорилази b та кінази фосфорилази b без фосфорилю-
вання цих білків ферментного каскаду:
– до складу кінази фосфорилази b входить субодиниця, що є Са
2+
-зв’язуючим
білком, за своїми властивостями ідентичним кальмодуліну. Зв’язування цією
субодиницею чотирьох іонів кальцію активує каталітичний центр кінази фосфо-
рилази b, хоча молекула ферменту залишається в дефосфорильованому стані.
Цей процес має фізіологічне значення термінового механізму забезпечення енер-
гією м’язового скорочення, який включається в результаті вивільнення Са
2+
з
саркоплазматичного ретикулума після надходження нервового імпульсу;
– активація м’язової фосфорилази b м’язів може також відбуватися без її
фосфорилювання. Алостеричним активатором ферменту є АМФ, концентрація
якого в м’язах значно зростає в умовах тривалого фізичного навантаження, що
призводить до вичерпання резервів АТФ і накопичення АДФ та АМФ. Активована
АМФ фосфорилаза b здатна забезпечити швидкість глікогенолізу, достатню для
виконання м’язової роботи помірної інтенсивності.
Регуляція активності глікогенсинтази
Аналогічно до глікогенфосфорилази, глікогенсинтаза може існувати в двох
молекулярних формах — фосфорильованій і дефосфорильованій. Але, на відміну
від глікогенфосфорилази, каталітично активною є дефосфорильована форма
ферменту — глікогенсинтаза a, а неактивною — фосфорильована форма —
глікогенсинтаза b.
Фосфорилювання глікоген-синтази здійснюється за сериновими залишками фер-
менту цАМФ-залежною протеїнкіназою за рахунок макроергічних фосфатів АТФ:
глікогенсинтаза a + 2АТФ
глікогенсинтаза b + 2АДФ
(активна) (неактивна)
Зворотна реакція — дефосфорилювання (активація) глікоген-синтази ката-
лізується відповідною фосфатазою.
Із наведеного зрозуміло, що стимуляція каскаду фосфоролізу глікогену адре-
наліном або глюкагоном, яка супроводжується зростанням концентрації в клітинах
цАМФ та активності цАМФ-залежних протеїнкіназ, призводить до фосфорилю-
вання глікогенсинтази і її інактивації, тобто до пригнічення реакцій синтезу
глікогену.
Таким чином, глікогенфосфорилаза і глікогенсинтаза регулюються рецип-
рокно: активація глікогенфосфорилази (і фосфоролізу глікогену) відбу-
вається в умовах інактивації глікогенсинтази (і синтезу глікогену). Ця ре-
ципрокна регуляція метаболізму є яскравим проявом молекулярної логіки живих
організмів, які включають катаболічні ферментні системи при необхідності за-
безпечення клітин енергією (м’язова діяльність вимагає розщеплення резервних
вуглеводів) і переключають біохімічні реакції на шляхи анаболізму (в даному
випадку — синтезу глікогену) в період фізіологічного спокою (рис.13.4).
183Ãëàâà 13. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Гормональна регуляція метаболізму глікогену
Участь гормонів у регуляції глікогенолізу та глікогенезу в м’язах та печінці
може бути підсумована таким чином:
А. У м’язах.
Адреналін — стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез шляхом:
а) активації глікогенфосфорилази за рахунок її цАМФ-залежного фосфори-
лювання;
б) інгібірування глікогенсинтази за рахунок її цАМФ-залежного фосфори-
лювання.
Інсулін — стимулює глікогенез і гальмує глікогеноліз шляхом:
а) підвищення проникності мембран м’язових клітин для глюкози, що вико-
ристовується для синтезу глікогену;
б) зменшення внутрішньоклітинного рівня цАМФ за рахунок активації її
розщеплення фосфодіестеразою.
Б. У печінці.
Глюкагон — стимулює глікогеноліз та гальмує глікогенез за механізмом,
аналогічним дії адреналізу в клітинах м’язів.
Інсулін — підвищує активність ферментативних реакцій синтезу глікогену за
рахунок біохімічних механізмів, близьких до розглянутих вище.
Таким чином, співвідношення глюкагон/інсулін є важливим фізіологічним
механізмом, що контролює глікогенну функцію печінки та рівень глюкози в крові
після споживання їжі:
– 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 кілька годин після спожи-
вання їжі.
Синтаза
а
(активна)
OH
Фосфорилаза
b
(неактивна)
OH
Синтаза b
(неактивна)
Фосфорилаза
a
(активна)
О
P
Ф
н
H
2
O
АДФ
АТФ
Рис.13.4. Схема реципрокної регуляції активностей глікогенфосфорилази та глікогенсинтази.
184 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
13.3. ГЕНЕТИЧНІ ПОРУШЕННЯ МЕТАБОЛІЗМУ ГЛІКОГЕНУ
Спадкові порушення реакцій розщеплення або синтезу глікогену проявляються
у вигляді ензимопатій — хвороб накопичення глікогену — глікогенозів та агліко-
генозів.
Глікогенози
Глікогенози — спадкові хвороби, молекулярною основою виникнення яких є
уроджена недостатність синтезу певних ферментів глікогенолізу, пов’язана з де-
фектами в генетичній системі клітин. При глікогенозах у внутрішніх органах та
тканинах (здебільшого в печінці, м’язах, клітинах крові) спостерігається нако-
пичення аномально надмірної кількості глікогену, іноді зі зміненою молекулярною
структурою, який не може використовуватися у метаболічних процесах — таб-
лиця 13.2.
Т а б л и ц я 13.2. Біохімічні характеристики глікогенозів (за R.Berkow (Ed.): The Merck Manual of
Diagnosis and Therapy, 1992, із змінами)
Клінічно глікогенози проявляються важкою гіпоглюкоземією внаслідок не-
здатності глікогену печінки розщеплюватися з вивільненням молекул глюкози.
Глікогенози, при яких ушкоджені ферментні системи мобілізації глікогену печін-
ки, характеризуються збільшенням маси органа, жировою дистрофією гепатоцитів
та явищами цирозу. Недостатність ферментних систем глікогенолізу в м’язах су-
проводжується судомами за умов фізичних навантажень.
Аглікогенози
Аглікогенози — спадкові хвороби накопичення глікогену, молекулярною
основою яких є генетичні дефекти, що призводять до порушення утворення фер-
менту глікогенсинтази.
Внаслідок недостатності глікогенсинтази гепатоцити не здатні утворювати
резерви глікогену, концентрація якого всередині клітин значно зменшена. Внас-
лідок відсутності глікогенових резервів хворі при аглікогенозах, як і при глікоге-
нозах, страждають від глибокої гіпоглюкоземії, особливо натщесерце, після знач-
ної перерви з часу надходження харчової глюкози. Гіпоглюкоземія при аглікогено-
зах може супроводжуватися важкою комою внаслідок енергетичного голодування
головного мозку. Такі хворі звичайно вмирають у ранньому дитячому віці.
Тип Ферментна система, що
порушена
Ушкоджені органи і
тканини
Тривіальні
(епонімічні) назви
0 Глікогенсинтаза Печінка, м'язи —
I Глюкозо-6-фосфатаза Печінка, нирки Хвороба Гірке
II Лізосомальні глікозидази Всі органи Хвороба Помпе
III Аміло-1,6-глюкозидаза Печінка, м'язи, міокард,
лейкоцити
Хвороба Форбса
IV
Аміло(1,4 →1,6)трансглікозилаза
(розгалужуючий фермент)
Печінка, м'язи, міокард тощо Хвороба Андерсена
V Фосфорилаза м'язів Хребцеві м'язи Хвороба Мак-Ардля
VI Фосфорилаза печінки Печінка Хвороба Херса
VII Фосфофруктокіназа Хребцеві м'язи, еритроцити Хвороба Таруі
185Ãëàâà 13. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
13.4. МЕТАБОЛІЗМ ВУГЛЕВОДНИХ КОМПОНЕНТІВ
ГЛІКОКОН’ЮГАТІВ
Глікозилювання невуглеводних молекул є важливим класом біохімічних реак-
цій, що призводять до утворення гібридних молекул глікокон’югатів. У результаті
реакцій глікозилювання олігосахаридні та полісахаридні ланцюги приєднуються
ковалентними зв’язками до поліпептидів або ліпідів, утворюючи фізіологічно
важливі глікопротеїни, гліколіпіди та протеоглікани.
Біосинтез глікон’югатів
Процеси глікозилювання білків і ліпідів відбуваються в ендоплазматичному
ретикулумі та апараті Гольджі і каталізуються специфічними глікозилтрансфера-
зами. Біохімічні реакції синтезу олігосахаридних фрагментів глікопротеїнів, глі-
коліпідів та гетерополісахаридних фрагментів протеогліканів (глікозамінгліканів)
в цілому співпадають і будуть розглянуті на прикладі більш детального вивченого
процесу утворення вуглеводних компонентів глікопротеїнів. Проте існують суттєві
відмінності в молекулярних механізмах біосинтезу О- та N-зв’язаних глікопротеїнів.
1. Синтез О-зв’язаних глікопротеїнів
Олігосахаридні ланцюги глікопротеїнів О-глікозидного типу конструюються
шляхом ступеневого приєднання моносахаридних залишків до ОН-груп серину
або треоніну поліпептидної частини молекули. Донорами вуглеводних залишків
у цих реакціях є нуклеотидцукри, зокрема УДФ-N-ацетилгалактозамін (UDP-
GalNAc), УДФ-галактоза (UDP-Gal) та ЦМФ-N-ацетилнейрамінова (сіалова) кис-
лота (СMP-NeuAc).
Ферменти, що каталізують перенос моносахаридного залишку від нуклеотид-
цукрів на OH-Ser(Thr), — мембранозв’язані глікопротеїн-глікозилтрансферази.
Першим цукром в олігосахаридному ланцюзі глікопротеїну, що приєднується
безпосередньо до ОН-групи серину (треоніну) поліпептидного компонента є, як
правило, N-ацетилгалактозамін (GalNAc), другим — галактоза (Gal) або N-ацетил-
нейрамінова кислота (NeuAc):
1) UDP-GalNAc + HO-Protein
GalNAc-Protein
2) CMP-NeuAc + GalNAc-Protein
NeuAc-GalNAc-Protein
Така послідовність реакцій глікозилювання призводять до утворення біомо-
лекул, прикладами яких є О-зв’язані полісахариди глікопротеїнів слини (муци-
нів) (а) та сіалоглікопротеїнів еритроцитарних мембран людини (б):
Початок процесу глікозилювання, тобто приєднання перших моносахаридних
залишків до пептидного ланцюга, відбувається в ендоплазматичному ретикулумі,
NeuAc GalNAc Ser(Thr)
Gal
GalNAc Ser(Thr)
NeuAc
NeuAc
(а)
(б)
186 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
тобто під час синтезу поліпептиду (трансляції), приєднання термінальних моно-
сахаридів — в комплексі Гольджі.
2. Синтез N-зв’язаних глікопротеїнів
Особливістю синтезу N-зв’язаних глікопротеїнів є участь високомолекулярного
спирту ізопреноїдної природи — доліхолфосфату, який виступає в ролі проміж-
ного переносника олігосахаридних фрагментів.
За хімічною будовою доліхол є високомолекулярним спиртом, що, подібно до
каучука, має найбільшу довжину з природних вуглеводнів. Гідрофобна основа
доліхолу занурена в товщу ліпідного біслою біомембран, а ОН-група, що взаємодіє
з водною фазою, здатна акцептувати моносахаридні фрагменти при послідовній
дії специфічних глікозилтрансфераз.
Включенню доліхолу (Dol) в реакції глікозилювання передує його фосфорилю-
вання за участю ферменту доліхолкінази та ATP як донору фосфату:
Dol + ATP
Dol–P + ADP
Фосфорильований доліхол взаємодіє з активованою молекулою N-ацетилглю-
козаміну у формі UDP-GlcNAc в реакції, яка становить перший етап глікозилю-
вання доліхолу:
Dol–P + UDP–GlcNAc
GlcNAc–P–P–Dol + UMP
За рахунок послідовної дії специфічних глікозилтрансфераз та за участю відпо-
відних нуклеотидцукрів відбувається формування олігосахарид-пірофосфорилдо-
ліхолу — молекулярної структури, що є донором олігосахаридних фрагментів у
процесі N-глікозилювання глікопротеїнів. У подальшому олігосахариди, сполу-
чені з молекулами доліхол-пірофосфату, в цілому вигляді переносяться на амідні
групи одного або декількох залишків аспарагіну акцепторного білка. Реакція ката-
лізується мембранозв’язаною олігосахарид-трансферазою і відбувається в ендо-
плазматичному ретикулумі та апараті Гольджі.
N-зв’язані глікопротеїни, що утворилися в результаті розглянутої послідов-
ності реакцій, мають спільне для всіх глікопротеїнів пентасахаридне ядро
(Man)
3
(GlcNAc)
2
, сполучене з NH-групою аспарагіну:
Man
Man
Man
GlcNAc GlcNAc Asn
Пентасахаридне ядро, спільне для молекул N-зв’язаних глікопротеїнів.
HO CH
2
CH
2
C
H
CH
3
CH
2
CH
2
CH C
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
CH C
CH
3
CH
3
n
Будова молекули доліхолу. n = (17 – 20) — кількість ізопреноїдних залишків.
187Ãëàâà 13. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Із зазначеним пентасахаридом зв’язані різні за будовою зовнішні олігосаха-
ридні ланцюги. Ці зовнішні розгалужені олігосахаридні фрагменти, залежно від
складу моносахаридних залишків та будови ланцюгів, поділяються на складні,
гібридні та збагачені манозою олігосахариди.
Глікопротеїни, що утворилися в результаті процесів О- та N-глікозилювання,
залишаються зв’язаними з мембранними структурами у вигляді інтегральних біл-
ків мембран або секретуються в екстрацелюлярний простір.
3. Синтез гліколіпідів
Гліколіпіди — важливі структурні компоненти біомембран, що визначають,
разом із мембранними глікопротеїнами, антигенні властивості клітин.
Подібно до утворення глікопротеїнів, формування гліколіпідів, зокрема гліко-
сфінголіпідів, відбувається за механізмом послідовного нарощування олігосаха-
ридів за участю специфічних глікозилтрансфераз. Донорами моносахаридів та
їх похідних є нуклеотидцукри, що переносять залишки цукрів на молекулярну
основу, якою виступає церамід (ацилсфінгозин). Процес відбувається за схемою:
UDP–Gal + Cer
Gal–Cer + UDP
UDP–GalNAc + Gal–Cer
GalNAc–Gal–Cer + UDP
За розглянутим механізмом відбувається синтез гліколіпідів мембран еритро-
цитів, що складають антигенні детермінанти груп крові людини за системою АВО.
Генетично детерміновані відмінності в групах крові визначаються особливостями
молекулярної будови олігосахаридних компонентів мембранних гліколіпідів та
глікопротеїнів, зокрема інтегрального білка мембран еритроцитів — глікофорину.
В осіб із групою крові О функ-
ціонує ген (Н), експресія якого су-
проводжується наявністю в мемб-
ранах еритроцитів гліколіпіду, що
містить у своєму складі базовий
олігосахарид із термінальною фу-
козою — олігосахарид типу О, або
так званий антиген Н. Особини з
групами крові А та В мають алельні
гени (I
A
та I
B
, відповідно), що від-
повідальні за синтез глікозилтранс-
фераз, які здатні модифікувати
базовий олігосахарид О, приєдну-
ючи до нього залишки N-ацетилга-
лактозаміну (тип А) або галактози
(тип В).
Гетерозиготні особини, в еритроцитах яких експресовані обидва типи оліго-
сахаридів (А та В) мають групу крові АВ. Відомо більше 30 різних груп крові,
що розрізняються антигенними детермінантами еритроцитів, тобто будовою
мембранних гліколіпідів та глікопротеїнів.
F uc Gal GlcNA c Gal Glc Cer
Fuc
Gal GlcNA c Gal Glc Cer
GalNA c
F uc Gal GlcNA c Gal Glc Cer
Gal
(а)
(б)
(в)
Олігосахарид типу О
Олігосахарид типу А
Олігосахарид типу В
Олігосахаридні залишки, що присутні в гліколіпідах
еритроцитів людей з групами крові О, А, В та АВ.
188 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Катаболізм глікокон’югатів
Розщеплення гетерополісахаридних фрагментів глікокон’югатів — протео-
гліканів, глікопротеїнів і гліколіпідів реалізується за участю глікозидаз, що
локалізовані в лізосомах, та специфічні до різних типів глікозидних зв’язків.
Найбільш вивченими є лізосомальні ферменти, які беруть участь у деградації
вуглеводних компонентів протеогліканів (глікозамінгліканів) та гліколіпідів.
Уроджені порушення розщеплення цих сполук (ензимопатії) проявляються гліко-
зидозами, за яких відбувається внутрішньоклітинне накопичення певних форм
гетерополісахаридів.
Деградація гетерополісахаридних структур протеогліканів каталізується фер-
ментами, які за своєю субстратною специфічністю поділяються на ендоглікози-
дази, екзоглікозидази, сульфатази. До глікозидаз, що беруть участь у катаболізмі
глікозамінгліканів, належать:
Гіалуронідаза — широко розповсюджена в тканинах ендоглікозидаза, що діє
на гіалуронову кислоту та хондроїтинсульфати, розщеплюючи їх до тетра-
сахаридних фрагментів.
ββ
ββ
β-Глюкуронідаза — екзоглікозидаза, що відщеплює глюкуронову та ідуронову
кислоту від тетрасахаридів (див. вище) та таких гетерополісахаридів, як дерма-
тансульфати, гепарансульфати, хондроїтинсульфати, гіалуронова кислота. При
спадковій недостатності ферменту у хворих спостерігається виділення глікозамін-
гліканів із сечею.
ββ
ββ
β-Галактозидази — множинні ферменти, що розщеплюють внутрішні
ββ
ββ
β-га-
лактозидні зв’язки в олігосахаридних залишках протеогліканів, глікопротеїнів
та гліколіпідів.
ββ
ββ
β-D-Ацетилгексозамінідаза — екзоглікозидаза, що відщеплює від вуглеводних
компонентів глікокон’югатів термінальні N-ацетилгексозаміни GlcNAc та GalNAc.
Спадкова недостатність ферменту спостерігається при таких гліколіпідозах, як
хвороби Тея-Сакса та Зандхоффа.
αα
αα
α-L-Ідуронідаза — екзоглікозидаза, що відщеплює від полісахаридних ланцю-
гів термінальні залишки L-ідуронової кислоти. Відомо декілька форм спадкових
порушень, пов’язаних із недостатністю цього ферменту.
Існує декілька лізосомальних сульфатаз, що відщеплюють сульфатні залишки
від різних мономерних одиниць у складі глікозамінгліканів, зокрема арилсульфа-
таза А, арилсульфатаза В та арилсульфатаза С. Недостатність сульфатаз
проявляється декількома формами глікозидозів.
13.5. ГЛІКОЗИДОЗИ. ГЕНЕТИЧНІ ПОРУШЕННЯ
МЕТАБОЛІЗМУ ГЛІКОЗАМІНГЛІКАНІВ
Глікозидози — генетичні порушення метаболізму гетеполісахаридів, що є
структурними компонентами протеогліканів та гліколіпідів. Глікозидози, які
189Ãëàâà 13. Ìåòàáîë³çì âóãëåâîä³â
Форма
МПС
Назва хвороби Недостатність ферменту Глікозамінглікани
сечі
МПС I* Синдром Гурлера
Синдром Шейе
Синдром Гурлера-Шейє
α-L-Ідуронідаза
Дерматансульфати,
гепарансульфати
МПС II Синдром Гунтера Ідуроносульфатсульфатаза Дерматансульфати,
гепарансульфати
МПС III Синдром Санфіліппо Гепарансульфатсульфатаза Гепарансульфати
МПС IV Синдром Моркіо
IVA Синдром Моркіо
типу А
N-Ацетилгексозамін-6-
сульфатсульфатаза
Кератансульфати
IVB Cиндром Моркіо
типу B
β-Галактозидаза
Кератансульфати
МПС VI Синдром Марото-Ламі Арилсульфатаза B Дерматансульфати
МПС VII
Дефіцит β-глюкуронідази β-Глюкуронідаза
Дерматансульфати
пов’язані із спадковою недостатністю ферментів розщеплення вуглеводних
компонентів протеогліканів, мають назву мукополісахаридозів, гліколіпідів —
гліколіпідозів (або муколіпідозів і сфінголіпідозів).
Глікозидози і, зокрема, мукополісахаридози, є тяжкими захворюваннями,
які проявляються глибокими порушеннями з боку сполучної тканини багатьох
внутрішніх органів, зокрема, помутнінням рогівки, патологією кісток та суглобів,
затримкою розвитку дитини та скороченням тривалості життя. Діагностичне
значення має надмірна екскреція певних глікозамінгліканів із сечею.
Біохімічні характеристики найбільш розповсюджених мукополісахаридозів
(МПС) людини, тобто спадкових порушень катаболізму глікозамінгліканів, по-
дані в таблиці 13.3.
Т а б л и ц я 13.3. Біохімічні характеристики мукополісахаридозів (за R.Berkow (Ed.): The
Merck Manual of Diagnosis and Therapy, 1992, із змінами)
Примітка: * існують форми IH, IS, IH/S.
Катаболізм гліколіпідів та молекулярні механізми виникнення гліколіпідозів
будуть розглянуті в главі 15.
190 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
ГЛАВА 14. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ
I. КАТАБОЛІЗМ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ ТА ЖИРНИХ КИСЛОТ
Ліпіди — нейтральні жири (триацилгліцероли), складні ліпіди (гліцерофос-
фоліпіди, сфінгофосфоліпіди, гліколіпіди) та стероїди потрапляють до організму
людини з іжею і синтезуються внутрішньоклітинно, виконуючи енергетичні,
структурні та регуляторні функції.
14.1. ШЛЯХИ МЕТАБОЛІЗМУ ЛІПІДІВ
Після перетворення в травному каналі та всмоктування ентероцитами кишеч-
ника ліпіди та продукти їх гідролізу транспортуються кров’ю до різних органів і
тканин, де депонуються, утворюючи жирові резерви, які використовуються відпо-
відно до фізіологічних потреб організму.
Внутрішньоклітинний метаболізм ліпідів — сукупність біохімічних фермен-
тативних реакцій катаболізму й анаболізму різних класів ліпідів, що надходять в
організм людини як компоненти харчових продуктів та синтезуються в ньому,
виконуючи важливі енергетичні функції, виступаючи структурними компонен-
тами клітин і біологічно активними сполуками.
Основні шляхи внутрішньоклітинного метаболізму ліпідів:
– гідроліз нейтральних жирів до жирних кислот та гліцеролу (ліполіз);
– окислення та біосинтез жирних кислот;
– біосинтез триацилгліцеролів та складних ліпідів;
– біосинтез холестерину та його перетворення в біологічно активні стероїди.
Найбільшу енергетичну роль в організмі людини та тварин відіграють
нейтральні жири — триацилгліцероли (тригліцериди) — складні ефіри гліцеролу
та вищих карбонових (жирних) кислот, що є, разом з вуглеводами, головними
джерелами АТФ, необхідної для всіх ендергонічних функцій клітин та цілісного
організму. Різні класи складних ліпідів та похідні стеринів виконують численні
структурні та регуляторні функції.
14.2. КАТАБОЛІЗМ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ
Триацилгліцероли ( нейтральні жири, жири) потрапляють до організму людини
як компоненти тваринної і рослинної їжі. Ліпіди цього класу розщеплюються в
травному каналі до моногліцеридів, вільних жирних кислот та гліцеролу, які після
всмоктування в кишечнику та складних біохімічних перетворень в ентероцитах,
крові та печінці депонуються в жировій тканині. Накопичення резервів нейтраль-
них жирів є найбільш ефективним механізмом акумулювання метаболічної енер-
гії, оскільки завдяки високому ступеню відновлення жирнокислотних залишків,
що входять до складу молекул триацилгліцеролів, при їх окисленні вивільняється
значно більше хімічної енергії, ніж при катаболізмі вуглеводів та білків (глава 26).
191Ãëàâà 14. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
Основне місце локалізації резервних тригліцери-
дів в організмі людини — адипоцити жирової тканини
(ліпоцити), значна частина цитоплазми яких зайнята
гігантською сферичною ліпідною краплею — рис.14.1.
У значно меншій кількості тригліцериди наявні в
клітинах інших органів, зокрема гепатоцитів печінки,
де вони перебувають у вигляді жирових краплин у ци-
топлазмі.
Жирова тканина, до 65 % маси якої припадає на
нейтральні жири, є високоспеціалізованою тканиною,
що акумулює значні кількості метаболічного палива, енергетична цінність якого
суттєво перевищує енергетичні резерви вуглеводів і білків. Маса жирової тканини
у дорослої людини середньої ваги дорівнює в середньому 10 кг, і загальний вміст
тригліцеридів у ній достатній для забезпечення енергетичних потреб організму
протягом, принаймні, 40 днів голодування.
Реакції катаболізму триацилгліцеролів
Ферментативний гідроліз (ліполіз) триацилгліцеролів 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 триацил-
гліцеролів 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), моноацил-
гліцероли (моногліцериди — МГ), гліцерол та вільні жирні кислоти:
Рис. 14.1. Клітина жирової тка-
нини (адипоцит).
O
C
O
CH
2
CH
OC
O
C
O
CH
2
O
C
O
CH
2
CH
O
C
O
OH
CH
2
OHCH
2
CH
OC
O
OHCH
2
OHCH
2
CH OH
OH
CH
2
OC
O
CH
2
CH O
C
O
OC
O
CH
2
R
1
R
2
R
3
OHCH
2
CH OH
OHCH
2
R
1
C
O
OH
R
2
C
O
OH
R
3
C
O
OH
+ 3H
2
O
+
R
1
COOHH
2
O
E
1
R
2
COOHH
2
O
E
2
R
3
COOH
E
3
H
2
O
O
ТГ ДГ МГ
Сумарне рівняння ліполізу:
192 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Вільні жирні кислоти (неестерифіковані жирні кислоти — НЕЖК) є субстра-
тами окислення для клітин багатьох тканин, зокрема міокарда, хребцевої, гладень-
кої мускулатури тощо, крім головного мозку. Після надходження в плазму крові
нерозчинні у водній фазі плазми крові високомолекулярні жирні кислоти транс-
портуються у зв’язаній з сироватковим альбуміном молекулярній формі.
Молекулярні механізми регуляції ліполізу
Зазначений ступеневий процес ліполізу, що відбувається в адипоцитах жи-
рової тканини, каталізується трьома ферментами — тригліцерид-, дигліцерид-
та моногліцеридліпазою. Активність двох останніх ферментів (E
2
та E
3
) в де-
кілька десятків разів перевищує активність першого ферменту (E
1
). Звичайно
загальна швидкість багатоступеневого метаболічного ланцюга контролюється
активністю ферменту, що каталізує найбільш повільну (лімітуючу) стадію про-
цесу. Тому такий фермент є регуляторним, і, дісно, активність тканинної триглі-
церидліпази (ТГ-ліпази) регуляється багатьма гормонами, зокрема адреналіном,
глюкагоном, інсуліном, соматотропіном.
Молекулярної основою регуляції активності тригліцеридліпази адипоци-
тів є її ковалентна модифікація шляхом оберненого фосфорилювання —
дефосфорилювання.
Фосфорильована форма ТГ-ліпази
є каталітично активною, дефосфори-
льована — неактивною. Фосфорилю-
вання відповідного білка здійснюється
за рахунок АТФ при участі ферменту
цАМФ-залежної протеїнкінази. У
свою чергу, збільшення внутрішньо-
клітинної концентрації цАМФ є резуль-
татом взаємодії зі специфічними рецеп-
торами плазматичних мембран адипо-
цитів адреналіну або глюкагону, що
призводить до активації мембранозв’я-
заної аденілатциклази. Дефосфори-
лювання каталітично активної ТГ-лі-
пази фосфатазою призводить до утво-
рення неактивної молекулярної форми
ферменту.
У цілому процес контролю актив-
ності ТГ-ліпази в жировій тканині є
прикладом залежного від цАМФ кас-
кадного механізму гормональної регуляції біохімічних та фізіологічних функцій
клітини, що був раніше розглянутий (глава 13) на прикладі фосфоролізу глікогену
в печінці та м’язах.
Адреналін
Глюкагон
E
1
АТФ
цАМФ
E
2
АТФ АДФ
ТГ - ліпаза
неактивна
ТГ - ліпаза
активна
E
3
Ф
н
H
2
O
Рис. 14.2. Схема каскадної регуляції активності
тригліцеридліпази адипоцитів.
Е1 — аденілатциклаза, Е2 — протеїн-
кіназа, Е3 — протеїнфосфатаза.
193Ãëàâà 14. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
Нейрогуморальна регуляція ліполізу
Регуляція метаболізму ліпідів здійснюється за рахунок впливу фізіологічних
та біохімічних ефектів нейроендокринної системи відносно швидкістьлімітуючих
реакцій обміну даного класу біомолекул. Певні гормони та нейромедіатори впли-
вають на каталітичну активність і внутрішньоклітинну концентрацію ключових
ферментів розщеплення й біосинтезу ліпідів. Найбільш вивченою є нейрогумо-
ральна регуляція ліполізу — внутрішньоклітинного гідролізу резервних триацил-
гліцеролів.
Адреналін, норадреналін, глюкагон
Адреналін та норадреналін — катехоламіни, що активують ліполіз у жировій
тканині за рахунок стимуляції цАМФ-залежного каскадного механізму регуляції
активності ТГ-ліпази адипоцитів. Ліполітична дія цих гормонів реалізується за
умов фізіологічних (фізичне напруження, зниження температури навколишнього
середовища) та психологічних (страх, тривога) стресів, що супроводжуються ви-
вільненням з мозкового шару наднирникових залоз адреналіну, а також стиму-
ляцією симпатичної нервової системи та вивільненням у синапсах нейронів нор-
адреналіну, що взаємодіють із адренергічними рецепторами мембран адипоцитів.
Глюкагон — панкреатичний гормон, що стимулює ліполітичну систему в жиро-
вій тканині за механізмом, подібним до дії катехоламінів, тобто за рахунок підви-
щення 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 енерге-
тичні потреби організму за умов стресу або голодування.
Інсулін
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 меха-
нізмів:
а) зменшення концентрації цАМФ, що може бути пов’язаним з активацією
фосфодіестерази цАМФ;
б) збільшення проникності мембран адипоцитів до глюкози, результатом чого
є активація в жировій тканині гліколізу і, відповідно, накопичення гліколітичних
метаболітів діоксіацетонфосфату та 3-фосфогліцеринальдегіду. Ці метаболіти, в
свою чергу, є попередниками гліцерол-3-фосфату, що необхідний для реетери-
фікації жирних кислот при біосинтезі триацилгліцеролів. Таким чином, стимульо-
ване інсуліном підвищене надходження в адипоцити глюкози переключає мета-
болізм жирних кислот на використання їх здебільшого в синтетичних реакціях і
зменшує їх вихід у кров.
194 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Розглянуті біохімічні особливості дії інсуліну пояснюють певні зміни вуглевод-
ного та ліпідного обмінів, що спостерігаються при голодуванні та цукровому діабеті.
Зазначені стани, для яких властиве зниження концентрації інсуліну в крові,
характеризуються також зниженням надходження в адипоцити глюкози, що, змен-
шуючи глюкозозалежне гальмування мобілізації жирних кислот (див. вище),
сприяє їх виходу в плазму крові та використанню іншими тканинами як енерге-
тичного джерела. Введення глюкози та інсуліну хворим на цукровий діабет або
експериментальним тваринам, що голодують, спричиняє інгібірування ліполізу
в адипоцитах і протидіє надмірному збільшенню НЕЖК у плазмі крові.
Соматотропін — гормон передньої частки гіпофіза, який також стимулює
ліполіз у жировій тканині за умов голодування, але його ліполітична дія суттєво
відрізняється від дії катехоламінів та глюкагону. Соматотропін спричиняє підви-
щення процесів ліполізу за рахунок підвищення синтезу відповідних ферментних
білків. Метаболічні ефекти соматотропіну розвиваються повільно, що свідчить
про його значення в поступовій адаптації до голодування.
Ліполіз в інших тканинах (м’язах, печінці) регулюється за подібними нейрогу-
моральними механізмами.
14.3. ОКИСЛЕННЯ ЖИРНИХ КИСЛОТ ТА ГЛІЦЕРОЛУ
Продуктами ліполізу триацилгліцеролів та інших гліцеридів є жирні кислоти
і гліцерол, що здатні до окислення з генерацією значної кількості АТФ.
Окислення жирних кислот
Окислення жирних кислот відбувається в матриксі мітохондрій у результаті
циклічного процесу, який включає в себе послідовне відщеплення від довголан-
цюгових молекул насичених жирних кислот, що складаються з парної кількості
вуглецевих атомів (пальмітинової — С
16
, стеаринової — С
18
тощо), двовуглецевих
фрагментів — циклу
ββ
ββ
β-окислення.
Як і в разі метаболізму глюкози, передумовою входження жирної кислоти на
шлях окислення є її ферментативна активація, тобто перетворення в активне
похідне в результаті реакції, що потребує використання молекули АТФ.
Активація жирних кислот відбувається в цитоплазмі за участю специфічних фер-
ментів ацил-КоА-синтетаз (тіокіназ), що утворюють КоА-похідні жирних кислот:
R–COOH + KoA–SH + ATФ
R–CO–S–KoA + AMФ + ФФн
Жирна Ацил-КоА
кислота
Ферментативні реакції
ββ
ββ
β-окислення жирних кислот
1. Дегідрування КоА-похідних жирних кислот за участю ФАД-залежного фер-
менту ацил-КоА-дегідрогенази.
У результаті реакції утворюється трансненасичене (в положеннях 2,3, або
αα
αα
α,
ββ
ββ
β)
КоА-похідне жирної кислоти:
195Ãëàâà 14. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
2. Гідратація ненасиченого КоА-ацилу ферментом еноїл-КоА-гідратазою з утво-
ренням спиртового похідного ацил-КоА — 3-оксіацилу-КоА (
ββ
ββ
β-гідроксіацилу-КоА):
R
CH
2
CH
CH
2
C
O
S
KoA
RCCH
2
C
O
SKoA
CH
2
+ HАД
+ НАДН
2
OH
O
R
CH
2
C
CH
2
С
O
S
KoA
R С
O
SKoA
CH
2
+ HS
(C
n-2
)
O
KoA CH
3
С
O
SKoA
+
+ ФАД
(C
n
)
β
α
R
CH
2
CH
2
CH
2
C
O
SKoA
+ ФАДH
2
R
CH
2
CH CH
C
O
S
KoA
R
CH
2
CH
CH
C
O
S
KoA
R
CH
CH
2
C
O
SKoA
CH
2
+ H
2
O
OH
У результаті одного циклу
ββ
ββ
β-окислення з
молекули жирної кислоти вивільняється одна
молекула ацетил-КоА і, відповідно, вихідна
молекула ацил-КоА скорочується на два вуг-
лецевих атоми. Легко зрозуміти, що для пов-
ного розщеплення до ацетил-КоА будь-якої
молекули жирної кислоти з парною кількіс-
тю вуглецевих атомів (n) потрібно (n/2 – 1)
циклів
ββ
ββ
β-окислення.
Виходячи із зазначеного, сумарне рівнян-
ня
ββ
ββ
β-окислення поширеної в природних
триацилгліцеролах пальмітинової кислоти
має вигляд:
7 циклів
ββ
ββ
β-окислення
С
15
Н
31
–СO–SKoA 8 СH
3
–CO–S–KoA
Загальну схему циклу
ββ
ββ
β-окислення наси-
чених жирних кислот подано на рис.14.3.
3. Дегідрування оксипохідного ацил-КоА НАД-залежним ферментом 3-оксіацил-
КоА-дегідрогеназою. Продукт реакції — 3-кетоацил-КоА (
ββ
ββ
β-кетоацил-КоА):
4. Тіолітичне розщеплення 3-кетоацил-КоА за рахунок взаємодії з молекулою
КоА при участі ферменту
ββ
ββ
β-кетоацил-КоА-тіолази. В результаті реакції утворю-
ється молекула КоА-похідного жирної кислоти, скороченого на два вуглецеві
атоми, та ацетил-КоА:
3-Кетоацил-КоА
Ацил-КоА
(C
n-2
)
Ацил-КоА
(C
n
)
2,3 - транс-Еноїл-КоА
ФАД
ФАДН
2
H
2
O
HS
KoA
CH
3
CO S
3-Оксіацил-КоА
ФАД
ФАДН
2
KoA
Рис. 14.3. Метаболічна карта процесу
ββ
ββ
β-окислення жирних кислот.
196 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Роль карнітину в окисленні жирних кислот
Ферменти
ββ
ββ
β-окислення жирних кислот локалізовані всередині мітохондрій,
але внутрішня мітохондріальна мембрана непроникна для довголанцюгових
ацильних похідних КоА. Тому на внутрішній мітохондріальній мембрані функ-
ціонує спеціальна транспортна система, що
включає аміноспирт карнітин, який бере
участь у перенесенні молекул ацил-КоА до
мітохондріального матриксу.
Транспортна функція карнітину реалізується за човниковим принципом
(рис.14.4.):
а) на зовнішній поверхні внутрішньої мітохондріальної мембрани за участю
ферменту карнітин-ацилтрансферази I відбувається утворення ефіру ацил-
карнітину:
ацил–S–КоA + карнітин
ацилкарнітин + HS–KoA
б) транспортний білок карнітин-ацилкарнітин-транслоказа переносить
ацилкарнітин через мембрану мітоходрій;
в) на внутрішній поверхні мембрани фермент карнітин-ацилтрансфераза II
розщеплює ацилкарнітин у наступній реакції:
ацилкарнітин + HS–KoA
ацил–S–KoA + карнітин
Ацил-S-KoA вступає на шлях
ββ
ββ
β-окислення, а вільний карнітин виходить з міто-
хондрій і бере участь у транспортуванні нової молекули жирної кислоти.
Енергетика
ββ
ββ
β
-окислення жирних кислот
1. У кожному циклі
ββ
ββ
β-окислення вивільняється одна молекула ацетил-КоА,
окислення якої в циклі трикарбонових кислот супроводжується утворенням 12
молекул АТФ (глава 10).
ββ
ββ
β-Окислення пальмітату (див. вище) призводить до утво-
рення 8 молекул ацетил-КоА, повне окислення яких до СО
2
та Н
2
О дасть 96 (12×8)
молекул АТФ.
(CH
3
)
3
N
+
CH
2
CH
OH
CH
2
COOH
Карнітин
Рис. 14.4. Участь карнітину в перенесенні довголанцюгових жирних кислот через внутрішню
мембрану мітохондрій. Е
1
— карнітин-ацилтрансфераза I; Е
2
— карнітин-ацил-
трансфераза II; T — транслоказа.
HS-K oA
Ацил-КоА
Карнітин
E
1
Ацилкарнітин
T
Мембрана
Карнітин
Ацилкарнітин
E
2
Ацил-КоА
β
-окислення
197Ãëàâà 14. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
2. У кожному циклі
ββ
ββ
β-окислення утворюються дві молекули відновлених ко-
ферментів — ФАДН
2
та НАДН, які можуть віддавати свої відновлювальні еквіва-
ленти ланцюга електронного транспорту в мітохондріях, сприяючи генерації в
результаті окисного фосфорилювання 2 (ФАДН
2
) та 3(НАДН), тобто сумарно 5
молекул АТФ. У разі повного окислення пальмітату в 7 циклах
ββ
ββ
β-окислення за
рахунок даного механізму утвориться 35 (5×7) молекул АТФ.
Враховуючи витрату 1 молекули АТФ на етапі активації жирної кислоти, за-
гальна кількість молекул АТФ, що може синтезуватися в умовах повного окислен-
ня до діоксиду вуглецю та води молекули пальмітату, дорівнює 130 (96+35–1).
Виходячи з цього, можна подати сумарне рівняння окислення пальмітинової
кислоти в мітохондріях:
С
15
H
31
COOH + 23 O
2
+ 130 АДФ + 130 Ф
н
16 СО
2
+ 16 H
2
O + 130 АТФ
Окислення гліцеролу
Гліцерол, що утворюється при розщепленні триацилгліцеролів або гліцеро-
фосфоліпідів, може вступати на шлях катаболізму (окислення) або знову вико-
ристовуватися для біосинтезу різних класів гліцеридів (глава 15).
1. Включенню гліцеролу
до метаболічних перетво-
рень передує його активація,
яка полягає в його трансфор-
мації за участю АТФ до глі-
церол-3-фосфату (
αα
αα
α-гліце-
рофосфату) при дії фермен-
ту гліцеролфосфокінази.
2.
αα
αα
α-Гліцерофосфат здат-
ний до окислення мітохон-
дріальним ферментом
αα
αα
α-
гліцерофосфатдегідрогена-
зою з утворенням гліцераль-
дегід-3-фосфату (Г-3-Ф).
Гліцеральдегід-3-фосфат є одним з центральних метаболітів гліколітичного
окислення глюкози. Подальше перетворення Г-3-Ф, утворенного при окисленні
гліцеролу, співпадає з катаболізмом гліколітичного Г-3-Ф (глава 11):
Г-3-Ф
1,3-диФГК 3-ФГК 2-ФГК ФЕП піруват
14.4. БІОСИНТЕЗ ТА КАТАБОЛІЗМ КЕТОНОВИХ ТІЛ
В умовах нормального метаболізму здорового організму основним шляхом
використання ацетил-КоА, що утворюється при
ββ
ββ
β-окисленні жирних кислот, є цикл
трикарбонових кислот. В умовах переключення метаболізму на біосинтетичні
шляхи цитоплазматичний ацетил-КоА знову використовується для формування
жирних кислот, тобто утворення резервів ліпідів (глава 15).
CH
2
OH
CH
OH
CH
2
OH
+ АТФ
CH
2
O
CH
OH
CH
2
OH
P
OH
OH
O
+ АДФ
Гліцерол
Гліцерол-3-фосфат
α-Гліцерофосфат
Гліцеральдегід-3-фосфат
CH
2
CH
OH
CH
2
OH
CH
2
O
CH
OH
C
P
OH
OH
O
P
OH
OH
O
O
O
H
+ НАДH
2
+
НАД
198 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Разом з тим, у печінці існує фізіологіч-
но важливий шлях утилізації ацетил-КоА,
що призводить до утворення молекул аль-
тернативного метаболічного палива, які
використовуються в інших тканинах —
так званих кетонових (ацетонових) тілах.
До кетонових тіл належать ацетоацетат,
ββ
ββ
β-гідроксибутират та ацетон.
Ферментні реакції утворення кетонових тіл
Утворення кетонових тіл відбувається в цитозолі (початкові етапи) та мітохондріях
гепатоцитів за рахунок таких реакцій:
1. Конденсація двох мо-
лекул ацетил-КоА з утво-
ренням ацетоацетил-КоА.
Реакція каталізується ци-
тозольним ферментом тіо-
лазою.
2. Взаємодія ацетоаце-
тил-КоА з новою молеку-
лою ацетил-КоА з утворен-
ням
ββ
ββ
β-гідрокси-
ββ
ββ
β-метил-
глутарил-КоА (
ββ
ββ
β-ГОМК).
При утворенні кетонових
тіл реакція відбувається в
мітохондріях і каталізується
ферментом
ββ
ββ
β-ГОМК-син-
тетазою.
3. Розщеплення
ββ
ββ
β-гід-
рокси-
ββ
ββ
β-метилглутарил-
КоА мітохондріальним
ферментом
ββ
ββ
β-ГОМК-ліа-
зою з утворенням ацето-
ацетату та ацетил-КоА.
Необхідно зауважити, що утворення
ββ
ββ
β-ГОМК із ацетоацетил-КоА є процесом, який
може здійснюватися в цитозолі гепатоцитів; у цьому випадку
ββ
ββ
β-ГОМК підлягає
біохімічним перетворенням, які становлять метаболічний шлях біосинтезу
холестерину (глава 15), що відбувається в клітинах печінки, кишечника та шкіри.
Однак у гепатоцитах більша частина ацетил-КоА, що утворюється при окисленні
вуглеводів, жирних кислот, амінокислот і не використовується в цитратному циклі,
вступає на шлях утворення кетонових тіл.
ββ
ββ
β-Гідроксибутират утворюється з ацетоацетату шляхом відновлення НАД-
залежною
ββ
ββ
β-гідроксибутиратдегідрогеназою:
Ацетон
ββ
ββ
β-Гідроксибутират
Ацетоацетат
CH
3
C
CH
2
O
COOH
CH
3
HC
CH
2
OH
COOH
CH
3
C
CH
3
O
Ацетил-КоА
Ацетоацетил-КоА
Ацетил-КоА
CH
3
C
O
S-K oA
CH
3
C
O
S-K oA
+
CH
3
CO
CH
2
C
O
S-K oA
+ HS-KoA
CH
3
CO
CH
2
C
O
CH
3
C
O
COOH
CH
2
C
CH
2
HO
CH
3
HC
O
S-K oA
+
S-K oA
+ H
2
O
S-K oA
+ HS-KoA
Ацетоацетил-КоА
Ацетил-КоА
β-ГОМК
COOH
CH
2
C
CH
2
HO
CH
3
C
O
S-KoA
CH
3
CO
CH
2
COOH
+
CH
3
C
O
S-K oA
β-ГОМК
Ацетоацетат
Ацетил-КоА
199Ãëàâà 14. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
Реакція перебігає в напрямку утворення
ββ
ββ
β-гідроксибутирату за умов високого
співвідношення в гепатоцитах НАДН/НАД
+
, яке буває в умовах голодування.
Ацетон утворюється в незначній кількості з ацетоацетату, що міститься в цир-
кулюючій крові, за рахунок його неферментативного декарбоксилювання або дії
ферменту ацетоацетатдекарбоксилази. Ацетон видаляється з організму леге-
нями; значне збільшення вмісту ацетону у видихуваному повітрі спостерігається
в умовах декомпенсованого цукрового діабету.
Реакції утилізації кетонових тіл
Після утворення в гепатоцитах кетонові тіла (переважно ацетоацетат) виходять
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 гепатоцитах:
а) взаємодія ацетоацетату з сукциніл-КоА:
б) активація ацетоацетату HS-KoA за участю АТФ:
Ацетоацетил-КоА, що утворився за одним із зазначених механізмів, підлягає
тіолітичному розщепленню за участю тіолази з утворенням двох молекул ацетил-
КоА, які окислюються в циклі трикарбонових кислот:
ацетоацетил-КоА + КоA-SH
2 ацетил-KoA
Ацетоацетат є важливим джерелом енергетичного палива для міокарда, скелетних
м’язів та коркового шару нирок, в клітинах яких катаболізм цієї сполуки перевищує
CH
3
C
CH
2
O
COOH + КоА CH
3
C
O
CH
2
С
SH + АТФ
О
S-KoA
+ АМФ + ФФ
н
CH
3
C
CH
2
O
COOH
CH
2
C
O
S-KoA
Ацетоацетат
Сукциніл-КоА
CH
3
C
CH
2
O
C
O
S-KoA
HOOC CH
2
CH
2
COOH
Ацетоацетил-КоА
Сукцинат
HOOC
CH
2
CH
3
C
CH
2
O
COOH + НА ДН + Н
+
CH
3
CH
OH
CH
2
COOH +
НАД
+
Ацетоацетат β-Гідроксибутират
200 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
утилізацію глюкози. В умовах голодування ацетоацетат стає переважаючим
субстратом окислення також для головного мозку, який в нормальних умовах
використовує для енергетичних потреб виключно глюкозу.
Метаболізм кетонових тіл в умовах патології
У нормі концентрація кетонових тіл у крові та більшості тканин незначна (в
середньому 10-20 мг/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
є зменшення ступеня утилізації ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот
внаслідок порушень вуглеводного обміну.
Справа в тому, що входження ацетил-КоА в ЦТК залежить від наявності в
клітині достатньої кількості оксалоацетату, необхідного для утворення цитрату.
В свою чергу, утворення оксалоацетату, необхідного для нормального функціону-
вання трикарбонового циклу, залежить від кількості пірувату (глава 10, розділ 10.4),
основним постачальником якого є гліколітичне розщеплення глюкози. В умовах
зменшеного надходження в клітину глюкози (голодування, цукровий діабет) ок-
салоацетат спрямовується на шлях глюконеогенезу і стає недосяжним для взає-
модії з ацетил-КоА в цитратсинтазній реакції. У зазначених метаболічних умовах
ацетил-КоА в значній мірі використовується для утворення кетонових тіл —
ацетоацетату та
ββ
ββ
β-гідроксибутирату. Сприяє накопиченню в клітинах ацетил-КоА
також його підвищене утворення при
ββ
ββ
β-окисленні жирних кислот за рахунок сти-
муляціі в умовах глюкозного голодування ліполізу в жировій тканині. Ці біохімічні
закономірності пояснюють давній вислів “Жири згоряють у полум’ї вуглеводів”.
Введення в організм глюкози (при голодуванні), або глюкози з інсуліном (при
цукровому діабеті) підвищує внутрішньоклітинний рівень моносахариду і
нормалізує гліколіз, що призводить до активації утилізації ацетил-КоА в циклі
трикарбонових кислот і зменшення утворення кетонових тіл. Проте, в умовах
відсутності необхідної терапії концентрація ацетоацетату,
ββ
ββ
β-гідроксибутирату та
ацетону в організмі хворих на цукровий діабет може зростати в десятки разів,
супроводжуючись порушенням кислотно-лужного балансу і розвитком метаболіч-
ного кетоацидозу, який є небезпечним для нормального функціонування клітин
головного мозку.
201
Ãëàâà 15. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
ГЛАВА 15. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ
II. БІОСИНТЕЗ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ
І СКЛАДНИХ ЛІПІДІВ
Біосинтез ліпідів різних класів є важливою складовою їх метаболізму, що
забезпечує організм резервами метаболічного палива у вигляді акумульованих у
жировій тканині та клітинах інших органів триацилгліцеролів і є необхідним для
поновлення структурних компонентів біомембран (фосфогліцеридів, сфінго-
ліпідів, гліколіпідів).
15.1. БІОСИНТЕЗ ВИЩИХ ЖИРНИХ КИСЛОТ
Біосинтез вищих жирних кислот із подальшим їх включенням до складу
триацилгліцеролів жирової та інших тканин — ліпогенез — є метаболічним
шляхом, що дозволяє акумулювати в організмі людини та тварин значні енерге-
тичні резерви метаболічного палива.
Фізіологічне значення цього процесу пояснюється тією обставиною, що
здатність тваринних клітин до створення запасів полісахаридів у вигляді глікогену
є досить обмеженою, і тому глюкоза, що надходить із їжею в кількостях, які
перевищують безпосередні енергетичні потреби організму, перетворюється на
жирні кислоти. Найбільш активно синтез жирних кислот відбувається в адипоци-
тах жирової тканини, гепатоцитах печінки, епітеліальних клітинах молочної
залози під час лактації.
Метаболічні джерела синтезу жирних кислот
В організмі людини і тварин здійснюється синтез насичених жирних кислот із
парною кількістю вуглецевих атомів (переважно пальмітату та стеарату); мета-
болічним джерелом для цього синтезу є ацетил-КоА, який утворюється за рахунок
аеробного окислення глюкози. Активність процесу біосинтезу жирних кислот
залежить від характеру дієти; їжа, що містить значну кількість жирів, пригнічує
швидкість цього синтезу.
Ферментні реакції біосинтезу жирних кислот з ацетил-КоА, на відміну від їх
окислення, відбуваються в цитоплазмі клітин; основним продуктом цього синтезу
є пальмітинова кислота С
15
Н
31
СООН.
Безпосереднім донором двовуглецевих фрагментів, що використовуються клі-
тиною для синтезу довголанцюгових жирних кислот, є ацетил-КоА, утворюваний
у реакції окислювального декарбоксилювання пірувату (глава 11), яка перебігає
в матриксі мітохондрій. Оскільки внутрішня мембрана мітохондрій є непроникною
для ацетил-КоА, то для використання ацетил-КоА в процесі біосинтезу жирних
кислот застосовується спеціальна човникова система, яка транспортує мітохонд-
ріальний ацетил-КоА в цитозоль. Процес відбувається за таким механізмом:
1. Усередині мітохондрій ацетил-КоА взаємодіє з оксалоацетатом, утворюючи
лимонну кислоту (цитрат), яка є головним субстратом окислювального цитратного
202 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
циклу (ЦТК), але може частково залишати мітохондрії і виходити в цитозоль за
допомогою спеціальної транспортної системи трикарбоксилатів:
1а) ацетил-КоА
мітохондріальний
+ оксалоацетат цитрат
мітохондріальний
+ КоА-SH
1б) цитрат
мітохондріальний
цитрат
цитозольний
Стимуляція виходу цитрату з мітохондрій у цитоплазму можлива в умовах, що
сприяють активації анаболічних процесів в організмі, зокрема при посиленому
харчуванні глюкозою та іншими цукрами, гліколітичне окислення яких спричиняє
накопичення цитрату й інших метаболітів ЦТК у матриксі мітохондрій.
2. У цитозольному просторі цитрат розщеплюється спеціальною ліазою з
утворенням оксалоацетату та цитозольного ацетил-КоА, який надходить у систему
синтезу вищих жирних кислот:
цитрат
цитозольний
+ КоА-SH + АТФ оксалоацетат + ацетил-КоА
цитозольний
+
+ АДФ + Ф
н
Оксалоацетат повертається до матриксу мітоходрій за допомогою човникової
системи, що включає його відновлення до малату, який може проникати через міто-
хондріальну мембрану. Альтернативним механізмом повернення вуглецевих атомів
малату в цитозоль є його перетворення в піруват — шлях, який генерує відновлений
НАДФ
+
, необхідний для синтезу жирних кислот (див. нижче) — рис.15.1.
Синтез малоніл-КоА
Ініціація росту вуглецевого ланцюга вищої жирної кислоти відбувається шляхом
взаємодії ацетил-КоА з активною формою малонової кислоти — малоніл-КоА, який
безпосередньо постачає двовуглецеві субстрати для цього синтезу. Таким чином, у
разі біосинтезу пальмітату малоніл-КоА є метаболічним попередником, який стає
джерелом 14 з 16 атомів вуглецю пальмітату.
Рис. 15.1. Човникова система транспорту ацетильних радикалів із мітохондрій у цитозоль.
Матрикс
мітохондрій
Цитозоль
Ацетил-КоА
Ацетил-КоА
Цитрат
Цитрат
Оксалоацетат
Піруват
Малат
Малат
Піруват
НАДН
НАД
+
CO
2
Оксалоацетат
НАДН
НАД
+
CO
2
НАДФН
НАДФ
+
203
Ãëàâà 15. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
Малоніл-КоА утворю-
ється з цитоплазматичного
ацетил-КоА та діоксиду вуг-
лецю під дією біотинвмісно-
го ферменту ацетил-КоА-
карбоксилази.
Ацетил-КоА-карбоксилаза містить кофермент біотин (вітамін Н), що є
простетичною групою ферменту. Карбоксильна група біотину зв’язана амідним
зв’язком із
εε
εε
ε-аміногрупою лізинового залишку, який розташований в активному
центрі ферменту.
Активною формою вугільної кислоти, яка бере участь у карбоксилюванні
ацетил-КоА, є карбоксибіотин, що утворюється в такій реакції:
Ацетил-КоА Малоніл-КоА
CH
3
C
O
S-K oA
+ CO
2
+ АТФ
CH
2
C
O
S-K oA
COOH
+ АДФ + Ф
н
HN
HC
C
NH
CH
H
2
C
S
CH
O
(CH
2
)
4
NH
білок
C
O
O
–
+ HO
АТФ
АДФ
N
HC
C
NH
CH
H
2
C
S
CH
O
(CH
2
)
4
NH
білок
C
O
O
–
CO
CO
Біохімічні стадії синтезу насичених жирних кислот
Синтетаза жирних кислот є мультиензимним комплексом, до складу якого
входять декілька ферментних білків із каталітичною активністю, що забезпечує
послідовне подовження вуглецевого ланцюга (С
2
, С
4
, С
6
...) до утворення ацильного
залишку з необхідною кількістю вуглецевих атомів (переважно С
16
). Сукупність фер-
ментних реакцій біосинтезу пальмітинової кислоти називається циклом Лінена.
Ацилтранспортуючий протеїн
Центральне місце у ферментному комплексі синтетази жирних кислот посідає
ацилтранспортуючий протеїн (Acyl Carrier Protein, ACP, англ.). Із молекулою ACP
сполучені ферментні білки, що каталізують окремі реакції синтезу жирних кислот
С
16
та С
18
. ACP має два SH-вмісних центри зв’язування:
1-й центр —залишок цистеїну поліпептидного ланцюга ACP, який служить для
акцептування ацетильного радикалу (СН
3
–СО–) від ацетил-КоА;
2-й центр — фосфорильоване похідне вітаміну пантотенової кислоти —
4'-фосфопантетеїн, що є структурою, SH-групи якої акцептують малонільний
радикал (НООС–СН
2
–СО–) від малоніл-КоА. 4'-Фосфопантетеїн (Фп) ковалентно
сполучений із залишком серину в 36-му положенні поліпептидного ланцюга ACP.
204 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Взаємодія ацетил-КоА з ACP має вигляд:
CH
3
C
O
S-KoA
HS
Ф
n
HS
ACP
HS-KoA
ACP
Ф
n
HS
CH
3
C
O
S
+ HS-KoA
+
ACP
Ф
n
HS
CH
3
CCH
2
C
O
S
O
ACP
Ф
n
HS
CH
3
CCH
2
C
O
S
OH
H
НАДФН + Н
+
НАДФ
+
CH
3
C
O
ACP
ACP
Ф
n
HS
CH
3
C
+ CO
2
S
HOOC CH
2
C
O
S
CH
2
C
O
S
O
Фn
HS
CH
2
CH
2
NH C
O
CH
2
CH
2
NH C
O
CH C
OH CH
3
CH
3
CH
2
OP
O
O
OH
CH
2
CH
Пантотенат
4' - Фосфопантетеїн
АСР
Подібним чином взаємодіє з АРС (HS-групою Фп) і малоніл-КоА.
Послідовність ферментативних реакцій
Після акцептування ацилтранспортуючим білком ацетильного й малонільного
радикалів формування ланцюга вищої жирної кислоти може бути поданим у вигляді
зазначеної нижче послідовності реакцій.
1. Перенесення ацетильного радикалу, зв’язаного з SH-групою цистеїну, на мало-
нільний радикал, зв’язаний з SH-групою фосфопантетеїну, з утворенням ацетоаце-
тильного радикала, що зв’язаний з SH-групою фосфопантетеїну. Ця реакція кон-
денсації каталізується ферментом 3-кетоацил-ACP-cинтазою:
У результаті реакції утворюється ацетоацетил — АРС і виділяється (регенерує)
молекула СО
2
, що була використана для синтезу малоніл-КоА.
2. Відновлення карбонільної групи в молекулі ацетоацетил-ACP з утворенням 3-
гідроксибутирил-ACP. Реакція каталізується НАДФН-залежною 3-кетоацил-ACP-
редуктазою:
3. Дегідратація 3-гідроксибутирильного радикала за участю ферменту 3-гід-
роксиацил-ACP-дегідратази. Продукт реакції — ненасичене похідне масляної
205
Ãëàâà 15. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
кислоти (бутирату), подвійний зв’язок в якому розміщений між 2-м і 3-м атомами
вуглецю (
∆∆
∆∆
∆
2
) та має транс-конфігурацію — транс-бутеноїл-
∆∆
∆∆
∆
2
-ACP:
4. Відновлення подвійного зв’язку в молекулі транс-бутеноїл-
∆∆
∆∆
∆
2
-ACP за участю
ферменту еноїл-ACP-редуктази. Продукт реакції — бутирильний радикал,
сполучений із ACP:
У результаті розглянутої послідовності чотирьох реакцій двовуглецевий аце-
тильний радикал (С
2
) перетворився на чотиривуглецевий бутирильний радикал (С
4
).
Для продовження процесу елонгації вуглеводневих радикалів необхідне приве-
дення ферментної системи синтетази жирних кислот у вихідний стан, що досяга-
ється перенесенням бутирилу від SH-групи фосфопантетеїну на SH-групу цистеї-
ну та приєднанням до SH-групи фосфопантетеїну, що звільнилася, нового залишку
малонілу:
У подальшому починається новий цикл реакцій, що полягають у подовженні
вуглеводневого радикала карбонової кислоти ще на один двовуглецевий фрагмент.
ACP
Ф
n
HS
CH
3
CCH
2
C
O
S
OH
H
H
2
O
CH
3
C
H
CC
H
O
S
Ф
n
ACP
HS
ACP
Ф
n
HS
CH
3
CC C
O
S
H
ACP
Ф
n
HS
CH
3
C
O
S
НАДФН + Н
+
НАДФ
+
H
CH
2
CH
2
ACP
Ф
n
HS
CH
3
C
O
SCH
2
CH
2
A
Ф
n
HS
CH
3
C
O
SCH
2
CH
2
CH
2
C
O
SKoA
HOOC
+
ACP
Ф
n
HS
CH
3
C
O
SCH
2
CH
2
HS
KoA
ACP
Ф
n
S
CH
3
C
O
SCH
2
CH
2
C
O
CH
2
HOOC
206 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Продуктом семи зазначених циклів є утворення радикалу пальмітинової кислоти
(С
16
), який відщеплюється від ACP у результаті гідролітичної тіоестеразної реакції:
пальмітоїл–S–ACP + Н
2
О пальмітат + HS–ACP
Сумарне рівняння біосинтезу пальмітату з ацетил-КоА в результаті дії синте-
тази вищих жирних кислот:
CH
3
–CO–S–KoA + 7 HOOC–CH
2
–CO–S–KoA + 14 НАДФН + 14 H
+
CH
3
–(CH
2
)
14
–COOH + 14 НАДФ
+
+ 8 KoA–SH + 7 CO
2
Джерела НАДФН, необхідного для біосинтезу жирних кислот
У кожному циклі біосинтезу пальмітату відбувається по дві відновлювальні
реакції, донором водню (2Н
+
+ 2e
–
) в яких є НАДФН. Одним з основних поста-
чальників молекул цитозольного НАДФН, відновлювальні еквіваленти яких вико-
ристовуються при ліпогенезі, є реакція перетворення малату до пірувату, що
спряжена з функціонуванням човникової системи транспорту ацетильних ради-
калів (див. рис. 15.1).
1. У першій реакції оксалоацетат відновлюється до малату за участю цито-
зольної малатдегідрогенази:
оксалоацетат + НАДН + Н
+
малат + НАД
+
2. У другій реакції відбувається окислювальне декарбоксилювання малату до
пірувату за допомогою НАДФ-залежного ферменту малікензиму:
малат + НАДФ
+
піруват + СО
2
+ НАДФН + Н
+
НАДФН, що генерувався в реакції, використовується в ліпогенезі, а піруват
перетворюється до оксалоацетату в піруваткарбоксилазній реакції.
Крім розглянутого механізму, постачальником НАДФН, що використовується
в біосинтезі пальмітату, виступають також глюкозо-6-фосфат-дегідрогеназна реак-
ція пентозофосфатного циклу окислення глюкози та НАДФ-залежна ізоцитрат-
дегідрогеназна реакція, що перебігає в цитозолі.
Регуляція біосинтезу насичених жирних кислот
Існують два пункти регуляції синтезу вищих насичених жирних кислот в
організмі людини:
1. Регуляція на рівні ацетил-КоА-карбоксилази.
Ацетил-КоА-карбоксилазна реакція, в якій утворюється малоніл-КоА, є лімі-
туючою стадією в контролі швидкості біосинтезу жирних кислот. Регуляція пере-
бігу реакції здійснюється за двома механізмами:
1.1. Шляхом алостеричної регуляції активності ацетил-КоА-карбоксилази пози-
тивними 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,
207
Ãëàâà 15. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
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-кар-
боксилази є пальмітоїл-КоА та стеароїл-КоА — кінцеві метаболіти біосинтетич-
ного шляху. Накопичення в цитозолі продуктів біосинтезу за принципом
негативного зворотного зв’язку гальмує швидкість їх утворення.
1.2. Шляхом 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 ліпогенезу та ліполізу в умовах
дії на клітини жирової тканини та печінки фізіологічних стимулів, що позитивно
(адреналін, норадреналін, глюкагон) та негативно (інсулін) впливають на ак-
тивність аденілатциклази і внутрішньоклітинний рівень цАМФ (див. главу 14;
розділ 14.1).
1.3. Шляхом зміни активності синтезу ацетил-КоА-карбоксилази:
а) збільшення активності синтезу ферменту (ферментна індукція) спричиня-
ється 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 голо-
дування або споживання дієти, збагаченої жирами.
2. Регуляція на рівні комплексу синтетази 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.
Елонгація насичених жирних кислот
Пальмітинова кислота (С
16
), що продукується в результаті дії синтетази вищих
жирних кислот, є попередником в утворенні жирних кислот із більшою довжи-
ною ланцюга — С
18
, С
20
, С
22
, С
24
. У клітинах функціонують дві системи елонгації
жирних кислот, які забезпечують послідовне приєднання до вуглеводневих
ацильних радикалів двовуглецевих фрагментів:
208 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
а) система елонгації ендоплазматичного ретикулума (“мікросомальна елон-
гаційна система”). Ця система використовує як джерело двовуглецевих фрагментів
малоніл-КоА і діє за механізмом, близьким до розглянутого для синтетазної систе-
ми цитозолю:
ацил-КоА (С
n
) + малоніл-КоА 3-кетоацил-КоА 3-гідроксіацил-КоА
2,3-еноїл-КоА ацил-КоА (С
n+2
)
Субстратами розглянутої послідовності реакцій є насичені жирні кислоти (аци-
ли С
10
та більшої довжини). У печінці при використанні як субстрат пальмітату
утворюється переважно стеарат (С
18
). Система елонгації жирних кислот у голов-
ному мозку синтезує С
22
- та С
24
-жирні кислоти, які входять до складу сфінголіпідів
мієлінових нервових волокон;
б) мітохондріальна система елонгації жирних кислот — використовує як доно-
ри двовуглецевих фрагментів молекули ацетил-КоА. Система здатна подовжувати
жирні кислоти, що мають 12-16 атомів вуглецю (С
12
-С
16
):
ацил-КоА (С
n
) + ацетил-КоА (С
2
) ацил-КоА (С
n+2
) + КоA-SH
Утворення ненасичених жирних кислот
1. Мононенасичені жирні кислоти
Мононенасичені кислоти — пальмітоолеїнова С
16:1
та олеїнова С
18:1
містять
подвійний зв’язок між 9-м та 10-м атомами вуглецю (
∆∆
∆∆
∆
9
).
Ці жирні кислоти можуть утворюватися в організмі людини за рахунок де-
гідрування відповідних насичених кислот (пальмітинової С
16
та стеаринової С
18
):
С
16
– 2Н С
16:1
С
18
– 2Н С
18:1
Утворення зазначеного подвійного зв’язку здійснюється за участю системи
десатурації жирних кислот (ацил-КоА-оксигенази), що належить, за механізмом
дії, до мікросомальних монооксигеназ (оксигеназ мішаної функції), які потребу-
ють для свого функціонування НАДФН (або НАДН) та включають цитохром b
5
електронтранспортного ланцюга, локалізованого в мембранах ендоплазматичного
ретикулума гепатоцитів:
стеароїл-КоА (С
18
) + НАДФН + Н
+
+ О
2
олеїл-КоА (С
18:1
) + НАДФ
+
+ 2 Н
2
О
2. Поліненасичені жирні кислоти
Поліненасичені кислоти — лінолева С
18:2
(
∆∆
∆∆
∆
9,12
) та
αα
αα
α-ліноленова С
18:3
(
∆∆
∆∆
∆
9,12,15
) —
попередники в утворенні інших, життєво необхідних ацилів, не можуть синтезуватися
в клітинах людського організму у зв’язку з відсутністю ферментних систем, що
необхідні для утворення додаткових подвійних зв’язків між
∆∆
∆∆
∆
9
-подвійним
зв’язком і метильним кінцем жирної кислоти.
Зазначені ферменти присутні в багатьох рослинних організмах, і тому існує
потреба в постійному надходженні лінолевої та
αα
αα
α-ліноленової кислот в організм
як компонентів рослинної іжі, що є незамінними факторами харчування (“есен-
ціальні жирні кислоти”).
209
Ãëàâà 15. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
У разі надходження цих жирних кислот у складі дієти, ферментні системи
ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів за розглянутими вище механізмами
десатурації та елонгації можуть трансформувати лінолеву кислоту в такі полінена-
сичені кислоти, як
γγ
γγ
γ-ліноленову С
18:3
(
∆∆
∆∆
∆
6,9,12
) та арахідонову С
20:4
(∆
5,8,11,14
), а
αα
αα
α-ліно-
ленову — в докозангексенову (С
22:6
) кислоту.
Арахідонова кислота — попередник біологічно активних ейкозаноїдів
(простагландинів, простациклінів, тромбоксанів), утворюється з незамінної лі-
нолевої кислоти С
18:2
шляхом подовження її вуглецевого ланцюга та утворення
додаткових подвійних зв’язків:
С
18:2
– 2Н + 2С – 2Н С
20:4
Загальну схему формування в організмі людини насичених і ненасиченихих вищих
жирних кислот подано на рис.15.2.
15.2. БІОСИНТЕЗ ТРИАЦИЛГЛІЦЕРОЛІВ
Триацилгліцероли (нейтральні жири) — ліпіди, що складають основну час-
тину харчових ліпідів та в найбільшій кількості представлені в адипоцитах жиро-
вої тканини, де вони виконують функцію резерву метаболічного палива. Кількість
нейтральних жирів в організмі дорослої людини масою 70 кг дорівнює в
Глюкоза
Ацетил-КоА
Пальмітинова
кислота (С
16
)
Стеаринова
кислота (С
18
)
Пальміто-
олеїнова
кислота (С
16:1
)
Олеїнова
кислота (С
18:1
)
Вищі насичені
жирні кислоти
(С
22
, С
24
)
Нервонова
кислота (С
24:1
)
Лінолева кислота
(С
18:2
; ∆
9,12
)
γ-Ліноленова
кислота
(С
18:3
; ∆
6,9,12
)
Ейкозатрієнова
кислота
(С
20:3
; ∆
8,11,14
)
Арахідонова
кислота
(С
20:4
; ∆
5,8,11,14
)
α-Ліноленова кислота
(С
18:3
; ∆
9,12,15
)
Докозангексенова
кислота (С
22:6
)
Компоненти рослинної їжі
. . .
. . .
+ (2С)
n
+ 2С
+ 3(2С)
– 2Н
– 2Н
+ 2C
– 2Н
+ 2(2C)
– 3(2H)
Рис. 15.2. Метаболічна карта біосинтезу насичених і ненасичених жирних кислот ферментними
системами людського організму.
210 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
середньому 10-15 кг. Крім жирової тканини, біосинтез триацилгліцеролів в обме-
женій кількості відбувається також в інших тканинах, зокрема печінці, кишечнику,
молочній залозі в період лактації.
Метаболічними попередниками в біосинтезі триацилгліцеролів є активовані
жирні кислоти (ацил-КоА) та гліцерол-3-фосфат, що, в свою чергу, постачаються
за рахунок окислення глюкози.
Ферментативні реакції синтезу триацилгліцеролів
1. Утворення активованої форми гліцеролу — гліцерол-3-фосфату (
αα
αα
α
-гліце-
рофосфату).
Цей процес може відбуватися за одним із двох механізмів:
1.1. Шляхом фосфорилювання гліцеролу за участю ферменту гліцеролфосфо-
кінази (див. також главу 14, розділ 14.3):
гліцерол + АТФ
гліцерол-3-фосфат + АДФ
1.2. Шляхом відновлення діоксіацетонфосфату — інтермедіату гліколітичного
розщеплення глюкози. Реакція каталізується НАДН-залежною гліцерол-3-фос-
фат-дегідрогеназою (
αα
αα
α-гліцерофосфатдегідрогеназою):
діоксіацетонфосфат + НАДН + Н
+
гліцерол-3-фосфат + НАД
+
2. Ацилювання гліце-
рол-3-фосфату з утворен-
ням фосфатидної кисло-
ти за рахунок двох моле-
кул активованих жирних
кислот — ацил-КоА.
Процес відбувається в
два етапи:
2.1. Перше ацилюван-
ня за участю ферменту
гліцерол-3-фосфатацил-
трансферази з утворен-
ням 1-ацилгліцерол-3-фос-
фату (лізофосфатидату).
2.2. Друге ацилюван-
ня за участю ферменту
1-ацилгліцерол-3-фосфат-
ацилтрансферази з утво-
ренням 1,2-діацилгліце-
рол-3-фосфату (фосфа-
тидної кислоти).
H
2
C
HC
OH
OH
H
2
CO P
R
1
- COSKoA
KoA - SH
H
2
C
HC
O
OH
H
2
CO P
C
O
R
1
Гліцерол-3-фосфат 1-Ацилгліцерол-3-фосфат
(лізофосфатидат)
H
2
C
HC
O
OH
H
2
CO P
R
2
- COSKoA
KoA - SH
H
2
C
HC
O
O
H
2
CO P
C
O
R
1
C
O
R
1
CR
2
O
1-Ацилгліцерол-3-фосфат Фосфатидна кислота
H
2
C
HC
O
O
H
2
CO P
C
O
R
1
CR
2
O
H
2
O
Pi
H
2
C
HC
O
O
H
2
COH
C
O
R
1
CR
2
O
Фосфатидна кислота 1,2-Діацилгліцерол
211
Ãëàâà 15. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
У цьому ацилюванні
бере участь залишок нена-
сиченої жирної кислоти.
3. Гідроліз фосфатидної
кислоти до 1,2-діацил-
гліцеролу (дигліцериду) за
участю ферменту фосфа-
тидат-фосфогідролази:
4. Ацилювання 1,2-діацилгліцеролу третьою молекулою ацил-КоА (фермент
діацилгліцеролацилтрансфераза) з утворенням триацилгліцеролу.
Особливості біосинтезу триацилгліцеролів в адипоцитах
У жировій тканині практично відсутній фермент гліцеролфосфокіназа, тому
головним джерелом гліцерол-3-фосфату в адипоцитах є реакція відновлення ді-
оксіацетонфосфату, що постачається за рахунок гліколітичного розщеплення
глюкози.
Таким чином, ліпогенез у жировій тканині суттєво залежить від постачання
адипоцитів глюкозою. Оскільки проникність мембран адипоцитів для глюкози є
інсулін-залежною, нормальне вироблення підшлунковою залозою інсуліну є
важливою передумовою біосинтезу триацилгліцеролів в адипоцитах.
15.3. БІОСИНТЕЗ ФОСФОГЛІЦЕРИДІВ
Фосфогліцериди (гліцерофосфоліпіди) — фосфатидилхолін, фосфатидил-
етаноламін, фосфатидилсерин і кардіоліпін належать до структурних ліпідів, що
складають ліпідний матрикс біологічних мембран. Це — складні ліпіди, побудо-
вані на основі гліцеролу, тому перші етапи їх біосинтезу є однаковими з розгляну-
тими вище ферментативними реакціями утворення триацилгліцеролів, а саме:
H
2
C
HC
O
O
H
2
COH
C
O
R
1
CR
2
O
R
3
- COSKoA
KoA - SH
H
2
C
HC
O
O
H
2
CO
C
O
R
1
CR
2
O
C
O
R
3
Триацилгліцерол1,2-Діацилгліцерол
(CH
3
)
3
N
CH
2
CH
2
OH
+ ATФ
CH
2
CH
2
O
P+ AДФ
(CH
3
)
3
N
Холін Фосфохолін
гліцерин гліцерол-3-фосфат фосфатидна кислота
Після утворення фосфатидної кислоти реакції синтезу триацилгліцеролів та
фосфогліцеридів дивергують. Розглянемо схему синтезу найбільш поширених
мембраннних фосфогліцеридів на прикладі утворення 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
212 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
(етаноламіну) з нуклеозиддифосфатом ЦДФ, які утворюються за рахунок таких
реакцій:
1) активації холіну (етаноламіну) шляхом АТФ-залеж-
ного 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-ді-
ацилгліцеролом з утворенням фосфатидилхоліну (фос-
фатидилетаноламіну).
H
2
C
O
C
O
R
1
HC
H
2
COH
O
C
O
R
2
C
N
N
NH
2
O
CH
2
OH
OH
O
OPOP
OCH
2
CH
2
N(CH
3
)
3
H
2
CO
C
O
R
1
HC
H
2
CO
O
C
O
R
2
POCH
2
CH
2
N(CH
3
)
3
C
N
N
NH
2
O
CH
2
OH
OH
O
OP
+
+
1,2-Діацилгліцерол ЦДФ-холін
Фосфатидилхолін ЦМФ
COOH
CH
CH
2
H
2
N
CH
2
+
S
Аденозин
CH
3
ЦДФ-холін
C
N
N
NH
2
O
CH
2
OH
OH
O
OPOP
OCH
2
CH
2
N(CH
3
)
3
+ ФФ
н
ЦТФ
C
N
N
NH
2
O
CH
2
OH
OH
O
CH
2
CH
2
N(CH
3
)
3
+
O
P
O
P
O
PP
O
Фосфохолін
213
Ãëàâà 15. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
Альтернативним шляхом утворення фосфатидилхоліну є метилювання етано-
ламіну, що входить до складу фосфатидилетаноламіну. За донора метильних
груп в реакції править амінокислота метіонін у формі S-аденозилметіоніну:
фосфатидилетаноламін + 3 S-аденозилметіонін
фосфатидилхолін +
+ 3 S-гомоцистеїн
Фосфатидилсерин утворюється в реакції, що є обміном гідрофільних радикалів
при взаємодії фосфатидилетаноламіну й серину:
фосфатидилетаноламін + серин
фосфатидилсерин + етаноламін
Загальну схему біосинтезу триацилгліцеролів і фосфогліцеридів подано на рис. 15.3.
15.4. МЕТАБОЛІЗМ СФІНГОЛІПІДІВ. СФІНГОЛІПІДОЗИ
Сфінголіпіди — складні ліпіди біологічних мембран, що побудовані на основі
високомолекулярного спирту сфінгозину. Ці ліпіди — сфінгомієліни та гліко-
сфінголіпіди в найбільшій кількості наявні в структурах центральної та перифе-
ричної нервової системи, зокрема в мієлінових оболонках нервів.
HC(CH
2
)
12
CH
3
CH
CH
OH
CH
NH
2
CH
2
OH
Гліцерол-3-фосфат
Діоксіацетон-
фосфат
Фосфатидат
H
2
O
Ф
н
1,2-Діацилгліцерол
КоАSH
Ацил-КоА
Триацилгліцерол
Холін
(Етаноламін)
АТФ
АДФ
Фосфохолін
(Фосфоетаноламін)
ЦТФ
ФФ
н
ЦДФ-холін
ЦДФ-етаноламін
ЦМФ
Фосфатидилхолін
Фосфатидилетаноламін
Фосфатидилсерин
Серин Етаноламін
Жирні кислоти
АТФ
АМФ
КоАSH
Гліцерол
АТФ
АДФ
2 Ацил-КоА
2 КоАSH
Рис. 15.3. Метаболічна карта шляхів синтезу триацилгліцеролів і фосфогліцеридів.
214 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
У даному розділі будуть висвітлені основні біохімічні етапи утворення сфінголіпідів
та їх молекулярні порушення (ензимопатії), що мають надзвичайно важливе клінічне
значення.
Біосинтез сфінголіпідів
Утворення сфінгозину
Для синтезу високомолекулярного аліфатичного аміноспирту сфінгозину вико-
ристовуються вуглеводневий радикал пальмітату й залишок амінокислоти серину.
Реакція каталізується ферментом, залежним від піридоксальфосфату (вітаміну В
6
),
і потребує дії НАДФН-залежної дегідрогенази; дигідросфінгозин, що утворюєть-
ся, окислюється до сфінгозину за участю ФАД-залежного флавопротеїну:
а) пальмітоїл-КоА + серин + НАДФН + Н
+
дигідросфінгозин +
+ СО
2
+ НАДФ
+
+ KoA-SH
б) дигідросфінгозин + ФАД
сфінгозин + ФАДН
2
Утворення N-ацилсфінгозинів (церамідів)
Цераміди є базовою молекулярною структурою всіх сфінголіпідів. Вони утво-
рюються шляхом N-ацилювання аміногрупи сфінгозину певною високомолеку-
лярною жирною кислотою:
сфінгозин + ацил-КоА
N-ацилсфінгозин (церамід) + КоА-SH
Утворення сфінгомієлінів
Сфінгомієліни — молекулярні структури, що утворюються шляхом приєднання
фосфохоліну до церамідів, які містять у своєму складі залишки різних жирних
кислот. Донором фосфохоліну є ЦДФ-холін:
церамід + ЦДФ-холін
сфінгомієлін + ЦМФ
Утворення глікосфінголіпідів
Глікосфінголіпіди — глікозильовані похідні церамідів, які, залежно від будови
вуглеводної частини молекули, поділяються на: цереброзиди (моногексозиди цера-
мідів), сульфатиди (сульфатовані похідні галактоцерамідів), глобозиди (оліго-
гексозиди церамідів) та гангліозиди (олігосахаридні похідні церамідів, що містять
у своєму складу N-ацетилнейрамінову кислоту) (глава 5). Основною біологічною
функцією глікосфінголіпідів як компонентів зовнішнього шару плазматич-
них мембран є участь у міжклітинних взаємодіях і контактах.
Формування молекул глікосфінголіпідів здійснюється шляхом послідовного
нарощування залишків моносахаридів та їх похідних на СН
2
ОН-групи церамідів
(N-ацилсфінгозинів).
Донорами вуглеводів у цих реакціях є нуклеотидцукри; ферменти, що каталізу-
ють глікозилювання церамідів — глікозилтрансферази мембран ендоплазматич-
ного ретикулума й апарату Гольджі. Наприклад, утворення галактозилцераміду
(галактоцереброзиду) відбувається згідно з реакцією (глава 13, розділ 13.4):
УДФ-Гал + церамід
гал-церамід + УДФ
215
Ãëàâà 15. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
Послідовність реакцій біосинтезу сфінголіпідів можна подати у вигляді такої
схеми:
Катаболізм сфінголіпідів
Катаболізм сфінголіпідів
здійснюється шляхом послі-
довного розщеплення їх мо-
лекул за участю лізосомальних
гідролаз.
1. Сфінгомієліни розщеп-
люються до цераміду та фос-
фохоліну за участю сфінго-
мієлінази:
сфінгомієлін
церамід +
+ фосфохолін
2. Глікосфінголіпіди. Роз-
щеплення глікосфінголіпідів
починається із поступового
відщеплення моносахарид-
них залишків від олігосаха-
ридного кінця молекул.
Схему гідролітичного роз-
щеплення глікосфінголіпідів
G
M2
та G
M1
подано на рис. 15.4.
Конкретні послідовності ре-
акцій можуть відрізнятися, за-
лежно від особливостей бу-
дови олігосахаридної частини
глікосфінголіпіду. Сфінгозин,
що утворюється в результаті
цих реакцій, розпадається до
фосфоетаноламіну та довго-
ланцюгового альдегіду.
На схемі подані сіаловані
гангліозиди (тобто такі, що
зв’язані з N-ацетилнейрамі-
новою кислотою — NeuAc).
Сфінгомієлін
Сфінгозин
Ацил-КоА КоАSH
Церамід
ЦДФ-холін
ЦМФ
Галактозилцерамід
(цереброзид)
УДФ-Гал
УДФ
Рис. 15.4. Послідовність етапів катаболізму глікосфінголіпідів.
Cer
NeuAc
Cer
NeuAc
Cer
NeuAc
Cer
Cer
Glc
Gal N-AcGal
Gal
Гангліозид G
M1
β-галактозидаза
Glc
Gal N-AcGal
Гангліозид G
M2
Гексозамінідаза
Glc
Gal
Церамідолактозид
сіалований
Glc
Gal
Церамідолактозид
Glc
β-галактозидаза
Глюкоцереброзид
Глюкоцереброзидаза
Церамід
Сфінгозин
Церамідаза
Нейрамінідаза
216 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Генетичні аномалії метаболізму сфінголіпідів
Спадкові хвороби, пов’язані з аномальним накопиченням в головному мозку
та інших тканинах сфінголіпідів та продуктів їх метаболізму, структурним ком-
понентом яких є цераміди, отримали назву сфінголіпідозів. Сфінголіпідози є
ензимопатіями з класу ліпідозів, що, подібно до глікозидозів (глава 13), належать
до “лізосомальних хвороб”, спричинених генетичними дефектами в синтезі
певних гідролітичних ферментів катаболізму складних біомолекул.
Найбільш поширеними є такі сфінголіпідози:
Хвороба Німана-Піка — сфінголіпідоз, спричинений порушенням синтезу
сфінгомієлінази, що супроводжується накопиченням у головному мозку, селезінці
та печінці хворих сфінгомієліну. Хвороба призводить до затримки психічного
розвитку та смерті в ранньому дитячому віці.
Хвороба Тея-Сакса (гангліозидоз G
M2
) — генетична хвороба, спричинена де-
фектом у синтезі гексозамінідази, що відщеплює термінальний N-ацетилгалак-
тозамін від гангліозиду G
M2
, який в аномальних кількостях накопичується в
головному мозку. Хвороба проявляється затримкою розумового розвитку, сліпо-
тою, неврологічними розладами, макроцефалією; смерть хворих дітей звичайно
настає у віці 3-4 років. Цей сфінголіпідоз найбільш поширений серед етнічних
євреїв — вихідців із Центральної та Східної Європи, де частота хвороби, зокрема
в популяції єврейського населення США, досягає 1 випадку на 3600 ново-
народжених.
Гангліозидоз G
M1
— сфінголіпідоз, що спричиняється порушенням синтезу
лізосомальної
ββ
ββ
β-галактозидази, яка відщеплює термінальний залишок галактози
в гангліозиді G
M1
і кератансульфатах (таблиця 13.3) із накопиченням у нервовій
системі відповідних сполук. За клінічною картиною гангліозидоз — хвороба,
близька до хвороби Тея-Сакса.
Хвороба Гоше (глюкоцереброзидний ліпідоз) — сфінголіпідоз, генетичний
дефект при якому полягає в недостатньому синтезі глюкоцереброзидази — фер-
менту, що відщеплює залишок глюкози від молекул глюкоцереброзидів, які накопи-
чуються в ретикулоендотеліальній системі. Патологія має поліморфну клінічну
картину і проявляється спленомегалією, збільшенням печінки, ураженням
кісткової тканини, нейропатіями.
217Ãëàâà 16. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
ГЛАВА 16. МЕТАБОЛІЗМ ЛІПІДІВ
III. ОБМІН ХОЛЕСТЕРИНУ. ТРАНСПОРТ ЛІПІДІВ
Важливе місце у фізіології та патології людини посідає метаболізм ліпідів із
класу стероїдів. Холестерол (холестерин) — основний представник стеринів тва-
ринного походження, транспорт та біотрансформація якого пов’язані з обміном
інших стероїдів, є сполукою, необхідною для нормального функціонування клітин,
підтримання фізичного стану біомембран, утворення речовин гормональної дії.
Порушення транспорту холестерину та триацилгліцеролів є передумовою виник-
нення багатьох важких хвороб людини.
16.1. БІОСИНТЕЗ ХОЛЕСТЕРИНУ
Холестерин — стероїд, що виконує важливі структурні та регуляторні функції,
входячи до складу біомембран та виступаючи попередником у синтезі фізіологічно
активних сполук різних класів. Джерелами холестерину для організму людини є
його біосинтез і надходження з продуктами харчування тваринного походження.
Усього за добу в організмі дорослої людини синтезується в середньому від 0,5
до 1,0 г холестерину, з їжею надходить 0,3-0,5 г (в деяких випадках — до 1,0-1,2 г)
холестерину. Здатність до синтезу холестерину мають усі клітини тваринного
похоження, за винятком зрілих еритроцитів. Проте найбільша кількість ендогенно-
го холестерину (від 50 до 80 %) синтезується в печінці, решта стеролу утворюється
в кишечнику (10-15 %) та в шкірі (близько 5 %). Саме в клітинах печінки та сли-
зової оболонки кишечника стерол синтезується не тільки для власних потреб, а й
“на експорт”.
Попередником у біосинтезі холестерину є ацетил-КоА, який утворюється при
окисленні глюкози за рахунок окислювального декарбоксилювання пірувату або
при
ββ
ββ
β-окисленні жирних кислот.
Ферментативні реакції синтезу холестерину
Біосинтез холестерину відбувається в цитозолі клітин і його перші етапи поляга-
ють в утворенні з ацетил-КоА
ββ
ββ
β-гідрокси-
ββ
ββ
β-метилглутарил-КоА (
ββ
ββ
β-ГОМК) за
механізмами, що були розглянуті в главі 14:
2 ацетил-КоА
ацетоацетил-КоА
ββ
ββ
β-ГОМК
При спрямованості процесу в бік біосинтезу кетонових тіл
ββ
ββ
β-ГОМК розщеплю-
ється мітохондріальною ліазою з утворенням ацетоацетату. В разі вступу
ββ
ββ
β-ГОМК
на метаболічний шлях біосинтезу холестерину відбуваються такі біохімічні
реакції:
1. Відновлення
ββ
ββ
β-ГОМК з утворенням мевалонової кислоти. Реакція каталі-
зується НАДФН-залежною
ββ
ββ
β-ГОМК-редуктазою:
218 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
ββ
ββ
β-ГОМК-редуктаза є регуляторним ферментом, активність якого гальмується
кінцевим продуктом цього біосинтетичного шляху — холестерином (ендогенного
або екзогенного, дієтарного походження).
2. Утворення з мевалонової кислоти ізопреноїдних одиниць.
Процес відбувається в декілька стадій і включає в себе:
2.1. Активацію мевалонату за участю АТФ з утворенням пірофосфомевалонової
кислоти:
2.2. Декарбоксилювання пірофосфомевалонату з утворенням ізопентеніл-
пірофосфату (“активного ізопрену”) та його ізомерної форми — 3,3-диметил-
алілпірофосфату:
3. Конденсація п’ятивуглецевих (5 С) пірофосфорильованих ізопренів з утворен-
ням тридцятивуглецевого (30 С) вуглеводню терпенової структури — сквалену (С
30
Н
50
).
Цей багатостадійний процес включає в себе утворення проміжних метабо-
літів поліізопреноїдної структури і перебігає за такою схемою:
HOO C CH
2
C
CH
3
OH
CH
2
C ~ S-K oA
O
+
НАДФН + Н
+
HOO C CH
2
C
CH
3
OH
CH
2
CH
2
+
НАДФ
+
+ KoASH
OH
Мевалонова кислота
HOO C CH
2
C
CH
3
OH
CH
2
CH
2
+
2АТФ
OH
HOO C CH
2
C
CH
3
OH
CH
2
CH
2
+
2АДФ
OP
O
OH
OP
O
OH
OH
Пірофосфомевалонова кислота
HOO C CH
2
C
CH
3
OH
CH
2
CH
2
OP
O
OH
OP
O
OH
OH
CO
2
C
CH
3
CH
2
CH
2
OP
O
OH
OP
O
OH
OHH
2
C
C
CH
3
CH CH
2
OP
O
OH
OP
O
OH
OHH
3
C
Ізопентенілпірофосфат
3,3-Диметилалілпірофосфат
219Ãëàâà 16. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
3.1. 3,3-диметилалілпірофосфат (5 С) + ізопентенілпірофосфат (5 С)
геранілпірофосфат (10 С);
3.2. геранілпірофосфат (10 С) + ізопентенілпірофосфат (5 С)
фарнезилпірофосфат (15 С);
3.3. 2 фарнезилпірофосфат (2 х 15 С) + НАДФН + Н
+
сквален (30 С)
4. Циклізація ізопреноїдного лінійного вуглеводня сквалену з утворенням сте-
роїдних молекул (похідних циклопентанпергідрофенантрену). Попередником
холестерину є циклічний вуглеводень ланостерин:
4.1. сквален
сквален-2,3-епоксид ланостерол (ланостерин)
4.2. ланостерол (30 С)
холестерол (27 С)
Зазначені реакції включають у себе про-
цеси епоксидації, окисного гідроксилю-
вання, деметилювання і каталізуються фер-
ментами з класу монооксигеназ (мікросо-
мальними оксигеназами мішаної функції),
що включають у себе цитохром Р-450 і по-
требують наявності НАДФН та кисню.
Сумарне рівняння біосинтезу холесте-
рину (С
27
Н
46
О) з ацетил-КоА можна по-
дати таким чином:
18 СН
3
СО-SKoA + 13 НАДФН + 13 Н
+
+
+ 3 О
2
+ 18 АТФ С
27
Н
46
О + 13 НАДФ
+
+
+ 18 KoASH + 9 СО
2
+ 18 АДФ + 6 Н
4
Р
2
О
7
+
+ 6 Н
3
РО
4
+ Н
2
О
Загальна схема синтезу холестерину
подана на рис. 16.1.
Регуляція біосинтезу холестерину
Лімітуючим етапом у процесі біосин-
тезу холестерину є реакція утворення
мевалонату з
ββ
ββ
β-ГОМК, що каталізується
ββ
ββ
β-ГОМК-редуктазою. Гальмування швид-
кості процесу здійснюється за принципом
негативного зворотного зв’язку, коли нако-
пичення кінцевого продукту анаболічного
шляху — холестерину зменшує швидкість
його утворення.
Інгібітором ферменту є холестерин або холестериновмісний ліпопротеїн
ЛПНЩ (див. нижче). Відповідно до таких механізмів, споживання холестерину
з їжею гальмує його утворення в печінці, а безхолестеринова дієта, навпаки,
активує ендогенний синтез холестерину в гепатоцитах.
Ацетил-КоА
Ацетил-КоА
Ацетоацетил-КоА
Ацетил-КоА
ββ
ββ
β - ГОМК
Мевалонат
Ізопентеніл — Ф — Ф
Диметилаліл — Ф — Ф
Гераніл — Ф — Ф
Фарнезил — Ф — Ф
Сквален
Ланостерин
Холестерин
Рис. 16.1. Метаболічна карта біосинтезу
холестерину.
220 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Молекулярні механізми регуляції
ββ
ββ
β-ГОМК-редуктазної реакції включають у
себе як ковалентну модифікацію ферменту (фосфорильована форма — неактивна,
а дефосфорильована — активна), так і вплив біохімічних модуляторів на швид-
кість синтезу (ферментна індукція) або деградацію ферменту.
Інсулін та гормони щитовидної залози збільшують активність
ββ
ββ
β-ГОМК-
редуктази, а глюкагон та глюкокортикоїди — зменшують.
16.2. БІОТРАНСФОРМАЦІЯ ХОЛЕСТЕРИНУ
Холестерин, що синтезувався в організмі, або надійшов із продуктами хар-
чування, підлягає численним метаболічним перетворенням — біотрансформації,
в результаті чого утворюються біологічно активні сполуки стероїдної природи, а
також створюються умови для екскреції надлишків стеролу.
Першим етапом перетворення вільного холестерину є утворення його ефірів —
холестеридів; збільшення активності реакцій біосинтезу холестерину супро-
воджується зростанням швидкості його етерифікації.
Етерифікація холестерину
Переважна частина холестерину тканин і близько 65 % холестерину плазми
етерифіковано вищими жирними кислотами в положенні С-3. Синтез ефірів
холестерину в плазмі крові та в клітинах відбувається за різними механізмами.
1. Зовнішньоклітинна етерифікація холестерину здійснюється ферментом
лецитин (фосфатидилхолін)-холестерин-ацилтрансферазою (ЛХАТ) плазми.
ЛХАТ каталізує реакцію перенесення ацильного залишку з 2-го (
ββ
ββ
β-) положення
фосфатидилхоліну на гідроксильну групу холестерину:
холестерол + фосфатидилхолін
холестерол-ефір + лізофосфатидилхолін
Для етерифікації холестерину використовуються ненасичені жирні кислоти:
лінолева С
18:2
(переважно) та олеїнова С
18:1
. Найбільш активно реакція відбувається
в ліпопротеїнах крові ЛПВЩ (див. розділ 16.3).
2. Внутрішньоклітинна етерифікація холестерину перебігає за участю ацил-
КоА-холестерин-ацилтрансферази (АХАТ):
холестерол + ацил-КоА
холестерол-ефір + KoA-SH
АХАТ використовує для етерифікації холестерину ацил-КоА різної природи,
найбільш активно — залишки олеїнової кислоти. Фермент локалізований у
мембранах ендоплазматичного ретикулума (мікросомній фракції) клітин печінки
та інших органів — надниркових залоз, кишечника, шкіри тощо. Фізіологічною
функцією АХАТ є створення внутрішньоклітинних резервів холестерину, який
після деетирифікації спеціальними естеразами, може використовуватися для
синтезу жовчних кислот, стероїдних гормонів наднирникових залоз, секс-
гормонів, вітаміну D
3
та його похідних.
Шляхи біотрансформації холестерину
Біотрансформація холестерину в інші біологічно активні сполуки стероїдної
природи здійснюється за рахунок введення в молекулу стеролу додаткових
221Ãëàâà 16. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
гідроксильних груп та реакцій модифікації в бічному ланцюзі. Реакції окисного
гідроксилювання стероїдів каталізуються ферментами монооксигеназами
(оксигеназами мішаної функції).
Сумарне рівняння процесу окисного гідроксилювання холестерину (RH), який
відбувається при синтезі його біологічно активних похідних, має вигляд:
RH + О
2
+ НАДФН + Н
+
R-ОН + Н
2
О + НАДФ
+
Процес перебігає за участю цитохрому Р-450 у мембранах ендоплазматичного
ретикулума гепатоцитів (“мікросомальне окислення”) або в мітохондріях наднир-
никових залоз та клітин статевих залоз.
1. Біосинтез жовчних кислот.
У гепатоцитах холестерин перетворюється на жовчні кислоти — важливі ком-
поненти жовчі, що беруть участь у перетравленні харчових жирів у кишечнику
людини і тварин.
Жовчні кислоти є гідроксильова-
ними похідними холанової кислоти;
до них належать такі сполуки: холева
(3,7,12-триоксихоланова), дезоксихо-
лева (3,12-діоксихоланова), хенодез-
оксихолева (3,7-діоксихоланова) та
літохолева (3-оксихоланова) кислоти.
Холева та хенодезоксихолева кис-
лоти (первинні жовчні кислоти) утво-
рюються в печінці при гідроксилю-
ванні циклопентанпергідрофенантре-
нового циклу та частковому окисленні
в боковому ланцюзі молекули холесте-
рину.
Першим етапом у біосинтезі жовч-
них кислот є 7
αα
αα
α-гідроксилювання
холестерину, що каталізується фер-
ментом мембран ендоплазматичного
ретикулума 7
αα
αα
α-гідроксилазою, який є
однією з ізоформ цитохрому Р-450 та
функціонує за участю НАДФН, кисню
та вітаміну С (аскорбінової кислоти).
7
αα
αα
α-Гідроксилаза — регуляторний
фермент, що є активним у фосфо-
рильованій і малоактивним — в де-
фосфорильваній формі. Жовчні кислоти — кінцеві продукти цього метаболічного
шляху — пригнічують активність ферменту за принципом негативного зворот-
ного зв’язку.
Після утворення 7
αα
αα
α-гідроксихолестеролу шлях біосинтезу жовчних кислот
дихотомічно розгалужується: одна з гілок веде до утворення холевої кислоти,
CH
3
CH
3
CH
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
CH
3
CH
2
CH
2
COO H
Холанова кислота
3
7
12
17
HO
НАДФН + Н
+
О
2
НАДФ
+
3
7
12
17
HO
OH
Холестерол
7-α-Гідроксихолестерол
222 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
друга — хенодезоксихолевої. Ці сполуки надходять із гепатоцитів у жовчні капі-
ляри і депонуюються в жовчному міхурі, надходячи з нього до порожнини дванад-
цятипалої кишки. При дії ферментів мікроорганізмів, що містяться в кишечнику,
утворюються вторинні жовчні кислоти — дезоксихолева та літохолева (рис. 16.2):
Основним, щодо кількості, представником жовчних кислот у жовчі людини є
холева кислота, яка бере участь в емульгуванні жирів у кишечнику у вигляді
натрієвої та калієвої солей її кон’югованих форм — глікохолевої та таурохолевої
кислот. Глікохолат і таурохолат містять в своїй структурі гідрофільні (радикали
гліцину та таурину) та гідрофобні (стероїдне ядро) молекулярні групи, і завдяки
своїй амфіпатичній будові є високоактивними детергентами, що необхідні для
емульгування жирів у кишечнику.
Холева кислота та її кон’юговані форми — глікохолат і таурохолат.
2. Біосинтез стероїдних гормонів
Стероїдні гормони містять у своєму складі 21 (кортикоїди, прогестерон) і
менше (19 — андрогени, 18 — естрогени) атомів вуглецю, тому їх утворення з
С
27
-стероїду холестерину включає, крім окисного гідроксилювання, і розщеплення
вуглеводневого бічного ланцюга, реакції окислення, відновлення та ізомеризації.
Холестерин
Холева кислота
(3,7,12-триоксихоланова)
Хенодезоксихолева кислота
(3,7-діоксихоланова)
Дезоксихолева кислота
(3,12-діоксихоланова)
Літохолева кислота
(3-оксихоланова)
Рис. 16.2. Схема утворення жовчних кислот із холестерину.
CH
3
CH
3
CH
CH
3
CH
2
CH
COOH
HO
OH
OH
CH
3
CH
3
CH
CH
3
CH
2
CH
2
HO
OH
OH
CH
3
CH
3
CH
CH
3
CH
2
HO
OH
OH
C
O
NH
CH
2
COO
–
C
O
NH
CH
2
CH
2
SO
3
–
CH
2
Глікохолева кислота
Холева кислота
Таурохолева кислота
Гліцин
Таурин
223Ãëàâà 16. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
Першим етапом на шляху синтезу з холестерину стероїдних гормонів
надниркових залоз (кортикостероїдів) є утворення С
21
-стероїду прегненолону —
безпосереднього попередника прогестагену прогестерону (С
21
), який у клітинах
надниркових залоз перетворюється на кортикостероїди (С
21
): глюкокортикоїд
кортизол та мінералокортикоїд альдостерон.
Гормони чоловічих та жіночих статевих залоз також утворюються з холесте-
рину через стадію прегненолону та прогестерону, який у цих органах перетворю-
ється в 17-
αα
αα
α-гідроксипрогестерон — попередник андрогену (С
19
) — тесто-
стерону та естрогенів (С
18
) — естрону та естрадіолу.
3. Біосинтез вітаміну D
3
.
Перетворення холестерину у вітамін D
3
— холекальциферол — потребує роз-
щеплення кільця циклопентанпергідрофенантрену з утворенням провітаміну D
3
,
який підлягає реакціям окисного гідроксилювання з утворенням біологічно актив-
ної форми вітаміну — 1,25-дигідроксихолекальциферолу (кальцитріолу). Більш
детально процес біосинтезу вітаміну D
3
та його активних форм буде розглянутий
у главі 25.
Схему біотрансформації холестерину з утворенням жовчних кислот та біоло-
гічно активних стероїдів подано на рис.16.3.
Екскреція холестерину з організму
За рахунок ендогенного синтезу та всмоктування з кишечника пул холесте-
рину в організмі міг би щодобово збільшуватися приблизно на 1 г. Цьому про-
тидіють реакції виведення холестерину з обміну шляхом його перетворення в
інші стероїди та екскреції з організму з фекаліями.
Холестерол (С
27
)
7-
αα
αα
α-Гідроксихолестерол Прегненолон (С
21
) Вітамін Д
3
(С
27
)
Холева
кислота (С
24
)
Хенодез-
оксихолева
кислота (С
24
)
Прогестагени
(прогестерон)
(С
21
)
Кортизол
(С
21
)
Кортикостерон
(С
21
)
Альдостерон
(С
21
)
17-
αα
αα
α-Гідроксипрогестерон
Андрогени (С
19
) Естрогени
(С
18
)
Рис. 16.3. Метаболічна карта біотрансформації холестерину.
224 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Шляхи екскреції холестерину:
1. Виведення у формі жовчних кислот. В організмі постійно циркулює (в про-
цесі ентерогепатичної циркуляції) близько 3-5 г жовчних кислот; певна частина
цієї кількості (до 500 мг/добу) не всмоктується і виводиться з організму.
2. Виведення у формі копростанолу — продукту, що утворюється з холесте-
рину в нижньому відділі кишечника під дією ферментів кишкової мікрофлори.
Цим шляхом екскретується та частина холестерину, яка не абсорбується в
кишечнику.
3. Виведення у формі нейтральних стероїдів — кінцевих метаболітів стеро-
їдних гормонів.
Порушення динамічної рівноваги між процесами, що постачають холестерин
та виводять його з організму, призводить до надмірного накопичення стеролу в
клітинах та екстрацелюлярних просторах — клініко-біохімічного синдрому холе-
стеринозу (Ю.М.Лопухин, 1983), проявами якого є сімейні (спадкові) гіпер-
холестеринемії та атеросклероз.
16.3. ТРАНСПОРТ ТА ДЕПОНУВАННЯ ЛІПІДІВ.
ЛІПОПРОТЕЇНИ ПЛАЗМИ. ГІПЕРЛІПОПРОТЕЇНЕМІЇ
Із продуктами харчування до організму людини надходять ліпіди різних класів, а
саме: триацилгліцероли (що складають основну масу харчових жирів); вільний холе-
стерин та його ефіри з жирними кислотами (холестериди); складні ліпіди (переважно
гліцерофосфоліпіди).
Детально біохімічні механізми перетравлення ліпідів різних класів у шлунково-
кишковому тракті людини будуть подані в главі 26. У даному розділі розглянемо
основні процеси, що стосуються біотранспорту триацилгліцеролів та холестерину,
який починається з абсорбції цих ліпідів слизовою оболонкою кишечника.
Під дією панкреатичної ліпази та за участю жовчних 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:
Зазначені продукти гідролізу (вищі жирні кислоти, моногліцериди) абсорбу-
ються клітинами слизової оболонки тонкої кишки (ентероцитами). Холестерин
продуктів харчування всмоктується у вільному стану, холестериди — після
відповідного гідролізу холестеролестеразою.
Усередині ентероцитів продукти гідролізу триацилгліцеролів, що всмокталися,
беруть участь у двох біохімічних процесах, які є передумовою подальшого
CH
2
O
CH
C
O
R
1
CH
2
O
OC
O
R
3
C
O
R
2
+ 2H
2
O
CH
2
OH
CH
CH
2
O
OH
C
O
R
2
+
R
1
– COOH
R
3
– COOH
225Ãëàâà 16. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
надходження нейтральних жирів у кров, біотранспорту та їх тканинного депо-
нування, а саме:
– реетерифікації вищих жирних кислот з утворенням нових молекул триацил-
гліцеролів;
– формування транспортних форм триацилгліцеролів — хіломікронів.
Ресинтез триацилгліцеролів в ентероцитах
Оскільки 2-моноацилгліцероли є основними продуктами гідролізу триацил-
гліцеролів, що абсорбуються епітеліоцитами кишечника, реетерифікація жирних
кислот усередині цих клітин перебігає моногліцеридним шляхом, що включає
такі реакції:
1. Утворення 1,2-моноацилгліцеролів (реакція каталізується кишковим
ферментом моноацилгліцерол-ацилтрансферазою):
2. Утворення триацилгліцеролів за участю діацилгліцерол-ацилтрансферази:
Утворення хіломікронів
Триацилгліцероли ресинтезуються в ендоплазматичному ретикулумі мукозних
клітин тонкої кишки. Вони утворюють ультрамікроскопічні краплинки, вкриті
шаром поверхнево активних білків та фосфоліпідів. Ці структури отримали назву
хіломікронів. До складу хіломікронів входять також вільний і етерифікований
холестерин.
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.).
Ліпопротеїни плазми крові
Крім хіломікронів, кров людини містить декілька класів комплексів ліпідів із
білками, що виконують функції міжорганного транспорту ліпідів — транспортні
CH
2
OH
CH
CH
2
O
OH
C
O
R
2
+ R
1
CO ~ SKoA
CH
2
O
CH
C
O
R
1
CH
2
O
OH
C
O
R
2
+ HSKoA
2-Моноацилгліцерол
1,2-Діацилгліцерол
CH
2
O
CH
C
O
R
1
CH
2
O
OH
C
O
R
2
+ R
3
CO ~ SK oA
CH
2
O
CH
C
O
R
1
CH
2
O
OC
O
R
3
C
O
R
2
+ HSKoA
1,2-Діацилгліцерол Триацилгліцерол
226 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
ліпопротеїни плазми крові. Транспортні ліпопротеїни є фізико-хімічною формою,
за допомогою якої гідрофобні молекули ліпідів утримуються в стабільному стані
у гідрофільному (водно-сольовому) середовищі плазми крові.
Фракціонування ліпопротеїнів крові людини здійснюється за допомогою
методу ультрацентрифугування плазми в сольових розчинах, під час якого відбу-
вається диференційоване спливання — флотація різних класів ліпопротеїнів,
залежно від розмірів їх часточок та щільності. Ліпопротеїни можна також роз-
ділити методом електрофорезу, при якому вони пересуваються разом із певними
класами глобулінів (
αα
αα
α-,
ββ
ββ
β-ліпопротеїни тощо).
За основу сучасної клініко-біохімічної класифікації ліпопротеїнів плазми крові
людини взято їх розділення за умов ультрацентрифугування. Існує певна відпо-
відність між класами ліпопротеїнів, що розділяються при застосуванні зазначених
двох методів фракціонування.
Основні класи ліпопротеїнів плазми крові:
– хіломікрони (ХМ);
– ліпопротеїни дуже низької щільності (ЛПДНЩ), або пре-
ββ
ββ
β-ліпопротеїни;
– ліпопротеїни проміжної щільності (ЛППЩ);
– ліпопротеїни низької щільності (ЛПНЩ), або
ββ
ββ
β-ліпопротеїни;
– ліпопротеїни високої щільності (ЛПВЩ), або
αα
αα
α-ліпопротеїни.
Зазначені класи ліпопротеїнів розрізняються за своїми фізико-хімічними харак-
теристиками (табл. 16.1), біохімічним (ліпідним, білковим) складом та фізіоло-
гічними функціями.
Т а б л и ц я 16.1. Фізичні властивості ліпопротеїнів плазми крові людини
За своєю молекулярною бу-
довою ліпопротеїни плазми
крові — це кулеподібні струк-
тури — міцели, всередині яких
міститься гідрофобна ліпідна
серцевина (ядро), що склада-
ється переважно з триацилгліце-
ролів та ефірів холестерину.
Гідрофобне ядро вкрите шаром
полярних амфіпатичних фосфо-
ліпідів, периферичних та інтег-
ральних білків. Схему молеку-
лярної будови ліпопротеїнів по-
дано на рис. 16.4.
Клас ліпопротеїнів
Щільність
(
г/мл
)
Діаметр часточок
(
нм
)
Хіломікрони
ЛПДНЩ
ЛППЩ
ЛПНЩ
ЛПВЩ
< 0,95
0,95-1,006
1,006-1,019
1,019-1,063
1,063-1,210
100-1 000
25-75
25
20-28
5-13
Рис.16.4. Схема будови ліпопротеїнів плазми крові.
Периферійний апобілок
Фосфоліпіди
Ефір холестеролу
Триацилгліцерол
Гідрофобне ядро
Шар, утворений
амфіратичними ліпідами
Інтегральний
апобілок
Холестерол
227Ãëàâà 16. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
Окремі класи ліпопротеїнів розрізняються також за складом білків, що вхо-
дять до них. Білки, які входять до складу ліпопротеїнів плазми крові людини,
отримали назву аполіпопротеїнів (апопротеїнів, апобілків, Апо). Існує п’ять
основних сімейств таких білків (A, B, C, D, E), до яких належать десять основних
апопротеїнів: A-1, A-2, A-4, В-48, В-100, C-1, C-2, C-3, D та E, що входять до
складу певних ліпопротеїнів у різних кількісних співвідношеннях (таблиця 16.2).
Т а б л и ц я 16.2. Аполіпопротеїни плазми крові людини
Ліпопротеїни певних класів (ЛП) містять у собі різні кількості окремих фракцій
ліпідів крові — триацилгліцеролів (ТГ), вільного (Х
в
) та етерифікованого (Х
е
)
холестерину, фосфоліпідів (ФЛ) — в міжорганному транспорті яких вони беруть
активну участь (таблиця 16.3). Ці ліпопротеїни формуються в різних органах, і
їх метаболізм має надзвичайне значення в нормальному розподілі та депонуванні
нейтральних жирів та холестерину.
Т а б л и ц я 16.3. Хімічний склад основних ліпопротеїнів плазми крові людини (%)
(за R.Murray т.і.,1988, L.Stryer,1995)
Хіломікрони — ліпопротеїни, що утворюються в слизовій оболонці тонкої киш-
ки після внутрішньоклітинного ресинтезу триацилгліцеролів. Вони є молеку-
лярною формою, в якій нейтральні жири та холестерин надходять із ентероцитів у
кров через систему лімфатичних судин.
ЛПДНЩ — ліпопротеїни, що також містять значну кількість нейтральних
жирів. ЛПДНЩ синтезуються в гепатоцитах і є основною молекулярною формою,
в якій триацилгліцероли виходять із печінки у кров та транспортуються в інші
органи. Деяка кількість ЛПДНЩ утворюється, подібно до хіломікронів, в енте-
роцитах під час перетравлення харчових ліпідів і з кишечника надходить у кров.
Хіломікрони та ЛПДНЩ щодобово переносять із кишечника та печінки в різні
тканини (жирову та ін.) в середньому 70-150 г нейтральних жирів. У тканинному
депонуванні триацилгліцеролів, що транспортуються ліпопротеїнами плазми
крові, бере участь ліпопротеїнліпаза судинного ендотелію різних органів, яка
гідролізує нейтральні жири, які входять до складу ХМ та ЛПДНЩ.
Апопротеїн
Класи ліпопротеїнів
,
до складу яких входять певні апобілки
A-1 ЛПВЩ
А-2 ЛПВЩ
ВЛПНЩ, ЛПДНЩ
С-1,С-2,С-3 ЛПВЩ, ЛПНЩ, ЛПДНЩ
D ЛПВЩ
E ЛПВЩ, ЛПНЩ, ЛПДНЩ
Ф
р
ак
ц
ії ліпідів
(
% від загальної кількості ліпідів
)
ЛП Білки Ліпіди ТГ Х ФЛ Апобілки
(
всього
)
Всього Х
в
/Х
е
ХМ 1-2 98-99 88 4 1/3 8 B-48,C,E
ЛПДНЩ 7-10 90-93 57 23 8/15 20 B-100,C,E
ЛПНЩ 21 79 14 58 10/48 28 B-100
ЛПВЩ 45 55 18 38 8/30 44 A
228 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
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 депону-
ються у вигляді резервних триацилгліцеролів (в адипоцитах жирової тканини).
Ліпопротеїни, що утворюються внаслідок деліпідизації ХМ та ЛПДНЩ —
залишкові, або ремнантні (remnant — залишок, англ.) 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.
ЛПНЩ — ліпопротеїни, що утворюються з ЛППЩ (ремнантів ЛПДНЩ) під
дієї печінкової ліпази, локалізованої на люмінальній поверхні ендотеліальних
клітин печінки. ЛПНЩ, що утворюються внаслідок цього процесу, містять, на
відміну від своїх попередників — ЛПДНЩ та ЛППЩ, значно меншу кількість
триацилгліцеролів і відрізняються складом апопротеїнів. Разом з тим, до складу
ЛПНЩ входить найбільша кількість холестерину (здебільшого в етерифікованій
формі), і вони є основним класом ліпопротеїнів плазми крові людини, що
переносять холестерин.
ЛПНЩ поглинаються клітинами різних органів за механізмом піноцитозу після
взаємодії цих ліпопротеїнів з ЛПНЩ-специфічними рецепторами на плазма-
тичних мембранах. Завдяки наявності означених рецепторів, ЛПНЩ виконують
свою функцію основної молекулярної форми транспорту холестерину в тканини.
Біологічна роль рецепторів ЛПНЩ полягає в забезпеченні всіх клітин орга-
нізму достатньою кількістю холестерину, необхідного для побудови біологічних
мембран та синтезу фізіологічно активних продуктів біотрансформації холе-
стерину — жовчних кислот, статевих гормонів, кортикостероїдів. Відповідно до
зазначеного, найбільша кількість рецепторів ЛПНЩ міститься на плазматичних
мембранах клітин печінки, статевих та надниркових залоз.
Порушення обміну ЛПНЩ є біохімічною основою ряду важких порушень
ліпідного обміну. Оскільки холестерин може проникати в судинну стінку саме у
складі ЛПНЩ, висока концентрація цих ліпопротеїнів у плазмі крові людини
розглядається як фактор, що сприяє розвиткові атеросклерозу (див. нижче).
Генетично спадковане порушення синтезу рецепторів ЛПНЩ призводить до роз-
витку сімейної гіперхолестеринемії (СГХ), яка проявляється накопиченням ЛПНЩ
у плазмі та вираженою гіперхолестеринемією вже в ранньому дитячому віці. За
відкриття рецепторів ЛПНЩ та розв’язання молекулярних механізмів виникнення
СГХ американським ученим М.Брауну та Дж.Гольдштейну (M.Brown, J.Goldstein)
було присуджено Нобелівську премію 1985 р. в галузі фізіології та медицини.
ЛПВЩ — ліпопротеїни, що утворюються в печінці й, частково, у тонкій кишці
у вигляді бішарових ліпідних дисків, що складаються, переважно, з фосфоліпідів,
вільного холестерину та апобілків Апо Е та Апо С. Дозрівання ліпопротеїнів
відбувається в крові, де Апо Е та Апо С замінюються на Апо А, холестерин
229Ãëàâà 16. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
етерифікується за участю лецитин-холестерол-ацилтрансферази, і ліпопротеїнові
часточки набувають сферичної форми. За особливостями свого хімічного складу
ЛПВЩ поділяються на підкласи — ЛПВЩ
2
та ЛПВЩ
3
.
Подібно до ЛПНЩ, ЛПВЩ здатні до активного обміну свого холестерину з
холестерином, що входить до складу біомембран. При цьому виникають проти-
лежно спрямовані потоки холестерину: тоді як ЛПНЩ постачають холестерин у
клітинні мембрани, ЛПВЩ, навпаки, — витягують на себе мембранний холе-
стерин. Таким чином, за допомогою ЛПВЩ забезпечується протидія надмірному
накопиченню холестерину в клітинах, у зв’язку з чим ЛПВЩ розглядаються як
антиатерогенні ліпопротеїни. Катаболізм ЛПВЩ також відбувається в печінці.
Гіперліпопротеїнемії
Гіперліпопротеїнемія — клініко-біохімічний синдром, при якому в плазмі
крові людини спостерігається підвищення (порівняно з нормою для певної попу-
ляції) концентрації певних класів ліпопротеїнів, а також триацилгліцеролів та
холестерину.
За механізмом походження виділяють:
– первинні (спадкові) гіперліпопротеїнемії, тобто такі, що спричинені генетич-
ними дефектами в синтезі певних ферментів обміну ліпідів крові (зокрема,
ліпопротеїнліпази, холестерол-ацилтрансферази) або неферментних білків —
порушеннями в синтезі певних апопротеїнів, рецепторів для апобілків та ліпопро-
теїнів (зокрема ЛПНЩ);
– вторинні (набуті) гіперліпопротеїнемії — гіперліпопротеїнемії, що розвива-
ються внаслідок певних хвороб внутрішніх органів (гепатит, цироз печінки, неф-
роз), ендокринопатій (порушення функції щитовидної залози, статевих залоз, цук-
ровий діабет), дії пошкоджуючих факторів середовища (хронічний алкоголізм).
Сучасна класифікація гіперліпопротеїнемій, запропонована ВООЗ, бере до
уваги клініко-біохімічні характеристики порушень ліпідного обміну у людини
(зокрема концентрації ЛПНЩ, ЛПДНЩ, триацилгліцеролів та холестерину) без
врахування причин їх розвитку (первинних (генетичних) або вторинних). Згідно
з класифікацією ВООЗ, виділяють п’ять основних типів гіперліпопротеїнемій
(I, II, III, IV, V) та два субтипи (IIa та IIb) — таблиця 16.4.
Тип Ліпопротеїни Холестерин плазми Холестерин ЛПНЩ Триацилгліцероли
плазми
I Надлишок ХМ Підвищений Підвищений або в
нормі
Підвищені
IIa Надлишок ЛПНЩ Підвищений або в
нормі
Підвищений В нормі
IIb Надлишок ЛПНЩ та
ЛПДНЩ
Підвищений Підвищений Підвищені
III Надлишок ремнантів
ХМ та ЛППЩ
Підвищений Підвищений або в
нормі
Підвищені
IV Надлишок ЛПДНЩ Підвищений або в
нормі
В нормі Підвищені
V Надлишок ХМ та
ЛПДНЩ
Підвищений В нормі Підвищені
Т а б л и ц я 16.4. Класифікація гіперліпопротеїнемій за ВООЗ (за G.Thompson, 1991)
230 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Прикладами первинних гіперліпопротеїнемій, що можуть бути віднесені до
певних типів порушень обміну ліпопротеїнів, за класифікацією ВООЗ, є:
– сімейна гіпертригліцеридемія (сімейна хіломікронемія) — тип I;
– сімейна гіперхолестеринемія (сімейна гіпербеталіпопротеїнемія) — тип II;
– сімейна дисбеталіпопротеїнемія — тип III;
– сімейна гіперпребеталіпопротеїнемія — тип IV.
16.4. ПАТОЛОГІЯ ЛІПІДНОГО ОБМІНУ:
АТЕРОСКЛЕРОЗ, ОЖИРІННЯ, ЦУКРОВИЙ ДІАБЕТ
Первинні гіперліпопротеїнемії є молекулярними хворобами, що пов’язані з
дефектами біосинтезу специфічних білків неферментної дії — аполіпопротеїнів
— і мають чітко окреслене генетичне походження. Як такі, спадкові гіперліпо-
протеїнемії мають відносно низьку частоту в людських популяціях. Поряд із цим,
існує поширена група порушень ліпідного обміну, що також характеризуються
гіперліпемією, але розвиток яких визначається складними і недостатньо з’ясова-
ними взаємовідносинами між факторами спадковості і умов життя людини, і
які є основною причиною захворюваності та смертності більшості населення
земної кулі. Це — атеросклероз, ожиріння та цукровий діабет, що складають
найбільший відсоток так званих “головних хвороб” сучасної людини
(В.М.Дильман, 1987).
Атеросклероз
Атеросклероз — хвороба, головним проявом якої є відкладання в судинних
стінках ліпідних утворень — “бляшок”, основними біохімічними компонентами
яких є холестерин та його ефіри. Навкруги ліпідних бляшок в інтимі судин виникає
клітинна реакція, що включає в себе утворення фіброзної тканини та проліфе-
рацію гладенько-м’язових клітин. Атеросклеротичні бляшки спричиняють зву-
ження 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.
Соціально-медичне значення в сучасному суспільстві захворюваності на ате-
росклероз і споріднені хвороби серцево-судинної системи ілюструє таблиця 16.5.
Т а б л и ц я 16.5. Хвороби серцево-судинної системи як причина смерті людей на початку і
в середині XX сторіччя (за B.Strehler, 1966, із змінами)
Біохімічною основою розвитку атеросклерозу є підвищена концентра-
ція в крові людини холестерину — гіперхолестеринемія, спричинена різними
факторами — дієтарними, ендокринними, генетичними.
1900 р. — % * 1959 р. — %
Хвороби серця і судин 8,0 38,6
Крововиливи в мозок 6,2 11,5
В с ь о г о % від загальної смертності (100%) * 14,2 50,1
231Ãëàâà 16. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
Добре відоме вікове підвищення рівня холестерину, триацилгліцеролів та
деяких інших метаболітів ліпідного та вуглеводного обмінів, що корелює із зро-
станням рівня смертності людей похилого та старечого віку.
Проте гіперхолестеринемія сама по собі є необхідним, але недостатнім
фактором для розвитку атеросклерозу. Критичним фактором у прояві захво-
рювання є розвиток процесу накопичення холестерину в інтимі судин, який
залежить від співвідношення процесів надходження стеролу в судинну стінку та
його зворотного виходу в плазму крові. Як уже зазначалось, різні класи
ліпопротеїнів плазми по-різному впливають на цей процес: ЛПНЩ сприяють
проникненню в клітини кровоносних судин холестерину, тоді як ЛПВЩ
протидіють цьому процесу, у зв’язку з чим ЛПНЩ отримали назву атерогенних,
а ЛПВЩ — антиатерогенних ліпопротеїнів. Таким чином, співвідношення
ЛПНЩ/ЛПВЩ має значення “фактора ризику” для розвитку атеросклерозу:
найбільша вірогідність розвитку захворювання має місце в особин із високим
значенням цього співвідношення.
Антиатеросклеротичні препарати, що застосовуються з метою профілактики
та лікування атеросклерозу, спрямовані на зниження рівня гіперхолестеринемії
шляхом впливу на різні боки метаболізму стеролу:
а) шляхом пригнічення всмоктування холестерину в кишечнику (застосуванням
рослинних стеринів);
б) шляхом гальмування реакцій його біосинтезу (застосуванням інгібіторів
ββ
ββ
β-ГОМК-редуктази; препарати Гемфіброзил, Фенфібрат, Ловастатин);
в) шляхом активації метаболізму холестерину оксигеназами мішаної функції
з утворенням гідроксильованих похідних (препарати Фенобарбітал, Зиксорин);
г) шляхом стимулювання його екскреції з організму (застосуванням ентеро-
сорбентів — препарати Квестран, Гуарем).
Ожиріння
Ожиріння — стан, що характеризується надмірним накопиченням у жировій
тканині триацилгліцеролів. При ожирінні збільшується кількість жирових клітин
(адипоцитів) або їх розмір. Загальна маса нейтральних жирів в організмі людини
за умов ожиріння може досягати значних кількостей. За даними американських
лікарів, надлишкова вага, спричинена ожирінням, спостерігається в США у 24 %
чоловіків та 27 % жінок. Порушення ліпідного обміну, що відбувається при ожи-
рінні, часто поєднуються з наявністю у хворого атеросклерозу та/або цукрового
діабету.
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 мета-
болічного палива. Найбільш несприятливе значення для розвитку ожиріння має
постійне надмірне надходження з продуктами харчування вуглеводів (особливо
глюкози та фруктози) в кількостях, більших за ті, що безпосередньо окислюються
в клітинах і можуть депонуватися у вигляді резервів глікогену. Уявлення про
енергетичні резерви людини у вигляді триацилгліцеролів та глікогену дає таблиця 16.6.
232 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Т а б л и ц я 16.6. Енергетичні резерви організму людини (розрахунок на дорослу людину
масою 70 кг) (за Е.Ньюсхолм, К.Старт, 1977)
Підвищене перетворення простих вуглеводів та продуктів їх метаболізму в
ліпіди (ліпогенез) відбувається внаслідок дії таких біохімічних факторів:
а) можливості активації синтезу вищих жирних кислот з ацетил-КоА, що утво-
рюється з глюкози як продукт окислювального декарбоксилювання пірувату;
б) використання у реакціях синтезу жирних кислот відновленого НАДФ, одним
з головних джерел якого є пентозофосфатний цикл окислення глюкози;
в) використання в жировій тканині гліколітичного діоксіацетонфосфату як
попередника в біосинтезі триацилгліцеролів.
Ожиріння розвивається в умовах стимулювання зазначених біохімічних про-
цесів внаслідок надмірного надходження в організм жирів, білків та моносаха-
ридів (особливо на тлі обмеженої фізичної активності), а також при генетично
детермінованому підвищенні ферментних систем, що беруть участь у ліпогенезі
або порушенні їх ендокринного контролю.
Важливу роль в контролі гіпоталамічної регуляції споживання їжі та енерге-
тичного катаболізму відіграє гормон білкової природи лептин, що секретується
адипоцитами.
При важких формах ожиріння, особливо спричинених порушеннями гормо-
нальної регуляції ліпідного обміну на рівні гіпоталамуса, маса триацилгліцеролів
у жировій тканині людини може досягати 50-80 кг.
Цукровий діабет
Цукровий діабет традиційно розглядається як патологія, що первинно по-
в’язана з порушеннями вуглеводного обміну. Дійсно, найбільш характерним
біохімічним проявом різних типів цукрового діабету в клініці є гіперглікемія (гіпер-
глюкоземія), яка розвивається внаслідок втрати специфічного впливу 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 пору-
шення не тільки вуглеводного, але й ліпідного та білкового обмінів.
Як уже зазначалось (глава 12), розрізняють інсулінозалежний цукровий діабет
(діабет I типу, ювенільний діабет) та інсулінонезалежний цукровий діабет (діабет
II типу, діабет похилого віку).
Найбільш виражені порушення ліпідного обміну спостерігаються при діабеті
II типу, який, як правило, поєднується з ожирінням.
Метаболічне паливо
Тканина, орган
Кількість акумульованого палива
г ккал кДж
Триацилгліцероли Жирова тканина 15 000 10 0000 419 500
Глікоген Печінка 70 200 839
М'язи 120 400 1 678
233Ãëàâà 16. Ìåòàáîë³çì ë³ï³ä³â
При цьому спостерігаються:
1. Гіпертригліцеридемія, яку можна віднести до гіперліпопротеїнемій I типу,
пов’язану із значною активацією синтезу ЛПДНЩ в гепатоцитах. У свою чергу,
біохімічною передумовою стимуляції біосинтезу ЛПДНЩ є підвищений притік
у печінку неетерифікованих жирних кислот, тобто субстратів для утворення
триацилгліцеролів.
2. Значна стимуляція ліполізу в жировій тканині, що розвивається внаслідок
послаблення гальмуючої дії інсуліну відносно активації адреналіном та глюка-
гоном ТГ-ліпази адипоцитів. Внаслідок зазначеного, в крові хворих на цукровий
діабет підвищена концентрація вільних жирних кислот (НЕЖК), які стають
додатковим субстратом енергетичного катаболізму тканин в умовах їх вуглевод-
ного голодування.
3. Активація синтезу кетонових тіл, біохімічні механізми якої були детально
розглянуті вище (глава 14). Розвиток кетозу (тобто кетонемії та кетонурії) може
призводити до порушень у функціонуванні буферних систем організму і розвитку
кетоацидозу та діабетичної коми.
4. Зменшення концентрації холестерину ЛПВЩ, що відіграє певну роль у
розвитку атеросклерозу — часте ускладнення інсулінонезалежного цукрового
діабету в осіб похилого віку.
234 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
ГЛАВА 17. МЕТАБОЛІЗМ АМІНОКИСЛОТ
I. ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ
У тілі дорослої людини міститься в середньому 12-15 кг білків, що виконують
численні каталітичні, регуляторні, структурні функції. Приблизно половину цієї
маси (6-7 кг) складають екстрацелюлярні білки опорних тканин, серед яких перше
місце за кількістю займає колаген. Другу половину білків тіла складають інтраце-
люлярні білки тканин та білки крові з високою швидкістю обміну. Завдяки обміну
білків у катаболічних та анаболічних реакціях, тобто безперервному перебігу
процесів протеолізу та білкового синтезу, в організмі існує постійний фонд (пул)
вільних амінокислот, які підлягають різноманітним біохімічним перетворенням.
17.1. ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ АМІНОКИСЛОТ У ТКАНИНАХ
Подібно до інших біомолекул, білки, які входять до складу живого організму,
знаходяться в стаціонарному стані постійного оновлення відбуваються роз-
щеплення їх тканинними протеазами та синтез нових поліпептидних молекул.
Загальний пул амінокислот у тілі людини складається з потоків, які забезпе-
чують надходження вільних амінокислот та їх використання в різноманітних
анаболічних та катаболічних процесах. Сумарна кількість амінокислот, що пере-
творюються за добу, складає в організмі дорослої здорової людини в стані азотис-
тої рівноваги 300-500 г, а стаціонарна їх концентрація дорівнює близько 50-100 г
на масу тіла.
Потік амінокислот, що входить до амінокислотного пулу, складається з
таких джерел:
1. Амінокислот, які всмоктуються ентероцитами кишечника внаслідок гід-
ролізу харчових білків у травному каналі (шлунку, тонкому кишечнику); біохімічні
процеси протеолізу білків у травному каналі будуть розглянуті окремо. Кількісне
значення цієї складової становить (залежно від характеру харчування) 60-100 г
на добу. Додаткову компоненту в цей потік (від 35 до 200 г білка) вносить протеоліз
ендогенних білків з епітелію ентероцитів, що злущується (I.Halkerston, 1988).
2. Амінокислот, які вивільняються в результаті розщеплення власних клітинних
і позаклітинних білків. Середня тривалість напівжиття (Т
1/2
) в індивідуальних
білків значно варіює, становлячи від декількох годин для певних ферментів
гепатоцитів до декількох років для структурного білка колагену.
У здорової дорослої людини середнє добове оновлення тканинних білків
складає 1-2 % від загальної маси білків тіла і відбувається переважно за рахунок
деградації до амінокислот білків м’язів (30-40 г білків за добу). Розщеплення
тканинних білків каталізується протеазами лізосом і значно збільшується за умов
білкового та повного голодування, під час виснажливих хвороб (особливо інфек-
ційних, онкологічних захворювань), що порушують процеси біосинтезу білків і
спричиняють переважання катаболічних процесів над анаболічними.
235Ãëàâà 17. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
3. Амінокислот, які синтезуються в організмі. Організм людини має обмежені
можливості щодо утворення амінокислот de novo: його ферментні системи здатні
синтезувати з інших інтермедіатів в кількості, достатній для синтезу власних
білків, лише вісім “замінних” (“ненеобхідних”,”несуттєвих” — nonessential, англ.)
L-амінокислот. Амінокислоти, які в організмі людини не синтезуються, надхо-
дячи тільки з продуктами харчування, є “незамінними” (“необхідними”, “суттє-
вими” — essential, англ.).
До замінних амінокислот належать: аланін, аспарагінова кислота, аспарагін,
глутамінова кислота, глутамін, пролін, гліцин, серин. При біосинтезі замінних
амінокислот їх вуглецева частина утворюється з інтермедіатів окислення глюкози
та цитратного циклу, а аміногрупа постачається з інших амінокислот у реакціях
трансамінування. “Умовно замінними” є амінокислоти цистеїн та тирозин, які
можуть синтезуватися із незамінних — метіоніну та фенілаланіну, відповідно;
“частково замінні” амінокислоти (гістидин, аргінін) синтезуються в недостатній
кількості.
Потік амінокислот, що виходить з амінокислотного пулу, включає анабо-
лічні і катаболічні шляхи перетворення вільних амінокислот і складається з таких
компонентів:
1. Використання амінокислот для синтезу білків організму. Цей потік у дорос-
лих людей, що споживають збалансовану дієту, забезпечує покриття протеолізу
власних білків — стан азотистої рівноваги. Для синтезу власних ферментних,
структурних білків та фізіологічно активних сполук білкової і пептидної природи
(на анаболічні потреби) використовується близько 75-80 % амінокислот, що ви-
вільняються при розщепленні тканинних білків, та амінокислот, які надходять із
кишечника.
2. Використання амінокислот, які не включені в анаболічні процеси, в катабо-
лічних реакціях. При цьому молекули амінокислот розщеплюються з утворенням
діоксиду вуглецю, води (через цикл лимонної кислоти) та кінцевих продуктів
азотистого обміну (у людини — переважно сечовини). Певна частина безазотис-
того вуглецевого скелета амінокислот використовується для утворення глюкози
(глюконеогенезу) та кетонових тіл (кетогенезу).
Розщепленню підлягають усі амінокислоти, що не використовуються для син-
тезу білків або фізіологічно активних сполук (ФАС) незалежно від джерела похо-
дження, оскільки резерви білків у тваринних організмах не утворюються (на
відміну від вуглеводів та ліпідів). Разом з тим, біоенергетичне значення катабо-
лізму амінокислот у здорової людини незначне, порівняно з вуглеводами та ліпі-
дами (близько 10 % від загальних енергетичних потреб), суттєво збільшуючись
лише за умов голодування.
Першим етапом катаболізму вільних L-амінокислот є відщеплення
αα
αα
α-аміно-
групи в реакціях трансамінування та дезамінування. Деякі амінокислоти викори-
стовуються в реакціях декарбоксилювання з утворенням амінів гормональної та
нейромедіаторної дії, які в подальшому також розщеплюються шляхом дезамі-
нування.
236 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
17.2. ТРАНСАМІНУВАННЯ АМІНОКИСЛОТ
Реакції трансамінування
полягають у переносі
αα
αα
α-аміно-
групи від амінокислоти на
αα
αα
α-вуглецевий атом
αα
αα
α-кето-
кислоти — акцептора аміно-
групи (здебільшого —
αα
αα
α-кето-
глутарату); в результаті реак-
ції утворюється
αα
αα
α-кетоаналог
вихідної амінокислоти та нова
амінокислота (в разі викорис-
тання як акцептора
αα
αα
α-кето-
глутарату — L-глутамат):
Ферменти, що каталізують
реакції трансамінування, —
амінотрансферази (трансамі-
нази).
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:
Білки продуктів
харчування
Амінокислоти
Безазотисті метаболіти
гліколізу та ЦТК
Анаболічні шляхи
Синтез
клітинних та
позаклітинних
білків
Синтез ФАС
білкової та
пептидної
будови
Білки та пептиди організму
Катаболічні шляхи
Трансамі-
нування
Дезамі-
нування
Декарбок-
силювання
Сечовина, СО
2
, Н
2
О
Біогенні
аміни
Рис. 17.1. Схема загальних шляхів перетворення амінокислот. Суцільні стрілки — реакції
використання амінокислот в анаболічних та катаболічних процесах; перервні
стрілки — реакції надходження амінокислот в загальний амінокислотний пул.
Рис. 17.2. Загальна схема реакцій трансамінування.
R
1
CNH
2
H
COOH
COOH
CH
2
CH
2
HC NH
2
COOH
COOH
CH
2
CH
2
CO
COOH
R
1
CO
COOH
αα
αα
α-Амінокислота
αα
αα
α-Кетоглутарат
L-Глутамат
αα
αα
α-Кетокислота
237Ãëàâà 17. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
(1) аланінамінотрансфераза (глутамат-піруваттрансаміназа — ГПТ):
L-аланін +
αα
αα
α-кетоглутарат
піруват + L-глутамат
(2) аспартатамінотрансфераза (глутамат-оксалоацетаттрансаміназа — ГОТ):
L-аспартат +
αα
αα
α-кетоглутарат
оксалоацетат + L-глутамат
(3) тирозинамінотрансфераза:
L-тирозин +
αα
αα
α-кетоглутарат
p-гідроксифенілпіруват + L-глутамат
(4) лейцинамінотрансфераза:
L-лейцин +
αα
αα
α-кетоглутарат
αα
αα
α-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 аланінамінотранс-
ферази (аланінової трансамінази — АлТ) та аспартатамінотрансферази
(аспарагінової трансамінази — АсТ) широко застосовується в медичній практиці
з метою 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 АсТ,
при вірусних та токсичних пошкодженнях печінки — АлТ.
Механізм дії амінотрансфераз
Амінотрансферази є складними білками-ферментами, простетичною групою в
яких є коферментні форми вітаміну В
6
(піридоксину, піридоксолу) — піридок-
сальфосфат (ПАЛФ) та піридоксамінфосфат (ПАМФ), що утворюється з ПАЛФ
у процесі переносу аміногрупи.
Утворення коферменту з вітаміну В
6
, що надходить в організм із продуктами
харчування, відбувається шляхом фосфорилювання піридоксолу до піридоксол-
фосфату (ПОЛФ) за дії АТФ-залежної кінази з подальшим окисленням ПОЛФ до
ПАЛФ специфічним флавопротеїном.
У складі ферменту амінотрансферази кофермент (ПАЛФ) сполучений з полі-
пептидним ланцюгом за рахунок утворення альдімінного зв’язку (основи Шиффа)
з
εε
εε
ε-аміногрупою залишку лізину (Lys-258).
У процесі каталітичного акту трансамінування відбувається циклічне
перетворення ПАЛФ на ПАМФ:
Процес складаєтья з двох напівреакцій:
1) взаємодія амінокислоти, що втрачає аміногрупу, з піридоксальфосфатом з
утворенням кетокислоти та піридоксамінфосфату:
амінокислота
1
+ ПАЛФ-Е
αα
αα
α-кетокислота
1
+ ПАМФ-Е
Амінокислота
1
αα
αα
α-Кетокислота
1
ПАЛФ
ПАМФ
Амінокислота
2
αα
αα
α-Кетокислота
2
238 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Механізм реакції полягає у взаємодії амінокислоти з ПАЛФ-Е із заміною
альдимінного зв’язку у складі ПАЛФ-Е на альдимінний зв’язок між коферментом
та амінокислотою (1а); після внутрішньомолекулярного перегрупування (1б)
відбувається гідроліз кетиміну (1в) з утворенням коферментної форми, що містить
аміногрупу (ПАМФ), та
αα
αα
α-кетокислоти
1
:
2) взаємодія
αα
αα
α-кетокислоти
2
, що акцептує аміногрупу, з піридоксамінфосфатом з
утворенням нової амінокислоти та регенерацією піридоксальфосфату:
αα
αα
α-кетокислота2 + ПАМФ–Е
амінокислота2 + ПАЛФ–Е
Механізм цієї напівреакції аналогічний розгля-
нутому для першої напівреакції (при її течії в зво-
ротному напрямку); ПАЛФ, що регенерує в резуль-
таті другої напівреакції, знову сполучається альди-
мінним зв’язком з білковою частиною ферменту.
Процес трансамінування та ферменти, що його
каталізують, були вперше описані в 1937 р. А.О.Браун-
штейном та М.Г.Крицман; пізніше А.О.Браун-
штейном та М.М.Шемякіним була запропонована
теорія піридоксалевого каталізу. А.О.Браунштейн
народився в м. Харкові, закінчив Харківський
медичний інститут, працював в Інституті біологіч-
ної і медичної хімії АМН СРСР, Інституті молеку-
лярної біології АН СРСР.
Напівреакція каталітичного циклу трансамінування.
Фермент
Lys
(CH
2
)
4
N
CH
N
+
OH
CH
3
H
2
COP
CH
NH
2
COOHR
1
Фермент
CH
N
CH
N
+
OH
CH
3
H
2
COP
Lys (CH
2
)
4
NH
2
R
1
COOH
H
+
H
+
(1б)
(1a)
C
N
CH
2
N
+
OH
CH
3
H
2
COP
R
1
COOH
H
2
O
(1в)
H
+
H
+
(1б)
NH
2
CH
2
N
+
OH
CH
3
H
2
COP
C
O
RCOOH
Альдимін
Кетимін
Рис. 17.3. Браунштейн Олександр
Овсійович (1902-1986) —
академік АН та АМН
СРСР.
239Ãëàâà 17. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
Біохімічне значення реакцій трансамінування
Як випливає з наведеного, в реакціях трансамінування не відбувається дезамі-
нування, тобто вивільнення аміаку, оскільки аміногрупа, що відщеплюється від
αα
αα
α-L-амінокислоти, акцептується відповідною
αα
αα
α-кетокислотою, здебільшого —
αα
αα
α-кетоглутаровою.
Біохімічне значення трансамінування суттєво відрізняється в різних органах.
У печінці роль трансамінувавання полягає в його колекторній функції, тобто
збиранні аміногруп від різних амінокислот переважно в одній молекулярній
формі — у вигляді L-глутамінової кислоти. Біохімічний сенс такого процесу поля-
гає в тому, що саме L-глутамат є основним субстратом реакцій дезамінування, тобто
постачальником аміногруп на метаболічний шлях утворення сечовини — кінце-
вого продукту азотистого катаболізму.
У м’язах спрямованість реакцій трансамінування призводить до утворення
значної кількості аланіну (за рахунок переамінування амінокислот з піруватом),
що виділяється в кров’яне русло і поглинається гепатоцитами; в печінці аланін
знову перетворюється на піруват, який використовується в глюконеогенезі (глю-
козо-аланіновий цикл — див. главу 12).
17.3. ДЕЗАМІНУВАННЯ АМІНОКИСЛОТ
У клітинах людини і тварин найбільш активно дезамінується L-глутамінова
кислота; процес відбувається за механізмом окислювального дезамінування, згідно
з рівнянням:
L-Глутамат
αα
αα
α-Іміноглутарат
αα
αα
α-Кетоглутарат + NH
3
Перший етап — утворення
αα
αα
α-іміноглутарату — каталізується ферментом НАД-
залежною глутаматдегідрогеназою, що локалізована в мітохондріях; другий етап —
утворення
αα
αα
α-кетоглутарату — є неферментативним.
αα
αα
α-Кетоглутарат, що утворився,
окислюється в циклі трикарбонових кислот, а аміак поглинається ферментативною
системою синтезу сечовини.
Зворотний процес — відновлювальне амінування
αα
αα
α-кетоглутарату до L-глута-
мату — може перебігати в цитозолі при участі цитозольної НАДФ-залежної
глутаматдегідрогенази і бути допоміжним механізмом зв’язування аміаку.
Непряме дезамінування L-амінокислот
Оскільки L-глутамат є амінокислотою, що утворюється при трансамінуванні
більшості L-амінокислот, течія L-глутаматдегідрогеназної реакції є центральним
біохімічним механізмом, завдяки якому здійснюється дезамінування більшості вільних
амінокислот і утворюється основна кількість аміаку в тваринному організмі.
COOH
CH
2
CH
2
HC NH
2
COOH
НАД
+
НАДН + Н
+
(1)
COOH
(2)
CH
2
CH
2
CNH
COOH
H
2
O
COOH
CH
2
CH
2
CO
COOH
+ NH
3
L-Глутамат
αα
αα
α-Кетоглутарат
αα
αα
α-Іміноглутарат
240 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Таке дезамінування вільних L-амінокислот за механізмом спряження реакцій
трансамінування з
αα
αα
α-кетоглутаратом і окислювального дезамінування L-глутамату
отримало назву непрямого дезамінування:
Найбільш активно непряме дезамінування амінокислот за участю глутамат-
дегідрогенази відбувається в печінці, де аміак, що звільнюється, надходить у цикл
сечовиноутворення.
Оксидази L- та D-амінокислот
У печінці і нирках містяться ферменти — оксидази амінокислот. Це флавопротеїни (ФП), що каталізують
реакції окислювального дезамінування L- та D-амінокислот з утворенням перекису водню:
Оксидази L-амінокислот є ФМН-залежними, оксидази D-амінокислот — ФАД-залежними ферментами.
Перекис водню є токсичним метаболітом, що ініціює перекисне окислення мембранних фосфоліпідів клітини.
Знешкодження перекису водню досягається його розщепленням каталазою пероксисом:
Н
2
О
2
Н
2
О + 1/2 О
2
Оксидази L- та D-амінокислот за фізіологічних умов є малоактивними ферментами, і їх біохімічне значення
остаточно нез’ясоване.
17.4. ДЕКАРБОКСИЛЮВАННЯ АМІНОКИСЛОТ
Реакція декарбоксилювання амінокислот полягає у відщепленні діоксиду
вуглецю від молекули амінокислоти з утворенням амінів (біогенних амінів), значна
частина яких має високу фізіологічну активність як гормони, нейромедіатори, є
їх попередниками або метаболітами:
L-
αα
αα
α-Амінокислота
Амін
Реакція каталізується ферментами — декарбоксилазами амінокислот,
коферментом яких є піридоксальфосфат, що в ході каталітичного акту утворює з
L-(Д-)-Амінокислота
α-Кетокислота
ФП — H
2
+ O
2
ФП
ФП—Н
2
L-(Д-)-Імінокислота
Н
2
О NH
3
ФП + H
2
O
2
R
CH
COOH
NH
2
CO
2
R
CH
2
NH
2
L-
αα
αα
α-Амінокислота Амін
L-
α
-Амінокислоти
α
-Кетокислоти
L-Глутамат
α
-Кетоглутарат
НАД
НАДН + Н
+
NH
3
Рис. 17.4. Схема непрямого дезамінування L-амінокислот.
241Ãëàâà 17. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
амінокислотами шифові основи, подібні до розглянутих в реакціях транс-
амінування. Декарбоксилази амінокислот є стереоспецифічними ферментами,
що діють тільки на L-стереоізомери.
Декарбоксилюванню можуть підлягати як ациклічні, так і циклічні аміно-
кислоти; в сечі людини знайдено близько сорока біогенних амінів.
Фізіологічне значення декарбоксилювання амінокислот
1. Утворення фізіологічно активних сполук — гормонів, медіаторів.
Прикладами утворення фізіологічно активних сполук в результаті декарбок-
силювання амінокислот є такі реакції:
(1) утворення
γγ
γγ
γ-(гамма)-аміномасляної
кислоти (ГАМК,
γγ
γγ
γ-амінобутирату) з L-глу-
тамату:
L-глутамінова кислота
γγ
γγ
γ-аміномасляна кислота (ГАМК)
(2) утворення гістаміну з L-гістидину:
L-гістидин
гістамін
2. Катаболізм амінокислот у процесі гниття білків у кишечнику.
Процеси декарбоксилювання амінокислот активно перебігають у порожнині
товстої кишки під дією ферментів мікроорганізмів, що є компонентами нор-
мальної мікрофлори травного тракту людини (“бактеріальне гниття білків у
кишечнику”).
Прикладами реакцій декарбоксилювання амінокислот у кишечнику є утво–
рення з діаміномонокарбонових кислот птомаїнів (“трупних отрут”):
Орнітин
Путресцин
(
αα
αα
α,
δδ
δδ
δ-діаміновалеріанова кислота) (тетраметилендіамін)
C
N
H
N
CH
2
CH COOH
NH
2
CO
2
C
N
H
N
CH
2
CH
2
NH
2
L-гістидин Гістамін
L-Глутамінова
кислота
γγ
γγ
γ-Аміномасляна
кислота (ГАМК)
COOH
HC NH
2
CH
2
CH
2
COOH
CO
2
NH
2
CH
2
CH
2
CH
2
COOH
H
2
N(CH
2
)
3
CH CO OH
NH
2
CO
2
H
2
N(CH
2
)
4
NH
2
Орнітин
Путресцин
242 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Лізин Кадаверин
(
αα
αα
α,
εε
εε
ε-діамінокапронова (пентаметилендіамін)
кислота)
Окислення біогенних амінів
Накопичення біогенних амінів в організмі спричиняє несприятливі патофізіо-
логічні зміни з боку серцево-судинної системи, кишечника, інших гладенько-
м’язових органів. Знешкодження (детоксикація) фізіологічно активних амінів
відбувається в клітинах печінки при участі моноамінооксидази мітохондрій —
ФАД-залежного ферменту, що спричиняє окислювальне дезамінування амінів
до альдегідів:
R–CH
2
–NH
2
+ ФАД R–CH=NH + ФАДН
2
R–CH=NH + Н
2
О R–CH=O + NН
3
Альдегіди — продукти дезамінування біогенних амінів окислюються до від-
повідних кислот і підлягають подальшій окислювальній деградації або екскре-
туються з організму із сечею. Аміак надходить у систему синтезу сечовини.
17.5. ОБМІН АМІАКУ. БІОСИНТЕЗ СЕЧОВИНИ
Шляхи утворення аміаку в організмі людини
1. Головним у кількісному відношенні джерелом накопичення аміаку в
організмі людини є окислювальне дезамінування амінокислот, тобто білковий
катаболізм: азот сечовини — кінцевого азотовмісного продукту деградацію біл-
ків — складає близько 90 % всього азоту, що екскретується. Додатковими джере-
лами 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 утво-
рення при катаболізмі азотовмісних біоорганічних сполук (головним чином, білків
продуктів харчування) кишковими бактеріями.
2. Утворення аміаку в головному мозку
Основним джерелом утворення аміаку в тканині головного мозку є реакція
гідролітичного дезамінування АМФ до інозинмонофосфату (ІМФ), що каталі-
зується ферментом аденозиндезаміназою:
АМФ + Н
2
О ІМФ + NH
3
Аміак, що вивільняється, знешкоджується в результаті глутамінсинтетазної
реакції, утворюючи з L-глутамату глутамін, який виводиться з головного мозку
(див. нижче).
H
2
N(CH
2
)
4
CH CO OH
NH
2
CO
2
H
2
N(CH
2
)
5
NH
2
Кадаверин
Лізин
243Ãëàâà 17. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
Токсичність аміаку
Аміак є токсичною речовиною, особливо небезпечною для головного мозку;
нормальна концентрація вільного аміаку в плазмі крові (у вигляді іону амонію
NH
4
+
) незначна, складає 25-40 мкмоль/л (0,4-0,7 мг/л). Надмірне накопичення
в організмі аміаку спостерігається при порушенні сечовиноутворювальної функції
печінки (вірусні та токсичні гепатити, цирози печінки), азотовидільної функції
нирок (гостра або хронічна ниркова недостатність), спадкових (уроджених)
гіперамоінієміях, що спричинені генетичними дефектами ферментів синтезу
сечовини. Клінічно гіперамоніємія характеризується глибокими порушеннями
функції центральної нервової системи, аж до розвитку коматозного стану.
Токсичність аміаку пов’язують із його здатністю порушувати функціонування
трикарбонового циклу в мітохондріях нейронів головного мозку внаслідок
виведення із ЦТК
αα
αα
α-кетоглутарату:
NH
3
+
αα
αα
α-кетоглутарат + НАДФН + Н
+
L-глутамат + НАДФ
+
+ Н
2
О
Ця реакція (відновлювальне амінування
αα
αα
α-кетоглутарату), яка є НАДФН-
залежним оберненням глутуматдегідрогеназної реакції, виводить
αα
αα
α-кетоглутарат
з пулу метаболітів трикарбонового циклу, що, в підсумковому етапі, знижує
активність аеробного окислення глюкози — головного енергетичного джерела
головного мозку. Альтернативна теорія нейротоксичності аміаку пов’язує його
негативні ефекти з пошкоджувальною дією на нейрони високих концентрацій
глутаміну, який утворюється в надмірній кількості з аміаку та L-глутамату (див.
нижче).
Механізми знешкодження аміаку
Висока токсичність аміаку призвела до формування в еволюції тваринних
організмів спеціальних біохімічних механізмів його знешкодження. Залежно від
молекулярної форми, у вигляді якої екскретуються кінцеві продукти азотистого
(амінного) катаболізму, існує три типи тваринних організмів:
1) амоніотелічні організми — такі, що виводять амінний азот у вигляді розчин-
ного іону амонію (до них належить більшість хребетних, що мешкають у воді);
2) урикотелічні організми — такі, що виводять амінний азот у вигляді сечової
кислоти (птахи, наземні рептилії);
3) уреотелічні організми — основним продуктом знешкодження та екскрету-
вання аміаку у яких є сечовина (більшість наземних хребетних, включаючи
ссавців, зокрема організм людини).
Біосинтез сечовини відбуваєтья виключно в печінці. Додатковим механізмом
детоксикації аміаку у місцях утворення є його зв’язування у формі глутаміну за
участю глутамінсинтетази.
Біосинтез сечовини
Згідно з дослідженнями Г.Кребса (H.Krebs) та К.Хензелайта (K.Henseleit)
(1932), синтез сечовини відбувається з аміаку та вугільної кислоти в результаті
244 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
циклічного процесу, в якому каталітичну роль відіграють амінокислоти аргінін,
орнітин та цитрулін (орнітиновий цикл Кребса-Хензелайта):
Цитрулін
NH
2
C
NH
NH
CH
2
CH
2
CH
2
HC NH
2
COOH
NH
2
CH
2
CH
2
CH
2
HC NH
2
COOH
NH
2
C
O
NH
CH
2
CH
2
CH
2
HC NH
2
COOH
Цитрулін
Сечовина
Орнітин
Аргінін
CO
2
NH
3
H
2
O
NH
3
H
2
O
ОрнітинАргінін
NH
3
+ CO
2
+ 2 АТФ + H
2
O
H
2
NC
O
O ~ P
OH
OH
O+ 2 АДФ + H
3
PO
4
Карбамоїлфосфат
H
2
NC
O
O ~ P
OH
OH
O
+
NH
2
(CH
2
)
3
HC NH
2
COOH
NH
(CH
2
)
3
HC NH
2
COOH
CO
NH
2
+ H
3
PO
4
ЦитрулінКарбамоїлфосфат Орнітин
Як випливає з наступного, джерелами двох аміногруп, що використовуються
для утворення молекули сечовини, є аміак, який вивільняється при окислю-
вальному дезамінуванні L-глутамату, та аміногрупа амінокислоти L-аспартату.
Ферментативні реакції синтезу сечовини
1. Утворення з аміаку та діоксиду вуглецю за участю АТФ карбамоїлфосфату:
Реакція каталізується карбамоїлфосфатсинтетазою. Джерелом аміногрупи
(у вигляді молекули аміаку) є глутаматдегідрогеназна реакція.
2. Перенесення карбамоїльної групи на орнітин з утворенням цитруліну (фер-
мент — орнітин-карбамоїлтрансфераза):
карбамоїлфосфат + орнітин
цитрулін + Н
3
РО
4
245Ãëàâà 17. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
3. Акцептування другої аміногрупи шляхом взаємодії цитруліну з L-аспар-
татом (фермент — аргініно-сукцинатсинтетаза):
Цитрулін + L-Аспартат + АТФ
Аргініносукцинат + АМФ + Н
4
Р
2
О
7
4. Розщеплення аргі-
ніносукцинату при дії
ферменту аргініно-сук-
цинатліази; продуктами
реакції є аргінін — без-
посередній попередник
сечовини та фумарат:
аргініносукцинат
аргінін + фумарат
5. Гідроліз аргініну при
дії ферменту аргінази з
утворенням сечовини та
регенерацією орнітину
(завершення метаболіч-
ного циклу):
аргінін + Н
2
О
орнітин + сечовина
NH
(CH
2
)
3
HC NH
2
COOH
CO
NH
2
COOH
CH
CH
2
H
2
N
COOH
++ АТФ
NH
(CH
2
)
3
HC NH
2
COOH
CN
NH
2
CH
COOH
CH
2
COOH
NH
(CH
2
)
3
HC NH
2
COOH
CNH
NH
CH
COOH
CH
2
COOH
+ АMФ + H
4
P
2
O
7
Цитрулін
L-Аспартат
Аргініносукцинат
NH
(CH
2
)
3
HC NH
2
COOH
CNH
NH
CH
COOH
CH
2
COOH
NH
(CH
2
)
3
HC NH
2
COOH
CNH
NH
2
CH
COOH
CH
COOH
+
Аргінін ФумаратАргініносукцинат
NH
(CH
2
)
3
HC NH
2
COOH
CNH
NH
2
+ H
2
O
NH
2
(CH
2
)
3
HC NH
2
COOH
+C O
NH
2
NH
2
Орнітин СечовинаАргінін
246 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Фумарат, що утворюється в аргініно-сукцинатліазній реакції (4), є субстратом
трикарбонового циклу і може перетворюватися до малату та оксалоацетату;
оксалоацетат, у свою чергу, здатен в реакції трансамінування утворювати
аспартат — донор другої аміногрупи в молекулі сечовини:
Генетичні дефекти ферментів синтезу сечовини
Існують спадкові ензимопатії, спричинені повним або частковим дефектом
утворення в печінці окремих ферментів циклу сечовиноутворення. Найбільш
важкими клінічними проявами характеризуються порушення синтезу карбамоїл-
фосфатсинтетази та орнітинкарбамоїлтрансферази. Діти з такими генетич-
ними дефектами страждають вираженою енцефалопатією, прояви якої дещо
послаблюються в умовах повного виключення споживання харчових білків.
Транспорт аміаку в печінку
Молекулярними формами транспорту аміаку з органів і тканин, де він утво-
рюється (м’язів, головного мозку, кишечника тощо), є глутамін (амід глутамінової
кислоти) та аланін. Концентрація глутаміну та аланіну в плазмі крові людини
значно перевищує вміст інших амінокислот.
Глутамін — синтезується з L-глутамату в АТФ-залежній реакції, що каталізу-
ється глутамінсинтетазою:
NH
3
+ L-глутамат + АТФ глутамін + АДФ + Ф
н
Синтез глутаміну в найбільшій мірі відбувається в клітинах головного мозку
(де глутамінсинтетазна реакція є основним механізмом знешкодження аміаку)
та м’язів. Із цих та інших органів амід з током крові надходить у кишечник, печінку
та нирки:
(1) клітини кишечника поглинають найбільшу кількість глутаміну крові;
в цьому органі глутамін (за рахунок реакцій трансамінування) перетворюється в
аланін, який, у свою чергу, виходить у кров і захоплюється гепатоцитами; в
NH
3
CO
2
Карбамоїл-
фосфат
Цитрулін
αα
αα
α-Аміно-
кислоти
αα
αα
α-Кето-
кислоти
L-Глутамат
Сечовина
Малат
L-Аспартат
Аргініно-
сукцинат
Метаболічний цикл синтезу сечовини.
Орнітин
Аргінін
Фумарат
Оксалоацетат
247Ãëàâà 17. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
клітинах печінки вуглецевий скелет аланіну використовується в процесі глюко-
неогенезу (глюкозо-аланіновий цикл), а аміногрупа — в синтезі сечовини;
(2) в печінці глутамін розщеплюється до L-глутамату та аміаку при дії
ферменту глутамінази:
глутамін + Н
2
О L-глутамат + NH
3
Аміак, що вивільняється, включається в реакції синтезу сечовини.
(3) в нирках — глутаміназна реакція є основним джерелом утворення іону
амонію (NH
4
+
), який екскретується з сечею в кількості близько 0,5 г на добу. Синтез
глутамінази в клітинах епітелію ниркових канальців стимулюється в умовах
ацидозу, становлячи механізм нейтралізації та екскреції з організму надлишкових
кислих еквівалентів:
NH
3
+ H
+
NH
4
+
Аланін — утворюється переважно в м’язах у реакціях трансамінування з
іншими амінокислотами і відіграє основну роль в транспортуванні його в печінку;
клітини печінки поглинають найбільшу кількість аланіну крові, використо-
вуючи цю амінокислоту в реакціях глюконеогенезу та синтезу сечовини.
248 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
ГЛАВА 18. МЕТАБОЛІЗМ АМІНОКИСЛОТ
II.СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ
18.1. ШЛЯХИ МЕТАБОЛІЗМУ БЕЗАЗОТИСТОГО СКЕЛЕТА
АМІНОКИСЛОТ. ГЛЮКОГЕННІ ТА КЕТОГЕННІ
АМІНОКИСЛОТИ
Двадцять L-амінокислот, що розрізняються за своєю хімічною структурою,
біологічною роллю та особливостями метаболізму входять до складу білків
організму та є присутніми в клітинах і екстрацелюлярних просторах у вільному
стані. Безазотисті скелети вільних амінокислот, які утворюються в результаті
трансамінування та дезамінування, — це метаболіти гліколізу, цитратного циклу,
ββ
ββ
β-окислення жирних кислот, або речовини, що можуть перетворюватися в інтер-
медіати цих головних катаболічних шляхів організму.
Пункти окислення амінокислот у цитратному циклі
Завдяки економічності біологічного обміну речовин, специфічні біохімічні
шляхи катаболізму окремих двадцяти природних амінокислот конвергують з
утворенням лише п’яти молекулярних продуктів — біомолекул, що вступають у
цикл трикарбонових кислот, повністю окислюючись до діоксиду вуглецю та води.
Цими продуктами є: ацетил-КоА,
αα
αα
α-кетоглутарат, сукциніл-КоА, фумарат,
оксалоацетат (рис. 18.1).
1. Ацетил-КоА — утворюється при катаболізмі десяти амінокислот, серед яких:
– п’ять амінокислот (аланін, цистеїн, серин, треонін, гліцин) розщеплюються до
ацетил-КоА через піруват;
– п’ять амінокислот (фенілаланін, тирозин, лейцин, лізин, триптофан) розщеп-
люються до ацетил-КоА через ацетоацетил-КоА.
Частина вуглецевого скелета лейцину та триптофану, а також ізолейцину перетво-
рюється на ацетил-КоА безпосередньо; частина молекули ізолейцину перетворюється
на сукциніл-КоА.
2.
αα
αα
α-Кетоглутарат — утворюється при катаболізмі п’яти амінокислот —
глутамату, глутаміну, аргініну, гістидину, проліну.
Вступ чотирьох із цих амінокислот в ЦТК відбувається через їх перетворення на
глутамат.
3. Сукциніл-КоА — утворюється при катаболізмі трьох амінокислот — ізолейцину,
валіну, метіоніну (частина молекули ізолейцину, як зазначено вище, перетворюється
в ацетил-КоА).
4. Фумарат — утворюється при катаболізмі фенілаланіну та тирозину; вуглецеві
скелети цих амінокислот утворюють два метаболіти ЦТК — ацетил-КоА (через
ацетоацетил-КоА) та фумарат.
5. Оксалоацетат — утворюється при катаболізмі аспартату та аспарагіну; аспартат
перетворюється в оксалоацетат через реакцію трансамінування.
249Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
Глюкогенні та кетогенні амінокислоти
Глюкогенні амінокислоти
L-Амінокислоти, що метаболізуються в циклі трикарбонових кислот (рис. 18.1),
можуть включати свої вуглецеві скелети в молекули глюкози. Ці амінокислоти,
використання яких у синтезі глюкози реалізується після їх входження в ЦТК через
ацетил-КоА, α-кетоглутарат, сукциніл-КоА та фумарат, отримали назву
глюкогенних амінокислот.
Кетогенні амінокислоти
Дві L-амінокислоти включаються в катаболізм тільки через ацетоацетил-КоА,
який у клітинах печінки може перетворюватися на кетонові тіла ацетоацетат та
ββ
ββ
β-гідроксибутират. Це — кетогенні амінокислоти. Деякі амінокислоти віддають
свої вуглецеві фрагменти на утворення як глюкози, так і кетонових тіл (таблиця 18.1).
Т а б л и ц я 18.1. Глюкогенні та кетогенні амінокислоти
Глюкогенні Кетогенні Глюко- та кетогенні
Аланін Гліцин Лейцин Ізолейцин
Аргінін Гістидин Лізин Тирозин
Аспарагін Метіонін Триптофан
Аспартат Пролін Фенілаланін
Валін Серин
Глутамат Треонін
Глутамін Цистеїн
Рис. 18.1. Схема включення вуглецевих скелетів природних L-амінокислот у цикл лимонної
кислоти.
Оксалоацетат
Аспартат
Аспарагін
Фенілаланін
Тирозин
Ізолейцин
Валін
Метіонін
αα
αα
α-Кетоглутарат
Сукциніл-КоА
Ізоцитрат
Цитрат
Сукцинат
Фумарат
Малат
Глутамін
Аргінін
Гістидин
Пролін
Глутамат
Аланін
Цистеїн
Серин
Треонін
Гліцин
Ацетил-КоА
Піруват
Ізолейцин
Лейцин
Триптофан
Фенілаланін
Тирозин
Лейцин
Лізин
Триптофан
Ацетоацетил-КоА
250 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Кетогенез із амінокислот має особливе негативне значення при деяких пору-
шеннях ферментних процесів, зокрема при некомпенсованому цукровому діабеті,
у зв’язку з чим таким хворим рекомендується обмежувати надходження
кетогенних амінокислот у складі продуктів харчування.
Жироподібні та нежироподібні амінокислоти
Залежно від особливостей шляхів перетворення, L-амінокислоти поділяються
також на нежироподібні (nonfat-like, англ.) та жироподібні (fat-like, англ.).
Нежироподібні — амінокислоти, що розщеплюються за шляхами катаболізму
вуглеводів. До них належать: гістидин та замінні (nonessential) амінокислоти, окрім
тирозину. Всі амінокислоти цієї групи є глюкогенними.
Жироподібні — амінокислоти, перетворення яких включає інтермедіати, що є
спільними зі шляхами окислення жирних кислот. До жироподібних належать тирозин
та незамінні амінокислоти (essential), крім гістидину. Частина з амінокислот цієї групи
є глюкогенними, частина — кетогенними, деякі — глюко- та кетогенними.
Амінокислоти як попередники інших біомолекул
Біологічне значення амінокислот не вичерпується їх участю в синтезі білків
організму. Вільні амінокислоти виступають попередниками в утворенні багатьох
сполук, що виконують спеціалізовані функції: нуклеотидів, коферментів, порфіринів,
вітамінів, гормонів, нейромедіаторів та інших структурних та регуляторних
біомолекул.
У зв’язку із складностями індивідуальних шляхів перетворень в організмі
вуглецевого скелета більшості природних амінокислот, в подальшому будуть
розглянуті лише особливості метаболізму та участі в синтезі фізіологічно активних
сполук ациклічних та циклічних L-амінокислот, які мають найбільше біомедичне
значення.
18.2. СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ АЦИКЛІЧНИХ
АМІНОКИСЛОТ
Обмін гліцину та серину
Гліцин —
αα
αα
α-амінооцтова кислота — важливий учасник багатьох біохімічних
процесів. Двовуглецевий скелет гліцину використовується в різноманітних
синтетичних реакціях утворення інших біомолекул, в тому числі фізіологічно активних
сполук.
Гліцин
Серин Креатин Порфірини
Пурин Холін
Глутатіон
Біохімічні перетворення гліцину
251Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
Гліцин у тваринному організмі синтезується з L-серину — замінної амінокис-
лоти, вуглецевий скелет якої утворюється з глюкози за такою схемою:
У біохімічних перетвореннях гліцину важливе місце займає коферментна форма
вітаміну В
с
— тетрагідрофолієва кислота (Н
4
-фолат).
1. Утворення гліцину із серину:
2. Окислення гліцину до діоксиду вуглецю та аміаку:
3. Зворотне перетворення гліцину до серину:
Тетрагідрофолат як переносник одновуглецевих радикалів
Розглянуті реакції метаболізму гліцину — це головне джерело одновуглецевих
радикалів, що беруть участь у різноманітних реакціях синтезу амінокислот, нук-
леотидів, фізіологічно активних сполук.
Глюкоза
. . .
COOH
HC OH
H
2
CO P
НАД
+
НАДН
2
CO OH
С
O
H
2
CO P
L-Глутамат
α-Кетоглутарат
COOH
HC NH
2
H
2
CO P
H
2
O
H
3
PO
4
COOH
HC NH
2
H
2
COH
3-Фосфогідроксипіруват
3-Фосфогліцерат
Фосфосерин L-серин
HC NH
2
COOH
H
2
COH
H
4
-фолат
N
5
, N
10
-метилен-H
4
-фолат
COOH
H
2
CNH
2
+ H
2
O
L-серин Гліцин
NH
2
CH
2
COOH
H
4
-фолат
НАД
+
НАДН
2
N
5
,N
10
- метилен-Н
4
-фолат
CO
2
+ NH
3
Гліцин
NH
2
CH
2
COOH
HO CH
2
CHNH
2
COOH
H
4
-фолат
N
10
- оксиметил-Н
4
-фолат
Гліцин Серин
252 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Міжмолекулярне транспортування
одновуглецевих радикалів забезпечується
коферментною формою фолієвої кисло-
ти (птероїлглутамінової кислоти, віта-
міну В
с
) — 5,6,7,8-тетрагідрофолієвою
кислотою (Н
4
-фолатом). Тетрагідрофолат
утворюється в організмі з фолату, що
надходить із продуктами харчування.
Перетворення фолієвої кислоти на тетра-
гідрофолієву (акцептор та переносник
одновуглецевих груп) відбувається при
участі НАДФН-залежних редуктаз —
фолатредуктази, що утворює
7,8-дигідрофолієву кислоту (Н
2
-фолат) та
дигідрофолатредуктази, при дії якої генерується 5,6,7,8-тетрагідрофолієва кислота
(Н
4
-фолат).
Перетворення фо-
лату на тетрагідрофо-
лат відбувається за ра-
хунок приєднання ато-
мів водню до атомів
вуглецю і азоту птери-
динового циклу в по-
ложеннях С-6, С-7 та
N-5, N-8, відповідно.
Тетрагідрофолат
виконує біохімічну
функцію коферменту
в міжмолекулярному
транспорті одновугле-
цевих груп різного
ступеня окислення:
метильних (–СН
3
),
метиленових (–СН
2
–),
метенільних (–СН=),
оксиметильних
(–СН
2
ОН), форміль-
них (–СНО), формі-
міно (CHNH)-груп.
Фолієва кислота
НАДФН + Н
+
НАДФ
+
фолатредуктаза
7,8 - Дигідрофолієва кислота
НАДФН + Н
+
НАДФ
+
дигідрофолатредуктаза
5,6,7,8 - Тетрагідрофолієва кислота
N
N
N
N
OH
H
2
N
CH
2
N
H
CN
OH
CH
COOH
CH
2
CH
2
COOH
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
птеридин
р-амінобензоат
глутамат
птероєва кислота
фолієва кислота
2 (НАДФH+H
+
)
2 НАДФ
+
N
N
N
CH
2
C
N
OH
H
2
N
CH
2
N
H
CN
OH
CH
COOH
CH
2
CH
2
Н
Н
H
5,6,7,8 - Тетрагідрофолієва кислота
253Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
Транспорт одно-
вуглецевих радикалів
молекулою тетрагідро-
фолату здійснюється за
рахунок приєднання їх
у положеннях N
5
та
N
10
птероїлглутамату з
утворенням взаємопе-
ретворюваних кофер-
ментних форм:
Фізіологічно активні
сполуки, що є інгібіто-
рами дигідрофолат-
редуктази, пригнічу-
ють біосинтетичні ре-
акції, в яких беруть
участь коферментні
форми Н
4
-фолату, і
можуть застосовува-
тися як протипухлинні
засоби (глава 19).
Слід зазначити, що
тетрагідрофолат бере
участь здебільшого в
міжмолекулярному
транспортуванні окис-
лених одновуглецевих
радикалів, а в переносі
метильних груп, крім
тетрагідрофолату,
значну роль посідає
активна форма аміно-
кислоти метіоніну – S-
аденозилметіонін (див.
нижче).
Обмін сірковмісних амінокислот
Метіонін та реакції метилювання
L-Метіонін — амінокислота, що є важливим учасником внутрішньоклітин-
ного метаболізму і донором метильної (–СН
3
) групи в численних реакціях
метилювання.
Метіонін синтезується в організмі з амінокислоти L-гомоцистеїну: донором
метильної групи в цій реакції є N
5
-метилтетрагідрофолат:
H
N
CCH
2
N
H
CH
2
H
5
10
тетрагідрофолат
N
CH
2
C
N
CH
2
H
CH
2
5
10
CH
3
N
CCH
2
N
H
CH
2
H
НАДН
НАД
+
N
5
, N
10
-метилен-
тетрагідрофолат
N
5
-метилтетрагідрофолат
НАДФ
+
НАДФН
N
+
CH
C
H
CH
2
CH
2
N
+ NH
3
- NH
3
N
5
, N
10
-метеніл-
тетрагідрофолат
CH
N
CCH
2
N
H
CH
2
H
N
5
-формімінотетра-
гідрофолат
NH
C
N
CCH
2
N
H
CH
2
H
5
10
H
N
CCH
2
N
CH
2
H
5
10
O
H
CO
H
N
5
-формілтетра-
гідрофолат
N
10
-формілтетра-
гідрофолат
Коферментні форми Н
4
-фолату.
254 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Фермент, що каталізує цю реакцію — гомоцистеїн-метилтрансфераза; коен-
зимом в цій реакції (проміжним переносником метильної групи) є коферментна форма
вітаміну В
12
— метилкобаламін.
Реакції метилювання
Біохімічно ак-
тивною формою
метіоніну, тобто
безпосереднім до-
нором –СН
3
-групи
в реакціях транс-
метилювання, є
S-аденозилметіо-
нін, який синтезу-
ється в організмі
людини з метіоні-
ну при дії фермен-
ту метіонінадено-
зилтрансферази.
S-Аденозилметіонін,
що втрачає активну ме-
тильну групу в реакціях
метилювання біомолекул,
перетворюється на S-аде-
нозилгомоцистеїн, а
далі — на гомоцистеїн і
знову на метіонін. Оскіль-
ки відбувається втрата ме-
тіоніну в катаболічних
реакціях (через утворен-
ня сукциніл-КоА), функ-
ціонування цього циклу
активного метилу
(рис. 18.2) залежить від
постійного надходження
метіоніну з їжею, як незамінної амінокислоти.
Реакціями, що перебігають за участю S-аденозилметіоніну, є синтез креатину,
утворення холіну з аміноспирту етаноламіну, адреналіну з норадреналіну,
метилювання азотистих основ нуклеотидів тощо.
SH
CH
2
CH
2
HC
COOH
+ N
5
-метил-Н
4
-фолат
S
CH
2
CH
2
HC
COOH
CH
3
NH
2
+ Н
4
-фолат
Коензим В
12
Гомоцистеїн
Метіонін
NH
2
S-АденозилметіонінL-Метіонін
COOH
CH
CH
2
H
2
N
CH
2
S
CH
3
+ АТФ
COOH
CH
CH
2
H
2
N
CH
2
+
S
CH
3
СH
2
H
N
H
HO
OH
HH
O
CH
N
N
N
NH
2
+ ФФн + Фн
Рис. 18.2. Цикл активного метилу.
Сукциніл-КоА
АТФ
Метіонін
Метіонін їжі
CH
3
–
Метилю-
вання
біомолекул
N
5
-метил-FH
4
S-Аденозил-
метіонін
S-Аденозил-
гомоцистеїн
Гомоцистеїн
Аденозин
255Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
Синтез креатину
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 (гуані-
динацетату) із аргініну та гліцину (фермент гліцинамідинотрансфераза):
2-а стадія — відбувається в печінці, куди
глікоціамін надходить з током крові, і полягає
в метилюванні глікоціаміну до креатину за
участю S-аденозилметіоніну (фермент
гуанідинацетатметилтрансфераза):
Фосфорилювання креатину при дії креатинфосфокінази генерує креатинфос-
фат — джерело термінової регенерації АТФ при м’язовому скороченні. Незво-
ротна неферментативна дегідратація і дефосфорилювання креатинфосфату
призводить до утворення ангідриду креатину — креатиніну:
HN
CNH
2
NH
(CH
2
)
3
HC
NH
2
COO H
+
NH
2
CH
2
COO H
NH
2
(CH
2
)
3
HC
COO H
NH
2
C
NH
HN
NH
2
CH
2
COO H
+
Аргінін Гліцин Орнітин Глікоціамін
C
NH
HN
NH
2
CH
2
COOH
– CH
3
C
N
HN
NH
2
CH
2
CH
3
COOH
Глікоціамін Креатин
C
NH
HN
NH
2
CH
2
COOH
C
N
HN
NH
2
CH
2
COOH
C
N
HN
NH
CH
2
COOH
H
3
C
H
3
C
P
OH
OH
OC
N
HN
NH
CH
2
CO
H
3
C
CH
2
CH
2
SH
CH
NH
2
COOH
S-аденозилметіонин
Глікоціамін
Креатин
Креатинфосфат
S-аденозилгомоцистеїн
АТФ
АДФ
Аденозин
Креатинін
Ф
н
Гомоцистеїн
Схема перетворень глікоціаміну до креатину та креатиніну.
256 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
У формі креатиніну з організму людини виділяється із сечею значна частина азоту
амінокислот; у здорової людини виділення креатиніну пропорційне масі м’язової
тканин і значно збільшується за умов травматичних пошкоджень м’язів.
Цистеїн і глутатіон
L-Цистеїн — амінокислота, біологічні функції якої полягають, переважно, в
підтриманні у відновленому стані SH-груп багатьох біорегуляторів та ферментів,
зокрема, за рахунок синтезу глутатіону.
Глутатіон — трипептид
γγ
γγ
γ-глутамініл-цистеїніл-гліцин, що має в своєму складі
вільну сульфгідрильну групу:
Глутатіон міститься в
клітинах тваринного ор-
ганізму у високій кон-
центрації (близько 5 мМ).
Глутатіон зворотно пере-
творюється з відновленої
(Г–SH) до окисленої (Г–S–
S–Г) форми, відіграючи
роль буфера SH-груп.
Біохімічна функція глутатіону в організмі пов’язана з відновленням і детокси-
кацією органічних пероксидів — похідних пероксиду водню НО–ОН, у молекулі
якого один (гідропероксиди) або обидва атоми водню (алкілпероксиди) 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 актив-
ному центрі атом селену (Se).
Зворотне відновлення Г–SS–Г до Г–SH
каталізується НАДФН-залежною глутатіон-
редуктазою:
Гідропероксиди та алкілпероксиди утворю-
ються внаслідок діоксигеназних реакцій безпо-
середнього включення атома кисню в біомоле-
кули. Виникнення органічних пероксидів є ре-
зультатом активації в біологічних системах реак-
цій вільно-радикального окислення; головним
субстратом таких реакцій є ненасичені жирні
кислоти мембранних фосфоліпідів — перекисне
окислення ліпідів біологічних мембран.
Активація реакцій перекисного окислення ліпідів є одним з фундаментальних
біологічних механізмів пошкодження біоструктур і розвитку клітинної патології
при дії пошкоджуючих факторів різного генезу, особливо за умов дії іонізуючої
C
C
O
HO
NH
2
H
CH
2
CH
2
C
O
N
H
C
H
CH
2
C
SH
O
N
H
CH
2
C
O
OH
γ-Глутамініл- Цистеїніл Гліцин
Глутатіон
RO
OH
+ 2Г
SH
ROH
+ Г
SSГ
+ H
2
O
R—OOH
R—OH
Г—SH
Г—S—S—Г
НАДФ
+
НАДФН + H
+
257Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
радіації, чужорідних хімічних сполук — ксенобіотиків. Прикладом пошкодження
клітинних мембран внаслідок утворення продуктів ліпопереокислення є також
перекисний гемоліз еритроцитів, що настає в результаті спадкової недостатньості
глюкозо-6-фосфат-дегідрогенази — генератора НАДФН, необхідного для функ-
ціонування глутатіонредуктази і підтримання глутатіону у відновленій формі.
Сполуки, подібні глутатіону, що знешкоджують органічні пероксиди або проти-
діють їх утворенню, дістали назву антиоксидантів. Біологічно важливими
антиоксидантами є
αα
αα
α-токоферол (вітамін Е), аскорбінова кислота, урати.
Таурин
Фізіологічно важливою реакцією обміну цистеїну є утворення таурину —
аміноетанолсульфату, що, поряд із гліцином, використовується в організмі для
утворення кон’югованих форм жовчних кислот — глікохолевої та таурохолевої,
відповідно.
Обмін амінокислот з розгалуженими ланцюгами
Відповідно до структурної подіб-
ності амінокислот L-валіну, L-лей-
цину та L-ізолейцину, перші етапи
їх катаболізму відбуваються за подіб-
ними шляхами і мають спільні меха-
нізми:
Як випливає з наведеної схеми,
загальними реакціями для перетво-
рення амінокислот з розгалуженими
ланцюгами є:
(1) трансамінування до відповід-
них
αα
αα
α-кетокислот з розгалуженим
ланцюгом; реакція каталізується
амінотрансферазою, що може транс-
амінувати будь-яку з розгалужених
L-амінокислот;
(2) окислювальне декарбокси-
лювання з утворенням ацил-КоА-
тіоефірів; реакція каталізується
мультиферментним комплексом мітохондрій дегідрогеназою розгалужених
αα
αα
α-ке-
токислот; дегідрогеназний комплекс за структурою та молекулярними механіз-
мами каталітичної дії є аналогічним мітохондріальним дегідрогеназам піровино-
градної та
αα
αα
α-кетоглутарової кислот;
Лейцин
Валін
Ізолейцин
α-Кетокислоти
Ацил-КоА-тіоефіри
α, β -Єноїл-ацил-КоА-
-тіоефіри
Лей-
2Н
Сукциніл-КоА
Ацил-КоА
Ацето-
ацетат
CO
2
Вал- Ілей-
. . .
. . .
. . .
Сукциніл-КоА
1
2
3
CH
NH
2
SH
CH
2
CH
NH
2
SO
3
H
CH
2
COOH
CO
2
CH
2
NH
2
SO
3
H
CH
2
Цистеїн Цистеїнова кислота Таурин
258 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
(3) дегідрогенування з утворенням
αα
αα
α,
ββ
ββ
β-ненасичених тіоефірів ацил-КоА;
реакція каталізується ферментом (або ферментами), подібними до ФАД-залежної
ацил-КоА дегідрогенази лінійних жирних кислот.
Подібність перших етапів катаболізму L-валіну, L-лейцину та L-ізолейцину
випливає з механізмів зазначених трьох реакцій їх перетворення:
Хвороба кленового сиропу (лейциноз) — спадкова ензимопатія метаболізму
амінокислот із розгалуженим ланцюгом.
Захворювання спричиняється дефектом гена, що контролює синтез дегідрогенази
розгалужених a-кетокислот. У зв’язку з блоком ферментної реакції (2) окислю-
вального декарбоксилювання лейцину, валіну та ізолейцину, ці амінокислоти та від-
повідні їм
αα
αα
α-кетокислоти накопичуються в крові та внутрішніх органах хворих (інша
CH
3
CH
H
3
C
CH
2
CH
NH
3
+
C
O
–
O
CH
3
CH
H
3
C
CH
2
C
C
O
–
O
α-Кетокислота
α
-Амінокислота
O
1
CoA•SH
CO
2
2
CH
3
CH
H
3
C
CH
2
C
S~CoA
O
[2H]
3
CH
3
C
H
3
C
CH
C
S~CoA
O
CH
CH
NH
3
+
C
O
–
O
CH
3
H
3
C
H
3
C
CH
C
C
O
–
O
O
CoA•SH
CO
2
2
[2H]
3
CH
3
C
O
CH
H
3
C
CH
3
S~CoA
C
O
C
H
2
C
CH
3
S~CoA
CH
2
H
3
C
CH
CH
NH
3
+
C
O
–
O
CH
3
CH
CH
3
H
3
C
CH
2
C
O
C
O
–
O
CoA•SH
CO
2
2
CH
CH
3
H
3
C
CH
2
C
O
S~CoA
[2H]
3
C
CH
3
H
3
C
CH
C
O
S~CoA
α
-Кетокислота
α-Амінокислота
1
α
-Кетокислота
α-Амінокислота
1
α -Кетоізокапроат
L-Лейцин
Ізовалеріл-СоА
β-Метилкротоніл-СоА
L-Валін
α -Кетоізовалерат
Ізобутирил-СоА
L-Ізолейцин
α -Кето-β-метилвалерат
α -Метилбутирил-СоА
Метакриліл-СоА Тигліл-СоА
259Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
назва ензимопатії — кетоацидурія кислот із розгалуженим ланцюгом); cеча хво-
рих має специфічний запах кленового сиропу (maple syrup urine disease, англ.).
В разі, якщо хвора дитина з раннього віку не буде переведена на спеціальну дієту
з низьким вмістом розгалужених амінокислот, патологія призводить до затримки
загального розвитку, важких психічних зрушень.
Коензими вітамінів Н та В
12
у метаболізмі амінокислот
Сукциніл-КоА є пунктом вступу в цитратний цикл двох розгалужених аміно-
кислот — валіну, ізолейцину та переносника метильних груп амінокислоти
метіоніну (рис. 18.1).
Катаболізм цих трьох амінокислот дивергує шляхом утворення спільних
інтермедіатів пропіоніл-КоА та метилмалоніл-КоА. Перетворення пропіоніл-КоА,
який також утворюється при
ββ
ββ
β-окисленні жирних кислот з непарною кількістю
атомів вуглецю, складають значний біохімічний інтерес:
C
H
C
H
R
C
H
C
R
H
H
Коензим В
12
– реакція (1) каталізується пропіоніл-КоА-карбоксилазою — біотин (вітамін Н)-
залежним ферментом, механізм дії якого є аналогічним для каталітичної дії карбок-
силаз, що приєднують СО
2
до ацетил-КоА (в реакції утворення малоніл-КоА) та піру-
вату (в реакції утворення оксалоацетату);
– реакція (2) каталізується ферментом метилмалоніл-КоА-мутазою, коензимом
якого є коферментна форма вітаміну В
12
-дезоксиаденозилкобаламін.
Як уже зазначалося (глава 6, п. 6.3.) вітамін В
12
утворює два коензими: метил-
кобаламін та дезоксиаденозилкобаламін. У тканинах ссавців ці коферментні форми
вітаміну В
12
беруть участь у двох ферментних реакціях:
1) метилюванні гомоцистеїну з утворенням метіоніну — коферментом є
метилкобаламін як переносник метильної групи в реакції метіоніну з N
5
-метил-
Н
4
-фолатом (див. вище);
2) ізомеризації метил-малоніл-КоА до сукциніл-КоА — каталітичну функцію
виконує дезоксиаденозилкобаламін як коензим метилмалоніл-КоА-мутази; меха-
нізм реакції полягає у внутрішньомолекулярному обміні двох хімічних груп, що
сполучені із сусідніми атомами вуглецю — атомами водню та радикалу, який може
бути заміщеним вуглеводнем, гідроксильною або аміногрупою:
CH
3
CH
2
C
O
S-KoA
CO
2
HOOC
C
C
O
S-KoA
H
CH
3
CH
2
CH
2
C
O
S-KoA
HOOC
1
2
МетіонінІзолейцин Валін
Пропіоніл-КоА Метилмалоніл-КоА Сукциніл-КоА
260 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Обмін аргініну
Участь аргініну в утворенні сечовини як кінцевого продукту амінного мета-
болізму у ссавців була розглянута вище. В останні роки значну увагу привернула
метаболічна роль аргініну як попередника в генерації оксиду азоту (NO) — ко-
роткоживучої молекули, яка виконує функцію внутрішньоклітинного месенджера
сигналів фізіологічно активних сполук.
Утворення оксиду азоту з аргініну відбувається в реакції, що каталізується
NO-синтазою (NOS):
Ідентифіковано три ізоформи NO-синтази, які названі за типом клітин, де вони
були вперше виявлені: NOS-1 — нейрональна, або мозкова, NOS-2 — макро-
фагальна, NOS-3 — ендотеліальна ізоформа.
Біологічна роль NO в організмі реалізується шляхом його участі в модуляції
таких фізіологічних функцій, як регуляція тонусу гладких м’язів, зокрема вазоди-
латація, імунні процеси, нейротрансмісія тощо.
18.3. СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ ЦИКЛІЧНИХ
АМІНОКИСЛОТ
Обмін 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, норад-
реналіну), тиреоїдних гормонів, меланінів (рис. 18.3).
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 фенілаланінгідроксилази з подальшим
перетворенням тирозину (див. нижче).
2. Шляхи метаболізму тирозину
2.1. Катаболічний шлях обміну полягає у трансамінуванні тирозину і
перетворенні на p-оксифенілпіруват, який окислюється до гомогентизинової
кислоти у складній реакції, коферментну роль у якій виконує аскорбінова кислота
N-ω-ГідроксиаргінінАргінін Цитрулін
COOH
HC
(CH
2
)
3
NH
2
NH
C
NH
2
+
NH
2
COOH
HC
(CH
2
)
3
NH
2
NH
C
H
+
N
NH
2
COOH
HC
(CH
2
)
3
NH
2
NH
C
O
2
НАДФН
НАДФ
+
OH
O
NH
2
+ NO
261Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
(вітамін С); подальші перетворення полягають в окисленні гомогентизату до фу-
марилацетоацетату (фермент оксидаза гомогентизинової кислоти) та розщепленні
фумарилацетоацетату до фумарату та ацетоацетату.
2.2. Шлях синтезу катехоламінів та меланінів (пігментів шкіри). Шлях почи-
нається з окислення тирозину за участю специфічної гідроксилази до 3,4-діокси-
фенілаланіну (ДОФА), на рівні якого відбувається дивергенція двох обмінних
шляхів: утворення катехоламінів (через декарбоксилювання 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.
Спадкові порушення обміну циклічних амінокислот
Вперше уроджене порушення обміну циклічних амінокислот — алкаптонурія —
була виявлена англійським лікарем А.Геродом (A.Garrod) в 1902 р., який до того
ж довів генетичне походження захворювання, що стало вирішальною подією в
становленні уявлення про спадкові порушення метаболізму.
Фенілкетонурія — ензимопатія, спричинена генетичним дефектом синтезу
фенілаланінгідроксилази. Внаслідок блокування утворення тирозину з фенілала-
ніну останній в збільшеній кількості надходить на шлях утворення фенілпірувату
Тиреоїдні
гормони
Фенілаланін
NH
3
OH
Тирозин
(1)
CH
2
CNH
2
COOH
H
CH
2
CNH
2
COOH
H
OH
І
2
– OH
CH
2
CO
COOH
OH
Р-оксифеніл-
піруват
CH
2
COOH
OH
HO
(2)
Фумарат
Ацетоацетат
Фенілпіруват
Фенілацетат
CH
2
CO
COOH
ДОФА
CH
2
CNH
2
COOH
H
OH
OH
(3)
CO
2
Адреналін
ДОФА-
хінон
Меланін
Дофамін
Норадре-
налін
Гомогентизи-
нова кислота
Фумарил-
ацетоацетат
NH
3
Рис. 18.3. Шляхи метаболізму циклічних амінокислот.
— пункти метаболічного блоку: (1) — фенілкетонурія; (2) — алкаптонурія; (3) — альбінізм.
262 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
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, що викликана генетично детермінованою недо-
статністю ферменту оксидази гомогентизинової кислоти. Характерним проявом
захворювання є надмірне виділення гомогентизинової кислоти із сечею, яка при
додаванні лугів набуває темного забарвлення; акумуляція гомогентизату 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.
Рис. 18.4. Метаболічні перетворення триптофану.
N
H
CH
2
CH
COOH
NH
2
N
H
CH
2
CH COOH
NH
2
HO
NH
CH
2
CH COOH
NH
2
CHO
CO
NH
2
CH
CH
COOH
NH
2
CO
N
COOH
COOH
OHC
HOOC
COOH
NH
2
COOH
NH
2
OH
OH
CO
NH
2
CH
2
CH
NH
2
COOH
N
+
COOH
COOH
Рибозо-5-Ф
N
+
COOH
Рибозо-5-Ф
N
+
COOH
Рибозо-Ф-О-Ф
Аденін-рибозо
Дезамідо-НАД
+O
2
O
2
HCOOH
CO
2
Триптофан
5-Окситриптофан
Серотонін
Оксііндолоцтова
кислота
Формілкінуренін
Кінуренін
Аланін
3-Оксікінуренін
3-Оксіантрані-
лова кислота
2-Акролеїл-3-а
мідофумарат
Хінолінова
кислота
ФРПФ
CO
2
АТФ
АТФ
Глн
НАД
Рибонуклеотид
хінолінової
кислоти
Рибонуклеотид
нікотинової
кислоти
Аланін
Антранілова
кислота
O
2
263Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
Обмін триптофану
L-Триптофан є незамінною амінокислотою для організму людини та вищих
тварин у зв’язку з відсутністю ферментних систем синтезу його вуглецевого
скелета. Разом з тим, триптофан є попередником у біосинтезі таких фізіологічно
активних сполук, як речовина гормональної і медіаторної дії серотонін та ніко-
тинова кислота (вітамін РР), який синтезується в тваринному організмі у формі
НАД. Існують два основні біохімічні шляхи перетворення триптофану (рис. 18.4):
– кінуреніновий шлях, за яким метаболізується понад 95 % ендогенного трип-
тофану;
– серотоніновий шлях, що складає в кількісному відношенні близько 1% за-
гальної кількості триптофану в організмі.
1. Вступ триптофану на серотоніновий шлях починається з гідроксилювання
амінокислоти до 5-окситриптофану, який після декарбоксилювання перетворю-
ється на серотонін.
В організмі людини серотонін підлягає окислювальному дезамінуванню з
утворенням оксііндолоцтової кислоти, яка виділяється з сечею. Екскреція оксі-
індолацетату значно збільшена при карциноїдному синдромі, коли за серото-
ніновим шляхом перетворюється до 60 % триптофану.
2. Катаболізм триптофану кінуреніновим шляхом починається з окислення
триптофану при дії гемвмісного ферменту триптофанпіролази до формілкіну-
реніну, який після відщеплення мурашиної кислоти перетворюється на кінуренін
та 3-оксикінуренін. Подальші перетворення 3-оксикінуреніну пов’язані з дією
ПАЛФ-залежного ферменту кінуренінази, яка розщеплює цей інтермедіат до
аланіну та 3-оксіантранілової кислоти. 3-Оксіантранілова кислота — метаболіт,
що після складних багатоступеневих перетворень призводить до хінолінової
кислоти — попередника в синтезі нікотинаміду у формі коферменту НАД.
18.4. МЕТАБОЛІЗМ ПОРФІРИНІВ
Порфірини та їх комплекси з металами — металопорфірини — є простетич-
ними групами багатьох гемопротеїнів — білків, які беруть участь в окислювально-
відновлювальних реакціях у тваринних та рослинних клітинах. Представниками
гемопротеїнів, що містять металопорфіринові групи, є Fe
2+
-вмісні гемоглобін
(О
2
— транспортуючий білок еритроцитів) і міоглобін (О
2
— запасаючий білок
м’язів), (Fe
2+
-Fe
3+
)- та (Cu
1+
-Cu
2+
)-вмісні цитохроми, (Fe
2+
-Fe
3+
)-вмісні ферменти
каталаза, пероксидази, триптофанпіролаза, Mg
2+
-вмісний хлорофіл рослин.
Структура порфіринів
Порфірини — сполуки циклічної будови, основою структури яких є ароматична
гетероциклічна система — порфін. Порфін, в свою чергу, є тетрапіролом, який
утворюється при сполученні між собою метенільними (–СН=) містками чотирьох
кілець азотистого гетероциклу піролу.
264 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Природні порфірини, що в комплексі з металами входять
до складу багатьох фізіологічно важливих гемопротеїнів, —
це сполуки, в яких вісім атомів водню порфіринового ядра
заміщені різними вуглеводневими радикалами. Залежно
від будови бічних радикалів, розрізняють декілька класів
порфіринів: уропорфірини, копропорфірини, протопор-
фірини, етіопорфірини, гематопорфірини, мезопорфі-
рини, дейтеропорфірини. Кожен клас порфіринів містить
декілька ізомерів, що позначаються літерами латинського
алфавіту.
Метаболічні попередники порфіринів мають назву
порфіриногенів (уропорфіриногени, копропорфіриногени
тощо). На відміну від порфіринів, порфіриногени не міс-
тять спряжених метенільних структур (в їх молекулах
піроли сполучені насиченими метиленовими (–СН
2
–)
містками); вони є безбарвними сполуками і перетворю-
ються на забарвлені порфірини при ферментативному або
неферментативному (під дією кисню повітря) окисленні.
До складу гему кисеньзв’язуючих білків організму людини — гемоглобіну,
міоглобіну та цитохромів дихальних ланцюгів входить порфірин, що позначається
як протопорфірин ІІІ (за старою номенклатурою Фішера цей порфірин класифі-
кувався як протопорфірин ІХ — номенклатурне позначення, що використовуєть-
ся і в даний час).
Синтез порфіринів
Біосинтез порфіринів тісно пов’язаний з амінокислотним метаболізмом:
попередниками в утворенні піро-
лових кілець порфіринів є гліцин та
сукциніл-КоА. Послідовність
реакцій синтезу така:
1. Взаємодія гліцину з сукци-
нілом-КоА з утворенням
αα
αα
α-аміно-
ββ
ββ
β-
кетоадипінової кислоти:
2. Декарбоксилювання
αα
αα
α-аміно-
ββ
ββ
β-кетоади-
пінової кислоти з утворенням
δδ
δδ
δ-амінолевулінової
кислоти (ДАЛК):
Обидві зазначені реакції, що призводять до
утворення ДАЛК, каталізуються ферментом
δδ
δδ
δ-амі-
нолевулінатсинтазою (ДАЛК-синтазою).
ДАЛК-синтаза є ПАЛФ-вмісним ферментом, що
локалізований у мітохондріях та ендоплазма-
тичному ретикулумі, в найбільшій кількості — в клітинах печінки (де він бере участь
в синтезі простетичних груп мітохондріальних цитохромів та мікросомального
цитохрому Р-45О), кісткового мозку та незрілих еритроцитах (ретикулоцитах).
H
CNH
2
COOH
H
+
COOH
CH
2
CH
2
C
O
S-K oA
HS-KoA
COOH
CH
2
CH
2
CO
HC N H
2
COOH
Гліцин Сукциніл-КоА
αα
αα
α-Аміно-
ββ
ββ
β-
кетоадипінат
COOH
CH
2
CH
2
CO
HC NH
2
COOH
CO
2
COOH
CH
2
CH
2
CO
NH
2
αα
αα
α-Аміно-
ββ
ββ
β-
кетоадипінат
S-Аміно-
левулінат
HC
HC
N
H
CH
CH
N
HC
C
N
C
CH
CHHC
CCHC
NH
CHC
HC C
HC
N
C
CH
CH
CCH
HN
CH
III
I
IV
II
1
2
3
4
56
8
7
a
b
g
s
Пірол
Порфін
(C
20
H
14
N
4
)
Будова піролу та порфіну.
Порфірини — похідні пор-
фіну, заміщені в положен-
нях 1,2,3,4,5,6,7,8.
265Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
3. Взаємодія двох молекул
δδ
δδ
δ-амінолевулінату в реакції дегід-
ратації з утворенням циклічної
структури — порфобіліногену —
безпосереднього метаболічного
попередника порфіринів:
δδ
δδ
δ-Амінолевулінат, втрачаючи
аміногрупу, може також перетво-
рюватися на субстрати цитратно-
го циклу —
αα
αα
α-кетоглутарат, а по-
тім — сукциніл-КоА, що дозво-
ляє представити процес синтезу
порфобіліногену у вигляді мета-
болічного циклу — цикл Шеміна-
Рітенберга (D.Shemin, D.Ritten-
berg, 1944):
4. Синтез тетрапірольних
структур.
Конденсація чотирьох порфо-
біліногенових одиниць призво-
дить до утворення різних типів
порфіринів. У разі спрямованості
процесу на синтез гему — просте-
тичної групи гемоглобіну та дея-
ких цитохромів, генерація порфі-
ринового циклу гему — прото-
порфірину IX відбувається в
результаті такої послідовності
реакцій:
4.1. Синтез із чотирьох молекул порфобіліногену уропорфіриногену III:
COOH
CH
2
CH
2
CO
CH
2
NH
2
COOH
CH
2
CH
2
CO
CH
2
NH
2
+
2H
2
O
C
C
N
H
CH
C
CH
2
CH
2
CH
2
COOH
CH
2
H
2
N
COOH
Порфобіліноген
H
2
C
CH
2
CH
2
H
H
2
C
COO
–
H
3
N
+
H
H
2
C
CH
2
H
2
C
CH
2
–
OOC
CH
2
COO
–
H
N
CH
2
CH
2
CH
2
COO
–
COO
–
N
CH
2
N
H
H
CH
2
H
2
C
H
2
C
COO
–
H
2
C
–
OOC
NH
H
2
C
H
2
CH
2
C
–
OOC
–
OOC
N
–
OOC
4
4
+
NH
4
Порфобіліноген
Уропорфіриноген III
HS-KoA
Порфірини
Сукциніл-
КоА
Гліцин
CO
2
HS-KoA
αα
αα
α-Аміно-
ββ
ββ
β-
кетоадипінат
CO
2
ДАЛК
NH
3
αα
αα
α-Кетоглутарат
. . .
Порфобіліноген
266 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Реакція відбувається за участю двох білків:
– ферменту уропорфіриноген-синтази (порфобіліногендезамінази);
– білка уропорфіриноген ІІІ-косинтази.
Каталітична дія самого по собі ферменту уропорфіриноген-синтази, тобто у
відсутності косинтази, призводить до утворення нефізіологічного ізомерного
порфірину — уропорфіриногену І (така ситуація можлива при одній із форм спад-
кового порушення синтезу порфіринів). Наявність косинтази спрямовує конденсацію
молекул порфобіліногену в бік утворення саме уропорфіриногену ІІІ.
Уропорфіриноген ІІІ є також метаболічним попередником у синтезі вітаміну В
12
бактеріями та хлорофілу рослинами і бактеріями.
4.2. Перетворення уропорфіриногену ІІІ на копропорфіриноген ІІІ. Механізм
реакції полягає у декарбоксилюванні бічних ацетатних ланцюгів (фермент уро-
порфіриноген-декарбоксилаза).
4.3. Перетворення копропорфіриногену ІІІ на протопорфіриноген ІІІ та про-
топорфірин ІІІ (ІХ). Процес включає в себе окислювальне декарбоксилювання
бічних ланцюгів та окислення метиленових мостиків і каталізується специфіч-
ними оксидазами мітохондрій — копропорфіриногеноксидазою та протопорфі-
риногеноксидазою, відповідно.
Включення в молекулу протопорфірину IX атома двовалентного заліза, що
каталізується ферментом ферро-хелатазою (гем-синтазою) мітохондрій завершує
синтез гему (протогему ІХ). Сполучення гему з білком глобіном призводить до
утворення гемоглобіну.
Реакції перетворення уропорфіриногену ІІІ на молекулу протопорфірину ІХ
та синтез гему:
A
P
H
2
C
CH
2
HN
A
P
CH
2
N
H
H
N
A
P
H
2
C
NH
A
P
A
P
H
2
C
CH
2
HN
A
P
CH
2
N
H
H
N
A
P
H
2
C
NH
P
A
Порфобіліноген
(4 молекули)
УПГ-синтаза
УПГ-синтаза
+
Косинтаза
4NH
4
4NH
4
Уропорфіриноген I
(симетричний ізомер)
Уропорфіриноген III
(асиметричний ізомер)
УПГ-синтаза — уропорфіриногенсинтаза; А — ацетат (–CH
2
COOH); Р — пропіонат (–CH
2
CH
2
COOH)
267Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
H
2
C
CH
2
H
2
C
CH
2
–
OOC
CH
2
COO
–
H
N
CH
2
CH
2
CH
2
COO
–
COO
–
N
CH
2
N
H
H
CH
2
H
2
C
H
2
C
COO
–
H
2
C
–
OOC
NH
H
2
C
H
2
CH
2
C
–
OOC
–
OOC
H
3
C
CH
2
H
2
C
CH
2
CH
2
COO
–
H
N
CH
3
CH
2
CH
2
COO
–
N
CH
2
N
H
H
CH
3
H
2
C
H
2
C
H
2
C
–
OOC
NH
H
3
C
H
2
CH
2
C
–
OOC
H
3
C
C
HC
CH
CH
2
N
CH
3
C
CH
N
N
H
CH
3
H
2
C
HC
H
2
C
–
OOC
NH
H
3
C
H
2
CH
2
C
–
OOC
H
CH
2
H
Протопорфірин IX
Копропорфіриноген III
Уропорфіриноген III
Протопорфірин IX Гем
N
H
C
N
CH
NN
H
3
C
C
H
Fe
CH
H
3
C
CH
2
CH
3
CH
CH
3
CH
2
CH
2
COOH
CH
2
H
3
C
CH
2
COOH
NH
H
C
N
CH
HNN
HC
C
H
CH
H
3
C
CH
2
CH
3
CH
CH
3
CH
2
CH
2
COOH
CH
2
H
3
C
CH
2
COOH
CH
2
CH
2
+ Fe
2+
268 Ðîçä³ë III. Ìåòàáîë³çì îñíîâíèõ êëàñ³â á³îìîëåêóë
Джерелом іонів заліза гему є залізовмісний тка-
нинний білок феритин, одна молекула якого може
зв’язувати 4500 іонів Fe
3+
. В свою чергу, феритин
отримує залізо від білка трансферину, що в плазмі
крові транспортує залізо, яке надходить за рахунок
розщеплення гемоглобіну еритроцитів та всмокту-
вання іонів заліза в кишечнику.
Загальну послідовність реакцій синтезу гему з
гліцину та сукциніл-КоА подано на схемі:
Регуляція синтезу порфіринів здійснюється на
рівні ДАЛК-синтази за механізмом негативного
зворотного зв’язку таким чином, що в умовах нако-
пичення гему його власний біосинтез гальмується.
Кінцевий продукт біосинтетичного шляху — гем —
править за корепресор, що разом із білком апорепре-
сором утворює негативний модулятор, який протидіє
трансляції в рибосомах мРНК для ДАЛК-синтази,
призводячи до блокування синтезу ферменту.
Спадкові порушення обміну порфіринів
Спадкові порушення біосинтезу порфіринів
(порфірії) — дефекти метаболізму (ензимопатії), за
яких порфірини та їх попередники в надмірних кіль-
костях накопичуються в тканинах людського організму, зокрема в шкірі і підшкірній
клітковині, та екскретуються з сечею і фекаліями.
Існують декілька найбільш поширених клініко-біохімічних типів порфірій, що
відрізняються типом дефектного гена та характером прояву ензимопатії. Описані
порфірії, які розвиваються в результаті дефектів майже всіх ферментів синтезу гему.
Успадковуються порфірії як автосомно-рецесивні або автосомно-домінантні хвороби.
Основними клінічними проявами порфірій є підвищення чутливості до світла та
неврологічні порушення.
Світлочутливість
Аномальне відкладення порфіринів різної молекулярної структури в шкірі
призводить до її фотосенсибілізації та розвитку фотодерматитів. Молекулярною
основою таких патологічних проявів є утворення під дією сонячного світла з
довжиною хвилі близько 400 нм активних форм кисню типу синглетного кисню
1
О
2
та перекисних радикалів порфіринів типу RO
2
·, які пошкоджують клітинні
мембрани і призводять до загибелі клітин.
Неврологічні порушення
Неврологічні порушення при порфіріях проявляються патологічними симптомами
з боку як периферичної (дизестезії, порушення моторики кишечника, нерво-м’язової
провідності, параліч дихальних м’язів тощо), так і центральної нервової системи.
αα
αα
α- та
ββ
ββ
β-
ланцюги
глобіну
S-Амінолевулінат
Уропорфіриноген III
Копропорфіриноген III
Протопорфіриноген III
Гліцин
Сукциніл-КоА
Протопорфірин III (IX)
Протогем IX (гем)
Гемоглобін
Fe
2+
Порфобіліноген
Реакції синтезу гему.
269Ãëàâà 18. Ìåòàáîë³çì àì³íîêèñëîò
Залежно від основного місця прояву специфічного ферментного дефекту,
розрізняють еритропоетичні та печінкові порфірії.
Еритропоетична порфірія (хвороба Гюнтера) — патологія, зумовлена пору-
шенням синтезу уропорфіриноген ІІІ-косинтази. В результаті цього біохімічного
дефекту відбувається утворення нефізіологічного ізомера уропорфіриногену —
уропорфіриногену І. Для захворювання характерна забарвленість в червоний колір
сечі (в деяких випадках також кісток та зубів), зумовлена накопиченням нирками
уропорфіриногену І, який у сечі перетворюється на уропорфірин І.
Печінкові порфірії. Розрізняють декілька типів печінкових порфірій, харак-
терними проявами яких є неврологічні порушення, пов’язані з надмірним накопи-
ченням в організмі серотоніну внаслідок зниження синтезу гемвмісного ферменту
триптофанпіролази.
До найбільш поширених клінічних форм печінкових порфірій належать:
– гостра мінлива порфірія (піролопорфірія) — захворювання, зумовлене дефек-
том ферменту уропорфіриноген-синтази (порфобіліногендезамінази);
– спадкова копропорфірія — ензимопатія, спричинена дефектом ферменту копро-
порфіриногеноксидази.
270
Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Розділ IV. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ СПАДКОВОСТІ
ТА РЕАЛІЗАЦІЇ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ
ГЛАВА 19. БІОСИНТЕЗ НУКЛЕОТИДІВ
Структурними компонентами інформаційних нуклеїнових кислот — ДНК та
РНК є нуклеотиди пуринового та піримідинового ряду (дезоксирибонуклеотиди
та рибонуклеотиди). Біосинтез мононуклеотидів є життєво важливим процесом,
оскільки він забезпечує утворення біомолекул нуклеїнових кислот та нуклеотидних
коферментів, необхідних для реалізації всієї сукупності генетичної інформації, що
міститься в живих клітинах.
19.1. БІОСИНТЕЗ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ
Ферментні системи організму людини і тварин здатні до синтезу нуклеотидних
структур на основі біомолекул-попередників. У процесі біосинтезу пуринових
нуклеотидів беруть участь молекули амінокислот (гліцину, аспартату та глутаміну)
та каталітично активні одновуглецеві групи у формі похідних тетрагідрофолату
(Н
4
-фолату) і активного СО
2
, що приєднуються безпосередньо до пентозної части-
ни нуклеотиду - рибозо-5-фосфату.
Організм людини і тварин може також в обмеженій кількості синтезувати пуринові
та піримідинові нуклеотиди шляхом використання готових молекул азотистих основ,
що вивільняються при катаболізмі нуклеїнових кислот і потрапляють в організм із
їжею, але основним механізмом поповнення внутрішньоклітинного пулу нуклео-
тидів є їх синтез de novo, тобто з більш простих метаболічних попередників.
Походження окремих
атомів C та N у молекулі пу-
рину, що входить до складу
пуриннуклеотидів, подано
на схемі:
Пуриновим рибонуклео-
тидом, який синтезується de
novo в результаті послі-
довного приєднання атомів
вуглецю та азоту до
молекули рибозо-5-фосфату,
є інозин-5'-монофосфат (ІМФ), який у подальшому перетворюється на аденозин-5'-
монофосфат (АМФ) та гуанозин-5'-монофосфат (ГМФ).
Схема походження окремих атомів C та N у молекулі пурину.
N
H C
N
C
C
H
C
N
H
C H
N
R
1
2
3
4
5
6
7
9
8
CO
2
Форміл-Н
4
-
фолат
Аспартат
Глутамін
Гліцин
Метеніл-Н
4
-
фолат
271Ãëàâà 19. Á³îñèíòåç íóêëåîòèä³â
Рис. 19.1. Метаболічна карта біосинтезу пуринових нуклеотидів.
OH
H
H
OH
HO
H
H
O
ATP
AMP
1
5
O
H
H
OH
OH
H
H
O
1
2
3
4
2
Глутамін
Глутамат
PP
i
H
NH
3
+
H
OH
OH
H
H
O
9
ATP
ADP+P
i
Mg
2+
3
С
O
–
H
2
C
NH
3
+
4
5
7
H
NH
H
OH
OH
H
H
O
4
С
H
2
C
NH
3
+
7
O
CH
2
5
O
CH
2
P
O
CH
2
O
O
CH
2
O
4
N
5
,N
10
-Метеніл-
Н
4
-фолат
Н
4
-фолат
O
P
P
P
P
P
H
2
C
C
NH
O
CH
H
N
O
4
9
5
7
8
3
Рибозо-5-фосфат
Формілгліцинамід-
рибозил-5-фосфат
Глутамін
Глутамат
5
АТР
Mg
2+
H
2
C
C
NH
O
CH
H
N
HN
4
9
5
7
8
3
Рибозо-5-фосфат
Формілгліцинамідин-
рибозил-5-фосфат
6
H
2
O
ATP
HC
C
N
CH
N
H
2
N
Рибозо-5-фосфат
Аміноімідазол-
рибозил-5-фосфат
7
CO
2
N
CH
N
C
OH
H
2
N
O
3
4
5
6
Рибозо-5-фосфат
Аміноімідазолкарбоксилат-
рибозил-5-фосфат
CH
2
–
OOC
HC
NH
3
+
–
OOC
Аспартат
8
H
2
O
C
C
N
CH
N
C
N
H
H
2
N
O
3
4
5
6
Рибозо-5-фосфат
Аміноімідазолсукцинілкар-
боксамідрибозил-5-фосфат
1
HC
CH
2
–
OOC
–
OOC
CH
CH
COO
–
–
OOC
Фумарат
9
C
C
N
CH
N
C
H
2
N
H
2
N
O
Рибозо-5-фосфат
Аміноімідазолкарбок-
самідрибозил-5-фосфат
N
10
-Форміл-
Н
4
-фолат
Н
4
-фолат
10
C
C
N
CH
N
C
H
2
N
N
H
O
Рибозо-5-фосфат
Формамідоімідазолкарбок-
самідрибозил-5-фосфат
11
H
C
O
H
2
O
C
C
N
CH
N
C
HN
N
O
Рибозо-5-фосфат
Інозинмонофосфат (ІМФ)
HC
Гліцин
αα
αα
α-D-Рибозо-5-фосфат
ФРПФ 5-фосфорибозиламін
Гліцинамід-рибозил-5-
фосфат
272
Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Реакції біосинтезу ІМФ
Послідовність ферментативних реакцій, що призводять до утворення ІМФ, є
такою (рис. 19.1):
(1) взаємодія
αα
αα
α-D-рибозо-5-фосфату з АТФ з утворенням 5-фосфорибозил-1-
пірофосфату (ФРПФ);
(2) взаємодія ФРПФ із глутаміном з утворенням 5-фосфорибозиламіну;
(3) взаємодія 5-фосфорибозиламіну з гліцином з утворенням гліцинамід-
рибозил-5-фосфату (ГА Р );
(4) взаємодія ГА Р з активною формою форміату (
C
O
H
) (N
5
,N
10
-метеніл-
Н
4
-фолатом) з утворенням форміл-ГА Р ;
(5) взаємодія форміл-ГАР з глутаміном (донором аміногрупи) з утворенням
формілгліцинамідино-рибозил-5-фосфату (форміл-ГА М );
(6) взаємодія форміл-ГА М з АТФ із замиканням імідазольного кільця, тобто
утворенням сполуки, що містить п’ятичленне кільце пуринового циклу — аміно-
імідазол-рибозил-5-фосфату (АІР);
(7) карбоксилювання АІР з утворенням аміноімідазолкарбоксилат-рибозил-
5-фосфату (АІКР);
(8) взаємодія АІКР із аспартатом (донором аміногрупи) з утворенням проміж-
ної сполуки — аміноімідазолсукцинілкарбоксамід-рибозил-5-фосфату (АІCКР);
(9) розщеплення АІСКР з елімінацією фумарату та утворенням аміноіміда-
золкарбоксамід-рибозил-5-фосфату (АІКАР);
(10) формілювання АІКАР за рахунок (
C
O
H
)-групи N
10
-форміл-Н
4
-фолату з
утворенням формамідоімідазолкарбоксамід-рибозил-5-фосфату (ФАІКАР);
(11) дегідратація та циклізація ФАІКАР з утворенням першого пуринового
нуклеотиду — інозинмонофосфорної (інозинової кислоти, ІМФ).
Ус я послідовність біохімічних реакцій — блискучий приклад складності “моле-
кулярної логіки живого”!
Утворення АМФ та ГМФ
Інозинмонофосфат є попередником в утворенні інших пуринових рибонуклео-
тидів — аденозинмонофосфату (АМФ) та гуанозинмонофосфату (ГМФ).
Синтез АМФ здійснюється шляхом таких реакцій:
1) заміщення кисню при С-6 пурину на аміногрупу, донором якої є аспарагі-
нова кислота; проміжний продукт реакції — аденілосукцинат, утворення якого
потребує хімічної енергії у формі макроергічного зв’язку ГТФ;
2) розщеплення аденілосукцинату з вивільненням фумарату та утворенням
аденозин-5'-монофосфату.
Синтез ГМФ відбувається також у дві стадії:
1) окислення вуглецю (С-2) в кільці пурину з утворенням ксантилової кислоти
(ксантозин-5'-монофосфату); реакція потребує наявності НАД
+
як акцептора водню;
273Ãëàâà 19. Á³îñèíòåç íóêëåîòèä³â
2) заміщення кис-
ню при C-2 на аміно-
групу, донором якої
є амідна група глута-
міну; амідування
спряжене з розщеп-
ленням двох макро-
ергічних зв’язків
АТФ — в результаті
реакції утворюється
гуанозин-5'-моно-
фосфат.
Утворення АТФ
та ГТФ
Оскільки біосин-
тез полінуклеотидів
РНК і ДНК вимагає
наявності нуклео-
зидтрифосфатів
(НТФ) та дезокси-
рибонуклеозидтри-
фосфатів (дНТФ)
(глава 20), важли-
вою метаболічною
ланкою є фосфори-
лювання відповід-
них пуринових та
піримідинових (див.
нижче) нуклеозид-
монофосфатів.
Перетворення нуклеозидмонофосфатів на нук-
леозиддифосфати та нуклеозидтрифосфати реалі-
зується за рахунок макроергічних зв’язків АТФ і
каталізується послідовною дією ферментів нуклео-
зидмонофосфокіназ та нуклеозиддифосфокіназ:
Зокрема, утворення ГТФ з ГМФ реалізується
таким шляхом:
ГМФ + АТФ
ГДФ+ АДФ
ГДФ + АТФ
ГТФ+ АДФ
Перетворення АМФ на АДФ відбувається в результаті дії аденілаткінази:
АМФ + АТФ 2АДФ
HN
N
N
N
O
Рибозо-5-фосфат
ІМФ
Аспартат
ГТФ
ГДФ+ Ф
н
H
2
O
НАД
+
НАДН
2
COOH CH CH
2
NH
COO H
N
N
N
N
Рибозо-5-фосфат
Аденілосукцинат
Фумарат
АМФ
NH
2
HN
N
N
N
Рибозо-5-фосфат
O
HN
N
N
N
Рибозо-5-фосфат
O
Ксантозинмонофосфат
Глутамін
Глутамат
H
2
O
АТФ
ФФ
н
+ АМФ
N
N
HN
N
O
H
2
N
Рибозо-5-фосфат
ГМФ
Схема утворення аденілової (АМФ) та гуанілової (ГМФ) кислот з ІМФ.
НМФ
НМФ-кіназа
АДФ
АТФ
НДФ
НДФ
НДФ-кіназа
АДФ
АТФ
НТФ
274
Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
АТФ, макроергічні зв’язки якої витрачаються в зазначених кіназних реакціях,
регенерується в результаті окисного фосфорилювання.
Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів
Синтез пуринових нуклеотидів
регулюється за принципом негатив-
ного зворотного зв’язку — кінцеві
продукти біосинтетичного шляху
(АМФ, ГМФ, АТФ, ГТФ) гальмують
певні ферментативні реакції їх утво-
рення. Враховуючи біологічну
важливість для самого існування
клітини координованого синтезу
нуклеотидів як попередників в
утворенні ДНК і РНК, контроль їх
кількісного складу здійснюється на
декількох регуляторних ділянках
(рис. 19.2).
1. Контроль ранньої стадії син-
тезу пуриннуклеотидів реалізується
двома механізмами:
1.1. Шляхом зменшення при дії
АМФ та ГМФ активності ферменту,
що перетворює
αα
αα
α-D-рибозо-5-фосфат
на 5-фосфорибозил-1-пірофосфат (ФРПФ) — 5-фосфорибозил-1-пірофосфат-
синтетази.
1.2. Шляхом інгібірування при дії ІМФ, АМФ та ГМФ активності регуляторного
алостеричного ферменту, що перетворює ФРПФ на 5-фосфорибозиламін —
глутамін-ФРПФ-амідотрансферази; це — найважливіший пункт контролю
швидкості всього біосинтетичного шляху.
2. Контроль пункту розгалуження в синтезі пуриннуклеотидів, тобто перетво-
рення ІМФ на АМФ та ГМФ відбувається за такими механізмами:
2.1. АМФ гальмує власне утворення з ІМФ шляхом інгібірування активності
ферменту аденілосукцинатсинтетази, який перетворює ІМФ на аденілосукцинат;
2.2. ГМФ гальмує власне утворення з ІМФ шляхом інгібірування ферменту
ІМФ-дегідрогенази, який перетворює ІМФ на ксантозинмонофосфат.
2.3. АТФ та ГТФ є джерелами метаболічної енергії для синтезу один одного:
АТФ необхідний для перетворення ІМФ на ГМФ (та ГТФ), тоді як ГТФ необхід-
ний для перетворення ІМФ на АМФ (та АТФ); тому збільшення (зменшення)
концентрації кожного з нуклеозидтрифосфатів призводить до відповідних змін у
швидкості утворення іншого нуклеозидтрифосфату, що забезпечує їх коорди-
нований синтез.
Рибозо-5-фосфат
ФПРФ
. . .
ІМФ
АМФ
ГМФ
АДФ
ГДФ
АТФ ГТФ
–
–
–
–
–
+
+
Рис. 19.2. Пункти контролю синтезу пуринових
нуклеотидів.
275Ãëàâà 19. Á³îñèíòåç íóêëåîòèä³â
Біосинтез пуринових нуклеотидів із азотистих основ
Розглянутий біосинтез пуринових нуклеотидів із простих попередників — синтез
de novo — потребує значних витрат метаболічної енергії у формі макроергічних
зв’язків АТФ і ГТФ і відбувається не у всіх тканинах. Цей складний метаболічний
шлях має місце переважно в печінці, тоді як в інших тканинах, зокрема в еритроцитах,
лейкоцитах, клітинах головного мозку відбувається утворення нуклеотидів із “го-
тових” вільних пуринових основ — аденіну, гуаніну та 6-оксипурину (гіпоксантину).
Джерелом пуринових основ для такого синтезу є пурини, які утворюються з
нуклеотидів, синтезованих у печінці, та нуклеотидів, які постійно вивільняються в
результаті катаболізму (гідролітичного розщеплення) нуклеїнових кислот і нуклео-
тидів власних тканин та таких, що надходять у складі харчових продуктів.
Цей механізм більш швидкого біосинтезу пуриннуклеотидів шляхом повторного
включення в метаболізм вільних азотистих основ отримав назву “шляху реутилізації”
(salvage reactions — англ.).
Реакції повторного використання пуринів для синтезу нуклеотидів перебігають
за участю таких ферментів:
(1) аденінфосфорибозилтрансферази, що каталізує реакцію:
аденін + 5-фосфорибозил-1-пірофосфат
АМФ + ФФ
н
;
(2) гіпоксантингуанінфосфорибозилтрансферази, що каталізує реакції:
а) гуанін + 5-фосфорибозил-1-пірофосфат
ГМФ + ФФ
н
;
б) гіпоксантин + 5-фосфорибозил-1-пірофосфат
ІМФ + ФФ
н
.
19.2. БІОСИНТЕЗ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ
На відміну від біосинтезу пуринових нуклеотидів, синтез піримідинових
нуклеотидів відбувається шляхом приєднання пентози у формі 5-фосфорибозил-1-
пірофосфату вже після утворення піримідинового циклу з попередників із лінійним
ланцюгом. Метаболічними попередниками атомів вуглецю та азоту в молекулах
піримідинів є амінокислота L-аспартат та карбамоїлфосфат.
Реакції біосинтезу піримідиннуклеотидів
Утворення УМФ
1. Утворення уреїдо-
янтарної кислоти з ас-
партату та карбамоїл-
фосфату; реакція ката-
лізується регуляторним
ферментом аспартат-
карбамоїлтрансфе-
разою:
C
O
O ~ P
OH
OH
+
HOOC CH
2
CH
COO H
NH
2
H
2
N
C
N
H
CH
CH
2
C
O
COO H
HO
+ H
3
PO
4
H
2
N
O
O
Карбамоїлфосфат
Аспартат
Уреїдосукцинат
276
Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
2. Утворення дигідро-
оротової кислоти в резуль-
таті дегідратації уреїдо-
сукцинату (фермент —
дигідрооротаза):
3. Утворення оротової
кислоти в результаті дегід-
рування дигідрооротату
(фермент — НАД-залежна
дигідрооротатдегідро-
геназа):
4. Сполучення оротової
кислоти з 5-фосфорибо-
зил-1-пірофосфатом з ут-
воренням оротидилової
кислоти (оротидин-5'-мо-
нофосфату, ОМФ); фер-
мент, що каталізує реак-
цію, — оротатфосфори-
бозилтрансфераза:
5. Декарбоксилюван-
ня оротидилової кислоти
до уридилової кислоти
(уридин-5'-монофосфату,
УМФ) — фермент ОМФ-
декарбоксилаза:
Утворення УДФ, УТФ
та ЦТФ
Уридинмонофосфат
(УМФ), що синтезувався
внаслідок розглянутої послі-
довності реакцій, використовується для утворення інших піримідиннуклеотидів,
зокрема піримідинових нуклеозидтрифосфатів (УТФ, ЦТФ) та дезоксирибонук-
леозидтрифосфатів (дЦТФ,ТТФ), що використовуються в синтезі РНК і ДНК:
(1) утворення УД Ф та УТФ відбувається в результаті послідовного фосфори-
лювання УМФ нуклеозидмонофосфокіназами та нуклеозиддифосфокіназами (ана-
логічно розглянутому вище фосфорилюванню пуринових нуклеотидів):
УМФ + АТФ
УДФ + АДФ,
УДФ + АТФ
УТФ + АДФ;
N
C
N
H
CH
CH
2
C
O
COO H
HO
O
H
H
H
2
O
HN
C
N
H
CH
CH
2
C
O
COO H
O
ДигідрооротатУреїдосукцинат
Дигідрооротат
Оротат
HN
C
N
H
С
CH
C
O
COO HO
HN
C
N
C
CH
C
O
COO H
ФПРФ
ФФ
н
О
Рибозо-5-фосфат
Оротат ОМФ
HN
C
N
C
CH
C
O
COO H
О
Рибозо-5-фосфат
CO
2
HN
C
N
CH
CH
C
O
О
Рибозо-5-фосфат
ОМФ УМФ
+ НАД
+ НАДН
2
HN
C
N
CH
CH
2
C
O
COOH
О
HN
C
N
H
C
CH
C
O
О
277Ãëàâà 19. Á³îñèíòåç íóêëåîòèä³â
(2) утворення
ЦТФ відбувається в
результаті амінуван-
ня УТФ — реакції, в
якій беруть участь
глутамін (донор амі-
ногрупи) та АТФ:
Регуляція синтезу піримідинових нуклеотидів
Контроль швидкості біосинтезу пі-
римідинових нуклеотидів забезпечується
на рівні двох регуляторних ферментів
(рис. 19.3):
(1) карбамоїлфосфатсинтетази, яка
забезпечує постачання біосинтетичного
шляху одним із перших субстратів —
карбамоїлфосфатом (цей пункт регуляції
є основним у вищих тварин (ссавців),
включаючи організм людини); алосте-
ричним інгібітором ферменту є УТФ —
кінцевий продукт біосинтетичного шляху;
разом з тим, ФРПФ — інтермедіат пу-
ринового синтезу — збільшує активність
ферменту, що є одним з механізмів забез-
печення координованого синтезу пуринів
та піримідинів;
(2) аспартаткарбамоїлтрансферази,
яка каталізує синтез уреїдоянтарної кис-
лоти (цей механізм регуляції має місце
переважно у E.Coli та інших бактерій); алостеричним інгібітором ферменту є
ЦТФ, активатором — АТФ; молекулярні механізми регуляції активності ферменту
розглянуті в главі 7.
19.3. БІОСИНТЕЗ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДІВ
Біосинтез РНК різних класів вимагає наявності пуринових (АТФ, ГТФ) та
піримідинових (ЦТФ, УТФ) рибонуклеотидів, тоді як для біосинтезу генетичних
ДНК необхідні дезоксирибонуклеотиди пуринового — дАТФ, дГТФ — та піримі-
динового — дЦТФ, дТТФ (ТТФ) ряду.
Попередниками дезоксирибонуклеотидів у клітинах є рибонуклеотиди у формі
нуклеозиддифосфатів (НДФ) (переважно) та нуклеозидтрифосфатів (НТФ).
HN
C
N
CH
CH
C
O
О
Рибозо— P — P — P
Глутамін
N
C
N
CH
CH
C
NH
2
О
Рибозо— P — P — P
АТФ
Глутамат
АДФ+Ф
н
УТФ ЦТФ
Глутамін (—NH
2
) + CO
2
)
–
+
2
–
Карбамоїлфосфат
АТФ
ФРПФ
Аспартат
Уреїдосукцинат
Оротат
ФРПФ
ОМФ
УМФ
УТФ
ЦТФ дТТФ
Рис. 19.3. Схема регуляції синтезу піриміди-
нових нуклеотидів.
1
278
Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Механізм перетворення рибонуклеотидів на дезоксирибонуклеотиди
Перетворення НДФ на відповідні дНДФ досягається шляхом відновлення
гідроксильної групи при С-2' рибози з утворенням 2'-дезоксирибози. Доно-
ром відновлювальних еквівалентів у цьому процесі є відновлений НАДФ
(НАДФН + Н
+
):
Вказана реакція є, в дійсності, складним
біохімічним процесом, в якому беруть участь:
низькомолекулярний (м.м. — 12 кД) SH-вміс-
ний білок тіоредоксин і два окислювально-
відновлювальні ферменти (редуктази) —
тіоредоксинредуктаза та рибонуклеотидре-
дуктаза, шо складають в сукупності електроно-
транспортний ланцюг відновлення НДФ до
дНДФ (рис. 19.4).
Процес відновлення НДФ до дНДФ за
рахунок протонів та електронів (НАДФН + Н
+
)
складається з таких реакцій:
(1) переносу водню від (НАДФН + Н
+
) на
ФАД флавінового ферменту тіоредоксинре-
дуктази;
(2) переносу водню від відновленої тіоре-
доксинредуктази на SH-групи тіоредоксину;
(3) переносу водню від відновленого тіо-
редоксину на SH-групи рибонуклеотидре-
дуктази;
(4) переносу водню від відновлених сульф-
гідрильних груп рибонуклеотидредуктази на
НДФ з утворенням дНДФ.
Утворення дАТФ, дГТФ та дУТФ
За розглянутим механізмом іде утворення пуринових дезоксирибонуклеотидів:
АДФ
дАДФ
ГДФ
дГДФ
та піримідинового дезоксирибонуклеотиду дУДФ:
УДФ
дУДФ
CH
2
H
OH
OH
HH
O
P
Азотиста
основа
НАДФН
+ Н
+
НАДФ
+
+ Н
2
О
CH
2
H
OH
H
HH
O
O
POP
Азотиста
основа
P
О
О
Рибонуклеозиддифосфат (НДФ) Дезоксирибонуклеозиддифосфат (дНДФ)
НАДФН + Н
+
НАДФ
+
E
1
– ФАДН
2
E – ФАД
Т
S
S
E
2
S
S
E
2
SH
SH
Т
SH
SH
дНДФ
НДФ
(1)
(2)
(3)
(4)
Рис. 19.4. Схема переносу відновлю-
вальних еквівалентів від (НАДФН + Н
+
)
на рибонуклеозиддифосфати:
Е
1
— ФАДН
2
— тіоредоксинредуктаза;
E
2
SH
SH
— рибонуклеотидредуктаза;
Т — тіоредоксин.
279Ãëàâà 19. Á³îñèíòåç íóêëåîòèä³â
дНДФ, які утворилися в цих реакціях, перетворюються на відповідні дНТФ
(попередники в біосинтезі ДНК) в реакціях, що каталізуються нуклеозиддифос-
фокіназами:
дАДФ + АТФ дАТФ,
дГДФ + АТФ
дГТФ,
дУДФ + АТФ
дУТФ.
Утворення тимідилових нуклеотидів
Біосинтез тимідилових нуклеотидів, що також містять 2'-дезоксирибозу, почи-
нається з тимідилату (тимідин-5'-монофосфату, дТМФ, ТМФ). Безпосереднім
попередником дТМФ є дезоксиуридин-5'-монофосфат (дУМФ), який утворюється
з дезоксиуридин-5'-дифосфату (дУДФ) внаслідок його дефосфорилювання:
дУДФ
Ф
Н
дУМФ
Перетворення дУМФ на дТМФ — заключний крок в утворенні нуклеотиду,
що потрібний для біосинтезу ДНК — відбувається шляхом метилювання дУМФ
у такій реакції:
Процес каталізується ферментом тимідилатсинтазою, коферментом якої є N
5
,N
10
-
метилен-Н
4
-фолат, що в результаті реакції окислюється до дигідрофолату. Подальше
функціонування фолату як коферменту вимагає регенерації тетрагідрофолату в реакції,
що каталізується дигідрофолатредуктазою:
Н
2
-фолат + НАДФН + Н
+
Н
4
-фолат + НАДФ
+
.
Утворення тимідилових нуклеозидди- і трифосфатів — дТДФ(ТДФ), дТТФ(ТТФ)
відбувається за рахунок їх фосфорилювання АТФ у кіназних реакціях:
дТМФ + АТФ
дТДФ + АДФ,
дТДФ + АТФ
дТТФ + АДФ.
Інгібітори синтезу дТМФ як протипухлинні засоби
Біосинтез нових молекул чотирьох дезоксирибонуклеозидтрифосфатів (дАТФ,
дГТФ, дЦТФ та дТТФ), що необхідні для реплікації ДНК, практично не відбувається
HN
C
N
CH
CH
C
O
О
Дезоксирибозо-5-фосфат
HN
C
N
CH
C
C
O
О
Дезоксирибозо-5-фосфат
N
5
,N
10
-метилен-Н
4
-фолат
Н
2
-фолат
CH
3
дУМФ дТМФ(ТМФ)
280
Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
у фазі мітотичного (репродуктивного) спокою клітини (G
0
) і активується на стадіях
клітинного циклу, що передують мітозу (глава 20). У зв’язку з цим, хімічні
сполуки, які блокують синтез de novo зазначених дНТФ, унеможливлюють
подвоєння (реплікацію) геномної ДНК та поділ клітин — концепція, що покладена
в основу фармакологічної дії багатьох протипухлинних лікарських засобів.
Саме за таким механізмом реалізується затримка поділу клітин злоякісних
пухлин, яка відбувається під впливом препаратів, що блокують синтез тиміди-
лату дТМФ (рис. 19.5), а саме:
1) структурних аналогів
дУМФ, що здатні до взаємодії
з тимідилатсинтазою, бло-
куючи її каталітичну дію за ме-
ханізмом конкурентного інгі-
бірування; прикладом такого
механізму є ефект протипух-
линних засобів антиметабо-
літної дії 5-Фторурацилу (ана-
лога урацилу) та Фторафуру
(аналога уридину, що в орга-
нізмі людини також утворює
вільний 5-фторурацил):
Після надходження в орга-
нізм 5-фторурацил перетворю-
ється на 5-фтордезоксиуридин-
5'-монофосфат (5-фтор-дУМФ),
тобто безпосередній структур-
ний аналог дУМФ — субстра-
ту тимідилатсинтази; сполу-
чення 5-фтор-дУМФ з фер-
ментом протидіє зв’язуванню
активного центру останнього із
справжнім субстратом ( дУМФ),
що блокує утворення дТМФ;
2) похідних птерину Аміно-
птерину та Метотрексату, що,
маючи подібність до частини
молекули фолієвої кислоти,
діють у біохімічних реакціях як
її структурні аналоги і, у зв’язку
з цим, виступають як конкурентні інгібітори дигідрофолатредуктази; гальмування
каталітичної дії цього ферменту протидіє регенерації Н
4
-фолату з Н
2
-фолату і, таким
чином, порушує біосинтез дТМФ.
HN
N
H
O
F
O
HN
N
O
F
O
OH
OH
O
5-Фторурацил 5-Фторафур
N` - (2-фуранидил-
5-фторурацил)
5-Фторурацил
5-Фтор-дУМФ
дТМФ
дУМФ
Е
1
Е
2
H
2
F
–
–
N
5
,N
10
-метилен-H
4
F
H
4
F
Гліцин
Серин
НАДФН+Н
+
НАДФ
+
Аміноптерин
Метотрексат
Рис. 19.5. Механізми антипухлинної дії сполук, що блокують
синтез дТМФ (E
1
— тимідилатсинтаза; Е
2
— ди-
гідрофолатредуктаза; H
4
F — тетрагідрофолат;
H
2
F — дигідрофолат).
281Ãëàâà 19. Á³îñèíòåç íóêëåîòèä³â
19.4. КАТАБОЛІЗМ НУКЛЕОТИДІВ
Джерелом вільних пуринових та піримідинових
нуклеотидів є розщеплення власних нуклеїнових
кислот гідролітичними ферментами ДНК-азами та
РНК-азами та біосинтез нуклеотидів, що відбува-
ється в тканинах. Вільні нуклеотиди, які не викори-
стовуються для синтезу нуклеїнових кислот, підляга-
ють розщепленню з утворенням кінцевих продуктів
азотистого (нуклеїнового) обміну.
Розщеплення пуринових нуклеотидів
Розщеплення пуринових нуклеотидів (АМФ та
ГМФ) включає реакції:
– відщеплення фосфатної групи з утворенням нук-
леозидів аденозину та гуанозину (фермент - 5'-нук-
леотидаза);
– дезамінування (на рівні аденозину — фермент
аденозиндезаміназа або на рівні гуаніну — фермент
гуаніндезаміназа);
– відщеплення від нуклеозидів пентозного залишку
D-рибози (фермент нуклеозидаза)
або пентозофосфату в цілому (фер-
менти — фосфорилази);
– подальший катаболізм гіпо-
ксантину (що утворився з АМФ)
або ксантину (що утворився з ГМФ)
з утворенням кінцевого продукту
сечової кислоти (2,6,8-триокси-
пурину):
Окислення гіпоксантину до
ксантину та ксантину до сечової
кислоти каталізується ферментом
ксантиноксидазою:
Ксантиноксидаза — ФАД-за-
лежний флавопротеїн, що містить
у своєму складі також іони заліза
та молібдену. В ксантионоксидаз-
них реакціях як окисник викори-
стовується молекулярний кисень
О
2
, який відновлюється до пере-
кису водню:
гіпоксантин + О
2
+ Н
2
О
ксантин + Н
2
О
2
;
ксантин + О
2
+ Н
2
О
сечова кислота + Н
2
О
2
.
Схема перетворення пуринових
нуклеотидів на сечову кислоту.
АМФ ГМФ
H
2
O
Ф
H
H
2
O
Ф
H
Аденозин Гуанозин
H
2
OH
2
O
NH
3
NH
3
H
2
O
H
2
O
D-рибоза
Гуанін
D-рибоза
Інозин
Гіпоксантин
Ксантин
ФАДН
2
ФАД
ФАД
ФАДН
2
Сечова
кислота
Сечова кислота
N
N
NH
2
N
N
Рибозофосфат
N
N
OH
N
H
N
N
N
OH
N
N
N
N
OH
N
H
N
АМФ
Гіпоксантин
H
2
N
HO
Рибозофосфат
ГМФ
Ксантин
HN
N
H
O
O
N
H
H
N
O
N
N
OH
HO
N
H
N
OH
Окислення гіпоксантину та ксантину до сечової кислоти
ксантиноксидазою.
282
Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Спадкові порушення обміну сечової кислоти
Сечова кислота є сполукою, погано розчинною у воді.
Межа розчинності урату натрію — молекулярної форми, в
якій сечова кислота знаходиться в плазмі крові, — складає
7 мг/дл (70 мг/л), що є верхньою межею нормальної кон-
центрації цієї сполуки в крові (30-70 мг/л). Вважають, що
біологічне значення наявності в організмі людини значної
кількості уратів зумовлене їх високою антиоксидантною
активністю як сполук, що знешкоджують цитотоксичні
хімічно активні радикали кисню (L. Stryer, 1995).
Подагра
Підтриманню розчинного стану уратів в організмі лю-
дини сприяє їх зв’язування з білками крові; разом з тим,
щонайменше збільшення вмісту сечової кислоти в крові —
гіперурикемія — супроводжується випадінням у тканинах
кристалів уратів, що клінічно проявляється розвитком
подагри.
Подагра — захворювання, основним проявом якого є
розвиток важкого больового синдрому внаслідок відкла-
дення кристалів уратів у порожнинах суглобів та розвитку
процесу запалення. З метою зменшення гіперурикемії при
подагрі запропоновано препарат Алопуринол, що за механіз-
мом дії є незворотним інгібітором ксантиноксидази; засто-
сування препарату значно зменшує вміст сечової кислоти
в крові, що сприяє полегшенню клінічних проявів
захворювання.
Синдром Леша-Ніхана
Ця хвороба є зчепленою з Х-хромосомою спадковою формою гіперурикемії,
що розвивається у дитячому віці (у хлопчиків) і, крім симптомів, властивих для
подагри, проявляється також тяжкими нервово-психічними порушеннями.
Біохімічною основою ензимопатії є генетичний дефект синтезу гіпоксантин-
гуанінфосфорибозилтрансферази — ферменту, що забезпечує повторне викори-
стання в метаболічних реакціях вільних гіпоксантину та гуаніну (“шлях
реутилізації”). Внаслідок дефіциту ферменту в організмі відбувається аномальне
накопичення гіпоксантину та гуаніну, які, перетворюючись на сечову кислоту,
спричиняють розвиток гіперурикемії.
Розщеплення піримідинових нуклеотидів
Початкові етапи катаболізму піримідинових нуклеотидів, як і в разі пуринових
нуклеотидів, полягають у відщепленні рибозофосфату з подальшим окисленням
піримідинів, що утворюються.
Катаболізм азотистих основ (урацилу, цитозину, тиміну) полягає в розриві
піримідинових циклів з утворенням в якості продуктів похідних амінокислот —
Рис. 19.6. Горбачевсь-
кий І.Я. (1884-
1942), українсь-
кий біохімік.
Професор ме-
дичної хімії
Чеського ун-ту,
професор та
ректор Укра-
їнського ун-ту в
Празі та Відні.
Вперше син-
тезував сечову
кислоту, відкрив
фермент ксан-
тиноксидазу.
283Ãëàâà 19. Á³îñèíòåç íóêëåîòèä³â
ββ
ββ
β-аланіну та
ββ
ββ
β-аміноізобутирату. В свою чергу,
ββ
ββ
β-аланін розшеплюється до дво-
окису вуглецю та аміаку, тоді як
ββ
ββ
β-аміноізобутират може метаболізуватися
подібно до інших розгалужених амінокислот з утворенням сукциніл-КоА.
N
N
H
NH
2
O
HN
N
H
O
O
1
/
2
O
2
NH
3
Цитозин
Урацил
NADPH + H
+
NADP
+
HN
N
H
O
O
Дигідроурацил
H
H
H
H
H
2
O
NH
2
C
N
H
CH
2
CH
2
O
COO
–
β
-Уреїдопропіонат
(N-карбамоїл-
β
-аланін)
H
2
O
H
3
N
+
CH
2
CH
2
COO
–
β
-Аланін
O
2
CH
3
COO
–
CO
2
+ NH
3
H
2
O
H
3
N
+
CH
2
CH
COO
–
CH
3
β
-Аміноізобутират
NH
2
C
N
H
CH
2
C
O
COO
–
β
-Уреїдоізобутират
(N-карбамоїл-
HN
N
H
O
O
Дигідротимін
CH
3
H
H
H
CH
3
H
H
2
O
β
-аміноізобутират)
N
N
H
NH
2
O
Тимін
NADPH + H
+
NADP
+
Схема катаболізму піримідинових азотистих основ.
284 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
ГЛАВА 20. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ РЕПЛІКАЦІЇ
ДНК ТА ТРАНСКРИПЦІЇ РНК
20.1. БІОЛОГІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ РЕПЛІКАЦЇЇ ДНК.
НАПІВКОНСЕРВАТИВНИЙ МЕХАНІЗМ РЕПЛІКАЦІЇ
Значення відкриття в 1953 р. Дж.Уотсоном та
Ф.Кріком будови молекули ДНК як подвійної спіралі
полягало не тільки в розшифровці геометричної струк-
тури молекули. Модель, що була запропонована, розкри-
вала можливості для створення чітких наукових уявлень
про механізм подвоєння — реплікації молекули ДНК,
тобто рівного розподілу між дочірніми клітинами
генетичного матеріалу, що становило чи не найбіль-
шу біологічну таємницю
протягом усього існування
людства.
Як зазначав пізніше
Дж.Уотсон, “існування
двох переплетених лан-
цюгів з однаковою послі-
довністю основ не могло
бути випадковим. Навпаки,
це дає право вважати, що
один із ланцюгів кожної
молекули на певній стадії
править за матрицю для
синтезу іншого ланцюга.
За такою схемою реплі-
кація гена починалася б із
його розділення на два
однакові ланцюги. Потім
на обох материнських
матрицях могли б утво-
рюватися два дочірніх
ланцюги, в результаті чого
формувалися б дві моле-
кули ДНК, ідентичні пер-
вісній” (J.Watson, 1968).
Рис. 20.2. Крік (Crick) Френсис
(народ. 1916 р.),
англійський фізик,
один із фундаторів
молекулярної біо-
логії. Нобелівська
премія (1962).
Рис. 20.1. Уотсон (Watson)
Джеймс Д. (народ.
1928 р.), амери-
канський біохімік,
один із фундаторів
молекулярної біо-
логії. Нобелівська
премія (1962).
Рис. 20.3. Модель реплікації
ДНК за механізмом
Уотсона та Кріка.
1, 2 — материнські
ланцюги ДНК; 1а,
2а — дочірні лан-
цюги ДНК.
2
1
1
1a 2a 2
285Ãëàâà 20. Ìåõàí³çìè ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ ³ òðàíñêðèïö³¿ ÐÍÊ
Напівконсервативний та консервативний механізми реплікації
Модель подвоєння (реплікації) молекули ДНК, що була первинно запропонована
Дж.Уотсоном та Ф.Кріком, отримала назву напівконсервативного механізму реплікації.
Згідно з цим механізмом, “материнська” молекула ДНК в процесі реплікації
розділяється на два ланцюги, кожен з яких править за матрицю для синтезу за
принципом комплементарності другого ланцюга з утворенням ідентичних “дочірніх”
молекул.
Поряд із зазначеною моделлю Уотсона-Кріка, як теоретично можливий розглядався
також консервативний механізм реплікації, відповідно до якого при подвоєнні клітини
“стара” материнська молекула ДНК залишається незайманою, а з вільних
мононуклеотидів складаються повністю нові молекули ДНК:
Експериментальне
обгрунтування напів-
консервативного меха-
нізму реплікації ДНК було
здійснено в дослідах
М.Мезелсона та Ф.Сталя
(M.Meselson, F.W.Stahl;
1957). Головна ідея експе-
рименту М.Мезелсона та
Ф.Сталя грунтувалася на
різній питомій щільності
і, відповідно, можливості
фракціонування методом
ультрацентрифугування в
градієнті щільності CsCl
молекул ДНК, що відріз-
няються за вмістом лег-
кого (N
14
) або важкого (N
15
) ізотопів азоту. Схему експерименту можна розділити на
такі етапи:
Рис. 20.4. Теоретично можливі механізми реплікації ДНК.
Консервативний механізм
реплікації
Напівконсервативний
механізм реплікації
“Материнська”
молекула ДНК
“Дочірні”
молекули
ДНК (F
1
)
Рис. 20.5. Схема експерименту М.Мезелсона та Ф.Сталя.
N
14
, N
15
-ДНК
II етап: E.Coli (N
15
-ДНК)I етап:
N
14
N
15
N
14
-ДНК
N
15
-ДНК
N
14
F
1
E.Coli
(а)(б)(в)
286 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
1) вирощування клітин E.Coli на середовищі, що містило як джерело азоту
NH
4
Cl з легким ізотопом (N
14
); була встановлена щільність “легких” молекул ДНК,
що містилися в таких клітинах (рис. 20.5а);
2) вирощування клітин E.Coli протягом декількох поколінь на середовищі,
що містило як джерело азоту NH
4
Cl з важким ізотопом (N
15
); була встановлена
щільність “важких” молекул ДНК, що містилися в таких клітинах (рис. 20.5б);
3) клітини E.Coli, що містили у своєму складі “повністю важкі” молекули
ДНК (N
15
-ДНК) знову були перенесені на середовище з легким (N
14
) ізотопом
азоту; після першої реплікації дочірні клітини (F
1
) збиралися, з них екстрагувалася
ДНК і методом ультрацентрифугування визначалася її щільність. Було вста-
новлено, що щільність цієї ДНК з покоління F
1
була проміжною між щільністю
“легких” (N
14
) та “важких” (N
15
) молекул ДНК, тобто складалася наполовину з
“легких” і наполовину з “важких” ланцюгів, що відповідало будові (N
14
, N
15
-ДНК)
(рис. 20.5в), підтверджуючи тим самим напівконсервативний механізм реплікації.
20.2. ФЕРМЕНТИ РЕПЛІКАЦІЇ ДНК У ПРОКАРІОТІВ ТА
ЕУКАРІОТІВ
Дослідження А.Корнберга (відкриття ДНК-полімерази I)
Загальна схема біосинтезу ДНК у системі А.Корнберга
А.Корнберг та співавт. (Kornberg Artur, 1956) інкубували екстракти E.Coli, що
містили ферменти та деяку кількість ДНК, із сумішшю дезоксинуклеозидтрифос-
фатів (дНТФ), а саме: дАТФ, дТТФ, дГТФ та дЦТФ.
Було встановлено, що в цих умовах синтезується певна кількість нової ДНК
(точніше, полідезоксирибонуклеотиду), до складу якого входили дезоксинуклео-
зидмонофосфати (дНМФ) із складу дНТФ, що були використані для біосинтезу. При
цьому новий ланцюг ДНК утворювався за рахунок приєднання дНМФ до кінця
одного з ланцюгів ДНК, що вже існувала (передіснуючої ДНК).
Рівняння реакції в найпростішій формі має вигляд:
(дНМФ)
n
+ дНТФ (дНМФ)
n+1
+ ФФн
ДНК ДНК подовжена
Фермент, що каталізував зазначену реакцію, отримав назву ДНК-полімерази I, і його
вивчення дозволило з’ясувати деякі принципові особливості біосинтезу ДНК як у
прокаріотів, так і в еукаріотів, хоча, як з’ясувалося, він не є основним ензимом в
реплікації ДНК, а виконує в цьому процесі певні допоміжні функції.
Необхідність вихідної (передіснуючої) ДНК в системі Корнберга
ДНК-полімераза I, що здійснювала утворення 3'-5'-фосфодіефірних зв’язків в
системі Корнберга, могла функціонувати тільки в присутності вже існуючої
(“передіснуючої”) ДНК. Передіснуюча ДНК, що необхідна для утворення нового
полідезоксирибонуклеотиду, виконує дві функції (рис. 20.6). Вона служить:
(1) затравкою для подовження ланцюга полідезоксирибонуклеотиду;
(2) матрицею, що визначає (програмує) послідовність включення в ланцюг, що
синтезується, нових нуклеотидів.
287Ãëàâà 20. Ìåõàí³çìè ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ ³ òðàíñêðèïö³¿ ÐÍÊ
Пізніше було встановлено,
що ДНК-полімераза I (“фер-
мент Корнберга”) не є основ-
ним ферментом в реплікації
ДНК у прокаріотів. Проте,
певні особливості цього син-
тезу виявилися справедли-
вими і для функціонування
інших полімераз.
Особливості синтезу ДНК
в ДНК-полімеразній системі:
– ДНК-полімераза не може
синтезувати повністю новий
ланцюг ДНК, а спроможна
лише приєднувати дНМФ до
вже існуючого ланцюга;
– синтез нового ланцюга ДНК відбувається в напрямку 5'-3', тобто ДНК-
полімераза послідовно приєднує нуклеотиди (дНМФ з наявних дНТФ) до 3'-кінця
одного з ланцюгів ДНК (ланцюга-”затравки”);
– для синтезу нового ланцюга ДНК необхідний також ланцюг-матриця; нук-
леотиди сполучаються з 3'-кінцем ланцюга-”затравки” відповідно до нуклеотидної
послідовності в ланцюгу-”матриці” (тобто, за принципом комплементарності).
Механізм подовження (елонгації) ланцюга ДНК полягає в утворенні нових 3'-
5'-фосфодіефірних зв’язків, що синтезуються в напрямку 5'→3'. При цьому
відбувається нуклеофільна атака з боку вільної 3'-гідроксильної групи кінцевого
нуклеотиду ланцюга, що вже існує, на
αα
αα
α-фосфат дНТФ, який вступає в реакцію:
O
5'
CH
2
A.O.
OH
O
n
3'
3'
O
POO
OH
P
O
OH
OP
O
OH
OH
CH
2
OH
O
5'
A.O.
n+1
..
O
5'
CH
2
A.O.
O
O
n
3'
PHO O
OH
O
A.O.
n+1
+
ФФ
н
O
CH
2
Нуклеофільна
атака
Ланцюг
ДНК
Рис. 20.6. Схема синтезу нового ланцюга ДНК при
наявності ланцюга-затравки та ланцюга-
матриці.
3'
3'
5'
5'
Ланцюг-
затравка
Ланцюг-
матриця
дНТФ
288 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Ферменти біосинтезу ДНК у прокаріотів
1) ДНК-полімераза I — білок з м.м. 103 кД.
Біохімічні функції:
5'→3' — полімеразна активність (розглянута вище);
5'→3' — екзонуклеазна активність (тобто спроможність видаляти нуклеотиди
вище від напрямку синтезу);
3'→5' — екзонуклеазна активність (“коригуюча” активність, або спроможність
видаляти вже включений нуклеотид, якщо він включений помилково, тобто не є
комплементарним ланцюга-матриці);
2) ДНК-полімераза II (білок з м.м. 120 кД) не є основним в реплікації ДНК у
прокаріотів; за уявленнями, що існують, переважною функцією цього ферменту є
участь у репарації ДНК;
3) ДНК-полімераза III — головний фермент, що реалізує процес елонгації ДНК у
E.Coli.
За своєю молекулярною будовою ДНК-полімераза III є асиметричним димером з
м.м. близько 900 кД. Це мультисубодиничний фермент, ціла молекула якого
(холофермент) містить у своєму складі 10 типів субодиниць — поліпептидних
ланцюгів.
Фермент має 5'→3' -полімеразну, 3'→5' -екзонуклеазну та АТФ-азну активності.
ДНК-полімераза III є високопроцесійним ферментом, що може, не залишаючи
матрицю, каталізувати сполучення в ланцюг багатьох тисяч мононуклеотидів (на
відміну від 15-20 нуклеотидів при дії ДНК-полімерази I). Швидкість полімеразної
реакції складає близько 1000 нуклеотидів за секунду.
АТФ-азна активність є передумовою утворення комплексу холоферменту ДНК-
полімерази з матрицею: спочатку АТФ взаємодіє з
ββ
ββ
β-субодиницею холоферменту, а
потім активований холофермент сполучається з матричним ланцюгом ДНК, що
супроводжується гідролізом АТФ.
Ферменти біосинтезу ДНК в еукаріотів
У клітинах еукаріотів знайдено декілька типів ДНК-полімераз (табл. 20.1).
Т а б л и ц я 20.1. ДНК-полімерази еукаріотів
Ферментами, що відіграють основну роль у реплікації ДНК в еукаріотів, є ДНК-
полімерази
αα
αα
α та
δδ
δδ
δ, які є високопроцесійними ферментами з 5'→3'-полімеразною
активністю. Полімерази
ββ
ββ
β та
εε
εε
ε беруть участь в репарації ядерної ДНК, а
γγ
γγ
γ-полімераза
відповідає за реплікацію мітохондріальної ДНК.
Вміст ферменту ДНК-полімерази
αα
αα
α помітно зростає під час S-фази клітинного
циклу, коли відбувається активний синтез ДНК. Активність ДНК-полімераз
αα
αα
α,
δδ
δδ
δ та
εε
εε
ε
специфічно блокується афідиколіном — дитерпеноїдом з грибів, що діє як потужний
антипухлинний антибіотик.
Тип Молекулярна маса, кД Локалізація в клітині
α
250 Ядро
β
39 Ядро
γ
200 Мітохондрії
δ
170 Ядро
ε
260 Ядро
289Ãëàâà 20. Ìåõàí³çìè ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ ³ òðàíñêðèïö³¿ ÐÍÊ
20.3. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ РЕПЛІКАЦІЇ ДНК
Загальна схема процесу біосинтезу ДНК, що була вивчена в системі А.Корн-
берга, залишилася правильною до даного часу. Але, враховуючи, що молекула
ДНК є подвійною спіраллю із закрученими один навколо одного антипаралель-
ними ланцюгами, існують певні геометричні — топологічні складності, що
виникають при реплікації молекул ДНК прокаріотів та еукаріотів.
Топологічні проблеми реплікації ДНК
1. Спіралізація та суперспіралізація подвійної спіралі ДНК. Топоізомерази.
Нативні ДНК є двоспіральними молекулами, тому реплікації материнської
молекули повинно передувати її розплетення з утворенням реплікативної вилки,
що складається з двох розведених матричних ланцюгів (відповідно до напів-
консервативного механізму реплікації). Структурні складності цього процесу
полягають також у тому, що у прокаріотів (зокрема у E.Coli) двоспіральні молекули
ДНК є кільцевими, зачіпленими — тобто вони не мають вільних кінців, і їх
неможливо розділити без розриву одного з ланцюгів.
Розплетення та відокремлення двох ланцюгів ДНК, що передує синтезу
дочірніх ланцюгів, реалізується при дії спеціальних типів білків:
– ферментів топоізомераз, які забезпечують зміну кількості супервитків у
кільцевих замкнутих молекулах ДНК. Топоізомерази, і, зокрема ДНК-гіраза прока-
ріотів (gyration — обертання, англ.), здійснюють у зачіплених нитках ДНК розриви
полінуклеотидних ланцюгів, що створює механічні передумови для їх роз-
кручування. Топоізомерази присутні також у хроматиновому апараті еукаріотів:
вони вносять дволанцюгові розриви в довгі лінійні ДНК хромосом, забезпечуючи
підготовку останніх до реплікації;
– ферментів хеліказ (helix — спіраль, англ.), що в АТФ-залежному процесі
розкручують, розплітають короткі ділянки ДНК, утворюючи реплікативні вилки
(replication fork — англ.) — місця послідовного розплетення подвійного ланцюга
та синтезу нових ниток ДНК;
– білків, що зв’язують однониткові
ДНК (SSB-білки — single strand bin-
ding proteins, англ.), протидіючи їх
повторному об’єднанню (ренату-
рації).
Утворення реплікативної вилки в
кільцевих дволанцюгових молекулах
ДНК E.Coli призводить до форму-
вання тета-структур (таких, що
нагадують грецьку літеру “тета”), які
містять реплікативну вилку, що пере-
сувається у міру синтезу дочірніх лан-
цюгів ДНК:
Рис. 20.7. Кільцева хромосома E.Coli в період
реплікації ДНК. Геометрична струк-
тура, що утворилася, нагадує грецьку
літеру θ (“тета”)
(за L.Stryer, 1995; модифіковано).
“Дочірні”
ланцюги
ДНК
“Материнські”
ланцюги ДНК
290 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
У ДНК еукаріотів, що організовані у вигляді лінійних дволанцюгових моле-
кул у складі ядерного хроматину, утворюється водночас багато (ймовірно, від
сотень до декількох тисяч) реплікативних вилок, що сприяє ефективній реплікації
цілої еукаріотичної хромосоми. Одночасна реплікація ДНК в багатьох точках
морфологічно виявляється утворенням упродовж хромосоми “реплікаційних
бульбашок” (рис. 20.8).
Ділянки геному еукаріот, де формуються реплікативні вилки, мають назву
“точок ori” (origin — початок, англ.). Завдяки багатоцентровій реплікації хро-
мосоми, повне подвоєння генетичного матеріалу клітин вищих організмів
(зокрема, ссавців) займає близько 9 год.
2. Значення антипаралельності ланцюгів ДНК. Фрагменти Оказакі
У зв’язку з антипаралельністю двох ланцюгів ДНК
(один — 5'→3', а другий — 3'→5'), одночасна реплі-
кація комплементарних їм ланцюгів повинна була б
йти також у протилежних напрямках (тобто 3'→5' та
5'→3', відповідно). Але, як уже наголошувалося, ДНК-
полімерази можуть синтезувати полідезоксирибо-
нуклеотидні ланцюги лише в напрямку 5'→3'. Це про-
тиріччя було усунуте завдяки дослідженням японсь-
кого вченого Реджі Оказакі (Okazaki), який встановив,
що синтез одного з дочірніх ланцюгів ДНК є перерв-
ним і здійснюється у вигляді коротких (1-2 тис. нуклео-
тидів) ланцюгів, які пізніше з’єднуються між собою.
Таким чином, синтез двох дочірніх ланцюгів ДНК здійснюється за різними
механізмами. Розрізняють (рис. 20.10):
лідируючий (leading — англ.) ланцюг — який утворюється шляхом безперервного
нарощування нуклеотидного ланцюга в напрямку 5'→3';
відстаючий (lagging — англ.) ланцюг — який утворюється з фрагментів Оказакі,
що синтезуються в ДНК-полімеразних реакціях в напрямку 5'→3'.
“Дочірні” ланцюги
ДНК
“Материнські”
ланцюги ДНК
Білки, що
розплітають ДНК
3'
3’5'
5'
Рис. 20.8. Утворення реплікаційних “бульбашок” у процесі подвоєння хромосом
еукаріотів (за D.Granner, 1988; модифіковано).
Рис. 20.9. Оказакі (Okazaki)
Реджі (1930-1975).
291Ãëàâà 20. Ìåõàí³çìè ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ ³ òðàíñêðèïö³¿ ÐÍÊ
Етапи синтезу дочірніх ланцюгів молекул ДНК
1. Ініціація синтезу полідезоксирибонуклеотидних ланцюгів ДНК, якій передує
утворення “затравних” (праймерних) ланцюгів РНК (РНК-праймерів), до 3'-ОН-
груп яких здатні приєднуватися дНМФ, що утворюють нові (дочірні) ланцюги
ДНК. Довжина цих праймерних ланцюгів складає в середньому від 10 до 200
нуклеотидів. Синтез РНК-праймерів відбувається за участю ферментів РНК-
полімераз — так званих праймаз.
2. Елонгація синтезу ДНК, яка відбувається за різними механізмами на лідиру-
ючому та відстаючому ланцюгах.
2.1. На лідируючому ланцюгу нарощування дНМФ здійснюється ДНК-поліме-
разою III, що функціонує безперервно, утворюючи ланцюг ДНК від РНК-прай-
мера до реплікативної вилки.
2.2. На відстаючому ланцюгу:
а) спочатку при дії ДНК-полімерази III синтезуються окремі фрагменти
Оказакі, кожен з яких починається з відповідного РНК-праймера і закінчується
перед початком передуючого йому РНК-праймера;
б) після формування фрагментів Оказакі ДНК-полімераза I, за рахунок своєї
5'→3'-екзонуклеазної активності видаляє РНК-праймери і (за рахунок 5'→3'-полі-
меразної активності) заміщує їх фрагментами ДНК;
в) розриви між окремими фрагментами Оказакі зшиваються спеціальним фер-
ментом ДНК-лігазою.
Зазначені етапи реплікації ДНК подані на рис. 20.11.
Таким чином, в результаті дії комплексу реплікативних білків, зчитування
інформації з двох материнських ланцюгів ДНК з антипаралельною спрямова-
ністю (5'→3' та 3'→5') супроводжується утворенням двох дочірніх ланцюгів з
відповідними антипаралельними напрямками фосфодіефірних зв’язків (3'→5' та
5'→3', відповідно). Взаємодія комплементарних одного материнського та одного
дочірнього ланцюгів призводить до формування двох молекул ДНК, як це
передбачено напівконсервативним механізмом реплікації.
Молекула “материнської” ДНК
3'
3'
3'
3'
5'
5'
5'
5'
Лідируючий
ланцюг
Відстаючий
ланцюг
Рис. 20.10. Схема подвоєння ланцюгів ДНК за Р.Оказакі.
292 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Розглянута схе-
ма реплікації ДНК,
що була первинно
досліджена на про-
каріотах, є справед-
ливою також і для
еукаріотичних клі-
тин. У цьому випад-
ку також відбува-
ється диференційо-
ваний та протилеж-
но спрямований
синтез двох дочір-
ніх ланцюгів — лі-
дируючого та від-
стаючого. Безпе-
рервний синтез
полідезоксирибо-
нуклеотиду на лі-
дируючому ланцю-
гу каталізується
ДНК-полімеразою
δδ
δδ
δ, а перервний на відстаючому ланцюгу — полімеразою
αα
αα
α. Праймази утворюють
тимчасові “затравні” РНК-ланцюги, які пізніше видаляються.
20.4. ФЕРМЕНТИ ТА МЕХАНІЗМИ ТРАНСКРИПЦІЇ РНК
Біосинтез РНК на ДНК-матриці отримав назву транскрипції (transcription —
переписування, англ.). Загальні закономірності цього процесу близькі у прокарі-
отів та еукаріотів.
Послідовність включення рибонуклеотидів у полірибонуклеотидний ланцюг
у процесі транскрипції програмується послідовністю нуклеотидів в матричній
ДНК. Розрізняють кодуючий ланцюг ДНК — тобто такий, з якого зчитується
генетична інформація, та некодую-
чий ланцюг. У дволанцюговій ДНК,
що містить багато генів, для деяких
генів кодуючою може бути один з
ланцюгів, для інших генів — дру-
гий ланцюг:
Транскрипція РНК різних класів на матричній ДНК каталізується фермен-
тами ДНК-залежними РНК-полімеразами (РНК-полімеразами), які розрізняються
у прокаріотичних та еукаріотичних організмів. На відміну від ДНК-полімераз,
Рис. 20.11. Участь ферментів в реплікації ДНК шляхом синтезу
лідируючого та відстаючого ланцюгів.
Лідируючий
ланцюг
Відстаючий
ланцюг
3'
3'
3'
5'
5'
5'
Хеліказа
Прай-
маза
ДНК полі-
мераза III
Фрагменти
Оказакі
5'
3'
РНК-праймер
Кодуючі ланцюги
3'
5'
3'
5'
Ген АГен ВГен СГен Д
293Ãëàâà 20. Ìåõàí³çìè ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ ³ òðàíñêðèïö³¿ ÐÍÊ
РНК-полімерази здатні до самостійної ініціації синтезу полінуклеотидного
ланцюга, зв’язуючись у певних ділянках (сайтах) з матричною ДНК.
Ферменти та механізми транскрипції у прокаріотів
У прокаріотичних клітинах, на відміну від еукаріотичних (див. нижче), єдиним
ферментом, що синтезує всі три класи РНК (матричні, транспортні та рибосо-
мальні) є ДНК-залежна РНК-полімераза (РНК-полімераза).
РНК-полімераза E.Coli (м.м. 465 кД) є олігомерним білком, що складається з
декількох типів субодиниць: двох
αα
αα
α-субодиниць, однієї
ββ
ββ
β- та однієї
ββ
ββ
β’-субодиниці.
Ці чотири протомери складають так званий “кор-фермент” (core — серцевина,
ядро; англ.)
αα
αα
α
22
22
2
ββββ
ββββ
ββ’, що утворює цілий холофермент при взаємодії з додатковою —
σσ
σσ
σ-(сигма)-субодиницею, яка зворотно зв’язується з комплексом
αα
αα
α
22
22
2
ββββ
ββββ
ββ’ та дисо-
ціює на певних стадіях транкрипції.
Система транскрипції у E.Coli потребує наявності РНК-полімерази
(холоферменту), чотирьох нуклеозидтрифосфатів (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ) та ДНК-
матриці. Загальна схема РНК-полімеразної реакції може бути подана таким рівнянням:
(НМФ)
n
+ НТФ (НМФ)
n+1
+ ФФн
РНК РНК подовжена
Напрямок синтезу полірибонуклеотидного ланцюга: 5'→3'. Подібно до ДНК-
полімеразних реакцій, РНК-полімеразна реакція здійснюється шляхом нуклео-
фільної атаки 3'-ОН-групи кінцевої рибози полірибонуклеотидного ланцюга на
αα
αα
α-фосфат нуклеозидтрифосфату, що вступає в реакцію подовження ланцюга.
Каталітичний сайт, що утворює 3'-5'-фосфодіефірні зв’язки між рибонуклеозид-
монофосфатами, локалізований на
ββ
ββ
β-субодиниці РНК-полімерази.
Етапи синтезу РНК у прокаріотів
а) зв’язування РНК-полімерази з ДНК-матрицею;
б) ініціація cинтезу полірибонуклеотидного ланцюга;
в) елонгація (подовження) синтезу РНК;
г) термінація, тобто закінчення синтезу РНК (так званого “первинного РНК-
транскрипту”).
Взаємодія РНК-полімерази з ДНК-матрицею та ініціація транскрипції
Промотори транскрипції
Зв’язування РНК-полімерази з ДНК-матрицею відбувається в специфічних
ділянках геному — промоторах. Ця взаємодія реалізується за участю
σσ
σσ
σ-субодиниці
РНК-полімерази, яка в подальшому (після ініціації синтезу полірибонуклеотиду)
дисоціює від кор-ферменту. Бактеріальні клітини продукують значну кількість
σσ
σσ
σ-факторів, що необхідні для ініціації синтезу різних РНК.
Промоторні ділянки ДНК — послідовності, що складаються приблизно з 40 нук-
леотидів. Важливими для ініціації транскрипції є такі короткі (6-нуклеотидні)
послідовності, що містяться в складі різних промоторів (рис. 20.12):
294 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
(1) “-35-послідовність” — послідовність TTGACA, що локалізована на 35 нук-
леотидів “вліво” (в напрямку 5'-кінця) від точки ініціації (“0-точки”) і є, як вва-
жають, ділянкою, з якою взаємодіє
σσ
σσ
σ-фактор холоферменту РНК-полімерази;
(2) “-10-послідовність”, або “блок Прибнова” (“Pribnow box”) — послідовність
TATAAT, що локалізована на 10 нуклеотидів “вліво” від точки ініціації. На ділянці
Прибнов-боксу відбувається розплетення двох ланцюгів ДНК, і кодуючий ланцюг
стає доступним для каталітичних сайтів РНК-полімерази.
Ініціація транскрипції
Безпосередньо ініціація синтезу РНК починається із включення в ланцюг
першого (5'-кін-
цевого) нуклеоти-
ду, яким у всіх
мРНК (як в про-,
так і еукаріотич-
них організмах) є
пуриновий нук-
леозидтрифосфат
(Пур-5'-ФФФ):
Швидкість процесу ініціації залежить від структури промоторних послідов-
ностей, що передують точкам ініціації. Існують сильні та слабкі промотори
транскрипції:
сильні промотори спричиняють ініціацію транскрипції відповідних РНК з
частотою до одного акту ініціації на секунду;
слабкі промотори спричиняють ініціацію транскрипції з частотою близько
одного акту початку синтезу РНК на 10 хвилин.
Ефективність дії промоторів залежить від нуклеотидних послідовностей, що
розміщені між “-35” та “-10” -блоками; до того ж активність промоторів значно
зменшується за умов мутацій у зазначених промоторах.
Взаємодія РНК-полімерази з ДНК-матрицею блокується протипухлинним
антибіотиком актиноміцином D, який розміщується в щілинах між сусідніми
парами азотистих основ, переважно між G-C-парами (процес інтеркаляції),
протидіючи зв’язуванню ферменту з полідезоксирибонуклеотидним ланцюгом.
Інгібіторами ініціації є антибактеріальні антибіотики рифаміцин та рифам-
піцин, які блокують зв’язування перших НТФ з активними центрами
ββ
ββ
β-субодиниці
РНК-полімерази.
Р Р Р
Р
G,A
X
α
Полінуклеотидний ланцюг РНК
β
γ
3’
5’
5’
3’
Рис. 20.12. Схема будови промоторної ділянки ДНК.
ДНК
3'
Промотор
Сайт ініціації
Кодуюча
ділянка гена
+ 1 – нуклеотид
- 35 -ділянка - 10 -ділянка
5'
...
TTGACA TATAAT
...
...
...
295Ãëàâà 20. Ìåõàí³çìè ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ ³ òðàíñêðèïö³¿ ÐÍÊ
Елонгація та термінація транкрипції
Як уже зазначалося, елон-
гація синтезу РНК відбува-
ється в напрямку 5'→3' анти-
паралельно кодуючому
(матричному) ланцюгу ДНК:
У ході елонгації відбува-
ється розплітання ділянок
двоспіральної ДНК, які
передують РНК-полімеразі, і утворення 3'-5'-фосфодіефірних зв’язків у
полірибонуклеотидному ланцюгу. Вибір чергового НМФ в ланцюгу РНК, що
синтезується, визначається будовою комплементарного дНМФ в кодуючому
ланцюгу ДНК таким чином, що азотисті основи A, G, T, C ланцюга ДНК кодують
включення в ланцюг РНК, відповідно, основ U, C, A та G (рис. 20.13).
ФФФ-5’-пурин
РНК
РНК-полімераза
Кодуючий ланцюг
Некодуючий ланцюг
3’
3’
5’
5’
Матричний
ланцюг
РНК-полімераза
РНК-полімераза
РНК-полімераза
Рис. 20.13. Послідовне копіювання кодуючого ланцюга ДНК у процесі транскрипції
(Ю.А.Овчинников, 1987).
296 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
У результаті елонгації утворюється ДНК-РНК-гібрид, що складається з
кодуючого ланцюга ДНК та РНК-транскрипту.
Термінація транскрипції відбувається за умов:
(1) досягнення РНК-полімеразою в її просуванні впродовж ДНК-матриці
певних термінуючих ділянок. Специфічними для термінуючих ділянок є наявність
зворотних повторів (“паліндромів”)*, тобто нуклеотидних послідовностей, що
читаються однаково у прямому і зворотному напрямках, та наступних полі-АТ-
пар. Ділянка РНК, що транскрибується з такої паліндромної послідовності, має
будову типу “шпильки” з наступною (кінцевою) UUU...-послідовністю. Утворення
РНК з такою структурою є передумовою дисоціації ДНК-РНК-гібриду (рис. 20.14).
Транскрипція кодуючого ланцюга термінуючої ділянки призводить до утворення
РНК-транскрипту, в складі якого містяться комплементарні послідовності
(AGCCCGC) та (UCGGGCG), що утворюють шпилькоподібні структури.
(2) допоміжної дії специфічного білка-термінатора, так званого
ρρ
ρρ
ρ-(ро)-фактора.
Взаємодія
ρρ
ρρ
ρ-фактора з полімеразним комплексом призводить до дисоціації комплексу
“ДНК — фермент — РНК” і вивільнення первинного транскрипту.
Послідовність процесів, що складають ДНК-залежну транскрипцію РНК у
еукаріотів, подано на рис. 20.15.
* Термін “паліндром” (“бігти назад” — грецьк.) означає слово або речення, яке читається однаково як справа
наліво, так і зліва направо (наприклад: “Madam, I’m Adam” — англ.). В молекулярній генетиці під паліндромами
розуміють ділянки полінуклеотидів (ДНК або РНК), які містять зворотні повтори нуклеотидних послідовностей з
осьовою симетрією другого порядку.
У молекулах ДНК такі паліндроми можуть утворювати вторинні структури типу “хрестів” або “шпильок”,
які відіграють роль ділянок розпізнавання для певних ферментів (зокрема, рестриктаз — глава 23), сигналів
термінації транскрипції. При транскрипції паліндромних ділянок утворюються РНК-транскрипти, що мають
взаємокомплементарні послідовності, схильні до утворення “шпильок”(рис. 20.16).
ДНК
Напрямок транскрипції
РНК-транскрипт
Некодуючий ланцюг
Кодуючий ланцюг
Некодуючий ланцюг
Кодуючий ланцюг
ДНК
Рис. 20.14. Термінуюча ділянка гена, до складу якої входять зворотні повтори (TCGGGCG)-
(GCGGGCT) та (CGCCCGA)-(AGCCCGC), відповідно.
297Ãëàâà 20. Ìåõàí³çìè ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ ³ òðàíñêðèïö³¿ ÐÍÊ
РНК
Ген
ФФФ
5’
3’
3’
5’
ДНК
Фер.
Фер.
Фер.
Фер.
Фер.
Фер.
ρ
ρ
ρ
σ
σ
σ
σ
ФФФ-5’
5’
5’
3’
ФФФ
ФФФ
Рис. 20.15. Схема послідовних етапів транскрипції за участю РНК-полімерази (Фер).
А А Т Г Т
А Ц А Т Т
Т Т А Ц А
Т Г Т А А
......
......
......
......
......
......
......
......
......
......
У У А Ц А
У Г У А А
......
......
......
......
......
А
Ц
А
У
У
У
Г
У
А
А
ДНК
РНК
Кодуючий
ланцюг
Некодуючий
ланцюг
Транскрипція з
кодуючого ланцюга
5’
3’
3’
3’
5’
5’
5’
3’
1
1’
2
2’
Рис. 20.16. Схема утворення “шпильок” в РНК-транскрипті. Послідовності (1) і (2') та (2) і (1') в
ланцюгах ДНК є попарними паліндромами. Послідовності УУАЦА та УГУАА в РНК-
транскрипті взаємокомлементарні.
298 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Ферменти та механізми транкрипції в еукаріотів
РНК-полімерази вищих організмів
Еукаріотичні клітини містять три основних класи РНК-полімераз, кожен з
яких відповідає за транкрипцію різних наборів генів і синтез певного типу РНК.
Молекулярна маса РНК-полімераз з клітин ссавців складає 500-600 кД.
Т а б л и ц я 20.2. Ядерні РНК-полімерази клітин тваринних організмів
Крім зазначених РНК-полімераз, що розташовані в ядрі еукаріотичної клітини,
в мітохондріях функціонує власна РНК-полімераза, яка забезпечує транскрипцію
генів більшості мітохондріальних білків, відповідно до інформації, що закладена
в автономному мітохондріальному геномі.
Ядерним ферментом, що забезпечує транскрипцію генів, які програмують
синтез більшості клітинних білків, є РНК-полімераза II, яка забезпечує утворення
гетерогенних за розміром та нуклеотидною послідовністю попередників мРНК—
гяРНК. РНК-полімераза II специфічно блокується
αα
αα
α-аманітином — токсином,
що продукується грибом Amantia phaloides.
При дії РНК-полімерази II в клітинах еукаріотів утворюється моноцистронна
РНК, тобто така, що є матрицею для синтезу в рибосомах одного поліпептидного
ланцюга — на відміну від поліцистронної РНК прокаріотів.
Сигнали транскрипції
Особливістю синтезу РНК у вищих організмів є більш складна, порівняно з
прокаріотами, система сигналів транскрипції, яка складається з певних послі-
довностей ДНК у складі промотора та регуляторних білків, що контролюють
активність транскрипції.
Сигналом ініціації транскрипції в генах ссавців є гомологічна блоку Прибнова
(TATAAT) послідовність TATAAAAGA, яка розміщена на відстані –32 від точки
початку синтезу полірибонуклеотиду. З цією послідовністю взаємодіє РНК-полі-
мераза II.
Система транскрипційних сигналів у еукаріотів включає також сигнали, які
не лише вказують на місце початку синтезу РНК, а й регулюють його активність.
Більш детально ці питання будуть розглянуті в главі 23.
Посттранскрипційна модифікація РНК
У клітинах прокаріотів, зокрема, в найбільш вивченій бактеріальній клітині —
E.Coli, молекули мРНК синтезуються одразу у “зрілому” вигляді, тобто готовими
до виконання своїх біохімічних функцій. На відміну від цього, в результаті про-
цесів біосинтезу полірибонуклеотиду, що відбуваються в еукаріотичних клітинах,
утворюється первинний транскрипт (гетерогенна ядерна РНК, або пре-мРНК),
Клас РНК-поліме
р
аз Продукти транскрипції Локалізація
I (A)
II (B)
III(C)
Рибосомальна РНК (рРНК)
Гетерогенна ядерна РНК (гяРНК)
Транспортна РНК (тРНК),5s РНК
Ядерце
Нуклеоплазма
Нуклеоплазма
299Ãëàâà 20. Ìåõàí³çìè ðåïë³êàö³¿ ÄÍÊ ³ òðàíñêðèïö³¿ ÐÍÊ
який здатний до перетворення у функціональну повноцінну молекулу в результаті
реакцій постранскрипційної модифікації — процесингу (дозрівання).
Процесинг первинного транскрипту включає в себе:
– приєднання до 5'-кінця молекули специфічної нуклеотидної структури — так
званого “кепу”; як “кеп” виступає сполучений трифосфатним зв’язком з 5'-кін-
цевим нуклеотидом 7-метилгуанозин (глава 3, п. 3.4);
– приєднання до 3'-кінця первинного транскрипту поліаденілатного “хвоста” —
poly(A)-послідовності довжиною в 20-250 нуклеотидів; значення кепування та
поліаденілування полягає у підсиленні трансляційної активності зрілої мРНК та
протидії руйнуючому впливу клітинних РНК-аз;
– вирізання неінформативних послідовностей нуклеотидів з молекул пре-мРНК
та зшивання внутрішніх кінців молекул — сплайсинг (splicing — англ.). Оскільки
геноми (ДНК) вищих організмів мають, поряд з генами, що транслюються у
відповідні білки — екзонами, значну кількість нуклеотидних послідовностей,
які не несуть генетичної інформації — інтронів, процес сплайсингу забезпечує
видалення з первинних транскриптів саме інтронів, тобто послідовностей, що
не транслюються:
Зріла мРНК, тобто така, що була піддана реакціям кепування на 5'-кінці,
поліаденілування на 3'-кінці, сплайсингу та метилюванню окремих нуклеотидів,
надходить з ядра в цитоплазму у вигляді рибонуклеопротеїдних комплексів, що
здатні взаємодіяти з рибосомами в процесі трансляції.
Рис. 20.17. Сплайсинг пре-мРНК гена яєчного альбуміну (Halkerston I.D.K., 1988).
Ген овоальбуміну
Первинний
РНК-транскрипт
Транскрипція
Сплайсинг
Інтрони
Poly A
Poly A
Cap
Cap
м-РНК овоальбуміну
300 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
ГЛАВА 21. БІОСИНТЕЗ БІЛКІВ У РИБОСОМАХ
21.1. ГЕНЕТИЧНИЙ КОД ТА ЙОГО ВЛАСТИВОСТІ
Для кожного живого організму властива біохімічна індивідуальність, що визна-
чається генетично запрограмованим специфічним набором притаманних тільки
йому білкових молекул. Разом з тим, потік інформації, який детермінує структуру
індивідуальних білків організму, починається, згідно з постулатами молекулярної
біології, від генетичних нуклеїнових кислот і складається з реплікації ДНК,
транскрипції РНК та трансляції, тобто перекладу інформації з “мови нуклеотидів”
на “мову амінокислот”.
Інакше кажучи, встановлення ролі ДНК як носія та зберігача генетичної
інформації, ролі РНК як переносника цієї інформації до білків, що синтезуються,
поставило на порядок денний проблему генетичного (біологічного) коду, тобто
сукупності знаків, символів та системи правил, алгоритмів, згідно з якими
структурна інформація, що міститься в нуклеїнових кислотах, може бути транс-
формованою в специфічну первинну структуру поліпептидів, яка, в свою чергу,
визначає всі біологічні властивості білкових молекул.
Структура генетичного коду
Вперше гіпотезу про те, що певні сполучення з декількох різних нуклеотидів
(трьох із чотирьох можливих) в молекулах ДНК відповідають одній амінокислоті в
молекулах білків та пептидів, було висунуто в 1954 р. фізиком Георгієм (Джорджем)
Гамовим (G.Gamow). Згідно з цією триплетною теорією, три послідовні нуклеотиди
(триплети) в полінуклеотидних ланцюгах ДНК кодують включення в поліпептид-
ний ланцюг одного специфічного амінокислотного залишку. Оскільки з 4 нуклео-
тидів (або азотистих основ) можна отримати 64 (4
3
) різних комбінацій по 3 нуклео-
тиди (або азотистих основи, відповідно), був зроблений
висновок про існування щонайменше 64 “кодових слів”
для 20 амінокислот.
Структуру генетичного коду було розшифровано завдяки
безпосереднім біохімічним та молекулярно-генетичним
дослідженням, що були виконані на початку 60-х років.
Оскільки переносником генетичної інформації від ДНК
до білків є інформаційні (матричні) РНК, проблему розши-
фровки генетичного коду було зосереджено на розв’язанні
кодових слів — триплетів, або кодонів, у нуклеотидних
послідовностях мРНК. Найбільш визначний внесок у роз-
в’язання цієї проблеми зробив в 1961 р. американський
біохімік М.Ніренберг (M.Nirenberg).
В експериментах М.Ніренберга використовувалась
безклітинна система з E.Coli, яка містила в собі необхід-
ні для білкового синтезу рибосоми, амінокислоти, тРНК,
цитозольні ферменти та кофактори. Виявилося, що при
внесенні в систему як матриці синтетичної мРНК
поліуридилової кислоти відбувався синтез монотонного
Рис. 21.1. Ніренберг (Niren-
berg) Маршал У.
(народ.1927 р.),
американський
біохімік. Зробив
найзначніший
внесок у розши-
фровку генетич-
ного коду. Нобе-
лівська премія
(1968).
301
Ãëàâà 21. Á³îñèíòåç á³ëê³â ó ðèáîñîìàõ
(такого, що складався з одного амінокислотного залишку) поліпептиду —
поліфенілаланіну. Відповідно, використання поліаденілової кислоти (полі-А)
призводило до синтезу полілізину, поліцитидилової кислоти (полі-С) — поліпроліну
тощо. Виходячи з уявлень про кодони як триплети нуклеотидів (або азотистих
основ), зазначені експерименти означали розшифровку відповідних кодонів, а саме:
UUU
Phe,
AAA
Lys,
CCC Pro.
Було встановлено, що з 64 комбінацій нуклеотидів 61 кодон є змістовним, тобто
таким, що визначає включення до складу білка певної амінокислоти, а 3 кодони —
беззмістовними, тобто такими, що не кодують жодної з амінокислот. Ці нонсенс-
кодони (UAA, UAG, UGA) виконують роль сигналів термінації трансляції (таб-
лиця 21.1).
Т а б л и ц я 21.1. Таблиця генетичного коду
Властивості генетичного коду:
(1) код є універсальним для всіх біологічних систем — вірусів, бактерій, вищих
організмів;
(2) код є однонаправленим, тобто інформативним тільки в тому випадку, коли
зчитується “зліва направо” (в напрямку 5'→3');
(3) код є безперервним, тобто має лінійний безперервний порядок зчитування
— між кодонами немає “розділових знаків”;
(4) код є таким, що не перекривається — після зчитування інформації з одного
триплета “рамка зчитування” переміщується вправо відразу на три нуклеотиди;
(5) код є “виродженим”, тобто кожна амінокислота кодується не одним, а де-
кількома кодонами.
Другий нуклеотидПерший
нуклеотид
U С AG
Третій
нуклеотид
UUU UCU UAU UGU U
UUC
Phe
UCC UAC
Tyr
UGC
Cys
C
UUA UCA UAA UGA Терм.A
U
UUG
Leu
UCG
Ser
UAG
Терм.
UGG Trp G
CUU CCU CAU CGU U
CUC CCC CAC
His
CGC C
CUA CCA CAA CGA A
C
CUG
Leu
CCG
Pro
CAG
Gln
CGG
Arg
G
AUU ACU AAU AGU U
AUC ACC AAC
Asn
AGC
Ser
C
AUA
Ile
ACA AAA AGA A
A
AUG Met ACG
Thr
AAG
Lys
AGG
Arg
G
GUU GCU GAU GGU U
GUC GCC GAC
Asp
GGC C
GUA GCA GAA GGA A
G
GUG
Val
GCG
Ala
GAG
Glu
GGG
Gly
G
302 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
21.2. РИБОСОМАЛЬНА БІЛОКСИНТЕЗУЮЧА СИСТЕМА
Сучасна ера у розумінні клітинних та молекулярних механізмів трансляції
почалася з досліджень П.Замечніка (P.Zamecnik) та його колег, які використали
С
14
-мічені амінокислоти для з’ясування внутрішньоклітинної локалізації білкового
синтезу. Було показано, що синтез радіоактивних (С
14
) білків в печінці експери-
ментальних щурів відбувається в мікросомальній фракції, а саме — в рибосомах.
Включення амінокислот у поліпептидні ланцюги in vitro вимагало наявності мат-
ричних (інформаційних) РНК — мРНК (іРНК) та транспортних (тРНК) як пере-
носників амінокислот у ділянки білкового синтезу (P.Zamecnik, F.Lipmann, 1960).
Компоненти білоксинтезуючої системи рибосом
Компонентами білоксинтезуючої системи,
що реалізують процес трансляції в прокаріотич-
них та еукаріотичних клітинах, є:
рибосоми — рибонуклеопротеїдні структури
з константами седиментації 70s та 80s у прокаріо-
тів та еукаріотів (відповідно), що взаємодіють
у процесі трансляції з іншими компонентами
системи білкового синтезу; тривимірна будова
рибосом має вигляд, поданий на рис. 21.2;
мРНК (іРНК), або інший матричний полі-
рибонуклеотид, що програмує послідовність
включення амінокислот у поліпептидний ланцюг
згідно з інформацією, яка міститься в генетич-
ній ДНК;
αα
αα
α-L-амінокислоти в
кількості, що відповідає
амінокислотному складу
повноцінних функціональ-
них білків (звичайно,
близько 20 амінокислот);
ТРНК, що виконують
функцію адапторів у про-
цесі трансляції, взаємодію-
чи з кодонами мРНК та
певними амінокислотами
— близько 20 типів різних
тРНК, відповідно до кіль-
кості амінокислот, що вони
акцептують (рис. 21.3);
аміноацил-
Т РНК-
синтетази (АРС-ази) —
ферменти, що активують амінокислоти та сполучають амінокислотні залишки з
3'-кінцями акцепторних гілок тРНК. АРС-ази є ферментами з високою специфіч-
ністю як відносно певної амінокислоти, так і тРНК, що їй відповідає;
Рис. 21.3. Вторинна (а) та третинна (б) структура аланінової
тРНК дріжджів (DHU – дигідроуридин; mG, mI —
метильовані гуанозин та інозин).
(а)
3`-кінець
5`-кінець
Антикодон
ml
DHU
m
2
G
DHU
DHU
mG
3`-кінець
5`-кінець
Антикодон
1
64
54
56
20
44
32
38
26
12
7
69
72
(б)
Рис. 21.2. Модель будови 70s-рибосоми
(вигляд з чотирьох боків).
Тривимірне зображення
малої субодиниці рибосоми
порівнюють з телефонною
трубкою, великої — з ковшем.
303
Ãëàâà 21. Á³îñèíòåç á³ëê³â ó ðèáîñîìàõ
регуляторні білки — білкові фактори ініціації (IF), елонгації (EF) та термі-
нації, або рилізинг-фактори (RF); білкові фактори еукаріотів мають позначення
eIF, eEF та eRF, відповідно;
коферменти — ГТФ, АТФ.
Рибосоми еукаріотів
У клітинах ядерних організмів рибосоми мають дещо складніші, ніж у
прокаріотів, біохімічний склад та молекулярну організацію (рис. 3.10).
Рибосоми здатні до зворотної дисоціації на дві субодиниці:
80s
60s + 40s
В умовах in vitro дисоціація рибосом за субодиниці відбувається за умов змен-
шення концентрації іонів Mg
2+
. У клітині існує динамічна рівновага між субоди-
ницями та цілими рибосомами: останні утворюються переважно на період транс-
ляції. В період трансляції певна кількість рибосом (від одиниць до декількох
десятків) можуть взаємодіяти з однією молекулою мРНК, утворюючи полірибо-
соми, або полісоми.
В еукаріотичних клітинах рибосоми можуть функціонувати у вигляді рибосом,
зв’язаних з мембранами ендоплазматичного ретикулума (“шорсткого ендоплаз-
матичного ретикулума” — ШЕР) або вільних, не зв’язаних з мембранами ШЕР,
рибосом. Співвідношення між вільними та мембранозв’язаними рибосомами
змінюється при різних фізіологічних станах; в умовах патології клітин суттєво
збільшується кількість рибосом, не зв’язаних з мембранами (Ю.І.Губський, 1989).
Транспортні РНК та активація амінокислот
Загальні риси будови різних тРНК були детально розглянуті вище (глава 3,
п. 3.4). Для кожної з 20
αα
αα
α-L-амінокислот існує щонайменше один специфічний
для неї тип тРНК. Разом з тим, різні молекули тРНК відзначаються схожістю у
вторинній та третинній структурі, що пояснюється загальним характером
біохімічної функції. Важливою структурною особливістю тРНК є наявність у
складі антикодонової петлі специфічного триплету нуклеотидів — антикодону,
який є комплементарним кодону мРНК і забезпечує сполучення між тРНК та
мРНК (кодон-антикодонову взаємодію) під час утворення ініціюючого комплексу.
Саме ці дві біохімічні властивості тРНК — здатність до взаємодії з певною
амінокислотою, по-перше, і здатність до взаємодії із специфічним кодоном мРНК,
по-друге, є молекулярною основою адапторної функції тРНК, тобто можливості
сполучати два інформаційні потоки — “нуклеотидний” та “амінокислотний” в
процесі фенотипічної експресії генетичної інформації.
Взаємодія між тРНК та відповідною їй амінокислотою вимагає взаємного
розпізнавання (рекогніції) цих молекул, що здійснюється лише за умов наявності
спеціальних білків, які мають специфічні сайти для рекогніції як тРНК, так і
αα
αα
α-L-амінокислоти. Цей процес розпізнавання та наступного приєднання двох
біомолекул різних класів відбувається в два етапи і каталізується аміноацил-
тРНК-синтетазами.
304 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Схема взаємодії тРНК з амінокислотами
1. Активація амінокислоти за участю АТФ з утворенням аміноациладенілату:
2. Взаємодія аміноациладенілату з 3'-ОН-групою кінцевого аденозильного залишку
на акцепторній гілці тРНК; утворення в результаті реакції аміноацил-тРНК:
21.3. ЕТАПИ ТА МЕХАНІЗМИ ТРАНСЛЯЦІЇ
Молекулярні механізми рибосомальної трансляції у прокаріотів та еукаріотів
мають подібні риси і поділяються, як і при синтезі інших біополімерів, на етапи
ініціації, елонгації та термінації.
Процес трансляції в клітинах еукаріотів
1. Ініціація трансляції.
Передумовою для початку функціонування рибосомальної білоксинтезуючої
системи є утворення ініціюючого комплексу, до складу якого входять:
– субодиниці 40s та 60s, сполучені між собою у 80s-рибосому; цілісна рибосома
має дві структурні ділянки для зв’язування в процесі трансляції молекул тРНК,
навантажених аміноацильними залишками: аміноацильну (А-) ділянку (А-сайт) та
пептидильну (П-) ділянку (П-сайт), перша з яких в ході трансляції є сполученою з
аміноацил-тРНК, а друга — з пептидил-тРНК;
R
1
CH
NH
2
COOH + HO
P
O
O
OH
P
O
O
OH
P
O
OH
O Аденозин
R
1
CH
NH
2
CO P
O
O
OH
Аденозин + H
4
P
2
O
7
O
Аміноациладенілат
R
1
CH
NH
2
CO P
O
O
OH
Аденозин
O
P
O
O
OH
Аденозин
HO
Ф
Ф
Ф
Ц
ЦА
ОН
ОН
3`
2`
Аміноациладенілат
АМФ
тРНК
Ф Ф
Ф
Ц
Ц
А
ОН
3`
2`
OCO
HC
R
1
NH
2
Аміноацил-тРНК
305
Ãëàâà 21. Á³îñèíòåç á³ëê³â ó ðèáîñîìàõ
– мРНК, що має обов’язково 7-метилгуанозиновий “кеп” на 5'-кінці; мРНК
зв’язується з рибосомою таким чином, що напроти її п-ділянки розміщується
ініціюючий кодон — AUG, який відповідає, за таблицею генетичного коду, аміно-
кислоті метіоніну — ініціюючій амінокислоті (та взаємодіє з антикодоном мет-тРНК
i
);
– мет-тРНКi — особливий тип тРНК, що акцептує та поставляє в рибосому
(спочатку — на П-сайт) першу, ініціюючу, амінокислоту — метіонін (включення
метіоніну в середину пептидного ланцюга вимагає присутності іншої тРНК —
спеціальної тРНК
мет
); зв’язування мет-тРНКi з 40s-субодиницею рибосом вимагає
участі фактора ініціації eIF-2.
Таким чином, метіонін стає N-кінцевою амінокислотою для більшості еука-
ріотичних білків, його відщеплення з N-кінця можливе на стадії посттрансляційної
модифікації пептиду. У прокаріотів першою, ініціюючою, амінокислотою є
модифікований метіонін — формілметіонін, що надходить у рибосому у вигляді
формілметіоніл-тРНК;
– білкові фактори
ініціації (eIF-1, eIF-2,
eIF-3 тощо — всього на
даний час відомо до
десяти факторів ініціа-
ції); зокрема, утворення
цілісної 80s-рибосоми з
субодиниць та її стабілі-
зація вимагають присут-
ності факторів ініціації
eIF-3, eIF-4С та eIF-6;
– коферменти ГТФ
та АТФ , що забезпечу-
ють енергією різні ета-
пи ініціації.
Схему будови ініціюючого комплексу подано на рис. 21.4.
2. Елонгація поліпептидного ланцюга.
Суто елонгація полягає в утворенні пептидних зв’язків між амінокислотними
залишками, що зв’язані через відповідні тРНК з А- та П-ділянками транслюючої
рибосоми. Етапи елонгації схематично подано на рис. 21.5.
Передумовою початку елонгації є зв’язування з А-сайтом рибосоми (який на
даному етапі є вільним) 2-ї (в загальному випадку — (n + 1)-ї, рахуючи з N-кінця
пептиду, що синтезується) амінокислоти, сполученої з тРНК (рис. 21.5а). Ця
(n + 1)-ша амінокислота відповідає (за генетичним кодом) кодону мРНК, який
послідовно йде за ініціюючим (тобто AUG) кодоном.
Пептидилтрансферазна реакція
Утворення пептидного зв’язку між 1-ю (ініціюючою — метіоніном) та 2-ю
амінокислотою, що зв’язані через свої тРНК з П- та А-сайтами рибосоми, відповідно)
каталізується ферментом пептидилтрансферазою. Пептидилтрансферазна активність
пов’язана з 50s-субодиницею прокаріотів та 60s-cубодиницею еукаріотів.
Р-сайт
G
m
TP – 5`
3` (A)
n
A-сайт
Met
Рис. 21.4. Ініціюючий комплекс, що складається з двох субодиниць
рибосоми, м-РНК, мет-тРНК
i
, білкових факторів ініціації.
G
m
TP — 7-метилгуанозинтрифосфат (кеп); (A)
n
—
поліаденілатний хвіст мРНК.
306 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Ця ж пептидилтрансферазна
реакція реалізує і подальші етапи
елонгації, коли з П- та А-сайтами
рибосоми сполучені, відповідно,
пептидил-тРНК (містить “n” аміно-
кислотних залишків) та певна
наступна (“n + 1”) амінокислота.
У ході пептидилтрансферазної
реакції відбувається перенос пеп-
тидного фрагменту (що зв’язаний
через відповідну тРНК з П-сай-
том) на амінокислоту (що зв’яза-
на через тРНК з А-сайтом) таким
чином, що в результаті реакції но-
вий пептид, який утворився, стає
зв’язаним з А-сайтом рибосоми.
тРНК, що була первинно сполу-
чена з П-сайтом, вивільняється
(рис. 21.5б).
Реакція транслокації
Після утворення пептидного
зв’язку відбувається переміщен-
ня подовженого пептиду, сполу-
ченого з тРНК (пептидил-тРНК),
з А-сайту в П-сайт — процес
транслокації.
Водночас відбувається перемі-
щення рибосоми впродовж лан-
цюга мРНК вправо. У результаті
цього навпроти А-сайта рибосоми
розміщується новий (n + 2)-й кодон
мРНК, який відповідає наступ-
ній — (n + 2)-й амінокислоті, що у
вигляді тРНК-комплексу може
займати відповідне місце на рибо-
сомі (рис. 21.5в).
У транслокації бере участь
білковий фактор елонгації eEF-2.
Енергетичні потреби транслокації
забезпечуються ГТФ-азною реак-
цією розщеплення ГТФ до ГДФ.
3. Термінація трансляції.
Термінація трансляції відбувається, коли транслююча рибосома у своєму пере-
міщенні впродовж ланцюга мРНК досягає одного з термінуючих кодонів — UAA,
UAG або UGA.
Рис. 21.5. Процес елонгації пептидного ланцюга.
n-1
n
n-2
n-3
n-4
n
n+1
Р-сайт
G
m
TP – 5`
3` (A)
n
A-сайт
Пептидил-тРНК
n+1
n+1
n
n-1
n
n-2
n-3
n-4
n+1
n-1
n
n-2
n-3
n-4
n+1
n+1
n
n+1
n+2
n-1
n
n-2
n-3
n-4
n+1
G
m
TP – 5`
3` (A)
n
Кодон
3`
3`
5`
а
б
в
307
Ãëàâà 21. Á³îñèíòåç á³ëê³â ó ðèáîñîìàõ
Поява в А-сайті термінуючого кодону розпізнається білковими рилізинг-фак-
торами, які спричиняють гідроліз зв’язку між пептидом та молекулою тРНК, що
займає П-сайт рибосоми. У результаті цього процесу відбувається вивільнення пептиду,
що синтезувався, та дисоціація 80s-рибосоми на 40s- та 60s-субодиниці.
Посттрансляційна модифікація пептидних ланцюгів
Поліпептидний ланцюг, що є продуктом рибосомальної трансляції, набуває своїх
біологічних властивостей після утворення притаманної йому унікальної просторової
конформації білкової молекули, чому в багатьох випадках передує його пост-
трансляційна модифікація (процесинг).
Реакції посттрансляційної модифікації пептидів:
а) модифікація N-та С-кінців — видалення N-кінцевих формілметіоніну (у
прокаріотів) та метіоніну (у еукаріотів); ацетилювання N- та С-кінців;
б) модифікація гідроксильних, амінних та карбоксильних груп у бічних ради-
калах пептидів шляхом їх фосфорилювання, карбоксилювання, метилювання,
ацетилювання тощо;
в) приєднання до пептидів простетичних груп — вуглеводів (глікозилювання),
гему, коферментів (флавінових нуклеотидів, біотину, порфіринів тощо);
г) хімічна модифікація ковалентної основи амінокислотних залишків; прикладом
може бути перетворення у складі фактора ініціації еукаріотів eEF-2 залишку гістидину
в залишок незвичайної амінокислоти дифталаміду.
21.4. РЕГУЛЯЦІЯ ТРАНСЛЯЦІЇ. АНТИБІОТИКИ —
ІНГІБІТОРИ ТРАНСЛЯЦІЇ
Становлячи кінцевий етап багатоступене-
вого процесу генної експресії, рибосомальний
синтез поліпептидного ланцюга є об’єктом
контролю з боку регуляторних систем клітини
та впливу різних фізіологічно активних сполук.
Молекулярні механізми контролю
трансляції
Механізмом контролю процесів транс-
ляції в клітинах еукаріотів є ковалентна
модифікація білкового фактора ініціації
трансляції eIF-2, який може бути в дефосфо-
рильованій (активній) та фосфорильованій
(неактивній) формах.
Шляхом зворотного фосфорилювання —
дефосфорилювання фактора ініціації eIF-2 за
участю цАМФ-залежного регуляторного
каскаду відбувається контроль синтезу в ри-
босомах ретикулоцитів білкової частини
гемоглобіну — глобіну, залежно від адекват-
ного постачання простетичної групи — гему.
Регуляція здійснюється за такою схемою
(рис. 21.6):
Гем
C
2
+ R
2
– цАМФ
4
C
2
R
2
+ 4цАМФ
АТФ
АДФ
еIF-2-кіназа
(н/а)
еIF-2-кіназа
(а)
АТФ АДФ
еIF-2
(а)
еIF-2–
(н/а)
Р
+
+
–
Ініціація трансляції
глобіну
Рис. 21.6. цАМФ-залежна каскадна система
регуляції трансляції глобіну (а — ак-
тивні, н/а — неактивні форми відпо-
відних білків).
308 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
(1) в ініціації синтезу глобіну бере участь фактор ініціації eIF-2, який може
бути в дефосфорильованій (активній) та фосфорильованій (неактивній) формах;
(2) фосфорилювання
αα
αα
α-субодиниці фактора ініціації синтезу глобіну eIF-2
специфічною eIF-2-протеїнкіназою інактивує фактор і тим самим блокує процес
ініціації трансляції;
(3) активність eIF-2-кінази, що фосфорилює фактор eIF-2, контролюється
(також шляхом фосфорилювання-дефосфорилювання) іншою протеїнкіназою, яка
є цАМФ-залежною;
(4) у свою чергу, каталітична активність цАМФ-залежної протеїнкінази нега-
тивно контролюється гемом, який є інгібітором цієї кінази, що блокує вивільнення
її каталітичної субодиниці.
Механізм, що розглянутий, забезпечує взаємну координацію кількості гему та
глобіну: в умовах високої концентрації гему активність протеїнкінази, яка фосфо-
рилює фактор eIF-2, блокується, що призводить до накопичення дефосфорильо-
ваної, тобто активної молекулярної форми фактора ініціації і, відповідно, —
стимуляції синтезу глобіну; вичерпавши внутрішньоклітинний резерв гему,
рибосомальна система синтезу глобіну переходить у неактивний стан, і утворення
гемоглобіну гальмується.
Вплив фізіологічно активних сполук на процеси трансляції
Процеси рибосомальної трансляції, що складають кінцевий етап багато-
ступеневого процесу експресії генетичної інформації, є мішенню для дії багатьох
фізіологічно активних сполук, зокрема лікарських засобів і токсинів.
1. У клінічній практиці, а також в експериментальній біології і медицині,
знайшли широке застосування антибіотики, що є інгібіторами біосинтезу білка
у прокаріотичних та еукаріотичних організмів на різних етапах трансляції:
(1) інгібітори ініціації: стрептоміцин, ауринтрикарбоксилова кислота;
(2) інгібітори елонгації: аміцетин, хлорамфенікол, еритроміцин, циклогекси-
мід, пуроміцин, тетрацикліни;
(3) інгібітори термінації: анізоміцин, хлорамфенікол, еритроміцин, лінкоцин,
стрептоміцин.
Вплив деяких найбільш поширених антибіотиків на процес трансляції поданий
в таблиці 21.2:
Антибіотики, що є інгібіторами процесів трансляції у прокаріотів, застосову-
ються як антибактеріальні лікарські засоби в терапії інфекційних хвороб та інших
захворювань, що спричинені мікробним фактором.
Антибіотики, які інгібірують трансляцію в еукаріотичних клітинах вищих орга-
нізмів, зокрема ссавців, застосовуються як протипухлинні засоби. Гальмуючи
біосинтез білка в клітинах злоякісних пухлин, ці антибіотики спричиняють ре-
гресію росту пухлини.
2. Шляхом впливу на процес ініціації трансляції в еукаріотичних клітинах
реалізуються захисні ефекти інтерферонів — білків, що синтезуються в організмі
людини і тварин (в лімфоїдній та інших тканинах) і мають властивості противі-
русних антибіотиків та природних протипухлинних факторів.
Механізм антивірусної дії інтерферонів здійснюється за рахунок фосфорилю-
вання клітинних факторів ініціації eIF-2, що, як зазначено вище, можуть бути в
дефосфорильованій (активній) та фосфорильованій (неактивній) формах.
309
Ãëàâà 21. Á³îñèíòåç á³ëê³â ó ðèáîñîìàõ
Т а б л и ц я 21.2. Властивості антибіотиків — інгібіторів трансляції
Синтез інтерферонів стимулюється вірусами, що проникають у клітини організму
людини. В свою чергу, інтерферони індукують синтез протеїнкіназ, які фосфорилюють
фактори ініціації трансляції eIF-2, що, за розглянутою вище схемою, гальмує біосинтез
як вірусних білків, так і всіх білків клітини, в яку потрапив вірус. У результаті зазначеного
спричиняється загибель клітини макроорганізму, і тим самим запобігається
розмноження часточок віріонів.
Крім антивірусної дії, деякі інтерферони гальмують розмноження клітин зло-
якісних пухлин, у зв’язку з чим ці сполуки розглядаються як перспективні анти-
пухлинні засоби.
3. Потужним інгібітором трансляції в еукаріотів є дифтерійний токсин, що
виробляється клітинами Corinebacterium diphteriae і спричиняє небезпечну хворобу
дітей та дорослих, яка до введення специфічної імунізації призводила до високої
смертності хворих.
Токсин — це білок з молекулярною масою 61 кД, який після проникнення в
організм людини розщеплюється протеолітичним шляхом на два поліпептидні
ланцюги: активний А-фрагмент (м.м. 21 кД) та неактивний В-фрагмент (м.м. 40 кД).
Молекулярний механізм токсичної дії дифтерійного токсину полягає в каталітичній
активності А-фрагменту, який є ферментом АДФ-рибозилтрансферазою, що
переносить АДФ-рибозу з молекули НАД на фактор елонгації eEF-2:
НАД + eEF-2
eEF-2 - АДФ-рибоза + нікотинамід
Залишок АДФ-рибози сполучається з амінокислотним залишком дифталамідом
в молекулі фактора елонгації eEF-2, що призводить до втрати останнім його
властивості здійснювати процес транслокації пептидного залишку з А- на П-сайт
рибосоми (див. п. 21.3). Таким чином, процес елонгації трансляції в клітині блокується,
що призводить до загального припинення білкового синтезу.
А-фрагмент дифтерійного токсину є біологічним токсином з надзвичайно високою
летальною дією: однієї молекули цього пептиду достатньо для загибелі цілої клітини-
мішені, в яку він потрапив.
Антибіотик Чутливі організми Механізми дії
Стрептоміцин Прокаріоти Інгібірує ініціацію за рахунок протидії зв'язу-
ванню з рибосомою форміл-метіоніл-тРНК; крім
того, спричиняє правильне зчитування кодонів
мРНК
Тетрацикліни Прокаріоти Зв'язуються з 30s-субодиницею та гальмують
зв'язування з нею різних аміноацил-тРНК
Хлорамфенікол Прокаріоти Інгібірує пептидилтрансферазну активність 50s-
субодиниці рибосоми
Циклогексимід Еукаріоти Інгібірує пептидилтрансферазну активність 60s-
субодиниці рибосоми
Еритроміцин Прокаріоти Зв'язується з 50s-субодиницею та блокує процес
транслокації
Пуроміцин Прокаріоти, еукаріоти Спричиняє передчасну термінацію незрілого пеп-
тидного ланцюга за рахунок структурної подіб-
ності до аміноацил-тРНК
310 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
ГЛАВА 22. РЕГУЛЯЦІЯ ЕКСПРЕСІЇ ГЕНІВ.
ГЕНЕТИЧНІ РЕКОМБІНАЦІЇ
Регуляція експресії генів є одним із фундаментальних механізмів адаптації живих
організмів до умов навколишнього середовища, що змінюються. Враховуючи
принципово різний ступінь складності та молекулярної організації геному у
без’ядерних прокаріотів та вищих ядерних організмів — еукаріотів, механізми
експресії генів у них значно відмінні.
22.1. РЕГУЛЯЦІЯ ЕКСПРЕСІЇ ГЕНІВ У
ПРОКАРІОТІВ
Процес регуляції експресії генів у прокаріотів поля-
гає у специфічній взаємодії певних білкових регуляторів
з різними ділянками ДНК, що розміщені поряд із сайтами
ініціації транскрипції. Такі взаємодії супроводжуються
позитивним (індукуючим, активуючим) або негативним
(гальмуючим, репресивним) впливом на рівень транскрип-
ції, що, зрештою, впливає на швидкість синтезу відповід-
них ферментних та структурних білків.
Сучасна теорія регуляції експресії генів у прокаріотів
була запропонована в 1961 р. французькими дослідниками
Ф.Жакобом та Ж.Моно (F.Jacob, J.Monod) на підставі
вивчення механізмів регуляції процесів транскрипції у
E.Coli — улюбленого об’єкта молекулярної генетики.
Ф.Жакобом та Ж.Моно вивчалися молекулярно-гене-
тичні механізми контролю в клітинах E.Coli біосинтезу
ββ
ββ
β-галактозидази — ферменту, який розщеплює дисахарид
лактозу на поживні моносахариди глюкозу та галактозу,
що далі (переважно глюкоза) використовуються бакте-
ріями як джерело вуглецю та метаболічної енергії:
лактоза
глюкоза + галактоза
При достатньому постачанні бактеріальних клітин
глюкозою синтез
ββ
ββ
β-галактозидази практично не відбува-
ється, і в клітині міститься всього декілька молекул фер-
менту; після вичерпання глюкози як енергетичного субстрату
додавання в культуральне середовище лактози спричиняє
(індукує) різкий спалах синтезу
ββ
ββ
β-галактозидази та ще
двох ферментів, що беруть участь у метаболізмі лактози:
ββ
ββ
β-галактозидпермеази та
ββ
ββ
β-галактозидтрансацетилази.
Для пояснення механізмів контролю функції генів у
E.Coli, які відповідають за метаболізм в клітинах енерге-
тичного субстрату дисахариду лактози, Ф.Жакоб та Ж.Моно
Рис. 22.2. Моно (Monod)
Жак (1910-1976),
французький біо-
хімік та мікробіо-
лог, професор Па-
ризького ун-ту, Ко-
леж де Франс. Но-
белівська премія
(1965).
Рис. 22.1. Жакоб (Jakob) Фран-
суа (народ.1920 р.),
французький мікро-
біолог та генетик, про-
фесор кафедри гене-
тики клітини в Колеж
де Франс. Нобелівська
премія (1965).
311Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
висунули теорію оперона (operon — працюю,
дію; лат.), яка набула загальнобіологічного
значення як модель, що розкриває молеку-
лярні механізми індукції та репресії білкового
синтезу на етапі транскрипції.
Оперон — комплекс генетичних елемен-
тів, що відповідає за координований синтез
групи функціонально зв’язаних ферментних
білків. Так, зокрема, у разі Lac-оперона E.Coli
це — ферменти метаболізму лактози:
ββ
ββ
β-га-
лактозидаза,
ββ
ββ
β-галактозидпермеаза та
ββ
ββ
β-га-
лактозидтрансацетилаза; His-оперон
містить гени, що контролюють експресію
дев’яти ферментів, які каталізують синтез
необхідної для бактеріальної клітини аміно-
кислоти гістидину тощо.
До складу оперона входять (рис. 22.4):
(1) структурні гени
(Z,Y,A), що містять інфор-
мацію відносно первинної
структури поліпептидів,
які транскрибуються з да-
ного оперона; в Lac-оперо-
ні E.Coli — це гени зазна-
чених вище трьох фермен-
тів метаболізму лактози;
(2) контрольні сайти,
до яких належать:
а) промотор (p) — ділянка ДНК, що первинно взаємодіє з РНК-полімеразою;
в промоторах E.Coli міститься також особлива ділянка, з якою взаємодіє білок-
активатор катаболітних генів (САР-білок — catabolite gene activator protein, англ.),
що контролює зв’язування РНК-полімерази з промотором;
б) оператор (o) — ділянка ДНК, з якою може специфічно зв’язуватися білок-
репресор. Оператор безпосередньо прилягає до структурних генів, і його зв’язування
з репресором протидіє зчитуванню РНК-полімеразою інформації із структурних генів.
Регуляторний ген (I), експресія якого призводить до продукування білкових
регуляторів (репресорів), що блокують зчитування інформації із структурних генів
оперону, не розглядається як інтегральна складова останнього, оскільки він може
бути локалізований на певній відстані від оперону, функцію якого він контролює.
Схема діяльності Lac-оперону
Активність Lac-оперона є об’єктом подвійної — негативної та позитивної регуляції.
А. Репресія Lac-оперону.
У цьому стані синтез
ββ
ββ
β-галактозидази та інших ферментів метаболізму лактози
практично не відбувається — відповідні гени репресовані. Цей стан має місце в умовах
0 30 60 90
ββ
ββ
β-Галактозидаза (мкг)
2
Бактеріальний білок (мкг)
4
+ Індуктор
– Індуктор
Рис. 22.3. Індукція синтезу
ββ
ββ
β-галактозидази
у E.Coli в умовах внесення в інку-
баційне середовище лактози. Кон-
центрація бактеріального білка
(вісь абсцис) відображує актив-
ність поділу клітин у культурі.
Ген І
Ген Z Ген Y Ген A
Оператор (о)
Промотор (р)
Lac-оперон
Рис. 22.4. Схематична будова Lac-оперону E.Coli.
312 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
присутності достатньої кількості глюкози; оскільки глюкоза є катаболітом лактози,
стан гальмування синтезу ферментів метаболізму лактози в присутності глюкози
отримав назву стану катаболітної репресії, хоча насправді глюкоза не є безпосереднім
репресором, а впливає на синтез зазначених ферментів іншим, більш складним шляхом
(див. нижче).
Блокування
(репресія) струк-
турних генів Lac-
оперону здійс-
нюється за раху-
нок продукуван-
ня регуляторним
геном спеціаль-
ного білкового
репресора, який,
зв’язуючись із оператором (певною послідовністю нуклеотидів ДНК) блокує транс-
крипцію структурних генів РНК-полімеразою (рис. 22.5).
Зв’язування репресора (R) з оператором протидіє просуванню РНК-полімерази
впродовж оперону і транскрипції дистально розташованих структурних генів Z,Y,A.
Lac-репресор — це білок тетрамерної будови з м.м. 38 кД; сполучаючись з ДНК
операторного локусу, який локалізований між промотором (з яким первинно зв’язується
РНК-полімераза) та початком структурних генів, репресор протидіє зчитуванню
інформації з генів Z,Y,A.
За розглянутим механізмом здійснюється негативна регуляція функції Lac-оперону
E.Coli.
Б. Індукція Lac-оперону.
Це стан активного синтезу ферментів метаболізму лактози, що спостерігається за
умов вичерпання глюкози як енергетичного субстрату та внесення в культуральне
середовище лактози (рис. 22.3).
1. Одним із механізмів активованого синтезу ферментів метаболізму лактози в
умовах, що розглядаються, є безпосередня взаємодія індуктора (лактози або деяких її
структурних аналогів) з репресором (як вільним, цитоплазматичним, так і зв’язаним
з операторним локусом).
Зв’язування індуктора з Lac-репресором спричиняє конформаційні зміни в молекулі
останнього і втрату ним властивості взаємодіяти з ділянкою ДНК операторного локусу,
що розгальмовує транскрипцію із структурних генів — рис. 22.6.
Найбільш активним фізіологічним індуктором Lac-оперону є алолактоза —
дисахарид, що утворюється внутрішньоклітинно з лактози в реакції трансгліко-
зилювання; cинтетичним індуктором є сполука ізопропілтіогалактозид.
2. Крім залежності від зняття індуктором репресорного блока, синтез ферментів
Lac-оперону контролюється також особливим білком, що має назву білка-активатора
катаболітних генів (CAP). Встановлено, що зв’язування РНК-полімерази з промотором
і ініціація транскрипції можливі лише за умов утворення комплексу САР з циклічним
аденозинмонофосфатом (3',5'-цАМФ, сАМР) та сполучення цього комплексу з певною
ділянкою ДНК промотора (рис. 22.6).
Рис. 22.5. Механізм репресії Lac-оперону.
Оператор
Промотор
Ген І
Ген Z
Ген Y
Ген A
РНК-
полі-
мераза
R
313Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
Фізіологічне значення цього феномена полягає в можливості позитивного
контролю зчитування інформації із структурних генів Lac-оперону під впливом 3',5'-
цАМФ, концентрація якого в клітині, в свою чергу, визначається активністю
метаболізму глюкози. Активація аденілатциклази, що призводить до генерації 3',5'-
цАМФ, відбувається в умовах зменшення в культуральному середовищі джерел
вуглецю (глюкози або гліцеролу), що через утворення комплексу САР-сАМР стимулює
початок транскрипції РНК-полімеразою генів Z,Y,A.
Таким чином, при дії комплексу САР-сАМР реалізується механізм позитивної
регуляції експресії генів Lac-оперону.
22.2. ОСОБЛИВОСТІ МОЛЕКУЛЯРНОЇ ОРГАНІЗАЦІЇ ТА
ЕКСПРЕСІЇ ГЕНОМУ В ЕУКАРІОТІВ
Як свідчать дані сучасної біохімії і молекулярної біології, склад та субклітинна
архітектура еукаріотичної клітини суттєво відрізняються від прокаріотів: так, кількість
індивідуальних білків в організмі людини перевищує 50 000, порівняно з приблизно
3 000 різних білків у E.Coli. Відповідно, і геном ядерних організмів є більш складною
системою за своєю структурою та молекулярною організацією, порівняно з
прокаріотами, зокрема значна різниця існує в кількісних показниках і структурній
організації ДНК.
Відповідно до особливостей структурної організації геному, контроль експресії
генів у еукаріотів також значно складніший. Окрім механізмів, близьких до існуючих
у прокаріотів, в контролі генної експресії в еукаріотичних клітинах беруть участь
такі специфічні молекулярні процеси, що реалізують регуляторну дію на різних рівнях
генної експресії:
(1) на рівні структурної організації геному — регуляція здійснюється за рахунок
наявності специфічних послідовностей нуклеотидів, генних перебудов (рекомбінації
генів), ампліфікації генів;
(2) на рівні транскрипції — регуляторними механізмами є вплив сигналів
посилення та послаблення транскрипції (енхансерів та атенюаторів, відповідно),
постранскрипційна модифікація мРНК;
CAP-cAMP
Z
YA
i
R
Індуктор
β-галакто-
зидаза
Пермеаза
Ацетилаза
мРНК
Рис. 22. 6. Механізм індукції Lac-оперону. Присутність індуктора інактивує репресор, який втрачає
здатність до блокування гена-оператора; в разі інактивації репресора (а також за умов
сполучення промотору з комплексом САР-сАМР) РНК-полімераза починає транскрибувати
структурні гени.
314 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
(3) на рівні трансляції — основним механізмом регуляції є ковалентна модифі-
кація білкових факторів трансляції шляхом їх зворотного фосфорилювання —
дефосфорилювання.
Молекулярна організація ДНК еукаріотів
Гаплоїдний геном кожної клітини організму Homo sapiens
містить 3,5·10
9
пар азотистих основ і складається з 23 пар
хромосом (рис. 22.7), що є достатнім для утворення близько
1,5 млн. пар генів. Разом з тим, реально в організмі людини син-
тезується не більше 100 000 різних білків, тобто більша частина
ядерної ДНК, що складає геном людини, не транслюється в
амінокислотну послідовність білкових молекул.
Наявність (крім регуляторних і сигнальних нуклеотидних
послідовностей, присутніх також у прокаріотів) значної
кількості ділянок, що не транскрибуються, є специфічною
особливістю структури геному еукаріотичних клітин. Такі
“мовчазні” фрагменти геному отримали назву інтронів, на
відміну від екзонів — ділянок геному, які транскрибуються з
утворенням мРНК, що несуть інформацію для синтезу
специфічних клітинних білків.
Згідно з сучасними оцінками, тільки 2 % ДНК клітин
ссавців містять інформацію для кодування білків організму (L.Stryer, 1995).
Послідовності ДНК, що повторюються
Вивчення нуклеотидних послідовностей ДНК вищих організмів виявило, крім
унікальних за нуклеотидним складом послідовностей, розповсюдженість фрагментів,
що присутні, зокрема в ДНК ссавців, у вигляді багатьох копій — від 2 до 10
7
повторів
на клітину. В геномі людини повтори складають 20-30 % від його загальної довжини.
Залежно від кількості нуклеотидів і кратності їх повторення послідовності
нуклеотидів, що повторюються, підрозділяються на такі класи:
(а) високоповторні послідовності, які є ділянками з довжиною від 5 до 500 пар
нуклеотидів, розташованими один за одним (“тандемно”). Такі послідовності
утворюють кластери, що містять від 1 до 10 млн. копій і складають фракцію “сателітної
ДНК”. Ці високоповторні послідовності транскрипційно неактивні, і їх функціональну
роль остаточно не з’ясовано;
(б) помірноповторні послідовності, які мають не більше ніж 10
6
копій і не
утворюють тандемних кластерів, а чергуються з унікальними нуклеотидними
послідовностями (“дисперговані повтори”). Ці послідовності мають різну довжину і
можуть бути як короткими, так і довгими (в 5-7 тис. пар нуклеотидів).
Короткі дисперговані повтори — це фрагменти ДНК довжиною від одиниць
(декількох пар) до декількох сотень пар нуклеотидів. До цього класу належать
поширені в клітинах організму людини повтори сімейства Alu, які мають довжину
300 пар нуклеотидів і повторюються в кількості близько 500 000 копій, складаючи в
цілому 3-6 % від загального розміру геному гаплоїдної клітини. Ці повтори можуть
транскрибуватися у вигляді компонентів гяРНК та індивідуальних клітинних
РНК — 4,5s- і 7s-РНК.
Рис. 22.7. Будова 12-ї хро-
мосоми каріо-
типу людини
(× 27850).
315Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
За своєю нуклеотидною структурою повтори Alu близькі до кінцевих послідов-
ностей ретровірусів LTR і, ймовірно, мають з ними генетичний зв’язок. Вважають,
що ці послідовності є мобільними елементами геному, що здатні до транспозиції,
тобто вирізування і вбудови в різні ділянки геному.
Ядерний хроматин еукаріотів
Як уже зазначалося, структурною особливістю просторової будови ДНК еукаріотів
є її компактизація у вигляді суперспіралей, які, в комплексі з гістонами та негіс-
тоновими білками — НГБ (до їх складу входять регуляторні, структурні білки,
ферменти реплікації тощо) утворюють ядерний хроматин, що на етапі мітозу орга-
нізується у вигляді хроматинових тілець — хромосом.
У клітинах тварин та людини реплікація ДНК відбу-
вається тільки в певний період клітинного циклу —
S-фазу, яка відокремлена від мітозу (М) пресинте-
тичною (G
1
) та постсинтетичною (G
2
) фазами; фази S,
G
1
та G
2
складають “інтермітотичний період” — інтер-
фазу, G
0
— період репродуктивного спокою (рис. 22.8).
Контрольні механізми, що регулюють перехід клітини
з G
1
до S-фази залишаються недостатньо з’ясованими.
Разом з тим, пускові реакції, які визначають початок
мітозу, і полягають в зворотному фосфорилюванні
певних ядерних та цитоплазматичних білків, протягом останніх років в достатній
мірі розшифровані (див. нижче).
Нуклеосомна організація ядерного хроматину та біохімічні характеристики
гістонів були розглянуті в главі 3. В інтерфазному ядрі хроматин диференціюється на
транскрипційно активний хроматин (ТАХ), або “еухроматин” та транскрипційно
неактивний, репресований хроматин (РХ), або “гетерохроматин”. Ці два типи
хроматину розрізняють за біохімічними та морфологічними (електронно-мікро-
скопічними) характеристиками: ТАХ менш щільно компактизований, ніж РХ, його
нуклеосомна структура змінена, а в транскрипційно найбільш активних регіонах
взагалі відсутня.
Ковалентна модифікація гістонів та НГБ
Гістони та НГБ, що входять до складу нуклеосом хроматину, підлягають процесам
посттрансляційної ковалентної модифікації, яка змінює їх хімічні властивості, зокрема
здатність до взаємодії з певними ділянками ДНК, і може бути одним з біохімічних
механізмів контролю ступеня експресії певних генів.
До реакцій ковалентної модифікації білків ядерного хроматину належать їх
ацетилювання, фосфорилювання, метилювання, глікозилювання, АДФ-рибози-
лювання. Негістонові білки підлягають постсинтетичним модифікаціям в значно
більшому ступені, ніж гістони. Відповідні радикали (ацетильні, фосфорильні,
метильні, глікозильні, АДФ-рибозильні) сполучаються з боковими ланцюгами
амінокислотних залишків в поліпептидних ланцюгах гістонів та НГБ.
Слід визнати, що регуляторне значення в реалізації конкретних молекулярно-
генетичних процесів точно не встановлене ні для одного із зазначених шляхів
Рис. 22.8. Фази клітинного циклу.
316 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
ковалентної модифікації ядерних білків. Певні функціональні кореляції з актив-
ністю геному виявлені лише для реакцій ацетилювання та фосфорилювання.
Ацетилювання гістонів — процес, що починається вже в цитоплазмі (ацетилю-
вання N-кінцевого серину гістону Н4) і завершується в ядрі, де ацетилюються
переважно бокові радикали лізинових залишків, що призводить до зменшення
позитивного заряду гістонів і розрихлення комплексів гістон-ДНК у складі нуклео-
сом. Ацетилювання передує активації геному і зростанню швидкості транскрипції.
Фосфорилювання - дефосфорилювання білків хроматину (гідроксильних груп
залишків серину та треоніну) — клас реакцій, що відбуваються як у цитоплазмі
(безпосередньо після їх трансляції), так і в ядрі. Встановлено, що протягом різних
фаз клітинного циклу зворотно фосфорилюються як гістони (Н1, Н3), так і окремі
НГБ, проте для індивідуальних білків ці закономірності можуть бути різними.
Генетичні рекомбінації
Важливе місце в організації геному різних клітин посідають генні перебудови
(реаранжування — rearrangements, англ.), або генетичні рекомбінації (рекомбінації
генів), під якими розуміють обмін фрагментами ДНК між різними генами або
об’єднання генів з різних біологічних джерел з утворенням нових хромосомних
структур, здатних до реплікації і генетичної експресії (транскрипції та трансляції).
Генетичні рекомбінації мають місце в біологічних системах різного ступеня
складності — від вірусів і бактеріофагів до вищих еукаріотичних організмів.
Перебудови структури генів є рушійною силою мінливості і мають велике значення як
у формуванні біохімічної індивідуальності на рівні окремих особин в межах
біологічного виду, так і в утворенні видів у процесі еволюції.
Молекулярні механізми генетичних рекомбінацій складні і суттєво відрізняються
у різних організмів та при різних типах рекомбінацій. Вони включають у себе фермен-
тативні процеси “розрізання” молекул реципієнтних ДНК (за участю специфічних
ДНК-аз) та включення в молекулу ДНК чужорідних полінуклеотидних фрагментів з
іншої хромосоми, або з іншого ло-
кусу тієї ж хромосоми — так зва-
них транспозонів (transpose —
переміщати, англ.). Здатність
транспозонів бути вбудованими
в молекули інших ДНК залежить
від присутності на кінцях транс-
позонів особливих нуклеотидних
фрагментів — так званих інсер-
ційних послідовностей (insert —
вставляти, включати, англ.);
наступне зшивання фрагментів
ДНК-лігазами завершує процес
перенесення гена (рис. 22.9).
Локус вбудови
транспозону
+
Реципієнтна ДНК
Транспозон
Рекомбінанта
ДНК
IS IS
Рис. 22.9. Вбудова транспозону в реципієнтну ДНК. На
обох кінцях транспозону розміщені інсерційні
послідовності (IS-елементи).
317Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
Рекомбінації у прокаріотів
Рекомбінації є поширеним процесом у прокаріотичних організмів, завдяки якому
клітини останніх включають до складу свого геному фрагменти ДНК (генетичні
елементи) з інших клітин. До генетичних рекомбінацій у прокаріотів належать:
а) трансформація — процес включення в геном реципієнтного мікроорганізму
ДНК з донорної загиблої клітини того ж виду;
б) трансдукція — перенос бактеріофагом фрагмента ДНК інфікованої клітини в
склад геному іншого реципієнтного мікроорганізму;
в) кон’югація — процес статевого розмноження, що має місце у деяких видів
бактерій і полягає в перенесенні фрагмента ДНК з донорної (F
+
) до реципієнтної
(F
–
) клітини.
Рекомбінації в еукаріотів
У вищих організмів генетичні рекомбінації є важливим елементом утворення
гаплоїдних яйцеклітин та сперматозоїдів в процесі мейозу. Перед вступом клітин
до редукційного поділу гомологічні хромосоми обмінюються ділянками ДНК
(кросинговер), що є молекулярно-генетичним механізмом надбання нащадками
властивостей обох батьківських особин.
Рекомбінації генів імуноглобулінів
У зрілих особин процеси переміщення (транслокації, транспозиції) окремих
генів або груп генів в інше місце геному (в межах тієї ж хромосоми або в іншу
хромосому) мають місце в генах В-лімфоцитів, що кодують утворення імуногло-
булінів. Ці генетичні рекомбінації є механізмом, завдяки якому в організмі лю-
дини та тварин забезпечується синтез мільйонів різних антитіл у відповідь на
проникнення в організм чужорідних антигенів (глава 30).
Імуноглобуліни є білками тетрамерної будови, що складаються з чотирьох полі-
пептидних ланцюгів: двох H- (“важких”) ланцюгів та двох L- (“легких”) ланцюгів,
які є попарно однаковими. Розрізняють п’ять типів H-ланцюгів (
αα
αα
α — альфа,
γγ
γγ
γ —
гамма,
µµ
µµ
µ — мю,
δδ
δδ
δ — дельта,
εε
εε
ε — епсилон) та два типи L-ланцюгів (
κκ
κκ
κ — каппа та
λ λ
λ λ
λ —лямбда). Залежно від типу легкого та важкого ланцюгів, розрізняють п’ять
класів імуноглобулінів (IgG, IgA, IgM, IgD та IgE), у складі кожного з яких певний
тип H-ланцюга сполучається з одним із двох типів L-ланцюга.
У свою чергу, в кожному з H- та L-ланцюгів молекул імуноглобулінів можна
виділити окремі структурні домени: константні (С-) ділянки, що розміщуються з
С-кінців H- та L-ланцюгів і
характеризуються сталістю
амінокислотного складу в
різних класів імуноглобулінів
та варіабельні (V-) ділянки, що
розміщуються з N-кінців H-
та L-ланцюгів, і характеризу-
ються мінливістю амінокис-
лотного складу, утворюючи
конформації, комплементарні
детермінантним групам анти-
V
H
V
L
C
H
l
C
L
C
H
2
C
H
3
C
H
3
C
H
2
C
H
l
V
H
V
L
C
L
N
N
N
N
CC
S
S
SS
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
SS
S
S
SS
S
S
S
S
Рис. 22.10. Схема будови молекули імуноглобуліну.
318 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
генів, тобто забезпечуючи їх зв’язування з антитілами.
Саме завдяки наявності на кінцях L- та H-ланцюгів імуноглобулінів варіабельних
ділянок забезпечується можливість синтезу надзвичайно великої кількості
індивідуальних імуноглобулінів (антитіл) відповідно до надходження чужорідних
білкових молекул. У свою чергу, синтез такої значної кількості молекул з різною
первинною структурою визначається множинними рекомбінаціями генів, що кодують
окремі частини молекул імуноглобулінів.
Розглянемо основні закономірності генетичних рекомбінацій, що існують при
формуванні в зрілих лімфоцитах генів, які кодують синтез L- та H-ланцюгів
імуноглобулінів.
L-ланцюги — синтез легких ланцюгів відбувається за рахунок експресії трьох
сімейств генів, що утворюють варіабельний (V
L
), з’єднувальний (J
L
) та константний
(C
L
) сегменти; до того ж, зазначені три сімейства, що кодують синтез легких ланцюгів
типу каппа, локалізовані в 2-й хромосомі, ланцюгів типу лямбда — в 22-й хромосомі.
У гаплоїдному хромосомному наборі міститься близько 500 генів сімейства V
L
, 5-
6 генів типу J
L
та 10-20 генів типу C
L
. Ці генні сімейства локалізовані на відстані одне
від одного в різних ділянках хромосом (2-ї та 22-ї, відповідно) і зближуються між
собою в період утворення зрілого В-лімфоцита за рахунок перебудови (rearrangement)
ДНК і транслокації гена типу V
L
з дистальної ділянки хромосоми ближче до J
L
- та
C
L
-сегментів. За рахунок такої перебудови утворюється єдиний генний локус, що
має будову V
L(i)
J
L(i)
C
L(i)
і транскрибується у вигляді єдиної полі- цистронної мРНК-
попередника (первинного транскрипту), який після відповідного процесингу утворює
зрілу мРНК для легкого ланцюга імуноглобулінів.
H-ланцюги — синтез важких ланцюгів імуноглобулінів кодується генами чотирьох
сімейств, що утворюють V
H
-, D-, J
H
- та C
H
-сегменти у складі 14-ї хромосоми:
Генетичний локус, що кодує варіабельну ділянку важкого ланцюга, формується
за рахунок зближення генів із сімейств V
H
(250-350 генів), D (15-20 генів) та J
H
(4
гени). Генна детермінація синтезу цілісного важкого ланцюга відбувається за рахунок
взаємодії локусу будови V
H(i)
D
(i)
J
H(i)
(що кодує варіабільну ділянку) з одним з восьми
генів сімейства С
H
(що
кодують константну
ділянку).
Синтез лімфоцитами
імуноглобулінів певних
класів (G, A, M, D, E), що
розрізняються за типом
будови важкого ланцюга,
забезпечується за раху-
нок функціонування ме-
ханізму “переключення
J-segment genes (4)
V-segment genes (
~ 250)
D-segment genes (
~ 15)
Рис. 22.11. Генні сімейства, що утворюють Н-ланцюги імуноглобулінів (Stryer L., 1995).
V
1
V
2
V
3
. . .V
~350
D
1
D
2
D
3
. . .D
~20
J
1
J
2
J
3
J
4
C
α
C
γ
C
µ
C
δ
C
ε
Гени константних
ділянок
Гени варіабельних
ділянок
Повний ген
варіабельної
ділянки
Повний ген Н-ланцюга
V
i
D
i
J
i
V
i
D
i
J
i
C
i
319Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
класів важких імуноглобулінів”, який здійснюється шляхом фіксації в структурі геному
певного з обраних V
H
-генів з певним C
H
-геном. Такі генні перебудови і лежать в
основі синтезу важких ланцюгів імуноглобулінів під час диференціювання
ембріональних лімфоцитів (А.Я. Николаев, 1998).
Таким чином, завдяки можливостям утворення різних сполучень трьох генів сі-
мейств V
L
, J
L
та C
L
при синтезі легких ланцюгів та чотирьох генів сімейств V
H
, D, J
H
,
та C
H
при синтезі важких ланцюгів, в імунній системі формуються клони лімфоцитів
з різноманітною бібліотекою генів, які забезпечують експресію величезної кількості
імуноглобулінів (до 10
7
-10
8
) з різною антигенною специфічністю та функціональними
властивостями.
Ампліфікація генів
Ампліфікація генів — процес збіль-
шення кількості копій відповідних генів.
Молекулярною основою ампліфі-
кації є багаторазова (“вибухоподібна”)
ініціація синтезу ДНК (реплікації) в
тому ж самому реплікаційному сайті
(рис. 22.12).
Прикладами ампліфікації генів вищих організмів є:
(1) ампліфікація генів металотіонеїну — білка, що зв’язує токсичні для організмів
ссавців іони важких металів, зокрема ртуті, міді, цинку та кадмію. При надходженні
в організм зазначених іонів відбувається збільшення частоти транскрипції
металотіонеїнового гена в десятки разів, що є фізіологічним механізмом детоксикації
важких металів;
(2) ампліфікація гена дигідрофолатредуктази — ферменту, що перетворює
фолієву кислоту до її коферментних форм — дигідрофолатів, які є коферментами в
синтезі пуринів та тиміну.
Ампліфікація гена дигідрофолатредуктази і збільшення в сотні разів рівня синтезу
ферменту спостерігаються в умовах введення в організм онкологічних хворих
препарату метотрексату. В основі антипухлинної дії метотрексату лежить інгібіру-
вання активності дигідрофолатредуктази, що призводить до порушення синтезу
нуклеїнових кислот у клітинах злоякісних пухлин. Результатом такого активованого
синтезу ферменту внаслідок ампліфікації гена є втрата чутливості клітин-мішеней
до протипухлинного лікарського засобу.
Ланцюгова полімеразна реакція
Явище ампліфікації генів набуло важливого практичного застосування в методі ланцюгової полімеразної реакції
(ЛПР), що був запропонований в 1983 р. американським дослідником К.Мюллісом (K.Mullis), і дістав поширення
в сучасних біомедичних дослідженнях.
Метод ЛПР дозволяє отримати в чистому вигляді і в значній кількості (достатній для проведення досліджень)
певні фрагменти (послідовності) ДНК складного геному людини та ідентифікувати їх за нуклеотидним складом.
Принцип методу полягає в застосуванні РНК-праймерів, специфічних до певних ділянок ДНК, що аналізується,
та подальшому використанні ДНК-полімерази, яка здатна реплікувати нуклеотидні послідовності в обох комплемен-
тарних ланцюгах, утворюючи значну кількість копій саме досліджуваного полінуклеотидного фрагмента. Ампліфі-
ковані фрагменти ДНК виділяють з реакційного середовища і досліджують за допомогою існуючих біохімічних методів.
За допомогою ЛПР здійснюється так звана “ДНК-діагностика”, тобто аналіз певних послідовностей ДНК в клітинах
людини, що має першорядне значення в діагностиці спадкових хвороб, виявленні присутності в організмі людини
певних вірусів (в тому числі ВІЛ), ідентифікації особистості. Так, зокрема, саме за цим методом був здійснений
судово-медичний аналіз залишків царської сім’ї та ідентифіковані залишки тіла російського царя Миколи II.
Рис. 22.12. Схема процесу ампліфікації генів.
320 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Регуляція експресії генів еукаріотів на рівні транскрипції
Гени вищих організмів мають розвинену систему сигналів регуляції транскрипції,
які не лише вказують на місце початку синтезу РНК, а й регулюють його активність.
До складу системи транскрипційних сигналів у еукаріотів входять:
(1) промотори, специфічні для різних РНК-полімераз, але такі, що мають спільну
нуклеотидну послідовність (TATA...), яка гомологічна блоку Прибнова у прокаріотів;
з цим нуклеотидним блоком взаємодіє РНК-полімераза II;
(2) специфічні послідовності матричної ДНК, які підсилюють або послаблюють
рівень експресії структурних генів, впливаючи на активність транскрипції, тобто на
кількість молекул мРНК, що синтезуються, та швидкість їх утворення — “енхансерні”
(підсилювальні), “аттенюаторні” (послаблювальні), “сайленсерні” (заглушувальні),
“адапторні” елементи геному.
Енхансери
Найбільш вивченими на даний час є активуючі елементи системи регуляції
транскрипції — позитивні регулятори енхансери (enhancers — посилювачі, англ.).
Енхансери — це ділянки ДНК, які можуть складатися з нуклеотидних послідов-
ностей (довжиною в декілька десятків пар азотистих основ — “модулей”, або
”мотивів” — motifs, англ.), що тандемно повторюються.
Енхансери збільшують ефективність транскрипції генів, на які вони впливають,
в десятки і сотні разів. Встановлені нуклеотидні послідовності енхансерів для багатьох
ферментних білків (хімотрипсину, алкогольдегідрогенази тощо), гормонів (інсуліну,
плацентарного лактогену людини), імуноглобулінів.
Енхансери здатні впливати на активність відповідних генів навіть за умов від-
даленості від їх промоторів на декілька тисяч азотистих основ. Активуюча дія
енхансерів опосередкована регуляторними білками (див. нижче), що взаємодіють з
ними і можуть впливати на траскрипцію віддалених ділянок ДНК. Разом з тим, при
взаємодії з певними білковими факторами деякі енхансери можуть отримувати якості
негативних регуляторів — сайленсерів (заглушувачів — англ.), що гальмують
експресію відповідних генів.
(3) численні регуляторні білки, що є компонентами системи транскрипційних
сигналів, контролюючи активність синтезу мРНК різних класів. На даний час виділені
білки, що здатні до специфічної дії з певними енхансерами. Ці білки можуть
взаємодіяти з регуляторними послідовностями ДНК, що розташовані на відстані в
декілька тисяч азотистих основ від сайтів взаємодії з РНК-полімеразою та ініціації
транскрипції. Вважають, що такий дистантний вплив регуляторних білків реалізується
за рахунок змін у просторовій конформації ланцюгів ДНК і утворення внутрішніх
петель, що зближають регуляторні елементи геному з ділянками, які транскрибуються.
В адаптації організму вищих тварин до умов середовища, що змінюються, важливу
участь беруть стероїдні гормони кори наднирникових залоз. Встановлено, що дія
цих фізіологічно активних сполук опосередкована специфічними білками —
рецепторами, які в комплексі з гормонами взаємодіють з певними енхансерними
ділянками геному, активуючи транскрипцію ДНК з певних генів.
321Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
Регуляція експресії генів еукаріотів на рівні трансляції
Механізмом регуляції біосинтезу білка на рівні трансляції є ковалентна моди-
фікація білкових факторів трансляції шляхом зворотного фосфорилювання —
дефосфорилювання за участю цАМФ-залежного регуляторного каскаду клітини.
Контроль трансляції шляхом фосфорилювання (інактивації) та дефосфорилювання
(активації) фактора ініціації трансляції eIF-2 (на прикладі регуляції синтезу гемогло-
біну) був розглянутий в главі 21.
Контроль вступу клітин до мітозу
Реплікація ДНК у еукаріотів відбувається протягом S-фази клітинного циклу, а
мітоз, тобто розподіл подвоєного хромосомного матеріалу між дочірніми клітинами,
починається тільки після підготовчої G
2
-фази. Вступу в М-фазу передує складна
перебудова клітинної архітектури, що полягає в конденсації хроматину, розщепленні
ядерної мембрани, реорганізації цитоскелета з формуванням мітотичного веретена
тощо.
Ключовою подією в переході клітини до М-фази є активація специфічної
протеїнкінази (сdc2-білка), яка, після взаємодії з білком цикліном утворює ката-
літично активний комплекс, що фосфорилює численні клітинні білки, необхідні
для реалізації мітотичного процесу.
Послідовність біохімічних реакцій включення мітозу є такою:
1. Утворення комплексу кінази cdc2 з цикліном.
Cdc2-кіназа — фермент з м.м. 34 кД; назва походить від гена, що кодує цей білок —
cell-division-cycle gene (ген клітинного поділу — англ.).
Циклін — білок з м.м. 45 кД, концентрація якого поступово зростає протягом
інтерфази і різко падає в кінці мітозу.
2. Фосфорилювання cdc2-кінази, що знаходиться в комплексі з цикліном;
фосфорилювання відбувається за залишками Tyr-15 та Thr-161 ферменту. Двічі
фосфорильована кіназа є неактивною, але готовою до включення своєї каталітичної
активності.
3. Дефосфорилювання в молекулі cdc2-кінази залишку Tyr-15 з утворенням
молекулярної форми ферменту, що фосфорильована тільки за Thr-161 і є каталітично
активною.
Це дефосфорилювання спричиняється специфічною протеїнфосфатазою (білком
cdc25) і є пусковою реакцією у всьому каскаді біохімічних реакцій, що реалізують
перехід клітини до М-фази. Активація cdc25-фосфатази починається після завершення
синтезу ДНК і відбувається протягом усього часу підготовки клітини до мітозу.
4. Каталітично активна cdc2-кіназа спричиняє фосфорилювання клітинних
білків, які беруть участь у запуску мітотичної фази: ламінінів ядерної мембрани,
що призводить до її розщеплення; білків мікротрубочок, що формують мітотичне
веретено; Н1-гістонів, фосфорилювання яких веде до конденсації ядерного хроматину.
Викликає значний інтерес, що cdc2-кіназа включає ферментативний механізм,
який призводить до обмеження її власної каталітичної активності і, як наслідок,
виключення мітозу.
Обмеження активності cdc2-кінази досягається за рахунок розщеплення зв’я-
заного з нею цикліну. Молекулярний комплекс “циклін — монофоcфорильована
322 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
(за Thr-161) cdc2-кіназа” є субстра-
том для взаємодії з убіквітином
(ubiquitin — англ.) — низькомоле-
кулярним (8,5 кД) протеїном, що є
універсальним лігандом для “мічен-
ня” білків, які підлягають подальшій
деструкції під дією протеаз. Спо-
лучення убіквітину з комплексом
“циклін-cdc2-кіназа” призводить до
обмеженого протеолізу цикліну і
припинення клітинних реакцій, що
реалізують процес мітозу.
Реакції біохімічного циклу, який
контролює вступ еукаріотичної клі-
тини у фазу мітозу, подані на схемі
(рис. 22.13).
22.3. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ МУТАЦІЙ. РЕПАРАЦІЯ ДНК
Мутації — зміни спадкових властивостей внаслідок кількісних та якісних змін у
генотипі організму. В процесі реплікації ДНК мутації передаються від клітини до
клітини і від покоління до покоління.
Разом з генетичними рекомбінаціями (див. вище), мутації складають основу
спадкової мінливості живих організмів. Мутації можуть бути спричиненими певними
природними — спонтанні мутації або штучними факторами — індуковані мутації.
За характером змін у структурі генетичного апарату організму мутації поділяють на:
(1) геномні мутації — такі, що полягають у змінах кількості повного набору
хромосом або окремих хромосом у диплоїдному наборі; такі мутації спричиняють
найбільш поширені та важкі форми хромосомних хвороб людини;
(2) хромосомні мутації — мутації, що пов’язані із структурними змінами певних
хромосом (хромосомні аберації) внаслідок переміщення, втрати або дуплікації
окремих фрагментів хромосомної ДНК. Розрізняють такі типи хромосомних мутацій:
транспозиції — перенесення фрагмента ДНК в іншу ділянку тієї ж хромосоми;
транслокації — перенесення ділянки однієї хромосоми на іншу, негомологічну їй,
хромосому;
інверсії — зміна в певній ділянці хромосоми послідовності генів (азотистих основ)
на іншу, зворотну послідовність;
делеції — випадіння певних ділянок хромосоми (фрагментів ДНК);
дуплікації — подвоєння певних ділянок хромосом.
(3) генні (точкові) мутації — зміни в структурі геному, що полягають в пору-
шеннях послідовності азотистих основ (нуклеотидів), які складають первинну
структуру ДНК. Генні мутації поділяють на такі типи:
Рис. 22.13. Схема активації білків ініціації мітозу комп-
лексом cdc-2-кінази (Е) з цикліном (С).
C
E
C
E
C
E
C
E
C
2АТФ
2АДТ
OH
OH
P
P
1
P
P
OH
OH
OH
P
i
323Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
а) заміни нуклеотидів — найбільш поширені генні мутації, до яких належать такі
субтипи, як:
транзиції — заміна однієї пуринової основи на пуринову або піримідинової на
піримідинову;
трансверзії — заміна одного типу азотистих основ на інший, тобто пурину на
піримідин або навпаки;
б) випадіння (делеції) в ланцюгу ДНК однієї або декількох азотистих основ (і
відповідних нуклеотидів);
в) вставки (вбудовування) в ланцюг ДНК додаткових азотистих основ (однієї або
більшої кількості).
Генні мутації, якщо вони не репаровані спеціальними ферментними системами
клітини, призводять до припинення синтезу білка, що кодується відповідним геном,
або до утворення білка із зміненою, “неправильною” первинною структурою.
Агенти, що спричиняють мутації (мутагени)
Мутації (найчастіше генні мутації) виникають внаслідок пошкоджень, спри-
чинених несприятливою дією на геном хімічних, фізичних та біологічних факторів
навколишнього середовища, або похибок у функціонуванні ДНК-полімераз на етапі
реплікації ДНК.
Найбільш поширеними мутагенами є:
(1) аналоги азотистих основ — сполуки, що заміщують нормальні азотисті основи
в полідезоксирибонуклеотидному ланцюгу. Найбільш поширеними речовинами цього
класу є 5-бромурацил та 2-амінопурин;
(2) хімічні мутагени — сполуки, що призводять до змін ковалентної структури
нормальних азотистих основ; до найпоширеніших хімічних мутагенів належать:
а) дезамінуючі агенти — азотиста кислота (HNO
2
) та речовини, що в процесі
метаболізму можуть перетворюватися на нітрити, зокрема органічні сполуки —
нітрозаміни. Під дією азотистої кислоти відбувається дезамінування цитозину (з
утворенням урацилу), аденіну і гуаніну (з утворенням гіпоксантину та ксантину,
відповідно). Заміна одного нуклеотиду в ланцюгу ДНК супроводжується зміною
змісту певного кодону (місенс-мутація) та синтезу білка із зміненою амінокислотною
послідовністю. Вважають, що за рахунок мутації такого типу виникли аномальні
форми гемоглобінів із зміненою первинною структурою в
ββ
ββ
β-ланцюгах;
б) алкілюючі агенти — сполуки, що призводять до метилювання (в загальному
випадку — алкілювання) звичайних азотистих основ. До алкілюючих агентів нале-
жать: алкілсульфонати (диметилсульфонат, етилметансульфонат тощо), азотисті та
сірчанисті біс-(
ββ
ββ
β-хлоретил)аміни (іприти), алкілнітрозаміни тощо; багато з цих сполук
мають протипухлинну (антибластомну) активність і застосовуються в клінічній та
експериментальній онкології;
(3) ультрафіолетове (УФ-) та іонізуюче опромінення — фізичні фактори, висока
мутагенна активність яких пояснюється вільно-радикальною деструкцією азотистих
основ ДНК з утворенням їх аналогів із зміненою хімічною будовою.
324 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
Поширеною мутацією, що спостерігається
при дії УФ-випромінення є утворення кова-
лентних зв’язків між сусідніми (розташованими
в одному ланцюгу) залишками тиміну. Такі
тимінові димери протидіють нормальному про-
суванню ДНК-полімераз в ході реплікації і син-
тез ДНК припиняється.
Механізми репарації ДНК
Ус і живі організми на Землі підлягають постійній дії фізичних мутагенних
факторів, зокрема опроміненню УФ-променями (з довжиною хвилі 200-400 нм), що
складають значну частину сонячного спектра, та іонізуючою радіацією, джерелом
якої є космічне випромінення та радіоактивні ізотопи радію, плутонію, вуглецю тощо,
що містяться в неорганічних об’єктах навколишнього середовища. За оцінками
фахівців, вплив УФ- та іонізуючого опромінення є відповідальним за приблизно 10 %
усіх пошкоджень ДНК, що спричиняються небіологічними факторами. Наступним
важливим компонентом мутагенного впливу навколишнього середовища на геном
живих організмів є дія численних хімічних сполук, зокрема речовин чужорідного
походження — ксенобіотиків, які постійно впливають на ядерну генетичну ДНК. Як
і в разі дії розглянутих фізичних чинників, механізм ушкоджуючої дії хімічних
мутагенів значною мірою залежить від утворення в клітині вільних радикалів кисню
та води, що спричиняють зміни в ковалентній структурі азотистих основ ДНК
(Ю.І.Губский, 1993).
Вплив на геном живих організмів розглянутих фізичних та хімічних чинників
супроводжується нестабільністю ДНК, що зазнає постійних точкових мутацій,
найчастішими з яких є відщеплення пуринових основ (депуринізація ДНК), дезамі-
нування цитозину та депіримідинізація. У зв’язку із зазначеним, в еволюції живих
організмів виникли спеціальні молекулярні механізми, що протидіють постійним
ушкодженням молекул ДНК та репарують зміни в молекулярній будові ДНК, що вже
відбулися.
1. Репарація пошкоджень, спричинених УФ-опроміненням.
Пошкодження ДНК, спричинені УФ-променями, найбільш часто спостерігаються
в бактеріальних клітинах та в незахищеній від сонячного опромінення шкірі людини.
Відновлення нормальної структури ДНК, порушеної утворенням димерів тиміну,
реалізується шляхом дії механізмів, позначених на рис. 22.14 (етапи I-IV):
I. Розщеплення (“розрізання”) ланцюга ДНК “зліва” (в напрямку →5') від димера
і відведення вбік вільного кінця, що містить тиміновий димер; реакція каталізується
особливим ферментом — УФ-специфічною ендонуклеазою.
II. Формування полідезоксирибонуклеотидної “латки” на фрагмент ділянки ДНК,
що містить димер; реакція каталізується ДНК-полімеразою (у прокаріотів — ДНК-
полімеразою I) і полягає в приєднанні мононуклеотидів до вільного 3'-кінця
“розрізаного” ланцюга ДНК в напрямку 5'→3'.
HN
C
N
C
C
C
O
O
CH
3
H
C
C
N
C
NH
C
O
O
CH
3
H
. . . – Пентоза – Ф – Петноза – . . .
Димер тиміну в ланцюгу ДНК.
325Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
III. Відщеплення пошкодженої (такої, що містить
тиміновий димер) ділянки ДНК (у прокаріотів — за
рахунок 5'→3' єкзонуклеазної активності ДНК-
полімерази I).
IV. “Зшивання” 3'-кінця новосинтезованої “латки”
з 5'-кінцем розрізаного основного ланцюга ДНК.
Порушення ферментативного процесу репарації
УФ-індукованих пошкоджень ДНК призводить у
людини до важкого спадкового захворювання —
пігментної ксеродерми (рис. 22.15)
Пігментна ксеродерма успадковується як авто-
сомальна рецесивна хвороба; при цій патології
шкіра пацієнтів є надзвичайно чутливою до пошко-
джуючої дії сонячного світла, яке може спричи-
няти розвиток раку шкіри. Найбільш поширена
форма пігментної ксеродерми зумовлена спадко-
вим порушенням синтезу УФ-специфічної ендонук-
леази, що призводить до порушення всього меха-
нізму репарації ДНК.
2. Репарація дезамінування цитозину.
Дезамінування цитозину (2-окси-4-амінопіри-
мідину) призводить до утворення урацилу (2,4-
діоксипіримідину) — реакція, що спонтанно про-
ходить у водних розчинах цитозину. В результаті
цього процесу (заміни C на U) в комплементарно-
му ланцюгу ДНК при реплікації також відбувається
заміна відповідної пуринової основи (замість гуа-
ніну включається аденін). У кінцевому підсумку
дочірня дволанцюгова ДНК в тому положенні, де
повинна була б бути пара G-C буде містити пару
A-T, тобто відбудеться мутація типу заміни. Репа-
рація такої мутації включає в себе:
а) видалення з ланцюга ДНК “неправильної” основи за рахунок відщеплення
урацилу урацил-ДНК-глікозидазою. Фермент гідролітичним шляхом розриває N-
глікозидний зв’язок між азотистою основою (урацилом) та дезоксирибозою, утво-
рюючи пентозо-фосфатний ланцюг без азотистої основи. За аналогічним механіз-
мом діють і інші ДНК-глікозидази, що формує апіримідинові та апуринові ділянки
в пошкодженій молекулі ДНК;
б) розщеплення ендонуклеазою 3',5'-фосфодіефірного зв’язку “зліва” від депі-
римідинізованого пентозофосфатного залишку;
в) вбудова “правильної” азотистої основи (в даному випадку — цитозину) на
місце видаленої основи за рахунок дії ДНК-полімерази;
г) зшивання розриву в ланцюгу ДНК-лігазою.
3`
3`
3`
3`
3`
5`
5`
5`
5`
5`
5`
3`
I
II
III
IV
3`
Рис. 22.14. Схема репарації фраг-
мента ДНК з тиміновим
димером.
Рис. 22.15. Пігментна ксеродер-
ма — сублетальне
спадкове захворюван-
ня шкіри (A. Muntzing,
1967).
326 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
22.4. ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ. РЕКОМБІНАНТНІ ДНК
Рекомбінації генів, що були розглянуті вище, є природним процесом, який
реалізується in vivo і є біологічним механізмом, спрямованим на збільшення
різноманітності генетичного матеріалу в клітинах різних організмів.
Генна інженерія, або технологія рекомбінантних ДНК — науково-практичний
напрямок сучасної біомедичної науки, основою методології якого є виділення з
клітин індивідуальної ДНК та спрямоване маніпулювання з її молекулами, зокрема
отримання молекулярних химер, тобто молекул, сформованих із фрагментів ДНК
різних біологічних видів.
Біомедичне значення методів генної інженерії
Біотехнологічні методи генної інженерії мають на меті:
1) отримання нових генотипів (та фенотипів) організмів шляхом транспланта-
ції гена одного організму в генотип іншого. Конкретними досягненнями цього
біотехнологічного напрямку є створення химерних форм мікроорганізмів, що
містять в собі гени, які спроможні спрямовувати синтез корисних для людини
білкових продуктів, зокрема лікарських засобів (інтерферонів, гормонів
(інсуліну тощо), ферментів, імунобіологічних препаратів (зокрема, вакцини проти
вірусу гепатиту В) тощо;
2) застосування “генних трансплантацій” для лікування спадкових хвороб
людини та тварин — генна терапія. Цей напрямок біотехнологічних досліджень
знаходиться на початку свого розвитку і обіцяє в майбутньому створити принци-
пово нові медичні технології терапії практично невиліковних в наш час спадко-
вих хвороб та значної кількості найбільш поширених хвороб, у патогенезі яких
певне місце займають спадкові фактори (атеросклероз, цукровий діабет, нервово-
психічні хвороби тощо). Такий підхід був уже реалізований у терапії спадкового
гіпогонадизму у мишей, в запліднену яйцеклітину яких був імплантований ген
гонадоліберину.
Технологія трансплантації генів:
1) отримання в чистому вигляді, тобто у формі ізольованого фрагмента ДНК, гена
з певними властивостями (тобто такого, що кодує синтез необхідного ферменту,
гормону тощо);
2) конструювання рекомбінантної (гібридної, химерної) молекули ДНК;
3) введення рекомбінантної ДНК всередину реципієнтної бактеріальної клітини
(тобто такої, в якій буде здійснюватися реплікація, клонування необхідного гена);
4) клонування рекобінантної ДНК.
1. Отримання необхідного гена.
Отримання гена (молекули ДНК), що буде підлягати реплікації (клонуванню) з
виходом значної кількості реплік, може бути здійснено такими методами:
– хімічним синтезом гена (можливо тільки для коротких генів, що складаються з
декількох десятків азотистих основ);
– виділенням необхідного гена (фрагмента ДНК) з цілісного геному клітини
(проблема утруднена у зв’язку із значною складністю геномів еукаріотів, у складі
яких значна кількість інтронів та повторів, які не транскрибуються — див. вище);
327Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
– конструюванням на мРНК (що кодує синтез білка, який бажано отримати в
результаті біотехнологічної процедури) комплементарної відносно неї ДНК (кДНК).
Цей метод потребує застосування зворотної транскриптази — ферменту, що
присутній в деяких РНК-вмісних вірусах і забезпечує синтез ДНК на РНК матриці
згідно з рівнянням реакції:
РНК-матриця
n (дНТФ)
ДНК + n (ФФ
н
)
Метод широко використовується для отримання кДНК і включає в себе виділення
з тотальної мРНК тканини мРНК, що кодує трансляцію певного білка (наприклад,
інтерферону, інсуліну) з подальшим синтезом на цій мРНК як на матриці необхідної
кДНК за допомогою зворотної транскриптази.
2. Конструювання рекомбінантної ДНК.
Ген, що був отриманий за допомогою вищерозглянутої процедури (кДНК),
необхідно ввести в бактеріальну клітину таким чином, щоб він інтегрувався в її геном.
Для цього формують рекомбінантну ДНК, що складається з кДНК та особливої
молекули ДНК, яка править за провідник, або вектор, здатний до проникнення в
реципієнтну клітину.
У ролі векторів для кДНК застосовують віруси або плазміди. Плазміди — це
невеличкі кільцеві молекули ДНК, які розташовані окремо від нуклеоїду бактеріальної
клітини (зокрема, E.Coli), містять у своєму складі декілька важливих для функції
всієї клітини генів (наприклад, гени стійкості до антибіотиків) і можуть реплікуватися
незалежно від основного геному (ДНК) клітини. Біологічно важливими і практично
корисними для генної інженерії властивостями плазмід є їх здатність до переходу з
однієї клітини в іншу за механізмом трансформації або кон’югації, а також
спроможність включатися в бактеріальну хромосому та реплікуватися разом з нею.
Для конструювання рекомбінантної ДНК як кільцеву ДНК плазміди, так і лінійну
кДНК розщеплюють за допомогою високоспецифічних до певних нуклеотидних
послідовностей ендонуклеаз — так званих рестриктаз.
Рестриктази (рестрикційні ендонуклеази) — ферменти, присутність яких в бактеріальній клітині “обмежує”
(restriction — обмеження, англ.) можливість розмноження в них певних бактеріофагів за рахунок розщеплення
рестриктазами фагових ДНК. Наз-
ви рестриктаз грунтуються на наз-
вах штамів бактерій, з яких їх виді-
ляють: наприклад, рестриктази
Eco RI та Eco RII походять з R-шта-
му E.Coli, рестриктаза Bam HI —
з H-штаму мікроорганізму Bacillus
amiloliquefaciens.
Рестриктази (яких на даний
час відомо більше 200 типів) роз-
щеплюють дволанцюгову ДНК
лише в ділянках певних нуклео-
тидних послідовностей (звичайно,
довжиною в 4-7 азотистих основ,
які мають структуру паліндромів),
що дозволяє використовувати ці
ендонуклеази для “розрізання”
молекул ДНК в суворо визначених
. . .
AACTGGAATTCGTTA
. . .
. . .
TTGACCTTAAGCAAT
. . .
. . . AACTGG
. . . TTGACCTTAA
AATTCGTTA . . .
GCAAT . . .
+
EcoRI
Паліндром, що
розпізнається
рестриктазою
Фрагменти ДНК з “липкими ” кінцями.
EcoRI
328 Ðîçä³ë IV. Ìîëåêóëÿðí³ ìåõàí³çìè ñïàäêîâîñò³
сайтах. Наприклад, рестриктаза
Eco RI гідролізує зв’язки між G
та A в таких послідовностях:
...GAATTC...
...CTTAAG...
Розщеплення рестриктазою
G-A - зв’язків у зазначених сайтах
дволанцюгової ДНК, як видно із
наведеної нижче схеми, супро-
воджується утворенням в моле-
кулі “кінців, що стирчать”.
Одноланцюгові кінці моле-
кули ДНК, “що стирчать”, нази-
вать також “липкими” кінцями,
оскільки вони є ділянками не-
спарених нуклеотидів, що можуть
легко сполучатися з комплемен-
тарними їм полінуклеотидними
ланцюгами:
Розщеплення ДНК
плазміди та кДНК (гена)
специфічними рестрик-
тазами призводить до
утворення розрізаних в
певних сайтах молекул
ДНК з “липкими” кін-
цями. При взаємодії in vitro “розрізаних” плазміди та гена їх полінуклеотидні ланцюги,
що складають “липкі” кінці, взаємодіють із утворенням водневих зв’язків між комп-
лементарними основами, як це зображено вище. Застосування ДНК-лігази, яка
утворює 3'-5'-фосфодіефірні зв’язки між кінцевими нуклеотидами, призводить до
“зшивання” плазміди та гена і завершує утворення рекомбінантної ДНК (рис. 22.16):
Кільцева
плазмідна
ДНК
Рестриктаза
Eco RI
Лінійна молекула плазмідної
ДНК з липкими кінцями
ДНК-
лігаза
Утворення рекомбінантної
молекули ДНК
Фрагмент ДНК людини
Рестриктаза
Eco RI
ДНК людини
А
Т
Т
А
А
Т
Т
А
А
А
Т
Т
Т
Т
А
А
А
А
Т
Т
Т
Т
А
А
Т
Т
А
А
А
Т
Т
А
А
А
А
Т
Т
Т
Т
А
Рис. 22.16. Схема утворення рекомбінантної ДНК з плазміди та фрагмента ДНК людини.
А
АТ
Т
ТТАА
Формування
рекомбінантних ДНК
Рекомбінантні
ДНК
ДНК
1
ДНК
2
Утворення фрагментів з
“липкими” кінцями
ДНК
2
ДНК
1
329Ãëàâà 22. Ðåãóëÿö³ÿ åêñïðåñ³¿ ãåí³â. Ãåíåòè÷í³ ðåêîìá³íàö³¿
3. Введення рекомбінантної ДНК всередину реципієнтної клітини та кло-
нування необхідного гена.
Рекомбінантні ДНК, що складаються з плазмідної ДНК та ДНК гена, що транс-
плантується (наприклад, гена, який кодує синтез певного білка організму людини)
при взаємодії з бактеріальними клітинами (що є нормальними хазяїнами для даної
плазміди), можуть проникати всередину останніх.
Усередині клітини хазяїна відбувається реплікація (клонування) рекомбінант-
ної ДНК з утворенням багатьох тисяч копій. У подальшому ці клоновані ДНК
виходять з бактеріальної клітини, і з них можливо (знову ж таки за допомогою
рестриктаз) виділити велику кількість копій шуканого гена.
У наш час для клонування генів, крім бактерій, використовують клітини
дріжджів, грибів, рослин і навіть вищих тварин. За технологією, що розглянута,
здійснено генно-інженерний синтез інтерферону людини, людських інсуліну,
гормону росту, соматостатину, активатора плазміногену, білкових препаратів для
діагностики СНІДу тощо.
330
Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
Розділ V. ГОРМОНИ В СИСТЕМІ МІЖКЛІТИННОЇ
ІНТЕГРАЦІЇ ФУНКЦІЙ ОРГАНІЗМУ
ГЛАВА 23. ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЯЦІЯ
МЕТАБОЛІЗМУ ТА БІОЛОГІЧНИХ ФУНКЦІЙ КЛІТИНИ
I. БІОХІМІЧНІ СИСТЕМИ ВНУТРІШНЬОКЛІТИННОЇ
ТРАНСДУКЦІЇ ГОРМОНАЛЬНИХ СИГНАЛІВ
Визначальною особливістю багатоклітинних організмів є диференціація клітин
з утворенням тканинних структур та органів, що виконують спеціалізовані фізіо-
логічні функції, які забезпечують виживання цілісної особини. Координація клі-
тинних та тканинних реакцій на зміни умов внутрішнього та зовнішнього сере-
довища забезпечується механізмами міжклітинних комунікацій. У процесі еволю-
ції вищих тваринних організмів було сформовано дві фізіолого-біохімічні системи,
що забезпечують зв’язок та координацію між окремими клітинними угрупован-
нями: нервова система, що функціонує шляхом електрохімічного проведення
сигналів, та ендокринна, дія якої реалізується за рахунок секреції і транспор-
тування специфічних гуморальних факторів дистантної дії — гормонів.
23.1. ГОРМОНИ ТА БІОРЕГУЛЯТОРИ:
ВИЗНАЧЕННЯ, КЛАСИФІКАЦІЯ
Гормони — фізіологічно активні сполуки (ФАС),
біорегулятори, що продукуються залозами внутрішньої
секреції (ендокринними залозами) або іншими спеціалізо-
ваними клітинами і діють як регулятори метаболічних
процесів та фізіологічних функцій в організмі. Біологічні
ефекти гормонів здійснюються в надзвичайно низьких
концентраціях — 10
-11
-10
-6
моль/л.
Вперше термін гормон (hormao — збуджую, стимулюю, грецьк.) був
запропонований у 1905 р. Е.Старлінгом для позначення секретину —
гуморального фактора, що продукується дванадцятипалою кишкою і збуджує
екзокринну секрецію підшлункової залози. В подальшому термін був поширений
стосовно фізіологічно активних сполук, які виробляються в спеціалізованих
залозах внутрішньої секреції.
Класи гормонів та інших біорегуляторів
Гормони, що синтезуються в ендокринних залозах
(“справжні”, істинні гормони), секретуються в кров’яне рус-
ло і після перенесення спеціалізованими транспортними
Рис. 23.1. Старлінг (Star-
ling) Ернест Г.
(1866-1927),
англійський фі-
зіолог, біохімік.
Професор фізіо-
логії Лондонсь-
кого ун-ту. Один із
засновників вчен-
ня про гормони.
331
Ãëàâà 23.
Á³îõ³ì³÷í³ ñèñòåìè âíóòð³øíüîêë³òèííî¿ òðàíñäóêö³¿
білками здійснюють свої біологічні ефекти, як правило, на відстані, тобто діють на
віддалений чутливий орган або органи.
До “справжніх” гормонів належать:
– гормони гіпоталамуса та гіпофіза;
– гормони щитовидної залози;
– гормони паращитовидної залози;
– гормони ендокринних клітин підшлункової залози;
– гормони коркової частини наднирникових залоз;
– гормони чоловічих та жіночих статевих залоз;
– гормони епіфіза.
Близькі за біологічними функціями до гормонів фізіологічно активні сполуки,
що є гуморальними регуляторними факторами неендокринного 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, нервовій системі, нирках, міокарді тощо, і
мають назву гормоноподібних сполук (гормоноїдів), або тканинних гормонів (гістогор-
монів). На відміну від “справжніх” гормонів, що характеризуються дистантністю
дії, гістогормони можуть справляти свій регулювальний вплив на чутливі до них
клітини-мішені на місці свого утворення (“ізокринна”, місцева дія).
Загальною рисою у біорегуляторів різного походження є їх інформаційна функція,
спрямована на контроль, регуляцію, модуляцію метаболічних і фізіологічних функцій
чутливих біоструктур (інформони, інформофери).
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);
– гастроінтестинальні гормони;
– пептиди кінінової системи;
– натрійуретичні пептиди серця та мозку.
Хімічна структура гормонів
За хімічною будовою всі гормони поділяють на такі класи:
(1) білково-пептидні гормони (прості білки; глікопротеїни; пептиди): гіпоталамо-
гіпофізарні гормони; гормони паращитовидної залози; гормони острівкової частини
підшлункової залози; гастроінтестинальні гормони; нейропептиди; численні тканинні
біорегулятори пептидної природи;
(2) гормони — похідні амінокислот: гормони щитовидної залози; гормоноїди
мозкової частини наднирникових залоз (катехоламіни); інші нейромедіатори з
властивостями гістогормонів (серотонін, дофамін, гістамін); гормон епіфіза —
мелатонін;
(3) гормони стероїдної природи: глюкокортикоїди та мінералокортикоїди кори
наднирникових залоз; чоловічі та жіночі статеві гормони; похідні вітаміну D;
(4) біорегулятори — похідні арахідонової кислоти (ейкозаноїди): простагландини,
простацикліни, тромбоксани, лейкотрієни.
332
Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
Синтез гормонів здійснюється в спеціалізованих клітинах (“справжніх” гормо-
нів — у залозах внутрішньої секреції). Багато гормонів продукуються первісно у
вигляді біологічних попередників — препрогормонів та прогормонів, які посту-
пово трансформуються в біологічно активний гормон. У разі білково-пептидних
гормонів така активація здійснюється шляхом посттрансляційної модифікації
(процесингу) за механізмом обмеженого протеолізу первинних продуктів рибо-
сомальної трансляції.
Мішені гормональної дії
Реалізація фізіологічного ефекту гормонів та
інших біорегуляторів здійснюється в клітинах-
(тканинах-, органах-)-мішенях.
Мішені (клітини, тканини, органи), або гор-
монокомпетентні структури — чутливі до
гормону біоструктури, які вибірково відповіда-
ють на взаємодію з гормоном специфічною фі-
зіологічною та біохімічною реакцією; відповідно
до ступеня впливу гормону на їх біологічні влас-
тивості, виділяють гормонозалежні та гормо-
ночутливі клітини (рис. 23.2).
Прикладами гормонозалежних структур є тка-
нини периферійних ендокринних залоз (щито-
видної, кори наднирникових злоз) відносно дії тропних гормонів гіпофіза (ТТГ та
АКТГ, відповідно) або клітини чоловічої та жіночої статевої сфери стосовно при-
сутності та ефектів відповідних статевих гормонів. Гормоночутливими є клітини
органів, що реагують на дію інсуліну, який контролює в 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 гормо-
ном або хімічно близькими до нього сполуками. З іншого боку, взаємодія з рецеп-
тором відбувається за рахунок певного домену молекули гормону — “активного
центру”, що за молекулярною будовою, конформацією є комплементарним
відповідному сайту рецептора.
23.2. МОЛЕКУЛЯРНО-КЛІТИННІ МЕХАНІЗМИ ДІЇ
ПЕПТИДНИХ ГОРМОНІВ ТА БІОГЕННИХ АМІНІВ
Гормони здійснюють свої ефекти відносно контролю метаболічних процесів у
клітинах-мішенях шляхом комплексування із специфічними рецепторами —
білковими молекулами, які взаємодіють з біорегулятором з утворенням ліганд-
рецепторних комплексів і здійснюють трансформацію хімічного гормонального
сигналу у відповідну, генетично запрограмовану для даного типу клітин, реакцію
ефекторних систем.
Залежно від клітинної локалізації рецептора, характеру його взаємодії з гормоном
та механізмами реалізації гормонального сигналу, всі гормони поділяють на дві великі
групи:
1
23
Г
Рис. 23.2. Типи реакцій клітин на дію
гормонів (В.Б.Розен, 1984):
1— гормонозалежні кліти-
ни-мішені; 2 — гормоночут-
ливі клітини-мішені; 3 —
клітини-немішені.
333
Ãëàâà 23.
Á³îõ³ì³÷í³ ñèñòåìè âíóòð³øíüîêë³òèííî¿ òðàíñäóêö³¿
1. Гормони, що не проникають всередину клітин і взаємодіють зі своїми рецеп-
торами, локалізованими в плазматичних мембранах клітини; до цієї групи належить
більшість гормонів білково-пептидної природи та похідні амінокислот.
2. Гормони, які для реалізації своєї специфічної дії проникають всередину клітин,
де вони взаємодіють з внутрішньоклітинними цито-
зольними (в деяких випадках — ядерними) рецеп-
торами; до цієї групи належать ліпофільні стероїди,
а також тиреоїдні гормони.
Гормони першої групи здійснюють трансформа-
цію регуляторного сигналу в специфічну функціо-
нальну активність клітини-мішені за рахунок таких
молекулярних подій (рис. 23.3):
(1) взаємодії гормону на поверхні плазматичної
мембрани з білковим рецептором;
(2) передачі хімічного сигналу з рецептора,
модифікованого за рахунок взаємодії з лігандом
(гормоном, іншим біорегулятором), через
трансформуючі білки-трансдуктори (G-білки) на
внутрішньоклітинні сигнальні системи;
(3) утворення (або вивільнення) внутрішньоклі-
тинних сигнальних молекул — вторинних посеред-
ників (циклічних нуклеотидів цАМФ, цГМФ, фосфо-
інозитидів, іонів Са
2+
);
(4) взаємодії вторинних посередників з фермент-
ними білками клітини з включенням (як правило,
через активацію специфічних протеїнкіназ) ефектор-
них систем клітини, тобто послідовних стадій розвит-
ку клітинної біохімічної реакції на гормональний
стимул.
Рецептори білково-пептидних гормонів та нейромедіаторів
Рецептори для фізіологічно активних сполук — гормонів та інших біорегуля-
торів — поділяють на два класи, що розрізняються за своєю молекулярною
організацією та послідовністю біохімічних реакцій, які включаються після
взаємодії ФАС із специфічними рецепторними білками:
1) рецептори I класу — іонотропні рецептори — такі, що в результаті взаємо-
дії з ФАС спричиняють відкриття іонних каналів на плазматичній мембрані і
генерують розвиток надзвичайно швидких (мілісекундних) іонних струмів (Са
2+
,
Nа
+
, К
+
, Сl
–
). Фізіологічними лігандами для іонотропних рецепторів є нейротранс-
міттери (ацетилхолін, адреналін, медіаторні амінокислоти тощо), що локалізовані
в синапсах нейронів і в нервово-м’язових пластинках.
2) рецептори II класу — метаботропні рецептори — такі, що після взаємодії
з ФАС призводять до активації біохімічних ефекторних систем клітини через
трансдукуючий G-білок. Реакція ефекторних систем клітини на дію сполук, що
взаємодіють з метаботропними рецепторами, є більш повільною і розвивається
Гормон
(біорегулятор)
Рецептори
Трансдуктори
Сигнальні системи
клітини (вторинні
месенджери)
Протеїнкінази
Ефекторні біохімічні
системи клітини
Рис. 23.3. Послідовність трансфор-
мації гормонального (біо-
регуляторного) сигналу в
реакцію ефекторних сис-
тем клітини через внут-
рішньоклітинні сигнальні
системи.
334
Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
протягом декількох секунд. Фізіологічними лігандами метаботропних рецепторів
є гормони й інші біорегулятори білково-пептидної природи та біогенні аміни —
похідні амінокислот (адреналін, дофамін, серотонін, гістамін); до метаботропних
належать також м-холінорецептори нейромедіатора ацетилхоліну.
Молекулярна організація
метаботропних рецепторів
Метаботропні рецептори для гормонів є біл-
ковими молекулами (в деяких випадках — гліко-
протеїнами), поліпептидний ланцюг яких про-
низує товщу мембрани з утворенням, як правило,
семи трансмембранних спіральних сегментів
(петель); N-кінець рецепторного поліпептиду
розташований в енкстрацелюлярному просторі
і може бути глікозильованим, С-кінець — за-
нурений у цитозоль.
Білки-трансдуктори та вторинні месенджери
Система трансдукції хімічного сигналу, що
його сприймає клітина від біорегулятора,
включає взаємодію модифікованого гормон-
рецепторного комплексу з білками-трансдукто-
рами, які здійснюють трансформацію та по-
дальшу передачу регуляторного сигналу.
Білки-трансдуктори — G-білки (або N-
білки) — внутрішньомембранні білки, які
сприймають хімічний сигнал від рецептора, модифікованого за рахунок взаємодії
з гормоном або медіатором, та спричиняють зміни функціональної активності
ефекторних систем клітини. За молекулярною будовою G-білки є тримерами,
що складаються з трьох субодиниць (
αα
αα
α,
ββ
ββ
β,
γ γ
γ γ
γ);
αα
αα
α-субодиниця має ГТФ-азну ак-
тивність — активація G-білка при взаємодії з модифікованим рецептором та
передача регуляторного сигналу на каталітичну субодиницю ферменту аденілат-
циклази супроводжується гідролізом ГТФ до ГДФ та Ф
н
.
LXL
I клас
рецепторів
II клас
рецепторів
L
R
G
E
ГТФ
Рис. 23.4. Іонотропні (I клас) та метаботропні (II) рецептори ФАС. Позначення: L — ліганд (біорегу-
лятор); X — іон; R — рецептор; G — білок-трансдуктор; E — ефекторна молекула
(В.Б.Долго-Сабуров та ін., 1989).
Рис. 23.5. Структура метаботропного
рецептора біорегуляторів (на прикладі
м-холінорецептора ацетилхоліну).
335
Ãëàâà 23.
Á³îõ³ì³÷í³ ñèñòåìè âíóòð³øíüîêë³òèííî¿ òðàíñäóêö³¿
Існує декілька типів G-білків:
G
s
-білки (стимулюючі) — такі, що активують аденілатциклазу — фермент, що
утворює головний вторинний посередник — цАМФ;
G
i
-білки (інгібіруючі) — такі, що інгібірують аденілатциклазу;
G
q
- білки — такі, що активують фосфоліпазу С — фермент, який спричиняє
активацію фосфоінозитидного циклу — ферментної системи, яка призводить до
збільшення концентрації Са
2+
в цитозолі за рахунок його вивільнення з внутріш-
ньоклітинних депо.
Вторинні месенджери
Сигнал на подальше включення каскаду біохімічних реакцій передається
вторинними посередниками, або месенджерами (messenger — посланець, вісник,
англ.) — біомолекулами, що передають інформацію від гормону (первинного
месенджеру) на ефекторні системи клітини.
До вторинних месенджерів належать: циклічні нуклеотиди — циклічний
аденозинмонофосфат (3',5'-АМФ; цАМФ) і циклічний гуанозинмонофосфат
(3',5'-ГМФ, цГМФ), фосфоінозитиди та іони Са
2+
.
Зростання внутрішньоклітинної (цитозольної) концентрації зазначених вторинних
посередників здійснюється шляхом:
(1) активації аденілатциклази, що утворює циклічний АМФ;
(2) активації гуанілатциклази, що утворює циклічний ГМФ;
(3) активації фосфоліпази С, що призводить до включення фосфоінозитидного
каскаду — механізму мобілізації внутрішньоклітинного Са
2+
;
(4) надходження Са
2+
з екстрацелюлярного простору за рахунок відкриття
кальцієвих каналів на плазматичній мембрані (механізм, більш притаманний
іонотропним рецепторам).
Протеїнкінази та ефекторні системи клітини
Основними тригерами, що включають ефекторні системи клітини у відповідь на
дію гормонів, є ферменти протеїнкінази, дія яких призводить до зміни каталітичної
активності певних регуляторних ферментів шляхом їх ковалентної модифікації (АТФ-
залежного фосфорилювання) — див. главу 7.
Таким чином, ефекторними механізмами, які реалізують трансформацію гормо-
нального (регуляторного сигналу) через систему вторинних посередників у послідов-
ність специфічних біохімічних реакцій клітини, є:
(1) цАМФ-залежне фосфорилювання ферментних білків (здійснюється через
цАМФ-залежні протеїнкінази);
(2) цГМФ-залежне фосфорилювання ферментних білків (здійснюється через
цГМФ-залежні протеїнкінази);
(3) Са
2+
/кальмодулінзалежне фосфорилювання ферментних білків (здійснюється
Са/кальмодулін-залежними протеїнкіназами);
(4) Са
2+
/фосфоліпідзалежне фосфорилювання ферментних білків (здійснюється
Cа/фосфоліпідзалежними протеїнкіназами);
(5) фосфорилювання ферментних білків через тирозинзалежні кінази; на відміну
від вищезазначених протеїнкіназ, що фосфорилюють у ферментних білках залишки
336
Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
серину або треоніну; цей особливий клас кіназ фосфорилює залишки тирозину.
Даний тип активації ферментних білків (реалізується при дії на клітини інсуліну, епідер-
мального, тромбоцитарного та інших факторів росту) не потребує наявності вто-
ринних посередників і здійснюється безпосередньо в результаті взаємодії біоре-
гулятора з мембранним рецептором.
Розглянемо детальніше основні з ефекторних механізмів, які реалізуються при
дії на клітини гормонів першої групи.
цАМФ та аденілатциклаза
Циклічний аденозинмонофосфат (3',5'-АМФ;
цАМФ) був відкритий американським дослідником
Е.Сазерлендом при вивченні біохімічних механізмів
глікогенолізу в печінці та м’язах, що стимулюється
адреналіном і глюкагоном. Подальші дослідження
встановили універсальність цАМФ як вторинного
посередника в передачі сигналів фізіологічно ак-
тивних сполук на клітину.
Утворення цАМФ з АТФ відбувається при дії мемб-
ранної аденілатциклази:
АТФ
3',5'-АМФ + ФФ
н
,
його розщеплення з утворенням неактивного про-
дукту — нециклічного аденозин-5'-монофосфату —
при дії фосфодіестерази циклічних нуклеотидів:
3',5'-АМФ АМФ.
Взаємодія цАМФ з цАМФ-
залежною протеїнкіназою —
кіназою А з подальшим фос-
форилюванням ключових
ферментних та структурних
білків є внутрішньоклітинною
молекулярною подією, що
дозволяє цьому месенджеру
виконувати функцію унікаль-
ного посередника в гормо-
нальному контролі клітинних
функцій.
До гормонів, що викори-
стовують цАМФ як вторинний посередник, належать: адреналін, вазопресин,
глюкагон, гонадотропін хоріонічний, дофамін (при взаємодії з D
1
-рецепторами),
кальцитонін, кортикотропін, ліпотропін, лютеїнізуючий гормон, меланоцито-
стимулюючий гормон, норадреналін (при взаємодії з
ββ
ββ
β-рецепторами), тиротроп-
ний гормон, фолікулостимулюючий гормон.
Рис. 23.6. Сазерленд (Sutherland)
Ерл У. (1915-1974), аме-
риканський біохімік,
фармаколог. Встановив
будову та роль цАМФ
у передачі гормональ-
ного сигналу. Нобе-
лівська премія (1971).
БА
Структурна формула (А) і молекулярна модель (Б)
циклічного 3',5'-АМФ.
N
N
N
N
NH
2
CH
2
H
O
OH
O
O
PO
OH
337
Ãëàâà 23.
Á³îõ³ì³÷í³ ñèñòåìè âíóòð³øíüîêë³òèííî¿ òðàíñäóêö³¿
Поряд з гормонами та медіаторами, що
активують аденілатциклазну каскадну сис-
тему (діють через трансдуктор G
s
), існує
певна група біорегуляторів, що гальмують
аденілатциклазу і зменшують внутрішньо-
клітинний рівень цАМФ (діють через G
i
-
білок). До біорегуляторів, що інгібірують
аденілатциклазу, належать: ангіотензин II,
ацетилхолін (при взаємодії з м-холінорецеп-
торами), дофамін (при взаємодії з D
2
-ре-
цепторами), норадреналін (при взаємодії з
αα
αα
α
2
-адренорецепторами), опіоїдні пептиди,
соматостатин.
Загальну схему передачі гормональних
сигналів на аденілатциклазну систему через
трандуктори G
s
та G
i
подано на рис. 23.7.
Са
2+
як внутрішньоклітинний ме-
сенджер та система фосфоінозитидів
Іони кальцію — еволюційно прадавні
внутрішньоклітинні месенджери та регуля-
тори багатьох ферментних систем і фізіоло-
гічних функцій клітин, зокрема клітинного
росту, поділу клітин, скорочення м’язових
та інших скоротливих білків, згортання крові, секреції гормонів та нейромедіаторів,
передачі нервового імпульсу тощо.
Регуляторна функція Са
2+
(передавання сигналу від гормону, медіатора та акти-
вація ефекторних біохімічних систем) здійснюється шляхом зростання внутрішньо-
клітинної (цитозольної) концентрації іона (звичайно, від 10
–8
-10
–9
до 10
–6
М). Це
значне зростання концентрації вільного Са
2+
здійснюється шляхом включення
зовнішньоклітинним біорегулятором одного з таких механізмів:
— відкриття кальцієвих каналів (рецепторчутливих каналів) на плазматичній
мембрані і входу в клітину екстрацелюлярного Са
2+
(механізм, що реалізується зде-
більшого при взаємодії нейромедіаторів з іонотропними рецепторами);
— виходу іонів кальцію в цитозоль з його внутрішніх депо — мітохондрій та
цистерн (канальців) ендоплазматичного (саркоплазматичного) ретикулума (мобі-
лізація кальцію з внутрішніх депо); включення цього механізму потребує стимуляції
гормоном чи іншим біорегулятором фосфоінозитидної системи, інтермедіати якої і
спричиняють вихід кальцію з органел.
Перехід клітини із стану активації до функціонального спокою відбувається в
результаті зменшення цитозольної концентрації кальцію до вихідної, що
забезпечується “викачуванням” Са
2+
з цитозолі в екстрацелюлярний простір та
“закачуванням” іона у внутрішньоклітинні депо. Цей процес є енергозалежним
транспортом проти градієнта концентрації і досягається за рахунок функціонування
Са
2+
-АТФаз плазматичних мембран та мембран внутрішньоклітинних органел.
H
1
H
2
+
–
R
s
R
1
АЦ
+
–
G
s
G
1
GTP
АTP
GDP
GTP
GDP
cАMP
R
C
Кіназа
Білки
Рис. 23.7. Схема гормональної регуляції клі-
тинних функцій через аденілат-
циклазну систему. Позначення: H —
гормон; R — рецептор; G — транс-
дуктор.
338
Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
Кальмодулін
Універсальним акцептором
хімічного регуляторного сиг-
налу від іонів Са
2+
є кальмодулін
(КМ) — білок з молекулярною
масою близько 17 кД, який
може зв’язувати чотири іони
кальцію:
Специфічне зв’язування
Са
2+
з молекулою КМ призво-
дить до змін конформації білка,
який набуває властивості вза-
ємодіяти з чутливими до КМ
білками, в тому числі протеїн-
кіназами (Са/КМ-залежними
протеїнкіназами), які регулю-
ють функції багатьох важливих
ферментів, збільшуючи їх ката-
літичну активність (табл. 23.1).
Т а б л и ц я 23.1. Ферменти, що регулюються комплексом Са/КМ
Фосфоінозитидна система та мобілізація Са
2+
Встановлення біологічної ролі деяких фосфоінозитидів як агентів, що
спричиняють вихід іонів Са
2+
з внутрішньоклітинних резервуарів, відкрило
додаткову сигнальну систему, що пов’язує гормонорецепторну взаємодію на
плазматичній мембрані із стимуляцією біохімічних ефекторних систем клітини.
Головною подією у включенні фосфоінозитидного циклу (каскаду, системи)
є активація ферменту фосфоліпази С, яка відбувається в результаті взаємодії
деяких екзогенних біорегуляторів з мембранними рецепторами та подальшої
передачі хімічного сигналу через трансдукторний G
q
-білок. Субстратом фосфо-
ліпази С є мембранний фосфоліпід фосфатидил-інозитол-4,5-дифосфат (ФІФ
2
),
що в цій реакції розщеплюється до інозитол-1,4,5-трифосфату (ІФ
3
) та 1,2-ді-
ацилгліцеролу (ДАГ).
Подальші метаболічні перетворення ІФ
3
та ДАГ призводять до ресинтезу
фосфатидил-інозитол-4,5-дифосфату (ФІФ
2
), тобто замикання фосфоінозитид-
ного циклу (рис. 23.8).
II
III
IV
I
Ca
Ca
Ca
Ca
COOH
115
–NH–Ac
Будова кальмодуліну з головного мозку. I-IV — сайти
зв’язування Са
2+
.
Назва ферменту
Аденілатциклаза
Гуанілатциклаза
Фосфодіестераза циклічних нуклеотидів
Са
2+
,Mg
2+
-АТФаза
Глікогенсинтаза
Гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназа
Кіназа фосфорилази b
Піруваткарбоксилаза
Піруватдегідрогеназа
Піруваткіназа
Фосфоліпаза А
2
339
Ãëàâà 23.
Á³îõ³ì³÷í³ ñèñòåìè âíóòð³øíüîêë³òèííî¿ òðàíñäóêö³¿
Продукти реакції, яка каталі-
зується гормоночутливою фос-
фоліпазою С — ІФ
3
та ДАГ, є
внутрішньоклітинними месен-
джерами:
– ІФ
3
спричиняє вихід у
цитозоль іонів Са
2+
, депонова-
них в ендоплазматичному рети-
кулумі, і збільшення концент-
рації іона в цитозолі. Вивіль-
нення Са
2+
з ендоплазматичного
(або, в гладеньких м’язах, —
саркоплазматичного ретикулу-
ма) зумовлене відкриттям при
дії ІФ
3
мембранних каналів для
кальцію, що локалізовані в
зазначених ультраструктурних
утвореннях, і є важливим меха-
нізмом тонкої фізіологічної
регуляції рівня іонізованого
цитозольного кальцію.
– ДАГ є активатором Cа/
фосфоліпідзалежної протеїн-
кінази (протеїнкінази С) —
ферменту, каталітична актив-
ність якого проявляється за умов
P
P
HO
OH
P
H
2
O
O
HO
OH
O
PO
–
O
–
O
P
–
O
–
O
O
–
OH
OH
O
PO
–
O
O
–
R
C
O
O
R'
C
O
C
H
O
CH
2
OH
H
2
C
1
5
4
1
4
5
ФІФ
2
Фосфоліпаза С
ДАГ
ІФ
3
Рис. 23.8. Фосфоінозитидний цикл.
P
P
P
IP
3
P
P
IP
2
P
IP
1
інозитид
P
P
P
РIP
2
АТФ
АДФ
P
P
РIP
АТФ
АДФ
P
Р
і
С
OH
АТФ
АДФ
діацил-
гліцерол
P
ЦТФ
2Р
і
P
ЦМФ
фосфатидна
кислота
R
G
E
H
340
Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
взаємодії з іонами Са
2+
та фосфоліпідом фосфатидилсерином. Протеїнкіназа С
є ферментом, що виявлений практично у всіх клітинах організмів вищих тварин,
за виключенням зрілих без’ядерних еритроцитів; найбільша кількість ферменту
знаходиться в головному мозку, селезінці, клітинах лейкозів людини. Згідно з
сучасними уявленнями, протеїнкіназа С активує (шляхом фосфорилювання за
залишками серину та треоніну) клітинні білки, що визначають швидкість процесів
клітинної проліферації, нормального та пухлинного тканинного росту, реакцію
клітин на ростостимулюючі фізіологічно активні сполуки та онкогени.
Біохімічне значення діацилгліцеролу полягає також у наявності в його 2-му
(
ββ
ββ
β-) положенні залишку арахідонової кислоти (С
20:4
); гідроліз ДАГ із вивільненням
арахідонату поставляє субстрат для біосинтезу важливого класу біорегуляторів —
ейкозаноїдів (глава 25).
Фізіологічно активні сполуки, які спричиняють запуск циклу фосфоінозитидів
через фосфоліпазу С:
вазопресин, ацетилхолін (при взаємодії з м-холінорецепторами), норадреналін
(при взаємодії з
αα
αα
α
1
-адренорецепторами), серотонін (при взаємодії з 5-НТ
1
-рецеп-
торами), сполука Р, тироліберин.
Рецептор
ФІФ
2
Г
ІФ
3
ДАГ
ЕР
МХ
КФb Ca/KM-кіназа
Ферменти
Фізіологічна реакція клітини
Інші
білки
Ca/ФЛ-кіназа
Фосфорильовані елементи
+
+
+
+
Ca
2+
Рис. 23.9. Фосфоінозитидзалежна регуляція клітинних функцій. Позначення: ФІФ
2
— фосфа-
тидил-інозитол-4,5-дифосфат; ІФ
3
— інозитол-1,4,5-трифосфату; ДАГ —
діацилгліцерол; КФb — кіназа фосфорилази b; Са/КМ-кіназа — Са/кальмодулін-кіназа;
Са/ФЛ-кіназа — Са/фосфоліпід-кіназа; ЕР — ендоплазматичний ретикулум; МХ —
мітохондрії.
341
Ãëàâà 23.
Á³îõ³ì³÷í³ ñèñòåìè âíóòð³øíüîêë³òèííî¿ òðàíñäóêö³¿
Прикладами клітинних функцій, залежних від функціонування фосфоінозитид-
ного каскаду, є: глікогеноліз в гепатоцитах; скорочення м’язів; агрегація тромбоцитів
та вивільнення ними серотоніну; секреція інсуліну острівковими клітинами підшлун-
кової залози; секреція адреналіну хромафінними клітинами наднирникових залоз,
секреція гістаміну мастоцитами.
Схему гормональної регуляції біохімічних та фізіологічних функцій клітини за
участю фосфоінозитидів та іонів Са
2+
подано на рис. 23.9.
23.3. МОЛЕКУЛЯРНО-КЛІТИННІ МЕХАНІЗМИ ДІЇ
СТЕРОЇДНИХ ТА ТИРЕОЇДНИХ ГОРМОНІВ
Гормони другої групи — стероїди (кор-
тикостероїди, гормони статевих залоз,
похідні вітамінів групи D), тиреоїдні
гормони.
Подібно до гормонів білково-пептидної
групи та біогенних амінів — похідних
амінокислот, необхідною умовою здійс-
нення біологічних ефектів гормонами цієї
групи також є їх зв’язування в тканинах-
мішенях із специфічними рецепторними
молекулами. Справедливість висловлю-
вання засновника вчення про клітинні
рецептори Пауля Ерліха (P.Ehrlich) —
“Сorpora non agun nisi fixata” (“Речовини
не діють, якщо не фіксуються” — пер. з
лат.) яскраво ілюструють експерименталь-
ні результати, подані на рис. 23.10.
Але на відміну від гормонів — пептидів
та біогенних амінів, рецептори для гормонів
цієї групи локалізовані внутрішньоклітин-
но — в цитозолі, звідки гормонорецепторні
комплекси транслокуються в ядро, де і
взаємодіють з чутливими сайтами ДНК ядер-
ного хроматину, спричиняючи активацію
генів для відповідних ферментних білків.
Тоді як гормони першої групи спричиняють
активацію вже існуючих ферментних моле-
кул, дія на клітини-мішені стероїдів та тирео-
їдних гормонів призводить до стимуляції
біосинтезу нових ферментних молекул за
рахунок активації процесів транскрипції їх
мРНК (рис. 23.11).
Рис. 23.10. Динаміка розподілу Н
3
-естрадіо-
лу в тканинах щура-самиці (вісь
абсцис — ступінь зв’язування гор-
мону в тканині, імп./хв
.
г тканини;
вісь ординат — час після введення
гормону, год) 1 — матка; 2 — vagi-
na; 3 — печінка; 4 — кров; 5 — м’язи.
Імп/хв г
Час, год
1000
4000
3000
2000
1
3
4
5616
2
1
2
3
4
5
Г
Г
+
Рц
Рц
Г
Гормоно-
рецепторний
комплекс
Рц
Г
Ядро
Хроматин
мРНК
мРНК
Ферменти
Гормоно-
рецептор-
ний комплекс
модифіко-
ваний
Рис. 23.11. Схема біохімічних механізмів дії
стероїдних та тиреоїдних гор-
монів.
342
Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
Згідно із зазначеним, білково-пептидні гормони та біогенні аміни контролюють
процеси швидкої адаптації організму, які потребують термінового включення певного
біохімічного процесу або фізіологічної функції (глікогенолізу, ліполізу, м’язового
скорочення), тоді як біологічна дія гормонів другої групи повільніша (потребує для
свого проявлення декількох годин), вони відповідають за процеси довготривалої
адаптації організму.
Будова стероїдних та тиреоїдних рецепторів
Нетрансформовані взаємодією з гормоном рецептори є димерними білками з
молекулярною масою, що коливається від 50 до 190 кД, і константами седиментації
від 3,5 до 4,5 s (табл. 23.2).
Т а б л и ц я 23.2. Фізико-хімічні властивості цитозольних рецепторів стероїдних гормонів
(В.Б.Розен, 1984)
Молекулярні механізми дії
Послідовність клітинних та біохімічних реакцій, за рахунок якої стероїдні та
тиреоїдні гормони реалізують свої біологічні ефекти, має вигляд:
проникнення гормону всередину клітини
сполучення гормону з цито-
зольним рецептором
модифікація (активація) рецептора у складі гормоно-
рецепторного комплексу
транслокація модифікованого гормонорецептор-
ного комплексу в 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 із своїми
специфічними лігандами зумовлена
їх молекулярною будовою, що скла-
дається з окремих структурно-функ-
ціональних доменів, які відрізня-
ються первинною структурою та
конформацією (рис. 23.12):
– домену, що сполучається з
гормоном (складається з 240 аміно-
кислотних залишків);
– домену, що сполучається з пев-
ними послідовностями ДНК (склада-
ється з 66 амінокислотних залишків);
– домену, що зв’язується з додатковими регуляторами транскрипції (N-тер-
мінальний домен).
Рецептори гормонів
М
.
м
.
, кД Константа седиментації
,
s
Естрогенів 80 – 120 4,0 – 4,5
Андрогенів 80 – 100 3,5 – 4,0
Прогестагенів 50 – 100 3,6 – 4,0
Глюкокортикоїдів 70 – 190 3,5 – 4,0
Альдостерону 60 – 150 4,0 – 4,5
1
595
а
бв
Рецептори
естрадіолу
прогестерону
глюкокортикоїдів
вітаміну D
3
ретиноєвої кислоти
тироксину
Рис. 23.12. Доменна організація білкових рецепторів
гормонів: а — домен, що зв’язує регулятори
транскрипції; б — домен, що взаємодіє з ДНК;
в — домен, що зв’язує гормон.
343
Ãëàâà 23.
Á³îõ³ì³÷í³ ñèñòåìè âíóòð³øíüîêë³òèííî¿ òðàíñäóêö³¿
Взаємодія білкових рецеп-
торів гормонів — активаторів
транскрипції з ДНК відбуваєть-
ся в певних місцях промоторних
ділянок геному, що знаходяться
“зліва” від сайтів ініціації транс-
крипції (приблизно, в регіоні “-
250 нуклеотидів”) і регулюють
експресію розташованих на від-
стані генів (“справа” від промо-
тора та сайта ініціації транс-
крипції “+1”) (рис. 23.13).
Здатність домена гормонального рецептора взаємодіяти з певними ділянками
ДНК визначається особливостями структури як рецептора, так і відповідних
сайтів ДНК. Ці рецепторчут-
ливі ділянки ДНК мають струк-
туру паліндромів і складаються
із специфічних (для кожного
рецептора) нуклеотидних послі-
довностей з симетричних 6 пар
нуклеотидів, розташованих
зліва та справа від проміжної
3-нуклеотидної послідовності
(–NNN–) — “спейсера”:
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 глобулярних Zn-вмісних доменів
(рис. 23.14) — унікальних просторових утворень, які властиві всім різновидам
Цинковий палець Цинковий палець
аб
Поліпептидний ланцюг
Cys
443
Cys
460
Cys
440
Cys
457
Zn
2+
F
L
Y
Zn
C
H
C
H
C
H
C H
Zn
Y
F
L
Рис. 23.14. Утворення цинкових пальців у білках (а) та будова Zn-вмісного домену глюко-
кортикоїдного рецептора, що розпізнає специфічну паліндромну послідовність
у молекулі ДНК (б).
5` – NAGAACANNNTGTTCTN – 3`
3` – NTCTTGTNNNACAAGAN – 5`
Послідовність ДНК, що зв’язує рецептори
глюкокортикоїдів
Послідовність ДНК, що зв’язує рецептори
естрогенів.
5` – NAGGTCANNNTGACCTN – 3`
3` – NTCCAGTNNNACTGGAN – 5`
Рис. 23.13. Ділянки промотору, з якими взаємодіють сте-
роїд-рецепторні комплекси (сайт -250) та інші
білки-активатори транскрипції (стресорні
білки, активатори синтезу металотіонеїну).
Рецептор-стероїдний
комплекс
-250 -150 -50
+ 1
0
GC
GC TATA
PHK
344
Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
Рис. 23.15. Взаємодія димерного білка — рецептора глюкокортикоїдів із специфічними
сайтами ДНК.
ДНК
Рецептор
Zn
2+
Zn
2+
білків, що виступають як регулятори транскрипції (гормональним рецепторам,
білкам — активаторам синтезу металотіонеїну тощо).
Молекулярна модель зв’язування Zn-вмісних доменів димерного рецептора
глюкокортикоїдів з паліндромними ділянками молекули ДНК подана на рис. 23.15.
345
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
ГЛАВА 24. ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЯЦІЯ
МЕТАБОЛІЗМУ ТА БІОЛОГІЧНИХ ФУНКЦІЙ КЛІТИНИ
II. ГОРМОНИ — ПОХІДНІ ПЕПТИДІВ ТА
АМІНОКИСЛОТ
Білково-пептидні гормони — численна група фізіологічно активних сполук із
гормональними та нейромедіаторними властивостями, що продукуються в різних
органах і тканинах та за своєю хімічною природою є поліпептидами (простими
білками, глікопротеїнами, низькомолекулярними пептидами).
Основні класи білково-пептидних гормонів, що синтезуються в ендокринній
системі: гормони гіпофіза, гіпоталамуса, підшлункової залози. Близькими за меха-
нізмами дії до білково-пептидних гормонів є біорегулятори — похідні амінокислот
(біогенні аміни) — катехоламіни, серотонін, гістамін, мелатонін.
Простими пептидами є також біорегулятори, що належать до гістогормонів:
– опіоїдні пептиди головного мозку;
– пептиди гастроінтестинальної системи;
– компоненти кінінової та ренін-ангіотензинової систем;
– гормони та медіатори імунної системи і функціонально близькі до них пептидні
фактори росту, цитомедини;
– натрійуретичні пептиди серця, мозку тощо.
24.1. ГІПОТАЛАМО-ГІПОФІЗАРНА СИСТЕМА
Центральною ендокринною залозою організму людини та вищих тварин є
гіпофіз — орган, що контролює ендокринну діяльність більшості підпорядкованих
їй (периферійних) залоз внутрішньої секреції. В свою чергу, функціональна активність
гіпофіза регулюється нейроендокринними клітинами спеціальних ядер гіпоталамуса.
Гормони та/або нейромедіатори (чи модуляторні нейропептиди) гіпоталамічних та
інших підкіркових ядер головного мозку контролюють секрецію (а в деяких випад-
ках — біосинтез, продукування) гіпофізарних гормонів.
А. Гормони гіпоталамуса
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 функції підпорядкованих залоз внутрішньої секреції через симпатичну
та парасимпатчну нервову систему.
Згідно з рекомендаціями Комісії з біохімічної номенклатури Міжнародного біохі-
мічного союзу (1974), гормони гіпоталамуса, що сприяють вивільненню (release —
англ.) певних гормонів гіпофіза, позначають як “ліберини” (рилізинг-гормони), а біо-
регулятори, які гальмують вивільнення гіпофізарних гормонів — “статини”
(інгібіруючі гормони).
346
Ðîçä³ë V
. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
На даний час встановлені утворення та секреція в гіпоталамусі таких пептидних
гіпофізотропних гормонів:
Соматоліберин (соматотропін-рилізинг-гормон, СТГ-РГ) — під впливом СТГ-
РГ стимулюється продукція і вивільнення в гіпофізі гормону росту.
Соматостатин (СС; гормон, що інгібірує виділення гормону росту) — гормон,
під впливом якого гальмуються продукція і вивільнення гормону росту; крім
гіпоталамуса, соматостатин синтезується також в острівках підшлункової залози та
інших клітинних утвореннях шлунково-кишкового тракту, де виконує специфічні
фізіологічні функції.
Пролактостатин (пролактин-інгібіруючий гормон, ПІГ) — 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; люліберин) — під впливом
ГнРГ стимулюється синтез і вивільнення гонадотропних гормонів ФСГ та ЛГ.
Кортиколіберин (кортикотропін-рилізинг-гормон) — гормон, що стимулює
вивільнення кортикотропіну.
За хімічною природою ліберини та статини є поліпептидами, що секретуються
певними нейронами гіпоталамуса, та, надходячи разом із біогенними амінами
(дофаміном, серотоніном, норадреналіном) і іншими нейромедіаторами через систему
портального кровообігу або нейрональні аксони в аденогіпофіз, регулюють його
специфічні гормональні функції. Продукція гіпоталамічних гормонів є об’єктом
складної регуляції з боку центральної нервової системи, нейромедіатори якої (біогенні
аміни, нейропептиди, медіаторні амінокислоти) здійснюють модулюючий вплив на
функціональну активність ядер гіпоталамуса.
Б. Гормони передньої частки гіпофіза
Передня частка гіпофіза (аденогіпофіз) продукує значну кількість гормонів, які
стимулюють фізіологічні та біохімічні процеси в різних тканинах-мішенях, в тому
числі активують дію інших ендокринних залоз (тропна функція гіпофізарних
гормонів). Виходячи з особливостей молекулярної генетики, біосинтезу та структурно-
функціональних властивостей, гормони аденогіпофіза утворюють три групи:
I група — “гормон росту-пролактин-хоріонічний соматомамотропін”;
II група — глікопротеїни — “тропні гормони гіпофіза”;
III група — похідні “проопіомеланокортину”.
I. Група гормону росту — є біохімічним угрупованням (“сімейством”) білкових
гормонів, які мають значну гомологію первинної структури (амінокислотних
послідовностей) та близькість функціонально-біохімічних ефектів. Це гормони, що
складаються у більшості тваринних видів із 190-199 амінокислотних залишків і мають
ростостимулюючу та лактогенну активності.
1. Гормон росту (соматотропін, соматотропний гормон, СТГ) — простий
білок, що складається з одного поліпептидного ланцюга (191 амінокислотний залишок;
м.м. — 21,5 кД) і має два внутрішньомолекулярні дисульфідні зв’язки. Гормон
синтезується в соматотрофних клітинах, що складають близько 50 % клітин
347
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
аденогіпофіза. Ген, який контролює експресію СТГ, знаходиться в 17-й хромосомі
каріотипу людини. СТГ синтезується у вигляді декількох прогормонів, що відповідають
за наявність певної молекулярної гетерогенності гормону росту.
Біологічні властивості СТГ
Головна функція СТГ — стимуляція постнатального росту організму; ця складна
біологічна функція реалізується за рахунок різноманітного спектра впливу гормону
на біосинтез білка, вуглеводний та ліпідний метаболізм:
а) вплив на біосинтез білка — характеризується анаболічною спрямованістю: СТГ
стимулює транспорт амінокислот у клітини та процеси транскрипції і трансляції в
гормон-чутливих тканинах (переважно в м’язах, хрящах, кістках, печінці, сполучній
тканині тощо); в цілому вплив СТГ на організм призводить до позитивного азотис-
того балансу, тобто переважання процесів синтезу над катаболізмом білків та
амінокислот;
б) вплив на обмін вуглеводів та ліпідів — визначається “контраінсулярними
ефектами” гормону: введення СТГ супроводжується гіперглікемією (гіперглюкозе-
мією), яка є результатом як зменшення утилізації глюкози клітинами (гальмування
транспорту глюкози з екстрацелюлярного простору та інгібірування її гліколітичного
окислення), так і активації її продукції в ході глюконеогенезу; в адипоцитах жирової
тканини СТГ активує реакції ліполізу, що призводить до стимуляції виходу НЕЖК та
гліцеролу в плазму крові.
Лактогенні властивості СТГ пов’язані з його здатністю до взаємодії з лактогенними
рецепторами молочної залози; в здоровому організмі ці ефекти СТГ не мають
суттєвого значення і проявляють себе в умовах патології гіпофіза.
Соматомедини
Особливістю біологічної дії СТГ є її опосередкованість через синтез у печінці та
біологічні ефекти двох поліпептидних факторів росту (соматомединів) — ІФР-1 та
ІФР-2 (“інсуліноподібних факторів росту 1 та 2” — пептидів, що складаються з 70 та
67 амінокислотних залишків, відповідно).
Первинна структура соматомединів нагадує будову молекули проінсуліну. Ген, що
кодує синтез ІФР-1, локалізується в 12-й хромосомі людини, ген ІФР-2 — в 11-й
хромосомі, в безпосередній близькості до гена, який кодує інсулін. Обидва фактори
росту стимулюють реплікацію ДНК, що проявляється підсиленням включення в ДНК
тимідину, транскрипцію та трансляцію в тканинах-мішенях СТГ.
Стимуляція росту тканин під впливом соматомединів виражена в 50-100 разів
сильніше, порівняно з інсуліном, при цьому ростостимулюючі властивості СТГ в
найбільшій мірі корелюють з ефектами ІФР-1: особини з дефіцитом цього сомато-
медину позбавлені здатності до нормального росту. Ефекти ІФР реалізуються через
рецептори, локалізовані на плазматичних мембранах клітин-мішеней — рецептори
1-го типу, що мають тирозин-кіназну активність та рецептори 2-го типу, активація
яких призводить до включення ефекторних систем клітини через G-білки.
Регуляція секреції СТГ
Продукція та секреція гормону росту знаходяться під позитивним та негативним
нейрогуморальним контролем: виділення СТГ з гіпофіза стимулюється соматолібе-
рином та гальмується соматостатином. Крім того, активуючий вплив на виділення
348
Ðîçä³ë V
. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
СТГ гіпофізом справляють такі фізіологічно активні сполуки, як дофамін, серотонін,
вазопресин, естрогени, агоністи
αα
αα
α-адренергічних рецепторів та
γγ
γγ
γ-аміномасляної
кислоти.
Вивільнення СТГ (подібно до інших гормонів гіпоталамо-гіпофізарної системи)
відбувається в пульсуючому режимі — максимум синтезу гормону спостерігається
через 60-90 хв від початку сну (ранні стадії фази глибокого, “повільнохвилевого” сну);
процес сну вважається фізіологічним стимулятором секреції соматотропіну (“Діти
ростуть під час сну”!).
Патологія, пов’язана з гормоном росту:
акромегалія — захворювання, розвиток якого спричиняється збільшеною
продукцією гормону росту у дорослих осіб; захворювання характеризується пато-
логічно диспропорційним збільшенням кісток скелета (особливо кінцівок, щелеп та
інших компонентів черепа), м’яких тканин, внутрішніх органів; у жінок молодого віку
захворювання проявляє себе галактореєю, що спричинена збільшеною продукцією
пролактину або власною лактогенною активністю СТГ. Етіологія захворювання
пов’язана з наявністю пухлини — аденоми гіпофіза (соматотропіноми);
гігантизм — прояв надмірної секреції гормону росту в дитячому та підлітковому
віці, що призводить до збільшеного росту людини (умовно — вище 190 см); пролон-
гування в дорослому віці аномально високої продукції СТГ призводить у таких пацієнтів
до розвитку акромегалії;
карликовість (нанізм, дварфізм) — затримка росту (у чоловіків — нижче 130 см,
у жінок — нижче 120 см), яка спричиняється гетерогенними факторами, пов’язаними
як із зменшенням синтезу СТГ та, відповідно, ІФР-1 (“карлики з дефіцитом СТГ”),
так і з порушеннями реактивності тканин на дію гормону: “карлики Ларона” — особини
з відсутністю рецепторів СТГ в печінці та пігмеї, у яких має місце молекулярна патологія
в пострецепторній трансдукції гормонального сигналу.
2. Пролактин (лактогенний гормон, мамотропін, лютеотропний гормон) —
простий білок , що складається з одного поліпептидного ланцюга (м.м. 23 кД). Гормон
продукується в ацидофільних клітинах аденогіпофіза — лактотрофах, кількість і
розміри яких збільшуться під час вагітності.
Пролактин бере участь в ініціації та стимуляції лактації у жінок, причому дія гормону
проявляється лише на тлі сенсибілізації клітин молочної залози жіночими статевими
гормонами.
Пухлини, що складаються з пролактинсинтезуючих клітин гіпофіза, призводять у
жінок до аменореї та галактореї, у чоловіків — до деяких видів безплідності.
Синтез та секреція пролактину гальмуються дофаміном та специфічним
інгібіруючим нейропептидом гіпоталамуса — пролактостатином, що має також
властивості гонадоліберину (гонадоліберинасоційований пептид, ГАП).
3. Хоріонічний соматомамотропін (ХС; плацентарний лактоген) — гормон,
що проявляє лактогенну та лютеотропну активності, а за метаболічними ефектами
близький до соматотропіну. Істинна фізіологічна роль ХС в організмі людини не
з’ясована.
349
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
II. Група тропних гормонів гіпофіза — включає в
себе сполуки глікопротеїнової природи: тиреотропний та
гонадотропний гормони гіпофіза і плаценти (фолікулости-
мулювальний гормон, лютеїнізуючий гормон, хоріонічний
гонадотропін).
Кожен із гормонів групи, що розглядається, є димером і
складається з двох субодиниць —
α α
α α
α та
ββ
ββ
β, які сполучені
між собою нековалентними зв’язками. Молекулярна маса
цих гормонів — близько 30 кД, вуглеводні (олігосахаридні)
групи складають 15-30 % маси молекули; до складу оліго-
сахаридних радикалів входять залишки галактози, манози,
фукози, галактозаміну, глюкозаміну, сіалових кислот.
У всіх чотирьох глікопротеїнових гормонів
αα
αα
α-суб-
одиниці однакові, а
ββ
ββ
β-субодиниці різні і визначають біо-
логічну специфічність гормону.
αα
αα
α-Субодиниці є корот-
шими (містять у собі 89-96 залишків амінокислот) і спо-
лучені з 2 вуглеводними радикалами, а
ββ
ββ
β-субодиниці —
довші і варіабельні за складом (містять 113-119 амінокис-
лотних залишків і декілька вуглеводних радикалів):
Гени, що кодують
αα
αα
α- і
ββ
ββ
β-субодиниці глікопротеїнових гормонів, розміщуються
на різних хромосомах — 6-й та 1-й, відповідно.
Тиреотропний гормон (ТТГ; тиротропін) — подібно до інших глікопротеїнових
гормонів гіпофіза є димером типу
αβαβ
αβαβ
αβ (м.м. близько 30 кД). Гормон синтезується
базофільними клітинами передньої частки — тиротрофами, які складають 3-5 %
клітинного складу аденогіпофіза.
Основна біологічна функція ТТГ — підтримка функціональної активності (синтезу
тиреоїдних гормонів) та структури щитовидної залози. Ефекти ТТГ щодо тиреоцитів
реалізуються за мембранним механізмом: взаємодія гормону з мембранними
рецепторами через посередництво різних G-білків призводить до активації аденілат-
циклази та фосфоліпази С. Таким чином, активація ТТГ гормонопродукуючої функції
щитовидної залози досягається через декілька вторинних месенджерів: цАМФ,
інозитол-1,4,5-трифосфату та діацилгліцеролу.
Вивільнення гіпофізом ТТГ позитивно модулюється специфічним гіпоталаміч-
ним гормоном тироліберином. З іншого боку, гормони щитовидної залози ти-
роксин та трийодтиронін гальмують тиреотропну функцію гіпофіза шляхом галь-
мування секреції гіпоталамусом тироліберина.
Патологія продукції ТТГ можлива за умов виникнення аденом гіпофіза, що секре-
тують тиретропін, і проявляється симптомами тиреотоксикозу (див. нижче).
Гонадотропні гормони
Гонадотропіни є гормонами, що забезпечують нормальний гаметогенез та
продукцію відповідних статевих гормонів у чоловічому та жіночому організмах.
Це глікопротеїни, які за молекулярною будовою є також димерами типу
αβαβ
αβαβ
αβ. Синтез
гонадотропінів відбувається в базофільних клітинах гіпофіза — гонадотрофах,
які складають 10-15 % від загальної кількості клітин аденогіпофіза. В період вагіт-
ності відбувається фізіологічна гіперплазія гонадотрофів.
COOH
NH
2
NH
2
COOH
ββ
ββ
β
αα
αα
α
Схема будови глікопротеї-
нових гормонів (жирними
точками позначені вугле-
водні залишки).
350
Ðîçä³ë V
. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
1. Фолікулостимулюючий гормон (ФСГ; фолітропін) — білок з м.м. 33 кД.
Мішенями для ФСГ є фолікулярні клітини яєчників та клітини Сертолі сім’яників.
Передача хімічного сигналу при дії ФСГ здійснюється за рахунок активації аденілат-
циклази.
2. Лютеїнізуючий гормон (ЛГ; лютропін; гормон, що стимулює інтерстиці-
альні клітини Лейдига — ГСІК) — білок з м.м. 29 кД. Рецептори для ЛГ локалізовані
на плазматичних мембранах клітин яєчників (у жіночому організмі) та клітин Лейдига
сім’яників (у чоловічому організмі). Як і в разі ФСГ, вторинним месенджером в дії ЛГ
на ефекторні системи клітин є цАМФ.
3. Хоріонічний гонадотропін (ХГ) — білок з м.м.близько 37 кД; синтезується
трофобластом плаценти.
Біологічна роль гонадотропінів — полягає в регуляції функцій статевої сфери
людини як в препубертатному, пубертатному періодах, так і у дорослих особин, процесів
як гаметогенезу, так і продукції статевих гормонів.
У жіночому організмі — ФСГ та ЛГ контролюють функціонування менструального
циклу (див. главу 25), стимулюючи ріст фолікулів, синтез у них естрогенів (переважна
дія ФСГ), овуляцію та утворення жовтого тіла (дія ФСГ на тлі присутності ЛГ),
персистенцію жовтого тіла і продукцію прогестерону (дія ЛГ та/або ХГ — в умовах
вагітності).
У чоловічому організмі — ФСГ сприяє активації процесів сперматогенезу:
спричиняє проліферацію клітин Сертолі та сперматогенного епітелію, підвищує
чутливість клітин Лейдигу до дії ЛГ (за рахунок збільшення в них кількості ЛГ-
чутливих рецепторів). Мішенню для дії ЛГ (ГСІК) є інтерстиціальні клітини Лейдига,
в яких гормон стимулює біосинтез із холестерину тестостерону — основного статевого
гормону чоловічого організму.
Регуляція секреції гонадотропних гормонів здійснюється гіпоталамусом за рахунок
виділення гонадоліберину, що стимулює синтез та секрецію аденогіпофізом як
ФСГ, так і ЛГ. Властивості гонадоліберину має також пролактостатин (гонадолібе-
ринасоційований пептид, ГАП). Подібно до інших тропних гормонів аденогіпофіза,
продукція ФСГ та ЛГ контролюється за принципом негативного зворотного зв’язку
концентраціями статевих гормонів: збільшення рівнів естрогенів та андрогенів у
крові гальмує виділення ЛГ, тоді як секреція ФСГ пригнічується прогестероном.
Зменшення функціональної активності статевих залоз (менопауза, хірургічна або
променева кастрація) супроводжується стимуляцією секреції гонадотропінів.
Порушення синтезу, секреції та/або рецепції гонадотропінів спостерігаються при
численних спадкових і набутих захворюваннях, що можуть призводити до різних
клінічних форм ураження репродуктивної функції організму людини.
III. Група проопіомеланокортину — гормони, що входять до цієї групи (сімейства)
є продуктами посттрансляційного процесингу біологічного попередника — прогормону
проопіомеланокортину (ПОМК).
ПОМК синтезується в базофільних клітинах гіпофіза; це глікопротеїн, що склада-
ється з 239 амінокислотних залишків (м.м. близько 30 кД) і є попередником бага-
тьох фізіологічно активних пептидів гормональної та нейромедіаторної дії, які
351
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
утворюються з
ПОМК за раху-
нок обмеженого
протеолізу та
реакцій кова-
лентної моди-
фікації (глікозилю-
вання, ацетилю-
вання).
Процесинг
ПОМК відбува-
ється в передній та
проміжній частках
гіпофіза (проміжна
частка активна
лише в ембріо-
нальний період та у
жінок на пізніх ста-
діях вагітності) і
деяких периферійних тканинах: плаценті, кишечнику, чоловічому статевому тракті.
Основними продуктами цього процесингу є:
– адренокортикотропний гормон (АКТГ), що в свою чергу є попередником
меланоцитостимулюючого гормону (
αα
αα
α-МСГ) та кортикотропіноподібного пептиду
проміжної частки гіпофіза (КППДГ);
–
ββ
ββ
β-ліпотропний гормон (
ββ
ββ
β-ЛПГ), що є попередником
γγ
γγ
γ-ліпотропіну (
γγ
γγ
γ-ЛПГ),
ββ
ββ
β-МСГ та ендорфінів (
ββ
ββ
β,
γ γ
γ γ
γ,
α α
α α
α).
1. Адренокортикотропний гормон (АКТГ; кортикотро-
пін) — одноланцюговий пептид, що складається з 39 аміно-
кислотних залишків (м.м. 4,5 кД).
Головними мішенями АКТГ є клітини кори наднирникових
залоз, відносно яких гормон проявляє два типи біологічної
активності: стимуляцію стероїдогенезу та підтримання маси
наднирникових залоз.
(1) Вплив АКТГ на біосинтез наднирникових гормонів
зумовлений активацією цАМФ-залежних протеїнкіназ, що
каталізують ключові реакції перетворення холестерину на
прегненолон — попередник С
21
-стероїдів
кортикостероїдів. Основним ефектом такої дії АКТГ є
стимуляція синтезу глюкокортикоїдів (головним чином,
кортизолу), проте в умовах тривалої стимуляції кори наднирникових залоз кортико-
тропіном (хвороба Іценко-Кушинга, введення фармакологічних препаратів АКТГ)
відбувається також активація синтезу мінералокортикоїдів та андрогенів.
(2) Збільшення маси кори наднирникових залоз при дії АКТГ (переважно сітчас-
тої та пучкової зон) здійснюється також через стимуляцію цАМФ-залежних
ПОМК (1-239)
АКТГ (1-39)
β-ЛПГ (42-134)
α-МСГ
(1-13)
КППДГ
(18-39)
γ-ЛПГ (42-101) β-Ендорфін
(104-134)
β-МСГ
(84-101)
γ-Ендорфін
(104-118)
α-Ендорфін
(104-117)
Утворення фізіологічно активних пептидів із проопіомеланокортину.
Первинна структура
АКТГ людини.
352
Ðîçä³ë V
. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
протеїнкіназ, які активують шляхом фосфорилювання певні рибосомальні білки
та стимулюють синтез ДНК та РНК, необхідних для утворення нових клітин.
Позанаднирниковозалозні ефекти АКТГ полягають у стимуляції ліполізу в
жировій тканині, активації поглинання амінокислот та глюкози м’язами. АКТГ
має також певну меланоцитостимулюючу дію (збільшення пігментації шкіри), яка
зумовлена наявністю в його первинній структурі тетрапептидного угруповання,
загального з МСГ (див. нижче).
Вивільнення гіпофізом АКТГ є об’єктом складного нейрогуморального конт-
ролю, в якому беруть участь як прямі, так і зворотні регуляторні зв’язки: пози-
тивними регуляторами є гормон гіпоталамуса кортиколіберин, а також
вазопресин, адреналін, ангіотензин II; негативним регулятором — глюкокортикоїд
кортизол.
2. Ліпотропний гормон (ЛПГ; ліпотропін) — група пептидів, що мають
властивості активувати ліполіз в адипоцитах жирової тканини і мобілізацію жирних
кислот.
У гіпофізі людини знайдені
ββ
ββ
β- та
γγ
γγ
γ-ліпотропіни; оскільки специфічна ліполітич-
на активність цих пептидів незначна у порівнянні з дією інших гормонів та біоре-
гуляторів, існує думка, що їх фізіологічне значення полягає в утворенні ендорфінів.
3. Ендорфіни — представники групи опіоїдних нейропептидів (
αα
αα
α-,
ββ
ββ
β-,
γγ
γγ
γ- та
δδ
δδ
δ-
ендорфіни), що виконують функції нейромедіаторів, ендогенних знеболювальних
факторів та модуляторів певних важливих психофізіологічних процесів у пептидергічних
структурах головного мозку (глава 33).
4. Меланоцитостимулюючий гормон (МСГ) — група пептидів (
αα
αα
α-,
ββ
ββ
β-,
γγ
γγ
γ-МСГ),
які продукуються в проміжній частці гіпофіза і стимулюють функціональну активність
меланоцитів шкіри, збільшуючи її пігментацію. Біохімічні механізми дії МСГ полягають
у підвищенні активності тирозинази — ферменту, що бере участь у перетворенні
тирозину на пігменти меланіни. Ця специфічна біологічна активність різних МСГ
зумовлена наявністю в первинній структурі гормону характерного тетрапептиду –
His–Phe–Arg–Trp–, що присутній також у молекулі АКТГ.
У гіпофізах ссавців присутні різні типи МСГ; фізіологічна функція гормону в людини
недостатньо з’ясована у зв’язку з редукцією проміжної частки гіпофіза у дорослої
людини —
αα
αα
α-МСГ виявляється у людини лише в гіпофізах плода, при пухлинах гіпофіза
та іноді в період вагітності.
В. Гормони задньої частки гіпофіза
Гормонами задньої частки гіпофіза є вазопресин та окситоцин. Це нейрогіпофі-
зарні гормони, оскільки задня частка гіпофіза є лише місцем їх накопичення, а біосинтез
відбувається в супраоптичному та паравентрикулярному ядрах гіпоталамуса. Гормони,
що синтезовані в гіпоталамічних нейросекре-
торних клітинах, транспортуються в задню
частку гіпофіза по аксонах нейрогіпофізарного
тракту; транспортною формою гормонів є їх
гранули в комплексі з білком нейрофізином.
Вазопресин та окситоцин є циклічними
пептидами, що складаються з 9 амінокис-
лотних залишків (нонапептиди); первинна
Цис
Фен
Глн
1
Цис—Про—Арг—Глі—NH
2
2
3
4
6
5
789
Тир
Асн
Вазопресин
353
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
структура двох гормонів розрізняється лише
залишками амінокислот, які містяться в 3-му
та 8-му положеннях.
(1) Вазопресин
Біологічні функції вазопресину (антидіу-
ретичного гормону, АДГ) пов’язані з регуля-
цією осмолярності та осмотичного тиску рі-
дин організму.
Біохімічна основа фізіологічних ефектів вазопресину полягає в стимуляції реаб-
сорбції води в дистальних канальцях нирок. Крім того, гормон сприяє підтриманню
артеріального тиску за рахунок прямого впливу на судинну стінку, підсилює глікогеноліз
у печінці та м’язах, спричиняє агрегацію тромбоцитів та виділення ними факторів
коагуляції.
Молекулярні механізми дії вазопресину грунтуються на наявності двох типів
рецепторів цього активного пептиду:
V
1
-рецепторів (локалізовані на мембранах гепатоцитів, гладеньких м’язів судин,
тромбоцитів), що спряжені з фосфоліпазою С, активація якої включає фосфоіно-
зитидний цикл (утворення ІФ
3
, ДАГ) та збільшує концентрацію в клітинах іонів Са
2+
;
V
2
-рецептори (локалізовані на мембранах епітеліальних клітин трубочок та петель
Генле нефронів), що спряжені з активацією аденілатциклази та утворенням цАМФ;
послідовна дія цього біохімічного каскаду призводить до збільшення проникності
мембран клітин-мішеней для води.
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
кількості сечі (декількох літрів на добу) з низькою щільністю та постійне відчуття
спраги.
(2) Окситоцин
Фізіологічна дія окситоцину полягає в активації скорочення м’язів матки (сти-
муляції пологової діяльності) та скорочення міоепітеліальних клітин, що оточують
альвеоли молочної залози (забезпеченні надходження молока з альвеол у вивідні
протоки під час лактації). Ефекти гормону на чутливі клітини реалізуються через
аденілатциклазну систему за обов’язковою участю іонів Са
2+
.
24.2. ГОРМОНИ ПІДШЛУНКОВОЇ ЗАЛОЗИ ТА
ШЛУНКОВО-КИШКОВОГО ТРАКТУ
А. Гормони підшлункової залози
Підшлункова залоза — орган мішаної секреції, ацинарна частина якої виконує
екзокринну функцію, секретуючи в дванадцятипалу кишку травні ферменти та іони,
а ендокринна (острівці Лангерганса) — продукує декілька гормональних факторів
пептидної природи. Синтез та секреція пептидних гормонів забезпечують різні типи
клітин острівкого апарату:
A (
αα
αα
α)-клітини — глюкагон;
B (
ββ
ββ
β)-клітини — інсулін;
Цис
Іле
Глн
1
Цис—Про—Лей—Глі—NH
2
2
3
4
6
5
789
Тир
Асн
Окситоцин
354
Ðîçä³ë V
. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
D (
δδ
δδ
δ)-клітини — соматостатин;
F-клітини — панкреатичний поліпептид.
1. Інсулін — поліпептидний гормон (м.м. 5,7 кД), молекула якого складається з
двох ланцюгів — А та В, що мають, відповідно, 21 та 30 амінокислотних залишків.
Пептидні ланцюги сполучені між собою дисульфідними зв’язками, що з’єднують за-
лишок А
7
із залишком В
7
та залишок А
20
із залишком В
19
; крім того, третій дисульфідний
місток зв’язує між собою залишки 6 та 11 А-ланцюга.
Інсулін був першим білком, для якого була встановле-
на повна амінокислотна послідовність (Ф.Сенгер, 1955).
Враховуючи важливе медико-біологічне значення гормону
для лікування цукрового діабету, інсулін був також першим
білком, отриманим для
фармацевтичних цілей
біотехнологічним ме-
тодом з
використанням реком-
бінантних ДНК.
Вивчення третинної
структури інсуліну
дозволило сформувати
уявлення про будову
його активного центру,
який визначає взаємо-
дію білка з мембран-
ним рецептором та ре-
алізацію гормональної
активності (рис. 24.2).
Біосинтез та секреція інсуліну
Інсулін синтезується в рибосомах В- (
ββ
ββ
β-) клітин підшлункової залози у вигляді
препрогормону — білка з м.м. 11,5 кД, який у результаті обмеженого протеолізу
послідовно перетворюється в ендоплазматичному ретикулумі та апараті Гольджі на
прогормон (м.м. 9 кД) та зрілий інсулін.
Молекули інсуліну спаковуються в секреторні гранули, де вони утворюють комп-
лекси з іонами цинку. Секреція інсуліну з клітини відбувається шляхом еміоцитозу,
який полягає в міграції гранул до плазматичної мембрани, злитті гранул з мембраною,
Рис. 24.1. Сенгер (Sanger) Фре-
дерік (народ.1918 р.),
видатний англійсь-
кий біохімік. Профе-
сор Кембріджського
ун-ту. Винайшов ме-
тод визначення пер-
винної структури біл-
ків, розшифрував пер-
винну структуру ін-
суліну. Двічі лауреат
Нобелівської премії
(1958, 1980).
Рис. 24.2. Просторове розміщення
А- та В-ланцюгів у мо-
лекулі інсуліну. Пунк-
тиром позначений домен,
що взаємодіє з рецеп-
тором.
В
30
А
1
А
21
В
1
В
25
Первинна структура молекули інсуліну.
А-ланцюг
Gly-Ile-Val-Glu-Gin-Cys-Cys- Thr-Ser-Ile-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn
1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21
B-ланцюг
Phe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr-Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-Thr
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
S
S
S
S
S
S
355
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
розчиненні мембрани та “екструзії” — викиду вмісту мембрани в екстрацелюлярний
простір. Секреція інсуліну є енергозалежним процесом, головним фізіологічним сти-
мулом секреції є збільшення концентрації глюкози в крові понад рівень фізіологічної
норми (3,3-5,5 ммоль/л).
Характеристика гормональної активності
Інсулін позначають як “гормон засвоєння та депонування вуглеводів”
(В.Б.Розен, 1984). Відповідно, цукровий діабет (хвороба, що пов’язана з порушен-
нями в синтезі, секреції інсуліну та/або реактивності інсулінових рецепторів —
глава 12) характеризується стійкою гіперглюкоземією, порушеннями вуглеводного
обміну та метаболічно зв’язаних з обміном глюкози перетворень ліпідів і аміно-
кислот. Ця гормональна дія інсуліну зумовлена такими біохімічними механізмами:
(1) Вплив на обмін вуглеводів:
(1.1.) стимуляцією транспорту глюкози з екстрацелюлярного простору через
плазматичні мембрани всередину клітин — ефект спостерігається здебільшого в
клітинах м’язів, адипоцитах жирової тканини, лімфоцитах і є основною причиною
швидкого (протягом декількох секунд) зниження рівня глюкоземії після ін’єкції інсуліну.
Разом з тим, інсулін не впливає на мембранний транспорт глюкози в гепатоцитах,
клітинах головного мозку, нирок; стимуляція поглинання глюкози цими тканинами при
дії інсуліну спричиняється активацією гормоном швидкості внутрішньоклітинної
утилізації глюкози (див. нижче);
(1.2.) сприянням утилізації глюкози в м’язах, печінці, жировій тканині тощо
шляхами гліколізу, пентозофосфатного шляху (ПФШ) та синтезу глікогену:
(1.2.1.) стимуляція гліколізу в гепатоцитах відбувається за рахунок активації
інсуліном синтезу (індукції) глюкокінази — ферменту, що перетворює глюкозу на
глюкозо-6-фосфат, а також фосфофруктокінази та піруваткінази;
(1.2.2.) стимуляція ПФШ обміну глюкози відбувається за рахунок активації
глюкозо-6-фосфат-дегідрогеназної реакції (цей ефект інсуліну особливо важливий для
жирової тканини та печінки, оскільки створює метаболічні умови, сприятливі для
ліпогенезу);
(1.2.3.) інсулінзалежна стимуляція глікогенезу зумовлюється такими
ферментативними механізмами:
(а) збільшенням глюкокіназної активності, що призводить до додаткового
утворення глюкозо-6-фосфату, який може перетворюватися на глюкозо-1-фосфат —
безпосередній субстрат глікогенезу;
(б) активацією глікогенсинтази: інсулін сприяє переходу ферменту в
дефосфорильовану — активну форму (ефект зумовлений зниженням під впливом
інсуліну рівня цАМФ внаслідок активації фосфодіестерази циклонуклеотидів і,
відповідно, зменшенням активності протеїнкінази, що фосфорилює глікогенсинтазу);
(в) зменшенням активності глікогенфосфорилази (що також зумовлено
падінням концентрації цАМФ і активності відповідної протеїнкінази); сукупність
цих (б, в) метаболічних ефектів інсуліну спрямована на запасання глікогену в
тканинах (анаболічна дія гормону);
356
Ðîçä³ë V
. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
(1.3.) гальмуванням процесів глюконеогенезу в печінці;
інсулін призводить до інгібірування синтезу глюконеогенних ферментів ФЕП-
кінази, Фр-1,6-дифосфатази, Г-6-Ф-ази — цей процес є більш повільним
(порівняно з впливом інсуліну на транспорт глюкози, гліколіз та глікогенез) і вимагає
для свого прояву декількох годин.
(2) Вплив на обмін ліпідів.
Характеризується стимуляцією анаболічних шляхів ліпідного обміну і збільше-
ним депонуванням нейтральних жирів в клітинах, що проявляється здебільшого в
жировій тканині та в печінці. Ліпогенні ефекти інсуліну зумовлені такими
біохімічними механізмами:
(2.1.) активацією синтезу вищих жирних кислот за рахунок збільшення
притоку відповідних субстратів: ацетил-КоА та НАДФН, що утворюються при
метаболізмі глюкози (див. вище);
(2.2.) активацією синтезу триацилгліцеролів із жирних кислот та гліцерол-3-
фосфату, який також постачається у збільшеній кількості при гліколітичному
розщепленні глюкози (утворюється з діоксіацетонфосфату в гліцерол-3-фос-
фатдегідрогеназній реакції);
(2.3.) гальмуванням ліполізу в адипоцитах, що зумовлено зменшенням
концентрації цАМФ, необхідного для активації ТГ-ліпази та протидією ліполі-
тичному впливу катехоламінів та глюкагону.
Згідно із зазначеним, цукровий діабет характеризується активацією ТГ-
ліпази жирової тканини із збільшеним надходженням НЕЖК у плазму крові,
стимуляцією їх перетворення в кетонові тіла (кетогенезом) та виникненням при
некомпенсованій течії захворювання кетоацидозу. Крім того, оскільки інсулін змен-
шує утворення в печінці основних транспортерів триацилгліцеролів та холестерину
— ЛПДНЩ та ЛПНЩ —”атерогенних ліпопротеїнів”, цукровий діабет II типу
(глава 16) характеризується додатковим розвитком атеросклерозу та ожиріння.
(3) Вплив на обмін амінокислот та білків.
Дія інсуліну на амінокислотний та білковий обмін найбільш виражена в м’язах,
печінці, нирках, сполучній тканині, має анаболічний характер і характеризується:
(3.1.) стимуляцією транспорту нейтральних амінокислот через плазматичні
мембрани (ефект, найбільш виражений у м’язах);
(3.2.) активацією процесів рибосомальної трансляції, синтезу рРНК та деяких
мРНК (у м’язах, печінці, нирках, сполучній тканині).
(4) Вплив на процеси клітинного росту та проліферації.
Інсулін має виражені ростостимулюючі ефекти, що пов’язані як із стимуля-
цією надходження в клітини енергетичних та пластичних субстратів для росту
(глюкози, жирних кислот, амінокислот), так і з безпосереднім активуючим впли-
вом 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 (ФРЕ), фактора
росту фібробластів (ФРФ), тромбоцитарного фактора росту (ТФР),
біологічні ефекти яких також підсилюються інсуліном.
357
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
Молекулярні механізми дії інсуліну
Незважаючи на численні багаторічні дослідження кращих наукових центрів світу,
молекулярні основи біохімічних та фізіологічних ефектів інсуліну, зокрема механізми
трансформації його рецептор-лігандної взаємодії в специфічні реакції ефекторних
систем клітини, залишаються не повністю розшифрованими.
Рецепторні тирозин-кінази
Рецептори для інсуліну, що локалізовані в мембранах гормоночутливих клітин,
суттєво відрізняються від розглянутих вище рецепторів для білково-пептидних гормонів
як за структурною організацією, так
і за механізмами трансдукції гор-
монального сигналу. Ці інсулінові
рецептори мають спільні принципи
біохімічної організації та функціо-
нування з рецепторами пептидних
факторів росту (ФРЕ, ФРФ, ТФР) і
отримали назву рецепторних
тирозин-кіназ. Клас рецепторів,
що розглядається, поєднує в собі
функції як власне рецептора (тобто
молекулярної структури, що специ-
фічно сполучається з біорегулято-
ром), так і трансдуктора, а також
ферменту, тобто ініціаторного ком-
понента ефекторної системи, яка реалізує
біологічну реакцію клітини на дію гормону.
Характеристика будови та механізмів функ-
ціонування рецепторних тирозин-кіназ:
1) рецептори — інтегральні білки, що про-
низують плазматичні мембрани; вони склада-
ються із зовнішнього (екстрацелюлярного) до-
мену, який послуговує для взаємодії з лігандом
(гормоном, фактором росту), внутрішньомемб-
ранної частини та цитозольного компонента, що
виконує каталітичні функції тирозин-кінази
(рис. 24.3);
2) за своєю молекулярною організацією ре-
цептори інсуліну є гетеродимерами, що склада-
ються із субодиниць двох типів, сполучених ди-
сульфідними містками з утворенням олігомерів
αα
αα
α
2
ββ
ββ
β
2
; обидві субодиниці глікозильовані.
αα
αα
α-Суб-
одиниця (м.м. 135 кД) розташована ззовні клі-
тини і містить інсулін-зв’язуючі ділянки;
ββ
ββ
β-суб-
одиниця (м.м. 95 кД) — трансмембранний
білок, цитозольний домен якого має тирозин-
кіназну активність (рис. 24.4);
Мембранний
домен
Plasma membrane
Каталітичний
домен
Ліганд-зв’язуючий
домен
Сайти
аутофосфорилювання
С
N
Рис. 24.3. Модель трансмембранної організації рецеп-
торної тирозин-кінази.
аб
N
N
N
C
C
C
αα
αα
α
αα
αα
α
ββ
ββ
β
ββ
ββ
β
Рис. 24.4. Схема молекулярної органі-
зації рецепторів (рецепторних
тирозин-кіназ) для інсуліну (а)
та епідермального фактора
росту (б).
358
Ðîçä³ë V
. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
3) зв’язування ліганда-біорегулятора з екстрацелюлярним доменом призводить
до активації протеїнкіназної активності цитозольного домену рецепторної
тирозин-кінази, який починає фосфорилювати власні тирозинові залишки (R–OH),
розташовані близько С-кінця молекули (процес аутофосфорилювання):
В свою чергу, аутофосфорильовані сайти взаємодіють з певними ферментними
білками-мішенями (Е-ОН) і здійснюють їх фосфорилювання (та модифікацію
каталітичної активності), тобто подальше передавання хімічного регуляторного
сигналу:
Важливим ферментом, що фосфорилюється в такому процесі, є фосфоліпаза С —
ключовий фермент стимуляції фосфоінозитидного циклу, що спричиняє активацію
протеїнкінази С та мобілізацію іонів інтрацелюлярного Са
2+
. Проте, розглянута
послідовність реакцій є остаточно встановленою лише для пептидних факторів росту
(зокрема ФРЕ), а питання про вторинні месенджери для інсуліну і подальшу
послідовність ферментатвних реакцій, що реалізують множинні клітинні ефекти цього
гормону, остаточно не з’ясовано.
Фактори росту та онкобілки
Значний біомедичний інтерес становить та обставина, що тирозин-кіназну
активність мають деякі онкобілки — продукти експресії в клітинах ссавців онкогенів.
Так, зокрема, тирозин-кіназами є онкобілки — продукти генів src, erbB, abI тощо,
що спричиняють розвиток різних видів злоякісних пухлин.
Більше того, певні онкобілки близькі за будовою (мають гомологічні амінокис-
лотні послідовності) з тирозин-кіназними рецепторами біорегуляторів: онкоген erbB
(що спричиняє еритробластоз у птахів) кодує онкобілок, який має властивості рецеп-
тора ЕФР, онкоген sis (спричиняє саркому у мавп) структурно подібний до ТФР тощо.
За цими даними можна припустити, що онкогени геному людини (і відповідні
онкобілки) також можуть утворюватися в результаті мутацій генів, які відповіда-
ють за експресію білкових (тирозин-кіназних) рецепторів для біорегуляторів (в
тому числі інсуліну), що контролюють ріст і проліферацію нормальних клітин
(Ю.І.Губський, 1999).
2. Глюкагон — одноланцюговий
поліпептид (м.м. 3,5 кД), що складається з 29
амінокислотних залишків. Основним місцем
синтезу гормону є A (
αα
αα
α)-клітини острівкової
частини підшлункової залози, проте значна
кількість глюкагону може утворюватися і
в інших клітинних елементах дифузної ен-
докринної системи шлунково-кишкового
тракту. Глюкагон синтезується у вигляді
прогормону (проглюкагону), який перетворюється на молекули зрілого глюкагону.
Первинна структура глюкагону.
1
29
R–OH + АТФ R–О–Ф + АДФ
R–О–Ф + E–ОН R–OH + Е–О–Ф
359
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
Біологічні функції глюкагону полягають у регуляції вуглеводного та ліпідного обміну;
за спрямованістю своєї метаболічної дії глюкагон є контрінсулярним гормоном, тобто
його ефекти на обмін вуглеводів та жирів здебільшого протилежні ефектам інсуліну.
Основною мішенню гормональної дії глюкагону є гепатоцити печінки.
(1) Вплив глюкагону на обмін вуглеводів характеризується:
а) стимуляцією глікогенолізу (без впливу на відповідний процес у м’язах) за рахунок
активації глікоген-фосфорилази; молекулярний механізм дії гормону полягає в
активації мембранної аденілатциклази з подальшим включенням цАМФ-залежного
фосфоролітичного каскаду (глава 13);
б) гальмуванням глікогенезу шляхом інгібірування активності глікогенсинтази за
рахунок її цАМФ-залежного фосфорилювання;
в) стимуляцією синтезу глюкози з амінокислот; активуючи синтез ферменту ФЕП-
кінази (через підвищення швидкості транскрипції гена ФЕП-кінази), глюкагон
виступає як найбільш потужний активатор глюконеогенезу в печінці.
Сума зазначених ефектів (а, б, в) проявляється гіперглюкоземічною дією глюкагону.
(2) Вплив глюкагону на обмін ліпідів характеризується ліполітичною 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
ββ
ββ
β-окислення та
частково перетворюються на кетонові тіла. За умов інсулінової недостатності глюка-
гон-залежне утворення ацетоацетату робить суттєвий внесок в розвиток кетонемії,
що спостерігається при цукровому діабеті.
Б. Гормони шлунково-кишкового тракту
Клітинна організація шлунково-кишкового тракту характеризується наявністю
дифузної ендокринної системи, що нараховує до 16 типів гормонопродукуючих клітин.
На даний час виділено та охарактеризовано більше 20 біорегуляторних пептидів, які
синтезуються цими клітинами.
За хімічною будовою гастроінтестинальні гормони (ентерогормони) є коротко-
ланцюговими пептидами та поліпептидами, що складаються з декількох або декількох
десятків амінокислотних залишків. Більшість сполук гормональної та медіаторної дії,
які належать до гастроінтестинальних пептидів, синтезуються також у центральній
нервовій системі, гіпоталамусі, інших залозах внутрішньої секреції.
Біохімічно ідентифікованими гормонами шлунково-кишкового тракту є: гастрин,
холецистокінін, секретин, шлунковий інгібіторний пептид, вазоактивний
інтестинальний пептид, мотилін, соматостатин, панкреатичний поліпептид,
ентероглюкагон, енкефаліни, сполука Р, бомбезин (гастрин-рилізинг-пептид).
Гастрин — ентерогормон, що синтезується G-клітинами антральної частини
шлунка, а також клітинами слизової оболонки дванадцятипалої кишки.
Властивості гастрину притаманні декільком сполукам, що мають однакові
чотирнадцять С-кінцевих амінокислот, але розрізняються довжиною поліпептидного
ланцюга (містять 14; 17 або 34 амінокислотні залишки). Кожна з молекулярних форм
гастрину може існувати в сульфатованому або несульфатованому вигляді.
Фізіологічно найбільш активним є пептид антральних G-клітин — гастрин 17;
цей гормон стимулює функціональну активність обкладинних та головних клітин слизової
360
Ðîçä³ë V
. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
оболонки шлунка, виступаючи головним стимулятором секреції шлунком соляної
кислоти та пепсину.
Гормонально активні пухлини шлунка — гастриноми призводять до аномально
збільшеної секреції соляної кислоти та супроводжуються виникненням виразок
шлунка, що є резистентними до звичайної антацидної фармакотерапії.
Холецистокінін — гормон, що продукується І-клітинами слизової оболонки
дванадцятипалої кишки та проксимального відділу порожньої кишки.
Холецистокінін є сполукою з надзвичайною молекулярною гетерогенністю:
властивості холецистокініну мають, принаймні, п’ять пептидів, що складаються з
4, 8, 12, 33 та 39 амінокислотних залишків!
Фізіологічна активність цього ентерогормону полягає в стимуляції скорочень
жовчного міхура та секреції панкреатичних ферментів; секреція холецистокініну
стимулюється при надходженні в кишечник пептидів, амінокислот, довголанцюго-
вих жирних кислот, кальцію, кислих еквівалентів. Найбільш активним є холецис-
токінін 8; цей пептид виявлений також у головному мозку, його унікальна
центральна дія полягає в розвитку почуття ситості.
Секретин — гормон, який секретується S-клітинами дванадцятипалої кишки та
проксимального відділу порожньої кишки. Є пептидом, що складається з 27 аміно-
кислотних залишків.
Секретин стимулює секрецію бікарбонату та води підшлунковою залозою у
відповідь на надходження в кишечник кислих продуктів шлунка.
24.3. ТИРЕОЇДНІ ГОРМОНИ
Тиреоїдні гормони є істинними гормонами, що
синтезуються в спеціалізованих епітеліальних
клітинах фолікулів щитовидної залози — тирео-
цитах. До цієї групи належать похідні аміно-
кислоти L-тирозину — 3,5,3',5'-тетрайод-
тиронін (тироксин) та 3,5,3'-трийодтиронін:
Біосинтез тиреоїдних гормонів потребує на-
явності йодидів, що вибірково накопичуються в
щитовидній залозі, яка поглинає їх із крові; із
загальних 20-30 мг йоду, що містяться в тілі
людини, 10-15 мг акумулюється в колоїді фолікулів
щитовидної залози.
Біосинтез тиреоїдних гормонів складається з
таких етапів (рис. 24.5):
1) акумуляція щитовидною залозою йодидів крові (І
–
) за допомогою “йодидного
насосу” та їх окислення йодидпероксидазою до молекулярного йоду:
2) синтез специфічного білка колоїду щитовидної залози тиреоглобуліну та
йодування його тирозинових залишків з утворенням монойодтирозинів (МІТ) та
I
O
II
CH
2
HC
NH
2
COOH
1'
2'
3'
4'
5'
6'
1
2
3
4
5
6
II
O
II
CH
2
HC
NH
2
COOH
1'
2'
3'
4'
5'
6'
1
2
3
4
5
6
Трийодтиронін
(3,5,3’-три-
йодтиронін)
Тироксин
(3,5,3’,5’-тетра-
йодтиронін)
2 І
–
І
2
;
– 2е
–
361
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
дийодтирозинів (ДІТ). Тиреогло-
булін — глікопротеїн з м.м. 660 кД,
що має олігомерну структуру (скла-
дається з двох субодиниць); у скла-
ді білка — 115 залишків тирозину,
15-20 % яких підлягають йодуванню;
3) перетворення йодованих тиро-
зилових залишків на йодовані тиро-
ніни (у складі молекули тиреогло-
буліну);
4) секреція йодованого тирео-
глобуліну в порожнину фолікула, де
цей високомолекулярний попередник
тиреоїдних гормонів зберігається у
складі колоїду;
5) поглинання (за умов фізіоло-
гічних потреб та стимуляції тирео-
тропіном) йодованого білка тирео-
цитами, включення його в фаголізо-
соми, розщеплення молекули йодо-
ваного тиреоглобуліну (лізосо-
мальними тиреокатепсинами) з
утворенням вільних молекул три-
йодтироніну (Т
3
) та тетрайод-
тироніну (Т
4
) і вихід їх через ба-
зальні мембрани клітин у кров.
Із двох йодованих тиронінів
більш активним є Т
3
, специфічна
гормональна активність якого пе-
ревищує відповідну активність Т
4
у
4-5 разів; у периферійних тканинах
більша частина Т
4
перетворюється
на Т
3
, і сумарна біологічна дія ти-
реоїдних гормонів в організмі на
90-95 % забезпечується саме Т
3
.
Біологічні функції тиреоїдних гормонів — полягають у контролі процесів
енергетичного обміну, біосинтезу білка та морфогенезу:
1. Стимуляція біоенергетичних процесів у тканинах при дії гормонів щитовид-
ної залози позначається збільшенням швидкості тканинного дихання (поглинання
О
2
), активності мітохондріальних ферментів елетронотранспортного ланцюга,
підвищенням рівня катаболізму вуглеводів, ліпідів, амінокислот. Разом з тим,
збільшення поглинання тканинами кисню в умовах дії тиреоїдних гормонів не
супроводжується адекватним зростанням фосфорилювання АДФ до АТФ, в
результаті чого коефіцієнт окисного фосфорилювання (Р
i
/О) зменшується, тобто
відбувається роз’єднання дихання та окисного фосфорилювання.
HO CH
2
CH
NH
CO
HO CH
2
CH
NH
CO
I
HO CH
2
CH
NH
CO
I
I
OCH
2
CH
NH
CO
I
I
HO
I
OCH
2
I
I
HO
I
I
CH
NH
CO
2І
–
І
2
– 2 е
Тирозин
МІТ
ДІТ
Трийодтиронін (Т
3
)
Т
3
вільний
Тетрайодтиронін (Т
4
)
Т
4
вільний
Рис. 24.5. Схема біосинтезу тиреоїдних гормонів.
362
Ðîçä³ë V
. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
2. Тиреоїдні гормони є потужними стимуляторами процесів морфогенезу, нео-
натального закладення, формування і розвитку тканинних структур та органів; уродже-
ний гіпотиреоз у людини супроводжується важкою затримкою психічного розвитку
новонароджених дітей. В основі позитивного впливу гормонів щитовидної залози на
морфогенез та розвиток тканин лежить їх специфічний активуючий вплив на процеси
транскрипції генів, що контролюють зазначені процеси.
Молекулярні механізми дії
Рецептори тиреоїдних гормонів локалізовані в ядрах клітин-мішеней. У взаємодії з
гормонами беруть участь специфічні рецептори
αα
αα
α-1 та
ββ
ββ
β-1, які є білками з м.м. 47 і
52 кД, відповідно. Спорідненість цих рецепторів до Т
3
значно більша, ніж до Т
4
.
Молекули тиреоїдних рецепторів мають три структурних домени: N-термінальний
домен; центральний ДНК-зв’язуючий домен з двома цинковими пальцями; С-термі-
нальний домен, що сполучається з гормоном (глава 23). Утворення комплексу гормон-
рецептор призводить до конформаційних змін у молекулі рецептора; при цьому ДНК-
зв’язуючий домен рецептора стає спроможним до взаємодії із специфічними сайтами
на промоторах генів, які контролюють транскрипцію мРНК та синтез білків, що
відповідають за прояви біологічних ефектів тиреоїдних гормонів.
Патологія щитовидної залози
Численні клінічні форми патологічних процесів, що стосуються щитовидної залози,
призводять у кінцевому підсумку до зменшення або збільшення її функціональної
активності (гіпотиреоз або гіпертиреоз, відповідно).
а) Гіпотиреоз — патологічний стан, який розвивається внаслідок дефіциту в
організмі вільних Т
3
та Т
4
або неадекватної реакції тканин-мішеней на дію гормонів.
Така ситуація може бути спричиненою 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 Т
3
та Т
4
;
– порушень у рецепторних та трансдукуючих системах, які трансформують
гормональний сигнал в специфічні ефекти тиреоїдних гормонів.
Поширеною формою гіпотиреозу є ендемічний зоб — хвороба, яка часто
зустрічається в місцевостях, де наявний екзогенний дефіцит йоду в питній води
та продуктах харчування. Захворювання характеризується збільшенням розміру
залози — “зобом”, спричиненим компенсаторною активацією виділення ТТГ;
специфічними проявами хвороби є мікседема (слизистий набряк), загальмованість
нейро-психічних процесів, рухова млявість, апатичність, у разі прояву патології в
ранньому дитячому віці — значна затримка розумового та фізичного розвитку.
б) Гіпертиреоз — патологічний стан, що пов’язаний із надлишковим утворен-
ням залозою тиреоїдних гормонів. Різні за механізмами походження клінічні форми
гіпертиреозу (базедова хвороба, хвороба Грейвса тощо) супроводжуються
тиреотоксикозом (“токсичний зоб”), характерними проявами якого є збільшення
основного обміну (поглинання організмом кисню в стані спокою), підвищена
збудливість нервової системи, психічна дратівливість, тахікардія, схуднення хво-
рих внаслідок переважання катаболічних процесів.
363
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
24.4. КАТЕХОЛАМІНИ ТА ІНШІ БІОГЕННІ АМІНИ
На відміну від тиреоїдних гормонів, значна група похідних амінокислот —
біорегуляторів із властивостями гормонів та нейромедіаторів — реалізують свою
регуляторну дію на клітини через мембранні рецептори, спряжені з внутрішньо-
клітинними сигнальними системами. До цього класу біорегуляторів належать біогенні
аміни:
– похідні L-тирозину катехоламіни: адреналін, норадреналін, дофамін;
– похідні L-триптофану індоламіни: серотонін та мелатонін;
– похідне L-гістидину (імідазоламін) гістамін.
1. Катехоламіни
Катехоламіни адреналін (епі-
нефрин) та норадреналін (нор-
епінефрин) синтезуються в хро-
мафінних клітинах мозкового ша-
ру наднирникових залоз, гангліях
симпатичної нервової системи та
адренергічних структурах цент-
ральної нервової системи.
Обидва катехоламіни мають
властивості як гормонів, так і ней-
ромедіаторів, проте в адреналіну
переважає “гормональна” дія, а в
норадреналіну — “медіаторна”.
Згідно з такими функціональними
відмінностями, основним місцем
синтезу та локалізації в організмі
адреналіну є мозковий шар над-
нирникових залоз (на його частку
припадає близько 80 % усіх ка-
техоламінів цієї структури), тоді
як норадреналін міститься пере-
важно в нейронах, його концент-
рація в головному мозку людини
перевищує відповідний рівень
адреналіну в десятки разів.
Попередниками в біосинтезі
катехоламінів є циклічні аміно-
килоти фенілаланін та тирозин;
ферментативні реакції синтезу
включають процеси гідрокси-
лювання в ядрі та бічному лан-
цюзі, декарбоксилювання з утво-
ренням аміну та метилю-вання
норадреналіну до адреналіну
(рис. 24.6).
CH
2
HC
COOH
NH
2
– OH
CH
2
HC
COOH
NH
2
– OH
CH
2
HC
COOH
NH
2
CO
2
OH
OH
HO
CH
2
CH
2
NH
2
OH
OH
HO
HC
CH
2
NH
2
CH
3
OH
HO
OH
HC
CH
2
NHCH
3
OH
OH
Рис. 24.6. Схема біосинтезу катехоламінів.
Фенілаланін
Тирозин
Діокси-
фенілаланін
(ДОФА)
2
3
Дофамін
Норадре-
налін
Адреналін
1
364
Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
Адреналін
Ефекти адреналіну пов’язані з його взаємодією з різними класами
адренорецепторів (
αα
αα
α,
ββ
ββ
β), що локалізовані як в центральній нервовій системі
(глава 33), так і в численних ефекторних системах організму.
Фізіологічні прояви 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
шлунково-кишкового тракту, нирок, бронхів, матки, ока тощо.
Біохімічні ефекти адреналіну проявляються, в основному, в катаболічній дії
гормону на вуглеводний та ліпідний (жировий) обмін, опосередкований мембран-
ними рецепторами, сполученими з аденілатциклазними ферментними
каскадами.
1. Вплив адреналіну на обмін вуглеводів (глава 13) проявляється активацією
глікогенфосфорилази, тобто глікогенолітичною дією (переважно в м’язах і част-
ково — в печінці та інших органах), що призводить до активації глікогенолізу в
м’язах і забезпеченні енергією м’язового скорочення; гіперглюкоземія, шо розви-
вається в умовах збільшеного виділення адреналіну (звичайно, разом із стимуля-
цією секреції глюкагону), має значення для забезпечення метаболічною енергією
інших тканин (особливо головного мозку).
2. Вплив адреналіну на обмін ліпідів (глава 14) характеризується ліполітичним
ефектом, спричиненим стимулювальною дією гормону на активність ТГ-ліпази
адипоцитів жирової тканини. Вихід у кров’яне русло вільних жирних кислот (мобілі-
зація НЕЖК, в якій бере участь також глюкагон) є також біохімічним механізмом
забезпечення інших тканин (зокрема, міокарда) додатковими енергетичними
субстратами.
Таким чином, сумарний підсумок фізіологічних та біохімічних ефектів катехо-
ламінів (адреналіну та норадреналіну) має на меті підготовку організму до
максимального використання енергетичних ресурсів та їх реалізацію в умовах
стресових реакцій — ситуаціях типу “боротьба або втікання”, спрямованих на
фізичне виживання особини. Вивільнення адреналіну з хромафінних клітин та
норадреналіну із закінчень симпатичних нейронів є біохімічним уособленням
термінової активації симпатикоадреналової системи (У.Кеннон) у відповідь на
вплив стресових факторів. Процеси довгострокової адаптації організму до дії
пошкоджувальних агентів реалізуються глюкокортикоїдами кори наднирникових залоз
(глава 25).
Розщеплення адреналіну та норадреналіну каталізується моноамінооксидазами
мітохондрій з утворенням гормонально неактивних альдегідів та ванілілмигдальної
кислоти.
Дофамін — біогенний амін, що є інтермедіатом у синтезі катехоламінів адреналіну
та норадреналіну. Синтез цього аміну та чутливі до нього рецепторні структури
локалізуються переважно в гіпоталамусі, мезокортикальній, лімбічній, екстрапірамідній
системах головного мозку. Окрім нейромедіаторних властивостей у центральній
нервовій системі, дофамін має близькі до інших катехоламінів симпатоміметичні
365
Ãëàâà 24. Ãîðìîíè — ïîõ³äí³ ïåïòèä³â òà àì³íîêèñëîò
властивості. Разом з тим, дофамін
здійснює специфічний саме для
нього вплив на функцію серцево-
судинної системи, спричиняє
дилатацію судин нирок, збільшує
діурез та натрійурез, стимулює
екзокринну функцію підшлункової
залози.
2. Індоламіни
Серотонін (5-гідрокситрип-
тамін) — біогенний амін, попе-
редником якого є гідроксильо-
ваний триптофан (5-гідрокси-
триптофан), що підлягає декарбоксилюванню за участю ПАЛФ-залежної
декарбоксилази з утворенням біологічно активного аміну:
Біологічні функції серотоніну в організмі людини різноманітні. Крім нейро-
медіаторної дії в спеціальних (серотонінергічних) ділянках центральної нервової
системи та участі в реалізації складних інтегративних психічних функцій, серотонін
здійснює регуляторні ефекти щодо діяльності гладеньких м’язів та, відповідно,
функцій серцево-судинної системи, шлунково-кишкового тракту, бронхів, модулює
розвиток запальних та алергічних реакцій, процесів згортання крові. Харак-
теристику серотонінергічних метаботропних рецепторів нервової системи та
молекулярних механізмів дії серотоніну подано в главі 33.
Найвищий вміст серотоніну знайдено в ентерохромафінних клітинах дванад-
цятипалої кишки, тромбоцитах, тучних клітинах сполучної тканини, центральній
нервовій системі. В головному мозку людини серотонін розподілений нерівномірно:
найбільша його кількість міститься в гіпоталамічній ділянці та середньому мозку.
Катаболізм серотоніну в організмі, як і інших фізіологічно активних амінів,
відбувається за участю мітохондріальної моноамінооксидази; в результаті реакції
утворюється 5-оксііндолацетальдегід, який окислюється до кінцевого катаболіту —
5-оксііндолоцтової кислоти, що виділяється із сечею.
Мелатонін
Похідним триптофану є також
мелатонін (N-ацетил-5-мет-
окситриптамін) — біогенний
амін, що утворюється в резуль-
таті N-ацетилювання та О-метилювання серотоніну.
Біосинтез мелатоніну відбувається в пінеалоцитах епіфіза та деяких периферійних
тканинах: шлунково-кишковому тракті, сітківці, ціліарному тілі ока тощо. Продукція
мелатоніну в епіфізі має циклічний циркадний характер, вона збільшується у темряві
і гальмується яскравим світлом.
Біологічні ефекти мелатоніну охоплюють широкий спектр фізіологічних функцій:
він є універсальним синхронізатором ендогенних біоритмів в організмі людини,
N
H
CH
2
CH
COOH
NH
2
– OH
N
H
CH
2
CH
COOH
NH
2
N
H
CH
2
CH
2
HO
HO
CO
2
NH
2
Триптофан
5-Гідрокситриптофан
5-Гідрокситриптамін (серотонін)
N
H
CH
2
CH
2
NH
OH
3
C
C
O
CH
3
Мелатонін
366 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
одним із регуляторів циклу “сон-неспання” (прискорює процес засинан-ня, модулює
структуру сну), гальмує секрецію гонадотропних гормонів гіпофіза, соматотропіну,
тиреоїдних гормонів та кортикостероїдів, стимулює деякі імунні реакції тощо.
Вважають, що синтез мелатоніну в епіфізі є важливим компонентом системи
регуляції статевої функції у людини: так, зокрема, значне падіння рівня мелатоніну
в крові у хлопчиків в період статевого дозрівання може бути регуляторним сигна-
лом, що запускає початок пубертатного періоду.
Мелатонін має високі антиоксидантні властивості як інгібітор реакцій вільноради-
кального окислення, що за деякими параметрами перевищують відповідні характе-
ристики вітаміну Е (
αα
αα
α-токоферолу). У нижчих тварин мелатонін є регулятором
пігментації покривних тканин.
3. Гістамін — похідне L-гістидину, що утворюється в реакції декарбокси-
лювання амінокислоти.
Найбільша кількість гістаміну міститься в центральній нервовій системі та
тканинних базофілах сполучної тканини. Фізіологічні ефекти гістаміну пов’язані
з його дією на гладенькі м’язи периферійних судин (дилатаційні ефекти), регуля-
цією функцій жовчного та сечового міхурів, стимулювальним впливом на секре-
цію соляної кислоти в шлунку, звуженням бронхів, нейротрансмітерною функцією,
участю в імунологічних реакціях. Надлишкове накопичення гістаміну в зонах
запалення та ділянках взаємодії антиген-антитіло є одним із патогенетичних
механізмів розвитку алергічних та анафілактичних реакцій.
Молекулярні механізми дії гістаміну на чутливі клітини реалізуються через
мембранні Н
1
- та Н
2
-рецептори:
Н
1
-рецептори спряжені із функціонуванням фосфоінозитидного циклу, вивіль-
ненням цитозольного Са
2+
, активацією гуанілатциклази та накопиченням цГМФ;
Н
2
-рецептори спряжені з активацією аденілатциклази та накопиченням
цАМФ.
Фармакологічні препарати, що є антагоністами гістамінових рецепторів:
антагоністи Н
1
-рецепторів — застосовуються при алергічних станах різного
генезу, бронхіальній астмі (Димедрол, Тавегіл, Кларитин, Кетотифен);
антагоністи Н
2
-рецепторів — застосовуються для зменшення секреції
соляної кислоти при виразковій хворобі (Ранітидин, Фамотидин).
N
N
H
CH
2
CH COOH
NH
2
CO
2
N
N
H
CH
2
CH
2
NH
2
L-Гістидин Гістамін
367
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
ГЛАВА 25. ГОРМОНАЛЬНА РЕГУЛЯЦІЯ МЕТАБОЛІЗМУ ТА
БІОЛОГІЧНИХ ФУНКЦІЙ КЛІТИНИ
III. ГОРМОНИ ТА ІНШІ БІОРЕГУЛЯТОРИ ЛІПІДНОГО
ПОХОДЖЕННЯ
25.1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СТЕРОЇДНИХ ГОРМОНІВ
Стероїдні гормони — широка група біологічно активних похідних вуглеводню
стерану, що за хімічною будовою є заміщеним циклопентанпергідрофенантреном:
Залежно від хімічної природи радикалів R
1
, R
2
, R
3
, стероїдні гормони поділяють на
декілька класів:
Виходячи із зазначеної хімічної номенклатури, стероїдні гормони поділяють на
такі групи:
1. Група прегнану (С
21
-стероїди), до яких належать:
1.1. кортикостероїди, що за біологічною активністю диференціюються на:
1.1.1. глюкокортикоїди;
1.1.2. мінералокортикоїди;
1.2. прогестагени.
2. Група естрану (С
18
-стероїди) — естрогени.
3. Група андростану (С
19
-стероїди) — андрогени;
Усі ці групи стероїдних гормонів синтезуються в організмі з поліциклічного
спирту — С
27
-
∆∆
∆∆
∆
5
-стероїду — холестеролу (холестерину) (див. главу 16). Загальну
схему хімічного генезису стероїдних гормонів подано на рис. 25.1.
Вуглеводень R
1
R
2
R
3
Кількість С-атомів
Стеран -Н -Н -Н 17
Прегнан -СН
3
-СН
3
-СН
2
-СН
3
21
Естран -СН
3
-Н -Н 18
Андростан -СН
3
-СН
3
-Н 19
Структура стеранових
вуглеводнів (в молекулі стерану
R
1
, R
2
, R
3
= H).
Нумерація вуглецевих атомів
у молекулах стероїдних
гормонів.
R
1
R
3
A
B
C
D
R
2
1
2
3
4
5
10
9
8
7
6
11
12
13
14
17
16
15
A
B
C
D
1
2
3
4
5
10
9
8
7
6
11
12
13
14
17
16
15
19
18
C
20
C
21
368 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
Окремий клас фізіологічно активних сполук стероїдного походження — вітаміни
групи D (D
2
, D
3
та їх похідні). Ці сполуки з властивостями як гормонів, так і вітамінів,
є за хімічною будовою С
27
-стероїдами (див. нижче — п. 25.4).
25.2. СТЕРОЇДНІ ГОРМОНИ КОРИ НАДНИРНИКОВИХ ЗАЛОЗ
Холестерол (С
27
)
Прегненолон (С
21
)
Прогестагени (С
21
)
Кортикостероїди (С
21
) Сексагени (С
19
, С
18
)
Глюко-
кортикоїди (С
21
)
Мінерало-
кортикоїди (С
21
)
Андро-
гени (С
19
)
Естро-
гени (С
18
)
Рис. 25.1. Генезис стероїдних гормонів з холестеролу.
CH
3
C
CH
3
O
HO
OH
CH
2
OH
O
CH
3
C
CH
3
O
HO
CH
2
OH
O
C
C
CH
3
O
HO
CH
2
OH
O
H
O
Кортизол
Кортикостерон
Альдостерон
С
21
-стероїди кори наднирникових залоз (кортикостероїди).
369
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
Стероїдні гормони кори наднирникових залоз — кортикостероїди — належать
до С
21
-стероїдів.
У корі наднирникових залоз людини синтезується близько 30 стероїдів із різними
рівнями фізіологічної активності. “Справжніми” стероїдними гормонами кори над-
нирникових залоз (тобто такими, що синтезуються в кров та впливають на чутливі
периферійні тканини) є кортизол (гідрокортизон), кортикостерон та альдостерон.
Усі три гормони мають як глюкокортикоїдну, так і мінералокортикоїдну актив-
ність, проте виражену в різній мірі: кортизол є переважно глюкокортикоїдом, альдо-
стерон — переважно мінералокортикоїдом, кортикостерону властиві обидва типи
активності, але в меншому ступені, ніж у кортизолу та альдостерону, відповідно.
Біосинтез корти-
костероїдів відбува-
ється в клітинах наднир-
кових залоз із загаль-
ного для всіх стероїд-
них гормонів поперед-
ника — С
27
-
∆∆
∆∆
∆
5
-стероїду
холестерину, який над-
ходить в стероїдогенні
клітини з кров’ю з пе-
чінки або синтезується
in situ з ацетил-КоА.
Ключовими етапами
в синтезі кортикостеро-
їдів, як і інших біологіч-
но активних стероїдів,
що проходять стадії
утворення прегненоло-
ну та прогестагенів, є:
– вивільнення холе-
стеролу з цитозольних
ліпідних крапель та над-
ходження в мітохондрії,
де відбувається його
біотрансформація;
– скорочення бічного
ланцюга холестеролу на
шість вуглецевих атомів
(перетворення С
27
С
21
) з утворенням
С
21
-
∆∆
∆∆
∆
5
-стероїду прегне-
нолону;
– перетворення пре-
гненолону (шляхом ре-
акцій окислення та ізо-
меризації) на
∆∆
∆∆
∆
4
-3-ке-
тостероїд прогестерон;
Схема біосинтезу кортикостероїдів.
CH
3
CH
CH
3
HO
CH
3
C
CH
3
HO
CH
3
O
CH
3
C
CH
3
O
CH
3
O
(CH
2
)
3
CH
3
CH
CH
3
CH
3
Холестерол (С
27
)
∆∆
∆∆
∆
5
- Прегненолон (С
21
)
Прогестерон
Кортикостерон Альдостерон Кортизол
370 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
– перетворення прогестерону на глюкокортикоїди та мінералокортикоїди (за
рахунок реакцій гідроксилювання стероїдів цитохром-Р-450-залежними окси-
геназами мішаної функції).
Біосинтез певних представників стероїдних гормонів відбувається в різних
зонах кори наднирникових залоз: в зовнішній, клубочковій зоні синтезуються
альдостерон та кортикостерон; в середній, пучковій зоні — кортизол та кортико-
стерон; у внутрішній, сітчастій — андрогени та частково кортизол.
Біологічні властивості кортикостероїдів
Фізіологічна функція кортикостероїдних гормонів полягає в регулюванні про-
цесів 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 регуляція вуглеводного обміну, спрямована на стимуляцію синтезу глюкози в
печінці, тобто глюконеогенезу. До глюкокортикоїдів належать: кортизол (гідро-
кортизон), кортизон (11-дегідрокортизол), кортикостерон, 11-дегідрокортико-
стерон. Головним (таким, що секретується в кров та найбільш активним) пред-
ставником глюкокортикоїдів є кортизол.
Активація синтезу глюкози при дії кортизолу досягається за рахунок координо-
ваної дії таких біохімічних механізмів:
у печінці — активації експресії генів, які відповідають за синтез ферментів
глюконеогенезу (ФЕП-карбоксикінази, амінотрансфераз — зокрема, тирозин-
амінотрансферази, триптофанпіролази), що постачають субстрати — поперед-
ники в синтезі глюкози;
у м’язах — пригнічення біосинтезу білка, що призводить до збільшення
концентрації вільних амінокислот, які надходять в гепатоцити, де виступають в
якості субстратів глюконеогенезу; подібний катаболічний ефект кортизолу
спостерігається також у лімфоїдній тканині.
Вплив кортизолу на ліпідний обмін проявляється, переважно, в контра-
інсулярній дії, тобто стимуляції процесів ліполізу в жировій тканині із збільшен-
ням вмісту жирних кислот (НЕЖК) в плазмі крові; в основі такого впливу глюкокор-
тикоїдів на обмін триацилгліцеролів лежить їх здатність збільшувати ліполітичну
дію катехоламінів та соматотропіну — “пермісивний ефект глюкокортикоїдів”.
Крім контролю зазначених метаболічних шляхів, кортизол та інші глюко-
кортикоїди регулюють течію багатьох фізіологічних процесів в організмі, змінюючи
реактивність клітин відносно інших гормонів та нейромедіаторів. Особливо важли-
вими є ефекти глюкокортикоїдів (разом з ефектами катехоламінів), спрямовані
на мобілізацію захисних реакцій організму в умовах стресу, зокрема при хірургіч-
них втручаннях, травмах, інфекціях. У високих фармакологічних дозах глюкокорти-
коїди та їх синтетичні похідні мають виражені протизапальні властивості, пов’я-
зані з гальмуванням фосфоліпази А
2
, необхідної для вивільнення арахідонової
кислоти — попередника в синтезі простагландинів (див. нижче); цей протизапальний
ефект сполук із властивостями глюкокортикоїдів знайшов широке застосування в
клінічній практиці (препарати Преднізолон, Дексаметазон, Тріамсинолон тощо).
371
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
Регуляція синтезу та секреції кортизолу
Біохімічним сигналом, що стимулює синтез та над-
ходження в кров кортизолу, є зменшення концентра-
ції в крові глюкози. Гіпоглікемія спричиняє вклю-
чення процесів кортизолзалежного глюконеогенезу
через чутливі структури гіпоталамуса, що секрету-
ють кортиколіберин (кортикотропін-рилізинг-гормон),
який, у свою чергу, активує виділення кортикотро-
піну (АКТГ) і, відповідно, утворення в корі наднир-
никових залоз кортизолу.
Добова секреція в організмі людини кортизолу та
гіпофізарного кортикотропіну має ритмічний характер
із максимумом у ранкові години, тобто в постабсорб-
тивний період вичерпання внутрішніх резервів
глюкози: найбільше зростання рівня АКТГ у сироватці
крові спостерігається о 6-й-8-й годині ранку, дещо
передуючи росту кортизолу (рис. 25.2)
Хвороба Іценко-Кушинга — патологічний стан,
який характеризується аномальним збільшенням
продукції в організмі людини глюкортикоїдів, зокрема
кортизолу. Ця патологія виникає внаслідок наявності
гормонопродукуючої пухлини наднирникових залоз
або гіпофіза (із відповідним збільшенням секреції
кортикотропіну). Головними проявами захворювання
є зменшення толерантності до глюкози, наявність стійкої гіперглікемії та глюкозурії,
навіть у постабсорбтивному стані, тобто через декілька годин після останнього
прийому їжі, порушення жирового обміну; оскільки для природних глюкокортикоїдів
властиві також мінералокортикоїдні ефекти (див. нижче), при хворобі Іценко-Кушинга
розвиваються затримка в організмі Na
+
і важка гіпертензія.
Мінералокортикоїди — кортикостероїди, біологічна дія яких полягає в регу-
ляції водно-сольового обміну в тканинах: мінералокортикоїди спричиняють
затримку в організмі іонів Na
+
та виведення К
+
і Н
+
. Мінералокортикоїдну
активність мають такі стероїди, що синтезуються в наднирникових залозах:
альдостерон, 18-оксикортикостерон, 11-дезоксикортикостерон (ДОК) та деякі
інші сполуки. Серед них найбільш активний альдостерон (єдиний мінералокорти-
коїд, що секретується в кров), мінералокортикоїдний ефект якого перевищує дію
інших стероїдів приблизно в 100 разів.
Альдостерон — основний мінералокортикоїд, який синтезується в клітинах
клубочкової зони кори наднирникових залоз; головний біохімічний ефект дії
альдостерону полягає в стимуляції реабсорбції Na
+
(а разом з ним і Cl
–
) в дистальній
частині канальців нефронів.
Молекулярні механізми дії альдостерону, як і інших стероїдних гормонів,
полягають у взаємодії в цитозолі клітин-мішеней із специфічним рецептором, що
в комплексі з мінералокортикоїдом переноситься в ядро клітини; активований
б
мкг/100 мл
04812162024
4
8
12
16
20
24
час доби
нг/мл
Сон
а
10
20
30
40
50
60
70
048
12 16
20
24
Рис. 25.2. Добовий ритм секре-
ції АКТГ (а) та корти-
золу (б) (за М.І.Бала-
болкіним, 1998).
372 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
альдостероном рецептор спричиняє активацію генів, що необхідні для синтезу білків,
які реалізують транспорт Na
+
через апікальну та базальну мембрани чутливих клітин
нефронів.
Альдостеронізм
У нормі клубочкова зона кори наднирникових залоз продукує 60-90 мкг альдостерону
на добу. Стан збільшення концентрації гормону внаслідок підвищеного його утворення
в корі наднирникових залоз або зменшення швидкості катаболізму гормону в печінці
при порушенні функції гепатоцитів (наприклад, при цирозі печінки) отримав назву
синдрому альдостеронізму; патологія проявляється гіпертензією та розвитком
набряків внаслідок збільшеної затримки в організмі іонів натрію та води. Первинний
альдостеронізм (синдром Кона) — захворювання, спричинене аденомою кори
наднирникових залоз, що секретується в системі ренін-ангіотензин.
Система ренін-ангіо-
тензин — система вазоак-
тивних пептидів, яка є ре-
гулятором артеріального
тиску та водно-електроліт-
ного обміну в організмі лю-
дини. Основним компонен-
том системи є октапептид
ангіотензин II, що утворю-
ється шляхом ступеневого
обмеженого протеолізу з
білка
αα
αα
α
2
-глобулінової фрак-
ції сироватки крові — ангіо-
тензиногену:
При дії протеолітичного ферменту реніну, який синтезується в юкстагломеруляр-
них клітинах аферентних артеріол нефронів, відбувається відщеплення від ангіо-
тензиногену декапептиду ангіотензину I, який, e свою чергу (за дії протеїнази
ангіотензинперетворюючого ферменту, АПФ), перетворюється на судинозвужу-
вальний пептид ангіотензин II. Фізіологічним стимулом для продукування реніну
і запуску протеолітичного каскаду утворення ангіотензину II є зниження арте-
ріального тиску.
Ангіотензин II є найбільш потужним судинозвужувальним фактором; його
біологічні ефекти реалізуються також за рахунок стимуляції секреції альдостерону
та вазопресину (антидіуретичного гормону), що в цілому призводить до затримки в
організмі іонів Na
+
та води. Інгібітори ангіотензинперетворюючого ферменту
спричиняють зниження артеріального тиску і мають діуретичну (і натрійуретичну)
фармакологічну дію; ці сполуки — інгібітори АПФ — застосовують як ефективні
засоби для терапії гіпертонічної хвороби (препарати Каптоприл, Еналаприл тощо).
Натрійуретична система
Фізіологічним антагоністом альдостерону та ангіотензину II є натрійуретична
система, що складається з пептидів, які синтезуються, переважно, в міокарді
Ренін
Ангіотензин I
(декапептид)
Ангіотензин II
(октапептид)
Продукти деградації
Ангіотензиназа
АПФ
Ангіотензиноген
(~ 400 а.з.)
Asp–Arg–Val–Tyr–Ile–His–Pro–Phe–His–Leu–Leu– ...
10 а.з.
8 а.з.
373
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
(міоцитах передсердя) та головному мозку. Натрійуретичний фактор (гормон),
що продукується в передсерді, — це пептид (126 амінокислотних залишків), який
має натрійуретичні, діуретичні та калійуретичні властивості; при дії протеаз крові
та тканин вихідний пептид (прогормон) розщеплюється на окремі пептиди із
зазначеними активностями. Натрійуретичні пептиди виявлені (хоча і в значно
менших концентраціях) також у наднирникових залозах, нирках, матці.
25.3. СТЕРОЇДНІ ГОРМОНИ СТАТЕВИХ ЗАЛОЗ
Статеві гормони людини — сексагени, сексгормони — синтезуються в жіночих
і чоловічіх статевих залозах, плаценті та частково — в корі наднирникових залоз.
Статеві гормони забезпечують статеву диференціацію людини на чоловічу та
жіночу особини, контролюють комплекс біологічних функцій, пов’язаних із роз-
множенням, тобто збереженням виду Homo sapiens як такого.
Жіночі статеві гормони
До жіночих статевих гормонів належать:
естрогени — похідні естрану (С
18
-стероїди);
прогестагени — похідні прегнану (С
21
-стероїди).
Естрогени
Естрогени — гормони, що синтезуються у фолікулах яєчників жінок. Основним
найбільш активним представником естрогенів є гормон 17-
ββ
ββ
β
-естрадіол (естрадіол),
який зворотно перетворюється на естрон:
Значно меншу біологічну естрогенну активність має естріол, який є продуктом
незворотної біотрансформації естрону в печінці:
CH
3
OH
HO
CH
3
O
HO
17-
ββ
ββ
β-Естрадіол Естрон
CH
3
OH
HO
OH
Естріол
естрон 16-
αα
αα
α-гідроксіестрон
374 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
Естрон утворюється також у плаценті як плацентарний гормон під час вагіт-
ності; в цьому разі попередником естрону є стероїд дегідроепіандростерон, що
надходить у плаценту з наднирникових залоз плода.
Біосинтез естрадіолу –– процес, який відбувається, головним чином (на 95 %
від його загального пулу), в клітинах внутрішньої оболонки (theca interna) фолікулів
яєчників під час фолікулярної фази менструального циклу; концентрація естрадіолу
в крові є показником ступеня дозрівання фолікула. В значно меншій мірі естрадіол
утворюється в жовтому тілі, плаценті і частково — в корі надниркових залоз.
Вихідною сполукою для біогенезу естрогенних гормонів, як і інших стероїдів, є
холестерин, який через прегненолон перетворюється, послідовно, на 17-
αα
αα
α-гідро-
ксипрогестерон та андрогени — головні найближчі попередники естрадіолу (як
дотепно зауважує А.Ленінджер (1982), — “Справді, не тільки з ребра Адама була
створена Єва!”); частково естрогени можуть утворюватися з 17-
αα
αα
α-гідрокси-
прогестерону, минаючи стадію андрогенів (рис. 16.3).
Біологічні властивості естрогенів
Естрогени (переважно естрадіол) стимулюють розвиток тканин, що беруть участь
у реалізації репродуктивної функції жіночого організму: зумовлюють проліферацію
та диференціювання епітелію піхви, проліферацію та гіпертрофію ендометрію, появу
власної ритмічної рухомості міометрію. Під час пубертатного періоду естрогени за-
безпечують становлення вторинних статевих ознак жінки: ріст і дозрівання геніталій,
проток молочних залоз, кісток скелета, відкладання характерної для жіночого
організму підшкірної жирової тканини.
Прогестагени
Прогестагени — гормони жовтого тіла яєч-
ників та плаценти, основним представником
яких є прогестерон.
Утворення прогестерону з холестерину є
спільним етапом у біосинтезі С
21
-стероїдів і було
розглянуто вище (див. Біосинтез кортико-
стероїдів).
Біотрансформація прогестерону в організмі
призводить до утворення прегнандіолу, що
екскретується із сечею:
Біологічні властивості прогестерону
Прогестерон — гормон, що синтезується
переважно в жовтому тілі яєчників у лютеїнову
фазу менструального циклу. Фізіологічна функ-
ція прогестерону полягає у підготовці матки та
інших статевих органів до імплантації заплід-
неної яйцеклітини та розвитку вагітності: гормон
сприяє переходу ендометрію з проліферативної
до секреторної фази, зменшує тонус м’язів матки,
спричиняє проліферацію та розвиток молочних
залоз, а в разі настання вагітності сприяє гальму-
ванню овуляції.
CH
3
C
O
CH
3
O
CH
3
Прогестерон
CH
3
CH
HO
CH
3
CH
3
OH
Проге-
стерон
Прегнандіол
375
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
Менструальний цикл
Жіноча репродуктивна сфера у людини та приматів зазнає циклічних змін,
які зумовлені складними фізіологічними і біохімічними взаємовідносинами між
гіпоталамусом, гіпофізом та яєчниками. Менструальний цикл у жінок складається
з таких фаз: фолікулярної фази, лютеїнової фази та власне менструації.
Циклічна секреція
естрогенів та проге-
стерону, що забезпе-
чує зміни в жіночих
статевих органах про-
тягом менструального
циклу, контролюється
гонадотропінами гіпо-
фіза — фолікуло-
стимулюючим гор-
моном (ФСГ) та лю-
теїнізуючим гормо-
ном (ЛГ). ФСГ та ЛГ
стимулюють визрі-
вання фолікула, його
розрив та трансфор-
мацію в жовте тіло.
Утворення естрогенів
у фолікулах стимулю-
ється переважно ФСГ,
проте при наявності
певної концентрації
ЛГ; функції жовтого
тіла контролюються,
в основному, ЛГ. Знач-
не зростання (пік)
концентрацій ФСГ та
ЛГ передує овуляції
(рис. 25.3).
Чоловічі статеві гормони
Чоловічі статеві гормони — андрогени — є по-
хідними андростану (С
19
-стероїди). Основним
андрогеном є тестостерон, що синтезується в
інтерстиціальних клітинах сім’яників (клітинах
Лейдига). Добова секреція тестостерону у чоловіків
складає в нормі близько 5 мг.
У клітинах-мішенях тестостерон конвертується
в більш активний метаболіт — дигідротесто-
стерон (ДГТ), для якого тестостерон є, по суті,
Менструація
ЛГ, ФСГ мМЕд/млЛГ
Менструація МенструаціяОвуляція
Прогестерон
Прогестерон,
нг/мл
Естрадіол,
нг/мл
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
–12–10–8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10 12 14
ЛГ
ФСГ
Естрадіол
40
36
32
28
24
20
16
12
8
4
Яєчник
Ріст фолікулів
Ендометрій
Проліферація
Секреторна фаза
Жовте тіло
–12–10 –8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10 12 14
60
80
Рис. 25.3. Циклічні зміни концентрацій жіночих статевих гормонів та
гонадотропінів протягом менструального циклу (за J.Tepper-
man, H.M.Tepperman, 1987).
Тестостерон
OH
O
CH
3
CH
3
376 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
прогормоном. Наявність
ДГТ виявляється в сім’яних
везикулах, передміхуровій
залозі, зовнішніх статевих
органах та деяких ділянках
шкіри.
Перетворення тестосте-
рону на ДГТ каталізується
НАДФН-залежною 5-
αα
αα
α-
редуктазою:
Біотрансформація тестостерону в печінці та інших тканинах супроводжується
утворенням метаболітів із значно зменшеною або відсутньою андрогенною
активністю; основними представниками продуктів такого перетворення тестостерону
є 17-кето- (або 17-оксо) стероїди — андростерон та етіохоланолон.
Біологічні властивості тестостерону полягають у забезпеченні репродуктивної
функції чоловічого організму шляхом контролю сперматогенезу та стимуляції
розвитку в пубертатний період первинних та вторинних статевих ознак. Крім того,
характерною особливістю біохімічної дії андрогенів (тестостерону, його похідних та
синтетичних андрогенів) є виражений анаболічний ефект, що проявляється стиму-
ляцією синтезу білка в багатьох тканинах, особливо у м’язах; ця властивість андрогенів
використовується при створенні синтетичних анаболічних препаратів.
Фізіологічні функції чоловічих статевих залоз знаходяться під контролем гонадо-
тропних гормонів ФСГ та ЛГ: ФСГ стимулює сперматогенний епітелій яєчок, а
ЛГ (гормон, що стимулює інтерстиціальні клітини — ГСІК) активує синтез та
секрецію тестостерону. Концентрація тестостерону в сироватці крові, як і
глюкокортикоїду кортизолу, циклічно змінюється протягом доби з максимумом о
7-й-9-й год ранку та мінімумом — о 24 год та 3 год ранку.
Молекулярні механізми дії статевих гормонів, як і кортикостероїдів, полягають
у взаємодії відповідного гормону в клітинах-мішенях із специфічним цитозольним
рецептором, транслокації комплексу стероїд-рецептор в ядро та стимуляції екс-
пресії генів, що контролюють синтез білків, які реалізують фізіологічну функцію
даного гормону.
25.4. ГОРМОНИ — РЕГУЛЯТОРИ ГОМЕОСТАЗУ КАЛЬЦІЮ
Іони Са
2+
є інтегральними компонентами багатьох біоструктур та еволюційно
прадавніми внутрішньоклітинними месенджерами, що регулюють множинні
метаболічні процеси і фізіологічні функції.
Шляхом зміни своєї внутрішньоклітинної концентрації кальцій контролює перебіг
життєво важливих біохімічних реакцій і бере участь у реалізації ефектів більшості
фізіологічно активних сполук, які спричиняють активацію фізіологічних функцій
різноманітних клітин, що дозволило образно назвати цей макроелемент “королем
месенджерів” (H.Rasmussen, B.Goodman, 1977).
Тестостерон
НАДФН
НАДФ
+
Дигідротестостерон
OH
O
CH
3
CH
3
377
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
Розподіл кальцію в організмі
Загальна кількість кальцію в тілі дорослої людини досягає 1 кг, близько 99 %
якого локалізовано в кістках, де кальцій разом із фосфатами утворює кристали
гідроксіапатиту, що складають основу неорганічної структури скелета. Зов-
нішньоклітинна концентрація іонів кальцію (Са
2+
) є величиною порядку 10
–3
М,
внутрішньоклітинна —10
–6
-10
–8
М. Всередині клітин Са
2+
локалізований (“сек-
вестрований”) переважно в мітохондріях та структурах ендоплазматичного (сар-
коплазматичного) ретикулума; біологічно активні сполуки (гормони, медіатори,
лікарські засоби тощо) спричиняють зростання концентрації іону в цитозолі (та
активацію фізіологічних функцій клітини) за рахунок його входу ззовні через
канали плазматичних мембран та (або) вихід Са
2+
із внутрішньоклітинних депо
(мобілізація внутрішньоклітинного кальцію).
Концентрація кальцію в плазмі крові є однією з гомеостатичних констант ор-
ганізму людини, складаючи в нормі 2,25-2,85 ммоль/л (Є.М.Нейко, В.І.Боцюрко,
1998). Кальцій у плазмі крові знаходиться у вигляді трьох молекулярних форм:
— в іонізованому вигляді (1,05 -1,20 ммоль/л) — біологічно найбільш актив-
ний кальцій;
— у вигляді кальцію, зв’язаного з білками, переважно з сироватковим альбу-
міном (приблизно половина всього кальцію плазми);
— у вигляді слабко дисоціюючих солей з аніонами органічних та неорганічних
кислот, зокрема цитратами, фосфатами тощо (близько 6 % загального вмісту каль-
цію в плазмі).
Гомеостаз кальцію
Як загальна кількість кальцію в організмі, так і концентрація його іонізованої
форми в екстрацелюлярних просторах та всередині клітин, тобто гомеостаз каль-
цію, визначається функціонуванням таких анатомо-фізіологічних систем:
1. Кісток скелета — резервуара кальцію.
Клітинні елементи кісткової тканини здійснюють не тільки утворення кісток, але
й виконують найважливішу функцію контролю кальцієвого гомеостазу в організмі:
а) завдяки діяльності клітин, що утворюють кісткову тканину (остеобластів)
відбувається як біосинтез компонентів остеоїду — органічного матриксу кісткової
тканини (містить колаген I типу — близько 90 % всіх білків кісткового матриксу,
глікопротеїни та протеоглікани), так і відкладення впродовж колагенових фібрил
кристалів гідроксіапатиту кальцію, тобто мінералізація остеоїду;
б) завдяки функціонуванню остеокластів (похідних моноцитів) — клітин, що
здійснюють резорбцію (resorptio — лат.) кісткової тканини, відбувається звільнен-
ня кальцію, що зв’язаний з органічним матриксом кісток, та вихід Са
2+
в кров.
2. Тонкої кишки, у верхніх відділах якої здійснюється всмоктування (абсорбція
та реабсорбція) кальцію і фосфатів, які споживаються у складі продуктів харчу-
вання або надходять у порожнину кишечника внаслідок звільнення цих іонів у
процесі метаболізму.
3. Нирок, уздовж канальців яких відбувається реабсорбція іонів кальцію та
фосфатів.
378 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
У свою чергу, ефекторна функція кісток, кишеч-
ника та нирок відносно обміну та гомеостазу кальцію
є об’єктом гуморального контролю з боку трьох фізіо-
логічно активних сполук, які є головними регуля-
торами кальцієвого балансу в організмі: паратгормону,
кальцитріолу (вітаміну D
3
) та кальцитоніну (рис. 25.4).
Паратгормон
Паратгормон (паратиреоїдний гормон) — спо-
лука, що синтезується в головних і ацидофільних
клітинах паращитовидних залоз.
За хімічною природою є простим білком (
м.м.
=
9,5 кД)
, який має один поліпептидний ланцюг, що
складається з 84 амінокислотних залишків. Парат-
гормон синтезується на рибосомах у формі препро-
паратгормону (115 амінокислотних залишків),
який підлягає процесингу в ендоплазматичному
ретикулумі та апараті Гольджі з утворенням спочат-
ку пропаратгормону (90 амінокислотних залишків),
а потім — паратгормону.
Паратгормон має гіперкальціємічний ефект, водночас зменшуючи концентрацію
в крові фосфатів, що є результатом його впливу на обмін цих сполук в таких
ефекторних системах:
– у кістковій тканині паратгормон стимулює функціональну активність
остеокластів, що призводить до резорбції як органічного матриксу, так і нерганічних
структур кістки із звільненням кальцію та фосфатів і виходом їх у екстрацелюлярний
простір та в кров. Внутрішньоклітинними посередниками в дії паратгормону на
остеокласти виступають іони кальцію, які надходять у клітини внаслідок взаємодії
гормону з мембранними рецепторами і, після сполучення з кальмодуліном
спричиняють активацію синтезу ферментів, що беруть участь у резорбції кісткової
тканини.
– в нирках паратгормон збільшує реабсорбцію Са
2+
в дистальних відділах
канальців та, навпаки, пригнічує реабсорбцію фосфатів, що може призводити при
аномальному зростанні кількості гормону в організмі (див. нижче) до фосфатурії та
гіпофосфатемії;
– в кишечнику дія паратгормону призводить до стимуляції всмоктування Са
2+
в
кров через апікальні мембрани ентероцитів; цей ефект гормону є опосередкованим
за рахунок його позитивного впливу на біосинтез кальцитріолу, який є справжнім
активатором абсорбції кальцію в кишечнику.
Кальцитріол (1,25(ОН)
2
D
3
)
Кальцитріол — сполука гормонального типу дії, що утворюється в організмі з
біологічного попередника, яким в організмі людини та вищих тварин є
жиророзчинним вітаміном D
3
(холекальциферол).
Біологічна функція кальцитріолу полягає в стимуляції всмоктування Са
2+
та
фосфатів в кишечнику. Кальцитріол є єдиною природною фізіологічно активною
Кальцитонін
Паратгормон
1,25(OH)
2
D
3
Ca
2+
Рис. 25.4. Шляхи контролю гомео-
стазу кальцію з боку па-
ратгормону, кальцитрі-
олу та кальцитоніну.
(В.Б. Розен, 1984).
379
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
сполукою, ефект якої полягає в транспортуванні Са
2+
проти концентраційного
градієнта, що існує на мембрані ентероцитів; тим самим кальцитріол підтримує
фізіологічні концентрації кальцію і фосфатів у плазмі крові, що забезпечує умови
для нормальної побудови кісткової тканини.
Молекулярні механізми дії кальцитріолу принципово аналогічні таким для інших
стероїдних гормонів: в цитозолі клітин кишечника гормон сполучається з білковим
рецептором (м.м. близько 9-10 кД),
який (у комплексі з кальцитріолом)
транслокується в ядро, де, взаємо-
діючи з ядерним хроматином,
активує експресію генів, що контро-
люють синтез Са-зв’язуючих білків.
Кальцитріолзалежні Са-зв’язуючі
білки ентероцитів і є біохімічними
ефекторами, необхідними для
транспорту кальцію в кишечнику
через апікальні мембрани ентеро-
цитів. В умовах D-авітамінозу —
клінічно проявляється, як рахіт, Са-
зв’язуючі білки в клітинах кишеч-
ника відсутні, що визначає комп-
лекс біохімічних та патофізіоло-
гічних змін, властивих цій патології.
Біосинтез кальцитріолу
Кальцитріол синтезується із 7-де-
гідрохолестерину (продукту дегід-
рування холестерину) в результаті
складної послідовності біохімічних
реакцій, що включають міжорган-
ний перенос кров’ю певних моле-
кул-попередників (рис. 25.5); деяка
кількість вітаміну D
3
надходить в
організм з продуктами харчування
(тваринні жири, печінка риб, жов-
ток курячого яйця тощо).
Як випливає із схеми, що наве-
дена, біосинтез фізіологічно актив-
них похідних вітаміну D
3
включає
такі етапи:
(1) утворення вітаміну D
3
(каль-
ціолу, холекальциферолу) в шкірі
(мальпігієвому шарі епідермісу) з
7-дегідрохолестерину в результаті
Рис. 25.5. Схема біосинтезу кальцитріолу.
CH
3
CH
HO
CH
2
CH
3
(CH
2
)
3
CH
CH
3
CH
3
25
1
3
CH
3
CH
HO
CH
2
CH
3
(CH
2
)
3
C
CH
3
CH
3
25
1
3
OH
CH
3
CH
HO
CH
2
CH
3
(CH
2
)
3
C
CH
3
CH
3
25
1
3
OH
OH
Холестерин
7-Дегідрохолестерин
У шкірі УФ-опромінення
Кальціол (вітамін Д
3
)
У печінці
25-гідроксилаза
Кальцидіол (25–ОН-Д
3
)
В нирках
1-гідроксилаза
Кальцитріол (1,25(ОН)
2
-Д
3
)
380 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
неферментативного фотолізу, що спричиняється променями ультрафіолетової ділянки
сонячного світла;
(2) транспорт вітаміну D
3
ендогенного або екзогенного походження (із шкіри
або кишечника) в печінку за допомогою D-зв’язуючого білка крові;
(3) перетворення в гепатоцитах вітаміну D
3
(кальціолу) на кальцидіол (25–ОН–D
3
);
цей процес (25-гідроксилювання) відбувається в мембранах ендоплазматичного
ретикулума і каталізується (як і інші реакції гідроксилювання стероїдів) специ-
фічною монооксигеназою (мікросомальною оксигеназою мішаної функції), що є
однією з ізоформ цитохрому Р-450;
(4) 25–ОН–D
3
, що утворився в печінці, має певні кальційзв’язуючі властивості,
але для його повної активації необхідне додаткове гідроксилювання, яке відбувається
в нирках, куди кальцидіол надходить із гепатоцитів, транспортуючись кров’ю у
комплексі з D-зв’язуючим білком;
(5) перетворення в мітохондріях ниркових канальців кальцидіолу (25–ОН–D
3
) на
кальцитріол — 1,25(ОН)
2
D
3
. Процес каталізується 1-гідроксилазою — ферментним
комплексом, до складу якого входять електронотранспортний білок фередоксин,
нирковий флавопротеїн фередоксин-редуктаза та одна з ізоформ цитохрому Р-450.
У результаті реакції утворюється 1,25 (ОН)
2
D
3
— найбільш біологічно активне похідне
вітаміну D
3
. Синтез вітаміну D
3
в нирках здійснюється за участю паратгормону, який
необхідний для нормального перебігу ферментних реакцій окислювального
гідроксилювання.
Кальцитонін
Кальцитонін — гормон, який синтезується в парафолікулярних (С-клітинах)
щитовидної залози. Це поліпептид (м.м. 3 кД), що складається з 32 амінокислотних
залишків і синтезується у вигляді препрокальцитоніну (м.м. — близько 13 кД), який
у результаті посттрансляційного процесингу послідовно перетворюється на
прокальцитонін і кальцитонін.
На відміну від паратгормону та кальцитріолу, кальцитонін є гормоном гіпо-
кальціємійної дії, що зменшує концентрацію в плазмі крові Са
2+
та неорганічних
фосфатів. Механізм дії кальцитоніну полягає в пригніченні функції остеокластів та
зменшенні їх утворення з клітин попередників; у результаті цих клітинних ефектів
резорбція як органічної, так і неорганічної складової кісткового матриксу гальмуються,
що призводить до зменшення надходження в кров кальцію та фосфатів. Фізіологічним
стимулятором секреції кальцитоніну є зростання концентрації Са
2+
в плазмі крові.
Порушення кальцієвого гомеостазу
Найбільш поширеними клінічно окресленими порушеннями гомеостазу каль-
цію є патологічні синдроми, пов’язані з дефіцитом вітаміну D
3
(які проявляються
як рахіт у дітей і різні форми остеопорозу в дорослому та похилому віці) та
захворювання, спричинені первинною патологією паращитовидних залоз — гіпер-
та гіпопаратиреоз.
Рахіт — захворювання дитячого віку, яке спричиняється зменшеним надхо-
дженням та (або) синтезом в організмі вітамінів групи D — тваринного D
3
(холе-
кальциферолу) та рослинного D
2
(ергокальциферолу). Вірогідність захворювання
значно зростає в умовах недостатнього опромінення шкіри дитини сонячним світлом,
381
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
що є необхідним для утворення вітаміну D
3
з 7-дегідрохолестерину. Основними
проявами рахіту є гіпокальціємія та гіпофосфатемія, які призводять до глибоких
порушень кальцифікації кісткової тканини та специфічних змін скелета.
Гіперпаратиреоз — група захворювань, розвиток яких пов’язаний із надлиш-
ковою секрецією паратгормону, аномальним збільшенням внаслідок цього
концентрації кальцію в сироватці крові і гіпофосфатемією. Первинний гіпер-
паратиреоз — патологія, що спричиняється наявністю в паращитовидних залозах
гормонально активних пухлин — аденоми, карциноми або гіперплазією залози.
Провідними симптомами захворювань цієї групи є ураження кісткової системи
(проявляється демінералізацією кісток — остеопорозом) та нирок із розвитком
сечокам’яної хвороби (внаслідок відкладання солей та утворення каменів, що
складаються з оксалату та фосфату кальцію) і нефрокальцинозу.
25.5. ФІЗІОЛОГІЧНО АКТИВНІ ЕЙКОЗАНОЇДИ
Ейкозаноїди — сполуки, що належать до біорегуляторів
клітинних функцій ліпідної природи. Ейкозаноїди є
фізіологічно активними похідними арахідонової (ейкоза-
тетраєн-5,8,11,14-ової, С
20:4
) кислоти.
Залежно від особливостей хімічної структури, ейкоза-
ноїди поділяються на: простагландини, тромбоксани та
лейкотрієни — сполуки, що розрізняються будовою та
спектрами біологічної дії. Окрім похідних арахідонової
кислоти, деякі сполуки з класу простагландинів є похідними
αα
αα
α- та
γγ
γγ
γ-ліноленової кислоти.
Ейкозаноїди, як і гормони, належать до сигнальних
молекул, що контролюють течію внутрішньоклітинних про-
цесів, але, на відміну від справжніх гормонів, вони утво-
рюються не в залозах внутрішньої секреції, а безпосередньо
в тканинах і в багатьох випадках виступають посередниками
в реалізації певних ефектів інших гормонів та медіаторів
на клітину. Біологічні функції простагландинів та інших
ейкозаноїдів реалізуються в надзвичайно низьких кон-
центраціях — близько 10
–11
моль/л.
Наявність у сім’яній рідині фізіологічно активних сполук,
що впливають на тонус гладенької мускулатури матки та інших
органів, зокрема зменшують артеріальний тиск, була вперше
встановлена в 1935 р. У. Ейлером, який запропонував термін —
простагландини. Питання хімічної будови та синтезу з арахідо-
нової кислоти простагландинів і структурно близьких до них
сполук були вивчені в 70-х роках С. Бергстремом (S. Bergstrom),
Дж. Вейном (J.Vane) та Б. Самуельсоном (B. Samuelsson).
Номенклатура ейкозаноїдів
Ейкозаноїди поділяються на декілька кла-
сів фізіологічно активних сполук: проста-
гландини та структурно близькі до них прос-
тацикліни; тромбоксани; лейкотрієни.
Рис. 25.6. Ейлер (Euler)
Ульф (1905-1983),
шведський фізіо-
лог, професор Ка-
ролінського ун-ту.
Першовідкривач
простагландинів,
норадреналіну, спо-
луки Р. Нобелівсь-
ка премія (1970).
COOH
Арахідонова кислота
Простаноєва кислота
COOH
CH
3
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15 17 19
1816
20
382 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
1. Простаглагандини — гідроксипохідні 20-вуглецевих жирних кислот, що
містять у своїй структурі 5-членний цикл.
Простагландини та простацикліни разом складають клас простаноїдів — по-
хідних простаноєвої кислоти, яка утворюється за рахунок замикання зв’язку
між 8-м та 12-м вуглецевими атомами в молекулі арахідонової кислоти:
Простагландини позначаються ско-
рочено ПГ (PG — англ.) з додаванням
заголовної літери латинського алфавіту
(A, В, D, E, F, G, H, I), цифрового ін-
дексу, що вказує на кількість подвійних
зв’язків у бічному ланцюзі, та (в деяких
випадках) — літер и грецького алфавіту
(позначає певний ізомер). Довжина біч-
них ланцюгів в більшості простаглан-
динів складає 7 або 8 вуглецевих атомів:
Окремі представники простаглан-
динів розрізняються наявністю та роз-
ташуванням кето- або гідроксильної
групи в кільці або бічному ланцюзі, бу-
довою бічних ланцюгів (R
7
, R
8
, R
4
),
наявністю в них подвійних зв’язків.
Приклади структури деяких поширених простагландинів:
Своєрідну будову з наявністю
внутрішньої циклічної кисневої
структури має простагландин PGI
2
, що
отримав назву простацикліну:
2. Тромбоксани — гідроксипохідні
20-вуглецевих жирних кислот, що
містять у своїй структурі 6-членний
кисеньвмісний цикл. Активна форма
O
OH OH
–
OOC
Простациклін (PGI
2
)
O
R
8
R
7
O
R
8
R
7
OH
O
R
8
R
7
OH
R
8
R
7
OH
O
OH
R
8
R
4
OH
R
8
R
7
R
8
R
7
O
O
O
PGA
PGE
PGB
PGF
αα
αα
α
PGI
PGD
PGG і PGH
Загальна структура семи сімейств
простагландинів (PGA ... PGI).
O
COO
–
OH
O
COOH
OH
OH
O
COOH
OH
OH
Простагландин А
2
Простагландин Е
1
Простагландин Е
2
383
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
тромбоксанів — тромбоксани А мають
внутрішній атом кисню в гетероцикліч-
ному кільці:
Біосинтез простагландинів та
тромбоксанів
Метаболічне джерело в синтезі всіх
ейкозаноїдів — арахідонова кислота
(С
20:4
) утворюється за рахунок дії на мемб-
ранні гліцерофосфоліпіди ферменту фос-
фоліпази А
2
.
Ключовою подією у вступі вільної ара-
хідонової кислоти на шлях біосинтезу про-
стагландинів і тромбоксанів є дія про-
стагландин-синтазного комплексу, який за
рахунок циклооксигенази та пероксидази
послідовно перетворює арахідонат на про-
стагландин G
2
та простагландин Н
2
—
безпосередній попередник простаноїдів та
тромбоксанів:
3. Лейкотрієни — гідроксипохідні ара-
хідонової кислоти, спряжені трієни, що, на
відміну від інших ейкозаноїдів, не містять
у собі циклічної структури. Залежно від
особливостей хімічної будови, розрізняють
декілька типів лейкотрієнів (LТ — англ.),
найпоширенішими з яких є LTA
4
, LTB
4
,
LTC
4
, LTD
4
, LTE
4
.
Біосинтез лейкотрієнів здійснюється
шляхом введення атомів кисню в молекулу
арахідонової кислоти; оксигенування ара-
хідонату в 5-му положенні призводить до
утворення гідропероксиду 5-гідроперокси-
ейкозатетраєнової кислоти — 5-ГПЕТЕ
(5-HPETE — англ.) — метаболічного попе-
редника біологічно активних лейкотрієнів.
Реакція синтезу 5-ГПЕТЕ каталізується
ферментом діоксигеназного типу дії — 5-
ліпоксигеназою (ліпоксигеназою). Утворен-
ня 5-ГПЕТЕ та активних лейкотрієнів
відбувається переважно в клітинах крові —
у лейкоцитах різних класів, тромбоцитах,
макрофагах, що відображає провідну роль
лейкотрієнів у реакціях запалення, згор-
танні крові, алергічних, імунних процесах.
O
O
R
7
R
8
O
O
COO
–
OH
Загальна будова тромбоксанів А
Тромбоксан A
2
Схема біосинтезу простаноїдів та тромбоксанів.
COOH
Арахідонат
PGG
2
COOH
Циклооксигеназа
2O
2
O
O
OOH
PGH
2
COOH
O
O
OH
Простациклін-
синтаза
Ізомерази,
редуктази
Тромбоксан-
синтаза
Простациклін
(PGI
2
)
Простагландини
(PGA, PGD, PGE,
PGF, PGG)
Тромбоксани
Пероксидаза
CH
3
COOH
O
11
9
7
6
5
14
COOH
11
10
7
6
5
12
HO
9
8
OH
CH
3
LTA
4
LTB
4
384 Ðîçä³ë V. Ãîðìîíè â ñèñòåì³ ì³æêë³òèííî¿ ³íòåãðàö³¿ ôóíêö³é îðãàí³çìó
Фізіологічні та фармакологічні властивості
ейкозаноїдів
1. Біологічні функції простагландинів зде-
більшого пов’язані з багатобічним впливом на
скорочувальну функцію гладеньких м’язів,
проте окремі простагландини мають різні фізі-
ологічні ефекти, які, до того ж, відрізняються в
певних тканинах-мішенях. Такі властивості
простагландинів дозволяють розглядати пору-
шення їх обміну як важливі фактори патогенезу
гіпертонічної хвороби, бронхіальної астми,
слабкості пологової діяльності тощо і застосову-
вати препарати ейкозаноїдів у фармакотерапії.
Так, наприклад, простагландини сімейств А
та Е знижують артеріальний тиск у нормотен-
зивних тварин та у пацієнтів, хворих на гіперто-
нічну хворобу; простагландини сімейства Е
спричиняють розслаблення гладеньких м’язів
бронхів та трахеї, тоді як простагландини F,
навпаки, викликають їх скорочення. Характер-
ною особливістю простагландинів Е
2
та F
2
(які
містяться в сім’яній рідині) є їх унікальний
стимулюючий ефект стосовно м’язів матки, що сприяє переміщенню спермато-
зоїдів у порожнину фаллопієвих труб, де відбувається запліднення; похідні цих
простагландинів (PGЕ
2
та PGF
2
) в більш високих (фармакологічних) дозах
використовуються як засоби для індукції пологів та протизапліднюючі засоби
(препарати Динопрост, Динопростон).
Клінічно важливою властивістю простагландину Е
1
є його вплив на слизову
оболонку шлунка: у фармакологічних дозах PGE
1
гальмує базальну та стимульовану
секрецію соляної кислоти, захищає клітини слизової оболонки від пошкоджуючих
хімічних подразників (цитопротекторна, антиульцерогенна дія); у зв’язку із
зазначеним, препарати простагландину Е
1
(Мізопростол, Цитотек) є ефективними
засобами сучасної терапії виразкової хвороби.
Біологічні ефекти простагландинів проявляються, здебільшого, в тих гормоно-
чутливих тканинах, де вторинним посередником в дії гормонів на клітину є
цАМФ; активація мембранної аденілатциклази доведена, зокрема, для дії таких
простаноїдів, як PGE та простациклін.
2. Простациклін є простаноїдом, що продукується ендотеліальними клітинами
судин. Його фізіологічні ефекти полягають у вазодилатації, особливо стосовно
коронарних артерій, та в протизгортальній дії — PGI
2
протидіє агрегації
тромбоцитів та їх адгезії з поверхнею ендотелію, що є найбільш потужним з
відомих у наш час інгібіторів коагуляції крові і тромбоутворення.
3. Тромбоксани є фізіологічними антагоністами антитромботичних ефектів прос-
тацикліну. На відміну від простацикліну, тромбоксани, особливо тромбоксан А
2
, що
Схема біосинтезу лейкотрієнів.
COOH
Арахідонат
COOH
OOH
5-ГПЕТЕ
LTA
4
LTC
4
LTD
4
LTE
4
LTB
4
Ліпоксигеназа
385
Ãëàâà 25. Ãîðìîíè ë³ï³äíîãî ïîõîäæåííÿ
також утворюється в інтимі кровоносних судин, спричиняє скорочення гладеньких
м’язів судин та сприяє агрегації тромбоцитів. Біохімічні механізми проагрегантної
дії тромбоксану полягають у його позитивному впливі на мобілізацію з внут-
рішніьоклітинних депо іонів Са
2+
, які спричиняють активацію скорочувальних білків
тромбоцитів і їх адгезію на поверхні ендотелію.
4. Важливою функцією ейкозаноїдів різних класів, особливо простагландинів
та лейкотрієнів, є їх участь у розвитку і регуляції такого загальнопатологічного
процесу, як запалення, яке є біологічним захистом тканин на дію пошкоджуваль-
них факторів.
Було встановлено, що в ділянках запалення продукується значна кількість
простагландинів, особливо PGE
2
, які стимулюють розвиток запального процесу,
зокрема за рахунок посилення ефектів гістаміну, брадикініну, серотоніну та інших
медіаторів запальнення; до того ж, простагландини самі по собі можуть спричиняти
проявлення певних компонентів запальної реакції. Важливими факторами
хемотаксису поліморфноядерних лейкоцитів у вогнищі запалення є лейкотрієни LT B
4
;
комплекс лейкотрієнів (LTC
4
, LTD
4
, LTE
4
) входить до складу “повільно реагуючої
субстанції анафілаксії”. Таким чином, зазначені ейкозаноїди можна розглядати як
справжні медіатори запалення, що продукуються клітинами ретикулоендотеліальної
системи, разом з амінами та пептидами, у відповідь на механічне, хімічне, термічне
та інші пошкодженння тканин.
Відповідно до розглянутих властивостей ейкозаноїдів, біологічно активні
сполуки природного та синтетичного походження, що гальмують продукцію про-
стагландинів, можуть застосовуватися як протизапальні засоби. Такий механізм
дії мають давно відомий ефективний фармакологічний засіб Аспірин та близькі
до нього лікарські засоби. Як було встановлено в 1971-1973 рр. англійським
фармакологом Дж.Вейном (J.Vane), в основі протизапальної дії аспірину (аце-
тилсаліцилової кислоти) знахо-
диться гальмування синтезу про-
стагландинів за рахунок незво-
ротного блокування простаглан-
дин-синтази (циклооксигенази).
Ацетилсаліцилова кислота, що є
хімічним субстратом фармаколо-
гічного препарату Аспірину, інгі-
бірує циклооксигеназу шляхом
ацетилювання серинової ОН-гру-
пи в активному центрі ферменту:
Подібний механізм фармакологічної дії мають інші нестероїдні протизапальні
засоби (НПЗЗ), які є в наш час найбільш широко розповсюдженими у всьому світі
лікарськими засобами, що вживає населення.
Здатність ацетилсаліцилової кислоти блокувати циклооксигеназний шлях
біосинтезу ейкозаноїдів, в тому числі утворення тромбоксану А
2
, є біохімічною
основою антиагрегантної, антитромботичної дії тривалого профілактичного
застосування невеликих доз Аспірину.
COOH
OC
O
CH
3
Аспірин
Циклооксигеназа
Саліцилат
ESerOC
O
CH
3
ESerOH
446
Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
протеаз, що послідовно активуються після утворення комплексу антиген-антитіло
і спричиняють розщеплення мембранних структур клітин, які підлягають руйнації
в процесі імунної реакції.
Існує дев’ять основних компонентів (білкових субодиниць) системи компле-
менту, які позначають С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8, С9. Субодиниця С1 є комп-
лексом, що складається з трьох білків: C1q, C1r, C1s. У фізіологічних умовах
білкові компоненти системи комплементу знаходяться в плазмі крові в неактивно-
му стані. Активовані форми білків комплементу позначаються рискою над відпо-
відною латинською цифрою: С1, С2 тощо. Біохімічні характеристики білків системи
комплементу людини подано в таблиці 30.2.
Таблиця 30.2. Білки системи комплементу людини
* Э.Н. Шляхов, Л.П. Андриеш, 1985
Активація системи комплементу реалізується за одним із механізмів — кла-
сичним або альтернативним (рис. 30.2). За умов дії будь-якого з означених меха-
нізмів ключовою подією в активації системи комплементу є активація компоненту
С3, який має аутокаталітичні властивості, запускаючи каскад ферментативних
реакцій за участю термінальних компонентів С7, С8 та С9.
Білок комплементу Молекулярна маса,
кД
Фракція глобулінів
крові
Концентрація в
плазмі крові*, г/л х
10
-3
С1 900
α
2
,β,γ
С1q 400
γ
60
C1r 168
β
50
C1s 79
α
2
40
C4 230
β
1
600
C2 117
β
2
25
C3 185
β
1
1300
C5 170
β
1
80
C6 125
β
2
80
C7 130
β
2
60
C8 150
γ
60
C9 79
α
2
60
Ag +
IgM
IgG
Ca
2+
C1qC1rC1s
(a)
(б)
С4
С2
С3
С3в С5в С6 ... С9
Ag + P
Д В Вв
Рис. 30.2. Активація комплементу за класичним (а) та альтернативним — пропердиновим (б)
механізмами (Ag — антиген).
386 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Розділ VI. БIОХIМIЯ ФIЗIОЛОГIЧНИХ ФУНКЦIЙ
ТА СПЕЦIАЛIЗОВАНИХ ТКАНИН
ГЛАВА 26. БIОХІМІЯ ХАРЧУВАННЯ ЛЮДИНИ
I. КОМПОНЕНТИ ХАРЧУВАННЯ. ТРАВЛЕННЯ
ПОЖИВНИХ РЕЧОВИН
Харчування, тобто постійне надходження в організм з їжею певної кількості
поживних сполук, є необхідною передумовою життєдіяльності людини, яка забезпечує
нормальний обмін речовин, динамічний стан усіх біомолекул, клітинних та
позаклітинних структур.
26.1. КОМПОНЕНТИ НОРМАЛЬНОГО ХАРЧУВАННЯ
ЛЮДИНИ
До складу раціону харчування здорової людини повинні входити, насамперед,
поживні сполуки, що виконують енергетичну, структурну (пластичну) функції
або необхідні для функціонування певних ферментних систем, входячи до їх
складу.
Поживні сполуки (нутрієнти), що входять як складові компоненти до нормаль-
ного харчування людини, поділяються на:
– макрокомпоненти — вуглеводи, жири, білки;
– мікрокомпоненти — вітаміни і неорганічні елементи, що потрібні для
життєдіяльності в незначних кількостях (звичайно, менше 1 г/добу).
Вуглеводи, жири (нейтральні жири) та білки, що надходять в організм із їжею,
в шлунково-кишковому тракті розщеплюються до глюкози (яка утворюється, в
основному, з крохмалю їжі) та деяких інших моносахаридів, гліцеролу, жирних
кислот, амінокислот та пептидів, які всмоктуються в травному каналі і надходять
у кров. Вуглеводи та жири (і, відповідно, продукти їх травлення) мають
енергетичну функцію, забезпечуючи добову потребу організму людини в мак-
роергічних фосфатах (головним чином, АТФ) та відновних еквівалентах. Білки
(та амінокислоти, що з них утворюються) також виконують певну енергетичну
роль, але більшість амінокислот (переважно, незамінні амінокислоти) використо-
вуються для побудови власних біомолекул та структурних елементів організму.
Значну енергетичну цінність має також етанол, що в певних умовах може бути
суттєвим компонентом раціону.
Макрокомпоненти їжі — це значною мірою взаємозамінні джерела енергії,
387Ãëàâà 26. Êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ. Òðàâëåííÿ ïîæèâíèõ ðå÷îâèí
необхідної для життєдіяльності людини; їх енергетичну цінність подано в табл.
26.1.
Т а б л и ц я 26.1. Енергетична цінність основних поживних сполук харчування людини
Здорова доросла людина знаходиться в умовах енергетичної рівноваги, тобто
споживання енергетичних матеріалів з продуктами харчування повинно дорів-
нювити витратам енергії в процесах життєдіяльності. У зв’язку з цією обстави-
ною, нормування харчового раціону людини грунтується на:
а) індивідуальних витратах енергії певним організмом;
б) зазначеній вище енергетичній цінності поживних сполук.
Індивідуальні енергетичні витрати людини визначаються такими фізіологіч-
ними факторами:
– основним обміном, тобто витратами енергії на підтримання основних фізіоло-
гічних функцій організму в умовах спокою;
– фізичною активністю, що найбільш суттєво впливає на показники енерге-
тичного обміну; так, зокрема, коливання енерговитрат у стані спокою та мак-
симальної фізичної активності у спортсменів досягають 10-кратних значень;
– температурою навколишнього середовища, яка впливає на характер енер-
говитрат, що спрямовані на зігрівання або охолодження організму.
Рівні енергетичних потреб при помірній фізичній активності та теплового ком-
форту (і відповідних енерговитрат в умовах енергетичної рівноваги) для чоловіків
і жінок, що рекомендовані Науковою радою з їжї та харчування Національної
академії наук США (Food and Nutrition Board, National Academy of Sciences, 1980),
подано в табл. 26.2.
Т а б л и ц я 26.2. Рекомендовані потреби в енергії для дорослих чоловіків і жінок
26.2. ПОТРЕБИ ОРГАНІЗМУ ЛЮДИНИ В ПОЖИВНИХ
СПОЛУКАХ
Поживні сполуки, що надходять в організм людини з їжею, повинні відповідати
зазначеним вище енергетичним потребам та (в разі білків) покривати добові витрати
в структурних і каталітичних елементах організму.
Вуглеводи
Енергетична цінністьПоживні сполуки
ккал/гкДж/г
Вуглеводи
Жири
Білки
Етанол
4,1
9,3
4,2
7,1
17,2
38,9
17,6
29,7
Енергетичні потреби
ккал
Стать Вік,
роки
Маса
тіла, кг
середні значення межі коливань
кДж
Чоловіки 23-50 70 2700 (2300-3100) 11300
Жінки 23-50 55 2000 (1600-2400) 8400
388 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Вуглеводи є головним джерелом енергії в харчуванні людини. Добова потреба
організму здорової людини у вуглеводах дорівнює в середньому 450-500 г. Врахо-
вуючи енергетичну цінність вуглеводів (табл. 26.1), така кількість вуглеводів відпо-
відає приблизно 70 (65-75) % потреб у добовій калорійності продуктів харчування.
Оскільки вуглеводи є основним енергетичним джерелом у харчуванні, добова
потреба в них прямо пропорційна фізичній активності людини, складаючи для
дорослих людей (за Ф.Ф.Боєчко, Л.О.Боєчко, 1993):
– при розумовій праці — 430 г;
– при фізичній праці:
– легкій — 490 г,
– середній — 560 г,
– важкій — 630 г.
Головним джерелом вуглеводів для організму людини є крохмаль рослинних
продуктів (400-450 г/добу). Зерна пшениці, жита, рису, кукурудзи містять 60-80 %
крохмалю, бульба картоплі — 15-20 %. Джерелами харчового цукру, який склада-
ється переважно із сахарози, є цукровий буряк та цукрова тростина. Рекомен-
дована добова норма харчового цукру для дорослої людини складає близько 50 г,
хоча реальні величини його споживання коливаються від 20 до 100 і більше г/добу,
залежно від харчових звичок та соціально-економічного стану населення.
Харчові волокна — складаються з полісахаридів — компонентів стінок та
екстрацелюлярного матриксу рослинних клітин, що потрапляють до організму
людини з фруктами і овочами і не розщеплюються ферментами шлунково-киш-
кового каналу. До складу харчових волокон входять целюлоза, геміцелюлоза, ліг-
ніни, смоли, пектини, пентозани.
У жуйних тварин целюлоза харчових волокон розщеплюється ферментами
мікроорганізмів і складає головне джерело метаболічної енергії. Організм людини
не містить ферментів, необхідних для перетравлювання зазначених речовин;
проте, харчові волокна відіграють значну позитивну роль у фізіології травлення.
Вони стимулюють моторну функцію кишечника, сприяють затримці води в товс-
тій кишці і формуванню фекальних мас, адсорбують надлишок холестерину і
жовчних кислот, ендогенні та екзогенні токсичні речовини, обмежують приріст
аліментарної глюкози в крові після іжі, що має терапевтичне значення в харчуванні
хворих на атеросклероз і цукровий діабет.
Важливим фактором раціонального харчування є збалансованість окремих
видів вуглеводів у добовому раціоні, які повинні складати (в середньому, відносно
загальної маси харчових вуглеводів): полісахариди (крохмаль) — 75 %, цукор
(буряковий, тростинний) — 20 %, пектинові речовини — 3 %, клітковина — 2 %.
В умовах нормального раціону харчування близько 75 % вуглеводів, які надхо-
дять в організм, окислюються до кінцевих продуктів — діоксиду вуглецю та води,
що становить головне джерело утворення АТФ, 20-25 % перетворюються в жири
і 2-5 % депонуються у вигляді глікогену. Надмірне споживання вуглеводів, що
перевищує безпосередні енергетичні потреби організму, супроводжується актива-
389Ãëàâà 26. Êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ. Òðàâëåííÿ ïîæèâíèõ ðå÷îâèí
цією ліпогенезу, тобто перетворенням надлишку глюкози та фруктози через аце-
тил-КоА в жирні кислоти і тригліцериди та холестерин. Із кожних 100 г надлиш-
кових вуглеводів, особливо тих, що надходять в організм у вигляді сахарози —
головного компонента харчового цукру синтезується близько 30 г жирів.
Перевищення фізіологічних потреб у простих вуглеводах, зокрема харчовому
цукрі, є одним із факторів ризику розвитку таких хвороб, як атеросклероз,
гіпертонічна хвороба, цукровий діабет, ожиріння. Разом з тим, споживання цукру
(здебільшого у вигляді бурякового та тростинного цукрів, що складаються пере-
важно з сахарози) в економічно розвинених країнах постійно збільшується. У
зв’язку з цим, все більшого значення набуває використання харчових замінників
цукру, що мають високу солодкість: сахарину, аспартаму (метилату L-аспартил-
L-фенілаланіну) та рослинного білка монеліну. Солодкості (в умовних одиницях)
природних цукрів та цукрозамінників відносяться як: сахароза : глюкоза : фрук-
тоза : лактоза : сахарин: аспартам : монелін = 1,0 : 0,5 : 1,7 : 0,2 : 400 : 180 : 2 000.
Ліпіди (жири)
Нейтральні жири (жири) — друге за вуглеводами джерело енергії в харчовому
раціоні людини, яке отримують, в основному, з тваринними продуктами хар-
чування. Потреба в харчових жирах складає в середньому 60-90 г/добу, що
забезпечує близько 30 (від 25 до 35) % потреб у добовій калорійності для до-
рослої людини.
В умовах звичайного харчування змішаною (тваринною та рослинною) їжею
нейтральні жири (триацилгліцероли) складають найбільшу частину (більше 90 %)
із сумарної кількості ліпідів, що містяться в продуктах харчування. З їжею людина
отримує також декілька грамів складних ліпідів і близько 0,5 г холестерину (в
складі тваринних ліпідів).
Крім тваринних жирів, які мають, переважно, енергетичну цінність, людина
повинна одержувати 20-25 г рослинних жирів, в тому числі 2-6 г незамінних полі-
ненасичених жирних кислот — лінолевої та ліноленової (А.А.Покровский, 1974),
що служать попередниками у синтезі біологічно активних ейкозаноїдів. Незамінні
жирні кислоти в значній кількості містяться у жирах рослинного походження, а
також у рибі та птиці; вміст цих сполук в інших м’ясних та молочних продуктах
значно нижчий. Достатнє споживання жирів із високим вмістом поліненасичених
жирних кислот розглядається в наш час як важлива передумова профілактики
атеросклерозу, ішемічної хвороби серця та порушень мозкового кровообігу у насе-
Ненасичені жирні кислоти:Харчовий жир Насичені жирні
кислоти
мононенасичені поліненасичені су ма
Вершкове масло 60 36 4 40
Свиний жир 59 39 2 41
Яловичий жир 52 45 3 48
Курячий жир 38 44 18 62
Кукурудзяна олія 15 31 54 85
Соєва олія 14 34 52 86
390 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
лення промислово розвинених країн. Середній жирнокислотний склад найбільш
поширених харчових жирів подано в табл. 26.3:
Т а б л и ц я 26.3. Вміст насичених та ненасичених жирних кислот (% від загального вмісту)
у поширених тваринних і рослинних жирах
Білки
Білки — поживні речовини, які мають насамперед пластичну цінність для
організму людини; амінокислоти, що входять до їх складу, є джерелом для
побудови клітинних та тканинних білків власних біоструктур — рис. 26.1. Енер-
гетичне значення білків в умовах нормального харчування невелике; при достатній
забезпеченості вуглеводами та жирами безазотисті залишки амінокислот
використовуються в загальному пулі метаболічного палива незначною мірою.
Для визначення потреби організму людини в білках користуються поняттям
азотистої рівноваги, яка визначається як стан, при якому кількість азоту, що
надходить в організм (в основному, у складі білкових компонентів продуктів
харчування) дорівнює кількості азоту, що виділяється з організму (головним
чином, у вигляді сечовини та солей амонію). В умовах фізіологічного спокою та
відсутності фізичного навантаження азотиста рівновага встановлюється за умов
надходження до організму близько 23 г білків. Але враховуючи різну біологічну
цінність білків змішаного раціону харчування в реальних умовах існування,
істинні потреби людини в білках значно вищі.
Реальна добова потреба в білках залежить від віку, статі людини та біологічної
цінності білків, становлячи в середньому (за R.Berkow (Ed.): The Merck Manual
of Diagnosis and Therapy, 1992):
– для чоловіків: віком 19-24 роки — 58 г;
віком 25-50 років — 63 г;
– для жінок: віком 19-24 роки — 46 г;
віком 25-50 років — 50 г.
Біологічна цінність білків залежить від таких факторів:
а) амінокислотного складу білків, що входять до складу продуктів харчування;
б) здатності організму людини, зокрема ферментних систем травного каналу,
засвоювати певні білки.
Білки їжі
Білки тканин
Кінцеві продукти
обміну амінокислот
300-500 г/добу
Загальний пул
амінокислот
Рис. 26.1. Схема використання білків продуктів харчування в організмі людини.
391Ãëàâà 26. Êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ. Òðàâëåííÿ ïîæèâíèõ ðå÷îâèí
Амінокислотний склад харчового білка є визначальним фактором у спро-
можності організму людини до його засвоєння. Серед двадцяти L-амінокислот,
що входять до складу природних білків, ферментні системи людського організму
здатні синтезувати de novo з інших інтермедіатів у достатній кількості лише вісім
амінокислот, а саме: аланін, аспарагінову кислоту, аспарагін, глутамінову кислоту,
глутамін, пролін, гліцин, серин.
Решта амінокислот ферментними системами організму людини не синтезують-
ся — так звані незамінні амінокислоти, до яких належать: валін, лейцин, ізолейцин,
треонін, метіонін, фенілаланін, триптофан, лізин. Дві амінокислоти (аргінін,
гістидин) синтезуються в організмі у недостатній кількості — частково замінні
амінокислоти. Організм людини залежить від постійного надходження цих десяти
амінокислот у складі харчових білків — при відсутності хоча б однієї з незамінних
амінокислот синтез білка припиняється. Рекомендовані такі добові потреби в
незамінних амінокислотах для молодих дорослих людей — чоловіків (А.Ленін-
джер, 1985):
Валін — 1,50 г Метіонін — 2,02 г
Лейцин — 2,02 г Фенілаланін — 2,02 г
Ізолейцин — 1,30 г Триптофан — 0,46 г
Треонін — 0,91 г Лізин — 1,50 г.
Крім амінокислотного складу, біологічна цінність білків залежить також від
здатності до їх перетравлення ферментами шлунково-кишкового тракту з утворенням
вільних амінокислот, що утилізуються клітинами. Білки тваринного походження,
порівняно з рослинними, містять більше незамінних амінокислот та легше (за
вийнятком деяких структурних білків) гідролізуються протеазами шлунка й
кишечника.
Якщо прийняти біологічну цінність умовного білка, що повністю засвоюється в
організмі людини, за 100, то біологічну цінність сумарних білків деяких
найпоширеніших продуктів харчування можна розмістити в такий ряд:
умовний білок (100) > білки жіночого молока (95) > білки яловичини (93) >
> білки курячих яєць (87) > білки коров’ячого молока (81) > білки очищеного
рису (63) > білки кукурудзи (36) > білки білого хлібу (30).
Раціональне харчування
Розглянуті норми потреби організму здорової людини в поживних речовинах
є передумовою раціонального харчування. Проте, реальна структура харчування
людей значною мірою залежить від соціальних умов, зокрема економічного стану
населення, та етнонаціональних і релігійних факторів. Зазначений вище високий
відсоток вуглеводів у добовому раціоні (близько 70 %, а в деяких країнах — до 90 %
калорійності) відповідає умовам харчування приблизно 80 % населення земної
кулі, яке споживає переважно рослинну їжу. В харчуванні населення економічно
високорозвинених країн частка вуглеводів значно менша (близько 45 % добової
калорійності), і більшу частину раціону займають високопоживні білки м’яса та
молока.
Згідно з рекомендаціями Національної академії наук США, оптимальне спів-
відношення внесків окремих поживних речовин у добову калорійність харчо-
392 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
вого раціону повинно складати: вуглеводів — 58 % (крохмаль — 48 %, цукор —
10 %), жирів — 30 % (в тому числі по 10 % — насичених, мононенасичених та
поліненасичених), білків — 12 %. Біохімічний склад найбільш поширених
продуктів харчування подано в табл. 25.4.
Необхідною умовою раціонального харчування є також збалансованість у
надходженні в складі їжі вітамінів та життєво необхідних мінеральних елементів,
що буде розглянуто в главі 27. З цієї точки зору надзвичайно важливим продуктом
харчування, особливо для дитячого організму, є молоко, яке містить значну кількість
поживних речовин, необхідних для перебігу метаболізму вітамінів та мікроелементів.
Т а б л и ц я 26.4. Середній вміст поживних речовин у поширених продуктах харчування
(% маси продукту)
26.3. МЕХАНІЗМИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ПОЖИВНИХ
РЕЧОВИН У ТРАВНОМУ ТРАКТІ
Перетравлення поживних речовин (білків, вуглеводів, ліпідів) — це процес
гідролізу відповідних сполук у складі продуктів харчування, що відбувається в
травному каналі і призводить до утворення простих біомолекул, які за рахунок
дії спеціальних механізмів мембранного транспорту всмоктуються у кров.
Початкові процеси травлення відбуваються в ротовій порожнині за участю
слини, яка є біологічною рідиною з рН 6,8, що на 99,5 % складається з води і містить
різноманітні білки (ферменти, муцини, імуноглобуліни, лізоцим тощо) та неорга-
нічні солі. Слина має змащувальну дію відносно сухих продуктів харчування,
під її впливом полегшується процес жування та створюються умови для подаль-
шого перетворення компонентів харчування під впливом специфічних ферментів.
До ферментів слини належать глікозидази, що каталізують певні процеси
гідролізу вуглеводів —
αα
αα
α-амілаза та мальтаза. Під дією цих ферментів можливе
розщеплення крохмалю до високомолекулярних декстринів і мальтози до глюкози,
але, оскільки час впливу слини на харчову грудку незначний, — відповідні
продукти утворюються в порожнині рота лише в незначній кількості.
Основні процеси травлення поживних речовин їжі відбуваються в шлунку —
розщеплення білків до пептидних молекул та в різних відділах тонкого кишеч-
ника — розщеплення пептидів, вуглеводів, жирів (ліпідів). Шлунок виробляє
власні протеолітичні ферменти (пепсиноген, ренін); кишечник (залози Брунера
та Ліберкюна) синтезує деякі пептидази, дисахаридази, фосфоліпази та полінук-
леотидази. Травлення в кишечнику неможливе без участі гідролітичних фермен-
тів, які надходять сюди з підшлункової залози — протеаз (трипсину, хімотрипсину,
Продукти харчування Білки Вуглеводи
Ліпіди (жири тощо)
М'ясо (яловичина)
Риба
Яйця курячі
Печінка
Хліб
Картопля
16-25
15-25
11-14
20
6-8
2
1-2
до 1
1
4-5
50
20
10-20
1-5
12
3-5
1-3
до 1
393Ãëàâà 26. Êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ. Òðàâëåííÿ ïîæèâíèõ ðå÷îâèí
еластази), карбоксипептидази, амілаз, ліпаз. У процесі травлення жирів беруть
участь біохімічні компоненти жовчі, що синтезуються в гепатоцитах печінки.
Перетравлення білків
Біохімічні процеси перетравлення білків та пептидів, що надходять до організму
людини з їжею, відбуваються в шлунку й тонкій кишці. Гідроліз цих компонентів
відбувається під дією ферментів, які виробляються клітинами слизової оболонки
травного каналу й екзокринної частини підшлункової залози. Протеази шлунка,
кишечника та підшлункової залози гідролізують певні пептидні зв’язки в молекулах
білків і пептидів їжі, і в результаті їх послідовної дії утворюється суміш вільних
L-амінокислот та найпростіших пептидів, що транспортуються всередину ентероцитів
і далі — в кров’яне русло.
Перетравлення білків у порожнині шлунка
Шлунковий сік, під дією якого
відбувається гідроліз білків, — це
кисла рідина з рН 1,5-2,5. Основними
біохімічними компонентами
шлункового соку, що беруть участь в
перетворенні білків продуктів
харчування, є соляна кислота та
протеолітичний фермент пепсин. Крім
того, до складу шлункового соку
входять кислі фосфати (переважно
NaH
2
PO
4
) та деякі органічні кислоти,
складаючи загальну кислотність
шлунка.
Соляна кислота виробляється в
спеціальних обкладинних (оксинтних)
клітинах слизової оболонки шлунка за участю хлоридів, які надходять із крові.
Донором протонів, необхідних для утворення HCl, є вугільна кислота, що утво-
рюється з Н
2
О та СО
2
за участю карбоангідрази:
CO
2
+ H
2
O H
2
CO
3
H
2
CO
3
HCO
3
+
+ H
+
H
+
+ Cl
–
HCl
Секреція іонів Н
+
в порожнину шлунка відбувається при дії протонної помпи
мембран оксинтних клітин — Н
+
, К
+
-АТФази (рис. 26.2).
Концентрація HCl у шлунковому соку складає 0,45-0,60 %. Соляна кислота не-
обхідна для утворення активного ферменту пепсину і прояву максимуму його
каталітичної активності.
Пепсин — протеаза з м.м. 42 кД, що синтезується головними клітинами слизової
оболонки шлунка у вигляді проферменту пепсиногену (м.м. 35 кД). Початкові етапи
перетворення пепсиногену в пепсин здійснюються за участю іонів Н
+
, які сприяють
Плазма
крові
Клітина шлунку Порожнина
шлунку
CO
2
CO
2
H
2
CO
3
H
2
O
HCO
3
–
Cl
–
Cl
–
Cl
–
K
+
K
+
H
+
Рис. 26.2. Схема утворення соляної кислоти в
шлунку, ~ Н
+
, К
+
-АТФаза.
394 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
відщепленню від молекули проферменту N-кінцевого захисного пептиду, що
супроводжується розкриттям активного центру; в подальшому процес стає авто-
каталітичним — молекули пепсину спричиняють власне утворення з проферменту:
Н+, пепсин
пепсиноген пепсин + пептид
За механізмом дії пепсин є ендопептидазою, що специфічно атакує пептидні
зв’язки, в утворенні яких беруть участь залишки ароматичних (фенілаланіну, тиро-
зину), а також дикарбонових (глутамату, аспартату) амінокислот. Під дією пепсину
білки розшеплюються на великі поліпептидні фрагменти — пептони, гідроліз
яких завершується в тонкій кишці.
Реннін (хімозин, сичужний фермент) — протеаза, що міститься в шлунковому
соку новонароджених дітей. Реннін є ферментом, який за участю іонів Са
2+
спри-
чиняє перетворення розчинних білків молока — казеїнів у нерозчинні — пара-
казеїни, які підлягають протеолітичній дії пепсину (“створожування молока”).
Перетравлення білків в кишечнику
Частково перетравлена напіврідка маса поживних сполук, що утворюється в
шлунку (хімус) періодично надходить через пілоричний клапан у дванадцятипалу
кишку. В цю ж частину травного каналу надходять із підшлункової залози протео-
літичні ферменти та пептидази, які діють на пептиди, що надходять зі шлунка. Ката-
літична дія цих ферментів відбувається в слабколужному середовищі (рН 7,5-8,0),
яке утворюється наявними в кишковому соку бікарбонатами NaHCO
3
.
Більшість ферментів протеолітичної дії, що функціонують у тонкій кишці, синте-
зуються в екзокринних клітинах підшлункової залози у вигляді проферментів, які
активуються після їх надходження в дванадцятипалу кишку (трипсиноген, хімо-
трипсиноген, проеластаза, прокарбоксипептидази А і В).
Гідроліз білків та пептидів, що надходять із шлунка, відбувається як у порожнині
тонкої кишки, так і на поверхні ентероцитів — пристінкове, або мембранне травлення.
Трипсин — протеолітичний фермент з м.м. 24,7 кД, що утворюється в порож-
нині кишечника з неактивного проферменту трипсиногену під дією ентерокінази,
яка відщеплює від молекули проферменту N-кінцевий гексапептид з утворенням
каталітично активного трипсину:
ентерокіназа
трипсиноген трипсин + гексапептид
Трипсин є ендопептидазою, яка найбільш активна відносно пептидних зв’язків,
утворених основними амінокислотами аргініном та лізином.
Хімотрипсин — протеолітичний фермент (м.м. 29 кД), який утворюється з
проферменту хімотрипсиногену за каталітичної дії трипсину, що відщеплює від
молекули проферменту декілька інгібіторних пептидів:
трипсин
хімотрипсиноген хімотрипсин + інгібіторні пептиди
Хімотрипсин є ендопептидазою, яка розщеплює до 50 % пептидних зв’язків в
молекулах білків та пептидів їжі, в тому числі зв’язків, нечутливих до дії пепсину
395Ãëàâà 26. Êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ. Òðàâëåííÿ ïîæèâíèõ ðå÷îâèí
та трипсину.
Еластаза — ендопептидаза, що також має широку субстратну специфічність,
розщеплюючи пептидні за’язки, що утворюються залишками амінокислот малого
розміру — гліцину, аланіну, серину.
Утворені при дії зазначених вище ендопептидаз короткі пептиди підлягають
дії екзопептидаз кишечника — карбоксипептидаз А і В, амінопептидаз та
дипептидаз.
Карбоксипептидази — пептидази, що гідролізують пептидні зв’язки, утворені
С-кінцевими амінокислотами: карбоксипептидаза А відщеплює від С-кінця
амінокислоти з гідрофобними радикалами, а карбоксипептидаза В — С-кінцеві
залишки лізину й аргініну.
Амінопептидази — ферменти ентероцитів, що відщеплюють від коротких пеп-
тидів N-кінцеві амінокислотні залишки.
Дипептидази — пептидогідролази, що розщеплюють дипептиди до вільних
амінокислот.
Послідовна дія всього набору шлункових, панкреатичних і кишечних пептидо-
гідролаз забезпечує повне розщеплення білків та пептидів продуктів харчування
до амінокислот. У кровотік слизовою оболонкою кишечника всмоктуються тільки
вільні амінокислоти.
Перетравлення вуглеводів
Основні реакції розщеплення вуглеводів відбуваються в тонкому кишечнику за
рахунок дії ферментів підшлункової залози, що потрапляють у порожнину два-
надцятипалої кишки, і власних ферментів кишкового соку. Подібно до перетворення
білків та пептидів, поряд з порожнинним травленням, у кишечнику відбувається
пристінкове (на поверхні мембран ентероцитів) травлення вуглеводів.
Амілази, що діють у кишечнику — це ферменти
αα
αα
α-амілаза (переважно) та
ββ
ββ
β-амілаза, які синтезуються в підшлунковій залозі. Панкреатична
αα
αα
α-амілаза — це
ендоглікозидаза, подібна до ферменту слини, яка гідролізує крохмаль та глікоген з
утворенням суміші розгалужених і нерозгалужених олігосахаридів і деякої кількості
мальтози і мальтотріози.
ββ
ββ
β-Амілаза — панкреатична екзоглікозидаза, яка відщеплює
від нерозгалужених гомополісахаридних ланцюгів залишки мальтози. Гідроліз
гомополісахиридів у точках розгалуження (1
6) каталізується
αα
αα
α(1 6)-
глікозидазою.
Дисахаридази та олігосахаридази — ферменти, що синтезуються в тонкій кишці
і спричиняють розщеплення до моносахаридів відповідних цукрів, які утворюються
як продукти дії амілаз або надходять до травного каналу в складі рослинних продуктів
харчування:
мальтаза (
αα
αα
α-глюкозидаза) — фермент, що гідролізує мальтозу та відщеплює
термінальні глюкозні залишки з нередукуючих кінців
αα
αα
α(1
4)-зв’язаних
олігосахаридів; мальтаза та ізомальтаза (
αα
αα
α(1
6)-глікозидаза) завершують роз-
щеплення гомополісахаридів, розпочате амілазами;
лактаза (
ββ
ββ
β-галактозидаза) — фермент, що розщеплює лактозу (молочний цукор)
до двох моносахаридів — галактози та глюкози; надзвичайно велике фізіологічне
396 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
значення лактази в харчуванні дітей;
сахараза (
ββ
ββ
β-фруктозидаза) — фермент кишечного соку, що гідролізує з утво-
ренням глюкози і фруктози дисахарид сахарозу — основний компонент бурякового
та тростинного цукру.
Внаслідок дії зазначених глікозидазних ферментів на рослинні та тваринні
вуглеводи продуктів харчування утворюється суміш моносахаридів (в основ-
ному глюкози, фруктози й галактози), які всмоктуються клітинами кишкового
епітелію і поступають у кров. Глюкоза складає до 90 % усіх моносахаридів
крові, решту становлять інші гексози та пентози, утворюючи в сумі загальний
цукор крові (4,5-6,5 ммоль/л).
Недостатність дисахаридаз
Існує група спадкових ензимопатій, що пов’язані з недостатністю синтезу і
виділення в кишковий сік ферментів, які гідролізують дисахариди. Ці ферментні
дефекти проявляються порушеннями у перетравленні та всмоктуванні відповідних
цукрів.
Недостатність лактази
Спадковий дефіцит ферменту призводить до неспроможності кишкового соку
розщеплювати молочний цукор, і позначається як непереносимість лактози.
У відносно рідкісних випадках патологія (спадкова відсутність лактази) в
умовах харчування материнським молоком клінічно проявляється вже в перші
дні життя новонародженого. Проте, в більшості випадків ензимопатія зстрічається
у вигляді низької активності лактази. Ця форма непереносимості лактози успад-
ковується як автосомна рецесивна патологія і вперше проявляється в підлітковому
періоді або у молодому віці. Розповсюдженість недостатності лактази широко
варіює в різних расових групах, особливо часто зустрічаючись у жителів східних
країн та кольорового населення Північної Америки. Так, зокрема частота патології
у датчан становить 3 %, а в тайців — 97 %.
Недостатність сахарази звичайно виявляється разом із недостатністю
ізомальтази у вигляді сполученого дефекту — непереносимості двох дисахари-
дів. Ферментопатія проявляється після переводу новонароджених на мішане харчу-
вання з додаванням фруктових соків та інших продуктів, що містять рослинні цукри.
Клінічно недостаність дисахаридаз проявляється симптомами вуглеводної
диспепсії — діареєю, метеоризмом; новонароджені діти відстають у розвитку.
Перетравлення ліпідів
Рис. 26.3. Переварювання нейтральних жирів під дією панкреатичної ліпази: ТГ – триацилгліцерол;
1,2-ДГ – 1,2-діацилгліцерол; 2-МГ – 2-моноацилгліцерол; ЖК – жирна кислота.
11
1
2
2
2
33 3
ЖК
ЖК
ОН
ОН
ОН
ТГ 1,2-ДГ 2-МГ
397Ãëàâà 26. Êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ. Òðàâëåííÿ ïîæèâíèõ ðå÷îâèí
Перетравлення ліпідів харчових продуктів здійснюється в дванадцятипалій
кишці під впливом ферментів, що синтезуються в неактивній формі в екзокринних
клітинах підшлункової залози, а саме — ліпази, фосфоліпази А
2
, холестеролесте-
рази та власних ферментів кишечника.
1. Гідроліз нейтральних жирів відбувається за рахунок дії ліпази підшлунко-
вої залози. Панкреатична ліпаза специфічна до складноефірних зв’язків в поло-
женнях 1 та 3 триацилгліцеролів, тому продуктами дії ферменту є вільні жирні
кислоти та 2-моноацилгліцерол:
Активне функціонування панкреатичної ліпази реалізується за умов оптимальної
лужності (рН панкреатичного секрету = 7,5-8,0) та наявності амфіпатичних молекул
жовчних кислот (головним чином — глікохолевої і таурохолевої), які необхідні
для емульгування харчових жирів і утворення міцел триацилгліцеролів. Процес
взаємодії ферментного білка ліпази з поверхнею розподілу фаз у системі жовчно-
кисла сіль/триацилгліцерол потребує також наявності додаткового фактора —
білка коліпази, який міститься в секреті підшлункової залози.
Крім емульгування харчових жирів, що є передумовою дії панкреатичної
ліпази, жовчні кислоти беруть також участь у формуванні і всмоктуванні міцеляр-
них структур (вільні жирні кислоти, моногліцериди), що формуються після гідро-
лізу триацилгліцеролів.
Основна маса жовчних кислот (90-
95 % їх загальної кількості)
всмоктується з кров’ю v. porta в нижніх
відділах тонкї кишки і надходить у
печінку, де повторно використовується
для формування жовчі — процес
ентерогепатичної циркуляції. Таким
чином, з каловими масами щодобово
виводиться лише до 0,5 г жовчних
кислот; їх втрата компенсується за
рахунок синтезу в гепатоцитах нових молекул первинних жовчних кислот (холевої
та хенодезоксихолевої) з холестерину.
2. Гідроліз фосфоліпідів (гліцерофосфоліпідів) каталізується фосфоліпазою А
2
,
яка синтезується в підшлунковій залозі у вигляді проферменту та перетворю-
ється в активну форму шляхом триптичного гідролізу певних пептидних зв’язків
у молекулі каталітично неактивного білка.
Панкреатична фосфоліпаза А
2
гідролізує складноефірні зв’язки в положенні 2
фосфогліцеридів з утворенням лізофосфоліпідів. Інші фосфоліпази, що містяться
в кишковому соку, розщеплюють гліцерофосфоліпіди до гліцерину, вищих жирних
кислот, азотистих основ та фосфорної кислоти:
3. Гідроліз ефірів холестерину відбувається під дією холестеролестерази
(гідролази холестерилових ефірів) з утворенням холестеролу, який всмоктується
ентероцитами у вільній формі.
CH
2
O
C
R
1
O
CH
O
CH
2
C
O
R
2
OP
O
OH
OX
Фосфоліпаза А
1
Фосфоліпаза А
2
Фосфоліпаза С
Фосфоліпаза D
Рис. 26.4. Схема гідролізу молекули гліцерофос-
фоліпіду (Х – азотиста основа).
398 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
У результаті розглянутих біохімічних процесів, що відбуваються з харчовими
ліпідами в порожнині кишечника, утворюється складна суміш продуктів, основними
компонентами якої є:
– вільні вищі жирні кислоти (у вигляді Nа
+
та К
+
-солей);
– 2-моноацилгліцероли;
– вільний (неетерифікований) холестерин;
– продукти гідролізу гліцерофосфоліпідів (гліцерин, аміноспирти, солі фосфор-
ної кислоти);
– триацилгліцероли, що містять залишки коротколанцюгових (переважно
С
8
-С
10
) жирних кислот. Такі триацилгліцероли складають до 10 % від загальної
кількості нейтральних жирів їжі; вони можуть всмоктуватися епітелієм слизової
оболонки тонкої кишки в негідролізованій формі \ і розщеплюються до гліцерину
та жирних кислот всередині ентероцитів.
Всмоктування продуктів перетравлення ліпідів
Складна суміш продуктів гідролізу ліпідів, зазначена вище, утворює ліпідні
міцели, які можуть абсорбуватися слизовою оболонкою кишечника, і практично
всі жири харчових продуктів надходять до грудної лімфатичної протоки завдяки
всмоктуванню цих міцел. Проникнення ліпідних міцел всередину ентероцитів
відбувається шляхом піноцитозу або дифузії окремих ліпідних молекул через
апікальну мембрану клітин.
Порушення процесів перетравлення ліпідів
Порушення гідролізу та всмоктування харчових ліпідів у кишечнику супрово-
джуються розвитком стеатореї — наявності збільшеної кількості жирів у фекаль-
них масах.
Розрізняють такі види порушень перетравлення ліпідів у кишечнику людини
(А.Ш.Бышевский, О.А.Терсенов, 1994):
1) дефіцит панкреатичної ліпази, що спричинений захворюваннями підшлун-
кової залози — панкреатична стеаторея;
2) дефіцит жовчі в кишечнику, пов’язаний з захворюваннями печінки або жовч-
них шляхів — гепатогенна стеаторея;
3) пригнічення ферментних систем ліполізу та ресинтезу триацилгліцеролів у
кишечнику при його захворюваннях — ентерогенна стеаторея.
399Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
ГЛАВА 27. БІОХІМІЯ ХАРЧУВАННЯ ЛЮДИНИ
II. ВІТАМІНИ ЯК КОМПОНЕНТИ ХАРЧУВАННЯ
27.1. ВІТАМІНИ ЯК КОМПОНЕНТИ ХАРЧУВАННЯ
ЛЮДИНИ; ХВОРОБИ ВІТАМІННОЇ НЕДОСТАТНОСТІ
Вітаміни — біоорганічні сполуки, що є життєво необхідними компонентами
обміну речовин; на відміну від інших біомолекул, вітаміни не синтезуються в
організмі людини, а надходять з компонентами харчування. На відзнаку від таких
поживних речовин, як вуглеводи, ліпіди та білки, вітаміни належать до мікроком-
понентів харчування, їх добові потреби для людини складають міліграмові або
мікрограмові кількості.
Відкриття вітамінів пов’язано з розробками багатьох
дослідників — лікарів, біохіміків, фізіологів, які вста-
новили наявність у продуктах харчування певних спо-
лук, що необхідні для нормальної життєдіяльності —
“додаткових факторів харчування”. Специфічні хворо-
би, пов’язані з порушеннями в харчуванні — цинга
(скорбут), бері-бері, пелагра, рахіт (“англійська хворо-
ба”), гемералопія (“куряча сліпота”) були відомі людству
протягом століть. Першим вітаміном, щодо якого було
доведено значення як необхідного фактора харчування,
був тіамін (вітамін В
1
), отриманий у 1911 р. польським
дослідником К.Функом з рисових висівок. Сполука,
виділена К.Функом, попереджала розвиток бері-бері
(поліневриту, спричиненого тривалим споживанням
полірованого рису) і містила в своїй структурі аміногрупу,
що стало основою запропонованого для всіх додаткових
факторів харчування терміна “вітаміни” (vitaminum —
амін життя; лат.).
Класифікація вітамінів
Враховуючи, що відкриття перших препаратів вітамінів значно передувало
розшифровці їх хімічної структури, історично склалися емпіричні назви (номенкла-
тура) вітамінів, що містять велику літеру латинського алфавіту з цифровим індек-
сом; у сучасних назвах вітамінів вказують також їх хімічну природу та, в деяких
випадках, — основний біологічний ефект із префіксом “анти-”.
Залежно від фізико-хімічних властивостей (розчинності у воді або в ліпідах)
вітаміни поділяють на дві великі групи: водорозчинні та жиророзчинні.
Водорозчинні вітаміни
Вітамін В
1
(тіамін; антиневритний вітамін).
Вітамін В
2
(рибофлавін).
Вітамін РР (вітамін В
5
; ніацин; антипелагричний вітамін).
Вітамін В
6
(піридоксин; антидерматитний вітамін).
Рис. 27.1. Функ (Funk) Казимеж
(1884-1967), польсь-
кий біохімік, працю-
вав в різних країнах
Европи, США. Один
із засновників вчення
про вітаміни.
400 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Вітамін В
12
(кобаламін; антианемічний вітамін).
Фолієва кислота (птероїлглутамат; антианемічний вітамін).
Вітамін Н (біотин; антисеборейний вітамін).
Пантотенова кислота (вітамін В
3
; антидерматитний вітамін).
Вітамін С (аскорбінова кислота).
Вітамін Р (вітамін проникності).
Жиророзчинні вітаміни
Вітамін А (ретинол; аксерофтол; вітамін росту).
Вітамін K (філохінон; антигеморагічний вітамін).
Вітамін E (
αα
αα
α-токоферол; вітамін розмноження).
Вітамін F (комплекс поліненасичених жирних кислот).
Вітамін D (кальциферол; антирахітний вітамін).
Вітамінна недостатність — стан, що розвивається внаслідок зменшення
(або відсутності) певного вітаміну в організмі. Вітамінна недостатність супрово-
джується важкими розладами біохімічних і фізіологічних процесів і виникненням
специфічної патології.
Розрізняють гіповітамінози та авітамінози — патологічні стани, для яких
властивими є, відповідно, відносна або повна недостатність вітаміну в тканинах.
Основними причинами виникнення станів вітамінної недостатності (гіпо- та авіта-
мінозів) є:
1. Зменшення (або відсутність) надходження певного вітаміну в організм у
складі продуктів харчування (внаслідок нераціональної дієти або неправильної
кулінарної обробки харчових продуктів); такі стани отримали назву екзогенних
гіпо-(а-)вітамінозів.
2. Порушення засвоєння певних вітамінів клітинами організму (внаслідок роз-
ладів їх всмоктування в травному тракті або неспроможності біохімічних систем
організму включати вітамін в обмінні процеси, зокрема внаслідок наявності їх
структурних конкурентів — антивітамінів) — ендогенні гіпо-(а-)вітамінози.
3. Збільшене виведення вітамінів в організму або підвищена його утилізація в
біохімічних та фізіологічних процесах (ситуації, що можуть мати місце при лак-
тації, вагітності, виснажливій фізичній праці, знаходженні людини в екстремаль-
них температурних умовах, при тяжких інфекційних хворобах тощо).
В умовах гіпо- та авітамінозів виникають глибокі порушення певних метабо-
лічних процесів та клітинних функцій, в яких беруть участь вітаміни як специфічні
біомолекули. За механізмом дії вітаміни є коферментами складних ферментів
(або беруть участь у синтезі коферментів як їх складові компоненти), входять до
складу біомембран, виконують певні регуляторні функції на рівні окремих
клітинних структур та цілого організму.
27.2. КОФЕРМЕНТНІ ВІТАМІНИ. АСКОРБІНОВА
КИСЛОТА ТА БІОФЛАВОНОЇДИ
Вітаміни, що належать до цього класу, є кристалічними сполуками, добре
розчинними у воді та інших полярних розчинниках. Механізми біохімічної дії
більшості водорозчинних вітамінів (за виключенням вітамінів С та Р) полягають у їх
401Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
використанні в побудові коферментів, які каталізують у складі ферментних білків
важливі метаболічні реакції — коферментна функція вітамінів.
Вітамін В
1
Хімічна будова
Вітамін В
1
(тіамін) за хімічною
будовою є продуктом конденсації
двох гетероциклічних сполук —
похідного піримідину (2-метил-5-
гідроксиметил-6-амінопіримі-
дину) та тіазолу (4-метил-5-гід-
роксіетилтіазолу):
Біологічні властивості та механізм дії
Біологічна активність вітаміну В
1
полягає в участі в енергетичному, зокрема вугле-
водному, обміні. Біохімічній механізм дії вітаміну зумовлений його коферментною
формою — тіаміндифосфатом (ТДФ) (“кокарбоксилазою”), який утворюється в
результаті фосфорилювання вільного тіаміну за участю ферменту тіамінфосфокінази:
тіамін + АТФ
тіаміндифосфат + АМФ.
Коферментні функції ТДФ пов’язані з каталізом таких біохімічних реакцій:
– окислювальне декарбоксилювання пірувату (як компонент мультиензимного
піруватдегідрогеназного комплексу);
– окислювальне декарбоксилювання
αα
αα
α-кетоглутарату в циклі Кребса (як ком-
понент
αα
αα
α-кетоглутаратдегідрогеназного комплексу);
– транскетолазні реакції пентозофосфатного шляху окислення глюкози (як
кофермент транскетолази).
Згідно із вищерозглянутою роллю в перебігу ключових реакцій аеробного
обміну вуглеводів, характерним біохімічним проявом недостатності вітаміну В
1
є накопичення в крові та внутрішніх тканинах надлишкового (неокисленого) піру-
вату. Клінічно недостатність тіаміну проявляється розвитком уражень периферич-
ної нервової системи (поліневропатії, поліневриту аж до розвитку атрофічного
паралічу кінцівок), виражених порушень з боку міокарда, секреторної та моторної
функцій шлунка. Класична форма авітамінозу В
1
— захворювання бери-бері —
спостерігалася у населення Південно-Східної Азії в умовах тривалого харчування
полірованим рисом, позбавленим тіаміну, що міститься в зовнішній оболонці
зернини.
Джерела та добова потреба
Основними джерелами вітаміну В
1
у харчуванні людини є продукти рослинного
походження, зокрема хліб (переважно житній, з борошна грубого помолу), крупи
(гречана, вівсяна); багаті на тіамін (та інші вітаміни групи В) пивні дріжджі.
Добова потреба в тіаміні складає 1,5-2,0 мг* [1,5 мг]**.
N
N
NH
2
CH
2
H
3
C
N
+
S
CH
3
CH
2
CH
2
OH
1
2
3
6
4
5
1
2
3
5
4
Тіамін
Зірочки тут і далі в главі 27 означають:
* за рекомендаціями Інституту харчування АМН СРСР (80-ті роки);
** за рекомендаціями Ради з харчових продуктів та харчування і Національної ради з наукових
досліджень США, 1989 р. (норми для чоловіків віком 25-50 років).
402 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Вітамін В
2
Хімічна будова
За хімічною будовою вітамін В
2
(рибофла-
він) є похідним трициклічної сполуки ізоалок-
сазину та спирту рибітолу —6,7-диметил-9-
рибітилізоалоксазин:
Біологічні властивості та механізм дії
Біологічні функції вітаміну В
2
полягають у
його участі в окислювально-відновлювальних
реакціях. Коферментними формами рибо-
флавіну є ФАД (флавінаденіндинуклеотид) та
ФМН (флавінмононуклеотид) — простетичні групи багатьох анаеробних та
аеробних дегідрогеназ та оксидаз, що беруть участь в окисленні численних
інтермедіатів вуглеводного, ліпідного та амінокислотного обміну.
Джерела та добова потреба
Рибофлавін міститься в багатьох продуктах рослинного та тваринного похо-
дження, тому в умовах звичайного мішаного харчування людина отримує необ-
хідну для нормальної життєдіяльності кількість вітаміну.
Добова потреба в рибофлавіні складає 2,0-2,5 мг* [1,7 мг]**.
Вітамін РР (вітамін В
5
)
Хімічна будова
Властивості вітаміну РР (ніацину)
мають нікотинова кислота (піридин-3-
карбонова кислота) та її амід, які є в орга-
нізмі взаємно перетворюваними молеку-
лярними формами:
Біологічні властивості та механізм дії
Вітамін РР є необхідним фактором для перебігу багатьох біохімічних реакцій,
пов’язаних із окисленням субстратів вуглеводного, ліпідного, амінокислотного та
інших видів метаболізму.
Коферментними формами вітаміну РР є коферменти анаеробних дегідрогеназ
НАД (нікотинамідаденіндинуклеотид) та НАДФ (нікотинамідаденіндинуклео-
тидфосфат), до складу яких входить амід нікотинової кислоти.
Недостатність вітаміну РР проявляється характерними патологічними змінами
шкіри, особливо вираженими в умовах її сонячного опромінення. Дерматит, спе-
цифічний для цього гіпо- (а-) вітамінозу, отримав назву “пелагри” (pelle agra —
шершава шкіра; італ.); для пелагри властиві також патологічні зміни слизової
оболонки ротової порожнини та кишечника з наявністю важкої діареї; при
тривалому перебігу захворювання (починаючи з раннього дитячого віку) можли-
вий розвиток розумового відставання (деменції). Введення препаратів нікотинової
кислоти або нікотинаміду протидіє симптомам авітамінозу (звідси назва —
Pellagra Preventing vitamin; англ.). Вперше хвороба була виявлена у жителів країн
N
5
6
1
4
2
3
COOH
N
C
O
NH
2
Нікотинова кислота Нікотинамід
7
6
5
8
N
N
10
9
NH
N
4
1
3
2
H
3
C
H
3
C
O
O
CH
2
(CHOH)
3
CH
2
OH
Рибофлавін
403Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
Середньоземноморського узбережжя в умовах харчування продуктами з куку-
рудзи, які містять недостатню кількість як вільного ніацину, так і триптофану, з
якого може синтезуватися певна кількість нікотинаміду. Випадки пелагри спосте-
рігалися внаслідок недостатнього харчування в’язнів в умовах концентраційних
таборів.
Джерела та добова потреба
Нікотинова кислота та нікотинамід містяться в достатній кількості у складі
поширених продуктів харчування рослинного та тваринного походження (хлібові,
круп’яних виробах, овочах, м’ясних продуктах).
Добова потреба у вітаміні РР складає 15-25 мг* [19 мг]**; еквівалентними 1 мг
ніацину є 60 мг триптофану.
Вітамін В
6
Хімічна будова
Терміном піридоксин об’єднують три близькі за дією та взаємно перетворювані
в біологічних тканинах сполуки: піридоксол (2-метил-3-окси-4,5-діоксиметил-
піридин), піридоксаль та піридоксамін:
Біологічні властивості та механізм дії
Біологічна дія вітаміну В
6
пов’язана з участю в реакціях амінокислотного обмі-
ну. Його коферментними формами є піридоксальфосфат (ПАЛФ) та піридоксамін-
фосфат (ПАМФ), що беруть участь у каталітичних циклах таких ферментних
реакцій:
– реакцій трансамінування у складі ферментів амінотрансфераз (коферментну
функцію виконують ПАЛФ та ПАМФ, що взаємно перетворюються в ході акту
каталізу);
– реакцій декарбоксилювання у складі ферментів декарбоксилаз амінокислот
(коферментну функцію виконує ПАЛФ);
– перетворення триптофану кінуреніновим шляхом з утворенням нікотинаміду
НАД (в метаболічному шляху бере участь ПАЛФ-залежний фермент кінуреніназа);
– біосинтезі гему (ПАЛФ є коферментом
δδ
δδ
δ-амінолевулінатсинтази — фермен-
ту, що каталізує утворення
δδ
δδ
δ-амінолевулінату, першого метаболіту цього синте-
тичного шляху).
Прояви недостатності піридоксину найчастіше спостерігаються в дитячому
віці за умов харчування синтетичними сумішами, не збалансованими за вмістом
цього вітаміну, і проявлятися пелагроподібним дерматитом, судомами, анемією.
Вважають, що розвиток судом може бути пов’язаним з дефіцитом утворення в
N
3
2
1
4
6
5
CH
2
OH
N
CH
2
OH
N
CH
2
OH
HO
H
3
C
CH
2
NH
2
HO
H
3
C
CH
2
OH
HO
H
3
C
C
O
H
Піридоксамін Піридоксол Піридоксаль
404 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
нервовій системі гальмівного медіатора ГАМК внаслідок недостатньої активностї
ПАЛФ-залежної глутаматдекарбоксилази.
Стан недостатності вітаміну В
6
може бути також спричиненим тривалим
застосуванням протитуберкульозних засобів — похідних ізонікотинової кислоти
(Ізоніазид тощо), що є структурними аналогами піридоксину і можуть виступати
як його антивітаміни.
Джерела та добова потреба
Потреби у вітаміні В
6
людина покриває за рахунок його споживання з такими
поширеними продуктами харчування, як хліб, картопля, круп’яні вироби, м’ясо,
печінка тощо; частково потреби в цьому вітаміні задовольняються за рахунок
синтезу його мікрофлорою кишечника.
Добова потреба в піридоксині складає 2-3 мг* [2 мг]**.
Вітамін В
12
Хімічна будова
Вітамін В
12
(кобаламін) за хімічною будовою належить до класу кориноїдів;
його молекула складається з двох частин — кобальтвмісної порфіриноподібної
(хромофорної) та нуклеотидної структур:
Атом Со
+
, що міститься в центрі ядра хромофорної структури, в комерційних
препаратх вітаміну В
12
сполучений із ціанідною групою (ціанокобаламін). У разі
заміщення ціаногрупи на інші радикали утворюються такі похідні вітаміну В
12
,
як гідроксикобаламін (вітамін В
12В
), нітрокобаламін (вітамін В
12С
); в організмі
N
N
NN
Co
CH
2
CH
3
CH
2
CH
3
CH
2
CH
2
CO
CH
2
CO
NH
2
H
3
C
CO CH
2
NH CH
2
H
2
C
CH
CH
3
O
P
O
HO O
HOH
2
C
H
H
OH
HH
O
N
N
CH
3
CH
3
CH
2
CO NH
2
CONH
2
CH
3
H
3
C
CH
2
CO NH
2
NH
2
H
3
C
CH
3
NH
2
CO CH
2
CH
2
CN
AD
B
C
Вітамін В
12
(ціанкобаламін)
405Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
людини синтезуються коферментні форми вітаміну — метилкобаламін (міститься
в цитоплазмі) і 5-дезоксиаденозилкобаламін (мітохондріальна форма коферменту).
Біологічні властивості та механізм дії
Коферментні форми вітаміну В
12
беруть участь в каталізі біохімічних реакцій
такими ферментами:
– метилмалоніл-КоА-мутазою (ферментом, що каталізує реакцію перетворення
метилмалоніл-КоА на сукциніл-КоА); коферментом є 5-дезоксиаденозилкобала-
мін (механізм реакції розглянутий у главі 18). Реакція має значення для метаболіз-
му метилмалоніл-КоА, що утворюється при розщепленні амінокислот із розгалу-
женими ланцюгами — L-валіну, L-лейцину, L-ізолейцину та
ββ
ββ
β-окисленні жирних
кислот з непарною кількістю вуглецевих атомів;
– гомоцистеїн-метилтрансферазою (в реакції синтезу метіоніну з гомоцис-
теїну); коферментом є метилкобаламін, що переносить метильну групу на гомо-
цистеїн з N
5
-метилтетрагідрофолату. Біохімічне значення реакції полягає в продуку-
ванні метіоніну, який є головним донором метильних груп у реакціях синтезу
фізіологічно активних сполук, метилюванні нуклеотидів нуклеїнових кислоти
тощо.
Недостатність у вітаміні В
12
(хвороба Адисона-Бірмера; злоякісна, або перні-
зіозна анемія) може розвиватися за механізмом ендогенного гіпо-(а-) вітамінозу
внаслідок порушення всмоктування кобаламіну в шлунково-кишковому тракті.
Патологія спричиняється відсутністю синтезу в шлунку глікопротеїну транско-
рину (так званого “внутрішнього фактора Касла”), що є транспортером “зовніш-
нього фактора Касла” (тобто вітаміну В
12
) через слизову оболонку тонкої кишки;
тканинне депо вітаміну створюється в печінці.
Біохімічною основою розвитку злоякісної вітамін В
12
-залежної анемії є пору-
шення біосинтезу нуклеїнових кислот і білків, що проявляється насамперед у
тканинах з інтенсивною клітинною проліферацією, до яких належить кровотворна
тканина. Ця форма анемії характеризується значним зменшенням кількості
еритроцитів (до 1,5-2·10
12
/л при нормі 5·10
12
/л) при збільшенні їх об’єму і зміні
форми клітин (макроцитарна, мегалобластична анемія); характерними симтомами
хвороби є також порушення з боку периферичної нервової системи внаслідок
демієлінізації нервових стовбурів (фунікулярний мієлоз), хейліт та глосит (“полі-
рований” кінчик язика). Захворювання розвивається як наслідок атрофічного
гастриту, раку шлунка, гастректомії, інвазії гельмінтом лентецем широким
(Diphyllobothrium latum).
Джерела та добова потреба
Потреби організму людини у вітаміні В
12
значною мірою забезпечуються за
рахунок синтезу його мікрофлорою товстої кишки; крім того, кобаламін міститься
в достатній кількості в тваринній їжі — найбільш багатим джерелом вітаміну В
12
є печінка, яка містить до 100 мг вітаміну/100 г продукту.
Добова потреба у вітаміні В
12
складає 2-5 мкг* [2 мкг]**.
406 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Фолієва кислота
Хімічна будова
Фолієва кислота (ФК; фолацин; інші назви: Вітамін В
с
, В
м
, В
9
, В
11
) є за
хімічною природою похідним птеринів — птероїлглутаміновою кислотою, що
містить у скла-
ді молекули
сполучені з по-
хідним птери-
дину (птери-
ном) фрагмен-
ти п-амінобен-
зойної кислоти
(ПАБК) та L-
глутамату:
Біологічні властивості та механізм дії
Коферментною формою фолієвої кислоти є її гідроване похідне 5,6,7,8-тетра-
гідрофолієва кислота (ТГФК). Коферментні функції ТГФК полягають у міжмо-
лекулярному переносі одновуглецевих фрагментів (метильного, метиленового,
метенільного, оксиметильного, формільного, форміміно), що використовуються
в багатьох реакція обміну амінокислот, синтезі нуклеотидів (тимідилату ДНК,
пуринових ядер ДНК та РНК), фізіологічно активних сполук (глава 18).
Фолієва кислота біохімічно пов’язана з обміном та функціями вітаміну В
12
, а
саме:
– ТГФК (у вигляді N
5
-метилтетрагідрофолату) разом із вітаміном В
12
(ме-
тилкобаламіном) беруть участь у реакції синтезу метіоніну (гомоцистеїнметил-
трансферазна реакція — див. вище); фізіологічне значення процесу полягає в
утворенні метіоніну — донора метильних груп у метилюванні нуклеотидів нуклеї-
нових кислот (ДНК та певних класів РНК), синтезі холіну, креатину тощо;
– хвороби недостатності обох вітамінів часто перебігають сумісно і мають
близьку клінічну картину. Класичним проявом авітамінозу ФК є захворювання
“спру”, що характеризується макроцитарною анемією та пінистими проносами
(spruw — піна; голандськ.); захворювання розвивається внаслідок споживання
раціону, збідненого білками, що призводить до порушення як синтезу мікро-
організмами фолієвої кислоти, так і (в подальшому) засвоєння вітаміну В
12
.
Джерела та добова потреба
Найбільш багатими природними джерелами фолієвої кислоти є листя зелених
рослин, в яких вона синтезується (звідси назва вітаміну: folium — листя; лат.).
Потреби людини у вітаміні забезпечуються за рахунок синтезу його мікрофлорою
кишечника, а також споживання рослинної та тваринної їжі; значна кількість
ФК міститься в печінці та дріжджах. До розвитку недостатності вітаміну може
призводити дисбактеріоз, спричинений тривалим прийомом сульфаніламідних
препаратів, які, виступаючи структурними аналогами ПАБК (компонента
молекули птероїлглутамінової кислоти), блокують утворення в бактеріальних
клітинах ФК, необхідної для синтезу власних нуклеїнових кислот мікроорганізмів.
Добова потреба у фолієвій кислоті становить 200-400 мкг* [200 мкг]**.
N
N
3
2
1
4
N
N
8
5
OH
H
2
N
6
7
CH
2
NH CO NH CH
COOH
CH
2
CH
2
COOH
Фолієва (птероїлглутамінова) кислота
птерин ПАБК L-глутамат
407Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
Вітамін Н
Хімічна будова
За будовою молекули вітамін Н (біотин) є про-
дуктом конденсації сечовини та тіофенвалер’яно-
вої кислоти; його хімічна назва: 2-кето-3,4-іміда-
золідо-2-тетрагідротіофенвалер’янова кислота:
Біологічні властивості та механізм дії
Емпірична назва вітаміну — біотин — склалася історично і свідчить про його
необхідність для процесів життєдіяльності (bios — життя; грецьк.). Коферментну
функцію виконує біотин, що сполучений за типом простетичної групи (через
εε
εε
ε-
аміногрупу лізинового залишку білка) з ферментами карбоксилювання.
Акцептуючи діоксид вуглецю (СО
2
) з утворенням карбоксибіотину, вітамін Н
бере участь у таких біохімічних реакціях:
– біосинтезі жирних кислот (карбоксилювання у складі ферменту ацетил-
КоА-карбоксилази ацетил-КоА до малоніл-КоА);
– перетворенні пірувату в оксалоацетат у ході реакцій глюконеогенезу (у складі
піруваткарбоксилази);
– реакціях карбоксилювання при біосинтезі ядра пуринових нуклеотидів.
Недостатність вітаміну Н у людини проявляється рідко у зв’язку з біосинтезом
біотину кишковими мікроорганізмами та його наявністю у більшості продуктів
харчування рослинного та тваринного походження. Прояви вітамінної недостат-
ності можуть розвиватися за умов порушення функціонування нормальної мікро-
флори кишечника (нераціональне використання сульфаніламідів та антибіотиків)
і проявляються патологічними змінами шкіри за типом себореї, що отримало відо-
браження в назві вітаміну (haut — шкіра; нім.). В експерименті на щурах прояви
авітамінозу Н спостерігаються за умов тривалого витримування тварин на раціоні
з надлишком сирого яєчного білка, який містить білок авідин, що протидіє нор-
мальному всмоктуванню вітаміну.
Добова потреба в біотині складає 150-300 мкг*.
Пантотенова кислота (вітамін В
3
)
Хімічна будова
Молекула пантотенової
кислоти — це сполучення
ββ
ββ
β-аланіну з похідним мас-
ляної кислоти —
αα
αα
α,
γγ
γγ
γ-ди-
гідрокси-
ββ
ββ
β,
ββ
ββ
β’-диметилбу-
тирил-
ββ
ββ
β-аланіном:
Біологічні властивості та механізм дії
В організмі пантотенова кислота використовується для синтезу коензиму А
(КоА-SH) — коферменту ацилювання, що є одним із ключових коферментів у
реакціях метаболізму вуглеводів (окислення піровиноградної та
αα
αα
α-кетоглутарової
кислот), окислення та синтезу жирних кислот, обміну амінокислот, використання
ацильних радикалів у біосинтезі стероїдів, процесах детоксикації тощо.
Біотин
HN
HC
C
NH
CH
H
2
C
S
CH
O
(CH
2
)
4
COOH
HO CH
2
C
CH
3
CH
3
CH CO
OH
NH CH
2
CH
2
COOH
Пантотенова кислота
408 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Ізольований авітаміноз у людини виникає рідко і може проявлятися численними
малоспецифічними порушеннями з боку різних органів та систем (шкіри, слизо-
вих оболонок, волосся, нервової системи, внутрішніх органів). Як лікувально-
профілактичний засіб пантотенат входить до складу різних косметичних виробів,
шампуней.
Джерела та добова потреба
Пантотенова кислота міститься в достатній кількості в більшості продуктів
рослинного та тваринного походження (борошні злакових, крупах, яйцях,
молоці, дріжджах тощо); значне поширення вітаміну в біооб’єктах надійшло
відображення в його назві (pantothenos — всюдисущий, розповсюджений;
грецьк.). Синтез пантотенової кислоти кишечною мікрофлорою недостатній
для покриття добової потреби організму людини.
Добова потреба в пантотеновій кислоті складає 5-10 мг*.
Вітамін С
Хімічна будова
За хімічною будовою вітамін С є
γγ
γγ
γ-лактоном 2,3-дигідро-
L-гулонової кислоти:
Емпірична назва вітаміну — аскорбінова кислота вказує
на його профілактичну дію щодо цинги, або скорбуту (scorbut;
scurvy; англ.) — специфічного патологічного процесу, спри-
чиненого екзогенною недостатністю вітаміну.
У водних розчинах L-аскорбінова кислота (L-АК) зворот-
но перетворюється на дегідроформу — L-дегідроаскорбі-
нову кислоту (L-ДАК), яка повністю зберігає біологічні
властивості вітаміну С; подальші окислювальні перетворення L-ДАК є незворот-
ними і призводять до утворення похідних, що не мають вітамінних властивостей:
Подібних перетворень L-АК зазнає і в організмі (in vivo).
Біологічні властивості та механізм дії
Вперше L-аскорбінова була виділена у чистому вигляді видатним біохіміком
угорського походження А.Сент-Дьєрдьї з надниркових залоз бика (1928 р.), а потім
C
C
O
HO
C
HO
HC
CHHO
CH
2
OH
O
L-Аскорбінова кислота
C
C
O
HO
CHO
HC
CH
HO
CH
2
OH
O
C
C
O
O
C
O
HC
CH
HO
CH
2
OH
O
COOH
C
C
HC
CHHO
CH
2
OH
COOH
COOH
COOH
HC
CHHO
COOH
O
O
OH
– 2H
+ 2H
H
2
O
[+ O]
OH
щавлева
кислота
+
L-Аскорбінова
кислота
L-Дегідроаскор-
бінова кислота
2,3-Дикето-L-
гулонова кислота
L-Треонова
кислота
Схема перетворення L-аскорбінової кислоти.
409Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
— з червоного перцю та лимонного соку. В
природі існує тільки L-ізомер аскорбінової кисло-
ти; D-форма може бути отриманою синтетичним
шляхом, але вона біологічно неактивна.
L-Аскорбінова кислота синтезується в більшості
рослинних та тваринних організмів і не синтезу-
ється (тобто є вітаміном) у людини, морських сви-
нок, деяких приматів та летючих мишей, що пов’я-
зують із мутаціями певних генів на етапах прадав-
ньої еволюції. Найбільш яскраві клінічні прояви
цинги стосуються системи сполучної тканини і
проявляються ураженням судинних стінок і опор-
них тканин, що містять білок колаген: у хворих спо-
стерігаються збільшення проникності стінок кро-
воносних судин із розвитком підвищеної крово-
точивості (особливо ясен), виникненням “петехій”
(дрібнокраплинних крововиливів) на шкірі і слизо-
вих оболонках), випадіння зубів, порушення струк-
тури і функції суглобів. Для загальних порушень
в організмі при недостатності вітаміну С характер-
ними є зниження працездатності, адаптивних можливостей організму, особливо
в умовах напруженої фізичної, розумової діяльності, стресорних ситуацій, змін
температури навколишнього середовища, підвищення сприятливості до дії
інфекційних факторів.
Незважаючи на багаторічні дослідження, молекулярні механізми біологічних
ефектів вітаміну С розшифровані ще в недостатній мірі. Реакціями, де участь L-
АК є остаточно з’ясованою, є гідроксилювання біомолекул в ході таких біохімічних
перетворень:
– біосинтезу колагену, а саме в посттрансляційній модифікації білка з утворен-
ням зрілого колагену шляхом гідроксилювання залишків проліну та лізину до
відповідних гідроксіамінокислот; в процесі гідроксилювання проліну до 4-гідрок-
сипроліну бере участь Fe
2+
— аскорбатзалежний фермент пролілгідроксилаза —
роль L-АК полягає в регенерації відновленої форми іона заліза, необхідного для
каталітичного циклу;
– біосинтезу дофаміну, норадреналіну та адреналіну (етапи гідроксилювання
в циклі та бічному кільці катехоламінів);
– біосинтезу стероїдів (численні реакції гідроксилювання на етапах утворення
холестерину та біологічно активних стероїдних гормонів);
– біосинтезу серотоніну (реакція гідроксилювання триптофану);
– катаболізму тирозину (через стадію утворення гомогентизинової кислоти).
У більшості біокаталітичних процесів, що перебігають за участю L-АК, беруть
участь також іони заліза (Fe
2+
—Fe
3+
), що виступають у ролі зворотних донорів
електронів і утворюють у процесі реакцій токсичну для біоструктур молекулярну
форму (Fe
3+
—О
–
), яка може стимулювати реакції перекисного окислення
Рис. 27.2. Сент-Дьєрдьї (Szent-Gyor-
gyi) Альберт (1893-1986).
Видатний біохімік, закінчив
Будапештський ун-т, працю-
вав в різних країнах Европи,
США. Значний внесок у роз-
виток теорії біологічного
окислення, біохімії м’язів;
встановив будову вітаміну С,
відкрив вітамін Р. Нобе-
лівська премія (1937).
410 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
біомолекул. Як вже зазначено для реакції гідроксилювання проліну, L-АК в цих
реакціях виконує специфічну антиоксидантну функцію, забезпечуючи регенерацію
відновленої форми заліза, тобто знешкоджуючи високоактивну молекулярну
структуру (Fe
3+
—О
–
).
Джерела та добова потреба
Вітамін С міститься в більшості продуктів харчування, особливо рослинного
походження (таблиця 27.1.), і недостатність у вітаміні розвивається, як правило,
за умов нераціональної дієти (відсутність свіжих рослинних продуктів) або
неправильної кулінарної підготовки харчових блюд. Особливо шкідливими для
вмісту L-АК є термічна обробка продуктів в умовах високої температури, наяв-
ності кисню та металів (підігрівання продуктів у металевому посуді!).
Добова потреба в L-аскорбіновій кислоті становить 50-70 мг* [60 мг]**.
Т а б л и ц я 27.1. Вміст вітаміну С у продуктах харчування
Вітамін Р
Хімічна будова
Властивості вітаміну Р мають рос-
линні сполуки фенольної природи,
більшість із яких належать до похідних
флавону (2-
фенілхромо-
ну) — фла-
воноїди:
Природні
флавони є
барвними пігментами рослин жовтого
кольору. Представниками флавоноїдів,
що мають найбільшу Р-вітамінну ак-
тивність, є гідроксильований флавон
Продукт L-АК (мг/100 г)
Шипшина (ягоди) 1000-4500
Горіх грецький 1000-1800
Перець червоний 100-400
Смородина чорна 100-400
Смородина червона 8-16
Хрін (корінь) 100-200
Картопля 6-20
Капуста білокачанна 25-66
Морква 5
Цибуля ріпчаста 20
Яблука ("Антонівка") 20-40
Лимони 40-55
Кавун 5-10
Молоко коров'яче (мг/100 мл)1
Кумис (мг/100 мл)20
O
O
6
7
8
5
1
4
4'
1' 3'
2'
2
3
5'
6'
Флавон
O
O
O
O
OH
OH
HO
OH
OH
O
OH
OH
Глюкоза
О
Рамноза
OH
HO
Кверцетин
Рутин (3-рамноглюкозид кверцетину)
411Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
кверцетин, глікозид кверцетину рутин та флаво-
ноглікозид гесперидин:
Р-Вітамінні властивості мають також похідні
флавану — сполуки, що відрізняються від флавону
відсутністю кетогрупи та подвійного зв’язку між
2-м та 3-м атомами вуглецю. Представниками фла-
ванів є 3-оксифлавани — катехіни, що містяться
в значній кількості в чайному листі.
Біологічні властивості та механізм дії
Основною біологічною ознакою вітаміну Р є
здатність до зміцнення судинної стінки та змен-
шення її проникності (“Вітамін проникності” — Permeability vitamin; англ.). Не-
достатність вітаміну Р може розвиватися за умов відсутності в харчуванні рос-
линних продуктів і звичайно супроводжує недостатність L-аскорбінової кислоти,
тому цингу (скорбут) можна вважати певною мірою проявом недостатності цих
двох вітамінів. Механізм дії вітаміну Р пов’язують з участю у відновленні аскор-
бінової кислоти і збереженні її тканинних резервів.
Добова потреба
Потреба у вітаміні Р для людини не встановлена; з лікувальною метою (зміц-
нення кровоносних судин) вводять 100-200 мг вітаміну Р на добу (звичайно у
вигляді рутину).
27.3. ЖИРОРОЗЧИННІ ВІТАМІНИ. БІОАНТИОКСИДАНТИ
Вітаміни, що входять до цього класу, є олієподібними речовинами, які добре
взаємодіють із гідрофобними розчинниками; завдяки наявності в структурі молекул
довгих вуглеводневих (переважно ізопреноїдних) радикалів, більшість із цих віта-
мінів є компонентами біомембран, у складі яких виконують специфічні біологічні
функції, зокрема є потужними біоантиоксидантами (вітаміни Е, А, К).
Всмоктування жиророзчинних вітамінів у кишечнику залежить від наявності
поверхнево-активних компонентів жовчі і може порушуватися при обтурації жовч-
них проток, що супроводжується симтомами вітамінної недостатності. З іншого
боку, на відміну від водорозчинних вітамінів, надлишкове (щодо фізіологічних
потреб) надходження жиророзчинних вітамінів (особливо А, Д, К) є небезпечним
для організму людини, оскільки ці сполуки можуть накопичу-
ватися в тканинних депо і спричиняти токсичну дію (стан
гіпервітамінозу).
Вітамін А
Хімічна будова та біологічні джерела
Сполуки, що мають біологічні властивості вітаміну А, є по-
хідними
ββ
ββ
β-іонону із загальною формулою:
H
2
C
H
2
C
C
H
2
C
C
C
CH
3
H
3
C
R
CH
3
ββ
ββ
β-Іонон
O
O
OH
OH
HO
OH
OH
Флаван
Катехін (пентаоксифлаван)
412 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Дві молекулярні форми вітаміну
А (вітамери) — А
1
та А
2
є цикліч-
ними ненасиченими спиртами (транс-
ізомери), що мають як бічний ради-
кал гідрофобну діізопреноїдну групу,
завдяки якій ці сполуки розчиня-
ються в ліпідному бішарі мембран:
Обидві сполуки проявляють пов-
ний спектр біологічних ефектів віта-
міну А, проте вітамін А
1
є дещо ак-
тивнішим.
У рослинних організмах містять-
ся провітаміни (біологічні поперед-
ники) вітаміну А — жовті пігменти
αα
αα
α,
ββ
ββ
β та
γγ
γγ
γ-каротини (вперше були
виявлені в моркві — carota; лат.).
Найбільш активним провітаміном
вітаміну А є
ββ
ββ
β-каротин, при гідролізі
якого за участю ферменту
ββ
ββ
β-каро-
тинази стінки тонкої кишки та печін-
ки людини утворюються дві молеку-
ли вітаміну А
1
:
Біологічні властивості
Після надходження в організм лю-
дини (з тваринною їжею або у вигляді
рослинних каротинів) ретинол та дегід-
роретинол депонуються в тканинах
(переважно в печінці) у вигляді склад-
них жирнокислотних ефірів, які, у міру фізіологічної потреби, утворюють активні
молекулярні форми вітаміну А: спирт (ретинол), альдегід (ретиналь) та ретиноєву
кислоту:
Біологічна активність вітаміну А полягає, переважно, в регуляції таких функцій
організму:
– процесів темнового (нічного) зору — недостатність вітаміну А супроводжу-
ється порушенням темнового зору і розвитком “курячої сліпоти” (гемералопії);
– процесів росту та диференціювання клітин;
– процесів утворення глікопротеїнів, що є компонентами біологічних слизів
організму.
CH
3
H
3
C
CH
3
(CH CH C
CH
3
CH)
2
CH
2
OH
CH
3
H
3
C
CH
3
(CH CH C
CH
3
CH)
2
CH
2
OH
Вітамін А
2
(дегідроретинол)
Вітамін А
1
(ретинол)
ACH
2
OH A C
O
H
ACOOH
CH
3
H
3
C
CH
3
RCH CHR
CH
3
H
3
C
H
3
C
H
2
O
R
(CH CH C CH)
2
CH
3
Утворення вітаміну А
1
з
ββ
ββ
β-каротину.
ββ
ββ
β-Каротин
ββ
ββ
β-каротиназа
2 молекули вітаміну А
1
413Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
1. Процеси темнового зору є фізіологічною
функцією спеціалізованих клітин сітківки —
паличок, яка забезпечується фоторецепторним
білком родопсином, що міститься в мембранних
утвореннях зовнішніх сегментів паличок —
дисках (вп’ячуваннях плазматичної мембрани
клітини).
Родопсин — складний білок (м.м. 40 кД),
що складається з білкової частини — опсину
та хромофору (простетичної групи) — альде-
гідної форми вітаміну А — 11-цис-ретиналю,
яка зв’язана з
εε
εε
ε-аміногрупою лізинового за-
лишку альдимінним зв’язком (основа Шиффа):
Будучи інтегральним (трансмембранним) білком мембрани диска, завдяки
циклічним внутрішньомолекулярним перетворенням вітаміну А родопсин
сприймає квант (один фотон!) світла, трансформуючи його в гіперполяризацію
мембрани, тобто запускає елементарний фізіологічний акт зору. Послідовність
молекулярних подій у цьому процесі є такою:
(1) сприйняття родопсином кванта світла (максимум поглинання при 500 нм)
ініціює ізомеризацію зв’язаного з опсином 11-цис-ретиналю на повністю транс-
ретиналь;
(2) фотоіндукована ізомеризація простетичної групи (вітаміну А) спричиняє
зміни конформації білкової час-
тини молекули і утворення
декількох проміжних інтерме-
діатів (конформерів) родопсину:
батородопсин — люміродоп-
син — метародопсин I — мета-
родопсин II;
(3)останній з індукованих
світлом конформерів родопси-
ну — метародопсин II (т.з. “фо-
тозбуджений родопсин” — R*)
індукує каскад біохімічних ре-
акцій, що призводять до закриття
Na
+
— каналів мембран дисків.
Диск
Плазматична мембрана
Мітохондрії
Ядро
N
Рис. 27.3. Схема структурної
організації дисків зовнішніх
сегментів паличок сітківки.
RC
O
H
+ H
2
N
(CH
2
)
4
опсин
H
+
H
2
O
RC
H
N
+
(CH
2
)
4
H
опсин
Рис. 27.4. Схема фотоіндукованих перетворень ізомерних
форм вітаміну А в паличках сітківки.
Родопсин
Світло (hv)
Темрява
11-Цис-ретиналь
Опсин
Транс-ретиналь
AC
O
H
Транс-ретинол
(А—CH
2
OH )
Ізомераза
НАД
НАДН
2
Цис-ретинол
414 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Цей процес є каскадним механізмом передачі хімічного сигналу від збудженого
родопсину через білок трансдуцин (аналог G-білка) на фосфодіестеразу, що гід-
ролізує цГМФ; зменшення рівня цГМФ призводить до закриття Na
+
-каналу і
гіперполяризації мембрани; гіперполяризація, що настає, є сигналом для подальшого
електрохімічного реагування нейронів сітківки;
(4) транс-ретиналь, що утворився в результаті дії світла (п.1) втрачає зв’язок з
білковою частиною родопсину і підлягає (в темряві) регенерації до 11-цис-рети-
налю, який знову вступає в сполучення з лізиновим залишком білка, утворюючи
функціонально активний родопсин (рис. 27.4).
2. З самого початку вивчення вітаміну
А була встановлена його унікальна
стимулювальна дія відносно процесів
росту та диференціювання клітин
(“вітамін росту”). Згідно із сучасними
уявленнями, ця біологічна функція реа-
лізується транс-ретиноєвою кислотою
(РК), що утворюється в організмі з альдегідної форми вітаміну А.
В основі стимулювання вітаміном А процесів росту та розвитку організмів
(морфогенезу) лежить вплив транс-ретиноєвої кислоти на процеси транскрипції,
молекулярні механізми яких були розглянуті в главі 23. Як випливає із зазначеного
матеріалу, ядерні рецептори для РК належать до суперсімейства регуляторів транс-
крипції разом з рецепторами для стероїдних гормонів, вітаміну D
3
та тироксину,
молекулярно-генетичні механізми функціонування яких є об’єктами сучасних
досліджень.
3. Характерним проявом недостатності вітаміну А у людини та тварин є вира-
жена сухість слизових оболонок, вкритих одношаровим плоским епітелієм, що
вистилає шлунково-кишковий та дихальний тракт, сечовивідні та статеві шляхи,
очне яблуко, сльозний та слуховий канали тощо. Введення препаратів вітаміну А або
продуктів, що його містять, протидіє вказаним патологічним проявам, зокрема
сухості очного яблука (“антиксерофтальмічний” вітамін, “аксерофтол”).
Біохімічною основою цієї групи ефектів вітаміну А є його стимулювальна дія
відносно біосинтезу глікопротеїнів, які складають основу муцинів — слизових
утворень, які вкривають зазначені епітеліальні покриви. Існують дані щодо участі
вітаміну А у функціонуванні глікозилтрансфераз ендоплазматичного ретикулума
та комплексу Гольджі, а саме коферментної функції ретинолу як ліпідного пере-
носника олігосахаридних залишків через ліпопротеїнові мембрани до місць гліко-
зилювання пептидної частини глікопротеїну.
Добова потреба
Вітамін А надходить в організм людини з продуктами тваринного походження
(особливо у складі вершкового масла, сметани, молока, печінки, риб’ячого жиру,
яєчного жовтка) та у вигляді рослинних каротинів.
Добова потреба у вітаміні А складає 1,5-2,5 мг, або 3-5 мг каротинів* [1 мг ре-
тинолу, або 6 мг каротинів]**.
H
3
CCH
3
C
CH
3
O
OH
CH
3
CH
3
Транс-ретиноєва кислота
415Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
Вітамін К
Хімічна будова
Властивості вітаміну К має група вітамерів — похід-
них 2-метил-1,4-нафтохінона. Розрізняють вітамін К
1
(філохінон) та вітамін К
2
(фарнохінон).
Вітамін К
1
є
похідним 2-ме-
тил-1,4-нафто-
хінону, бічним
вуглеводневим
радикалом, у
якому є похід-
не ізопрену —
фітил (2-ме-
тил-3-фітил-1,4-нафтохінон). Цей
вітамер був вперше виділений із
люцерни і є біологічно найбільш ак-
тивною формою вітаміну К.
Вітамін К
2
має довший бічний ізо-
преноїдний ланцюг, будучи за хіміч-
ною будовою 2-метил-3-фарнезил-
1,4-нафтохіноном; вітамер був вперше виділений із рибного борошна.
Біологічні властивості
Біологічна дія вітаміну К в організмі людини і тварин полягає в його впливі
на функціонування згортальної системи крові (“антигеморагічний” вітамін).
Оскільки вітамін К є необхідним компонентом для утворення факторів коагуляції
крові II, VII, IX, X, недостатність вітаміну супроводжується небезпечними для
життя кровотечами. Біохімічні механізми прокоагулянтної дії вітаміну К роз-
глянуті в главі 29.
Гіповітаміноз вітаміну К у людини розвивається найчастіше при захворю-
ваннях печінки та системи жовчовивідних шляхів, які перешкоджають утворенню
та/або надходженню в дванадцятипалу кишку жовчі, необхідної для всмоктування
жиророзчинних речовин. При підвищеній активності згортальної системи крові
нагальною проблемою клінічної практики є застосування антикоагулянтів, що
за механізмом дії є антивітамінами вітаміну К (група похідних кумарину).
Джерела та добова потреба
Джерелами вітаміну К для організму людини є переважно рослинні продукти
харчування (капуста, помідори, салат); певна кількість вітаміну міститься в печінці
(особливо свиній), м’ясі. Значна кількість вітаміну синтезується також кишковою
мікрофлорою, що може забезпечити потреби організму людини в цьому вітаміні
навіть в умовах зменшеного його надходження з продуктами харчування.
Добова потреба у вітаміні К складає 200-300 мкг* [80 мкг]**.
7
6
5
8
10
9
4
1
3
2
O
O
CH
3
R
2-Метил-1,4-нафтохінон
O
O
CH
3
CH
2
CH C
CH
3
CH
2
(CH
2
CH
2
CH
CH
3
CH
2
)
3
H
Вітамін К
1
O
O
CH
3
(CH
2
CH C
CH
3
CH
2
)
n
H
Вітамін К
2
(n=6;7;9)
416 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Вітамін Е
Хімічна будова
Властивості вітаміну Е має група
похідних токолу (2-метил-2(4',8',12'-
триметилтридецил)-6-хроманолу —
αα
αα
α,
ββ
ββ
β та
γγ
γγ
γ-токофероли, що були впер-
ше виділені з рослинних олій.
Найбільшу біологічну активність має
αα
αα
α-токоферол (5,7,8-триметилтокол):
Біологічні властивості та механізм дії
Вітамін Е має широкий спектр біологічної активності — його недостатність
супроводжується численними змінами обмінних процесів та фізіологічних функ-
цій організму. Найбільш характерними для Е-авітамінозу є глибокі порушення
репродуктивної функції як у чоловіків (аномальний сперматогенез) так і жінок
(неспроможність запліднення та виношування вагітності), м’язові дистрофії,
некрозо-дистрофічні процеси в печінці.
Згідно з сучасними уявленнями, основні молекулярні механізми дії вітаміну
Е (
αα
αα
α-токоферолу) полягають у наступному:
(1) завдяки наявності вільного фенольного гідроксилу в ароматичному ядрі
хроману
αα
αα
α-токоферол може вступати в реакцію диспропорціонування з вільними
радикалами у вигляді гасника (інгібітора) вільних радикалів InH, гальмуючи
процеси
вільно-ра-
дикального
окислення
органічних
молекул:
Продукти реакції
αα
αα
α-токоферолу з органічними радикалами (In
•
) вступають в
реакцію між собою, утворюючі неактивні молекулярні продукти In-In:
In
•
+ In
•
In – In
(2) завдяки гідрофобному бічному радикалові
αα
αα
α-токоферол може вбудовуватися
в фосфоліпідний матрикс біомембран, стабілізуючи рухомість та мікров’язкість
мембранних ліпідів і білків.
Антирадикальні та мембраностабілізуючі властивості вітаміну Е є біохімічною
основою його біологічної функції як найбільш потужного біоантиоксиданта.
Протидіючи перекисному окисленню біомолекул (ліпідів, білків, нуклеїнових
кислот),
αα
αα
α-токоферол захищає клітинні структури від цитотоксичної дії вільних
радикалів як ендогенного походження, так і ксенобіотиків, що потрапляють в
організм із зовнішнього середовища (Ю.І.Губський, 1995).
Джерела та добова потреба
Найбільш багатими джерелами вітаміну Е в харчуванні людини є олії (соняш-
никова, кукурудзяна, соєва тощо), свіжі овочі та тваринні продукти (м’ясо, верш-
кове масло, яєчний жовток).
Добова потреба у вітаміні Е (
αα
αα
α-токоферолі) становить 10-20 мг* [10 мг]**.
O
R'
HO
H
3
C
CH
3
CH
3
CH
3
O
R'
O
•
H
3
C
CH
3
CH
3
CH
3
+
RO
2
•
R
•
+
ROOH
RH
O
CH
2
H
2
C
(CH
2
CH
2
CH
CH
3
CH
2
)
3
H
HO
H
3
C
CH
3
CH
3
CH
3
Вітамін Е (
αα
αα
α-токоферол)
417Ãëàâà 27. ³òàì³íè ÿê êîìïîíåíòè õàð÷óâàííÿ
Вітамін F
Хімічна природа та властивості
Під вітамінами групи F розуміють групу поліненасичених жирних кислот
рослинного походження — переважно лінолевої та ліноленової, що є поперед-
никами у синтезі біологічно активних ейкозаноїдів — похідних арахідонової
кислоти (простагландинів, тромбоксанів, лейкотрієнів).
Джерела та добова потреба
Джерелами поліненасичених жирних кислот є здебільшого рослинні олії, в
деякій мірі — тваринні жири, вершкове масло, яйця. Добова потреба організму
людини у вітаміні F cкладає близько 2-6 г.
Вітамін D
Хімічна будова
До вітамінів групи D належать
вітамери D
3
(холекальциферол, віта-
мін D тваринного походження) та D
2
(ергокальциферол, вітамін D рослин-
ного походження):
Біологічні властивості та
механізм дії
Біологічною функцією вітамінів
групи D є регуляція гомеостазу каль-
цію. Холекальциферол — вітамін D
3
,
що утворюється в організмі людини
з 7-дегідрохолестерину, є поперед-
ником фактора гормонального типу
дії кальцитріолу (1,25(ОН)
2
D
3
), який
індукує синтез Са-зв’язуючих білків
ентероцитів і є, таким чином, основним регулятором всмоктування в кишечнику іонів
Са
2+
, необхідних для кісткоутворення та контролю багатогранних Са-залежних
біохімічних процесів (глава 25).
Найбільш частими причинами недостатності вітаміну Д з порушенням кальцієво-
фосфорного обміну, остеомаляцією і розвитком рахіту (rhachis — хребет; спинномоз-
ковий стовбур — грецьк.) у дітей є знижене сонячне опромінення шкіри, а також
зменшене споживання тваринних продуктів, що містять холекальциферол.
Джерела та добова потреба
Найбільша кількість вітаміну D (D
3
) міститься в продуктах харчування тваринного
походження: вершковому маслі, жовтку яєць, печінці; особливо багатим джерелом
вітаміну D
3
є риб’ячий жир, що широко використовується для профілактики і лікування
рахіту.
Антирахітну активність має також ергокальциферол (вітамін D
2
)
,
що утворю-
ється при ультрафіолетовому опроміненні рослинного стерину — ергостерину, який
міститься в значній кількості в дріжджах та грибах.
Добова потреба в вітаміні D для дорослої людини складає 2,5-10 мкг* [5 мкг]**.
Для дітей раннього віку — в середньому 12-25 мкг (Т.Т.Березов, Б.Ф.Коровкин, 1983);
за рекомендаціями Ради з харчових продуктів та харчування Національної академії
наук США — 7,5-10 мкг.
Вітамін D
3
Вітамін D
2
HO
CH
2
CH
H
3
C
H
2
C
C
H
2
H
2
C
HC
CH
3
CH
3
HO
CH
2
CH
H
3
C
H
C
C
H
CH
HC
CH
3
CH
3
CH
3
418 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
ГЛАВА 28. БІОХІМІЯ І ПАТОБІОХІМІЯ КРОВІ
Кров є рідкою тканиною організму людини та вищих тварин, його внутрішнім
середовищем, яке забезпечує зв’язок та інтеграцію обміну речовин різних органів
і тканин.
Загальна кількість крові в організмі дорослої людини складає в середньому 7 %
від маси тіла, тобто у людини масою 70 кг міститься близько 5 л крові.
При центрифугуванні кров поділяється на формені елементи (еритроцити,
лейкоцити, тромбоцити) та рідку частину — плазму. Існує певне співвідношення
між об’ємом плазми та форменими елементами, що встановлюється за допомо-
гою гематокриту. У здорової людини плазма складає 55-60 % об’єму всієї крові,
а формені елементи, відповідно, — 40-45 %. Плазма складається з води (90 %) та
містить розчинені в ній органічні (білки, вуглеводи, ліпіди, різні метаболіти,
біорегулятори та інші низькомолекулярні речовини) і неорганічні сполуки. Після
видалення з кров’яного русла в плазмі крові відбувається згортання, тобто її
розподіл на сироватку та згусток нерозчинного білка фібрину, який утворюється
з розчинного фібриногену, що міститься в плазмі.
При різних патологічних станах, які супроводжуються розладами системної
гемодинаміки та мікроциркуляції, загальний об’єм крові і співвідношення між
плазмою та форменими елементами (гематокритне число) можуть суттєво
змінюватися, що призводить до глибоких порушень фізіологічних та біохімічних
функцій крові.
28.1. ФІЗІОЛОГІЧНІ ТА БІОХІМІЧНІ ФУНКЦІЇ КРОВІ
Дихальна функція — гемоглобін, що входить до складу еритроцитів, разом
із плазмою крові здійснюють транспорт кисню від альвеол легень до всіх органів
і тканин організму та зворотний транспорт діоксиду вуглецю. Біохімічні механізми
переносу гемоглобіном O
2
та CO
2
між артеріальною та венозною кров’ю детально
будуть розглянуті нижче.
Поживна (трофічна) функція — плазма крові забезпечує міжорганний пере-
нос поживних речовин (вуглеводів, ліпідів, амінокислот, нуклеотидів, продуктів
їх метаболізму, вітамінів) до клітин, де вони використовуються в катаболічних
та анаболічних процесах. Таким шляхом, зокрема, відбуваються: транспорт від
кишечника до печінки та інших органів продуктів травлення (моносахаридів,
жирних кислот, гліцерину, амінокислот); перенос глюкози та кетонових тіл із
печінки до м’язів; перенос молочної кислоти із скелетних м’язів до печінки; пе-
ренос із печінки до адипоцитів жирової тканини ліпідів у формі ліпопротеїнів;
перенос жирних кислот та гліцерину з жирової тканини до клітин різних органів;
надходження різних поживних метаболітів до головного мозку тощо.
Видільна (екскреторна) функція — за допомогою плазми крові забезпечу-
ється транспортування до органів виділення (нирок, легень, кишечника, шкіри)
кінцевих метаболітів обміну речовин (сечовини, сечової кислоти, амонійних со-
лей, білірубіну) та продуктів біотрансформації чужорідних органічних сполук
(лікарських токсичних речовин та інших ксенобіотиків).
419Ãëàâà 28. Á³îõ³ì³ÿ ³ ïàòîá³îõ³ì³ÿ êðîâ³
Захисна функція — різні типи лейкоцитів та плазма крові за допомогою склад-
ної системи ферментів та специфічних білків забезпечують широкий спектр захис-
них реакцій, протидіючи порушенням внутрішнього гомеостазу, зокрема проник-
ненню у внутрішнє середовище організму генетично чужорідних для нього білків
та інших макромолекул. Ця імунна функція крові реалізується за рахунок Т-лімфо-
цитів, які є ефекторами клітинного імунітету, що руйнують чужорідні клітини і
власні клітини із зміненими генетичними властивостями, та В-лімфоцитів, що
виробляють специфічні антитіла — імуноглобуліни, які забезпечують гуморальну
ланку імунітету. Важливе місце в системі захисту організму посідають ферменти
макрофагів, що утворюються з деяких класів лейкоцитів, білки комплементу та
інші фактори неспецифічної резистентності організму (
αα
αα
α
2
-макроглобулін,
αα
αα
α
1
-інгі-
бітор трипсину, С-реактивний протеїн, фібронектин тощо).
Особливе значення серед біохімічних компонентів, які реалізують захисну
функцію крові, мають білки згортальної та фібринолітичної систем, що забезпе-
чують як захист організму від крововтрат у разі порушення цілісності судин, так
і протидіють її коагуляції, тромбоутворенню всередині кров’яного русла.
Регуляторна функція — здійснюється за допомогою гормонів та інших біоре-
гуляторів, що секретуються в кров певними ендокринними залозами, та за допо-
могою специфічних транспортних білків плазми крові переносяться у відповідні
органи-мішені. Регуляторна функція крові виявляється також у підтриманні
кислотно-лужного та водно-сольового балансу, осмотичного тиску міжклітинної
рідини, участі в регуляції температури тіла.
28.2. ДИХАЛЬНА ФУНКЦІЯ ЕРИТРОЦИТІВ. БІОХІМІЯ
ТА ПАТОБІОХІМІЯ ГЕМОГЛОБІНУ
Гемоглобін: структура, властивості
Дихальна функція еритроцитів здійснюється за рахунок гемопротеїну гемогло-
біну — білка з четвертинною структурою, що складається з чотирьох субодиниць
(протомерів), кожен з яких містить поліпептидний ланцюг, зв’язаний з гемом
через залишок гістидину. У молекулі гемоглобіну по два з чотирьох поліпептидних
ланцюгів попарно однакові, його молекулярна маса 64,5 кД.
У крові дорослої людини основним типом гемоглобіну (до 96 % усього гемо-
глобіну еритроцитів) є форма, що містить два
αα
αα
α- та два
ββ
ββ
β-ланцюги, які склада-
ються, відповідно, з 141 та 146 амінокислотних залишків. Умовна формула такого
гемоглобіну дорослих (adult — англ.) позначається HbA
1
=
αα
αα
α
2
ββ
ββ
β
2
. Крім цієї форми,
в крові міститься до 2 % гемоглобіну A
2
, формула якого HbA
2
=
αα
αα
α
2
δδ
δδ
δ
2
, та 2-3 %
ембріонального, або фетального гемоглобіну HbF =
αα
αα
α
2
γγ
γγ
γ
2
.
Механізм участі гемоглобіну в транспорті кисню
Завдяки здатності приєднувати молекулу О
2
при його високому парціальному
тискові і віддавати — при низькому, молекула гемоглобіну виконує свою основну
фізіологічну функцію транспортера кисню, приєднуючи його в капілярах альвеол
легень (pО
2
дорівнює 90-100 мм рт. ст.) та віддаючи тканинам у венозних капі-
лярах, де pО
2
дорівнює 25-40 мм рт. ст.
420 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Крива зв’язування гемоглобіном кисню та,
відповідно, дисоціації оксигемоглобіну, має
S-подібну форму, що свідчить про кооператив-
ний характер процесу (рис. 28.1). Дійсно, при-
єднання молекули О
2
до першої субодиниці
гемоглобіну внаслідок конформаційних змін,
що відбуваються, підвищує здатність гемопро-
теїну до взаємодії з подальшими трьома молеку-
лами кисню. Таким чином, спорідненість гемо-
глобіну до четвертої молекули кисню майже в
300 разів вища, ніж до першої.
Ступінь оксигенації гемоглобіну (утворення
НbO
2
) залежить від таких факторів:
– парціального тиску кисню;
– значення pH;
– концентрації діоксиду вуглецю;
– концентрації 2,3-дифосфогліцерату;
S-подібна кінетика залежності ступеня утворення HbO
2
від парціального тиску
кисню та (відповідно) його концентрації в крові була розглянута вище. Зазначимо
також, що вивільненню кисню з оксигемоглобіну в периферичних тканинах
значною мірою сприяє градієнт його парціального тиску в напрямку альвеоли
(100 мм рт. ст.)
артеріальна кров (90 мм рт. ст.) венозна кров
(40 мм рт. ст.)
мітохондрії клітин (0-5 мм рт. ст.). Використання кисню в
цитохромоксидазній реакції створює в мітохондріях “кисневий вакуум”
(А.Я. Николаєв, 1998), завдяки якому клітини всмоктують атмосферний кисень.
Зв’язування гемоглобіном іонів H
+
та СО
2
зменшує здатність гему до взаємодії
з киснем, тобто активність утворення HbO
2
. Цей негативний вплив зменшення
pH та збільшення концентрації діоксиду вуглецю на утворення оксигемоглобіну
має назву ефекту Бора. Молекулярні механізми ефекту Бора пов’язані з конфор-
маційними змінами в молекулі гемопротеїну, шо відбуваються при його взаємодії
із зазначеними лігандами.
2,3-Дифосфогліцерат — метаболіт, який має каталітичне значення для гліколізу,
присутній в еритроцитах у концентрації 5 мМ, що наближається до еквімоле-
кулярної концентрації з гемоглобіном. Важливою біохімічною функцією 2,3-ди-
фосфогліцерату є його здатність зменшувати спорідненість гемоглобіну до кисню.
Цей метаболіт зв’язується з молекулою гемоглобіну в деоксигенованій формі
(Hb), протидіючи його взаємодії з O
2
, тобто утворенню HbO
2
. Таким чином, наяв-
ність в еритроцитах значної кількості 2,3-дифосфогліцерату є важливим регу-
ляторним фактором, що сприяє вивільненню кисню з HbO
2
в тканинній ділянці
кровообігу.
Механізми транспорту діоксиду вуглецю від тканин до легенів
Крім транспорту молекул О
2
від легенів до капілярів периферичних тканин,
гемоглобін відіграє також суттєву роль у переносі від тканин до легенів СО
2
,
який утворюється в клітинах у реакціях декарбоксилювання. Діоксид вуглецю,
20
40
60
80
100
120
20
40
60
80
100
II
I
pO
2
, мм рт.ст.
%
Рис. 28.1. Залежність ступеня оксигена-
ції (% від максимальної) від
парціального тиску О
2
для
гемоглобіну (II) та міоглобіну
(I) — кисеньзв’язуючого біл-
ка м’язів, що не має коопера-
тивних властивостей.
421Ãëàâà 28. Á³îõ³ì³ÿ ³ ïàòîá³îõ³ì³ÿ êðîâ³
що надходить у кров через стінки тканинних капілярів, частково безпосередньо
розчиняється в плазмі, але більша його частина утворює бікарбонати, які з током
крові надходять до легенів. Оскільки гемоглобін має властивості кислоти (HHb),
до того ж його кислотні властивості зростають при оксигенації (HHbO
2
), він здатен
взаємодіяти з бікарбонатами (KHCO
3
) з утворенням вугільної кислоти (H
2
CO
3
),
що і відбувається в легеневих капілярах; подальша дисоціація вугільної кислоти
призводить до утворення вільного діоксиду вуглецю, який виділяється з легень у
процесі зовнішнього дихання.
Процеси, що лежать в основі здатності гемоглобіну брати участь у транспорті
СО
2
, описуються такими рівняннями реакцій:
1. В легеневих капілярах.
Оксигенація гемоглобіну, що збільшує його кислотні властивості (тобто ступінь
дисоціації кислотних груп його білкової частини):
Взаємодія кислотної форми гемоглобіну з бікарбонатом калію, що надходить
всередину еритроциту з плазми крові:
Розщеплення вугільної кислоти, що утворилась, під дією ферменту карбо-
ангідрази:
2. В капілярах периферичних тканин.
Відщеплення кисню від калієвої солі оксигемоглобіну:
Утворення всередині еритроцитів вугільної кислоти з діоксиду вуглецю, що
генерується за рахунок процесів декарбоксилювання:
Утворення в еритроцитах бікарбонату при взаємодії вугільної кислоти з калієвою
сіллю гемоглобіну:
Бікарбонат (HCO
3
–
), що утворився в цій реакції, надходить з еритроциту в плазму
крові (за рахунок іонного обміну з аніоном Cl
–
) і транспортується в легені (п.1).
Варіанти та патологічні форми гемоглобінів
Гемоглобіни A
1
, A
2
та F є представниками множинних молекулярних форм
гемоглобінів (ізобілками), що звичайно містяться в еритроцитах усіх здорових
людей. Разом з тим, в результаті мутацій у генах, що контролюють синтез
αα
αα
α- або
(частіше)
ββ
ββ
β-ланцюгів, можливе виникнення різноманітних варіантів (алелей)
відповідних генів та поява в еритроцитах алельних варіантів гемоглобінів. Ці
ізобілки розрізняються за амінокислотним складом певних поліпептидних
HHb + O
2
HHbO
2
HHbO
2
+ KHCO
3
KHbO
2
+ H
2
CO
3
H
2
CO
3
H
2
O + CO
2
KHbO
2
KHb + O
2
CO
2
+ H
2
O H
2
CO
3
KHb + H
2
CO
3
HHb + KHCO
3
422 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
ланцюгів (часто — заміною лише однієї амінокислоти в
ββ
ββ
β-ланцюзі), за фізико-
хімічними та функціональними властивостями, і головне — здатністю до транс-
порту кисню.
Патологічні стани, що розвиваються внаслідок наявності в крові варіантних
або патологічних форм гемоглобінів із зміненими кисеньтранспортувальними
властивостями, позначачаються як гемоглобінози.
За механізмом виникнення молекулярного дефекту гемоглобінози поділяють
на гемоглобінопатії та таласемії. При гемоглобінопатіях молекулярний дефект
полягає у змінах первинної структури поліпептидних ланцюгів, що формують
αα
αα
α- або
ββ
ββ
β-субодиниці молекул гемоглобіну (амінокислотні заміни, делеції або
вставки) з утворенням аномальних форм гемоглобінів. Такі аномальні гемогло-
біни позначають великими літерами латинського алфавіту або за містом, де був
вперше виявлений даний дефект. Таласемії — це такі уроджені дефекти синтезу
гемоглобінів, при яких у мутантних формах гемоглобінів взагалі відсутні
αα
αα
α- або
ββ
ββ
β-ланцюги. Клінічно гемоглобінози проявляються різними формами анемій, іноді
несумісними з життям.
HbF (
αα
αα
α
2
γγ
γγ
γ
2
) — фетальний гемоглобін — є основною молекулярною формою
гемоглобіну людини під час внутрішньоутробного розвитку плода і зникає (замі-
нюється на HbA) в перші 3 міс. після народження, тобто після переходу на легеневе
дихання атмосферним киснем.
За своїми кисеньзв’язуючими властивостями HbF близький до міоглобіну;
крива зв’язування кисню у фетального гемоглобіну є гіперболічною, тобто він не
здатний до швидкої дисоціації з вивільненням O
2
при зниженні парціального
тиску кисню, подібно до HbA, та не чутливий до регулюючого впливу 2,3-ди-
фосфогліцерату. В разі спадкового персистування HbF його концентрація в крові
дорослої людини може бути збільшеною в 10-20 разів, що клінічно проявляється
важкою гіпоксією внаслідок нездатності такого гемоглобіну до нормального
транспорту кисню між артеріальною та венозною кров’ю.
HbS — мутантний гемоглобін, у
ββ
ββ
β-ланцюгах якого в положенні 6 замість
залишку глутамінової кислоти присутній залишок валіну. Ця молекулярна заміна
(6
Glu
6
Va l
), зменшуючи негативний заряд молекули гемоглобіну, супроводжу-
ється зниженням його спорідненості до O
2
та здатністю окремих молекул гемогло-
біну злипатися між собою з утворенням ниткоподібних агрегатів. Такі міжмолеку-
лярні агрегати змінюють форму еритроцитів, надаючи їм характерного серпопо-
дібного вигляду — “серпоподібноклітинна анемія” (Sickle cell anemia — англ.).
Серпоподібні еритроцити легко гемолізуються вже в судинному руслі, і клінічні
прояви цієї хвороби варіюють від ледь помітних (гетерозиготна форма серпоподіб-
ноклітинної анемії) до тих, що спричиняють летальний кінець в ранньому віці
(гомозиготні форми).
HbC — аномальний гемоглобін, у молекулі якого існує заміна залишку глутамі-
нової кислоти в 6-му положенні
ββ
ββ
β-ланцюга на лізин (6
Glu
6
Lys
). Еритроцити,
що містять такий аномальний гемоглобін, здатні до гемолізу, що також супрово-
джується розвитком анемії.
423Ãëàâà 28. Á³îõ³ì³ÿ ³ ïàòîá³îõ³ì³ÿ êðîâ³
HbM — існує група гемоглобінів М, в поліпептидних ланцюгах яких залишок
гістидину, що бере участь у зв’язуванні з залізом гему, заміщений на іншу амінокислоту.
Зокрема, в гемоглобіні HbM
Бостон
присутня заміна (
αα
αα
α 58
His
58
Tyr
) в HbM
Саскатон
—
заміна (
ββ
ββ
β 63
His
63
Tyr
).
У гемоглобінах, що містять такий молекулярний дефект, атом заліза Fe
3+
не
може відновлюватися метгемоглобінредуктазою до Fe
2+
, у зв’язку з чим в еритро-
цитах накопичується метгемоглобін (містить Fe
3+
у складі гему), що не здатний
до нормального транспорту кисню. Така метгемоглобінемія найбільш виражена
в гомозиготному стані, внаслідок чого хворі гинуть в умовах важкої гіпоксії.
HbA
1C
— глікозильований гемоглобін, який з’являється в еритроцитах за умов
некомпенсованого цукрового діабету.
Таласемії — гемолітичні анемії, що розвиваються внаслідок утворення ано-
мальних форм гемоглобінів, в глобіновій частині яких відсутній
αα
αα
α- або
ββ
ββ
β-полі-
пептидний ланцюг. Генетична основа таласемій полягає в ефекті мутацій, що
зачіпають контрольні елементи (промотори або гени-регулятори), відповідальні
за експресію певних структурних генів гемоглобіну.
28.3. КИСЛОТНО-ОСНОВНИЙ СТАН. БУФЕРНІ
СИСТЕМИ КРОВІ
Кров відіграє значну роль у підтриманні кислотно-лужного гомеостазу, тобто
певного співвідношення між концентраціями водневих та гідроксильних іонів у
біологічних рідинах. У крові здорової людини підтримується стала концентрація
водневих іонів, що складає в артеріальній плазмі 10
-7,36
, або pH = 7,36, тобто реакція
нормальної крові є слабколужною.
Регуляція кислотно-основного стану (КОС) або кислотно-лужного балансу
в організмі здійснюється за участю буферних систем крові та функціонування
легенів і нирок. Буферні системи — це суміші слабких кислот з солями цих кислот
та сильних лугів, що нейтралізують, відповідно, луги та кислоти, які можуть нако-
пичуватися в організмі під час обміну речовин, протидіючи тим самим відхилен-
ням pH від фізіологічного рівня.
pH будь-якої буферної системи можна розрахувати за рівнянням:
Буферні системи крові
До буферних систем організму належать: бікарбонатна система, фосфатна
система, система білків плазми крові, система гемоглобін-оксигемоглобін. Най-
більше значення для підтримання кислотно-лужного балансу крові та всього
організму мають бікарбонатна буферна система та система гемоглобіну.
Бікарбонатна буферна система складається з вільної вугільної кислоти (у
вигляді діоксиду вуглецю), що розчинена в плазмі та еритроцитах, та розчинених
бікарбонатів — натрію (в плазмі) та калію (в еритроцитах).
pH = pK
кислоти
+ lg
[сіль]
[кислота]
424 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Кислотність у бікарбонатній системі може бути розрахована за рівнянням
Гендерсона-Хассельбаха:
Існує стале співідношення між концентрацією в плазмі крові діоксиду вугле-
цю та бікарбонату натрію:
тобто вміст бікарбонатів перевищує вміст вільної вуглекислоти у 18-20 разів,
що і зумовлює деяку лужність крові. Запас бікарбонатів у крові (тобто хімічно
зв’язана вуглекислота) отримав назву лужного резерву крові, що є важливим
біохімічним компонентом, який протидіє зсувам pH крові в кислий бік при
накопиченні в організмі кислих продуктів, наприклад, молочної кислоти за умов
важкої фізичної праці.
Зниження лужного резерву крові, що відбувається за рахунок нейтралізації
кислот бікарбонатами, супроводжується утворенням еквівалентної кількості
H
2
CO
3
, яка, проте, не накопичується в крові, а швидко розкладається на воду та
діоксид вуглецю, що виділяється легенями. Співвідношення між концентраціями
вуглекислоти та бікарбонатів при цьому залишається сталим. Таким чином, вклю-
чення додаткового фізіологічного механізму (легенева вентиляція, що регулює
обмін газів між кров’ю та альвеолярним повітрям) сприяє утриманню pH крові
на фізіологічному рівні навіть за умов накопичення кислих метаболітів та зни-
ження лужного резерву.
Буферна система гемоглобіну
Здатність гемоглобіну та оксигемоглобіну бути компонентами відповідних
буферних систем пов’язана з їх властивостями як кислот, що здатні утворювати в
еритроцитах нестійкі калієві солі.
Калієва сіль гемоглобіну (KHb) в тканинних капілярах може взаємодіяти з
вугільною кислотою (а також іншими кислими метаболітами), утворюючи вільний
гемоглобін-кислоту (HHb) та сіль відповідної кислоти. Оксигемоглобін, що при-
сутній в артеріальній крові, є більш сильною кислотою, ніж гемоглобін, і його
калієва сіль може розкладати бікарбонати з утворенням вугільної кислоти, яка
виділяється легенями у формі СO
2
(див. вище).
Легені та нирки беруть участь у підтриманні КОС, регулюючи екскрецію
або затримку в організмі надлишку кислих або основних продуктів метаболізму.
Зокрема, виділення легенями діоксиду вуглецю під час дихання протидіє накопи-
ченню в крові кислих еквівалентів. Нирки здатні як до екскреції кислих (кислі
фосфати тощо) або лужних продуктів (Na
2
HPO
4
, іонів амонію), так і до затримання
лужних еквівалентів шляхом реабсорбції бікарбонатів.
Порушення кислотно-лужного балансу — патологічні стани, що характери-
зуються надмірним накопиченням в організмі кислих (ацидоз) або лужних
(алкалоз) сполук.
pH = 6,1 + lg
[HCO
3
–
]
[CO
2
]
[СO
2
]
[NaHCO
3
]
=–
1/18 1/20
,
425Ãëàâà 28. Á³îõ³ì³ÿ ³ ïàòîá³îõ³ì³ÿ êðîâ³
Залежно від біохімічних та патофізіологічних механізмів розвитку, розрізня-
ють такі форми порушень кислотно-лужного балансу:
– метаболічний ацидоз — характеризується зменшенням концентрації HCO
3
–
внаслідок накопичення в організмі кислот або втрати лугів;
– метаболічний алкалоз — характеризується підвищенням концентрації HCO
3
–
внаслідок втрат організмом кислот або, рідше, накопиченням лугів;
– респіраторний ацидоз — є результатом зростання концентрації вугільної
кислоти внаслідок порушення виділення CO
2
легенями;
– респіраторний алкалоз — характеризується зниженням вмісту в крові вугіль-
ної кислоти внаслідок легеневої гіпервентиляції та підвищеного виділення СО
2
.
28.4. БІОХІМІЧНИЙ СКЛАД КРОВІ В НОРМІ ТА ПАТОЛОГІЇ
Біохімічний склад крові у здорової людини є відносно постійним, що поясню-
ється наявністю в організмі потужних гомеостатичних систем (центральної
нервової, ендокринної систем), які забезпечують сталість внутрішнього середо-
вища за рахунок регуляторних механізмів, що протидіють суттєвим змінам у
концентраціях основних метаболітів та зсувам у фізико-хімічних параметрах
плазми й інших біологічних рідин. Разом з тим, склад біохімічних компонентів
плазми крові в певний момент віддзеркалює будь-які зміни в метаболізмі клітин
окремих органів та надходження біоорганічних сполук з навколишнього сере-
довища, зокрема поживних речовин після їжі, що відразу призводить до вклю-
чення зазначених регуляторних механізмів.
Яскравим прикладом фізіологічної регуляціі концентрації в плазмі крові
глюкози, амінокислот та жирних кислот є постпрандіальне (після їжі) виділення
ββ
ββ
β-клітинами підшлункової залози інсуліну та пригнічення секреції його антагоніс-
тів — контрінсулярних гормонів глюкагону, катехоламінів, гормону росту. Інсулін
забезпечує підвищення проникності плазматичних мембран, зокрема м’язової та
жирової тканини, для глюкози та певних амінокислот і стимулює анаболічні про-
цеси, що призводять до активної внутрішньоклітинної утилізації зазначених
біомолекул: індукцію ферментів синтезу глікогену у печінці та м’язах, синтезу
тригліцеридів у печінці та адипоцитах, синтезу білків в печінці, м’язах та інших
тканинах. Сукупність зазначених біохімічних перетворень призводить до нормалі-
зації рівня глюкози та інших поживних метаболітів у плазмі крові до рівня, який
спостерігався до прийняття їжі.
Хімічні компоненти, що входять до складу плазми крові, можна поділити на
такі групи: білки плазми; небілкові органічні компоненти плазми (проміжні та
кінцеві продукти метаболізму); неорганічні компоненти плазми.
Білки плазми крові
У плазмі крові міститься декілька десятків різних білків, що відрізняються за
фізико-хімічними та функціональними властивостями: транспортні білки,
ферменти, проферменти, інгібітори ферментів, гормони, антитіла, антитоксини,
фактори коагуляції та антикоагулянти тощо. Загальна концентрація білків плазми
крові людини складає 65-85 г/л, ця величина може змінюватися в бік зменшення
426 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
(гіпопротеїнемія) у людей старечого віку та за умов патологічних станів, що супро-
воджуються пригніченням білкового синтезу та активацією розпаду тканинних
білків (голодування; виснажливі інфекційні хвороби; стан після тяжких травм,
оперативних втручань; кахексія при злоякісних новоутвореннях).
Кількість окремих фракцій білків, що виявляються в плазмі крові, залежить
від методу їх поділу (паперовий, гелевий електрофорез, зокрема електрофорез у
поліакриламідному гелі, імуноелектрофорез тощо). За умов поширеного в клініч-
ній практиці паперового електрофорезу білки плазми поділяються на п’ять фрак-
цій: альбуміни (сироваткові альбуміни),
αα
αα
α
1
-глобуліни,
αα
αα
α
2
-глобуліни,
ββ
ββ
β-глобуліни
та
γγ
γγ
γ-глобуліни. Біохімічні характеристики основних білків плазми крові людини
подано в таблиці 28.1.
Таблиця 28.1. Основні фракції білків плазми крові людини
Альбуміни (сироваткові альбуміни) — багатодисперсна фракція білків
плазми, які характеризуються високою електрофоретичною рухомістю та легкою
розчинністю у воді та сольових розчинах. Завдяки високій гідрофільності альбу-
міни зв’язують значну кількість води, і об’єм їх молекули за умов гідратації збіль-
шується вдвічі. Гідратаційний шар, який утворюється навкруги молекул сироват-
кових альбумінів, забезпечує до 70-80 % онкотичного тиску білків плазми крові,
що може застосовуватися в клінічній практиці при переливанні хворим із тканин-
ними набряками розчинів альбуміну. В свою чергу, зменшення концентрації
альбумінів сироватки, наприклад за умов порушення їх синтезу в гепатоцитах
при печінковій недостатності, може спричиняти перехід води із судинного русла
до тканин і розвиток онкотичних набряків.
Альбуміни виконують також важливу фізіологічну функцію як транспортери
багатьох метаболітів та інших низькомолекулярних сполук. Молекули альбумінів
мають декілька доменів з центрами зв’язування для молекул органічних лігандів,
що приєднуються за рахунок електростатичних та гідрофобних зв’язків. За раху-
нок таких взаємодій сироваткові альбуміни можуть приєднувати та транспорту-
вати жирні кислоти, холестерин, жовчні пігменти (білірубін тощо), вітаміни, гор-
мони, деякі амінокислоти, фенол та інші токсичні та лікарські сполуки.
Глобуліни — гетерогенна фракція білків крові, що виконують транспортні
(
αα
αα
α
1
-глобуліни — транспорт ліпідів, тироксину, кортикостероїдних гормонів;
αα
αα
α
2
-
глобуліни — транспорт ліпідів, іонів міді;
ββ
ββ
β-глобуліни — транспорт ліпідів, віль-
ного та гемового заліза) та захисні (участь
ββ
ββ
β-глобулінів в імунних реакціях як
антитоксинів;
γγ
γγ
γ-глобуліни як фракція імуноглобулінів) функції.
Білки Концентрація, г/л Молекулярна маса
Сироваткові альбуміни 40-50 66-69 кД
Глобуліни (загальна кількість) 20-40
α
1
-глобуліни
3-6 40-60 кД
α
2
-глобуліни
4-9 100-400 кД
β
-глобуліни
6-11 110-120 кД
γ -глобуліни
7-15 150-200 кД
Фібриноген 1,5-3,5 1340 кД
Протромбін 0,1 69-70 кД
427Ãëàâà 28. Á³îõ³ì³ÿ ³ ïàòîá³îõ³ì³ÿ êðîâ³
У клінічній практиці застосовується визначення співвідношення між концент-
раціями альбумінів та глобулінів у плазмі крові (так званого “білкового коефі-
цієнта”), що складає в середньому 1,5-2,0.
Імуноглобуліни крові. Імуноглобуліни (IgA, IgG, IgE, IgM) — білки
γγ
γγ
γ-гло-
булінової фракції плазми крові, що виконують функцію антитіл, основних
ефекторів гуморального імунітету. Структура та функції імуноглобулінів будуть
докладно розглянуті в главі 30.
Значний клінічний інтерес викликають окремі білки плазми крові глікопротеї-
нової природи, зокрема компоненти системи неспецифічної резистентності орга-
нізму — С-реактивний протеїн, кріоглобулін, сироваткові інгібітори протеїназ,
фібронектин, білки системи комплементу, а також транспортні білки — гапто-
глобін, трансферин, церулоплазмін.
С-реактивний білок (С-реактивний протеїн — СРП) — білок, що отримав
свою назву внаслідок здатності реагувати з С-полісахаридом пневмокока, утворю-
ючи при цьому преципітати. За хімічною природою є глікопротеїном.
У сироватці крові здорової людини С-реактивний білок відсутній, та з’явля-
ється при патологічних станах, що супроводжуються запаленням та некрозом
тканин, зокрема він був вперше виявлений при крупозній пневмонії. Наявність
СРП характерна для гострого періоду захворювань — “білок гострої фази”.
Визначення СРП має діагностичне значення в гострій фазі ревматизму, при
інфаркті міокарда, пневмококових, стрептококових, стафілококових інфекціях.
Кріоглобулін — білок
γγ
γγ
γ-глобулінової фракції, що, подібно до С-реактивного
протеїну, відсутній у плазмі крові здорових людей і з’являється в ній при лейко-
зах, лімфосаркомі, мієломі, ревматизмі, цирозі печінки, нефрозах. Характерною
фізико-хімічною ознакою кріоглобуліну є його розчинність при нормальній
температурі тіла (37 °С) та здатність утворювати желеподібні осади при охоло-
дженні плазми крові до 4 °С.
αα
αα
α
2
-Макроглобулін — білок
αα
αα
α
2
-глобулінової фракції, універсальний сироватко-
вий інгібітор протеїназ, вміст якого в крові найвищий, порівняно з іншими
протеїназними інгібіторами, складаючи в середньому 2,5 г/л.
αα
αα
α
2
-Макроглобулін
є глікопротеїном з молекулярною масою 725 кД.
Інгібіторна активність
αα
αα
α
2
-макроглобуліну виявляється відносно більшості при-
родних протеїназ усіх чотирьох каталітичних класів: серинових, тіолових, кар-
бокси- та металопротеїназ. У комплексі з цим інгібітором протеїнази втрачають
каталітичну активність щодо високомолекулярних білків, але зберігають здатність
гідролізувати низькомолекулярні пептиди. Біологічна роль
αα
αα
α
2
-макроглобуліну по-
лягає в регуляції систем тканинного протеолізу, які мають важливе значення в
таких фізіологічних та патологічних процесах, як згортання крові, фібриноліз,
процеси імунітету, функціонування системи комплементу, реакції запалення,
регуляція судинного тонусу (кінінова та ренін-ангіотензинова системи).
αα
αα
α
1
-Антитрипсин (
αα
αα
α
1
- протеїназний інгібітор) — глікопротеїн з молекулярною
масою 55 кД, концентрація якого в плазмі крові складає 2-3 г/л. Основною
біологічною властивістю цього інгібітора є його здатність утворювати комплекси
з протеїназами, пригнічуючи при цьому протеолітичну активність таких
428 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
ферментів, як трипсин, хімотрипсин, плазмін, тромбін та протеаз, що вивільня-
ються при руйнуванні лейкоцитів або чужорідних клітин у вогнищах запалення.
В умовах запального процесу вміст
αα
αα
α
1
-антитрипсину в крові значно збільшуєть-
ся за рахунок стимуляції його синтезу в гепатоцитах. Велике значення має інгібі-
торна активність
αα
αα
α
1
-антитрипсину також за умов некрозу підшлункової залози
при гострих панкреатитах, що супроводжуються надходженням у тканини та
біологічні рідини активних панкреатичних протеїназ. Уроджена недостатність
αα
αα
α
1
-антитрипсину проявляється розвитком уже в молодому віці емфіземи легень
внаслідок розщеплення тканинним трипсином міжальвеолярних перетинок.
Фібронектин — глікопротеїн плазми крові, який синтезується та секретується
в міжклітинний простір багатьма клітинами. Фібронектин присутній на поверх-
ні клітин, на базальних мембранах, у сполучній тканині та в крові. Фібронектин
має властивості “липкого” білка, що зв’язується з вуглеводними угрупованнями
сіалогліколіпідів (гангліозидів) на поверхні плазматичних мембран, виконуючи
інтегруючу функцію у міжклітинній взаємодії. Крім того, за рахунок утворення
комплексів з колагеновими фібрилами, фібронектин відіграє значну роль в органі-
зації перицелюлярного матриксу.
Гаптоглобін — білок
αα
αα
α
2
-глобулінової фракції плазми крові. Гаптоглобін має
здатність зв’язувати вільний гемоглобін, утворюючи комплекс, що входить до
електрофоретичної фракції
ββ
ββ
β-глобулінів. Нормальна концентрація в плазмі крові —
0,10-0,35 г/л.
У складі гаптоглобін-гемоглобінового комплексу гемоглобін поглинається клі-
тинами ретикуло-ендотеліальної системи, зокрема в печінці, та підлягає окисленню
до жовчних пігментів. Така функція гаптоглобіну сприяє збереженню в організмі
за умов фізіологічного та патологічного розпаду еритроцитів іонів заліза, що
входять до складу гемоглобіну. Надходження гемоглобіну до сечі (гематурія)
спостерігається лише при значних кровотечах.
Трансферин (сидерофілін) — глікопротеїн
ββ
ββ
β-глобулінової фракції, його моле-
кулярна маса — 80 кД. Трансферин зв’язує в плазмі крові іони заліза (Fe
3+
). Білок
має на своїй поверхні два центри зв’язування заліза, яке вступає в комплекс із
трансферином разом з аніоном гідрокарбонату.
Трансферин — це транспортна форма заліза, що доставляє його до місць депо-
нування та використання. Зокрема, трансферин акцептує іони Fe
3+
, що надходять
у кров після їх всмоктування в кишечнику, та передає залізо на тканинний
феритин, у складі якого залізо депонується в печінці, селезінці, кістковому мозку
та інших органах. Концентрація трансферину в плазмі крові — близько 4 г/л.
Церулоплазмін — глікопротеїн
αα
αα
α
2
-глобулінової фракції, що зв’язує в плазмі
крові іони міді. Молекула церулоплазміну містить 8 іонів Cu
+
та 8 іонів Cu
2+
,
його молекулярна маса — близько 150 кД.
До складу церулоплазміну входить до 3 % усього вмісту міді в організмі та
більше 90 % міді плазми. Церулоплазмін має властивості мідьвмісної фероксидази,
окислюючи залізо з ферро- (Fe
2+
) до ферри- (Fe
3+
) форми. Ця реакція є необхідною
для перетворення заліза в іонну форму, яка може зв’язуватися феритином і таким
чином використовуватися для синтезу залізовмісних білків (гемоглобіну,
цитохромів). Зниження вмісту церулоплазміну в плазмі крові (хвороба Вільсона)
429Ãëàâà 28. Á³îõ³ì³ÿ ³ ïàòîá³îõ³ì³ÿ êðîâ³
призводить до виходу іонів міді з судинного русла і його накопичення протео-
гліканами сполучної тканини, що проявляється патологічними змінами в печінці,
головному мозку (гепатоцеребральна дегенерація), рогівці тощо.
Ферменти плазми крові
У крові присутня значна кількість ферментних білків, які поділяють на власні
ферменти крові та ферменти, що потрапляють до плазми крові з клітин інших
органів, тканин або біологічних секретів.
До власних ферментів плазми крові належать різні протеази, фосфатази, есте-
рази, зокрема компоненти згортальної та антизгортальної систем крові, ферменти,
що беруть участь в імунних процесах, активації системи комплементу та інших
реакціях неспецифічної резистентності організму тощо. До другої групи належать
ферменти, що надходять у кров в результаті всмоктування соку підшлункової
залози, слини (трипсин, амілаза, ліпаза) та ферменти, які проникають у кров за
рахунок підвищення проникності плазматичних мембран різних органів —
печінки, міокарда, нирок, хребцевої мускулатури тощо. Ця група ферментів, що
отримала назву індикаторних, має суттєве клініко-діагностичне значення, засвід-
чуючи про патологічні ушкодження мембран гепатоцитів (аланін-амінотранс-
фераза), міокарда (аспартат-амінотрансфераза, креатинфосфокіназа) тощо.
Калікреїн-кінінова система
Кініни — низькомолекулярні пептиди, що містяться в крові та інших біологіч-
них рідинах та тканинах, беручи участь у регуляції судинного тонусу (розши-
рення судин), процесів мікроциркуляції, запаленні, алергічних реакціях.
Основними кінінами крові є нонапептид брадикінін та декапептид калідин:
Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg
Брадикінін
Lys-Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg
Калідин (лізилбрадикінін)
Кініни синтезуються з білків кініногенів за участю протеїназ калікреїнів, що
вирізають у молекулах кініногенів специфічні нона- або декапептидні фрагменти.
В свою чергу, калікреїн плазми крові
знаходиться в неактивному стані у формі
прекалікреїну, який перетворюється в
активний фермент за участю серинової
протеїнази — фактора ХII згортальної
системи крові.
Період напівжиття кінінів плазми
крові незначний (20-30 с). Руйнування
кінінів здійснюється за рахунок дії фер-
ментів кініназ, що розщеплюють пептид-
ні зв’язки у молекулах кінінів, спричи-
няючи втрату їх біологічної активності.
Схему утворення та розщеплення
кінінів плазми крові подано на рис. 28.2:
Кініногени
(
αα
αα
α
2
-глобуліни)
Прекалікреїн
Калікреїн
ф. XII
Калідин
(лізилбрадикінін)
Лізин
Брадикінін
Кінінази
Неактивні пептиди
+
Рис. 28.2. Кінінова система плазми крові.
430 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Кініни розслаблюють гладенькі м’язи кровоносних судин, спричиняючи зни-
ження кров’яного тиску, а також розширення судин мікроциркуляторного русла
в ділянках запалення. Брадикінін є найбільш потужною судинодилятуючою
речовиною в організмі. Крім того, внутрішньотканинне утворення кінінів у зоні
запалення спричиняє підвищення проникності судинних стінок, почуття болю.
У зв’язку із значною роллю кінінів у патогенезі запальних процесів, у клінічній
практиці широко застосовуються лікарські засоби, що є інгібіторами кініноутво-
рення (Контрикал, Гордокс тощо).
Небілкові органічні сполуки плазми крові
Азотовмісні сполуки
Органічний азот біохімічних сполук, що його можна визначити в надосадовій
рідині після осадження білків плазми або сироватки крові, отримав у клінічній
біохімії назву залишкового, або рест-азоту (RN). Цей небілковий азот склада-
ється з азоту таких кінцевих продуктів білкового та нуклеїнового катаболізму, як
сечовина, амінокислоти, вільні нуклеотиди, сечова кислота, креатин, креатинін
та деякі інші сполуки. Концентрацію в плазмі крові основних азотовмісних небіл-
кових сполук плазми крові подано в таблиці. 28.2.
Таблиця 28.2. Небілкові азотовмісні компоненти плазми крові
Загальна концентрація залишкового (рест-азоту) в плазмі крові здорових людей
складає 20-40 мг % (0,2-0,4 г/л). Різке збільшення цього показника — гіпер-
азотемія, зокрема за рахунок зростання азоту сечовини, спостерігається найбільш
часто за умов порушення азотовидільної функції нирок, що має місце при гострій
або хронічній нирковій недостатності.
Безазотисті сполуки
До безазотистих хімічних компонентів плазми крові належать вуглеводи,
ліпіди, органічні кислоти, що є метаболітами обміну речовин (молочна, пірови-
ноградна, ацетооцтова кислоти, метаболіти трикарбонового циклу).
Вуглеводи плазми крові. У плазмі крові містяться, переважно, моносаха-
риди, головним чином глюкоза (в концентрації натщесерце — 65-119 мг %, або
3,58-6,05 ммоль/л) та фруктоза, галактоза і деякі пентози (рибоза, дезоксирибоза).
Основні продукти гліколізу містяться в плазмі крові у концентраціях: молочна
кислота — 8-17 мг %, піровиноградна кислота — 0,4-2,5 мг %.
Ліпіди плазми крові. Загальна концентрація ліпідів у плазмі крові людини
коливається залежно від режиму і якості харчування та конституційних особли-
востей організму (віку, статі), складаючи в середньому 5-7 г/л. У фізіологічних
умовах загальна кількість ліпідів крові може збільшуватися до 10-15 г/л після
вживання їжі, багатої на жири (аліментарна гіперліпемія).
Компонент Концентрація, г/л
Сечовина 0,2-0,3
Амінокислоти 3,5-6,5
Сечова кислота 2-6
Креатинін 1-2
431Ãëàâà 28. Á³îõ³ì³ÿ ³ ïàòîá³îõ³ì³ÿ êðîâ³
Найбільшу кількість серед ліпідів плазми крові становлять сполуки таких
класів (А.Н.Клімов, 1980):
– тригліцериди — 0,5-1,9 г/л;
– фосфоліпіди — 1,1-2,75 г/л;
– холестерин загальний — 1,5-2,6 г/л;
– холестерин етерифікований — 1,0-2,1 г/л;
– жирні кислоти (неетерифіковані) — 0,08-0,2 г/л.
Ліпіди як гідрофобні сполуки не здатні знаходитися у вільному (розчинному)
стані в плазмі крові, яка з фізико-хімічної точки зору є водно-сольовим розчином.
Стабілізаторами ліпідів плазми є спеціальні білки (апопротеїни, або аполіпопро-
теїни), що сприяють утворенню ліпопротеїнових міцел, у складі яких різні класи
ліпідів можуть транспортуватися кров’ю. Існує п’ять класів апопротеїнів
(A,B,C,D,E), що в певних кількісних співвідношеннях входять до складу різних
ліпопротеїнів (глава 16).
Розрізняють такі транспортні форми ліпопротеїнів плазми:
– хіломікрони (1-2,5 г/л) — основна транспортна форма триацилгліцеролів;
– ліпопротеїни дуже низької щільності (ЛПДНЩ), або пре-
ββ
ββ
β-ліпопротеїни
(1,3-2,0 г/л) — містять значну кількість триацилгліцеролів, а також фосфоліпіди
та холестерин;
– ліпопротеїни низької щільності (ЛПНЩ), або
ββ
ββ
β-ліпопротеїни (2,1-4,0 г/л) —
основна транспортна форма холестерину; зростання концентрації в крові ЛПНЩ
сприяє проникненню холестерину в ендотелій і утворенню атеросклеротичної
бляшки, що є фактором ризику розвитку атеросклерозу;
– ліпопротеїни високої щільності (ЛПВЩ), або
αα
αα
α-ліпопротеїни (0,2-0,25 г/л) —
містять значну кількість фосфоліпідів, а також холестерин та триацилгліцероли;
ЛПВЩ розглядаються як “антиатерогенні” ліпопротеїни, що сприяють виходу
холестерину із судинної стінки.
Підвищення концентрації в плазмі крові різних класів ліпопротеїнів (гіперліпо-
протеїнемії) свідчить про серйозні зміни ліпідного обміну, найчастіше пов’язані
з певними генетичними порушеннями. Відомо п’ять основних типів гіперліпопро-
теїнемій, що залежать від дефектів у ферментних системах розщеплення або пере-
творення певних ліпопротеїнів (типи I, II, III, IV, V) та можуть проявлятися раннім
розвитком атеросклерозу, ожирінням, ксантоматозом, захворюваннями печінки,
нирок, зниженням толерантності до глюкози.
Неорганічні компоненти плазми
Основними неорганічними компонентами плазми крові є катіони електролітів —
кальцію (2,5 ммоль/л), натрію (140 ммоль/л), калію (5 ммоль/л), інших мінераль-
них елементів (переважно заліза, міді), мікроелементів — та аніони бікарбонатів,
хлоридів, фосфатів, сульфатів, йодидів.
432 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
ГЛАВА 29. БІОХІМІЯ ЗГОРТАЛЬНОЇ І
ФІБРИНОЛІТИЧНОЇ СИСТЕМ КРОВІ
Згортання крові (коагуляція) — фізіолого-біохімічний процес, завдяки якому
кров втрачає свою текучість і утворює тромби (кров’яні згустки). Здатність крові
згортатися (коагулювати) з утворенням тромбів забезпечується функціонуванням
згортальної (гемокоагуляційної) системи, або системи гемостазу.
29.1. ФУНКЦІОНАЛЬНІ ТА БІОХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
СИСТЕМИ ГЕМОСТАЗУ
Система гемостазу складається з ферментів та додаткових біохімічних факторів
плазми крові, тромбоцитів та інтими кровоносних судин. В умовах нормальної
життєдіяльності утворення тромбів відбувається за умов пошкодження судинної
стінки і має захисне значення, протидіючи витіканню рідкої крові з гемоциркуля-
торного русла. Внутрішньосудинне утворення тромбів (тромбоз) є патологічним
процесом і має місце при тяжких порушеннях у регуляції системи гемостазу.
За своєю структурою тромб — це утворення, що складається із сітки ниток
нерозчинного білка фібрину та іммобілізованих у фібриновій сітці формених еле-
ментів крові. Розрізняють: білі тромби, утворені, переважно, скупченнями тром-
боцитів; червоні тромби, до складу яких входить значна кількість еритроцитів.
Підтримання рідкого стану крові всередині кровоносних судин та протидія
внутрішньосудинному згортанню крові забезпечуються антизгортальною систе-
мою крові, що складається з численних антикоагулянтів. Фібринові згустки, що
можуть утворюватися в судинах, руйнуються ферментами фібринолітичної
системи.
Із фізіологічної точки зору розрізняють:
1. Судинно-тромбоцитарний гемостаз, який є первинною реакцією на пошко-
дження судин мікроциркуляторного русла, що забезпечується судинною стінкою
та тромбоцитами. Судинно-тромбоцитарному гемостазу належить провідна роль
на початкових етапах зупинки кровотечі в зоні мікроциркуляторних судин. Цей
тип гемостазу включає в себе:
– рефлекторний спазм судин, що стимулюється судинозвужувальними сполу-
ками, які виділяються з тромбоцитів (серотонін, адреналін, норадреналін);
– адгезію тромбоцитів у зоні ушкодження судини. Поверхнею, до якої прикріп-
люються тромбоцити, є колагенова сітка ендотелію та субендотеліальної базальної
мембрани. Відбувається взаємодія негативних ділянок на поверхні тромбоцитів
з
εε
εε
ε-NH
3
+
-групами лізилових залишків колагенових фібрил;
– агрегацію тромбоцитів, що призводить до утворення тромбоцитарного тромбу.
Розрізняють фазу зворотної агрегації, яка стимулюється АДФ, та фазу незворотної
агрегації, індукторами якої є тромбін, колаген та Са
2+
. Протидіють агрегації тром-
боцитів та, відповідно, утворенню тромбу цАМФ та інгібітори циклооксигенази
(ацетилсаліцилова кислота й інші нестероїдні протизапальні засоби).
433Ãëàâà 29. Çãîðòàëüíà ³ ô³áðèíîë³òè÷íà ñèñòåìè êðîâ³
2. Коагуляційний гемостаз, кінцевим результатом активації якого є утворення
фібринового згустка, який іммобілізує формені елементи та утворює міцний тромб
на поверхні ендотелію. Цей процес є основним типом гемостазу при кровотечах
і реалізується складним ферментативним механізмом згортальної системи крові.
29.2. ЗГОРТАЛЬНА СИСТЕМА КРОВІ: КОМПОНЕНТИ,
МЕХАНІЗМИ АКТИВАЦІЇ
До складу згортальної системи крові входять ферментативні та нефермента-
тивні білки плазми, тканин, надмолекулярні комплекси, іони кальцію.
Процес згортання крові та утворення кров’яного згустка становлять кас-
кад послідовних ферментативних реакцій, що каталізуються спеціалізова-
ними білками — факторами згортання. У каскадній системі згортання крові
кожний білковий фактор спричиняє активації наступного компонента каскаду за
принципом профермент (неактивний)
фермент (активний), що забезпечує
послідовне лавиноподібне посилення процесу та реалізує швидку захисну реакцію
на травму судини.
Номенклатура (нумерація та тривіальні позначення) факторів згортання
крові (згідно з рекомендаціями Міжнародного номенклатурного комітету):
Фактор I (фібриноген).
Фактор II (протромбін).
Фактор III (тканинний тромбопластин).
Фактор IV (іони кальцію).
Фактор V (проакцелерин).
Фактор VII (проконвертин).
Фактор VIII (антигемофільний глобулін А, фактор Віллебранда).
Фактор IX (антигемофільний глобулін В, фактор Кристмаса).
Фактор X (фактор Стюарта-Провера).
Фактор XI (фактор Розенталя, або плазмовий попередник тромбопластину).
Фактор XII (фактор Хагемана).
Фактор XIII (фібринстабілізуючий фактор).
Поряд із зазначеними основними факторами коагуляції, що містяться переваж-
но в плазмі крові, існують тромбоцитарні фактори коагуляції, які беруть участь
на різних етапах судинно-тромбоцитарного, коагуляційного гемостазу та фібрино-
лізу. Тромбоцитарні фактори коагуляції звичайно позначають латинською літерою
Р (від англ. platelets — пластинки (кров’яні)) із цифровими індексами: P
1
-P
11
.
Механізми активації та функціонування каскадної системи згортання крові
Каскадний ланцюг згортання крові може включатися за рахунок активації двох
альтернативних механізмів: внутрішнього та зовнішнього шляхів (механізмів)
коагуляції, що розрізняються початковими реакціями та конвергують в єдиний
загальний шлях коагуляції, який починається з активації фактора Х.
Центральною молекулярною подією в реалізації процесу коагуляції крові
є утворення активного фактора Х (фактора Стюарта-Провера).
434 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Фактор Х — це Са
2+
-залежний
глікопротеїн, що синтезується в пе-
чінці при участі вітаміну К. Він скла-
дається з легких та важких поліпеп-
тидних ланцюгів, що з’єднані дисуль-
фідними місточками, й активується
шляхом обмеженого протеолізу. Акти-
вований фактор Х (ф.Х
а
) є серино-
вою протеїназою, що перетворює
протромбін (ф.II) в активний тром-
бін (ф.II
а
), необхідний для трансфор-
мації фібриногену (ф.I) в фібрин —
основу фібринового згустка або
тромбу.
Взаємозв’язок між внутрішнім,
зовнішнім та загальним кінцевим
шляхами в процесі згортання крові
подано на рис. 29.1.
Внутрішній шлях коагуляції активується при взаємодії крові з “чужою” по-
верхнею (поверхнею, що змочується), якою в організмі є поверхня ендотелію (за
умов зменшення швидкості кровотоку в зоні аномальної судинної стінки) або
адгезованих тромбоцитів. В умовах in vitro такою змочуваною поверхнею є стінки
скляного посуду, з якими контактує кров.
Коагуляція крові за внутрішнім шляхом складається з таких послідовних етапів:
1. Активація фактора ХII (ф. Хагемана) — відбувається при взаємодії крові з
поверхнею за умов протеолітичної дії калікреїну, який відщеплює від ф.ХII пептид-
ний фрагмент із молекулярною масою 28 кД, утворюючи активний фактор ХII
а
.
2. Активація фактора ХI — відбувається під впливом фактора ХII
а
, який
утворює з фактора ХI фактор ХI
а
(активний тромбопластин плазми).
3. Активація фактора IХ (ф. Кристмаса) — відбувається під впливом фактора
ХI
а
, який відщеплює від фактора IХ пептидний фрагмент із м.м. 9 кД, утворюючи
активну серинову протеїназу — фактор IХ
а
. Процес потребує присутності іонів Са
2+
.
4. Активація фактора Х — при функціонуванні “внутрішнього шляху” коагу-
ляції активація фактора Х відбувається за рахунок протеолітичної дії фактора IХ
а
,
який відщеплює від фактора Х пептидні фрагменти з утворенням активних форм
серинової протеїнази — фактора Х
а
, — яка складається з двох молекулярних
форм (Х
а
-
αα
αα
α та Х
а
-
ββ
ββ
β). Процес перебігає при участі білка-модифікатора — фактора
VIII (антигемофільного глобуліну А) — та іонів Са
2+
.
5. Активація фактора II (протромбіну) — перетворення протромбіну в тромбін
(фактор II
а
) відбувається під впливом протеїнази Х
а
за умов присутності іонів
Са
2+
та активної форми проакцелерину (фактора V
а
). Активація протромбіну відбу-
вається на поверхні тромбоцитів за участю фосфоліпідів тромбоцитарних мемб-
ран; присутність акцелерину (фактора V
а
) тромбоцитів необхідна для зв’язування
Внутрішній
шлях
коагуляції
Зовнішній
шлях
коагуляції
ф. X
ф. X а
Протромбін
(ф. II)
Тромбін (ф. II а)
Фібриноген
(ф. I )
Фібрин
(фібриновий
згусток)
+
+
Рис. 29.1. Схема взаємовідносин між внутрішнім,
зовнішнім та загальним кінцевим шля-
хами коагуляції.
435Ãëàâà 29. Çãîðòàëüíà ³ ô³áðèíîë³òè÷íà ñèñòåìè êðîâ³
фактора Х
а
, вона збільшує швидкість реакції в десятки тисяч разів. Результатом
процесу є утворення тромбіну — основного ферменту згортальної системи крові,
який є сериновою протеїназою з м.м. 34 кД, що має трипсиноподібну активність.
Протромбін людини складається з двох ланцюгів — легкого та важкого (36 та
264 амінокислотних залишків, відповідно); пептидні ланцюги в молекулі тромбіну
зв’язані з глюкозаміном та сіаловою кислотою.
6. Перетворення фібриногену в фібрин — заключний етап коагуляційного кас-
каду. Фібриноген — це глікопротеїн із м.м. 340 кД, що складається з шести
поліпептидних ланцюгів (два А
αα
αα
α-ланцюги, два В
ββ
ββ
β-ланцюги та два
γγ
γγ
γ-ланцюги;
структура молекули фібриногену — (А
αα
αα
α)
2
(B
ββ
ββ
β)
2
γγ
γγ
γ
2
). Тромбін розщеплює чотири
пептидні зв’язки типу –Arg–Gly– в молекулі фібриногену, що призводить до
утворення вільних пептидів фібрину-мономера.
Молекули фібрину-мономера спонтанно агрегують, утворюючи довгі нероз-
чинні нитки фібрилярного фібрину, тобто фібринові згустки. У подальшому під
Рис. 29.2. Каскад реакцій згортання (коагуляції) крові за внутрішнім — а (активація
фактора ХII) та зовнішнім — б (утворення тканинного тромбопластину —
фактора III) шляхами.
а б
Контакт з поверхнею,
дія калікреїну
ф. XII
+
ф. XII а
+
ф. XI
ф. XI а
+
+
Ca
2+
ф. IX
ф. IX a
+
+
Ca
2+
+
ф.VIII
ф. X
+
Ca
2+
ф.V a
+
ф. II
(протромбін)
ф.III
(тканинний тромбопластин)
+
ф. VII
ф. VII а
+
Ca
2+
+
ф. X а
+
ф. II а (тромбін)
ф. XIII
+
ф. I
фібриноген
фібрин-мономер
фібрин-полімер
(ретракція згустка)
436 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
дією ферменту трансглутамінази (фактора ХIII) відбувається зшивання окре-
мих молекул фібрину-мономера з утворенням фібрину-полімеру. Така стабіліза-
ція фібринової сітки отримала назву ретракції згустка крові.
Зовнішній шлях коагуляції активується за умов пошкодження кровоносних
судин та оточуючих тканин і надходження в кров ліпопротеїнового тканинного
фактора, який у сучасній літературі позначається як фактор III (тканинний тром-
бопластин).
Фактор III, що діє як білок-модифікатор, спричиняє активацію фактора VII
(проконвертину), перетворюючи останній в активну протеїназу — фактор VII
а
(конвертин). Конвертин разом з іонами Са
2+
активує фактор Х, тобто запускає
загальний шлях коагуляції за розглянутою вище схемою:
ф.Х
ф.Х
а
ф.II ф.II
а
ф.I ф.I
а
Після утворення тканинного тромбопластину, що є швидкість-лімітуючим фак-
тором згортання крові за механізмом зовнішнього шляху, подальша коагуляція
відбувається надзвичайно швидко і кров’яний згусток утворюється протягом
декількох секунд.
Загальну схему каскаду коагуляції крові за внутрішнім та зовнішнім шляхами
подано на рисунку 29.2.
Роль вітаміну К у реакціях каскаду коагуляції
Вітамін К — жиророзчинний вітамін, що існує у вигляді двох вітамерів (К
1
та
К
2
), є необхідним кофактором реакцій коагуляції. При його відсутності порушу-
ється формування функціонально активних факторів згортальної системи —
фф. II, VII, IX та X. Біохімічний меха-
нізм дії вітаміну К полягає в його участі
у функціонуванні ферментної системи,
яка перетворює глутамінову кислоту
пептидних ланцюгів зазначених факто-
рів коагуляцію в
γγ
γγ
γ-карбоксиглутамінову
кислоту. Зокрема, в молекулі протром-
біну відбувається
γγ
γγ
γ-карбоксилювання
глутамату в положеннях 7, 8, 15, 17, 20,
21, 26, 27, 30 та 33.
γγ
γγ
γ-Карбоксилювання білкових факторів коагуляції збільшує спорідненість їх
молекул з іонами Са
2+
, які необхідні для зв’язування білків із мембранними фосфо-
ліпідами та запуску каскаду коагуляції. Авітаміноз К супроводжується підвище-
ною кровоточивістю; декальцинована кров не згортається.
Спадкові порушення процесу згортання крові
Порушення у функціонуванні системи згортання крові — коагулопатії можуть
розвиватися внаслідок генетичного дефекту в синтезі плазмових чи тромбоци-
тарних факторів коагуляції і клінічно характеризуються зниженням згортальної
активності крові, схильністю до кровотеч. Найбільш поширеними спадковими
коагулопатіями є:
C
CH
2
CH
2
O
O
–
CH
C
N
H
O
C
HC
CH
2
O
O
–
CH
C
N
H
O
C
O
O
–
Вітамін К
437Ãëàâà 29. Çãîðòàëüíà ³ ô³áðèíîë³òè÷íà ñèñòåìè êðîâ³
1. Гемофілії — коагулопатії, що виникають внаслідок спадкової відсутності
одного або декількох факторів згортальної системи плазми. Гемофілії проявля-
ються значними кровотечами, які з’являються навіть при незначних пошкоджен-
нях кровоносних судин і є небезпечними для життя. Виділяють:
– гемофілію А (хворобу Віллебранда) — розвивається за умов нестачі фактора
VIII, синтез якого пов’язаний із Х-хромосомою; наслідується за рецесивним типом,
проявляючись в осіб чоловічої статі;
– гемофілію В (хворобу Кристмаса) — розвивається за умов порушення син-
тезу фактора IX;
– гемофілію С — розвивається при порушенні синтезу фактора XI, клінічно
характеризується менш вираженими кровотечами, ніж гемофілії А та В.
2. А-(гіпо-)фібриногенемії — характеризуються повною або частковою від-
сутністю в плазмі фібриногену. Патологія наслідується як автосомна рецесивна
хвороба, при якій спостерігаються тяжкі кровотечі внаслідок повної відсутності
здатності крові до коагуляції.
3. Дисфібриногенемії — коагулопатії, які виникають при амінокислотних за-
мінах у первинній структурі молекул фібриногену. Аномальні молекули фібри-
ногену мають змінену конформацію, що утруднює нормальний процес пере-
творення фібриногену у фібрин.
29.3. АНТИЗГОРТАЛЬНА СИСТЕМА КРОВІ
Існування в нормальних фізіологічних умовах рідкого стану крові зумовлене
наявністю антизгортальної системи, що складається з антикоагулянтів — сполук,
які протидіють внутрішньосудинній активації системи коагуляції.
Антикоагулянти виконують функції інгібіторів певних білкових факторів
згортання крові. Зниження вмісту цих інгібіторів у плазмі крові людини спричиняє
підвищення схильності крові до згортання і може призводити до тромбозу.
Антитромбіни — білки крові, що гальмують каталітичну активність тромбіну.
Найбільш потужним інгібітором тромбіну є антитромбін III — білок, анти-
коагулянтна активність якого значно зростає в присутності гепарину. Антитромбін
III здатний зв’язуватися із сериновими протеїназами ферментного каскаду
коагуляції крові, блокуючи, крім тромбіну, активність таких факторів, як IX
а
, X
а
,
XI
а
, XII
а
.
αα
αα
α
1
— інгібітор протеїназ (
αα
αα
α
1
— інгібітор трипсину) — глікопротеїн
αα
αα
α
1
-гло-
булінової фракції плазми крові. Інгібітор має широкий спектр антипротеїназної
дії, гальмуючи активність багатьох серинових протеїназ, зокрема, тромбіну,
факторів Х
а
та ХI
а
системи згортання крові.
αα
αα
α
2
— макроглобулін — глікопротеїн
αα
αα
α
2
-глобулінової фракції плазми крові, що
є інгібітором протеїназ із широкою субстратною специфічністю, блокуючи сери-
нові, тіолові, карбокси- та металопротеїнази. Концентрація
αα
αα
α
2
-макроглобуліну в
плазмі крові людини (до 2,5 г/л) найвища, порівняно з іншими протеїназними
інгібіторами.
αα
αα
α
2
-Макроглобулін є інгібітором тромбіну, активність якого, на
438 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
відміну від антитромбіну III, не залежить від дії гепарину. На долю цього інгібітора
припадає до 25 % антитромбінової активності плазми крові.
Гепарин — гетерополісахарид (глікозамінглікан), що є потужним природним
антикоагулянтом. Його молекула побудована з дисахаридних фрагментів, що
повторюються і складаються із залишків сульфатованої D-глюкуронової або
L-ідуронової кислоти та N-ацетилглюкозаміну; гепарин існує у формі поодино-
ких полісахаридних ланцюгів або у вигляді протеогліканів, тобто білків, які
зв’язані з декількома глікозамінглікановими ланцюгами.
Гепарин синтезується тучними клітинами (гепариноцитами), що розташовані
в печінці, легенях та впродовж стінок кровоносних судин. Механізм антикоагу-
лянтної дії гепарину полягає в активації антитромбіну III: взаємодія з гепарином
спричиняє конформаційну перебудову антитромбіну III, в результаті якої в остан-
нього з’являється можливість зв’язуватися із сериновими протеїназами коагуля-
ційного каскаду, блокуючи їх каталітичні активності.
Кумарини — антикоагулянти природного (рослинного) та синтетичного похо-
дження, антагоністи вітаміну К. Вони є антикоагулянтами непрямої дії, проти-
діють утворенню біохімічно активних (
γγ
γγ
γ-карбоксиглутамінованих) факторів коагу-
ляції — II, VII, IX, X. У лікарській практиці для профілактики та лікування
тромбозів застосовують такі похідні 4-оксикумарину, як Неодикумарин, Синкумар.
29.4. ФІБРИНОЛІТИЧНА СИСТЕМА КРОВІ
Фібриноліз — процес ферментативного розщеплення фібрину кров’яного
згустка, що супроводжується руйнуванням тромбу. Завдяки функціонуванню
фібринолітичної системи відбувається постійне розчинення внутрішньосудинних
тромбів, що можуть утворюватися на стінках кровоносних судин внаслідок дії
факторів, які активують згортальну систему крові.
Фібриноліз складається з двох послідовних етапів:
I етап — утворення з неактивного проферменту плазміногену (профібрино-
лізину) активного ферменту — протеїнази плазміну (фібринолізину), яка розщеп-
лює фібрин тромбу.
Плазміноген — глікопротеїн із класу
ββ
ββ
β-глобулінів із м.м. приблизно 80 кД,
складається з одного поліпептидного ланцюга.
Активація плазміногену з утворенням активного плазміну здійснюється за
рахунок розщеплення протеїназами внутрішнього пептидного зв’язку Arg
560
Val
561
. Фізіологічними активаторами цього глікопротеїну є фактор XII
а
,
численнні тканинні та судинні активатори плазміногену. Важливим активатором
плазміногену є урокіназа, що синтезується в нирках. Здатність активувати гліко-
протеїн без розщеплення внутрішньомолекулярного пептидного зв’язку має стреп-
токіназа — білок, що міститься в
ββ
ββ
β-гемолітичного стрептокока.
Плазмін — фермент, що за механізмом ферментативної дії є сериновою протеї-
назою трипсиноподібної дії. Він є глікопротеїном із м.м. 80 кД, складається з
439Ãëàâà 29. Çãîðòàëüíà ³ ô³áðèíîë³òè÷íà ñèñòåìè êðîâ³
двох поліпептидних ланцюгів: важкого (А) та легкого (В). Фізіологічним субстра-
том плазміну є фібрин, проте фермент в умовах in vitro має широку субстратну
специфічність, розщеплюючи різні білкові субстрати: фібриноген, білкові фактори
комплементу, казеїн.
II етап — розщеплення фібрину, що є основою фібринового згустка, до пеп-
тидних продуктів протеолізу. Процес каталізується активним плазміном, що
утворився на I етапі фібринолізу.
Розчинні продукти деградації фібрину екскретуються із сечею. Підвищення
вмісту в сечі продуктів розщеплення фібрину свідчить про надмірне посилення
внутрішньосудинного згортання крові.
Утворення плазміну з плазміногену, що постійно відбувається в крові, є фізіо-
логічним механізмом, який протидіє внутрішньосудинному тромбоутворенню. З
іншого боку, надмірному посиленню фібринолізу перешкоджає природний анта-
гоніст плазміну — білковий інгібітор глікопротеїн
αα
αα
α
2
-антиплазмін. Спадкове
зниження концентрації
αα
αα
α
2
-антиплазміну в крові супроводжується підвищеною
кровоточивістю.
У медичній практиці з метою лізису тромбів та профілактики тромбозів
застосовують такі фармакологічні препарати компонентів фібринолітичної
системи:
1. Фібринолізин (плазмін) — препарат, який отримують із профібринолізину
(плазміногену) крові людини шляхом активації плазміногену трипсином.
2. Урокіназу — препарат, який виділяють із клітин нирок людини.
3. Стрептокіназу — препарат, який отримують із культури
ββ
ββ
β-гемолітичного
стрептокока групи С.
4. Тканинний активатор плазміногена (ТАП) — препарат, який синтезують
біотехнологічним методом за допомогою генної інженерії.
440
Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
ГЛАВА 30. БІОХІМІЯ ІМУННИХ ПРОЦЕСІВ
Імунна система — анатомо-функціональна система організму вищих тварин
та людини, що виконує захисні функції щодо підтримання внутрішнього анти-
генного гомеостазу. Антигени — це високомолекулярні сполуки, які є генетично
чужорідними для даного організму і викликають специфічну імунну реакцію,
спрямовану на їх відторгнення та елімінацію. Антигенні властивості мають пере-
важно біомакромолекули — білки, нуклеїнові кислоти, деякі полісахариди та, в
ряді випадків, синтетичні полімери. Імунна система за допомогою клітинних та
гуморальних механізмів забезпечує розпізнавання, зв’язування та руйнацію анти-
генів як інфекційного, так і неінфекційного походження.
30.1. КЛІТИННА І БІОХІМІЧНА ОРГАНІЗАЦІЯ ІМУННОЇ
СИСТЕМИ
Морфологічним синонімом імунної системи є лімфоїдна система. Вона скла-
дається з вилочкової залози (тимуса), селезінки, лімфатичних вузлів, лімфатичних
фолікулів, лімфоцитів кісткового мозку та крові; загальна кількість лімфоїдних
клітин в організмі складає близько 10
12
(Р.В.Петров, 1987). Крім лімфоцитів, у
реакціях імунітету беруть участь численні білки та пептиди, що є ефекторами
імунних процесів, — імуноглобуліни, компоненти системи комплементу, гормони
та медіатори імунітету.
Попередником лімфоцитів є ембріональні стовбурові клітини кісткового мозку,
що утворюються на ранніх етапах внутрішньоутробного розвитку. Розрізняють
такі основні класи лімфоцитів:
1. Т-лімфоцити, що є основними ефекторами клітинного імунітету. Біохіміч-
ною основою реакцій клітинного імунітету є цитотоксична дія відносно чужорід-
них клітин, що здійснюється за допомогою лізосомальних гідролаз Т-лімфоцитів.
Крім того, Т-лімфоцити беруть участь у комплексі складних реакцій регуляції
функціональної активності В-лімфоцитів.
Серед Т-лімфоцитів виділяють декілька типів (субпопуляцій):
а) Т-кілери (Т
к
), або Т-ефектори (Т
е
) — лімфоцити-”вбивці”, що зумовлюють
процеси клітинного імунітету. Т-лімфоцити руйнують чужорідні клітини-мішені
(клітини мікроорганізмів, трансплантатів) або клітини власного організму, що
внаслідок змін генотипу придбали властивості антигенів і викликають відповідну
реакцію відторгнення: клітини злоякісних пухлин та клітини з патологічними
мутаціями;
б) Т-хелпери (Т
х
), або Т-помічники — клітини, допоміжні для В-лімфоцитів.
Вони індукують проліферацію, трансформацію В-лімфоцитів та їх диференцію-
вання до плазматичних клітин, що є продуцентами антитіл — імуноглобулінів;
в) Т-супресори (Т
с
) — лімфоцити, що пригнічують розвиток реакцій гумораль-
ного та клітинного імунітету, сприяючи формуванню стану імунологічної
толерантності.
441Ãëàâà 30. Á³îõ³ì³ÿ ³ìóííèõ ïðîöåñ³â
2. В-лімфоцити, що є ефекторами гуморального імунітету, попередниками
антитілоутворюючих плазматичних клітин, — основних продуцентів антитіл
(імуноглобулінів). Рецепторами для антигенів на поверхні В-лімфоцитів є специ-
фічні поверхневі імуноглобуліни. Взаємодія цих поверхневих рецепторів з антиге-
ном супроводжується диференціацією В-лімфоцитів у плазматичні клітини та
генними транслокаціями (див. главу 25), що призводять до формування ділянок
ДНК, відповідальних за транскрипцію відповідних антитіл.
3. Нульові лімфоцити — клітини, що відрізняються від Т- і В-лімфоцитів;
до них належать цитотоксичні клітини та певна частина лімфоцитів-кілерів, так
званих “натуральних кілерів” (NK-клітин).
Розглянута система імунного захисту, що складається з лімфоцитів різних кла-
сів, є специфічною відносно хімічної природи антигенів і формується протягом
взаємодії організму з чужорідними макромолекулами, тобто в процесі “імуноло-
гічного навчання”. Розрізняють також уроджену систему неспецифічного імуні-
тету, або систему неспецифічних факторів захисту організму, яка зумовлює одно-
типні клітинні та біохімічні реакції на будь-які чужорідні антигени. До неспеци-
фічних факторів захисту належать фагоцити (макрофаги тканин, нейтрофіли та
моноцити крові), система комплементу і численні білки крові: білки “гострої
фази” запалення, ті, що мають бактерицидні властивості, виступають у ролі інгібі-
торів бактеріальних протеїназ (лізоцим, пропердин,
αα
αα
α
2
-макроглобулін,
αα
αα
α
1
-інгібітор
протеїназ тощо), беруть участь у реалізації реакцій фагоцитозу.
30.2. ІМУНОГЛОБУЛІНИ: СТРУКТУРА, БІОЛОГІЧНІ ФУНКЦІЇ
Імуноглобуліни — клас білків, що є ефекторами гуморального імунітету, які
виконують функцію антитіл, взаємодіючи з генетично чужорідними макромо-
лекулами — антигенами. У крові людини імуноглобуліни мають електрофоре-
тичні властивості
γγ
γγ
γ-глобулінів, становлячи до 20 % маси всіх білків плазми.
Імуноглобуліни синтезуються плазматичними клітинами, які є продуктами
трансформації В-лімфоцитів, що відбувається при стимуляції імунної реакції орга-
нізму на надходження чужорідних білків, клітин (мікроорганізмів, найпростій-
ших), при інфекційних захворюваннях, за умов вакцинації, пересадки органів та
тканин, переливання крові, злоякісного перетворення клітин власного організму.
Молекули імуноглобулінів — глікопротеїни, білкова частина яких є тетраме-
ром, що складається з чотирьох поліпептидних ланцюгів: двох важких H-ланцюгів
(від англ. heavy — важкий), та двох легких L-ланцюгів (від англ. light — легкий).
У кожній окремій молекулі імуноглобуліну два важких та два легких ланцюги
попарно однакові, тобто умовна формула будь-якого імуноглобуліну має такий
вигляд — H
2
L
2
.
H-ланцюги імуноглобулінів складаються з близько 220 амінокислотних залиш-
ків, їх молекулярна маса становить 50-70 кД; L-ланцюги — із 110 амінокислотних
залишків, їх молекулярна маса — 20-25 кД. Окремі поліпептидні ланцюги в мо-
лекулах імуноглобулінів сполучаються між собою дисульфідними S–S-зв’язками
442
Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
(рис. 30.1). Олігосахаридні
залишки, що складаються з
залишків манози та N-аце-
тилглюкозаміну, зв’язані з Н-
ланцюгами з боку С-кінців.
У кожному з H- або L-лан-
цюгів молекул імуноглобулі-
нів можна виділити окремі
домени, що відрізняються за
структурою та мають певне
функціональне значення.
Константні ділянки (С-ді-
лянки) — домени, що харак-
теризуються сталістю аміно-
кислотного складу в різних
класів імуноглобулінів. Вони
розміщуються із С-кінців L-
та H-ланцюгів, займаючи 1/2
довжини L-ланцюга (С
L
) та
3/4 довжини Н-ланцюга (ді-
лянки С
H
1, С
H
2, С
H
3).
Варіабельні ділянки (V-ділянки) — розміщуються з N-кінців L- та Н-ланцюгів.
Варіабельні ділянки займають приблизно 1/2 довжини L-ланцюга (V
L
) та 1/4 дов-
жини Н-ланцюга (V
H
). V-ділянки характеризуються мінливістю амінокислотного
складу. За допомогою амінокислотних залишків своїх гіперваріабельних кінцевих
ділянок вони беруть участь у формуванні активного центру молекули імуноглобу-
ліну (паратопу), який за своєю конформацією комплементарний детермінантним
групам антигену і забезпечує зв’язування з ним, тобто специфічність імуноглобуліну.
За умов розщеплення імуноглобулінів папаїном, яке відбувається в шарнірній
частині молекули, утворюються два антигензв’язуючі фрагменти F
ab
(antigen bin-
ding fragment) та фрагмент, що кристалізується, — F
c
.
Різні типи важких та легких ланцюгів у молекулах імуноглобулінів позначають
літерами грецького алфавіту. Відповідно до такої номенклатури, розрізняють п’ять
типів H-ланцюгів (
αα
αα
α,
γγ
γγ
γ,
µµ
µµ
µ,
δδ
δδ
δ,
εε
εε
ε) та два типи L-ланцюгів (
χχ
χχ
χ,
λ λ
λ λ
λ). Залежно від типу
важкого ланцюга, виділяють п’ять класів імуноглобулінів (IgA, IgD, IgE, IgG,
IgM), у складі кожного з яких певний тип H-ланцюга сполучається з одним із
двох типів L-ланцюга. У біологічних об’єктах (сироватці крові, інших біологічних
рідинах, тканинах) окремі класи імуноглобулінів утворюють надмолекулярні
комплекси (n = 2 – 5).
Основними класами імуноглобулінів крові людини, що реалізують гуморальну
імунну відповідь на вторгнення чужорідного антигену, є імуноглобуліни G та M.
Імуноглобуліни А відіграють роль антитіл у складі інших біологічних рідин та
секретів (молока, слізної рідини, секретів слизових оболонок легень, кишечника
Папаїн
Fab
Fc
+
H
3
N
+
H
3
N
S-S
S-S
S-S
S-S
V
H
C
H
1
C
H
1
V
H
S-S
S-S
S-S
S-S
V
L
C
L
+
H
3
N
+
H
3
N
S
S
S
S
S
S
S-S S-S
S-SS-S
C
H
2
C
H
3
COO
–
COO
–
L-ланцюг
Н-ланцюг
Рис. 30.1. Структуні компоненти молекул імуноглобулінів.
443Ãëàâà 30. Á³îõ³ì³ÿ ³ìóííèõ ïðîöåñ³â
тощо). Імуноглобуліни класів D та E є мінорними компонентами сироватки крові,
що виконують додаткові спеціалізовані функції в комплексі імунних та алергічних
реакцій.
Властивості імуноглобулінів крові людини подано в табл. 30.1.
Таблиця 30.1. Біохімічні характеристики окремих класів імуноглобулінів людини
30.3. МЕДІАТОРИ І ГОРМОНИ ІМУННОЇ СИСТЕМИ
Існує значна кількість фізіологічно активних сполук, що синтезуються в імун-
ній системі та відіграють роль міжклітинних хімічних сигналів, регулюючи її
активність та реалізуючи процеси міжклітинних комунікацій. Ці речовини
отримали загальну назву цитокінів, або лімфокінів.
Цитокіни продукуються активованими лімфоцитами та іншими імунокомпе-
тентними клітинами і контролюють процеси дозрівання, функціонування та
взаємодії між лімфоцитами та іншими клітинними ефекторами імунітету. Специ-
фічними мішенями для лімфокінів є лімфоцити та макрофаги, що мають на своїй
поверхні чутливі рецептори. Лімфокіни виділяються макрофагами, лейкоцитами,
іншими клітинами крові та сполучної тканини, що беруть участь у реакціях імуні-
тету та неспецифічної резистентності організму в процесі запалення.
Гормональну внутрішньосистемну функцію виконує також вилочкова залоза
(тимус), яка секретує біологічно активні субстанції (тимозини, тимопоетини,
тимостимуліни тощо), що забезпечують дозрівання Т-лімфоцитів.
За хімічною природою медіатори та гормони імунної системи є білками, гліко-
протеїнами, низько- та високомолекулярними пептидами, що присутні в плазмі
крові людини і здійснюють свої регуляторні функції в пікомолярних (10
–12
)
концентраціях. Значна кількість речовин, що виконують функції лімфокінів, до
цього часу недостатньо охарактеризовані як індивідуальні хімічні сполуки.
Основні класи цитокінів
Інтерлейкіни (IL) — ростові фактори імунної системи: білки, що продукуються
Т-лімфоцитами та макрофагами і стимулюють проліферацію лімфоцитів і деяких
інших клітин організму. На даний час виділено більше десяти окремих типів ін-
терлейкінів (IL-1 — IL-16), що розрізняються за структурою, фізико-хімічними
властивостями та спектром біологічної активності.
Інтерлейкін-1, або фактор, що активує лімфоцити — медіатор, який продуку-
ється стимульованими макрофагами, а також поліморфноядерними лейкоцитами,
Клас імуногло-
булінів
Молекулярна структура Молекулярна маса,
кД
Концентрація в
сироватці крові, г/л
Ig G
χ
2
γ
2
або λ
2
γ
2
150 10-15
Ig M
(
χ
2
µ
2
)
5
або (
λ
2
µ
2
)
5
800-960 1,5-3,5
Ig A
(
χ
2
α
2
)
1-4
або (
λ
2
α
2
)
1-4
180-720 1-5
Ig D
χ
2
δ
2
або λ
2
δ
2
160-180 0,03
Ig E
χ
2
ε
2
або λ
2
ε
2
185-190 0,0005
444
Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
епітеліальними клітинами шкіри, трансформованими клітинами хворих моноци-
тарною формою лейкемії. Головним ефектом дії IL-1 є стимуляція проліферації
Т-хелперів та індукція секреції Т-хелперами інтерлейкіну-2. IL-1 є також акти-
ватором запалення як захисної рекції організму. Ця функція IL-1 пов’язана з його
здатністю бути індуктором експресії генів фосфоліпази А
2
та циклооксигенази,
що є біохімічною передумовою стимульованого синтезу у вогнищах запалення
простагландинів та лейкотрієнів; крім того, інтелейкін стимулює проліферацію
фібробластів, синтез “білків гострої фази запалення” в гепатоцитах, колагенази
в синовіальних оболонках суглобів.
В організмі людини охарактеризовано два типи інтерлейкінів-1, що є білками,
які складаються з 159 (IL-1
αα
αα
α) та 153 (IL-1
ββ
ββ
β) амінокислотних залишків. Молекуляр-
на маса інтерлейкінів-1 дорівнює 12 кД.
Інтерлейкін-2 — фактор, що продукується зрілими Т-хелперами в результаті
їх стимуляції антигеном. IL-2 посідає центральне місце в системі інтерлейкінової
регуляції імунітету, посилюючи процеси як клітинного, так і гуморального імуні-
тету. Під впливом IL-2 відбувається диференціація Т-лімфоцитів в Т-кілери, що
вбивають пухлинні та заражені мікробами клітини, а також активується продукція
γγ
γγ
γ-інтерферону Т- та NK-клітинами. Інтерлейкін-2 є глікопротеїном, що містить
залишки сіалової кислоти; молекулярна маса IL-2 організму людини близько 13,5 кД.
Інтерлейкін-3, або колонієстимулюючий фактор (CSF), синтезується активова-
ними Т-хелперами. Основна мішень біологічної дії IL-3 — стовбурові гемо-
поетичні клітини — попередники лімфоцитів, ріст яких стимулює цей інтер-
лейкін. За хімічною природою інтерлейкін-3 є глікопротеїном, що складається з
134 амінокислотних залишків.
Інтерферони — білкові фактори, що синтезуються лімфоцитами та іншими
клітинами тваринного організму при взаємодії з вірусами. Інтерферони є універ-
сальними противірусними агентами, які активні відносно будь-яких вірусів, але
мають видову специфічність, тобто кожному видові тварин притаманний свій
клас інтерферонів.
Розрізняють три типи інтерферонів, що продукуються різними клітинами і
позначаються, як IFN-
αα
αα
α, IFN-
ββ
ββ
β та IFN-
γγ
γγ
γ. IFN-
αα
αα
α синтезуються переважно лейко-
цитами крові (“лейкоцитарні інтерферони”), IFN-
ββ
ββ
β — фібробластами (“фібро-
бластні інтерферони”), IFN-
γγ
γγ
γ — Т- та В-лімфоцитами (“імунні інтерферони”).
Молекулярна маса різних інтерферонів коливається від 16 до 20-25 кД. IFN-
αα
αα
α
та IFN-
ββ
ββ
β є одноланцюговими пептидами, що складаються з 166 амінокислотних
залишків; IFN-
γγ
γγ
γ містить 143 амінокислотні залишки. Інтерферони типу
αα
αα
α мають
неглікозильовані пептидні ланцюги, інтерферони типів
ββ
ββ
β та
γγ
γγ
γ є глікопротеїнами.
Гени, що кодують IFN-
αα
αα
α та IFN-
ββ
ββ
β локалізовані на 10-й хромосомі каріотипу
людини, ген IFN-
γγ
γγ
γ — на 12-й хромосомі.
Взаємодіючи з клітинами, що інфіковані вірусними частинками, інтерферони
інгібірують синтез вірусних білків, що призводить до блокування розмноження
вірусу в зараженій клітині.
445Ãëàâà 30. Á³îõ³ì³ÿ ³ìóííèõ ïðîöåñ³â
Молекулярні механізми противірусної дії інтерферонів
1. Зв’язування інтерферонів із рецепторами клітин-мішеней. Інтерферони, які
секретуються в зовнішньоклітинне середовище клітинами-продуцентами, взаємо-
діють із специфічними рецепторами на мембранах чутливих клітин, що є перед-
умовою генерування хімічного сигналу та його трансмембранної передачі.
2. Активація внутрішньоклітинної 2',5'-олігоаденілатсинтетази. Хімічний
сигнал за допомогою внутрішньоклітинних месенджерів досягає геному зара-
женої вірусом клітини й індукує синтез ферменту, який утворює з молекул АТФ
2',5'-олігоаденілову кислоту (2',5'-оліго-А-синтетази). 2',5'-олігоаденілат є актива-
тором РНКази I, яка розщеплює односпіральні вірусні РНК (мРНК) та рибосо-
мальні РНК, які необхідні для трансляції вірусних білків.
3. Активація внутрішньоклітинних протеїнкіназ. Трансмембранний хімічний
сигнал, генерований інтерфероном, спричиняє також активацію протеїнкінази,
що фосфорилює білковий фактор ініціації трансляції IF-2. Фосфорилювання
фактора ініціації IF-2 призводить до його інактивації та блоку рибосомального
синтезу вірусних білків.
Фактори некрозу пухлин (TNF). РозрізняютьTNF-
αα
αα
α та TNF-
ββ
ββ
β.
TNF-
αα
αα
α (кахектин) — білок із м.м. 17 кД, продукується моноцитами та макрофа-
гами. Його головними біологічними ефектами є індукція синтезу IL-1 та IFN-
γγ
γγ
γ,
цитотоксична та цитостатична дія.
TNF-
ββ
ββ
β (лімфотоксин) — білок із м.м. 25 кД, продукується Т-лімфоцитами,
спричиняє цитотоксичний ефект.
При введенні в організм TNF спричиняють лізис деяких типів пухлинних
клітин організму людини, їх розглядають як перспективні протиракові засоби.
Колонієстимулюючі фактори (КСФ) — цитокіни, що стимулюють ріст крово-
творних клітин (гранулоцитів, моноцитів, попередників еритроїдних клітин).
Вони продукуються Т-лімфоцитами, макрофагами, моноцитами, ендотеліальними
клітинами (див. IL-3).
Трансформуючі фактори росту (ТФР) — білки, що продукуються різними
класами лімфоцитів, тромбоцитами, плацентою, деякими пухлинами. Вони стиму-
люють процеси проліферації фібробластів, синтезу колагену та фібронектину,
беруть участь в ангіогенезі, загоюванні ран. Разом із тим, ТФР пригнічують пролі-
ферацію Т та В-лімфоцитів, активність цитотоксичних та кілерних клітин.
Слід зазначити, що активовані лімфоцити та інші імунокомпетентні клітини син-
тезують пептидні фактори росту, зокрема епідермальний (ЕФР), нервовий (ФРН),
а також соматомедини (інсуліноподібні фактори росту ІФР-1 та ІФР-2), і різні біл-
ково-поліпептидні гормони, що свідчить про надзвичайно важливу роль імунної
системи в регуляції процесів росту, проліферації та клітинного диференціювання.
30.4. БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ СИСТЕМИ КОМПЛЕМЕНТУ
Комплемент — ферментна система, необхідна для здійснення лізису чужо-
рідних клітин (бактеріальних, тваринних) після їх взаємодії із специфічними анти-
тілами. За біохімічною природою білки комплементу є каскадною системою
446
Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
протеаз, що послідовно активуються після утворення комплексу антиген-антитіло
і спричиняють розщеплення мембранних структур клітин, які підлягають руйнації
в процесі імунної реакції.
Існує дев’ять основних компонентів (білкових субодиниць) системи компле-
менту, які позначають С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8, С9. Субодиниця С1 є комп-
лексом, що складається з трьох білків: C1q, C1r, C1s. У фізіологічних умовах
білкові компоненти системи комплементу знаходяться в плазмі крові в неактивно-
му стані. Активовані форми білків комплементу позначаються рискою над відпо-
відною латинською цифрою: С
1
, С
2
тощо. Біохімічні характеристики білків системи
комплементу людини подано в таблиці 30.2.
Таблиця 30.2. Білки системи комплементу людини
* Э.Н., 1985Шляхов, Л.П.Андриеш
Активація системи комплементу реалізується за одним із механізмів — кла-
сичним або альтернативним (рис. 30.2). За умов дії будь-якого з означених меха-
нізмів ключовою подією в активації системи комплементу є активація компоненту
С3, який має аутокаталітичні властивості, запускаючи каскад ферментативних
реакцій за участю термінальних компонентів С7, С8 та С9.
Білок комплементу Молекулярна маса,
кД
Фракція глобулінів
крові
Концентрація в
плазмі крові*, г/л х
10
-3
С1 900
α
2
,β,γ
С1q 400
γ
60
C1r 168
β
50
C1s 79
α
2
40
C4 230
β
1
600
C2 117
β
2
25
C3 185
β
1
1300
C5 170
β
1
80
C6 125
β
2
80
C7 130
β
2
60
C8 150
γ
60
C9 79
α
2
60
Ag +
IgM
IgG
Ca
2+
C1qC1rC1s
(a)
(б)
С4
С2
С3
С3в С5в С6 ... С9
Ag + P
Д В Вв
Рис. 30.2. Активація комплементу за класичним (а) та альтернативним — пропердиновим (б)
механізмами (Ag — антиген).
447Ãëàâà 30. Á³îõ³ì³ÿ ³ìóííèõ ïðîöåñ³â
Класичний шлях активації комплементу — послідовність ферментативних
реакцій, що запускається при взаємодії першого компонента комплементу С1 з
комплементзв’язуючими ділянками антитіл (IgG, IgM), які утворили комплекс
антиген-антитіло на поверхні клітини.
Зв’язування компонента С1 з імуноглобулінами, що фіксуються на поверхні
клітини, відбувається з участю білка С1q, який отримав назву фактора розпізна-
вання. Взаємодія С1q з антитілом призводить до активації субодиниці С1r, яка
розщеплює молекулу С1s, перетворюючи останню в активну серинову протеїназу.
Таким чином реалізується пусковий механізм активації системи комплементу.
Субстратами активного протеолітичного ферменту С1s є компоненти С4 та
С2, які послідовно розщеплюються на відповідні молекулярні фрагменти: актив-
ний С4b і неактивний С4а та активний С2а і неактивний С2b. Активний комплекс
С4bC2a позначають так: С3-конвертаза. Вона відщеплює від компонента С3 ак-
тивну протеазу С3b (С5-конвертазу), яка активує систему термінальних компо-
нентів комплементу (С5—С9).
Активовані термінальні компоненти утворюють на поверхні клітинної мемб-
рани надмолекулярний білковий комплекс (С5b, С6, С7, С8, С9), що спричиняє
лізис мембрани, тобто розщеплення її білково-ліпідного бішару. Під впливом
літичного комплексу в мембрані виникають канальці діаметром до 10 нм, через
які відбувається вільне надходження всередину клітини Са
2+
та Na
+
і втрата К
+
,
що і зумовлює остаточне руйнування клітини.
Альтернативний (пропердиновий) шлях активації комплементу не потребує
участі імуноглобулінів і має біологічне значення, ймовірно, на ранніх етапах бо-
ротьби макроорганізму з інфекційним агентом, тобто до продукування необхідної
кількості антитіл.
Як і в класичному шляху, в умовах альтернативного шляху також відбувається
активація С3-компонента комплементу з утворенням С5-конвертази, але без участі
компонентів С1, С2 та С4. Первинним етапом тут є взаємодія бактеріальних
антигенів (полісахаридів, ліпополісахаридів клітинної стінки грамнегативних
бактерій тощо) з білками системи пропердину.
Система пропердину складається з трьох білків: білка Р — власне пропердину;
білка В та білка D (серинової протеази). Під впливом антигенів бактеріальної
стінки відбувається послідовна активація факторів Р, D та B. Активований фактор
B (Bb) розщеплює основний компонент системи комплементу — С3, — утворю-
ючи С5-конвертазу С3bBb, яка активує компонент С5, що відповідає за форму-
вання літичного мембранного комплексу.
30.5. БІОХІМІЧНІ МЕХАНІЗМИ ІМУНОДЕФІЦИТНИХ СТАНІВ
Порушення у функціонуванні імунної системи людини — імунодефіцитні
стани — розвиваються за умов пошкоджень окремих ланок клітинного або гумо-
рального імунітету. За механізмом походження виділяють первинні та вторинні
імунодефіцити.
448 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Первинні імунодефіцити — патологічні стани, що виникають при спадковій
нездатності організму людини реагувати на антигенне подразнення синтезом
відповідних класів антитіл (імуноглобулінів) або формуванням клітинної імунної
реакції. Вони розвиваються внаслідок молекулярних порушень у певних ділянках
геному, що відповідають за фенотипічні прояви Т- та В-систем імунітету. Перші
прояви первинних імунодефіцитів спостерігають у ранньому дитячому віці.
Розрізняють чотири класи первинних імунодефіцитів, що характеризують
неповноцінність окремих основних компонентів імунної системи:
1. В-клітинна недостатність (дефіцит антитіл).
2. Т-клітинна недостатність.
3. Патологія клітин, що фагоцитують.
4. Патологія системи комплементу.
Розглянемо приклади деяких найбільш поширених первинних імунодефіцитів
людини.
Хвороба Брутона — агаммаглобулінемія, зчеплена з Х-хромосомою. Імуно-
дефіцит характеризується різким зниженням активності антибактеріального
імунітету, що проявляється тяжким перебігом бактеріальних інфекцій. У сироватці
крові хворих спостерігають значне зменшення концентрації IgG (приблизно в
10 разів, порівняно з нормою), IgA й IgM (приблизно в 100 разів), відсутність В-
лімфоцитів та плазматичних клітин.
Швейцарський тип агаммаглобулінемії — хвороба, при якій наявний дефіцит
як клітинного (Т-лімфоцити), так і гуморального (В-лімфоцити) імунітету. Імуно-
дефіцит спадкується за автосомно-рецесивним типом, проявляючись, переважно,
в осіб чоловічої статі.
Дисімуноглобулінемії — група первинних імунодефіцитів, що характеризуються
різними варіантами порушень синтезу та секреції окремих класів імуноглобулінів
(здебільшого IgG, IgM та IgA).
Синдром Луї-Бар — імунологічна недостатність, що проявляється неврологіч-
ними порушеннями (атаксія мозочкового типу) та патологічним розширенням
кровоносних судин кон’юнктиви і шкіри (телеангіектазії). У крові хворих спосте-
рігають зниження активності реакцій клітинного імунітету, відсутність IgA та
низький рівень IgG.
Синдром Ди-Джорджи — уроджена гіпоплазія тимуса; захворювання харак-
теризується порушенням Т-системи імунітету в дитячому віці.
Вторинні імунодефіцити — патологічні стани, що розвиваються внаслідок
ушкодження окремих ланок клітинного або гуморального імунітету патогенними
факторами біологічного, хімічного або фізичного походження. Найчастіше вони
розвиваються при дії на організм людини лімфотропної вірусної інфекції (СНІД,
або синдром набутого імунодефіциту людини), токсичних факторів, іонізуючої
радіації.
449Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
ГЛАВА 31. БІОХІМІЧНІ ФУНКЦІЇ ПЕЧІНКИ.
ПРОЦЕСИ ДЕТОКСИКАЦІЇ
Захворювання печінки займають одне з найпоширеніших місць у патології
людини. Гострі та хронічні гепатити, цирози печінки розвиваються внаслідок
пошкоджувальної дії на гепатоцити багатьох інфекційних факторів (вірусної,
бактеріальної природи), екзогенних хімічних сполук — ксенобіотиків, внаслідок
радіаційного ураження, гемодинамічних розладів (серцево-судинної недостатності,
шоку різного походження), аліментарного дефіциту білків, незамінних амінокис-
лот, “ліпотропних факторів” (амінокислоти L-метіоніну, антиоксиданту
αα
αα
α-токо-
феролу).
31.1. СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ОРГАНІЗАЦІЯ
ПЕЧІНКИ. БІОХІМІЧНІ ФУНКЦІЇ ГЕПАТОЦИТІВ
Печінка посідає центральне місце в
регуляції та інтеграції міжорганного об-
міну речовин і є “центральною біохіміч-
ною лабораторією організму”.
Таке унікальне значення печінки в ре-
гуляції біохімічного гомеостазу цілісного
організму зумовлене, насамперед, її ана-
томо-фізіологічним розташуванням між
кров’ю системи ворітної вени (v.porta) та
загальним колом кровообігу (рис. 31.1).
Кров, що проходить через печінку, на
70 % надходить з v.porta (решта — з пе-
чінкової артерії), завдяки чому всі сполу-
ки, які всмоктуються в шлунково-
кишковому тракті, обов’язково прохо-
дять через печінку. Виходячи з цього,
печінка (за рахунок біохімічних функцій гепатоцитів як головних структурно-
функціональних клітин органа) виконує дві основні фізіологічні функції, що є
життєво необхідними для існування організмів вищих тварин:
1. Печінка є первинним регулятором вмісту в крові моносахаридів, амінокислот,
жирних кислот та гліцеролу, які утворюються внаслідок травлення поживних
сполук продуктів харчування. Більше того, завдяки здатності до біосинтезу і
секреції в кров багатьох класів вуглеводів, ліпідів та білків крові, печінка є основ-
ним центром розподілу поживних сполук в організмі людини і тварин.
Оскільки надходження поживних сполук із кишечника відбувається непос-
тійно, рівні глюкози, амінокислот та жирів у крові v.porta підлягають значним
коливанням протягом доби, і підтримання їх сталої концентрації в загальному
кровообігу визначається саме регулюючою функцією печінки, що згладжує
(“демпфірує”) ці коливання метаболітів.
Рис. 31.1. Анатомо-фізіологічні взаємовідноси-
ни між печінкою, шлунково-киш-
ковим трактом і ворітною веною;
1 — печінка; 2 — кишечник; 3 — шлу-
нок; 4 — v.porta (за Э.Ньюсхолмом,
К.Стартом, 1977).
1
3
4
2
450 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
2. Через печінку проходять після їх всмоктування в травному каналі не тільки
поживні сполуки, а й численні чужорідні хімічні речовини, що всмоктуються в
кишечнику (лікарські засоби, токсини тощо), і деякі кінцеві метаболіти токсичної
дії (продукти обміну жовчних пігментів, катаболізму гормонів; сполуки, які утво-
рюються внаслідок гниття білків у товстій кишці). Завдяки наявності в гепато-
цитах складних ферментних систем біотрансформації, знешкодження зазначених
класів сполук, печінка відіграє біологічно важливу бар’єрну функцію, оберігаючи
інші органи та тканини від несприятливої дії токсичних речовин.
Особливості морфологічної організації печінки
Маса печінки у здорової дорослої людини складає близько 1500-2000 г (в серед-
ньому 20-25 г/кг маси тіла).
Основою гістологічної будови та функціональними
одиницями печінки є печінкові часточки, що склада-
ються з паренхіматозних клітин печінки — гепатоци-
тів, які у вигляді клітинних трабекул (балочок) конвер-
гують у напрямку до v.centralis (рис. 31.2). Гепатоцити
складають до 80 % клітинного складу печінки і забезпе-
чують виконання основних біохімічних функцій, при-
таманних цьому органу.
Між окремими печінковими балками розміщуються
синусоїди (судини, що є кінцевими розгалуженнями
ворітної вени), кров з яких через v.centralis надходить до
печінкових вен і, відповідно, — в загальний кровообіг.
Стінки синусоїдів утворені витягнутими ретикулоендо-
теліальними (“купферовськими”) клітинами. Між стін-
ками цих клітин та трабекулами (плазматичними мемб-
ранами гепатоцитів) утворюються щілиноподібні прос-
тори — простори Дісе, через які і відбувається обмін
речовин між кров’ю синусоїдів та паренхіматозними
клітинами печінки. Протилежні синусоїдам латеральні
поверхні гепатоцитів (плазматичні мембрани) утворю-
ють жовчні капіляри, через які відповідні біохімічні ком-
поненти секретуються в жовч.
Біохімічні функції печінки в організмі
Крім характеру анатомо-фізіологічного розташування, кровообігу та структурної
будови, функціональна роль печінки в організмі людини та вищих тварин визна-
чається особливостями ферментного складу гепатоцитів, що дозволяють органу
виконувати ряд властивих йому біохімічних функцій. Порушення цих функцій
за умов печінково-клітинної недостатності, що може відбуватися при різних
ураженнях гепатоцитів, супроводжується важкими розладами у функціонуванні
організму, зокрема центральної нервової системи (печінкова кома) і є станом,
несумісним із життям.
А
В
Рис. 31.2. Схема будови пе-
чінкової часточки
(А — синусоїди; Б —
простори Дісе; В —
жовчний капіляр).
Б
451Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
1. Вуглеводна (глікогенна) функція печінки
Ця функція полягає в здатності гепатоцитів утворювати лабільні резерви вуг-
леводів, що використовуються для підтримання необхідних концентрацій глюкози
в крові та постачання цього цукру в інші органи (насамперед, головний мозок) у
періоди між прийомами їжі.
Утворення й утилізація глюкозо-6-фосфату
Ініціюючим етапом включення глюкози в метаболічні перетворення є її фос-
форилювання до глюкозо-6-фосфату (Г-6-Ф):
глюкоза + АТФ
глюкозо-6-фосфат + АДФ.
Ця ключова реакція вуглеводного мета-
болізму може каталізуватися в печінці
двома ферментами: специфічною глюко-
кіназою та неспецифічною гексокіназою,
що розрізняються за своєю спорідненістю
до субстрату. К
м
для цих ферментів до-
рівнюють 0,01-0,1 мМ для гексокінази та
10 мМ для глюкокінази. Звідси зрозуміло,
що при фізіологічних концентраціях глю-
кози (3,3-5,5 ммоль/л) каталітично актив-
ною є гексокіназа, а ферментативна дія
глюкокінази включається лише за умов
значного збільшення надходження в гепа-
тоцити глюкози після споживання збага-
ченого на вуглеводи раціону (рис. 31.3).
Активація після при-
йому їжі глюкокіназної
реакції створює кінетич-
ні умови для утворення
значної кількості внут-
рішньоклітинного глю-
козо-6-фосфату, який, в
свою чергу, може вклю-
чатися в метаболічні
процеси за одним з шля-
хів, зазначених на схемі
(рис. 31.4).
Біосинтез та роз-
щеплення глікогену
Завдяки функціонуванню активної глікогенсинтази, гепатоцити постійно утво-
рюють і акумулюють у своєму складі значну кількість глікогену у вигляді
нерозчинних цитозольних гранул: 3-5 % (г/100 г маси органа), що дозволяє печінці
виконувати фізіологічно важливу функцію депо глюкози в організмі.
50
0
100
V
max
%
5
10 15
20
Концентрація глюкози, мМ
Гексокіназа
Глюкокіназа
Рис 31.3. Кінетичні криві залежності швид-
кості фосфорилювання глюкози
(V
max
) від концентрації вуглеводу за
умов дії ферментів гексокінази та
глюкокінази.
Глікоген
Глюкоза
Пентозо-фосфати,
СО
2
, НАДФН
Піруват
(СО
2
, Н
2
О),
лактат
25%
18%
2%
55%
Г-6-Ф
Рис. 31.4. Схема перетворень Г-6-Ф у гепатоцитах та орієнтовні
кількісні взаємовідносини між окремими метаболіч-
ними шляхами.
452 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Ця метаболічна функція може здійснюватися печінкою завдяки системі фосфо-
ролізу глікогену, включення якої стимулюється глюкагоном (в умовах зменшення
концентрації глюкози в крові), а також існування в мембранах ендоплазматичного
ретикулума активної глюкозо-6-фосфатази:
глюкозо-6-фосфат + Н
2
О глюкоза + Ф
н
.
Порушення глікогенної функції печінки, тобто її здатності до створення метабо-
лічних запасів глікогену та/або їх використання як енергетичного палива для функ-
ціонування інших органів, залежать від дії різноманітних етіологічних факторів,
основними з яких є:
(а) зменшення резервів глікогену в гепатоцитах внаслідок дії пошкоджуючих
агентів різного генезу, що порушують функціонування анаболічних реакцій у
клітині (вірусні, токсичні гепатити, клітинна гіпоксія);
(б) порушення здатності гепатоцитів до синтезу глікогену з глюкози внаслідок
уроджених ензимопатій (аглікогенози);
(в) порушення здатності гепатоцитів до використання резервів глікогену
(глікогенози), зокрема внаслідок дефіциту печінкової глікогенфосфорилази (хво-
роба Херса) або глюкозо-6-фосфатази, що перетворює глюкозо-6-фосфат на
вільну глюкозу (хвороба Гірке).
Глюконеогенез
Печінка є основним органом глюконеогенезу, тобто синтезу глюкози з невугле-
водних метаболітів (лактату, глюкогенних амінокислот, гліцеролу), який акти-
вується в умовах вичерпання глікогенних резервів печінки (180-350 г глікогену)
та зменшення (або відсутності) надходження цукрів із їжею.
В організмі людини запаси вуглеводів використовуються приблизно за 12 год,
разом з тим людина може витримати голодування протягом декількох місяців. У
цих умовах забезпечення глюкозою тканин, енергетичний обмін яких значною
мірою залежить від цього моносахариду (головний мозок, інші нервові тканини,
еритроцити, мозковий шар нирок, сім’яники), відбувається саме за рахунок глюко-
неогенезу в печінці та, частково, в нирках.
Перетворення на глюкозу інших моносахаридів
При змішаному харчуванні в кров людини з травного каналу, крім глюкози,
всмоктується багато інших моносахаридів, зокрема D-фруктоза (надходить у
складі сахарози), D-галактоза (у складі лактози молока) та D-маноза (у складі
рослинних продуктів). Включення цих цукрів у загальний метаболізм відбувається
завдяки наявності в гепатоцитах ферментних систем, що перетворюють вказані
моносахариди на фосфорильовані ефіри глюкози та інтермедіати гліколізу.
2. Функція регуляції ліпідного складу крові
У печінці активно відбуваються більшість ферментативних реакцій синтезу
та розшеплення різних класів ліпідів — жирних кислот, ацилгліцеролів, холе-
стерину, фосфоліпідів (гліцеро- та сфінгофосфоліпідів), гліколіпідів.
Крім використання ліпідів для власних енергетичних та структурних потреб,
печінці належить визначальна роль у регуляції окислення жирів іншими
тканинами — функція, що реалізується шляхом утворення в гепатоцитах і
453Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
секреції в кров триацилгліцеролів (у формі ліпопротеїнів дуже низької щіль-
ності — ЛПДНЩ) та кетонових тіл. У печінці утворюється також основна частина
холестерину, що використовується в периферичних тканинах для синтезу фізіо-
логічно активних стероїдів.
(1) Синтез та секреція триацилгліцеролів
В організмі людини основним місцем депонування високоенергетичних
триацилгліцеролів є жирова тканина. Разом з тим, біосинтез триацилгліцеролів
із вищих жирних кислот та гліцеролу відбувається переважно в гепатоцитах за
рахунок використання метаболітів, що утворюються при окисленні глюкози
(ацетил-КоА, інтермедіати гліколізу).
Виходячи з цього, в організмі повинен існувати транспортний механізм, який
реалізує доставку водонерозчинних триацилгліцеролів через кров в адипоцити.
Таким механізмом є утворення в гепатоцитах ЛПДНЩ, що секретуються в кров
та утилізуються адипоцитами за рахунок наявності в ендотелії капілярів жирової
тканини активної ліпопротеїнліпази. Біосинтез та секреція в кров гепатоцитами
ЛПДНЩ зростає при збільшенні потоку жирних кислот, спрямованого з кишеч-
ника в печінку на висоті процесу травлення нейтральних жирів, а також в умовах
дієти з високим вмістом вуглеводів, коли зростає ендогенний синтез у клітинах
печінки довголанцюгових жирних кислот.
Порушення синтезу ЛПДНЩ у гепатоцитах за умов вірусного або токсичного
ураження печінки призводить до аномального накопичення в органі триацилгліце-
ролів — так званого “жирового переродження печінки”.
(2) Синтез та утилізація кетонових тіл
Клітини печінки не секретують у кров вільних жирних кислот, які використо-
вуються в самому цьому органі шляхом
ββ
ββ
β-окислення або включенням до складу
триацилгліцеролів (див. вище). Енергетичним субстратом (“жировим паливом”),
що його гепатоцити спрямовують в інші тканини, є кетонові тіла (переважно
ацетоацетат), які активно утворються в печінці в результаті спеціального біосинте-
тичного процесу, що включає конденсацію окремих молекул ацетил-КоА.
У нормальному організмі утилізація кетонових тіл, синтезованих у печінці,
відбувається в більшості позапечінкових тканин, зокрема в скелетних м’язах,
міокарді, нирках та (в умовах тривалого голодування) в головному мозку.
(3) Синтез та біотрансформація холестерину
Печінка є основним місцем біосинтезу холестерину з ацетил-КоА (в серед-
ньому 250-500 мг/добу).
Використання холестерину включає в себе внутрішньопечінковий синтез
жовчних кислот та позапечінкові реакції утворення біологічно активних стероїдів:
вітаміну D
3
та його похідних, кортикостероїдів кори наднирникових залоз,
чоловічих та жіночих статевих гормонів.
3. Білоксинтезуюча функція печінки
Роль печінки в білковому обміні цілісного організму полягає в утворенні біль-
шості білків плазми крові, які виконують важливі біохімічні та фізіологічні функції,
регуляції розподілу амінокислот між окремими органами та тканинами, та синтезі
сечовини як кінцевого продукту азотистого катаболізму.
454 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
(1) В гепатоцитах синтезуються всі альбуміни плазми крові (13-18 г/добу), які
беруть участь у підтриманні нормального онкотичного тиску плазми, транспорті
багатьох метаболітів та інших біомолекул; гіпоальбумінемія є інформативною
клініко-діагностичною ознакою гострої та хронічної недостатності печінки.
(2) В печінці синтезується більша частина (близько 80 %) глобулінів плазми:
гепатоцити беруть участь у біосинтезі певної частини
αα
αα
α-глобулінів, ретикулоендо-
теліальні клітини продукують
ββ
ββ
β- глобуліни та частину
γγ
γγ
γ-глобулінів (імуногло-
булінів); захворювання печінки, при яких наявні важкі порушення структури та
функцій органа, супроводжуються зниженням концентрацій у крові
αα
αα
α
1
-,
αα
αα
α
2
- та
ββ
ββ
β-
глобулінів; з іншого боку, патологічні процеси, які перебігають з активацією імуно-
компетентних клітин печінки, призводять до збільшення рівня
γγ
γγ
γ-глобулінів.
(3) В клітинах печінки синтезується багато білкових факторів, що входять до
складу згортальної, антизгортальної та фібринолітичної систем крові: V, XI, XII,
XIII фактори згортання, компоненти протромбінового комплексу (II, VII, IX, X
фактори), фібриноген, антитромбін, антиплазмін, гепарин.
(4) Завдяки активному перебігу реакцій обміну амінокислот (трансамінування,
дезамінування, декарбоксилювання), печінка бере участь у підтриманні відносної
біохімічної сталості амінокислотного складу крові; порушення білоксинтезуючої
функції гепатоцитів (зокрема, при дії хімічних та біологічних пошкоджуючих
факторів на рибосомальну систему трансляції) супроводжується значним збіль-
шенням концентрації вільних амінокислот у плазмі крові; рівень аміноазоту плаз-
ми (в нормі 2,9-4,3 ммоль/л) може у хворих з важкою печінковою недостатністю
збільшуватися до 21 ммоль/л, що супроводжується вираженою аміноацидурією.
4. Сечовиноутворювальна функція печінки
Печінка є єдиним органом, що містить повний набір ферментів утворення
сечовини з продуктів азотистого (переважно білкового) катаболізму. Порушення
функціонування циклу сечовиноутворення, що спричиняються екзогенними ушко-
джуючими факторами, або спадковими ензимопатіями (генетичними дефектами
в синтезі окремих ферментів біосинтезу сечовини) призводять до накопичення в
крові та тканинах вільного аміаку.
Найчутливішими до такої патобіохімічної ситуації є нейрони головного мозку,
в яких надлишковий аміак здатний до пригнічення функціонування циклу трикар-
бонових кислот за рахунок взаємодії NH
4
+
з
αα
αα
α-кетоглутаратом у реакції відновлю-
вального амінування. Гальмування реакцій ЦТК та відповідне зниження рівня
АТФ в нервовій тканині спричиняють деполяризацію мембран нейронів, пору-
шення синаптичної передачі, що клінічно проявляється розвитком печінкової
енцефалопатії та коматозного стану.
5. Жовчоутворювальна та пігментна функції печінки
Важливою для фізіології та патології організму людини є роль, яку печінка
відіграє в катаболізмі гемоглобіну та інших гемовмісних білків, при розщепленні
яких утворюються жовчні пігменти — білірубін і білівердин, що екскретуються
через кишечник (див. розділ 31.3). Ці сполуки разом з іншими органічними речо-
винами (жовчними кислотами, холестерином, фосфоліпідами), які продукуються
гепатоцитами, входять до складу жовчі, надаючи їй специфічного золотисто-
жовтуватого кольору.
455Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
Біохімічний склад жовчі
Жовч — це рідкий секрет клітин печінки, що служить як для надходження в
дванадцятипалу кишку поверхнево активних сполук (жовчних кислот, фосфолі-
підів), необхідних для перетравлювання і всмоктування нейтральних жирів, так
і для екскреції з організму кінцевих продуктів катаболізму біомолекул і ксенобіо-
тиків. За добу в дорослої людини утворюється 500-700 мл жовчі; вміст основних
біоорганічних сполук в печінковій та міхуровій жовчі подано в табл. 31.1.
Т а б л и ц я 31.1. Біохімічний склад жовчі людини (г/л)
6. Детоксикаційна функція печінки
Однією з найважливіших біологічних функцій печінки є знешкодження —
детоксикація хімічних сполук, що не є нормальними метаболітами організму і
можуть спричиняти несприятливу дію, здійснюючи загальнотоксичні, некрозо-
генні, мутагенні, канцерогенні ефекти. Біохімічна сутність процесу детоксикації,
що відбувається в гепатоцитах, полягає в переведенні (біотрансформації) хімічної
сполуки в результаті певних ферментативних реакцій в молекулярну форму з
менш вираженими токсичними властивостями; продукти біотрансформациї
токсинів у печінці є, як правило, більш водорозчинними (гідрофільними) речо-
винами, що можуть виводитися з організму різними системами екскреції
(нирками, кишечником, легенями, шкірою).
Ця функція, у зв’язку з її надзвичайною важливістю для збереження хімічного
гомеостазу внутрішнього середовища організмів людини та тварин, детально
розглядатиметься нижче.
31.2. БІОТРАНСФОРМАЦІЯ КСЕНОБІОТИКІВ ТА
ЕНДОГЕННИХ ТОКСИНІВ. МІКРОСОМАЛЬНЕ
ОКИСЛЕННЯ
До сполук, що справляють несприятливі, токсичні ефекти як щодо окремих
клітин, так і вищого організму в цілому, належать:
(1) чужорідні хімічні сполуки, які потрапляють в організм людини та тварин
в процесі життєдіяльності; це фармацевтичні препарати, засоби побутової хімії,
косметичні засоби, харчові добавки (антиоксиданти, консерванти, барвники),
пестициди, промислові отрути тощо. Ці речовини отримали назву ксенобіотиків
(xenos — чужий; bios — життя; грецьк.) і в останні роки є об’єктом детального
дослідження ксенобіохімії — напрямку досліджень, що вивчає закономірності
перетворення (ксенобіокінетики — Ю.І.Губский, 1989) та молекулярних меха-
нізмів фізіологічних ефектів зазначених сполук;
Компоненти жовчі Печінкова жовч Міхурова жовч
Білки 1,5-2,5 4,5-5,0
Жовчні кислоти 7-14 90-120
Фосфоліпіди 1,0-5,8 30-40
Жирні кислоти 1,6-3,4 20-25
Холестерин 1-2 3-10
Жовчні пігменти (білірубін, білівердин) 0,3-0,6 1,2-1,5
456 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
(2) кінцеві продукти метаболізму, що мають потенційно токсичні властивості
(жовчні пігменти та продукти їх перетворення в кишечнику; продукти окислення
стероїдних гормонів та катехоламінів, які підлягають у печінці процесам кон’ю-
гації як етапу, що передує їх екскреції). Слід зазначити, що мікросомальні окси-
генази (див. нижче) та амінооксидази печінки реалізують інактивацію самих фізіо-
логічно активних гормональних сполук, протидіючи їх надмірному накопиченню
в організмі;
(3) продукти мікробної деградації (гниття) білків (амінокислот) в товстій кишці
(заміщені феноли, індоли, біогенні аміни).
Типи реакцій біотрансформації ксенобіотиків та ендогенних токсинів
Як уже зазначено, знешкодження токсичних речовин у гепатоцитах — це
перетворення їх у молекулярну форму із зміненими біологічними властивос-
тями (як правило, менш токсичну), що може бути виведеною з організму з
сечею або жовчю.
Зазначені процеси біотрансформації ксенобіотиків та ендогенних токсичних
сполук складаються із двох фаз.
1-ша фаза — окислювально-відновлювальні та гідролітичні реакції, що ката-
лізуються мембранозв’язаними ферментами ендоплазматичного ретикулума ге-
патоцитів (“мікросомальними ферментами”). У результаті реакцій першої фази
у складі субстратів біотрансформації утворюються функціональні групи –OH,
–COOH, –SH, –NH
2
; таким чином, ці реакції (функціоналізації, або прекон’югації)
призводять до збільшення полярності молекули ксенобіотика або ендогенного
субстрату (стероїду).
2-га фаза — реакції синтезу, або кон’югації, що грунтуються на приєднанні до
молекулярних продуктів 1-ї фази (або вихідних субстратів, що вже мали в своєму
складі полярні функціональні групи) залишків глюкуронової, сірчаної кислот,
гліцину, глутаміну, глутатіону, метильного або ацетильного радикалів.
У деяких випадках детоксикація хімічних речовин включає тільку одну із за-
значених фаз біотрансформації — першу або другу.
Реакції мікросомального окислення
Головна роль серед реакцій першої фази біотрансформації ксенобіотиків та
ендогенних сполук належить ферментним системам мембран ендоплазматичного
ретикулума, що функціонують за участю цитохрому Р-450. У зв’язку з тим, що
біохімічним еквівалентом мембран ендоплазматичного ретикулума клітин печінки
є отримувана методом диференційного центрифугування мікросомальна фракція,
тип реакцій, який розглядається, отримав у науковій літературі назву “реакцій
мікросомального окислення”, а відповідні ферменти — “мікросомальних оксиге-
наз” (А.И.Арчаков, 1975).
Реакції, що каталізуються цими ферментами, належать до типу монооксигеназ-
них, тобто таких, що каталізують включення атома одного кисню безпосередньо
в молекулу субстрату, який окислюється (глава 9):
R–H + 1/2 O
2
R–OH.
457Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
Така реакція (окислювальне гідроксилювання) є основною в метаболізмі гідро-
фобних сполук у мембранах ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів і вимагає
участі в ролі донора електронів НАДФН:
НАДФН + R-H + O
2
НАДФ
+
+ R-OH + H
2
O.
Оскільки в розглянутому 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 окси-
геназ мішаної функції”.
Цитохром Р-450
Ферментні системи, що каталізують реакції мікросомального окислення гідро-
фобних субстратів, є електронотранспортними ланцюгами, локалізованими в
мембранах ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів (та клітин деяких інших
органів, що також беруть участь у реакціях детоксикації). Компонентами цих
ферментних ланцюгів є ФАД-вмісний флавопротеїн, цитохром b
5
та кінцева
монооксигеназа — цитохром Р-450:
НАДФН
ФП (ФАД) цитохром b
5
цитохром Р-450
Подібний цитохром Р-450-залежний електронотранспортний ланцюг каталізує
реакції окислювального гідроксилювання стероїдів (синтезу та біотрансформації),
що наявні в мітохондріях кори наднирникових та статевих залоз.
Цитохром Р-450 — фермент, вперше відкритий у 1958 р. американськими
дослідниками Д.Гарфінкелем та М.Клінгенбергом (D.Garfinkel, M.Klingenberg).
Це сімейство гемопротеїнів з молекулярною масою близько 50 кД; у різних біоло-
гічних об’єктах та тканинах виявлено більше 300 ізоформ цитохрому Р-450, що
розрізняються за своєю субстратною специфічністю та особливостями первинної
структури. Фізіологічне значення ізоформ цитохрому Р-450 полягає в захисті
тваринного організму від численних низькомолекулярних ксенобіотиків, що над-
ходять у внутрішнє середовище; ця система є додатковою до системи імунного
захисту (“друга імунна система”), яка
протидіє надходженню в організм чу-
жорідних високомолекулярних сполук
біологічного походження.
Біосинтез різних ізоформ цитохро-
му Р-450 кодується декількома сімейст-
вами генів, які у ссавців позначаються
як CYP—гени (CYTOCHROME P-450;
англ.). У геномі людини за синтез
цього гемопротеїну відповідають біль-
ше 100 генів, експресія яких призво-
дить до продукції ізоформ із різною
субстратною специфічністю (CYP1,
CYP2, CYP3 тощо), що додатково поді-
ляються на ензимні субсімейства.
Цитохром Р-450
3+
–SH
О
2
––
Цитохром Р-450
3+
Цитохром Р-450
3+
–SH
SH
1
НАДФН
2
е
–
Цитохром Р-450
2+
–SH
3
О
2
Цитохром Р-450
2+
–SH
е
–
Цитохром в
5
О
2
4
2H
+
H
2
О
Цитохром Р-450
3+
–SH
О
SOH
5
Рис. 31.5. Каталітичний цикл функціонування
цитохрому Р-450.
458 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Клінічний інтерес становлять індивідуальні ізоформи, що каталізують реакції
метаболізму (біотрансформації) багатьох поширених фармакологічних препаратів
(CYP1A2, CYP2C8-10, CYP2C-19, CYP2D6, CYP2E, CYP3A4).
Каталітичний цикл, що реалізує реакції окислювального гідроксилювання
субстратів (SH) за участю цитохрому Р-450, складається з декількох парціальних
реакцій, поданих на рис. 31.5.
Типи реакцій мікросомального окислення
Розглянута схема окислювально-відновлювальної біотрансформації ксено-
біотиків за участю цитохрому Р-450 реалізується, залежно від хімічної природи
субстрату та умов процесу, у вигляді декількох типів реакцій мікросомального
окислення, до яких належать:
1) окислювальне гідроксилювання аліфатичних сполук:
1а — алканів та алкенів:
R–CН
3
R–CH
2
OH
(cубстратами реакції є вуглеводні, що можуть потрапляти в організм людини
у процесі професійної діяльності);
1б — алкільних бічних ланцюгів циклічних сполук, наприклад:
С
6
Н
5
–СН
3
С
6
Н
5
–СН
2
ОН
(подібні реакції наявні, зокрема, при біотрансформації численних лікарських
засобів з класу барбітуратів — гексобарбіталу, фенобарбіталу, пентобарбіталу);
2) окислювальне гідроксилювання циклічних сполук за типом гідроксилю-
вання бензолу:
За таким типом відбувається біо-
трансформація моноциклічних вугле-
воднів (аніліну, ацетаніліду), хлорова-
них циклічних вуглеводнів (зокрема,
пестицидів гептахлору, альдрину тощо),
поліциклічних вуглеводнів, що мають
канцерогенні властивості (бензпірену,
диметилбензантрацену);
3) окислювальне дезалкілування, зокрема:
– N-дезалкілування:
R–NH–CH
3
R–NH–CH
2
OH R–NH
2
+ HCHO
(cубстратами реакції є такі поширені лікарські засоби, як амінопірин (амідо-
пірин), аміназин, ефедрин, іміпрамін тощо);
– О-дезалкілування:
R–О–CH
3
R–О–CH
2
OH R–ОH + HCHO
(субстратами реакції є, зокрема: наркотичний засіб кодеїн — продуктом реакції
є морфін; фенацетин тощо);
HC
HC
C
H
CH
CH
H
C
HC
HC
C
H
CH
C
H
C
OH
Бензол Фенол
459Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
4) реакції відновлення (перебігають без участі кисню), зокрема:
– відновлення нітросполук та азосполук, наприклад:
– відновлювальне дегалогенування, наприклад:
Проміжними метаболітами в реакціях відновлювального дегалогенування про-
мислових отрут (тетрахлорметану) або летючих анестетиків (галотану, метокси-
флюрану тощо) можуть бути вільні радикали (R
·), що спричиняють активацію
вільнорадикальних реакцій перекисного окислення біомолекул (ліпідів, білків,
нуклеїнових кислот) і призводять до важких некрозо-дистрофічних уражень пе-
чінки, нирок, міокарда.
Індукція мікросомальних монооксигеназ
Біологічно важливою особливістю цитохрому Р-450 є його здатність до активо-
ваного синтезу (ферментної індукції) в умовах надходження в тваринний організм
низькомолекулярних гідрофобних сполук — субстратів мікросомального окислення.
На даний час відомо декілька сотен хімічних речовин, що є індукторами цитохрому
Р-450; введення цих сполук в організм спричиняє активацію окремих генів, які відпо-
відають за синтез певних ізоформ гемопротеїну, специфічних для даного субстрату
або групи хімічно близьких субстратів.
Фізіологічне значення феномена індукції цитохрому Р-450 полягає у збільшенні
здатності клітин печінки до біотрансформації чужорідних хімічних сполук, тобто
значному підвищенні її детоксикаційної функції; цей же механізм є відповідальним
за зменшення або втрату специфічних фармакологічних ефектів багатьох лікарських
засобів при їх тривалому застосуванні (розвиток “толерантності” до фізіологічно
активних сполук). Широко відомим і таким, що застосовується в медичній практиці
індуктором мікросомального окислення, є засіб седативної та протисудомної дії —
Фенобарбітал (5-феніл-5-етилбарбітурова кислота).
Реакції кон’югації в гепатоцитах
Реакції кон’югації з утворенням “парних” сполук — шлях детоксикації більшості
ксенобіотиків, що мають функціональні групи –OH, –COOH, –NH
2
, –SH (або утво-
рюють їх у реакціях 1-ї фази біотрансформації). Цей же механізм використовується
для утворення молекулярних форм, що підлягають екскреції з організму, з таких
ендогенних субстратів, як жовчний пігмент білірубін, продукти бактеріального роз-
щеплення в кишечнику циклічних амінокислот (фенолу, крезолу, індоксилу), стеро-
їдні гормони та продукти їх гідроксилювання, продукти моноамінооксидазного
розщеплення катехоламінів, серотоніну та інших біогенних амінів.
Найбільш поширеними реакціями кон’югації є:
1. Реакції глюкуронування (основний тип кон’югації в організмі людини та тварин
як ксенобіотиків, так і ендогенних субстратів), у яких бере участь активна форма
CCl
4
CHCl
3
Тетрахлорметан Хлороформ
Галотан 1,1,1-Трифторетан Трифторацетат
CF
3
CHBrCl
CF
3
CH
3
CF
3
COOH
NO
2
NH
2
Нітробензол Анілін
460 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
глюкуронату — УДФ-глюкуронова кислота (УДФГК), яка утворюється шляхом
окислення УДФ-глюкози (УДФГ) НАД-залежною УДФГ-дегідрогеназою:
УДФГ + 2НАД
УДФГК + 2НАДН
2
R–OH + УДФГК R–O-глюкуронід + УДФ
Фермент, що каталізує реакції глюкуронування — УДФ-глюкуронілтранс-
фераза, локалізований в мембранах ендоплазматичного ретикулума гепатоцитів
та деяких інших органів і тканин, що також беруть участь в реакціях детоксикації
(шлунково-кишкового тракту, нирок, шкіри).
Залежно від хімічної природи субстрату, розрізняють реакції O-, N- та S-глюку-
ронування, наприклад:
2. Реакції сульфування, донором сульфат-
них радикалів у яких є біологічно активна фор-
ма сірчаної кислоти — 3'-фосфоаденозин-5'-
фосфосульфат (ФАФС).
Прикладом реакції сульфування є утворен-
ня в печінці кон’югату на основі індоксилу —
продукту мікробного розщеплення в товстій
кишці амінокислоти L-триптофану. Вільний
HN
N
O
O
H
CH
2
H
OH
OH
HH
O
OP
O
OH
OP O
OH
O
O
H
OH
HOH
H
COOH
OH
H
Уридиндифосфоглюкуронова кислота
N
N
N
N
NH
2
CH
2
OH
O
O
O
P
O
OH
OH
PO
O
OH
S
O
O
OH
5'
3'
3'-Фосфоаденозин-5'-фосфосульфат
Фенол + УДФГК
Фенол-О-глюкуронід + УДФ
Анілін + УДФГК
Анілінглюкуронід + УДФ
OH
+ УДФ
O
+ УДФ
H
O
O
H
OH
OH
HOH
H
COOH
H
O
H
OH
OH
HOH
H
COOH
УДФГКФенол Фенол-О-глюкуронід
NH
2
+ УДФГК
NH-глюкуронід
+ УДФ
Анілін Анілінглюкуронід
461Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
індол утворюється в результаті дії ферментів мікроорганізмів на L-триптофан (одна
з реакцій “гниття білків у кишечнику”); подальше окислення індолу до індоксилу
постачає субстрат для взаємодії з ФАФС. Індоксилсульфат, що утворився,
виводиться із сечею у вигляді калієвої солі, яка отримала назву “тваринного
індикану”:
Величина екскреції тваринного індикану розглядається в клінічній практиці як
індикатор активності гниття білків у кишечнику та функціонального стану печінки.
3. Реакції метилювання та ацетилювання — поширений тип кон’югації, в яких
беруть участь як ксенобіотики, так і ендогенні субстрати; в цих реакціях беруть
участь S-аденозилметіонін (О-метилювання) та ацетил-КоА (N-ацетилювання):
R–OH + S-аденозилметіонін
R–O–CH
3
+ S-аденозилгомоцистеїн
R–NH
2
+ CH
3
–CO–SKoA R–NH–COCH
3
+ HS–KoA
Важливим прикладом N-ацетилювання є ацетилювання сульфаніламідів —
поширених хіміотерапевтичних препаратів; інтенсивність цієї реакції виступає
показником активності біотрансформації лікарських засобів в організмі людини.
4. Реакції кон’югації з гліцином; клінічно важливим прикладом реакції є утво-
рення гіпурової кислоти при взаємодії ендогенного гліцину з введеною в організм
бензойною кислотою:
Визначення інтенсивності реакції (кількості екскретованої з сечею гіпурової
кислоти після введення per os стандартної дози бензоату) лежить в основі дослі-
Бензойна кислота + Гліцин Гіпурова кислота
Бензойна кислота
COOH
+ H
2
N
CO
CH
2
COOH
NH CH
2
COOH
Гліцин Гіпурова кислота
L-Триптофан
Індол Індоксил + ФАФС Індоксилсульфат Тваринний
індикан
N
H
CH
2
CH COOH
NH
2
N
H
N
H
OH
ФАФС
N
H
N
H
OSO
3
H
OSO
3
K
L-Триптофан Індол Індоксил
Індоксилсульфат Тваринний індикан
462 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
дження антитоксичної функції печінки (проба Квіка).
31.3. ОБМІН ЖОВЧНИХ ПІГМЕНТІВ. БІОХІМІЯ ЖОВТЯНИЦЬ
В організмі людини йде постійне руйнування зрілих еритроцитів, швидкість
якого складає (1-2) · 10
8
/год; середня тривалість життя еритроцитів — 100-120 днів.
Жовчні пігменти (білірубін, білівердин) є продуктами катаболізму гемоглобіну
еритроцитів та частково — інших гемовмісних білків. Руйнування еритроцитів
та розщеплення гемоглобіну, який складає 90-95 % сухого залишку еритроцитів,
відбувається в клітинах ретикулоендотеліальної системи органів та тканин
людини — селезінці (переважно), купферовських клітинах печінки, кістковому
мозку, гістіоцитах сполучної тканини.
Катаболізм гемоглобіну та обмін жовчних пігментів
Гем, що входить до складу гемоглобіну, складає близько 80 % всього пулу гему
організму. Протягом доби у людини масою 70 кг обмінюється (розщеплюється
та синтезується знову) близько 6 г гемоглобіну. В процесі деградації гемопротеїну
відбувається протеоліз його білкової частини, вивільнення іонів заліза, що
реутилізуються для синтезу залізовмісних білків, та незворотний катаболізм пор-
фіринового циклу гему, що призводить до утворення білірубіну (жовто-червоного
пігменту жовчі) і білівердину (зеленого пігменту), які виводяться з організму.
Процес катаболізму гемоглобіну та його порфіринової простетичної групи
гему складається з наступних етапів.
1. Розрив тетрапірольного кільця гему (у складі гемоглобіну) шляхом окислю-
вального розщеплення метинового містка між I та II кільцями протопорфіринового
циклу; в результаті реакції червоний пігмент еритроцитів гемоглобін перетво-
рюється на зелений кров’яний пігмент вердоглобін (холеглобін) (див. с.464):
Реакція каталізується ферментом НАДФН-залежною гемоксигеназою, що є
N
CH
CH
H
3
C
CH
2
CH
N
N
H
3
C
CH
2
CH
2
COOH
CH
N
CH
CH
2
CH
2
COOH
CH
3
Fe
2+
CH
3
CH
CH
2
I
II
III
IV
НАДФН
НАДФ
+
О
2
N
O
CH
H
3
C
CH
2
CH
N
N
H
3
C
CH
2
CH
2
COOH
CH
N
CH
CH
2
CH
2
COOH
CH
3
Fe
2+
CH
3
CH
CH
2
I
II
III
IV
HO
Гем (у складі гемоглобіну) Гем окислений (у складі вердоглобіну)
463Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
за хімічною будовою однією з ізоформ цитохрому Р-450, і супроводжується виді-
ленням 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 білі-
рубін шляхом віднов-
лення метинового
зв’язку (між пірола-
ми III, IV). Реакція
каталізується фер-
ментом НАДФН-
залежною білівер-
динредуктазою:
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 сироват-
ковий альбумін —
білірубін
транспортується в
печінку, де пігмент
поглинається
гепатоцитами і
підлягає подальшим
перетворенням.
5. Білірубін є лі-
підорозчинною ре-
човиною і у високих
концентраціях про-
являє мембраноток-
сичність, особливо
N
CH
3
CH
CH
2
HO
CH
N
H
CH
3
CH
2
CH
2
CH
N
CH
2
CH
3
CH
N
CH
3
CH
CH
2
OH
COOH
CH
2
COOH
НАДФН
НАДФ
+
CH
3
CH
CH
2
HO
CH
N
H
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
N
H
CH
2
CH
3
CH
N
CH
3
CH
CH
2
OH
COOH
CH
2
COOH
Білівердин
Білірубін
N
CH
3
CH
CH
2
HO
CH
N
H
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
N
H
CH
2
CH
3
CH
N
CH
3
CH
CH
2
OH
C
CH
2
CO
O
H
OH
OH
HOH
H
COOH
H
O
H
O
H
OH
H
OHH
OH
COOH
H
H
O
O
Диглюкуронід білірубіну
464 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
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:
білірубін + 2 УДФГК
білірубін-диглюкуронід + 2 УДФ
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.
У сироватці крові здорової людини концентрація білірубіну низька, з межами коливань 0,1-1,0 мг
% (1-10 мг/л, або 1,7-17 мкмоль/л). Цей білірубін (“загальний білірубін” сироватки крові) складається
з двох фракцій (“форм”):
(1) вільний білірубін (складає близько 75% від загального білірубіну) — такий, що не пройшов кон’югації
з глюкуроновою кислотою (некон’югований білірубін); цей білірубін знаходиться в крові у комплексі з сироват-
ковим альбуміном;
(2) зв’язаний білірубін (складає відповідно до 25% від загального білірубіну) — такий, що пройшов
кон’югацію з глюкуроновою кислотою (кон’югований білірубін); ця форма секретується нормальними гепато-
цитами в жовч, і лише частково, в незначній кількості надходить у
кров.
Для визначення вмісту в сироватці крові людини загального
білірубіну та його фракцій застосовується метод Ван ден Берга,
який грунтується на використанні діазосульфанілової кислоти
(діазореактив Ерліха), що при взаємодії з білірубіном утворює
діазосполуку рожевого забарвлення. Оскільки вільний білірубін знахо-
диться в комплексі з альбуміном, він дає позитивну реакцію з
діазореактивом Ерліха лише після осадження білків етанолом
(“непряма реакція з діазореактивом”) і тому отримав назву
непрямого білірубіну. Зв’язаний (кон’югований) білірубін дає без-
посередню (“пряму”) реакцію з діазореактивом і позначається в
клініко-біохімічній практиці як прямий білірубін. Зміни кількісних
взаємовідношень між фракціями непрямого та прямого білірубіну
плазми є важливою диференціально-діагностичною ознакою різних
типів жовтяниць.
6. Глюкуроніди білірубіну (“кон’югований біліру-
бін”) екскретуються гепатоцитами в жовч і у її складі
надходять у кишечник, де підлягають біотрансформа-
ції ферментами мікроорганізмів, частковому повтор-
ному всмоктуванню та виведенню з фекальними маса-
ми (“ентерогепатична циркуляція” жовчних пігментів).
Біотрансформація білірубін-глюкуронідів у ки-
шечнику полягає у відщепленні глюкуроновї кислоти
білірубін-диглюкуронід
мезобілірубін
глюкуронат
+ 4Н
+ 4Н
+
мезобілірубін мезобіліноген
+ 4Н
+
мезобіліноген стеркобіліноген
Вердоглобін
Гемоглобін
Білок
Fe
Білівердин
Білірубін
Білірубін-диглюкуронід
Мезобілірубін
Глюкуронат
Стеркобіліноген
Стеркобілін
УДФГК
УДФ
Рис. 31.6. Схема катаболізму
гемоглобіну та біо-
трансформації жовч-
них пігментів.
465Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
(при дії мікробної
ββ
ββ
β-глюкуронідази) 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.
Загальний метаболічний шлях
розщеплення гемоглобіну та
перетворення жовчних пігментів
подано на схемі (рис. 31.6).
Всмоктування тетрапіролів у
кишечнику
Основна кількість продуктів пе-
ретворення білірубіну в кишечнику
— 200-300 мг/добу (близько 95%
усіх тетрапірольних сполук) виво-
диться з організму людини у складі
калових мас. Разом з тим, деяка час-
тина жовчних пігментів та продук-
тів їх біотрансформації всмоктуєть-
ся з кишечника в кров і підлягає по-
дальшим перетворенням (рис. 31.7):
(а) стеркобіліноген (основна маса
якого виводиться з калом у вигляді
стеркобіліну) частково всмоктуєть-
ся в нижніх відділах товстої кишки,
звідки потрапляє в загальний крово-
обіг через судини pl. haemorroidalis,
тобто минаючи печінку. З крові цей
водорозчинний стеркобіліноген
екскретується в сечу у вигляді уробіліну (0-4 мг/добу); ці слідові концентрації
пігменту можуть не визначатися в сечі звичайними клініко-біохімічними мето-
дами дослідження, і тому вважають, що в сечі здорової людини “уробілін”, як
правило, відсутній;
(б) мезобіліноген (уробіліноген) резорбується слизовою оболонкою тонкої
кишки і через судини системи v.porta надходить у печінку, де розщеплюється
ферментами гепатоцитів до дипірольних сполук, які остаточно екскретуються з
організму через жовч. За умов порушення бар’єрної функції печінки (паренхіма-
тозні жовтяниці —див. нижче) розщеплення мезобіліногену в печінці не відбу-
вається, внаслідок чого цей пігмент надходить у кров і виділяється нирками також
під назвою уробіліну сечі, що додається до уробіліну, який є продуктом всмок-
тування стеркобіліногену — п. (а).
Патобіохімія жовтяниць
Печінка
Жовчний
міхур
Тонка
кишка
Товста
кишка
Калові
маси
Сеча
(“уробілін”)
Нирка
v. porta
Рис. 31.7. Всмоктування в кишечнику та подальша
біотрансформація продуктів перетворення
жовчних пігментів (Т.Т.Березов, Б.Ф.Коров-
кин, 1983; модифіковано).
білірубін-глюкуронід
мезобіліноген
стеркобіліноген
466 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
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 детокси-
каційної та екскреторної функцій або наявність механічних перешкод в системі
жовчовивідних шляхів, що протидіють нормальному виведенню жовчі в кишеч-
ник. Відповідно розрізняють декілька типів жовтяниць.
Передпечінкова (гемолітична) жовтяниця — розвивається внаслідок пато-
логічно підсиленого руйнування (гемолізу) еритроцитів та розщеплення гемогло-
біну 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 призво-
дить до посиленого утворення стеркобіліногену (в деяких випадках — до 10 г),
що в збільшеній кількості виділяється з калом (стеркобілін) та (після всмокту-
вання в товстій кишці) з сечею (уробілін сечі).
Печінкова (паренхіматозна) жовтяниця — розвивається внаслідок пору-
шення структури та ферментативних властивостей гепатоцитів в результаті дії
пошкоджувальних факторів вірусного, бактеріального, хімічного походження (ві-
русні, інфекційні, токсичні гепатити). При цьому типі жовтяниць спостерігається
значна гіпербілірубінемія (збільшення концентрації загального білірубіну)
внаслідок таких причин:
а) порушення кон’югації білірубіну як результат пошкодження мембран ендо-
плазматичного ретикулума гепатоцитів і зменшення активності УДФ-глюкуроніл-
трансферази; дія цього фактора призводить до зростання рівня в крові непрямого
білірубіну;
б) порушення секреторної функції гепатоцитів, тобто їх здатності транспорту-
вати білірубін-глюкуронід у жовч (транспорт проти градієнта концентрації); ця
обставина, а також некроз печінкових клітин призводять до надходження в сиро-
ватку крові надмірної кількості прямого білірубіну.
Зростання в крові прямого білірубіну (білірубін-глюкуроніду), що здатен прохо-
дити через ниркові мембрани, супроводжується (у важких випадках захворю-
вання) 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
467Ãëàâà 31. Á³îõ³ì³÷í³ ôóíêö³¿ ïå÷³íêè
(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 гідроста-
тичного 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 жов-
тяниці.
Ферментативні (спадкові) жовтяниці — виникають внаслідок генетичних
ензимопатій, що спричинені порушеннями експресії генів, які відповідають за
синтез у гепатоцитах ферментів кон’югації білірубіну (УДФ-глюкуронілтранс-
ферази 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, так і
порушенням здатності гепатоцитів до
поглинання білірубіну з крові
(“абсорбційна жовтяниця”).
Синдром Дабіна-Джонсона —
жовтяниця, пов’язана з порушенням
транспорту білірубін-глюкуроніду з
гепатоцитів у жовч (“екскреційна жов-
тяниця”).
Ферментативні жовтяниці можуть
також бути у новонароджених як тим-
часовий стан, спричинений запізнілим
включенням генів, що кодують УДФ-
глюкуронілтрансферазу. Терапевтич-
ний ефект може досягатися призна-
ченням дітям Фенобарбіталу, який є
універсальним індуктором печінкових ферментів детоксикації — як мікросо-
мального окислення, так і глюкуронування субстратів.
Основні механізми виникнення гіпербілірубінемій при жовтяницях різного
генезу подано на рис. 31.8.
Синусоїд Гепатоцит
Жовчний
капіляр
УДФГК
Б
Б
Нв
1
2
3
БГл
БГл
БГл
жовч
Рис. 31.8. Схема обміну білірубіну (Б) та біліру-
бін-глюкуроніду (БГл) між кров’ю, ге-
патоцитами та жовчними капілярами
і їх порушення при різних типах жовтя-
ниць:(1) гемолітичні жовтяниці — збіль-
шене розщеплення гемоглобіну; (2) парен-
хіматозні та ферментативні жовтя-
ниці порушення кон’югації білірубіну з
УДФГК; (3) обтураційні жовтяниці —
порушення нормального витоку жовчі.
468 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
ГЛАВА 32. БІОХІМІЯ М’ЯЗІВ І М’ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ
М’язи є молекулярною системою, в якій відбувається трансформація хімічної
енергії АТФ у механічну енергію скорочення та руху. За особливостями струк-
турної організації м’язи людини і тварин поділяють на скелетні (смугасті), гла-
денькі та серцевий м’яз.
В основі всіх видів клітинного руху в еукаріотів (від дріжджів до людини)
знаходиться взаємодія і взаємне переміщення філаментів, що сформовані з білків
актину й міозину. До нем’язових рухів належать амебоподібні пересування
лейкоцитів, макрофагів, фібробластів, сперматозоїдів та інших клітин, внут-
рішньоклітинні рухи, зокрема розходження хромосом, ендоцитоз та екзоцитоз.
Рухливість війок і джгутиків зумовлюється взаємодією іншої пари білків — ди-
неїну й тубуліну.
Найбільш вивченими є біохімічні процеси, що складають основу скорочення
скелетних м’язів.
32.1. УЛЬТРАСТРУКТУРА І ХІМІЧНИЙ СКЛАД М’ЯЗІВ
Структурною одиницею скелетного м’яза є багатоядерна клітина — міоцит —
м’язове волокно, довжина якого у людини може досягати 10-12 см, а діаметр —
0,01-0,1 мм.
Ультраструктурні компоненти міоцитів
Міоцити оточені електрично
збудливою плазматичною мемб-
раною, що отримала назву
сарколеми, містять у собі цито-
зольну частину — саркоплазму,
скорочувальні елементи — міо-
фібрили, високодиференційо-
вану ендоплазматичну сітку —
саркоплазматичний ретикулум,
розвинену систему мітохонд-
рій — саркосом (рис. 32.1).
В активнофункціонуючих
скелетних м’язах людини міто-
хондрії дуже чисельні; вони роз-
міщуються впродовж міофіб-
рил, у безпосередній близькості
від них, що забезпечує міні-
мальну відстань для дифузії
макроергічних фосфатів до
скорочувальних елементів.
Скелетні м’язи мають роз-
винену систему мембран і
Рис. 32.1. Ультраструктура скелетного м’яза.
міто-
хондрія
Z-лінія
саркоплазматичний ретикулум
Т-система
сарколема
469Ãëàâà 32. Á³îõ³ì³ÿ ì’ÿç³â ³ ì’ÿçîâîãî ñêîðî÷åííÿ
канальців саркоплазматичного ретикулума (СР), які відіграють роль головного
резервуара внутрішньоклітинного Са
2+
, контролюючи активну концентрацію іонів
кальцію в цитозолі. Зміни концентрації цитозольного Са
2+
є біохімічним регу-
лятором включення процесу м’язового скорочення. З елементами СР контактує
система поперечних трубочок — T-система, упродовж елементів якої відбувається
поширення електричного потенціалу від сарколеми до мембран СР, спричиняючи
вивільнення з СР іонів кальцію.
Значну частину об’єму м’язових клітин займають скорочувальні елементи —
міофібрили, що спаковані в паралельні пучки. Молекулярною основою міофібрил
є організовані у вигляді ниток (філаментів) скорочувальні білки — актин і міозин.
Саркомери — структурно-функціональні елементи скорочувального апарату
скелетних м’язів. Саркомери утворені пучками міофібрил, які відокремлені один
від одного перпенди-
кулярними смугами
— Z-лініями.
Електронно-мік-
роскопічне вивчення
саркомерів дозво-
лило виявити в них
упорядковані еле-
менти, які створю-
ють характерну для
скелетних м’язів по-
перечну смугастість
(рис. 32.2), а саме:
I-диски (ізотропні), що утворені “тонкими” філаментами (діаметром близько
6 нм) міофібрил;
А-диски (анізотропні), що утворені “товстими” філаментами (діаметром 15-
17 нм) міофібрил, які перекриваються з “тонкими” філаментами;
Н-зона — частина А-диска, в якій “товсті” філаменти не перекриваються з
“тонкими”.
Біохімічний склад м’язів
Скелетні м’язи ссавців містять у своєму складі: 72-80 % води; 16-20 % білків;
0,9-2,2 % небілкових азотистих сполук (креатин, креатинфосфат, АТФ, АДФ,
амінокислоти тощо); безазотисті органічні сполуки (глікоген — 0,3-3,0 %;
фосфоліпіди — 0,4-1,0 %; холестерин — 0,06-0,2 %); мінеральні елементи (K
+
,
Ca
2+
, Na
+
тощо).
Білки м’язів
Білки скелетних м’язів складаються з водонерозчинних білків міофібрил
(становлять 75-80 % загального вмісту білків м’язів) і водорозчинних білків
саркоплазми — так званого міогену.
До складу фракції міогену входять переважно ферменти, що каталізують
катаболічні реакції, які забезпечують біоенергетику м’язового скорочення —
Рис. 32.2. Структурна організація саркомерів міофібрил.
I
Z
A
H
I
Z
470 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
глікогенфосфорилаза, ферменти гліколізу, креатинфосфокіназа, аденілаткіназа,
кисеньдепонуючий білок міоглобін. В саркосомах містяться ферменти циклу
трикарбонових кислот, біологічного окислення й окисного фосфорилювання.
Білки міофібрил
До складу міофібрил входять такі білки:
1) до складу товстих ниток — білок міозин;
2) до складу тонких ниток — білки актин, тропоміозин, тропоніновий комплекс
(тропонін Т, тропонін I, тропонін С);
3) білок
αα
αα
α-актинін — компонент Z-лінії саркомерів; з цим білком сполучені кінці
F-актинових молекул тонких філаментів.
Т а б л и ц я 32.1. Білковий склад скелетного м’яза (за J.Musil та співавт., 1980, із змінами)
Міозин — фібрилярний білок, що утво-
рює товсті філаменти міофібрил. Молекула
міозину асиметрична, складається з двох
важких поліпептидних ланцюгів, що мають
конформацію
αα
αα
α-спіралі й закручені один
відносно одного; довжина молекули — 160 нм.
N-кінці важких ланцюгів утворюють гло-
булярні “голівки”, які нековалентними зв’яз-
ками сполучені з додатковими чотирма лег-
кими поліпептидними ланцюгами.
В умовах триптичного гідролізу міозин
розщеплюється на два фрагменти — меро-
міозини: легкий мероміозин — LMM (light
meromyosin — англ.) та важкий мероміо-
зин — HMM (heavy meromyosin — англ.).
Подальший гідроліз HMM папаїном спричи-
няє утворення двох ідентичних глобулярних
субфрагментів S1 (голівок міозину) і па-
личкоподібного субфрагмента S2 (рис. 32.3).
До складу голівок S1 входять каталітичні центри з АТФ-азною активністю і
центри для зв’язування з актином (при відсутності АТФ).
Білок М.м., кД Вміст, %
Міозин 460 55 – 60
Актин (G) 46 20 – 25
Тропоміозин 70 4 – 6
Комплекс тропоніну 76 4 – 6
TnT 37
TnI 24
TnC 18
α-Актинін
180 1 – 2
Інші (міоген) Суміш 5 – 10
Рис. 32.3. Будова молекули міозину.
S1 S1
S2
HMM
LMM
трипсин
папаїн
471Ãëàâà 32. Á³îõ³ì³ÿ ì’ÿç³â ³ ì’ÿçîâîãî ñêîðî÷åííÿ
Фібрилярні “хвости” молекул
міозину контактують між собою в
поздовжньому напрямку, утво-
рюючи товсті філаменти саркоме-
рів, до складу кожного з яких вхо-
дять близько 400 молекул міозину.
Глобулярні голівки виступають із
зовнішньої поверхні філамента
(рис. 32.4).
Актин — білок, що існує в
двох формах: G- та F-актин. G-
актин — глобулярний білок, що
має вигляд кулеподібних молекул
діаметром близько 5 нм. Молекули
G-актину (субодиниці) некова-
лентно сполучаються між собою,
утворюючи намистоподібні утво-
рення — ланцюги фібрилярного
F-актину.
У м’язових клітинах F-актин
представлений фібрилярними
структурами, що складаються з
двох ланцюгів, переплетених один
навколо одного (рис. 32.5):
F-актин складає основу будови
тонких ниток саркомерів. У складі
тонких ниток ланцюги F-актину
сполучені з тропоміозином і тро-
понінами.
Тропоміозин — білкові моле-
кули витягнутої форми, що склада-
ються з двох поліпептидних лан-
цюгів (
αα
αα
α та
ββ
ββ
β), які утворюють по-
двійну спіраль. Паличкоподібні
молекули тропоміозину (довжиною 40 нм і товщиною 2 нм) розміщуються в
борозенках між двома ланцюгами F-актину таким чином, що кожна молекула
тропоміозину контактує із сімома молекулами (субодиницями) G-актину.
Тропонін — білок тонких філаментів, що складається з трьох субодиниць:
TnT, TnI, TnC. Тропонінові комплекси мають глобулярну форму і розміщуються
впродовж актинового філамента з інтервалами в 38,5 нм, контактуючи з кінцями
молекул тропоміозину (рис. 32.6).
Найбільш вивченим компонентом тропонінового комплексу є TnC — кальцій-
зв’язуючий білок, близький за структурою і властивостями до кальмодуліну —
Рис. 32.4. Молекулярна організація товстого (міози-
нового) філамента.
0,1 мкм
54,6 Å
~365 Å
б
а
Рис. 32.5. Актиновий філамент: а — електронна мік-
рофотографія; б — схема утворення дво-
спіральних ланцюгів F-актину з G-актину.
472 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
універсального трансдуктора кальцієвих сигналів у біохімічних системах. Білок
TnI взаємодіє з актином, TnT — забезпечує взаємодію тропонінового комплексу
з тропоміозином.
32.2. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ М’ЯЗОВОГО СКОРОЧЕННЯ
В основу сучасного уявлення про механізми
м’язового скорочення покладено запропоновану
Г.Хакслі та іншими дослідниками модель ниток
(філаментів), що плавно переміщаються
(slide — англ.) впродовж одна одної (H.E.Hux-
ley, J.Hanson, A.F.Huxley, R.Niedergerke, 1954).
Головні постулати цієї моделі, що були підтвер-
джені біохімічними, біофізичними й електронно-
мікроскопічними дослідженнями:
– товсті (міозинові) та тонкі (актинові) фі-
ламенти міофібрил не змінюють своєї довжини
протягом м’язового скорочення;
– протягом м’язового скорочення зменшу-
ється довжина всього саркомера внаслідок зу-
стрічного руху та перекривання товстих і тон-
ких філаментів;
– скорочувальна сила генерується внаслідок
активної взаємодії одного типу філаментів з
іншим, сусіднім типом філаментів.
Рис. 32.6. Схема взаємодії тропоміозину (Tm) і тропонінів з актином: а — спіраль F-актину; б —
взаємодія Tm та тропонінів із субодиницями G-актину.
36 нм 5,5 нм
а
б
TnC
TnI
TnT
Актин Тропонін
Тропоміозин
AII
ZZ
120
100
85
60
Довжина, %
Рис. 32.7. Модель взаємного перемі-
щення філаментів у сарко-
мері (за H.E.Huxley та ін.).
473Ãëàâà 32. Á³îõ³ì³ÿ ì’ÿç³â ³ ì’ÿçîâîãî ñêîðî÷åííÿ
Схема, що ілюструє взаємний рух товс-
тих і тонких філаментів саркомера в процесі
м’язового скорочення, подана на рис. 32.7.
Було також встановлено, що м’язове
скорочення, в основі якого лежить перемі-
щення товстих і тонких філаментів, потре-
бує участі АТФ; циклічне перетворення
АТФ в АДФ є необхідною передумовою
як скорочення, так і розслаблення м’язів.
Гідроліз АТФ до АДФ та Ф
н
здійснюється
завдяки АТФ-азній активності глобуляр-
них голівок S1 міозину. Вперше наявність
АТФ-азної активності в міозині була
виявлена в 1939 р. російськими вченими
В.О. Енгельгардтом і М.М. Любимовою.
Залежна від АТФ взаємодія актину з
міозином, що призводить до взаємного
переміщення тонких і товстих філаментів
саркомера, відбувається наступним чином
(рис. 32.8):
A. У м’язі, що перебуває в стані спокою,
S1-голівки міозину не сполучені з актино-
вими філаментами. Продукти гідролізу
АТФ (АДФ та Ф
н
) зв’язані з міозином.
B. При збудженні м’яза S1-голівки зсу-
ваються в напрямку тонких філаментів і
сполучаються з нитками актину (G-cубоди-
ницями). Ф
н
вивільняється з комплексу з
міозином.
С. Вивільнення АДФ з комплексу з міо-
зином супроводжується конформаційним
зсувом у просторовому розташуванні го-
лівки S1, що зв’язана з актином (зміщен-
ням кута між голівкою і віссю міофібрили
з 90° на 45°). Зміна просторової орієнта-
ції S1-голівки міозину відносно нитки
актину призводить до розвитку напруги
і пересування тонкого філамента віднос-
но товстого приблизно на 100 А° (10 нм)
у напрямку середини саркомера.
D. Взаємодія з актином молекули АТФ супроводжується розривом зв’язку між
актином і міозином. S1-голівка знову віддаляється від тонкого філамента.
Е. АТФ, що вивільнився, гідролізується до АДФ та Ф
н
, завдяки АТФ-азній
активності вільних голівок міозину. Продукти гідролізу знову сполучаються з
актином. Актинові та міозинові філаменти готові до нового циклу взаємодії та
пересування.
Thin filament
S1
S2
A
B
C
D
E
Рис. 32.8. Схема молекулярних механізмів
м’язового скорочення (за L.Stryer,
1995, із змінами).
Thick filament
474 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Регуляція скорочення скелетних м’язів
Загальна схема м’язового скорочення, що полягає у взаємному переміщенні
актинових і міозинових філаментів, стосується усіх типів м’язів. Разом з тим, біо-
хімічні механізми включення процесу та регуляція скорочення і розслаблення
суттєво відрізняються в скелетному і серцевому м’язах (з одного боку) та гладень-
кому — з іншого.
Ініціація м’язового скорочення — процес, що включається генерацією потен-
ціалу дії на сарколемі внаслідок хімічного сигналу, який надходить із нервово-
м’язового синапсу (наприклад, при вивільненні холінергічним нейроном ацетил-
холіну і взаємодії медіатора з локалізованим у сарколемі холіновим рецептором).
Головним біохімічним регулятором скорочення та розслаблення м’язів є зміни
цитозольної концентрації іонів Са
2+
, яка в стані спокою (розслаблення) становить
близько 10
–8
-10
–7
моль/л. Поширення потенціалу дії з сарколеми на трубочки Т-сис-
теми, що контактують із мембранами саркоплазматичного ретикулума, спричи-
няє вихід Са
2+
з канальців СР, які відіграють роль депо Са
2+
в міоцитах (у комплексі
з білком секвестрином). Внаслідок цих процесів концентрація Са
2+
в саркоплазмі
досягає 10
–5
моль/л, що ініціює молекулярні процеси, які є м’язовим скороченням.
Тропоміозин-тропонінова система як регулятор скорочення
Взаємодія між голівками міозину й актином за-
лежить від просторового розташування в тонких
(актинових) філаментах тропоміозину. Просторове
переміщення молекул тропоміозину, що стерично
вивільняє або закриває сайти зв’язування S1-голі-
вок міозину з G-субодиницями актину, може відбу-
ватися за механізмом, схематично зображеним на
рис. 32.9.
У свою чергу, просторові (конформаційні) зсуви
молекул тропоміозину ініціюються конформацій-
ними змінами в тропоніновій системі, які спри-
чиняються змінами в концентрації Са
2+
.
Збільшення концентрації вільного Са
2+
призво-
дить до активації Са-залежного компонента тропо-
нінової системи — TnC, що через зміну конфор-
мації останнього передає хімічний сигнал на інші
компоненти тропонінової системи — TnI та TnT,
який контролює просторове розташування тропоміозину. Внаслідок цих молеку-
лярних подій тропоміозин звільняє ділянки взаємодії між актином і S1-голівками
міозину, що включає цикл скорочення міофібрил.
Послідовність потоку хімічної інформації, що призводить до скорочення ске-
летних м’язів, можна подати як:
Са
2+
тропонін тропоміозин актин міозин
Рис. 32.9. Просторове зміщення
молекул тропоміозину
(Tm), що впливає на
можливість взаємодії S1-
голівок міозину з
актином (А) ( вигляд у
розрізі).
A
A
S1
S1
Tm
Tm
475Ãëàâà 32. Á³îõ³ì³ÿ ì’ÿç³â ³ ì’ÿçîâîãî ñêîðî÷åííÿ
Зменшення концентрації Са
2+
у саркоплазмі відбувається внаслідок його
закачування в канальці саркоплазматичного ретикулума, що відбувається внаслі-
док дії кальцієвого насоса — Са
2+
-АТФази мембран СР. В цих умовах виключа-
ється активація тропонінового комплексу, тропоміозин переходить у положення,
яке блокує взаємодію міозинових голівок з актиновими філаментами. М’яз
переходить у розслаблений стан.
Цикл АТФ-АДФ у регуляції скорочення
Як випливає з розглянутого вище механізму, необхідною передумовою готов-
ності м’яза до скорочення є АТФ-азна реакція гідролізу АТФ, що постачає АДФ
і Ф
н
. Тільки в комплексі з АДФ та Ф
н
S1-голівки міозину готові до скорочення
(стан А та Е на рис. 32.8) і “чекають” хімічного сигналу для взаємодії з актиновими
філаментами.
З іншого боку, дисоціація зв’язку між міозиновими й актиновими філаментами
(тобто повернення м’яза в стан розслаблення) залежить від наявності АТФ, який
взаємодіє з S1-голівками міозину, переводячи м’яз у стан розслаблення (етап С–D).
В умовах зменшення концентрації АТФ у міоцитах (пошкодження біоенерге-
тичних процесів, гіпоксія) переважна більшість S1-голівок міозину залишаються
сполученими з актином — розвивається ригідність м’язів, крайнім проявом якої
є трупне задубіння.
Скорочення гладеньких м’язів
Включення процесу скорочення в гладеньких м’язах також ініціюється каль-
цієм, проте механізми його впливу на функціонування актин-міозинової системи
суттєво відрізняються від розглянутих.
Регуляція циклу скорочення-розслаблення в гладеньких м’язах реалізу-
ється за рахунок зворотного фосфорилювання-дефосфорилювання легких
ланцюгів молекул міозину.
Фосфорилювання міозину в гладеньких м’язах відбувається при дії Са-залеж-
ного ферменту кінази легких ланцюгів (КЛЛ) міозину (за рахунок макроергічних
фосфатів АТФ), дефосфорилювання — ферменту протеїнфосфатази легких
ланцюгів.
Біохімічна послідовність реакцій:
1. Збільшення внутрішньоклітинної концентрації Са
2+
(за рахунок входу з
екстрацелюлярного простору та вивільнення з клітинних депо).
2. Взаємодія Са
2+
з кальмодуліном (КМ) (з утворенням комплексу КМ-4Са
2+
).
3. Активація комплексом КМ-4Са
2+
ферменту КЛЛ.
4. Фосфорилювання легких ланцюгів у голівках молекул міозину (p-ланцюгів).
Внаслідок фосфорилювання p-ланцюгів голівки міозину стають здатними до
взаємодії з актином.
5. Зв’язування міозинових голівок з молекулами актину в тонких філаментах —
запуск циклу скорочення м’яза.
Розслаблення гладенького м’яза відбувається в умовах зниження концентрації
Са
2+
, що спричиняє зупинення механізму активації КЛЛ; дефосфорилювання
476 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
легких ланцюгів трансформує міозинові голівки в молекулярний стан, в якому
вони неспроможні взаємодіяти з актином.
32.3. БІОЕНЕРГЕТИКА М’ЯЗОВОЇ ТКАНИНИ
Скелетний м’яз, що працює з максимальною активністю, потребує затрат
значної кількості енергії у формі АТФ, до того ж перехід від стану фізіологічного
спокою до функції відбувається за долі секунд.
Ефективне перетворення енергії АТФ у механічну енергію м’язового скоро-
чення потребує постійного забезпечення актин-міозинової системи джерелами
хімічної енергії.
Джерела АТФ у м’язах
1. Глікогеноліз, який постачає глюкозо-6-фосфат, що окислюється гліколітич-
ним шляхом за аеробним чи анаеробним механізмом.
Функціонування цього джерела АТФ особливо виражене в білих м’язах (див.
нижче) і використовує резерви глікогену, що міститься в гранулах, які примикають
до I-дисків.
2. Окислення глюкози, яка надходить у м’язи з крові.
3. Окисне фосфорилювання в саркосомах — процес, що має найбільше зна-
чення у збагачених мітохондріями аеробних червоних м’язах.
4. Аденілаткіназна реакція:
2 АДФ
АТФ + АМФ
Зазначена реакція, що каталізується аденілаткіназою, має подвійне значення:
– служить як резервний механізм швидкого утворення АТФ;
– утворює АМФ, який є алостеричним активатором фосфофруктокінази, що
призводить до прискорення реакцій гліколізу.
5. Креатинфосфокіназна (креатинкіназна) реакція:
Генерація АТФ із креатинфосфату є найбільш швидким механізмом утворен-
ня АТФ, необхідного для термінового включення процесу м’язового скорочення.
За рахунок дії креатинфосфокіназного (КФК) механізму можливе забезпечення
інтенсивної роботи м’язів протягом 2-5 с — періоду, що необхідний для підклю-
чення інших біоенергетичних механізмів.
Креатинфосфат Креатин
NH
CNH
NCH
3
CH
2
COOH
+ АДФ
NH
CNH
2
NCH
3
CH
2
COOH
+ АТФ
~ PO
3
H
2
477Ãëàâà 32. Á³îõ³ì³ÿ ì’ÿç³â ³ ì’ÿçîâîãî ñêîðî÷åííÿ
У період розслаблення м’язів відбувається ресинтез креатинфосфату за рахунок
зворотної течії креатинкіназної реакції.
При ушкодженні скелетного або серцевого м’яза (інфаркт міокарда тощо) фер-
мент КФК виходить через плазматичні мембрани міоцитів у кров, що використо-
вується для діагностики некротичних процесів у м’язовій тканині.
Червоні та білі м’язи
Відповідно до певних ультраструктурних і метаболічних особливостей, скелетні
м’язи поділяють на два типи:
– червоні (повільні) скелетні м’язи;
– білі (швидкі) скелетні м’язи.
Червоні м’язи — тип м’язів, що добре забезпечуються кров’ю та містять багато
міоглобіну — О
2
-зв’язуючого білка який утворює резерви кисню в м’язових
клітинах. В червоних м’язах багато мітохондрій, і вони мають високу здатність
до окислювальних процесів, використовуючи як субстрат глюкозу, жирні кислоти,
кетонові тіла. Цей тип м’язів найбільш пристосований до довготривалої фізичної
роботи, але включення енергетичних резервів у них відбувається повільно.
Білі м’язи — тип м’язів, що містять невелику кількість мітохондрій; завдяки
високій активності глікогенфосфорилази та гліколітичних ферментів вони в біль-
шій мірі пристосовані до отримання енергії при анаеробному розщепленні гліко-
гену. За рахунок анаеробного глікогенолізу та гліколізу білі м’язи більш швидко,
ніж червоні, переходять до максимальної активності з високою частотою скоро-
чень, але швидше втомлюються.
Багато видів тварин мають окремо зазначені типи м’язів. У скелетних м’язах
людини зустрічаються як червоні, так і білі м’язові волокна.
Особливості біоенергетичних процесів у міокарді
Міокард за своєю структурою та біохімічними властивостями є близьким до
смугастих м’язів, зокрема до червоної скелетної мускулатури.
Особливістю енергетичного обміну в міокарді є майже повністю аеробний
характер, що зумовлює його високу чутливість до порушень у постачанні кисню,
зокрема за рахунок звужень у коронарних артеріях. Як субстрат біологічного
окислення міокард використовує здебільшого жирні кислоти, на окислення яких
витрачається близько 70 % О
2
, що споживає серцевий м’яз (А.Я. Николаєв, 1998).
Частка жирних кислот у забезпеченні міокарда АТФ дещо зменшується після
споживання їжі, а також в умовах фізичного навантаження; в зазначених умовах
зростає окислення глюкози та молочної кислоти, відповідно.
Регуляція м’язового скорочення в міокарді відбувається за механізмами, близь-
кими до скелетних м’язів. Проте, на відміну від скелетних м’язів, головним джере-
лом Са
2+
для його скорочення є екстрацелюлярний кальцій, що при збудженні
міокарда надходить через плазматичні мембрани.
478 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
ГЛАВА 33. БІОХІМІЯ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ.
МОЛЕКУЛЯРНА ПСИХОБІОЛОГІЯ
Мозок людини є найбільш складною інформаційною системою, що існує в
живій і неживій природі.
Нейрохімія як галузь науки, що вивчає хімічний склад і біохімічні процеси, які
відбуваються в нервових структурах різного ступеня складності, нараховує близько
ста років, починаючи з класичних розробок Тудихума (J.Thudichum) (Німеччина)
та О.Я.Данілевського (Росія). Значний внесок у вивчення хімічного складу голов-
ного мозку й особливостей обміну речовин у нервовій тканині зроблено видатним
українським ученим О.В. Паладіним (1885-1972) і його науковою школою.
Разом з тим, перші реальні успіхи в розумінні молекулярних механізмів функ-
ціонування нервової системи, і головного мозку зокрема, були досягнуті лише в
останні 10-20 років завдяки дослідженням кращих біохімічних і нейрофізіоло-
гічних лабораторій світу. Ці досягнення стосуються, головним чином, біохімії та
молекулярної біології нейромедіаторів, структури і біофізичних властивостей
іонних каналів та іонних насосів, тобто процесів, які складають основу генерації
електричних потенціалів та передачі інформації в нейронних сітках. Разом з тим,
цілий ряд фундаментальних проблем молекулярної психобіології, а саме нейро-
хімічних механізмів мислення, пам’яті, емоцій, залишаються значною мірою terra
incognita.
До принципових труднощів у вивченні біохімічних засад функціонування
нервової тканини взагалі і головного мозку вищих організмів, зокрема, належить
значна різноманітність клітинного складу морфофункціональних структур нер-
вової системи.
За оцінками, що існують у науковій літературі, мозок людини містить близько
10
10
-10
11
нейронів, що приблизно відповідає кількості зірок у нашій Галактиці,
до того ж окремі нейрони та їх групи значною мірою відрізняються як за морфо-
логічними ознаками, так і за складом медіаторів, які вони продукують. Враховую-
чи кількість контактів кожного нейрона за допомогою аксонів і дендритів, загальна
кількість міжнейрональних синапсів у головному мозку людини досягає
10
13
-10
14
. Крім нейронів, нервова тканина містить клітинні елементи сполучнотка-
нинного походження, що, за існуючими уявленнями, виконують трофічну й
опорну функції — нейроглію та мікроглію. Нейрони згуртовані переважно в сірій
речовині головного мозку (60-65 % її клітинного складу), тоді як біла речовина
складається з елементів нейроглії та мієліну — специфічної мембранної структури,
що є похідним швановських клітин, які обгортають аксони нейронів.
33.1. ОСОБЛИВОСТІ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ТА
МЕТАБОЛІЗМУ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ
Хімічний склад головного мозку
Загальний хімічний склад головного мозку позначається наявністю білків
(близько 8 % загальної маси тканин), значною кількістю ліпідів (10-12 %),
479Ãëàâà 33. Á³îõ³ì³ÿ íåðâîâî¿ ñèñòåìè
вуглеводів (близько 1 %), інших низькомолекулярних біомолекул, неорганічних
солей і води (77-78 %).
Ліпіди нервової тканини
Своєрідність хімічного складу нервової тканини і головного мозку полягає у
надзвичайно високому вмісті ліпідів різноманітної хімічної структури. Сума ліпі-
дів різних класів складає в середньому близько половини сухої маси тканини
головного мозку.
Особливостями хімічного складу ліпідів головного мозку є переважання склад-
них полярних ліпідів (фосфогліцеридів, сфінголіпідів, гліколіпідів) і холестерину
при незначній кількості нейтральних жирів (триацилгліцеролів). До того ж вміст
ліпідів у білій речовині головного мозку значно вищий, ніж у сірій речовині, що
пояснюється наявністю в останній структурі значної кількості мієлінових
оболонок нервів — таблиця 33.1:
Т а б л и ц я 33.1. Вміст ліпідів різних класів у головному мозку (середні значення, % від сухої
маси тканини)
Переважання в складі різних відділів головного мозку полярних ліпідів пояс-
нюється значною кількістю мебранних структур, що виконують спеціальні функ-
ції, пов’язані з генерацією нейронного потенціалу, проведенням нервового імпуль-
су та його синаптичною передачею — тобто плазматичних мембран тіл нейронів
і аксонів, спеціалізованих мембран нервових закінчень і синаптичних везикул.
Білки головного мозку
Білковий склад головного мозку відзначається різноманітністю спектра, який
включає білки з різними біохімічними й функціональними властивостями,
зокрема білки-ферменти, регуляторні та структурні білки. Серед білків головного
мозку виділяють нейроальбуміни, нейроглобуліни та нейросклеропротеїни, що
розрізняються за своїми фізико-хімічними властивостями і є фракціями, до складу
яких входять десятки індивідуальних білків і поліпептидів. Пептиди нервової
тканини, що виконують медіаторні функції (нейропептиди), будуть розглянуті
нижче.
Особливістю біохімічного складу головного мозку є також наявність високої
концентрації вільних амінокислот, переважну більшість яких (до 75 % загальної
кількості) складають дикарбонові амінокислоти та їх похідні: аспартат, глутамат,
глутамін, 4-амінобутират, N-ацетиласпартат.
Фракція ліпідів Сіра речовина Біла речовина
Загальна кількість 35,1 61,2
Фосфоліпіди:
всього
24,6 42,5
в тому числі:
фосфогліцериди 18,6 22,8
сфінголіпіди(сфінгомієліни) 1,8 3,7
гліколіпіди(цереброзиди) 4,2 16,0
Холестерин 5,1 13,8
480 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
Метаболізм головного мозку
Енергетичний обмін у головному мозку
Біоенергетика мозку характеризується значною залежністю від постачання
киснем, який використовується переважно на аеробне окислення глюкози. Хоча
маса головного мозку становить близько 2 % маси тіла, поглинання О
2
тканиною
головного мозку становить у дорослої людини в умовах спокою 20-25 % від загаль-
них потреб організму, а в дітей до чотирьох років — до 50 %. Таким чином,
газообмін у головному мозку значно вищий, ніж в інших тканинах, і перевищує
газообмін, наприклад, у м’язовій тканині в 20 разів.
Основним споживачем метаболічної енергії в головному мозку, що викори-
стовується у формі АТФ, є процес генерації нервового потенціалу на мембрані
нейронів, який вимагає постійного функціонування натрієвого насоса —
мембранної Na
+
, K
+
-АТФази.
Головною особливістю енергетичного обміну головного мозку є значне
переважання рівня використання глюкози над іншими субстратами енерге-
тичного обміну. На відміну від клітин інших тканин, що здатні використовувати
різні джерела метаболічного палива, нейрони в нормальних фізіологічних умовах
споживають як енергетичний субстрат переважно глюкозу, що надходить із крові.
Перехід клітин головного мозку на окислення ацетоацетату спостерігається лише
в умовах голодування та виснажливої фізичної роботи.
Резерви глікогену в організмі є обмеженими (глава 13), і порушення спо-
живання глюкози та О
2
головним мозком в умовах гіпоглюкоземії вже через
декілька хвилин призводить до глибоких порушень обміну речовин і розвитку
коматозного стану.
У тканині головного мозку в реакції гідролітичного дезамінування АМФ
постійно утворюється вільний аміак, який знешкоджується шляхом взаємодії з
глутаматом, утворюючи глутамін, що виходить у кров.
33.2. НЕЙРОМЕДІАТОРИ. РЕЦЕПТОРИ ДЛЯ
НЕЙРОМЕДІАТОРІВ І ФІЗІОЛОГІЧНО АКТИВНИХ
СПОЛУК
Нейромедіатори (нейротрансмітери) — біомолекули, які забезпечують
передавання імпульсів (хімічних сигналів) у нервовій системі з одного нейрона
на інший, а також з нейрона на ефекторний орган.
За хімічною природою нейромедіатори поділяють на такі сполуки (F.Hucho,
1986): ацетилхолін, біогенні аміни (катехоламіни — норадреналін, дофамін, серо-
тонін), амінокислоти та їх похідні (
γγ
γγ
γ-аміномасляна кислота — ГАМК, гліцин,
глутамат, аспартат), пептиди — нейропептиди (ендорфіни, енкефаліни, сполука
P тощо). Медіаторні функції в нервовій системі можуть також виконувати пролін,
таурин,
ββ
ββ
β-аланін, аденозин, простагландини.
Рецептори нейромедіаторів — мембранні білки (здебільшого — глікопро-
теїни), що локалізовані в постсинаптичних мембранах нейронів або плазматичних
мембранах клітин ефекторних органів і здатні до зв’язування фізіологічних
481Ãëàâà 33. Á³îõ³ì³ÿ íåðâîâî¿ ñèñòåìè
ефекторів (нейромедіаторів, різних ФАС, психотропних сполук) і передавання
зовнішньоклітинного хімічного сигналу всередину нейрона.
За принципами молекулярної організації та функціонування, рецептори нейро-
медіаторів — це, здебільшого, іонотропні рецептори (рецептори І класу), тобто
такі, що контролюють відкриття іонних каналів на мембрані для Са
2+
, Na
+
і К
+
; в
ролі первинних ефекторів, що передають хімічний сигнал на нервову клітину, в
цьому разі виступають компоненти іонних каналів (глава 23). Крім того, в фізіо-
логічних ефектах деяких нейромедіаторів та нейромодуляторів (зокрема, нейро-
пептидів головного мозку, ацетилхоліну та деяких біогенних амінів) беруть участь
і метаботропні рецептори (рецептори II класу), які активують внутрішньо-
клітинні біохімічні системи шляхом утворення цАМФ або цГМФ, включенням
фосфоінозитидної системи та/або збільшенням цитозольної концентрації іонів
Са
2+
. Крім нейромедіаторів, із зазначеними типами рецепторів можуть взаємодіяти
численні лікарські засоби, нейротоксини, що активують (агоністи) або гальмують,
блокують (антагоністи) або модулюють біохімічні, нейрофізіологічні та психо-
логічні (поведінкові) ефекти, опосередковані збудженням специфічних рецепторів
певних зон головного мозку.
Характеристика окремих нейромедіаторів
Ацетилхолін — похідне холіну й оцтової кислоти, є найбільш поширеним
нейромедіатором. Його синтез і розщеплення відбуваються в холінергічних
центрах (структурах) центральної та периферичної нервової системи. В син-
тезі ацетилхоліну бере участь фермент холінацетилтрансфераза:
Подібно до інших нейромедіа-
торів (зокрема, катехоламінів),
синтез ацетилхоліну відбувається
в нервових закінченнях, а збере-
ження — в спеціальних синаптич-
них везикулах. Вивільнення медіа-
тора в синаптичну щілину відбува-
ється внаслідок збудження нейрона
дискретними порціями (“кван-
тами”) за механізмом екзоцитозу
синаптичних везикул. Безпосеред-
нім біохімічним сигналом, що ак-
тивує процеси виходу ацетил-
холіну через пресинаптичну
(CH
3
)
3
N
+
CH
2
CH
2
OH + CH
3
C ~ S – KoA
O
(CH
3
)
3
N
+
CH
2
CH
2
OC
O
CH
3
+ HS – KoA
Холін Ацетил–КоА
Ацетилхолін
AX
AX
AX
AX
XP
XP XP
AX AX AX
AX
AX
AX
A + X
Ca
2+
Рис. 33.1. Схема будови холінергічного синапсу.
482 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
мембрану, є підвищення всередині нервового закінчення іонів Са
2+
. Ацетил-
холін, що вивільнився, реагує з рецепторними структурами постсинаптичної
мембрани — холінорецепторами (ХР) (рис. 33.1).
Розщеплення медіа-
тора в синаптичній
щілині здійснюється
ферментом ацетил-
холінестеразою (АХ-
естеразою).
Залежно від молекулярної будови, фізіологічних і фармакологічних власти-
востей, зокрема вибіркової (селективної) чутливості до специфічних агоністів і
антагоністів, виділяють два основні типи (та декілька субтипів) холінергічних
рецепторів:
– м-холінорецептори (м-ХР) — такі, що вибірково збуджуються токсином
грибів мускарином;
– н-холінорецептори (н-ХР) — такі, що вибірково збуджуються алкалоїдом
тютюну — нікотином.
м-ХР локалізовані в постсинаптичних мембранах клітин ефекторних органів
та в ділянках закінчень парасимпатичних нервових волокон. Ці рецептори нале-
жать до метаботропного типу. Внутрішньоклітинні ефекти їх збудження реалізу-
ються за рахунок підвищення цитозольної концентрації Са
2+
, який активує Са
2+
-
залежну гуанілатциклазу, що призводить до генерації цГМФ, яка опосередковує
дію агоністів м-ХР на цГМФ-залежні біохімічні системи відповідних мішеней.
н-ХР локалізовані в постсинаптичних мембранах гангліонарних клітин, що
контактують із закінченнями парасимпатичних і симпатичних прегангліонарних
волокон. Це рецептори іонотропного типу,
стимуляція яких ацетилхоліном, нікотином та
іншими агоністами супроводжується зростан-
ням проникності клітинних мембран (н-холі-
нергічних синапсів нервової системи, нервово-
м’язової платівки) до іонів Са
2+
, Na
+
та K
+
.
Такий ефект активації н-ХР зумовлений їх
внутрішньомембранною організацією, яка є
надмолекулярним комплексом з п’яти білкових
субодиниць (
αα
αα
α
2
,
ββ
ββ
β,
γγ
γγ
γ,
δδ
δδ
δ), що оточують іонний
канал, який пронизує ліпідний бішар мемб-
рани (рис. 33.2).
Важливе фармакологічне й токсикологічне значення мають фізіологічно
активні сполуки, що є інгібіторами АХ-естерази, спричиняючи значне підвищення
концентрації нейромедіатора як в структурах центральної нервової системи, так
і в організмі в цілому.
Рис. 33.2. Модель внутрішньомемб-
ранної організації н-холіно-
рецептора.
αα
αα
α
ββ
ββ
β
γγ
γγ
γ
δδ
δδ
δ
αα
αα
α
5 нм
1,5 нм
Ацетилхолін
Холін
Оцтова
кислота
(CH
3
)
3
N+ CH
2
CH
2
OC
O
CH
3
+ H
2
O
(CH
3
)
3
N+ CH
2
CH
2
OH
C
O
CH
3
+
OH
483Ãëàâà 33. Á³îõ³ì³ÿ íåðâîâî¿ ñèñòåìè
Зворотні інгібітори АХ-естерази — сполуки, які застосовуються в медичній
практиці з метою збільшення активності холінергічної імпульсації, порушеної
при певних неврологічних захворюваннях (міастенії тощо), атонії кишечника,
сечового міхура. Із зазначеною метою застосовуються такі препарати: Прозерин,
Фізостигмін, Галантамін.
Незворотні інгібітори АХ-естерази — сполуки, що є потужними нервовими
отрутами, які спричиняють різке збудження нервової системи із судомами, пору-
шенням функцій серцево-судинної, гастро-інтестинальної та інших фізіологічних
систем організму. Найбільш поширеними незворотніми інгібіторами АХ-естерази
є фосфорорганічні сполуки (ФОС), які сполучаються ковалентним зв’язком із
гідроксильною групою серину в активному центрі ферменту, протидіючи таким
чином його взаємодії з субстратом (глава 7).
ФОС знайшли надзвичайно широке застосування в сільському господарстві
та побуті як пестициди для боротьби зі шкідливими комахами — хлорофос, дихло-
фос, метафос, карбофос тощо. Спрямований синтез ФОС, які є високоток-
сичними для теплокровних тварин, призвів до створення нервово-паралітичних
отрут, що були прийняті на озброєння військовими силами багатьох країн як бойові
отруйні речовини (БОР). Найбільш відомими БОР із класу фосфорорганічних
сполук є такі речовини, як табун, зарин, зоман.
Норадреналін — біогенний амін, що разом із адреналіном і дофаміном нале-
жить до катехоламінів. На відміну від адреналіну, який проявляє, в основному,
гормональну активність, норадреналін є медіатором, що відіграє трансмітерну
роль в адренергічних синапсах центральної та периферичної нервової системи.
У головному мозку людини норадренергічні нейрони знаходяться, переважно,
в зонах блакитної плями (Locus coeruleus), гіпокампу та значній частині кори
мозку. Функціональну роль норадреналіну як одного з основних медіаторів цент-
ральної нервової системи пов’язують із підтриманням рівня активності нервово-
психічних реакцій, формуванням когнітивних та адаптивних процесів.
Адренорецептори широко розповсюджені як у нервовій системі, так і в інших
органах і тканинах. Існують декілька підтипів адренорецепторів:
αα
αα
α
1
,
αα
αα
α
2
,
ββ
ββ
β
1
та
ββ
ββ
β
2
,
що розрізняються за своїми біохімічними, фізіологічними та фармакологічними
властивостями.
Взаємодія лігандів (норадреналіну, адреналіну тощо) із
ββ
ββ
β-адренорецепторами
(
ββ
ββ
β
1
- та
ββ
ββ
β
2
-) супроводжується активацією аденілатциклази, збільшенням внут-
рішньоклітинної концентрації цАМФ і через систему цАМФ-залежних протеїн-
кіназ — стимуляцією відповідних метаболічних процесів та фізіологічних функ-
цій клітини; прикладом таких реакцій є стимуляція адреналіном глікогенолізу в
печінці та м’язах і ліполізу в жировій тканині.
На відміну від
ββ
ββ
β-адренорецепторів, стимуляція різних підтипів
αα
αα
α-адрено-
рецепторів включає принципово інші молекулярні механізми:
– стимуляція
αα
αα
α
1
-адренорецептрів підвищує цитозольну концентрацію іонів
Са
2+
за рахунок його транспорту всередину клітин і вивільнення з внутрішніх
депо, що призводить до активації Са-залежних реакцій клітини;
484 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
– стимуляція
αα
αα
α
2
-адренорецепторів шляхом взаємодії ліганд-рецепторного
комплексу з трансдукуючим інгібіторним білком мембрани (N
i
) супроводжується
гальмуванням активності аденілатциклази і відповідною перебудовою цАМФ-
залежних біохімічних процесів.
У центральній нервовій системі адренорецептори локалізовані як на постси-
наптичних мембранах (
αα
αα
α
1
-адренорецептори), забезпечуючи передачу нервового
сигналу на нейрон або ефекторний орган, так і на пресинаптичних мембранах
(переважно
αα
αα
α
2
-адренорецептори), гальмуючи за негативним зворотним зв’язком
вивільнення норадреналіну в синаптичну щілину.
Норадреналін має складні біохімічні та функціональні зв’язки на пре- та пост-
синаптичному рівнях з іншими нейромедіаторами та модуляторами функцій
центральної нервової системи — ацетилхоліном, серотоніном, дофаміном, нейро-
пептидами тощо.
Дофамін — катехоламін із медіаторними властивостями, що виконує ряд важ-
ливих фізіологічних функцій у центральній і периферичній нервовій системі.
Дофамін має слабку симпатоміметичну активність і бере участь у регуляції пове-
дінки, рухової сфери, діяльності серцево-судинної системи, кишечника, нирок.
Дофамінові рецептори
Розрізняють декілька типів (D
1
, D
2
, D
3
, D
4
) та субтипів дофамінових рецепторів,
що розрізняються чутливістю до лігандів та характером біохімічних і фізіологіч-
них реакцій клітин, які настають після їх активації.
Активація D
1
-рецепторів супроводжується збільшенням активності дофамін-
чутливої аденілатциклази з наступним включенням цАМФ-залежного каскаду
біохімічних реакцій.
Активація D
2
-рецепторів призводить до зменшення активності аденілатцик-
лази, внутрішньоклітинної концентрації кальцію та пригнічення відповідних
цАМФ- і Са-залежних метаболічних і фізіологічних процесів.
Із порушенням обміну дофаміну та функцій дофамінових рецепторів пов’язані
розвиток шизофренії, алкоголізму, депресивних станів, хвороби Паркінсона та
інших екстрапірамідних порушень. На функціонування дофамінергічних структур
головного мозку людини впливають численні психотропні та нейротропні лікарські
засоби, що отримали широке застосування в клінічній практиці.
Серотонін — біогенний амін, що є похідним триптофану (5-окситриптамін,
5-hydroxytryptamine — 5-HT). Серотонін має надзвичайно широкий спектр
біологічної активності відносно до центральної, периферичної нервової системи,
інших органів і тканин.
У центральній нервовій системі людини серотонін виконує функції медіатора
для спеціальних серотонінергічних нейронів і модулятора дії інших нейротранс-
мітерів. Рецептори серотоніну розподіляються на окремі типи: 5-НТ
1
, 5-НТ
2
, 5-НТ
3
,
5-НТ
4
та підтипи (зокрема, 5-НТ
1А
, 5-НТ
1В
, 5-НТ
1С
), які диференціюються за
чутливістю до агоністів і антагоністів. Серотонінові рецептори належать до II
класу (метаботропних), але розрізняються за характером біохімічних реакцій,
що супроводжують їх стимуляцію:
485Ãëàâà 33. Á³îõ³ì³ÿ íåðâîâî¿ ñèñòåìè
– збудження 5-НТ
1
-рецепторів призводить (через GTP-зв’язуючий N-білок
трансдуктор) до активації серотонін-чутливої аденілатциклази і зростання рівня
цАМФ;
– збудження 5-НТ
2
-рецепторів супроводжується зростанням у цитозолі кон-
центрації іонів кальцію (за рахунок їх вивільнення з внутрішньоклітинних депо)
та активацією Са-залежних біохімічних процесів.
Фізіологічна роль серотоніну в головному мозку людини розглядається в зв’яз-
ку з регуляцією таких психоемоційних реакцій, як тривога, неспокій, агресивність,
імпульсивні потяги, сексуальна поведінка, контролем циклів фізіологічного сну
тощо, що дозволило визначити серотонін як “нейромедіатор гарного самопочуття”.
Порушення обміну серотоніну та функцій серотонінових рецепторів вплива-
ють на патогенез депресивних і неспокійних станів, шизофренії, алкоголізму,
наркоманій. Так, зокрема, дефіцит серотоніну в головному мозку та спинномоз-
ковій рідині виявлений у хворих із важкими станами депресії, що здійснювали
суїцидальні акти (самогубства) (H.I.Kaplan, B.J.Sadock, 1994). Потяг до етилового
алкоголю в експериментальних щурів залежить від функції серотонінових рецеп-
торів, локалізованих у лімбічній системі. ФАС, що впливають на серотонінергічну
передачу імпульсів, зокрема інгібітори зворотного синаптичного захоплення
(реаптейку — reuptake, англ.) 5-HT зменшують споживання експериментальними
тваринами алкоголю (W.Kostowski, 1995). Відповідно до зазначеного, модуляція
фізіологічних і біохімічних ефектів серотоніну є основою фармакологічних ефек-
тів багатьох психотропних і нейротропних препаратів.
Нейромедіатори — амінокислоти та їх похідні
Амінокислотні нейромедіатори поділяють на два класи:
1) збуджувальні кислі амінокислоти;
2) гальмівні нейтральні амінокислоти.
Збуджувальні амінокислоти
До амінокислот із властивостями нейромедіаторів належать “збуджувальні
амінокислоти” — L-глутамат і L-аспартат, обміну яких надається серйозна увага
в патології нервової системи, патопсихології та психофармакології. Встановлена
наявність у клітинах головного мозку як іонотропних, так і метаботропних
рецепторів збуджувальних амінокислот.
Іонотропні рецептори збуджувальних амінокислот поділяють на такі підкласи:
– рецептори, що активуються, крім глутамату й аспартату, також NMDA
(N-метил-D-аспартатом) — NMDA-рецептори;
– рецептори, що активуються глутаматом, а також AMPA (DL-
αα
αα
α-аміно-3-
гідрокси-5-метил-4-ізоксалонопропіоновою кислотою) та каїнатом — AMPA/
каїнатні рецептори.
Активація NMDA-рецепторів призводить до надходження в клітину екстра-
целюлярного кальцію шляхом відкриття кальцієвих каналів.
Активація AMPA/каїнатних рецепторів супроводжується деполяризацією
мембран нейронів за рахунок відкриття Na
+
-каналів; ця деполяризація, в свою
486 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
чергу, призводить до відкриття потенціал-залежних Ca
2+
-каналів і збільшення
внутрішньоклітинної концентрації Са
2+
.
Метаботропні рецептори збуджувальних амінокислот активуються глута-
матом. Активація рецепторів цього типу призводить через G-білок-трансдуктор
до стимуляції обміну фосфоінозитидів та утворення інозитолтрифосфату (Ca
2+
) і
діацилгліцеролу — внутрішньоклітинних месенджерів, що призводять до росту
концентрації Ca
2+
i за рахунок його мобілізації з внутрішньоклітинних депо.
Надходження в постсинаптичний нейрон Ca
2+
внаслідок збудження іонотроп-
них (NMDA- або AMPA/каїнатних) рецепторів спричиняє довготривалу потенціа-
цію міжнейронної передачі, що створює нейрофізіологічні передумови для проце-
сів навчання, пам’яті, становлення індивідуальних форм поведінки.
Модуляції системи рецепторів збуджувальних амінокислот надається значна
роль у розумінні біохімічних механізмів дії антипаркінсоничних, антиепілептич-
них, міорелаксантних лікарських засобів.
Гальмівні амінокислоти
До цього класу нейромедіаторів належать
γγ
γγ
γ-аміномасляна кислота — ГАМК
(
γγ
γγ
γ-амінобутират; 4-амінобутират), гліцин, таурин,
ββ
ββ
β-аланін.
Найбільш вивченим гальмівним нейромедіатором є ГАМК. Ця амінокислота,
взаємодіючи з відповідними селективними рецепторами (ГАМК-рецепторами),
пригнічує міжнейронну передачу нервових імпульсів. Біохімічний механізм галь-
мівної дії ГАМК полягає в активації входу через мембрану нейронів іонів Cl–,
що відбувається внаслідок взаємодії ГАМК із хлорними каналами мембрани.
Відповідно до зазначених нейрофізіологічних властивостей ГАМК, агоністи
ГАМК-рецепторів та сполуки, що потенціюють гальмівні ефекти ГАМК, виявля-
ють протисудомні, заспокоювальні (транквілізуючі) та седативні ефекти. Навпаки,
антагоністи ГАМК, які зменшують гальмівну активність ГАМК-ергічних нейронів
(пікротоксин, бікукулін), є потужними конвульсантами. Судомна активність препа-
рату стрихніну зумовлена його антагоністичною дією відносно гліцинових рецеп-
торів спинного мозку, які також сполучені з хлорними каналами мембран.
Нейропептиди — широкий клас сполук пептидної природи, що синтезуються
переважно в клітинах центральної нервової системи, складаючи її пептидергічну
систему, і здатні суттєво впливати на біохімічні та нейрофізіологічні процеси в
головному мозку.
Опіоїдні пептиди
Найбільшу увагу в молекулярній психобіології та фармакології привертають
нейропептиди, що є ендогенними лігандами морфінових (опіатних) рецепторів
мозку — опіоїдні пептиди. Опіоїдні пептиди, подібно до наркотичного анальге-
тика морфіну і близьких до нього сполук, мають найбільш сильно виражену
знеболювальну (анальгетичну) активність і специфічну дію на головний мозок
людини, що проявляється розвитком складного психоемоційного стану ейфорії з
покращанням настрою, відчуттям душевного комфорту, позитивним сприйняттям
довкілля (Д.А.Харкевич, 1993).
487Ãëàâà 33. Á³îõ³ì³ÿ íåðâîâî¿ ñèñòåìè
Основними представниками опіоїдних нейропептидів є: метіонін (мет-)-енке-
фалін, лейцин (лей-)енкефалін,
αα
αα
α-,
ββ
ββ
β-,
γγ
γγ
γ- та
δδ
δδ
δ-ендорфіни (“ендогенні морфіни”),
αα
αα
α- та
ββ
ββ
β-неоендорфіни, динорфіни A та B.
Мет-енкефалін
1 5
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met
Лей-енкефалін
1 5
Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu
αα
αα
α-Ендорфінф
1 16
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-Thr-Ser-Glu-Lys-Ser-Gln-Thr-Pro-Leu-Val-Thr
ββ
ββ
β-Ендорфінф
1 16
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-Thr-Ser-Glu-Lys-Ser-Gln-Thr-Pro-Leu-Val-Thr-Leu-
31
-Phe-Lys-Asn-Ala-Ile-Ile-Lys-Asn-Ala-His-Lys-Lys-Gly-Gln
γγ
γγ
γ-Ендорфінф
1 16 17
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-Thr-Ser-Glu-Lys-Ser-Gln-Thr-Pro-Leu-Val-Thr-Leu
δδ
δδ
δ-Ендорфін
1 16 19
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-Thr-Ser-Glu-Lys-Ser-Gln-Thr-Pro-Leu-Val-Thr-Leu-Phe-Lys
Як очевидно з наведених первинних структур, опіоїдні нейропептиди мають
гомологічні послідовності амінокислотних залишків (1-4(5) в енкефалінах і ендор-
фінах та 1-16 у всіх ендорфінах). Це свідчить про єдність у структурі генів (послі-
довностей нуклеотидів ДНК), що кодують ці пептиди. Безпосереднім попередни-
ком енкефалінів та ендорфінів є білок проопіомеланокортин, шляхом часткового
гідролізу якого утворюються не тільки нейропептиди, а й такі гормональні сполуки,
як кортикотропін та
ββ
ββ
β-ліпотропін (глава 24).
Рецептори опіоїдних пептидів
Подібно до інших мембранних рецепторів для нейромедіаторів, опіатні рецеп-
тори поділяють на декілька субтипів:
µµ
µµ
µ-(мю-)рецептори,
δδ
δδ
δ-(дельта)-рецептори,
χχ
χχ
χ-(каппа-) рецептори,
σσ
σσ
σ-(сигма-)рецептори,
εε
εε
ε-(епсилон-)рецептори. Найбільш
високу щільність опіатних рецепторів виявлено в лімбічній зоні головного мозку —
еволюційно прадавній структурі, що відповідає за процеси емоційного збудження,
прояви ейфоричних та емоційно-позитивних компонентів дії як нейропептидів,
так і опіатних наркотиків із класу морфіну.
Біохімічні механізми функціонування опіатних рецепторів включають у себе
вплив утвореної ліганд-рецепторної системи на обмін внутрішньоклітинних
месенджерів — цАМФ та іонів Ca
2+
, що визначає безпосередні фізіологічні ефекти
дії того чи іншого нейропептиду.
488 Ðîçä³ë VI. Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é òà ñïåö³àë³çîâàíèõ òêàíèí
33.3. НЕЙРОХІМІЧНІ МЕХАНІЗМИ ДІЇ
ПСИХОТРОПНИХ ЗАСОБІВ
Психотропні (психоактивні) засоби — фармакологічні препарати, що засто-
совуються при порушеннях психічної діяльності людини.
Принципова можливість застосування як лікарських засобів ФАС, які вплива-
ють на синаптичну передачу в центральній нервовій системі, зумовлена тією
обставиною, що певні психічні захворювання та психоемоційні розлади значною
мірою (або повністю для деяких патологій) детерміновані порушеннями у функ-
ціонуванні окремих медіаторно-рецепторних систем головного мозку людини. Так,
наприклад, патогенез шизофренії та близьких до неї шизоактивних психозів пов’я-
зані з гіперфункцією дофамінергічних ядер, стани психоемоційної напруги, триво-
ги, страху — із стимуляцією адренергічних структур, порушення циклів сну — з
дисфункцією серотонінергічної системи, больовий синдром — із станом антино-
цицептивної системи опіатних рецепторів та опіоїдних нейропептидів тощо.
Аналіз загальних молекулярно-клітинних механізмів впливу на організм фізіо-
логічно активних сполук, зокрема лікарських препаратів, а також будови і молеку-
лярної організації медіаторних та рецепторних структур міжнейронних синапсів,
дозволяє виділити такі ланки синаптичної передачі в головному мозку, на які
діють регулюючим і коригуючим чином психотропні препарати різної спрямова-
ності (Ю.І.Губский, 1997):
1) ферментативний синтез та розщеплення нейромедіатора;
2) депонування нейромедіатора у везикулах пресинаптичних закінчень;
3) вивільнення нейромедіатора в синаптичну щілину;
4) взаємодія нейромедіатора із постсинаптичними іонотропними та/або мета-
ботропними рецепторами та включення відповідної послідовності біохімічних і
біофізичних реакцій у мембрані, цитоплазмі й органелах чутливого нейрону;
5) взаємодія нейромедіатора із структурами пресинаптичної мембрани, що
відповідають за його зворотний захват (реаптейк) та ферментативну деградацію.
Найбільш поширеними є такі групи психотропних препаратів: нейролептики
(антипсихотики), антидепресанти, анксіолітики.
Нейролептики (антипсихотичні препарати, антипсихотики) — лікарські засо-
би, які використовуються для лікування психозів, головним чином шизофренії, а
також інших ендогенних (органічних) та екзогенних (психогенних) психічних
розладів, що проявляються важкими психо-емоційними порушеннями з явищами
маячення, галюцинацій, збудження.
У зв’язку з соціальною значимістю шизофренії — захворювання, що вражає, за
даними сучасних дослідників, до 1 % населення (H.I.Kaplan, B.J.Sadock, 1994),
вивченню нейротрансмітерних порушень при цій групі психічних розладів при-
свячена значна наукова література. Вважають, що найбільше значення в патоге-
незі шизофренії має генетично детермінована гіперактивність дофамінових
систем мезокортикального і мезолімбічного трактів, тіла нейронів яких
489Ãëàâà 33. Á³îõ³ì³ÿ íåðâîâî¿ ñèñòåìè
локалізовані в чорній речовині (substantia nigra) та у вентральній зоні покришки
(ventral tegmental area).
Згідно з викладеним,
в основі нейрохімічних
механізмів терапевтич-
них ефектів нейролеп-
тиків є їх антагоністич-
на дія відносно дофамі-
нових рецепторів суб-
типу D
2
(за новішими
даними, також D
3
і D
4
),
що локалізовані пере-
важно в лімбічній системі головного мозку. Найбільший позитивний ефект при
шизофренії мають сполуки, що є похідними фенотіазину (препарати Аміназин
тощо) та бутирофенону (препарат Галоперидол).
Антидепресанти — психофармакологічні засоби, що застосовують для ліку-
вання депресій різного генезу. Ця група препаратів отримала також назву тимо-
лептиків, тобто “засобів, що покращують настрій”.
Нейрохімічною основою впливу на центральну нервову систему антидепре-
сантів різної хімічної будови є їх здатність стимулювати моноаміноергічну
передачу в головному мозку, що досягається за рахунок збільшення синаптичної
концентрації норадреналіну та/або серотоніну.
За механізмами нейрохімічної та фармакологічної дії антидепресанти поді-
ляються на дві підгрупи:
– засоби, що є інгібіторами реаптейку моноамінів;
– інгібітори моноамінооксидази (МАО).
Інгібітори реаптейку моноамінів бло-
кують систему зворотного захвату норадре-
наліну, серотоніну або дофаміну пресинап-
тичними нервовими закінченнями, що
сприяє їх накопиченню в синапсах і стиму-
ляції нейротрансмітерного моноамінергіч-
ного сигналу. До засобів цієї групи належать
гетероциклічні антидепресанти, які за
молекулярною будовою є сполуками, що складаються з декількох (трьох або
чотирьох) гетероциклічних кілець (препарати Іміпрамін, Амітриптилін тощо).
Залежно від переважаючого впливу на реаптейк та перетворення в синапсах
того або іншого моноаміну, гетероцикличні антидепресанти поділяють на класи
сполук з спрямованою норадренергічною, серотонінергічною або дофамін-
ергічною дією.
Інгібітори МАО — сполуки, що з різним ступенем селективності та зворотності
блокують активність моноамінооксидази — ферменту, який каталізує
N
S
Cl
CH
2
CH
2
CH
2
N
CH
3
CH
3
FC
O
CH
2
CH
2
CH
2
N
OH
Cl
Аміназин
Галоперидол
CH
2
CH
2
CH
2
N
CH
3
CH
3
N
Іміпрамін
490 Á³îõ³ì³ÿ ô³ç³îëîã³÷íèõ ôóíêö³é ³ ñïåö³àë³çîâàíèõ
òêàíèí
окислювальне дезамінування моноамінів — переважно норадреналіну та серо-
тоніну в мітохондріях нейронів головного мозку.
Більшість антидепресантів є неселективними інгібіторами монооксидаз А і
В, що збільшують вміст у головному мозку моноамінів різної будови та фізіоло-
гічної активності: норадреналіну, адреналіну, дофаміну, серотоніну, тираміну,
фенілетиламіну. Розрізняють інгібітори МАО незворотної (Іпроніазид) та
зворотньої дії (Піразидол).
Анксіолітики — препарати, що мають заспокійливу дію, послаблюючи стан
психічної та емоційної напруги, тривоги (anxiety — тривога, неспокій; англ.). Дана
група препаратів має також назву транквілізаторів (tranquillium — спокій, лат.)
або атарактиків (ataraxia — спокій, незворушність — грецьк.).
У наш час найбільш широке застосування як анксіолітики,
або транквілізатори, дістали похідні бензо-1,4-діазепіну (бен-
зодіазепіни — БД), які у зв’язку з їх протитривожною та стрес-
протекторною дією є одними з найбільш широко вживаних у
світі лікарських засобів.
Першим лікарським засобом із класу бензодіазепінів був Хлордіазепоксид,
запроваджений у клінічну практику в 1960 р. Пізніше фармацевтичними фірмами
було синтезовано кілька тисяч похідних БД, з яких застосовується кілька десятків
препаратів, найбільш поширеними з них є Альпразолам, Лоразепам, Оксазепам,
Діазепам тощо.
Нейрохімічні механізми центральних фармакологічних ефектів бензодіазепінів
пов’язані з їх взаємодією з ГАМК-рецепторами (субтипом ГАМК
А
) постсинаптич-
них мембран ГАМК-ергічних нейронів головного мозку, що потенціює гальмівні
ефекти
γγ
γγ
γ-аміномасляної кислоти.
Взаємодія бензодіазепінів з БД-зв’язуючими рецепторними ділянками мемб-
ранного комплексу “ГАМК
А
-рецептор — хлорний канал” алостеричним шляхом
активує власне ГАМК
А
-рецептори, що, в свою чергу, призводить до відкриття
хлорних каналів і гіперполяризації постсинаптичної мембрани, тобто реалізує
гальмівні ефекти бензодіазепінів.
Встановлена наявність у головному мозку людини ендогенного ліганду БД-
рецепторів, яким виявився низькомолекулярний (м.м. 15 кД) нейропептид ДВI
(“diazepam binding inhibitor”), що має анксіогенну активність. Виявлено високу
концентрацію ДВI в ділянках головного мозку людини, які відповідають за конт-
роль поведінкових реакцій на емоційні, стресові стимули, що дозволяє розглядати
цей білок як ендогенний модулятор реакцій, пов’язаних із регуляцією станів
неспокою, страху й агресії.
N
N
Бензо-1,4-діазепін
491˳òåðàòóðà
ЛІТЕРАТУРА
1. Арчаков А.И. Микросомальное окисление. – М.: Наука, 1975. – 327 с.
2. Балаболкин М.И. Эндокринология. – М.: Универсум паблишинг, 1998. – 582 с.
3. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. – М.: Медицина, 1983. – 752 с.
4. Боєчко Л.Ф., Боєчко Л.О. Основні біохімічні поняття, визначення та терміни: Навч. посібник. – К.:
Вища шк., 1993. – 528 с.
5. Болдырев А.А. Введение в биохимию мембран: Учеб.пособие. – М.: Высш. шк., 1986. – 112 с.
6. Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия для врача. – Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994. –
384 с.
7. Губский Ю.И. Коррекция химического поражения печени. – К.: Здоров’я, 1989. – 168 с.
8. Губский Ю.И., Долго-Сабуров В.Б., Храпак В.В. Химические катастрофы и экология. – Киев: Здоров’я,
1993. – 224 с.
9. Губський Ю.І., Хмелевський Ю.В., Сударикова Л.Г., Усатенко О.К. Біоорганічна хімія. – К.: Вища
шк., 1997. – 285 с.
10. Дильман В.М. Четыре модели медицины. – Л.: Медицина, 1987. – 288 с.
11. Збарский Б.И., Иванов И.И., Мардашев С.Р. Биологическая химия. – М.: Медицина, 1972. – 582 с.
12. Зилва Дж.Ф., Пэннел П.Р. Клиническая химия в диагностике и лечении. – М.: Медицина, 1988. –
528 с.
13. Кресюн В.И., Бажора Ю.И., Рыбалова С.С. Клинические аспекты иммунофармакологии. – Одесса,
1993. – 208 с.
14. Кучеренко Н.Е., Бабенюк Ю.Д., Васильев А.Н. и др. Биохимия. – К.: Вища шк: Изд-во при КГУ,
1988. – 432 с.
15. Ленинджер А. Биохимия. – М.: Мир, 1974. – 957 с.
16. Ленинджер А. Основы биохимии: в 3-х т. – М.: Мир,1985. – 1056 с.
17. Лопухин Ю.М., Арчаков А.И., Владимиров Ю.А., Коган Э.М. Холестериноз. – М.: Медицина, 1983. –
352 с.
18. Мак-Мюррей У. Обмен веществ у человека. – М.: Мир, 1980. – 368 с.
19. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: в 2-х т. – М.: Мир, 1993. – Т. 1 – 381 с.,
Т.2 – 414 с.
20. Мещищен І.Ф., Пішак В.П., Григор’єва Н.П. Біомолекули: структура та функції. – Чернівці: Медик,
1999. – 149 с.
21. Мусил Я. Основы биохимии патологических процессов: Пер. с чешск. – М.: Медицина, 1985. – 432 с.
22. Николаев А.Я. Биологическая химия. – М.: Медицинское информационное агентство, 1998. – 496 с.
23. Николс Д.Дж. Биоэнергетика. Введение в хемиоосмотическую теорию. – М.: Мир, 1985. – 190 с.
24. Ньюсхолм Э., Старт К. Регуляция метаболизма. – М.: Мир, 1977. – 407 с.
25. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1987. – 815 с.
26. Парк Д. Биохимия чужеродных соединений. – М.: Медицина, 1973. – 288 с.
27. Покровский А.А. Роль биохимии в развитии науки о питании. – М.: Наука, 1974. – 127 с.
28. Рапопорт С.М. Медицинская биохимия. – М.: Медицина, 1966. – 892 с.
29. Розен В.Б. Основы эндокринологии. – М.: Высшая школа, 1984. – 336 с.
30. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. – М.: Мир, 1981. – 646 с.
31. Теппермен Дж., Теппермен Х. Физиология обмена веществ и эндокринной системы. – М.: Мир,
1989. – 656 с.
32. Уотсон Дж.Д. Двойная спираль. – М.: Мир, 1969. – 152 с.
33. Хухо Ф. Нейрохимия: основы и принципы. – М.: Мир, 1990. – 384 с.
34. Halkerston I.D.K. Biochemistry: 2nd edition. The National medical series for independent study. – 1988. –
522 р.
35. Stryer L. Biochemistry. - W.H.Freeman and Company. New York. – 1995. – 1064 p.
492 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК
Авідин 407
Авітамінози 400
Аглікогенози 184,452
Аденілаткіназа 476
Аденілатциклаза 113,114,335-337
Аденілова кислота (див. Аденозин-5'-монофосфат)
Аденілова система 44
Аденін 41,43,49,275
Аденінфосфорибозилтрансфераза 275
S-Аденозилметіонін 213,253,254,461
Аденозин 43,281
Аденозиндезаміназа 281
Аденозиндифосфат (АДФ)
117,118,130,132,134
Аденозин-5'-монофосфат (АМФ) 43,270-275
Аденозинтрифосфат (АТФ) 44,115-
118,121,130-132,135,273
Аденозин-3',5'-монофосфат циклічний
(3',5'-АМФ, цАМФ) 113,192,193,335-337
Адипоцити 162,191,193
Адреналін 172,173,181,183,192,193,261,363,364,483
Адренокортикотропний гормон
(АКТГ) 351-352,371
Адренорецептори 483
АДФ (див. Аденозиндифосфат)
АДФ-рибозилтрансфераза 309
АДФ-рибозилювання 111
Аеробні дегідрогенази 124,127
Азотемія 175
Азотиста рівновага 235,390
Азотурія 175
Аконітаза 138
Акромегалія 348
АКТГ (див. Адренокортикотропний гормон)
Актин 468,471
Актиноміцин D 294
Аланін 21,89,237,171,247
β-Аланін 283,480,486
β-Аміноізобутират 283
Алкалоз 424,425
Алкаптонурия 261
Алкілуючі агенти 108,323
Алкогольдегідрогеназа 89
Аланінамінотрансфераза 89,237
Алолактоза 312
Алостеричні ферменти 109-111
Альбінізм 262
Альбуміни (див. Сироваткові альбуміни)
Альдозоредуктаза 164
Альдолаза (див. Фруктозо-1,6-дифосфат-
альдолаза та Фруктозо-1-фосфатальдолаза)
Альдонові кислоти 60
Альдостерон 368,369,371,372
Альдостеронізм 372
α-Аманітин 298
Аміак 242,243
Амілази 395
Аміло-1,6-глікозидаза 179,184
Аміло(1,4-1,6)трансглікозилаза 178
Амілоза 73
Амілопектин 73
Аміназин 489
Аміноацидурія 454
Аміноацил-тРНК 304
Аміноацил-тРНК-синтетази 303
β-Аміноізобутират 283
∆-Амінолевулінова кислота (ДАЛК) 264,265
∆-Амінолевулінатсинтаза
(ДАЛК-синтаза) 264,268
Амінопептидази 394,395
Аміноптерин 280
Амінотрансферази 88,236-237,257,370,403
Аміноцукри 59
Аміцетин 308
Амобарбітал (Амітал) 135
Ампліфікація генів 319
АМФ (див. Аденозин-5'-монофосфат)
3',5'-АМФ (див. Аденозин-3',5'-монофосфат
циклічний, цАМФ)
Амфіболічні шляхи (реакції) 116,142
Анаболізм 115,116
Анаеробні дегідрогенази 124,126
Анаплеротичні реакції 142
Ангіотензиноген 372
Ангіотензин I 372
Ангіотензин II 337,372
Ангіотензинперетворюючий
фермент (АПФ) 372
Андрогени 222,223,367,368,374-376
Андростан 367,375
Анксіолітики 490
Антагоністи Н
1
-рецепторів 366
Антагоністи Н
2
-рецепторів 366
Антибіотики 107,288,294,307-309
Антивітаміни 107,400,404
Антигемофільний глобулін А 112,433
493Ïðåäìåòíèé ïîêàæ÷èê
Антигемофільний глобулін В 433
Антиметаболіти 107
Антидепресанти 489,490
Антидіуретичний гормон, АДГ (див. Вазопресин)
Антикоагулянти 432,437-438
Антикодон 54,303
Антиміцин А 135,136
Антиоксиданти 257
α
1
-Антитрипсин (див. α
1
-Протеїназний інгібітор)
Антитромбіни 437
Аполіпопротеїни 227,431
Апопротеіни (див. Аполіпопротеїни)
Апофермент 92,125
Арабіноза 58
Арахідонова кислота 73,209,340,381-383
Аргіназа 106,245
Аргінін 22,99,244-246
Аргініносукцинат 245,246
Аргініно-сукцинатсинтетаза 245
Аргініно-сукцинатліаза 245
Арилсульфатази 188
Аскорбінова кислота 60,144,221,257,260,400,408-410
Аспарагін 22,69,186,249,390
Аспарагінова кислота (Аспартат) 22,153,245,
246,270-273,275,277,480,485
Аспартам 389
Аспартатамінотрансфераза 237,429
Аспартаткарбамоїлтрансфераза 110,111,275,277
Аспірин 385
Атеросклероз 224,230,231,233,431
АТФ (див. Аденозинтрифосфат)
АТФ-синтетаза 133,134
Н
+
-АТФаза (див. Протонна АТФаза)
Са
2+
-АТФаза 337,475
Na
+
,
К
+
-АТФаза 85,480
Аутотрофи (аутотрофні клітини, організми) 16,118
Аутофосфорилювання 358
Афідиколін 288
N-Ацетилгалактозамін 59,68,185
β-D-Aцетилгексоамінідаза 188
N-Ацетилглюкозамін 59,67,68,438,442
Ацетил-КоА 120,121,137-139,142,144,145,68,195,
197-203,206,208,217,219,248,461
Ацетил-КоА-карбоксилаза 203,206,207,407
N-Ацетилнейрамінова кислота 59,60,68,185,215
Ацетилхолін 102,333,337,474,480-482
Ацетилхолінестераза 101-103,108,482,483
Ацетоацетат 198-200,217,249,261,480
Ацетоацетатдекарбоксилаза 199
Ацетоацетил-КоА 198-199,217,219,248,249
Ацетон 198,199
Ацетонові тіла (див. Кетонові тіла)
Ацидоз 247,424,425
Ацилгліцероли (ацилгліцериди) 73,74,452
1-Ацилгліцерол-3-фосфат (Лізофосфатидат) 210
1-Ацилгліцерол-3-фосфат-ацилтрансфераза 210
Ацилкарнітин 196
Ацил-КоА-дегідрогеназа 126,194
Ацил-КоА-синтетази (Тіокінази) 194
Ацил-КоА-холестерин-ацилтрансфераза
(АХАТ) 220
N-Ацилсфінгозини (див. Цераміди)
Ацилтранспортуючий протеїн 203
Базедова хвороба 362
Бензодіазепіни 490
Бери-бери 399,401
Білівердин 454,462-464
Білівердинредуктаза 463
Білірубін 454,462-467
Білірубіндиглюкуронід 464
Білки
- рівні структурної організації 26-33
- фізико-хімічні властивості 33-36
- методи виділення та аналізу 36-40
- в харчуванні людини 390-391
- перетравлення 392-395
Білки системи комплементу 446
Білки-трансдуктори 333-334,486
G-Білки (див. Білки-трансдуктори)
Біоантиоксиданти 411,416
Біогенні аміни 240-242,345,363-366,480
Біоенергетичні процеси 122-136
Біологічна цінність білків 390,391
Біологічне окислення 122-125
Біологічний код (див. Генетичний код)
Біологічні мембрани (Біомембрани) 78-85
Біорегулятори 330,331
Біотин (вітамін Н) 93,142,167,203,407
Блок Прибнова 294,298,320
Брадикінін 429,430
Вазопресин 352,353,372
Валін 21,248,249,257-259,422
Вердоглобін 462-464
Відновлювальне амінування 239,243
Відновлювальний синтез 126,156,162
Відновлювальні еквіваленти 122
Вітамери 412
Вітаміни 14,399-417
Вітамін А 411-414
Вітамін В
1
93,401
494 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Вітамін В
2
92,402
Вітамін В
3
(див. Пантотенова кислота)
Вітамін В
5
(див. Вітамін РР)
Вітамін В
6
237,403,404
Вітамін В
12
97,254,259,404-405
Вітамін В
С
(див. Фолієва кислота)
Вітамін С 60,221,261,408-410
Вітамін D 417
Вітамін D
2
417
Вітамін D
3
223,378,380,417
Вітамін E 257,416
Вітамін F 417
Вітамін Н (див. Біотин)
Вітамін K 415,436
Вітамін Р 410,411
Вітамін РР 92,402,403
Водневі зв’язки 26,35,49
Вторинні месенджери (вторинні
посередники) 333-335,349
Вуглеводи
- будова, властивості 57-70
- метаболізм 143-189
- в харчуванні людини 387-389
- перетравлення 395,396
Галактоза 57,58,68,143,164,165,185,310,349
Галактозамін 59,349
Галактоземія 165
β-Галактозидаза 89,163,188,216,310,311,395
Галактозо-1-фосфат-уридилтрансфераза 164,165
Галактозилцерамід 81,214,215
Галактозиллактозилцерамід 76
Галактозо-1-фосфат 164,165
Галактокіназа 164,165
Галактуронова кислота 60
Галоперидол 489
Гальмівні амінокислоти 485,486
Гамма-аміномасляна кислота (ГАМК) 241,486
Гангліозиди 76,77,214,216
Гангліозидози 77,216
Гаптоглобін 428
Гастрин 359,360
Гастриноми 360
Гастроінтестинальні гормони (див. Гормони
шлунково-кишкового тракту)
Гексокіназа 147 154 163 355,451
Гексозаміни 59
Гексозамінідаза А 216
Гексози 57,147
Гексозомонофосфатний шунт (див. Пентозо-
фосфатний цикл)
Гем 30,265-268,307,308,403,419,420,423,462,463
Гемералопія 399,412
Гемінові ферменти 91
Гемоглобін 32,123,263-266,268,307,308,419-424,
462-464,466
Гемоглобінози 422
Гемоглобінопатії 422
Гемоксигеназа 462
Гемопротеіни 127,263,457
Гемофілії 112,437
Генетичний код 13,300,301
Генетичні рекомбінації 310,316
Генна інженерія 326-329
Гепарансульфати 65,66,188,189
Гепарансульфатсульфатаза 189
Гепарин 65-67,438
Геранілпірофосфат 219
Гесперидин 411
Гетерогенна ядерна РНК 55,298
Гетерополісахариди 65-67,69,188
Гетеротрофи (Гетеротрофні клітини,
організми) 16,118
Гетерохроматин 315
Гіалуронідаза 188
Гіалуронова кислота 65-67,188
Гігантизм 348
Гідрокортизон (див. Кортизол)
β-Гідроксибутират 198-200
β-Aідроксибутиратдегідрогеназа 198
7-α-Гідроксилаза 221
β-Гідрокси-β-метилглутарил-КоА 198,217-219
17-α-Гідроксипрогестерон 223,374
4-Гідроксипролін 20,409
Гідролази 88,101,120
Гіперазотемія 430
Гіперамоніємія 243
Гіпербілірубінемія 466
Гіперглюкоземія 232,347,355
Гіперліпопротеїнемії 229,230,431
Гіперпаратиреоз 381
Гіпертиреоз 362
Гіперурикемія 282
Гіперхолестеринемія 224,230,231
Гіпоальбумінемія 454
Гіповітамінози 400
Гіпоглюкоземія 173
Гіпоксантин 275,281
Гіпоксантингуанінфосфорибозилтранс-
фераза 275,282
Гіпопротеїнемія 426
Гіпотиреоз 362
495Ïðåäìåòíèé ïîêàæ÷èê
Гіпурова кислота 461
Гістамін 241,331,334,366,385
Гістидин 22,99,101,102,235,248-250,419
Гістогормони 331,345
Гістони 34,50,55,56,315,316
Глікани 61
Глікарові (цукрові) кислоти 60
Глікоген 63,64,176-184,451,452,469
Глікогенез 176-180,183
Глікогеноліз 178-180,183,476
Глікогенози 184,452
Глікогенсинтаза 177,180,182,183,355,451
Глікогенфосфорилаза 179,180-183,452,470
Глікозамінглікани 65-67,185,188,189
Глікозидази 88,188,395
Глікозидози 188,216
Глікозилгліцероли 74,76
Глікозилтрансферази 88,179,185-187,214
Глікокон’югати 176,185-188
Гліколіз 146-155,163,200,355,420,470,477
- аеробний гліколіз 146-151
- анаеробний гліколіз 146,151,152
Гліколіпіди 76,77,82,176,186,187,189,214,215
Гліколіпідози 189
Гліколітична оксидоредукція 147,149,152
Глікопротеїни 35,68,69,82,176,185-187,331,349,441
Глікопротеїн-глікозилтрансферази 185
Глікосфінголіпіди 76-77,187,214,215
Глікофорин 85,187
Глікохолева кислота 222,397
Глікоціамін 255
Гліцеральдегід 163
Гліцеральдегід-3-фосфат 147-149,159-161,163,197
Гліцеральдегід-3-фосфат-дегідрогеназа 149
Гліцерол (гліцерин) 120,121,191,197,210,213,397
Гліцерол-3-фосфат 127,153,197,210,211,213
Гліцерол-3-фосфатацилтрансфераза 210
Гліцерол-3-фосфатдегідрогеназа 127,210
Гліцеролфосфокіназа 197,210,211
α-Гліцерофосфат (див. Гліцерол-3-фосфат)
α-Гліцерофосфатдегідрогеназа (див. Гліцерол-
3-фосфатдегідрогеназа)
Гліцерофосфатна човникова система 153
Гліцерофосфоліпіди (див. Фосфогліцериди)
Гліцин 21,222,235,249-251,255,264,265,270-272,
461,480,486
Гліцинамідинотрансфераза 255
Глобін 266,307,308
Глобозиди 76,214
Глобуліни 34,113,226,462,429,454
Глобулярні білки 19,30,31
Глутамінова кислота (Глутамат) 22,153,235,
243,422,436,480,485
Глутаматдегідрогеназа 239
Глутамат-піруваттрансаміназа (див. Аланін-
амінотрансфераза)
Глутамат-оксалоацетаттрансаміназа (див.
Аспартатамінотрансфераза)
Глутамін 243,246,247,249,270-273,456,479,480
Глутаміназа 247
Глутамінсинтетаза 246
Глутатіон 256
Глутатіонпероксидаза 256
Глутатіонредуктаза 256,257
Глюкагон 172,173,183,192,193,358,389,452
Глюкогенні амінокислоти 171,249
Глюкоза
- будова 57,58
- основні шляхи метаболізму 143-162
Глюкозамін (Хітозамін) 59,67,349
Глюкоземія 173
Глюкозо-аланіновий цикл 171,239,247
Глюкозо-лактатний цикл 170,171
Глюкозо-1-фосфат 164,165,176-179
Глюкозо-6-фосфат 147,157,158,160,161,169,
177,179,451
Глюкозо-6-фосфатаза 169,172,173,452
Глюкозо-6-фосфатдегідрогеназа 158,162,257
Глюкозурія 175
Глюкокіназа 147,451
Глюкокортикоїди 172,173,220,331,367,370,371
Глюконеогенез 142,166-172,235,370,452
Глюконеогенні тканини 170
Глюконова кислота 60
β-Глюкуронідаза 464
Глюкуронова кислота 60
ГМФ (див. Гуанозин-5'-монофосфат)
3',5'-ГМФ (див. Гуанозин-3',5'-монофосфат
циклічний, цГМФ)
Гниття білків 241,450,461
Голодування 184,200,452,480
Гомеостаз кальцію 377
β-ГОМК (див. β-Гідрокси-β-метилглутарил-КоА)
β-ГОМК-ліаза 198,217
β-ГОМК-редуктаза 217-220
β-ГОМК-синтетаза 198
Гомогентизинова кислота 260-262,409
Гомополісахариди 61,63-65
Гомоцистеїн 253,254,405
Гонадоліберин 346,350
Гонадотропні гормони 346,349,350
Гормон росту (див. Соматотропний гормон)
496 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Гормони (визначення, класифікація) 330-332
Гормони шлунково-кишкового тракту 359,360
Грамнегативні мікроорганізми 71
Грампозитивні мікроорганізми 71
Групи крові 187
Гуанідинацетат (див. Глікоціамін)
Гуанілатциклаза 113,335,366,482
Гуанілова кислота (див. Гуанозин-5'-фосфат)
Гуанін 41,275,281
Гуанозин 43,281
Гуаніндезаміназа 281
Гуанозин-5'-монофосфат (ГМФ)
43,270,273,274
Гуанозин-3',5'-монофосфат циклічний (3',5'-ГМФ,
цГМФ) 113,335
ДАГ (див.1,2-Діацилгліцерол)
дАМФ (див. Дезоксиаденозин-5'-монофосфат)
Дансил-хлорид 39
Дварфізм (див. Карликовість)
дГМФ (див. Дезоксигуанозин-5'-монофосфат)
Дегідроаскобінова кислота 408
Дегідрогеназа розгалуженихя
α-кето-
кислот 257,258
Дегідрогенази 88,124-127
7-Дегідрохолестерин 379,417
Дегідрування 124
Дезамінування амінокислот 239,240
Дезоксиаденілова кислота (див. Дезоксиадено-
зин-5'-монофосфат)
Дезоксиаденозилкобаламін 93,97,259,405
Дезоксиаденозин 43
Дезоксиаденозин-5'-монофосфат (дАМФ) 43
Дезоксигуанілова кислота (див. Дезоксигуано-
зин-5'-монофосфат)
Дезоксигуанозин 43
Дезоксигуанозин-5'-монофосфат (дГМФ) 43
11-Дезоксикортикостерон 371
Дезоксирибоза (2-Дезокси-D-рибоза) 58
Дезоксирибонуклеїнова кислота (див. ДНК)
Дезоксирибонуклеопротеїни 34,36
Дезоксирибонуклеотиди 277-280
Дезоксихолева кислота 221,222
Дезоксицитидилова кислота (див. Дезоксици-
тидин-5'-монофосфат)
Дезоксицитидин 43
Дезоксицитидин-5'-монофосфат (дЦМФ) 43
Декарбоксилази амінокислот 240,241
Декарбоксилювання амінокислот 240,241
Декстран 64
Денатурація 34,51,52
Дерматансульфати 65,188,189
Дерозгалужуючий фермент (Аміло-1,6-
глікозидаза) 179
Дигідроліпоїлацетилтрансфераза 90,145
Дигідроліпоїлдегідрогеназа 90,126,144,145
Дигідрооротаза 276
Дигідрооротатдегідрогеназа 276
Дигідрооротова кислота (Дигідрооротат) 276
Дигідросфінгозин 214
Дигідротестостерон 375,376
7,8-Дигідрофолієва кислота (Дигідро-
фолат) 252,279,280
Дигідрофолатредуктаза 252,253,279,280,319
Дигліцерид (див. 1,2-Діацилгліцерол)
Дигліцеридліпаза 192
Динеїн 18,468
2,4-Динітрофенол 135
2,4-Динітрофторбензол 39
Динорфіни 487
Дипептидази 395
Дисахаридази 395
Дисахариди 61,62
1,3-Дифосфогліцерат (1,3-диФГК) 149,150
2,3-Дифосфогліцерат (2,3-диФГК) 420
Дифталамід 307
Дифтерійний токсин 309
Дихальний ланцюг 121,127-130,141
Діазореактив Ерліха 464
1,2-Діацилгліцерол (ДАГ) 191,210,211,213,
225,338-340
1,2-Діацилгліцерол-3-фосфат (див. Фосфа-
тидна кислота)
Діоксигеназні реакції 125,256
3,4-Діоксифенілаланін (ДОФА) 261,363
Діоксіацетонфосфат 147-153,160,163,193,210
Діізопропілфторфосфат 108 ДНК
- будова, властивості, функції 45-52
- біосинтез (реплікація) 46,284-292
- кДНК 327,328 ДНКази 281
ДНК-гіраза 289
ДНК-діагностика 319
ДНК-залежні РНК-полімерази (див. РНК-
полімерази)
ДНК-лігаза 291
ДНК-полімерази 286-288
Доліхол 186
Доліхолкіназа 186
Доліхолфосфат 186
Домени 32
Доменні білки 32
ДОФА (див. 3,4-Діоксифенілаланін)
497Ïðåäìåòíèé ïîêàæ÷èê
Дофамін 261,364,365,484
Дофамінові рецептори 484,489
дЦМФ (див. Дезоксицитидин-5'-моно-
фосфат)
Ейкозаноїди 209,331,381-385,417
Екзергонічні реакції 116-118
Екзони 299,314
Екзопептидази 394
Експресія генів 310-329
Еластаза 40,101,394
Еластин 31
Електрофорез 34,426
Елонгація транскрипції 293,295,296
Елонгація трансляції 304,305
Еміоцитоз 354
Ендемічний зоб 362
Ендергонічні реакції 116-118
Ендопептидази 393,394
Ендорфіни 351,352,487
Ензими (див. Ферменти)
Ензимопатії 108,114
Енкефаліни 487
Еноїл-КоА-гідратаза 195
Еноїл-ACP-редуктаза 205
Енолаза 150
Ентерогормони (див. Гормони шлунково-
кишкового тракту)
Ентерокіназа 394
Енхансери 320
Епінефрин (див. Адреналін)
Ергокальциферол (Вітамін D
2
) 417
Еритрозо-4-фосфат 159,160
Еритроміцин 308,309
Еритропоетична порфірия (див. Хвороба
Гюнтера)
Есенціальні жирні кислоти 208
Естрадіол 223,373,374
Естран 367,373
Естріол 373
Естрогени 223,342,343,367,368,373,374
Естрон 223,373,374
Етаноламін 75,211-213
Етіохоланолон 376
Ефект Бора 420
Ефект Пастера 154
Еухроматин 315
Жири (див. Нейтральні жири)
Жирні кислоти
- будова, властивості 72-73
- окислення 194-197
- біосинтез 201-209
Жирова тканина 191,201,209-211
Жовтяниця 465-467
Жовч 454,455
Жовчні кислоти 221,222,397
Жовчні пігменти 454,462-465
Залізо 127,266-268,409,423,428
Залізосіркові білки 128
Заміни нуклеотидів 323
Замінні амінокислоти 235,250,390,391
Збуджувальні амінокислоти 485,486
Злоякісна анемія (див. Хвороба Адисона-
Бірмера)
α-L-Ідуронідаза 188,189
Ідуронова кислота 60,66,67,188
Ідуроносульфатсульфатаза 189
Ізоелектрична точка 34
Ізолейцин 21,249,257,258
Ізомальтаза 395
Ізомерази 89
Ізоніазид 404
Ізопентенілпірофосфат 218,219
Ізоферменти 90-91
Ізоцитрат 138,139
Ізоцитратдегідрогеназа 91,138,139,162,206
Іміпрамін 489
ІМФ (див. Інозин-5'-монофосфат)
Імунодефіцитні стани 447-448
Імуноглобуліни 317-319,427,441-443,448
Інгібітори АПФ 372
Інгібітори ферментів 103,106-108
Індикан 461
Індукція Lac-оперону 312-313
Індукція мікросомальних монооксигеназ 459
Ініціація транскрипції 294
Ініціація трансляції 304,305
Ініціюючий кодон 395
Інозин-5'-монофосфат (ІМФ) 242,270-275
Інозинова кислота (див. Інозин-5'-монофосфат)
Інозитол-1,4,5-трифосфат (ІФ
3
) 338-340
Інсулін 172-174,183,193,194,232,233,353-358
Інсуліноподібні фактори росту (див. Сомато-
медини)
Інтеркаляція 294
Інтерлейкіни 443,444
Інтермедини 331
Інтерферони 308,309,444,445
Інтрони 299,314
498 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Інулін 64
Інформаційні РНК (див. Матричні РНК, мРНК)
Іприти 323
Йодацетамід 198
Йодидпероксидаза 360
Кадаверин 242
Калідин 429
Калікреїни 429,434,435
Калікреїн-кінінова система 429,430
Кальмодулін 112,182,338,475
Кальцидіол 379,380
Кальцитонін 378,380
Кальцитріол 223,378-380,417
Кальцій (Са
2+
) 112,182,333,335,337-341,376-381,
417,433-436,469,474,475,481,482,486,487
Кальціол (див. Вітамін D
3
)
Кальційзв’язуючі білки 379
Каптопріл 372
Карбамоїлфосфат 244,246,275
Карбамоїлфосфатсинтетаза 244,246,277
Карбоангідраза 91,100,421
Карбоксибіотин 93,95,96,142,167,203,407
γ-Карбоксиглутамінова кислота 436
Карбоксипептидази 39,91,394,395
Кардіоліпін 211
Карликовість (нанізм, дварфізм) 348
Карнітин 196
Карнітин-ацилкарнітин-транслоказа 196
Карнітин-ацилтрансфераза 196
Каротиназа 412
Каротини 412,414
Катаболізм 115,120,121
Катал 87
Каталаза 91,99,240,263
Катехіни 411
Катехоламіни 193,260,261,363,364,483
Кверцетин 411
Кератансульфати 65,66,189
α-Кератини 31,32
β-Кератини 29
β-Кетоацил-КоА-тіолаза 195
Кетоацидоз 174,200,233,356
3-Кетоацил-ACP-редуктаза 204
3-Кетоацил-ACP-синтетаза 204
Кетогенні амінокислоти 171,249,250
α-Кетоглутарова кислота (α-Кето-
глутарат) 131,138,139,141,142,153,168,236,
237,239,2 40,243,248,249
α-Кетоглутаратдегідрогеназний
комплекс 139,491
Кетонемія 174,175,200,233
Кетонові тіла 197-200,233,249
Кетонурія 175,200,233
17-Кетостероїди 376
Кефаліни (див. Фосфатидилетаноламіни)
Кислотно-лужний баланс 423-425
Кіназа A 336
Кіназа cdc2 321
Кіназа легких ланцюгів міозину 112,475
Кіназа фосфорилази β 181,182
Кінінази 429
Кініни 429,430
Кінуренін 262,263
Кінуреніназа 263
Клітинний цикл 47,280,315,321
Клітковина (див. Целюлоза)
Клонування генів 326-329
Кобаламін 93,404,405
Кобамідні коферменти 93,97,259,404,405
Кодони (Триплети) 13,300,301
Коензим ацилювання (КоА) 93,96,137,144,
145,194,407
Коензим В
12
93,97,259
Коензими (див. Коферменти)
Коензим Q 92,128-130
Колаген 28,29,31,234,409
Колонієстимулюючій фактор 444
Комплемент (Система комплементу) 445-447
Контрикал 430
Копропорфірини 264
Копростанол 224
Кортизол 223,351,368-371
Кортиколіберин 346,352
Кортикостероїди 341,367-373
Кортикостерон 223,369,370
Кортикотропін (див. Адренокортикотропний
гормон)
Кофактори 91,92
Коферменти 89,91-97
Креатин 255,476
Креатинін 255,256
Креатинфосфат 255,476,477
Креатинфосфатфосфокіназа 255,429,476
Кріоглобулін 427
Крохмаль 63,143,388,391,395
Ксантин 281
Ксантиноксидаза 91,127,281,282
Ксантозин-5'-монофосфат 272-274
Ксенобіотики 257,324,418,455-461
Ксилоза 58
Ксилулоза 58
499Ïðåäìåòíèé ïîêàæ÷èê
Ксилулозо-5-фосфат 159-161
Кумарини 415,438
Лактаза (β-Галактозидаза) 163,310,311,395,396
Лактат (Молочна кислота) 146,147,151,152,
166,169-171,179,430
Лактатдегідрогеназа 91,151,170
Лактогенний гормон (див. Пролактин)
Лактоза 61,62,165,395,396
Лактоназа 158
Ланостерин (Ланостерол) 219
Ланцюгова полімеразна реакція 319
Лейкотрієни 331,381,383,385
Лейцин 21,257,258
Лейциноз (див. Хвороба кленового сиропу)
Лецитини (див. Фосфатидилхоліни)
Лецитин(фосфатидил)-холестерин-ацил-
трансфераза (ЛХАТ) 220
Лимонна кислота (див. Цитрат)
Ліази 89
Ліберини 345
Лігази 89
Лізин 22,242
Лізосомальні гідролази 215
Лізофосфатидат (Ацилгліцерол-3-фосфат) 210
Лізоцим 71,392
Лімфокіни 443
Лімфоцити 440,441,443,444
Лінкоцин 308
Лінолева кислота 73,208,209,389
Ліноленова кислота 73,208,209,389
Ліпази адипоцитів 191,192
Ліпаза підшлункової залози 224,396
Ліпіди
- будова, властивості 72,77
- метаболізм 190-233
- в харчуванні людини 389
- перетравлення 396-398
Ліпідози 216
Ліпогенез 201,206,207
Ліпоєва кислота 93,96,144,145
Ліпоксигеназа 383
Ліполіз 190-184
Ліпопротеїни 36,77
α-Ліпопротеїни 226,431
β-Ліпопротеїни 226,431
Ліпопротеїни плазми крові 224-230
Ліпопротеїни високої щільності
(ЛПВЩ) 226-229,231,233,431
Ліпопротеїни дуже низької щільності
(ЛПДНЩ) 226-228,232,431
Ліпопротеїни низької щільності
(ЛПНЩ) 219,226-228,231,431
Ліпопротеїни проміжної щільності
(ЛППЩ) 226-228
Ліпопротеїнліпаза 227,228,453
Ліпотропний гормон 352
Ліпоцити (див. Адипоцити)
Літохолева кислота 221,222
Лужний резерв крові 424
Люліберин (Гонадоліберин) 346
Лютеїнізуючий гормон 350,375
α
2
-Макроглобулін 112,427,437
Макрокомпоненти харчування 386
Макроергічні сполуки (зв’язки) 117
Малат 140,153,168,206
Малат-аспартатна човникова система 153
Малатдегідрогеназа 140,153,168,206
Малатна човникова система 168
Малатний шунт (див. Малатна човникова
система)
Малікензим 206
Малоніл-КоА 202,203,208
Малонова кислота 107,202
Мальтаза 392,395
Мальтоза 61
Маноза 57,58,68,187,349,442
Матричні (інформаційні) РНК (мРНК) 52-54,
298,302,305,306
Мевалонова кислота 217-219
Мезобіліноген 464,465
Мезобілірубін 464
Меланіни 260,261,352
Меланоцитостимулюючий гормон 352
Мелатонін 363,365,366
Менструальний цикл 375
Мероміозини 470
Метаболізм 15,115
Метаболічні шляхи 116
Металопорфірини 92,263
Металопротеїни 36
Металотіонеїн 319,344
Металоферменти 91
Метахроматична лейкодистрофія 76
Метгемоглобін 423
Метгемоглобінредуктаза 423
Метилкобаламін 93,97,254,259,405
Метилмалоніл-КоА 259,405
Метилмалоніл-КоА-мутаза 259,405
Метіонін 21,213,253,254
Метіонінаденозилтрансфераза 254
500 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Метод Ван ден Берга 464
Метотрексат 280,319
Мікрокомпоненти харчування 386,399
Мікросомальна елонгаційна система 208
Мікросомальне окислення 125,221,456,457
Мікросомальні оксигенази мішаної функції 124,
125,208,219,457
Мікседема 362
Мінералокортикоїди 367,371,372
Мінорні нуклеотиди 43
Міоген 469
Міоглобін 30,263,477
Міозин 468,470,471
Міофібрили 468-470
Мітоз 47,280,315,321,322
Мішені гормональної дії 332
Мобілізація жирних кислот 191
Молочна кислота (див. Лактат)
Монелін 389
Моноамінооксидази 242,364,365,489,490
Моногліцериди (2-Моноацилгліцероли) 191,
224,225
Моногліцеридліпаза 192
Мононенасичені жирні кислоти 208
Монооксигенази (монооксигеназні реакції) 124,
219,221,456
Моносахариди 57,58
Морфін 486
Муколіпідози 189
Мукополісахариди 65
Мукополісахаридози 189
Мурамін 69
Мурамінідаза 71
Мурамова кислота 69
Муреїн 70
Мускарин 482
Мутагени 323
Мутації 322-325
Муцини 65,68,185,392,414
М’язове скорочення 472-476
НАД (див. Нікотинамідаденіндинуклеотид)
НАД-залежні дегідрогенази 126
НАДФ-залежні дегідрогенази 126
НАДН-дегідрогеназа 126,127
НАДН-коензим Q-редуктаза 127,129
НАДФ (див. Нікотинамідаденіндинуклеотид-
фосфат)
Нанізм (див. Карликовість)
Насичені жирні кислоти 72,73,207,208
Натрійуретична система 372,373
Негістонові білки (НГБ) 56,315,316
Недостатність лактази 396
Недостатність сахарази 396
Неестерифіковані жирні кислоти (НЕЖК) 72,
192,193,233
Незамінні амінокислоти 235,250,390,391
Нейрамінідаза 215
Нейрамінова кислота 59
Нейроальбуміни 479
Нейроглобуліни 479
Нейролептики 488,489
Нейромедіатори 331,480-487
Нейропептиди 479,486,487
Нейрофізин 352
Нейтральні жири 74,190,191,209,231,389
Ненасичені жирні кислоти 72,73,208,209
Непереносимість фруктози 164
Нервонова кислота 209
Нецукровий діабет 353
Ніацин (див. Вітамін РР)
Нікотин 482
Нікотинамід 402
Нікотинамідаденіндинуклеотид (НАД) 92,94,
124,125,402
Нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат
(НАДФ) 92,94,124,125,402
Нікотинова кислота 402
Нінгідрин 25
Нітрозаміни 323
Норадреналін 193,261,363,364,483
Норепінефрин (див. Норадреналін)
Нуклеїнові кислоти
- будова, властивості 41-56
- біосинтез ДНК 286-292
- біосинтез РНК 292-299
Нуклеозидаза 281
Нуклеозиди 42,43
Нуклеозиддифосфокінази 276,279
Нуклеозидмонофосфокінази 276
Нуклеопротеїни 36
Нуклеосоми 55,56
5'-Нуклеотидаза 281
Нуклеотиди
- будова,властивості 41-44
- біосинтез, катаболізм 270-283
Нуклеотидцукри 176,185
Ожиріння 174,230-232
Окислення жирних кислот (β-Окислення) 194-197
Окислювальне гідроксилювання 125,221,457
Окислювальне дезамінування 239
501Ïðåäìåòíèé ïîêàæ÷èê
Окислювальне декарбоксилювання
пірувату 144-145
Окислювально-відновлювальні
потенціали 122,123
Окисне фосфорилювання 121,122,130-136
Оксалоацетат 137,138,140,142,153,167,168,
201,202,206
Оксалосукцинат 139
Оксигенази 124
Оксидаза гомогентизинової кислоти 261
Оксид азоту 260
Оксидази 88,124
Оксидази амінокислот 240
Оксидоредуктази 88,124
Окситоцин 352,353
3-Оксіантранілова кислота 262,263
3-Оксіацил-КоА-дегідрогеназа 195
5-Оксііндолоцтова кислота 365
2-Оксоглутарат (див. α-Кетоглутарат)
Олеїнова кислота 72,73,208,209
2',5'-Олігоаденілат 445
2',5'-Олігоаденілатсинтетаза 445
Олігоміцин 135,136
Олігосахаридази 395
Олігосахариди 61,62,186,187
Онкобілки 358
Оперон 311-313
Оператор 311
Опіоїдні пептиди 331,352,486,487
Опсин 413
Органічні пероксиди 256
Орнітин 241,244-246,255
Орнітин-карбамоїлтрансфераза 244,246
Орнітиновий цикл Кребса-Хензелайта 244
Оротидилова кислота (див. Оротидин-5'-
монофосфат)
Оротидин-5'-монофосфат (ОМФ) 276
Оротова кислота (Оротат) 276
Остеопороз 380,381
Паліндроми 296,327,343
Пальмітинова кислота (пальмітат)
- будова 72,73
- окислення 194
- біосинтез 201
Пальмітоолеїнова кислота 73,208
Пантотенова кислота (Вітамін В
3
) 93,96,203,
407,408
Паратгормон 378
Пектини 64,388
Пелагра 399,402
Пеніциліни 71
Пентозофосфатний шлях 143,156-162
Пентозофосфатний цикл 157,160,161
Пентози 58
Пепсин 112,393
Пепсиноген 393
Пептидилтрансферазна реакція 305,306
Пептидна група 24
Пептидні фактори росту (див. Фактори росту)
Пептидоглікани 69,70
Перекисне окислення 125,162,256,409,416
Пернізіозна анемія (див. Хвороба Адисона-
Бірмера)
Пероксидази 91,263
Пігментна ксеродерма 325
Піридоксаль 403
Піридоксальфосфат (ПАЛФ) 93,214,237,238,
240,403
Піридоксамін 403
Піридоксамінфосфат (ПАМФ) 93,237,238,403
Піридоксин (див. Вітамін В
6
)
Піридоксол 403
Піримідини 41,42,275-277
Піровіноградна кислота (див. Піруват)
Пірофосфатаза 177
Пірофосфомевалонова кислота 218
Піруват 142,144,146,147,152,166,167,170,
171,179,202,206
Піруватдегідрогеназа 90,111,144
Піруватдегідрогеназний комплекс 90,144,401
Піруваткарбоксилаза 142,167,172,338,407
Піруваткіназа 151,154
Плазміди 327,328
Плазмін 438,439
Плазміноген 438
Подагра 282
Поживні сполуки 386-392
Поліаміни 50
Поліненасичені жирні кислоти 208,209,389,417
Полісахариди 57,61-67
Порфін 263,264
Порфірини 263-268
Порфіриногени 264
Порфірії 268,269
Порфобіліноген 265,266
Прегнан 367,373
Прегнандіол 374
Прегненолон 223
Преднізолон 370
Проакцелерин 433
Проба Квіка 461
502 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Проба Штауб-Трауготта 175
Прогестагени 223,374
Прогестерон 223,374
Прозерін 483
Проконвертин 433
Пролактин 348
Пролактостатин 346
Пролілгідроксилаза 409
Пролін 21,29,409
Промотори 293,294,311,320
Проопіомеланокортин (ПОМК) 346,350,351
Пропердин 447
Пропіоніл-КоА 259
Пропіоніл-КоА-карбоксилаза 259
Простагландини 209,381-385
Простагландинсинтазний комплекс 383
Простаноїди 382
Простацикліни 209,381-385
Простетичні групи 35
Протаміни 50
α
1
-Протеїназний інгібітор 112,427,437
Протеїназні інгібітори 112
Протеїногенні амінокислоти 20
Протеїнкіназа С 339,340,358
Протеїнкінази 111,114,181,182,192,321,335,
336,445
Протеїнфосфатази 111,180,192
Протеоглікани 35,65,67,68,188,189
Протонна АТФаза (див. АТФ-синтетаза)
Протопорфірини 264
Протопорфірин ІХ (ІІІ) 264,266-268
Протромбін 433,434
Профермент 112
Процесинг пептидів 307,332
Процесинг РНК 299
Псевдоуридин 43
Птероїдглутамінова кислота (див. Фолієва
кислота)
Птомаїни 241
Пурини 41,270-275
Пуроміцин 308,309
Путресцин 241
Рахіт 379,399,417
С-Реактивний протеїн 427
Реакції глюкуронування 459,460
Реакції кон’югації 459-461
Реакції метилювання 254,461
Реакції сульфування 460,461
Регуляторні ферменти 109
Редокс-система 122
Рекомбінантні ДНК 326-329
Рекомбінації (див. Генетичні рекомбінації)
Ремнантні ліпопротеїни 228
Реннін 394
Репарація ДНК 324,325
Реплікація ДНК 284-292
Репресор 311,312
Рест-азот 430
Рестриктази 327,328
Ретиналь 412-414
Ретиноєва кислота 342,
Ретинол (Вітамін А) 412
Рецептори (гормонів та інших ФАС)
- іонотропні рецептори 333
- метаботропні рецептори 333,334
- цитозольні рецептори 341-344
Рецептори нейромедіаторів 480,481
Рецепторні тирозин-кінази 357,358
Рибоза 58
Рибозо-5-фосфат 158,159,270-276
Рибонуклеопротеїни 36
Рибонуклеотиди 270-278
Рибонуклеотидредуктаза 278
Рибосоми 56,302,303
Рибосомні РНК (рРНК) 52,55
Рибофлавін (див. Вітамін В
2
)
Рибулоза 58
Рибулозо-5-фосфат 156-159,270-274
Рилізинг-гормони 345
Рифаміцин 294
Рифампіцин 294
Рівняння Гендерсона-Хассельбаха 424
Рівняння Лайнуївера-Берка 105
Рівняння Міхаеліса-Ментен 104
РНК (рибонуклеїнова кислота)
- будова, властивості 52-55
- мРНК (див. матричні РНК)
- тРНК (див. транспортні РНК)
- рРНК (див. рибосомні РНК)
РНКази 281,299
РНК-полімерази 293-298
РНК-праймер 291
Родопсин 413,414
Розгалужуючий фермент (див. Аміло(1,4-
1,6)трансглікозилаза)
Ротенон 135,136
Рутин 411
Сайленсери 320
Саркомери 469
Сахараза 163,395,396
503Ïðåäìåòíèé ïîêàæ÷èê
Сахарин 389
Сахароза 61,62,163,395
Седогептулозо-7-фосфат 159
Секретин 330,359,360
Сексагени (сексгормони) 373-376
Селен 256
Серин 21,251
Серотонін 263,365,484,485
Серпоподібноклітинна анемія 422
Сечова кислота 281,282
Сечовина 242-247
Сидерофілін (див. Трансферин)
Синдром Гурлера 189
Синдром Гунтера 189
Синдром Дабіна-Джонсона 467
Синдром Ди-Джорджи 448
Синдром Кона 372
Синдром Криглера-Найяра 467
Синдром Леша-Ніхана 282
Синдром Луї-Бар 448
Синдром Марото-Ламі 189
Синдром Моркіо 189
Синдром Санфіліппо 189
Синдром Шейє 189
NO-Синтаза 260
Синтетаза жирних кислот 203,206,207
Синтетази (див. Лігази)
Сироваткові альбуміни (альбуміни) 18,34,
426,463
Система десатурації жирних кислот 208
Система елонгації жирних кислот 207
Система ренін-ангіотензин 372
Сіалова кислота (N-ацетилнейрамінова
кислота) 59,68,77,185
Сіалоглікопротеїни 185
Сквален 218,219
Скорбут (див. Цинга)
Соматоліберин 346,347
Соматомедини 347
Соматостатин 346,347
Соматотропін (див. Соматотропний гормон)
Соматотропний гормон (СТГ) 173,194,346-348
Сорбітол 164
Сорбітолдегідрогеназа 164
Спектрин 85
Спермідин 50
Спермін 50
Сплайсинг 299
Сполука Р 340,359,480
Спру 406
Статеві гормони 373-376
Статини 345
СТГ (див. Соматотропний гормон)
Стеаринова кислота 73,208,209
Стеаторея 398
Стеран 74,367
Стериди 74
Стерини 74
Стероїди 74,217,224,341
Стероїдні гормони 222,223,367-376
Стеркобілін 464-466
Стеркобіліноген 464-466
Стрептокіназа 439
Стрептоміцин 308,309
Субстратне фосфорилювання 141,154
Сукцинат 107,139,199
Сукцинатдегідрогеназа 107,126,128,140
Сукциніл-КоА 139,142,199,248,259,264
Сукцинілтіокіназа 139
Сульфаніламіди 107
Сульфатази 188
Сульфатиди 76,214
Супероксиддисмутаза 91
Сфінгозин 75,213-215
Сфінголіпіди 208,213-216
Сфінголіпідози 189,213,216
Сфінгомієліни 75,76,213-216
Сфінгофосфоліпіди 75
Таласемії 422,423
Таурин 222,257,486
Таурохолева кислота 222,397
Термінація транскрипції 295,296
Термінація трансляції 306,307
Термінуючі кодони 306
Тестостерон 223,375,376
Тета-структури 289
5,6,7,8-Тетрагідрофолієва кислота
(ТГФК,Н
4
-фолат) 93,95,96,251-253,279,
280,406
Тетрагідрофолат (див. 5,6,7,8-Тетрагідро-
фолієва кислота)
3,5,3',5'-Тетрайодтиронін (див. Тироксин)
Тетрациклін 308,309
Технологія рекомбінантних ДНК 326
Тимін 42,45
Тимідилат 279
Тимідилатсинтаза 279,280
Тимідилова кислота (див. Тимідин-5'-
монофосфат)
Тимідилові нуклеотиди 279
Тимідин 43
504 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Тимідин-5'-монофосфат (ТМФ) 43,279
Тиреоглобулін 360,361
Тиреоїдні гормони 360-362
Тиреотоксикоз 349,362
Тиреотропний гормон (ТТГ) 349
Тирозин 22,260,261
Тирозиназа 261,262,352
Тирозинамінотрансфераза 237
Тирозинкінази (див. Рецепторні тирозин-
кінази)
Тироксин 135,360
Тироліберин 346,349
Тиротропін (див. Тиреотропний гормон)
Тіамін (Вітамін В
1
)
Тіаміндифосфат (ТДФ) 90,93,95,96,144,145,401
Тіамінфосфокіназа 401
Тіокінази (Ацил-КоА-синтетази) 194
Тіолаза 199
Тіоредоксин 278
Тіоредоксинредуктаза 278
Тканинне дихання 123
Тканинний тромбопластин 433,436
ТМФ (див. Тимідин-5'-монофосфат)
α-Токоферол 257,416
Топоізомерази 289
Трансальдолаза 156,157,159
Трансамінази (див. Амінотрансферази)
Трансамінування амінокислот 236-239
Трансглутаміназа (Фібрин-стабілізуючий
фактор) 436
Трансдуктори (Білки-трансдуктори) 334,335
Транскетолаза 156,157,159,160,401
Транскрипція РНК 46,292-298
Трансляція 46,304-307
Транспозони 316
Транспортні ліпопротеїни 77
Транспортні РНК (тРНК) 52,54,55,302
Трансферази 88
Трансферин 268,428
Трансформація 46,317
Трансформуючі фактори росту 445
Треонін 22
Триацилгліцероли (див. Тригліцериди)
3,5,3'-Трийодтиронін 360
Тригліцериди
- будова 74
- катаболізм 190,192
- біосинтез 209-211
Тригліцеридліпаза 192
Триплети (Кодони) 13,300,301
Трипсин 101,112,394
Трипсиноген 394
Триптофан 21,262,263
Триптофанпіролаза 263,269
Тріозокіназа 163
Тріозофосфатізомераза 149,163
Тромбін 432-435
Тромбоксани 209,381-385
Тромбоцитарні фактори коагуляції 433
Тропні гормони гіпофіза 349,350
Тропоміозин 471,472,474,475
Тропонін 471,472,474,475
ТТГ (див. Тиреотропний гормон)
Тубулін 468
Уабаїн 61
Убіквітин 322
Убіхінон (див. Коензим Q)
УДФ-1-Галактоза 164,165,185
УДФ-Галактозо-4-епімераза 165
УДФ-1-Гексоза 164
УДФГ-дегідрогеназа 460,467
УДФ-глікогентрансфераза (Глікогенсинтаза) 177
УДФ-1-Глюкоза 164,165,176,177
УДФ-глюкозопірофосфорилаза 177
УДФ-Глюкуронілтрансфераза 460,464,466,467
УДФ-Глюкуронова кислота 460
УМФ (див. Уридин-5'-фосфат)
Урати 257,282
Урацил 42,45
Уреїдосукцинат 275,276
Уридилова кислота (див. Уридин-5'-фосфат)
Уридин 43
Уридиндифосфат (УДФ) 44,276
Уридин-5'-монофосфат (УМФ) 43,276
Уридинтрифосфат (УТФ) 44,176,276
Уробіліноген 465
Уробілін 465,466
Урокіназа 439
Уронові кислоти 60
Уропорфірини 264
Уропорфіриноген І 266,269
Уропорфіриноген ІІІ 265-268
Уропорфіриноген-синтаза 266
УТФ (див.Уридинтрифосфат)
Фавізм 162
ФАД (див. Флавінаденіндинуклеотид)
Фактор Віллебранда (Антигемофільний
глобулін А) 433
Фактори згортання крові 433-436
Фактор ініціації трансляції eIF-2 305,307,
308,321
505Ïðåäìåòíèé ïîêàæ÷èê
Фактор Касла 405
Фактор Кристмаса (Антигемофільний
глобулін В) 433
Фактор Розенталя 433
Фактор Стюарта-Провера 433
Фактор Хагемана 433
Фактори ініціації 305
Фактори некрозу пухлин 445
Фактори росту 331,336,356,358
Фарнезилпірофосфат 219
Фарнохінон 415
Фенілаланін 21,260-262
Фенілаланінгідроксилаза 260,261
Фенілацетат 261,262
Фенілізотіоціанат 40
Фенілкетонурія 261
Фенілпіруват 261
Фенобарбітал 459
Фередоксин 380
Феритин 268,428
Ферменти
- будова, властивості 86-97
- механізми дії 98-103
- кінетика реакцій 103-108
- регуляція 108-114
Ферохелатаза 266
Фетальний гемоглобін 419,422
Фібрилярні білки 31
Фібрин 432,435-437,439
Фібриноген 433-435
Фібриноліз 438,439
Фібринолізин (див. Плазмін)
Фібринстабілізуючий фактор 433
Фіброїн 29
Фібронектин 428
Філохінон 415
Флавінаденіндинуклеотид (ФАД) 92,94,124,
126,402
Флавінзалежні дегідрогенази 126,127
Флавінмононуклеотид (ФМН) 92,94,124,126,402
Флавоноїди 410
Флавопротеїни 126,127
Флуорескамін 25
ФМН (див. Флавінмононуклеотид)
Фолат (див. Фолієва кислота)
Н
4
-Фолат (див. 5,6,7,8-Тетрагідрофолієва
кислота)
Фолатредуктаза 252
Фолацин (див. Фолієва кислота)
Фолієва кислота (Вітамін В
С
) 93,95,252,406
Фолікулостимулюючий гормон (ФСГ) 350,375
Фолітропін (див. Фолікулостимулюючий
гормон)
Формілметіонін 305
Формілметіонін-тРНК 305
Фосфатаза 181,182,192
Фосфатидилетаноламіни 75,211,213
Фосфатидилінозитол-4,5-дифосфат
(ФІФ
2
) 338,339
Фосфатидилсерини 75,213
Фосфатидилхоліни 75,211-213
Фосфатидна кислота 75,210,211,339
3'-Фосфоаденозин-5'-фосфосульфат
(ФАФС) 460
Фосфогексоізомераза 148,160
2-Фосфогліцерат 150
3-Фосфогліцерат 149,150
Фосфогліцераткіназа 33,150
Фосфогліцериди (див. Гліцерофосфоліпіди)
Фосфогліцеромутаза 150
Фосфоглюкомутаза 165,177,179
6-Фосфоглюконат 158
6-Фосфоглюконатдегідрогеназа 158
Фосфоглюконатний шлях (див. Пентозо-
фосфатний шлях)
6-Фосфоглюконолактон 158
Фосфодіестераза циклічних нуклеотидів 112,
113,183,193,336,338
Фосфоенолпіруват 142,150,151,166,167
Фосфоенолпіруваткарбоксикіназа 142,167
Фосфоінозитидна система 337-341
Фосфоліпаза А
2
338,370,383,396,397
Фосфоліпаза С 335,338-340,358,397
Фосфоліпіди
- будова 75,76
- у складі біомембран 79-81
- метаболізм 211-215
4-Фосфопантетеїн 203-205
Фосфопентоепімераза 159
Фосфопентоізомераза 159
Фосфопротеїни 36
5-Фосфорибозиламін 271-272
5-Фосфорибозил-1-пірофосфат (ФРПФ) 272,
274,275
Фосфорилаза a 180
Фосфорилаза b 180,182
Фосфорорганічні сполуки 108,483
Фосфофруктокіназа 151,154,476,478
Фосфохолін 211-213,
Фотосинтез 57,118
Фрагменти Оказакі 290-292
Фруктокіназа 163,164
506 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Фруктоза 57,143,163,164
Фруктоземія 164
Фруктозо-1,6-дифосфат 148,149,166-168
Фруктозо-1,6-дифосфатальдолаза 148
Фруктозо-1,6-дифосфатаза 168,172
Фруктозо-1-фосфат 163,164
Фруктозо-6-фосфат 148,154,157,159-161,163,
166-168
Фруктозо-1-фосфатальдолаза 163,164
Фруктоліз 164
Фруктозурія 164
ФСГ (див. Фолікулостимулюючий гормон)
Фторафур 280
5-Фторурацил 280
Фукоза 57,68,349
Фумараза 140
Фумарат 140,245,248
Фумаратгідратаза (див. Фумараза)
Фумарилацетоацетат 261
Харчові волокна 388
Хвороба Адисона-Бірмера 405
Хвороба Брутона 448
Хвороба Віллебранда 437
Хвороба Гірке 184,452
Хвороба Грейвса 362
Хвороба Гоше 76,216
Хвороба Гюнтера (Еритропоетична
порфірия) 269
Хвороба Жильбера 467
Хвороба Зандхоффа 188
Хвороба Іценко-Кушинга 371
Хвороба кленового сиропу (Лейциноз) 258
Хвороба Вільсона 428
Хвороба Кристмаса 437
Хвороба Мак-Ардля 184
Хвороба Німана-Піка 216
Хвороба Помпе 184
Хвороба Таруї 184
Хвороба Тея-Сакса 77,188,216
Хвороба Форбса 184
Хвороба Херса 184,452
Хвороби накопичення глікогену 184
Хелікази 289
Хеміоосмотична теорія 132-134
Хенодезоксихолева кислота 221-223
Хіломікрони 225-227,431
Хімозин (див. Реннін)
Хімотрипсин 99,101,102,112,394
Хімотрипсиноген 394
Хінолінова кислота 262,263
Хітин 64
Хітозамін (див. Глюкозамін)
Хлорамфенікол 398,309
Хлорофіл 118,263
Хлорофос 483
Холанова кислота 221
Холева кислота 221-223
Холеглобін (Вердоглобін) 462
Холекальциферол (Вітамін D
3
) 378,379,417
Холестерин (холестерол)
- будова, властивості 74,80,82
- біосинтез 217-220
- біотрансформація 220,224
Холестериноз 224
Холестеролестераза 224,396,397
Холецистокінін 359,360
Холін 75,211-213,481,482
Холінацетилтрансфераза 481
Холінорецептори 482
Холофермент 89
Хондрозамін (див. Галактозамін)
Хондроїтинсульфати 65,66,188
Хоріонічний гонадотропін 69,350
Хоріонічний соматомамотропін 348
Хромопротеїни 36
Хромосоми 47,314,315
цАМФ (див. Аденозин-3', 5'-монофосфат
циклічний )
цАМФ-залежні протеїнкінази 114,335,336
цГМФ (див. Гуанозин-3', 5'-монофосфат
циклічний)
цГМФ-залежні протеїнкінази 335
ЦДФ (див. Цитидиндифосфат)
ЦДФ-холін 212-214
ЦДФ-етаноламін 213
Целюлоза (клітковина) 64,388
Цераміди (N-Ацилсфінгозини) 75,76,187,
214-216
Цереброзиди 76,214
Цериди (воски) 74
Церулоплазмін 428,429
Цикл активного метилу 254
Цикл Корі (Глюкозо-лактатний цикл) 170,171
Цикл Кребса (див. Цикл трикарбонових кислот)
Цикл лимонної кислоти (див. Цикл трикар-
бонових кислот)
Цикл Лінена 203,207
Цикл трикарбонових кислот (ЦТК) 120,121,
137-142,145
Цикл Шеміна-Рітенберга 265
507Ïðåäìåòíèé ïîêàæ÷èê
Циклін 321,322
Циклічні нуклеотиди 113,114,335,336
Циклогексимід 308,309
Циклооксигеназа 383
Цинга 399,409
Цинкові пальці 343,362
Цис-аконітат 138
Цистеїн 22,256
Цитидилова кислота (див. Цитидин-5'-
монофосфат)
Цитидин 43
Цитидиндифосфат (ЦДФ) 44,212
Цитидин-5'-монофосфат (ЦМФ) 43
Цитидинтрифосфат (ЦТФ) 44,212,276,277
Цитозин 42,45
Цитокіни (див. Лімфокіни)
Цитомедини 331
Цитохроми 36,88,96,124,127,263,264
Цитохром с-оксидаза 129
Цитохром Р-450 125,219-221,264,370,380,456-458
Цитрат 137,138,168,201,202
Цитратліаза 168
Цитратна човникова система 168
Цитратний цикл (див. Цикл трикарбонових
кислот)
Цитратсинтаза 168
Цитрулін 244-246
Ціаніди 135,136
Ціанокобаламін 404
ЦМФ (див. Цитидин-5'-монофосфат)
ЦТФ (див. Цитидинтрифосфат)
Цукровий діабет 164,174,194,199,232,233,
355,356
Цукрові кислоти 60
Цукрові криві 175
Човникові механізми 152,153,167,201,202
Човникові системи (див. Човникові
механізми)
Човникові шунти (див. Човникові механізми)
Шлях Ембдена-Мейергофа 146
Щавлевооцтова кислота (див. Оксалоацетат)
Янтарна кислота (див. Сукцинат)
Яблучна кислота (див. Малат)
Ядерний хроматин 47,55,315
508 Á³îëîã³÷íà õ³ì³ÿ
Літературний редактор Л.В. Наліжита
Технічні редактори Л.В. Кравчук, С.Т. Сисюк
Коректор Л.П. Лабівська
Комп’ютерна верстка С.В. Левченко
Художнє оформлення обкладинки П.С. Кушик
Підписано до друку 16.02.2000. Формат 70×100/16. Гарнітура Times New Roman.
Друк офсетний. Ум. др. арк. 40,96. Обл.-вид. арк. 37,68. Наклад 5000. Зам. № 10.
Îðèã³íàë-ìàêåò ï³äãîòîâëåíèé ó â³ää³ë³ êîìï’þòåðíî¿ âåðñòêè
âèäàâíèöòâà “Óêðìåäêíèãà”
Ìàéäàí Âîë³, 1, ì. Òåðíîï³ëü, 46001, Óêðà¿íà.
Íàäðóêîâàíî ó äðóêàðí³ âèäàâíèöòâà “Óêðìåäêíèãà”.
Ìàéäàí Âîë³, 1, ì. Òåðíîï³ëü, 46001, Óêðà¿íà.
Підручник
Губський Юрій Іванович
БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ
