Обмен сложных белков — нуклеопротеинов и хромопротеинов

Переваривание нуклеопротеинов и нуклеиновых кислот в ЖКТ: ферменты, химизм, конечные продукты и их всасывание

Нуклеотиды поступают в организм с пищей в составе нуклеопротеинов. После воздействия протеолитических ферментов желудка и кишечника из них освобождаются нуклеиновые кислоты и белковая часть.

Белки перевариваются обычным порядком, нуклеиновые кислоты с помощью дополнительных ферментов.

Панкреатический сок содержит рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы, гидролизующие нуклеиновые кислоты до полинуклеотидов.

После действия панкреатических нуклеаз полинуклеотидазы (или фосфодиэстеразы) кишечника гидролизуют нуклеиновые кислоты до мононуклеотидов. Далее, под действием нуклеотидаз и фосфатаз происходит гидролиз нуклеотидов до нуклеозидов, которые либо всасываются, либо под действием нуклеозидаз слизистой кишечника деградируют до пуриновых и пиримидиновых оснований.

Пути использования в организме продуктов гидролиза нуклеиновых кислот экзо- и эндогенного происхождения

В просвете кишечника пуриновые основания могут подвергаться окислению до мочевой кислоты, которая всасывается и затем выделяется с мочой.

Большая часть тех пуринов, что всосались, в энтероцитах также превращается в мочевую кислоту, при этом не происходит их включения во вновь образующиеся молекулы нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Как и пурины, свободные пиримидины в основном катаболизируют и выделяются без их использования в организме.

Таким образом, нуклеиновые кислоты пищи не поступают из кишечника в кровоток и не выступают в роли поставщика непосредственных предшественников ДНК и РНК клеток организма. И хотя млекопитающие потребляют значительные количества нуклеиновых кислот и нуклеотидов, их жизнедеятельность не зависит от всасывания этих веществ или соответствующих продуктов распада.

Основной путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов: химизм, ферменты

Синтез пиримидиновых оснований происходит во всех клетках организма. В реакциях синтеза участвует глутамин, СО2, аспартат, затрачивается 2 молекулы АТФ.

Условно можно выделить этапы синтеза:

1. Образование карбамоилфосфата, но в отличие от синтеза мочевины эта реакция идет в цитозоле.
2. Образование пиримидинового кольца после присоединения аспарагиновой кислоты и реакции дегидратации. Первым пиримидиновым основанием является оротовая кислота.

3. Синтез оротидилмонофосфата и уридинмонофосфорной кислоты (УМФ). В реакции с фосфорибозилдифосфатом (ФРДФ) к оротовой кислоте присоединяется рибозо-5-фосфат и образуется оротидилмонофосфат, непосредственный предшественник УМФ.

4. Синтез УТФ осуществляется в 2 стадии посредством переноса макроэргических фосфатных групп от АТФ.

5. Синтез ЦТФ происходит из УТФ с затратой энергии АТФ при участии глутамина, являющегося источником NH2-группы.

Основной путь синтеза пуриновых нуклеотидов: начальные стадии биосинтеза. Инозиновая кислота и ее роль. Происхождение атомов пуринового ядра

Синтез пуриновых оснований происходит во всех клетках организма, главным образом в печени.

Исключение составляют эритроциты, полиморфноядерные лейкоциты, лимфоциты.

Условно все реакции синтеза можно разделить на 4 этапа. Но будет рассмотрен только первый этап — начальные стадии биосинтеза пуриновых нуклеотидов.

Первый этап: синтез 5′-фосфорибозиламина.

Рибозо-5-фосфат является тем якорем, на основе которого синтезируется сложный пуриновый цикл.

Первая реакция синтеза пуринов заключается в активации углерода в первом положении рибозо-5-фосфата, это достигается синтезом 5-фосфорибозил-1-дифосфата (ФРДФ).

Вторая реакция – это перенос NH2-группы глутамина на активированный атом С1 рибозо-5-фосфата с образованием 5-фосфорибозиламина. Указанная NH2-группа фосфорибозиламина уже принадлежит будущему пуриновому кольцу и ее азот будет атомом номер 9.

Инозиновая кислота и его роль

Инозиновая кислота или инозин монофосфат (ИМФ) — нуклеотид, являющийся монофосфатом соответствующего рибонуклеозида гипоксантина. Инозиновая кислота играет важную роль в метаболизме.

Биологически важными производными инозиновой кислоты являются пуриновые нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот, а также АТФ, который служит для сохранения химической энергии в клетках.

Происхождение атомов пуринового ядра

Дополнительные пути синтеза нуклеотидов (реутилизация оснований)

Реутилизация пуриновых оснований

Реутилизация пуриновых оснований – это процесс повторного их использования. Он особенно актуален в быстрорастущих тканях (эмбриональная, регенерирующая, опухолевая), когда активно идет процесс синтеза нуклеиновых кислот и недопустима потеря их предшественников.

Сущность реутилизации заключается в присоединении к аденину, гуанину или гипоксантину рибозо-5-фосфата и образовании АМФ, ГМФ или ИМФ. Эту реакцию осуществляют соответствующие трансферазы.

Наиболее характерным примером является реутилизация гипоксантина и гуанина под влиянием фермента гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы. В качестве источника рибозo-5-фосфата используется фосфорибозилдифосфат.

Реутилизация пиримидиновых оснований

Реутилизация пиримидиновых оснований сводится к повторному использованию пиримидиновых нуклеозидов. Свободные основания реутилизироваться не способны. Источником фосфатной группы является АТФ.

Биосинтез дезоксирибонуклеотидов

Особенностью обмена пуринов и пиримидинов является то, что они могут образовывать не только рибонуклеотиды, но и дезоксирибонуклеотиды.

Дезоксирибонуклеотидтрифосфаты необходимы клетке для синтеза ДНК.

Их образование протекает в три реакции:

1. В начале процесса происходит дефосфорилирование рибонуклеозидтрифосфатов с образованием АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ.
2. Далее фермент рибонуклеозид-редуктаза восстанавливает АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ до дезоксирибонуклеозиддифосфатов dАДФ, dГДФ, dЦДФ, dУДФ. Донором водорода для восстановления рибозы является белок тиоредоксин, его SH-группы окисляются кислородом рибозы и образуется вода. Последующее восстановление тиоредоксина в рабочее состояние обеспечивается за счет НАДФН.
3. После образования dАДФ, dГДФ, dЦДФ фосфорилируются, а dУДФ используется для синтеза тимидилового нуклеотида.

Синтез тимидилтрифосфата

Три дезоксинуклеотида – dАТФ, dГТФ, dЦТФ сразу после синтеза используются для синтеза ДНК. Однако известно, что в составе ДНК нет уридиловых нуклеотидов, поэтому dУДФ не превращается в dУТФ, а идет на образование тимидилового нуклеотида.

Участие в этом принимает фермент тимидилатсинтаза.

Донором метильной группы является N5N10-метилен-ТГФК.

Восстановление дигидрофолиевой кислоты до N5N10-метилен-ТГФК происходит при участии двух ферментов – дигидрофолатредуктазы и сериноксиметилтрансферазы.

Распад пиримидиновых нуклеотидов, продукты распада, их судьба

Конечными продуктами реакции являются СО2, NH3, мочевина, β-аланин и β-аминоизомасляная кислота.

β-аланин может служить источником для синтеза ансерина и карнозина, а также для образования КоА. В тканях животных открыта специфическая аминотрансфераза, катализирующая трансаминирование между β-аланином и пировиноградной кислотой. В процессе этой обратимой реакции синтезируются α-аланин и формилацетат (полуальдегид малоновой кислоты):

Образовавшийся формилацетат далее подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием углекислоты и ацетил-КоА,который используется для энергетических целей.

Распад пуриновых нуклеотидов, продукты распада, их судьба

Конечный продукт — мочевая кислота, которая выводится из организма вместе с мочой.

Нарушения обмена пуринов

Гиперурикемия

Самым частым нарушением обмена пуринов является повышенное образование мочевой кислоты с развитием гиперурикемии.

Особенностью является то, что растворимость солей мочевой кислоты (уратов) в плазме крови невелика и при превышении порога растворимости в плазме (около 0,7 ммоль/л) они кристаллизуются в периферических зонах с пониженной температурой.

В зависимости от длительности и тяжести гиперурикемия проявляется:

• Появление тофусов (греч. tophus – пористый камень, туф) – отложение уратных кристаллов в коже и подкожных слоях, в мелких суставах ног и рук, в сухожилиях, хрящах, костях и мышцах.
• Нефропатии в результате кристаллизации мочевой кислоты с поражением почечных канальцев и мочекаменная болезнь.
• Подагра – поражение мелких суставов.

Подагра

Подагра — хроническое заболевание,связанное с нарушением мочекислого обмена веществ: повышенным содержанием в крови мочевой кислоты и отложением в тканях ее солей-уратов. Клинически заболевание проявляется рецивирующим острым артритом и образованием тофусов (уплотнение подкожной клетчатки).

Мочекаменная болезнь

Мочекаменная болезнь заключается в образовании солевых кристаллов (камней) разной природы в мочевыводящих путях. Непосредственно образование мочекислых камней составляет около 15% от всех случаев этой болезни. Мочекислые камни в мочевыводящих путях откладываются примерно у половины больных подагрой. Причиной отложения кристаллов мочевой кислоты является гиперурикемия и повышенное выведение уратов натрия с мочой.

Главным провоцирующим фактором кристаллизации является увеличение кислотности мочи. При понижении рН мочи ниже 5,75 ураты (енольная форма) переходят в менее растворимую кетоформу и кристаллизуются в почечных канальцах.

Ксантинурия

Наследственная болезнь, обусловленная недостаточностью фермента ксантиноксидазы и характеризующаяся нарушением пуринового обмена; проявляется рецидивирующей гематурией и болями в поясничной области, повышением содержания ксантина в плазме крови и моче.

В плазме крови и моче может наблюдаться 10-ти кратное снижение уровня мочевой кислоты, но увеличивается в 10 и более раз экскреция ксантина и гипоксантина.

Основное клиническое проявление – образование ксантиновых конкрементов, величиной до нескольких миллиметров, коричневого цвета, сравнительно мягкой консистенции. Постепенно может развиться патология почек.

Почечная недостаточность — одно из наиболее грозных осложнений у этой категории больных. Это связано с нефролитиазом.

Определение содержания мочевины в сыворотке крови

Принцип метода

Метод основан на образовании мочевины с диацетилмонооксимом продукта красного цвета в присутствии тиосемикарбазида и солей железа. Интенсивность окраски образовавшегося соединения пропорциональна содержанию мочевины и определяется колориметрически при длине волны 540-560 нм (зеленый светофильтр).

Клинико-диагностическое значение

У здорового человека содержание мочевины составляет в сыворотке крови 3,0-8,3 ммоль/л, в слюне – 2,3-2,8 ммоль/л.

Повышение мочевины в крови отмечается при заболеваниях почек (нарушении выделительной функции), при избыточном белковом питании, при интенсивном распаде белка, при обезвоживании (диарея, лихорадка).

Концентрация мочевины в слюне тесно связана с ее содержанием в крови. Основная часть мочевины секретируется в слюну околоушной железой, с увеличением скорости слюноотделения содержание мочевины в смешанной слюне снижается.

Переваривание и всасывание железосодержащих хромопротеинов. Особенности всасывания экзогенного железа

Fе соединяется со специфическим белком и связывается с рецепторами мембраны энтероцита. Поступившее внутрь клетки железо переносится к противоположной стороне мембраны специфическим белком, который отдаёт железо в кровь, а сам разрушается в лизосомах.

При дефиците железа в организме происходит расширение зон всасывания на слизистой оболочке верхнего отдела подвздошной кишки, сопровождающееся усилением синтеза железосвязывающего белка.

Всасывается лишь 5-10% железа, поступившего в организм (около 1 мг в сутки).

Всасыванию способствуют витамин Е, фолиевая кислота, НСl. Тормозят абсорбцию железа ионы Са и Р (поэтому препараты железа нельзя запивать молоком), а также фитиновая кислота (её много в крупах).

Поступление железа из энтероцитов в кровь регулируется синтезом особого белка энтероцитов – апоферритина, который способен связывать абсорбированное железо, что снижает возможность всасывания последнего в капилляры крови из клеток кишечника. При этом из апоферритина образуется ферритин. При дефиците железа в организме последний отдаёт железо в кровь, а если такой необходимости нет, то через несколько дней внутриклеточный ферритин выделяется с калом при десквамации эпителиальных клеток.

Синтез железосодержащих хромопротеинов в тканях

Исходными веществами в этом метаболическом пути являются аминокислота глицин и метаболит цикла Кребса сукцинил-КоА.

Синтез происходит в ретикулоцитах (незрелых эритроцитах, содержащих клеточное ядро). Реакции идут в митохондриях и цитоплазме клеток.

Первая стадия в последовательности реакций, ведущих к синтезу гема, катализируется δ-аминолевулинат-синтазой. Фермент абсолютно специфичен к субстратам; кофакторами фермента являются пиридоксаль-5-фосфат и ионы Mg2+.

Имеются данные о том, что некоторые лекарственные препараты, а также стероидные гормоны, напротив, индуцируют синтез печёночной δ-аминолевулинат-синтазы.

Во второй реакции, катализируемой δ -аминолевулинат-дегидратазой, при конденсации двух молекул δ-аминолевулината образуется порфобилиноген.

В дальнейшем из четырёх молекул порфобилиногена в результате ряда сложных ферментативных реакций образуется протопорфирин IX – непосредственный предшественник гема.

При участии митохондриального фермента феррохелатазы двухвалентное железо включается в уже готовую структуру протопорфирина. Для протекания этой реакции необходимы аскорбиновая кислота и цистеин в качестве восстановителей. Ингибитором феррохелатазы является свинец.

На заключительном этапе происходит соединение гема с белковыми цепями, характерными для синтезируемого хромопротеина. Конечные продукты этого биосинтеза (гем, гемоглобин) подавляют начальные реакции по механизму отрицательной обратной связи.

Распад гемоглобина в тканях. Прямой и непрямой билирубин. Химизм образования прямого билирубина

Эритроциты имеют время жизни примерно 120 дней. При физиологических условиях в организме взрослого человека разрушается около 1 — 2×10¹¹ эритроцитов в сутки. Их катаболизм происходит главным образом в ретикулоэндотелиальных клетках селезёнки, лимфатических узлах, костного мозга и печени.

Этапы образования желчных пигментов:

1. в РЭС (ретикуло-эндотелиальная система);
2. в гепатоцитах;
3. в кишечнике.

Первый этап образования желчных пигментов — в клетках РЭС. Первая реакция катаболизма гема происходит при участии NADPH-зависимого ферментативного комплекса гемоксигеназы. Фермент катализирует расщепление α-метинового мостика между двумя пиррольными кольцами. При этом выделяется эндогенный угарный газ — СО (поступает в эритроциты, где образуется карбоксигемоглобин, норма — до 1,5%). В результате реакции образуется вердоглобин:

Затем от него спонтанно отщепляется белковая часть (глобин) и атом железа. В результате реакции образуется линейный тетрапиррол — биливердин (первый желчный пигмент, имеет зеленый цвет, хорошо растворяется в воде и не проявляющий токсичности). Образовавшийся биливердин ферментативным путем восстанавливается в печени в билирубин, являющийся основным желчным пигментом у человека и плотоядных животных:

Ионы железа, освободившиеся при распаде гема, могут быть использованы для синтеза новых молекул гемоглобина или для синтеза других железосодержащих белков. Транспортной формой железа в плазме крови является белок трансферрин; резервная форма железа в тканях – ферритин.

Нарушения пигментного обмена. Виды желтух

1. Гемолитическая желтуха — ускоренное образование билирубина в результате усиления внутрисосудистого гемолиза любого происхождения — сепсис, лучевое поражение, несовместимость крови по системе АВ0 или резус-фактору, дефект глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, отравление гемолитическими ядами, малярия и т.д.
2. Механическая желтуха развивается вследствие снижения оттока желчи при непроходимости желчного протока. Прямой билирубин поступает в кровь, развивается гипербилирубинемия.
3. Паренхиматозная желтуха. Причиной может быть нарушение на всех трех стадиях превращения билирубина в печени:
   • извлечение билирубина из крови печеночными клетками,
   • конъюгирование билирубина,
   • АТФ-зависимая секреция в желчь.