Добова потреба організму людини в жирах залежно від характеру трудової діяльності

Вид діяльності	Жир
	тваринний	рослинний
Розумова праця:
чоловіки	87	26
жінки	73	25
Легка фізична праця:
чоловіки	106	36
жінки	90	27
Важка фізична праця:
чоловіки	143	43

Перетравлювання ліпідів

Більшість ліпідів засвоюється організмом тільки після попереднього розщеплення. Під впливом травних соків вони гідролізуються до простих сполук (гліцерину, вищих жирних кислот, стеринів, гліколів, H₃PO₄, азотистих основ, вищих спиртів та ін.), які і всмоктуються слизовою оболонкою харчового каналу.

У ротовій порожнині харчі, що містять ліпіди, механічно подрібнюються, перемішуються, змочуються слиною і перетворюються на харчову грудку. У складі слини немає ферментів, здатних гідролітично розщеплювати ліпіди.

Подрібнені харчові маси по стравоходу поступають в шлунок (у жуйних – передшлунок і сичуг). Тут вони перемішуються і просочуються шлунковим соком. У шлунку харчові маси знаходяться від 4 до 12 годин. Шлунковий сік містить деяку кількість ліпази, здатної гідролітично розщеплювати емульгований жир.

З шлунку кормові маси невеликими порціями поступають в дванадцятипалу кишку, потім в тонку і клубову. Тут завершується перетравлювання ліпідів і відбувається всмоктування продуктів їх розщеплення. У перетравлюванні ліпідів беруть участь: жовч, сік підшлункової залози і кишковий сік.

Жовч – це секрет, який синтезується гепатоцитами. Печінка людини щодоби виробляє до 1 літра жовчі, коня – 6 – 7 л, великої рогатої худоби – 6 – 7, свиней – 0,5 – 1, собак – 0,25 – 0,3 л. Розрізняють жовч міхура і печінкову. Густина печінкової жовчі складає 1,009 – 1,013; рН=7,5; вміст води – 96 – 99%. Густина жовчі міхура – 1,026 – 1,048; рН=6,8; вміст води – 80 – 86%. Жовч – в'язка рідина гірка на смак, має специфічний запах, забарвлена в золотисто-жовтий (у людини, свині), червоно-жовтий (у м'ясоїдних) або темно-зелений (у травоїдних) кольори. Має складний хімічний склад. Основу залишку жовчі складають жовчні кислоти, жовчні пігменти, продукти розпаду гемоглобіну, муцин, холестерин, лецитин, жири, деякі ферменти, гормони та ін.

Значення жовчі. Вона нейтралізує харчові маси, що поступають з шлунку в тонку кишку; бере участь в емульгуванні ліпідів, їх розщепленні і всмоктуванні; сприяє нормальній перистальтиці кишок; бактеріостатично діє на мікрофлору кишок. З жовчю виділяються отрути екзо- і ендогенного походження.

Жовчні кислоти синтезуються в печінці з холестерину. Вони знаходяться в жовчі у вільному і зв'язаному (у вигляді парних сполук) стані. Окремі жовчні кислоти – гліко- і таурохолева – існують у вигляді натрієвих солей. Гліко- і таурохолева кислоти містяться в жовчі всіх тварин, холева та літохолева переважає в жовчі травоїдних. Всі жовчні кислоти – похідні холанової кислоти:

Жовчні кислоти знижують поверхневий натяг жирових і інших ліпідних крапель, емульгуючи їх. Це робить субстрат доступним дії гідролітичних ферментів. Жовчні кислоти беруть участь в транспортуванні нерозчинних у воді компонентів (стеринів) через клітинні мембрани в кровоносне і лімфатичне русло. Вони стимулюють виділення соку підшлункової залози і активують діяльність ферментів ліпідного, вуглеводного і білкового обміну.

В тонкій кишці харчові маси просочуються також соком підшлункової залози в якій містяться гідрокарбонат натрію і ліполітичні ферменти: ліпази, холінестерази, фосфоліпази, фосфатази та ін. На ліпіди діють ферменти кишкового соку (ліполітичний фермент, лужна фосфатаза, ін.), які завершують процеси гідролітичного розщеплення „уламків” ліпідних молекул. Перетравлювання різних ліпідів має свої особливості.

Перетравлювання жирів. Основна маса жирів (95 – 97%) перетравлюється в тонкій кишці і, перш за все, в дванадцятипалій. Перетравлювання складається з двох процесів: емульгування і гідролітичного розщеплення жиру. Емульгування відбувається під впливом солей жовчних кислот, вищих жирних кислот, моногліцерину, NaHCO₃, CO₂, білків, ін. Жирові краплі подрібнюються, утворюючи найдрібнішу жирову емульсію внаслідок різкого зниження поверхневого натягу жирових крапель, розпаду їх на дрібні частинки і утворення адсорбата – жир + ліпаза.

Гідроліз. Ліпаза спочатку гідролітично розкладає зовнішні складноефірні зв'язки:

b-Моногліцериди можуть частково всмоктуватися стінкою кишки, йти на ресинтез тригліцеридів організму в тій же стінці кишки або піддаватися подальшому розпаду:

Перетравлювання стеридів. Стериди емульгуються під впливом тих же чинників, що і жири, після чого розщеплюються ферментом холестеролестеразою до холестерину і вищих жирних кислот.

Стериди, що містять залишки насичених жирних кислот розщеплюються важче.

Перетравлювання фосфатидів. Фосфатиди емульгуються під впливом тих же речовин, що і дві попередні групи ліпідів. Гідролітичне розщеплення фосфатидів відбувається під впливом фосфоліпаз А, В, С і D. Кожний фермент діє на певний складноефірний зв'язок ліпіду. Так, під впливом фосфоліпази А гідролізується зв'язок в положенні 2:

Лізолецитин – сильна отрута, міститься у вільному стані в зміїній отруті. В організмі він відразу ж розщеплюється фосфоліпазою В:

Кефаліни і серинфосфатиди під впливом фосфоліпази А гідролізуються до лізокефалін- і лізосеринфосфатидів, які далі розщеплюються фосфоліпазою В.

Гліцерофосфорилхолін під впливом фосфоліпази С гідролізується до гліцерину і холінфосфата:

Фосфоліпаза D гідролізує холінфосфат до холіна і фосфорної кислоти:

Решта ліпідів (діольні ліпіди, віск, інозит- і сфінгозинфосфатиди, ацеталь- і треонінфосфатиди, гліколіпіди, сульфатиди) істотного значення в харчовому балансі не мають.

Всмоктування ліпідів

Більшість ліпідів всмоктується в нижній частині дванадцятипалої і у верхній частині тонкої кишки, інші – в інших ділянках тонкої кишки. Продукти розщеплення ліпідів всмоктуються епітелієм ворсинок. Всмоктуюча поверхня епітеліальної клітини збільшена за рахунок мікроворсинок. Епітеліальна клітина в середньому містить до 3000 мікроворсинок. Кожна мікроворсинка має один субмікроскопічний каналець.

Ліпідні речовини і продукти їх розщеплення проникають у порожнину клітини покривного епітелію двома способами: через субмікроскопічні канальці мікроворсинки і через інтерстеціальні щілини. В першому випадку процес відбувається за допомогою дифузії, осмосу і активного транспортування, в другому – завдяки піноцитозу, тобто захопленню клітинною поверхнею найдрібніших харчових частинок.

У людини і тварин 10% жиру всмоктується у вигляді тригліцеридів, 10% – у ди- і моногліцеридів, 80% – у вигляді продуктів кінцевого гідролізу.

Продукти перетворення ліпідів складаються з дрібних частинок жиру, ди- і моногліцеридів, вищих жирних кислот, гліцерину, гліцерофосфатів, азотистих основ, холестерину, вищих спиртів, фосфорної кислоти та ін. Вони розподіляються в двох фазах: ліпідній і міцелярній. У ліпідній фазі основними компонентами є найдрібніші частинки три- і дигліцеридів, у міцелярній – вищі жирні кислоти, моногліцериди та інші продукти перетворення ліпідів.

Продукти перетворення ліпідів всмоктуються неоднаково. Легко всмоктуються гліцерин і гліцерофосфати, інозин і сфінгозин. Фосфорна кислота всмоктується у вигляді натрієвих і калієвих солей. Азотисті основи всмоктуються за участю нуклеотидів типу цитидиндифосфата, утворюючи комплекс, наприклад цитидин-дифосфатхолін:

Вищі жирні кислоти не розчиняються у воді, але за наявності жовчних кислот утворюють розчинні комплекси – холеїнові кислоти. На одну молекулу вищої жирної кислоти в розчинних комплексах доводиться в середньому 2 – 4 молекули жовчних кислот. Співвідношення між ними в комплексах може бути наступним: 4:1, 7:2, 8:3, 9:3 і т.д. У розчинному комплексі гідрофобний радикал вищої жирної кислоти оточений з усіх боків молекулами жовчних кислот. Гідрофільна частина молекул жовчних кислот розміщується зовні розчинного комплексу і легко взаємодіє з водою. В результаті цього розчинний комплекс легко проникає в порожнину епітеліальної клітини. Найбільший ступінь всмоктування мають олеїнова і масляна кислоти (98 – 90%), менший – пальмітинова і стеаринова (88 – 60%). Стерини теж не розчиняються у воді. Їх всмоктування відбувається після взаємодії з жовчними кислотами і утворення холеїнових кислот. Багато стеринів, особливо рослинного походження, всмоктуються повільно, гальмуючи засвоєння організмом холестерину.

При всмоктуванні окремих ліпідів спостерігається синергізм. Так, ступінь всмоктування жирів і холестерину зростає при збільшенні в кишках екзогенного і ендогенного лецитину. Останній бере участь в утворенні стійких емульсій і хіломікронів. Припускають, що лецитин здійснює перенесення гліцеридів через слизову оболонку кишки в кровоносне русло.

У товстій кишці немає ферментів які б проявляли гідролітичну дію на ліпіди. Ліпідні речовини, які не зазнають змін в тонкій кишці, в цій ділянці харчового каналу піддаються гнильному розкладанню під впливом ферментів мікрофлори. Слиз товстої кишки містить деяку кількість фосфатидів. Частина з них резорбується. Холестерин, що не всмоктався, відновлюється до копростерина.

Проміжний обмін

Обмін ліпідів тісно пов'язаний з обміном вуглеводів, білків, мінеральних сполук і вітамінів, оскільки вони мають багато загальних продуктів метаболізму, що зв'язують обмін речовин в єдине ціле. Проміжний обмін ліпідів має і свої особливості, які заключаються в тому, що в тонкій кишці відразу ж після всмоктування продуктів гідролізу ліпідів в слизовій оболонці відбувається їх ресинтез.

Ресинтез ліпідів. В епітеліальних клітинах слизової оболонки відбувається розпад комплексів на ліпідну частину і переносник. Якщо переносником були жовчні кислоти, то після розпаду комплексу вони поступають у міжклітинний простір, потім – у венозну сітку ворсинки, вени брижейки, ворітну вену і печінку. Жовчні кислоти знову поступають у жовчний міхур, потім по жовчній протоці в дванадцятипалу кишку. У дорослої людини за добу в печінці синтезується 50 г жовчних кислот, а для травлення необхідні 200 г жовчних кислот, тому кожна молекула жовчної кислоти щодоби виконує в середньому чотири „кругообіги”.

Ресинтез ліпідів починається в ендоплазматичній сітці апікальної частини і завершується в базальній частині епітеліальної клітини. В цьому процесі беруть участь мітохондрії (хімічна енергія), пластинчатий комплекс Гольджі (транспорт ліпідів), лізосоми (утилізація продуктів метаболізму) й інші органоїди клітини. Ресинтез ліпідів каталізується багатьма ферментними системами, до складу яких входять гідролази, трансферази, ізомерази, синтетази та ін.

В епітеліальних клітинах з молекул синтезованих ліпідів, крапельок жиру, що всмокталися, вітамінів (А, D, E, К, F) і білків утворюються хіломікрони діаметром 150 – 200 (іноді 500) нм (рис. 1).

Рис. 1. Схема будови хіломікрона

Хіломікрони, які утворилися, дифундують у міжклітинну рідину через бічні поверхні і базальний край клітини. Потім вони поступають у лімфатичний капіляр ворсинки (рис. 2), з нього – в підепітеліальну і підслизову сітку кишки, брижові вузли, грудну лімфатичну протоку і краніальну порожнисту вену. Хіломікрони лімфи грудної лімфатичної протоки містять 86 % гліцеридів, 1,6 – вільного холестерину, 1,6 – стеридів, 8,6 – фосфатидів і 1,5% білків.

Частина ліпідів, в основному, фосфатиди, після ресинтезу поступають з міжклітинного простору в кровоносне русло, печінку і використовується для різних потреб організму.

Ліпіди крові. Різні органи і тканини одержують ліпіди і продукти їх розщеплення з током крові. Кров, що відтікає від тонкої кишки, більш багата ліпідами, ніж кров, що поступає в загальне кровоносне русло від інших систем і органів. У плазмі крові вміст ліпідів досягає 0,7%.

Існує декілька видів транспортування ліпідів: за допомогою хіломікронів, ліпопротеїдів і вільних жирних кислот. Хіломікрони добре розчиняються в плазмі крові, оскільки мають ліофільну білкову оболонку. В основному переносять тригліцериди. Можуть розщеплюватися ліпопротеїд-ліпазою на дрібні частинки, що сприяє їх засвоєнню.

Рис. 2. Механізм перетравлювання і всмоктування ліпідів

Розрізняють a- і b-ліпопротеїди крові. Їх молекули складаються з білкової і ліпідної частин. a-Ліпопротеїди є основними переносниками фосфатидів. b-Ліпопротеїди – переносники холестерину і його ефірів.

Вільні жирні кислоти – найрухоміша форма транспортування ліпідів крові. За допомогою мічених атомів встановлено, наприклад, що пальмітинова кислота зникає з току крові протягом 2 – 3 хвилин. У транспортуванні жирних кислот з мітохондрій у гіалоплазму, де вони піддаються b-окисленню, бере участь карнітин – вітамін В_т.

Важлива роль в активному транспортуванні належить форменим елементам крові. Так, еритроцити беруть участь в перенесенні до тканин і клітин фосфатидів і холестерину, лейкоцити – жирів і фосфогліцеридів. У лейкоцитах міститься багато ліполітичних ферментів, які здійснюють гідроліз ліпідів.

Ліпіди крові використовуються в організмі для пластичних потреб, як джерело хімічної енергії і сировина для синтезу багатьох біологічно важливих речовин. У загальному ліпідному обміні важлива роль належить печінці і жировим депо.

Обмін ліпідів у печінці. У печінці частина ліпідів, що всмокталися, піддається істотним змінам. Решта маси ліпідів після проходження через печінку стає придатною для відкладення в жирових депо у вигляді запасних речовин. У тканинах печінки, перш за все, здійснюється синтез ліпідів, необхідних для її власних потреб. Тут відбувається подовження і вкорочення вуглецевих ланцюгів, утворення і гідрування подвійних зв'язків у радикалах вищих жирних кислот, синтез кетонових тіл, ін.

Молекули вищих жирних кислот в тканинах печінки, як показали досліди з міченими атомами, обновляються протягом 1 – 2, холестерину – 6 – 30 діб. У печінці утворюється щодня близько 5% всіх жирних кислот організму. Печінка – основний орган, де синтезуються різні види фосфатидів для плазми крові.

Обмін ліпідів в жирових депо. Основна маса ліпідів і їх похідних, що поступили, з харчового каналу, відкладається в жирових депо – підшкірній і принирковій клітковині, сальнику, брижі, м'язовій тканині. Жирова тканина на 95% складається з ліпідів.

Хімічний склад резервних жирів визначається складом їжі. Будь-який жир перед тим, як використовуватися тканинами і клітинами, повинен обов'язково побувати в жировому депо. У міру необхідності жири і інші ліпіди з депо поступають у плазму крові, а потім розносяться по всьому організму. Вихід ліпідів з депо регулюється нервовою і гуморальною системами.

Обмін ліпідів в інших органах і тканинах. Ліпіди крові і їх складові частини поступають до різних органів і тканин. У крові хіломікрони під впливом гепарина подрібнюються до дрібних частинок. З током крові вони поступають у міжклітинну рідину, де і піддаються розщепленню під впливом тканинних ферментів. Далі складові частини ліпідів йдуть на синтез специфічних ліпідів для органів, тканин і клітин.

Біосинтез ліпідів

Біосинтез різних груп ліпідів має свої особливості.

Біосинтез жирів. Біосинтез жирів складається з трьох основних етапів: синтез гліцерину, вищих жирних кислот і сполучення їх в молекули тригліцеридів.

Синтез гліцерину. Близько 60% гліцерину утворюється з продукту проміжного обміну вуглеводів – діоксіацетонфосфата, решта поступає за рахунок тріоз пентозного циклу. Під впливом ферменту гліцерофосфатдегідрогенази діоксіацетонфосфат перетворюється в a-гліцерофосфат:

Частина гліцерину утворюється в результаті гідролізу гліцеридів клітин і міжклітинної рідини під впливом ліпаз:

Далі гліцерин під впливом ферменту гліцеролкінази перетворюється в a-гліцерофосфат:

Фосфорилування гліцерину відбувається в більшості тканин і органів, окрім жирової тканини і слизової оболонки тонкої кишки, в яких фермент відсутній.

Біосинтез вищих жирних кислот. Головним компонентом, з якого утворюються вищі жирні кислоти, є ацетил-KoA. Він утворюється в процесі аеробного розпаду вуглеводів, b-окислення жирних кислот та ін.

Розрізняють два типи біосинтезу вищих жирних кислот: мітохондріальний і немітохондріальний. Перший з них протікає в основному в мітохондріях клітин багатьох органів (печінки, серця, мозку, нирок) і деяких тканин (жировій). Реакції каталізують ферменти синтетази, які локалізуються на мембранах органоїдів і здатні подовжувати молекули вже існуючих активованих залишків вищих жирних кислот за рахунок ацетил-КоА і НАД×Н₂:

Другий тип біосинтезу вищих жирних кислот відбувається в гіалоплазмі різних клітин. У ньому беруть участь ферменти карбоксилази, НАДФ×Н₂, АТФ і Mg²⁺. У складі молекул карбоксилази простетична група містить залишок вітаміну біотину, який здатний зв'язувати CO₂.

На першому етапі біосинтезу відбувається вбудовування CO₂ в молекулу біотин-ферменту (ацетил-КоА – карбоксилази) під впливом ферменту карбоксилази:

Потім CO₂ переноситься на ацетил-КоА, що призводить до утворення малоніл-КоА:

На наступному етапі йде поступове нарощування вуглеводневого радикала жирних кислот до потрібної величини за рахунок малоніл-КоА і ацетил-КоА з участю відповідних синтетаз. При цьому на кожному етапі ланцюг жирної кислоти подовжується на два вуглецеві атоми.

Якщо при біосинтезі утворюється пальмітинова кислота, то хімізм взаємодії ацетил-КоА і малоніл-КоА можна виразити так:

Останніми роками встановлений ще один шлях біосинтезу вищих жирних кислот – за допомогою білка ацилпереносника (АПБ), що містить простетичну групу, схожу з KoA. При цьому ацильні групи ацетил-КоА і малоніл-КоА переносяться на тіолові групи АПБ ферментами ацетил- і малонілтрансферазами. Koферментом є НАДФ×Н₂, який утворюється в результаті функціонування пентозного циклу, окислення глутамінової кислоти, ін.

Біосинтез вищих жирних кислот з участю АПБ складається з ряду стадій:

; ;

;

; ; ;

Далі відбувається нарощування вуглеводневого радикала жирної кислоти до величини, необхідної для біосинтезу потрібних клітині ліпідів.

Біосинтез тригліцеридів здійснюється в більшості тканин. Джерелом для синтезу є гліцерофосфат і ацил-KoA. Реакція протікає в декілька стадій. Спочатку утворюється фосфатидна кислота:

Реакцію каталізує мультиферментний комплекс – гліцерофосфатацилтрансфераза, яка локалізується в мікросомах.

Далі фосфатидна кислота під впливом ферменту фосфатидатфосфогідролази перетворюється в a-, b-дигліцерид – проміжний продукт біосинтезу жирів і фосфатидів:

На останній стадії a-, b-дигліцерид під впливом того ж мультиферментного комплексу взаємодіє з ацил-КоА, утворюючи тригліцерид:

Біосинтез стеринів і стеридів. Стериди синтезуються з екзогенного і ендогенного холестерину та вищих жирних кислот. Найбільша кількість холестерину утворюється в тканинах печінки, головного мозку, наднирниках. Сировиною для біосинтезу служить оцтова кислота, оцтовий альдегід, ацетооцтова кислота, ацетон, ізовалеріанова кислота та ін. Будівельним блоком є ацетил-КоА. Біосинтез холестерину складається з ряду стадій, що включають конденсацію ацетилових одиниць в сквален, циклізацію сквалена в ланостерин, деметилювання ланостерина і утворення холестерину. В цих реакціях беруть участь багато ферментів, коферментів, гормонів, макроергічні сполуки (АТФ) та ін.

Розглянемо послідовність стадій біосинтезу холестерину.

1. Спочатку три молекули ацетил-КоА конденсуються у b-окси-b-метилглутарил-КоА:

2. b-Окси-b-метилглутарил-КоА під впливом ферменту редуктази перетворюється на мевалонову кислоту:

3. Під впливом ферменту кінази мевалонова кислота фосфорилується і перетворюється на пірофосфатмевалонову кислоту:

4. Під впливом ферменту декарбоксилази відбувається декарбоксилування пірофосфатмевалонової кислоти; утворюється ізопентилпірофосфат – „активний ізопрен”:

5. Під впливом ферменту ізомерази частина молекул ізопентилпірофосфата ізомеризується в диметилалілпірофосфат:

6. Молекули ізопентилпірофосфата і диметилалілпірофосфата конденсуються з утворенням геранілпірофосфата:

7. Геранілпірофосфат взаємодіє з ізопентилпірофосфатом з утворенням фарнезилпірофосфата:

8. Дві молекули фарнезилпірофосфата конденсуються у вуглеводень сквален С₃₀Н₅₀, що містить шість подвійних зв'язків. Сквален в аеробних умовах циклізується, перетворюючись в ланостерин. Ланостерин деметилюється (втрачає три метильні групи), перетворюючись спочатку в зимостерин, потім – в десмостерин і, нарешті, в холестерин:

Невелика частина холестерину в тканинах синтезується з деяких амінокислот (лейцина). Після дезамінування і окислення утворюється ацетооцтова кислота – джерело b-окси-b-метилглутарил-KoA.

Холестерин характеризується високим ступенем обміну. Так, протягом доби 20% холестерину з міткою в бічному ланцюзі окислюється до CO₂ і H₂O. В окремих органах холестерин служить основою для біосинтезу молекул гормонів і біологічно важливих речовин (жовчних кислот).

Біосинтез фосфатидів. У тканинах і клітинах синтезуються окремі види гліцеро-, інозит- і сфінгозинфосфатидів. Перші стадії синтезу гліцерофосфатидів співпадають з такими при біосинтезі жирів (див. вище). Спочатку утворюються фосфатидні кислоти з фосфотріоз. Потім до них приєднуються вищі жирні кислоти у вигляді ацил-КоА. При утворенні молекули гліцерофосфатида один із залишків вищої жирної кислоти повинен належати ненасиченій жирній кислоті (олеїновій, лінолевій, ліноленовій), що поступає в організм у складі раціону. Під впливом фосфатаз фосфатидні кислоти гідролізуються, перетворюючись і a, b-дигліцериди. a, b-Дигліцериди взаємодіють з активованими азотистими основами, утворюючи молекули відповідних фосфатидів. Активація відбувається так:

Азотиста основа фосфорилується. Холін під впливом ферменту холінкінази перетворюється на фосфорилхолін:

Фосфорилхолін під впливом ферменту холінфосфатцитидилилтрансферази взаємодіє з цитидинтрифосфатом (ЦТФ), перетворюючись в цитидиндифосфат-холін (ЦДФ-холін):

ЦДФ-холін під впливом ферменту холінфосфотрансферази вступає в реакцію з a, b-дигліцеридом, що призводить до утворення фосфатида і виділення цитидинмонофосфата (ЦМФ):

ЦМФ взаємодіє з АТФ під впливом ферменту ГТФ-аденілаткінази, перетворюючись в ЦТФ:

ЦМФ + 2АТФ ® ЦТФ + 2АДФ.

ЦТФ вступає в реакцію з новими порціями фосфатів азотистих основ, виконуючи функції специфічного каталізатора.

Біосинтез інших гліцерофосфатидів протікає аналогічно. В синтезі інозитфосфатидів центральне місце належить цитидиндифосфатдигліцериду, який взаємодіючи з молекулами інозиту, утворює моно-, ди- і триінозитфосфатиди.

Фосфатиди синтезуються у всіх клітинах тваринного організму. Найбільша кількість фосфатидів утворюється в печінці і тонкій кишці. Фосфатиди гепатоцитів запобігають печінковому ожирінню. Для фосфатидів характерний високий ступінь метаболізму.

Біосинтез гліколіпідів. Із всіх гліколіпідів найбільш детально вивчений біосинтез цереброзидів. У цьому процесі беруть участь багато ферментів, коферменти, іони Mn²⁺ та інші речовини. Реакції протікають в такій послідовності.

1. З пальмітил-КоА утворюється пальмітиновий альдегід:

2. Пальмітиновий альдегід конденсується з серином, що призводить до утворення дигідросфінгозина:

3. Дигідросфінгозин дегідрується, утворюючи сфінгозин:

4. Відбувається ацилювання сфінгозина з утворенням цераміда:

5. Церамід вступає в реакцію з УДФ-галактозою, що призводить до утворення цереброзида:

Ліполіз

Ліполізом називається процес ферментативного розщеплення ліпідів тканин і клітин до їх складових частин, які використовуються для задоволення різних потреб організму — енергетичних, пластичних та ін. Обмін різних груп ліпідів, разом із загальними ознаками, має певні особливості.

Перетворення жирів. Під впливом тканинних ліпаз, які активуються солями фосфорної кислоти, нейтральні жири розщеплюються до гліцерину і вищих жирних кислот:

Цей процес найбільш інтенсивно протікає в печінці і легенях. Продукти розпаду жиру відрізняються за своєю хімічною структурою і шляхами перетворення в тканинах і клітинах.

Обмін гліцерину. Після гідролізу жиру гліцерин під впливом ферменту гліцеролкінази фосфорилується. a-Гліцерофосфат, що утворився під впливом ферменту гліцеральдегід-фосфатдегідрогенази окислюється у фосфогліцериновий альдегід, який включається в четверту стадію анаеробного розщеплення вуглеводів або служить джерелом для біосинтезу специфічних жирів тканин, гліцерофосфатів і інших речовин:

Обмін вищих жирних кислот. Механізм розпаду вищих жирних кислот в організмі пояснює теорія b-окислення жирних кислот, запропонована в 1904 р. німецьким біохіміком Ф. Кноопом. Згідно цієї теорії розпад жирних кислот протікає ступінчасто: від молекули жирної кислоти поступово відщеплюються двохвуглецеві фрагменти, розміщені в b-положенні.

Підставою для створення теорії b-окислення послужили такі факти. В кінці XIX ст. було встановлено, що ароматичні кислоти з організму виводяться з сечею в знешкоджуваному стані – у вигляді парних сполук з глікоколом: бензойна – у вигляді гіпурової, фенілоцтова – у вигляді фенацетурової кислот:

,

Ф. Кнооп почав „мітити” жирні кислоти раціону ароматичними радикалами. Якщо мітилась жирна кислота з парним числом атомом вуглецю (масляна, капронова, каприлова і т.д.), то в сечі виявлялася фенацетурова кислота. Якщо в раціоні були присутні кислоти з непарним числом атомів вуглецю (пропіонова, валеріанова), в сечі виявлялася гіпурова кислота. Отже, припустив Ф. Кнооп, в тканинах відбувається розпад жирної кислоти на двохвуглецеві фрагменти, а сама „мітка” в печінці з'єднується з цими фрагментами, утворюючи фенацетурову і гіпурову кислоти. Так була створена схема b-окислення вищих жирних кислот.

Припущення Ф. Кноопа були підтверджені в 1937 р. дослідами Шенхеймера і Ріттенберга. Вони згодовували мишам мічену D₂ (дейтерієм) стеаринову кислоту і через деякий час знаходили в тканинах D-пальмітинову кислоту. Незабаром А. Ленінджер встановлює, що двовуглецевий залишок включається в цикл трикарбонових кислот. А. Ленінджер і співробітники в 1949 р. встановлюють, що процес b-окислення відбувається в мітохондріях. Уточнюються деталі b-окиcлення (Д. Грін, Ф. Лінен, С. Очоа та ін.). Встановлюється, що ненасичені жирні кислоти перед b-окисленням перетворюються в ненасичені. Створюється наступна сучасна схема b-окислення жирних кислот:

1. Під впливом аденілаткінази жирна кислота активується з утворенням ациладенілата:

2. Ациладенілат взаємодіє з HS-KoA під впливом ферменту ацил-КоА-синтетази з утворенням ацил-КоА:

3. Під впливом флавін-залежної дегідрогенази відбувається дегідрування активованого залишку жирної кислоти:

4. Залишок жирної кислоти під дією еноїл-КоА-гідратази гідрується в ділянці розриву подвійного зв'язку з утворенням b-оксиацил-КоА:

5. b-Оксиацил-КоА під впливом b-оксиацил-КоА-дегідрогенази у присутності НАД+ дегідрується, перетворюючись в кетоформу ацил-КоА:

6. Молекула кетоформи ацил-КоА під впливом ферменту ацетоацетил-КоА-тіолази і за наявності однієї молекули KoA розривається на дві частини: ацетил-KoA і ацил-КоА (останній має на два вуглеці менше початкової кислоти):

Ацил-КоА знову піддається b-окисленню до тих пір, поки вся молекула жирної кислоти не розпадеться на двохвуглецеві фрагменти – ацетил-КоА. Ацетил-КоА вступає в цикл трикарбонових кислот і інші реакції.

Вищі жирні кислоти є найважливішим джерелом хімічної енергії в організмі. При повному окисленні одного двохвуглецевого фрагмента жирної кислоти – ацетил-КоА – в мітохондріях утворюється п'ять молекул АТФ (дві – за рахунок ФАД×Н₂ і три – за рахунок НАД×H₂). При повному розпаді стеаринової кислоти утворюється дев'ять молекул ацетил-КоА, які дають 45 молекул АТФ (5 ´ 9 = 45). Якщо молекула ацетил-КоА включається в цикл трикарбонових кислот, то при її окисленні утворюється 12 молекул АТФ. Таким чином, дев'ять молекул ацетил-КоА, які утворилися при розпаді стеаринової кислоти, після окислення в циклі трикарбонових кислот є джерелом 108 молекул АТФ (12 ´ 9 = 108). Повне окислення однієї молекули стеаринової кислоти дає організму 153 молекули АТФ (45 + 108 = 153).

Перетворення стеридів і стеринів. Під впливом тканинних холестеринестераз стериди розщеплюються на холестерин і вищі жирні кислоти:

Вищі жирні кислоти використовуються як джерело хімічної енергії, сировина для синтезу ліпідів і інших речовин. Холестерин піддається різним перетворенням: у печінці з нього утворюються жовчні кислоти, в наднирниках – кортикостероїди, в статевих залозах – андро- і естрогени, ін. Частина холестерину дециклізується з утворенням ацетил-КоА, який бере активну участь в обміні речовин (схема 1).

Схема 1. Використання Ацетил-КоА

В деяких органах (печінка, нирки) двовуглецеві фрагменти молекули холестерину, що розпався, використовуються для біосинтезу глюкози й інших вуглеводів.

Перетворення фосфатидів. Молекула фосфатида розщеплюється в тканинах до спирту (гліцерину, інозиту, сфінгозину), вищих жирних кислот, фосфорної кислоти і азотистих основ. Гідроліз здійснюють ферменти типу фосфоліпаз. Гідроліз може бути повним і частковим. При частковому гідролізі найшвидше оновлюється та частина молекули, в якій був розміщений залишок азотистої основи, повільніше – „скелетна частина”. Фосфатидна кислота використовується тканинами для багатьох цілей – біосинтезу нових молекул різних фосфатидів, утворення нейтральних жирів, ін. Продукти кінцевого гідролізу молекули фосфатида можуть використовуватися тканинами для енергетичних, структурних і інших потреб. Високим ступенем метаболізму характеризуються фосфатиди печінки.

Перетворення решти ліпідів в тканинах. Експериментальні дані свідчать про те, що різні підгрупи гліколіпідів (цереброзиди, гангліозиди, страндин) і сульфатидів характеризуються високим ступенем обміну, особливо в нервовій тканині. Деталі їх тканинного метаболізму вивчені недостатньо.

Кінцевий обмін

Основними кінцевими продуктами ліпідного обміну є дві речовини – вуглекислий газ і вода. Вони виділяються легенями, нирками, товстою кишкою, пітними залозами. Вода виділяється переважно у складі сечі і поту, частково – у складі калу, повітря, що видихається. Основним органом, що виділяє вуглекислий газ, є легені. Кінцевий обмін для окремих груп ліпідів має деякі особливості.

Жири. При повному окисленні жиру в тканинах утворюється вуглекислий газ і вода. Так, якщо до складу молекули жиру входять залишки стеаринової, пальмітинової і лінолевої кислот, то загальне рівняння тканинного розпаду матиме наступний вигляд:

С₅₅Н₁₀₄О₆ + 78O₂ = 55СО₂ + 52H₂O.

Дихальний коефіцієнт (співвідношення між кількістю вуглекислого газу, який утворився при окисленні жиру, і кількістю кисню, необхідного для окислення) тут рівний 0,71.

Стерини і стериди. При окислювальному розпаді стеринів і стеридів кінцевими продуктами є вуглекислий газ і вода. Вони утворюються переважно в результаті b-окислення бічного ланцюга холестерину і залишків вищих жирних кислот. Надлишок холестерину в організмі виводиться разом з жовчю і калом. У тканинах холестерин відновлюється до дигідрохолестерина, а в товстій кишці – до копростерина. Обидві речовини є ізомерами: перша – транс-, друга – цис-формами. Відновлення холестерину протікає в декілька стадій і захоплює нижні ділянки молекули циклічного спирту:

Фосфатиди. Кінцеві продукти обміну фосфатидів – вуглекислий газ і вода – утворюються при окисленні гліцерину, інозиту, сфінгозина, частково азотистих основ; натрієві і калієві солі фосфорної кислоти, сечовина, сечова кислота, креатинін – є продуктами перетворення азотистих основ.

Гліколіпіди і сульфатиди. Кінцевими продуктами розпаду гліко- і сульфоліпідів є вуглекислий газ, вода і деяка кількість азотистих речовин. Залишок сірчаної кислоти, що входить до складу молекули сульфатида, знешкоджується в печінці і виділяється нирками з сечею у вигляді парних сполук: індикана, фенол- і крезолсірчаних кислот.

Регуляція ліпідного обміну

Процеси обміну ліпідів регулюються нейрогуморальним шляхом. Центральна нервова система впливає на ліпідний обмін безпосередньо або через залози внутрішньої секреції. Відповідні ділянки кори великих півкуль головного мозку через вегетативні нервові волокна регулюють склад травних соків, процеси перетравлювання і всмоктування ліпідів, їх біосинтез і мобілізацію. Так, імпульси, які йдуть по симпатичних нервових волокнах, сприяють розпаду ліпідів у жирових депо, імпульси, які йдуть по парасимпатичних, – їх накопиченню. Пошкодження гіпоталамуса викликає ожиріння.

Центральна нервова система корелює різні гормональні впливи на ліпідний обмін. Окремі гормони сприяють накопиченню організмом ліпідів (наприклад, інсулін сприяє накопиченню жирів, ліпокаїн – фосфатидів), інші стимулюють їх розщеплення. Ці явища використовують для направленої дії на ліпідний обмін.

Інтенсивність і спрямованість ліпідного обміну залежать і від складу раціону. Високий вміст в їжі вуглеводів і жирів сприяє надмірному накопиченню жиру. При недостатній кількості в раціоні метіоніна – джерела метильних груп для холіна, порушується ліпідний обмін і наступає патологічне ожиріння печінки.

Патології ліпідного обміну

Ліпідний обмін порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. Часто причиною порушення обміну є неправильно складені раціони. Патологія ліпідного обміну спостерігається при порушенні нейрогуморальної регуляції процесів перетравлювання, всмоктування, біосинтезу і ліполізу ліпідів в цілому і різних груп окремо. Так, при гіпофункціях передньої частини гіпофіза, щитовидної залози, статевих залоз виникають патологічні відкладення жиру. При гіперфункціях щитовидної залози і мозкового шару наднирників відбувається підвищений розпад жирів і різке схуднення організму.

При зниженому синтезі ліполітичних ферментів травними залозами і зменшенні секреції жовчі (фасциолез, гепатити) порушуються процеси перетравлювання і всмоктування ліпідів. Це призводить до виділення неперетравлених ліпідів.

Відсутність у раціоні ліпотропних речовин (холіна і метіоніна) викликає жирове переродження печінки, відсутність жиророзчинних вітамінів зменшує всмоктування, знижує секрецію жовчі, веде до появи дерматитів.

Ліпідний обмін порушується при кетозах. Вони виникають при цукровому діабеті, гепатитах, різних отруєннях. Їх причиною може бути неправильно складений раціон. Так, кетози з'являються при підвищеному маслянокислому бродінні в шлунку і після тривалого голодування. В крові різко зростає вміст кетонових тіл, недоокислених продуктів жирового обміну: ацетооцтової і b-оксимасляної кислот, ацетону. Виникає ацетонемія. При кетозах виникає ацидоз, зменшується вміст глюкози в крові.

Часто зустрічаються порушення обміну холестерину. У хворих виникає надлишок холестерину в крові – гіперхолестеринемія. У внутрішніх органах, особливо в тканинах печінки, спостерігається підвищене відкладення холестерину. Виникає холестериновий цироз печінки. З'являється жовчно-кам'яна хвороба, коли в жовчних ходах і жовчному міхурі відкладається жовчне каміння, що складається на 90 – 99% з холестерину. У ряді випадків на внутрішніх стінках кровоносних судин, особливо артерій, відкладаються частинки холестерину і інших речовин. Це призводить до втрати судинами еластичності, закриттю їх просвіту і виникненню атеросклерозу, а у результаті – до розривів судин, виникненню інфарктів і інсультів, обширних крововиливів.

Іноді спостерігається патологічне відкладення в тканинах центральної нервової системи, селезінки і печінки гангліозидів.

Лекція № 12. Обмін білків.

Обмін білків – центральна ланка всіх біохімічних процесів, які лежать в основі існування живого організму. Інтенсивність обміну білків характеризується балансом азоту, оскільки основна маса азоту організму доводиться на білки. При цьому враховується азот їжі, азот організму і азот продуктів виділення. Баланс азоту може бути позитивним (відбувається надбавка у масі і затримка азоту в організмі), рівним нулю або спостерігатися азотна рівновага (з організму виводиться стільки ж азоту, скільки й поступає) і негативним (розпад білків не компенсується білками їжі). Це слід враховувати при складанні раціонів. Баланс азоту характеризується білковим мінімумом – найменшою кількістю білка в харчовому раціоні, яка необхідна для збереження в організмі азотної рівноваги.

Білки раціону ділять на повноцінні і неповноцінні. Повноцінний білковий раціон містить залишки незамінних амінокислот, які не можуть синтезуватися організмом людини і тварин: валін, ізолейцин, лейцин, лізин, метіонін, треонін, триптофан і фенілаланін. До умовно незамінних амінокислот відносять гістидин (частково синтезується мікрофлорою в харчовому каналі). Решта амінокислот – замінні і можуть синтезуватися в організмах: аланін, аспарагінова і глутамінова кислоти, серин. П'ять амінокислот вважають частково замінними – аргінін, гліцин, тирозин, цистин і цистеїн. Імінокислоти пролін і оксипролін можуть синтезуватися в організмі людини і тварин.

У різних харчових продуктах міститься неоднакова кількість білків, у %: боби гороху – 26; дріжджі – 16; боби сої – 35; зерно пшениці – 13; картопля 2,0 – 5; кукурудза – 9,5; капуста – 1,1 – 1,6; рис – 7,5; морква – 0,8 – 1; буряк – 1,6. Багаті повноцінними білками продукти тваринництва, у %: яловичина – 21,5; баранина – 19,8 – 25; сир – 20 – 36; яйця – 12,6; свинина – 16,5; молоко коров'яче – 3,5; риба – 19 – 20; масло коров'яче – 0,5.

Еталоном повноцінного білка є казеїн, що містить всі незамінні амінокислоти. При складанні раціонів слід враховувати амінокислотний склад білків.

Перетравлювання білків

У харчовому каналі білки піддаються розщепленню до амінокислот, які потім засвоюються організмом.

У ротовій порожнині їжа, що містить білки, механічно подрібнюється, змочується слиною і перетворюється на харчову грудку, яка по стравоходу поступає в шлунок (у жуйних – в передшлунок і сичуг, у птахів – в залозистий і м'язовий шлунки). У складі слини немає ферментів, здатних гідролітично розщеплювати білки корму.

Пережовані харчові маси поступають у шлунок (у жуйних в сичуг), перемішуються і просочуються шлунковим соком.

Шлунковий сік – біологічна рідина, яка синтезується залозами слизової оболонки шлунку. Це безбарвна і злегка опалесціююча речовина r=1,002 – 1,010. У людини протягом доби утворюється близько 2 л, великої рогатої худоби – 30, коней – 20, свиней – 4, собак – до 3 л шлункового соку. Виділення шлункового соку в першій (складно-рефлекторній) фазі визначається видом, запахом і смаком їжі, у другій (нейрогуморальній) – її хімічним складом і механічним роздратуванням рецепторів слизової оболонки. До складу шлункового соку входить 99,5% води і 0,5% нерозчинного залишку. Він включає ферменти – пепсин, ренін, гастриксин, желатиназу, ліпазу; білки – сироваткові альбуміни і глобуліни, мукопротеїни слизу, фактор Касла; з мінеральних речовин – кислоти (в основному соляну) і солі.

Основний фермент шлункового соку – пепсин, а кислотою, яка створює умови для його каталітичної дії, є соляна. В утворенні пепсину беруть участь головні клітини залоз дна шлунку, в утворенні соляної кислоти – обкладочні. Джерелом хлорид-іонів є NaCl, джерелом іонів – H⁺-протони, що поступають із крові в цитоплазму обкладочних клітин внаслідок окисно-відновних реакцій. Так, гістохімічно встановлено, що обкладочні клітини містять СДГ, яка відщеплює при функціонуванні циклу три карбонових кислот (ЦТК) від янтарної кислоти протони і електрони. Протони проникають у шлунковий сік (рН~1) через мембрани судин стінки шлунку (рН~7) проти градієнта концентрації за рахунок різниці електрохімічного потенціалу. При „секреції” 1 г/екв H⁺ з плазми крові в шлунковий сік вільна енергія DG змінюється так:

Джерелом хімічної енергії в обкладочних клітинах є реакції ЦТК.

Соляна кислота створює необхідну кислотність для каталітичної дії ферментів. Так, у людини рН шлункового соку рівний 1,5 – 2, великої рогатої худоби – 2,17 – 3,14, коней – 1,2 – 3,1, свиней – 1,1 – 2,0, птахів – 3,8. Соляна кислота створює також умови для перетворення пепсиногена в пепсин, прискорює розщеплення білків на складові частини, їх денатурацію, набухання і розпушування, перешкоджає розвитку в шлунку гнильних і бродильних процесів, стимулює синтез гормонів кишечнику та ін.

У лабораторній практиці визначають загальну, вільну і зв'язану кислотність шлункового соку. Загальна кислотність характеризує суму всіх кислотореагуючих речовин (зв'язаної і вільної соляної кислоти, органічних кислот, фосфорнокислих солей і ін.) і визначається числом мілілітрів 0,1 н, розчину NaOH, що пішов на титрування 100 мл шлункового соку до появи малинового забарвлення індикатора (фенолфталеїна). Вільна кислотність характеризує вміст у шлунковому сокові вільної соляної кислоти. Її прийнято виражати числом мілілітрів 0,1 н. розчину NaOH, що пішов на титрування 100 мл шлункового соку до появи оранжевого забарвлення індикатора (диметиламінобензола). Зв'язана кислотність характеризує кількість зв'язаних з білками кислот (в основному, соляної кислоти).

У шлунках дітей і молодих тварин синтезується проренін, який при значенні рН <5 перетворюється на ренін. Під його впливом казеїноген молока перетворюється на казеїн.

У шлунку відбувається гідролітичне розщеплення більшості білків. Так, нуклеопротеїди під впливом соляної кислоти і пепсину розпадаються на нуклеїнові кислоти і прості білки. Тут же відбувається розщеплення і інших протеїдів. Під впливом ферментів шлункового соку (пепсину, реніну й ін.) прості білки розщеплюються до складових частин. Так, під впливом пепсину розриваються пептидні зв'язки по краях білкових молекул. Найлегше розриваються пептидні зв'язки, утворені ароматичними і дикарбоновими кислотами. Пепсин легко розщеплює білки тваринного походження (казеїн, міоглобін, міоген, міозин) і деякі рослинні білки, побудовані в основному з моноамінодикарбонових кислот (гліадин і глутелін злаків). Пепсин розщеплює більшість білків, за винятком кератинів шерсті, фіброїнів шовку, муцинів слизу, овомукоїдів, деяких білків кісток і хрящів.

Частина білків розщеплюється іншими протеолітичними ферментами шлункового соку, наприклад, колаген – желатиназою, казеїн – реніном.

Під впливом складових частин шлункового соку, перш за все соляної кислоти і ферментів, білки в шлунку гідролізуються до простетичних груп, поліпептидів, олігопептидів, дипептидів і навіть амінокислот.

Шлункова секреція стимулюється гормоноїдами, які синтезуються ендокринними клітинами слизової оболонки харчового каналу: гастрином, ентерогастрином (в кишках), гістаміном (в шлунку та інших органах).

З шлунку кормові маси порціями поступають в дванадцятипалу кишку і решту відділів тонкої кишки, де завершується гідролітичне розщеплення білків. У ньому беруть участь протеолітичні ферменти секрету підшлункової залози і кишкового соку. Ці реакції протікають в нейтральному і слаболужному середовищі (рН = 7 – 8,7). У тонкій кишці гідрокарбонати секрету підшлункової залози і кишкового соку нейтралізують соляну кислоту:

HCl + NaНCO₃ ® NaCl + H₂СО₃

Вугільна кислота під впливом ферменту карбоангідрази розщеплюється до CO₂ і H₂O. Наявність CO₂ сприяє утворенню в химусі стійкої емульсії, що полегшує процеси травлення.

Близько 30% пептидних зв'язків білків розщеплюється ферментом підшлункової залози трипсином. Він виділяється у вигляді неактивного трипсиногена, але під впливом ферменту слизової оболонки кишок, ентерокінази, перетворюється на активний трипсин. Трипсин розщеплює пептидні зв'язки, утворені COOH-групами аргініну і лізину і NН₂-группами інших амінокислот.

Майже 50% пептидних зв'язків розщеплюється іншим протеолітичним ферментом підшлункової залози – хімотрипсином. Він виділяється у вигляді неактивного хімотрипсиногена, який під впливом трипсину перетворюється на активний хімотрипсин. Фермент розщеплює пептидні зв'язки, утворені СООН-групами фенілаланіна, тирозина і триптофана і NН₂-групами інших амінокислот.

Решта пептидних зв'язків розщеплюється пептидазами кишкового соку і соку підшлункової залози – карбоксипептидазами і амінопептидазами.

У складі соку підшлункової залози є колагеназа (розщеплює колаген) і еластаза (гідролізує еластин). Діяльність травних ферментів активується мікроелементами: Mn²⁺, Mg²⁺, Со²⁺ і ін. Заключний етап перетравлювання білків відображає схема:

Перетравлювання білків відбувається в порожнині кишок і на поверхні слизової оболонки (пристінне травлення). В порожнині кишок відбувається розщеплення білкових молекул, а на поверхні слизової оболонки (і між мікроворсинками) – їх „уламків”: поліпептидів, трипептидів і дипептидів.

Таким чином, під впливом травних соків білки розщеплюються до амінокислот і складових частин – простетичних груп.

Білки і їх похідні, які не розклалися в тонкій кишці у товстій кишці піддаються гнильним процесам. Гниття – багатоступінчастий процес, на різних етапах якого беруть участь різні мікроорганізми: анаеробні і аеробні бактерії роду Bacillus і Pseudomonas, інфузорії та ін. Під впливом бактерійних пептидгідролаз складні білки розщеплюються на протеїни і простетичні групи. Протеїни, у свою чергу, гідролізуються до поліпептидів, дипептидів і амінокислот. Амінокислоти піддаються складним біохімічним перетворенням: дезамінуванню, декарбоксилуванню, внутрішньомолекулярному розщепленню, окисленню, відновленню, метилюванню, деметилюванню і т.д. Виникає ряд отруйних продуктів, які всмоктуються через слизову оболонку кишок у кровоносну і лімфатичну системи і розносяться по всьому організму, отруюючи його органи, тканини і клітини. Частина цих речовин знешкоджується в печінці з утворенням продуктів кінцевого обміну, які виводяться з організму.

Так, у процесі гниття в товстій кишці амінокислоти піддаються декарбоксилуванню, що призводить до утворення отруйних амінів, наприклад трупних отрут – кадаверина і путресцина:

При дезамінуванні (відновному, внутрішньомолекулярному, гідролітичному, окислювальному) утворюється аміак, насичені і ненасичені карбонові кислоти, оксикислоти і кетокислоти:

Бактерійні декарбоксилази можуть викликати подальше розкладання карбонових кислот з утворенням вуглеводнів, альдегідів, спиртів та ін.:

Ці процеси протікають зв'язано і поетапно, що у результаті призводить до виникнення різних продуктів гниття. Так, при гнильному розкладанні циклічних амінокислот утворюються феноли:

При гнильному розкладанні триптофана утворюється скатол і індол:

При гнильному розкладанні цистину і цистеїну утворюються меркаптани, сірководень, метан, вуглекислий газ:

Процеси гниття білків інтенсивно розвиваються при вживанні недоброякісних харчів, порушенні режиму харчування, захворюваннях харчового каналу (атонії шлунку, запорах), інфекційних (паратифі, колібацильозі) і інвазивних (аскаридозі) хворобах. Це негативно позначається на стані здоров'я.

Всмоктування білків

Білки всмоктуються у вигляді амінокислот, низькомолекулярних пептидів (частково) і складових частин простетичних груп. У новонароджених всмоктується частина нерозщеплених білків молозива і молока. Місце всмоктування – мікроворсинки ворсинок епітелію слизової оболонки тонкої кишки. Основна маса продуктів всмоктується в кінці дванадцятипалої, на початку тонкої і клубової кишок. Амінокислоти проникають в клітину через субмікроскопічні канальці мікроворсинок і екзоплазматичну мембрану завдяки процесам дифузії, осмосу, за допомогою білкових переносників проти концентраційного і електрохімічного градієнтів. Перш за все, амінокислота з'єднується з переносником. Це полівалентний іон, який має чотири ділянки для скріплення з нейтральними, кислими і основними амінокислотами, а також з іоном Na⁺. Пройшовши мембрану, амінокислота відщеплюється від переносника і по ендоплазматичній сітці та пластинчатому комплексу поступово переміщується від апікального краю до базальної ділянки ентероцита (рис. 1).

Рис. 1. Схема транспортування амінокислот через мембрану:

А – амінокислота; П – переносник; ПФ – активований переносник; Ф – фосфорна кислота.

Дослідження, проведені з різними ізольованими клітинами, тканинними препаратами, а також у дослідах in vivo, дозволили припустити, що в перенесенні амінокислот через біологічні мембрани перуть участь не менше п'яти специфічних систем. Кожна з них відповідає за перенесення лише певної групи амінокислот, близьких за будовою і властивостями.

Нещодавно одержано дані щодо активного перенесення амінокислот крізь клітинні мембрани в кишках, нирках і мозку. Механізм цього процесу дістав назву g- глутамілтрансферазного циклу. В ньому беруть участь: один мембранно-зв'язаний фермент і п'ять ферментів цитоплазми, а також глутатіон (g-глутамілцистеїнілгліцин), який міститься в усіх тканинах організму. Головну роль у g-глутамілтрансферазному циклі відіграє мембранно-зв'язаний фермент g-глутамілтрансфераза, яка каталізує реакцію:

g-Глутамілтрансфераза, перебуваючи в клітинній мембрані, здійснює транслокацію амінокислот з позаклітинного простору внаслідок реакції транспептидування залишку g-глутамінової кислоти з глутатіону на транспортовану амінокислоту і перенесення утвореної сполуки g-глутаміламінокислоти в клітину. Сюди ж надходить і цистеїнілгліцин. Слід зазначити, що донорами залишку g-глутамінової кислоти можуть бути й інші глутамілпептиди, а всі амінокислоти, крім проліну, можуть виступати у ролі акцепторів.

На наступному етапі g-глутаміламінокислота за участю ферменту g-глутамілциклотрансферази розщеплюється з утворенням вільної амінокислоти і 5-оксипроліну:

Інша сполука, яка утворюється на першому етапі реакції (цистеїнілгліцин), під впливом ферменту пептидази розщеплюється на цистеїн і гліцин.

У процесі здійснення зазначених вище трьох реакцій відбувається перенесення в клітину однієї молекули амінокислоти, при цьому використовується енергія пептидних зв'язків глутатіону.

Для продовження процесу в клітинах відбувається регенерація глутатіону з використанням енергії АТФ. Спочатку 5-оксипролін за участю ферменту 5-оксипролінази перетворюється на L-глутамінову кислоту:

Далі ця кислота взаємодіє з цистеїном з утворенням дипептиду g-глутамілцистеїну:

Реакцію каталізує g-глутамілцистеїнсинтетаза і, нарешті, g-глутамілцистеїн взаємодіє з гліцином, внаслідок чого утворюється глутатіон. Реакцію каталізує глутатіонсинтетаза:

Глутатіон, що утворився, може вступати в новий цикл і переносити в клітину наступну молекулу амінокислоти.

Ферменти g-глутамілтрансферазного циклу виявлено в ряді тканин, в яких проходить активний транспорт амінокислот. Ключовий фермент циклу – g-глутамілтрансфераза у високих концентраціях наявна в епітелії ворсинок тонкої кишки, нирках та інших органах. Разом з цим слід наголосити, що g-глутамілтрансферазний цикл є, очевидно, лише одним з кількох механізмів, які забезпечують транспорт амінокислот у клітинах. Після всмоктування амінокислоти надходять у кров і по системі ворітної вени потрапляють у печінку.

Швидше всмоктуються аргінін, метіонін, лейцин; повільніше – фенілаланін, цистеїн, тирозин; дуже повільно – аланін, серин і глутамінова кислота.

У процесах всмоктування важливе місце належить натрієвому насосу (додавання до суміші амінокислот хлориду натрію прискорює всмоктування). Хімічну енергію, що витрачається при цьому, забезпечують мітохондрії.

Вважають, що в пересуванні амінокислоти по клітині бере участь білковий переносник. У базальній і латеральній ділянках клітини комплекс переносник + амінокислота розщеплюється. Амінокислота дифундує в міжклітинний простір і поступає в кровоносну або лімфатичну системи ворсинок, а іони Na⁺ повертаються до поверхні клітини і взаємодіють з новими порціями амінокислот. Ці процеси регулюються нервовою і гуморальною системами. У товстій кишці білки не всмоктуються. Тут всмоктуються продукти їх гниття: фенол, крезол, індол, скатол та ін.

Проміжний обмін

Продукти всмоктування білків через систему ворітної вени поступають у печінку. Амінокислоти, що залишилися в крові після проходження через печінку, з печінкової вени потрапляють у велике коло кровообігу і розносяться до окремих органів, тканин і клітин. Деяка частина амінокислот з міжклітинної рідини поступає в лімфатичну систему – лімфатичні капіляри ворсинок, підепітеліальну і підслизову сітку судин тонкої кишки, брижові вузли, грудну лімфатичну протоку і краніальну порожнисту вену.

Основна маса амінокислот витрачається на біосинтез білків, частина – на біосинтез біологічно активних речовин (небілкових гормонів, пептидів, амінів та ін.), частина, дезамінуючись, використовується як енергетична сировина і матеріал для біосинтезу ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот та ін.

Біосинтез білків. Проблема біосинтезу білка є однією з основних проблем біохімії. Вона має важливе теоретичне і практичне значення, тісно пов'язана з найактуальнішими питаннями сучасної біологічної науки: виясненням законів спадковості і мінливості, керуванням ростом і розвитком організмів, розкриттям причин виникнення і розробкою методів профілактики та лікування багатьох спадкових захворювань тощо.

Біосинтез білка протікає у всіх органах, тканинах і клітинах. Найбільша кількість білка синтезується в печінці. Синтез білка здійснюють рибосоми. За хімічною природою рибосоми – нуклеопротеїди, що складаються з РНК (50 – 65%) і білків (35 – 50%). У процесі біосинтезу білка рибосоми здійснюють функції: 1) специфічного скріплення і утримання компонентів білок-синтезуючої системи; 2) каталітичної підстанції (при утворенні пептидного зв'язку і гідролізі ГТФ); 3) транслокатора (при механічному переміщенні і- і тРНК).

Рибосоми утворюються самочинно із заздалегідь синтезованих РНК і білків. Вони є складовими частинами гранулярної ендоплазматичної сітки, яка є своєрідною транспортною системою клітини, де відбувається біосинтез і переміщення синтезованих молекул білка.

Рибосоми в клітині знаходяться у вигляді скупчень від 3 до 100 одиниць – полісом (полірибосом, ергосом). Рибосоми сполучені між собою своєрідною ниткою, видимою під електронним мікроскопом, – іРНК (рис. 2). Кожна рибосома здатна синтезувати самостійно один поліпептидний ланцюг, група – декілька таких ланцюгів і молекулу білка. Прикладом великої полірибосомної системи є полісоми м'язової тканини, які синтезують міозин. Полісома складається з 60 – 100 рибосом і здійснює біосинтез молекули білка, який складається з 1800 амінокислотних залишків.

Рис 2. Схема будови рибосоми:

1 – 30S субодиниця; 2 – 50S субодиниця; 3 – іРНК; 4 – аміноацил-тРНК-фермент

Відомо, що в організмах людини і тварин синтезуються мільйони різних білків. Вони відрізняються один від одного, насамперед, хімічною природою та послідовністю розташування залишків амінокислот у поліпептидних ланцюгах, тобто первинною структурою. Інформація про те, яким повинен бути білок, закладена в ДНК у вигляді певної послідовності нуклеотидних залишків у полінуклеотидному ланцюгу.

Оскільки ДНК знаходиться в ядрі, а біосинтез білка відбувається на рибосомах, то ДНК передає інформацію щодо процесу синтезу білка через іРНК, яка синтезується на певній ділянці (гені) одного з нуклеотидних ланцюгів ДНК.

В основі передачі інформації лежить принцип комплементарності. У синтезованій іРНК послідовність нуклеотидів відповідає послідовності нуклеотидів в одному з полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Відмінність полягає лише в тому, що замість тимідинового нуклеотиду в іРНК міститься уридиновий нуклеотид. Процес копіювання даної інформації з ДНК на іРНК називається транскрипцією.

Далі іРНК, діставши інформацію від ДНК, виходить з ядра і переміщується до рибосом. На рибосомах іРНК реалізує цю інформацію в процесі синтезу білка. Іншими словами, на іРНК як на матриці відбувається синтез білка, первинна структура якого визначається інформацією, що іРНК отримала від ДНК. Процес передачі інформації з іРНК, яка закодована в певній послідовності нуклеотидів в її молекулі, на процес розміщення залишків амінокислот у білкових молекулах називається трансляцією.

Отже, передачу інформації від ДНК на синтез білка можна подати схемою:

.

Для синтезу білків використовуються активовані форми амінокислот, які перебувають у зв'язаному стані з відповідними тРНК. Останні переносять їх до місця біосинтезу білка – рибосом. Процес сполучення амінокислот із „своїми” тРНК за участю ферменту аміноацил-тРНК – синтетази називають рекогніцією (від англ. recognice – пізнавати).

Згідно з сучасними уявленнями, біосинтез білків включає ряд складних біохімічних процесів, в яких беруть участь нуклеїнові кислоти, різні ферментні системи, іони металів тощо. Він поділяється на три основні стадії: транскрипцію, рекогніцію і трансляцію. Стадія транскрипції детально описана в темі „ обмін нуклеїнових кислот”, стадії рекогніції і трансляції описані нижче.

Рекогніція. Активація амінокислот відбувається у цитоплазмі за участю високоенергетичної сполуки – АТФ і ферментів – аміноацил-тРНК-синтетаз (аміноацил-синтетаз). Для кожної амінокислоти в клітині є специфічні ферменти, які називаються кодазами. Для виявлення ними максимальної активності необхідні, іони магнію. Дещо меншу активуючу дію мають іони інших двовалентних металів, зокрема марганцю, кобальту і кальцію. Реакцію активації амінокислот схематично можна подати так:

Ця реакція відбувається на поверхні ферменту, що каталізує її, і утворений аміноациладенілат не переходить у розчин, а залишається в комплексі з ферментом. У молекулі аміноациладенілату залишок амінокислоти сполучається з залишком АМФ макроергічним зв'язком, який посилює реакційну здатність амінокислоти.

На наступному етапі комплекс аміноациладенілату з ферментом взаємодіє з тРНК, специфічною для кожної амінокислоти. При цьому аміноацильна група з аміноациладенілату переходить до тРНК з утворенням нового комплексу – аміноацил-тРНК і виділяються АМФ та фермент:

Залишок амінокислоти приєднується до третього атома вуглецю рибози кінцевого нуклеотиду тРНК, макроергічний зв'язок зберігається. Реакцію каталізує той самий фермент, що й реакцію активації амінокислоти – аміноацил-тРНК-синтетаза. У молекулі даного ферменту є дві специфічні ділянки, завдяки яким він здатний „впізнавати”, з однієї сторони, „свою” амінокислоту, а з другої – „свою” тРНК.

Деякі аміноацилсинтетази (наприклад, валінова, лейцинова, ізолейцинова) побудовані з одного поліпептидного ланцюга, інші – з двох, чотирьох і більшої кількості поліпептидних ланцюгів (наприклад, серинова аміноацилсинтетаза складається з двох субодиниць, метіонінова – з чотирьох). Молекулярна маса кожної субодиниці становить 45000. Виявлено аміноацилсинтетази, побудовані з двох і більшої кількості різних субодиниць. Наприклад, гліцинова аміноацилсинтетаза складається з чотирьох субодиниць, дві з яких мають молекулярну масу по 33000, а дві інші – по 80000.

Аміноацилсинтетази виявляють високу специфічність. Для кожної з 20 амінокислот, що входять до складу білків, є своя, і притому лише одна аміноацилсинтетаза. Водночас кожна з них „впізнає” всі тРНК, специфічні для однієї амінокислоти.

Трансляція. Трансляція включає три основні етапи – ініціацію, елонгацію і термінацію.

Ініціація синтезу поліпептидного ланцюга – це утворення ініціюючого комплексу і формування функціонально активної рибосоми. Розміри рибосом характеризують константами седиментації (виражають одиницями Сведберга S). Чим більші розміри мають часточки, тим швидше вони осідають під час ультрацентрифугування і тим вища константа їх седиментації.

Для прокаріот характерні рибосоми, константа седиментації яких становить 70S, а молекулярна маса 3×10⁶. В еукаріотів рибосоми дещо більші. Константа їх седиментації досягає 80S, а молекулярна маса 4,5×10⁶.

Кожна рибосома складається з двох субодиниць – малої і великої. У прокаріот 70S рибосоми побудовані з малої (30S) і великої (50S) субодиниць. Мала субодиниця містить молекулу 16S-PHK і 21 молекулу білків з різною молекулярною масою. 16S-РНК виконує в субодиниці структурну роль, вона необхідна для контакту рибосом з іРНК. Для контакту з іРНК у цій самій субодиниці є зона, в якій розміщена спеціальна акцепторна ділянка (Аср-ділянка) для зв'язування тРНК, яка доставляє активовані амінокислоти.

50S субодиниця містить дві молекули PHK: 23S-РНК, 5S-РНК і 34 молекули різних білків. 23S-РНК виконує структурну роль, а 5S-РНК необхідна для взаємодії субодиниці з тРНК. Отже, iРНК сполучається як з малою, так і з великою субодиницею рибосоми.

На 50S субодиниці рибосоми є дві ділянки – пептидильна, або П-ділянка, і аміноацильна, або А-ділянка; П-ділянка призначена для розміщення поліпептидного ланцюга, що синтезується, а в А-ділянку поступають аміноацил-тРНК.

Рибосоми еукаріот 80S побудовані з малої (40S) і великої (60S) субодиниць. Мала субодиниця містить молекулу 18S-РНК і близько 30 молекул різних білків. До складу великої субодиниці входять молекули 28S-PHK i 5S-РНК, а також близько 50 молекул різних білків. На субодиницях рибосом еукаріот також є система зон і ділянок для контакту і зв'язування iРНК, тРНК та ряду інших компонентів, необхідних для синтезу білка.

За певних умов рибосоми можуть розщеплюватись на субодиниці, тобто дисоціювати, а потім знову сполучатися – асоціювати, що має велике значення в процесі синтезу білка.

Для ініціації синтезу білка крім рибосом і рибонуклеїнових кислот важливим є наявність формілметіоніл-тРНК (тРНК_ф^мет), факторів ініціації (1F-1, 1F-2, 1F-3), ГТФ, іонів магнію тощо.

Формілметіонін утворюється після приєднання метіоніну до тРНК за участю 10-формілтетрагідрофолієвої кислоти і специфічного ферменту – трансформілази. Така тРНК за будовою відрізняється від звичайної метіонінової тРНК. Обидві метіонін-тРНК (формілметіоніл-тРНК і метіоніл-тРНК) „впізнають” на іРНК триплет (кодон) АУГ. Однак даний триплет кодує формілметіонін лише тоді, коли він є початковим (ініціюючим), тобто коли з нього починається синтез поліпептидного ланцюга молекули білка. Якщо даний триплет розміщений не в тому місці іРНК, з якого починається синтез білкової молекули, а далі, всередині полінуклеотидного ланцюга іРНК, то він кодує звичайний метіонін.

Основна роль формільного залишку в метіоніні полягає в тому, що він, зв'язуючи аміногрупу, зумовлює взаємодію карбоксильної групи першої амінокислоти з аміногрупою наступної амінокислоти, тобто відбувається синтез поліпептидного ланцюга в напрямку NH₂ ® СООН. Після закінчення синтезу поліпептидного ланцюга від нього може відщеплюватись формільна група або повністю формілметіонін.

Перед початком процесу ініціації рибосома розщеплюється на субодиниці. Ініціація розпочинається з утворення двох комплексів (рис. 3). Перший подвійний комплекс 1F-3-30S утворюється внаслідок взаємодії меншої субодиниці рибосоми 30S з фактором ініціації 1F-3 (І). Другий трикомпонентний 1F-2×ГТФ×тРНК_ф^мет комплекс утворюється внаслідок взаємодії формілметіонін-тРНК з фактором ініціації 1F-2 і ГТФ (ІІ). Далі ці два комплекси сполучаються в один, який має склад 1F-3-30S-1F-2×ГТФ×тРНК_ф^мет (ІІІ). На наступному етапі цей комплекс за участю фактора 1F-1 взаємодіє з іРНК, утворюючи ініціюючий комплекс (IV). Останній взаємодіє з 50S субодиницею рибосоми, що супроводжується вивільненням факторів ініціації і розщепленням ГТФ на ГДФ і H₃PO₄ (V). За цих умов утворюється функціонально активна 70S рибосома (30S×50S×PHK×тРНК_ф^мет). Механізм ініціації синтезу поліпептидного ланцюга в еукаріот на 80S рибосомах в основному подібний до механізму цього процесу в прокаріот, проте має і специфічні особливості, зокрема число факторів ініціації в еукаріот значно більше, ніж у прокаріот, що, очевидно вказує на їх регулюючу дію.

Елонгація (ріст) поліпептидного ланцюга у момент закінчення ініціації формілметіонін-тРНК розміщена в П-ділянці рибосоми, а А-ділянка вільна і може приймати наступну аміноацил-тРНК.

Перший етап елонгації полягає в доставці аміноацил-тРНК до рибосоми і сполученні її з відповідним кодоном іРНК, розміщеним поряд з початковим (ініціюючим) кодоном АУГ. У цьому процесі беруть участь ГТФ і фактори елонгації EF–Tu, EF–Ts і EF–G (рис. 4). Спочатку перший фактор елонгації взаємодіє з ГТФ і аміноацил-тРНК з утворенням потрійного комплексу EF-Tu×ГТФ×аміноацил-тРНК. Далі цей комплекс доставляється в А-ділянку рибосоми, де й відбувається його дисоціація. Аміноацил-тРНК залишається зв'язаною з рибосомою, а ГТФ гідролізує до ГДФ і відщеплюється від рибосоми у вигляді ГДФ-EF-Tu. Під впливом другого фактора елонгації (EF–Ts) цей комплекс розкладається й обидва фактори знову включаються в доставку наступної молекули аміноацил-тРНК в А-ділянку рибосоми. Джерелом енергії служить нова молекула ГТФ.

На другому етапі елонгації формується пептидний зв'язок в А-ділянці, де розміщується доставлена відповідна аміноацил-тРНК. Сюди з П-ділянки переміщується формілметіонін-тРНК і утворюється перший пептидний зв'язок за рахунок етерифікованої карбоксильної групи формілметіонін-тРНК і аміногрупи, доставленої аміноацил-тРНК. При цьому утворюється пептидил-тРНК:

Процес утворення пептидного зв'язку каталізує фермент пептидил-трансфераза.

Вивільнена тРНК утримується в П-ділянці, а пептидил-тРНК в А-ділянці рибосоми.

На третьому етапі відбувається переміщення (транслокація) пептидил-тРНК з А-ділянки в П-ділянку. Цей процес проходить за рахунок енергії гідролізу другої молекули ГТФ. Реакцію каталізує білковий фактор EF-G, який часто називають рибосомо-залежною гуанозинтрифосфатазою.

Під час транслокації з П-ділянки видаляється вільна тРНК, а іРНК переміщується по рибосомі на довжину одного кодону. За цих умов А-ділянка вивільнюється і може приймати нову амінокислоту з тРНК.

Рис. 3. Схема ініціації білкового синтезу (утворення ініціюючого

комплексу і формування активної рибосоми)

Рис 4. Основні етапи росту пептидного ланцюга

Термінація (закінчення синтезу) поліпептидного ланцюга. Термінація поліпептиду розпочинається при появі певних сигналів, якими є триплети УАА, УАГ, УГА. Ці триплети часто називають беззмістовними, термінаторними або нонсенс-триплетами. У процесі термінації беруть участь фактори RF₁ і RF₂, які каталізують відщеплення синтезованих поліпептидних ланцюгів від рибосоми. Фактор RF₁ реагує на появу УАГ і УАА, фактор RF₂ – на УАА і УГА.

В еукаріот термінація проходить за участю лише одного фактора – RF, для дії якого необхідна ГТФ.

Процес термінації відбувається в кілька етапів. Спочатку поліпептидний ланцюг з А-ділянки рибосоми, де утворюється останній пептидний зв'язок, переміщується в П-ділянку. Далі розривається складноефірний зв'язок між С-кінцевою амінокислотою та її тРНК і білок виходить із рибосоми. Комплекс рибосома×іРНК×тРНК розкладається, рибосома дисоціює на субодиниці. Вивільнені рибонуклеїнові кислоти, очевидно, можуть використовуватись у наступних циклах синтезу білка. Даний процес досить складний і повністю ще не вивчений.

Обчислено, що синтез типового білка, побудованого з ~150 – 200 залишків амінокислот на рибосомах, триває 1 – 3 xв. Отже, кожний цикл роботи рибосоми, що забезпечує подовження поліпептидного ланцюга білка на один залишок амінокислоти, триває частки секунди. З'ясування основних етапів синтезу білка є значним досягненням біології на молекулярному рівні. Уже експериментально встановлена генетична роль нуклеїнових кислот, розкрита суть генетичного коду, основаного на молекулярній структурі ДНК, і цим самим конкретизована природа мутацій – основа еволюції і мінливості живих організмів.

У гіалоплазмі з поліпептидних ланцюгів утворюються відповідні прості і складні білки. Формується вторинна, третинна і у ряді випадків четвертна структура білкової молекули.

Оновлення білків в організмі. Білки знаходяться в динамічному стані і піддаються постійним процесам синтезу і розпаду. У ході життєдіяльності білки поступово „зношуються” – руйнуються їх четвертна, третинна, вторинна і первинна структури. Інактивуются білкові функціональні групи і руйнуються зв'язки в білковій молекулі. Виникає необхідність в заміні „зношених білкових молекул” новими.

В залежності, від ступеня пошкодження білкової молекули походить її часткове або повне оновлення. В першому випадку під впливом спеціальних ферментів оновлюються невеликі ділянки поліпептидних ланцюгів або окремі амінокислотні залишки (транспептидація). В другому випадку відбувається повна заміна „зношеної молекули” білка новою. Пошкоджена молекула білка розпадається під впливом тканинних протеаз або катепсинів I, II, III і IV, що локалізуються в лізосомах. Молекула протеїду розпадається на простетичну групу і простий білок, які піддаються звичайним для цих речовин перетворенням.

Швидкість оновлення білків різних органів і тканин неоднакова. Білки організму людини в цілому оновлюються протягом 135 – 155 діб. Білки печінки, підшлункової залози, стінки кишок і плазми крові оновлюються протягом 10 діб, м'язів – 30, колаген – 300 діб. Синтез молекули білка в клітині протікає швидко – протягом 2 – 5 с. За 1 с в тілі людини руйнується близько 3 млн. еритроцитів, а один еритроцит містить близько 280 млн. молекул гемоглобіну. В організмі дорослої людини щодоби синтезується 90 – 100 г білка (1,3 г на 1 кг маси). Ступінь оновлення зменшується при старінні, хворобах і т.д.

Біосинтез пептидів. Частина ендо- і екзогенних амінокислот йде на синтез пептидів.

Глутатіон. Це трипептид, утворений із залишків глутамінової кислоти, цистеїна і гліцина.

Біосинтез протікає в дві стадії. Так, спочатку під впливом ферменту g-глутамілцистеїнсинтетази утворюється дипептид, потім за участю трипептидсинтетази – трипептид глутатіон:

L-Глутамінова кислота + L-цисцеїн + АТФ D g-Глутамілцистеїн + АДФ + Н₃РО₄;

g-Глутамілцистеїн + Гліцин + АТФ ® Глутатіон + АДФ + Н₃РО₄.

Глутатіон (G–SH) міститься у всіх тканинах і клітинах. Йому належить ведуча роль в окисно-відновних реакціях. Він є складовою частиною багатьох ферментів, захищає SH-групи білків від окислення (див. ферменти). Входить до складу тканинних катепсинів.

Карнозин і ансерин. Дипептиди м'язової тканини. Карнозин утворюється з гістидина і b-аланіна, ансерин – з 1-метил-гістидина і b-аланіна:

Пептиди синтезуються під впливом специфічних ферментів, за участю АТФ і Mg²⁺ іонів. Реакції протікають в дві стадії, наприклад синтез карнозина:

b-Аланін + АТФ + Фермент D Фермент-b-аланінаденілат + Пірофосфат;

Фермент-b-аланінаденілат + L-Гістидин D АМФ + Фермент + Карнозин

Біосинтез окремих амінокислот. Замінні амінокислоти синтезуються в тканинах організму. Незамінні амінокислоти поступають в організм у складі їжі і кормів. Умовно замінні амінокислоти синтезуються в тканинах обмежено (аргінін і гістидин) або за наявності попередників (тирозин і цистеїн). Деяка кількість амінокислот синтезується симбіотичною мікрофлорою в харчовому каналі. Синтез і обмін амінокислот – багатоступінчатий процес, що складається з ряду стадій і каталізується багатьма ферментними системами.

Матеріалом для синтезу амінокислот найчастіше є a-кето- і a-оксикислоти, які утворюються в тканинах при проміжному обміні вуглеводів, ліпідів і інших сполук. Джерелом азоту є аміак і амонійні солі, водню – НАД×H₂ або НАДФ×H₂.

Якщо джерелом амінокислоти є кетокислота, то вона може піддаватися відновному амінуванню, яке протікає в дві стадії: спочатку утворюється імінокислота, потім – амінокислота:

Так утворюється аланін з піровиноградної кислоти.

Щавелевооцтова кислота – джерело утворення аспарагінової і глутамінової кислот:

Частина глутамінової кислоти може синтезуватися з a-кетоглутарової кислоти під дією ферменту L-глутаматдегідрогенази:

Глутамінова кислота використовується тканинами як донор аміногрупи.

Окремі амінокислоти можуть утворюватися з інших амінокислот трансамінуванням під впливом ферментів амінофераз або трансаміназ:

Так утворюється гліцин з серина або треоніна; аланін – з глутамінової і аспарагінової кислот, триптофана або цистеїна; тирозин з фенілаланіна; цистеїн і цистин – з серина або метіоніна; глутамінова кислота – з проліна або аргініна та ін.

Молекулярні механізми специфічності біосинтезу білків. Генетичний код. Як зазначалось вище, синтез білка відбувається на рибосомах ферментативним шляхом відповідно до інформації, закладеної в структурі ДНК. Саме ДНК є матрицею, штампом, у якому запрограмовано відповідну первинну структуру білка, що синтезується. Відомо, що ДНК знаходиться в ядрі клітини, а синтез білка відбувається на рибосомах, тому природно виникає питання, яким шляхом ДНК впливає на специфічність синтезу білка, як саме структура ДНК визначає порядок розташування залишків амінокислот у полінуклеотидному ланцюгу.

Встановлено, що зв'язуючою ланкою між ДНК ядра і рибосомами – місцем біосинтезу білка – є іРНК. Вона передає інформацію від ДНК до рибосом. Цей процес полягає в тому, що на ланцюгу ДНК ядра як на матриці проходить біосинтез іРНК. При цьому іРНК точно копіює послідовність розташування нуклеотидів одного з полінуклеотидних ланцюгів ДНК з тією лише відмінністю, що на місці тимінового нуклеотиду розташовується уридиловий нуклеотид.

Вважають, що на поверхні ДНК, згідно з законом комплементарності, може синтезуватися кілька молекул іРНК. Ділянка, на якій синтезується одна молекула PHK, називається структурним геном, або цистроном.

іРНК, отримавши інформацію від ДНК, у процесі біосинтезу переходить з ядра до рибосом, де бере безпосередню участь у формуванні первинної структури відповідного білка.

Виникає питання, як саме послідовність чотирьох різних нуклеотидів, що становлять структуру нуклеїнових кислот, визначає послідовність розташування 20 залишків амінокислот у білку. Як було розшифровано код білкового синтезу? На перший погляд можливість передачі невеликою кількістю умовних знаків інформації значної кількості можливих комбінацій залишків амінокислот у білкових молекулах може здатись сумнівною. Однак незаперечним є той факт, що всього 32 букви алфавіту передають всю красу і багатство нашої мови, і ці 32 букви можуть бути закодовані азбукою Морзе – комбінацією лише двох знаків – крапки і тире.

Використовуючи чотирьохбуквений алфавіт азотистих основ, можна скласти 4 однобуквених слова – сиглетний код, 16 двобуквених (4 ´ 4 = 16) – дуплетний код або 64 трибуквених слова (4 ´ 4 ´ 4 = 64) – триплетний код. Для 20 амінокислот шістнадцяти двобуквених слів мало, а 64 трибуквених достатньо. У 1954 р. було запропоновано кодове слово з трьох азотистих основ – триплетний код. Однак необхідно було вивчити, які нуклеотиди і в якому порядку у молекулі ДНК (іРНК) відповідають різним амінокислотам. Ці дослідження провели M. Шренберг і Г. Корана, за що були удостоєні Нобелівської премії.

Вчені добули синтетичний PHK-полімер – поліуридилову кислоту. При добавлянні її в систему, де проходив синтез білка, відбувався синтез поліфенілаланіну, а інші 19 амінокислот не включалися в полінуклеотидний ланцюг. Отже, було доведено, що три уридилових залишки (УУУ) кодують включення в поліпептидний ланцюг молекули білка амінокислоти фенілаланіну. Згодом було вияснено склад кодонів для інших амінокислот. Так, кодон ГГГ у структурі нуклеїнової кислоти забезпечує включення в поліпептидний ланцюг глутамінової кислоти, AAA – лізину, ЦЦЦ – проліну тощо (табл. 1).

Перший нуклео-тид

Другий нуклеотид

Третій нуклео-тид

У

Ц

А

Г

У

УУУ УУЦ

УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ

Сер

УГУ УГЦ

Цис

У Ц А Г

УУА УУГ

Лей

УАА* УАГ*

Терм

УГА* УГГ*

Терм Три

Ц

ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ

Лей

ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ

Про

ЦАУ ЦАЦ ЦАА ЦАГ

Гіс

ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ

Арг

У Ц А Г

ААУ ААЦ

Асн

АГУ АГЦ

Сер

АУГ

–

Мет

ГАУ ГАЦ

Асп

ГАА Глу

Таблиця 1. Генетичний код

Наведені в таблиці дані свідчать, що амінокислоти мають по кілька кодонів. Слід наголосити, що з 64 кодонів 61 визначає послідовність розміщення залишків амінокислот у поліпептидному ланцюгу, при цьому кодони ГУГ (валіновий), АУГ (метіоніновий) є також ініціюючими, стартовими кодонами. Три інших кодони – УАГ, УАА, УГА – називають беззмістовними, вони виконують функцію сигналів про закінчення синтезу поліпептидного ланцюга. В таблиці вони позначені зірками.

Аналізуючи таблицю генетичного коду, можна помітити, що перші два нуклеотиди в кодоні важливіші, ніж третій. Деякі дослідники вважають, що заміна третього нуклеотиду в значній частині кодонів не впливає на їх здатність кодувати відповідну амінокислоту. Наприклад, кодування аланіну здійснюється кодонами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ, які відрізняються між собою третім нуклеотидом.

У зв'язку з високою специфічністю перших двох нуклеотидів у кодоні, Ф. Крік у 1965 р. запропонував теорію неоднозначної відповідності, що в точному перекладі означає коливання. З неї випливає, що головне значення при „впізнаванні” кодона антикодоном на рибосомі мають перші два нуклеотиди. Вони повністю підпорядковані комплементарному принципу взаємодії азотистих основ. Третій нуклеотид кодона може вступати у взаємодію більш ніж з одним типом нуклеотидів антикодона. Це сприяє підвищенню стійкості генетичної інформації при пошкодженні ДНК.

Особливості генетичного коду. Насамперед, слід зазначити, що код, очевидно, є універсальним. Він однаковий для всіх організмів – бактерій, рослин і тварин. Правда, одні організми віддають перевагу одним триплетам, другі – іншим. Універсальність коду свідчить про те, що він з'явився на ранніх етапах розвитку живих систем і, очевидно, мало змінюється в ході еволюції.

Іншою характерною особливістю коду є його виродженість, оскільки два і більше триплетів можуть кодувати одну амінокислоту. Хоча код і вироджений, однак він не є неоднозначним. Жоден кодон, крім ініціюючих ГУГ і АГУ, не кодує більше ніж одну амінокислоту.

У більшості випадків виродженість коду зумовлює наявність декількох тРНК для однієї амінокислоти, які відрізняються між собою антикодонами.

Особливістю коду є те, що він не перекривається, тобто нуклеотиди, які входять до складу триплету, не беруть участі в формуванні наступних триплетів. Після зчитування інформації з одного триплету механізм зчитування переміщується відразу на всі три нуклеотиди.

Характерною особливістю коду є його неперервність. Кожний триплет, який кодує відповідну амінокислоту, перебуває поряд з іншим триплетом без проміжних розділяючих ділянок (факторів).

Досить важливою особливістю коду є його однонапрямленість. Кодони під час синтезу білка транслюються в одному напрямку, починаючи з першої нуклеотидної основи. Перша азотиста основа знаходиться біля 5'-нуклеотидного кінця, а остання – біля 3'-кінця, тобто зчитування інформації проходить у напрямку 5' ® 3'.

Слід зазначити також, що протягом останніх років з'явились дані, які свідчать про окремі відхилення від загальноприйнятих особливостей генетичного коду. Так, Б. Берел із співробітниками, вивчаючи нуклеотидну послідовність ДНК мітохондрій людини, встановили, що в цілому в них генетичний код подібний до встановленого раніше. Разом з тим виявлено, що чотири кодони змінили свій зміст. Кодон УГА відповідає триптофану, кодон АУА – метіоніну, а кодони – АГА і АГГ стали термінуючими. В мітохондріях дріжджів всі чотири лейцинових кодони, які починаються з ЦУ, перейшли до треоніну. Отже, у лейцину залишилось лише два кодони, а у треоніну їх стало шість. В одній клітині, зокрема організму людини, виявлено існування двох різних кодів. Ці дані, очевидно, є доказом того, що код зазнав певних, незначних еволюційних змін, і універсальність коду має свої нюанси.

Потребує певних корективів і особливість коду, що він не перекривається. В дослідах з вірусами і деякими бактеріями встановлено, що одна і та сама ділянка ДНК може кодувати кілька різних білків за принципом зміщення рамки зчитування. Так, якщо взяти будь-який код з певною послідовністю нуклеотидів, наприклад ТАГАТГЦГЦА, то при зчитуванні його з першої букви дістанемо триплети ТАГ, АТГ, ЦГЦ, а при зчитуванні з другої букви – зовсім інші триплети: АГА, ТГЦ, ГЦА і т. д. Разом з цим встановлено, що для окремих білків частина послідовностей нуклеотидів спільна. Наприклад, якщо для одного білка дана послідовність нуклеотидів закінчується, то для іншого вона може продовжуватися. Одержані дані свідчать про те, що транскрипція генетичного коду підпорядкована певним контрольним механізмам, які забезпечують вибір певного правильного коду.

Встановлено ряд нових фактів, які підтверджують, що в генах еукаріот є некодуючі ділянки. Іншими словами, гени вищих організмів не неперервні, а побудовані з окремих частин, розділених іншими послідовностями нуклеотидів. Проміжки між цими частинами бувають різними – від 10 до 20 000 пар нуклеотидів.

Генна інженерія і біосинтез білка. Генна інженерія відкриває нову еру в біології. Це пояснюється насамперед тим, що з'явилися нові можливості для проникнення в глибину біологічних явищ з метою повнішої характеристики форм існування живої матерії, ефективнішого вивчення структури і функцій генів на молекулярному рівні для розуміння тонких механізмів роботи генетичного апарата. Разом з цим генна інженерія забезпечує моделювання на молекулярному рівні мутацій і рекомбінацій – основних генетичних процесів, факторів еволюції.

Успішне проведення досліджень у галузі генної інженерії має крім теоретичного важливе практичне значення. Генна інженерія створює основи для пізнання способів та шляхів „конструювання” нових або направленої зміни існуючих організмів, сприяє позитивному розв'язуванню проблеми направленого біосинтезу важливих для організму сполук, зокрема білків. Суть цього процесу полягає в тому, що за допомогою певних методів (синтез на іРНК за участю ревертази, звичайний хімічний синтез) добувають ген, який визначає синтез відповідного білка. Далі такий ген вбудовується у відповідну систему, яка дає йому можливість швидко розмножуватися. Такою системою, яку часто називають вектором, служать плазміди – автономні структури, що несуть свою інформацію у вигляді невеликої циклічної молекули ДНК. Вони виявлені в клітинах бактерій разом з бактеріальною хромосомою. Крім плазмід можна використовувати також інші системи – віруси, фаги і т.д.

Плазміди, що містять вбудований ген (рекомбінантні ДНК), вводять у клітини бактерій, які завдяки цьому набувають здатності синтезувати нові для них речовини. Це основний принцип генної інженерії, мета якої – добування білків людини, тварин і рослин, які особливо необхідні в практичній діяльності, наприклад у медицині. До таких важливих білків належить, наприклад, гормон інсулін. Нестача інсуліну в організмі людини призводить до тяжкого і досить поширеного захворювання – діабету. Для його лікування використовують інсулін тваринного походження, добутий з підшлункової залози великої рогатої худоби або свиней.

Однак останнім часом з'ясовано, що для частини людей він не ефективний або ж викликає сильну алергію. Це пояснюється тим, що інсулін людського і тваринного організмів характеризується певною структурною відмінністю. Отже, виникла потреба у виробництві інсуліну людини. Добувати його синтетично економічно невигідно.

Генна інженерія дала рентабельніший шлях синтезу інсуліну. Добуто штами бактерій з рекомбінантними ДНК, які виробляють проінсулін людини, з якого далі легко добути інсулін.

Другим важливим здобутком генної інженерії є інтерферон – універсальний противірусний препарат. Основою його є білок, який виробляється клітинами організму для боротьби з вірусною інфекцією. Вивчення властивостей інтерферону показало, що він виявляє високу видову специфічність. Тому для лікування людей можна використовувати інтерферон лише людини.

Інтерферон добувають в основному із лейкоцитів донорської крові. Однак такий шлях добування інтерферону досить дорогий і, крім того, не здатний повністю забезпечити потребу в ньому. Тому інтенсивно ведуться роботи по розробці нових методів добування інтерферону, зокрема шляхом генної інженерії. В цьому плані програма добування штаму – продуцента інтерферону – успішно завершена, що дало змогу виробляти препарат у достатніх кількостях. Крім того, методом генної інженерії добуто ще один важливий білок – соматотропін. Це гормон росту людини, до складу якого входить 191 залишок амінокислот. Соматотропін застосовують для лікування карликовості, при переломах кісток, опіках та при інших захворюваннях.

Отже, генна інженерія відкриває нову технологію (біотехнологію) синтезу важливих для організмів людини і тварин речовин, зокрема білків. Це дає можливість значно знизити вартість і розширити асортимент виробництва гормонів, ферментів та інших білкових препаратів, які використовуються в медицині та сільському господарстві.

Регуляція синтезу білка. Необхідною умовою існування живих систем, забезпечення їх життєдіяльності є наявність узгодженої системи регулювання найважливіших процесів, які протікають в них. Це, насамперед, стосується синтезу білка, оскільки оптимальне співвідношення між кількістю і якістю різних білків відіграє важливу роль у забезпеченні ряду життєво важливих процесів як для одноклітинних, так і для багатоклітинних організмів. За участю білків-ферментів здійснюється регуляція обміну речовин, адаптація організмів до зміни умов зовнішнього і внутрішнього середовищ, процеси онтогенезу та диференціації клітин, органів і систем. Тому досить важливим є здійснення контролю за синтезом саме тих білків-ферментів, які необхідні клітині за даних умов залежно від функцій, які вона повинна виконувати. В зв'язку з цим у процесі тривалого еволюційного розвитку живих організмів, незалежно від ступеня їх організації, сформувався досить складний, узгоджений механізм регуляції синтезу білка, який забезпечує сталі якісний та кількісний склад білків, необхідний для виконання певних фізіологічних функцій.

З'ясування суті механізму регуляції синтезу білка є досить складною проблемою, яка ще не повністю розв'язана. Над вирішенням цієї проблеми протягом кількох десятиріч працювала велика група різних дослідників-генетиків, біохіміків, молекулярних біологів. Логічним розвитком даних досліджень стала концепція регуляції синтезу білка, розроблена в 1961 р. лауреатами Нобелівської премії французькими вченими Ф. Жакобо і Ж. Моно. Ґрунтується вона на спостереженнях за індукцією і репресією утворення ферментів у клітинах бактерій E. соlі.

Дослідженнями виявлено збільшення концентрації деяких ферментів бактерій при добавлянні в середовище субстратів, на які вони діють, і зниження концентрації ферментів при наявності кінцевих продуктів реакцій, що каталізуються даними ферментами. Отже, між цими процесами встановлено тісний взаємозв'язок.

Концепція Ф. Жакобо і Ж. Моно, сформульована в дослідах на прокаріотах, дістала широке визнання і вважається загальноприйнятою. Згідно з цією концепцією, регуляція синтезу білка здійснюється на рівні ДНК, молекула якої складається з певних функціональних ділянок – генів, згрупованих залежно від функцій, які вони виконують. Одна група таких функціональних ділянок названа структурними генами, або цистронами, вони містять інформацію про синтез певних поліпептидних ланцюгів білка, на них відбувається синтез молекул іРНК, яка далі надходить до рибосом, де виконує роль матриці в процесі синтезу білка. Початок синтезу іРНК – зчитування генетичної інформації – розпочинається з функціональної ділянки ДНК, яка має назву промотора і є точкою ініціації її синтезу.

Іншу групу функціональних ділянок ДНК становлять регуляторні гени, які регулюють активність структурних генів шляхом їх „включення” та „виключення”. Регуляторні гени представлені геном-оператором, що знаходиться безпосередньо біля групи структурних генів, і геном-регулятором, що знаходиться від них на деякій відстані.

Ген-оператор є ніби пусковим механізмом, який, залежно від умов, дозволяє або гальмує синтез іРНК на структурних генах ДНК. Вважають, що ген-оператор локалізований на крайньому відрізку цистронів і є, очевидно, вихідним пунктом дії ДНК-залежної РНК-полімерази.

Гени-оператори разом з групами структурних генів утворюють групи узгоджено діючих блоків – оперонів, кожен з яких відповідає за взаємозв'язаний синтез ряду специфічних білків, тобто оперон є одиницею транскрипції. Якщо ген-оператор не діє, то весь оперон стає бездіяльним – гальмується синтез іРНК, а отже, і білків, ферментів. Діяльність гена-оператора регулюється геном-регулятором. Оскільки ген-регулятор і структурні гени оперона розташовані на різних ділянках ДНК, то зв'язок між ними забезпечують речовини-посередники – білки-репресори, що утворюються в рибосомах на матриці специфічної мРHK, яка синтезується на гені-регуляторі.

Свою назву білок-репресор дістав завдяки тому, що його дія на ген-оператор гальмує (репресує) діяльність останнього, внаслідок чого припиняється функціонування всієї групи структурних генів. Білки-репресори виявляють спорідненість до гена-оператора і здатність до зворотного зв'язування з ним. Крім того, білок-репресор здатний до специфічного зв'язування з певними низькомолекулярними речовинами, так званими індукторами, або ефекторами.

За звичайних фізіологічних умов репресори можуть перебувати в активному або пасивному стані. Перехід з одного стану в інший регулюється продуктами внутрішньоклітинного обміну або речовинами, що надходять із зовнішнього середовища.

Залежно від стану білка-репресора розрізняють індуцибельну і репресибельну системи генної регуляції синтезу білка.

При індуцибельній системі регуляції білок-репресор, що утворюється на гені-регуляторі, перебуває в активному стані. Його вплив на ген-оператор призводить до блокування діяльності оперона і припинення синтезу іРНК і певних білків-ферментів. Синтез їх може відновлюватися лише тоді, коли в клітині з'являються продукти, для утилізації яких необхідні дані ферменти. Білок-репресор, сполучаючись з цими продуктами (індукторами), втрачає здатність контролювати ген-оператор, внаслідок чого відновлюється синтез іРНК.

Вважають, що індуктор, сполучаючись з білком-репресором, зумовлює зміну його третинної структури, внаслідок чого останній втрачає здатність до зв'язування з субстратом – геном-регулятором. Разом з тим оператор, який виходить з-під контролю гена-регулятора, набуває активності і приводить у дію блок структурних генів, на яких здійснюється синтез іРНК, необхідних для утворення певних ферментів. Оскільки дані ферменти спрямовані на утилізацію Індуктора, білок-репресор буде пасивним доти, поки під впливом ферментів не відбудеться повне розщеплення індуктора. Після цього білок-репресор вивільнюється, переходить в активний стан і блокує оперон, внаслідок чого синтез іРНК, що кодує первинну структуру даних ферментів, припиняється.

Крім індукції генів у клітинах відбувається їх репресія. Особливо часто цей процес спостерігається при процесах синтезу, коли концентрація багатьох ферментів значно знижується при збільшенні концентрації кінцевих продуктів реакцій, що каталізуються даними ферментами. При репресибельній системі регуляції синтезу білка білок-репресор, що синтезується на рибосомах клітини, перебуває в пасивному стані і не може пригнічувати діяльність гена-оператора, а отже, і не контролює діяльність оперона, на якому проходить синтез іРНК. Активація білка-репресора, блокування оперона і припинення синтезу іРНК відбуваються під впливом корепресора, який утворює комплекс з опероном. Корепресорами є кінцеві продукти реакції синтезу, або один з цих продуктів. Є дані, що корепресором у процесі синтезу ферментів обміну амінокислот може бути не вільна амінокислота, як кінцевий продукт реакції біосинтезу, а її комплекс з тРНК (аміноацил-тРНК).

Блокування гена-оператора припиняється тоді, коли вичерпується весь корепресор. Внаслідок цього за відсутності активатора (корепресора) білок-репресор переходить у свій звичайний пасивний стан, вивільнює ген-оператор і групу структурних генів, на яких відновлюється синтез білків-ферментів.

Як зазначалось раніше, концепція Ф. Жакобо і Ж. Моно відносно регуляції синтезу білка стосується нижчих організмів – прокаріот. Механізм регуляції цих процесів у клітинах високоорганізованих організмів – еукаріот – значно складніший. Певний внесок, у розв'язання цієї проблеми зробив Г.П. Георгієв. Згідно з його гіпотезою, в клітинах вищих організмів гени також згруповані в оперони, однак їхній склад не такий простий, як у мікроорганізмів. Основна відмінність полягає в тому, що оперон має ряд генів-операторів і кожен з них реагує з іншим білком-репресором. Блокування будь-якого гена-оператора перешкоджає просуванню ферменту ДНК-залежної PHK-полімерази. Як результат цього синтез іРНК на структурних генах сповільнюється або припиняється зовсім.

Із-за наявності кількох генів-операторів на активність оперона впливає кілька різних факторів. Наприклад, один ген-оператор може блокуватися з підвищенням концентрації певного гормона, інший – з нагромадженням у клітині певного продукту обміну і т.д. Крім цього, один і той самий ген-оператор входить до складу різних оперонів. Тому ці оперони реагують на один і той самий фактор. Це свідчить про те, що будь-який один фактор може регулювати відразу кілька оперонів, а активність одного оперона може залежати від кількох різних факторів. Це створює досить точну і разом з тим гнучку систему саморегуляції.

Слід зазначити, що ряд питань, які стосуються механізмів, що зумовлюють специфічність біосинтезу білків, а також регуляції синтезу білків, вивчено ще недостатньо.

Перетворення амінокислот. В основі перетворення амінокислот лежать три основні види реакцій: реакції за аміногрупою, за карбоксильною групою і за радикалом амінокислоти. Перші два види реакцій однотипні для всіх L-амінокислот. Реакції амінокислот за радикалом досить різноманітні ї специфічні майже для кожної амінокислоти.

Перетворення амінокислоти за аміногрупою. До таких реакцій належать два основні види перетворення амінокислот: дезамінування і переамінування.

Дезамінування – процес відщеплення аміногрупи від амінокислоти з утворенням молекули аміаку. Відомо чотири види дезамінування: окислювальне, відновне, гідролітичне і внутрішньомолекулярне. Під час окислювального дезамінування амінокислоти перетворюються на кетокислоти. Під час відновного дезамінування амінокислоти перетворюються на насичені жирні кислоти. Гідролітичне дезамінування пов'язане з перетворенням амінокислот на оксикислоти. Внутрішньомолекулярне дезамінування характеризується перетворенням амінокислот на ненасичені жирні кислоти (див. розклад білків).

Зазначені вище реакції каталізують специфічні ферменти. Найбільш поширеним в організмах людини і тварин є окислювальне дезамінування. Розглянемо його механізм на прикладі глутамінової кислоти. Спочатку амінокислота при каталітичній дії глутаматдегідрогенази, коферментом якої є НАД+ або НАДФ+ (для дегідрогеназ інших амінокислот коферментом є ФМН), окислюється до іміноглутарової кислоти:

Далі іміноглутарова кислота спонтанно, без участі ферменту гідролізує з утворенням a-кетоглутарової кислоти й аміаку:

Слід зазначити, що обидві реакції оборотні. Це свідчить про те, що з a-кетоглутарової кислоти може утворюватись глутамінова кислота. Іншим видом перетворення амінокислот за аміногрупою є переамінування (трансамінування) амінокислот. Цей процес перетворення амінокислот дослідили радянські біохіміки O.Є. Браунштейн і M.Г. Кріцман у 1937 р. Вони експериментально встановили, що під час взаємодії глутамінової і піровиноградної кислот можуть утворюватись a-кетоглутарова кислота та аланін без проміжного утворення аміаку. Ці дані наштовхнули вчених на думку, що аміногрупа з амінокислоти за допомогою ферментативних систем може переноситись на кетокислоти. При цьому амінокислота перетворюється на кетокислоту, а кетокислота – в амінокислоту:

Дослідження механізму переамінування показало, що в цьому процесі беруть участь ферменти амінотрансферази, коферментом яких є фосфорний ефір вітаміну B₃ (піридоксальфосфат). Під час реакції піридоксальфосфат приєднує аміногрупу амінокислоти і перетворюється на фосфопіридоксамін, після чого віддає аміногрупу кетокислоті і знову перетворюється на піридоксальфосфат. Розглянемо механізм процесу переамінування на прикладі взаємодії глутамінової і піровиноградної кислот. Для зручності піридоксальфермент позначимо:

На першій стадії відбувається взаємодія глутамінової кислоти з піридоксальферментом, в результаті чого утворюється фермент-субстратний комплекс. Далі відбувається таутомерне перегрупування комплексу, пов'язане з переміщенням атома водню від залишку глутамінової кислоти до піридоксалю, внаслідок чого подвійний зв'язок також переміщується і виникає між атомами азоту і вуглецю глутамінової кислоти:

Після таутомерного перегрупування відбувається гідролітичне розщеплення фермент-субстратного комплексу з утворенням a-кетоглутарової кислоти і піридоксамін-ферменту:

Піридоксамін-фермент, що утворився, взаємодіє з піровиноградною кислотою з утворенням іншого фермент-субстратного комплексу:

У цьому комплексі знову відбувається перегрупування:

Далі відбувається гідроліз комплексу з утворенням амінокислоти (аланіну) і виділенням піридоксаль-ферменту:

Отже, у процесі переамінування амінокислота (глутамінова) перетворилась на кетокислоту (a-кетоглутарову), а кетокислота (піровиноградна) – на амінокислоту (аланін). Переамінування амінокислот відбувається у різних органах і тканинах. Воно відіграє важливу роль у процесах синтезу необхідних для організму амінокислот. Кетокислоти, що утворюються внаслідок переамінування, можуть використовуватись для синтезу ліпідів, вуглеводів та інших речовин.

Слід зазначити, що між переамінуванням і окислювальним дезамінуванням існує певний зв'язок. Він полягає в існуванні непрямого дезамінування, тобто в перенесенні аміногрупи a-амінокислоти на a-кетоглутарову кислоту шляхом трансамінування. При цьому a-амінокислота перетворюється на кетокислоту, а глутамінова кислота піддається дезамінуванню з утворенням a-кетоглутарової кислоти й аміаку:

Зазначені реакції свідчать про те, що дезамінування вихідної амінокислоти відбувається не безпосередньо, а через трансамінування за участю a-кетоглутарової кислоти як акцептора аміногрупи.

Перетворення амінокислот за карбоксильною групою. До таких реакцій належать реакції декарбоксилування амінокислот з утворенням аміноациладенілатів.

Процес декарбоксилування амінокислот досить поширений як у тваринних, так і в рослинних організмах. Він пов'язаний з відщепленням від молекули амінокислоти CO₂ за рахунок карбоксильної групи, в результаті чого утворюються відповідні аміни.

Реакції декарбоксилування каталізують ферменти декарбоксилази. У вигляді коферменту в їх складі виступає піридоксальфосфат. Винятком є декарбоксилаза гістидину.

Аміни, що утворюються в процесі декарбоксилування, мають високу біологічну активність, тому їх називають також біогенними амінами. Наприклад, під час декарбоксилування глутамінової кислоти утворюється g-аміномасляна кислота:

Ця амінокислота відіграє важливу роль у функціональній діяльності центральної нервової системи.

Іншим прикладом є декарбоксилування гістидину з утворенням гістаміну:

Гістамін здатний розширювати судини, знижувати кров'яний тиск, а також активізувати діяльність залоз внутрішньої секреції.

Слід зазначити, що аміни виявляють фізіологічну дію при досить малих концентраціях.

Нагромадження їх в організмі може викликати порушення ряду біохімічних процесів. Щоб запобігти цьому, в тканинах є активна амінооксидаза, яка каталізує процеси окислення амінів до альдегідів і кислот, частина яких виводиться з організму з сечею, а інша частина піддається перетворенням.

Процеси декарбоксилування більш характерні для мікроорганізмів і протікають дещо обмежено в організмах людини і тварин.

Іншою характерною реакцією амінокислот за карбоксильною групою є утворення аміноациладенілатів.

Реакція відбувається за участи специфічного ферменту і АТФ:

Утворення аміноациладенілатів має важливе значення для активації амінокислот, які включаються в процес біосинтезу білка.

Перетворення амінокислот за радикалами. Для амінокислот, крім реакцій за аміно- та карбоксильною групами, властиві хімічні перетворення, пов'язані з реакціями за радикалом.

Характерною особливістю радикалів амінокислот є те, що вони містять різні функціональні групи, рухомі атоми водню тощо. Цим зумовлена активна участь їх в багатьох хімічних реакціях, частина з яких приводить до утворення ряду замінних амінокислот в організмі.

Для прикладу розглянемо реакції окислення окремих амінокислот. Так, під час окислення радикала амінокислоти фенілаланіну утворюється амінокислота тирозин:

Реакцію каталізує фермент фенілаланін-гідроксилаза.

Активну участь в окисно-відновних процесах беруть радикали сірковмісних амінокислот – цистеїну і цистину. Наприклад, під час окислення двох молекул цистеїну утворюється молекула амінокислоти цистину:

Реакція відбувається за участю ферменту цистеїнредуктази, коферментом якої є НАД+.

При повному окисленні сульфгідрильної групи цистеїну утворюється цистеїнова кислота, яка під час декарбоксилування перетворюється на таурин:

Важливе значення для організму мають реакції трансметилування, які здійснюються за участю АТФ. У цих процесах універсальним донором метальної групи є амінокислота метіонін. Спочатку метіонін взаємодіє з АТФ, внаслідок чого утворюється S-аденозилметіонін – активна форма метіоніну:

Цю реакцію каталізує фермент S-аденозилметіонінсинтетаза. Далі метильна група за участю S-метиладенозилметіоніну переноситься на сполуку, яка піддається метилюванню, наприклад на диметиламіноетанол. При цьому утворюється холін і S-аденозилгомоцистеїн. Реакція каталізується метилтрансферазою:

Іншим прикладом перетворення амінокислот за радикалом може бути гідролітичне розщеплення аргініну за участю ферменту аргінази. При цьому утворюється амінокислота орнітин і сечовина:

Слід підкреслити що радикалу кожної амінокислоти властиві певні хімічні перетворення.

Обмін окремих амінокислот має індивідуальні особливості.

Гліцин. Бере участь у ряді найважливіших реакцій біосинтезу. Так, з нього утворюються:

У тканинах печінки гліцин бере участь в процесах знешкодження отруйних сполук – бензойної, фенілоцтової кислот і фенолів, утворює парні сполуки, які виводяться з сечею з організму.

Аланін. Утворюється трансамінуванням піровиноградної кислоти (див. вище). Існує у вигляді a- і b-форм. Бере участь у біосинтезі:

Аспарагінова кислота. Утворюється трансамінуванням щавелевооцтової кислоти (див. вище). Разом з глутаміновою кислотою забезпечує взаємозв'язок між обміном білків, вуглеводів і ліпідів. Служить донатором аміногруп в реакціях трансамінування. Основні реакції відображає схема:

Глутамінова кислота. Міститься в тканинах у складі білків, у вільному стані і у вигляді аміда. Донатор аміногрупи в реакціях трансамінування. Основні речовини, в синтезі яких бере участь кислота:

Серин і треонін. Їх обмін тісно пов'язаний з обміном гліцина. Серин у тканинах утворюється з 3-фосфогліцеринової кислоти. З серина утворюється гліцин у результаті перенесення одновуглецевого фрагмента (C₁) на тетрагідрофолієву кислоту (ТГФК). Гліцин може утворюватися з треоніна. Фрагмент C₁ використовується для синтезу гістидина і пуринів. З серина і треоніна утворюється піровиноградна кислота, яка за допомогою ацетил-КоА включається в ЦТК. Частину перетворень відображає схема:

Гідроксильна група серина входить до складу активного центру багатьох ферментів: трипсину, хімотрипсину, естераз, фосфорилаз, фосфатаз.

Метіонін. Є складовою частиною багатьох білків. Служить донатором метильної групи для утворення в організмі багатьох важливих сполук. Передача метильної групи в процесі переметилування відбувається під впливом відповідних метилтрансфераз через S-аденозилметіонін:

Попередником метіоніна є аспарагінова кислота, яка під впливом ряду ферментів через декілька стадій (гомосерин, О-сукциніл-гомосерин, цистеїн, цистатіонін, гомоцистеїн) перетворюється в метіонін.

Цистеїн і цистин. Складові частини багатьох білків, пептидів, гормонів і інших сполук. SH-група цистеїну – складова частина активних центрів ряду ферментів. Участь цистеїну в обміні речовин частково відображає схема:

Аргінін і орнітин. Аргінін утворюється в процесі перетворення вуглекислого газу і аміаку в сечовину. Обидві амінокислоти беруть участь в утворенні ряду життєво важливих речовин:

Лізин. Найважливіша амінокислота. Бере участь у синтезі багатьох речовин:

S-Аміногрупа залишку лізину бере участь у формуванні зв'язку між апо- і коферментами, особливо при утворенні біотин-ферменту. Лізину належить важлива роль в скріпленні фосфору при мінералізації кісткової тканини і інших процесах.

Фенілаланін і тирозин. У організмі ці амінокислоти використовуються при біосинтезі білків і пептидів, утворенні протеїногенних амінів, гормонів і пігментів, піддаються окисленню до кінцевих продуктів з розривом ядра та ін.:

Триптофан. ого перетворення ілюструються схемою:

Гістидин. Відноситься до незамінних амінокислот. Бере участь в біосинтезі і обміні багатьох життєво важливих речовин:

Пролін і оксипролін. Оксипролін утворюється з проліну. Процес необоротний. Обидві імінокислоти використовуються для біосинтезу білків, пептидів, гормонів і інших речовин:

Перетворення безазотистого залишку амінокислот. Частина амінокислот, які не використані в синтезі білків і їх похідних, піддається необоротним процесам розпаду до аміаку і карбонових кислот. Аміак знешкоджується у печінці в орнітиновому циклі. З декількох видів дезамінування, що протікають в органах і тканинах організму, переважає окислювальне дезамінування. Кетокислоти, що утворилися при цьому можуть використовуватися тканинами для різних потреб.

За напрямом використання безазотистого залишку амінокислоти ділять на дві групи: глюкопластичні і ліпопластичні. З глюкопластичних амінокислот (аланін, серин, цистеїн, ін.) утворюється піровиноградна кислота, яка використовується як початкова речовина для біосинтезу глюкози і глікогену.

З ліпопластичних амінокислот (лейцин, ізолейцин, аргінін, орнітин, лізин, оксилізин, ін.) після дезамінування утворюється ацетооцтова кислота – джерело біосинтезу вищих жирних кислот.

a-Кетокислоти, що утворилися при окислювальному дезамінуванні амінокислот, декарбоксилуються і одночасно окислюються в жирні кислоти. Жирні кислоти, що утворилися, можуть піддаватися b-окисленню, де кінцевим продуктом є ацетил-КоА – джерело хімічної енергії або сировина для біосинтезу багатьох речовин.

Особливості проміжного обміну складних білків. В організмі синтезуються численні складні білки, які беруть участь в різних реакціях обміну, що визначають існування живої матерії. Біосинтез складних білків протікає аналогічно біосинтезу протеїнів. При цьому формуються первинна, вторинна, третинна і четвертна структури білкової молекули, з приєднанням відповідної простетичної групи: для нуклеопротеїдів – ДНК або РНК, хромопротеїдів – гема або іншої речовини, ліпопротеїдів – ліпіду, глюкопротеїдів – вуглеводу, фосфопротеїдів – фосфорної кислоти.

Кінцевий обмін

Під час проміжного обміну утворюється ряд хімічних сполук, які виділяються з організму як продукти розпаду білків. Зокрема, вуглекислий газ, що утворився, виділяється легенями, вода – нирками, потом, у складі калу, з повітрям, що видихається. Багато інших продуктів обміну білків, особливо азотні, виділяються в знешкоджуваному вигляді – у вигляді сечовини, парних сполук і т.д.

Перетворення аміаку. Аміак утворюється при дезамінуванні амінокислот, пуринових і піримідинових основ, нікотинової кислоти і її похідних, інших азотовмісних сполук. За добу в організмі людини дезамінується 100 – 120 г амінокислот, утворюється 1,6 – 19 г азоту або 18 – 23 г аміаку. В основному аміак в організмі людини і тварин знешкоджується у вигляді сечовини, частково – у вигляді алантоїну, сечової кислоти і амонійних солей (амоніотелічні). У ссавців, птахів і рептилій основним кінцевим продуктом азотного обміну є сечова кислота (уреотелічні організми).

Сечовина – головний кінцевий продукт азотного обміну у більшості хребетних і людини. Вона складає 80 – 90% всіх азотних речовин сечі. Процеси біосинтезу сечовини вперше були вивчені M.В. Ненцьким (90-ті роки XIX століття). Він представляв ці реакції у такому вигляді:

Деталі утворення сечовини вивчалися С.С. Caлазкіним, І.Я. Ратнером, X.А. Кребсом і ін. Була створена сучасна теорія утворення сечовини в печінці – орнітиновий цикл Кребса. Процес утворення сечовини протікає в декілька стадій.

1. NH₃ і CO₂, що відщепилися в процесі дезамінування і декарбоксилування під впливом ферменту карбамоїлфосфатсинтази з'єднуються, утворюючи карбамоїлфосфат:

2. Карбамоїлфосфат реагує з орнітином за участю ферменту орнітин-карбамоїлтрансферази, що призводить до утворення цитруліну:

3. Під впливом ферменту аргініносукцинат-синтетази цитрулін взаємодіє з аспарагіновою кислотою, утворюючи аргінінянтарну кислоту:

4. Аргінінянтарна кислота під впливом ферменту аргініносукцинат-ліази розщеплюється на аргінін і фумарову кислоту:

5. Аргінін під впливом ферменту аргінази розщеплюється на орнітин і сечовину, яка видаляється з організму з сечею і потом:

Орнітин вступає в реакцію з новими порціями карбамоїл-фосфату, і цикл повторюється.

Частина аміаку в тканинах зв'язується в процесі утворення амідів – аспарагіну або глютаміну, які транспортуються в печінку. В печінці вони гідролізуються, після чого з аміаку утворюється сечовина.

Деяка кількість аміаку використовується тканинами для відновного амінування кетокислот, що приводить до утворення амінокислот.

Крім того, в тканинах нирок аміак бере участь в процесі знешкодження органічних і неорганічних кислот, утворюючи з ними нейтральні і кислі солі:

H₂SO₄ + NH₃ ® (NH₄)₂SO₄;

H₃PO₄ + NH₃ ® NH₄H₂PO₄

Перетворення інших продуктів кінцевого обміну білків. У процесі обміну білків утворюються й інші продукти кінцевого обміну, зокрема, похідні пуринових і піримідинових основ, гази (виділяються у складі кишкових газів при дефекації), феноли, індол, скатол, сірчана кислота та ін. Особливо багато таких речовин утворюється в товстій кишці при гнитті білків.

Ці отруйні сполуки нейтралізуються в печінці з утворенням парних кислот, які виділяються у складі сечі, частково – поту і калу:

Індол і скатол, що утворюються при гнильному розкладанні триптофана, перетворюються на індоксил і скатоксил, які далі утворюють парні сполуки з глюкуроновою або сірчаною кислотами:

Перетворення продуктів розпаду хромопротеїдів. При розщепленні хромопротеїдів утворюються глобін і гем. Глобін піддається звичним перетворенням, типовим для протеїнів. Гем в печінці і кишках служить джерелом утворення пігментів жовчі, сечі і калу. Ці процеси відбуваються поетапно. Гемоглобін, окислюючись, перетворюється у вердогемоглобін (холеглобін). Вердогемоглобін втрачає білкову частину і атоми заліза, що призводить до утворення речовини зеленого кольору – білівердина. Білівердин відновлюється в пігмент червоного кольору – білірубін. З білірубіну після відновлення утворюється мезобілірубін, який після чергового відновлення стає уробіліногеном. Уробіліноген в кишках перетворюється на пігменти калу – стеркобіліноген і стеркобілін, в нирках – в пігмент сечі уробілін.

Продукти розпаду гема використовуються організмом для різних потреб. Так, залізо депонується в органах, де розпадається гемоглобін, у складі білків феритинів. Білівердин та білірубін є пігментами жовчі, решта речовин – пігментами сечі і калу. Розщеплення міоглобіна в організмі протікає аналогічно.

Регуляція білкового обміну

Всі етапи білкового обміну регулюються центральною нервовою системою та залозами внутрішньої секреції. Особливе місце в регуляції належить корі великих півкуль головного мозку і підкоровим центрам. У гіпоталамусі знайдений центр білкового обміну. Регуляція здійснюється рефлекторно, у відповідь на роздратування.

Дія гормонів на біосинтез білка здійснюється шляхом стимуляції утворення іРНК. Гормон передньої частини гіпофіза – соматотропін – посилює синтетичні процеси білка. Біосинтез білків стимулюється інсуліном, деякі андро- і естрогеном, тироксином. Глюкокортикоїди кори наднирників стимулюють розщеплення білків і виділення азотних речовин. Дія гормонів на обмін білків пов'язана зі зміною швидкості і напряму ферментативних реакцій. Біосинтез і, отже, активність ферментів, що беруть участь в обміні білків, залежить від наявності в продуктах харчування достатньої кількості вітамінів, які беруть участь в утворенні коферментів і простетичних груп багатьох ферментів. Зокрема, піридоксальфосфат є коферментом декарбоксилаз амінокислот, вітамін B₂ – складова частина кофермента амінооксидаз, вітамін В₅ – основа дегідрази глутамінової кислоти, без вітаміну С не може проходити біосинтез проліна і оксипроліна і т.д.

Патології білкового обміну

Обмін білків порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. Часто причиною порушень білкового обміну є неправильно складений раціон, недотримання режиму прийому їжі та ін.

Патології білкового обміну виявляються у різних формах.

Білкове голодування. Розрізняють два види білкового голодування: первинне, коли в їжі немає достатньої кількості незамінних амінокислот, і вторинне, викликане захворюваннями харчового каналу, печінки, підшлункової залози.

Порушення обміну амінокислот. При деяких хворобах печінки (гепатитах, цирозах, жовтяниці) у крові і сечі різко збільшується вміст амінокислот – наступає алкаптонурія. Зокрема, при порушенні обміну тирозина розвивається алкаптонурія, яка супроводжується різким потемнінням сечі після стояння на повітрі. При цистинозі відбувається відкладення цистину в печінці, нирках, селезінці, лімфатичних вузлах, кишках і спостерігається поява великої кількості цистину в сечі (цистинурія). При фенілкетонурії в сечі з'являється велика кількість фенілпіровиноградної кислоти. Часто причиною таких порушень є авітамінози.

Порушення обміну складних білків. Найчастіше це виявляється у вигляді порушень нуклеїнового і порфіринового обміну. В останньому випадку порушується обмін гемоглобіну, міоглобіну і інших залізовмісних білків. Так, при різних ураженнях печінки (гепатитах, фасціольозі, ін.) виникає гіпербілірубінемія, при якій вміст білірубіну в крові зростає до 0,3 – 0,35 г/л. Сеча стає темною, оскільки в ній з'являються великі кількості уробіліна, виникає уробілінурія. Іноді спостерігається порфірія – різке збільшення в крові і тканинах вмісту порфіринів. Це приводить до порфінурії і сеча стає червоною.

Лекція № 13. Обмін нуклеїнових кислот.

Нуклеїнові кислоти характеризуються високим ступенем метаболізму, оскільки з їх діяльністю пов'язаний, перш за все, біосинтез білкових речовин.

Перетравлювання та всмоктування нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти в їжі та кормах знаходяться в основному у вигляді нуклеопротеїдів.

У ротовій порожнині їжа, що містить нуклеопротеїди, механічно подрібнюється, змочуються слиною і у вигляді харчової грудки по стравоходу поступає в шлунок (у жуйних – передшлунок і сичуг). Деяка частина нуклеїнових кислот, головним чином тРНК, частково розщеплюється РНК-азою слини до оліго- і мононуклеотидів.

У шлунку більшість нуклеопротеїдів під впливом пепсину і соляної кислоти розщеплюється до нуклеїнових кислот і простих білків.

Процес перетравлювання нуклеопротеїдів завершується в тонкій кишці, де трипсин розщеплює залишки нуклеопротеїдів на нуклеїнові кислоти і прості білки. Прості білки (протаміни і гістони, альбуміни і глобуліни) поступово під впливом ферментів соку підшлункової залози і кишкового соку розщеплюються до амінокислот і всмоктуються слизовою оболонкою тонкої кишки. Нуклеїнові кислоти піддаються дії нуклеаз. Так, під впливом панкреатичної ДНК-ази частина дезоксинуклеопротеїдів (ДНП) розщеплюється на ДНК і протеїни.

Це розщеплення активується гістидином, аргініном і лізином. Потім фермент „атакує” двоспіральну молекулу ДНК по всій довжині ланцюга безладно і в декілька стадій (рис. 1).

Рис. 1. Гідроліз ДНК під дією панкреатичної ДНК-ази: 1 – 7 – стадії гідролізу.

Спочатку виникають двоспіральні уламки молекули ДНК, вони поступово коротшають, утворюючи односпіральні ділянки нуклеїнової кислоти. ДНК-аза розщеплює ДНК на олігонуклеотиди, що містять в середньому по чотири нуклеотидних залишки, з вільною –OH групою в 3'-му і фосфатною групою в 5'-положеннях залишку дезоксирибози. Процес активується іонами Mg²⁺.

Панкреатична РНК-аза спочатку атакує неспіралізовані ділянки РНК і гідролітично їх розщеплює. При цьому слабшають комплементарні зв'язки, які утворюють вторинну структуру молекули РНК, що сприяє подальшій деспіралізації і утворенню нових уламків молекули РНК. Розрив фосфорнодиефірних зв'язків відбувається між залишком фосфорної кислоти і 3'-м вуглецевим атомом рибозного залишку.

Далі відбувається перефосфорилювання всередині уламків молекули РНК з утворенням 2', 3'-фосфорних похідних.

Прогресує дроблення уламків молекули РНК на оліго- і мононуклеотиди, причому похідні цитозина гідролізуються швидше, ніж урацила.

Потім нуклеотиди розщеплюються під впливом неспецифічних фосфатаз або специфічних гідролітичних ферментів. Так, якщо азотною основою є аденін (A), пентозою – рибоза (P), фосфорною кислотою залишок (Ф), то подальше розщеплення мононуклеотидів можна представити так:

Нуклеозидази можуть розривати глікозидні зв'язки і на стадії нуклеотида:

Всі процеси розщеплення нуклеопротеїдів у харчовому каналі відображає схема:

Всмоктування нуклеїнових кислот. Продукти розщеплeння нуклеїнових кислот всмоктуються в тонкій кишці у вигляді мононуклеотидів, нуклеозидів, пентоз, пуринових і піримідинових основ, фосфорної кислоти (її ефірів і солей). Вони поступають у клітини покривного епітелію, потім – у міжклітинний простір, міжклітинну рідину, капіляри, венули, підепітеліальну і підслизову венозні сіті кишкової ворсинки, вени брижі, комірну вену і печінку. В печінці використовуються для різних потреб організму, у тому числі і для синтезу власних нуклеїнових кислот.

Значна частина продуктів гідролітичного розщеплення нуклеїнових кислот з печінки поступає в загальне кровоносне русло (сюди поступає деяка кількість продуктів травлення, які всмокталися і через лімфатичну систему кишок) і розноситься по всьому організму, де і використовується клітинами для різноманітних пластичних (синтезу ДНК і РНК) і енергетичних потреб.

Проміжний обмін нуклеїнових кислот

Біосинтез нуклеїнових кислот

Матеріалом для синтезу нуклеїнових кислот у клітинах можуть бути екзогенні продукти гідролітичного розщеплення ДНК і РНК їжі. Частину матеріалів для цих процесів клітини одержують у вигляді продуктів вуглеводного, ліпідного і білкового обміну. З трьох складових частин нуклеотидів – пуринових і піримідинових основ, пентоз і фосфатів – дві останніх завжди є в клітині як продукти проміжного обміну. Пуринові і піримідинові основи клітина одержує в результаті всмоктування поживних речовин або біосинтезу з більш простих сполук.

Біосинтез пуринових нуклеотидів. Використання мічених атомів (¹⁵N і ¹³C) показало, що в утворенні пуринового ядра бере участь ряд речовин. Так, два атоми азоту пуринового ядра походять від амідної групи глутаміна, по одному атому азоту – від гліцина і аспарагінової кислоти, атоми вуглецю – від форміата, гліцина і вуглекислого газу (рис.2).

Рис. 2. Походження атомів пуринового ядра

Біосинтез пуринових нуклеотидів відбувається поетапно.

1. Рибозо-5-фосфат під впливом ферменту рибозофосфат-пірофосфокінази взаємодіє з АТФ, що призводить до утворення a-5-фосфорибозил-1-пірофосфата (ФРПФ):

2. ФРПФ під впливом ферменту амідофосфорибозил-трансферази амінується за рахунок глутаміна, утворюючи b-5-фосфорибозил-1-амін:

3. b-5-фосфорибозил-1-амін під впливом ферменту фосфорибозилгліцинамід-синтетази вступає в реакцію з гліцином, утворюючи гліцинамідрибонуклеотид:

4. Гліцинамідрибонуклеотид за участю ферменту фосфорибозилгліцинамід-форміл-трансферази вступає в реакцію з N⁵, Н¹⁰-метилентетрагідрофолієвою кислотою, утворюючи N-форміл-гліцинамід-рибонуклеотид:

5. Далі під впливом ферменту фосфорибозилформіл-гліцинамідинсинтетази, речовина, що утворилася вступає в реакцію з глутаміном і перетворюється на формілгліцинамідин-рибонуклеопротеїд (форміл-ГАМ):

6. Форміл-ГАМ взаємодіє з АТФ під впливом ферменту фосфорибозиламіноімідазол-синтетази у присутності іонів Mg²⁺. Відбувається замикання кільця, що призводить до утворення 5-аміноімідазолрибонуклеотида:

7. Останній під впливом фосфорибозиламіноімідазол-карбоксилази карбоксилюється і перетворюється на рибонуклеотид 5-аміноімідазол-4-карбонової кислоти:

8. Сполука, яка утворилася, за участю ферменту 5-аміноімідазолсукцинокарбоксамід-синтетази і АТФ, взаємодіє з аспарагіновою кислотою:

9. 5-Аміноімідазол-4-N-сукцинокарбоксамід-рибонуклеотид реагує під впливом ферменту фосфорибозилгліцинамід-формілтрансферази з N¹⁰-формілтетрагідрофолієвою кислотою:

10. 5-Формамідімідазол-4-карбоксамідрибонуклеотид під впливом ферменту ІМФ-циклогідролази втрачає молекулу води, циклізується і перетворюється на інозинову кислоту – попередник аденілової і гуанілової кислот:

Далі інозинова кислота під впливом ферменту 5-аміноімідазол-сукцинокарбоксамід-синтетази взаємодіє з аспарагіновою кислотою з утворенням аденілоянтарної кислоти, молекула якої надалі розпадається на аденілову і фумарову кислоти. Донором енергії є ГТФ:

При утворенні молекули гуанілової кислоти інозинова кислота окислюється до ксантозин-5'-фосфата, який після взаємодії з глутаміном перетворюється на гуанілову кислоту:

Для біосинтезу полінуклеотидів потрібні макроергічні зв'язки. Вони утворюються за рахунок АТФ або іншого донатора енергії. Реакція протікає в дві стадії під впливом ферментів нуклеозидмонофосфат- і нуклеозиддифосфаткіназ:

ГМФ + АТФ ® ГДФ + АДФ;

ГДФ + АТФ ® ГТФ + АДФ.

Біосинтез піримідинових нуклеотидів. Початковою речовиною для синтезу піримідинових нуклеотидів є уридин-5'-монофосфат, який синтезується з урацила, пентози і фосфату. Пентози і фосфат завжди є в клітинах і міжклітинній рідині. Піримідинове кільце виникає з амінокислот, вуглекислого газу і форміата. Використання мічених атомів показало, що головним постачальником азоту є аспарагінова кислота і глутамін, вуглецю – CO₂ і форміат.

Процес утворення нуклеотидів протікає поетапно.

1. Спочатку під впливом ферменту карбамоїлфосфатсинтази за наявності NH₃ і CO₂ енергії АТФ утворюється карбамоїл фосфат:

2. Під впливом ферменту аспартат-карбамоїлтрансферази карбамоїл фосфат взаємодіє з аспарагіновою кислотою, що призводить до утворення карбамоїласпартата:

3. У результаті взаємодії аміногрупи карбамоїласпартата з карбоксильною групою виникає циклічна сполука – дигідрооротова кислота, яка під впливом ферменту дегідрогенази перетворюється на оротову кислоту:

4. Під впливом оротидин-5'-фосфат-пірофосфорилази оротова кислота вступає в реакцію з 5-фосфорибозил-1-пірофосфатом, утворюючи оротидин-5-фосфат, який декарбоксилується і перетворюється на уридин-5'-фосфат:

5. Уридин-5'-фосфат – попередник інших піримідинових нуклеотидів. Для цього УМФ під впливом кіназ за рахунок АТФ перетворюється в УДФ і УТФ:

УМФ + АТФ ® УДФ + АДФ;

УДФ + АТФ ® УТФ + АДФ.

6. Перетворення урацила в цитозин відбувається на рівні нуклеозидтрифосфатів під впливом ЦТФ-синтетази:

УТФ + NH₃ + АТФ ® ЦТФ + АДФ + Фн

де Фн – фосфат неорганічний.

7. Перетворення урацила в тимін відбувається внаслідок реакції метилювання з S-аденозилметіоніном (CH₃–R) утворюється ТТФ:

УТФ + CH₃–R + АТФ ® ТТФ + АДФ + Фн + R

Перетворення піримідинових і пуринових рибонуклеотидів у дезоксирибонуклеотиди відбувається в результаті реакції відновлення, наприклад:

ТТФ дТТФ.

Матричний синтез нуклеїнових кислот. Біосинтез ДНК відбувається під час інтерфази мітотичного поділу клітини. ДНК концентрується в хромосомах і хроматині.

Синтез ДНК. Оскільки у молекулах ДНК закодована вся генетична інформація організму, синтез і відтворення їх є необхідним і життєво-важливим процесом.

Процес синтезу ДНК називається реплікацією (копіювання, самоподвоєння), оскільки передача інформації відбувається в межах одного виду нуклеїнових кислот (від ДНК до ДНК). Реплікація відбувається у процесі росту і нормального поділу ДНК-вмісних структур (ядер, мітохондрій, пластид в еукаріот), а також у процесі поділу бактеріальних клітин та під час розмноження вірусів.

Гіпотезу щодо механізму реплікації запропонували Д. Уотсон і Ф. Крік після того, як було встановлено, що молекула ДНК складається з двох взаємокомплементарних полінуклеотидних ланцюгів. Суть даного механізму полягає в тому, що синтез ДНК здійснюється на одноланцюговій матриці, роль якої виконує ланцюг молекули ДНК, що реплікується. Подвійна спіраль ДНК при цьому розкручується і на кожному з ланцюгів добудовується новий комплементарний ланцюг (утворюється репліка).

Пізніше було встановлено, що для ДНК характерним є напівконсервативний механізм реплікації (від англ. conserve – зберігати) – у кожній новій синтезованій молекулі один ланцюг „старий”, одержаний з вихідної материнської ДНК, а другий – „новий”, синтезований (дочірній), тобто реплікація проходить так, що два ланцюги – вихідний і реплікований, сполучаючись між собою, утворюють наступне покоління молекул ДНК. Внаслідок цього процесу з однієї вихідної молекули ДНК утворюються дві молекули – точні копії, репліки, абсолютно ідентичні одна одній і вихідній матричній молекулі ДНК (рис. 3).

Як якісний, так і кількісний вміст залишків нуклеотидів у полінуклеотидних ланцюгах материнської і дочірніх ДНК повністю співпадає. Напівконсервативний механізм синтезу ДНК відіграє важливу роль у забезпеченні видоспецифічної передачі генетичної інформації від покоління до покоління і є запорукою збереження сталості видів організмів.

Згідно з дослідженнями А. Корнберга, вихідними сполуками для синтезу ДНК є вільні дезоксирибонуклеозид-5-трифосфати азотистих основ (аденіну, гуаніну, цитозину, тиміну), які під впливом відповідних ферментів сполучаються між собою з утворенням полінуклеотидних ланцюгів. Загальну схему синтезу ДНК можна подати так:

Реплікація ДНК – багатоступінчастий процес, для здійснення якого необхідні певні умови і наявність чотирьох видів рибо- і дезоксирибонуклеозид-5-трифосфатів, матриці у вигляді дволанцюгової ДНК, ферментів і білкових речовин, затравки (праймера), іонів (Mg²⁺, Mn²⁺).

Рис. 10. Схема реплікації ДНК

Матрицею служить молекула ДНК, яка реплікується. Разом з дим для здійснення реплікації необхідно близько 20 реплікативних факторів, що називаються ДНК-репліказною системою, або репліосомою. Важливими компонентами ДНК-репліказної системи є ферменти синтезу ДНК. У процесі реплікації беруть участь ферменти ДНК-залежні ДНК-полімерази (І, II, ІІІ) РНК-полімерази, ДНК-ліази, екзонуклеази, ДНК-лігази. Кожен з цих ферментів забезпечує здійснення певних етапів синтезу ДНК і часто виявляє кілька видів ферментативної активності. Зокрема, вважають, що ДНК-полімераза III, яка відіграє головну роль у процесі реплікації, має 5' ® 3' полімеразну і 3' ® 5' екзонуклеазну активності, ДНК-полімераза І має три види ферментативної активності: 5¢ ® 3' полімеразну, 3' ® 5' екзонуклеазну і 5' ® 3' екзонуклеазну. Цей фермент забезпечує розщеплення PHK затравки на матриці ДНК та процеси репарації пошкоджених ділянок молекули. ДНК-полімераза II за властивостями подібна до ДНК-полімерази І, однак для неї не характерна 5' ® 3' екзонуклеазна активність. Функції цього ферменту в клітині вивчені не достатньо. РНК-полімераза забезпечує синтез затравного ланцюга PHK (праймера) на ДНК-матриці.

Важливими компонентами ДНК-репліказної системи є також білкові речовини, які забезпечують протікання ряду необхідних етапів синтезу ДНК, зокрема таких, як:

1) „впізнавання” місця початку реплікації ДНК ферментами ДНК-полімеразами;

2) локальне розкручування дуплексу ДНК і вивільнення одноланцюгових матриць;

3) стабілізація утвореної структури;

4) синтез затравних ланцюгів (праймерів) для ініціації ДНК-полімерази III;

5) переміщення реплікативної вилки в ході копіювання;

6) закінчення синтезу та утворення нативної конформації молекули ДНК.

Ці процеси забезпечуються ДНК-зв’язуючими білками (ДЗБ), ДНК-розкручуючими білками (хеліказами), ДНК-стабілізуючими білками (гіразами) тощо.

Слід зазначити, що реплікація ДНК має певні особливості, зокрема, напівконсервативний механізм, одночасність синтезу обох ланцюгів, двонапрямленість реплікації, синтез дочірніх ланцюгів у напрямку 5' ® 3¢ , наявність праймера з вільною 3' –ОН групою дезоксирибози, фрагментарний характер реплікації.

Процес реплікації ДНК включає три взаємозалежні і взаємозв'язані етапи: ініціацію, елонгацію і термінацію.

Ініціація. Цей етап синтезу ДНК об'єднує процеси, які забезпечують початок синтезу полінуклеотидного ланцюга. Суть їх полягає у формуванні реплікативної вилки та синтезі праймера.

Оскільки для забезпечення напівконсервативного механізму синтезу ДНК необхідна наявність одноланцюгової матриці, важливою умовою початку реплікації є дестабілізація трьохмірної структури ДНК та розкручування її подвійної спіралі з утворенням реплікативної вилки (рис. 4).

Рис. 4. Реплікативна вилка

В еукаріот, на відміну від прокаріот, утворюється багато стартових точок реплікації – від 10 до 100 тисяч. Кожна з них розміщується в окремих ділянках полінуклеотидного ланцюга, і реплікація їх проходить незалежно. Такі самостійні одиниці реплікації називаються репліконами. У бактерій роль реплікону виконує хромосома.

Отже, в еукаріот молекула ДНК – це полірепліконна система, що містить велику кількість репліконів, з середини яких у двох напрямках рухаються реплікативні вилки.

ДНК при утворенні реплікативної вилки розкручується не по всій довжині, а невеликими ділянками – відрізками, що містять до 2 тисяч неспарепих основ. Утворення реплікативної вилки забезпечується білковими речовинами, які визначають точку старту реплікації та зумовлюють розкручування подвійної спіралі ДНК. У клітинах еукаріот ці процеси забезпечуються комплексною дією ДНК-розкручуючих білків. Так, топоізомерази руйнують суперспіралізовану структуру ДНК хроматину, свівелази або релаксуючі білки, зумовлюють розрив одного з ланцюгів ДНК, внаслідок чого стає можливим розкручування двоспіральної структури ДНК за участю хеліказ.

У результаті поетапної дії вищезазначених факторів двоспіральна молекула ДНК розкручується й утворюється дві одноланцюгові матриці. Оскільки в двоспіральній молекулі ДНК ланцюги антипаралельні – один з них має напрямок 5¢ ® 3', а інший – 3' ® 5', то після розкручування дуплексу утворюються одноланцюгові антипаралельні матриці. В зв'язку з тим, що реплікація за участю ДНК-полімерази III може проходити лише в напрямку 5' ® 3¢ напрямок реплікації одного ланцюга співпадає з напрямком реплікативної вилки, цей ланцюг називається ведучим, а ланцюг, реплікація якого протилежна напрямку реплікативної вилки, – тим, що запізнюється, другорядним.

Після розкручування подвійної спіралі та утворення реплікативної вилки наступає друга стадія ініціації – синтез праймера, або затравного ланцюга, PHK на структурі ДНК-матриці. Необхідність цього процесу зумовлена тим, що ДНК-полімераза III не здатна самостійно розпочати синтез ДНК на структурі матриці з використанням вільних нуклеозидтрифосфатів. Тому для ініціації синтезу ДНК необхідна затравка, яка б містила вільну 3'–ОН групу, за якою може здійснюватись ДНК-полімеразна ІІI реакція. Встановлено, що функцію затравки виконують невеликі олігонуклеотидні фрагменти PHK, комплементарні ДНК-матриці. Затравка в середньому містить 8 – 10 нуклеотидів. Синтез затравного полінуклеотидного ланцюга каталізує мультиферментний комплекс, так звана „праймосома”. До складу праймосоми входять ферменти – специфічна ДНК-залежна РНК-полімераза (ДНК-праймаза), ДНК-залежна АТФ-аза, а також білкові фактори: ДНК-зв'язуючий білок (білок В), білок n¢ тощо. ДНК-зв'язуючий білок визначає місце старту, з якого праймаза розпочинатиме синтез затравного ланцюга в напрямку 5' ® 3'. Праймосома рухається по ланцюгах матриці і синтезує праймер. Цей процес розпочинається із приєднання до стартової точки ведучого полінуклеотидного ланцюга матриці ДНК-зв¢язуючого білка. Далі за участю праймази проходить синтез затравкого ланцюга PHK, комплементарного матриці ДНК. Після закінчення синтезу на ведучому ланцюгу праймосома переміщується на ланцюг, що запізнюється, й ініціює синтез праймера на ньому. По ланцюгу ДНК, що запізнюється, праймосома рухається до наступного місця ініціації в напрямку, протилежному напрямку синтезу ДНК, але однонапрямленому з реплікативною вилкою, синтезує затравку і знову переміщується вперед. Враховуючи це, білок В називають мобільним промотором реплікації. Енергія для руху праймосоми забезпечується завдяки активності АТФ-аз білка n'.

Отже, в результаті дії праймосоми синтезується РНК-затравка на структурі ДНК-матриці. На 3'–ОН кінці затравки замість праймосоми приєднується ДНК-залежна ДНК-полімераза III, яка використовує 3¢–ОН групу для продовження копіювання матричної молекули ДНК. Синтезом праймерів завершується процес ініціації.

Елонгація, або подовження полінуклеотидного ланцюга, включає два процеси: реплікацію ділянок материнської ДНК і сполучення синтезованих ділянок між собою. Ці процеси забезпечуються ДНК-полімеразою III, яка виявляє полімеразну та нуклеотидилтрансферазну активність. Отже, в цьому випадку ДНК-полімераза III діє на два субстрати: на спарений з матрицею кінець затравки, яка містить вільну 3'–ОН групу рибози, і на дезоксирибонуклеозид-5-трифосфати (дРТФ). Хімізм реакції поліконденсації полягає в нуклеофільній атаці a-атома фосфату дРТФ 3'–ОН групою, яка міститься на кінці затравки. В результаті реакції дезоксирибокуклеозид-5-монофосфат приєднується за місцем атома водню гідроксильної групи з утворенням 3' ® 5'-фосфодіефірного зв'язку і вивільненням пірофосфату. Продукт реакції містить вільну 3'–ОН групу, за якою знову повторюється аналогічна реакція, що дістала назву „ріст з хвоста”.

В результаті багаторазового повторення цієї реакції здійснюється поступовий ріст нового полінуклеотидного ланцюга, комплементарного матричному ланцюгу ДНК.

Дослідженнями, японський вчений Оказакі в 1968 р., встановив, що синтез полінуклеотидів ДНК на матричній ДНК проходить не безперервно, а окремими фрагментами, які дістали назву фрагментів Оказакі. Утворюються вони внаслідок приєднання до 3'–ОН групи праймерів 1000 – 2000 дезоксирибонуклеотидних залишків. Послідовність нуклеотидів синтезованих фрагментів комплементарна нуклеотидній послідовності відповідної ділянки ланцюга матриці. Поступове нарощування фрагментів Оказакі триває доти, поки не досягне місця, де розташована нова затравка, з якої розпочинається ріст нового фрагменту полінуклеотидного ланцюга.

Тепер вважають, що фрагментарний механізм реплікації властивий в основному полінуклеотидному ланцюгу, що запізнюється. Вважають, що для ведучого ланцюга фрагментація не характерна.

За даними Оказакі, в живих клітинах має місце човниковий механізм реплікації. Суть його полягає в тому, що спочатку реплікація відбувається в напрямку 5' ® 3' під час просування вперед по одному ланцюгу, а потім у напрямку 5' ® 3' продовжується в протилежному напрямку по другому полінуклеотидному ланцюгу матричної ДНК. Інакше кажучи, один полінуклеотидний ланцюг синтезується в напрямку реплікативної вилки, а інший – у протилежному.

Синтезовані фрагменти Оказакі на 5'-кінці дезоксирибози містять ковалентно зв'язану РНК-затравку. Остання за участю ДНК-полімерази І, яка виявляє ендонуклеазну активність, видаляється. В міру видалення рибонуклеозидних мономерів праймера проходить їх заміна на комплементарні дезоксирибонуклеозидмонофосфати. Здійснюється цей процес за участю ДНК-полімерази І. Далі фрагменти Оказакі під каталітичним впливом ферменту лігази сполучаються між собою й утворюють дочірній ланцюг ДНК. Два новосинтезованих ланцюги, сполучаючись із своїми комплементарними матрицями, утворюють дві дочірні молекули ДНК, кожна з яких містить один материнський і один дочірній ланцюги.

Термінація. Механізм термінації, або завершення синтезу ДНК, вивчено недостатньо. В геномі деяких бактерій термінацію здійснює спеціальний термінатор, в інших такий термінатор відсутній. Тому припускають, що реплікація завершується після зустрічі двох реплікативних вилок, які рухаються назустріч одна одній.

Процес реплікації проходить з досить високою швидкістю: 1000 – 2000 нуклеотидів за секунду у прокаріот і близько 100 нуклеотидів у еукаріот. Для цього процесу характерна велика точність. Так, у процесі реплікації на 10¹⁰ пар нуклеотидів трапляється лише одна помилка. Помилково включений нуклеотид (наприклад, урацил замість тиміну) миттєво видаляються із синтезованого полінуклеотидного ланцюга, і на його місце вводиться новий. Забезпечення точності реплікації є одним з важливих етапів передачі спадкової інформації від одного покоління до іншого.

Синтез PHK на матриці PHK. Учений М.C. Гершенсон і американський біохімік Г. Тимін встановили, що крім реплікації існує й інший шлях синтезу ДНК, коли матрицею служить молекула PHK.

Оскільки передача генетичної інформації між різними видами нуклеїнових кислот (ДНК ® PHK) називається транскрипцією (переписування), то процес, що протікає у протилежному напрямку (PHK ® ДНК), дістав назву зворотної транскрипції. Каталізує процес фермент РНК-залежна ДНК-полімераза, або ревертаза (зворотна транскриптаза). Цей фермент було виділено в 1969 – 1970 pp. із тканин, інфікованих онкогенними вірусами, а також із самих вірусів цієї групи, зокрема вірусу Раушера лейкемії мишей і вірусу саркоми Рауса. Ревертаза активується іонами Mn²⁺, Mg²⁺, причому першими ефективніше, ніж другими.

Вивчення будови ферменту, виділеного із вірусів мієлобластозу птахів, показало, що він складається з двох білкових субодиниць з молекулярною масою 110 000 і 70 000 і містить два атоми зв'язаного цинку. Для функціонування ферменту ревертази необхідна затравка і матричний ланцюг PHK. Спочатку на одноланцюговій РНК-матриці за участю ферменту ревертази синтезується одноланцюгова ДНК. Внаслідок цього утворюється гібридна PHK – ДНК молекула, яка далі виконує роль матриці для синтезу комплементарного полінуклеотидного ланцюга ДНК. Цей етап каталізує фермент РНК-залежна ДНК-полімераза. На останньому етапі за участю ферменту РНК-ази від PHK відщеплюється молекула ДНК. Далі така ДНК включається в геном інфікованої, клітини і зумовлює переродження її в ракову. Однак зворотну транскриптазу виявлено і в культурах синцитіальних вірусів, які не викликають злоякісного переродження клітин. За певних умов здатність каталізувати синтез ДНК на PHK виявляють і ДНК-полімераза І та еукаріотичні ДНК-полімерази.

Відкриття процесу зворотної транскрипції має важливе теоретичне і практичне значення. Якщо раніше вважалось, що передача генетичної інформації в усіх організмів, за винятком РНК-вмісних вірусів, проходить лише від ДНК до ДНК і від ДНК до PHK, то нині встановлено, що вона може здійснюватись і від PHK до ДНК. Виявлення ферменту ревертази має важливе значення для ранньої діагностики онкологічних захворювань. Ревертаза становить значний інтерес і для генної інженерії (синтез окремих генів).

Біосинтез PHK на матриці ДНК. На матриці ДНК синтезується переважна більшість PHK тварин, бактерій і ДНК-вмісних вірусів.

Цей процес називають транскрипцією. Він здійснюється за принципом комплементарності азотистих основ нуклеотидів. Інакше кажучи, синтезується ланцюг PHK, нуклеотидна послідовність якого комплементарна послідовності нуклеотидів одного з ланцюгів ДНК. Відмінність полягає лише в тому, що замість азотистої основи тиміну, характерної для ДНК, у PHK включається урацил.

Шляхом транскрипції утворюються всі основні види рибонуклеїнових кислот. Це, по-перше, інформаційні або матричні PHK, які надходять у рибосоми і реалізують одержану інформацію в процесі синтезу білка. Інформаційна PHK може нести інформацію про структуру одного, двох і більшої кількості полінуклеотидних ланцюгів. У першому випадку таку іРНК називають моноцистронною, а в другому – поліцистронною. Моноцистронні іРНК характерні для еукаріотів, а поліцистронні – для прокаріотів. Крім іРНК у процесі транскрипції утворюються рРНК і тРНК, які також відіграють важливу роль у біосинтезі білка.

Для синтезу PHK на матриці ДНК необхідна наявність усіх чотирьох видів нуклеотидів у формі трифосфатів. Цей процес можна подати схемою:

Реакцію каталізує фермент ДНК-залежна РНК-полімераза або просто РНК-полімераза. Її виявлено в усіх прокаріотичних і еукаріотичних організмах. Найкраще вивчено РНК-полімеразу, виділену з кишкової палички. Вважають, що в кишковій паличці є лише один вид полімерази, яка каталізує процеси синтезу всіх трьох видів PHK. Полімераза – це складний білковин комплекс із загальною молекулярною масою 480000. До складу цього ферменту входить 5 білкових субодиниць: дві a-субодиниці, b-, b¢- і s-субодиниці. Комплекс, який містить дві a-, b-, b¢-субодиниці, носить назву корферменту (від англ. core – серцевина). Він виявляє певну каталітичну активність, однак не здатний вибирати точку (місце) початку транскрипції. Взаємодія корферменту з s-субодиницею приводить до утворення холоензиму РНК-полімерази, який має всі її властивості. Всі субодиниці у холоферменті сполучені між собою слабкими хімічними зв'язками.

Характерною особливістю РНК-полімерази, по-перше, є те, що вона за допомогою s-субодиниці здатна вибирати ланцюг ДНК, з якого здійснюватиметься транскрипція, а також місце, з якого розпочинатиметься цей процес. По-друге, для початку синтезу PHK не потребує затравки, як ДНК-полімераза. Слід підкреслити, що РНК-полімераза не просто синтезує PHK, а й регулює цей процес за участю ряду додаткових кофакторів. Тому повністю оправдано застосування до PHK-полімерази поняття „РНК-полімеразна система”.

РНК-полімерази виділено також і з культури клітин людини, тимусу телят, печінки щурів. У кожному випадку з ядерної фракції було виділено три різні ферменти: РНК-полімеразу І (A), РНК-полімеразу II (В) і РНК-полімеразу III (C), які відрізнялися між собою кількістю субодиниць у молекулі і їх молекулярною масою. Вважають, що РНК-полімераза І каталізує в основному синтез рибосомальних PHK, РНК-полімераза II – синтез матричних PHK, a PHK-полімераза III, очевидно, – синтез транспортних PHK і 5S рРНК.

РНК-полімерази мають два активних центри. Один з них зв'язує 3'–ОН групи рибози кінцевого нуклеотиду ланцюга PHK, який синтезується, і має назву Т-центр, а другий – нуклеотиди, які приєднуються до ланцюга PHK, що росте, і має назву П-центр.

Процес матричного синтезу PHK за участю РНК-полімераз поділяють на три стадії: ініціація синтезу, елонгація (подовження) нуклеотидного ланцюга і термінація – завершення синтезу PHK і вивільнення ферменту. В цілому всі ці стадії становлять цикл транскрипції.

Ініціація. На цій стадії РНК-полімераза взаємодіє з невеликою ділянкою ДНК, утворюючи комплекс, який здатний розпочинати зв'язування рибонуклеозидтрифосфатів і ініціювати синтез PHK. Хоч РНК-полімераза виявляє велику спорідненість до всіх ділянок ДНК, проте найміцніше вона сполучається лише ділянками, які характеризуються певними послідовностями нуклеотидів на одному з ланцюгів матричної ДНК. Ці ділянки називають промоторами. Вони багаті АТ-парами нуклеотидів і піримідиновими блоками. Вважають, що специфічність взаємодії PHK-полімерази з певними ділянками ДНК-матриці зумовлена наявністю в цих ферментах d-субодиниць (d-факторів).

Зв'язування РНК-полімерази з промоторною ділянкою ДНК приводить до часткового розходження спіралі ДНК, що важливо для початку транскрипції PHK. На цій стадії РНК-полімераза за участю Т-центру взаємодіє з 3–ОН групою рибози першого нуклеозидтрифосфату, з якого розпочинається синтез нової молекули рибонуклеїнової кислоти. При цьому від нього не відщеплюється залишок пірофосфату. Першим нуклеотидтрифосфатом в основному є АТФ або ГТФ. Далі РНК-полімераза другим активним центром (П-центром) взаємодіє з другим нуклеотидтрифосфатом. Останній за участю фосфодіефірного зв'язку приєднується до 3'-вуглецевого атома рибози першого нуклеозидтрифосфату. При цьому вивільнюється Т-центр ферменту і відщеплюється пірофосфат від другого нуклеозидтрифосфату.

Елонгація. На стадії елонгації перший активний центр ферменту зв'язується з 3¢–ОН групою рибози другого нуклеотиду і РНК-полімераза переміщується (транслокується) на поверхні ДНК в напрямку росту ланцюга. За цих умов другий активний центр ферменту сполучається з наступним (третім) нуклеотидом. Останній знову за участю фосфодіефірного зв'язку сполучається з другим нуклеозидмонофосфатом. Так відбувається ріст (синтез) нуклеотидного ланцюга в напрямку 5 ® 3 до повного завершення біосинтезу PHK.

Спід зазначити, що в системах in vivo швидкість елонгації досягає близько 40 – 50 нуклеотидів за секунду, у системах in vitro цей процес проходить менш інтенсивно – 15 – 40 нуклеотидів за секунду. Разом з цим транскрипція здійснюється з досить великою точністю. Частота помилок становить 2×10^-3 – 2×10^-4 тобто на 2000 – 20 000 нуклеотидів може включатись один неправильний нуклеотид. Хоч ці помилки і малі, однак вони значно більші, ніж помилки при реплікації ДНК, де частота помилок становить 10^-10. Однією з причин цього є те, що в процесі реплікації бере участь додатковий механізм контролю – виправляння помилок за участю ДНК-полімерази І.

Термінація. Процес обриву ланцюга, порівняно з іншими процесами синтезу PHK менш вивчений. Вважають, що ДНК має специфічні, термінуючі послідовності нуклеотидів. РНК-Полімераза, підходячи до них, перестає функціонувати. При цьому синтезований полінуклеотидний ланцюг PHK і молекула ферменту відділяються від ДНК-матриці.

Безпосереднім продуктом транскрипції є різні види PHK. Їх називають первинними транскриптами, або попередниками відповідних цитоплазматичних PHK, і позначають пре-РНК. Процес перетворення даних пре-РНК у функціонально активні форми PHK називається процесингом, або дозріванням. Процесинг відбувається в ядрі і має свої особливості для кожного виду PHK.

Важливою групою первинних транскриптів в ядрі є так звана гетерогенна ядерна PHK (гя-РНК). Основну фракцію гя-РНК становить матрична (інформаційна) PHK (пре-мРНК).

Для більшості пре-мРНК, синтезованих в ядрі еукаріот, існує три основні етапи процесингу: кепування і метилювання 5'-кінця, поліаденілування 3¢-кінця, видалення (вирізання) некодуючих ділянок (інтронів) з полінуклеотидного ланцюга та сполучення (зшивання) кодуючих ділянок (екзонів). Цей процес називається сплайсингом (від англ. Spticing – з'єднувати, зплітати).

Для мPHK, які синтезуються в клітинах прокаріот, процесинг не характерний.

Модифікація полінуклеотидних кінців пре-мPHK відбувається так. До 5'-кінця пре-мРНК приєднується олігонуклеотид, який називають „кепом”, або „ковпаком”. „Кеп” складається з двох-трьох метильованих нуклеотидів. Кінцевим нуклеотидом „кепа” є 7-мегилгуанозин, сполучений з полінуклеотидним ланцюгом PHK не по типу 5' ® 3', а 5' ® 5'-фосфодіефірним зв'язком. Вважають, що метильований „кеп” захищає мРНК від руйнування ферментами.

До 3'-кінця пре-мРНК приєднується поліаденіловий фрагмент – полі (А), який складається з 150 – 200 аденілових нуклеотидів. Вважають, що полі (А) – фрагмент, очевидно, необхідний для транспорту мРНК з ядра в цитоплазму, а також для підвищення її стабільності. Сплайсинг пре-мРНК відбувається шляхом вилучення неінформативних ділянок (інтронів), починаючи з 5¢-кінця за участю екзо- та ендонуклеаз. Інформативні ділянки, які залишились, тобто екзони, за участю спеціальних РНК-лігаз сполучаються в єдиний полінуклеотидний ланцюг.

Певним змінам (процесингу) піддаються й інші пре-РНК, зокрема пре-рРНК і пре-тРНК.

Пре-рРНК є попередником рибосомних PHK як у клітинах прокаріот, так і еукаріот. У прокаріот всі три рРНК – 25S, 16S і 5S утворюються з однієї молекули пре-рРНК – 30S, яка має молекулярну масу ~ 2×10⁶. Спочатку окремі азотисті основи, що входять до її складу, піддаються етилюванню. На наступному етапі пре-рРНК розщеплюється з утворенням 17S- і 25S-проміжних PHK. Далі від них поступово за участю нуклеаз відщеплюються нуклеотиди й утворюються характерні для прокаріот 16S і 23S-рРНК. 5S-рРНК утворюється окремо з 3'-кінцевої ділянки пре-рРНК.

В еукаріот 18S, 28S і 5,8S-рРНК утворюються в декілька етапів з великої 45S пре-рРНК. Процесинг відбувається в ядерці. Спочатку проходить також метилювання нуклеотидів, а потім відщеплення нуклеотидів, що призводить до утворення 18S, 28S і 5,8S-pPHK.

тРНК також утворюються з довших полінуклеотидних ланцюгів пре-тРНК шляхом ферментативного відщеплення зайвих нуклеотидів з 5'- і 3'-кінців молекули. У багатьох випадках з однієї молекули пре-тРНК утворюється дві і більше (до 7) молекул тРНК. У ході процесингу крім відщеплення нуклеотидів з кінців полінуклеотидного ланцюга проходить ще ряд змін. По-перше, з окремих пре-тРНК до 3'-кінця приєднується нуклеотидна послідовність ЦЦА, в інших пре-тРНК цей 3'-кінцевий триплет утворюється в процесі транскрипції. По-друге, багато азотистих основ нуклеотидів зазнають різних модифікацій (деякі метилюються, інші – дезамінуються, відновлюються тощо).

І, нарешті, слід зазначити, що синтез PHK істотно відрізняється від реплікації ДHK. Насамперед, він є консервативним, а не напівконсервативним – продукт синтезу не включає жодних компонентів матриці. Цікавим є і той факт, що ферменти синтезу PHK, тобто PHK-полімерази, специфічні відносно різних матриць і навіть їх окремих ділянок. Крім того, для матричного синтезу PHK не потрібна затравка. Процес синтезу починається взаємодією двох нуклеотидів. І, нарешті, процес транскрипції, на відміну від реплікації, проходить переважно з одного полінуклеотидного ланцюга ДНК-матриці.

Розпад нуклеїнових кислот в тканинах

В процесі життя відбувається постійне самооновлення клітин організму. Ці явища пов'язані з синтезом і розпадом молекул ДНК і РНК. Клітини епітелію дванадцятипалої кишки оновлюються протягом 1,6 діб, рогівки ока – 6,9, мезотелія плеври – 33,9, миготливого епітелію трахеї – 47,6 діб. Тривалість життя тромбоцита до 8 діб, лейкоцита до 13, еритроцита до 120 діб.

Нуклеїнові кислоти клітин під впливом нуклеаз (ДНК-ази і РНК-ази) розщеплюються до мононуклеотидів. Екзонуклеази розщеплюють до мононуклеотидів зовнішні ділянки молекул ДНК і РНК, ендонуклеази – внутрішні. Частина мононуклеотидів може використовуватися новою клітиною, для синтезу власних нуклеїнових кислот, інші мононуклеотиди розщеплюються на нуклеозид і фосфат, потім – на пентозофосфат і пуринову або піримідинову основу:

На другому етапі розщеплення реакцію каталізують ферменти, специфічні для кожного нуклеозида.

Таким чином, у результаті розщеплення нуклеотидів утворюються пуринові і піримідинові основи, фосфати пентоз, фосфорна кислота. Пентози можуть використовуватися як енергетичний матеріал. Основи зазнають ряд глибоких перетворень.

Кінцевий обмін нуклеїнових кислот

Пуринові і піримідинові основи, що утворилися в тканинах при розщепленні нуклеїнових кислот, отруйні і знешкоджуються в печінці (в меншій мірі – в слизовій оболонці кишок, селезінці та інших органах) до кінцевих продуктів обміну, які видаляються з організму з сечею, калом і потом.

Загальна схема розпаду пуринових основ для людини і тварин універсальна. Спочатку вони дезамінуються до гіпоксантина і ксантина, потім окислюються до кінцевих продуктів обміну – сечової кислоти і алантоїна. У ряді випадків дезамінування відбувається на рівні нуклеозидів і нуклеотидів:

В утворенні кінцевих продуктів обміну пуринових основ беруть участь декілька специфічних ферментів:

У риб і амфібій алантоїн може піддаватися подальшому розщепленню:

У різних хребетних тварин кінцеві продукти розпаду нуклеїнових кислот неоднакові. Так, у людини і людиноподібних мавп сечова кислота – кінцевий продукт пуринового обміну. В тканинах аміак зв'язується глутаміновою кислотою в глутамін, який переноситься в печінку, де і утворюється сечовина. У птахів і рептилій сечова кислота – основний кінцевий продукт всього азотного обміну. Система знешкодження аміаку шляхом утворення мало розчинної у воді сечової кислоти виникла у цих класів хребетних в результаті еволюції. У всіх тварин (окрім птахів) сечова кислота перетворюється в алантоїн – кінцевий продукт обміну пуринів, який виділяється з сечею.

Перетворення піримідинових основ має в порівнянні з пуриновими деякі особливості. Перш за все, піримідинові кільця в тканинах і печінці відновлюються до дигідропохідних, потім розмикаються, що приводить до утворення уреїдокислот, які далі розщеплюються на більш прості речовини.

Зокрема, цитозин дезамінується і перетворюється в урацил:

Урацил розпадається до b-аланіна, аміаку і вуглекислого газу; тимін – до b-аміноізомасляної кислоти, аміаку і вуглекислого газу:

По мірі утворення ці продукти видаляються з організму з сечею, потом, калом, а вуглекислий газ – з повітрям, що видихається. Аміак знешкоджується в печінці.

Регуляція нуклеїнового обміну

Нуклеїновий обмін регулюється на різних рівнях, починаючи від цілого організму і закінчуючи молекулою нуклеїнової кислоти. Провідне місце належить центральній нервовій системі і її вищому відділу – корі великих півкуль головного мозку. В гіпоталамусі знаходиться центр білкового обміну.

Нуклеїновий обмін регулюється залозами внутрішньої секреції. Так, синтез РНК і ДНК стимулюється соматотропіном, гідрокортизоном, естрадіолом. Дія гормону зазвичай виявляється разом з ферментом, що здійснює синтез або розпад нуклеїнової кислоти. Деякі стероїдні гормони є репресорами оперонів, що призводить до інтенсивного синтезу іРНК і білків. Реакція активується іонами Mg²⁺ і Mn²⁺.

Гальмування синтезу нуклеїнових кислот використовується в лікувальній практиці, особливо при лікуванні пухлин. Підбираються такі антиметаболіти, які можуть гальмувати новоутворення нуклеїнових кислот, наприклад 5-хлор-5-йод-піримідини, актиноміцин D, ін.

Патологія нуклеїнового обміну

Порушення нуклеїнового обміну різні. Найхарактернішою з них є подагра. Її причиною є порушення нейрогуморальної регуляції нуклеїнового обміну. В суглобах, хрящах, сухожильних піхвах і слизових сумках, у нирках, шкірі і м'язах відкладаються вузлики кристалів сечової кислоти і її солей. Навкруги вузликів розвивається запалення. Найбільше подагричні вузли виражені в області суглобів пальців.

Нуклеїновий обмін різко порушується при променевій хворобі. При цьому порушується процес реплікації ДНК, синтез РНК, гальмується клітинний поділ, пригнічується еритропоез, виникає лейкопенія, розвиваються язви.

З патологією нуклеїнового обміну пов'язаний патогенез сечокам'яної хвороби, коли в нирках і сечовивідних шляхах відкладаються солі сечової кислоти та інші нерозчинні речовини. Утворюється „каміння”.

Лекція № 14. Вода і обмін води.

Значення і розподіл води в організмі

Вода складає близько ³Д біомаси Землі. Перші живі організми виникли у водному середовищі. Життя без води неможливе. Собака, позбавлена корму, може прожити до 100 діб, без води – до 10, людина без води до – 7 діб. Тривале зневоднення можуть переносити лише деякі форми життя, що знаходяться у стані спокою – насіння і спори. Втрата організмом тварини до 10% води призводить до важких порушень обміну речовин, втрата 20 – 25% – до загибелі.

Фізико-хімічна характеристика води. Хімічно чиста вода – це прозора рідина без запаху і смаку. Молекула води містить 11,19% водню і 88,81% кисню. Молекулярна маса води складає 18,016, температура замерзання – 0°С, температура кипіння – 100°C, густина води при +4°C – 1 г/см³.

Вода – добрий розчинник багатьох органічних і мінеральних речовин, що пов'язано із структурою її молекули. Молекула води – електричний диполь, який має чотири полюси зарядів; два позитивних, пов'язаних з атомами водню, і два негативних, створених електронними хмарами неспарених електронів атома кисню.

Середній кут зв'язку Н–О–H рівний 104,5°, середня міжатомна відстань Н–О – 0,0965 нм. Дипольний момент води – 1,86. Вода має високу діелектричну постійну – 80. Це дає можливість її частинкам легко руйнувати кристалічні решітки (наприклад, NaCl), утворені позитивними і негативними іонами, і здійснювати їх гідратацію.

Для води характерний водневий зв'язок, що визначає в значній мірі її властивості і значення. Водневі зв'язки виникають між частковим негативним зарядом атома кисню однієї молекули води і частковим позитивним зарядом атома водню сусідньої. Довжина водневого зв'язку – 0,177 нм, відстані між атомами кисню двох сусідніх молекул води – 0,276 нм.

Водневі зв'язки утворюються між молекулами води і полярними групами багатьох неіонних сполук (спиртів, альдегідів, кетонів і ін.), обумовлюючи їх розчинність.

Водневі зв'язки беруть участь в проникності біологічних мембран, у формуванні вищих рівнів організації молекули білка, нуклеїнових кислот, ліпідів і ін.

Вода – слабий електроліт.

При дисоціації води утворюються іони гідроксонію H₃O⁺ і гідроксильні іони ОН^-. Іони гідроксонію найчастіше зображаються у вигляді іонів H⁺. Концентрацію іонів водню в біологічних системах виражають через водневий показник рН.

Розрізняють прісну, солонувату і солону воду. В прісній воді міститься до 1 г/кг солей, солонуватій – 1 – 25 г/кг, солоній – понад 25 г/кг. Вода містить неорганічні іони, в основному HCO₃^-, Ca²⁺ і Mg²⁺, гази – CO₂, O₂, N₂ (рідше H₂S), а також домішки органічних речовин: в річковій – в межах 20 мг/кг, дещо менше – в підземних, мало (до 4 мг/кг) – морській. Вода, забруднена побутовими і промисловими відходами, містить високий відсоток органічних домішок, які погіршують її якість. У забрудненій воді мешкає багато груп і видів мікробів. Епізоотична і санітарна безпека води забезпечується її очищенням і санітарною охороною водоймищ.

Розподіл води в організмі тварин. Вода – головна складова частина живого організму. Багато вищих тварин містять 60 – 75% води, медузи – до 98%. Вміст води змінюється в онтогенезі. Вода в тканинах і органах тварин розподілена неоднаково. Так, найбільше води організму зосереджено в м'язах (50,8%), найменше – в нирках (0,6%). Різні органи і тканини відрізняються між собою вмістом води. Так, наприклад, кістки містять 22% води, хрящі – 55,0, легені – 79,1, кора головного мозку – 83,3%. Біологічні рідини характеризуються високим вмістом води – до 99,5% (слина, піт). Близько 72% всієї води організму зосереджено в клітинах, 28% – в міжклітинних рідинах. 8 – 10% води організму зосереджено в плазмі крові, лімфі, лікворі, синовії, плевральній рідині.

При складанні раціонів слід враховувати, що на 1 кг маси потрібно в середньому 35 – 40 г води на добу. Для молодих організмів ця потреба в 2 – 4 рази вище.

Стан води в організмі. В органах, тканинах і клітинах вода знаходиться у вигляді вільної, гідратаційної і імобільної. Вільна вода складає основу багатьох біологічних рідин: кров, лімфа, ліквор. Вона бере участь в доставці поживних речовин і видаленні продуктів обміну з органів, тканин і клітин. Частина води входить у міцели колоїдних частинок, беручи участь в утворенні гідратних оболонок. Так, в бактерійній клітині на 1 молекулу ДНК або РНК доводиться близько 1 млн. молекул води. Деяка кількість води зв'язана з неорганічними іонами. Її називають гідратаційною водою. Вона складає близько 4% всієї води тканин. 10 – 80% такої води зв'язують білки. Втрата колоїдною частинкою гідратаційної води приводить до синерезису. Така вода не замерзає при пониженні температури до 0°C і нижче, не може розчиняти деякі речовини і т.д.

Усередині клітин міститься вода, яка не входить до складу гідратних оболонок, – імобільна вода. Її молекули розміщуються між мембранами клітини, волоконними молекулами і структурами. Імобільна вода замерзає при температурі нижче 0°C, розчиняє багато речовин, легко бере участь у реакціях обміну речовин.

Між різними видами води існує динамічна рівновага. Кількість вільної води зростає при патології (нефриті, перикардитах, абсцесах, флегмонах). Виникають набряки. При короткочасній роботі (10 – 15 хв) в організмі нагромаджується міжклітинна (вільна) вода, при тривалій (понад 30 – 60 хв) – внутрішньоклітинна (імобільна) вода.

Біологічне значення води. Вода в організмі виконує ряд життєво важливих функцій. Перш за все, вона є універсальним розчинником мінеральних і органічних речовин, що входять в корми, і продуктів обміну речовин. Вода – активний учасник багатьох реакцій обміну речовин; гідролізу, гідратації, окислення, відновлення і т.д. Вона може взаємодіяти з атомами, іонами, окремими молекулами і їх групами. Її здатність до дисоціації створює на різних ділянках організму і навіть клітини відповідну реакцію середовища, що визначає напрям і хід багатьох реакцій обміну речовин. Всі поживні речовини засвоюються в харчовому каналі з участю води (реакції гідролізу).

Вода – пластичний матеріал, з якого побудовані органи, тканини і клітини.

Вода бере участь в терморегуляції організму. Близько 25% надлишку теплової енергії виділяється з організму в результаті випаровування води з поверхні шкіри. Приблизно стільки ж тепла виділяється з організму з парами повітря, що видихається. Це дає можливість зберегти в організмі температуру, властиву для даного виду тварини і необхідну для повноцінного протікання багатьох реакцій обміну.

Молекули води беруть участь у створенні вторинної і третинної структури молекул білків.

Обмін води

Тканини і клітини використовують два види води: екзо- і ендогенну. Екзогенна вода поступає в організм ззовні. В загальній масі вона складає ⁶/₇ всієї води, необхідної для життя організму. ¹/₇ Загальної маси води утворюється в тканинах тварин як кінцевий продукт окислення нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів. Це ендогенна вода. Встановлено, що при повному окисленні 100 г жирів організм одержує 107,1 г води, вуглеводів – 55,6 і білків – 41,3 г. Кількісне співвідношення екзо- і ендогенної води в організмі залежить від виду і віку тварин, рівня їх продуктивності і умов зовнішнього середовища (навколишньої температури, вогкості, зони проживання), раціону, сезону року та ін. Ендогенний шлях отримання організмом води має велике значення для мешканців безводних пустель і степів, для тварин, які впадають у зимову сплячку.

Всмоктування води. Вода всмоктується слизовою оболонкою всього харчового каналу, починаючи від ротової порожнини і закінчуючи прямою кишкою. Невелика кількість води всмоктується в ротовій порожнині і в стравоході, частина – в шлунку, основна маса – в тонкій кишці, частина – в товстій кишці.

Частинки води разом з перевареними поживними речовинами проникають углиб епітеліальних слизових оболонок у результаті дифузії і осмосу, частково – піноцитоза і активного транспорту. По ендоплазматичній сітці вони поступово переміщуються від апікального краю клітини до базального, поступають в міжклітинний простір, а потім – в міжклітинну рідину, капіляри, венули, підепітеліальну і підслизову венозні сітки кишкової ворсинки, вени брижі, ворітну вену і печінку і далі у великий круг кровообігу. Деяка кількість води поступає через лімфатичну систему.

Проміжний обмін води. Після всмоктування вода транспортується до різних органів, тканин і клітин, де використовується для різних потреб. Транспортування води до тканин і клітин в основному здійснюють білки крові – альбуміни і глобуліни. Вода проникає в клітини прямим (безпосередньо) або непрямим (через міжклітинну рідину) шляхами. Обмін води в організмі є частиною загального обміну речовин і тісно пов'язаний з обміном нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів. Солі натрію, особливо хлориди, сприяють накопиченню води тканинами, викликаючи набухання колоїдів. Солі кальцію, навпаки, зменшують зв’язування води білками, стимулюючи її видалення з організму. Тому хворим при запальних процесах рекомендують вводити хлорид кальцію внутрішньовенно, оскільки він зменшує процеси ексудації.

Обмін води характеризується водним балансом – співвідношенням прийнятої і виділеної з організму води. При водній рівновазі кількість води, що поступила в організм рівна кількості виділеної. Позитивний водний баланс типовий для молодих організмів, водна рівновага – для дорослих, негативний водний баланс – для старіючих організмів.

Кінцевий обмін води. Вода виділяється з організму з сечею (до 50%), потом і повітрям (до 35%), що видихається, і з калом (до 15%). Частка участі органів виділення у водному обміні змінюється залежно від умов зовнішнього середовища, виду і віку тварин, їх функціонального стану.

Регуляція водного обміну. Регуляція водного обміну здійснюється нейрогуморальним шляхом, зокрема, різними відділами центральної нервової системи: корою великих півкуль, проміжним і довгастим мозком, симпатичними і парасимпатичними гангліями.

У регуляції водного обміну беруть участь багато залоз внутрішньої секреції. Частина гормонів володіє антидиуретичною дією: наприклад, гормони задньої частки гіпофіза – вазопресин і кори наднирників – альдостерон, дезоксикортикостерон. Інші гормони стимулюють виділення води нирками: тироксин – гормон щитовидної залози, паратгормон – гормон паращитовидної залози, андрогени і естроген – гормони статевих залоз.

Гормони щитовидної залози стимулюють виділення води через пітні залози.

Вміст води в організмі регулюється наявністю в ньому катіонів. Іони Na⁺ сприяють зв’язуванню її колоїдними частинками білків, іони K⁺ і Ca²⁺ стимулюють виділення води з організму.

Патологія водного обміну. Водний обмін порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. В основі цих порушень лежать морфофункціональні зміни в органах, що беруть участь в загальному водному обміні, і розлади нейрогуморальної регуляції.

Часто причиною патології водного обміну може бути загальне і водне голодування організму. При цьому розвиваються голодні набряки. При деяких хворобах (правець, ботулізм, сказ) ускладнюється прийом води і виникає негативний водний баланс. Окремі хвороби (холера, чума, цукровий і нецукровий діабет, гастрити і ентерити) приводять до надмірної втрати тканинами води. При деяких патологічних станах у тканинах і органах ускладнюється циркуляція води і виникає позитивний водний баланс, особливо при хворобах нирок, фасциольозі, хворобах серця і ін.

Часто причинами порушень водного обміну є пухлини або травми центрів нервової системи і залоз внутрішньої секреції, що беруть участь у його регуляції.

Лекція № 15. Мінеральні речовини та їх обмін.

Загальна характеристика мінеральних речовин

У живих організмах виявлено близько 70-ти хімічних елементів, із них 47 присутні в ньому постійно. Це біогенні хімічні елементи.

За кількісним вмістом у живій матерії всі біогенні елементи ділять на дві групи: макро- і мікроелементи. Вміст макроелементів (О, H, С, N, Ca, S та ін.) у організмі тварин і людини обчислюється відсотками і сотими частками відсотка. Вміст мікроелементів (Cu, Co, Bi, I, F, Fe, Zn, ін.) у організмі складає тисячні частки відсотка і менше. Деякі автори в мікроелементах виділяють ультрамікроелементи – елементи, вміст яких в тканинах менше мільйонних часток відсотка (U, Ra, Au, Ag, Се, ін.). Макроелементи складають основну масу живої матерії (99,4%). Тканини тварин і рослин на 95 – 96,5% складаються з вуглецю, кисню, водню і азоту.

Біогенні елементи утворюють неорганічні і органічні речовини. Неорганічні речовини в середньому складають 71,5% загальної маси організму. Основою неорганічних речовин є вода і мінеральні сполуки – солі, основи, кислоти. Органічні речовини в тканинах у середньому складають 28,5% загальної маси.

Найбільше мінеральних речовин міститься в кістках (48 – 74% загальної маси) і хрящах (2 – 10%). Решта органів і тканин містить невелику кількість мінеральних речовин, хоча вміст окремих елементів може досягати значних величин.

Мінеральні речовини в тканинах і клітинах організму можуть бути у вільному і зв'язаному стані. Так, у кістках, хрящах і дентині вони знаходяться у вигляді міцних нерозчинних відкладень – неорганічних солей вугільної, ортофосфорної та інших кислот. У окремих біологічних рідинах (крові, лімфі, молоці, травних соках) багато мінеральних речовини містяться у вільному стані або у вигляді окремих іонів. Значна частина елементів входить до складу біоорганічних сполук. Так, залізо – складова частина гемоглобіну, міоглобіну, каталази і трансферинів. Фосфор – необхідний хімічний елемент нуклеїнових кислот, багатьох білків, фосфатидів, фосфорних ефірів вуглеводів, макроергів (АТФ, АДФ) й ін. Сірка є компонентом коэнзиму А, глутатіону, цистеїну, цистину і т.д. Йод входить до складу молекул гормонів щитовидної залози, ін.

В організмі мінеральні речовини виконують ряд життєво важливих функцій. Так, вони служать матеріалом, з якого будуються тканини (наприклад, кісткова) і клітинні мембрани. Розчинені неорганічні речовини беруть участь у регуляції ряду фізико-хімічних процесів і, в першу чергу, явищ осмосу і осмотичного тиску. Натрієві і калієві солі фосфорної, вугільної і деяких органічних кислот утворюють з білками тканин і крові буферні системи, беручи участь у регуляції кислотно-лужної рівноваги і підтримці постійності рН у клітинах.

З наявністю, концентрацією і присутністю заряду неорганічних іонів пов'язані фізико-хімічні властивості колоїдів організму: явища гідратації, в'язкість, розчинність, здатність до набухання й ін. Окремі катіони, наприклад кальцію, магнію, марганцю, цинку, служать активаторами або паралізаторами ферментів. Деякі метали входять до складу вітамінів, гормонів і інших органічних сполук.

З присутністю певних мінеральних, речовин (хлориду натрію) у раціоні зв'язано їх засвоєння організмом і секреторна функція харчового каналу. Деякі мінеральні речовини (сірчана кислота) беруть участь в нейтралізації отруйних продуктів, які виникають в організмі в результаті обміну речовин або поступають ззовні.

Потреба організму в мінеральних речовинах визначається багатьма чинниками. До них, в першу чергу, слід віднести вік, стать і фізіологічний стан, рівень продуктивності, склад раціону, питної води і зону проживання.

Обмін мінеральних речовин

Мінеральні речовини, що входять до складу раціону, в організмі піддаються складним перетворенням. Так, основну масу мінеральних речовин, що знаходяться у вільному стані, організм засвоює без якої-небудь попередньої переробки. Частина мінеральних речовин, що знаходяться в зв'язаному стані, засвоюється тільки після розщеплення їжі різними ферментами харчового каналу. Це, перш за все, фосфорна кислота – складова частина нуклеїнових кислот, фосфопротеїдів або фосфатидів, залізо – складова частина гемоглобіну і міоглобіну, магній – складова частина хлорофілу й ін. При цьому їжа спочатку розщеплюється ферментами до органічних і неорганічних речовин, а потім до молекул, окремі з яких розпадаються на іони, після чого і засвоюються організмом.

Всмоктування мінеральних речовин. Певна кількість мінеральних речовин всмоктується в шлунку, основна маса – слизовою оболонкою тонкої кишки, частково – товстої кишки. Зокрема, фосфорна кислота всмоктується у вигляді мінеральних солей або фосфорних ефірів, наприклад мононуклеотидів або ефірів моноз. Всмоктування двовалентних або полівалентних катіонів – багатоступінчастий процес, залежний від багатьох чинників. Так, всмоктування багатьох катіонів стимулюється присутністю в химусі жирів, жовчі і соку підшлункової залози. Всмоктування кальцію стимулюється наявністю в химусі вітаміну D. З аніонів найшвидше всмоктуються хлорид-іони, повільніше – йодид- і бромід-іони, дуже повільно – нітрат- і сульфат-іони.

Частинки мінеральних речовин проникають у цитоплазму клітин покривного епітелію слизової оболонки в результаті дифузії або осмосу, деяка частина – піноцитозом або у вигляді сполук з білковими переносниками. По ендоплазматичній сітці вони переміщуються від апікального до базального краю клітини, потім поступають у міжклітинний простір, з нього в кровоносну (частково в лімфатичну) систему ворсинок, брижі і, нарешті, в печінку і краніальну порожнисту вену, після чого розносяться по всьому організму, де використовуються його тканинами і клітинами. В печінці і в інших органах частина мінеральних речовин депонується. Інтенсивність процесів всмоктування залежить від мінерального складу раціону і ступеня забезпеченості організму тією або іншою речовиною, присутністю в їжі інших речовин і температури суміші, віку, цілісності слизової оболонки.

Надлишок мінеральних речовин може викликати підвищення осмотичного тиску в організмі і зміну іонного складу біологічних рідин. Ці явища усуваються рефлекторно – з появою відчуття спраги вживається відповідна кількість води, а надлишок мінеральних речовин видаляється нирками, пітними залозами і слизовою оболонкою кишок.

Проміжний обмін мінеральних речовин. Мінеральні речовини, що всмокталися в харчовому каналі, частково залишаються в крові і лімфі, більшість їх відкладається в органах і тканинах або використовується окремими клітинами для різних потреб: структурних, функціональних і метаболічних.

Існує локальність у депонуванні і відкладенні мінеральних речовин. Так, кальцій і магній у вигляді фосфатів, карбонатів і апатитів відкладаються в кістковій тканині. В кістках скелета концентруються багато мікроелементів – фтор, титан, стронцій, цезій, рубідій, алюміній, берилій, свинець, олово й ін. Залізо нагромаджується в тканинах печінки і в кістковому мозку, де утворюються еритроцити. Багато заліза концентрується в селезінці – місці руйнування еритроцитів. Цинк і марганець в основному накопичуються в тканинах підшлункової залози. Місцем депонування йоду є щитовидна залоза. Іонами натрію і калію багаті шкіра, підшкірна клітковина і м'язова тканина, плазма крові, лімфа, ліквор. Іони калію зосереджені усередині клітин, натрію – в позаклітинній рідині (табл. 1). Обмін іонів між клітиною і міжклітинною рідиною протікає за законами осмосу: рух іонів (окрім іонів, калію і кальцію) направлений у бік більш низького осмотичного тиску. В біологічних рідинах мінеральні речовини знаходяться в зв'язаному з білками (глобулінами або альбумінами) стані, у вигляді окремих іонів (активна форма) або солей.

В організмі відбувається безперервний обмін мінеральних речовин. В епіфізі, великій гомілковій кістці протягом 9 діб оновлюється до 11%, а за 50 діб – 28,6% фосфору. Протягом доби в організмі миші обмінюється приблизно 20% кальцію і 5% стронцію. 50% радіоактивного йоду в тканинах щитовидної залози обмінюється через 5 годин після введення, через 3 години з організму видаляється 13%, через добу – 50% радіоактивного йоду. Радіоактивне залізо, введене в організм, через декілька годин з'являється в гемоглобіні, а протягом 3 тижнів оновлюється до 60% заліза еритроцитів.

Таблиця 1.