Звягина Учебное пособие

Тропомиозин — также белок тонких нитей. Состоит из двух α- спиралей в форме палочки. Располагается в бороздках, идущих вдоль обеих сторон актина. Каждая его молекула лежит на 7 молекулах актина. Молекула тропомиозина закрывает активные центры связывания актина на поверхности глобул актина.

Тропонин — ещё один белок тонких нитей. Состоит из 3 субъединиц: С — для связывания с ионами кальция; I — ингибиторная, которая блокирует преждевременное соединение головок миозина с актином; Т — для связывания с тропомиозином.

Рисунок 30. Строение актина

Белки саркоплазмы. К ним относятся миоглобин, ферменты гликолиза, тканевого дыхания, кальмодулин и кальсеквестрин, способ-

ные обратимо связываться с ионами кальция.

Белки стромы. Это коллаген и эластин.

Мышцы, помимо белков, содержат небелковые азотистые со-

единения — АТФ, КФ (креатинфосфат), фосфолипиды, глутамат,

глутамин, карнозин и анзерин (два последних способны увеличивать амплитуду мышечного сокращения); безазотистые соединения —

гликоген, лактат, пируват, нейтральные жиры, холестерол. Осталь-

ная масса — Н2О.

Регуляция сокращения и расслабления мышц в живой клетке

Сокращение.

231

1.Мышечное сокращение начинается с нервного импульса. Под

воздействием ацетилхолина развивается возбуждение клеточной мембраны и резко повышается ее проницаемость для Са2+.

2.Са2+ поступает в цитоплазму мышечной клетки (саркоплазма) из депо - цистерн цитоплазматического ретикулума. Концентрация Са2+

всаркоплазме мгновенно увеличивается в 100 раз

3.Кальций связывается с тропонином С. Это приводит к конформационным изменениям молекулы тропонина, в результате устраняется пространственное препятствие в виде тропонина I, в результате конформационных изменений тропонина Т молекула тропомиозина оттягивается в сторону и открывает на поверхности актина миозинсвязывающие центры.

Расслабление.

Чтобы произошло расслабление мышцы, необходимы следующие условия:

1.Освобождение тропонина С от Са2+ - для этого работает мем- брано-связанный фермент Са2+-зависимая АТФаза, который откачивает Са2+ обратно в цистерны против градиента концентрации.

Накоплению ионов кальция в цистернах помогает белок - кальсеквестрин, он связывает Са2+ в цистернах.

Процесс расслабления как и процесс сокращения нуждается в

АТФ, если нет АТФ, то не работает Са2+-зависимая АТФаза. Запасы АТФ в клетке значительны, но их хватает для обеспечения мышечной работы только в течение 0,1 секунды. Но в мышечной клетке идет очень быстрый ресинтез АТФ.

Особенность мышечной ткани - очень быстрые изменения концентрации АТФ (в 100 и более раз).

Механизмы энергообеспечения мышечной работы.

Источники энергии:

1.Специальные реакции субстратного фосфорилирования.

2.Гликолиз, гликогенолиз.

1. Специальные реакции субстратного фосфорилирования Участие специальных реакций субстратного фосфорилирования

в обеспечении энергией мышечной клетки различна - это зависит от интенсивности, продолжительности, мощности и длительности мышечной работы.

1) Креатинфосфокиназная реакция.

232

Это самый быстрый способ ресинтеза АТФ. Запасов креатинфосфата хватает для обеспечения мышечной работы в течение 20 секунд.

Максимально эффективен. Не требует присутствия кислорода, не дает побочных нежелатель-

ных продуктов, включается мгновенно. Его недостаток - малый резерв субстрата (хватает только на 20 секунд работы). Обратная реакция может протекать в митохондриях с использованием АТФ, образовавшейся в процессе окислительного фосфорилирования.

Мембрана митохондрий хорошо проницаема как для креатина, так и для креатин-фосфата, а креатинфосфокиназа есть и в саркоплазме, и в межмембранном пространстве митохондрий.

2) Миокиназная реакция. Протекает только в мышечной ткани! 2 АДФ → АТФ + АМФ

Реакция катализируется миокиназой (аденилаткиназой).

Главное значение этой реакции заключается в образовании АМФ - мощного аллостерического активатора ключевых ферментов гликолиза, гликогенолиза, ПФЦ.

2. Гликолиз, гликогенолиз.

Гликогенолиз: используется гликоген мышц (2% от веса мышцы) и глюкоза крови, полученная из гликогена печени.

Гликолиз начинается не сразу - только через 10-15 секунд после начала мышечной работы, но это наиболее энергетически выгодный

233

процесс - синтезируется 38 молекул АТФ при окислении одной молекулы глюкозы.

Важную роль в обеспечении мышечной клетки кислородом играет миоглобин, у которого сродство к кислороду больше, чем у гемоглобина: при парциальном давлении кислорода, равном 30 мм.рт.ст., миоглобин насыщается кислородом на 100%, а гемоглобин - всего на 30%. Поэтому миоглобин эффективно отнимает у гемоглобина доставляемый им кислород.

Особенности обмена сердечной мышцы.

Особенностью энергетического обмена сердечной мышцы является его почти полностью аэробный характер. Основными субстратами, поставляющими энергию, служат жирные кислоты (70%), глюкоза, пируват и лактат. После приема пищи использование глюкозы увеличивается, а жирных кислот – уменьшается; при физической работе возрастает доля молочной кислоты (лактата) в обеспечении сердца энергией.

Биохимические изменения при патологии мышц.

При болезнях мышц, особенно сопровождающихся их атрофией, увеличивается концентрация креатина в крови и выделение его с мочой. Как известно, креатин может неферментативно превращаться в креатинин, который в норме тоже выводится с мочой, при мышечной патологии, его выделение снижается.

Биохимия соединительной ткани

Соединительная ткань составляет до 50 % массы человеческого организма. Это связующее звено между всеми тканями организма.

Различают 3 вида соединительной ткани:

1.собственно соединительная ткань;

2.хрящевая соединительная ткань;

3.костная соединительная ткань.

Соединительная ткань может выполнять как самостоятельные функции, так и входить в качестве прослоек в другие ткани.

Функции соединительной ткани

1.Структурная.

2.Обеспечение постоянства тканевой проницаемости.

3.Обеспечение водно-солевого равновесия.

4.Участие в иммунной защите организма.

Состав и строение соединительной ткани

234

В соединительной ткани различают: межклеточное (основное) вещество, клеточные элементы, волокнистые структуры (коллагеновые волокна). Особенность: межклеточного вещества гораздо больше, чем клеточных элементов.

Биохимия межклеточного матрикса (основное вещество). Гликозамингликаны и протеогликаны: строение, функция. Роль глюкуроновой кислоты в организации межклеточного матрикса.

Желеобразная консистенция основного вещества объясняется его составом. Основное вещество - это сильно гидратированный гель, который образован высокомолекулярными соединениями (белками и углеводами), составляющими до 30 % массы межклеточного вещества, оставшиеся 70 % - это вода.

Высокомолекулярные компоненты представлены белками и углеводами. Углеводы по своему строению являются гетерополисахаридами - глюкозоаминогликаны (ГАГ). Эти гетерополисахариды построены из дисахаридных единиц, которые и являются их мономерами.

По строению мономеров различают 7 типов глюкозаминогликанов.

1.Гиалуроновая кислота.

2.Хондроитин-4-сульфат.

3.Хондроитин-6-сульфат.

4.Дерматансульфат.

5.Кератансульфат.

6.Гепарансульфат.

7.Гепарин.

Гиалуроновая кислота.

Мономер построен из глюкуроновой кислоты и N - ацетилглюко-

замина. Гиалуроновая кислота может находиться и в свободном виде, и в составе сложных агрегатов. Это единственный представитель глюкозаминогликанов, который не сульфатирован.

Хондроитин-сульфаты.

Хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат. Отличаются друг от друга местом расположения остатка серной кислоты. Мономер хондроитин-сульфата построен из глюкуроновой кислоты и N- ацетилгалактозаминсульфата. Встречаются в связках суставов и в ткани зуба.

Дерматан-сульфат.

235

Его мономер построен из идуроновой кислоты и галактозамин-4- сульфата. Он является одним из структурных компонентов хрящевой ткани.

Кератан-сульфат состоит из галактозы и N-ацетилглюкозамин-6- сульфата.

Гепаран-сульфат и гепарин.

Они сильно сульфатированы (в мономере 2-3 остатка серной кислоты). В состав их входят глюкуронат-2-сульфат и N- ацетилглюко- замин-6-сульфат.

Длинные полисахаридные цепи складываются в глобулы. Однако эти глобулы рыхлые (не имеют компактной укладки) и занимают сравнительно большой объем. Глюкозаминогликаны являются гидрофильными соединениями, содержат много гидроксильных групп, имеют значительный отрицательный заряд (много карбоксильных и сульфогрупп), что способствует присоединению к ним положительно заряженных катионов калия, натрия, кальция, магния. Это еще более увеличивает способность удерживать воду. Глюкозаминогликаны входят в состав сложных белков, которые называются протеогликанами. Глюкозаминогликаны составляют в протеогликанах 95 % их веса. Остальные 5 % веса - это белок. В клетке протеогликаны связаны с гиалуроновой кислотой, образуя сложный надмолекулярный комплекс. Кроме протеогликанов, основное вещество содержит гли-

копротеины.

Углеводный компонент гликопротеинов - это олигосахарид, состоящий 10-15 мономерных единиц. Этими мономерными единицами могут быть в основном минорные моносахариды: манноза, рамноза, фукоза, арабиноза, ксилоза. На конце этого олигосахарида имеется еще одно производное моносахаридов: сиаловые кислоты (ацильные производные нейраминовой кислоты). Если в крови увеличивается концентрация сиаловых кислот - значит, идет распад межклеточного матрикса. Это бывает при воспалении.

Гликопротеины делят на 2 группы:

1.растворимые;

2.нерастворимые.

Растворимые гликопротеины представлены особым белком - фибронектином. Он состоит из двух полипептидных цепей, соединенных дисульфидным мостиком. Имеет центры связывания с протеогликанами, с волокнистыми структурами (коллагеном), гликолипидами клеточных мембран. Поэтому фибронектин называют «моле-

236

кулярным клеем». Он обычно располагается на поверхности фибробластов и участвует в адгезии всех перечисленных клеточных структур, а, значит, и клеток. Известно, что при опухолевых заболеваниях количество фибронектина снижается, что способствует метастазированию опухоли.

К нерастворимым гликопротеинам относится ламинин. Содержит такие же углеводные компоненты, как и ганглиозиды клеточных мембран. Нерастворимые гликопротеины образуют «каркас», «строму» межклеточного матрикса.

Катаболизм компонентов основного вещества.

Идет под действием некоторых гидролаз, например, нейраминидаза отщепляет от гликопротеинов N-ацетилнейраминовую (сиаловую) кислоту, и уже дестабилизированный гликопротеин поглощается макрофагами. Поэтому концентрация сиаловых кислот в крови - характеристика состояния соединительной ткани. При воспалительных процессах эта концентрация намного возрастает. При недостаточности ферментов катаболизма основного вещества развиваются заболевания - мукополисахаридозы, при которых в тканях происходит накопление тех или иных ГАГ.

Фибриллярные белки соединительной ткани. Коллаген: особенности строения, биосинтеза, созревания, распада.

В межклеточном матриксе находятся 2 типа волокнистых структур: коллагеновые и эластиновые волокна. Основным их компонентом является нерастворимый белок коллаген.

Коллаген - сложный белок, относится к группе гликопротеинов, имеет четвертичную структуру, составляет 30 % от общего количества белка в организме человека. Его фибриллярная структура - это суперспираль, состоящая из 3-х -цепей.

Рисунок 31. Строение коллагена

В первичной структуре коллагене 70 % аминокислот являются гидрофобными. Аминокислоты по длине полипептидной цепи расположены группами (триадами), сходными друг с другом по строению,

237

состоящими из трех аминокислот. Каждая третья аминокислота в первичной структуре коллагена - это глицин (триада (или группа): (гли-X-Y)n, где X - любая аминокислота или оксипролин, Y - любая аминокислота или оксипролин или оксилизин). Эти аминокислотные группы в полипептидной цепи многократно повторяются. Молекула коллагена построена из 3-х цепей и представляет собой тройную спираль. Известно несколько типов коллагена, различающихся генетически.

Синтез коллагена.

Существуют 8 этапов биосинтеза коллагена: 5 внутриклеточных и 3 внеклеточных.

1-й этап

Протекает на рибосомах, синтезируется молекула - предшественник: препроколлаген.

2-й этап

С помощью сигнального пептида «пре» транспорт молекулы в канальцы эндоплазматической сети. Здесь отщепляется «пре» - образуется «проколлаген».

3-й этап

Аминокислотные остатки лизина и пролина в составе молекулы коллагена подвергаются окислению под действием ферментов пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы (эти окислительные ферменты относятся к подподклассу монооксигеназ).

При недостатке витамина "С"- аскорбиновой кислоты наблюдается цинга, - заболевание, вызванное синтезом дефектного коллагена с пониженной механической прочностью, что вызывает, в частности, разрыхление сосудистой стенки и другие неблагоприятные явления.

4-й этап Посттрасляционная модификация - гликозилирование прокол-

лагена под действием фермента гликозил трансферазы. Этот фермент переносит глюкозу или галактозу на гидроксильные группы оксилизина.

5-й этап

Заключительный внутриклеточный этап - идет формирование тройной спирали - тропоколлагена (растворимый коллаген). В составе про-последовательности – аминокислота цистеин, который образует дисульфидные связи между цепями. Идет процесс спирализации.

6-й этап

238

Секретируется тропоколлаген во внеклеточную среду, где амино- и карбоксипротеиназы отщепляют (про-)-последовательность.

7-й этап

Ковалентное «сшивание» молекулы тропоколлагена по принципу «конец-в-конец» с образованием нерастворимого коллагена. Происходит окисление и дезаминирование радикала лизина с образованием альдегидной группы. Затем между двумя радикалами лизина возникает альдегидная связь. Только после многократного сшивания фибрилл коллаген приобретает свою уникальную прочность, становится нерастяжимым волокном.

8-й этап

Ассоциация молекул нерастворимого коллагена по принципу «бок-в-бок». Ассоциация фибрилл происходит таким образом, что каждая последующая цепочка сдвинута на 1/4 своей длины относительно предыдущей цепи.

Фибриллярные белки соединительной ткани. Эластин: особенности строения и функции.

Второй вид волокон - эластические. В основе строения - белок эластин. Эластин еще более гидрофобен, чем коллаген. В нем до 90 % гидрофобных аминокислот, много лизина. Цепи укладываются в пространстве в виде глобул. Глобула из одной полипептидной цепи называется - эластин. За счет остатков лизина может происходить взаимодействие между молекулами эластина. Такая структура называется десмозином. В отличие от коллагена, образующего прочные фибриллы, способные выдержать большие нагрузки, эластин обладает резиноподобными свойствами. Нити эластина, содержащиеся в тканях лёгких, в стенках сосудов, в эластичных связках, могут быть растянуты в несколько раз по сравнению с их обычной длиной, но после снятия нагрузки они возвращаются к свёрнутой конформации.

Клеточные элементы соединительной ткани.

Это фибробласты, тучные клетки и макрофаги. В них происходят процессы синтеза структурных компонентов, а также процесс распада соединительной ткани. Коллаген обновляется на 50 % за 10 лет. В фибробластах идут синтетические процессы: синтез коллагена, эластина.

I. Вопросы для самоподготовки: 1. Основные функции крови.

239

2.Назовите физиологические белки крови и дайте их краткую характеристику.

3.Патологические белки крови.

4.Клетки крови и особенности их метаболизма.

5.Молекулярные механизмы свертывания крови.

6.Расскажите о противосвертывающей системе (антикоагулянтах).

7.Биохимические функции печени.

8.Дайте характеристику биохимическим изменениям при нарушениях функции печени.

9.Назовите основные функции нервной ткани.

10.Особенности химического состава и метаболизма нервной ткани.

11.Основные функции мышечной ткани.

12.Приведите характеристику важнейших компонентов мышечной ткани.

13.Расскажите о регуляции сокращения и расслабления мышц в живой клетке.

14.Биохимические изменения при патологии мышц.

15.Основные функции соединительной ткани.

16.Состав и строение соединительной ткани.

II.Тестовые вопросы для самоконтроля:

3.К физиологическим белкам крови не относятся…

а) интерфероны б) альбумины

в) α1-глобулины г) α2-глобулины

2. Гипопротеинемия может развиваться при… а) патологии мышечной ткани б) неукротимой рвоте в) патологии почек

г) тяжелых инфекционных заболеваниях

3.К клеткам крови, выполняющим защитную функции относят…

а) эритроциты б) лейкоциты в) тромбоциты г) остеоциты

4.К естественным антикоагулянтам относится…

а) гепарин

240