Рубрика ‘Химия’
Метилмалоновая кислота токсична для нервной ткани и при отсутствии лечения вызывает дегенерацию заднебоковых столбов спинного мозга.
Единственным источником витамина В12 в природе являются микроорганизмы, синтезирующие его из других веществ; через почву он попадает в растения, а с растениями — в организмы животных. Для человека основным источником витамина В12 служит животная пища. Наиболее богата витамином печень — около 100 мкг на 100 г печени; в говяжьем мясе содержится около 5 мкг витамина на 100 г мяса. Суточная потребность человека в этом витамине составляет 2,5-5 мкг.Большинство витаминов входит в состав коферментов, и именно по этой причине они необходимы организму. Витамин А служит кофактором белка неферментной природы — родопсина, или зрительного пурпура; этот белок сетчатки глаза участвует в восприятии света. Витамин D (точнее, его производное — кальцитри-ол) регулирует обмен кальция; по механизму действия он сходен с гормонами — регуляторами обмена и функций организма. Витамин Е (токоферол) выполняет роль антиоксиданта. Подробнее функции каждого из витаминов рассматриваются в других разделах.
Состояния, при которых снижена концентрация витаминов в тканях организма, называют гиповитаминозами. Они возникают вследствие недостатка витаминов в пище или нарушения их всасывания в желудочно-кишечном тракте.
Гиповитаминозы клинически могут проявляться весьма характерным образом: при недостатке витамина В12 развивается злокачественная анемия, витамина D — рахит, витамина С — цинга, витамина Вт — бери-бери и т. д. Лечение гиповитаминоза сводится к введению витаминов (в составе пищи или лекарственных препаратов). При отсутствии лечения углубляющийся гиповитаминоз неизбежно приводит к летальному исходу.
Наиболее часто возникают легкие формы гиповитаминозов, не проявляющиеся как ясно выраженная болезнь. Их причиной обычно бывает общее нарушение питания, при этом возникает нехватка сразу многих витаминов. Такого рода гиповитаминозы нередки у городских жителей в конце зимы, вследствие недостаточного потребления овощей и сниженного количества витаминов в долго хранившихся продуктах.Многие витамины синтезируются микроорганизмами, населяющими кишечник человека, и за счет этого источника удовлетворяется часть потребности организма человека в витаминах. При лечении антибиотиками, сульфаниламидами и другими лекарствами, угнетающими кишечную флору, может возникать гиповитаминоз. Поэтому при таком лечении одновременно назначают и витамины.
Бывают и наследственные формы гиповитаминозов. Как уже отмечено, большинство витаминов входит в состав коферментов. Синтез коферментов осуществляется при участии ферментов, как и все химические превращения в организме. Если имеется наследственный дефект фермента, участвующего в превращении какого-либо витамина в кофермент, то возникает недостаточность этого кофермен-та. Она проявляется как недостаточность соответствующего витамина (гиповитаминоз), хотя концентрация витамина в тканях при этом может быть и высокой.Избыточное потребление витаминов приводит к нарушениям обмена и функций организма, которые отчасти связаны со специфической ролью витамина в обмене веществ, отчасти носят характер неспецифического отравления. Гиперви-таминозы возникают сравнительно редко, поскольку существуют механизмы устранения избытка витаминов из тканей, и лишь потребление больших количеств витамина может оказаться опасным. Более других витаминов токсичны жирорастворимые витамины, особенно А и D. Известен, например, гипервита-миноз у новичков в Арктике, которые по неведению употребляют в пищу печень белого медведя (местные жители ее не едят): после небольшой порции возникают головная боль, рвота, расстройство зрения и даже может наступить смерть. Это связано с высоким содержанием витамина А в печени белого медведя: несколько граммов печени могут удовлетворить годовую потребность человека в этом витамине.
Ряд элементов, содержащихся в пище главным образом в форме минеральных солей или ионов, также относится к незаменимым пищевым веществам. По массе основную часть минеральных веществ пищи составляют хлориды, фосфаты и карбонаты натрия, калия, кальция и магния. Кроме того, абсолютно необходимы микроэлементы, называемые так потому, что они требуются в малых количествах: это железо, цинк, медь, марганец, молибден, йод, селен (см. табл. 6.2). Кобальт поступает в организм человека не в форме минеральных солей, а в составе готового витамина В12.
Микроэлементы поступают в организм главным образом с водой и растительной пищей. Недостаточность микроэлементов у человека возникает сравнительно редко. Исключение составляют недостаточность железа, проявляющаяся в форме железодефицитной анемии (см. гл. 21), и недостаточность йода в местностях, где почва и вода содержат мало этого элемента (см. гл. 18).
МЕТАБОЛИЗМ
Напомним, что вещества в организме последовательно превращаются сначала в один метаболит, из которого образуется другой, и т. д. Такие последовательности превращений называют метаболическими путями. Метаболизм — это совокупность всех метаболических путей; она может быть представлена в форме карты метаболизма.В метаболизме выделяют два основных направления превращений веществ: катаболизма анаболизм (рис. 6.2). При катаболизме органические вещества распадаются в конечном счете до диоксида углерода и воды. Процесс катаболизма экзерго-нический. У взрослого человека при распаде веществ до конечных продуктов обмена освобождается энергия в количестве 8000-12 ООО кДж (2000-3000 ккал) в сутки. Эта энергия используется клетками организма для совершения разного рода работы, а также для поддержания температуры тела на постоянном уровне.
Анаболизм — это превращение более простых веществ в более сложные, служащие структурно-функциональными компонентами клетки, такие, как кофер-менты, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты и др. Многие реакции анаболизма относятся к числу эндергонических; источником энергии для них служит процесс катаболизма. Кроме того, энергия катаболизма используется для обеспечения функциональной активности клетки (двигательной, секреторной и др.).
Промежуточным звеном в превращениях энергии при катаболизме и анаболизме служит АТФ. Энергия окисления пищевых веществ обеспечивает синтез АТФ из АДФ и Н3Р04 , а энергия гидролиза АТФ, в свою очередь, используется клеткой для совершения разного рода работы.
Уникальной особенностью организмов как открытых систем является их способность к самовоспроизведению, т. е. к созданию копий самих себя.
Реакцию синтеза ДНК с участием ДНК-полимеразы (например в ПЦР) часто называют самовоспроизведением ДНК, а молекулу ДНК — единственной самовоспроизводящейся молекулой. В действительности самовоспроизведение — свойство гораздо более сложных систем. В самом деле, в репликации ДНК обязательно участие ДНК-полимеразы, причем этот фермент не только катализирует образование 3',5'-фосфодиэфирной связи, но и определяет, наряду с ДНК-матрицей, правильный выбор очередного нуклеотида. Иначе говоря, ДНК не сама воспроизводится, а синтезируется аппаратом, содержащим ДНК-матрицу и белок ДНК-поли-меразу. И эта двухкомпонетная система не самовоспроизводится, поскольку количество ДНК-полимеразы не увеличивается (наоборот — уменьшается в результате денатурации; соответственно убывает скорость репликации). Для того, чтобы эта система самовоспроизводилась, нужен механизм синтеза ДНК-полимеразы. А для этого требуется наличие гена ДНК-полимеразы в ДНК-матрице, и еще множества генов, кодирующих белки, необходимые для экспрессии (транскрипции и трансляции) всех этих генов. Колоссальное усложнение системы! Однако и это далеко не все. Многие вещества, необходимые для самовоспроизведения, нестабильны, и в пище практически отсутствуют, например нуклеозидтрифосфаты), следовательно должны быть механизмы их образования в самой системе, т. е. нужен метаболизм. А это значит, что требуется еще много генов и соответствующих белков.
На рис. 6.4 представлена схема организма как открытой самовоспроизводящейся системы. В системе можно выделить несколько модулей (подсистем), обязательных для всех организмов, в том числе самых простых — бактерий.
1. Модуль самовоспроизведения, или зародышевый путь; главные процессы этого пути — репликация ДНК и деление клетки.
2. Модуль передачи информации ДНК -♦ белки. Главными процессами этого пути являются транскрипция и трансляция, в результате образуется набор белков, обеспечивающих метаболизм и другие функции клетки, включая и функции модуля самовоспроизведения. Это справедливо как для одноклеточных организмов, так и для клеток многоклеточных организмов. Однако у многоклеточных в отдельной клетке во время митотического цикла действует и модуль самовоспроизведения. Таким образом, отдельные клетки многоклеточных организмов являются самовоспроизводящимися системами, а целый многоклеточный организм — самовоспроизводящаяся система более высокого уровня. Популяция, вид, биогеоценоз, биосфера — самовоспроизводящиеся системы возрастающей сложности. В число ресурсов среды, потребляемых гетеротрофными организмами, входят и вещества, образуемые другими живыми организмами. Автотрофные организмы (это прежде всего растения) не нуждаются в других живых системах.
Назовем еще один модуль, не указанный на схеме, но обязательный для самовоспроизведения. Это модуль защиты от повреждающих агентов — механизмы обезвреживания токсических веществ (см. гл. 19) и механизмы репарации повреждений — от репарации повреждений ДНК и «ремонта» пространственной структуры белков (шапероны) до заживления ран.
Группа модулей, начиная с третьего, составляет фенотипический путь информации.
Важнейший элемент клетки как самовоспроизводящейся системы - петля взаимозависимости между ДНК и белками: синтез белков невозможен без ДНК, а синтез ДНК невозможен без белков (реакции 1, 3, 4, 5 на рис. 6.4).
Наиболее простыми самовоспроизводящимися системами на Земле являются бактерии: их геном часто содержит около 5000 генов (напомним, что в геноме человека 50 ООО генов). Надо полагать, что жизнь на Земле начиналась с более простых систем, но они пока остаются неизвестными.
Таким образом, в результате обмена веществ потребляемые с пищей вещества превращаются в собственные вещества и структуры клетки и, кроме того, организм обеспечивается энергией для совершения внешней работы. Самовоспроизведение, т. е. создание копий самих себя — фундаментальная особенность обмена веществ в живых организмах, отличающая их от обмена веществ в неживой природе.
Обычно в метаболическом пути есть реакция, протекающая значительно медленнее, чем все другие реакции данного пути, — это лимитирующая стадия. Лимитирующая стадия определяет общую скорость превращения исходного вещества в конечный продукт метаболической цепи. Часто фермент, катализирующий лимитирующую реакцию, является регуляторным ферментом: его активность может изменяться при действии клеточных ингибиторов и активаторов, или может изменяться количество фермента в результате индукции или репрессии сто синтеза.
В разветвленных метаболических системах регуляторные ферменты обычно катализируют первую реакцию в месте разветвления, например реакции b -+ с или b -+ i на рис. 6.5. Этим обеспечивается возможность независимой регуляции каждой ветви метаболической системы.Многие реакции метаболизма обратимы; направление их протекания в живой клетке определяется расходованием продукта в последующей реакции или удалением продукта из сферы реакции, например, путем экскреции (рис. 6.5). При изменениях состояния организма (прием пищи, переход от покоя к двигательной активности и др.) концентрации метаболитов в организме изменяются, т. е. устанавливается новое стационарное состояние.
При постоянных условиях среды многие характеристики организма сохраняются неизменными. В частности, это относится к концентрации ряда метаболитов в клетках и внеклеточных жидкостях. Например, измеряя у одного и того же человека концентрацию глюкозы в крови в одинаковых условиях (после ночного сна, до завтрака), мы обнаружим, что она день за днем, месяц за месяцем остается практически постоянной (или изменяется в узких пределах). Средние значения этих концентраций (с указанием пределов колебаний) служат одной из характеристик нормы. При болезнях стационарные концентрации метаболитов изменяются, причем эти изменения часто бывают специфичными для той или иной болезни. На этом основаны многие биохимические методы лабораторной диагностики болезней.
Такое постоянство многих свойств организма называют гомеостазом. Гомеос-таз поддерживается действием специальных регуляторных механизмов.
Однако еще более, чем гомеостаз, характерны для организма изменения ряда параметров, происходящие в определенном направлении и имеющие определенную величину.
Внутриклеточные механизмы регуляции действуют как у одноклеточных организмов, так и в клетках многоклеточных организмов. Но у сложно устроенных многоклеточных организмов с дифференцированными клетками (и органами), выполняющими специальные функции, возникает необходимость межклеточной (и межорганной) координации обмена веществ и функций. Например, интенсивная и продолжительная работа мышц требует включения процессов мобилизации гликогена в клетках печени или мобилизации жиров в жировых клетках. Межклеточная коммуникация (второй уровень регуляции) обеспечивается передачей сигналов с помощью специальных сигнальных молекул — эндокринных гормонов, паракрин-ных гормонов и нейромедиаторов нервных синапсов.
Эндокринная система представлена железами, синтезирующими гормоны — химические сигналы (рис. 6.6). Гормоны освобождаются в кровь в ответ на специфический стимул. Этим стимулом может быть нервный импульс или изменение концентрации определенного вещества в крови, протекающей через эндокринную железу (например, снижение концентрации глюкозы). Гормон транспортируется с кровью и соединяется с определенными клетками (клетками-мишенями). Избирательность взаимодействия с клетками зависит от наличия рецепторов данного гормона на поверхности или внутри клетки, содержащих комплементарный центр связывания гормона. Присоединение гормона к рецептору включает внутриклеточные механизмы регуляции — изменения активности или количества ферментов и др. В результате изменения обмена веществ устраняется стимул, вызвавший освобождение гормона (например, повышается концентрация глюкозы в крови). Выполнивший свою функцию гормон разрушается специальными ферментами.При паракринном и аутокринном механизмах сигнальные молекулы (пара-кринные гормоны, гормоны местного действия) синтезируются не в специализированных железах, а практически во всех дифференцированных клетках, но неодинаковые в клетках разных типов. Этими молекулами могут быть цитокины (белки, обычно небольшого размера), эйкозаноиды (производные арахидоно-вой кислоты), гистамин, гормоны желудочно-кишечного тракта и др. Эти молекулы секретируются в межклеточное пространство и взаимодействуют с рецепторами близлежащих клеток другого фенотипа (паракринная регуляция) или того же фенотипа (аутокринная регуляция). При аутокринной регуляции мишенью может быть та же клетка, из которой секретировался гормон.
Третий уровень регуляции — нервная система с рецепторами сигналов как внешней среды, так и внутренней. В мозг поступают сигналы (информация) от органов чувств, а также от внутренних органов. На основе этой информации в мозге формируются управляющие импульсы, трансформируются в волну деполяризации нервного волокна (нервный импульс), который в синапсе с клеткой-эффектором вызывает освобождение медиатора — химического сигнала. Медиатор через внутриклеточные механизмы регуляции вызывает изменения обмена веществ и функционального состояния клетки. Клетками-эффекторами могут быть и некоторые эндокринные клетки, отвечающие на нервный импульс синтезом и выделением гормона.
Все три уровня регуляции теснейшим образом взаимосвязаны и функционируют как единая система.Обмен веществ можно изучать на целом живом организме (эксперименты in vivo) или используя изолированные части организма — органы, клетки, субклеточные структуры (эксперименты in vitro, т. е. вне организма; буквально — «в стекле», в пробирке).Классический пример исследований на целом организме, проведенных еще в начале прошлого века, составляют эксперименты Кноопа. Он изучал способ распада жирных кислот в организме.По существу, в этих исследованиях Кнооп применил метод мечения молекул: он использовал в качестве метки фенильный радикал, не подвергающийся изменениям в организме. Начиная примерно с 40-х годов XX в. получило распространение применение веществ, молекулы которых содержат радиоактивные или тяжелые изотопы элементов. Например, скармливая экспериментальным животным разные соединения, содержащие радиоактивный углерод (14С), установили, что все атомы углерода в молекуле холестерина происходят из углеродных атомов ацетата (рис. 6.7) — подробнее о синтезе холестерина см. гл. 10. С помощью изотопной метки изучают также время полужизни белков и других соединений, т. е. скорость обновления тканей.
Изолированные органы. Если в артерию изолированного органа вводить раствор какого-либо вещества и анализировать вещества в жидкости, вытекающей из вены, то можно установить, каким превращениям подвергается это вещество в органе. Например, таким путем было найдено, что в печени за счет азота аминокислот образуется мочевина. Сходные опыты можно проводить на органах без их выделения из организма (метод артериовенозной разницы): в этих случаях кровь для анализа отбирают с помощью канюль, вставленных в артерию и вену органа, или с помощью шприца. Таким путем, например, можно установить, что в крови, оттекающей от работающих мышц, увеличена концентрация молочной кислоты, а протекая через печень, кровь освобождается от молочной кислоты.Срезы тканей. Срезы — это тонкие кусочки тканей, которые изготовляются с помощью микротома или просто бритвенного лезвия. Срезы инкубируют в растворе, содержащем питательные вещества (глюкозу или другие) и вещество, превращения которого в клетках данного типа хотят выяснить. После инкубации анализируют продукты метаболизма исследуемого вещества в инкубационной жидкости. Применение срезов ограничивается тем, что клеточные мембраны непроницаемы для многих веществ.
Фракционирование гомогенатов. Из гомогената можно выделить субклеточные частицы, как надмолекулярные (клеточные органеллы), так и отдельные соединения (ферменты и другие белки, нуклеиновые кислоты, метаболиты) (см. рис. 6.8). Например, с помощью дифференциального центрифугирования можно получить фракции ядер, митохондрий, микросом (микросомы — это фрагменты эндоплазматического ретикулума). Эти органеллы различаются размерами и плотностью и поэтому осаждаются при разных скоростях центрифугирования. После осаждения микросом в надосадочной жидкости остаются растворимые компоненты клетки — растворимые белки, метаболиты. Каждую из этих фракций можно разными методами фракционировать дальше, выделяя составляющие их компоненты. Из выделенных компонентов можно реконструировать биохимические системы, например простую систему «фермент + субстрат», и такие сложные, как системы синтеза белков и нуклеиновых кислот
В молекулярных процессах разных организмов, населяющих Землю, имеется далеко идущее сходство. Такие фундаментальные процессы, как матричные биосинтезы, механизмы трансформации энергии, основные пути метаболических превращений веществ, примерно одинаковы у организмов — от бактерий до высших животных. Поэтому многие результаты исследований, проведенных с кишечной палочкой, оказываются применимыми и к человеку. Чем больше филогенетическое родство видов, тем больше общего в их молекулярных процессах. Подавляющую часть знаний о биохимии человека получают таким путем: исходя из известных биохимических процессов у других животных, строят гипотезу о наиболее вероятном варианте данного процесса в организме человека, а затем проверяют гипотезу прямыми исследованиями клеток и тканей человека. Такой подход позволяет проводить исследования на небольшом количестве биологического материала, получаемого от человека. Чаще всего используют ткани, удаляемые при хирургических операциях, клетки крови (эритроциты и лейкоциты), а также клетки тканей человека, выращиваемые в культуре in vitro.
Изучение наследственных болезней человека, необходимое для разработки эффективных методов их лечения, одновременно дает много информации о биохимических процессах в организме человека. В частности, врожденный дефект фермента приводит к тому, что в организме накапливается его субстрат; при изучении таких нарушений обмена иногда открывают новые ферменты и реакции, количественно незначительные (поэтому они и не были замечены при изучении нормы), которые имеют, однако, витальное значение.