11. Биологическое окисление. Цикл трикарбоновых кислот - общий путь метаболизма. Энергетический обмен. Окислительное фосфорилирование и транспортные системы митохондрий.
Мормоны, проживающие в двух населенных пунктах США – Хилдале (штат Юта) и Колорадо-Сити (Аризона), продолжают придерживаться полигамии и одобряют браки между близкими родственниками. Последнее обстоятельство - причина высокого распространения в общине фумаровой ацидурии. Заболевание вызвано дефицитом фумаразы. Основной биохимический признак заболевания – высокая экскреция с мочой фумаровой кислоты, которая в десятки раз превышает контрольные значения. В моче больных детей в больших количествах могут присутствовать и другие органические кислоты: α-кетоглутаровая, янтарная, лимонная, иногда яблочная, в крови повышено содержание лактата и пирувата. Клинические проявления органических ацидурий, как правило, неспецифичны и заключаются в задержке нервно-психического и двигательного развития, судорожных пароксизмах, резистентных к назначаемым антиконвульсантам и дисметаболических кризах, характеризующихся эпизодами летаргии и рвоты. Почему недостаточная активность этого фермента приводит к таким клиническим проявлениям?
Для ответа:
а) представьте схему процесса с участием фумаразы;
б) опишите его роль в метаболизме клеток;
в) объясните причину повышения в крови больных уровня молочной, пировиноградной кислот, представьте соответствующие схемы.
ОТВЕТ:
Рис. 21
а) Фумараза служит одним из ферментов цитратного цикла (цикла Кребса). Фермент класса лиаз катализирует присоединение воды к молекуле фумаровой кислоты и образование продукта – яблочной кислоты.
б) Цикл Кребса – центральная часть общего пути катаболизма, циклический биохимический аэробный процесс, в ходе которого происходит превращение двух- и трёхуглеродных соединений, образующихся как промежуточные продукты при распаде углеводов, жиров и белков, до CO2. Освобожденный водород (протоны и электроны) направляется в цепь тканевого дыхания, где участвует в активации окислительного фосфорилирования АДФ и в дальнейшем включается в состав воды. Во всех клетках организма человека (кроме эритроцитов) основное значение процесса – энергетическое. Недостаточность фумаразы снижает скорость этого процесса. Следовательно, все клинические проявления органических ацидурий связаны с развитием гипоэнергетического состояния клеток тканей. в) При дефиците фумаразы снижается скорость ЦТК и окисления ацетил-КоА в этом процессе. Ацетил-КоА служит аллостерическим ингибитором пируватдекарбоксилазы (ПДК) и активатором киназы ПДК, которая фосфорилирует пируватдекарбоксилазу и тормозит процесс.
Рис. 22 Регуляция активности ПДК
Рис. 23
У больных, страдающих фумаровой ацидурией, молекулы пирувата, не включенные в общий путь катаболизма (ОПК), выходят в кровь, часть из них превращается в лактат, который тоже поступает в кровь. Присутствие в крови больных α-кетоглутаровой, янтарной, лимонной, яблочной кислот изменяет рН крови и развивает ацидоз.
12. Энергетический обмен. Окислительное фосфорилирование и транспортные системы митохондрий. В результате обследования у больной установлена миома матки. Беседуя с пациенткой, врач объяснил ей, что это самая распространенная доброкачественная опухоль и выявляется у 20–50% обследуемых. Долгое время основным методом лечения была надвлагалищная ампутация и экстирпация матки. Однако такое оперативное лечение нарушает репродуктивную функцию, нейроэндокринные процессы. В настоящее время многим больным с миомой матки проводится эмболизация маточных артерий (ЭМА). В ходе операции осуществляется избирательное закрытие сосудов миоматозного узла и перифиброидного сплетения, что приводит к стойкой ишемии только самой миомы, практически не отражаясь на кровоснабжении непораженных участков стенки матки. Прекращение кровотока по ветвям маточных артерий приводит к отмиранию клеткок миомы. Объясните успешный результат этого метода лечения.
Для этого:
а) назовите основную причину происходящих изменений в клетках миомы;
б) опишите, какой обмен нарушается в клетках, к чему этот процесс приводит;
в) представьте схему процесса, функционирование которого возможно только при непосредственном участии О2; назовите фермент осуществляющий окислительное фосфорилирование АДФ.
ОТВЕТ:
а) Проведение ЭМА вызывает гипоксию опухоли, т.е. недостаточность поступления кислорода в клетки миомы.
б) Нарушается энергетический обмен, приводящий к недостаточному синтезу АТФ в клетках миомы.
Рис. 24
I – NADH-дегидрогеназа; II – сукцинатдегидрогеназа; III – QH2 – дегидрогеназа; IV – цитохромоксидаза; V – ATP-синтаза
В тесной зависимости от внутриклеточного содержания АТФ находится способность клеток поддерживать специфические для нее энергозависимые функции (электрогенную, нейромедиаторную, рецепторную, сократительную, транспорт ионов и трансмембранные потенциалы, синтетические процессы и др.). При снижении внутриклеточного содержания уровня АТФ всего на 15–20% интенсивность всех энергозависимых функций клетки падает на 75–80% от исходной величины, из-за чего сильно нарушаются функции клеток миомы. Совокупность нарушений приводит некрозу – омертвлению клеток миомы без способности к восстановлению.
в) Окислительное фосфорилирование АДФ осуществляет фермент АТФ-синтаза.
13. Обмен углеводов. Синтез и распад гликогена. Ранее в медицинской практике использовался диэтиловый эфир для наркоза. При эфирном наркозе возбуждаются симпатические центры, адреналин из мозгового слоя надпочечников поступает в кровь. Почему такой наркоз ухудшал состояние пациентов, страдающих заболеваниями, сопровождающимися увеличением уровня глюкозы в крови?
Для этого:
а) назовите норму глюкозы в крови;
б) укажите источники глюкозы в крови;
в) объясните механизм действия адреналина в той ткани, которая обеспечивает сохранение нормального уровня глюкозы в крови при стрессе и кратковременном голодании (не более суток);
г) представьте схему метаболического пути, ускорение которого приведет к повышению уровня глюкозы в крови у пациентов при использовании такого наркоза.
ОТВЕТ:
а) Концентрация глюкозы в крови в норме поддерживается на уровне
3,3–5,5 ммоль/л (60–100 мг/дл).
б) Пища, содержащая углеводы; мобилизация гликогена в печени; глюконеогенез в печени из лактата, глицерола, аминокислот.
в) В печени адреналин может передавать сигнал через α1- и β2-адренорецепторы.
Рис. 25 Передача гормонального сигнала через β2-адренорецептор и аденилатциклазную систему в печени
Рис. 26 Передача гормонального сигнала через α1-адренорецептор и инозитолфосфатную систему в печени
г)
Рис. 27
Таким образом, эфирный наркоз, увеличивая секрецию адреналина и, соответственно, мобилизацию гликогена, повышает уровень глюкозы в крови у пациентов.
14. Обмен углеводов. Синтез и распад гликогена. Гинекологи при обследовании больных с подозрением на рак шейки матки использовали пробу Шиллера – раствор Люголя, в состав которого входит йод. Проба проводится нанесением раствора Люголя на поверхность эпителия. Нормальные зрелые клетки поверхностного эпителия шейки матки, богатые гликогеном, окрашиваются раствором Люголя в темно-коричневый цвет, а патологически измененные, лишенные гликогена – нет. В норме у женщин в этих клетках содержится много гликогена, а в раковых клетках его количество резко уменьшено. Снижение содержания гликогена в клетках может быть использовано как один из показателей злокачественного перерождения ткани. Результат пробы врача оказался положительным.
Объясните наблюдаемые явления.
Для этого:
а) напишите схему, показывающую синтез гликогена в нормальных клетках;
б) сравните выход АТФ при аэробном и анаэробном гликолизе;
в) объясните, почему в опухолевых клетках запасов гликогена практически нет.
ОТВЕТ:
а)
Рис. 28 Схема синтеза гликогена
б) Анаэробный и аэробный гликолиз энергетически неравноценны. При аэробном гликолизе образуется 8 моль АТФ, а суммарный энергетический эффект аэробного распада глюкозы до конечных продуктов теоретически составляет 38 моль АТР. Анаэробный гликолиз менее эффективен: образуется только 2 моль АТР способом субстратного фосфорилирования.
Рис. 29 Гликолиз и окисление пирувата
в) Опухолевые клетки быстро пролиферируют, в них идет активный синтез нуклеиновых кислот и других компонентов клеток, что требует большого количества энергии. Однако способ синтеза АТФ в этих клетках неэффективный, т.к. идет анаэробный гликолиз из-за нарушения структур митохондрий и недостаточного снабжения опухолевых клеток кислородом вследствие того, что кровеносные сосуды прорастают в опухолевые клетки медленно, что приводит к гипоксии. Поглощение раковой клеткой большего количества глюкозы (за счет переключения на анаэробный гликолиз) называется «эффект Варбурга».
Таким образом, чтобы покрыть энергетические потребности, раковые клетки потребляют много глюкозы, окисляют ее в основном анаэробным гликолизом и, соответственно, она в этих условиях ее недостаточно для синтеза гликогена.
15. БИОХИМИЯ межклеточного матрикса. Биохимия соединительной ткани. К врачу обратилась молодая женщина, сделавшея прокол ушных раковин . На мочке уха образовался массивный келоидный рубец. Повышение скорости синтеза какого белка соединительной ткани к этому привело?
Для ответа на вопрос:
а) представьте схемы этапов синтеза и созревания этого белка;
б) напишите схемы реакций, протекающих с участием Cu2+-зависимых ферментов;
в) объясните значения производных этих реакций в формировании структуры этого белка.
ОТВЕТЫ:
а) Увеличение скорости синтеза коллагена способствует развитию спаек. Коллаген состоит из 1000 аминокислотных остатков. Каждая 3-я аминокислота – глицин, 20% – пролин и гидроксипролин, 10% – аланин, 40% – другие.
Синтез и созревание коллагена – сложный многоэтапный процесс, начинающийся в клетке, а завершающийся в межклеточном матриксе.
Рис. 30 Синтез и созревание коллагена
Синтез и созревание коллагена включают в себя пострансляционные изменения:
• гидроксилирование пролина и лизина с образованием гидроксипролина и гидроксилизина;
• гликозилирование гидроксилизина;
• частичный протеолиз – отщепление «сигнального пептида», N- и C-концевых пропептидов;
• образование тройной спирали.
б)
Рис. 31
в) Фермент – лизилоксидаза. Кофакторы – Сu2+, витамин PP и B6.
При снижении активности лизилоксидазы, а также при недостатке меди или витаминов PP или B6 нарушается образование поперечных сшивок и, как следствие, снижаются прочность и упругость коллагеновых волокон.
16. Липиды: переваривание и всасывание. Дислипопротеинемии. Гиперлипопротеинемии. Наиболее частая причина рахита в Северной Америке, Канаде, Австралии и европейских странах заключается в снижении метаболической активности слизистой оболочкой тонкой кишки, вызванном наследственной недостаточностью ферментов обмена липидов. Обследование таких больных показало, что после приема пищи, содержащей жиры, у них не наблюдается алиментарная гипертриацилглицеролемия.
Объясните механизм развития рахита при данной патологии.
Для ответа:
а) укажите, содержание каких липопротеинов (ЛП) повышается в крови здорового человека после приема пищи, содержащей жиры; опишите строение и состав этих ЛП, назовите место их формирования;
б) представьте схему «созревания» ЛП и их дальнейшие превращения;
в) назовите основную функцию этих ЛП; объясните механизм доставки и метаболизм переносимых веществ;
г) опишите нарушения, происходящие в клетках кишечника при данной патологии.
ОТВЕТ:
а) В крови здорового человека, после приема пищи, содержащей жиры, повышается содержание хиломикронов (ХМ). ХМ, как и все ЛП, имеют следующее строение: гидрофобное ядро и полярный слой на поверхности. В состав гидрофобного ядра входят липиды: эфиры холестерола и триацилглицеролы (ТАГ) (до 85%) и содержащиеся в пище жирорастворимые витамины А, D, Е, К. Полярный слой образован белками (апопротеинами), фосфолипидами и холестеролом. В состав ХМ входит интегральный апопротеин В-48. Хиломикроны образуются в эпителии тонкого кишечника, поступают в лимфу, а затем в кровь.
Рис. 32 Строение хиломикрона
б) В крови «созревают» ХМ, этот процесс заключается в переносе с липопротеинов высокой плотности (ЛПВП) на ХМ апопротеинов Е и С-II;
Рис. 33 Созревание» хиломикронов
Образование ХМ остаточных происходит под действием липопротеинлипазы (расположена на стенках капилляров), в результате чего количество жиров в ХМ снижается, уменьшается размер частиц, апопротеин С-II переносится обратно на ЛПВП. ХМ остаточные содержат фосфолипиды, холестерол, эфиры холестерола, жирорастворимые витамины А, Д, Е, К, апоВ-48, апоЕ и очень небольшое количество ТАГ.
Рис. 34 Образование хиломикронов остаточных
в) Основная функция хиломикронов состоит в транспорте экзогенных липидов и других жирорастворимых веществ из клеток кишечника в ткани. ХМост эндоцитозом захватываются гепатоцитами, образованная эндосома сливается с лизосомой, ферменты которой гидролизуют липиды и белки. Витамин D в печени превращается в в 25-гидроксихолекальциферол, который в комплексе с белком транспортируется в почки, где образуется гормон кальцитриол. Гормон также может синтезироваться из витамина D, который образуется из холестерола в коже.
Кальцитриол регулирует всасывание пищевого кальция, который участвует в построении костной ткани. При нарушении переваривания липидов в ЖКТ нарушается всасывание витамина D, кальция, минерализация костной ткани и развивается рахит.
г) Наследственный дефект ферментов, обеспечивающих ресинтез и синтез липидов в клетках слизистой оболочки кишечника, нарушает формирование хиломикронов, а значит, и поступление в кровь жирорастворимых витаминов А, D, Е и К.
17. ОБМЕН ЛИПИДОВ. Анаболизм липидов. В послеродовом отделении обследован ребенок с признаками застойной сердечной недостаточности. У младенца наблюдались тахипноэ (более 60 дыхательных движений в минуту) и тахикардия (более 180 ударов в минуту). Причиной данной сердечной недостаточности явилось такое заболевание, как незаращение артериального (боталлова) протока.
В течение внутриутробного периода сохранность открытого просвета артериального протока поддерживает PGE2. После рождения просвет артериального протока в норме зарастает или значительно уменьшается. В данной ситуации этого не произошло, потому что у ребенка в сердечной ткани была повышена секреция PGE2. Врач назначил лечение индометацином и получил положительный эффект: состояние больного улучшилось, симптомы заболевания уменьшились, боталлов проток стал уменьшаться в размерах.
Объясните молекулярные механизмы действия PGE2 и лечебного эффекта индометацина в данном клиническом случае.
Для этого:
а) назовите группу регуляторных молекул, к которой относятся простагландины;
б) укажите примеры исходных субстратов для их синтеза;
в) изложите, через какие трансмембранные системы передачи сигналов эйкозаноиды действуют на клетки-мишени и напишите схему одной из них;
г) назовите основные функции и место действия PGE2;
д) объясните, как можно ускорить процесс закрытия просвета артериального протока с помощью индометацина, относящегося к классу нестероидных противовоспалительных средств. На схеме синтеза простагландинов покажите фермент, активность которого подавляется индометацином.
ОТВЕТ:
а) Эйкозаноиды.
б) Субстратами для синтеза эйкозаноидов будут служить полиненасыщенные жирные кислоты с 20 углеродными атомами, такие, как:
Рис. 36
в) Эйкозаноиды действуют на клетки-мишени с помощью модуляции аденилатциклазной, гуанилатциклазной и инозитолфосфатной систем.
Рис. 37. Инозитолфосфатная система
г) PGE2 действуют на большинство тканей. Основными биологическими эффектами следует считать инициацию родовой активности, ингибирование агрегации тромбоцитов, расширение сосудов, расслабление гладкой мускулатуры. В данном клиническом случае высокая концентрация PGE2 в сердечной ткани благодаря своим свойствам не позволяет зарасти артериальному протоку, что должно произойти в норме. Для того чтобы ускорить процесс закрытия протока, необходимо ингибировать синтез PGE2.
д) Для того чтобы уменьшить синтез PGE2, нужно ингибировать регуляторный фермент синтеза эйкозаноидов – циклооксигеназу с помощью индометацина, что должно привести к зарастанию боталлова протока.
Рис. 38
18. ОБМЕН ЛИПИДОВ. Анаболизм липидов. К чему может привести диета, суть которой в том, что необходимо резко ограничить поступление углеводов с пищей (не более 15 г в день), а жиры и белки можно есть свободно (в разумных количествах). Объясните, почему при столь обильном потреблении жиров человек сбрасывает вес? Каковы возможны негативные последствия такой диеты?
Для ответа:
а) объясните, как повлияет диета на синтез инсулина и почему;
б) изобразите схему синтеза и гидролиза ТАГ в жировой ткани. Покажите на схеме, какие процессы усиливаются и подавляются у человека, сидящего на такой диете;
в) укажите, концентрация каких липопротеинов повысится в крови при этой диете;
г) напишите реакции синтеза кетоновых тел в печени и укажите, как изменится скорость этого метаболического пути у человека, придерживающегося «кремлевской» диеты; объясните, к каким негативным последствиям может привести подобная диета.
ОТВЕТ:
а) У человека, придерживающегося такой диеты, резко снижено потребление углеводов с пищей, в результате чего не наступает алиментарная гипергликемия. Глюкоза – важнейший (хотя и не единственным) фактор, стимулирующий синтез и секрецию инсулина β-клетками поджелудочной железы. Проникая в β-клетки, глюкоза подвергается процессу гликолиза, благодаря чему увеличивается внутриклеточное содержание АТФ. Последний, блокируя АТФ-зависимые калиевые каналы, вызывает деполяризацию клеточной мембраны. В β-клетки поступают ионы кальция (через открывающийся потенциал-зависимые кальциевые каналы) и высвобождается инсулин способом экзоцитоза. Белок ГЛЮТ-2, переносящий глюкозу в β-клетки поджелудочной железы, имеет низкое сродство к глюкозе. Следовательно, при «кремлевской» диете, когда концентрация глюкозы в крови невысока, она медленно транспортируется в β-клетки и слабо влияет на секрецию инсулина. Секреция инсулина снижается.
б) (см. рис. 39)
в) Низкая секреция инсулина ослабляет синтез ЛП-липазы, что увеличивает содержание ЛПОНП и ХМ в крови. Жиры не депонируются в жировой ткани, а поступают в печень, где частично превращаются в ТАГ, транспортируемые из печени в составе ЛПОНП.
г) Активация липолиза в жировой ткани приводит к тому, что жирные кислоты поступают в печень в большем количестве, чем в норме, поэтому увеличивается скорость β-окисления. Скорость реакций ЦТК в этих условиях снижена, т.к. оксалоацетат используется для глюконеогенеза. В результате скорость образования ацетил-КоА превышает способность ЦТК окислять его. Ацетил-КоА накапливается в митохондриях печени и используется для синтеза кетоновых тел (см. рис. 40).
Увеличение скорости синтеза кетоновых тел резко повышает их содержание в крови – кетонемия и развитие метаболического ацидоза. Его симптомами бывают быстрая утомляемость, раздражимость, боли в желудке, тошнота.
Рис. 39 Изменение скорости метаболических процессов в жировой ткани при низкой секреции инсулина
Рис. 40 Синтез кетоновых тел в печени
19. Анаболизм липидов. Биохимия атеросклероза. витамины Достаточное потребление аскорбиновой кислоты с пищей крайне важно для борьбы с атеросклерозом. Так, у морских свинок, рацион которых не содержал этого витамина, наблюдались гиперхолестеролемия и атеросклероз.
Объясните влияние недостатка витамина С на атерогенез. Какие еще симптомы наблюдаются при недостатке витамина С в пище?
Для ответа:
а) изложите, почему для описанного эксперимента выбрали морских свинок, а не лабораторных мышей;
б) опишите пути образования активных форм кислорода и их роль в ПОЛ и последствия ПОЛ жирнокислотных радикалов фосфолипидов, триацилглицеролов, эфиров холестерола в составе ЛПНП; назовите витамины, обладающие свойствами антиоксидантов и предотвращающие этот процесс;
в) напишите реакции синтеза желчных кислот; укажите роль витамина С в этом процессе, объясните, как отразится его недостаток на уровне холестерола в крови.
ОТВЕТ:
а) Характерная особенность метаболизма приматов (в том числе и человека) и морских свинок заключается в отсутствии возможности эндогенного синтеза витамина С, поэтому для этих животных аскорбиновая кислота – необходимый компонент пищи.
б) Источником активных форм кислорода в клетке может служить утечка электронов из ЦПЭ, ферменты окислительно-восстановительных реакций (ОВР), непосредственно восстанавливающие кислород, а также действие ионизирующих излучений и некоторых химических веществ. Радикалы кислорода способны запускать цепь свободнорадикальных реакций. Подобные реакции нарушают свойства мембран и образуют ковалентные сшивки между белками и липидами. В липопротеинах (ЛП) наблюдаются изменения в структуре апопротеинов и липидов, что нарушает их связывание с рецепторами и вызывает фагоцитоз макрофагами с помощью скевенджер-рецепторов.
Витамины-антиоксиданты (С и Е) защищают клетки от ПОЛ. Причем витамин Е, будучи липофильным соединением, располагается в мембранах клеток и служит основным восстановителем свободных радикалов жирных кислот. Витамин С инактивирует гидрофильные (супероксид-анион, гидроксильный радикал и перекись водорода) свободные радикалов в цитозоле и восстанавливает окисленную форму витамина Е, поддерживая таким образом необходимую концентрацию последнего в мембранах клеток.
в) В реакциях синтеза желчных кислот витамин С представляет собой кофермент гидроксилаз (они служат изоформами цитохрома Р-450), осуществляющих введение ОН-группы в 7-е и 12-е положение. При недостатке витамина С образование желчных кислот на стадии 7α-гидроксилирования тормозится, блокируя основной путь выведения холестерола из организма, что приводит к гиперхолестеролемии и увеличению риска атеросклероза. Кроме того, повышается вероятность образования желчных камней.
Рис. 41 Синтез желчных кислот в печени
21. ВИТАМИНЫ. Обмен белков и аминокислот. Специфические пути обмена некоторых аминокислот. ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИДОВ. Женщина обратилась к стоматологу по поводу часто возникающих воспалений и язвочек в области десен. Женщина тщательно соблюдала гигиену полости рта и не имела признаков кариеса. Врач связал возникновение стоматита с недостатком витамина В2 и посоветовал пациентке употреблять больше молочных продуктов – основных источников рибофлавина.Через некоторое время пациентка снова обратилась к врачу с жалобой на учащения обострений стоматита, хотя она соблюдала все рекомендации врача. При беседе с пациенткой врач узнал, что она страдает бессонницей и употребляет барбитураты. Анализ крови больной показал высокое содержание гомоцистеина. Врач назначил больной препарат, содержащий фолиевую кислоту (ФК) и В12, т.к. пришел к заключению, что причиной частых обострений стоматита у пациентки может быть прием барбитуратов, которые снижают абсорбцию и метаболизм фолатов в организме. Почему повышение содержания гомоцистеина в крови больной и недостаток фолиевой приводят к стоматиту?
Для ответа:
а) опишите метаболизм фолиевой кислоты в организме человека;
б) представьте схему обмена гомоцистеина, укажите скорость какой из реакций снижается при недостатке ФК;
в) объясните, почему недостаток ФК нарушает метаболизм в клетках эпителия ротовой полости;
г) назовите другие возможные нарушения, вызванные дефицитом фолиевой кислоты в организме.
ОТВЕТ:
а) В печени фолиевая кислота превращается в кофермент Н4-фолат, который участвует в превращениях серина и глицина. В ходе этих реакций образуется метилен-Н4-фолат, который может превращаться в другие одноуглеродные группы: метенильную, формильную, метильную. Эти одноуглеродные фрагменты используются для синтеза пуриновых и пиримидиновых (дТТФ) нуклеотидов, которые необходимы для деления клеток и роста тканей.
б)
Рис. 43
Рис. 44
При недостатке фолиевой кислоты снижается регенерация метионина, т.к. донором метильной группы в этой реакции служит В12(-СН3), который образуется при переносе метильной группы с Н4Ф(-СН3) на В12.
в) Клетки эпителия обладают высокой митотической активностью, поэтому они постоянно нуждаются в наличии нуклеотидов для синтеза нуклеиновых кислот. Недостаток фолата нарушает синтез ДНК и РНК, что проявляется поражением слизистой желудочно-кишечного тракта.
г) Как известно, фенобарбитал – широко применяемое снотворное, антагонист фолиевой кислоты, недостаток которой в организме вызывает нарушения, в частности воспаление органов пищеварительной системы. Дефицит фолиевой кислоты во время беременности существенно повышает риск возникновения врожденных пороков у ребенка, связанных с дефектами невральной трубки, а также может привести к гипотрофии и недоношенности. Наиболее опасна лейкоцито- и тромбоцитопения.
22. Обмен белков и аминокислот. Специфические пути обмена некоторых аминокислот. Болезнь Хартнупа – наследственная ферментопатия обмена триптофана. Заболевание вызвано дефектом в структуре переносчика аминокислот щеточной каемки тощей кишки и нарушением реабсорбции триптофана и продуктов его обмена в почках. Патология проявляется мозжечковой атаксией, пеллагроподобными изменениями кожи, аминоацидурией, повышенным содержанием в моче индикана и индольных соединений. У больного возникает недостаток триптофана в организме и нарушается образование из него биогенного амина и одного из витаминов.
Рис. 45 Образование некоторых биологически активных веществ из триптофана
Какие жизненно важные процессы нарушаются при данном заболевании?
Для ответа:
а) напишите схему синтеза серотонина и укажите, предшественником какого гормона он считается;
б) назовите витамин, который образуется из триптофана;
в) вспомните, в состав какого кофермента он входит;
г) приведите пример ферментов, для работы которых необходим этот кофермент.
ОТВЕТ:
а) Серотонин – биологически активное вещество широкого спектра действия. Он стимулирует сокращение гладкой мускулатуры, оказывает сосудосуживающий эффект, регулирует АД, температуру тела, дыхание, обладает антидепрессантным действием. Мелатонин – гормон, регулирующий суточные сезонные изменения метаболизма организма и участвующий в регуляции репродуктивной функции; регулирует состояния сон / бодрствование.
Рис. 46 Образование серотонина и мелатонина из триптофана
б) Из триптофана синтезируется никотиновая кислота (витамин РР);
в) Из этого витамина образуется NAD+. Для его синтеза ферменты, находящиеся в цитозоле, используют никотиновую кислоту по следующей схеме: никотинат -> никотинат-мононуклеотид (NMN) -> дезамидо-NAD+ -> NAD+;
Рис. 47
г) Примеры NAD+-зависимых дегидрогеназ:
|
1. |
лактат-дегидрогеназа |
|
2. |
дигидролипоат-дегидрогеназа (пируват/α-кетоглутарат-дегидрогеназный комплекс) |
|
3. |
изоцитрат-дегидрогеназа, малат-дегидрогеназа (цикл Кребса) |
|
4. |
β-гидроксибутират-дегидрогеназа (β-окисление жирных кислот) |
|
5. |
глутамат-дегидрогеназа (прямое и непрямое дезаминирование после трансаминирования) |
|
6. |
алкоголь-дегидрогеназа (метаболизм этилового спирта) |
|
7.
|
глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа (глицеролфосфатный NADH-переносящий челнок, глюконеогенез из глицерола, синтез глицерола) |
23. Обмен белков и аминокислот. Специфические пути обмена некоторых аминокислот. ОбЕзвреживание аммиака. Повышенная экскреция двух основных аминокислот известна под названием «лизинурическая непереносимость белка», наследуется как аутосомный рецессивный признак. У гомозигот нарушен транспорт лизина, аргинина в кишечнике, реабсорбция в почках, захват этих веществ, клетками печени. В крови больных снижена концентрация лизина, аргинина и орнитина, в раннем возрасте у них отмечаются гепатоспленомегалия, непереносимость белка и эпизодическая интоксикация аммонием. Клинические проявления выхваны гипераммониемией. Для лечения этого заболевания используют цитруллин – нейтральную аминокислоту, всасывание в кишечнике и печеночный транспорт которой у больных не нарушены.
Почему у этих больных наблюдается гипераммониемия?
Для ответа:
а) напишите схему процесса, нарушение которого развивает гипераммониемию;
б) опишите токсическое действие аммиака;
в) объясните механизм лечебного действия цитруллина; какую диету, помимо лечения цитруллином, врач должен рекомендовать больному при такой патологии.
ОТВЕТ:
а) Гипераммониемия может развиваться из-за недостаточного количества аргинина и орнитина, необходимых для нормального функционирования орнитинового цикла.
Рис. 48
б) ↓ V орнитинового цикла
↑ конц NН3 в клетках печени
NН3 выходит в кровь
NН3 проходит в любые клетки (также клетки мозга)
в клетках NН3 + Н+ → NН4+
↑ рН в клетках (алкалоз)
в клетках ↑ V реакций:
1) восстановительного аминирования 2) образование глутамина
α-кГ+NH3 + NADН+Н+ → Глу +NАD+ Глу + NН3 + АТФ → Глн
это приводит к:
↓ концентрации:
α -кГ, Глу, NН3
Это нарушает:
• функционирование Nа+,К+-АТФазы;
• энергетический обмен в клетках;
• обмен аминокислот;
• синтез ГАМК;
• выведение Глн и накопление его в клетках.
в) Метаболизм цитруллина обеспечивает процесс аргинином и орнитином, что снижает концентрацию аммиака в крови. На фоне перорального приема цитруллина необходимо ограничить количество белков в пище.
24. Обмен белков и аминокислот. Специфические пути обмена некоторых аминокислот. Исследованиями установлено, что накопление гомоцистеина – независимый фактор риска сердечно-сосудистых заболеваний – инфаркта миокарда, инсульта, венозной тромбоэмболии и атеросклероза. SH-группа гомоцистеина легко подвергается процессу перекисного окисления, что повреждает стенки сосудов. На поврежденную поверхность осаждаются «пенистые клетки», содержащие большое количество холестерола, начинают образовываться атеросклеротические бляшки. Кроме того, гомоцистеин тормозит работу противосвертывающей системы, что нарушает свертываемость крови. В норме содержание гомоцистеина в плазме крови составляет 5–15 мкмоль/л. При увеличении уровня гомоцистеина в плазме на 2,5 мкмоль/л риск инфаркта миокарда возрастает на 10%. Учитывая данные свойства гомоцистеина, его накопление в крови – одно из звеньев патогенеза ранней тромбоваскулярной болезни. При наличии ее увеличивается риск развития тромбозов, что в дальнейшем развивает инфаркты и инсульты.
Объясните особенности метаболизма гомоцистеина в организме и молекулярный механизм его последующего накопления в крови.
Для ответа:
а) напишите формулу гомоцистеина;
б) укажите, какую роль гомоцистеин играет в обмене других аминокислот; приведите формулы этих аминокислот;
в) нарисуйте схемы основных путей образования и катаболизма гомоцистеина;
г) назовите ферменты, которые участвуют в его утилизации, и коферменты;
д) изложите, дефицит каких витаминов – наиболее частая причина гипергомоцистеинемии.
ОТВЕТ:
а)
Рис. 49 Гомоцистеин
б) Гомоцистеин – промежуточная аминокислота в обмене серосодержащих аминокислот. Он превращается в метионин под действием гомоцистеин-метилтрансферазы, таким образом непосредственно участвуя в регенерации метионина. Может использоваться для синтеза цистеина.
Рис. 50 Метионин
Рис. 51 Цистеин
в)
Рис. 52
г) Метионинсинтаза (гомоцистеин-метилтрансфераза), цистатионин-синтаза. Метилкобаламин, N5-метилтетрагидрофолат, пиридоксальфосфат.
д) Для того чтобы утилизировать гомоцистеин и предотвратить гипергомоцистеинемию, необходимо постоянное поступление с пищей фолиевой кислоты, поскольку ее производное метил-Н4-фолат участвует в реакции превращения гомоцистеина в метионин. В этой реакции метил-Н4-фолат передает метильную группу на кобаламин (витамин В12), метилкобаламин непосредственно участвует в регенерации метионина. Гомоцистеин также используется для синтеза цистеина. Реакции синтеза происходят при участии пиридоксальфосфата – кофермента витамина В6.
25. ОБМЕН НУКЛЕПРОТЕИДОВ. ОБМЕН ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ. В произведении Я. Гашека «Похождение бравого солдата Швейка» приведено описание приступа острого подагрического артрита: «Полковник Гербих, сидевший до сих пор спокойно и деловито за столом, вдруг сделал страшную гримасу, ибо его палец, который до сих пор вел себя смирно, из тихого и спокойного агнца превратился в ревущего тигра, в электрический ток в шестьсот вольт, в палец, каждую косточку которого молот медленно дробит в щебень. Палец полковника неожиданно опять превратился в агнца, приступ подагры прошел...»
Объясните причину столь острой боли в пальце у полковника.
Для этого:
а) укажите механизмы развития первичной подагры, ее отличие от вторичной;
б) назовите, изменение активности каких ферментов обмена нуклеотидов и углеводов развивает первичную подагру; напишите реакции, катализируемые этими ферментами;
в) представьте схему образования продукта, накопление которого вызывает клинические проявления заболевания.
ОТВЕТ:
а) Болезнь квалифицируют как первичную подагру, если в ее основе лежат врожденные нарушения синтеза мочевой кислоты, т.е. гиперурикемия, вызванная наследственным увеличением синтеза пуринов.
Вторичная подагра возникает, если гиперурикемия развивается в результате другого патологического процесса, например усиленного распада лимфоидных клеток при лейкозе и лимфоме, при применении цитостатиков, а также подагра может быть следствием недостаточности естественных механизмов выведения мочевой кислоты почками.
б) Суперактивация фермента синтеза пуриновых нуклеотидов de novo – ФРДФ-синтетазы приводит к чрезмерному синтезу пуриновых нуклеотидов, усилению катаболизма избыточного количества нуклеотидов, повышению продукции мочевой кислоты, гиперурикемии и подагре.
Рис. 53 (ФРДФ)
Недостаточность фермента «запасного пути» синтеза пуриновых нуклеотидов – гипоксантин-гуанинфосфорибозил-трансферазы – с одной стороны, уменьшает повторное использование пуриновых оснований, и они превращаются в мочевую кислоту, а с другой, увеличивает синтез пуриновых нуклеотидов de novo из-за слабого использования ФРДФ в реакциях реутилизации и увеличения его концентрации в клетке. Следовательно, гуаниловые нуклеотиды образуются в количествах, превышающих потребности клеток, что способствует усилению их катаболизма.
Рис. 54
Недостаточность глюкозо-6-фосфотазы приводит к снижению способности печени секретировать глюкозу в кровь, что увеличивает использование глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном пути. Образуются большие количества рибозо-5-фосфата, которые стимулируют избыточный синтез, а следовательно, и катаболизм пуриновых нуклеотидов, в результате чего увеличивается образование мочевой кислоты и развивается подагра.
Рис. 55
в) Клинические проявления заболевания – моносуставной артрит и нефропатия вызваны накоплением плохо растворимых кристаллов мочевой кислоты и ее солей в суставных хрящах, синовиальной оболочке, подкожной клетчатке, почках. Мочевая кислота – конечный продукт катаболизма пуринов.
Рис. 56 1 – нуклеотидаза или фосфатаза; 2 – аденозиндезаминаза; 3 – пуриннуклеозидфосфорилаза; 4 – гуаназа; 5 – ксантиноксидаза
Причиной воспаления и боли в мелких суставах, особенно в суставе большого пальца стопы заключается в образовании натриевой соли мочевой кислоты, которая из-за плохой растворимости образует кристаллы, фагоцитируясь лейкоцитами, эти кристаллы разрушают лизосомальных мембран лейкоцитов. Освободившиеся лизосомальные ферменты выходят в цитозоль и разрушают клетки, а продукты клеточного катаболизма вызывают воспаление.
26. Гормоны. Регуляция обмена кальция и фосфора. ВИТАМИНЫ. Синдром Фанкони – заболевание, поражающее проксимальные извитые канальцы нефронов; может быть наследственным или приобретенным, чаще встречается у детей. Основной симптом выражается в выделении мочи, содержащей большое количество различных аминокислот, глюкозы и фосфатов (несмотря на то, что содержание в крови этих веществ остается нормальным). У больных детей развивается рахит.
Почему нарушается минерализация растущих костей и развивается рахит? Как у детей поддерживается нормальная концентрация фосфатов в крови?
Для ответа:
а) укажите гормоны, которые регулируют обмен фосфатов и кальция в организме;
б) объясните, каким образом у больных детей поддерживается нормальная концентрация фосфатов;
в) назовите гормон, синтез и секреция которого повышены у больного ребенка; представьте схему его образования;
г) опишите механизм действия гормона и развитие данной патологии.
ОТВЕТ:
а) Гормоны, регулирующие обмен кальция и фосфатов в организме – это паратгормон, кальцитриол и кальцитонин. Паратгормон в почках индуцирует синтез 1α-гидроксилазы (фермента, ускоряющего последнюю реакцию образования 1,25-(ОН)2D3). На рис. 58 показаны органы-мишени для паратгормона.
б) Нормальная концентрация фосфатов в крови поддерживается за счет снижения скорости минерализации (построения гидроксиапатитов) растущих костей ребенка.
Рис. 57 Органы-мишени для паратгормона
ГАП – гидроксиапатит
в) У больного ребенка будут повышены синтез и секреция кальцитриола. В норме фосфаты ингибируют фермент 1α-гидроксилазу, который регуляторен, но при фосфатурии проявляет повышенную активность.
Рис. 58
г) Кальцитриол усиливает выведение кальция из костей и снижает минерализацию костной ткани, развивает у ребенка рахит.
27. Обмен углеводов. Глюкоза крови. ПАТОХИМИЯ САХАРНОГО ДИАБЕТА. Врач предписал больному, у которого наблюдались начальные симптомы развития сахарного диабета II- го типа, регулярные физические нагрузки. Это назначение основано на результатах исследований последних лет, которые показали, что такие нагрузки увеличивают количество белков ГЛЮТ-4 в клетках инсулинозависимых тканей, стимулируя экспрессию гена ГЛЮТ-4. В результате захват глюкозы этими клетками увеличивается в 7 раз, (исследования показали, что физические нагрузки оказывают такой же конечный эффект на клетки инсулинозависимых тканей, как и действие инсулина).
Объясните молекулярные механизмы действия инсулина у здоровых людей, влияние физических нагрузок на уменьшение симптомов сахарного диабета II-го типа и замедление развития его осложнений.
Для этого:
а) назовите инсулинозависимые ткани и объясните, почему они так называются;
б) объясните, что такое ГЛЮТ-4 и какова его функция; опишите роль инсулина в активации этих белков;
в) изобразите общую схему регуляции экспрессии гена эукариот;
г) объясните, как инсулин может повлиять на скорость экспрессии генов.
ОТВЕТ:
а) К инсулинозависимым тканям относятся мышечная и жировая ткани. Инсулинозависимые ткани – те, в которых белки-переносчики глюкозы через мембраны внутрь клеток – ГЛЮТ-4.
б) Существует 5 типов ГЛЮТов, которые локализованы в разных тканях. ГЛЮТ-4 – главный переносчик глюкозы в клетки мышц и жировой ткани. ГЛЮТ-4 в отсутствии инсулина находится в цитозоле клеток, но при его действии на рецепторы клеток ГЛЮТ-4 встраиваются в мембраны и начинают переносить глюкозу внутрь клеток, таким образом инсулин активирует ГЛЮТ-4. Биологическая роль этого типа ГЛЮТов заключается в том, что инсулинозависимые ткани захватывают глюкозу только в абсорбтивном периоде.
в)
Рис. 60 Регуляция экспрессии генов у эукариот
г) Гормоны действуют как индукторы или корепресоры на регуляторную область генов, влияя тем самым на скорость транскрипции и, следовательно, трансляции белков. Инсулин и, как оказалось, физические нагрузки через неизвестные пока молекулярные механизмы, вызывают индукцию синтеза ГЛЮТ-4. Инсулин влияет на ген сложным путем, через каскад реакций фосфорилирования белков (см. рис. 27), но конечный ответ клетки выражается увеличением синтеза ГЛЮТ-4 и скорости их встраивания в мембраны клеток.
Физические нагрузки также индуцируют синтез ГЛЮТ-4, что увеличивает их количество в клетках. Захват глюкозы клетками инсулинозависимых тканей усиливается, понижается концентрация глюкозы в крови. В результате снижается риск развития осложнений сахарного диабета, связанных с длительным повышением концентрации глюкозы в крови (снижается «глюкозотоксичный эффект», связанный с гликозилированием белков).
Рис. 61 Влияние инсулина на синтез белков ГЛЮТ -4
28. ГОРМОНЫ. РЕГУЛЯЦИЯ ВОДНО-СОЛЕВОГО ОБМЕНА. Препарат «Каптоприл» служит ингибитором карбоксидипептидилпептидазы. Каптоприл оказывает гипотензивное, вазодилатирующее действие, поэтому его часто назначают при артериальной гипертензии, застойной сердечной недостаточности. Объясните механизм снижения артериального давления при использовании каптоприла.
Для ответа:
а) опишите реакцию, катализируемую карбокси-дипептидилпептидазой, укажите другое название этого фермента, класс, к которому он относится;
б) назовите гормоны, синтез которых снижается при приеме каптоприла;
в) укажите места их синтеза, клетки – мишени, механизм передачи сигнала в клетки (изобразите схематично) и процессы, на которые действует каждый из этих гормонов.
ОТВЕТ:
а) Карбокси-дипептидилпептидаза катализирует реакцию превращения ангиотензина I в ангиотензин II, поэтому этот фермент еще называют ангиотензинпревращающим (АПФ). Он относится к классу гидролаз. Его субстратом служит ангиотензин I- декапептид, с С-конца которого удаляются 2 аминокислоты частичным протеолизом, в результате чего образуется функционально активный ангиотензин II.
б) При ингибировании карбокси-дипептидилпептидазы нарушается синтез ангиотензина II, который стимулирует синтез и секрецию альдестерона.
в) Ангиотензин II образуется из ангиотензина I, который является продуктом частичного протеолиза ангиотензиногена – глобулина плазмы крови, вырабатываемого печенью. Ангиотензин II действует на рецепторы клеток клубочковой зоны коры надпочечников и гладких миоцитов сосудов через инозитолфосфатную систему.
Рис. 62.
Альдестерон – стероидный гормон, синтезируется клетками клубочковой зоны надпочечников и действует на рецепторы, расположенные в ядре или цитозоле клеток почечного канальца. Гормон, образуя комплекс с рецептором, влияет на транскрипцию генов.
Рис. 63.
Альдостерон увеличивает число Na+-каналов на мембране на апикальной стороне клеток, что, очевидно, повышает уровень внутриклеточного Na+ . Кроме того, альдостерон увеличивает активность митохондриальных ферментов, что способствует выработке АТФ, необходимого для работы Na+/K+ - АТФазы мембраны.
29. ПАТОХИМИЯ САХАРНОГО ДИАБЕТА. Известно, что одна из причин развития ишемической гангренозной стопы – атеросклероз на фоне сахарного диабета. При длительном течении сахарного диабета увеличивается синтез гетерополисахаридов в межклеточном матриксе. Это вызывает утолщение стенок сосудов, сдавливание и сужение их просвета; в результате снижается кровообращение в пораженной конечности (микроангиопатия), что создает условия для возникновения ишемии тканей. Недостаточность кровообращения способствует появлению коагуляционного (сухого) некроза. Наиболее неблагоприятный исход – инфицирование пораженной конечности.
Опишите молекулярные механизмы развития осложнений при сахарном диабете.
Для этого:
а) перечислите типы сахарного диабета и причины его развития;
б) объясните роль кортизола при этом заболевании;
в) напишите схемы метаболических путей, которые способствуют развитию атеросклероза при сахарном диабете;
г) опишите механизм развития атероcклеротической бляшки.
ОТВЕТ:
К возникновению тромба при сахарном диабете приводят диабетические макроангиопатии нижних конечностей в сочетании с гиперлипидемией.
а) Различают сахарный диабет I-го и II-го типа. Причина сахарного диабета I-го типа состоит в разрушении β-клеток поджелудочной железы в результате аутоиммунных реакций, вирусных заболеваний, генетической предрасположенности. Причины сахарного диабета II-го типа – нарушения превращения проинсулина в инсулин, секреции инсулина, передачи инсулинового сигнала в клетки-мишени, повышение скорости катаболизма инсулина.
б) Кортизол как контринсулярный гормон стимулирует глюконеогенез, несмотря на высокую концентрацию глюкозы в крови. Кроме того, он тормозит экспрессию генов пре-проколлагена и ферментов пролил- и лизилгидроксилазы. Недостаточное гидроксилирование остатков пролина и лизина повышает чувствительность коллагена к действию коллагеназы и неспецифических протеаз. Макроскопически проявление действия кортизола выражается снижением толщины дермы, что ухудшает свойства кожных покровов и соединительной ткани.
Рис. 64 Посттрансляционные модификации цепей коллагена
в) При сахарном диабете наблюдается гипергликемия, вызванная активацией глюконеогенеза, уменьшением количества переносчиков глюкозы, снижением депонирования глюкозы в виде гликогена и жиров. Гипергликемия вызывает гликозилирование базальных мембран и белков межклеточного матрикса (коллаген и эластин), а также гликозилирование апоВ-100 в составе ЛПНП, что нарушает взаимодействие ЛПНП в рецепторами, развивает гиперхолестеролемию и, соответственно, атеросклероза.
Рис. 65 Глюконеогенез
Рис. 66 Гликозилирование белков
г) Гликозилирование апоВ-100 в составе ЛПНП образует модифицированные формы ЛПНП, которые не узнаются рецепторами и остаются в крови. Возрастает время циркуляции модифицированных ЛПНП и степень их повреждения, поэтому снижается вероятность их взаимодействия с ЛНП-рецепторами. В результате они поглощаются макрофагами как чужеродные вещества с помощью скавенджер-рецепторов. Макрофаги перегружаются холестеролом в составе ЛПНП и превращаются в «пенистые» клетки, которые проникают в субэндотелиальное пространство. Образуются жировые полоски в стенке кровеносных сосудов. При увеличении количества пенистых клеток повреждается эндотелий, активируются тромбоциты (артериальная стенка в средних и наружных слоях повреждается при гликозилировании базальных мембран и белков межклеточного матрикса). Тромбоциты секретируют тромбоксан А2, который стимулирует агрегацию тромбоцитов, из-за чего может образоваться тромб, а также продуцируют тромбоцитарный фактор роста, стимулирующий пролиферацию ГМК. ГМК проникают во внутренний слой артериальной стенки и тем самым способствуют росту бляшки.
30. Обмен углеводов. ПАТОХИМИЯ САХАРНОГО ДИАБЕТА. К терапевту обратился пациент с жалобами на прогрессирующую слабость, апатию, сонливость, головные боли, головокружения. Симптомы усиливались при голодании, что позволило врачу предположить наличие у больного гипогликемии. Анализ крови подтвердил предположение – уровень глюкозы составил менее 2,5 ммоль/л, уровень С-пептида более 800 пмоль/л. Пациент не страдает сахарным диабетом и не принимает сахаропонижающих лекарственных средств.
Наличие какого заболевания можно предположить?
Для ответа:
а) нарисуйте схему воздействия глюкозы на β-клетки;
б) опишите влияние инсулина на углеводный и жировой обмен в печени, жировой ткани и мышцах;
в) объясните, почему опасна гипогликемия;
г) назовите заболевание и предложите методы лечения.
ОТВЕТ:
а)
Рис. 67
б) В печени инсулин:
• стимулирует гликолиз и подавляет глюконеогенез;
• стимулирует синтез гликогена и подавляет гликогенолиз;
• стимулирует синтез жирных кислот и ТАГ;
• подавляет β-окисление жирных кислот им кетогенез;
• стимулирует синтез холестерола
• ускоряет реакции пентозофосфатного пути и активирует ПДК.
В жировой ткани инсулин:
• способствует проникновению глюкозы в клетки (через ГЛЮТ-4);
• способствует транспорту жирных кислот в клетки (индукция и экспонирование ЛП-липазы);
• стимулирует гликолиз;
• активирует ПДК;
• стимулирует биосинтез жирных кислот и ТАГ.
В мышцах инсулин:
• способствует проникновению глюкозы в клетки (через ГЛЮТ-4);
• стимулирует синтез гликогена и подавляет гликогенолиз.
в) Наиболее опасное следствие гипогликемии – энцефалоглюкопения, недостаток глюкозы в клетках мозга. Мозг абсолютно глюкозозависим, потребляет примерно 125 мг в минуту. При длительной гипогликемии в клетках мозга развиваются нарушения разной степени выраженности: от легких, субклинических, до развития гипогликемической комы и смерти.
г) Смптомы позволяют предположить наличие инсулиномы – гормонпродуцирующей опухоли β-клеток поджелудочной железы. Большинство инсулином доброкачественные (>80%), однако возможно развитие злокачественных опухолей с метастазированием в печень, легкие, кости (~10%). Лечение инсулином – хирургическое. Оно бывает эффективным в 90% случаев. Нередко проводят симптоматическое лечение лекарственными средствами – блокаторами кальциевых каналов.
29. Биохимия печени. В реабилитационную клинику поступило 2 пациента в состоянии сильной алкогольной интоксикации. После осмотра пациентов и получения результатов лабораторного исследования крови лечащий врач назначает одинаковые лекарственные препараты обоим пациентам. Спустя несколько дней улучшение состояния, вызванного лекарствами ,наблюдается только у одного из пациентов, на другого пациента назначенные препараты не действуют.
Объясните причину данного явления.
Для этого:
а) напишите схему метаболизма этанола в печени;
б) расскажите об окислении этанола при участии цитохром Р450-зависимой этанолокисляющей системы; при какой форме алкоголизма роль МЭОС значительно увеличивается;
в) объясните феномен лекарственной «устойчивости»; укажите, у какого из поступивших пациентов наблюдается данное явление;
г) расскажите о метаболизме ацетальдегида, образующегося при окисление этанола в печени;
д) объясните, как влияет этанол и ацетальдегид на метаболизм ксенобиотиков.
ОТВЕТ:
а) Основные этапы окисления этанола происходят в печени, где окисляется от 75% до 98% от поступившего количества. Этиловый спирт может окисляться в печени 3 способами, в каждом из которых образуется токсический метаболит – ацетальдегид.
Рис. 68 Окисление этанола в печени
б) Цитохром Р450 существует в виде множества изоферментов, различающихся аминокислотной последовательностью. У человека обнаружено 12 семейств изоферментов. Реакции с участием цитохрома Р450 протекают в гепатоцитах на эндоплазматическом ретикулуме. Окисление этанола при участии цитохром Р450-зависимой микросомальной системы – один из 3 способов метаболизма этанола. Оно происходит под действием одной из изоформ цитохрома Р450 –изофермента Р450IIЕ1. Наиболее активно МЭОС влияет на инактивацию незначительных количеств алкоголя. Индукция МЭОС происходит под действием этанола, других спиртов и лекарств типа барбитуратов. Таким образом, при хроническом алкоголизме происходит постоянная индукция МЭОС, что впоследствии приводит к гипертрофии ЭР гепатоцитов. Следовательно, роль МЭОС в инактивации этанола в печени значительно увеличивается при хронической форме алкоголизма.
в) Феномен лекарственной «устойчивости» развивается при хронической форме алкоголизма. Как было сказано выше, хронический алкоголизм приводит к гипертрофии ЭР гепатоцитов, что ускоряет метаболизм лекарственных препаратов, поступающих в организм пациента. Ксенобиотики слишком быстро метаболизируются и поэтому не успевают оказывать своего лекарственного действия на организм. В данной задаче феномен «лекарственной устойчивости» развивается у пациента с хронической формой алкоголизма, на которого не действуют назначенные препараты в отличие от другого пациента.
г) Ацетальдегид образуется при окислении этанола любым из 3 возможных способов. Далее под действием FAD-зависимой альдегид-оксидазы и NAD-зависимой ацетальдегид-дегидрогеназы ацетальдегид окисляется до уксусной кислоты:
Рис. 69 Окисление ацетальдегида
Далее, полученная в ходе окисления ацетальдегида уксусная кислота активируется под действием ацетил-КоА-синтетазы и при участии кофермента А и молекулы АТФ:
Рис. 70 Активация уксусной кислоты под действием ацетил-КоА-синтетазы
Образовавшийся в ходе данной реакции ацетил-КоА в зависимости от метаболических потребностей клетки включается в ЦТК, идет на синтез жирных кислот или кетоновых тел. Дальнейший путь метаболизма ацетила-КоА определяется энергетическим статусом клетки, а именно соотношением АТФ/АДФ и концентрацией оксалоацетата в митохондриях гепатоцитов.
Ацетальдегид очень токсичное вещество. Его повышенная концентрация в клетке вызывает индукцию альдегидоксидазы. В ходе реакции окисления ацетальдегида образуются активные формы кислорода, ацетальдегид увеличивает количество свободных радикалов в организме и ускоряет ПОЛ, что разрушает фосфолипиды мембран клеток.
д) Характер влияния этанола и ацетальдегида на метаболизм ксеноботиков зависит от стадии алкогольной болезни. Так при хронической форме алкоголизма индуцируются ферменты, которые участвуют в окислении не только этанола и ацетальдегида, но и многих лекарственных препаратов, что ускоряет метаболизм ксенобиотиков и снижает их эффективность. При начальной стадии алкоголизма наблюдается развитие лекарственной «неустойчивости», которая проявляется гиперчувствительностью к введенным лекарственным препаратам. Это объясняется тем, что этанол конкурентно связывается с изоформой цитохрома Р450IIЕ1 и таким образом тормозит метаболизм ксенобиотиков, оказывающих более длительное и сильное влияние при задержке в организме.
30. Биохимия печени. На экзамене студент, отвечая на вопрос, сказал, что у пациентов со злокачественными процессами первоначальная эффективность действия химиопрепаратов через некоторое время постепенно снижает. Прав ли студент?
Для ответа:
а) укажите, синтез каких ферментов защитной системы индуцируют противоопухолевые препараты; нарисуйте соответствующие схемы;
б) объясните роль этих ферментов и представьте схемы и реакции, катализируемые ими;
в) изложите, можно ли избежать снижения эффективности лечения.
ОТВЕТ:
Да, студент ответил правильно.
а) Противоопухолевые препараты индуцируют синтез глутатионтрансфераз (ГТ),
микросомальных монооксигеназ, Р -гликлпротеина.
Рис. 71 Строение Р-гликопротина
Р-гликопротеин – интегральный белок, имеющий 12 трансмембранных доменов, пронизывающих бислой цитоплазматической мембраны. N- и C-концы белка обращены в цитозоль. Участки Р-гликопротеина на наружной поверхности мембраны гликолизированы. Область между шестым и седьмым доменами имеет центры для присоединения АТФ и аутофосфорилирования
б) Р-гликопротеин в норме экскретирует ионы хлора и гидрофобные соединения из клеток. ГТ инактивирует собственные метаболиты: некоторые стероидные гормоны, простагландины, билирубин, желчные кислоты, продукты ПОЛ; связывает многие гидрофобные вещества и инактивирует их, но химической модификации подвергаются вещества, имеющие полярную группу. Обезвреживание (т.е. химическая модификация) ксенобиотиков с участием ГТ может осуществляться 3 различными способами:
• конъюгацией субстрата R с глутатионом (СSН):
R + GSH = GSRH,
• в результате нуклеофильного замещения:
RX + GSH = GSR + HX,
• восстановления органических пероксидов до спиртов:
R-HC–O-OH + 2GSH = R-HC-OH +GSSG + H2O
(ООН – гидропероксидная группа, GSSG – окисленный глутатион)
Для работы ГТ требуется глутатион. Конъюгаты GSH с большинством ксенобиотиков менее реакционно способны и более гидрофильны, чем исходные вещества и вещества, подвергшиеся трансформации под действием ГТ, а поэтому менее токсичны и легче выводятся из организма.
Рис. 72 Функционирование Р-гликопротеина
* Заштрихованный овал – противоопухолевое лекарство, гидрофобное вещество
в) Да, возможно. Повышает эффективность лечения использование веществ, ингибирующих синтез Р-гликопротеина, а также ферментов, катализирующих синтез глутатиона.
31. Биохимия печени. Биохимия крови. ОБМЕН ХРОМОПРОТЕИДОВ. Сфероцитоз - патологическое состояние, характеризующееся наличием в крови эритроцитов неправильной формы (сфероцитов) и возникает вследствие дефекта белков цитоскелета эритроцитов (спектрина, анкирина). Проницаемость их мембраны для ионов натрия становится избыточной, в связи с чем эритроциты приобретают шарообразную форму, становятся ломкими и легко подвергаются спонтанному гемолизу.
Предположите, к каким последствиям может привести это заболевание.
Для этого:
а) укажите, содержание какого вещества повышается в крови при этой патологии;
б) напишите схему его образования;
в) объясните, токсическое действие вещества на организм;
г) может ли уровень непрямого билирубина быть диагностическим критерием при дифференциации желтухи;
д) предположите, какие нарушения в обмене билирубина могут быть причиной повышения концентрации в крови непрямого билирубина.
ОТВЕТ:
Неправильная форма эритроцитов и повышенная хрупкость приводит к их гемолизу и развитию гемолитической анемии и надпеченочной желтухе.
а) При гемолизе эритроцитов в крови повышается количество непрямого (неконъюгированного) билирубина;
б)
Рис. 73 Образование билирубина (распад гема)
в) Неконъюгированный билирубин легко растворяется в липидах мембран и проникает в митохондрии, в которых разобщает дыхание и окислительное фосфорилирование, что сопровождается подъемом температуры. Также он нарушает синтез белка, поток ионов калия через мембрану клеток и органелл. Это отрицательно сказывается на состоянии ЦНС, вызывая у больных характерные неврологические симптомы.
г) Повышение содержания только непрямого билирубина в крови – признак, позволяющий отличать гемолитическую желтуху от других типов желтухи (механической и печеночно-клеточной).
д) Билирубин транспортируется из крови и в гладком эндоплазматическом ретикулуме происходит реакция конъюгации билирубина с глюкуроновой кислотой.
При нарушении транспорта билирубина в гепатоцит и недостаточности фермента глюкуронилтрансферазы концентрация непрямого билирубина в крови может вырасти. Это наблюдается при наследственной желтухе – синдромах Жильбера (нарушение транспорта) и Криглера-Найяра (дефект глюкуронилтрансферазы).
32. Обмен углеводов. Пентозофосфатный путь. Биохимия крови. В странах Средиземноморья в пищу используют конские бобы. Однако их потребление может привести к развитию тяжелого гемолиза у лиц, страдающих дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Клинически состояние таких больных выражается в бледности кожных покровов, гемоглобинурии, желтухе и тяжелой форме анемии в течение 24–48 часов после употребления конских бобов в пищу. Конские бобы содержат гликозид вицин и изоурамил, которые, как считается, разрушают глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу. Такая патология имеет название «фавизм».
Объясните молекулярную основу гемолиза при данной патологии.
Для этого:
а) представьте метаболический путь в эритроцитах, в котором участвует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа;
б) опишите, как в норме нейтрализуются активные формы кислорода (АФК) в эритроцитах и последствия воздействия АФК на клетку?
ОТВЕТ:
а) Пентозофосфатный способ превращения глюкозы происходит в цитозоле клеток и выполняет следующие основные функции:
• образование NADPH;
• источник рибозо-5-фосфата для синтеза нуклеотидов.
Рис. 74 Пентозофосфатный способ превращения глюкозы
б) Дефицит глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы (Глк-6Ф-ДГ) может привести к гемолитической анемии. Известно около 400 различных мутаций в гене Глк-6Ф-ДГ. Такие заболевания рецессивны и связаны с Х-хромосомой.
Красные кровяные тельца содержат большое количество кислорода и способны спонтанно генерировать активные формы кислорода, которые могут повредить белки и липиды в клетке. В присутствии активных форм кислорода гемоглобин может преципитировать, образую тельца Хайнца, а мембранные липиды подвергаться пероксидации, в результате чего мембрана клетки разрушается и происходит гемолиз. По мере образования пероксидов они быстро разрушаются системой глутатионпероксидаза/глутатионредуктаза в эритроцитах, предотвращая разрушительные последствия. NADPH, который требуется для глутатион-редуктазы, образуется в пентозофосфатном пути превращения глюкозы в эритроците.
Рис. 75