Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

акції, а рослинна — лужній). Кислу реакцію зумовлюють однозаміщені фосфати (вона спостерігається при цукровому діабеті — за рахунок кетонових тіл, при голодуванні), лужну — двозаміщені фосфати, бікарбонати, мікробні ураження сечовивідних шляхів, деякі ліки.

Органічні речовини, що входять до складу сечі, можна розділити на обов’язкові компоненти (містяться у сечі здорових людей), кількість яких може змінюватися при захворюваннях, і патологічні компоненти (яких немає у сечі здорових людей), що виявляються при захворюваннях.

Азотовмісні органічні речовини. За добу з се-

чею виділяється до 18 г азотовмісних речовин (загальний азот сечі). У принципі, формують структуру загального азоту сечі компоненти залишкового азоту крові. Саме вони фільтруються у нирках, і значна їх частина екскретується. Кількість загального азоту сечі може збільшуватися при споживанні великої кількості продуктів тваринного походження.

Сечовина становить до 90 % загального азоту сечі. Кількість сечовини збільшується після споживання великої кількості білкової їжі, при розпаді клітин (кахектичні стани, післяопераційний період), після прийому деяких лікарських препаратів (зокрема гормонів). Зниження вмісту сечовини, особливо на фоні підвищення екскреції азотовмісних речовин, свідчить про тяжке ураження печінки, що супроводжується порушенням знешкоджувальної (сечовиноутворювальної) функції печінки.

Креатинін утворюється у м’язах у результаті креатинкіназної реакції та є ангідридом креатину. Кількість креатиніну в сечі залежить від маси м’язів. Екскреція креатиніну — величина досить стала, він виводиться з сечею практично повністю, тому кліренс його досить високий. Існує система оцінки екскреції різних речовин по відношенню до екскреції креатиніну.

Креатин у дорослих абсорбується майже повністю і тому у сечі не виявляється. У дітей він з’являється у сечі за фізіологічних умов через посилення синтезу креатину і запізнювання його фіксації у м’язах. Креатин з’являється у сечі жінок після пологів унаслідок інволюції матки і деструкції великої кількості міофібрил. Але найголовнішою причиною креатинурії є м’язові дистрофії, коли м’язи нездатні фіксувати і використовувати креатин, тоді виявлення креатину в сечі

—об’єктивний критерій міодистрофії. Амінокислоти у дорослих також майже не ви-

водяться з сечею. Їх появу можна спостерігати у малих дітей. Гіпераміноацидурія виникає при захворюваннях печінки через порушення дезамінування і трансамінування, при злоякісних пухлинах внаслідок розпаду білків, при лікуванні кортикостероїдами унаслідок їх катаболічної дії. У сечі можуть з’являтись окремі амінокислоти при спадкових порушеннях їх метаболізму (фенілаланін, пролін, валін, цитрулін).

Сечова кислота екскретується з сечею — менше 1 г на добу. Кількість її може зростати при вживанні значної кількості м’яса, риб’ячої ікри,

тобто продуктів, багатих на нуклеопротеїни. Вміст її у сечі зростає при деструкції нуклеарних структур клітин, при подагрі, а також при вживанні лікарських препаратів (саліцилатів, кортикостероїдів).

Гіпурова кислота є кон’югованою сполукою, що утворюється у печінці шляхом сполучення бензенової кислоти з гліцином. Такою ж сполукою є індикан — продукт взаємодії індолу і сірчаної кислоти. Кількість цих кон’югованих сполук є показником посиленого розпаду білків ендогенного або екзогенного походження в організмі з вивільненням циклічних амінокислот, а також знешкоджувальної функції печінки.

Білки у нормі не виявляються, а їх поява у сечі (протеїнурія) є наслідком порушення фільтраційної функції нирок (ниркова протеїнурія) або ураження сечовивідних шляхів запального, деструктивного характеру (позаниркова протеїн-

урія).

Кров у сечі у здорових людей також не виявляється, а її поява (гематурія) свідчить про порушення фільтраційної функції нирок (ниркова гематурія) або ушкодження сечовивідних шляхів запального, деструктивного чи травматичного походження (позаниркова гематурія). Диферен-

ційною ознакою цих гематурій може бути мікроскопія осаду сечі. При позанирковій гематурії еритроцити «свіжі».

Глюкоза в сечі у здорових людей не виявляється, а її поява (глюкозурія) — наслідок порушення процесу реабсорбції, коли концентрація глюкози у крові перевищує «нирковий бар’єр» (10 ммоль/л). Глюкозурія може бути аліментарного походження (вживання великої кількості солодкого) або проявом цукрового діабету, коли зростання вмісту глюкози у крові є одним із проявів захворювання.

Слід підкреслити ще один важливий момент. Оскільки реабсорбція є енергозалежним процесом, а при цукровому діабеті біоенергетика страждає, то при однаковій концентрації глюкози у крові за умов аліментарного та діабетичного її підвищення у сечі вміст глюкози буде вищим при цукровому діабеті. У сечі можуть з’являтися інші моносахариди (фруктоза, галактоза) внаслідок спадкової недостатності ферментів їхнього метаболізму.

Кетонові тіла у здорових людей у сечі не виявляються, попри те, що печінка постійно продукує і виводить у кров ацетоацетат. Пояснюється це тим, що тканини поглинають із крові ацетоацетат і залучають його до окиснення у ЦТК з отриманням 24 молекул АТФ на молекулу ацетоацетату. Коли ж порушується біоенергетика і функціонування ЦТК, оксалоацетат нагромаджується у крові й потрапляє у сечу, спричинюючи кетонурію. Найбільших рівнів вона досягає при цукровому діабеті, але може спостерігатися при голодуванні, тиреотоксикозі, черепно-мозко- вих травмах. У дитячому віці кетонурія може бути наслідком недосконалості захисних систем і генералізованої відповіді організму на інфекційні захворювання або реакцією на перегодовуван-

2. Міозин — це фермент з АТФазною активністю:

АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4

Ця реакція є безпосереднім джерелом вільної енергії, необхідної для м’язового скорочення.

3. Міозин зв’язує полімеризовану форму актину — основного компонента тонких ниток. Саме ця взаємодія відіграє ключову роль у генерації сили, що забезпечує зсув товстих і тонких ниток одна відносно одної.

До складу актинових ниток входять білки ак-

тин, тропоміозин, тропонін. Основа ниток — молекули актину.

Актин. Цей білок становить близько 14 % загального білка смугастих м’язів, або близько 20 % від сухої маси міофібрил. Це глобулярний білок (G-актин). Його молекули можуть нековалентно з’єднуватися, утворюючи фібрилярний актин (F-актин). Його молекули виглядають як дві нитки намиста, закручені одна навколо іншої. У м’язових клітинах весь актин знаходиться у формі F-актину.

Актоміозин. При м’язовому скороченні, а також при додаванні до розчину міозину розчину актину міозин з’єднується з F-актином, утворюючи новий білковий комплекс — актоміозин. Як природний, так і штучний актоміозин має АТФазну активність. Проте АТФазна активність актоміозину відрізняється від АТФазної активності міозину. Фермент актоміозину активується іонами Магнію й інгібується високою концентрацією АТФ, тоді як міозинова АТФаза інгібується Mg2+ і не інгібується високою концентрацією АТФ. Актоміозин, імовірно, є тимчасовим сполученням актину і міозину в момент скорочення м’я- за.

Тропоміозин. Це фібрилярний білок, що складається з двох поліпептидних ланцюгів. На його частку припадає 4–7 % усіх білків міофібрил. Вони розташовуються поблизу жолобків стрічки F-актину, уздовж неї, причому кожна молекула тропоміозину сполучена з сімома молекулами G-актину. Тропоміозин, з’єднуючись із тропоніном, утворює комплекс, названий нативним тропоміозином. Цей комплекс зміщується з активних ділянок F-актину і надає йому властивість зв’я- зуватися з S1-фрагментом міозину.

Тропоніновий комплекс

Дві нитки F-актину

Тропоміозин

Тропонін — глобулярний білок, він є комплексом із трьох поліпептидних ланцюгів (субодиниць). Тропонін І (Tn-Т) забезпечує зв’язок із тропоміозином. Тропонін IІ (Tn-J) зв’язується з актином, інгібує взаємодію актину й міозину і блокує гідроліз АТФ. Тропонін III (Tn-C) додає тропоніновому комплексу чутливості до кальцію, він приєднує чотири іони Са2+.

Вміст міозину, актину, тропоміозину і тропоніну в міофібрилах становить близько 55; 25; 15 і 5 % відповідно.

Білки строми. У смугастій мускулатурі вони представлені здебільшого колагеном, еластином і деякими іншими білками сполучної тканини. Це білки стінок судин, нервів, а також сарколеми і деяких інших структур. Загальна кількість білків строми становить близько 15–20 % усіх білків м’язів вищих тварин.

Екстрактивні речовини — це речовини, які розчиняються у воді й слабких кислотах і через це екстрагуються у вигляді розчинів із м’язів (або інших тканин). До екстрактивних речовин належать азотовмісні та безазотисті речовини.

До азотовмісних екстрактивних речовин належать різні нуклеотиди (аденілові, цитидилові, уридилові та ін.), серед яких велике значення для функції м’язів мають АТФ/АДФ і АМФ. До екстрактивних речовин м’язів належать також креатин, креатинфосфат, креатинін, ансерин, глутамінова й інші амінокислоти, глутамін.

Як відомо, креатин синтезується переважно в нирках і печінці за участю трьох амінокислот: гліцину, аргініну та метіоніну. З печінки течією крові він надходить у м’язову тканину, де взаємодіє з АТФ з утворенням креатинфосфату. Каталізує реакцію креатинкіназа.

креатинкіназа

АТФ + Креатин Креатинфосфат + АДФ

Креатин, приєднавши фосфат, перетворюється на креатинфосфат, що має макроергічний зв’я- зок. Під час роботи м’язів фосфат від креатинфосфату може переноситися на АДФ з утворенням АТФ і креатину (реакція Ломана). За термодинамічними показниками ця реакція майже повністю оборотна, однак у фізіологічних умовах рівновага її зрушена в бік утворення АТФ, тобто креатинфосфат є тимчасовим депо і постачальником енергії для біосинтезу АТФ. Оскільки креатинкіназа майже повністю зосереджена у м’язах, то енергією креатинфосфату не може скористатися жодна тканина. Коферментом і активатором реакції є АДФ, яка водночас є інгібітором актоміозинової АТФази, що сприяє підтриманню запасів АТФ у м’язах. На частку креатину і креатинфосфату припадає до 60 % небілкового азоту м’язів. Отже, перетворення креатинфосфату на креатин є одним із джерел синтезу АТФ у м’язах.

У м’язах є дипептиди, які в інших тканинах не зустрічаються. Карнозин — дипептид, що складається з амінокислотних залишків гістидину і β -аланіну. Ансерин — це метильований карнозин (метилкарнозин):

менти міозину. Саме тому, незважаючи на високу концентрацію АТФ, м’яз перебуває в розслабленому стані. Якщо ж припиняється ресинтез АТФ (аноксія, отруєння дихальними отрутами або смерть), то м’яз переходить у стан задубіння. При цьому майже всі S1-фрагменти міозину приєднуються до актинових ниток, наслідком чого і є повна нерухомість м’язів.

Важливу роль у розслабленні м’язів грає кальцієва «помпа» — Мg2+, Са2+-залежна АТФаза ретикулума. Кальцієвий насос знижує концентрацію Са2+ у саркоплазмі спочиваючих м’язів до рівня нижче 10-6 М, а в саркоплазматичному ретикулумі підвищує до 10-3 М. Перенос двох іонів Са2+ усередину ретикулума відбувається за рахунок гідролізу однієї молекули АТФ. Другий білок саркоплазматичного ретикулума — кальциквестин — зв’язує Са2+ усередині ретикулума. Він містить понад 40 ділянок зв’язування Са2+.

Джерела енергії для м’язової діяльності

Як відомо, робота м’язів пов’язана з розпадом (гідролізом) АТФ на АДФ і Н3РО4. Запаси АТФ у м’язах незначні. Їх вистачило б усього на кілька секунд роботи. Яким же чином у процесі м’язової діяльності відбувається безперервний ресинтез цього макроерга?

Ресинтез АТФ може відбуватися чотирма шляхами: гліколіз, тканинне дихання, креатинкіназна реакція й аденілаткіназна реакція.

1. Як відомо, при гліколізі утворюються 2 молекули АТФ на 1 молекулу глюкози. Але гліколіз перебігає в анаеробних умовах, і тому ресинтез АТФ і скорочення м’язів можуть здійснюватися певний час в анаеробних умовах. Однак за рахунок енергії анаеробного гліколізу м’яз довго працювати не може, оскільки, по-перше, при цьому вивільняється тільки 6–7 % енергії, зосередженої у вуглеводах, тобто гліколіз енергетично малоефективний; по-друге, кінцевим продуктом гліколізу є молочна кислота, яка, накопичуючись

ум’язі, спричинює ацидоз; по-третє, у реакціях гліколізу піддаються розпаду тільки вуглеводи, а запаси глікогену в організмі обмежені.

2.При достатньому постачанні кисню до м’язів значна кількість АТФ ресинтезується в процесі тканинного дихання, тому що в аеробних умовах

ум’язах відбувається повне окиснення продуктів розпаду вуглеводів, залишків амінокислот, позбавлених свого азоту, жирних кислот, гліцеролу, кетонових тіл. У стані спокою на частку скелетних м’язів загалом припадає більше 50 % кисню, що надходить в організм людини, а при інтенсивній м’язовій роботі м’язи споживають до 90 % кисню, що надходить до організму.

Позитивною стороною цього процесу є висока енергетична ефективність; його кінцеві продукти — нешкідливі вода і вуглекислота, що легко видаляються з організму; запаси енергетичних субстратів, що підлягають аеробному окисненню, особливо жирних кислот, майже невичерпні. Але цей шлях потребує підвищеного споживання кисню.

3. Креатинкіназна реакція — це реакція взаємодії креатинфосфату (КФ) з АДФ з утворенням АТФ і креатину:

креатинкіназа

KФ + АДФ АТФ + креатин

Звичайно КФ утримується в цитозолі, однак є докази, що він зосереджений поруч міозинової АТФази, де перебуває зв’язаний з міозином ММ-ізофермент креатинкінази і де мають підтримуватися запаси АТФ. Ця реакція ресинтезу АТФ може перебігати в анаеробних умовах. Креатинкіназний шлях ресинтезу ATФ є надзвичайно швидким. Однак ресинтез цей нетривалий, тому що запаси КФ у м’язі невеликі, їх вистачає лише на забезпечення м’язової роботи протягом 20–30 с.

КФ служить транспортною формою макроергічних фосфатних груп, що утворюються в процесі окисного фосфорилування, з мітохондрій у цитоплазму клітини. Синтезований у матриксі мітохондрій ATФ переноситься через внутрішню мембрану мітохондрій за участю АТФ-АДФ- транслоказ на активний центр мітохондріального ізоферменту креатинкінази, розташованого на зовнішній стороні внутрішньої мембрани.

У міжмембранному просторі утворюється потрійний фермент-субстратний комплекс креатин- креатинкіназа-АТФ-Mg2+, який потім розпадається з утворенням креатинфосфату й АТФMg2+. Креатинфосфат дифундує в цитоплазму, де використовується для ресинтезу АТФ за участю цитоплазматичного ізоферменту креатинкінази (ММ-форма), перебуває в цитозолі, а також у товстих міофіламентах і на мембранах саркоплазматичного ретикулума.

Отже, при короткочасній інтенсивній м’язовій роботі в анаеробних умовах креатинфосфат відіграє, головним чином, роль донора макроергічного фосфату, тоді як при аеробній роботі м’язів є переносником макроергічного фосфату між мітохондріями й міофібрилами.

4.Деяка кількість АТФ може ресинтезуватися

ваденілаткіназній реакції.

аденілатциклаза

2 АДФ АТФ + АМФ

Це аварійний, невигідний для організму шлях ресинтезу АТФ, він запускається тільки в крайніх випадках, оскільки АМФ, що утворився, піддається дезамінуванню й необоротно перетворюється на інозинову кислоту.

Інтенсивність ресинтезу ATФ у наведених біохімічних процесах, тобто вибір «палива» і шлях його катаболізму, залежить від інтенсивності роботи м’язів. У спочиваючих м’язах основним шляхом ресинтезу АТФ є тканинне дихання, а основними субстратами енергетичного обміну служать вільні жирні кислоти і кетонові тіла, що доставляються кров’ю з печінки. Ці субстрати піддаються розпаду до ацетил-КoА, що далі вступає в цикл Кребса й окиснюється до СО2 і Н2О. Супровідні циклу Кребса тканинне дихан-