БИОХИМИЯ - В. В. Емельянов - 2016

РАЗДЕЛ 6. РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА. БИОХИМИЯ КРОВИ

1.1. Регуляция метаболизма

Обмен веществ - единый процесс. Лишь в учебных целях метаболизм углеводов, белков, липидов можно рассматривать по отдельности. Объединяют (интегрируют) различные стороны метаболизма регуляторные системы: нервная, эндокринная, иммунная. Ведущая роль в регуляции метаболизма принадлежит эндокринной системе и биологически активным веществам - гормонам.

Наука, изучающая системы гормональной регуляции обмена веществ и физиологических функций организма, носит название эндокринологии. Она представляет собой как фундаментальную биологическую, так и клиническую дисциплину. Современная эндокринология оформилась как самостоятельная дисциплина около 100 лет назад. Сегодня это высокотехнологичная и бурно развивающаяся отрасль биологии, которая владеет полным комплексом морфологических, химических, биохимических и молекулярно-генетических методов исследования. Результатом этих исследований служит понимание физиологии и патологии желез внутренней секреции, раскрытие химической структуры и механизмов функционирования сотен биологически активных веществ, а также синтез лекарственных препаратов на их основе.

Изучая курс биохимии, мы уже неоднократно сталкивались с разнообразными молекулами, обладающими регуляторными свойствами и служащими для передачи информации в живых системах. Такие молекулы называют информонами, или сигнальными молекулами. Среди последних можно выделить группу, традиционно относимую по ряду их общих свойств к гормонам.

6.1.1. Гормоны, определение понятия и свойства

Гормоны - биологически активные вещества, вырабатываемые специализированными эндокринными клетками, секретируемые в кровь или лимфу и оказывающие действие на строение и функции организма вне места своего образования. Прогормон - биологически неактивый предшественник гормона, превращающийся в гормон в результате каких-либо метаболических реакций.

Особенности действия гормонов:

1. Синтез и секреция специализированными клетками. Сегодня очевидно, что эндокринную систему составляют не только общеизвестные железы внутренней секреции, но и отдельные клетки, выделяющие в кровь сигнальные молекулы. Такие клетки есть в составе органов желудочно-кишечного тракта, почек, печени, легких, сердца, жировой ткани и иммунной системы. Все эти клетки принято объединять в диффузную гормональную систему.

2. Высокая биологическая активность. Гормоны обладают чрезвычайно высокой биологической активностью и обнаруживаются в биологических жидкостях в микро-, нано- и пикомолярных концентрациях. По этой причине количественное определение гормонов в биологических жидкостях осуществляется высокочувствительными иммунохимическими методами (радиоиммунологическим, иммуноферментным, иммунохемилюминесцентым и др.).

3. Специфичность действия. Каждый гормон способен оказывать присущий лишь ему спектр биологических эффектов и лишь в тех клетках, которые обладают к нему специфическими рецепторами: клетках-мишенях. Клетки, лишенные рецепторов, нечувствительны к действию гормона, гормонорезистентны. Как правило у гормона имеются определенное главное и второстепенное действия. Например, глюкокортикоиды - стимуляторы глюконеогенеза, побочное действие - противовоспалительные вещества. Встречаются ситуации, когда несколько гормонов по некоторому своему действию однонаправленны, например, кортизол, адреналин, глюкагон повышают уровень сахара крови, но различаются по другим эффектам, что и обусловливает неповторимую характеристику каждого из них.

4. Дистантность действия. Условием отнесения вещества к гормонам является оказание биологического действия вдали от места своего формирования и транспорт кровью или лимфой (гемокринное действие). Если вещество, секретируясь эндокринной клеткой, оказывает эффект, не только транспортируясь кровью, но и тканевой жидкостью, то говорят об изокринном действии. Так, получены данные о взаимном влиянии различных гормонов на соседние клетки одной эндокринной железы, например, взаимодействие между клетками островков Лангерганса, клетками аденогипофиза и коры надпочечников. Частный случай изокринного действия гормонов - нейрокринное действие либеринов и статинов гипоталамуса.

Вещества, не удовлетворяющие этому условию, могут считаться гормоноподобными веществами (гормоноидами, аутокоидами):

а) «клеточные гормоны» действуют на ту клетку, в которой образуются (аутокринное действие);

б) «тканевые гормоны» действуют на близлежащие клетки (паракринное действие), если гормон при этом не попадает в межклеточную жидкость, а передается через плазмолемму соседней клетки, говорят о юкстакринном действии.

5. Регулируемость действия. Гормональная регуляция предназначена для оптимального приспособления организма к условиям внешней среды, поэтому количество и спектр гормонов, находящихся в крови и действующих на клетки-мишени в данный момент, подвержены разнообразным влияниям и имеют биоритмы различной периодичности. Регуляция гормонального действия может осуществляться на всех этапах их метаболизма.

6.1.2. Классификации гормонов

В курсе биохимии наиболее удобной для нас является классификация гормонов по химической природе:

1. Белково-пептидные: олигопептиды (либерины и статины, АКТГ, АДГ, окситоцин, глюкагон и др.), простые белки (инсулин, СТГ, ПРЛ), гликопротеины (ЛГ, ФСГ, ТТГ).

2. Производные аминокислот (катехоламины, тиреоидные гормоны, мелатонин).

3. Стероидные (глюкокортикоиды, минералокортикоиды, андрогены, эстрогены, гестагены).

Классификация по химической природе удачна не только тем, что позволяет однозначно отнести каждый гормон к определенной группе, но и тем, что химическая природа гормона предопределяет особенности его биологического действия (транспорт кровью, взаимодействие с рецепторами).

Кроме того, гормоны классифицируют:

- по месту образования (гормоны гипоталамуса, гипофиза, эпифиза, щитовидной, паращитовидных, поджелудочной и половых желез, надпочечников).

- по физиологическим функциям (регуляторы углеводного, белкового, липидного, водно-солевого, кальций-фосфорного обменов, репродуктивных функций и функций периферических эндокринных желез).

По механизмам рецепции клетками-мишенями различают гормоны:

- действующие на мембранные рецепторы (белковые, производные аминокислот);

- на внутриклеточные рецепторы (стероидные);

- на оба типа рецепторов (тиреоидные).

Принципы организации нейроэндокринной системы

1. Иерархичность. В эндокринной системе существуют несколько уровней регуляции:

а) кора больших полушарий головного мозга;

б) подкорковые структуры;

в) гипоталамус;

г) гипофиз;

д) периферические эндокринные железы;

е) клетки-мишени (рецепторы и пострецепторные механизмы передачи сигнала).

Современная эндокринология предполагает наличие в организме трех взаимодействующих регуляторных систем: нервной, эндокринной и иммунной. Взаимодействие нервной, эндокринной и иммунной систем можно представить схемой (рис. 29).

Рис. 29. Взаимодействие нервной, эндокринной и иммунной систем в регуляции гомеостаза

Согласно этой схеме любая клетка-мишень (клетка-эффектор) подвержена влиянию регуляторных молекул каждой из трех систем.

2. Каскадное усиление сигнала и наличие проводников действия гормона: каждый последующий уровень в иерархии гормональной регуляции усиливает передаваемый сигнал благодаря увеличению продукции биологически активных веществ в геометрической прогрессии на следующем уровне иерархии.

3. Саморегуляция по принципу положительной прямой и отрицательной обратной связи. Гипоталамус стимулирует секрецию тропных гормонов гипофиза, которые, в свою очередь, стимулируют секрецию гормонов периферическими эндокринными железами - положительные прямые связи. Гормоны периферических эндокринных желез тормозят секрецию тропных гормонов гипофиза и либеринов гипоталамуса - отрицательная обратная связь.

6.1.3. Этапы метаболизма гормонов

1. Биосинтез и хранение.

Белковые гормоны синтезируются на полирибосомах сначала в виде пре-, про- и прогормонов, которые депонируются в эндокринной клетке. Гормоны - производные аминокислот (фенилалаина, тирозина, триптофана) - синтезируются с помощью специфических ферментных систем. Предшественником синтеза стероидных гормонов служит холестерин, в дальнейших превращениях которого участвуют ферменты микросомального окисления мембран гладкой эндоплазматической сети.

2. Активация и секреция.

Каждая эндокринная клетка имеет определенный запас гормона в везикулах аппарата Гольджи (секреторных гранулах), по мере поступления регуляторных стимулов происходит экзоцитоз и выход гормонов в кровь. Поступление гормона в кровь в этом случае осуществляется импульсно, что отражается в существовании биоритмов гормональной серкеции различной периодичности. Реже гормоны

поступают в кровоток путем простой диффузии. В этом случае скорость их секреции определяется интенсивностью кровотока в железе.

3. Транспорт кровью.

Транспорт гормонов кровью осуществляется либо в свободном виде (растворимые белки), либо в связанном с белками или форменными элементами (стероидные и тиреоидные). Различают специфические (тироксинсвязывающий глобулин, транскортин, белок, связывающий половые стероиды) и неспецифические (альбумин и преальбумин) связывающие белки крови. Активность последних существенно ниже. Фракция свободного гормона крови обычно не превышает 1 % от общего количества, но именно она является биологически активной. Между свободной и связанной фракциями гормонов устанавливается динамическое равновесие. Биологическое значение связывания гормона в крови заключается в предохранении его от разрушения протеазами, дозировании гормонального эффекта (буферная функция белка) и депонировании гормонов.

4. Рецепция и биологический эффект.

Характеристика типов рецепторов и пострецепторных механизмов подробно дана ниже.

При всем многообразии физиологических эффектов у гормонов принято выделять следующие группы:

а) метаболические: влияние на процессы обмена веществ;

б) морфогенетические (формативные): стимуляция деления клеток, роста и дифференцировки тканей и органов;

в) кинетические (пусковые): вызывающее определенную деятельность эффекторов, например, тропных гормонов аденогипофиза;

г) корригирующие: изменяющие интенсивность физиологических процессов, которые могут осуществляться и без гормона.

5. Инактивация и выведение.

Ни один гормон не действует бесконечно долго, существуют системы их инактивации, которые представлены ферментными системами печени (микросомальное окисление и конъюгация с ФАФС, УДФГК, глицином). Печень выделяет метаболиты гормонов в желчь для дальнейшей экскреции с калом и кровью, откуда они экскретируются почками с мочой. Пептидные гормоны могут разрушаться в почках при помощи протеаз (например, инсулиназа) на отдельные аминокислоты. Не более 10 % циркулирующих гормонов выводятся из организма в неизмененном виде. Основной путь выведения гормонов и их метаболитов - с мочой и калом, менее значимая экскреция - с потом, слюной, молоком.

6.1.4. Рецепторы и механизм действия гормонов

Рецептор - макромолекула, способная специфически взаимодействовать с ограниченным набором биологически активных веществ и трансформировать сигнал об этом взаимодействии в специфический клеточный ответ.

По химическому строению все известные рецепторы являются белками с молекулярной массой в сотни кДа. Обязательным компонентом рецептора является

трансмембранный проникающий белок, имеющий 1, 4 или 7 таких «петель». Практически все рецепторы образуют четвертичную структуру с мембранными фосфолипидами, углеводами, ионами металлов.

Взаимодействие гормона с рецептором происходит по принципу структурной комплементарности и напоминает взаимодействие фермента с субстратом с образованием гормон-рецепторного комплекса. В этом процессе играют роль различные функциональные группы аминокислот (СООН, NH₂, SH, ОН, имидазольные кольца гистидина), однако рецепторы отличаются большим сродством (аффинностью) к гормонам, чем ферменты к субстратам. Вслед за связыванием гормона с распознающим доменом рецептора происходит конформационная перестройка его эффекторного домена, обеспечивающая активацию пострецепторных путей реализации гормонального сигнала. Количественной мерой аффинности рецептора служит константа диссоциации гормон-рецепторного комплекса. Структура и свойства рецепторов генетически детерминированы, но количество их в клетке может изменяться.

Основные свойства рецепторных систем проведения и усиления сигнала:

1. Высокая чувствительность рецепторов за счет механизмов каскадного усиления сигнала.

2. Наличие «резерва» рецепторов - максимальный клеточный ответ может наблюдаться и при незначительном числе связанных с гормоном рецепторов. В физиологических условиях количество рецепторов к различным гормонам колеблется от 500 до 30 000 на одну клетку-мишень, причем во взаимодействии с гормоном находится не более 5 % от их количества.

3. Адаптация рецепторов к меняющейся концентрации гормона в микроокружении: снижающая (down) и повышающая (up) регуляция под действием гормона. Адаптацией к сниженной концентрации гормона является эффект кластеризации рецепторов - собирание их в одном месте, повышение плотности на единицу площади мембраны. Активность гормон-рецепторного взаимодействия зависит также и от микроокружения рецептора в мембране и ее микровязкости.

Зачастую для проявления или усиления биологического эффекта гормона необходима химическая модификация его на уровне клетки-мишени (превращение тироксина в трийодтиронин, тестострона - в 5-α-дигидротестостерон).

Вторичные мессенджеры - внутриклеточные молекулы, осуществляющие сопряжение рецепторов с внутриклеточными эффекторами (ферментами, ионными каналами, геномом).

Внутриклеточные системы передачи гормонального сигнала:

1. Система циклических нуклеотидов.

2. Система инозитолтрифосфата и диацилглицерола.

3. Система тирозинкиназы и тирозинфосфатазы.

4. Система кальция.

5. Система эйкозаноидов.

6.2. Биохимия крови

Значение биохимических исследований для современной медицинской практики трудно переоценить. Они используются для постановки диагноза, контроля эффективности лечения и выявления побочных эффектов терапии, мониторинга концентрации лекарственных препаратов. В повседневной работе врача постоянно возникает необходимость сравнения результатов биохимических исследований с величинами, принятыми за норму. В современной медицине чаще используют термин «референсные интервалы» лабораторных показателей. Это подчеркивает, что норма - понятие статистическое: в пределы нормы (референсного интервала) должны укладываться значения данного показателя у 95 % здоровых лиц из популяции, только 5 % здоровых будут иметь значения показателя вне указанного диапазона). Далеко не каждое изменение лабораторного показателя указывает на болезнь. Для лабораторных показателей характерны 3 вида вариации (изменчивости со временем): биологическая (связана и изменениями показателя у здоровых лиц в течение суток, сезонов года и т. п.), аналитическая (связана с погрешностями процедуры анализа) и патологическая (связана с влиянием болезни).

Этапы лабораторного исследования:

1) преаналитический (включает подготовку пациента, процедуру забора, доставку в лабораторию и подготовку пробы к анализу - отделение плазмы и т. п.). Именно на этом этапе совершается основное количество ошибок, искажающих результат анализа;

2) собственно анализ;

3) интерпретация полученных результатов врачом.

Материал для биохимических исследований: кровь и ее фракции (95 % случаев), моча, слюна, слеза, желудочный сок, дуоденальное содержимое, желчь, кал, сперма, выпоты (транссудаты) и воспалительные экссудаты из серозных полостей и т. п. Также возможно определение ряда веществ в ногтях, волосах, биопсийном материале.

Необходимо помнить, что концентрация любого соединения в крови определяется двумя противоположными процессами: поступлением в кровь из клеток организма или извне и выведением из нее всеми возможными путями. В табл. 10 суммированы данные о важнейших показателях биохимического анализа крови, применяемых в медицинской практике.

Таблица 10. Некоторые биохимические показатели крови

Автоматические биохимические анализаторы - неотъемлемая составная часть современной клинической биохимической лаборатории. Традиционный (ручной) метод анализа базируется на непосредственном участии лаборанта на всех этапах процесса: взятии биологического материала, наборе и смешивании реактивов, инкубации, регистрации результатов измерений и расчете концентрации определяемого вещества. При этом даже незначительные отклонения в условиях выполнения анализа, неизбежно возникающие при обработке большого количества проб, способны существенно исказить конечный результат анализа.

Автоматизация большинства этапов процесса приводит к стандартизации всей процедуры анализа, делает выполнение исследования более быстрым и точным,

значительно снижает затраты реактивов и биологического материала. Управление работой биохимического автоматического анализатора осуществляется компьютером с соответствующим программным обеспечением. Выпускаемые промышленностью современные наборы реактивов для определения параметров биологических жидкостей человека адаптированы к использованию в автоматических анализаторах. Преимуществом анализатора является возможность определения в одной пробе биологической жидкости до 20-40 различных параметров (концентраций веществ, активности ферментов и т. д.). Современные автоматические биохимические анализаторы способны выполнять до 800 и более исследований в час, что позволяет в течение рабочего дня провести развернутый биохимический анализ крови нескольких сотен пациентов.

В основе работы биохимических анализаторов лежит метод фотоэлектроколориметрии. Фотоэлектроколориметрия (от греч. photos - свет, лат. color - цвет) - метод определения концентрации окрашенных растворов, основанный на законе светопоглощения Бугера - Ламберта - Бера:

где Е - оптическая плотность (экстинкция) раствора; I и I₀ - интенсивность света, прошедшего через раствор и падающего на раствор соответственно; ε - коэффициент погашения; l - толщина слоя раствора, см; с - концентрация раствора, моль/л. Коэффициент погашения является коэффициентом пропорциональности и показывает, какая доля светового потока поглощается данным раствором толщиной 1 см.

Таким образом, измерив с помощью фотоэлектроколориметра величину оптической плотности раствора с известным коэффициентом погашения, помещенного в прозрачную кювету известной толщины, мы можем определить его концентрацию.

Принципиальная схема фотоэлектроколориметра включает несколько обязательных элементов (рис. 30).

Рис. 30. Принципиальная схема фотоэлектроколориметра: а - источник света - лампа накаливания или ультрафиолетовая лампа; б - светофильтр - стекло определенного цвета, пропускающего монохроматический свет; в - стеклянная кювета с исследуемым раствором; г - фотоэлемент для регистрации интенсивности светового потока, прошедшего через раствор

Для определения I₀ в данном случае используется раствор сравнения, концентрация определяемого вещества в котором равна нулю. Для перевода единиц оптической плотности (экстинкции) в единицы концентрации проводят измерение экстинкций серии контрольных растворов с известной концентрацией вещества и последующее построение калибровочной кривой.

Далеко не всегда раствор интересующего нас вещества имеет собственную окраску. В этом случае в основу метода измерения берется какая-либо цветная реакция на данное вещество, при этом концентрация продукта реакции прямо пропорциональна концентрации исследуемого вещества и определяется фотоэлектроколориметрически.

Вопросы для проверки усвоения материала

1. Регуляция метаболизма. Гормоны: понятие, свойства, биологическая роль.

2. Этапы метаболизма гормонов. Рецепторы гормонов.

3. Значение биохимических исследований для медицинской практики. Референтные интервалы лабораторных показателей. Подготовка крови к биохимическому исследованию. Отличие плазмы и сыворотки крови.

4. Показатели крови, характеризующие углеводный обмен: глюкоза, лактат, пируват.

5. Показатели крови, характеризующие липидный обмен: холестерин, триглицериды, липопротеиды, кетоновые тела.

6. Азотистые вещества плазмы крови: белки и остаточный азот, состав, происхождение, биологическое значение.

7. Минеральные вещества крови (ионы калия, натрия, кальция, магния, хлорида, бикарбоната, фосфата).

Письменное домашнее задание

1. В тетради зарисовать принципиальную схему фотоэлектроколориметра, описать принцип его работы.

2. Указать основные преимущества автоматизированных методов биохимических исследований перед ручными.

Типовой вариант тестового контроля по теме «Регуляция метаболизма. Биохимия крови»

Инструкция: при отсутствии дополнительных указаний в вопросе теста выберите один верный вариант ответа.

1. Как влияют гормоны инсулин и адреналин на концентрацию глюкозы в крови:

а) инсулин - увеличивает, адреналин - уменьшает;

б) инсулин - уменьшает, адреналин - увеличивает;

в) инсулин и адреналин увеличивают;

г) инсулин и адреналин уменьшают.

2. Выберите изменение липидного спектра плазмы крови, увеличивающее риск атеросклероза:

а) снижение концентрации общего холестерина;

б) снижение концентрации триглицеридов;

в) повышение концентрации холестерина ЛПНП;

г) повышение концентрации холестерина ЛПВП.

3. Укажите главную фракцию белков плазмы крови:

а) альбумины;

б) α₁-глобулины;

в) α₂-глобулины;

г) β-глобулины;

д) y-глобулины.

4. Выберите правильное соотношение между концентрациями катионов в клетках и в плазме крови:

а) в плазме крови выше концентрация калия и магния, в клетках - натрия и кальция;

б) в плазме крови выше концентрация натрия и магния, в клетках - калия и кальция;

в) в плазме крови выше концентрация натрия и калия, в клетках - магния и кальция;

г) в плазме крови выше концентрация натрия и кальция, в клетках - калия и магния.

5. Какой параметр отличается у клеток и макромолекул, эффективно разделяющихся методом центрифугирования:

а) заряд;

б) плотность;

в) химическая природа;

г) поглощение света;

д) преломление света.

6. Какой метод позволяет разделить белки плазмы крови на фракции в зависимости от соотношения заряда и молекулярной массы:

а) спектрофотометрия;

б) электрофорез;

в) хроматография;

г) центрифугирование;

д) флуориметрия.

7. Укажите основной компонент остаточного азота плазмы крови:

а) мочевина;

б) мочевая кислота;

в) креатин;

г) креатинин;

д) аминокислоты.

8. Причиной повышения активности фермента в плазме крови может быть:

а) увеличение синтеза фермента в клетках;

б) повышение проницаемости мембран клеток;

в) разрушение мембран клеток;

г) все перечисленное.

9. Активность каких ферментов в крови чаще всего исследуют в биохимических лабораториях для диагностики заболеваний человека:

а) фосфолипаза, амилаза, пепсин;

б) цитратсинтаза, сукцинатдегидрогеназа, аконитаза;

в) гексокиназа, фосфофруктокиназа, альдолаза;

г) креатинкиназа, лактатдегидрогеназа, аланинаминотрансфераза;

д) нуклеотидаза, ксантиноксидаза, уриказа.

10. Вставьте пропущенные слова (3 ответа) в предложение: «Билирубин является конечным продуктом распада ..., присутствует в крови в виде прямой и ... фракций, при повышении концентрации его более 40 мкмоль/л возникает ...»

11. Какие патологические характеристики имеет приведенный биохимический анализ крови (3 ответа):

а) гипергликемия;

б) гипохолестеринемия;

в) гипертриглицеридемия;

г) гипоазотемия;

д) гиперурикемия;

е) гипобилирубинемия;

ж) гиперкалиемия;

з) гипонатриемия.