Главная » Произведения » Какой химический элемент участвует в синтезе гемоглобина. Поступление железа в организм и синтез гемоглобина. Г. нарушения биосинтеза гема. порфирии

Какой химический элемент участвует в синтезе гемоглобина. Поступление железа в организм и синтез гемоглобина. Г. нарушения биосинтеза гема. порфирии

Учитывая химический состав гемоглобина, проблему его биосинтеза можно свести к синтезу его простетической группы, в частности к синтезу тетрапиррольного соединения - гема. К настоящему времени почти полностью выяснены основные пути образования порфиринов и протопорфиринов, т. е. тетрапирролов (см. Химия сложных белков), являющихся непосредственными предшественниками гема и хлорофилла. Благодаря исследованиям Шемина и др. выяснены основные пути синтеза гема. С помощью меченых предшественников было показано, что в синтезе гема в бесклеточных экстрактах эритроцитов птиц специфическое участие принимают глицин, уксусная и янтарная кислоты. Источником всех 4 атомов азота и 8 атомов углерода тетрапиррольного кольца является глицин. Источником остальных 26 из 34 атомов углерода является янтарная кислота, точнее ее производное - сукцинил-КоА.

Последовательность химических реакций синтеза тетрапирролов в организме животных можно условно разделить на следующие стадии.

В первой стадии, протекающей в два этапа, сукцинил-КоА взаимодействует с глицином с образованием δ-аминолевулиновой кислоты (δ-АЛК):

Эту стадию катализирует специфический пиридоксальфосфатзависимый фермент δ-аминолевулинатсинтаза - ключевой, аллостерический фермент синтеза тетрапирролов во всех живых организмах. Впервые эта синтаза была обнаружена в эндоплазматической сети клеток печени. Фермент индуцируется стероидами и другими факторами и ингибируется гемом.

Во второй стадии имеет место конденсация 2 молекул δ-аминолевулиновой кислоты с образованием первого монопиррольного соединения - порфобилиногена (ПБГ):

Фермент, катализирующий эту стадию, порфобилиногенсинтаза, также является регуляторным ферментом, ингибируемым конечными продуктами синтеза. Предполагается, что механизм этой сложной реакции дегидратации включает образование ке-тиминной связи (шиффово основание) между кетогруппой одной молекулы δ-аминолевулиновой кислоты и ε-аминогруппой лизина молекулы фермента.

В следующей многоступенчатой стадии, катализируемой ферментами, из 4 монопиррольных молекул порфобилиногена синтезируется тетрапиррольный комплекс протопорфирин IX, являющийся непосредственным предшественником гема. Некоторые этапы этого сложного пути синтеза окончательного не установлены.

В заключительной стадии протопорфирин IX присоединяет молекулу железа при участии гемсинтетазы (или феррохелатазы) и образуется гем. Последний используется для биосинтеза всех гемсодержащих хромопротеидов. Источником железа для этой реакции является ферритин, который считается резервным гемопротеидом, откладывающимся в клетках костного мозга, печени и селезенки. Имеются указания, что, помимо железа, в синтезе гема участвуют некоторые кофакторы, в частности витамин В 12 , тетрагидрофолат, ионы меди и др.

Гем является небелковой частью многих гемопротеинов:

гемоглобин (до 85% общего количества гема организма), локализованный в эритроцитах и клетках костного мозга,
миоглобин скелетных мышц и миокарда (до 17%),
цитохромы дыхательной цепи ,
ферменты цитохромоксидаза , цитохром P 450 , гомогентизатоксидаза , миелопероксидаза , каталаза и глутатионпероксидаза , тиреопероксидаза и т.д. – менее 1%.

Строение и синтез гема

Гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоящее из 4 пиррольных колец) и иона Fe 2+ . Железо связывается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями.

Синтез гема в основном идет в предшественниках эритроцитов, в клетках печени, почек, слизистой кишечника и в остальных тканях. Первая реакция синтеза с участием δ-аминолевулинат-синтазы (греч. δ - "дельта") происходит в митохондриях. Следующая реакция при участии аминолевулинатдегидратазы (порфобилиноген-синтазы ) протекает в цитозоле, здесь из двух молекул δ‑аминолевулиновой кислоты образуется циклический порфобилиноген (монопиррол).

Синтез порфобилиногена

После синтеза порфобилиногена четыре его молекулы конденсируются в гидроксиметилбилан, который далее превращается в уропорфириноген типа I и уропорфириноген типа III . В синтезе обоих видов порфиринов принимает участие уропорфириноген I-синтаза , в образовании уропорфириногена III дополнительно принимает участие фермент уропорфириноген III-косинтаза .

Судьба обоих типов уропорфириногена двояка: они могут окисляться до уропорфирина (на рисунке не показано) или декарбоксилироваться до копропорфириногена соответствующего типа.

Синтез гема из порфобилиногена

Копропорфириноген III возвращается в митохондрии и окисляется в протопорфириноген IX и далее в протопорфирин IX . Последний после связывания с железом образует гем , реакцию катализирует феррохелатаза (гемсинтаза ).

Скорость синтеза глобиновых цепей зависит от наличия гема, он ускоряет биосинтез "своих" белков.

Названия пигментов (уропорфирины и копропорфирины) были даны веществам по источнику их первоначального выделения, при этом восстановленные бесцветные формы называют порфириногенами. Для порфиринов характерно наличие изомерии вследствие различного расположения радикалов, что нашло отражение в порядковых номерах изомеров.

Регуляция синтеза гема

Основным регуляторным ферментом синтеза гема является аминолевулинатсинтаза .

1. Гем :

напрямую оказывает отрицательный аллостерический эффект на фермент,
влияет на транскрипцию фермента. После взаимодействия с молекулой белка-репрессора формирует активный репрессорный комплекс , связывается с ДНК и подавляет транскрипцию, мРНК для фермента не образуется и синтез фермента прекращается.

Регуляция синтеза аминолевулинатсинтазы

2. Ионы железа . Их достаточное количество оказывает положительный эффект при синтезе молекулы аминолевулинатсинтазы.

В клетке имеется железосвязывающий белок (англ. IRP , iron-responsive element-binding proteins – белок, связывающий железочувствительный элемент), который в отсутствии ионов железа обладает сродством к железочувствительному участку IRE (англ. iron-responsive element ) на матричной РНК фермента. Это связывание блокирует трансляцию мРНК в рибосоме, т.е. подавляет синтез белковой цепи.

При наличии ионов железа они связываются с железосвязывающим белком, образуя с ним неактивный комплекс , и это инициирует синтез фермента.

3. Положительным модулятором аминолевулинатсинтазы служит внутриклеточная гипоксия , которая в эритропоэтических тканях индуцирует синтез фермента.

4. В печени повышению активности аминолевулинатсинтазы способствуют различные соединения , усиливающие работу микросомальной системы окисления (жирорастворимые вещества, стероиды) – при этом возрастает потребление гема для образования цитохрома Р 450 , и снижается внутриклеточная концентрация свободного гема. В результате происходит усиление синтеза фермента.

Синтез гемоглобина происходит в кроветворных органах, причем гем и глобин синтезируются по отдельности. Затем гем и белковая часть гемоглобина соединяются вместе.

Первая реакция синтеза гема - образование Δ-аминолевулиновой кислоты из глицина и сукцинил-КоА идёт в матриксе митохондрий, где в ЦТК образуется один из субстратов этой реакции - сукцинил-КоА. Эту реакцию катализирует

фермент Δ-аминолевулинатсинтаза:

Дельта-аминолевулинатсинтаза является ключевым ферментом биосинтеза гема. Коферментом дельта-аминолевулинатсинтазы является пиридоксаль-фосфат (производное витамина В 6). Фермент ингибируется по принципу отрицательной обратной связи избытком гема.

Из митохондрий Δ-аминолевулиновая кислота поступает в цитоплазму. Происходит соединение 2 молекул Δ-аминолевулиновой кислоты в молекулу порфобилиногена. Порфобилиногенсинтаза тоже угнетается избытком гема.

В дальнейшем синтез гема проходит по следующей схеме:

В результате целого ряда последовательных реакций образуется протопорфирин IX. Фермент феррохелатаза, присоединяя к протопорфирину IX двухвалентное железо, превращает его в гем. Источником железа для синтеза гема служит депонирующий железо белок ферритин. Синтезированный гем, соединяясь с α- и β-полипепептидными цепями глобина, образует гемоглобин. Гем регулирует синтез глобина: при снижении скорости синтеза гема синтез глобина в ретикулоцитах тормозится.

2. Нарушения биосинтеза гема – порфирии.

Порфирии ("порфирин" в переводе с греч. означает пурпурный) - наследственные и приобретённые нарушения синтеза гема, сопровождающиеся повышением содержания порфириногенов, а также продуктов их окисления в тканях и крови и появлением их в моче.

Наследственные порфирии обусловлены генетическими дефектами ферментов, участвующих в синтезе гема. При этих заболеваниях отмечают снижение образования гема и накопление промежуточных продуктов его - аминолевулиновой кислоты и порфириногенов.

Различают печёночные и эритропоэтические наследственные порфирии. Эритропоэтические порфирии сопровождаются накоплением порфиринов в нормобластах и эритроцитах, а печёночные - в гепатоцитах.

При тяжёлых формах порфирии наблюдают нейропсихические расстройства, нарушения функций РЭС, повреждения кожи. Порфириногены не окрашены и не флуоресцируют. На свету порфириногены легко превращаются в порфирины, которые проявляют интенсивную красную флуоресценцию при УФО. Порфирии часто сопровождаются фотосенсибилизацией (повышение чувствительности кожи и слизистых оболочек к действию ультрафиолетового или видимого излучений) и изъязвлением открытых участков кожи. Нейропсихические расстройства при порфириях связаны с тем, что аминолевулинат и порфириногены являются нейротоксинами.

Иногда при лёгких формах наследственных порфирии заболевание может протекать бессимптомно. Обострение заболевания может наступать под действием лекарств: сульфаниламиды, барбитураты, диклофенак, вольтарен, стероиды. В некоторых случаях симптомы болезни не проявляются до периода полового созревания. Порфирии наблюдают и при отравлениях солями свинца и некоторых гербицидов и инсектицидов.

При неправильной диагностике и, следовательно, лечении, острые порфирии являются смертельными заболеваниями (летальность, в среднем, составляет 60%). Напротив, четкая своевременная диагностика и адекватная терапия спасают практически всех больных, возвращая их к нормальной полноценной жизни.

Диагностика острой порфирии. Предположительный диагноз острой порфирии у такого рода больных может быть поставлен на основании появления окрашенной мочи во время приступа - от слегка розового до красно-бурого цвета, что становится еще более заметным при стоянии мочи на свету. Розовый цвет мочи обусловлен повышенным содержанием в ней порфиринов, а красно-бурый - присутствием порфобилина, продукта деградации порфобилиногена. Однако заметное изменение цвета мочи не является обязательным признаком острой порфирии. Для постановки этого диагноза рекомендуется провести следующие лабораторные исследования:

Качественный тест мочи с реактивом Эрлиха на избыток порфобилиногена; Определение общих порфиринов и их предшественников -порфобилиногена (ПБГ) и δ-аминолевулиновой кислоты (АЛК) в моче. В норме содержание общих порфиринов в моче не превышает 0.15 мг/л; ПБГ - 2 мг/л; АЛК - 4.5 мг/л; Определение общих порфиринов в кале. У здоровых людей содержание общих порфиринов в кале < 200 нмоль/г сухого веса; Определение активности фермента порфобилиногендезаминазы (в случае ОПП), копропорфириногеноксидазы (в случае наследственной порфирии); проведение молекулярного анализа ДНК.

3. Типы гемоглобина. Нарушения синтеза белковой части гемоглобина – качественные и количественные гемоглобинопатии.

Гемоглобины, синтезирующиеся в период внутриутробного развития плода:

· Эмбриональный гемоглобин (HbE) синтезируется в эмбриональном желточном мешке через несколько недель после оплодотворения. Представляет собой тетрамер 2α- и 2ς-цепей. Через 2 нед после формирования печени плода в ней начинает синтезироваться гемоглобин F, который к 6 месяцам замещает эмбриональный гемоглобин.

· Гемоглобин F - фетальный гемоглобин, синтезируется в печени и костном мозге плода до периода его рождения. Имеет тетрамерную структуру, состоящую из 2α- и 2γ -цепей. После рождения ребёнка постепенно замещается на гемоглобин А, который начинает синтезироваться в клетках костного мозга уже на 8-м месяце развития плода.

Гемоглобины взрослого человека.

В эритроцитах взрослого человека гемоглобин составляет 90% от всех белков данной клетки.

· Гемоглобин А - основной гемоглобин взрослого организма, составляет около 98% от общего количества гемоглобина, тетрамер, состоит из полипептидных цепей 2α- и 2β-цепей.

· Гемоглобин A 2 находится в организме взрослого человека в меньшей концентрации, на его долю приходится около 2% общего гемоглобина. Он состоит из 2α- и 2σ-цепей.

· Гемоглобин А 1с - гемоглобин А, модифицированный ковалентным присоединением к нему глюкозы (так называемый гликозилированный гемоглобин). Норма - 4,0-6,2%. Измерение Hb1c является показателем среднесуточной концентрации глюкозы в крови за два предшествующих месяца. Определение Hb1c используют для контроля за лечением больных сахарным диабетом. Увеличение Hb1c: до 8-10% говорит о хорошо компенсированном, до 10-12% - о частично компенсированном, свыше 12% - о некомпенсированном сахарном диабете.

Нарушения синтеза белковой части гемоглобина – качественные и количествные гемоглобинопатии. В настоящее время известно около 300 вариантов НЬА, имеющих в первичной структуре α- или β-цепей лишь небольшие изменения. Некоторые из них почти не влияют на функцию белка и здоровье человека, другие снижают функцию белка и особенно в экстремальных ситуациях снижают возможность адаптации человека, третьи - вызывают значительные нарушения функций НbА и развитие анемии, что приводит к тяжёлым клиническим последствиям.

Выделяют качественные гемоглобинопатии (изменения аминокислотной последовательности цепей глобина) и количественные гемоглобинопатии , или талассемии (снижение образования цепей глобина без изменения их структуры).

Качественные гемоглобинопатии . В аномальных гемоглобинах изменения могут затрагивать аминокислоты:

находящиеся на поверхности белка;
участвующие в формировании гидрофобного кармана вокруг гема;
замена которых нарушает общую трёхмерную конформацию молекулы;
изменяющие четвертичную структуру белка и его регуляторные свойства.

Примером качественных гемоглобинопатий могут служить HbS и HbM.

Гемоглобин S. В молекуле гемоглобина S у больных серповидно-клеточной анемией в β-цепи глутамат, высокополярная отрицательно заряженная аминокислота в положении 6 заменена валином, содержащим гидрофобный радикал. В дезоксигемоглобине S имеется участок, комплементарный другому участку таких же молекул, содержащему изменённую аминокислоту. В результате молекулы дезоксигемоглобина начинают "слипаться", образуя удлинённые фибриллярные агрегаты, деформирующие эритроцит и приводящие к образованию аномальных эритроцитов в виде серпа. Так как "серповидные" эритроциты плохо проходят через капилляры тканей, они часто закупоривают сосуды и создают тем самым локальную гипоксию. Это повышает концентрацию дезоксигемоглобина S в эритроцитах, скорость образования агрегатов гемоглобина S и ещё большую деформацию эритроцитов. Нарушение доставки О 2 в ткани вызывает боли и даже некроз клеток в данной области. Высокая частота гена HbS среди жителей Африки (до 40% населения в некоторых районах) обусловлена тем, что гетерозиготы менее чувствительны к малярии, чем люди с нормальным гемоглобином A. Plasmodium falciparum - возбудитель малярии, облигатную часть своего жизненного цикла он проводит в эритроцитах. Так как эритроциты гетерозиготных по HbS людей имеют более короткий срок жизни, чем нормальные эритроциты, возбудитель малярии не успевает закончить необходимую стадию развития. Это создаёт избирательное преимущество для гетерозиготных по HbS людей в тех областях, где малярия вызывает гибель многих людей.

Гемоглобин М - вариант гемоглобина А, где в результате мутации в гене α- или β-цепи происходит замена гистидина на тирозин. В результате Fe 2+ окисляется в Fe 3+ и стабилизируется в этой форме. Гемоглобин, содержащий в геме Fe 3+ , называется метгемоглобином (отсюда и название - гемоглобин М). Вместо О 2 к Fe 3+ присоединяется Н 2 О. Обычно изменения затрагивают либо α-, либо β-цепи, в результате гемоглобин может переносить не более двух молекул О 2 . У гетерозиготных людей отмечают цианоз, связанный с нарушением транспорта О 2 , а гомозиготность по этому гену приводит к летальному исходу.

Количественные гемоглобинопатии - талассемии - наследственные заболевания, обусловленные отсутствием или снижением скорости синтеза α- или β-цепей гемоглобина. В результате несбалансированного образования глобиновых цепей образуются тетрамеры гемоглобина, состоящие из одинаковых протомеров. Это приводит к нарушению основной функции гемоглобина - транспорту кислорода к тканям. Нарушение эритропоэза и ускоренный гемолиз эритроцитов и клеток-предшественников при талассемиях приводит к анемии.

При β-талассемии не синтезируются β-цепи гемоглобина. Это вызывает образование нестабильных тетрамеров, содержащих только α-цепи. При этом заболевании в костном мозге из-за преципитации нестабильных α-цепей усиливается разрушение эритробластов, а ускорение разрушения эритроцитов в циркулирующей крови приводит к внутрисосудистому гемолизу. У больных β-талассемии наблюдается снижение концентрации HbА и увеличение HbF.

В случае α-талассемии недостаток образования α-глобиновых цепей приводит к нарушению образования HbF у плода. Избыточные γ-цепи образуют тетрамеры, называемые гемоглобином Барта (γ 4) . Этот гемоглобин при физиологических условиях имеет повышенное сродство к кислороду и не проявляет кооперативных взаимодействий между протомерами. В результате гемоглобин Барта не обеспечивает развивающийся плод необходимым количеством кислорода, что приводит к тяжёлой гипоксии. При α-талассемии отмечают высокий процент внутриутробной гибели плода. Выжившие новорождённые при переключении с γ- на β-ген синтезируют β-тетрамеры или НbН(β 4) , который, подобно гемоглобину Барта, имеет слишком высокое сродство к кислороду, менее стабилен, чем НbА и быстро разрушается. Это ведёт к развитию у больных тканевой гипоксии и к смерти вскоре после рождения.

Выявление аномальных гемоглобинов проводят с помощью электрофореза.

ТВОРЧЕСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ. Темы рефератов/презентаций: «Порфирии. Лабораторная диагностика», «Исследование типов гемоглобина при талассемии», «Врожденные нарушения синтеза гемоглобина, лабораторная биохимическая диагностика».

Лекция № 6. Биосинтез нуклеиновых кислот и белка .

План лекции:

1. Особенности строения нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

2. Краткая характеристика процессов репликации, транскрипции, трансляции.

1. Особенности строения нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК и РНК состоят из мономерных единиц - мононуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами.

Строение нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит 3 компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. В зависимости от числа имеющихся в молекуле остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты (НМФ), нуклеозиддифосфаты (НДФ), нуклеозидтрифосфаты (НТФ).

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые - аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые - цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). Пентозы в нуклеотидах представлены либо рибозой (в составе РНК), либо дезоксирибозой (в составе ДНК). Чтобы отличить номера атомов в пентозах от нумерации атомов в основаниях, запись производят с внешней стороны цикла и к цифре добавляют штрих (") - 1", 2", 3", 4" и 5". Пентозу соединяет с основанием N-гликозидная связь, образованная С 1 -атомом пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и N 1 -атомом пиримидина или N 9 -aтомом пурина.

Пуриновые и пиримидиновые основания.

В молекулы РНК входят аденин (А), урацил (U), гуанин (G) и цитозин (С), в ДНК - аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С).

Пуриновый и пиримидиновый нуклеотиды.

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Первичная структура ДНК - порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов в полинуклеотидной цепи.

Фрагмент цепи ДНК.

Каждая фосфатная группа в полинукпеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5"-конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3"- и 5"-углеродных атомов двух соседних дезоксирибоз, поэтому связь между мономерами обозначают 3", 5"-фосфодиэфирной . Концевые нуклеотиды ДНК различают по структуре: на 5"-конце находится фосфатная группа, а на 3"-конце цепи - свободная ОН-группа. Эти концы называют 5"- и 3"-концами. Линейная последовательность дезоксирибо-нуклеотидов в полимерной цепи ДНК обычно сокращённо записывают с помощью однобуквенного кода, например -A-G-C-T-T-A-C-A- от 5"- к 3"-концу.

Вторичная структура ДНК. В 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны , т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3"→5", то вторая - в направлении 5"→3". Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счёт водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи). Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности нуклеотидов второй цепи. Поэтому, согласно правилу Чаргаффа (Эрвин Чаргафф в 1951 г. установил закономерности в соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК), число пуриновых оснований (А + G) равно числу пиримидиновых оснований (Т + С).

Третичная структура ДНК (суперспирализация ДНК) . Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом. Компактизация и суперспирализация ДНК осуществляются с помощью разнообразных белков, взаимодействующих с определёнными последовательностями в структуре ДНК. Все связывающиеся с ДНК эукариотов белки можно разделить на 2 группы: гистоновые и негистоновые белки. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином. Гистоны - белки с молекулярной массой 11-21 кД, содержащие много остатков аргинина и лизина. Благодаря положительному заряду гистоны образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами.

Структура рибонуклеиновых кислот (РНК). Первичная структура РНК - порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов (НМФ) в полинуклеотидной цепи. Нуклеотиды связаны между собой 3",5"-фосфодиэфирными связями. Концы полинуклеотидных цепей РНК неодинаковы. На одном конце находится фосфорилированная ОН-группа 5"-углеродного атома, на другом конце - ОН-группа 3"-углеродного атома рибозы, поэтому концы называют 5"- и 3"-концами цепи РНК. Вторичная структура РНК. Молекула РНК построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли - "шпильки", за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C. Третичная структура РНК . Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путём взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. Так, возможно образование дополнительных водородных связей между нуклеотидными остатками, достаточно удалёнными друг от друга, или связей между ОН-группами остатков рибозы и основаниями. Основные типы РНК . В цитоплазме клеток присутствуют 3 типа РНК - транспортные РНК (тРНК), матричные (информационные) РНК (мРНК, иРНК) и рибосомальные РНК (рРНК).

Транспортные РНК (тРНК.) Пространственную структуру любых тРНК описывают универсальной моделью "клеверного листа". В каждой молекуле тРНК есть участки цепи, не участвующие в образовании водородных связей между нуклеотидными остатками. К ним, в частности, относят участок, ответственный за связывание с аминокислотой на 3"-конце молекулы и антикодон - специфический триплет нуклеотидов, взаимодействующий комплементарно с кодоном мРНК.

Рибосомальные РНК (рРНК). рРНК образуют комплексы с белками, которые называют рибосомами. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - малой (40S) и большой (60S). Субъединицы рибосом различаются не только набором рРНК, но и количеством и структурой белков.

Все типы РНК необходимы для синтеза белка: мРНК – содержит информацию о первичной структуре белка и служит матрицей для его синтеза, тРНК – транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка на рибосоме, рРНК – входит в состав рибосом.

2. Синтез ДНК – репликация.

Процесс удвоения ДНК называется репликацией . При репликации каждая цепь родительской двухцепочечной ДНК служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Вновь образованная двойная спираль имеет одну исходную (родительскую) и одну вновь синтезированную (дочернюю) цепь. Такой механизм удвоения ДНК получил название "полуконсервативная репликация». Репликацию можно разделить на 4 этапа: образование репликативной вилки (инициация), синтез новых цепей (элонгация), исключение праймеров, завершение синтеза двух дочерних цепей ДНК (терминация). После завершения репликации происходит метилирование нуклеотидных остатков вновь образованных цепей ДНК. Наличие метальных групп в цепях ДНК необходимо для формирования структуры хромосом, а также для регуляции транскрипции генов. Локализация ДНК: 1) ядро клетки; 2) митохондрии. Роль ДНК: 1) хранение генетической информации; 2) передача генетической информации; 3) матрица для синтеза м-РНК и других типов РНК, необходимых для синтеза белка. Механизмы репарации ДНК. Процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК, называют репарацией. Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК - двухцепочечная молекула, т.е. в клетке есть 2 копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается повреждённой (изменённой), информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена. Процесс репарации происходит в несколько этапов. На первом этапе выявляется нарушение комплементарности цепей ДНК. В ходе второго этапа некомплементарный нуклеотид или только основание устраняется, на третьем и четвёртом этапах идёт восстановление целостности цепи по принципу комплементарности.

3.Синтез РНК – транскрипция.

Транскрипция - первая стадия реализации генетической информации в клетке. В ходе процесса образуются молекулы РНК:

Схема реализации генетической информации в фенотипические признаки.

Реализацию потока информации в клетке можно представить схемой ДНК-"РНК-"белок. ДНК-"РНК обозначает биосинтез молекул РНК (транскрипцию); РНК-"белок означает биосинтез полипептидных цепей (трансляцию).

Транскрипция у эукариотов происходит в ядре. В основе механизма транскрипции лежит тот же структурный.принцип комплементарного спаривания оснований в молекуле РНК (G ≡ C, A=U и Т=А). ДНК служит только матрицей и в ходе транскрипции не изменяется. Рибонуклеозидтрифосфаты (ЦТФ, ГТФ, АТФ, УТФ) - субстраты и источники энергии, необходимые для протекания полимеразной реакции, образования 3",5"-фосфодиэфирной связи между рибонуклеозидмонофосфатами.

Синтез молекул РНК начинается в определённых последовательностях (сайтах) ДНК, которые называют промоторы, и завершается в терминирующих участках (сайты терминации) . Участок ДНК, ограниченный промотором и сайтом терминации, представляет собой единицу транскрипции - транскриптон. У эукариотов в состав транскриптона, как правило, входит один ген. В каждом транскриптоне присутствует неинформативная зона; она содержит специфические последовательности нуклеотидов, с которыми взаимодействуют регуляторные транскрипционные факторы.

В каждом транскриптоне транскрибируется только одна из двух цепей ДНК, которая называется матричной , вторая, комплементарная ей цепь, называется кодирующей. Синтез цепи РНК идёт от 5"- к З"-концу, при этом матричная цепь ДНК всегда антипараллельна синтезируемой нуклеиновой кислоте. Транскрипция может ускоряться и замедляться в зависимости от потребности клетки или организма в определённом белке. Биосинтез РНК осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами. В ядрах эукариотов обнаружены 3 специализированные РНК-полимеразы: РНК-полимераза I, синтезирующая пре-рРНК; РНК-полимераза II , ответственная за синтез пре-мРНК; РНК-полимераза III , синтезирующая пре-тРНК. Выделяют три стадии транскрипции:инициация, элонгация и терминация. Созревание (процессинг) мРНК . Модификации пре-мРНК начинаются на стадии элонгации. Когда длина первичного транскрипта достигает примерно 30 нуклеотидных остатков, происходит кэпирование его 5"-конца. Осуществляет кэпирование гуанилилтрансфераза. Фермент гидролизует макроэргическую связь в молекуле ГТФ и присоединяет нуклеотиддифосфатный остаток 5"-фосфатной группой к 5"-концу синтезированного фрагмента РНК с образованием 5", 5"-фосфодиэфирной связи. Последующее метилирование остатка гуанина в составе ГТФ с образованием N 7 -метилгуанозина завершает формирование кэпа. Модифицированный 5"-конец обеспечивает инициацию трансляции, удлиняет время жизни мРНК, защищая её от действия 5"-экзонуклеаз в цитоплазме. Кэпирование необходимо для инициации синтеза белка, так как инициирующие триплеты AUG, GUG распознаются рибосомой только если присутствует кэп. Наличие кэпа также необходимо для работы сложной ферментной системы, обеспечивающей удаление нитронов. Модификация 3"-конца. 3"-Конец большинства транскриптов, синтезированных РНК-полимеразой II, также подвергается модификации, при которой специальным ферментом полиА-полимеразой формируется полиА-последовательность (полиА-"хвост"), состоящая из 100-200 остатков адениловой кислоты. Наличие полиА-последовательности на 3"-конце облегчает выход мРНК из ядра и замедляет её гидролиз в цитоплазме. Сплайсинг первичных транскриптов мРНК . Последовательности нуклеотидов, присутствующие в ДНК, но не входящие в состав зрелой мРНК, были названы некодирующими, или интроны, а последовательности, присутствующие в мРНК, - кодирующими, или экзоны . Таким образом, первичный транскрипт - строго комплементарная матрице нуклеиновая кислота (пре-мРНК), содержащая как экзоны, так и интроны. Длина интронов варьирует от 80 до 1000 нуклеотидов. Последовательности интронов "вырезаются" из первичного транскрипта, концы экзонов соединяются друг с другом. Такую модификацию РНК называют "сплайсинг" (от англ, to splice - сращивать). Сплайсинг происходит в ядре, в цитоплазму поступает уже "зрелая" мРНК. Альтернативный сплайсинг первичных транскриптов мРНК. Для некоторых генов описаны альтернативные пути сплайсинга одного и того же транскрипта. Разные варианты сплайсинга могут приводить к образованию разных изоформ одного и того же белка.

Процессингу подвергаются также первичные транскрипты рРНК и тРНК.

Процессинг пре-тРНК включает сплайсинг, формирование акцепторного участка и антикодона, модификацию азотистых оснований. Процессинг пре-рРНК приводит к формированию молекул рРНК различной массы. В ядре рибосомальные РНК, образованные в ходе посттранскрипционных модификаций, связываются со специфическими белками, и образуются субъединицы рибосом: большая (60S) и малая (40S).рибосома. Субъединицы рибосом выходят из ядра в цитоплазму клетки. Рибосома - органелла клетки, участвующая в биосинтезе белка. Рибосома эукариотов (80S) состоит из двух, большой и малой, субъединиц: 60S и 40S. Белки рибосом выполняют структурную, регуляторную и каталитическую функции.

Биогенные амины. Как уже говорилось, биогенные амины синтезируются из тирозина, причём каждый этап синтеза контролирует специальный фермент

Витамины. В настоящее время большинство витаминов выделено в чистом виде или синтезировано, что позволяет применять их как лекарственные препараты

Из всех индивидуальных белков гемоглобин синтезируется в организме в наибольшем количестве.
В нормальных условиях гемоглобин синтезируется там, где образуются эритроциты, т. е. только в костном мозгу. Лишь при тяжелых анемических состояниях синтез совершается в печени, селезенке и лимфатических узлах - экстра медулярно.
Изучение синтеза гемоглобина и факторов, влияющих на синтез, - задача еще полностью не решенная. Изучение проводится путем наблюдения над синтезом гемоглобина при удалении из диеты экспериментального животного того или иного компонента. Но при этом остается невыясненным, оказывает ли влияние данный компонент на синтез гемоглобина или образование эритроцитов. Кроме того, в таком эксперименте не удается дифференцировать уменьшение синтеза от увеличенного распада. Все эти вопросы требуют окончательного разрешения.
Рассмотрим роль основных компонентов гемоглобина - железа, глобина и порфирина в синтезе гемоглобина.
Железо. Для сохранения нормального содержания гемоглобина в крови для взрослого человека необходимо введение с пищей ежесуточно в среднем 15-16 мг железа. Минимально допустимой величиной считается 5-6 мг. В нормальном пищевом рационе взрослого человека содержится от 10 до 30 мг железа, что, как правило, удовлетворяет указанную потребносгь. Следует отметить, что часть железа, поступающего с пищей, находится в связанной форме и плохо абсорбируется.
Непосредственно для синтеза гемоглобина используется лишь ничтожная часть железа из пищи, остаток поступает в печень и селезенку.
В организме взрослого человека за сутки распадается около 8 г гемоглобина. Это соответствует освобождению 26 мг железа. Однако из этого количества экскретируется за сутки лишь приблизительно 0,9 мг. Остальное количество железа, освободившееся при распаде гемоглобина, вновь используется для его синтеза. Ежесуточная потеря 0,9 мг восполняется за счет железа пищи. Количество железа, абсорбируемого из желудочно-кишечного тракта, зависит от количества запасного железа в организме. Большая часть железа абсорбируется из тонких кишок, некоторое количество из желудка и двенадцатиперстной кишки. Интересно, что наличие или отсутствие запасов железа в органах влияет на его абсорбцию в большей мере, чем наличие или отсутствие анемии.
Основная масса железа сохраняется в органах - депо (печень, селезенка) в виде ферритина. Ферритин - это комплекс железа с белком, апоферритином. Образование этого комплекса предотвращает возможность накопления железа в плазме выше нормального уровня (100 у%)- Все излишнее количество будет связываться с белком - апоферритином и откладываться в запас (довольно лабильный, тонко регулируемый). Слизистая желудочно-кишечного тракта обладает специальным механизмом для регуляции уровня железа, поступление которого в клетку регулируется уровнем ферритина. Насыщение слизистой железом сопровождается накоплением ферритина. Содержание железа в апоферритине может доходить до 23%. По достижении этого уровня насыщения (предел емкости апоферритина) железо в кишечнике не абсорбируется, наступает так называемый мукозальный блок и часть железа переходит в плазму крови. Только после того, как количество ферритина в клетках слизистой снизится благодаря отдаче железа в кровь, наступает новая абсорбция железа. По-видимому, образование ферритина является фактором, лимитирующим абсорбцию железа.
Транспорт железа в крови обусловлен наличием в плазме белка сидерофиллина (типа в-глобулина), на который осуществляется перенос железа с апоферритина и дальнейший перенос его в костный мозг. Нет достаточно достоверных данных, свидетельствующих о том, что абсорбция больших доз железа, вводимых человеку, регулируется таким же образом. Когда емкость апоферритина исчерпана, а железо продолжает поступать в организм, оно соединяется с другим белком, емкость которого по отношению к железу выше (55%). Это соединение носит название гемосидерина.
Введение больших доз железа в течение длительного времени, как это имеет место при лечении гипохромных анемий, не является безвредным ввиду опасности цирроза печени в результате отложения железа. Необходимо все же признать, что условия, при которых железо высвобождается из органов депо для синтеза гемоглобина, и те превращения, которым оно подвергается перед своим внедрением в порфириновое кольцо в эритроцитах костного мозга, в настоящее время не могут считаться окончательно выясненными.
Глобин сохраняется и вновь используется (как и железо), но не как готовый белок, а после предварительного разрушения. В построении глобина принимают участие как тканевые, так и плазменные белки. При сочетании в организме недостаточности гемоглобина с общей белковой недостаточностью синтезируется прежде всего гемоглобин. Опыты показали, что на 4 г глобина синтезируется 1 г плазменных белков. При внутривенном введении плазменных белков при наличии достаточного количества железа в нормальном организме синтезируется гемоглобин. Вообще метаболизм глобина теснейшим образом связан с обменом белка в организме.
Что касается роли аминокислот, то в синтезе гемоглобина наибольшее значение принадлежит глутаминовой кислоте и аргинину. Отсутствие в пищевом рационе аргинина приводит к нарушению синтеза глобина. Глутамяновая кислота входит в состав птероил-глутаминовой кислоты, которая является важным фактором, стимулирующим синтез эритроцитов. Что касается роли других аминокислот в синтезе глобина, то она не отличается от их роли в синтезе остальных белков.
В синтезе гемоглобина большую роль играют некоторые металлы и прежде всего медь. Известно, что для нормального синтеза гемоглобина у крыс требуется 0,01 мг меди. Медь не участвует в синтезе, но без нее не происходит внедрения железа в порфирин; она катализирует этот процесс. Полное отсутствие меди в диете приводит к анемии.
Кроме того, для нормального синтеза гемоглобина требуется наличие кобальта. Максимальное его содержание имеется в витамине B12 (4,5%). До сих пор еще точно не установлено, влияет ли кобальт на синтез гемоглобина или на созревание эритроцитов. Большинство исследователей является сторонниками последнего мнения.
Молекула витамина B12 представляет собой большую кольцевую структуру, состоящую из четырех пирролиновых колец. В этом отношении она несколько напоминает структуру гемоглобина.
Мукопротеин желудочного сока, по всей вероятности, извлекает витамин B12, поступающий с пищей, и в сочетании с ним образует пептидный комплекс, легко адсорбируемый в кишечнике. В таком связанном состоянии витамин B12 не захватывается теми кишечными микроорганизмами, для которых он является существенным метаболитом, и легко всасывается в кишечнике. Из кишечника он поступает в печень, где откладывается и откуда по мере надобности переходит в костный мозг, регулируя как фактор роста гемопоэз.
B12 играет также важную роль в обмене аминокислот - метионина и тирозина и в использовании белка у млекопитающих.
При злокачественном малокровии у больных не образуется гастромукопротеина и не происходит связывания B12 в пептидный комплекс. «Незащищенный» витамин B12 или поглощается микроорганизмами кишечника, или вовсе не используется макроорганизмом. В кале у больных с анемией Бирмера появляется большое количество витамина B12, и этот тип анемии можно рассматривать как авитаминоз B12.
При введении витамина B12 парентерально или лучше внутримышечно увеличение количества эритроцитов наступает через 15 дней. Ни одно из антианемических средств не вызывает такого нарастания гемоглобина и эритроцитов, как витамин B12. Кроме витамина B12, для синтеза гемоглобина немалое значение принадлежит ряду витаминов группы В: рибофлавину (В2), пиридоксину (В6), никотиновой кислоте (фактор Р-Р).
Что касается механизма действия витамина В2 и В6, то они, являясь коэнзимами ряда ферментативных процессов (переаминирования, окислительно-восстановительных процессов), необходимы для нормального протекания окислительно-восстановительных процессов в клетках костного мозга, причем энергия этих процессов идет на обеспечение созревания эритроцитов. Влияние, оказываемое этими витаминами на жизнедеятельность и тканевое дыхание клеток костного мозга, косвенно отражается и на синтезе гемоглобина.
Витамин С также влияет на синтез гемоглобина. При отсутствии витамина С железо не переносится из депо в костный мозг и, таким образом, затрудняется его внедрение в порфириновое кольцо. Было показано, что перенос железа осуществляется в виде соли аскорбиновой кислоты - аскорбината железа.
Относительно витамина D известно, что он улучшает абсорбцию железа из крови.
Что касается малоидентифицированных веществ, оказывающих влияние на гемопоэз, без того чтобы их можно было дифференцировать как индивидуальные химические соединения, то к ним относятся «антианемические вещества», содержащиеся в печеночных экстрактах. Не совсем ясно, что собой представляет «фактор печени». Известно лишь, что печеночные экстракты как антианемические вещества являются гораздо более активными, нежели любое из названных веществ.
Очень интересным соединением является фолиевая кислота. Это, собственно говоря, целый класс веществ, главным составным компонентом которого является птероилглутаминовая кислота. Нельзя сказать, что фолиевая кислота идентична «фактору печени», который по существу представляет собой группу веществ, входящих в состав экстракта из печени. Эта группа веществ пока не дифференцирована. Известно, что часть этих веществ являются порфиринами.
Количество гемоглобина в организме связано с условиями онтогенеза. У новорожденного оно достигает 21 г%, на протяжении первого года жизни резко падает, затем начинается медленный рост и к 11 годам количество гемоглобина достигает 11-12 г%. После наступления половой зрелости у девочек рост гемоглобина идет медленнее, чем у юношей. У женщин содержание гемоглобина достигает 14,5 г%, у мужчин - 16г%. В процессе онтогенеза изменяется не только количественное содержание гемоглобина, но и его качественная характеристика. Гемоглобин плода и взрослого организма отличается качественно по кривой диссоциации, устойчивостью по отношению к денатурации, скоростью реакции трансгемирования и т. д. В процессе онтогенеза процентное содержание «фетального» гемоглобина падает.
Но и в крови взрослого может содержаться небольшой процент «фетального» гемоглобина. В последнее время открывают все новые «сорта» гемоглобина. Они различаются по своей белковой компоненте, которая характеризуется по электрофоретической подвижности, устойчивости к денатурации. Они появляются при некоторых видах анемии. Тонкие изменения структуры гемоглобина находят отражение и в морфологической картине самого эритроцита. Так, например, известны «серповодные» эритроциты, которые являются носителями особым образом видоизмененного гемоглобина, характеризующегося тонкими нарушениями его белковой структуры в результате патологии синтеза белка в организме.
Очевидно синтез гемоглобина тесным образом связан с его распадом. Известно, что синтез гемоглобина повышается при инъекции билирубина. Отсюда следует, что при патологических состояниях с повышением распада гемоглобина, понижением его устойчивости, гемолизе эритроцитов и т. д. компенсаторное повышение его синтеза происходит благодаря стимулирующему воздействию продуктов распада.
В последнее время в плазме животных и человека при анемии обнаружен особый фактор, стимулирующий образование эритроцитов и гемоглобина и названный эритропоэтином. Он был найден и в нормальной плазме. Его наличие убедительно доказано в опытах на крысах, кроликах и людях, страдающих анемией, хотя до настоящего времени он не идентифицирован как индивидуальное химическое соединение (Якобсон, Гольдвассер, Гурней, Фрид и Плцак).
Возможно, что трансгемирование, т. е. наблюдавшийся нами процесс переноса гема с глобина на другой белок, представляет собой явление, широко распространенное и в организме. Гем входит в состав ряда дыхательных ферментов.
А. М. Чарный высказал предположение, что в печени синтезируется только протогем, который может давать различные комплексы в зависимости от наличия того или иного специфического белка: протогем + глобин дает гемоглобин, протогем + специфический белок образует миоглобин, протогем + другой специфический белок дает образование каталазы.
Указанные соединения различаются только по структуре белковой молекулы, синтез которой тонко регулируется в организме в зависимости от конкретных условий, создающихся в каждый данный момент.
Гемоглобин принадлежит к числу белков с особо важной специфической функцией. Благодаря его способности обратимо присоединять кислород, он обеспечивает снабжение организма кислородом. Гемоглобин является белком, преобладающим и по своему количеству.
Принимая во внимание, что любые патологические изменения в организме неизбежно связаны с нарушениями его кислородного снабжения, изучение изменений структуры гемоглобина является очень важным при различных патологических состояниях.
При разрушении гемоглобина порфириновое кольцо не является строительным материалом для синтеза новой молекулы гемоглобина. Этот компонент выделяется в виде уробилина и других желчных пигментов и не используется для ресинтеза гемоглобина. Порфирины пищи также не идут на построение гемоглобина. При искусственном введении гематина, гема или при поступлении их с пищей они также не используются для построения гемоглобина. Из введенного в организм большого количества гемина утилизируется только железо гема, но не порфириновое кольцо. Элементы распада гемоглобина крови также не используются для синтеза нового гемоглобина, кроме небольших количеств железа и глобино-вого компонента, который после переваривания является исходным материалом для образования аминокислот, идущих на синтез белка. Около 10% по весу вводимого гемоглобина используется после предварительного разрушения до аминокислот для синтеза новых белков. Очевидно, организм синтезирует порфирин в количестве, совершенно достаточном для ресинтеза гемоглобина. Неизвестны такие патологические состояния, при которых синтез гемоглобина нарушался бы по причине отсутствия или недостаточности порфиринов. Это позволяет сделать вывод, что организм обладает неограниченными возможностями в отношении синтеза порфиринов.
Благодаря недавним работам многих исследователей, проведенных главным образом с помощью метода меченых атомов, в настоящее время вопрос о путях синтеза порфиринов в животном организме можно считать решенным.
Выяснилось, что основные элементы, из которых синтезируются порфирины, принадлежат к промежуточным продуктам углеводного обмена, возникающим в реакциях цикла трикарбоновых кислот. Из них наиболее существенным компонентом является янтарная кислота, которая вступает во взаимодействие с глицерином. Вслед за первым этапом, заканчивающимся возникновением у-аминолевулиновой кислоты, происходит конденсация двух ее молей с образованием порфобилиногена. Четыре моля порфобилиногена конденсируются в уропорфирин III с последующим превращением его в протопорфирин IX. При этом в белковых группах в-заместителей происходит замена пропионовокислых остатков на метальные, а остатков уксусной кислоты - на винильные группы.
Выяснилось, что янтарная кислота, прошедшая цикл Кребса, является источником 26 углеродных атомов ферропорфирина, а для остальных 8 атомов используются углеродные атомы глицерина в а-положении (Г. В. Пронякова).
Один из простейших порфиринов, в молекуле которого 8 атомов водорода пиррольных колец замещены в в-положении 4 этильными и 4 метальными группами, называется этиопорфирином. Это искусственно синтезированный продукт, не встречающийся в организме. Возможны 4 его изомера, которые образуются в соответствии с возможными комбинациями в расположении этильных и метальных групп. Этиопорфирин используется как стандарт при идентификации различных видов порфиринов. Все обнаруженные в растительном и животном мире порфирины соответствуют I и III типам этиопорфирина.
При замещении в протопорфирине двух винильных групп на пропионовые образуется копропорфирин, названный так потому, что он впервые был обнаружен в кале. Порфирин с 8 карбоксильными группами, из которых 4 приходятся на долю остатков пропионовой и 4 берутся из остатков уксусной кислоты, известен под названием уропорфирина (впервые обнаружен в моче). В организме человека возможно наличие двух типов изомеров - копро- и уропорфирина (I и III).
Взаимоотношения между различными порфиринами и пути их превращения в животном организме представляют сложную и недостаточно изученную область исследования. Проблема порфиринемий и порфиринурий является наименее разработанной областью патологической физиологии, как и взаимозависимость между так называемыми свободными порфиринами и гемам в качестве важнейшего металлопорфирина.
Порфирины крови. В нормальных эритроцитах содержится от 2 до 20 у порфиринов на 100 мл эритроцитов. Установлено, что это протопорфирин. Особенно богаты протопорфирином ретикулоииты, но еще богаче им не идентичные с ретикулоцитами «флуоресциты», количество которых составляет 0,1% общего числа эритроцитов. В мегалобластах и эритробластах содержится большое количество порфирина.
В сыворотке наличие порфиринов считают несомненным фактом, хотя количественное их определение представляет большие трудности. Полагают, что порфирином сыворотки является копропорфирин. При ряде патологических состояний и при патологической порфирии удавалось обнаружить в плазме копропорфирин в сопровождении уропорфирина, а при свинцовой интоксикации также копропорфирин.
Порфирины в органах и тканях. В клетках эмбриона и у новорожденных детей имеются небольшие количества уропорфирина. В печени барана обнаружен протопорфирин. У крыс и мышей во второй половине беременности по краю плаценты идентифицирован протопорфирин. Он был экстрагирован из пигментных пятен скорлупы яиц. Установлено большое количество порфирина в гардеровской железе у грызунов. Полагают, что он является у них истинным резервом для образования гемоглобина. Копропорфирин и уропорфирин III (в виде комплексов с металлом) обнаружены в перьях птиц. У человека копропорфирин III был найден в органах, моче, желчи только при патологических состояниях. Фишер обнаружил значительные отложения порфиринов в различных органах и тканях больных. Клювер в белом веществе мозга нашел копропорфирин типа I.
Копропорфирин был им найден у 33 видов животных, птиц, а также у человека. Флуоресценция, типичная для порфиринов, отмечалась у людей при исследовании зубов, слюны, отверстий сальных желез и женских половых органов, по-видимому, как продукт жизнедеятельности бактерий. В мышцах появление порфиринов наблюдалось при процессах аутолиза.
В свое время Граник и Гильдер указали, что некоторые порфирины могут тормозить рост бактерий. В связи с этим, а также с данными Клювера о присутствии порфиринов в белом веществе головного мозга, где нет главного фермента цитохромной системы - цитохрома С, высказывались предположения о том, что различные порфирины могут либо выполнять функцию окислительно-восстановительных ферментов, либо влиять на процессы тканевого дыхания, стимулируя или угнетая его. Н. Н. Лаптева прямыми опытами с прото- и копропорфирином показала, что последние не влияют на потребление кислорода тканевыми срезами и кашицами.
Экскреция порфиринов. Порфирины выделяются мочой, калом и желчью. В нормальной моче копропорфирин встречается в сопровождении следов уропорфирина, протопорфирин же не был обнаружен. В патологических условиях в моче может содержаться большое количество копропорфирина.
На выделение порфиринов оказывает влияние пищевой режим, главным образом мясная пища. Жиры повышают суточное количество порфиринов в 2-3 раза. Употребление пива (2-3 стакана) приводит к увеличению суточного выделения порфиринов в 2-3 раза.
Суточное выделение порфиринов, по данным последних исследований (Ю. К. Смирнов), составляет от 40 до 60 у. С калом выделяется значительно больше - от 150 до 400 у за сутки. Природа порфиринов кала не всегда точно устанавливалась. Пищевой режим сильно влияет на количество и характер порфиринов, выделяемых с калом.
Порфирины в жидкостях организма в нормальных условиях образуются и выделяются в чрезвычайно малых количествах. Отмечается резко выраженное несоответствие между количеством распавшегося за сутки гемоглобина и ничтожно малым выделением порфиринов. А. М. Чарным предложена классификация порфиринурий и порфиринемий, позволяющая рассматривать их с точки зрения нарушения порфиринового обмена.
Порфиринемия и порфиринурия - это симптомы, встречающиеся при ряде заболеваний как известной, так и неизвестной этиологии и свидетельствующие о нарушении порфиринового обмена в организме. Такое нарушение порфиринового обмена может быть названо порфирией.
На основе этой классификации различают порфирии известной этиологии (интоксикация свинцом, ртутью, и др.) и порфирии, этиология которых неизвестна. Синдром, возникающий при глубоком нарушении метаболизма порфиринов, имеющий место при различных интоксикациях, будет носить название токсической порфирии. Расстройства порфиринового обмена при различных заболеваниях крови, легких, печени и др. могут быть названы функциональными порфириями. Наконец, очень редкое заболевание с хроническим течением, длительным латентным периодом, которое протекает с кожными, брюшными и нервными симптомами, может быть отнесено к идиопатическим порфириям.
В литературе порфирия рассматривается как сложная патология, в основе которой лежит нарушение конституциональных и наследственных факторов. Этот термин применяется только с нозологической единицей sui generis, являющейся чрезвычайно редким заболеванием.
Порфиринурию принято считать симптомом при ряде заболеваний как известной, так и неизвестной этиологии. В связи с тем, что в основе патологии, при которой проявляются как симптомы порфиринемии, так и порфиринурия, лежит глубокое нарушение порфиринового обмена, такое подразделение надо считать необоснованным. Более рационально объединить все виды нарушения порфиринового обмена под общим названием порфирии, среди которых различаются токсические, функциональные и идиопатические. Наиболее ярким примером токсической порфирии является отравление свинцом, при котором отмечается массивная порфиринурия с порфиринемией. Суточное выделение порфирина с мочой достигает 3,8 мг. К токсическим порфириям приводит также отравление мышьяком, ртутью, нитротолуолом, светильным газом, окислами азота, четыреххлористым углеродом. Механизм токсических порфирии пока не известен. Можно с уверенностью сказать, что предположение о связи порфириногенеза при этой патологии с процессом синтеза и катаболизма гемоглобина мало обосновано.
К токсическим порфириям могут быть отнесены также порфирии, возникающие после приема ряда лекарственных веществ. Известна порфиринурия после приема трионала, сульфонала, при сальварсанотерапии.
Все токсические порфирии характеризуются экскрецией С мочой и калом копропорфирина III. Происхождение больших количеств порфиринов в моче, кале и желчи при интоксикациях пока не известно, так как природа патологических порфиринурий и порфиринемии изучалась мало и недостаточно тщательно.
К функциональным порфириям относится нарушение метаболизма порфиринов при различных заболеваниях крови, печени, при авитаминозах, пневмониях, абсцессе легких, туберкулезе, лихорадочных состояниях.
К идиопатическим порфириям относится редкое, хронически прогрессирующее заболевание с периодическим обострением и большим полиморфизмом симптомов.
В клинике различают 4 группы идиоматических порфирии: врожденную (у грудных детей), кожную (у взрослых) с доминирующим симптомом светочувствительности, острую (с абдоминальным и нервным симптомами) и латентную, протекающую длительно, бессимптомно, при высокой экскреции порфиринов. Место и механизм образования порфиринов при идиопатической порфирии остается невыясненным. Ряд исследований, поставленных в лаборатории патофизиологии ЦИУ, с изучением порфиринурий при сатурнизме, облучении ультрафиолетовыми лучами, при воздействии алкоголя, наркотических средств, голодания (Ю. К. Смирнов) позволяет утверждать, что порфиринурия и порфиринемия являются симптомами нарушения порфиринового обмена. Последний является самостоятельным видом обмена веществ и не находится в какой-либо генетической связи с синтезом гемоглобина. Данные изучения порфириногенеза и характер экскре-тируемых порфиринов, полученные методом меченых атомов, показали, что образование и распад гемоглобина, а также образование и экскреция порфириноз являются параллельно идущими процессами, генетически не связанными. На основе этих исследований самостоятельность порфиринового обмена не подлежит сомнению.
На основании данных, полученных Ю. К. Смирновым, при ряде патологических процессов, протекающих с порфиринурией, имеются серьезные нарушения в центральной нервной системе. Если учесть, что в белом веществу головного и спинного мозга различных животных содержится копропорфирин и что в этих областях нервной системы отсутствует или содержится в незначительном количестве цитохром С, то представляется весьма вероятным, что порфирины могут рассматриваться как окислительно-восстановительные системы, заменяющие цитохром С и цитохромоксидазу в тех участках нервной системы, где таковые отсутствуют (А. М. Чарный). В исследованиях, проведенных в той же лаборатории, показано, что порфирин, возможно, является хорошим акцептором и донатором водорода (Эльпинер, Л. А. Блюменфельд и С. Э. Красовицкая). Таким образом, можно полагать, что порфириновый обмен теснейшим образом связан с физико-химическими процессами, протекающими в нервной ткани. Порфиринемия и порфиринурия являются ранними симптомами нарушений, имеющих место в нервной системе, главным образом в ее проводящем отделе.

2.7. Обмен нуклеопротеинов

Распад НК. Под влиянием ферментов желудка, частично соляной кислоты, нуклеопротеины пищи распадаются на полипептиды и НК. Распад НК происходит в тонкой кишке гидролитическим путем под действием нуклеаз панкреатического сока. Они принадлежат к фосфодиэстеразам. Существуют эндонуклеазы и экзонуклеазы, рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы. Продуктами гидролиза являются мононуклеотиды и олигонуклеотиды. Нуклеазы расщепляют молекулы НК и в тканях.

Распад нуклеозидфосфатов. Первая ступень - отщепление остатка фосфорной кислоты. На второй ступени происходит перенос остаткарибозы от нуклеозида на фосфорную кислоту. Эта реакция ускоряется рибозилтрансферазами .

Ф-У-А  Ф + У-А; У-А + Ф  У-Ф + А

Распад пуриновых оснований начинается с дезаминирования тех из них, которые обладают аминогруппами. Участвуют специфические аминогидролазы.

Аденин  гипоксантин; гуанин  ксантин

Гипоксантин и ксантин окисляются в мочевую кислоту, фермент – ксантиноксидаза.

Образование мочевой кислоты происходит главным образом в печени. Это основной продукт катаболизма пуриновых нуклеотидов у человека. В организме ее в сутки образуется 0,5-1 г, выводится она через почки. Хроническое повышение концентрации мочевой кислоты (гиперурикемия ) часто приводит к развитию подагры . Подагрический криз связан с отложением кристаллов урата натрия в суставе. Гиперурикемия обычно имеет наследственный характер.

Распад пиримидиновых оснований также начинается с дезаминирования. Дезаминированные пиримидиновые основания подвергаются восстановлению. Карбаминовая кислота и -аланин - конечные продукты распада У и Ц. Из Т вместо -аланина образуется -аминоизомасляная кислота.

…

Синтез пиримидиновых нуклеотидов у, ц, т

Из СО 2 , глн, асп синтезируется уридинмонофосфорная кислота . Она служит предшественником цитидиловых и тимидиловых пиримидиновых нуклеотидов.

Первая реакция - образование карбамоилфосфата при действии карбамоилфосфатсинтетазы II (глутаматзависимой, содержится в цитозоле).

СО 2 + Глутамин + 2 АТФ + Н 2 О  Н 2 N  СО  ОРО 3 Н 2 + 2 АДФ + Н 3 РО 4 .

Затем карбамоилфосфат реагирует с аспартатом. В результате ряда реакций образуется уридиловая килота.

Оротацидурия - выделение с мочой больших количеств оротовой кислоты. Известна наследственная оротацидурия, при которой выделяется до 1,5 г оротовой кислоты в сутки, в 1000 раз больше, чем в норме. Болезнь связана с недостаточностью фермента, катализирующего реакции образования и декарбоксилирования оротидиловой кислоты. Наследственная оротацидурия приводит к развитию необратимого резкого отставания умственного и физического развития; обычно больные погибают в первые годы жизни. Оротовая кислота не токсична; нарушения развития являются следствием «пиримидинового голода». Поэтому для лечения этой болезни применяют уридин.

Восстановления – донор водорода - белок тиоредоксин , содержащий SH-группы;

Аминирования - источником аминогруппы служит глн;

- метилирования источникметильной группы - метилен Н 4 -фолат.

При взаимодействии с АТФ синтезируются свободные пиримидиновые нуклеозидтрифосфаты.