Основы биохимии Том 3 - А. Ленинджер 1985
Некоторые аспекты биохимии человека
Пищеварение, транспорт питательных веществ и взаимосвязь обменных процессов
Краткое содержание главы
Крахмал и другие полисахариды частично гидролизуются амилазой слюны в ротовой полости. Переваривание полисахаридов и дисахаридов завершается в тонком кишечнике под действием амилазы поджелудочной железы, а также лактазы, сахаразы и мальтазы, секретируемых эпителиальными клетками кишечника. Белки перевариваются в результате последовательного действия сначала пепсина в кислой среде желудка, а затем трипсина и химотрипсина в тонком кишечнике при pH от 7 до 8. Далее короткие пептиды гидролизуются до аминокислот под действием карбоксипептидазы и аминопептидазы. Триацилглицеролы перевариваются липазой поджелудочной железы, превращаясь в 2-моноацилглицеролы и свободные жирные кислоты, которые эмульгируются при помощи желчных кислот и всасываются. Пепсин, трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза и липаза секретируются в желудочно-кишечный тракт в виде неактивных зимогенов.
Центром, регулирующим распределение и превращение питательных веществ, служит печень. Глюкозо-6-фосфат - ключевой промежуточный продукт обмена углеводов-может превращаться в печени в гликоген, в глюкозу крови или через ацетил-СоА в жирные кислоты. Он может также подвергаться распаду либо в ходе гликолиза и цикла лимонной кислоты с накоплением энергии АТР, либо в ходе пентозофосфатного цикла с образованием пентоз и NADPH. Аминокислоты либо используются для синтеза белков печени и плазмы, либо превращаются в глюкозу и гликоген в процессе глюконеогенеза. Аммиак, образующийся при дезаминировании аминокислот, включается в состав мочевины в ходе цикла мочевины. Жирные кислоты превращаются в печени в триацилглицеролы, холестерол и липопротеины плазмы; последние обеспечивают транспорт и накопление липидов в жировой ткани. Кроме того, жирные кислоты в печени могут подвергаться окислению, что приводит к запасанию энергии в виде АТР и к образованию кетоновых тел, доставляемых кровью в другие ткани.
Метаболизм скелетных мышц специализирован на выработке АТР, необходимого для их сокращения и расслабления. При интенсивной мышечной нагрузке основным топливом служит гликоген, который превращается в лактат. В период отдыха лактат превращается снова в гликоген печени и глюкозу. Мозг использует в качестве топлива только глюкозу и ß-гидроксибутират, причем последний играет важную роль при голодании. Большая часть энергии АТР в мозгу расходуется на активный транспорт ионов Na+ и К+ и на поддержание потенциала действия мембран нервных клеток.
Эритроциты участвуют в транспорте как кислорода, так и СО2 между легкими и периферическими тканями. Захвату кислорода в легких и его высвобождению в тканях способствуют относительно высокое значение pH в легких и более низкое его значение в тканях, а также сигмоидная форма зависимости между парциальным давлением О2 и процентом насыщения гемоглобина кислородом. Перенос СО2 эритроцитами сопряжен с транспортом кислорода через компенсаторные сдвиги в содержании ионов Н+ и Сl-.
Биохимические анализы широко используются при диагностике и наблюдении за ходом лечения многих заболеваний, в частности сахарного диабета; последний сопровождается характерными для него изменениями содержания глюкозы, мочевины и кетоновых тел в крови, а также pH крови.
ЛИТЕРАТУРА
Книги
Montgomery R., Dryer R. L., Conway Т. W, Spector A. A. Biochemistry: A Case-Oriented Approach, 3d ed., Mosby, St. Louis, 1980. Биохимия человека в норме и патологии: изложение опирается на данные отдельных историй болезни.
White A., Handler Р., Smith Е. L., Hill R. L., Lehman I. R. Principles of Biochemistry, 6th ed., McGraw-Hill, New York, 1978. Приводится много полезных сведений об обмене веществ в отдельных органах, о составе крови и мочи и об их изменениях в норме и патологии.
Статьи
Axelrod J. Neurotransmitters, Sci. Am., 230, 58-71, June (1974).
Davenport H. W. Why the Stomach Does Not Digest Itself. Sci. Am., 226, 86-93, January (1972).
Kappas A., Alvares A.P. How the Liver Metabolizes Foreign Substances, Sci. Am., 232, 22-31, June (1975).
Keynes R. D. Ion Channels in the Nerve-Cell Membrane, Sci. Am., 240, 126-135, March (1979).
Notkins A. L. The Causes of Diabetes, Sci. Am., 241, 62-73, November (1979).
Perutz M.F. Hemoglobin Structure and Respiratory Transport, Sci. Am., 239, 92-125, December (1978).
Вопросы и задачи
1. Образование желудочного сока. Желудочный сок (pH 1,5) образуется в результате накачивания протонов из плазмы крови (pH 7,4) в желудок. Рассчитайте количество свободной энергии, необходимое для создания требуемой концентрации ионов Н+ в 1 л желудочного сока. Сколько молей АТР должно быть гидролизовано в клетках для получения такого количества свободной энергии? Напомним, что величина ∆Gp гидролиза АТР в существующих в клетке условиях составляет приблизительно — 7 ккал/моль.
2. Нейтрализация желудочного сока. Оптимум действия ферментов, расщепляющих белки в тонком кишечнике (трипсина, химотрипсина и карбоксипептидазы), лежит в пределах pH от 7 до 8. Однако субстраты этих ферментов поступают из желудка вместе с желудочным соком, имеющим pH 1,5-2,5. Каким образом величина pH желудочного сока доводится до значений, оптимальных для действия ферментов тонкого кишечника?
3. Перевариваемость казеина и кератина, ß- Казеин (мол. масса 23 600) крупного рогатого скота - один из белков коровьего молока - не содержит остатков цистеина и цистина. Кроме того, четвертичная структура этого белка слабо выражена: его нативная конформация напоминает беспорядочный клубок. В отличие от этого а-кератины (белки, содержащиеся в волосах, шерсти, ногтях и т. д.) очень богаты остатками цистеина и цистина. К тому же эти белки обладают высокоупорядоченной вторичной и третичной структурами. Объясните, каким образом свойства этих двух групп белков отражаются на их перевариваемости. Почему, в частности, молоко, выпиваемое котенком, служит для него прекрасным источником аминокислот, тогда как его собственный мех не переваривается (“волосяные пробки” могут даже закупорить кишечник).
4. Защита главных клеток от переваривания пепсином. Для того чтобы предшественник пепсина пепсиноген превратился в активный фермент, от его N-конца должен отщепиться фрагмент, содержащий 42 аминокислотных остатка. Процесс активации катализируется обычно самим пепсином, хотя при pH ниже 5 пепсиноген обладает слабой каталитической активностью. Кроме того, отщепляемый при активации фрагмент при pH выше 2 прочно связывается с активным центром пепсина, а при pH ниже 2-слабо.
а) Что инициирует активацию пепсиногена в желудке?
б) Как связаны описанные выше свойства пепсина и пепсиногена с защитой клеток слизистой кишечника от самопереваривания?
5. Судьба пищеварительных ферментов. При переваривании богатой белками пищи из поджелудочной железы в желудочно-кишечный тракт выделяется большое количество трипсина, химотрипсина и карбоксипептидазы. Хотя преждевременное высвобождение этих ферментов в активной форме в самой поджелудочной железе может вызвать ее тяжелое повреждение, однако эпителиальные клетки тонкого кишечника не страдают в процессе переваривания богатой белками пищи от действия указанных ферментов. Более того, при анализе содержимого нижних отделов тонкого кишечника во время пищеварения выявляются только следы этих ферментов, а активный пепсин не обнаруживается вовсе. Попытайтесь объяснить эти факты.
6. Эффективность карбоксипептидаз. Выделяемые поджелудочной железой карбоксипептидазы более эффективно гидролизуют белки на завершающих этапах пищеварения, чем на начальных. Объясните, почему.
7. Непереносимость молока у выходцев с Востока и у негров. У взрослых негров и у выходцев с Востока в результате употребления в пищу молока часто наблюдаются вздутие живота, спазмы, боли и понос. Эти симптомы возникают через 1-4 ч после потребления всего лишь одного стакана молока (натурального или порошкового). Каким компонентом молока обусловлены эти симптомы? Каким образом этот компонент вызывает появление указанных симптомов?
8. Причины стеаторреи. Клинические симптомы стеаторреи, характеризующейся избытком липидов в кале, обусловлены либо недостаточной секрецией желчных кислот, либо отсутствием секрета поджелудочной железы. Почему эти причины приводят к появлению липидов в кале? Как, исходя из данных анализа кала, можно различить, какая из этих двух причин лежит в основе заболевания? Объясните.
9. Аланин и глутамин в крови. В плазме крови содержатся все аминокислоты, необходимые для синтеза белков в организме, но в разных количествах. При этом концентрации двух аминокислот, а именно аланина и глутамина намного выше, чем остальных. Объясните возможные причины высокого содержания этих двух аминокислот.
10. Действие уабаина на почечную ткань. Уабаин - токсичный гликозид, избирательно подавляющий активность Na+, К+ - АТРазы в животных тканях и не влияющий на активность других известных ферментов. Однако по мере добавления уабаина в возрастающих концентрациях к тонким срезам почечной ткани наблюдается нарастающее торможение потребления кислорода вплоть до 66%. Объясните причину этого явления. Какой вывод можно сделать относительно использования энергии дыхания в почечной ткани?
11. Необходим ли гликолиз для сокращения скелетной мышцы? Алкилирующий агент иодацетат (ІСН2СОО-) является мощным ингибитором глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы, поскольку он связывается с необходимыми для катализа SH-группами. Если полоски скелетной мышцы обработать смесью иодацетата калия и антимицина А (гл. 17), то мышца сохраняет способность к сокращению в ответ на повторную электростимуляцию, но лактат в ней не образуется. Объясните, что происходит при этом в мышце. Что служит источником энергии для ее сокращения в этих условиях?
12. АТР и фосфокреатин как источники энергии в мышцах. При сокращении скелетной мышцы в ней снижается концентрация фосфокреатина, тогда как концентрация АТР остается практически постоянной. Объясните, как это происходит. Роберт Дэвис в своих классических опытах показал, что после предварительной обработки мышцы фтор-2,4-динитробензолом концентрация АТР в ней быстро падает, тогда как концентрация фосфокреатина остается неизменной на протяжении серии сокращений. Попытайтесь это объяснить.
13. Метаболизм глутамата в мозгу. Глутамат, доставляемый кровью в ткань мозга, превращается там в глутамин, который можно обнаружить в оттекающей от мозга крови. Каков смысл этого метаболического превращения? Как оно происходит? В действительности в мозгу вырабатывается больше глутамина, чем может образоваться из доставляемого кровью глутамата. Откуда берется это дополнительное количество глутамина?
14. Отсутствие глицеролкиназы в жировой ткани. Глицерол-3-фосфат-ключевой промежуточный продукт в биосинтезе триацилглицеролов. Клетки жировой ткани, специализирующиеся на синтезе и распаде триацилглицеролов, не способны непосредственно использовать глицерол, поскольку в них нет глицеролкиназы, катализирующей реакцию
Глицерол 4- АТР → Глицерол-3-фосфат + ADP
Как обеспечивается жировая ткань глицерол-3-фосфатом, необходимым для синтеза триацилглицеролов? Объясните.
15. Отек, связанный с нефротическим синдромом. При нефрозе с мочой выделяется большое количество сывороточного альбумина. Содержание альбумина в сыворотке крови таких больных снижается вплоть до 1,0 г на 100 мл, тогда как в норме оно составляет 3,5-4,5 г (табл. 24-3). При этом у больных наблюдаются сильные отеки конечностей, обусловленные накоплением жидкости во внеклеточном пространстве. Объясните происхождение этих симптомов.
16. Гипергликемия у больных острым панкреатитом. Для лечения больных острым панкреатитом используют безбелковую диету и внутривенное введение физиологического раствора с глюкозой. Какова биохимическая основа этого лечения? В процессе лечения у этих больных обычно наблюдается гипергликемия. Почему?
17. Потребление кислорода при физической нагрузке. Человек в сидячем положении потребляет в течение 10 с около 0,05 л кислорода. Спринтер, соревнуясь в беге на 100 м, за то же время потребляет 1 л кислорода. Пробежав дистанцию, спринтер продолжает тяжело дышать еще несколько минут, потребляя при этом по сравнению со спокойно сидящим человеком дополнительно около 4 л кислорода. Почему потребность в кислороде резко возрастает при беге на короткую дистанцию? Почему повышенная потребность в кислороде сохраняется по окончании бега?
18. Влияние молочной диеты на pH мочи. При исключительно молочной диете pH мочи становится ниже (pH < 5), чем при питании обычной смешанной пищей. Вместе с тем известно, что pH цельного молока равен ~ 7,5. Попытайтесь объяснить этот парадокс, учитывая общий состав молока, где примерно 3,5% приходится на долю лактозы, 3,5%-на жир и около 3,5%-на казеин (фосфопротеин, содержащий много остатков серинфосфата).
19. Дыхательный ацидоз. Скорая помощь доставила в местную больницу 22-летнего мужчину с диагнозом отравления наркотиком. При поступлении дыхание больного было поверхностным и нерегулярным. Ввиду ухудшения состояния применили искусственное дыхание с помощью механического респиратора. Анализ артериальной крови показал снижение pH крови до 7,18. Больному ввели внутривенно 12 г бикарбоната натрия.
а) Почему передозировка наркотика могла привести к дыхательному ацидозу?
б) Как влияет на pH крови больного механическая вентиляция легких? Как вообще влияет механическая вентиляция легких на способность крови транспортировать кислород в ткани?
в) Объясните, какова цель введения бикарбоната натрия.
20. Недостаточность тиамина и функция мозга. Для больных с тиаминовой недостаточностью характерен целый ряд неврологических симптомов: утрата рефлексов, беспокойство, спутанность сознания. Объясните, почему недостаточность тиамина отражается на функции мозга.
21. Гиперактивность коры надпочечников и гиперкалиурия. Гиперактивность коры надпочечников у человека, обусловленная опухолями коры, приводит к избыточной реабсорбции Na+ в почечных канальцах. При этом у больных выводятся с мочой в повышенном количестве ионы К+. Почему повышение обратного всасывания ионов Na+ сопровождается повышенным выведением ионов К+?
22. Токсическое действие морской воды. Почки человека - великолепное устройство, регулирующее удаление ионов Na+ из крови путем образования мочи, в которой содержание ионов Na+ достигает 340 мМ. Однако в морской воде концентрация Na+ вдвое выше той, которую способны создать почки здорового человека. Если человек пьет только морскую воду, то происходит накопление NaCl во внеклеточной жидкости (т.е. в жидкости, окружающей клетки тела), но не во внутриклеточной жидкости. Длительное потребление морской воды приводит к смерти вследствие повреждения клеток мозга. Почему потребление морской воды на протяжении длительного времени вызывает повреждение клеток?