Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980

Биосинтез; как образуются новые молекулы
Регуляция процессов биосинтеза
Гликоген и глюкоза крови

Метаболизм глюкозы у животных имеет две наиболее важные особенности [44]. Первая из них — это запасание гликогена, который в случае необходимости может быть быстро использован в качестве источника мышечной энергии. Однако скорость гликолиза может оказаться высокой — весь запас гликогена в мышце может быть истощен всего лишь за 20 с при анаэробном брожении или за 3,5 мин в случае окислительного метаболизма [45]. Таким образом, должен существовать способ быстрого включения гликолиза и его выключения после того, как необходимость в нем исчезнет. В то же время должна иметься возможность обратного превращения лактата в глюкозу или в гликоген (глюконеогенез). Запас глюкогена, содержащегося в мышцах, должен пополняться за счет глюкозы крови. Если количество глюкозы, поступающей с пищей или извлекаемой из гликогена печени, оказывается недостаточным, то она должна синтезироваться из аминокислот.

Вторая особенность метаболизма глюкозы состоит в том, что определенные ткани, в том числе мозг, клетки крови, мозговое вещество почек и семенники, получают практически всю необходимую для них энергию за счет окисления глюкозы. Поэтому нельзя допускать, чтобы содержание глюкозы в крови падало значительно ниже нормы (5 мМ).

Механизм регуляции содержания глюкозы в крови очень сложен и окончательно не установлен. Известно, что в нем участвует ряд гормонов.

Инсулин (гл. 4, разд. 9,7; гл. 5, разд. В, 5, дополнение H-В), вероятно, в комбинации с хромом (дополнение 11-Г) повышает скорость усвоения глюкозы мышцами и другими тканями. Глюкагон (гл 6, разд. Е, 5) — пептидный гормон, состоящий из 29 аминокислотных остатков, действует в первую очередь на клетки печени. Глюкагон выделяется а-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы, т. е. теми же клетками, которые продуцируют инсулин. Однако действие глюкагона антагонистично действию инсулина, поскольку он повышает содержание глюкозы в крови, стимулируя расщепление гликогена печени. Он стимулирует также процесс глюконеогенеза, причем оба эти эффекта опосредованы действием циклической АМР [46]. Глюкокортикоиды (гл. 12, разд. И, 3,6) ускоряют процесс глюконеогенеза и накопление глигогена в печени при помощи механизмов, рассмотренных в разд. Е, 7.

Дополнение 11-В

Сахарный диабет

Хорошо известным и широко распространенным метаболическим нарушением у человека является диабет. Из одного миллиона детей в возрасте от 8 до 12 лет 400 страдают юношеской формой диабета. Приблизительно 33 000 человек в возрасте от 40 до 50 лет из каждого миллиона (т. е. более 3%) больны диабетом, а среди лиц старше 70 лет, этим заболеванием страдают более 7%^а. Склонность к диабету отчасти передается по наследству; значительную часть генетической популяции составляют по меньшей мере два рецессивных «дефектных» гена. Степень тяжести диабета варьирует в весьма широких пределах. Около половины больных юношей может ограничиться диетой, тогда как другая половина вынуждена прибегать к инъекциям инсулина из-за атрофии ß-клеток поджелудочной железы, продуцирующих инсулин. Среди взрослых больных диабетом часто возникает проблема снижения чувствительности больного к вводимому инсулину^б. Пониженная чувствительность может быть обусловлена либо недостаточным числом рецепторов инсулина, либо дефектами их структуры. Пониженное число рецепторов наблюдалось также у устойчивых к инсулину тучных пациентов. Лечение многих больных диабетом сульфопрепаратами, и в частности 1-бутил-n-толилсульфонилмочевиной:

в ряде случаев приводило к повышению числа рецепторов инсулина. Строгая диета оказывает аналогичное действие. У некоторых пациентов была обнаружена повышенная активность ферментов, обусловливающих расщепление инсулина. При диабете обычно наблюдается повышенный синтез глюкагона, и, возможно, этот факт облегчит решение некоторых проблем, связанных с этой болезнью^б.

Интерес в последнее время привлекает также другой пептидный гормон, а именно соматостатин (гл. 16, разд. А, 1), который ингибирует процесс высвобождения глюкагона и инсулина из клеток поджелудочной железы. Состояние некоторых больных, страдающих диабетом при введении этого гормона, улучшается.

Четким симптомом диабета служит высокая концентрация глюкозы в крови, содержание которой может достигать 8—60 мМ^в. Очевидно, что прекращение процесса использования глюкозы вызвано выходом глюкозы из-под контроля, осуществляемого по принципу обратной связи. В результате процесс глюконеогенеза становится более интенсивным, что в свою очередь приводит к усиленному расщеплению белков и аминокислот. Запасы гликогена в печени истощаются, и в моче обнаруживается избыток азота, образующегося в результате распада белков. Накопление продуктов расщепления жирных кислот приводит к избыточному образованию кетоновых тел (стр. 515), а увеличение объема мочи сопровождается обезвоживанием тканей.

Несмотря на большое число исследований, чисто химический аспект действия инсулина остается неясным^г,д. Обычно считается, что гормон действует на плазматические мембраны всех тканей, вызывая заметные изменения проницаемости, что приводит к возрастанию поглощения глюкозы, различных ионов и других веществ. Такого рода изменения проницаемости могут обусловить сильное влияние инсулина на важнейшие процессы биосинтеза: имеет место, в частности, повышение синтеза гликогена, липидов и белков. В то же время процессы катаболизма подавляются и активность катаболических ферментов, например глюкозо-6-фосфатазы, снижается. Ключом к пониманию действия инсулина может явиться выяснение вопроса о природе его «вторичного посредника», аналогичного по своему действию сАМР. Высказывались предположения, что «вторичным посредником» для инсулина является сАМР, однако более вероятно, что эту роль выполняет какой-то ион, возможно К^+е.

Полный химический синтез инсулина был осуществлен в ряде лабораторий, причем наиболее трудной частью этого синтеза оказалось образование дисульфидных мостиков в требуемых местах молекулы. Для решения этой задачи были предприняты попытки «подражательного» характера, в которых образование поперечных мостиков производилось не в инсулине, а в проинсулине (рис. 11-9). Необходимость в синтетическом инсулине обусловлена не только тем, что его получение из животных не может удовлетворить огромной потребности людей в этом гормоне, но также и тем, что химический синтез позволяет получать инсулин с любой первичной структурой, и в частности со структурой, отличной от структуры инсулина, выделяемого из животных, что может оказаться крайне важным и полезным для определенных групп больных диабетом.

^a Apgar V., Beck Is My Baby Allright? Trident Press, New York, 1972.

^б Maugh T. H., II, Science, 193, 220—222 and 252 (1976).

^в Для легких форм диабета более характерно нижнее из приведенных значений, поскольку, если концентрация глюкозы превышает почечный порог (~8 мМ), избыток выводится с мочой.

^г White A., Handler Р., Smith Е. L., Principles of Biochemistry, 5th ed., pp. 1094—1101, McGraw-Hill, New York, 1973.

^д См. t. 1, (стр. 291 и 386) н стр. 507 данного тома, где приведены сведения о структуре инсулина, рецепторах на клеточной поверхности и «усилении» ионами хрома.

^е Hers Н. G., Annu. Rev. Biochem., 45, 167—189 (1976).

^ж Anonymous, Chem. and Eng. News, 52 (April 29), 19—22 (1974).

Дополнение 11-Г

Микроэлементы: хром

В 1959 г. было установлено, что животные, в пище которых нехватает хрома, плохо растут и живут недолго. Для таких животных характерна также пониженная «толерантность к глюкозе», выражающаяся в том, что глюкоза, вводимая в кровь, выделяется в два раза медленнее, чем в норме^а,б,в. Это состояние по существу не отличается от состояния, вызванного нехваткой инсулина. При фракционировании дрожжей удается выделить хромсодержащий фактор толерантности к глюкозе, который представляет собой комплекс, содержащий ионы Сr³⁺, никотиновую кислоту и аминокислоты^г. Есть основания считать, что хром, содержащийся в факторе толерантности к глюкозе, реагирует с инсулином и каким-то образом усиливает его действие^д,е. В соответствии с этим предположением находится тот факт, что обычное содержание хрома в сыворотке крови, которое составляет приблизительно 0,03 мМ, резко снижается при введении в кровь глюкозы^ж. Это свидетельствует о том, что хром активно используется в процессе углеводного метаболизма, осуществляя, по-видимому, связывание инсулина с рецепторами клеточных мембран. Уменьшение содержания хрома в сыворотке крови при острых инфекциях (несмотря на увеличение содержания инсулина) указывает на то, что метаболизм хрома у человека заслуживает пристального внимания.

Концентрация хрома в тканях животных не превышает обычно 2 мМ, однако в хвостатых ядрах мозга его содержание значительно выше. Высокие концентрации ионов Сr³⁺ были обнаружены также в комплексах РНК — белокp.

Представляет интерес экспериментальное использование хрома при образовании комплексов Сr(III) с нуклеотидами, например с АТР^и. Хром вытесняет ионы магния, образуя с нуклеотидами очень прочные хелатные комплексы. Характерные для таких комплексов полосы поглощения света и парамагнитные свойства ядер хрома делают эти комплексы интересным «орудием» при исследовании механизмов действия фосфотрансфераз.

Недавно образование «необменоспособных» комплексов с Сr(III) или с Со(III) было использовано в качестве метода выявления участков в белках и в других биополимерах, активно связывающихся с металлами^к,л,м. Двухвалентные ионы, связанные с такими участками, например Mg²⁺ или Zn²⁺, сначала замещаются ионами Со²⁺ или Сr²⁺, после чего эти ионы окисляются (чаще всего при помощи Н₂О₂) до трехвалентного состояния. Taкoе превращение легко происходит только в тех случаях, когда активные участки обладают октаэдрической геометрией. Трехвалентные ионы Со или Сr прочно связываются с окружающими его лигандами, в результате чего появляется возможность выщеплять значительную часть макромолекулы, сохраняя при этом небольшой ее фрагмент, прочно связанный с металлом.

^а Mertz W., Fed. Proc. Fed. Am. Soc. Exp. Biol., 26, 186—193 (1967).

^б Mertz W., Cornatzer W. E., Newer Trace Elements in Nutrition, Dekker, New York, 1971.

^в Frieden E., Sсi. Am., 227, 52—60 (July 1972).

^г Mertz W., Fed. Proc., Fed Am. Soc. Exp Biol., 33, 659 (1974).

^д Evans G. W., Roginski E. E., Mertz W., Fed. Proc., 31, 264 (Abstr.), (1972).

^e Roginski E. E., Fed. Proc., Fed. Am. Soc. Exp. Biol., 33, 659 (1974).

^ж Pekarek R. S., Hauer E. C., Rayfield E. J., Wannemacher R. W., Jr., Beisei W. R., Fed. Proc., Fed. Am. Soc. Exp. Biol., 33, 660 (1974).

^з O'Dell B. L., Campbell B. J., Compr. Biochem, 21, 179—266 (1971).

^и DePamphills M. L., Cleland W. W., Biochemistry, 12, 3714—3724 (1973).

^к Anderson R. A., Vallee B. L., PNAS, 72, 394—397 (1975).

^л Wright J. К., Feldman J., Takahashi M., Biochemistry, 15, 3704—3710 (1976).

^м Rose S. L., Westhead E. W., Abstr., 172nd ACS Natl. Meet. San Francisco, 1976, BIOL., p. 34.