Глюкокортикоиды. 
Свойства растворов высокомолекулярных соединений

Глюкокортикоиды крови транспортируются с помощью кортикостероид-связывающего глобулина.

Кортизол — основной представитель так называемых глюкокортикоидов, т. е. стероидов надпочечников, действующих преимущественно на метаболизм органических соединений.

Глюкокортикоиды прямо или опосредованно регулируют практически все физиологические и биохимические процессы. Кортизол способен изменять реактивность клеток по отношению к другим гормонам и нейромедиаторам. Для того чтоб понять биологическое действие глюкокортикоидов можно привести в пример восстановленные нарушения при введении заместительных доз глюкокортикоидов при дефиците кортизола:

• · гиперчувствительность к инсулину
• · снижение запасов гликогена в тканях
• · гипогликемия при голодании
• · недостаточную мобилизацию белков периферических тканей
• · сниженный глюконеогенез
• · ослабление реакции жировых клеток на обычные липолитические стимулы
• · отсутствие торможения секреции АКТГ по механизму обратной связи
• · гипотензию
• · снижение способности к выведению воды при водной нагрузке
• · мышечную слабость и быструю утомляемость
• · психологические и эмоциональные сдвиги

Механизм антивоспалительного эффекта глюкокортикоидов В больших дозах глюкокортикоиды ингибируют почти все фазы воспалительного процесса. Они блокируют расширение капилляров, адгезию и миграцию лейкоцитов, секрецию гистамина и серотонина, образования кининов и т. д.

Они относятся к группе фенилалкиламинов и являются катехоламинами (пирокатехоламинами). Известны три вещества этой группы: адреналин (80%), норадреналин (20%), дофамин (менее1%). Они образуются при последовательных реакциях из аминокислоты тирозина.

Собственно гормоном можно назвать только адреналин, поскольку два других катехоламина играют в основном медиаторную роль: норадреналин — в симпатической нервной системе, дофамин — в центральной. Адреналин относят к медиаторам симпатической и центральной нервной системы, а также к стресс-гормонам.

Исследование катехоламинов в крови и моче выявляет функциональное состояние мозгового вещества надпочечников (особую ценность это имеет при диагностике новообразований хромаффинной ткани). Катехоламины находятся в крови в очень низкой концентрации и быстро вымываются из кровотока. При нормальной функции почек изучение экскреции катехоламинов и ДОФА с мочой является адекватным методом оценки состояния системы катехоламинов — симпатоадреналовой системы.

Поэтомуспособы определения катехоламинов достаточно широко применяют в клинико-диагностических лабораториях. Известны биологические, колориметрические, полярографические, хроматографические, флюориметрические и радиоизотопные методы, более доступны и, вместе с тем, совершенны флюориметрические способы определения этихгормонов-медиаторов, в основе которых — образование триоксииндолов (адренолютина, норадренолютина). Специфичность метода заключается в том, что им исследуют только те диоксифенолы, которые имеют боковую цепь строго определенной конфигурации.

Триоксииндоловый метод, как наиболее специфичный и чувствительный и является унифицированным.

Вторая группа методов, основанная на изменении флюоресценции продуктов конденсации катехоламинов с этилендиамином, является гораздо менее специфичной, посколькумногие вещества катехоловой структуры могут образовывать светящиеся конденсаты. Это обстоятельство позволило некоторым авторам по разнице между величинами, полученными при работе с этилендиаминовыми и триоксииндоловыми методами, определять дофамин.

Дифференциация катехоламинов может осуществляться либо за счет ихспособности максимально окисляться при разныхзначениях рН среды, либо за счет различия в спектральныххарактеристиках лютинов. Обычно применяют сочетание обоих принципов.

Для выделения катехоламинов из мочи и очистки их от примесей используют принцип адсорбционной или ионообменной хроматографии. Гидролиз связанных форм катехоламинов можно осуществлять обработкой мочи в? глюкуронидазой и фенолсульфатазой. Для экстракции и очистки катехоламинов из физиологических жидкостей также успешно применяют хроматографию на ионообменныхсмолах. Наиболее известны следующие методы: определение адреналина и норадреналина в моче флюориметрическим методом после дифференциального окисления катехоламинов йодом при различных значениях рН; определение адреналина, норадреналина, дофамина и диоксифенилаланина в одной порции мочи.

Часто в клинике определяют конечные продукты биохимической инактивации адреналина, норадреналина и дофамина. Главными конечными продуктами являются ванилил-миндальная (ВМК) и гомованилиновая (ГВК) кислоты, образующиеся при оксиметилировании и окислительном дезаминировании катехоламинов. Их экстрагируют из проб чаще всего этилацетатом, далее подвергают электрофоретическому или хроматографическому исследованию. Для количественного выявления этих веществ на хроматои фореграммах используют ихспособность к качественным цветным реакциям с последующей элюцией окрашенных пятен и спектрофотометрированием.

Наиболее быстрым и удобным для клинико-диагностических лабораторий является электрофорез. Достаточно широко используются следующие методы определения метилированных продуктов обмена катехоламинов в моче: ванилил-миндальной кислоты с использованием электрофореза на бумаге; ванилил-миндальной, 5-оксииндолуксусной кислот и тирамина.

Нормальные величины.

Клинико-диагностическое значение Повышение экскреции с мочой катехоламинов и ванилин-миндальной и гомогентизиновой кислот отмечается при феохромоцитоме, гипертонической болезни в период кризов, в острый период инфаркта миокарда, приступахстенокардии, гепатитахз и циррозе печени, обострении язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.

Снижение экскреции уменьшается при аддисоновой болезни, коллагенозах, остром лейкозе, острых инфекциях.

Энергия освобождается в митохондриях клеток при окислении различных органических веществ, но используется не сразу, а накапливается в легкоутилизируемой форме в виде макроэргических (высокоэнергетических) соединений. При их расщеплении без промежуточного образования тепла химическая энергия их внутримолекулярных связей преобразуется в другие формы энергии: механическую, электрическую, световую и т. п.

Основным и главнейшим макроэргом является АТФ, состоящая из азотистого (пуринового) основания — аденина, пятиуглеродного сахара — рибозы и трех, последовательно присоединенных к ней молекул фосфорной кислоты. Отщепление от АТФ концевой и второй фосфатных групп приводит к освобождению по 30 кДж энергии на каждый моль: АТФ+Н₂О->АДФ+Ф+30 кДж; АДФ+ Н₂О->АМФ+Ф+30 кДж, где Ц — неорганический фосфат.

АТФ — источник энергии всех биологических процессов: движения, теплообразования, биоэлектрических явлений, различных биологических синтезов и даже нервной деятельности (схема 1). Расщепление АТФ необратимо: энергия макроэргической связи используется на внешнюю работу и уходит из сферы реакции. А так как потребность организма в АТФ исключительно велика, необходимо постоянное регенерирование этого вещества, образование новых молекул АТФ. Происходит это в процессе аэробного (с участием кислорода) или анаэробного (без него) окисления, сопряженного с фосфорилированием АДФ, а также путем креатинкиназной реакции.

В ходе аэробного и анаэробного (гликолитического) окисления образуются промежуточные макроэргические фосфорные соединения, фосфатная группа которых соответствующими ферментами «пересаживается» со всем запасом энергии на АДФ. Эти так называемые фосфо-трансферазные реакции происходят таким образом, что фермент сближает образовавшийся макроэрг и АДФ настолько, что между ними становятся возможными обмен электронами и возникновение связи фосфата с АДФ при одновременном отщеплении первого от исходного макроэрга (рис. 1).

В принципе так же протекает и креатинкиназная реакция. КФ содержится в клетках как источник макро-эргических фосфатов для регенерации АТФ в экстренных случаях. Реакция эта происходит очень быстро: она не требует ни кислорода, ни расщепления каких-либо органических веществ, так как макроэргическая связь фосфата КФ обладает таким же запасом энергии, как и макроэргические связи в молекуле АТФ: КФ +АДФ креатин + АТФ.

Реакция эта обратима в зависимости от концентраций КФ и АТФ: когда концентрация КФ высока, а АТФ низка, она идет вправо, а при обратных соотношениях — влево. Таким образом, в ходе этой реакции избыток АТФ создает предпосылки для собственной ее экстренной регенерации. Естественно, что вследствие большого и непрерывного расходования АТФ она чрезвычайно быстро обменивается: полупериод жизни ее менее 1 мин, и за 1 сут каждая молекула ее обновляется (расщепляется и вновь регенерируется) 2400 раз!

Расходование и генерирование АТФ: І — освобождение энергии, ІІ — преобразование энергии и совершаемая работа Реакция перефосфорилирования (фосфотрансферазная).

1. Строение аденозинтрифосфорной кислоты Кроме белков, нуклеиновых кислот, жиров и углеводов в живом веществе синтезируется большое количество других органических соединений. Среди них важнуую роль в биоэнергетике клетки играетаденозинтрифосфорная кислота (АТФ). АТФ содержится во всех клетках растений и животных. В клетках чаще всего аденозинтрифосфорная кислота присутствует в виде солей, называемыхаденозинтрифосфатами. Количество АТФ колеблется и в среднем составляет 0,04% (в клетке в среднем находится около 1 млрд молекул АТФ). Наибольшее количество АТФ содержится в скелетных мышцах (0,2−0,5%).

Молекула АТФ состоит из азотистого основания — аденина, пентозы — рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, т. е. АТФ — особый адениловый нуклеотид. В отличие от других нуклеотидов АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты. АТФ относится к макроэргическим веществам — веществам, содержащим в своих связях большое количество энергии.

Пространственная модель (А) и структурная формула (Б) молекулы АТФ

Из состава АТФ под действием ферментов АТФаз отщепляется остаток фосфорной кислоты. АТФ имеет устойчивую тенденцию к отделению своей концевой фосфатной группы:

АТФ^4- + Н₂О —> АДФ^3- + 30,5 кДж + Фн, т.к. это приводит к исчезновению энергетически невыгодного электростатического отталкивания между соседними отрицательными зарядами. Образовавшийся фосфат стабилизируется за счет образования энергетически выгодных водородных связей с водой. Распределение заряда в системе АДФ + Фн становится более устойчивым, чем в АТФ. В результате этой реакции высвобождается 30,5 кДж (при разрыве обычной ковалентной связи высвобождается 12 кДж).

Для того, чтобы подчеркнуть высокую энергетическую «стоимость» фосфорно-кислородной связи в АТФ, ее принято обозначать знаком ~ и называть макроэнергетической связью. При отщеплении одной молекулы фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорная кислота), а если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Отщепление третьего фосфата сопровождается выделением всего 13,8 кДж, так что собственно макроэргических связей в молекуле АТФ только две.

2. Образование АТФ в клетке Запас АТФ в клетке невелик. Например, в мышце запасов АТФ хватает на 20−30 сокращений. Но ведь мышца способна работать часами и производить тысячи сокращений. Поэтому наряду с распадом АТФ до АДФ в клетке должен непрерывно идти обратный синтез. Существует несколько путей синтеза АТФ в клетках. Познакомимся с ними.

1. Анаэробное фосфорилирование. Фосфорилированием называют процесс синтеза АТФ из АДФ и низкомолекулярного фосфата (Фн). В данном случае речь идет о бескислородных процессах окисления органических веществ (например, гликолиз — процесс бескислородного окисления глюкозы до пировиноградной кислоты). Примерно 40% выделяемой в ходе этих процессов энергии (около 200 кДж/моль глюкозы), расходуется на синтез АТФ, а остальная часть рассеивается в виде тепла:

С₆Н₁₂О₆+ 2АДФ + 2Фн —> 2С₃Н₄O₃ + 2АТФ + 4Н.

2. Окислительное фосфорилирование — это процесс синтеза АТФ за счет энергии окисления органических веществ кислородом. Этот процесс был открыт в начале 1930;х гг. XX в. В. А. Энгельгардтом. Кислородные процессы окисления органических веществ протекают в митохондриях. Примерно 55% выделяющейся при этом энергии (около 2600 кДж/моль глюкозы) превращается в энергию химических связей АТФ, а 45% рассеивается в виде тепла.

Окислительное фосфорилирование значительно эффективнее анаэробных синтезов: если в процессе гликолиза при распаде молекулы глюкозы синтезируется всего 2 молекулы АТФ, то в ходе окислительного фосфорилирования образуется 36 молекул АТФ.

• 3. Фотофосфорилирование — процесс синтеза АТФ за счет энергии солнечного света. Этот путь синтеза АТФ характерен только для клеток, способных к фотосинтезу (зеленые растения, цианобактерии). Энергия квантов солнечного света используется фотосинтетиками в световую фазу фотосинтеза для синтеза АТФ.
• 3. Биологическое значение АТФ

АТФ находится в центре обменных процессов в клетке, являясь связующим звеном между реакциями биологического синтеза и распада. Роль АТФ в клетке можно сравнить с ролью аккумулятора, так как в ходе гидролиза АТФ выделяется энергия, необходимая для различных процессов жизнедеятельности («разрядка»), а в процессе фосфорилирования («зарядка») АТФ вновь аккумулирует в себе энергию.

Схема гидролиза АТФ

За счет выделяющейся при гидролизе АТФ энергии происходят почти все процессы жизнедеятельности в клетке и организме: передача нервных импульсов, биосинтез веществ, мышечные сокращения, транспорт веществ и др.

Анаэробный распад глюкозы происходит при недостаточном содержании кислорода, в клетках мышечной ткани животного организма. Данный путь распада называется дихотомическим, т.к. в процессе происходит образование двух молекул триоз, содержащих по 3 С-атома из одной молекулы гексозы (6 С-атомов). Конечный продукт анаэробного превращения глюкозы — молочная кислота. Гликолиз протекает в гиалоплазме (цитозоле) клетки. Гликолиз условно можно разбить на два этапа. В первом этапе происходит затрата энергии, второй этап, наоборот, характеризуется накоплением энергии в форме молекул АТФ.

Следует отметить, что в организме любой метаболический путь начинается с активации исходного соединения.

Первой ферментативной реакцией гликолиза является фосфорилирование глюкозы, т. е. перенос остатка фосфорной кислоты на глюкозу за счет энергии АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. Реакция катализируется ферментом гексокиназой. Киназами называются ферменты, катализирующие перенос остатка фосфорной кислоты от АТФ к акцептору.

Образование глюкозо-6-фосфата в гексокиназной реакции сопровождается освобождением значительного количества свободной энергии и может считаться практически необратимым процессом.

Наиболее важным свойством гексокиназы являетвся ее ингибирование глюкозо-6-фосфатом, т. е. последний служит одновременно и продуктом реакции, и аллостерическим ингибитором.

Второй реакцией гликолиза является превращение глюкозо-6-фосфата под действием фермента глюкозо-6-фосфат-изомеразы во фруктозо-6-фосфат (изомеризация альдозы в кетозу):

Эта реакция протекает легко в обоих направлениях.

Третья реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой; образовавшийся фруктозо-6-фосфат вновь фосфорилируется за счет второй молекулы АТФ:

Данная реакция аналогично гексокиназной практически необратима, протекает в присутствии ионов магния и является наиболее медленно текущей реакцией гликолиза. Фактически эта реакция определяет скорость гликолиза в целом.

Фосфофруктокиназа относится к числу аллостерических ферментов. Она ингибируется АТФ и стимулируется АМФ. Так, в неработающей мышце активность фосфофруктокиназы низкая, а концентрация АТФ относительно высокая. Во время работы мышцы происходит интенсивное потребление АТФ и активность фосфофруктокиназы повышается, что приводит к усилению процесса гликолиза.

Четвертую реакцию гликолиза катализирует фермент альдолаза. Под влиянием этого фермента фруктозо-1,6-бифосфат расщепляется на две фосфотриозы:

Эта реакция обратима. В зависимости от температуры равновесие устанавливается на различном уровне. При повышении температуры peакция сдвигается в сторону большего образования триозофосфатов (дигидроксиацетонфосфата и глицеральдегид-3-фосфата (фосфоглицериновый альдегид)).

Пятая реакция — это реакция изомеризации триозофосфатов. Kaтализируется ферментом триозофосфатизомеразой:

Дальнейшим превращениям будет подвергаться только глицеральдегид-3-фосфат.

В результате шестой реакции глицеральдегид-3-фосфат в присутствии фермента глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, кофермента НАД и неорганического фосфата подвергается окислению с образованием 1,3- бифосфоглицериновой кислоты и восстановленной формы НАДН. С данной реакции начинается второй этап гликолиза.

1,3-Бисфосфоглицерат представляет собой высокоэнергетическое соединение (макроэргическая связь условно обозначена знаком «тильда» ~).

Седьмая реакция катализируется фосфоглицераткиназой, при этом происходит передача богатого энергией фосфатного остатка (фосфатной группы в положении 1) на АДФ с образованием АТФ и 3-фосфоглицериноой кислоты (3-фосфоглицерат):

Это первая реакция гликолиза, в которой происходит образование АТФ (пример субстратного фосфорилирования).

Восьмая реакция сопровождается внутримолекулярным переносом оставшейся фосфатной группы, и 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-фосфоглицерат):

В результате одиннадцатой реакции происходит восстановление пировиноградной кислоты и образуется молочная кислота. Реакция протекает при участии фермента лактатдегидрогеназы и кофермента НАДН, образовавшегося в шестой реакции:

Конечным акцептором электронов в ходе гликолиза является ПВК, которая восстанавливается в молочную кислоту (лактат). Поэтому для нормального протекания этого метаболического пути требуется только глюкоза, которая может быть запасена клеткой в виде резервных полисахаридов в избыточном количестве.

Образование лактата является завершающей стадией анаэробного гликолиза. Энергетический баланс — 2 молекулы АТФ (4 молекулы образуется, 2 — потребляется).

Аналогичный процесс у бактерий называют молочнокислым брожением: он лежит в основе приготовления многих кисломолочных продуктов. У дрожжей в анаэробных условиях имеет место сходный процесс — спиртовое брожение: в этом случае пируват сначала декарбоксилируется образованием уксусного альдегида, который затем восстанавливается в этиловый спирт.

Гликолиз у животных и человека может происходить во многих типах клеток, но его значение для разных органов различно.

Анаэробный гликолиз, несмотря на небольшой энергетический эффект, является основным источником энергии для скелетных мышц в начальный период интенсивной работы, т. е. в условиях, когда снабжение кислородом мышечной ткани ограничено (мощность механизма транспорта кислорода к митохондриям и мощность митохондриального аппарата синтеза АТФ оказываются недостаточными для обеспечения всей энергетической потребности). Ocoбенно большое значение анаэробный гликолиз имеет при кратковременной интенсивной работе. Так, бег в течение примерно 30 с (дистанция около 200 м) полностью обеспечивается анаэробным гликолизом. Через 4—5 мин бега (дистанция около 1,5 км) энергия поставляется поровну аэробным и анаэробным процессами, а через 30 мин (около 10 км) — почти целиком аэробным процессом.

Молочная кислота, накапливаясь в мышцах при интенсивной мышечной деятельности, воздействует на нервные окончания, тем самым, вызывая боль в мышцах. Большая часть молочной кислоты, образующейся в мышце, вымывается в кровяное русло. Изменению рН крови препятствует бикарбонатная буферная система: у спортсменов буферная емкость крови повышена по сравнению с нетренированными людьми, поэтому они могут переносить более высокое содержание молочной кислоты.

Далее молочная кислота транспортируется к печени и почкам, где она почти полностью перерабатывается в глюкозу и гликоген, участвуя в глюконеогенезе и гликогенезе. Незначительная часть молочной кислоты вновь превращается в пировиноградную кислоту, которая в аэробных условиях окисляется до конечных продуктов обмена.

Анаэробный гликолиз характерен также для посмертных изменений мышечной ткани, характеризует первые три стадии посмертного распада рыбы.

Кроме того, зрелые эритроциты извлекают энергию за счет анаэробного окисления глюкозы, т.к. не имеют митохондрий. Интенсивный гликолиз характерен также для клеток злокачественных опухолей. Меньшее значение этот процесс имеет для сердечной мышцы, мозга, почек.

Цикл Кори — совокупность биохимических ферментативных процессов транспорта лактата из мышц в печень, и дальнейшего синтеза глюкозы из лактата, катализируемое ферментами глюконеогенеза.

При интенсивной мышечной работе, а также в условиях отсутствия или недостаточного числа митохондрий (например, в эритроцитах или мышцах) глюкоза вступает на путь анаэробного гликолиза с образованием лактата. Лактат не может далее окисляться, он накапливается (при его накоплении в мышцах раздражаются чувствительные нервные окончания, что вызывает характерное жжение в мышцах). С током крови лактат поступает в печень. Печень является основным местом скопления ферментов глюконеогенеза (синтез глюкозы из неуглеводных соеднений), и лактат идет на синтез глюкозы.

Реакция превращения лактата в пируват катализируется лактатдегидрогеназой, далее пируват подвергается окислительному декарбоксилированию или может подвергаться брожению.

Химические превращения.

Схема образования лактата из пирувата.