бышевский-биохимия для врача

СООН

Коньюгат ароматической кислоты с остатком гли­ цина (глутамата)

Все рассмотренные превращения сводятся к повышению гидрофильности обезвреживающего продукта, что облегчает его выведение из организма.

Обезвреживание нормальных метаболитов — билирубина и аммиака — рассмотрено ранее (раздел 4). Напомним лишь, что билирубин образует коньюгаты с глюкуроновой кислотой (моно- и диглюкуронаты) и в меньшей степени — с серной. Те и другие выводятся с желчью в кишечник. Аммиак потребляется в орнитиновом цикле и входит в состав молекулы мочевины, которая, поступая в кровь, выделяется с мочой.

Инактивация гормонов в печени в зависимости от их природы обеспечива­ ется разными путями.

Пептидные гормоны гидролизуются в печени протеазами. М олекула инсу­ лина инактивируется в два этапа: восстановление дисульфидных связей с высвобождением двух полипептидных цепей и их гидролиз инсулиназой. Процесс протекает быстро, при однократном прохождении крови через печень разруш ается до 80% гормона.

Катехоламины подвергаются в гепатоцитах окислительному дезаминирова­ нию при участии моноаминооксидазы, затем метилированию по гидроксиль­ ным группам и конъюгации с серной или глюкуроновой кислотой. Продукты катаболизма выводятся с мочой.

Стероидные гормоны в микросомальной фракции гидроксилируются при участии гидроксилаз, конъюгируются с глюкуроновой или серной кислотой и такж е выводятся с мочой.

Тироксин в гепатоцитах вовлекается в трансаминирование, превращ аясь в кетопроизводное, которое коньюгируется с теми ж е кислотами.

Чужеродные соединения (ксенобиотики) выводятся частично в неизменен­ ном виде, частично в виде продуктов метаболических превращений. Чем ниже растворимость чужеродного вещества, тем большая часть его метаболизирует. Это связано с тем, что гидрофобные соединения склонны задерж иваться в тканях (в комплексах с белками, в клеточных мембранах, жировых депо). В ходе метаболизма, превращаясь в гидрофильные продукты, они ускоренно удаляются.

Обезвреживание продуктов гниения аминокислот, образующ ихся под действием энзимов микрофлоры в кишечнике, происходит следующим образом. Так называемые трупные яды (кадаверин и путресцин — продукты декарбоксилирования лизина и орнитина соответственно) — выделяются с мочой в

неизменном виде. Крезол и фенол, образующиеся при распаде тирозина, скатол и индол — при распаде триптофана, всасываются из кишечника в кровоток и в основном задерживаю тся в печени. Здесь крезол и фенол образуют коньюгаты с глюкуроновой или серной кислотой, а скатол деметилируется, превращ аясь в индол. Последний подвергается гидроксилированию, превращ аясь в индок­ сил, который конъюгируется с теми ж е кислотами. Выделение с мочой калиевой соли индоксилсульфата (животный индикан) пропорционально интенсивности гнилостных процессов в кишечнике и скорости реакций обезвреживания в печени. В связи с этим содержание индикана в моче может служить показате­ лем функционального состояния печени.

М етаболизм лекарственных вещ еств в печени включает окислительные превращения, катализируемые микросомальными оксидазами. Они представ­ ляют собой ферментные комплексы с невысокой степенью специфичности, нуждающиеся в молекулярном кислороде и НАДФ • Н2. Как уж е сказано, главный из окислительных ферментов — цитохром Р 450. Он представляет собой комплекс белка с гемом, обеспечивающим присоединение кислорода. Цифровой индекс (450) отраж ает тот факт, что гем в восстановленной форме, связанной с окисью углерода, отличается максимумом поглощения света при 450 нм. В группе оксидаз со слабо выраженной специфичностью цитохром Р 450 играет роль конечной оксидазы, которая принимает электроны из цепи промежуточ­ ных переносчиков, а приняв их, связывает кислород и затем использует его для окисления субстратов и образования воды. В эту систему входит еще один фермент — цитохром-Р450-редуктаза, а такж е гемопротеид цитохром |35, назна­ чение которого неясно.

Последовательные этапы окисления лекарственного вещества при участии цитохрома Р таковы.

1Дитохром Р450, содержащий окисленное (трехвалентное) железо, связывает лекарственное вещество, образуя энзимсубстратный комплекс.

2.Железо в теме комплекса восстанавливается до двухвалентного за счет НАДФ • Ң, что обеспечивает присоединение молекулы кислорода.

3.Далее один атом кислорода используется для окисления лекарственного вещества, а другой — для образования молекулы воды, ж елезо при этом переходит в трехвалентную форму.

4-Окисленное лекарственное вещество высвобождается, а цитохром Р 450 оказывается в исходном состоянии с трехвалентным железом, что позволяет ему повторить цикл, превращений с другой молекулой лекарственного вещ ес­ тва.

Естественно, ферментные системы, катализирующие обезвреживание ле­ карственных веществ или других чужеродных соединений, проникающих в организм из окружающей среды, не были эволюционно предназначены специ­ ально для этих целей. Их назначение — обезвреживание эндогенных продуктов метаболизма, рассмотренных выше. Способность этих систем к устранению чужеродных соединений — отчасти приобретенная. Так, человеческий плод и новорожденный ребенок более чувствительны ко многим лекарственным ве­ ществам, чем взрослые люди. Это объясняется низкой способностью микросомальной фракции печени окислять и конъюгировать ксенобиотики. С возрастом эта способность увеличивается. Индивидуальные различия в чувствительности к лекарственным веществам такж е связаны с индивидуальной вариабель­ ностью активности микросомальных монооксидаз.

Активность оксидаз микросомальной фракции индуцибельна — может быть индуцирована неким воздействием. Индукторы — разнообразные химические агенты, в том числе и лекарственные соединения. Такие индукторы стимули­ руют синтез цитохрома Р 450 и других компонентов окислительной системы. Уже описано около 300 соединений-индукторов. Среди них гормоны, лекарственные средства, инсектициды, канцерогены и др.

Известны и соединения, тормозящие активность микросомальных систем окисления, однако они не столь многообразны, как индукторы. Скорость окисления тех или иных веществ может ограничиваться конкуренцией за ферментные комплексы микросомальной фракции. Все это имеет значение при лекарственной терапии. Так, одновременное назначение двух конкурирующих лекарственных соединений приводит к тому, что удаление одного из них может замедляться, и это будет способствовать его накоплению в организме. В другом случае лекарственное соединение может индуцировать активацию системы

микросомальных оксидаз. Это приведет к ускоренному устранению одновре­ менно назначаемых других лекарств. То и другое необходимо учитывать при выборе дозировки.

Классический пример индуктора — фенобарбитал. При его введении экспе­ риментальным животным количество цитохрома Р450 может увеличиться в 3-4 раза, а редуктазы — вдвое. Это сопровождается инактивацией этилморфина, финилбутазона, антипирина, кумариновых препаратов и ослабляет их дейст­ вие. После отмены фенобарбитала индукция прекращ ается, что может вызвать резкое усиление эффекта других лекарственных средств. Например, дозы кумариновых препаратов, вызывающие необходимый терапевтический эф ­ фект, на фоне применения фенобарбитала как успокаивающего средства могут стать токсичными после его отмены.

Другим примером может служить этанол. Его превращение в ацетальдегид протекает с участием оксидаз микросом. У сильно пьющих концентрация цитохрома Р 450 повышена. Поэтому у алкоголиков в трезвом состоянии устра­ нение барбитуратов и других снотворных ускорено и они мало подвержены их действию. Напротив, единичный прием большой дозы этанола тормозит инак­ тивацию тех ж е лекарств, т.к. этанол конкурирует с ними за энзим. В связи с этим к угнетающему действию этанола на центральную нервную систему присоединяется действие барбитуратов и других седативных средств, что может привести к смерти.

Индукторы, по-видимому, могут использоваться и как лекарственные сред­ ства при необходимости активировать процессы обезвреживания эндогенных метаболитов. Так, длительным введением фенобарбитала можно снизить кон­ центрацию билирубина в крови больных с хроническим нарушением оттока желчи. У новорожденных уровень билирубина обычно повышен, иногда до степени, сопровождающейся желтухой. Это связано с поздним развитием системы детоксикации билирубина. Небольшие дозы фенобарбитала, назнача­ емые матери перед родами, предупреждает ж елтуху новорожденных (барбитал проникает через плаценту в кровоток плода и действует как индуктор системы коньюгирования билирубина).

Инсектициды из группы галогенизированных углеводородов (ДДТ и ро­ дственные соединения) резко активируют метаболизм стероидных гормонов в организме млекопитающих и птиц. Быстрое расщепление половых гормонов у птиц отчасти объясняет сокращение популяций некоторых птиц в районах использования ДДТ в качестве инсектицида.

Полихлорбифенилы —еще одна группа индукторов ферментов микросом. Эти соединения используются как смазочные материалы, теплообменники, пластификаторы для красок, входят в состав иммерсионного масла. Их всасывание с поверхности кожи даж е в малых количествах заметно повышает активность микросомных оксидаз и снижает чувствительность к некоторым миорелаксантам, к гексобарбиталу.

5.5.3.Химический канцерогенез

Некоторые вещества, с которыми человек нередко соприкасается в быту или на производстве, представляют собой канцерогены. Так называют вещества, которые при нанесении на кожу или при попадании в организм другим путем вызывают рак. Наиболее распространенные канцерогены — бензапирен, бензантрацен и

сходные с ними полициклические ароматические углеводороды. Они содержатся в табачном дыме, загрязненном воздухе промышленных городов и в пищевых продуктах, подвергнутых обжариванию на углях или копчению.

В обмене полициклических углеводородов участвует одна из оксидаз микро­ сом — арилгидроксилаза, требующая, как и другие оксидазы этой фракции, присутствия молекулярного кислорода и НАДФ • Н,. В качестве конечной оксидазы (аналога цитохрома Р 450) в этой системе функционирует цитохром Р

Особенностью превращений полициклических углеводов является то, что их метаболиты обладают выраженной канцерогенной активностью. Так, бензатрацен после гидроксилирования превращается в эпоксид бензантрацена, затем в бензантрацендиол. Эпоксид — канцероген.

Другая группа канцерогенов — ароматические амины, с которыми контакти­ руют лица, занятые в производстве анилиновых красителей. Один из них 2- нафтиламин, метаболизм которого осуществляется преимущественно в печени.

2-нафтиламин превращ ается в 2-амино-1 -нафтол. Этот продукт, высвобожда­ ясь из коньюгатов в мочевом пузыре, при повторяющихся контактах может вызвать раковое перерождение клеток его слизистой.

Не был принят к производству инсектицид из класса ароматических аминов

— ацет илам иноф луорен, в процессе метаболизма которого образуется ацетиламинофлуоренсульфат — канцероген, поражающий печень.

А ф лот оксины — метаболиты некоторых видов плесени. Один из них — афлотоксин Bj — вызывает рак печени даж е при однократном введении животным.

Н ит розам ины в процессе метаболизма, осуществляемого в микросомальной системе окисления, образуют ион карбония (СНЗ+). Он может метилировать нуклеиновые кислоты и белки. Это сопровождается индуцированием злокачес­ твенных опухолей в печени, легких, желудке и пищеводе. Источники нитрозаминов — вторичные алифатические амины, которые, взаимодействуя с нитра­ тами, образуют нитрозамины.

Любой фактор, активирующий микросомальные системы метаболизма по­ тенциальных канцерогенов, может привести к ускоренному накоплению проме­ жуточных канцерогенных продуктов. То ж е относится и к факторам, зам едля­ ющим выведение канцерогенов из организма.

Печень стоит на пути движения веществ из пищеварительного тракта в общий кровоток. Это позволяет ей регулировать концентрацию в крови многих метаболитов, в первую очередь глюкозы, липидов и аминокислот. Печень поглощает большое количество глюкозы, превра­ щ ая ее в гликоген. Этим обеспечивается запасание энергетического материала, способного отдать организму 400 ккал. Печень поддерж ива­ ет уровень глюкозы в крови, расщ епляя гликоген и осущ ествляя глюконеогенез. Для синтеза глюкозы печень использует преимущес­ твенно лактат и аланин мышечной ткани, а такж е глицерол жировой ткани.

При недостаточном энергообеспечении (голодание, сахарный диабет, интенсивные энерготраты, не восполняемые за счет поступления углеводов извне) в печени ускоряются процессы распада жирных кислот, сопровождающиеся интенсификацией кетогенеза. Это стано­ вится возможным благодаря снижению содержания малонил-КоА, ингибирующего образование ацилкарнитина — активной формы ж ир­ ной кислоты, способной проникать в матрикс, где протекает окисление. Источник жирных кислот — липолиз в жировых депо. Кетоновые тела, главным образом ацетоацетат, служат энергетическим материалом для других тканей. Если ж е энергообеспечение организма достаточно, содержание малонил-КоА повышается, и тогда тормозится транспорт жирных кислот в матрикс митохондрий. В этом случае жирные кислоты используются в синтезе триацилглицеридов и фосфолипидов в ткани печени, а такж е активнее встраиваются в транспортные формы липидов.

Свои энергетические потребности печень обеспечивает преимущ ес­ твенно за счет кетокислот, образующихся при дезаминировании и переаминировании аминокислот — интенсивно протекающих здесь процессов. Использовать в качестве энергетического материала ацето­ ацетат печень не может, так как отсутствует трансфераза, обеспечи­ вающая образование его активной формы — ацето-ацетил-КоА .

Наряду с синтезом белков, необходимых для возобновления собствен­ ных структур и функционирования ферментных систем, печень синтези­ рует и экспортирует белки, поддерживающие коллоидно-осмотическое давление плазмы крови и транспорт ряда ее биологически активных соединений, белки свертывания крови, белки с защитными функциями, а также защищающие организм от эндогенных и экзогенных токсикантов.

Если в дополнение к сказанному принять во внимание тот факт, что на собственные энергетические нужды печень не использует соедине­ ний, которые могут служить источниками энергии в мышцах и мозге (ацетоацетат), то нельзя не согласиться с тем, что печень — «прямотаки альтруистический орган» (Л.Страйер), который явно не заслуж и ­

вает обид, наносимых ему неумеренным потреблением обильной и жирной пищи и этанолсодержащих напитков.

5.6. Почка

Почка — орган, который образует и выделяет в большом объеме секрет (мочу), продуцируемый ею из компонентов плазмы. Объем и состав мочи может колебаться в значительных пределах, отраж ая состояние водно-электролит- ного обмена прежде всего в жидких средах организма. Функционирование почки как органа, через который реализуются регуляторные влияния на водно-минеральный и другие виды обмена, в значительной степени определяет состояние этих сред. Это обстоятельство обосновывает последовательность изложения материала.

5.6.1. Жидкости организма

Компартментпализация (распределение по компартментам — участкам или отсекам) воды в организме взрослого человека такова. Общее ее количество равно примерно 1/2 от массы тела, 2/3 приходится на внутриклеточный сегмент

иоколо 1/3 — на внеклеточный (интра- и экстрацеллюлярный). Внеклеточный сегмент включает два субсегмента — интравазальный (плазма крови, лимфа)

иэкстравазальный. В составе экстравазального выделяются сегменты интер­ стициальный (межклеточный) и трансцеллюлярный (жидкости пищ еваритель­ ного тракта, мочевыводящих путей, внутрисуставная жидкость и др.).

Суточная потребность в воде — 1 500 мл, таковы ж е и потери с потом,

калом, мочой и выдыхаемым воздухом. Потребность обеспечивается за счет поступления извне и за счет окислительного распада глюкозы и липидов (до 300 мл).

Состав жидкостей. Для внутриклеточной жидкости типичны катионы калия, магния, кальция. Анионы представлены протеинами и нуклеиновыми кислотами. К типичным катионам внеклеточной жидкости относятся ионы натрия, в меньшей степени — кальция. Анионы здесь представлены хлором,

200 Мэкв/л Н,0

•ис. 99. Электролитный состав жидкостей организма. Для внутриклеточной

скости взяты величины, характерные для скелетной мышцы.

гидрокарбонатом, протеинами и органическими кислотами. Соотношение м еж ­ ду важнейшими диссоциирующими компонентами внеклеточной и внутрикле­ точной жидкостей представлены на рис. 99.

При сопоставлении приведенных на рисунке данных видно, что в составе внутриклеточной жидкости из анионов преобладают белок, сульфаты и ф осф а­ ты, из катионов — калий, магний и натрий. В межклеточной жидкости анионы представлены преимущественно карбонатами и хлором, имеются органические кислоты, низко содержание белка. По содержанию катионов этот сегмент такж е существенно разнится от внутриклеточного: основной катион — натрий, которого здесь в 15-20 раз больше, а калия в 20-40 раз меньше, чем в клетках. Заметно меньше в межклеточной жидкости ионов магния, но присутствует кальций.

Электролитный состав плазмы крови сходен с интерстициальной жидкостью, отличаясь по содержанию белка (примерно в 4 раза ниже, чем в клетках).

Интерстициальная жидкость почти не содержит белка, а главные в количес­ твенном отношении катионы и анионы одновалентны, высота колонки на диаграмме (см. рис: 99) показывает не только молярные концентрации, но и осмолялъностъ, т.е. концентрацию осмотически активных частиц независимо от их размеров, массы и заряда. Большой вклад в осмотическое давление вносят многовалентные частицы (ионы магния, фосфаты, сульфаты, белок), которых в клетке значительно больше. Концентрация электролитов, выраж енная в миллиэквивалентах, выше, чем вне клетки. Концентрация белка в плазме — промежуточная между ее значениями во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях.

Таким образом, отличаясь по концентрации электролитов, рассмотренные водные сегменты близки по осмотическому давлению. Это обусловлено прони­ цаемостью мембраны клеток для воды, которая устремляется через мембрану в сторону более высокого осмотического давления до его выравнивания.

Различия электролитного состава — результат функционирования процес­ сов активного транспорта, избирательной проницаемости и клеточного метабо­ лизма.

5.6.2. Регуляция параметров внеклеточной жидкости

Осмотическое давление внеклеточной жидкости находится в постоянном равновесии с давлением во внутриклеточной жидкости. Во внеклеточной жидкости осмотическое давление регулируют почки, которые могут выделять мочу с концентрацией хлорида натрия от следовой до 340 ммоль/л. При выделении мочи, бедной хлоридом натрия, осмотическое давление из-за задерж ки соли будет возрастать, а при быстром выделении соли — падать.

Концентрация мочи контролируется гормонами: вазопрессин (антидиуретический гормон), усиливая обратное всасывание воды, повышает концентрацию соли в моче, альдостерон стимулирует обратное всасывание натрия. Продук­ ция и секреция этих гормонов зависит от осмотического давления и концен­ трации натрия во внеклеточной жидкости. При снижении концентрации соли в плазме увеличивается продукция альдостерона и задерж ка натрия возрас­ тает, при повышении — увеличивается продукция вазопрессина, а продукция альдостерона падает. Это увеличивает реабсорцию воды и потери натрия, способствует уменьшению осмотического давления. Кроме того, рост осмоти­

осморецепторы гипоталамуса.

Объем внеклеточной жидкости подвергается наибольшим колебаниям. Его значение зависит:

1.От концентрации белков в плазме, особенно от количества альбумина, снижение его концентрации сопровождается уменьшением объема, рост — повышением.

2.От общего количества натрия в организме, который обусловливает задерж ку воды в количестве, достаточном для поддержания изотонического давления. Так, если прекратится поступление натрия с пищей и водой, почка ограничивает его выделение. При избыточном введении натрия с пищей почки задерж ат воду в объеме, необходимом для нормализации осмотического давления.

Поступает в пищеварительный тракт с различными пищевыми продуктами, усваивается в тонком кишечнике, удаляется с мочой.

Содержание фосфатов в крови коррелирует с содержанием кальция, контро­ лируется паратгормоном, кальцитонином и 1,25-дигидрооксихолекальциферо- лом.

Кислотно-щелочное состояние. Метаболическая активность клеток при прочих равных условиях зависит от концентрации ионов водорода, которую вы раж ает значением pH. Эта величина варьирует во внутриклеточной жид­ кости от 4,5 (клетки предстательной железы) до 8,5 (остеобласты), но достаточ­ но стабильна во внеклеточном секторе — 7,4 (7,36-7,44) в артериальной, 7,38

— в венозной крови. Колебания pH в этих водных сегментах, совместимые с жизнью, — от 6,9 до 7,8. Вместе с тем в нормальных условиях метаболизм — постоянный источник веществ, изменяющих pH (например, продукция угле­ кислоты, образование кислых метаболитов, поступление с пищей основных и кислых соединений и др.).

Постоянство pH во внеклеточном сегменте поддерживается сильными бу­ ферными системами крови, дыхательной и почечной регуляцией.

Буферные системы крови. Основной буфер внеклеточной жидкости — система Н С 0э'/Н 2С 03. Главенство этой системы связано с тем, что во внеклеточ­ ной жидкости количество НСО‘ значительно больше, чем любого другого буфера, и тем, что количество С 02 не лимитировано. Кроме того, почки и легкие могут в широком диапазоне изменять выделение СО, и НСО.~. Существенно и наличие связи между углекисло-бикарбонатной системой и системой гемогло­ бина.

Углекислота находится в равновесии с ионами, на которые она диссоциирует, и с углекислым газом. Сумма СОг + Н,СО пропорциональна рС 02: (Р,СОэ) = а • рС02, где а — модифицирующий коэффициент абсорбции Бунзена, т.е. отношение концентраций С 02/Н „С 03 (для плазмы и цельной крови —- 0,0301).

В соответствии с уравнением Гендерсен-Хассельбаха

где рК — отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации углекислоты (6,099 при 38°С и pH 7,4).

Буферная емкость этой системы быстро и точно регулируется легкими и почками, от функции легких зависит знаменатель уравнения (от скорости выделения С 02), от функции почек — числитель (от скорости выделения бика рбона тов).

pH с помощью рассматриваемого буфера стабилизируется так. Поступая в кровь, кислые основания реагируют с бикарбонатом, образуя нейтральные соли и высвобождая эквивалентное количество углекислоты. Ее избыток выделяется с выдыхаемым воздухом. Поступающие в кровь щелочные соеди­ нения нейтрализуются углекислотой, выделение которой уменьшается. В итоге при поступлении кислоты или щелочи временно изменяется количе­ ственное соотношение углекислоты и бикарбоната, но сохраняется стабильное значение pH.

Для бикарбонатов крови предложено название «щелочной резерв» —

избыток оснований, который остается после нейтрализации всех нелетучих кислот. Этот остаток способен нейтрализовать новые порции поступающей в кровоток кислоты.

Протеин- и гемоглобинбуферные системы такж е участвуют в стабилизации кислотно-щелочного состояния крови. В составе протеинов имеются аминокис­ лотные остатки со свойствами амфолитов, таких соединений, которые могут быть и донаторами и акцепторами ионов водорода. Присоединяя или отдавая ионы водорода в зависимости от их концентрации в среде, амфолиты стабили­ зируют концентрацию протонов. Однако буферная емкость сывороточных протеинов невелика.

Гемоглобин участвует в стабилизации кислотно-щелочного состояния пос­ редством следующих двух механизмов.

1. Степень диссоциации оксигемоглобина зависит от активной реакции среды.