Биологическая химия - часть 78

Рис. 9.11. Трансмембранная передача информации с участием аденилатциклазы
(АС) и ГТФ-связывающих белков.
G

S

 - стимулирующий и G

i

 - ингибирующий ГТФ-связывающие белки; R

S

 и R

i

 - соответствую-

щие рецепторы для G

S

 и G

i

. Показаны участки активации сигнала форскалином, теофиллином

и кофеином, а также ингибирования холерным и коклюшным токсинами.

ница комплекса тесно ассоциирована с α- и γ-субъединицами. Последние

модифицированы жирнокислотными радикалами – миристоильным радика-

лом в случае α-субъединицы (присоединен через остаток глутаминовой

кислоты) и геранильным радикалом в случае γ-субъединицы (присоединен

к радикалу цистеина). Такая модификация прочно ассоциирует G-белки

с мембранным бислоем. Следовательно, регуляторные белки функциониру-

ют в тесной связи с мембраной, и их свойства зависят от физико-химических

характеристик мембраны.

Установлено, что нарушение взаимодействия между белковыми молеку-

лами в олигомерном ансамбле Na

+

/К

+

-АТФазы, происходящее, например,

при ее свободнорадикальной модификации в ишемическом мозге, устраняет

способность АТФ регулировать активность этого фермента.

Приведенные примеры указывают на важное биологическое значение

олигомерных ассоциатов мембранных белков, состоящее в том, что при

изменении физико-химических свойств мембраны соответственно изменяет-

ся и характер взаимодействия мембранных структур. Таким образом

формируются обратные связи для приспособления обмена веществ к по-

требностям организма.

G-белки делятся на несколько типов, причем один из них выполняет

стимулирующую, а остальные – ингибирующую функции. Взаимодействие

соответствующего G-белка с ферментом–усилителем сигнала приводит

к изменению свойств фермента и соответственно к изменению его активно-

сти. В случае циклического АМФ (рис. 9.11) возможна как активация

аденилатциклазы, так и ее ингибирование (в зависимости от типа G-белков,

участвующих в трансформации сигнала). Итогом будет изменение скорости

синтеза цитоплазматического цАМФ – активатора протеинкиназ, регулиру-

ющих функцию клеточных белков в результате их фосфорилирования.

В неактивном состоянии протеинкиназа представляет собой димер из

317

Стимулирующий внешний сигнал

Ингибирующий внешний сигнал

включение

Холерный

токсин

ГТФ

АТФ

выключе-

ние

включение

Коклюшный

токсин

ГТФ

ГДФ

ГДФ

выключение

Теофиллин

Кофеин

АМФ

Фосфодиэстераза

цАМФ + П-киназа

R-цАМФ + С

Белок

(неактивен)

P

i

Белок-Р

(активен)

Клеточный ответ

каталитической и регуляторной субъединиц. Активация протеинкиназы

обеспечивается связыванием цАМФ с регуляторной субъединицей, что

вызывает диссоциацию и активацию каталитической субъединицы.

Субстратами протеинкиназ являются разнообразные белки, фосфорили-

рование которых изменяет их активность. Например, активация протеин-

киназы А со стороны цАМФ приводит к фосфорилированию гликогенсин-

тазы и гликогенфосфорилазы. При этом активность первого фермента

подавляется, а второго усиливается (см. главу 10). Таким образом, появле-

ние в кровяном русле адреналина, активирующего аденилатциклазу миоци-

тов, улучшает энергетическое обеспечение сокращений сердечной мышцы.

Известно несколько типов протеинкиназ, активируемых различными

эффекторами. Субстраты протеинкиназ – огромное количество белков, фос-

форилирование которых приводит к изменению их активности. Более того,

обнаружены протеинфосфатазы, которые, осуществляя гидролиз фосфат-

ной группы, возвращают белковую молекулу в исходное состояние. Во

многих случаях мишенью действия киназ являются другие киназы, которые

фосфорилируют фосфатазы, в свою очередь регулируя их функцию. Таким

образом, регуляция метаболизма имеет каскадный характер.

Глава 10

МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ

Метаболизм (обмен) углеводов в организме человека состоит в основном из

следующих процессов:

1. Расщепление в пищеварительном тракте поступающих с пищей по-

лисахаридов и дисахаридов до моносахаридов. Всасывание моносахаридов

из кишечника в кровь.

2. Синтез и распад гликогена в тканях, прежде всего в печени.

3. Гликолиз. Понятие «гликолиз» означает расщепление глюкозы. Пер-

воначально этим термином обозначали только анаэробное брожение, за-

вершающееся образованием молочной кислоты (лактата) или этанола

и СО

2

. В настоящее время понятие «гликолиз» используется более широко

для описания распада глюкозы, проходящего через образование глю-

козо-6-фосфата, фруктозобисфосфата и пирувата как в отсутствие, так

и в присутствии кислорода. В последнем случае употребляют термин

«аэробный гликолиз» в отличие от «анаэробного гликолиза», завершаю-

щегося образованием молочной кислоты (лактата).

4. Аэробный путь прямого окисления глюкозы или, как его называют,

пентозофосфатный путь (пентозный цикл).

5. Взаимопревращение гексоз.

6. Аэробный метаболизм пирувата. Этот процесс выходит за рамки

углеводного обмена, однако может рассматриваться как завершающая его

стадия: окисление продукта гликолиза – пирувата.

7. Наконец, важным является процесс глюконеогенеза, или образование

углеводов из неуглеводных продуктов. Такими продуктами являются в пер-

вую очередь пировиноградная и молочная кислоты, глицерин, амино-

кислоты и ряд других соединений.

ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ

Расщепление крахмала (и гликогена) начинается в полости рта под дейст-

вием амилазы слюны.

Известны три вида амилаз, которые различаются главным образом по

конечным продуктам их ферментативного действия: α-амилаза, β-амилаза

и γ-амилаза. α-Амилаза расщепляет в полисахаридах внутренние α-1,4-свя-

зи, поэтому ее иногда называют эндоамилазой. Молекула α-амилазы

содержит в своих активных центрах ионы Са

2+

, необходимые для фер-

ментативной активности. Кроме того, характерной особенностью α-ами-

лазы животного происхождения является способность активироваться од-

новалентными анионами, прежде всего ионами хлора.

Под действием β-амилазы от крахмала отщепляется дисахарид маль-

тоза, т.е. β-амилаза является экзоамилазой. Она обнаружена у высших

растений, где выполняет важную роль в мобилизации резервного (запасно-

го) крахмала.

319

γ-Амилаза отщепляет один за другим глюкозные остатки от конца

полигликозидной цепочки. Различают кислые и нейтральные γ-амилазы

в зависимости от того, в какой области рН они проявляют максимальную

активность. В органах и тканях человека и млекопитающих кислая γ-ами-

лаза локализована в лизосомах, а нейтральная – в микросомах и гиало-

плазме. Амилаза слюны является α-амилазой. Под влиянием этого фер-

мента происходят первые фазы распада крахмала (или гликогена) с образо-

ванием декстринов (в небольшом количестве образуется и мальтоза). Затем

пища, смешанная со слюной, попадает в желудок.

Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих сложные

углеводы. В желудке действие α-амилазы слюны прекращается, так как

желудочное содержимое имеет резко кислую реакцию (рН 1,5–2,5). Однако

в более глубоких слоях пищевого комка, куда не сразу проникает желу-

дочный сок, действие амилазы некоторое время продолжается и происходит

расщепление полисахаридов с образованием декстринов и мальтозы.

Наиболее важная фаза распада крахмала (и гликогена) протекает в две-

надцатиперстной кишке под действием α-амилазы поджелудочного сока.

Здесь рН возрастает приблизительно до нейтральных значений, при этих

условиях α-амилаза панкреатического сока обладает почти максимальной

активностью. Этот фермент завершает превращение крахмала и гликогена

в мальтозу, начатое амилазой слюны. Напомним, что в молекулах амило-

пектина и гликогена в точках ветвления существуют также α(1–>6)-глико-

зидные связи. Эти связи в кишечнике гидролизуются особыми ферментами:

амило-1,6-глюкозидазой и олиго-1,6-глюкозидазой (терминальная декстри-

наза).

Таким образом, расщепление крахмала и гликогена до мальтозы проис-

ходит в кишечнике под действием трех ферментов: панкреатической α-ами-

лазы, амило-1,6-глюкозидазы и олиго-1,6-глюкозидазы.

Образующаяся мальтоза оказывается только временным продуктом,

так как она быстро гидролизуется под влиянием фермента мальтазы

(α-глюкозидазы) на 2 молекулы глюкозы. Кишечный сок содержит также

активную сахаразу, под влиянием которой из сахарозы образуются глюкоза

и фруктоза *.

Лактоза, которая содержится только в молоке, под действием лактазы

кишечного сока расщепляется на глюкозу и галактозу. В конце концов

углеводы пищи распадаются на составляющие их моносахариды (преиму-

щественно глюкоза, фруктоза и галактоза), которые всасываются кишечной

стенкой и затем попадают в кровь.

Следует заметить, что активность свободных дисахаридаз в просвете

кишечника невелика. Большая часть их ассоциирована с небольшими

«выпуклостями» на щеточной каемке эпителиальных клеток кишечника.

Напомним, что на внутренней поверхности тонкой кишки располагают-

ся ворсинки. В тощей кишке человека на 1 мм

2

 поверхности приходится

22–40, в подвздошной – 18–30 ворсинок. Снаружи ворсинки покрыты ки-

шечным эпителием, клетки которого имеют множественные выросты – мик-

роворсинки (до 4000 на каждой клетке). На 1 мм

2

 поверхности тонкой

кишки у человека 80–140 млн микроворсинок.

При соответствующей обработке препаратов над микроворсинками

обнаруживается волокнистая сеть, представляющая собой гликопротеино-

* Гидролиз сахарозы сопровождается изменением знака оптического вращения: право-

вращающая сахароза превращается в левовращающую смесь глюкозы и фруктозы. Эту смесь

называли раньше инвертированным сахаром.

320