СЕЧОУТВОРЮВАЛЬНА ФУНКЦІЯ НИРОК. ПАТОБІОХІМІЯ НИРОК. БІОХІМІЯ М’ЯЗІВ І СПОЛУЧНОЇ ТКАНИНИ
БІОХІМІЯ НИРОК
Нирки – парний орган, призначений для підтримання постійності внутрішнього середовища організму та виділення кінцевих продуктів обміну. Вони регулюють водно-сольовий баланс, кислотно-основну рівновагу, виділення азотових шлаків, осмотичний тиск рідин організму, беруть участь у регуляції артеріального тиску і стимулюють еритропоез.
Особливості обміну речовин у нирках
Нирки є основним органом виділення. З їх участю відбувається виділення з організму кінцевих продуктів білкового обміну, а також води і солей. За своєю функціональною здатністю нирки важливіші, ніж такі органи виділення, як кишечник, шкіра, легені й печінка. Зупинка функції нирок несумісна з життям – людина помирає на 4-6 день після її відключення.
Тканина нирки містить багато води (близько 84 %), що вказує на високий рівень метаболічних процесів. Про високу інтенсивність окисних процесів у нирках свідчить значна здатність їх поглинати кисень: нирки поглинають до 10 % усього кисню, що використовується організмом. Протягом доби через нирки протікає 700-900 л крові. Основним енергетичним матеріалом для роботи нирок є вуглеводи. У нирках інтенсивно відбувається гліколіз, кетоліз, аеробне окиснення і пов'язане з ним фосфорилювання, що зумовлює найефективніше використання енергії та утворення найбільшої кількості АТФ. У кірковій речовині нирок домінує аеробний тип обміну речовин, а у мозковій – анаеробний.
У нирках на високому рівні інтенсивно відбувається обмін білків. Зокрема, досить активно перебігають процеси трансамінування і дезамінування, що супроводжуються утворенням аміаку. Головним джерелом для його утворення є розщеплення глутаміну, який потрапляє в нирки із різних тканин.
У результаті взаємодії аргініну і гліцину під впливом трансамідинази в нирках утворюється гуанідинацетат, який переноситься кров'ю в печінку, де перетворюється в креатин. Підвищення в крові активності даного ферменту спостерігається за умов ураження нирок або некрозу підшлункової залози.
Ниркова тканина багата на різні ферменти, зокрема, ЛДГ, АсАТ, АлАТ. Тут проявляють високу активність ізоферменти ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ5, але розподіл їх неоднорідний. Так, у кірковій речовині нирок переважають ЛДГ1 і ЛДГ2 форми, а в мозковій – ЛДГ3 і ЛДГ5. Важлива роль у нирках належить ізоформам аланінамінопептидази (ААП).
Механізм сечоутворення
В основі утворення сечі лежать процеси, що відбуваються в нефронах: фільтрація, реабсорбція і секреція.
Клубочкова фільтрація води і низькомолекулярних компонентів плазми зумовлена різницею між гідростатичним тиском крові в капілярах клубочків (приблизно 70 мм Нg), онкотичним тиском білків плазми крові (приблизно 30 мм Нg) та гідростатичним тиском ультрафільтрату плазми крові в капсулі клубочка (приблизно 20 мм Нg). У нормі ефективний фільтраційний тиск, що спричиняє клубочкову фільтрацію, визначається за формулою
70 мм Hg – (30 мм Hg + 20 мм Hg) = 20 мм Нg.
Величина гідростатичного тиску в капсулі клубочка нирок визначається, в основному, співвідношенням просвіту приносної і виносної артеріол клубочка. У нормі діаметр приносної артеріоли на 30 % більший, ніж виносної. Звуження виносної артеріоли, яке призводить до збільшення різниці в діаметрі приносної і виносної артеріол, буде збіль¬шувати фільтрацію і навпаки, звуження приносної артеріоли знижує фільтрацію.
У результаті фільтрації утворюється так звана первинна сеча, в якій практично немає білка. За добу в просвіт канальців надходить 180 200 л ультрафільтрату плазми крові. Оскільки фільтрація є пасивним процесом, то у фільтраті компоненти містяться приблизно в таких концентраціях, як і в плазмі. Тільки білки потрапляють в ультрафільтрат у дуже незначній кількості (з невисокою молекулярною масою), та й ті здебільшого реабсорбуються. Зворотному всмоктуванню не підлягають сечовина (частково), сечова кислота, креатинін, парні сполуки та інші кінцеві продукти обміну, які не потрібні організмові. Таким чином, другим чинником сечоутворення є реабсорбція.
Крім реабсорбції, в канальцях відбувається ще додаткова секреція лугів, кислот, деяких пігментів, лікарських речовин тощо. Внаслідок усіх цих процесів, тобто зворотного всмоктування одних речовин, концентрації інших, а також додаткової секреції, первинна сеча поступово перетворюється на вторинну. Ця сеча вже істотно відрізняється за своїм складом від плазми крові. Таким чином, завдяки переміщенню крові через нирки відбувається очищення її від різних непотрібних і шкідливих речовин. Практично всі біологічно важливі для організму речовини реабсорбуються.
Реабсорбція відбувається або простою дифузією, або активним транспортом. Більшість речовин реабсорбується за допомогою активного транспорту, який потребує значних затрат енергії. Тому в канальцях нирок надзвичайно розвинута система активного транспорту речовин. Висока активність Na+, K+-АТФази створює Na+/K+-градієнт для вторинного активного транспорту різних речовин.
Значна роль в активному транспорті натрію із дистальних канальців в міжклітиннй простір належить гормону кори надниркових залоз альдостерону. Секреція альдостерону зростає, коли концентрація Nа+ в плазмі крові нижча за норму. Під дією альдостерону іони Nа+ можуть повністю реабсорбуватися із сечі. Зрозуміло, що за умов підвищення концентрації Nа+ в плазмі дія альдостерону буде незначною.
Ниркова регуляція тиску крові
Нирки здійснюють контроль рівня артеріального кров'яного тиску. Ряд різновидів гіпертонії людини пов'язаний із різними нирковими порушеннями.
Утворення і виділення реніну здійснюється юкстагломерулярним апаратом для здійснення гомеостатичного контролю над артеріальним тиском (у відповідь на його зниження). Крім того, зменшення об'єму крові та позаклітинної концентрації іонів натрію або калію стимулює поза клітиною посилення синтезу і виділення реніну. Ангіотензин ІІ діє безпосередньо на надниркові залози, стимулюючи виділення альдостерону, який викликає затримку в організмі іонів натрію. Гіпертензивна дія ангіотензину ІІ регулюється також кінінами плазми, які мають здатність підвищувати проникність капілярів і розширювати судини, що спричиняє зниження артеріального тиску. Прикладом таких кінінів можуть бути калідин та брадикінін. Це пептиди, які утворюються в результаті протеолітичного розщеплення кініногену, що міститься в глобуліновій фракції плазми. Таке розщеплення можуть викликати трипсин, плазмін та інші протеолітичні ферменти тканин і рідин організму – калікреїни. Брадикінін (нонапептид) виникає під впливом калікреїну плазми, а калідин (декапептид) утворюється при дії на кініноген калікреїнів підшлункової залози й інших органів.
Нирки і кислотно-лужна рівновага
Разом із легеневою системою і буферними системами крові нирки підтримують на постійному рівні рН крові та інших тканин. Найшвидше реагують на зміну рН буферні системи крові (їх дія виявляється вже через 0,5-1 хв і менше), легені впливають на нормалізацію концентрації водневих іонів крові через 1-3 хв. Нормалізуюча дія нирки на зміну рН відзначається найпізніше (10-20 годин).
Визначальним механізмом підтримання концентрації водневих іонів в організмі за допомогою нирок є процеси реабсорбції натрію і секреції іонів водню. В основі їх дії лежать декілька хімічних процесів:
1. Реабсорбція іонів натрію під час перетворення двозаміщених фосфатів в однозаміщені. У процесі переміщення клубочкового фільтрату по нефрону відбувається вибіркове всмоктування клітинами канальців іонів Na+, замість яких у просвіт канальців із клітин потрапляють іони водню. Наслідком цього є перетворення двозаміщеного фосфату Na2HPO4 на однозаміщений NaН2РО4, який виділяється із сечею.
2. Затримці в організмі іонів натрію і виведенню іонів водню сприяє перетворення бікарбонатів у вугільну кислоту, яка розкладається на СО2 і Н2О під впливом ферменту карбоангідрази з утворенням вугільної кислоти. Вугільна кислота дисоціює на аніон бікарбонату й іон водню. Далі Н+ (кислота) виноситься з клітин у канальці нефрону (за механізмом антипорту з Na+) й екскретується із сечею, а НСО3- (луг) із ниркових клітин потрапляє в кров у формі NaHCO3, знижуючи її кислотність.
3. Затримці натрію в організмі сприяє утворення в нирках аміаку і використання його для нейтралізації та винесення кислих метаболітів замість інших іонів. Аміак у тканині нирок утворюється в результаті дезамінування глутаміну та глутамату. Розпад глутаміну відбувається під впливом ферменту глутамінази, який розкладає його до глутамінової кислоти і вільного аміаку.
Сеча – це водний розчин, у якому міститься близько 200 хімічних інгредієнтів, серед яких розрізняють фізіологічні і патологічні, порогові та безпорогові. Всього за добу з сечею дорослої людини виділяється близько 60 г речовин, з них органічних – 35 – 45 г і мінеральних – 15 – 25 г.
Кількість сечі (діурез) у здорової людини становить 1000-2000 мл на добу. Добова кількість сечі, нижча 500 мл і вища 2000 мл, у дорослої людини вважається патологічною. У чоловіків діурез трохи більший, ніж у жінок, і складає в середньому 1500-2000 мл, у жінок – 1000-1600 мл. Добовий діурез може змінюватися залежно від характеру дієти, умов праці, температури навколишнього середовища тощо. Вживання великої кількості води супроводжується збільшенням діурезу до 2000-3000 мл, і навпаки, обмежене споживання води призводить до зменшення діурезу до 700 мл і навіть менше. Вживання фруктів, ягід і овочів, багатих на воду, теж посилює діурез, а сухі продукти, особливо солоні, зменшують його. Зменшується кількість сечі також при роботі в гарячих цехах, в спеку, коли людина втрачає воду переважно з потом.
БІОХІМІЯ М'ЯЗІВ
На м'язи припадає 40-45 % маси тіла. Для медицини вичення біохімії м'язів відкриває можливості для пояснення молекулярних механізмів хвороб, що уражають м'язи (м'язові дистрофії, зміни при гіподинаміях), а також допомагає розробляти ефективні методи лікування та тренування спортсменів. За своїми властивостями м'язи характеризуються великою еластичністю, пластичністю та скоротливістю. Це єдина унікальна природна система, наділена здатністю перетворювати безпосередньо хімічну енергію в механічну з високим коефіцієнтом корисної дії.
Морфологічно м'язи у хребетних тварин поділяють на поперечно¬смугасті, або скелетні, та гладенькі. Структурною одиницею м'язової тканини є м'язове волокно (міоцит), яке утворилося в результаті злиття багатьох ембріональних м'язових клітин. Поперечносмугасті м'язи скорочуються лише на 1/3 від вихідної величини, тоді як гладенькі м'язи, скорочуючись, можуть зменшувати свій поздовжній розмір навіть у декілька разів, наприклад, м'яз матки під час пологів. Відповідно гладенькі м'язи скорочуються повільніше – через де¬кілька секунд, поперечносмугасті – через кілька мілісекунд. Під час скорочення скелетні м'язи можуть виконувати роботу, вкорочуючись при цьому на певну відстань. Таке скорочення називають ізотонічним. М'язи, які не можуть укорочуватись під час скорочення, розвивають тільки напруженість. Прикладом такого скорочення може бути зміна напруженості коротких міжхребцевих м'язів при піднятті вантажів. Для всіх видів скорочення м'язів характерним є виділення певної кількості теплової енергії, спричиненої структурними перебудовами в міоцитах. Функції і властивості м'язів зумовлені їх хімічною структурою.
В м'язах розрізняють 3 види білків: білки саркоплазми, білки міофібрил і білки строми. У саркоплазмі м'язів містяться білки, що розчиняються у воді або сольових розчинах.
До складу міофібрил входять такі білки: міозин (56-60 %), актин (20 25 %), тропоміозин (10-15 %) і тропоніновий комплекс (4-6 %). Білки строми в поперечносмугастих м'язах представлені переважно колагеном, нейрокератином, еластином тощо. Ці білки входять до складу сполучнотканинних елементів стінок судин, нервів та сарколеми.
У м'язах знаходяться нейтральні жири, стериди, ¬фосфоліпіди. Нейтральні жири входять у простір між структурами м'язових волокон і відіграють роль резервного жиру. Їх вміст дуже непостійний. Холестерин і фосфоліпіди є обов'язковими складовими компонентами всіх м'язів і входять до складу клітинних мембран. Вміст фосфоліпідів і холестерину в м'язах збільшується під час тренування.
Скелетні м'язи містять ряд важливих екстрактивних речовин: нуклеотиди (АТФ, АДФ, АМФ, ТТФ, УТФ, ЦТФ, інозинмонофосфат), креатинфосфат, креатинін, карнозин, ансерин, карнітин тощо. Серед них креатин та креатинфосфат мають пряме відношення до скорочення м'язів. В їх синтезі беруть участь 3 амінокислоти: аргінін, гліцин, метіонін. Утворення їх починається в нирках, а завершується в печінці і м'язах. Карнозин і ансерин – це імідазольні дипептиди, які підвищуть ефективність роботи іонних насосів м'язової тканини, сприяють збільшенню амплітуди м'язового скорочення, проявляють виражену антиоксидну дію.
З амінокислот у м'язах найбільше глутамінової кислоти та глутаміну.
У людини вміст глікогену в м'язах знаходиться в межах 0,4-0,8 %, але під впливом тренування він може збільшуватися до 1,5-3 %. Втомлені м'язи містять незначну кількість глікогену. Під час роботи глікоген м'язів розпадається на глюкозу, тріозофосфорні ефіри та інші проміжні продукти гліколізу, в тому числі молочну кислоту.
Загальний вміст мінеральних речовин в м'язах на сиру масу становить 1,0-1,5 %. Із катіонів у м'язах переважають К+, Nа+, Са2+, Мg2+, є також мідь, марганець, цинк; з аніонів – най¬більше фосфатів та сульфатів. За рахунок іонів у м'язах підтримуються сталість рН і осмотична рівновага та здійснюється специфічний вплив на їх збудливість та скоротливість. Зниження концентрації ¬солей у м'язах призводить до зменшення їх збудливості.
Будова філаментів і міофібрил
Саркоплазма поперечносмугастих м'язових волокон містить поздовжньо орієнтовані міофібрили, побудовані з білкових філаментів 2-х типів – товстих і тонких. Скорочення м'язових волокон здійснюється саме за рахунок ковзання товстих і тонких ниток назустріч одні одним. Їх довжина при цьому залишається незмінною. Хімічну енергію для такого ковзання ниток постачає процес гідролізу АТФ до АДФ і фосфату.
Скорочення і розслаблення м'язових волокон регулюються концентрацією іонів Са2+ у саркоплазмі. Таким чином, скоротлива система м'язів забезпечує перетворення хімічної енергії в механічну.
Товсті філаменти складаються з довгих паличкоподібних молекул білка міозину. Кожна молекула побудована з 2-х важких і 4-х легких поліпептидних ланцюгів. Важкі ланцюги на більшій частині довжини мають спіральну структуру і закручені один навколо одного, утворюючи довгий стержень. Кінець важкого ланцюга утворює разом із 2-ма легкими ¬ланцюгами глобулярну голівку молекули. Таким чином, кожна молекула міозину має довгий хвіст і подвійну голівку. Довжина молекули – 150 нм, ¬товщина – приблизно 2 нм. Молекула міозину може згинатись на певній ділянці так, що голівка і частина хвоста повертаються, як на шарнірі. Міозин має власти¬вість ферменту АТФази. Ак¬тивний каталітичний центр локалізований у голівках молекули і містить у зв'язаному стані молекулу АТФ.
Приблизно 400 палочкоподібних мо¬ле¬кул міозину об'єднуються в товстий філамент. Молекули розміщені паралельно, причому половина з них звернена голівками до одного кінця філамента, а друга половина – до іншого. По довжині філамента молекули дещо зсунуті одна відносно одної, їхні голівки розташовані по спіралі й утворюють виступи на поверхні ниток. Голівки від¬сутні в серединній частині філамента. Довжина товстих міозинових філаментів – приблизно 1,5 мкм, діаметр – 10-14 нм.
До складу тонких філаментів входять білки актин, тропоміозин і тропонін.
Відомі дві форми актину: глобулярний G-актин і фібрилярний ¬F актин. Молекули глобулярного актину (молекулярна маса – 42000 Dа, діаметр – приблизно 5 нм) нековалентно з'єднуються, утворюючи ¬F¬¬ актин. Два ланцюги F-актину закручені один навколо одного в спіраль. Кожна молекула G-актину має центр зв'язування, який у стані спокою заблокований. У поздовжньому жолобку спіра¬лі F-актину розміщена паличкоподібна молекула білка тропоміозину. З однією молекулою тропоміозину завдовжки приблизно 41 нм контактують 7 пар глобулярного актину. Крім того, така структура включає 1 молекулу глобулярного білка тропоніну, який складається із 3 х субодиниць (С, І, Т). Ці структури об'єднуються кінець до кінця в тонкі філаменти завдовжки 1 мкм. Тропонін і тропоміозин – регуляторні білки, за допомогою яких запускається і виключається утворення поперечних містків між актином і міозином.
Міофібрили містять приблизно 2500 філаментів. Товсті й тонкі філаменти розміщені в міофібрилах упорядкованим чином. На 1 товсту міозинову нитку припадає 2 тонких (при поздовжньому розрізі). На поперечному розрізі тонкі філаменти утворюють шестикутник, у центрі якого розташований товстий філамент. У саркомері, структурній одиниці міо¬фібрили, товсті міозинові нитки розміщені в смузі А, їх обидва кінці вільні, а тонкі нитки – у І-смузі й одним кінцем прикріплені до Z пластинок.
Тонкі нитки заходять на деяку відстань у смугу А, перекриваючись із товстими нитками. При скороченні міофібрил ділянка перекриття ниток значно збільшується. У повністю скороченому стані весь саркомер перетворюється на зону перекриття.
Молекулярні механізми скорочення м'язового волокна
Скорочення м'яза ініціюється потенціалом дії, який поширюється від нейром'язового синапсу в обох напрямках вздовж м'язового ¬волокна. ¬Через систему Т-тру¬бочок нервовий сигнал передається на цистерни саркоплазматичної сітки і спричиняє зміни проникності мембран для іонів Са2+ і вихід їх у саркоплазму. У стані спокою концентрація Са2+ у сарко¬плаз¬мі становить менше як 10-7 моль/л. Вна-слідок виходу іонів Са2+ із цистерн концентрація їх у саркоплазмі швидко досягає 10-5 моль/л, тобто зростає в сот¬ні раз. Іони Са2+ при¬єднуються до кальційзв'язувальної субодиниці тропоніну тонких філаментів, що зумовлює зміну конформації білка. Це, у свою чергу, спричиняє перемі¬щення молекули тро¬поміозину по жолобку тонкого філамента, в результаті чого на молекулах глобулярного актину в складі F-актину відкриваються центри зв'язування з голівками міозину товстих ниток.
Міозинові голівки із зв'язаними в АТФазному центрі молекулами АТФ приєднуються до найближчих молекул G-актину тонких ниток. Утворюються поперечні містки. Внаслідок взаємодії актину і міозину ¬АТФазний центр міозинових голівок активується, гідролізує АТФ до АДФ і Фн, які вивільняються з каталітичного центру. Це супроводжується зміною конформації міозину, згинанням голівки молекули в ділянці шарніру. ¬Оскільки міозинова голівка зв'язана з молекулою актину, її рух протягує тонкий філамент вздовж міозинового. Зв'язування в АТФазному центрі голівки міозину нової молекули АТФ викликає розрив поперечних містків і відновлення вихідної конформації молекули міозину. Зв'язування голівки з наступною молекулою актину тонких ниток починає новий цикл. Амплітуда кожного такого переміщення становить близько 11 нм, а частота – приблизно 50 разів на секунду. Одночасна, але не синхронна робота великої кількості міозинових голівок зумовлює за рахунок енергії гідро¬лізу АТФ ковзання тонких і товстих ниток назустріч одні одним і як результат цього – скорочення м'язового волокна.
Коли на волокно перестають надходити нервові імпульси, вихід Са2+ із цистерн припиняється, а АТФаза мембран саркоплазматичної сітки, що функціонує як кальцієва помпа, переносить іони Са2+ за рахунок енергії АТФ (проти градієнта концентрації) із саркоплазми назад у цистерни.
Вміст цієї Са2+, Мg2+-АТФази в мембрані ретикулума становить 95 % усіх білків мембрани. При зниженні концентрації Са2+ у сарко¬плазмі до 10 7 моль/л комплекс Са2+-тропонін дисоціює, тропоміозин зсувається по жолобку тонкого філамента на вихід¬не місце, блокуючи центри зв'язування на молекулах актину голівок міозину. Всі поперечні містки розриваються, і волокно розслаблюється. Таким чином, АТФ необхідний і для скорочення м'язів, і для їх розслаблення. При недостачі АТФ містки між актином і міозином не розриваються і філаменти фіксуються в з'єднаному положенні (контрактура м'яза). Цим пояснюється трупне окоченіння після смерті.
Скорочення гладеньких м'язів
Клітини гладеньких м'язів (міоцити) містять тонкі актинові й товсті міозинові філаменти, але вони не утворюють упорядкованих міофібрил, як у поперечносмугастій м'язовій тканині. Тонкі філаменти містять тропоміозин, але в них немає тропоніну. Для скорочення гладеньких м'язів необхідним є підвищення концентрації іонів Са2+ у цитоплазмі міоцитів. Це досягається надходженням позаклітинного Са2+ через потенціалзалежні Са2+-канали. При концентрації 10-5 моль/л іони Са2+ зв'язуються з білком кальмодуліном і їх комплекс активує фермент кіназу міозину. Остання каталізує реакцію фосфорилювання легких ланцюгів міозину, після чого відбувається взаємодія голівок міозину з актиновими нитками, в результаті скорочуються міоцити. Швидкість скорочення гладенької м'язової тканини в 100-1000 разів менша, ніж у поперечносмугастих м'язах, що зумовлено повільним включенням механізму взаємодії міозину з актином. При зниженні концентрації Са2+ в міоцитах комплекс Са2+-кальмодулінкіназа дисоціює, а від міозину відщеплюються фосфорні залишки під дією фосфатази. Активність кінази міозину зменшується при включенні аденілатциклазної системи.
Джерела енергії м'язової роботи
Джерелом енергії для скорочення і розслаблення м'язів усіх типів є АТФ. У стані спокою м'язи містять близько 5 мкмоль АТФ на 1 г тканини й у 3-8 разів більше іншої високоенергетичної сполуки – креатинфосфату. Останній утворюється з АТФ і креатину за реакцією, яку каталізує креатинкіназа:
Реакція зворотна: коли наявний у м'язах АТФ використовують для роботи, креатинфосфат під дією креатинкінази швидко передає фосфатну групу на АДФ, завдяки чому відновлюється вихідний рівень АТФ. ¬Утворення АТФ із креатинфосфату і АДФ – це найшвидший шлях генерації АТФ в умовах скорочення м'язів. Крім м'язової тканини, креатинфосфат синтезується тільки в нервовій, але в значно меншій кількості.
Таким чином, м'язи, порівняно з іншими тканинами, запасають більший рівень макроергічних сполук, що має значення для дуже швидкого переходу скелетних м'язів від стану спокою до максимальної активності, коли потреба в АТФ зростає у 20-200 разів. Але запасу АТФ і креатинфосфату вистачає тільки на 6-10 с інтенсивної роботи скелетних м'язів. Ресинтез АТФ у м'язах, які працюють, забезпечується, залеж¬но від умов, окисним або субстратним фосфорилюванням.
При максимальних фізичних навантаженнях, наприклад, під час спринтерського бігу, доставка кисню до м'язів стає недостатньою для забезпечення енергетичної потреби. Основним шляхом ресинтезу АТФ стає анаеробний гліколіз. Глікоген м'язів і глюкоза крові розпадаються до молочної кислоти. При цьому 1 залишок глюкози забезпечує утворення 2-х молекул АТФ. Анаеробний розпад глікогену досягає макси¬мального рівня через 40-50 с безперервної роботи м'яза. Посилення гліколізу ініціюється збільшенням рівня АМФ, який є активатором фосфо¬фруктокінази – ¬основного регуляторного ферменту гліколізу. АМФ утворюється в аденіл¬аткіназній реакції, оскільки при скороченні м'язів збільшується вміст АДФ:
При напруженій фізичній роботі накопичення в м'язовій тканині молочної кислоти і відповідне зниження рН, а також підвищення температури внаслідок виділення тепла знижують ефективність обміну. Молочна кислота дифундує у кров і захоплюється печінкою та серцем. У серцевому м'язі, в якому є ізофермент лактатдегідрогенази ЛДГ1, молочна кислота окиснюється в піровиноградну і далі аеробним шляхом. У печінці частина лактату окиснюється, а частина перетворюється шляхом глюконеогенезу в глюкозу, яка виходить у кров і потрапляє в м'язи, де використовується для відновлення запасів глікогену (цикл Корі).
БІОХІМІЯ СПОЛУЧНОЇ ТКАНИНИ
До сполучнотканинних утворень відносять шкіру, підшкірну жирову тканину, кістки, зуби, фасції, строму паренхіматозних внутрішніх органів, нейроглію, стінки великих кровоносних судин тощо.
Волокна побудовані із фібрилярних білків колагену і еластину, а вуглеводно-білкові комплекси, протеоглікани, утворюють основну міжклітинну речовину. Вуглеводними компонентами протеогліканів є гетерополісахариди глікозаміноглікани (стара назва мукополісахариди). Основні низькомолекулярні компоненти сполучної тканини – вода й іони натрію. Вміст волокнистих структур, основної речовини й води неоднаковий у різних видах сполучної тканини. В середньому частка основної міжклітинної речовини в організмі складає 20 % маси тіла, а вся сполучна тканина – близько 50 % маси тіла. З віком у сполучній тканині зменшується вміст води і глікозаміногліканів, а зростає вміст колагену; одночасно змінюються фізико-хімічні властивості волокон.
Фібрилярний білок колаген – найпоширеніший білок в організмі людини. На його частку припадає 25-33 % усього білка, тобто приблизно 6 % маси тіла. Молекула колагену (іноді її називають тропоколагеном) має довжину близько 300 нм, товщину – 1,5 нм, молекулярну масу приблизно 300 000 дальтон, вона побудована з трьох поліпептидних ланцюгів, що мають форму лівозакрученої спіралі з трьома амінокислотними залишками на один виток, тобто відрізняється від альфа‑спіралі глобулярних білків. Колаген – складний білок, глікопротеїн, в якому до частини залишків оксилізину поліпептидного ланцюга 0-глікозидним зв'язком приєднуються вуглеводи – моносахарид галактоза або дисахарид галактозилглюкоза.
Надзвичайно високий вміст у колагені гліцину – амінокислоти, в якій відсутня R-група, й імінокислот (проліну та оксипроліну), які утворюють вигини в поліпептидних ланцюгах, що зумовлює унікальну структуру молекули колагену – триланцюгову спіраль. Між ланцюгами за рахунок СО- і NН-груп пептидних зв'язків, а також ОН-групи оксипроліну, виникають водневі зв'язки, які стабілізують спіраль. Молекули колагену (тропоколагену) розташовуються регулярним чином у поздовжньому і поперечному напрямках і утворюють фібрили, з яких послідовно формуються пучки фібрил, волокна і пучки волокон. Молекули в паралельних ланцюжках фібрили зміщені одна відносно одної приблизно на 1/4 довжини (64 нм). Цим зумовлюється характерна для колагенових фібрил поперечна посмугованість з періодом повторюваності 64 нм.
Зокрема, у сухожиллях фібрили розміщені у вигляді поперечно-зв'язаних пучків колагену типу І, які надзвичайно міцні і практично не розтягуються.
Поліпептидні ланцюги молекул колагену синтезуються на рибосомах, зв'язаних із мембранами ендоплазматичного ретикулума, в клітинах фібробластичного ряду сполучної тканини. Спочатку синтезуються високомолекулярні попередники (проколагени), які мають додаткові пептидні послідовності з обох кінців ланцюга. Амінокислотний склад цих ділянок (пропептидів) відрізняється від складу основного ланцюга. Зокрема, вони містять залишки цистеїну. Одночасно з ростом поліпептидного ланцюга відбувається реакція гідроксилювання деяких залишків проліну і лізину, яку каталізують, відповідно, пролін- і лізингідроксилаза. Для дії ферментів необхідні як субстрати молекулярний кисень і альфа-кетоглутарова кислота, а як кофактори – іон Fe2+ і аскорбінова кислота. При недостатності в організмі вітаміну С гальмуються гідроксилювання і утворення поперечних зв'язків, а в результаті погіршуються механічні властивості колагенових волокон. Аналогічні зміни спостерігаються при спадковому дефіциті лізингідроксилази (синдром Елерса-Данлоса, тип VІ).
Після гідроксилювання до частини залишків оксилізину і оксипроліну приєднуються галактоза і глюкоза. Реакцію глікозилювання каталізують відповідні глікозилтрансферази в канальцях гранулярної ендоплазматичної сітки, куди потрапляють поліпептидні ланцюги проколагену. Після гідроксилювання і глікозилювання поліпептидні ланцюги формують триланцюгову спіраль, чому сприяє утворення дисульфідних зв'язків між ланцюгами на С-кінцях. Проколаген секретується в складі міхурців із клітини в міжклітинний простір, де під дією протеолітичних ферментів (проколагенпептидаз) відщеплюються кінцеві пропептиди. Утворені молекули тропоколагену формують фібрили, які прошиваються поперечними ковалентними зв'язками. В структурну організацію колагенових волокон вносять вклад зв'язані з колагеном протеоглікани. Із кожним колагеновим мономером зв'язується за рахунок електростатичної взаємодії від 2 до 5 полісахаридних ланцюгів. Протеоглікани, вірогідно, захищають колаген від дії колагеназ і протеаз.
Інтенсивний синтез колагену має місце під час загоювання ран. Швидкість загоювання гальмується при недостатності в організмі аскорбінової кислоти, заліза, низькому парціальному тиску кисню в рані. Усі перераховані фактори потрібні для активності пролін- і лізингідроксилаз. Надмірне утворення колагенових фібрил спостерігається при ряді захворювань сполучної тканини (прогресуючому системному склерозі, склеродермії, поліміозиті), фіброзі легень, цирозі печінки. З віком змінюється співвідношення типів колагенів в тканинах, збільшується число поперечних зшивок, лабільні зшивки замінюються стабільними, що робить колагенові фібрили жорсткішими і крихкішими. Причиною вікових структурних змін колагену, вірогідно, є зміни вмісту ферментів, необхідних для синтезу поліпептидних ланцюгів, їх модифікації, утворення поперечних зв'язків. Структурні зміни колагену призводять до зменшення еластичності шкіри, кровоносних судин, збільшення ламкості кісток, погіршення механічних властивостей сухожилків і хрящів.
Білок еластин – основний складник еластичних волокон, яких багато у зв'язках, стінках великих артерій, легенях. Його молекули містять приблизно 800 амінокислотних залишків, мають глобулярну форму, діаметр – 2,8 нм. Вони об'єднуються у волокнисті тяжі за допомогою жорстких поперечних зшивок. У склад волокон входять глікопротеїни, які впливають на просторову організацію молекул еластину у волокнах.
Як і колаген, еластин містить багато гліцину і аланіну, трохи менше проліну, більше валіну; відсутні оксилізин, цистеїн. Поліпептидний ланцюг складається із багатих залишками гліцину спіральних ділянок, розділених коротшими, які містять залишки лізину й аланіну. Саме залишки лізину беруть участь в утворенні поперечних ковалентних зв'язків. Для цього 3 залишки лізину окиснюються ферментативним шляхом до альдегідів (аллізинів), а потім конденсуються з четвертим залишком лізину: утворюються гетероциклічні сполуки, які називаються десмозином чи ізодесмозином
Основну міжклітинну речовину сполучної тканини утворюють протеоглікани, що складаються з невеликої білкової частини, до якої ковалентними зв'язками приєднані полісахаридні ланцюги. Молекулярна маса протеогліканів може досягати десятків мільйонів. На відміну від глікопротеїнів, у протеогліканах основна частина маси припадає на вуглеводну частину (до 93-97 %).
Глікозаміноглікани (або кислі мукополісахариди) – це полісахариди, які побудовані з великої кількості однакових дисахаридних одиниць. Оскільки до складу дисахаридних одиниць входять два різні мономери, глікозаміноглікани відносяться до гетерополісахаридів. Звичайно дисахаридна одиниця складається з аміноцукру (N-ацетилглюкозаміну чи N-ацетилгалактозаміну) й уронової кислоти (глюкуронової чи ідуронової). До аміноцукрів в 4-чи 6-му положенні часто приєднаний залишок сульфату.
Гепарин відрізняється від інших глікозаміногліканів за локалізацією в тканинах та функціями. Синтезується він тканинними базофілами і знаходиться в гранулах. Ці клітини часто локалізуються за ходом кровоносних судин мікроциркуляторного русла. Під час дегрануляції тканинні базофіли викидають гепарин у міжклітинний простір. Гепарин бере участь в регулюванні коагуляції крові. Антикоагуляційний ефект гепарину полягає в посиленні дії інгібітора факторів коагуляції антитромбіну ІІІ.
Основну міжклітинну речовину складають протеогліканові агрегати з гіалуронової кислоти, низькомолекулярних білків і великої кількості мономерних субодиниць протеогліканів. Молекули хондроїтинсульфатів приєднані О-глікозидним зв'язком між ксилозою і серином поліпептидного ланцюга. Ксилоза не входить до дисахаридних одиниць, а виконує функцію додаткового складника, який зв'язує полісахарид із білком. Інші глікозаміноглікани можуть приєднуватись глікозидними зв'язками між N-ацетилглюкозаміном чи N-ацетилгалактозаміном і серином чи аспарагіном поліпептиду. В типовому протеоглікані хрящової тканини до білка приєднано приблизно 150 молекул хондроїтинсульфатів і кератансульфатів.
Протеоглікани різних тканин (шкіри, хрящів, сухожиль, зв'язок, кісток, стінок судин, внутрішніх органів) розрізняються молекулярною масою, розмірами, набором глікозаміногліканів, відносним вмістом білка.
Протеогліканові мономери за допомогою низькомолекулярних білків нековалентно приєднуються до гіалуронової кислоти, утворюючи протеогліканові агрегати. Їх структура нагадує гілочку ялини (або щітку для пляшок). Перпендикулярно до нитки гіалуронової кислоти і вздовж усієї нитки рівномірно розміщені протеогліканові мономери. Довжина молекули гіалуронової кислоти може бути різною (від 450 до 4200 нм) і до неї може приєднуватись понад 100 протеогліканових мономерів. Усі складники протеогліканових агрегатів утримуються разом зв'язками різних типів: іонними, водневими, дисульфідними.
Із віком у хрящовій тканині знижується кількість протеогліканів, зростає вміст колагенових волокон, які можуть затримувати солі кальцію і звапнюватися. Усі ці зміни викликають зменшення ступеня гідратації протеогліканів і втрату пружності хрящової тканини.
Синтез протеогліканів подібний до синтезу глікопротеїнів. Спочатку "коровий" білок синтезується на рибосомах, зв'язаних з ендоплазматичним ретикулом (ЕР). До поліпептидного ланцюга в ЕР послідовно під дією специфічних глікозилтрансфераз приєднуються моносахаридні залишки. Процес продовжується в апараті Гольджі. Після утворення полісахаридного ланцюга певної довжини відбувається приєднання залишків сірчаної кислоти до моносахаридів. Реакція каталізується сульфотрансферазами, а донором служить 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат (ФАФС). Молекули протеогліканів потрапляють у гранули і секретуються з клітин. У міжклітинному просторі відбувається об'єднання складників протеогліканових агрегатів, а також взаємодія їх із колагеновими волокнами.
На обмін протеогліканів і колагену в сполучній тканині впливають ряд гормонів. Так, гормон росту стимулює синтез протеогліканів і колагену. Дія його опосередковується соматомединами. Синтез глікозаміногліканів знижується при недостатності інсуліну. Глюкокортикоїди пригнічують синтез протеогліканів і колагену у сполучній тканині, кістках, шкірі, а також підвищують катаболізм білків у цих тканинах. Тому при гіперфункції кори надниркових залоз спостерігаються потовщення шкіри та кровоносних судин, остеопороз. На клітинному рівні гормон росту стимулює проліферацію фібробластів, а глюкокортикоїди гальмують.
У тканинах організму протеоглікани постійно оновлюються. Розпад відбувається в лізосомах, куди протеоглікани потрапляють шляхом ендоцитозу. Білкова частина розщеплюється катепсинами, а вуглеводна – специфічними глікозидазами.