Задача № 1

Стероидные гормоны (гормоны коркового вещества надпочечников, половые гормоны).

К группе стероидных гормонов принадлежат гормоны, являющиеся производными стеролов. Они синтезируются в надпочечниках, семенниках, яичниках и некоторых других органах и тканях.

·                   Кортикостероиды.

Общее число всех стероидов, которые синтезируются в надпочечниках многих животных, при­ближается к 100. Однако биологической активностью об­ладают не все выделенные из коры надпочечников корти­костероиды.

В зависимости от характера оказываемого биологического эф­фекта гормоны коры надпочечников условно делят на глюкокортикоиды (кортикостероиды, оказывающие влияние на обмен углеводов, белков, жиров и нуклеиновых кислот) и минералокортикоиды (кортикостероиды, оказывающие влияние на обмен солей и воды).

Все стероидные гормоны обладают общей для них химической особенностью: в структуре их имеется циклический компонент в виде пергидрофенантренциклопентана.

В настоящее время установлено, что у человека и большинст­ва животных предшественником кортикостероидов является хо­лестерин и что процесс стероидогенеза, как и нормальное гис­тологическое строение и масса надпочечников, регулируется и зависит от АКТГ гипофиза.

Глюкокортикоиды оказывают разностороннее влияние на об­мен веществ в разных тканях. В частности, в мышечной, лимфа­тической, соединительной и жировой тканях глюкокортикоиды, оказывая катаболический эффект, вызывают снижение прони­цаемости клеточных мембран и соответственно торможение по­глощения глюкозы и аминокислот; в то же время в печени они дают противоположный эффект. Конечным итогом действия глюкокортикоидов является развитие гипергликемии, обуслов­ленной главным образом глюконеогенезом (образование глюко­зы из безазотистых остатков аминокислот).

В ткани печени доказано индуцирующее действие кортизона и гидрокортизона на синтез некоторых белков-ферментов, свидетельствующее о том, что гормоны действуют на первую стадию передачи генетической информации — стадию транскрипции, способствуя синтезу мРНК.

Минералокортикоиды (дезоксикортикостерон и альдостерон) регулируют главным образом обмен натрия, калия, хлора и во­ды; они способствуют удержанию ионов натрия и хлора в орга­низме и выведению с мочой ионов калия. Альдостерон является наиболее активным минералокортикоидом среди дру­гих кортикостероидов, в частности он в 50—100 раз активнее дезоксикортикостерона по влиянию на минеральный обмен.

·                    Половые гормоны

Половые гормоны синтезируются в основном в половых желе­зах женщин (яичники) и мужчин (семенники); некоторое коли­чество половых гормонов образуется, кроме того, в плаценте и коре надпочечников.

Мужские половые гормоны

Мужские половые гормоны носят название андрогенных гормонов (греч. andros - мужчина).

Андростан

Биосинтез андрогенов осуществляется главным образом в се­менниках и частично в яичниках и надпочечниках. Прообразом их может служить полициклический углеводород андростан. Основными источниками и предшественниками андрогенов, в частности тес­тостерона, являются уксусная кислота и холестерин. Ре­гуляция биосинтеза андрогенов в семенниках осуществляется гонадотропными гормонами гипофиза (ЛГ и ФСГ); в свою очередь андрогены регулируют секрецию гонадотропинов по механизму отрицательной обратной связи, блокируя соответст­вующие центры в гипоталамусе.

Биологическая роль андрогенов в мужском организме в основ­ном связана с дифференцировкой и функционированием репро­дуктивной системы, причем в отличие от эстрогенов андрогенные гормоны уже в эмбриональном периоде оказывают существенное влияние на дифференцировку мужских акцессорных половых желез, а также на дифференцировку других тканей, оп­ределяя характер секреции гонадотропных гормонов во взрос­лом состоянии. Во взрослом организме андрогены регулируют развитие мужских вторичных половых признаков, сперматогенез в семенниках и т.д. Имеются данные, свидетельствующие об участии андрогенов в регуляции биосинтеза макромолекул в женских репродуктивных органах, в частности синтеза мРНК в матке.

Женские половые гормоны

В настоящее время открыты две группы женских половых гормонов, отличающихся как по своей химической структуре, так и по биологической функции: эстроге­ны (главный представитель — эстрадиол) и прогестины (глав­ный представитель — прогестерон).

Эстран

Наиболее активный эстроген — эстрадиол, преимущественно синтезируемый в фолликулах; два остальных являются произ­водными эстрадиола и синтезируются также в надпочечниках и плаценте. Секреция эстрогенов и прогестерона яичником носит циклический характер, зависящий от фазы полового цикла; так, в первой фазе цикла в основном синтезируются эстрогены, а во второй — преимущественно прогестерон. Предшественником этих гормонов в организме является, как и в случае кортикостероидов, холестерин. Все они имеют в своих молекулах циклический компонент в виде дегидрофенантренциклопентана и прототипом их может являться циклический углеводород эстран.

Ведущую роль в регуляции синтеза эстрогенов и прогестеро­на играют гонадотропные гормоны гипофиза (ФСГ и ЛГ).

Основная биоло­гическая роль эстрогенов и прогестерона, синтез которых начи­нается после наступления половой зрелости, заключается в обес­печении репродуктивной функции организма женщины. В этот период они вызывают развитие вторичных половых признаков и создают оптимальные условия, обеспечивающие возможность оп­лодотворения яйцеклетки после овуляции. Прогестерон выпол­няет в организме ряд специфических функций: подготавливает слизистую оболочку матки к успешной имплантации яйцеклетки в случае ее оплодотворения; при наступлении беременности ос­новная роль сводится к сохранению беременности; прогестерон оказывает тормозящее влияние на овуляцию и стимулирует раз­витие ткани молочной железы. Эстрогены оказывают анаболи­ческое действие на организм, стимулируя синтез белка.

Задача № 20

Химическая природа, биологическое значение витамина А (ретинола) и потребность в нем организмов.

Для того чтобы разобраться в химической структуре витамина А, необ­ходимо прежде всего остановиться на химическом строении каротинов.

Каротины впервые были выделены из столовой моркови, а затем и из иных растений. Различают три вида каротинов: α-, β- и γ-каротины, несколько отличающиеся друг от друга по химической структуре. Все они — циклические углеводороды, но число колец и их структура у различных каротинов не одинаковы.

Все три вида каротинов являются провитаминами А и все они имеют в своем составе кольца β-ионона. Структура β-каротина симметрична, его молекулу можно расщепить на две равные половины. Подобное окисли­тельное расщепление молекулы β-каротина происходит в печени под влия­нием содержащегося в ней фермента каротиназы. Структура образующихся при расщеплении β-каротина двух молекул одинакова и идентична со струк­турой витамина А.

Следовательно, из каждой молекулы β-каротина в печени (и в слизистой оболочке тонких кишок ряда млекопитающих животных) образуются две молекулы витамина А.

Витамин А1

Витамин А2

Из всех трех каротинов наиболее активен как предшественник витамина β-каротин. Некоторые другие каротины, например, криптоксантин, имею­щие в своей структуре по одному β-иононовому кольцу, также являются про­витаминами А. Из каждого из них под влиянием каротиназы в печени образуется витамин А,  причем из каждой молекулы этих каротиноидов возникает по одной молекуле витамина А.

В печени пресноводных рыб имеется витамин А, несколько отличаю­щийся по своей структуре от витамина А, образующегося из каротина. Этот витамин получил название витамина А₂ и он в β-иононовом кольце имеет не одну, а две двойные связи.

Витамин А осуществляет свою функцию, входя в состав важного в физиологическом отношении вещества — зрительного пурпура.

Зрительный пурпур, или как его еще называют, родопсин, представляет собою соединение белка опсина с альдегидным производным витамина А. Родопсин содержится в воспринимающих концевых аппаратах зрительного нерва, в его палочках, занимающих периферическую часть сетчатки глаза. Родопсин очень чувствителен к действию света и играет роль фотохимиче­ского сенсибилизатора. От концентрации родопсина в палочках зритель­ного нерва зависит восприимчивость глаза к свету. Под влиянием освещения родопсин распадается с образованием через ряд промежуточных продуктов пигмента ретинена (альдегида витамина А) и опсина. При длительном воз­действии света ретинен восстанавливается с образованием витамина А. В темноте, а также при ослаблении освещения, распавшийся родопсин реге­нерирует за счет продуктов своего распада. Чем ярче освещение, тем боль­ше распадается родопсина и чувствительность сетчатки глаза к восприя­тию света понижается. Наоборот, в темноте в результате регенерации род­опсина, чувствительность сетчатки глаза повышается к восприятию слабого освещения.

При недостатке витамина А в организме количество родопсина в сет­чатке уменьшается, так как ощущается недостаток в материале для образо­вания ретинена. Синтез распавшегося на свету родопсина в темноте замед­ляется, световые раздражения в темноте и при слабом освещении воспри­нимаются сетчаткой плохо. Этим и объясняется причина возникновения куриной слепоты при недостатке витамина А в организме.

Роль витамина А в организме человека и животных не исчерпывается тем, что он, вернее его альдегид, являясь составной частью родопсина, участвует в акте восприятия сетчаткой глаза света. Он также предохраняет эпителий слизистых оболочек органов от засыхания.

Потребность организма человека в витамине А обеспечивается как за счет каротинов, так и за счет витамина А пищевых продуктов. Подсчеты показывают, что примерно ²/₃ общей потребности организма в витамине А обеспечивается каротинами растительной пищи и ¹/₃ — витамином А из пищи животного происхождения. Если оставить рыбий жир, не являющийся пищевым продуктом (его потребляют как медицинский препарат), то вита­мин А в небольших количествах доставляется в организм с коровьим маслом, цельным молоком, сливками, сметаной и яичным желтком и с печенью круп­ного рогатого скота и свиней.

У детей чувствительность к недостатку витамина А значительно выше, чем у взрослых. Объясняется это сравнительно большим запасом витамина А в печени взрослых.

При обеспечении организма витамином А приходится учитывать, что каротины всасываются в кишечнике значительно хуже, чем витамин А. Для всасывания каротинов в кишечнике исключительно большое значение имеют желчные кислоты.

Суточная потребность организма в витамине А составляет 1—2 мг. Такое количество витамина А может образоваться в печени из 2—4 мг β-каротина. Введение больших количеств витамина А (а не каротинов) в орга­низм приводит к ряду отрицательных явлений — гипервитаминозу А.

Задача № 29

Под влиянием каких ферментов идет последовательный распад белков до аминокислот?

Гидролиз белков и про­дуктов их распада — полипептидов ускоряют ферменты, относящиеся к протеазам.  В обоих случаях протеазы катализи­руют гидролиз пептидной связи (—СО—NH—). Протеазы часто разделяют на протеиназы — ферменты, катализирующие гидролиз белков, и на пептидазы, катализирующие гидролиз  полипептидов. Однако это разделение следует считать условным, так как установлено, что такая типичная протеиназа, как, например, пепсин, катализирует гидролиз пептидных связей не только в белках, но и в полипептидах, в тех случаях, когда в составе их молекул имеются пептидные связи, в образовании которых участвуют аминные группы тирозина или фенилаланина. К протеазам относятся такие ферменты, как пепсин, химозин, трипсин, химотрипсин, катепсин, папаин.

Пепсин в виде профермента (пепсиногена) образуется в клетках предпилорической и пилорической частей слизистой оболочки желудка (в главных клетках) млекопитающих животных. Пепсиноген активируется (превращает­ся в пепсин) под влиянием соляной кислоты, образующейся в обкладочных клетках пилорической части слизистой оболочки желудка, а также при воз­действии на него пепсина.

Пепсин катализирует гидролиз большинства известных белков. Исклю­чением являются протамины, кератины волос и шерсти, белок губок — спон­гин. Под влиянием действия пепсина начинается переваривание белков в желудке. При продолжительном действии пепсина расщепляется до 30% всех имеющихся в белках пептидных связей. В результате действия на белки пепсина образуются различные по своей сложности полипептиды и неболь­шое количество аминокислот.

Химозин, или сычужный фермент, вырабатывается в слизистой желудка молодых млекопитающих (телят) и вызывает свертывание молока. Действие его заключается в том, что он превращает растворимый в воде (молоке) казеиноген в нерастворимый казеин. Значение химозина заключается в том, что образующийся при его действии на казеиноген нерастворимый казеин дольше задерживается в желудке и подвергается вследствие этого более длительному воздействию пепсина.

Трипсин образуется в поджелудочной железе как профермент трипсиноген и в таком виде выделяется с соком этой железы. Трипсиноген активируется энтерокиназой — ферментом, вырабатываемым в слизистой тонких кишок. Трипсиноген акти­вируется также ничтожно малыми количествами трипсина. Под влиянием трипсина белки расщепляются на полипептиды и аминокислоты. Трипсин ката­лизирует гидролиз в белках и в полипептидах пептидных связей, в образо­вании которых участвует карбоксильная группа аргинина или лизина.

Химотрипсин образуется в виде химотрипсиногена (профермента) в поджелудочной железе и выделяется с ее соком. Химотрипсиноген  превращается в химо­трипсин под влиянием ничтожно малых количеств трипсина. Химотрипсин энергично действует на казеиноген молока, превращая его в казеин. Химо­трипсин также катализирует гидролиз различных белков и полипептидов. Установлено, что трипсин и химотрипсин катализируют не только гид­ролиз пептидных связей, но и гидролиз сложно-эфирных связей. Они также катализируют реакции перенесения аминокислотных остатков от одних полипептидов на другие.

Катепсин является протеиназой тканей животных. В значительных количествах он содержится в печени, почках и селезенке. Катепсин катали­зирует гидролиз белков с образованием полипептидов.

Папаин содержится в млечном соке и в семенах некоторых растений. Активируется восстановителями (цистеином и др.). Полагают, что папаин встречается в окисленной и восстановленной формах, причем активной является восстановленная форма.

В зависимости от характера белка, подвергающегося гидролизу, папаин оптимально действует при слабокислой, нейтральной или слабощелочной реакции (рН 5—7,5).

Пептидазы катализируют гидролиз продуктов распада белков — поли­пептидов, но не оказывают влияния на белки. Под действием пептидаз поли­пептиды гидролизуются с образованием аминокислот. Пептидазы образуют­ся в слизистой оболочке тонких кишок и выделяются с кишечным соком. Раньше считалось, что в кишечном соке имеется один фермент, катализи­рующий гидролиз различных полипептидов,— эрепсин. В дальнейшем же оказалось, что кишечный сок, а также сок поджелудочной железы, содержат смесь различных пептидаз — карбоксипептидазу, аминопептидазу, пролиназу и дипептидазу. 

Пептидазы обладают большой специфичностью действия, которая зави­сит от расположения в полипептиде определенных химических группировок: наличия в них групп — NH₂,—СООН и др.

Карбоксипептидаза содержится в кишечном соке и в соке поджелудоч­ной железы. Она катализирует расщепление полипептидов, имеющих сво­бодную  карбоксильную  группу.

Аминопептидаза образуется в слизистой оболочке кишечника. Она ката­лизирует гидролиз полипептидов, которые имеют свободную аминогруппу по месту пептидной связи, находящейся у конца пептида, где содержится свободная аминогруппа.

Пролиназа обнаружена в почках, легких, в слизистой оболочке кишечника и в дрожжах. Она катализирует гидролиз пептидов, у которых в обра­зовании пептидной связи участвует карбоксильная группа пролина и у кото­рых отсутствует свободная  аминогруппа.

Пролидаза образуется в слизистой оболочке кишок. Она катализирует Гидролиз синтетических полипептидов, у которых пролин своей иминогруппой создает пептидную связь.

Дипептидаза широко распространена в тканях растений, животных и в микроорганизмах. Содержится в слизистой кишечника, почках, лейкоцитах. Она катализирует гидролиз дипептидов с образованием двух аминокислот.

В результате последовательного действия протеиназ и пептидаз сложные по своему строению молекулы белка распадаются до аминокислот.

Задача № 31

Понятие о буферной системе организма и регуляции рН.

Измерение рН в крови и в тканях показало, что он изменяется в очень незначительных пределах и что реакция крови и тканей слабощелочная (рН равно 7,3—7,4). Между тем, изучение процессов обмена веществ позво­ляет сделать вывод, что в организме беспрестанно возникают кислоты. При распаде углеводов образуется ряд промежуточных продуктов — кислот (фосфоглицериновые кислоты, фосфопировиноградная и молочная кислоты ди- и трикарбоновые кислоты). Распад жиров начинается с процесса их омы­ления, который завершается появлением, наряду с глицерином, жирных кислот. И т.д.

Все это говорит о том, что в организме образуется больше кислых продуктов обмена веществ, чем щелочных. Чем же объяснить, что реакция среды в тканях и жидкостях организма сохраняется без явных изменений? Объяснение следует искать в регуляторных механизмах, удерживающих слабо щелочную реакцию в крови и в тканях. Эти механизмы основаны на действии буферных систем организма и на функции выделительных систем.

В тканях и в жидкостях организма содержатся слабые кислоты и их соли, образующие буферные системы. Буферами принято называть веще­ства, способные обратимо связывать ионы водорода и тем самым устранять их из раствора с высокой кислотностью и освобождать их в растворе с низ­кой кислотностью. В организмах имеются следующие три главные буфера: 1) фосфатный, 2) бикарбонатный и 3) белковый.

Фосфатный буфер состоит из вторичного фосфата (Na₂HPO₄), диссоциирующего с образованием двух ионов натрия (Na⁺) и иона вторичного фосфата (НРО₄^2-). Вторичные ионы фосфата связывают ионы водорода и дают первичные фосфатные ионы (Н₂РО₄^-):  НРО₄^2- + Н⁺ ↔ Н₂РО₄^-.

Ион Н₂РО₄^-, подобно кислоте, диссоциирует на ион водорода и анион НРО₄^2-. Первичные фосфатные ионы можно рассматривать как слабую кис­лоту, вторичные фосфатные ионы — как слабую щелочь.

Концентрация фосфатных ионов в тканях, и особенно в крови, незна­чительна и поэтому буферная емкость их невелика. Следует, однако, учесть, что из организма с мочою выделяется довольно значительное количество фосфатов (первичных и вторичных) и они составляют главный буфер мочи; рН мочи варьирует в больших пределах и в норме колеблется между 5 и 7. При образовании избыточного количества кислот в организме с мочою выделяются преимущественно первичные фосфаты. Наоборот, при избытке в организме щелочи с мочой выводятся вторичные и даже третичные фосфаты.

Бикарбонатный буфер имеет важное значение в жидкостях организма и в первую очередь в крови. Карбонатный ион связывается с ионом водо­рода согласно  уравнению

НСО₃^- + Н⁺ ↔ СО₂ + Н₂О(Н₂СО₃).

В крови основная часть углекислого газа находится в виде бикарбонатных ионов и только незначительное количество СО₂ содержится в растворенном состоянии. Бикарбонатный буфер предохраняет организм человека и животных от сдвига реакции в кис­лую сторону образующимися в тканях органическими кислотами. В резуль­тате связывания водородных ионов из бикарбонатных ионов получается СО₂ и Н₂О. Однако СО₂ не накопляется в плазме крови. Едва уловимое изменение в концентрации водородных ионов, вызываемое образованием угольной кислоты из бикарбонатных ионов, действует на дыхательный центр в головном мозгу, следствием чего является усиление дыхания и выделение избытка углекислого газа из организма.

Буферные свойства белков играют очень важную роль в поддержании постоянства рН крови и тканей организма. Белковые молекулы имеют известное количество не связанных между собою кар­боксильных и аминных групп и являются поэтому амфотерными электро­литами. Они способны связывать как водородные, так и гидроксильные ионы. В кислых растворах белки связывают водородные ионы,   в   щелочных растворах — гидроксильные  ионы.

Большое значение для сохранения постоянства рН крови и тканей организма имеют выделительные системы организма, функция которых регулируется центральной нервной системой. Выше уже указывалось на значение удаления углекислого газа при дыхании. Следовательно, выделительная функция легких играет роль в удалении излишка углекислого газа из плазмы крови, а отсюда — в сохранении емкости бикарбонатного буфера. Еще более важная роль принадлежит выделительной функции почек. Почки выделяют с мочой различные вещества. При избыточном образовании и накоплении в организме органических кислот, последние выделяются из организма частично в свободном состоянии, но главным образом в виде аммонийных солей. В случае введения в организм щелочи (например, питьевой соды) избыток щелочи быстро выделяется из организма с мочой.

Задача № 50

Опишите превращения дисахаридов в процессе жизнедеятельности организма животных и человека.

Расщепление дисахаридов — сахарозы, лактозы, мальтозы — происхо­дит в тонких кишках. Из перечисленных трех дисахаридов первые два (сахароза и лактоза) поступают в организм с пищей. Что же касается маль­тозы, то она появляется в ротовой полости и в тонких кишках как продукт переваривания  крахмала, гидролизуется под влиянием мальтазы.

Сахароза, или, как обычно ее называют, сахар, наряду с энергетиче­ским значением, общим для всех углеводов, важна также как вещество, обладающее сладким вкусом. Расщепление сахарозы с образованием глю­козы и фруктозы происходит в тонких кишках под влиянием сахаразы кишечного сока. Сахароза расщепляется в кишечнике быстрее, чем крахмал, и поэтому быстрее   усваивается.

Молочный сахар, или лактоза, поступает в организм с молоком. Перева­ривание лактозы происходит под влиянием лактазы кишечного сока с обра­зованием глюкозы и галактозы. Переваривание лактозы имеет особое зна­чение у детей и у молодых млекопитающих в период, когда лактоза является единственным углеводом пищи.

Задача № 51

Постройте полипептид, в состав, которого входят аспарагиновая, глютаминовая кислоты, цистеин, треонин. Отметьте активные группы.

HOOC—CH₂—CHNH₂—COOH – аспарагиновая кислота;

HOOC—CH₂—CH₂—CHNH₂—COOH – глютаминовая кислота;

CH₂SH—CHNH₂—COOH – цистеин;

CH₃—CHOH—CHNH₂—COOH – треонин.

HOOC—CH₂—CH—CO―NH―CH―CO―NH―CH―CO―NH―CH―COOH

                          NH₂                      CH₂                      CH₂SH                 CHOH

                                                       CH₂                                                   CH₃

                                                       COOH

Задача № 69

Роль фосфатидов в обменных процессах организма.

Обмен фосфатидов в организме тесным образом связан с обменом жи­ров. Фосфатиды участвуют в процессах всасывания жиров, в транспорте их в организме.

Фосфаты ускоряют процесс всасывания жиров.

Об участии фосфатидов в транспорте жиров говорят следующие факты. Обогащение жирами и жирными кислотами плазмы крови при всасывании жиров сопровождается увеличением содержания в ней фосфатидов (фосфатидемией). Фосфатидемия наблюдается также при усиленной мобилиза­ции жиров из мест их отложения в организме, что происходит в первый период голодания и при заболеваниях, ведущих к истощению организма.

Велико значение фосфатидов и в процессе использования жиров в орга­низме. При недостатке фосфатидов в организме (оно может быть вызвано недостатком холина или же метионина, необходимого для его синтеза) замедляются процессы превращения жиров в печени. Доставляемые в печень с кровью жиры накапливаются, причем содержание их в печени может дойти до 50%.

Участие холинсодержащих фосфатидов (лецитинов) в обмене жиров наглядно видно из результатов исследований над животными, у которых вызывали ожирение печени («жировую печень») кормлением их пищей, богатой жирами и бедной белками. По мере накопления жира в печени в ней уменьшается содержание фосфатидов. Установлено, что введение в организм животных лецитина или холина предохраняет их от накопле­ния жира в печени.

Фосфатиды играют важную роль в органах размножения (репродук­ции) — семенниках, яичниках, желтом теле — и при развитии зародыша. В этих органах содержится много фосфатидов. С наступлением беременности содержание фосфатидов в яичниках увеличивается и достигает максимума к концу первого периода беременности (у кролика к 16—18-му дню). Затем начинается понижение содержания фосфатидов, которое происходит посте­пенно до конца беременности.

Наибольшее содержание фосфатидов в желтом теле совпадает с фазой его наивысшей активности.

Список литературы

1.                Анисимов А.А. Основы биохимии. – М.: Высшая школа, 1986.

2.                Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия: Учебник. – М.: Медицина, 1982.

3.                Ленинджер А. Биохимия. – М.: Высшая школа, 1989.

4.                Фердман Д.Л. Основы биохимии. – М.: Высшая школа, 1972.

5.                Филлипович Ю.Б. Основы биохимии: Учебник. – М.: Высшая школа, 1985.