Пігментний обмін 3

Пігментний обмін - сукупність процесів утворення, перетворення і розпаду в живих організмах забарвлених органічних речовин складного хімічної будови - пігментів. Найважливіші пігменти - порфірини. хромопротеїди, меланіни, каротиноїди, флавони (див.) і ін. Такі хромопротеїди, як гемоглобін (див.), міоглобін, каталаза, цитохроми (див. Ферменти), в якості простетичної (т. е. небелковой) групи містять железопорфіріновий комплекс ( гем). Освіта гемоглобіну відбувається в гемопоетичних клітинах кісткового мозку; миоглобин утворюється, мабуть, всередині м'язових волокон, а цитохроми і каталаза безпосередньо в містять їх тканинах. При біосинтезі порфірінсодержащіх пігментів спочатку відбувається синтез протопорфірину (з бурштинової кислоти і гліцину), в який потім включається атом заліза, і в результаті утворюється гем. Після приєднання до нього відповідного білка завершується синтез того чи іншого ХРОМОПРОТЕЇДІВ. В процесі біологічного розпаду порфіринових білкових пігментів вивільняються залізо і білок, а протопорфирин перетворюється в жовчні пігменти (див.). Білірубін (див.) В кишечнику перетворюється в уробилин (див.) І стеркобилин (див.), Які виводяться з організму в складі калу. Биливердин виділяється в незміненому вигляді. Частина жовчних пігментів виділяється з сечею.

Серед інших пігментів важливе місце займають пігменти шкіри і волосся - меланіни, які утворюються з природних амінокислот, а також каротиноїди. З β-каротину в стінці кишечника утворюється вітамін А, який в сітківці ока перетворюється в ретінін, і далі, з'єднуючись з білком, в родопсин (див.) - речовина, яка бере участь у фотохімічних реакціях сітківки.

У ланцюгова реакція біосинтезу і перетворень пігментів можуть виникнути патологічні порушення, що ведуть до важких захворювань. Так, при блокуванні деяких стадій біосинтезу порфіринових пігментів настає порфірія. супроводжувана анемією (різке зменшення утворення гемоглобіну) і порфірінуріі (виділення з сечею проміжних продуктів пігментного обміну). У всіх випадках гемолізу посилюється розпад гемоглобіну. Під впливом деяких отрут (наприклад, ціаніду, окису вуглецю) може відбуватися окислення гемоглобіну з утворенням метгемоглобіну. Наслідком глибокого порушення синтезу гемоглобіну є утворення різних форм патологічно змінених гемоглобинов (що виникають при ряді спадкових захворювань).

Пігментний обмін - сукупність процесів утворення, перетворення і розпаду пігментів (див.) В живих організмах.

Біосинтез гемоглобіну і родинних йому пігментів. Освіта гемоглобіну відбувається в процесі дозрівання гемопоетичних клітин кісткового мозку, в той час як міоглобін утворюється, мабуть, всередині м'язових волокон, а цитохроми і цитохромоксидаза - безпосередньо в містять їх тканинах, причому концентрація цитохромів в різних тканинах одного і того ж тваринного пропорційна інтенсивності дихання даної тканини і в деякій мірі залежить від особливостей харчування організму.

В процесі біосинтезу гемоглобіну і міоглобіну відбувається утворення тетрапіррольних кільця протопорфирина (див. Порфірини), включення в нього заліза і подальше з'єднання утворився железопорфірінового комплексу (гема) з білком - глобіном. У тваринному організмі кільце протопорфирина IX (тип III) утворюється з оцтової кислоти і гліцину. Оцтова кислота, включаючись в цикл трикарбонових кислот (див. Окислення біологічне), перетворюється в янтарну кислоту, яка за участю коферменту А (див. Ферменти) конденсується з α-вуглецевим атомом гліцину і перетворюється в α-аміно-β-кетоадіпіновую кислоту. Ця кислота, втрачаючи карбоксильну групу, переходить в α-амінолевулінова кислоту; дві молекули цієї кислоти в результаті конденсації утворюють циклічне з'єднання - порфобилиноген. Порфобіліноген є прямим попередником пірролових кілець молекули порфирина.

З молекул порфобилиногена синтезується потім тетрапіррольних кільце порфиринов. Загальним попередником порфиринов є речовина, що отримало назву порфіріногена. Порфіріноген і інші проміжні сполуки подібного типу в процесі біосинтезу гемоглобіну швидко виникають і так само швидко зникають, перетворюючись в протопорфирин III, з якого утворюється гем - простетичної група ряду хромопротеидов. При перетворенні порфіріногена в порфіріни утворюються в основному протопорфирин III і тільки в невеликій кількості порфирин I, який не використовується в організмі і виділяється з нього у вигляді копропорфіріна I. Кількість протопорфирина III, що утворюється за добу в організмі, так само близько 300 мг, добова ж виділення цієї речовини у вигляді копропорфіріна III складає всього 0,1 мг. Таким чином, майже весь синтезується протопорфирин III йде на побудову гемоглобіну, міоглобіну та інших хромопротеидов.

Синтезований в тваринному організмі протопорфирин III, приєднуючи залізо, перетворюється в гем. Цей железопорфіріновий комплекс не є речовиною, специфічним для певного пігменту, оскільки він входить до складу ряду складних білків, наприклад гемоглобіну, міоглобіну та ін. Гем надалі з'єднується зі специфічними протеїнами, перетворюючись в молекули гемоглобіну, міоглобіну, цитохрому с і ін. Під час синтезу цитохрому с відбувається відновлення вінільних груп протопорфирина в етільний групи. Таким чином, утворення різних хромопротеидов залежить від того, який із специфічних білків знаходиться в тих клітинах, в яких відбувається синтез даного пігменту. В організмі людини і вищих хребетних тварин здійснюється синтез лише железопорфіріна. В процесі біосинтезу гемоглобіну і інших близьких йому пігментів використовується залізо як звільняється при розпаді еритроцитів, так і надходить з їжею. Включення заліза в еритроцити відбувається тільки в момент їх утворення. Нестача заліза в організмі призводить до зменшення синтезу гемоглобіну, але не впливає на процеси утворення цитохрому с, міоглобіну і каталази. Для синтезу білкової частини хромопротеидов тканин і крові використовуються також амінокислоти, що звільняються в процесі руйнування відповідних глобинов.

Швидкість біосинтезу різних хромопротеидов неоднакова. Освіта міоглобіну і цитохрому с відбувається більш повільно, ніж синтез гемоглобіну.

Розпад гемоглобіну і близьких йому пігментів. В процесі біологічного розпаду гемоглобіну відбувається вивільнення заліза і глобіну, які використовуються для синтезу нових молекул пігменту крові. Протопорфирин же перетворюється в жовчні пігменти (див.). Всі ці реакції протікають в купферовских клітинах печінки і фагоцитарних клітинах ретикулоендотеліальної системи, але їх послідовність ще недостатньо з'ясована. На початку руйнування гемоглобіну і міоглобіну утворюються зелені пігменти - вердогемоглобіни. При перетворенні пігментів м'язів і крові в вердогемоглобіни відбувається розкриття кільця протопорфирина (зберігає свої зв'язки з залізом і глобіном) в результаті розриву α-метинового містка з одночасним окисленням першого і другого кілець піролу. Вердогемоглобін, втрачаючи залізо і Глобино, перетворюється в жовчні пігменти: спочатку утворюється биливердин, який потім під впливом клітинних дегідрази відновлюється і перетворюється в білірубін. Основним джерелом жовчних пігментів є простетичної група гемоглобіну, а потім і міоглобіну. У жовчні пігменти, мабуть, перетворюються простетичноїгрупи цитохрому с і каталази; проте в результаті їх розпаду утворюється тільки 5% загальної кількості пігментів жовчі. Припускають, що деяка кількість жовчних пігментів може виникати безпосередньо з протопорфирина III, а можливо, і з гема до використання цих речовин в біосинтезі гемоглобіну. Частина руйнуються пігментів м'язів і крові може перетворюватися і в копропорфірін III.

Жовчні пігменти, які утворюються в клітинах ретикулоендотеліальної системи, надходять в кров у вигляді білірубіну. У крові білірубін з'єднується з альбумінами сироватки і перетворюється в білірубін-білковий комплекс, який захоплюється печінкою. З печінки биливердин і вільний білірубін виділяються в жовчний міхур, а звідти - в кишечник.

У кишечнику білірубін під впливом кишкових бактерій відновлюється в уробіліноген і Стеркобіліноген, безбарвні форми (лейкосполуки) пігментів сечі і калу. З цих лейкосполук при окисленні утворюються уробилин і стеркобилин.

Основна маса уробилиногена і стеркобилиногена виділяється з організму через кишечник, але деяка частина всмоктується, потрапляє в печінку, де перетворюється в білірубін, частково надходить у кров і виділяється нирками разом з сечею у вигляді уробіліну і стеркобилина (так званий загальний уробилин сечі, кількість якого коливається зазвичай в межах 0,2-2 мг на добу і в нормі не перевищує 4 мг). На противагу білірубіну, биливердин в кишечнику не береться впливу мікрофлори і виділяється з організму в незміненому вигляді. Деяка частина білірубіну може окислюватися і перетворюватися в биливердин.

Поряд з утворенням жовчних пігментів (тетрапірролов з відкритою ланцюгом), які є головними кінцевими продуктами гемоглобіну і інших хромопротеидов, в печінці може відбуватися і більш глибокий розпад гема і білірубіну з утворенням діпіррольних з'єднань - пропентдіопента і біліфусціна. Біліфусцін в кишечнику піддається відновленню і, з'єднуючись потім з білком, перетворюється в коричневий пігмент - міобілін. Пропентдіопент і міобілін виявляються в сечі і фекальних масах.

Обмін деяких інших пігментів. Темно-коричневі і чорні
пігменти - меланіни (див.) - утворюються в організмі з фенілаланіну і тирозину під впливом тирозинази, причому спочатку фенілаланін окислюється в тирозин. Хоча лише невелика кількість вільного тирозину клітин перетворюється в меланіни, цей процес відіграє основну роль в утворенні пігментів шкіри і волосся. Тирозин, окислюючись, переходить в 3,4-диоксифенилаланин, який під впливом спеціального ферменту диоксифенилаланин-оксидази (ДОФА-оксидаза) розпадається, причому з утворюються продуктів розпаду потім виникають меланіни. Освіта меланінів може відбуватися також з таких речовин, як червоно-жовтий пігмент ксантоматін і 3-оксікінуренін - продукт обміну триптофану. Пігменти каротиноїдні природи не мають істотного значення для процесу освіти меланінів.

З різноманітних перетворень в живих організмах каротиноїдів (див.) На особливу увагу заслуговує перехід каротину в вітамін А. Доведено, що вітамін А (див.) Утворюється в основному з (5-каротину в стінці кишечника, а не в печінці, як це передбачалося раніше . Однак немає ще достатніх підстав для того, щоб повністю заперечувати роль печінки в цьому важливому процесі. у стінці кишечника під впливом, очевидно, ферменту каротінази відбувається розщеплення молекул β-каротину, що надходить в організм разом з їжею. При цьому спочатку β- каротин подвер гается окислювальному розщепленню з утворенням альдегіду вітаміну А - ретініна, який потім швидко перетворюється на вітамін А. Утворився вітамін А надходить в кров, в значних кількостях накопичується в печінці і частково затримується рядом інших органів і тканин.

У сітківці ока вітамін А може оборотно перетворюватися в ретінін, при з'єднанні якого з білком опсин утворюється родопсин (див.), Або зоровий пурпур, який є фотохімічним сенсибилизатором.

Патологія пігментного обміну. При різних захворюваннях у людини можуть виникати різні порушення в обміні гемоглобіну. Яскравим проявом розладів в біосинтетичних реакціях є порфірії, при яких в результаті недостатності відповідних ферментних систем блокуються ті чи інші етапи біосинтезу протопорфірину III і гема. Наочне уявлення про місце метаболічних пошкоджень протягом синтетичних реакцій при цій вродженої патології порфіринового обміну дає схема (див. Нижче).

Схема метаболічних пошкоджень в ланцюзі реакцій, що призводять до утворення гема при порфіріях.

При гострій порфірії порушується перетворення порфобилиногена в порфіріноген. Внаслідок цього на початку нападу з сечею виділяються червоний пігмент порфобілін і його безбарвна форма - порфобилиноген, який при стоянні спонтанно перетворюється в порфобілін. Крім того, з організму виводяться невеликі кількості уро-і копропорфірін I і III типів у вигляді цинкових сполук. Вроджена порфірія характеризується посиленням продукції уро-і копропорфірін I типу. Кістки і зуби у хворих стають червоними або коричневими через відкладення в них порфіринів. У сечі присутні вільні уро-і копропорфірін I і сліди протопорфирина III, а в фекальних масах - копропорфірін I. У разі шкірної форми порфірії в період ремісії з організму виводиться нирками і через кишечник близько 20% всього нормально утворюється в ньому протопорфирина. Під час нападу порфірини виділяються тільки з сечею у вигляді уро-і копропорфірін I і III типів.

Порфірінуріі спостерігаються і при деяких інших захворюваннях як наслідок збільшення в організмі кількості вільних порфіринів, є побічними продуктами при біосинтезі гема. Так, при апластичної анемії і полиомиелите переважає виділення копропорфіріна III, в той час як у випадках пернициозной анемії, лейкемії, гемофілії, інфекційного гепатиту та деяких інших захворювань в основному виділяється копропорфірін I.

Посилення розпаду гемоглобіну спостерігається у всіх випадках гемолізу (див.), В результаті якого звільняється значна кількість гемоглобіну, виникають гемоглобинемия, гемоглобінурія (див.), Збільшується утворення жовчних пігментів і перетворення їх в пігменти сечі і калу.

Під впливом деяких отруйних речовин в крові може відбуватися окислення гемоглобіну з утворенням коричневого пігменту - метгемоглобіну. У випадках важких отруєнь метгемоглобін виділяється з сечею. При цьому можливе відкладення метгемоглобіну і продукту його розпаду - гематина - в ниркових канальцях, що тягне за собою порушення фільтраційної здатності нирок і розвиток уремії (див.).

Порушення обміну міоглобіну зустрічається при ряді захворювань, що супроводжуються виходом міоглобіну з м'язів і виділенням його з сечею. Ці ще маловивчені захворювання об'єднані під загальною назвою миоглобинурии. Вони зустрічаються у тварин (паралітична миоглобинурия коней, Беломишечная хвороба), рідше у людини. При Міоглобінурія спостерігається ненормальна мобілізація міоглобіну, втрата червоними м'язами звичайного пофарбування, атрофічні або дегенеративні зміни в м'язовій тканині. Міоглобінурія у людини виникає в результаті травматичних ушкоджень м'язів, після тривалих маршів, великого фізичного напруження, при деяких формах м'язової дистрофії та т. П.

Глибокі порушення в синтезі гемоглобіну, що носять не тільки кількісний, але і якісний характер, спостерігаються при серповидноклеточной анемії (див.).

У осіб, які страждають на це захворювання, синтезується особливий вид гемоглобіну - гемоглобін S, амінокислотний склад якого відрізняється від звичайного гемоглобіну тільки щодо однієї амінокислоти (в гемоглобіні S замість молекули глутамінової кислоти, що стоїть в поліпептидного ланцюга, знаходиться амінокислота валін). Це невелике розходження в структурі різко відбивається на властивостях гемоглобіну S, який погано розчиняється у воді і випадає всередині еритроцитів у вигляді кристалів, завдяки чому еритроцити приймають серповидную форму.

У процесі фізіологічного розпаду тирозину відбуваються його дезаминирование і подальше окислення з утворенням в якості проміжного продукту розпаду гомогентизиновой кислоти. При алкаптонуріі порушується окислення гомогентизиновой кислоти; вона виділяється нирками і при лужної реакції сечі перетворюється в коричнево-чорний меланіноподобний пігмент, будова якого ще не встановлено.

Див. Також Азотистий обмін, Кров, Обмін речовин і анергии.