Хромопротеиды: биологическая роль. Синтез и распад гема. Метаболизм билирубина

1. Хромопротеиды: биологическая роль. Синтез и распад гема. Метаболизм билирубина.

2. План лекции:

1.
2.
3.
4.
5.
Понятие о хромопротеинах, их классификация.
Строение и функции гемопротеинов.
Биосинтез гема.
Распад гемопротеинов.
Клинико-биохимические аспекты
метаболизма гемопротеинов.

3. 1. Понятие о хромопротеинах, их классификация.

• Белки бывают простые и
сложные. У сложных белков
имеется небелковая часть –
простетическая группа.

4.

• Хромопротеины – это сложные
белки, содержащие окрашенную
простетическую группу. По этой
причине молекулы
хромопротеинов окрашены в
определённый цвет (chromos краска).

5. В природе известны следующие виды хромопротеинов:

• магнийпорфирины (хлорофилл)
• флавопротеины (рибофлавин)
• гемопротеины (гем)

6. Магнийпорфирины – это зелёные хлорофилл содержащие белки. Они образуются в растениях и сине-зелёных водорослях.

Магнийпорфирины – это зелёные
хлорофилл содержащие белки. Они
образуются в растениях и синезелёных водорослях.

7.

H2C
CH3
CH
H3C
CH3
CH
CH2
N
N
Mg
HC
2+
CH
N
N
CH3
H3C
C
H2C
CH
CH2
O
C20H39
C
O
C O
O
CH3
• Структура
хлорофилла

8.

• Их функция – это преобразование солнечной
энергии в энергию макроэргических связей
АТФ. Кроме того, именно хлорофилл
инициирует реакцию фотохимического
разложения воды:
2Н2О → О2 +
+
4Н +
4ē
• Благодаря этой реакции в атмосферу
постоянно выделяется кислород, а для
растений О2 – всего лишь побочный продукт.

9. Флавопротеины

• Это жёлтые белки, содержащие рибофлавин.
Все они являются ферментами класса
оксидоредуктаз. Играют большую роль в
реакциях окислительного метаболизма.
• Нам они известны, как ФМН- и ФАД-зависимые
дегидрогеназы. Для образования
флавопротеинов организму животных
требуется поступление в достаточном
количестве витамина В2 – рибофлавина.

10.

OH
H2C O P O
HO C H OH
HO C H
HO C H
HC H
H3C
CH
N
N
O
C
C
C
C
C
H3C
C
CH
C
N
NH
C
O
• Структура ФМН

11. Гемопротеины

• В состав гемопротеинов входит
гем, который придаёт им красное
окрашивание.
• Гем – тетрапиррольный цикл,
содержащий ион двухвалентного
железа.

12.

CH2
CH2
CH3
CH3
HC
CH
CH
N
N
2+
HC
Fe
N
CH
N
CH
CH3
CH2
H2C
COOH
CH2
CH2
COOH
CH3
• Структура
гема

13. 2. Строение и функции гемопротеинов. Гемопротеины подразделяются на:

• Дыхательные белки
(гемоглобин, миоглобин)
• Ферменты

14. Гемоглобин – белок четвертичной структуры, тетрамер.

15.

• Два олигомера α-цепей состоят из 141
аминокислотных остатка, и два
олигомера β-цепей – из 146
аминокислотных остатка.
• Каждая субъединица нековалентно
связана с гемом. В одной молекуле
гемоглобина содержится 4 гема.
• Молекулярная масса гемоглобина
составляет около 68 000. В одном
эритроците насчитывается до 340 млн.
молекул гемоглобина.

16.

• Атом железа в гемоглобине может быть в
состоянии Fe2+ или Fe3+, но только Fe2+
способен переносить кислород. Связывая
кислород, атом железа не меняет
степени окисления.
• Процесс связывания гемоглобина с
кислородом называется оксигенацией.
Одна молекула гемоглобина способна
переносить 4 молекулы кислорода.
Оксигенированный гемоглобин называют
оксигемоглобином.

17.

• Гемоглобин способен
транспортировать и углекислый
газ – от тканей к лёгким (в виде
карбогемоглобина). Но
углекислый газ присоединяется к
свободным аминогруппам
молекулы глобина, а не к гему.

18.

• Очень высокое сродство гемоглобина к
окиси углерода (СО). При их
взаимодействии образуется устойчивая
молекула карбоксигемоглобина. Она
теряет способность к транспорту
кислорода.
• Гемоглобин в присутствии некоторых
токсикантов окисляется до
метгемоглобина (Fe3+), который также
теряет транспортную функцию.

19. Миоглобин

• Миоглобин (молекулярная масса 16 000,
состоит из 153 аминокислот) имеет
третичную структуру, одну
полипептидную цепь, один гем и может
связывать одну молекулу кислорода.
• Функция миоглобина заключается в
создании в мышцах кислородного
резерва, который расходуется по мере
необходимости, восполняя временную
нехватку кислорода.

20. Миоглобин

21. Гем-содержащие ферменты

• Если в составе дыхательных
гемопротеинов степень окисления железа
не меняется, то в составе ферментов
обязательно проявляется переменная
степень окисления железа. Это
необходимо для переноса электронов.
• Все гем-содержащие ферменты относятся
к окислительно-восстановительным (класс
оксидоредуктаз).

22. Важнейшие гем-содержащие ферменты:

• каталаза
• цитохромы
• пероксидазы

23. 3. Биосинтез гема

24.

• Гем синтезируется во всех тканях, но с
наибольшей скоростью в костном
мозге и печени.
• Первая реакция синтеза гема образование 5-аминолевулиновой
кислоты из глицина и сукцинил-КоА
идёт в матриксе митохондрий.
• Реакцию катализирует фермент
аминолевулинатсинтаза
(содержит витамин В6)

25.

HOOC
HOOC
H2N
CH2
+
CH2
C
O
S-KoA
Сукцинил-КоА
синтаза
CH2
COOH
Глицин
CH2
CH2
C
+ HS-KoA
O
H2C
NH2
Аминолевулиновая
кислота
+ CO 2

26.

• Из митохондрий 5-аминолевулиновая
кислота поступает в цитоплазму. В
цитоплазме проходят промежуточные
этапы синтеза гема. Рассмотрим
следующую реакцию.
• Под влиянием аминолевулингидратазы
происходит конденсация двух молекул
5-аминолевулиновой кислоты с
образованием порфобилиногена и двух
молекул воды.

27.

HOOC
HOOC
CH2
CH2
CH2
CH2
C O
C O
CH2
H2N
HOOC
+
H2C
NH2
CH2
HOOC
гидратаза
CH2
CH2
C
C
+ 2Н 2О
H2N
CH
CH2 C
N
H
Порфобилиноген

28.

• Затем происходит ряд
последовательных реакций, в
результате которых образуется
тетрапиррольный цикл –
протопорфирин. Фермент
феррохелатаза, присоединяя к
протопорфирину двухвалентное
железо, превращает его в гем.

29.

CH2
CH2
CH3
CH3
HC
CH
CH
N
N
2+
HC
Fe
N
CH
N
CH
CH3
CH2
H2C
COOH
CH2
CH2
COOH
CH3

30.

• Источником железа для синтеза
гема служит депонирующий железо
белок ферритин. Синтезированный
гем, соединяясь с α и βполипепептидными цепями
глобина, образует гемоглобин.
• Гем регулирует синтез глобина: при
снижении скорости синтеза гема
синтез глобина в ретикулоцитах
тормозится.

31. 4. Распад гемопротеинов

32.

• Рассмотрим распад хромопротеинов на
примере гемоглобина, который
количественно превосходит все другие белки
этой группы.
• Продолжительность существования
эритроцитов в крови животного составляет
90–120 суток, а затем они разрушаются с
освобождением молекул гемоглобина.
• Их катаболизм происходит главным образом
в ретикулоэндотелиальных клетках
селезёнки, лимфатических узлов, костного
мозга и печени.

33.

• В течение суток в организме
животного разрушается 1–2 %
эритроцитов крови. В одну
секунду в организме животного
разрушаются 3 млн. эритроцитов
крови.

34.

• Распад гема начинается с разрыва
одного метинового мостика между
двумя пиррольными кольцами с
сохранением на этой стадии атома
железа, глобина и циклической
структуры. Это приводит к получению
вердоглобина.
• Эта реакция катализируется ферментом
гемоксигеназой с участием 2О2 и
НАДФН2

35.

CH2
CH2
CH3
CH3
HC
C
HO
O
CH
C
N
N
2+
HC
Fe
N
CH
N
CH
CH3
CH2
H2C
COOH
CH2
CH2
COOH
CH3

36.

• Далее, от вердоглобина
отщепляется ион железа и белок
глобин. В результате образуется
биливердин, который имеет
линейную структуру.

37. Биливердин

HOOC
CH2
H3C
HO
C
C
CH2
H2C
CH
CH3
CH2
CH2
CH2
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
N
COOH
C
CH
N
H
CH
N
Биливердин
CH3
CH3
CH
CH
N
OH

38.

Под влиянием биливердинредуктазы биливердин при
участии НАДФН2
восстанавливается в другой
желчный пигмент –
билирубин:

39. Билирубин

HOOC
CH2
CH2
H2C
CH
CH3
CH2
CH2
CH2 CH3
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H3C
HO
COOH
N
CH
N
H
CH2
N
H
Билирубин
CH
CH3 CH
N
OH

40.

• Образовавшийся в селезенке билирубин
поступает в кровь. Билирубин плохо
растворим в воде, поэтому он связывается
с альбумином и транспортируется в
печень.
• Билирубин в комплексе с альбумином
называется свободный (неконъюгированный) или непрямой билирубин.
Образование таких комплексов не
позволяет выделяться билирубину с
мочой.

41.

• Из сосудистого русла в гепатоциты билирубин
попадает с помощью белков-переносчиков.
• Далее при участии белка лигандина он
транспортируется в ЭПР, где протекает реакция с
участием фермента
УДФ-глюкуронилтрансферазы
Билирубин + УДФ-глюкуроновая кислота
Билирубин-глюкуронид
Кроме глюкуроновой кислоты, в реакцию могут
вступать сульфаты, фосфаты, глюкозиды.
• Билирубин-глюкуронид получил
название связанный (конъюгированный)
или прямой билирубин. Он хорошо растворим в
воде.

42.

• После конъюгации
билирубин секретируются в
желчные протоки, в желчный пузырь
и далее в кишечник.
• В начальных отделах тонкого
кишечника прямой билирубин не
всасывается в кровь.

43.

• В подвздошной и ободочной кишках коньюгаты
билирубина атакуются бактериями и
деконъюгируются.
• Бактериальные ферменты восстанавливают
билирубин до уробилиногена.
• Часть этих продуктов обратно всасывается в
кровь, они вновь попадают в печень и
реэкскретируется через кишечник.
• Лишь 1 – 2 % и них выделяется с мочой. Во
внешней среде происходит их окисление
кислородом воздуха , в результате образуется
уробилин – жёлтый пигмент мочи.

44.

• Уробилиноген в толстом кишечнике
с помощью бактериальных
ферментов может присоединять
четыре атома водорода и
переходить в стеркобилиноген.

45.

• Большая часть метаболитов
билирубина выводится из организма
через кишечник. Во внешней среде
они окисляются до стеркобилина –
пигмента каловых масс.

46. 5. Клинико-биохимические аспекты метаболизма гемопротеинов.

47. Количество гемоглобина в крови животных разных видов (г/л)

Коровы Лошади Свиньи
Собаки
100 – 130
110 – 170 100 – 140
80 – 140
90 – 110
Кошки
Куры
80 - 120

48. Основные причины снижения концентрации гемоглобина:

• Дефицит железа
• Дефицит витаминов (В6, В12, фолиевой
кислоты)
• Кровопотери
• Алиментарное истощение
• Почечная недостаточность (терминальная
стадия)
• Злокачественные новообразования

49. Основные причины повышения концентрации гемоглобина:

• Обезвоживание
• Гипоксия

50. Концентрация общего билирубина в крови животных разных видов (мкмоль/л)

Коровы
Лошади
Свиньи
Собаки
Кошки
0,5 – 10,0
5,5 – 39,0
0,5 – 7,0
0,5 – 5,0
0,3 – 4,0

51. Причины увеличения концентрации билирубина:

• Гемолиз эритроцитов (повышается
концентрация непрямого билирубина)
• Цитолиз гепатоцитов (повышается в
первую очередь прямой билирубин и в
меньшей степени непрямой)
• Нарушение эвакуации желчи, холестаз
(повышается прямой билирубин,
непрямой остаётся в норме). Прямой
билирубин всасывается в кровь из
желчных протоков и желчного пузыря.

52.

• Если билирубин обнаруживается в
моче, то это может быть только
прямой билирубин (непрямой в
мочу не фильтруется, так как
связан с альбумином)

53. Спасибо за внимание!