Лекция 8

МОДУЛЬ «ОДА».

БИОХИМИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ. МЕТАБОЛИЗМ КОСТНОЙ ТКАНИ.

Кальций является опорой костной ткани.

Химический состав кости.

Выделяют 2 класса соединений:

1. Органические: на них приходится 3/4 объёма кости и 1/2 массы. Эти соединения лёгкие, 90-95% составляет коллаген I типа (белок), почти все оставшиеся 5% - протеогликаны (из них главный: ХондроЭтилСульфат). В костной ткани много РНК, имеется небольшое количество липидов. Из высокомолекулярных соединений имеется Остеонектин (по хим.составу: 49 АК, т.е. формально это не белок, т.к. не хватает 2х АК). К низкомолекулярным кислотам относятся: Цитрат (90%, содержит 3 карбоксильные группы, способные к диссоциации), Малат, Сукцинат, Лактат.

Три-, поли- и дикарбоновые кислоты лучше участвуют в связывании Кальция.    

2. Неорганические: на них приходится 1/4 объёма и 1/2 массы Кальция.

Рекомендуемые материалы

Þ Главный компонент неорганических веществ – это Кальций и его соли. Кальций присутствует главным образом в кости в виде ГидроксиАпатита (10 ионов Са, в Апатите – остатки фосфорной кислоты, есть гидроксильные группы): Са₁₀(РО₃)₆(ОН)₂ – это сложная соль, присутствует всегда в виде кристалла Толщина: его пластинок, 10-15 А, ширина 20-40 и длина 200-400. Это самая плотная часть кости; удельная масса = 3 г/см³ (в 3 раза тяжелее воды). 

Þ В виде обычного фосфата: Са₃(РО₄)₂ – этот Кальций называется аморфным. Он преобладает в костях в детском возрасте, а постепенно заменяется на гидроксиАпатит.

Кроме того, в костной ткани встречаются ионы: Mg (преимущественно 2х-валентный, может включаться в кристаллические решетки гидроксиАпатита), Na, K и Cl (эти ионы в решетку не входят, а располагаются на поверхности кристаллов). В кристаллическую решетку могут также включаться и радиоактивные элементы. 

Кристаллы гидроксиАпатита синтезируются во внешнее пространство Остеобластами. Во внеклеточном пространстве главным компонентом является Коллаген (ТропоКоллаген в нём располагается параллельно друг другу и несколько сдвинут на 1/4 расстояния). В этих пространствах начинается синтезироваться гидроксиАпатит.  

Для того, чтобы началась кристаллизация, здесь необходим белок Остеонектин. Он располагается в определённых участках; в его состав входят 3 остатка Глутаминовой кислоты, которые подвергаются дополнительному карбоксилированию (3 остатка КарбоксиГлутаминовой кислоты). В Остеонектине эти точки располагаются на поверхности. Остеонектин – это центр нуклеации, где происходит образование кристаллов гидроксиАпатита. Вокруг располагаются волокна Коллагена. Кристаллы разрастаются так: из Коллагена выделяется вода, происходит расщепление и кристалл разрастается.

Коллаген и Протеогликаны.

Являются пластификаторами кости (приводят к деформации кости) после обызвествления. (Кальцификации) они уходят (остаётся не более 20% по массе и 40% по объёму). У детей их содержится много, поэтому кости гибкие. Разрастается Коллаген за счёт Протеаз.синтезированных лизосомальных ферментов. Разрешение Коллагена и Протеогликанов приводит к тому, что с ними уходит и вода ® поэтому костная ткань самая безводная!   

Формирование кости происходит вблизи Остеобластов. Остеонектин образуется только в Остеобластах, рядом могут быть очаги Остеокластов. Остеокласты активно выделяют во внешнюю среду кислоты, т.к. соли Кальция растворимы в кислой среде. Локальное закисление среды приводит к тому, что соль растворяется и вымывается.  

Метаболизм Кальция.

Метаболизм Кальция связан с метаболизмом Фосфатом. Общее количество Са в организме в среднем 1 кг (на 70 кг массы), т.е. 1-2 кг от общей массы тела. 98% этого Са находится в составе костного скелета, т.е. практически весь. В скелете Са нерастворим, растворимый Са (остальные 2%) находится внутри клеток (в среднем 20 мг на 100 г ткани) – во внеклеточной жидкости. В крови и внеклеточной жидкости: 9-11 мг на 100 г. Внутри клеток Са в 2 раза больше, чем вне клетки.   

Функции Кальция:

1. Минеральная основа костей (главная!).

2. Участие в свёртывании крови.

3. Регулятор мышечного сокращения.

4. Внутриклеточный вторичный посредник (участвует в передаче сигналов).

СХЕМА № 1.

Простагландины задерживают выведение кальция и фосфатов из организма.

С пищей в сутки мы получаем в среднем 1 грамм кальция, который поступает исключительно через ЖКТ, из ЖКТ кальций всасывается максимум 50% (0.36 грамм) в межклеточную жидкость. Из этой жидкости кальций может выделяться обратно в ЖКТ (0.19 грамм), остальной кальций выделяется из ЖКТ = 0.83 грамма. Во всей межклеточной жидкости всегда содержится 1 грамм кальция. Главный потребитель кальция – это костная ткань (всего в костной ткани содержится 1000 грамм). 

ПТГ усиливает образование из витамина Д 1.25 дигидроксиД, который увеличивает всасывание в кишечнике. Сам ПТГ усиливает выделение кальция из кости. Через почки выводится 0.17 грамм (ПТГ тормозит этот процесс выведения). 

Недостаток и избыток этих гормонов может проявляться: гипопаратиреоз (редко) – при этом отмечается уменьшение содержание кальция, проявляется тоническими судорогами. Гиперпаратиреоз встречается при опухолях: происходит слишком большое повышение кальция (что ведёт к камням, обезыствлении сосудов и пр.).

ЗУБЫ.

Зуб состоит из пульпы и кальцифицированной ткани. Этой ткани выделяют 3 слоя. На выступающей части зуба есть дентин и эмаль, а на внутренней части зуба имеется такой же дентин и цемент. Цемент и трубчатая кость имеюь практически . Дентин минерализован на 85%, эмаль несодержит Б – минерализована на 98%. Коллагены, находящиеся в кости имеют большую стпень гидролизации. Фтор необходим для формирования зубов в процессе роста и смены зубов обязательно, во взрослом состоянии фтор мало на что влияет.  

БЕЛКИ МЫШЦ.

Всего в настоящее время из мышц выделено свыше 20 различных индивидуальных белков. Белки делятся на 3 группы: 

1. Собственно сократительные:

® Миозин 44% - крупный белок, м/масса 470 кДальтон, имеет несколько полипептидных цепей. Функция: это главный белок толстых волокон; взаимодействует с тонким актиновым волокном, создавая механическое усилие за счёт гидролиза АТФ.

® Актин 22%. Функция: главный компонент тонких волокон, по которым как по канатам скользят толстые волокна при мышечных сокращениях. Актин никакой ферментативной активностью не обладает.

2. Регуляторные белки:

® Тропомиозин 5%, м/масса 64–70 кДальтон; состоит из 2х полипептидных цепей. Функция: это стержневидный белок, который связывается с актиновым волокном по всей своей длине.

® Тропомин 5%, м/масса 76-78 кДальтон. Белок состоит из 3х отдельных субъединиц. Тропомин комплекс располагается через равные промежутки на тонком актиновом волокне и участвует в регуляции мышечного сокращения.

3. Вспомогательные белки, которые нужны для создания и поддержания архитектуры миофибрилл: за счёт них обеспечивается оптимальное расстояние между толстыми и тонкими волокнами, не происходит их спутывание.

® Титин 9%, м/масса 2.5 млн Дальтон или 2500 кДальтон. Это очень большой, гибкий белок, образует эластичную цепь, соединяющую толстые волокна с Z-дисками.

® Небулин 3%, м/масса 600 кДальтон. Это удлинённый нерастяжимый белок, связанный с Z-диском и располагающийся параллельно тонким актиновым волокнам.

® Альфаактинин 1%, м/масса 190 кДальтон, 2х цепочечный белок. Это актин-связывающий белок, который соединяет тонкое волокно с Z-диском.

® Миомезин 1%, м/масса 185 кДальтон. Это миозин-связывающий белок, находящийся в области центральной М-линии.

® С-белок 1%, м/масса 140 кДальтон. Этот белок связывается с миозином и образует полосы по обе стороны от М-линии толстых волокон.

Все остальные белки составляют 9%.

Сократительные белки.

1. Миозин – это палочковидная молекула, её толщина не равномерна по длине. В составе имеет 2 тяжелых полипептидных идентичных цепи по 220 кДальтон каждая, и 4 лёгких цепи по 18 кДальтон (всего 6 цепей, м/масса 470 кДальтон). СХЕМА 1. Тяжелые цепи на большей своей части суперспирализованы друг относительно друга, а меньшая часть – образует глобулярную структуру. У молекулы имеется хвост (миозиновый стержень) и головка. Хвост имеет толщину 2 нм, а головка – 17 нм. Общая длина молекулы 150 нм. Под действием Трипсина молекула расщепляется таким образом, что примерно 40 нм остаётся кусочек спирализованного хвоста с головкой – тяжелый меромиозин, м/масса 350 кДальтон. Оставшаяся часть – лёгкий меромиозин, м/масса 125 кДальтон. Если подействовать на молекулу меромиозина Папаином, то он расщепляет её по другому: папаин даёт головку, миозиновый стержень и 2 S-субъединицы. Лёгкие цепи расположены на головке миозина, каждая S-субъединица (115 кДальтон) связана по паре лёгких цепей. Отделить лёгкие цепи возможно только с помощью ДТНБ (Дитио-нитро-бензоидная кислота). Длинные волокнистые стержни миозина соединяются друг с другом, формируя толстое волокно (имеет 6 стержней). С головками связана АТФ-активность, ей обладают лёгкие цепи миозина; головки также связываются с Актином.       

2. Актин – формирует тонкое волокно. Актин может су

® G-Актин, м/масса 42 кДальтона, содержит 380 АК, имеет одну полипептидную цепь. При физиологических условиях (значениях рН) эти глобулы способны соединяться не ковалентными связями с образованием нерастворимого 2х цепочечного спирализованного волокна, которое получило название F-Актин. На виток F-Актина приходится 13-14 молекул G-Актина. Каждая молекула G-Актина способна связывать одну молекулу АТФ. Если происходит формирование F-Актина с затратой АТФ, то образовавшийся F-Актин более устойчивый: n G-Актина×АТР ® (F-Актин)n + АДР + Pi.  

3. Тропомиозин – это длинная (41 нм), палочковидная молекула, состоит из 2х полипептидных цепей (альфа спиральные, закрученные друг против друга). В сердце цепи одинаковые (альфа), в скелетных мышцах – цепи разные (альфа и бета). Белок располагается во впадине молекулы F-Актина, соединяя между собой 8 молекул G-Актина. СХЕМА 2. В каждом витке содержится 8 молекул Тропомиозина.   

4. Тропонин, м/масса 76-78 кДальтон. Это глобулярная молекула, сотоит из 3х субъединиц, связанных друг с другом не ковалентными связями. TnT – это самая крупная (37 кДальтон) субъединица (Тропомиозин-связывающий Тропонин); TnC – кальций-связывающая субъединица, м/масса 18 кДальтон; TnI – это ингибиторный Тропонин, м/масса 30 кДальтон (179 АК?). Определяет прочность связывания всего комплекса TnT субъединица.  

Взаимодействие Актина с Миозином.

К F-Актину присоединяется S1-фрагмент Миозина. При взаимодействии с Актином головка присоединяется к G-Актину под углом практически 90 градусов. Тогда, когда происходит выделение энергии, изменяется конформация молекулы и этот угол изменяется и становится = 45 градусов; произойдёт скольжение цепей друг относительно друга. Цикл СХЕМА 3: Миозин связанный с АТФ ® гидролиз ® Миозин АДР + Pi ® Актин ® Актин-Миозин АДР + Pi ® АДР + Pi (отщепление изменяет угол связывания, что обеспечивает передвижение на 10-15 нм) ® Актин-Миозин + АТФ ® Актин-Миозин АТФ (головка отделяется от Актина, из-за смены заряда). 

Мышечное сокращение запускается ионами Кальция. При связывании ионов Кальция с TnC субъединицей, благодаря перестройке и конформации молекулы, происходит её смещение и за счёт этого перемещается и связанная с ним I-субъединица, открывая таким образом участок G-Актина. Регуляция сокращения осуществляется за счёт Тропамина (в поперечно-полосатых мышцах) – актиновая регуляция. В скелетных мышцах удаление Кальция из цитоплазмы осуществляется за счёт работы магний-кальциевая-АТФ. В сердечной мышце активность кальциевой АТФ саркоплазматического ретикулума в 4 раза меньше и сродство этого фермента к кальцию тоже меньше, поэтому основным источником Кальция для этой мышцы служит внеклеточная жидкость. 

Инициация мышечного сокращения происходит в нервно-мышечных синапсах: возбуждение, распространяющееся по аксону в виде потока Натрия через АХ-рецептор, передаётся на постсинаптическую мембрану. Происходит гидролиз АХ в синаптической щели – он происходит под действием ХолинЭстеразы. Взаимодействием АХ с рецептором приводит к открытию ионных каналов (в среднем 6 х 10⁵ каналов), что приводит к перекачке 6 х 10⁸ ионов Натрия – это вызывает снижение потенциала до -50 мВольт и открытию потенциал зависимых каналов, которые в 1 мсек способны перекачать 10⁵ ионов Натрия и 300 Кальция – возникает ПД +30 мВольт. В нейромышечных синапсах преобладают рецепторы М-типа – это гликопротеины, которые состоят из 5 субъединиц (2 альфа, гамма и эпсиллон). Альфа субъединицы связывают по одной молекуле АХ, они формируют ионный канал. Максимальная частота передачи 600 импульсов в секунду. ПД, возникший на пост синаптической мембране, распространяется по Т-трубочкам, проходящим внутрь волокна и контактирующих практически с каждой миофибриллой (достигает мембраны саркоплазматического ретикулума). За счёт этого сигнала открываются каналы с/ретикулума, Кальций выходит в цитоплазму – концетрация изменяется с 10^-7 до 10^-3.  

1. Агонисты никотиновых рецепторов (Холиномиметики): Мускарин, Никотин и Карбакол. Кроме этих веществ аналогичный эффект в фармакологии достигают следующим способом: ингибируют ХолинЭстеразу. Ингибиторы бывают двух типов:

® Обратимые ингибиторы: алкалоиды бобовых (Эзерин, Прозерин), алкалоиды подснежных (Галантомин).

® Необратимые ингибиторы: фосфор органические соединения (яды): Дихлофос, Карбофос и пр.  

2. Антагонисты АХ – миорелаксанты. Миорелаксанты бывают разных уровней:

® Вещества, блокирующие проведение нервного импульса: Ледокаин, Новокаин, дифтерийный токсин.

® Вещества, блокирующие выделение медиатора: токсин ботулизма.

Всё вышеперечисленное относится только к поперечно-полосатой мускулатуре.

3. Блокирование на уровне постсинаптической мембраны: курареподобные вещества, блокатор М-рецепторов (Атропин), смешанные блокаторы М- и Н-рецепторов (Спазмолитин), яд кобры – Бунгаротоксин.

4. Центральные холинолитики – блокаторы кальциевых каналов: Бензодиозипины.

Особенности сокращения гладких мышц.

1. Упорядоченное расположение волокон. 

2. В этих мышцах нет Тропонина. Регуляцию осуществляет Миозин. В отличие от Миозина ППМ в этой молекуле присутствует дополнительная 7 Р-цепь – эта цепь способна фосфорилироваться под действием Кальций-зависимой Киназы Миозина. При повышении концентрации Кальция в ГМ-клетке Киназа лёгких цепей Миозина активируется под действием фосфорилированного Кальмодулина. СХЕМА 4. Кальмодулин активируется под действием Кальция.

Роль Актина и Миозина вне мышечных клеток.

Молекулы Актина похожи у всех живых клеток. Миозин менее универсальная молекула, но также встречается во всех клетках. Примеры:

1. Ворсинки (особенно щеточная каёмка) имеют волокна натяжения – это и есть фрагменты F-Актина.

2. Фагоцитирующие клетки – их движения обеспечивают Актин (волокна F-Актина – непостоянные) и Миозин.

3. Процессы при митозе.

4. Транспортная функция. Например, нервные волокна. Здесь встречаются волокна Миозина, но они отличаются от всех других – Минимиозины или маленькие Миозины (имеют маленький хвост и большую головку). В теле нейрона формируются специальные мембраны в виде контейнера, в которые «загружаются» белки и пр., и далее происходит их очень быстрое перемещение. 

ДРУГИЕ СОЕДИНЕНИЯ В СТРУКТУРЕ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ.

В мышечной ткани много свободных АК: больше всего Глутаминовой кислоты и Глутамина на 1 кг 1 г; много Аспарагиновой кислоты, Аланина (также бета Аланин), Гистидина, Лейцина, Изолейцина и Валина. Из низкомолекулярных других азотсодержащих соединений имеются: мочевина (мочевая кислота) и свободные азотистые основания (Аденин, Пурин, Ксантин и пр.). Из без азотистых соединений главным является Гликоген 0.3-2%. При этом остальные сахара присутствуют лишь в следовых количествах (даже Глюкозы). Из метаболитов углеводов имеются ПВК и молочная кислота. Из липидов: Фосфолипиды (мембранные: Холестерин, Триглецеридов очень мало). Неорганические компоненты: Калий (внутри), остальные снаружи. Микроэлементы в мышцах есть, но на них можно не обращать внимание.  

Источники энергии для мышечного сокращения.

1. Гликолиз является основным источником АТФ при сильных, но кратковременных нагрузках. Первым источником является свободная глюкоза. Следующим источником будет Гликоген. СХЕМА 5. Из-за закисления в мышце (накопление Лактата) наблюдается снижение рН, ацидоз.  

2. Окислительное фосфорилирование будет включать в себя не только остальные процессы метаболизма углеводов, но и жирные кислоты и кетоновые тела. 

3. КреатинФосфат. Синтез: см. модуль «Пищеварение». Креатин синтезируется в печени, с кровью поступает в мышцы: СХЕМА 6. КреатинФосфата от 3 до 10 раз больше, чем АТФ. КреатинФосфат – это энергетический буфер мышечной системы.

4. АденилатКиназная реакция. АденилатКиназа – это фермент, который катализирует следующую реакцию: 2АДР « АТР + АМР (К = 1 – реакция слабая). 

Основные источники энергии в покоящейся мышце:

1. В покоящейся скелетной мышце:

® Окисление жирных кислот.

® Окисление кетоновых тел.

® Потребление Глюкозы.

2. В сердечной мышце:

В состоянии покоя организма:

Рекомендация для Вас - Физико-химические свойства природного газа.

® Окислительные реакции Глюкозы.

® Окислительные реакции жирных кислот.

При нагрузке:

® Окисление Глюкозы.

® Утилизация Лактата, образовавшегося в анаэробных реакциях в скелетных мышцах.

® Утилизация жирных кислот практически не меняется.