Armands Vīgants

Cilvēka bioķīmija un molekulārā bioloģija

Starpaugstskolu akadēmiskā maģistra studiju programma “UZTURZINĀTNE”

Mācību materiāls

LU Akadēmiskais apgāds

UDK 577(075.8) Vi 323

Autors Latvijas Universitātes Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas institūta projekta vadītājs Dr. biol. Armands Vīgants

Mācību materiāls ir izstrādāts Eiropas Sociālā fonda līdzfinansēta projekta „Dabaszinātņu un tehnoloģiju ietilpīgo moduļu izstrāde Latvijas starpaugstskolu maģistru studiju programmai uzturzinātnē” ietvaros (Projekta līguma Nr. 2005/0117/VPD1/ESF/PIAA/04/APK/3.2.3.2./0022/0063, līgums noslēgts starp Profesionālās izglītības attīstības aģentūru un Latvijas Universitāti ar īstenošanas laiku no 2005. gada 1. oktobra līdz 2008. gada 31. jūlijam). Projekta ietvaros tiek izstrādāti 16 mācību materiāli.

Zinātniskā redaktore Dr. biol. Dace TirzīteLiterārā redaktore Ieva RačkoMaketu un vāka dizainu veidojis Arnis Čakstiņš

Pārpublicēšanas gadījumā nepieciešama Latvijas Universitātes atļauja.Citējot atsauce uz izdevumu obligāta.

© Armands Vīgants, 2008 © Latvijas Universitāte, 2008

ISBN 978-9984-45-027-8

3

SatursIevads ........................................................................................................................................................................ 5

1. Biomolekulas ............................................................................................................................................................. 61.1. Biomolekulu vispārīgs raksturojums ................................................................................................................. 61.2. Aminoskābes, peptīdi un proteīni ...................................................................................................................... 6

1.2.1. Aminoskābes kā proteīnu uzbūves elementi .......................................................................................... 61.2.2. Aminoskābju un proteīnu izoelektriskais punkts ................................................................................... 101.2.3. Ķīmiskās saites proteīnos ....................................................................................................................... 111.2.4. Proteīnu molekulas struktūra ................................................................................................................. 121.2.5. Proteīnu denaturācija.............................................................................................................................. 151.2.6. Proteīnu klasifikācija .............................................................................................................................. 151.2.7. Dažu bioloģiski svarīgu proteīnu piemēri ............................................................................................. 16

1.3. Ogļhidrāti un to atvasinājumi ............................................................................................................................ 181.3.1. Monosaharīdi .......................................................................................................................................... 191.3.2. Disaharīdi ............................................................................................................................................... 191.3.3. Oligosaharīdi .......................................................................................................................................... 201.3.4. Polisaharīdi ............................................................................................................................................. 201.3.5. Ogļhidrātu atvasinājumi ......................................................................................................................... 22

1.4. Lipīdi.................................................................................................................................................................. 251.4.1. Taukskābes ............................................................................................................................................. 261.4.2. Neitrālie tauki ......................................................................................................................................... 261.4.3. Fosfoglicerīdi ......................................................................................................................................... 271.4.4. Sfingolipīdi un glikolipīdi ..................................................................................................................... 271.4.5. Vaski ....................................................................................................................................................... 271.4.6. Steroīdi ................................................................................................................................................... 281.4.7. Lipīdi un proteīni kā šūnu membrānas komponenti .............................................................................. 29

1.5. Nukleotīdi un nukleīnskābes ............................................................................................................................. 301.5.1. Nukleīnskābēs ietilpstošie nukleotīdi .................................................................................................... 301.5.2. Nukleīnskābēs neietilpstošie mono un dinukleotīdi .............................................................................. 311.5.3. Polinukleotīdi ......................................................................................................................................... 32

2. Fermenti ..................................................................................................................................................................... 362.1. Fermentu darbības mehānisms .......................................................................................................................... 362.2. Fermentu kinētikas pamati ................................................................................................................................ 372.3. Fermentu aktivitāti ietekmējoši faktori ............................................................................................................. 39

2.3.1. Temperatūra ............................................................................................................................................ 392.3.2. pH ........................................................................................................................................................... 392.3.3. Inhibitori ................................................................................................................................................. 402.3.4. Aktivatori ................................................................................................................................................ 422.3.5. Fermentu allostēriskā regulācija ............................................................................................................ 422.3.6. Kofaktori, koenzīmi ............................................................................................................................... 43

2.4. Fermentu klasifikācija ....................................................................................................................................... 433. Vitamīni ..................................................................................................................................................................... 45

3.1. Taukos šķīstošie vitamīni .................................................................................................................................. 453.1.1. Vitamīns A .............................................................................................................................................. 453.1.2. Vitamīns E .............................................................................................................................................. 463.1.3. Vitamīns D ............................................................................................................................................. 473.1.4. Vitamīns K ............................................................................................................................................. 47

3.2. Ūdenī šķīstošie vitamīni .................................................................................................................................... 483.2.1. B grupas vitamīni ................................................................................................................................... 483.2.2. Vitamīns C .............................................................................................................................................. 52

4. Metabolisms ............................................................................................................................................................... 534.1. Metabolisma vispārējs raksturojums ................................................................................................................. 53

4.1.1. Katabolisms ............................................................................................................................................ 534.1.2. Anabolisms ............................................................................................................................................. 534.1.3. Oksidēšanās - reducēšanās metabolisma procesos ................................................................................ 54

4

4.2. Gremošana, gremošanas trakta fermenti ........................................................................................................... 544.3. Enerģētiskais metabolisms ................................................................................................................................ 56

4.3.1. Enerģētiskā metabolisma vispārīgie principi ......................................................................................... 564.3.2. Glikolīze ................................................................................................................................................. 574.3.3. Piruvāta oksidatīvā dekarboksilēšana .................................................................................................... 584.3.4. Krebsa cikls ............................................................................................................................................ 594.3.5. Oksidatīvā fosforilēšanās ....................................................................................................................... 61

4.4. Ogļhidrātu metabolisms ..................................................................................................................................... 654.4.1. Pentozofosfātu ceļš ................................................................................................................................ 654.4.2. Glikoneoģenēze ...................................................................................................................................... 674.4.3. Glikogēna sintēze un noārdīšanās .......................................................................................................... 694.4.4. Glikozildifosfātnukleotīdi cukuru savstarpējās pārvērtībās ................................................................... 72

4.5. Lipīdu metabolisms ........................................................................................................................................... 744.5.1. Taukskābju katabolisms ......................................................................................................................... 744.5.2. Taukskābju biosintēze ............................................................................................................................ 804.5.3. Triacilglicerīdu un fosfolipīdu biosintēze .............................................................................................. 824.5.4. Sfingolipīdu biosintēze ........................................................................................................................... 844.5.5. Sterīnu biosintēze ................................................................................................................................... 85

4.6. Aminoskābju metabolisms ................................................................................................................................. 874.6.1. Aminoskābju katabolisms ...................................................................................................................... 874.6.2. Aminoskābju biosintēze ......................................................................................................................... 914.6.3. Aminoskābes citu vielu biosintēzē ......................................................................................................... 93

4.7. Nukleotīdu biosintēze ........................................................................................................................................ 944.7.1. Pirimidīnu biosintēzes posmi ................................................................................................................. 944.7.2. Purīnu biosintēzes posmi ....................................................................................................................... 95

5. Ūdens un jonu apmaiņa, to transports caur šūnu membrānām ................................................................................. 975.1. Ūdens un sāļu cirkulācija organismā ................................................................................................................. 97

5.1.1. Nātrija un kālija joni organismā ............................................................................................................ 975.1.2. Kalcija joni organismā ........................................................................................................................... 985.1.3. Magnija joni organismā ......................................................................................................................... 985.1.4. Nieru darbības bioķīmiskie pamati ........................................................................................................ 99

5.2. Vielu transports caur šūnas membrānu ............................................................................................................. 1005.2.1. Atvieglotā difūzija .................................................................................................................................. 1015.2.2. Aktīvais transports.................................................................................................................................. 1015.2.3. Tiešā aktīvā transporta piemēri .............................................................................................................. 1025.2.4. Netiešā aktīvā transporta piemēri .......................................................................................................... 1035.2.5. Anjonu transports caur mitohondriju iekšējo membrānu ...................................................................... 104

6. Skābju-bāzu līdzsvars un gāzu apmaiņa organismā .................................................................................................. 1067. DNS replikācija un transkripcija ............................................................................................................................... 107

7.1. Ģenētiskais kods ................................................................................................................................................ 1077.2. Replikācija ......................................................................................................................................................... 1087.3. DNS bojājumi un mutācijas .............................................................................................................................. 1087.4. Proteīnu biosintēze ............................................................................................................................................ 110

7.4.1. Transkripcija ........................................................................................................................................... 1107.4.2. Translācija .............................................................................................................................................. 112

8. Signālu transdukcija bioķīmiskajos procesos ............................................................................................................ 1148.1. Signālmolekulas ................................................................................................................................................. 1148.2. Hormoni metabolisma regulācijā ...................................................................................................................... 115

9. Bioloģiski aktīvās vielas pātikas produktos, to ietekme uz metabolismu ................................................................ 1179.1. Kofeīns un tā metabolīti .................................................................................................................................... 1179.2. Alkohola metabolisms ....................................................................................................................................... 1189.3. Polifenolu antioksidanti ..................................................................................................................................... 1199.4. Kancerogēnie savienojumi kūpinātos un grilētos produktos ............................................................................ 1209.5. Bioloģiski aktīvās vielas melnajos un čili piparos ............................................................................................ 120Literatūra ................................................................................................................................................................... 122

5

IevadsKurss „Cilvēka bioķīmija un molekulārā bioloģija” paredzēts, lai sniegtu ieskatu bioķīmijas un

molekulārās bioloģijas pamatjautājumos, kuri nepieciešami citu starpaugstskolu akadēmiskā maģistra studiju programmas „Uzturzinātne” kursu labākai apgūšanai. Profesionālu izpratni par uzturā esošo uzturvielu un citu bioloģiski aktīvo komponentu ietekmi uz cilvēka organisma funkcijām iespējams iegūt, tikai izprotot bioķīmiskās sakarības un metabolisma pamatprincipus.

Kursā „Cilvēka bioķīmija un molekulārā bioloģija” iekļauta statiskā bioķīmija, kas sniedz informāciju par svarīgāko biomolekulu – proteīnu, ogļhidrātu, lipīdu un nukleīnskābju – ķīmisko uzbūvi un to funkcijām dzīvajos organismos. Apskatīti enzimoloģijas pamati, fermentu kinētikas pamatprincipi un fermentu aktivitāti ietekmējošie faktori. Kursā stāstīts par galvenajiem metabolisma ceļiem, kam cilvēka organismā pakļautas ar uzturu uzņemtās barības vielas (ogļhidrāti, tauki, proteīni). Kursā atrodama informācija par cilvēka gremošanas fermentu lokalizāciju un darbību. Iztirzāti enerģētiskā metabolisma aspekti, kā arī metabolisma regulācijas pamatprincipi, apskatīta vitamīnu loma metabolisma procesos. Parādīta dažādu metabolisma procesu lokalizācija šūnu organellās un cilvēka orgānos un audos, kā arī dažādu metabolisma ceļu savstarpējā saistība. Metabolisma pamatprincipu apguve dod iespēju izprast procesus, kas saistīti gan ar barības vielu noārdīšanos, gan jaunu biomolekulu sintēzi cilvēka organismā.

Īsumā kursā aplūkoti arī gēnu replikācijas un transkripcijas procesi un proteīnu biosintēzes pamati. Dots ieskats par dažiem bioloģiski aktīviem savienojumiem pārtikā un to ietekmi uz metabolismu.

6

1. Biomolekulas

1.1. Biomolekulu vispārīgs raksturojumsTā kā daži ķīmiskie elementi lielākā mērā nekā citi ir piemēroti dzīvos organismos esošo ķīmisko

savienojumu izveidei, tad dzīvā matērija pēc elementu sastāva stipri atšķiras no apkārtējās vides. No 100 ķīmiskajiem elementiem, kas atrasti Zemes garozā, dzīvos organismos ietilpst tikai 22.

Organisko vielu sastāvā ietilpstošie elementi:C, O, N, H, P, S.Vienatoma joni:Na+, K+, Mg+, Ca2+, Cl-.Elementi, kas atrodas dzīvos organismos ļoti mazos daudzumos:Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Al, V, Mo, I, Si.Cilvēka organismā ogleklis veido 10,5 %, ūdeņradis – 60,3 %, skābeklis – 25,5 % un slāpeklis –

2,42 % no masas.Dzīvos organismos ietilpstošie organiskie savienojumi ir ļoti daudzveidīgi, un liela daļa no tiem

ir ar sarežģītu struktūru. Pamatā dzīvajās šūnās dominē lielmolekulārie savienojumi. Piemēram, cilvēka organismā ir apmēram 5 miljoni dažādu olbaltumvielu (proteīnu). Tomēr, par laimi, visas šīs lielās organisko savienojumu daudzveidības pamatā ir samērā vienkāršas uzbūves principi un likumsakarības. Viens no principiem –komplicētie dažādie biopolimēri ir veidoti no samērā ierobežota skaita monomēru vienībām. Tā, piemēram, visi proteīni ir veidoti no 20 aminoskābēm, savukārt nukleīnskābju pamatā ir tikai 8 mononukleotīdi. No tā, kādā secībā šie monomēri savienojas viens ar otru, veidojas lielā augstmolekulāro biomolekulu daudzveidība.

Šīs nedaudzās relatīvi vienkāršās vielas dzīvā organisma šūnās bieži izpilda vairākas funkcijas. Piemēram, aminoskābes kalpo ne tikai kā celtniecības materiāls proteīna molekulu veidošanai, bet ir arī vielas, no kurām organismā sintezējas hormoni, alkaloīdi, pigmenti un citas biomolekulas. Mononukleotīdi tiek izmantoti arī kā kofermenti un vielas, kas akumulē enerģiju.

Biomolekulas iedala mazās molekulās un lielmolekulāros savienojumos.Mazo molekulu grupā ietilpst tādi savienojumi, kā aminoskābes, monosaharīdi un disaharīdi,

vitamīni, hormoni, steroli, lipīdi, nukleotīdi un citi dzīvos organismos eksistējoši mazmolekulāri ķīmiski savienojumi.

Lielmolekulāri savienojumi ir polimēri – peptīdi, proteīni, polisaharīdi, oligosaharīdi, nukleīn-skābes (DNS un RNS).

1.2. Aminoskābes, peptīdi un proteīni

1.2.1. Aminoskābes kā proteīnu uzbūves elementiProteīni jeb olbaltumvielas ieņem dominējošu vietu šūnā atrodošos organisko vielu starpā. Tie

veido aptuveni 50 % no šūnas sausās masas. Proteīni piedalās gandrīz jebkurā bioloģiskā procesā. Proteīnu molekulas katalizē ķīmiskās reakcijas, nodrošina molekulu transportu caur šūnu membrānām, nodrošina muskuļu šķiedru kustību. Proteīni kalpo arī kā strukturāli materiāli šūnās un starp tām, transportē skābekli asinīs, kā arī tiem ir vēl daudzas citas funkcijas.

Proteīni ir lielmolekulāri savienojumi, kas sastāv no α-aminoskābju monomēru vienībām.

7

Aminoskābēm ir kopēja bipolāra joniska struktūra, un tās atšķiras cita no citas ar dažādu sānu ķēžu grupu struktūru (sk. 1. attēlu). Aminoskābes ir amfotēri elektrolīti, kam piemīt gan skābju, gan bāzu īpašības.

NH3+

CH COO-R

NH2

CH COOHR R- aminoskābju grupas :

H-, CH3-, HOCH2- u.c.

1. attēls. Aminoskābju vispārējā ķīmiskā uzbūve

Visi proteīni pamatā ir veidoti no 20 aminoskābēm, kuru struktūra parādīta 2. un 3. attēlā. No specifisku proteīnu hidrolizātiem gan ir izdalītas vēl dažas citas reti sastopamas papildu aminoskābes, kuras visas ir parasto aminoskābju atvasinājumi. Astoņas no 20 aminoskābēm ir bioloģiski neaizvietojamas, jo tās cilvēka organisms nespēj sintezēt, tāpēc tās jāuzņem ar barību. Tās ir: leicīns, izoleicīns, lizīns, metionīns, triptofāns, fenilalanīns, treonīns un valīns.

Pēc sānu ķēžu grupu polaritātes aminoskābes iedala četrās grupās:1. Nepolārās jeb hidrofobās aminoskābes raksturīgas ar zemāku šķīdību ūdenī salīdzinājumā

ar polārajām aminoskābēm.2. Polārās, bet nelādētās aminoskābes. Tām ir labāka šķīdība ūdeni, jo polārās grupas var

veidot ūdeņraža saites ar ūdens molekulām. Serīna, treonīna un tirozīna polaritāti nosaka to molekulās esošā hidroksilgrupa, asparagīna un glutamīna polaritāti – amīdgrupas, cisteīna polaritāti – SH grupa.

3. Pozitīvi lādētās (bāziskās) aminoskābes. Tās ir – lizīns, kas satur otru aminogrupu, arginīns, kas satur pozitīvi lādētu guanidīna grupu, un histidīns, kura molekulā ir vāji bāziskā imidazola grupa.

4. Negatīvi lādētās (skābās) aminoskābes. Tās ir asparagīnskābe un glutamīnskābe, kuras satur divas karboksilgrupas, un tām ir summārais negatīvais lādiņš pie pH 7.

Pēc sānu ķēdes aminoskābes iedala:• alifātiskās;• cikliskās aromātiskās;• heterocikliskās.

Pēc specifiskām īpašībām aminoskābes iedala:• hidroksiaminoskābes (serīns, treonīns, tirozīns);• sēru saturošās aminoskābes (cisteīns, metionīns);• iminoskābes (prolīns);• aminoskābes ar sazarotu sānu ķēdi (valīns, leicīns, izoleicīns).

8

NH3+

C COO-

H

CH3

NH3+

C COO-

H

CH

CH3

CH3

CH2

NH3+

C COO-

H

CH

CH3

CH3

CH2

NH3+

C COO-

H

CH

CH3

CH3

COO-C

NH

H

CH2

H2C

H2C

CH2

NH3+

C COO-

H

CH2CH2 S

CH2

NH3+

C COO-

H

HO

CH2

NH3+

C COO-

H

C

CHNH

NH3+

C COO-

H

H

CH2

NH3+

C COO-

H

HO

CH3

NH3+

C COO-

H

CH

OH

CH2

NH3+

C COO-

H

HS

CH2

NH3+

C COO-

H

C

NH2

O

CH2

NH3+

C COO-

H

C

NH2

O

CH2

CH2

NH3+

C COO-

H

HO

Alanīns

Valīns

Leicīns

Izoleicīns

Prolīns

Fenilalanīns

Triptofāns

Metionīns

Glicīns

Serīns

Treonīns

Cisteīns

Tirozīns

Asparagīns

Glutamīns

Aminoskābes ar nepolāru R-grupu Aminoskābes ar nelādētu polāru R-grupu

(Ala)

(Val)

(Cys)

(Ser)

(Gly)

(Asn)

(Gln)(Met)

(Thr)

(Ile)

(Pro)

(Leu)

(Trp)

(Phe) (Tyr)

2. attēls. Aminoskābju struktūra

9

CH2

NH3+

C COO-

H

CH2CH2CH2H3N+

CH2

NH3+

C COO-

H

CHC

HN NH

CH

Lizīns

Arginīns

Histidīns

Asparagīnskābe

Glutamīnskābe

Aminoskābes ar lādētu ( pie pH 6 - 7 ) polāru R-grupu

Skābās aminoskābes ( negatīvs lādiņš )

Bāziskās aminoskābes ( pozitīvs lādiņš )

(Arg)

(Asp)

(Lys)

(His)

(Glu)

CH2

NH3+

C COO-

H

CH2CH2NHH2N C

NH2+

CH2

NH3+

C COO-

H

C

-O

O

CH2

NH3+

C COO-

H

C

-O

O

CH2

3. attēls. Aminoskābju struktūra (turpinājums)

Aminoskābes, izņemot glicīnu, ir optiski aktīvas vielas, jo satur asimetrisku (hirālo) oglekļa atomu. To, vai aminoskābe ir D vai L rindas, nosaka pēc analoģijas ar gliceraldehīda struktūru (sk. 4. att.). Visas aminoskābes, kas ietilpst dzīvos organismos, ir L rindas aminoskābes.

L-gliceraldehīds D-gliceraldehīds

L-aminoskābe D-aminoskābe

4. attēls. L un D rindas aminoskābju struktūra

10

1.2.2. Aminoskābju un proteīnu izoelektriskais punktsAtkarībā no šķīduma pH aminoskābes kā amfolīti var atrasties dažādās jonizētās formās:

pH

OH- ekvivalenti

pK2

pK1

pI

COOH

CHH3N+

COO-

CHH3N+

R R

COO-

CHH2N

R

5. attēls. Aminoskābju titrēšanas līkne

pH vērtību, pie kuras aminoskābes molekulas summārais lādiņš ir nulle, sauc par izoelektrisko punktu pI. Aminoskābēm ar vienu aminogrupu un vienu karboksilgrupu pI var aprēķināt pēc formulas:

Vairākas aminoskābes papildus satur vēl vienu aminogrupu vai karboksilgrupu, kā arī ir

aminoskābes, kuras bez aminogrupām un karboksilgrupām satur arī citas jonizēties spējīgas grupas, kas dod papildu pārliekuma punktus uz titrēšanas līknes.

Aminoskābju disociācijas konstantes dotas 1. tabulā.1. tabula

Aminoskābju pK vērtībasAminoskābe pK1 pK2 pK3

GlyAlaSerCysMetValLeuIleTyrPheTrpProGluAspHisLysArgThrGlnAsn

2,352,342,211,962,282,322,362,362,602,582,382,002,192,091,772,182,092,632,172,02

9,789,879,158,189,219,629,609,689,109,249,39

10,604,283,876,108,959,04

10,409,138,80

10,28

10,1

9,669,828,17

10,5312,48

Monoaminoskābju karboksilgrupām ir spēcīgāk izteiktas skābes īpašības salīdzinājumā ar atbilstošām alifātiskām karbonskābēm (piem., etiķskābi). Aminoskābēm α-aminogrupas ir vājāk bāziskas, salīdzinot ar atbilstošo alifātisko amīnu aminogrupām.

11

Visām aminoskābēm ar vienu aminogrupu un vienu karboksilgrupu, kuras satur nelādētu R-grupu, pK1 un pK2 vērtības ir aptuveni vienādas. Cisteīna sulfhidrilgrupai (-SH) un tirozīna oksigrupai piemīt ļoti vājas skābes īpašības. Pie pH7 cisteīna -SH grupa ir jonizēta apmēram par 8 %, bet tirozīna -OH grupa par 0,01 %.

Peptīdu un proteīnu titrēšanas līknes ir līdzīgas brīvo aminoskābju līknēm, un tiem, tāpat kā aminoskābēm, eksistē izoelektriskam punktam atbilstoša pH vērtība. Pie pH zem pI peptīdiem un proteīniem ir pozitīvs lādiņš, pie pH virs pI – negatīvs lādiņš.

1.2.3. Ķīmiskās saites proteīnos

1.2.3.1. PeptīdsaitesAminoskābes savstarpēji saistītas ar peptīdsaitēm, veidojot vai nu īsas ķēdes polimērus – peptīdus

vai garākas ķēdes polimērus – polipeptīdus jeb proteīnus. Peptīdsaite ir kovalentā saite, kura veidojas, vienas aminoskābes aminogrupai reaģējot ar otras aminoskābes karboksilgrupu (6. att.). Peptīdsaitei raksturīga augsta stabilitāte.

R

N

CH C

O

OH+

H H

RN CH

COHO

H

H

R

NH2

CH C

O

RN CH

COOHH

+ H2O

6. attēls. Peptīdsaites veidošanās

Divām aminoskābēm savstarpēji saistoties ar peptīdsaiti, veidojas dipeptīds. Brīvā gala karboksilgrupa un aminogrupa var veidot nākamo peptīdsaiti ar citu aminoskābi. Rezultātā veidojas peptīdķēde. Ja aminoskābju skaits ķēdē ir neliels, tad šos savienojumus sauc par peptīdiem. Proteīni ir lielas polipeptīda molekulas, tie var sastāvēt arī no vairākām polipeptīdķēdēm. Peptīdķēde ir proteīnu pirmējās struktūras pamats. Polipeptīdķēdes veidošanā katra aminoskābe piedalās ar savu karboksilgrupu un aminogrupu. Izveidojas polipeptīda skelets, no kura atzarojas dažādi aminoskābju sānu ķēžu atlikumi. Peptīdķēdes galos atrodas brīvas -NH2 un -COOH grupas.

Peptīdsaites visi četri atomi (C, H, N, O) atrodas vienā plaknē, un peptīdu vienību rotācija iespējama tikai ap αC atomu. Pilnīgi izstieptas peptīdķēdes gadījumā phi/psi ir 180° (7. att.).

7. attēls. Polipeptīdķēde. Φ(phi) – leņķis saitei starp αC un N atomu. Ψ – leņķis saitei starp αC un C atomu

1.2.3.2. DisulfīdsaitesDisulfīdsaites (-S-S-) veidojas, ja proteīna molekulā ir cisteīna atlikumi. Ūdeņraža atomiem

atšķeļoties no cisteīna molekulu atlikumu sulfihidrilgrupām, veidojas disulfīdsaites (8. att.), ar kurām savā starpā saistās atsevišķi polipeptīdi.

12

Oksidēšana

8. att. Disulfīdsaites veidošanās

1.2.3.3. Ūdeņraža saitesProteīnu molekulās bez stabilajām kovalentajām saitēm (peptīdsaitēm un disulfīdsaitēm) ir liels

daudzums labilo ūdeņraža saišu. Ūdeņraža saites ir dipola-dipola saites starp elektronegatīvu atomu un ūdeņraža atomu, kas saistīts pie cita elektronegatīva atoma. Ūdeņraža saites polipeptīdos veidojas starp karbonilgrupas skābekļa atomu un amīdgrupas ūdeņraža atomu.

1.2.3.4. Van der Valsa mijiedarbība Van der Valsa mijiedarbība ir vāja sadarbība starp molekulām, kas rodas divu pretēji orientētu

dipolu mijiedarbības rezultātā. Atšķirībā no kovalentām un jonu saitēm tā nav stabila, un to rada molekulu un atomu momentānā polarizācija. Tā kā elektronu sadalījumu nosaka kvantu varbūtība, tad var rasties īslaicīgs lādiņa nevienmērīgs sadalījums, kas arī rada Van der Valsa spēkus.

1.2.3.5. Jonu saitesJonu saites veido elektrostatiskā sadarbība starp katjonu un anjonu grupām. Šī elektrostatiskā

sadarbība salīdzinājumā ar ūdens vidi ir spēcīgāka nepolāros šķīdinātājos, jo polārās ūdens molekulas ekranē lādētās grupas.

R NH3

+R

O

O_

9. attēls. Jonu saites

1.2.3.6. Hidrofobā iedarbībaProteīnos ietilpstošās aminoskābes satur vai nu hidrofilas vai hidrofobas sānu ķēžu grupas. Šo

grupu iedarbībai ar ūdens vidi ir svarīga nozīme proteīna struktūras formas veidošanā. Globulāro proteīnu spontānā salocīšanās („folding”) atspoguļo līdzsvaru starp ūdeņraža saišu veidošanos starp ūdens molekulām un aminoskābju hidrofilām grupām un hidrofobo grupu atgrūšanos no ūdens vides. Hidrofobām grupām ir tendence novietoties proteīna molekulas struktūras iekšienē, savukārt hidrofīlās grupas atrodas šīs struktūras ārpusē.

1.2.4. Proteīnu molekulas struktūra

1.2.4.1. Pirmējā struktūraPirmējā (primārā) proteīnu struktūra ir aminoskābju secība, kādā tās saistītas polipeptīda

molekulā. To var saukt arī par kovalento struktūru. Pirmējā struktūra ir unikāla katram konkrētam proteīnam, un to kodē DNS nukleotīdu sekvence.

Peptīdu vai proteīnu primāro struktūru vienmēr raksta, sākot no aminogrupas gala, virzienā uz karboksilgrupas galu. Aminoskābes pieraksta, izmantojot vai nu trīs zīmju kodu, vai vienzīmju kodu (2. tabula). Vienzīmju kodu vienmēr raksta ar lielajiem burtiem.

13

2. tabulaAminoskābju apzīmējumi trīszīmju un vienzīmju kodā

Aminoskābe Trīszīmju kods Vienzīmju kods

Aminoskābe Trīszīmju kods Vienzīmju kodsAlanīnsArginīns Asparagīns Aspartāts Cisteīns Histidīns Izoleicīns Glutamīns Glutamāts Glicīns

Ala Arg Asn Asp Cys His Ile Gln Glu Gly

A R N D C H I Q E G

Leicīns Lizīns Metionīns Fenilalanīns Prolīns Serīns Treonīns Triptofāns Tirozīns Valīns

Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val

LKMFPSTWYV

1.2.4.2. Otrējā struktūraOtrējā (sekundārā) proteīnu struktūra ir telpiskā orientācija polipeptīdķēdes apgabaliem, kas

rodas, starp aminoskābēm veidojoties ūdeņraža saitēm. Visbiežāk sastopamie otrējās struktūras veidi ir α-spirāle un β-plāksne.

α-spirāle – biežāk sastopamā konfigurācija globulārajos proteīnos. Peptīdu ķēde ir savīta spirālē ap iedomāta cilindra virsmu. Spirālveida struktūra ir iespējama, pateicoties peptīdsaites atomu plakaniskajam izvietojumam un brīvas rotācijas iespējām pie α-oglekļa atoma. Divu blakus esošo peptīdsaišu plaknes atrodas viena pret otru 108° leņķī. Lielais skaits ūdeņraža saišu polipeptīdķēdē stabilizē molekulu, tāpēc stabilākā ir tā struktūra, kuru uztur maksimālais ūdeņraža saišu skaits. Spirālveida struktūra piemīt tikai daļai no polipeptīdķēdes. Spiralizācijas pakāpe proteīnos var būt 5–80 %.

Aminoskābes, kas veicina spirālveida struktūras veidošanos, ir metionīns, alanīns, glutamāts, leicīns un lizīns. Savukārt aminoskābes, kas satur lielus aromātiskos atlikumus (kā triptofāns, tirozīns un fenilalanīns), kā arī sazarotās aminoskābes (izoleicīns, valīns un treonīns) veido β-struktūras.

Aminoskābes sānu grupas

OgleklisSkābeklisSlāpeklisŪdeņradis

10. attēls. Proteīnu alfa spirāle

β-plāksneSalocītā β-plāksne veidota no paralēlām vai antiparalēlām polipeptīdķēdēm (11. att.). Paralēlās polipeptīdķēdes ir orientētas vienā virzienā, t. i., virziens no N-termināla uz C terminālu

ir vienāds. Antiparalēlās polipeptīdķēdes novietotas pretējos virzienos. Aminoskābju sānu ķēžu grupas ir novietotas perpendikulāri β-plāksnes plaknei.Šāda otrējā struktūra raksturīga tādiem proteīniem kā, piemēram, β-keratīniem.

14

Paralēla struktūra Antiparalēla struktūra

11. attēls. Proteīnu otrējā struktūra. β-plāksne

1.2.4.3. Trešējā struktūraTrešējā (terciārā) proteīnu struktūra ir polipeptīdu ķēdes trīsdimensiju struktūra, kuru nosaka

pirmējā un otrējā struktūra. Trešējā struktūra veidojas polipeptīdķēdes „salocīšanās” (folding) rezultātā. Galvenais spēks, kas nodrošina trešējās struktūras izveidošanos, ir hidrofobā iedarbība. Polipeptīdķēde salokās tā, ka nepolāro aminoskābju sānu grupas tiek „paslēptas” struktūras iekšienē, bet polārie aminoskābju atlikumi atrodas uz struktūras ārējās virsmas.

Svarīgu lomu trešējās struktūras stabilizēšanā spēlē ūdeņraža saites. Dažos proteīnos struktūru stabilizē arī disulfīdsaites starp cisteīna atlikumiem.

Pēc trešējās struktūras proteīnus var iedalīt globulāros un fibrillāros proteīnos. Globulāriem proteīniem ir vairāk vai mazāk izteikta sfēriska forma (12. att.), savukārt fibrillāro proteīnu molekulas eksistē garu pavedienu formā. Fibrillāriem proteīniem parasti piemīt strukturāla nozīme. Kolagēni, elastīni un keratīni pieder pie fibrillāriem proteīniem. Globulārie proteīni ir labāk šķīstoši ūdenī salīdzinājumā ar fibrillāriem proteīniem, kuri ūdenī praktiski nešķīst. Daudzi globulārie proteīni ir fermenti.

12. attēls. Globulāra proteīna trešējās un ceturtējās struktūras piemērs

15

1.2.4.4. Ceturtējā struktūraCeturtējā struktūra veidojas, divām vai vairākām polipeptīdķēdēm apvienojoties stabilā multi-

subvienību struktūrā (12. att.). Starp subvienībām nav kovalentās saites, ceturtējās struktūras veidošanā piedalās ūdeņraža saites, van der Valsa spēki un jonu saites. Retos gadījumos ceturtējās struktūras stabilizēšanā piedalās arī disulfīdu saites starp dažādu polipeptīdu ķēdes cisteīna atlikumiem. Proteīnus ar vairākām polipeptīdu ķēdēm sauc par oligomēriem proteīniem. Oligomērie proteīni var būt veidoti gan no vienādām, gan dažādām polipeptīdu ķēdēm. Pirmajā gadījumā tos sauc par homooligomēriem, otrajā gadījumā – par heterooligomēriem.

1.2.5. Proteīnu denaturācijaDenaturācija ir proteīnu dabīgās struktūras sagraušana dažādu faktoru iedarbībā. Proteīnu

pirmējā struktūra denaturācijas procesā saglabājas. Galvenais denaturācijas iemesls ir ūdeņraža saišu saraušana proteīna molekulā. Faktori, kas var izsaukt denaturāciju, ir termiskā iedarbība, ekstrēmas pH vērtības, rentgena stari, ultravioletais starojums, augsts spiediens, stipra mehāniska iedarbība.

Denaturācijas iedarbībā globulāru proteīnu polipeptīdķēde daļēji vai pilnīgi atritinās. Denaturācijas rezultātā samazinās proteīnu šķīdība, zūd bioloģiskā aktivitāte, palielinās proteīnu jutība pret sašķelšanu ar fermentiem (proteāzēm).

Denaturācija var būt gan atgriezeniska, gan neatgriezeniska. Atgriezeniskas denaturācijas gadījumā, neitralizējot faktoru, kas izraisījis denaturāciju, proteīna molekulas spontāni ieņem savu sākotnējo salocīto stāvokli.

1.2.6. Proteīnu klasifikācija

1.2.6.1. Klasifikācija pēc funkcijāmProteīnus pēc to funkcijām organismā var iedalīt šādi:Fermenti. Tie biokatalizatori, kas paātrina kādas konkrētas reakcijas norisi. Fermenti ir lielākā

un svarīgākā proteīnu grupa.Strukturālie proteīni – fibrillārie proteīni, kas kalpo par struktūras elementiem. Ietilpst saistaudu,

ādas, nagu, kaulu sastāvā. Regulatorie proteīni. Pie šiem proteīniem pieskaitāmi metabolisma regulatori, hormoni

(piemēram insulīns).Rezerves proteīni kalpo aminoskābju uzkrāšanai. Pie tiem pieskaitāmi, piemēram, olas baltuma

proteīns – ovalbumīns un piena proteīns – kazeīns.Toksīni ir toksiski augu vai dzīvnieku proteīni.Transporta proteīni nodrošina citu vielu transportu organismā vai caur šūnu membrānām.Aizsargproteīni. Pie aizsargproteīniem pieskaitāmi imūnsistēmas proteīni.Kustību proteīni nodrošina muskuļu kontrakcijas.

1.2.6.2. Klasifikācija pēc ķīmiskās uzbūvesPēc ķīmiskās uzbūves proteīnus iedala vienkāršos proteīnos un saliktos proteīnos.Vienkāršie proteīni sastāv tikai no aminoskābēm.Izplatītākie vienkāršo proteīnu veidi ir šādi:

• Albumīni – plaši izplatīti proteīni ar labu šķīdību ūdenī. Izgulsnējas piesātinātā amonija sulfāta šķīdumā un ir pakļauti termiskai koagulācijai. Albumīni pieder pie neitrāliem vai vāji skābiem proteīniem. Cilvēka organismā kā piemēru var minēt seruma albumīnu, kas sastāda apmēram 60 % no visiem cilvēka asins plazmas proteīniem.

16

• Globulīni – otra dzīvos organismos bieži sastopama proteīnu grupa. Nešķīst ūdenī, bet šķīst dažādu sāļu ūdens šķīdumos. Otra lielākā proteīnu grupa asins serumā pēc albumīniem. Šajā grupā ietilpst gamma globulīns, dažādi fermenti un transporta proteīni. Pieder pie neitrāliem un vāji skābiem proteīniem.

• Histoni – bāziski proteīni, kas satur ap 20 % diaminomonokarbonskābes – lizīnu un arginīnu, kā arī bāzisko ciklisko aminoskābi – histidīnu. Histoni palīdz sapakot DNS un tiem ir liela nozīme nukleosomu veidošanā.

• Protamīni – stipri bāziski proteīni, satur ap 80 % arginīnu. Protamīnu sastāvā neietilpst sēru saturošas aminoskābes. Neliela molmasa – mazāka par 10 000. Protamīni, tāpat kā histoni, ir nukleoproteīnu komponenti.

• Protenoīdi – nešķīstoši proteīni, ko satur saistaudi, kaulaudi, skrimšļi, mati, nagi. Protenoīdi pēc struktūras ir fibrillārie proteīni, piemēram, kolagēns, keratīni.

• Prolamīni – augu proteīni. Labi šķīst etanolā. Satur daudz prolīna un glutamīnskābi. Praktiski nesatur lizīnu.

• Glutelīni – augu proteīni. Lokalizēti graudzāļu sēklās un augu zaļajās daļās. Šķīst tikai sārmu šķīdumos.

Proteīni var būt saistīti ar citiem ķīmiskiem savienojumiem. Tos sauc par kompleksajiem proteīniem. Šāda proteīna neolbaltumvielas komponentu sauc par prostētisko grupu. Tā var būt gan organiskas (lipīdi, ogļhidrāti, vitamīni), gan neorganiskas dabas (metālu joni). Proteīnu bez tā prostētiskās grupas sauc par apoproteīnu, bet kombinācijā ar prostētisko grupu – par holoproteīnu.

Proteīnus, kas kovalenti saistīti ar ogļhidrātiem, sauc par glikoproteīniem. Glikoproteīnus atkarībā no ogļhidrātu atlikuma piesaistes vietas iedala N-saistītajos un O-saistītajos. N-saistītajos glikoproteīnos ogļhidrāta grupa ir piesaistīta asparagīna amīda grupas slāpeklim. O-saistītajos glikoproteīnos ogļhidrāta grupa ir piesaistīta serīna vai treonīna hidroksilgrupai.

Kompleksus, kas veidojas, proteīniem nekovalenti asociējoties ar lipīdiem, sauc par lipoproteīniem. To galvenā funkcija ir palīdzēt lipīdu un holesterola transportā un uzglabāšanā.

Eritrocītu virsmas glikoproteīnu un lipoproteīnu daudzveidība nosaka asins grupu specifiskumu.Hromoproteīni satur krāsainu prostētisko grupu. Tie bieži satur metāla jonus, taču var būt arī

hromoproteīnu prostētiskās grupas bez metāla joniem.Proteīnus, kas satur metāla jonus, sauc par metaloproteīniem. Pazīstamākais piemērs –

hemoglobīns. Cits metaloproteīna piemērs – glikozes-6-fosfatāze, kas satur magnija jonus.Flavoproteīni kā prostētisko grupu satur riboflavīna nukleīnskābes atvasinājumu: flavīn-adenīn-

dinukleotīdu (FAD) vai flavīn-mononukleotīdu (FMN). Flavoproteīni ir iesaistīti daudzos bio- loģiskos procesos, tai skaitā, bioluminiscencē, fotosintēzē, brīvo radikāļu neitralizēšanā, DNS salabošanā u. c.

1.2.7. Dažu bioloģiski svarīgu proteīnu piemēri

1.2.7.1. HemoglobīnsHemoglobīns ir metaloproteīns, kas pieder arī pie hromoproteīniem. Tas ir cilvēka un dzīvnieku

organismā vitāli svarīgs proteīns, kas atbild par skābekļa transportu asinīs. Zīdītāju organismā šis proteīns veido aptuveni 97 % no sarkano asins šūnu sausnes satura. Hemoglobīns sastāv no četrām globulārām proteīna subvienībām. Pie katras no subvienībām ir piesaistīts dzelzs(II) jonus saturošs komplekss (hēms) (13. att.). Hēma kompleksā dzelzs jons ir saistīts heterocikliskā porfirīna gredzenā. Dzelzs ir piesaistīta pie globulāra proteīna ar histidīna atlikuma imidazola gredzena palīdzību.

17

Hems

Hemoglobīns

13. attēls. Hemoglobīna uzbūve

1.2.7.2. ImūnglobulīniImūnglobulīni (antiķermenīši) ir asinīs un citos ķermeņa šķidrumos lokalizēti specifiski proteīni,

kas tiek sintezēti kā atbildes reakcija uz svešu vielu (antigēnu) klātbūtni organismā. Antigēni var būt proteīni, polisaharīdi vai nukleīnskābes. Imūnglobulīnus izmanto imūnsistēma, lai atpazītu un neitralizētu baktērijas un vīrusus.

Antiķermenītis

Antigēni

Antigēna piesaistes vieta

14. attēls. Imūnglobulīna uzbūve

Imūnglobulīni ir veidoti no struktūrelementiem, ko sauc par ķēdēm – divām lielām „smagām” ķēdēm un divām mazām „vieglām” ķēdēm. Ir vairāku veidu antiķermenīšu “smagās” ķēdes, un pēc tām antiķermenīšus iedala dažādos izotipos. Zīdītājdzīvniekos ir zināmi pieci dažādi imūnglobulīnu izotipi – Ig A, Ig D, Ig E, Ig G un Ig M. Visiem imūnglobulīniem ir līdzīga pamatstruktūra, tomēr tie satur nelielu mainīgu reģionu proteīna molekulas galā. Šis mainīgais reģions nodrošina vairāku miljonu dažādu imūnglobulīnu eksistenci. Tieši imūnglobulīna mainīgā daļa nodrošina to specifiskumu attiecībā uz antigēnu. Tā satur specifisku ķīmisku struktūru, kas saistās ar konkrētu antigēnu, līdzīgi kā atslēga ar slēdzeni. Antigēna daļu, kas saistās ar antiķermenīša mainīgo daļu, sauc par epitopu.

Antigēna piesaistīšana ir primārā antiķermenīša funkcija. Tomēr bieži antigēna piesaistei pie antiķermenīša nav tieša bioloģiska efekta, un to dod antiķermenīša sekundārā efektora funkcija. Tā var realizēties, piesaistoties dažādu šūnu (fagocitozās šūnas, limfocīti, bazofili u. c.) receptoriem un aktivizējot šīs šūnas noteiktai darbībai.

Imūnglobulīnus var pieskaitīt pie glikoproteīniem, jo tie satur ogļhidrātu atlikumus.

18

1.2.7.3. Kolagēns un elastīnsKolagēns un elastīns ir svarīgi strukturālie proteīni. Kolagēns veido aptuveni 30 % kopējo

cilvēka ķermeņa proteīnu. Tie lokalizējas saistaudu ekstracelulārajā matricā. Ekstracelulārā matrica ir tīklveida struktūra starp šūnām, ko veido polisaharīdi un fibrillārie proteīni. Kolagēna molekula sastāv no izstieptas trīskāršas spirālveida struktūras. Tā kā kolagēnam piemīt spējas asociēties fibrillās un piesaistīties proteoglikāniem un citiem matricas elementiem, tas dod ieguldījumu audu integritātē un mehānisko īpašību nodrošināšanā.

Kaulaudos kolagēns ir saistīts ar kalciju saturoša hidroksiapatīta kristāliem.Elastīns pilda svarīgas funkcijas artērijās un ievērojamā daudzumā atrodas lielos asinsvados,

piemēram, aortā. Elastīns ir svarīgs komponents arī plaušās, ādā, skrimšļaudos.

NH2

O

OH

Desmozīns Izodesmozīns

15. attēls. Desmozīnu ķīmiskā struktūra

Elastīns sastāv no subvienībām ko sauc par α-elastīnu. Tā sastāvā pārsvarā ir glicīns, alanīns, valīns un prolīns, kas veido aptuveni 70 % no kopējo aminoskābju skaita elastīna molekulā. Elastīns nesatur cisteīnu. Elastīna subvienības apvienotas tīklveida struktūrā ar īpašu savienojumu – desmozīnu – palīdzību. Desmozīni veidojas, oksidējoties elastīna lizīna atlikumiem līdz δ-pusaldehīda aminoadipīnskābei, kas ciklizējoties veido heterociklisku savienojumu (15. att.). Desmozīni sastāda 1 % no elastīna aminoskābēm un veido izturīgas saites starp elastīna subvienībām, kas ir atbildīgas par elastīna elastīgumu. Elastīna šķiedras var izstiepties divas un pat vairāk reizes, saglabājot izturību. Pēc slodzes noņemšanas šķiedru garums atjaunojas līdz sākotnējam lielumam.

1.3. Ogļhidrāti un to atvasinājumiOgļhidrāti jeb cukuri atrodami visu dzīvo organismu šūnu un audu sastāvā. Lielākā daudzumā un

daudzveidībā tie ir sastopami augos (dažās to daļās var sasniegt 70–80 % no sausnes), kamēr dzīvnieku organismos to saturs nepārsniedz 2 % no sausnes. Ogļhidrātiem ir svarīga nozīme cilvēka barībā, jo organismā tie viegli sadalās, atbrīvojot enerģiju. Visvairāk ogļhidrātu atrodas aknās un muskuļos polisaharīda glikogēna veidā kā enerģijas rezerve. Polisaharīdiem piemīt arī strukturālas funkcijas. Vēl viena ogļhidrātu atlikumu (glikozilgrupas) funkcija ir bioloģiskā atpazīšana un komunikācija. Šūnu ārējās membrānas ir pārklātas ar kovalenti piesaistītiem oligosaharīdiem. Oligosaharīdi ietilpst citu kompleksu savienojumu sastāvā. Pievienojoties proteīniem vai lipīdiem, tie veido attiecīgi glikoproteīnus vai glikolipīdus. Cukuru daudzveidība, to spēja dažādi savienoties un veidot orientētas ūdeņraža saites dod lielu ieguldījumu ķīmiskajā kodā šūnu identifikācijai. Tas ļauj šūnām savienoties citai ar citu pareizā veidā, palīdz aktivizēt imūnsistēmu cīņā ar organismam svešām šūnām.

Ogļhidrātus iedala monosaharīdos, disaharīdos, oligosaharīdos un polisaharīdos.

19

1.3.1. MonosaharīdiMonosaharīdi pēc ķīmiskās uzbūves ir polihidroksialdehīdi (aldozes) vai polihidroksiketoni

(ketozes). Visi monosaharīdi (izņemot dioksiacetonu) satur vienu vai vairākus asimetriskos oglekļa atomus, tāpēc var eksistēt vairāku steroizomēru formās. Dabā visvairāk ir sastopami D-izomēri.

Visi monosaharīdi ir bezkrāsas kristāliskas vielas, kas labi šķīst ūdenī. Lielākajai daļai no tiem ir salda garša.

Kopējā formula ir (CH2O)n, kur n ir no 3 līdz 7. Atkarībā no oglekļa atoma skaita monosaharīdus sauc par triozēm, tetraozēm, pentozēm, heksozēm vai heptozēm.

Atkarībā no karbonilgrupas vietas molekulā izšķir divas triozes: aldotriozi – D-glicerīnaldehīdu un ketotriozi – dioksiacetonu.

Dabā sastopamās tetraozes ir D-eritroze, D-treoze un D-eritriloze.Pentozes (C5H10O5) ietilpst dzīvnieku un augu audos saliktu vielu sastāvā. D-riboze un tās

atvasinājumi ietilpst nukleīnskābju sastāvā.Dabā izplatītākie monosaharīdi ir heksozes (16. att.). No tām pazīstamākā un ar būtisku nozīmi

dzīvos organismos ir glikoze. Glikoze (vīnogu cukurs, dekstroze) pieder pie aldozēm, un glikozes molekula var eksistēt vai nu atvērtas ķēdes veidā, vai cikliskā formā. Ūdens šķīdumā abas formas ir līdzsvarā. Pie pH 7 dominējoša ir cikliskā forma, ko sauc par glikopiranozi. No ketozēm pazīstamākā heksoze ir D-fruktoze (augļu cukurs). Fruktoze ir saldāka par citiem ogļhidrātiem. Tā parasti eksistē cikliskā D-fruktofuranozes formā.

α-D-glikopiranoze

β-D-glikopiranozeD-glikoze

virknes forma

C

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

C

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

1

2

3

4

5

6

α-D-fruktofuranoze

β-D-fruktofuranozeD-fruktozevirknes forma

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

CH2OH

C O

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

CH2OH

C O

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

CH2OH

C O

H O1

2

3

4

5

6

16. attēls. Glikozes un fruktozes ķīmiskā struktūra

1.3.2. DisaharīdiDisaharīdi sastāv no diviem monosaharīdu atlikumiem, kas saistīti ar glikozīdisko saiti.

Glikozīdiskā saite saista viena monosaharīda reducējošo grupu (aldehīdgrupu vai ketogrupu) ar otra monosaharīda funkcionālo grupu. Visbiežāk dabā sastopami disaharīdi, kas sastāv no divām heksožu molekulām. Pazīstamākie disaharīdi ir: saharoze, laktoze, trehaloze, maltoze, celobioze.

Saharoze sastāv no D-glikozes un D-fruktozes atlikuma, laktoze – no D-galaktozes un D-glikozes. To ķīmiskā struktūra parādīta 17. attēlā.

20

Saharoze

Maltoze

Laktoze

17. attēls. Saharozes un laktozes ķīmiskā struktūra

1.3.3. OligosaharīdiOligosaharīdi ir ogļhidrātu polimēri, kas sastāv no neliela skaita (3–10) monosaharīdu vienību.Cilvēka organismā oligosaharīdi bieži sastopami glikoproteīnu vai glikolipīdu sastāvā.Daudzos augos ir sastopami fruktooligosaharīdi (FOS), kas sastāv no fruktozes vienībām.

Cilvēka organismā FOS neutilizējas, taču šiem savienojumiem ir liela nozīme labvēlīgas mikrofloras (probiotiķu) attīstībai gremošanas traktā.

1.3.4. PolisaharīdiPolisaharīdi ir ogļhidrāti, kas sastāv no liela skaita monosaharīdu atlikumiem. Cukuru polimēri

atrodas visās šūnās, un tie pilda dažādas funkcijas. Polisaharīdu sastāvā visbiežāk ietilpst šādas monomēru vienības: D-glikoze, D-fruktoze, D-mannoze, D-galaktoze, D-ksiloze, L-arabinoze, šiem cukuriem atbilstošās uronskābes un aminocukuri.

Polisaharīdus var iedalīt homopolisaharīdos un heteropolisaharīdos.Homopolisaharīdi sastāv no viena veida monomēriem.Heteropolisaharīdi sastāv no divu vai vairāku veidu monomēriem.Visvairāk pārstāvētās funkcionālās grupas polisaharīdos ir hidroksilgrupas, no kurām dažas var

veidot papildu glikozīdiskās saites, radot sazarotas polisaharīdu ķēdes. Polisaharīdi var saturēt arī karboksilgrupas, aminogrupas un citas funkcionālās grupas.

No homopolisaharīdiem dzīvajā dabā svarīgākie ir ciete, celuloze, glikogēns un inulīns.

1.3.4.1. CieteCiete (C6H10O5)n ir augu rezerves polisaharīds. Tas ir amilozes un amilopektīna maisījums (18. un

19. att.). Amiloze un amilopektīns abi ir glikozes polimēri. Ciete ir svarīgākais cilvēka barības ogļhidrāts. Tā cietes graudiņu veidā atrodas graudaugu sēklās un augu saknēs un bumbuļos.

18. attēls. Amilozes ķīmiskā struktūra

21

19. attēls. Amilopektīna ķīmiskā struktūra

1.3.4.2. CelulozeCeluloze (C6H10O5)n ir struktūras polisaharīds, kas ietilpst augu šūnapvalku sastāvā. Celulozes

molekulā glikozes monomēri ir saistīti ar β(1–4) glikozīdiskajām saitēm (20. att.). Celulozei ir liela nozīme zālēdāju dzīvnieku barībā. Taču zīdītāju gremošanas fermenti nespēj celulozi tieši sašķelt. Zarnu traktā celuloze sašķeļas mikroorganismu producēto fermentu iedarbībā.

n

OCH2OH

OHOH H

O

OCH2OH

OHO

OCH2OH

OH

OH

OH OH OH

20. attēls. Celulozes ķīmiskā struktūra

1.3.4.3. GlikogēnsGlikogēns (C6H10O5)n ir cilvēka un dzīvnieku organismu rezerves polimērs. Tas tiek saukts arī

par „dzīvnieku cieti”. Lielākā daļa glikogēna atrodas aknās, skeleta un sirds muskuļos, mazākos daudzumos – galvas smadzenēs un gludajos muskuļos. Glikogēna ķīmiskā struktūra ir līdzīga amilopektīnam, taču tā atšķiras ar lielāku sazarotības pakāpi. Glikozes vienības savstarpēji saistītas ar α(1–4) saitēm pamatķēdē un α(1–6) saitēm sazarojuma vietās. Glikozes ķēdes veido globulāru struktūru (21. att.) Glikogēna molekulmasa ir 1·106 – 4·106.

21. attēls. Glikogēna ķīmiskā struktūra

1.3.4.4. InulīnsInulīns ir polisaharīds, kas sastāv no fruktozes atlikumiem, kuri saistīti ar β(2–1) glikozīdisko

saiti (22. att.). Augu inulīna molekulas satur no 20 līdz vairākiem tūkstošiem fruktozes vienību. Dabā inulīns lielākos daudzumos sastopams tādos augos kā cigoriņi, topinambūri, ķiploki u. c. Cilvēka

22

barošanas traktā inulīns nesagremojas, bet tas, tāpat kā fruktooligosaharīdi, veicina probiotiķu augšanu un izdzīvošanu zarnu traktā.

22. attēls. Inulīna ķīmiskā struktūra

1.3.5. Ogļhidrātu atvasinājumiOrganismā daudzi ogļhidrāti eksistē to dažādu ķīmisko atvasinājumu veidā.

1.3.5.1. GlikozīdiGlikozīdi ir ķīmiski savienojumi, kuros ogļhidrāta grupa ar glikozīdsaites palīdzību saistīta ar kādu

necukuru grupu. Ogļhidrātu grupu sauc par glikonu, necukuru grupu – par aglikonu. O-glikozīdos aglikons saistīts ar ogļhidrātu grupu caur skābekļa atomu. Retāk sastopamajos N-glikozīdos un S-glikozīdos aglikons attiecīgi piesaistīts caur slāpekļa vai sēra atomu. N-glizodīdi pārsvarā pārstāvēti ar nukleozīdiem (β-D-ribofuranozes N-glikozīdi). Glikons var sastāvēt no monosaharīda vai oligosaharīda.

1.3.5.2. Cukurspirti (polioli)Ja monosaharīda karbonilgrupa tiek reducēta, veidojas cukura spirti. No D-glikozes veidojas

sorbitols, no mannozes – mannitols (23. att.)Cukura spirtiem piemīt salda garša, un tie parasti nepilnīgi absorbējas gremošanas traktā.

Absorbēti tie konvertējas enerģijā procesos, kas prasa maz vai vispār neprasa insulīna līdzdalību. Šo īpašību dēļ tos dažreiz lieto kā saldinātājus diabēta slimniekiem saharozes vietā. Līdzīgi kā citas nepilnīgi sagremojamas vielas, pārmērīga cukura spirtu lietošana var izsaukt gremošanas trakta darbības traucējumus.

Sorbitols

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

CH2OH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

CH2OH

C HHO

Mannitols

C HHO

C OHH

CH2OH

CH2OH

C OHH

Ksilitols

23. attēls. Dažu poliolu ķīmiskā struktūra

23

1.3.5.3. CukurskābesCukurskābes ir monosaharīdu atvasinājumi, kas satur karbonilgrupas.Izšķir trīs galvenos cukuru skābju grupas: aldonskābes, aldarikskābes un uronskābes.Aldonskābes – iegūtas, oksidējoties aldozes aldehīda funkcionālai grupai. Summārā ķīmiskā

formula ir HOOC–(CHOH)n–CH2OH. Piemēram, no D-glikozes veidojas D-glikonskābe, kuras fosforilētā forma ir svarīgs starpprodukts ogļhidrātu metabolismā.

Aldarikskābes – veidojas, oksidējoties gan aldehīdgrupai, gan hidroksilgrupai pie terminālā oglekļa atoma. Summārā ķīmiskā formula ir HOOC–(CHOH)n–COOH. Nav lielas bioloģiskās nozīmes.

Uronskābes – veidojas, oksidējoties hidroksilgrupai pie terminālā oglekļa atoma. Summārā ķīmiskā formula ir HOOC–(CHOH)n–COOH. Uronskābēm ir būtiskā nozīme bioloģiskajos procesos. Svarīgākās uronskābes ir D-glikouronskābe, D-galakturonskābe un D-mannouronskābe. Uronskābes ietilpst daudzu polisaharīdu sastāvā.

Gadījumos, kad iespējama pieclocekļu vai sešlocekļu cikla veidošanās, uronskābes un aldonskābes parasti eksistē laktona formā.

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

COOH

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

COOH

COH

D-glikonskābe D-glikouronskābe

C

O

H

C HHO

C OHH

C OHH

C

COH

O

D- δ -glikouronlaktons

C OHH

C HHO

C OHH

C HHO

COOH

COH

L-iduronskābe

24. attēls. Aldonskābju, uronskābju un uronskābes laktonu piemēri

L-iduronskābe ir galvenais uronskābju komponents glizoaminoglukānos – dermatāna sulfātā un heparīnā.

1.3.5.4. Aminocukuri, glikozoaminoglukāni, proteoglukāniAminocukuri ir ogļhidrāti, kas hidroksilgrupas vietā satur aminogrupu.Divi dzīvos organismos biežāk pārstāvētie aminocukuri ir D-glikozamīns (C6H13NO5) un

D-galaktozamīns (C6H13NO5), kuriem ir svarīga nozīme kā prekursoriem glikoproteīnu un glikolipīdu biosintēzē.

Glikozamīns Galaktozamīns

NHCO

CH3

NHCO

CH3

N-acetilglikozamīns

25. attēls. Aminocukuri

24

N-acetilglikozamīns ir glikozamīna un etiķskābes amīds. Tas ietilpst baktēriju šūnu apvalka sastāvā, ir polimēra hitīna monomērs. Tas funkcionē arī kā neirotransmiters.

Glikozoaminoglukāni jeb mukopolisaharīdi ir gari nesazaroti polisaharīdi, kas sastāv no aminogrupu saturošu disaharīdu monomēru vienībām.

Glikozoaminoglukāni ir svarīgi saistaudu komponenti. Tie var kovalenti saistīties pie proteīniem, veidojot proteoglukānus. Proteoglukāni ir specifiski glikoproteīni, kas ir stipri glikozilēti un sastāv no proteīna, kuram kovalenti piesaistītas viena vai vairākas glikozoaminoglukānu ķēdes. Šīs glikozoaminoglukānu ķēdes ir garas, lineāras un fizioloģiskos apstākļos negatīvi lādētas, jo satur sulfātu un uronskābes grupas. Proteoglukāni ir dzīvnieku un cilvēka šūnu ektracelulārās matricas komponenti. Tie veido lielus kompleksus ar citiem proteoglukāniem, hialuronātu un matricas fibrillāriem proteīniem (kolagēnu). Hialuronāts ir lielmolekulārs (100 kDa–10 000 kDa) nesulfatēts glikoaminoglukāns, kura disaharīda vienība sastāv no D-glikouronāta un N-acetilglikozamīna. Hialuronāts atšķiras no citiem glikozoaminoglukāniem ar to, ka tas nesatur sulfātgrupas un nav kovalenti saistīts ar proteīniem proteoglukānu sastāvā. Tas kā būtiska ekstracelulārās matricas sastāvdaļa sastopams saistaudos, epitēlija un nervu audos. Tas nekovalenti saistās ar protoglukāniem ekstracelulāraja matricā.

Proteoglukāni arī piedalās katjonu (nātrija, kālija, kalcija) un ūdens saistīšanā, kā arī regulē molekulu transportu caur ekstracelulāro matricu. Proteoglukāni satur šādu glikozamīnu ķēdes: hondroitīna sulfātu, dermatāna sulfātu, heparīnu, heparāna sulfātu, keratāna sulfātu.

Heparīns ir stipri sulfatēts glikozoamīns, kam piemīt asins antikoagulanta īpasības un augsts negatīvo lādiņu blīvums. Heparīns ir polimērs ar molekulmasu no 3 kDa līdz 40 kDa. Tas sastāv no dažādām sulfatētām disaharīdu vienībām. Biežāk sastopamā disaharīda vienība sastāv no D-glikouronāta-2-sulfāta un N-sulfo-D-glikozamīna-6-sulfāta. Heparāna sulfāts pēc uzbūves līdzīgs heparīnam, bet satur mazāk sulfātgrupu.

Keratāna sulfāts pamatā sastāv no galaktozes, galaktozes-6-sulfāta un N-acetilglikozamīna-6-sulfāta. Keratāna sulfāts proteoglukānu formā atrodas skrimšļos, kaulos un acs radzenē.

Hialuronāts Heparīns

Hondroitīna sulfāts

n

n

26. attēls. Dažu glikozoaminoglukānu ķīmiskā uzbūve

1.2.5.5. NeiramīnskābesNeiramīnskābes ir deviņus oglekļa atomus saturošas cukurskābes atvasinājumi, ko var uzskatīt

par sešu oglekļu aminospirta pievienošanās trīs oglekļu cukurskābei produktu. Neiramīnskābju aminogrupas parasti ir acetilētas. Neiramīnskābju N-acetilatvasinājumus sauc par siālskābēm.

25

N-acetilneiramīnskābe

27. attēls. N-acetilneiramīnskābe

Siālskābes organismā ietilpst vairāku kompleksu savienojumu (piem., glikoproteīnu) sastāvā. Siālskābes saturoši glikokonjugāti uz šūnu membrānu virsmas palīdz piesaistīt ūdeni šūnas virsmai, veidojot uz tās negatīvu lādiņu.

1.2.5.6. Cukuru fosforskābes esteriMonosaharīdu fosforskābes esteros ogļhidrāta molekulas viena vai vairākas hidroksilgrupas ir

esterificētas ar fosforskābi. Tie ir svarīgi ogļhidrātu metabolisma starpprodukti. Glikozes-6-fosfāts atrodas divu svarīgu metabolismu ceļu – glikolīzes un pentozes fosfātu metabolisma – sākumā. Bez tam glikozes-6-fosfāts var tikt arī konvertēts glikogēnā. Glikozes-1-fosfāts ir glikogenolīzes tiešs produkts. Utilizācijai šūnu katabolismā tas vispirms tiek konvertēts par glikozes-6-fosfātu. Fruktozes-6-fosfāts ir pie 6. oglekļa atoma fosforilēta fruktoze, un tas ir bieži sastopams šūnās. Lielākā daļa glikozes un fruktozes, kas nokļūst šūnās, noteiktā stadijā tiek konvertēta par šo savienojumu. Fruktozes-2,6-difosfāts ietekmē fermentu fosfofruktokināzes-1 un fruktozes 1,6-bifosfatāzes aktivitāti, piedaloties glikolīzes un glikoneoģenēzes regulācijā.

α-D-fruktozes-1,6-difosfāts α-D-fruktozes-6-difosfāts

α-D-glikozes-1-fosfāts α-D-glikozes-6-fosfāts

28. attēls. Dažu monosaharīdu fosfātu ķīmiskā struktūra

1.4. LipīdiPar lipīdiem sauc savienojumu grupu ar vairākām kopīgām īpašībām, starp kurām ir maza šķīdība

ūdenī (un citos polāros šķīdinātājos) un laba šķīdība nepolāros šķīdinātājos. Šajā grupā ietilpst:• taukskābes un neitrālie tauki;• sfingolipīdi;• steroīdi;• vaski;• terpēni;• fosfolipīdi;• lipīdu savienojumi ar citām biomolekulām (lipopolisaharīdi, lipoproteīni).

26

Lipīdi organismos pilda barības vielu, enerģijas rezervju, šūnu membrānu struktūrelementu un signālmolekulu lomu. Daudzi lipīdi ir absolūti nepieciešami organisma funkcionēšanai. Taču jāņem vērā, ka dažu lipīdu (piem., holesterola) pārāk augsts līmenis ir riska faktors sirds un asinsvadu slimībām.

1.4.1. TaukskābesTaukskābes ietilpst dažādu lipīdu sastāvā. No šūnām un audiem ir izdalītas vairāk nekā 70

dažādas taukskābes. Dabā sastopamos taukos esošās taukskābes gandrīz vienmēr satur pāra skaitu oglekļa atomu. Galvenie tauku komponenti ir taukskābes ar 16 (palmitīnskābe) un 18 (stearīnskābe) oglekļa atomiem. Taukos ir sastopamas gan piesātinātās, gan nepiesātinātās (dubultsaites saturošas) taukskābes

Taukskābes ko cilvēka organisms pats nesintezē, bet kas ir vitāli svarīgas organismā, sauc par neaizstājamām taukskābēm. Neaizstājamās taukskābes ir ω-3 (piem., α-linolēnskābe) un ω-6 taukskābes (piem., linolskābe). Nepiesātinātās taukskābes, kurās pirmā dubultsaite ir pēc 3. oglekļa atoma, sauc par ω-3 taukskābēm, bet nepiesātinātās taukskābes, kurās pirmā dubultsaite ir aiz 6. oglekļa atoma, sauc par ω-6 taukskābēm. Šīs taukskābes jāuzņem ar uzturu.

3. tabula Taukos biežāk sastopamās piesātinātās skābes

Apzīmējums Triviālais nosaukums Sistemātiskais nosaukums Ķīmiskā formula12:0 Laurilskābe Dodekānskābe CH3(CH2)10COOH14:0 Miristīnskābe Tetradekānskābe CH3(CH2)12COOH16:0 Palmitīnskābe Heksadekānskābe CH3(CH2)14COOH18:0 Stearīnskābe Oktadekānskābe CH3(CH2)16COOH20:0 Arahidīnskābe Eikozānskābe CH3(CH2)18COOH

4. tabulaTaukos biežāk sastopamās nepiesātinātās skābes

Apzīmējums Triviālais no saukums Sistemātiskais nosaukums Ķīmiskā formula

16:1∆9 Palmitole īnskābe Heksade cēnskābe CH3(CH2)5CH=CH-(CH2)7COOH18:1∆9 Oleīnskābe 9-oktadecēn skābe CH3(CH2)7CH=CH-(CH2)7COOH18:2∆9,12 Linolskābe 9,12-oktadeka diēnskābe CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COOH18:3∆9,12,15 α-Linolēnskābe 9,12,15-oktade katriēnskābe CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COOH20:4∆5,8,11,14 Arahidonskābe 5,8,11,14-eiko zāntetraēnskābe CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH20:5∆5,8,11,14,17 EPA 5,8,11,14,17-eikozānpen taēnskābe CH3CH2(CH=CHCH2)5(CH2)2COOH

1.4.2. Neitrālie taukiNeitrālie tauki (glicerīdi, acilglicerīni) ir taukskābju un glicerīna esteri. Ja ar taukskābēm

esterificētas visas trīs glicerīna hidroksilgrupas, tos sauc par triglicerīdiem. Triglicerīdi pārstāv lielāko daļu dabisko neitrālo tauku, tomēr sastopami arī diglicerīdi un monoglicerīdi. Ja glicerīnam pievienotas trīs vienādas taukskābes, tos sauc par vienkāršajiem glicerīdiem atšķirībā no jauktajiem glicerīdiem, kuros glicerīna hidroksilgrupas esterificējušās ar dažādām taukskābēm.

H2C

H2C

HC

OH

OH

OH

H2C

H2C

HC

O

O

OH

C

O

R1

C

O

R2

H2C

H2C

HC

O

OH

OH

C

O

R1 H2C

H2C

HC

O

O

O

C

O

R1

C

O

R2

C

O

R3

Glicerīns 1-monoacilglicerīns 1,2-diacilglicerīns Triacilglicerīns

29. attēls. Acilglicerīnu ķīmiskā uzbūve. R1,R2,R3 – taukskābju atlikumi

27

Glicerīdi, ja tos karsē kopā ar skābēm vai sārmiem, hidrolizējas līdz taukskābēm (vai to sāļiem) un glicerīnam. Tos var hidrolizēt arī ar fermentu – lipāžu palīdzību.

Neitrālo tauku kušanas temperatūra atkarīga no to sastāvā ietilpstošajām taukskābēm.

1.4.3. FosfoglicerīdiFosfoglicerīdos glicerīna viena pirmējā hidroksilgrupa taukskābes vietā esterificēta ar fosforskābi.

Tādējādi fosfoglicerīdi pēc būtības ir glicerofosforskābes atvasinājumi. Tie satur asimetrisku oglekļa atomu. Lielākā daļa fosfoglicerīdu satur arī spirta komponentu, kura hidroksilgrupa esterificēta ar fosforskābi. Visi fosfoglicerīdi sastāv no polāras galvas un divām nepolārām ogļūdeņražu astēm, tāpēc tie pieder pie polārajiem lipīdiem.

H2C

H2C

CH

O

OH

C

O

R1

C

O

R2

P OHO

O

H2C

H2C

CH

O

OH

C

O

R1

C

O

R2

P OO

O

X

30. attēls. Fosfoglicerīdu ķīmiskā uzbūve. X-spirta komponents

1.4.4. Sfingolipīdi un glikolipīdi Sfingolipīdi lokalizējas augu un dzīvnieku šūnu membrānās. Lielākos daudzumos tie sastopami

nervu audos un smadzenēs.Sfingolipīdi sastāv no nepiesātinātā aminospirta sfingozīna vai tā piesātinātā analoga

dihidrosfingozīna (31. att.), vienas molekulas taukskābes, vienas molekulas fosforskābes un vienas molekulas spirta. Sfingolipīdu sastāvā glicerīns neietilpst.

Pazīstamākais sfingolipīds ir sfingomielīns (31. att.), kas kā spirta grupu satur holīnu.Tāpat kā fosfoglicerīdi, sfingolipīdi satur divas nepolāras astes un polāru galvu. Vienu no

nepolārajām astēm veido sfingozīna garā alifātiskā ķēde, otru – esterificētā taukskābe.Glikolipīdu molekulā polāro galvu veido ogļhidrātu grupas (piem., D-galaktoze). Atšķirībā no

sfingolipīdiem glikolipīdi nesatur fosfātgrupu. Glikolipīdu grupa – cerebrozīdi – satur gan ogļhidrāta atlikumu, gan sfingozīnu, tāpēc tos var pieskaitīt gan pie glikolipīdiem, gan sfingolipīdiem. Cerebrozīdu lielākais saturs ir nervu šūnu membrānās. Cerebrozīdu sastāvā ietilpst taukskābes ar 24 oglekļa atomiem.

Otra lielākā glikolipīdu grupa ir gangliozīdi – sarežģīti lipīdi, kuru sastāvā ietilpst taukskābes, sfingozīns, D-glikoze, D-galaktoze, N-acetilglikozoamīns un N-acetilneiramīnskābe. Vienkārša ogļhidrāta atlikuma vietā šie savienojumi satur kompleksu oligosaharīdu. Gangliozīdi parasti lokalizējas uz šūnu membrānu iekšējās virsmas.

1.4.5. VaskiVaski ir augstāko taukskābju un garas ķēdes monooksispirtu esteri. Pēc struktūras un īpašībām

vaski ir tuvu acilglicerīniem. Vaski veido aizsargslāni uz dzīvo organismu ādas, spalvām, pārklāj augu lapas un augļus.

28

Sfingozīns Dihidrosfingozīns

Polārā galva

Nepolārāaste

Sfingomielīns

31. attēls. Sfingozīna un sfingomielīna ķīmiskā struktūra. R – taukskābes atlikums

1.4.6. SteroīdiSteroīdi ir perhidrociklopentānfenantrēna atvasinājumi. Steroīdi atšķiras ar funkcionālajām

grupām, kas piesaistītas šim kodolam. Steroīdi ir žultskābes, dažādi steroīdie hormoni (estrogēns, progesterons, testosterons). Šūnās šie savienojumi parasti ir ļoti mazos daudzumos. Izņēmums ir steroli, kas šūnās eksistē lielos daudzumos. Steroli satur spirta hidroksilgrupu pie 3. oglekļa atoma un sazarotu alifātisko ķēdi pie 17. oglekļa atoma. Steroli var eksistēt vai nu brīvu spirtu veidā, vai arī formā, kur spirta hidroksilgrupa ir esterificēta ar garas ķēdes taukskābi. Dzīvnieku audos izplatītākais sterols ir holesterols. Holesterols ir lipīds, kas atrodas visu audu šūnu membrānās. Lielākā daļa holesterīna sintezējas organismā. Daļa tiek uzņemta arī ar pārtiku. Holesterols nešķīst asinīs, taču tas tiek transportēts asins plazmā ar lipoproteīnu palīdzību. Izšķir zema blīvuma lipoproteīnus (LDL, low-density lipoprotein) un augsta blīvuma lipoproteīnus (HDL, high-density lipoprotein). LDL transportē holesterolu no aknām uz citiem audiem, HDL transportē holesterīnu uz aknām. Nepareizas LDL un HDL proporcijas (paaugstināta LDL koncentrācija) izraisa sirds un asinsvadu slimības, veicinot nogulumu veidošanos uz asinsvadu sieniņām un to aizsprostošanos.

Holesterolam ir būtiska nozīme daudzos bioķīmiskos procesos. Tas piedalās šūnu membrānu veidošanā, steroīdo hormonu biosintēzē, ir vitamīna D sintēzes prekursors.

29

HO

CH3

CH3

CH2

CH2

CH2

HC CH3

HC CH3

CH3

Holesterols

123 4 5

678

910

1511

121314

1617

18

19

Perhidrociklopentafenantrēna kodols

32. attēls. Perhidrociklopentafenantrēna kodola un holesterola ķīmiskā struktūra

1.4.7. Lipīdi un proteīni kā šūnu membrānas komponentiŪdens sistēmās lipīdi disperģējas, veidojot micellas. Lipīdu molekulas šajos agregātos ieņem

tādu stāvokli, ka lipīdu polārās galvas vērstas uz micellas āru, bet nepolārās alifātiskās astes vērstas uz iekšieni, veidojot hidrofobo fāzi (33. att.). Triacilglicerīni un holesterīns disperģējas slikti un paši micellas neveido, taču tie var ieslēgties citu polāru lipīdu micellu struktūrā. Fosfolipīdu bimolekulārie slāņi ir šūnu membrānu uzbūves pamatā (34. att.).

33. attēls. Lipīdu micella

Lielākā daļa šūnu membrānu sastāv no apmēram 40 % lipīdu un 60 % proteīnu. Šūnu membrānu lipīdi pamatā pārstāvēti ar polārajiem lipīdiem. Dažādiem membrānu veidiem raksturīga specifiska dažādu tipu polāro lipīdu molārā attiecība. Membrānām ir laba ūdens un nepolāru lipofilo komponentu caurlaidība, bet slikta polāro vielu un jonu caurlaidība. Membrānās esošie proteīni nodrošina strukturālas un vielu transporta funkcijas. Liela daļa membrānu proteīnu ir glikoproteīni un lipoproteīni.

Izšķir perifēros proteīnus un integrālos proteīnus. Perifērie proteīni atrodas membrānas virspusē, un tie nav stingri piesaistīti membrānai. Tos var disociēt ar vāju deterģentu (virsmas aktīvo vielu) apstrādi vai augstām sāļu koncentrācijām. Integrālie proteīni ir stingri ieslēgti membrānas lipīdu dubultslānī, un tos var izdalīt, tikai denaturējot membrānu ar organiskiem šķīdinātājiem vai stipriem deterģentiem.

30

34. attēls. Šūnas membrānas uzbūve

1.5. Nukleotīdi un nukleīnskābesMononukleotīdiem ir vairākas bioloģiskas funkcijas. Svarīgākā no tām ir būt par nukleīnskābju

uzbūves pamatelementiem. Bez šīs funkcijas nukleotīdiem ir arī svarīga nozīme metabolisma procesos. Nukleotīdi piedalās kā kofermenti enerģijas pārneses reakcijās.

Nukleotīdi sastāv no trīs komponentiem: slāpekli saturošas bāzes (pirimidīna vai purīna atvasinājumi), pentozes cukura un fosforskābes.

1.5.1. Nukleīnskābēs ietilpstošie nukleotīdiNukleīnskābju (DNS un RNS) sastāvā esošajos nukleotīdos ietilpst piecas dažādas galvenās bāzes.

No tām trīs ir pirimidīna atvasinājumi – uracils (U), citozīns (C) un timīns (T), kā arī divi purīna atvasinājumi – adenīns (A) un guanīns (G). Bez tam DNS un RNS zināmas vel dažas retāk sastopamas pirimidīna un purīna bāzes – 5-metilcitozīns, 5-oksimetilcitozīns, 2-metiladenīns, 1-metilguanīns –, kas veidojas, modificējoties galvenajām bāzēm jau pēc nukleīnskābes ķēdes izveidošanās. DNS ir atrasta tikai viena modificēta bāze – 5-metilcitozīns.

CH

NH

N

C

CC

N

N

HC

NH2

CH

NH

N

C

CC

N

HN

C

O

H2N

Guanīns Adenīns

CH

CHC

N

N

CO

NH2

Citozīns

CH

CHC

N

HN

CO

O

UracilsH H

CH

CC

N

HN

CO

O

H

CH3

Timīns2-okso-4-aminopirimidīns 2,4-dioksopirimidīns 5-metil-2,4-dioksopirimidīns

6-aminopurīns2-amino-6-oksopurīns

35. attēls. Nukleotīdu pirimidīna un purīna bāzu ķīmiskā struktūra

Nukleozīdi ir pirimidīna vai purīna bāzu N-glikozīdi. Nukleozīdos pentozes 1. oglekļa atoms ar glikozīdsaiti ir saistīts ar pirimidīna slāpekļa atomu 1. pozīcijā vai purīna slāpekļa atomu 9. pozīcijā. Izšķir divu veidu nukleozīdus – ribonukleozīdus, kur pentoze ir D-riboze un 2’-dezoksiribonukleotīdi, kur pentoze ir 2-dezoksi-D-riboze (36. att.).

31

Attiecīgie nukleozīdu nosaukumi ir – adenozīns, guanozīns, citidīns, uridīns, timidīns un 2’-oksiadenozīns, 2’-oksiguanozīns, 2’-oksicitidīns, 2’-oksiuridīns, 2’-oksitimidīns.

Nukeotīdi ir nukleozīdu fosforskābes esteri. Fosforskābe ar estera saiti ir saistīta ar vienu no pentozes brīvajām hidroksilgrupām. Tā kā eksistē vairākas hidroksilgrupas, tad fosfāta piesaistes vieta var būt dažāda. Tomēr šūnās esošie nukleotīdi pamatā ir tikai ar fosfātgrupu 5’-stāvoklī (36. att.)

Mononukleotīdi ir stipras skābes un pie pH 7 atrodas negatīva jona veidā R-O-PO32- (R-nukleozīda

atlikums).

O

HOH

HH

Bāze

H

CH2

O

OPO

O5’

3’ 2’

1’

O

OHOH

HH

Bāze

H

CH2

O

OPO

O

Dezoksiribonukleotīds Ribonukleotīds

Bāze Bāze

36. attēls. Nukleotīdu uzbūve

Visi parastie nukleozīdi un ribonukleozīdi šūnās var atrasties ne tikai monofosfāta, bet arī difosfāta un trifosfāta formā. Šie nukleozīdu difosfāti un trifosfāti pilda daudz bioķīmisku funkciju.

Adenozīna 5’-difosfātam un adenozīna 5’-trifosfātam (ADP un ATP, sk. 37. att.) ir milzīga nozīme iekššūnas enerģijas pārnesē. ATP pārnes ķīmisko enerģiju, kas nepieciešama metabolisma procesos. ATP veidojas procesos, kuros izdalās enerģija un tiek sašķelta līdz ADP, vai AMP procesos, kur enerģija tiek patērēta.

ATP tiek izmantots kā substrāts kināzēm proteīnu un lipīdu fosforilēšanas reakcijās. ATP pilda arī signālmolekulas lomu, kā arī tam ir vairākas citas funkcijas bioķīmiskajos procesos.

AMP ADP ATPAdenozīna monofosfāts Adenozīna difosfāts Adenozīna trifosfāts

37. attēls. AMP, ADP un ATP ķīmiskā struktūra

Savukārt uridīndifosfāts (UDF) ir specifisks ogļhidrātu atlikumu pārnesējs polisaharīdu biosintēzē.

1.5.2. Nukleīnskābēs neietilpstošie mono un dinukleotīdiBez nukleīnskābju mononukleotīdiem eksistē vēl virkne citu nukleotīdu, kuru sastāvā ietilpst

atšķirīgas slāpekļa bāzes. Dinukleotīdi sastāv no divām nukleotīdu vienībām, kas savstarpēji saistītas ar fosfātu tiltiņu.

Nikotīnamīdmononukleotīds kā slāpekļa bāzi satur nikotīnamīdu, kura slāpekļa atoms saistīts ar D-ribozes 1. oglekļa atomu. Nikotīnamīdmononukleotīds ir priekštecis tādu svarīgu dinukleotīdu kā NAD+ un NADP+ biosintēzei (38. att.).

32

Koenzīms nikotīnamīda adenīna dinukleotīds (NAD+) un tā fosforilētā forma NADP+ kalpo kā elektronu pārnesēji metabolisma reducēšanās-oksidēšanās reakcijās. NAD+ reducētā forma ir NADH, savukārt NADP+ reducētā forma ir NADPH. Šo nukleotīdu sastāvā ir divi ribozes atlikumi.

NAD+ NADP+

38. attēls. NAD+ un NADP+ ķīmiskā struktūra

2H+, 2e-

FMN FAD FADH2

39. attēls. Flavanoīdnukleotīdu ķīmiskā uzbūve

Flavīnmononukleotīds (FMN) jeb riboflavīn-5’-fosfāts ribozes vietā satur tās atvasinājumu – poliolu D-ribītu. FMN piedalās kā koferments enzimātiskās oksidēšanās-reducēšanās reakcijās. FMN ir priekštecis cita svarīga oksidēšanās-reducēšanās kofermenta – flavīnadenīna dinukleotīda (FAD) (39. att.) biosintēzei. Daudzām oksidoreduktāzēm (flavoproteīniem) FAD nepieciešams kā prostētiskā grupa, kuras funkcijā ietilpst elektronu pārnese. Krebsa ciklā FAD tiek reducēts līdz FADH2.

1.5.3. PolinukleotīdiOligonukleotīdi un polinukleotīdi sastāv no savstarpēji saistītām mononukleotīdu vienībām.

Polinukleotīdus, kuru monomēri ir dezoksiribonukleotīdi, sauc par dezoksiribonukleīnskābēm (DNS), polinukleotīdus, kuru monomēru vienības ir ribonukleotīdi, sauc par ribonukleīnskābēm (RNS). DNS un RNS molekulā mononukleotīdu vienības kovalenti saistītas ar fosfodiesteru saitēm. Nukleīnskābes ir ģenētiskās informācijas glabātājas.

33

1.5.3.1. DezoksiribonukleīnskābesVisas DNS molekulas veidotas no četriem dažādiem mononukleotīdiem dAMP (dezoksiadenozīn-

monofosfāts), dGMP (dezoksiguanizīnmonofosfāts), dTMP (dezoksitimidīnmonofosfāts), dCMP (dezokscitidīnmonofosfāts).

DNS ķēde ir 2,2 līdz 2,6 nm plata, un viena nukleotīda vienības garums ir 0,33 nm. DNS molekulas garums var būt ļoti liels – tā var saturēt vairākus miljonus nukleotīdu vienību.

Organismos DNS eksistē divu savstarpēji saistītu DNS molekulu ķēžu veidā, kuras veido dubultspirāles struktūru (40. att.).

40. attēls. Dezoksinukleīnskābes (DNS) dubultspirāle

DNS ķēdes skelets veidots no fosfāta un cukura (2-dezoksiribozes) atlikumiem. Cukuru atlikumi saistīti ar fosfodiesteru saiti pie trešā un piektā ogļhidrāta gredzena oglekļa atomiem. Šīs asimetriskās saites nosaka DNS ķēdes virzienu. Dubultspirālē abas polinukleotīda ķēdes ir vērstas pretējos virzienos (antiparalēlas). Dubultspirāle tiek stabilizēta ar ūdeņraža saitēm starp slāpekļa bāzēm (41. att.). Būtiski ir tas, ka purīna un pirimidīna bāzes ir saistītas noteiktos pāros. Adenīns vienmēr veido ūdeņraža saites ar timīnu, bet guanīns ar citozīnu. Ūdeņraža saites saista adenīna –NH2 grupu ar timīna –OH grupu un guanīna –NH2 grupu ar citozīna –OH grupu. Šie bāzu pāri ir komplementāri (viens otru papildinoši) viens otram (RNS gadījumā adenīns ir komplementārs uracilam). Var teikt, ka DNS molekula sastāv no divām komplementārām polinukleotīda ķēdēm. Adenīna un timīna saistībā piedalās divas ūdeņraža saites, bet guanidīns un citozīns saistīts ar trīs ūdeņraža saitēm.

5’ termināls

3’ termināls 5’ termināls

3’ termināls

41. attēls. DNS ķīmiskā struktūra

DNS var eksistēt vairākās iespējamās konformācijās. Bioloģiskās sistēmās konstatētas trīs formas: A-DNS, B-DNS un Z-DNS. Parastākā DNS konformācija šūnās ir B-DNS. B un A formas ir labēji

34

savītas spirāles, kas atšķiras pēc ģeometrijas un izmēriem. A forma ir platāka. Savukārt Z-forma ir kreisi savīta spirāle. Tas, kādu formu DNS pieņem, ir atkarīgs no DNS nukleotīdu sekvences, bāzu ķīmiskās modifikācijas, superspiralizācijas daudzuma un virziena un šķīduma parametriem (metālu jonu koncentrācija, poliamīnu koncentrācija).

Superspiralizācija ir parādība, kad DNS spirāles virkne noslēdzas aplī, savienojoties tās galiem, un šī cirkulārā DNS var savīties jaunā, piemēram, astoņnieka, formā. Šādu formu sauc par superspirāli, un astoņnieks ir vienkāršākā superspirāle. Superspiralizēta DNS var veidot divas dažādas struktūras – plektonēmu vai toroīdu (42. att.).

Plektonēma Toroīds

42. attēls. DNS superspiralizācijas struktūras

Superspiralizācija palīdz DNS iepakošanai šūnā vai tās kodolā, samazinot vietu, kas nepieciešama garajai DNS molekulai. Eikariotu šūnās lielākā daļa DNS koncentrēta šūnas kodolā, kur tā saistīta ar proteīniem – histoniem. Bez kodola DNS ļoti neliela daļa DNS atrodas mitohondrijos (apmēram 0,1–0,2 % no kopējās šūnas DNS).

DNS dubultspirāle noteiktos apstākļos var sadalīties atsevišķos nesakārtotos viena pavediena kamoliņos. Šādu DNS spirāles atvīšanos sauc par DNS denaturāciju. To var izraisīt:

• ekstrēmas pH vērtības;• termiskā iedarbība;• ūdens vides dielektriskās konstantes samazināšanās, pievienojot spirtus vai ketonus;• karbonskābju amīdu vai urīnvielas iedarbība.

Denaturācijas procesā kovalentās saites DNS molekulā saglabājas. Tā kā par DNS dubultspirāles struktūru ir atbildīgas ūdeņraža saites un hidrofobā iedarbība starp bāzēm gar molekulas asi, tad šo saišu saraušana izraisa denaturāciju.

Atšķirībā no proteīniem, kuru denaturācija temperatūras iedarbībā notiek pakāpeniski, dezoksiribonukleīnskābju denaturācija notiek šaurā temperatūras intervālā. Tāpēc DNS denaturāciju temperatūras ietekmē bieži sauc par kušanu. DNS termiskās denaturācijas rezultātā pieaug to molekulu gaismas absorbcija pie 260 nm viļņu garuma. Šo parādību sauc par hipohromismu. Par DNS kušanas temperatūru sauc temperatūru, pie kuras hipohromisms sasniedz pusi no maksimālā. DNS kušanas temperatūra ir atkarīga no guanīna-citozīna pāru satura. Tā kā guanīna-citozīna pāri satur trīs ūdeņraža saites, tie ir stabilāki, salīdzinot ar adenīna-timīna pāri. Tāpēc, jo lielāks G-C pāru skaits DNS molekulā, jo augstāka tās kušanas temperatūra.

1.5.3.2. RibonukleīnskābesRibonukleīnskābes (RNS) ir līdzīgas DNS, bet ir dažas būtiskas atšķirības. RNS atšķirībā no DNS

dezoksiribozes vietā satur ribozi. RNS molekulu veido viena nukleotīdu ķēde, nevis dubultspirāle, kā DNS gadījumā. RNS molekulā nukleotīda timīna vietā ir uracils. RNS molekulu galvenā funkcija ir ģenētiskās informācijas realizēšana – transkripcijas un translācijas procesā. Daudzos vīrusos RNS ir arī ģenētiskās informācijas nesēja. Šūnās izšķir trīs galvenos RNS veidus: informācijas RNS (messenger RNS, mRNS), ribosomālā RNS (rRNS) un transporta RNS (transfer RNS, tRNS).

mRNS satur tikai četrus nukleotīdus – A,G,C,U. mRNS veidojas šūnās tā saucamajā transkripcijas procesā, kurā fermentatīva procesa rezultātā nukleotīdu sekvence no hromosomu DNS tiek

35

“pārrakstīta” uz mRNS. Pēc tam mRNS nokļūst ribosomās, kur tiek izmantota kā matrica proteīnu biosintēzē. Katrs nukleotīdu triplets (secība no trīs nukleotīdiem) kodē vienu aminoskābi.

rRNS ir RNS molekulas, kuras kopā ar proteīniem veido ribosomu. Ribosoma ir šūnas organella, kura sastāv no ribosomālās RNS un proteīniem. Ribosomas realizē translācijas procesu jeb proteīnu biosintēzi pēc mRNS informācijas.

tRNS ir samērā nelielas RNS molekulas, kuru funkcija ir aminoskābju transports uz ribosomām. Transporta RNS līdz ar parastajām bāzēm nedaudz atrodamas arī citas modificētas (parasti metilētas) slāpekļa bāzes.

Vienas ķēdes RNS molekula līdzīgi proteīniem bieži veido specifisku trešējo struktūru. Šo struktūru nodrošina ūdeņraža saites molekulā. Ūdeņraža saites starp komplementāriem nukleotīdiem RNS molekulā veido arī apgabalus ar otrējo struktūru, piemēram, cilpas (43. att.).

43. attēls. Cilpveida struktūra RNS molekulā

36

2. FermentiFermenti (enzīmi) ir specializētas olbaltumvielu molekulas, kas spēj katalizēt noteiktas ķīmiskas

reakcijas. Tieši fermenti ir visa metabolisma (vielmaiņas) pamats. Fermenti ir gan vienkāršie proteīni, gan saliktie proteīni, kas satur neaminoskābju komponentus. Svarīga fermentu īpašība ir to darbības specifiskums, ar ko tie atšķiras no citiem katalizatoriem. Pēc darbības specifiskuma izšķir šādus fermentu veidus:

• Absolūtais specifiskums. Katalizē tikai noteiktas vielas vienu pārvēršanās reakciju. Nelielas izmaiņas vielas struktūrā padara to nepieejamu fermentu darbībai.

• Stereoķīmiskais specifiskums. Ferments katalizē tikai noteikta stereoizomēra sadalīšanos vai sintēzi.

• Absolūtais grupas specifiskums. Fermenta substrāti var būt vairāki pēc uzbūves līdzīgi ķīmiski savienojumi.

• Relatīvais grupas specifiskums. Fermenti iedarbojas uz noteiktām ķīmiskām saitēm (piem., esteru, glikozīdiskās u. c.), kas savieno molekulas atsevišķas daļas. Šo fermentu darbībai nav svarīga molekulas ķīmiskā uzbūve.

2.1. Fermentu darbības mehānismsFermenti nespēj katalizēt termodinamiski neiespējamas reakcijas. Tie tikai paātrina reakcijas,

kuru ātrums parastos apstākļos ir mazs. Fermentatīvā procesa laikā pirmajā stadijā notiek fermenta-substrāta kompleksa veidošanās.

Substrāts saistās ar fermenta aktīvo centru, līdzīgi kā slēdzene ar atslēgu. Aktīvā centrā atrodošos aminoskābju sānu ķēdes parasti ir spējīgas jonizēties (skābju grupas), tām piemīt nukleofilas (elektronu donori) vai elektrofilas (elektronu akceptori) īpašības. Dažos gadījumos nukleofilās grupas ir saistītas ar metālu joniem (Mg2+, Mn2+, Zn2+). Šīs grupas piedalās substrāta piesaistē. Svarīga nozīme daudzu fermentu aktīvos centros ir tādām aminoskābēm kā serīns un histidīns.

Šī kompleksa veidošanās parasti ir atgriezeniska, un fermenta-substrāta komplekss var vai nu sadalīties atpakaļ par fermentu un substrātu, vai arī reakcija iet tālāk, un veidojas reakcijas produkti un brīvs ferments (44. att.).

Ferments

Substrāts

Fermenta-substrātakomplekss

Fermenta-produktukomplekss

Produkti

Ferments

44. attēls. Fermenta darbības shematisks attēlojums

Lai notiktu ķīmiskā reakcija, ir nepieciešams, lai molekulas atrastos aktivētā stāvoklī. Par aktivācijas enerģiju sauc enerģijas daudzumu, kas nepieciešams, lai noteiktā temperatūrā visas viena mola vielas molekulas atrastos aktivētā stāvoklī. Katalizatori, to skaitā arī fermenti, paātrina ķīmisko reakciju, pazeminot aktivācijas enerģiju (45. att.). Reaģējošajai vielai saistoties ar fermentu, veidojas cits pārejas stāvoklis, kuram ir mazāka aktivācijas enerģija salīdzinājumā ar nekatalizējamas reakcijas pārejas stāvokli.

37

Reakcijas koordināte

Ene

rģija

Reaģenti

Produkti

Aktivācijas enerģija bez fermenta

Aktivācijas enerģija ar fermentu

Kopējā enerģija kas izdalās reakcijasprocesā

Ar fermentu

Bez fermenta

45. attēls. Katalizējamas un nekatalizējamas reakcijas enerģētiskā shēma

2.2. Fermentu kinētikas pamatiTā kā fermenta koncentrāciju bieži ir grūti izmērīt, tad lieto tādu terminu kā fermenta aktivitāte.

Fermenta aktivitāti izsaka starptautiskās vienībās (U), kur viena fermenta aktivitātes vienība ir aktivitāte, kas spēj pārvērst 1 mikromolu substrāta minūtē. Fermenta specifisko aktivitāti izsaka vienībās uz 1 mg proteīna (U/mg protein).

SI sistēmā lieto arī fermenta aktivitātes mērvienību katāls (kat) – 1 mols substrāta sekundē. 1 kat = 6·107 U.

Pie zemām substrāta koncentrācijām fermentatīvā reakcija notiek pēc pirmās kārtas reakcijas kinētikas, kur reakcijas ātrums ir proporcionāls substrāta koncentrācijai. Ja substrāta koncentrācija ir augsta, ferments tiek piesātināts ar substrātu un sasniegts maksimālais reakcijas ātrums (46. att.).

Substrāta koncentrācija, [S]

Rea

kcija

s āt

rum

s, V Vmax

Km

Vmax

2

46. attēls. Sakarība starp fermenta katalizējamās reakcijas ātrumu un substrāta koncentrāciju

Enzimātiski katalizējamu reakciju vispārīgi var aprakstīt ar vienādojumu:

E + S ES E + Pk1

k2

k3

k4

Fermenta-substrāta kompleksa veidošanās ātrums V1=k1 · [S]· ([E]-[ES]), kur [E]-[ES] nesaistītā fermenta koncentrācija.Fermenta substrāta kompleksa disociācijas ātrums atpakaļ par fermentu un substrātuV2=k2 · [ES]Fermenta-substrāta kompleksa disociācijas ātrums par fermentu un produktuV3=k3 · [ES]

38

Fermenta-substrāta kompleksa disociācijas ātrums par fermentu un produktuV4=k4 · [E] · [P]. Šīs reakcijas ātrums ir ļoti mazs, tāpēc tālākos aprēķinos tas netiek ņemts

vērā.Pie maksimālā reakcijas ātruma (līdzsvara stāvoklis):V1=V2+V3

k1 · [S]· ([E]-[ES])= k2 · [ES] + k3 · [ES] [S] · ( [E]-[ES] )

[ES]=

k1

k2+ k3 = Km

Km sauc par Mihaelisa konstanti, un tā raksturo fermenta un substrāta tieksmi saistīties kompleksā.

[ES]

[E]·[S]

Km+[S]=

Enzimātiskās reakcijas sākuma ātrums ir proporcionāls ES koncentrācijai:v = k3 ·[ES]Ja substrāta koncentrācija ir pietiekami liela, lai viss ferments atrastos ES veidā, reakcijas ātrums

sasniedz maksimālo ātrumu, kas ir vienāds ar:Vmax = k3 ·[E]

v

[E]·[S]

Km+[S]= k3

[E]·[S]

Km+[S]k3

Vmax

v=

k3· [E]

Izsakot no šī vienādojuma v, iegūstam Mihaelisa–Mentena vienādojumu

v =Vmax· [S]

Km+[S]

Mihaelisa–Mentena vienādojumu bieži pārveido citās formās, kas ir piemērotākas eksperimentālo datu grafiskai attēlošanai.

v =Vmax· [S]

Km+[S]1 =Vmax· [S]

Km +Vmax· [S]

[S]

Rezultātā iegūstam Lainvivera–Berka vienādojumu:

v =1

Vmax· [S]

Km +Vmax

1

Lainvivera–Berka vienādojuma grafiskais attēlojums ir taisne koordinātēs 1/[S] un 1/v (47. att. A).

39

Cits Mihaelisa–Mentena vienādojums tiek iegūts, pareizinot Lainvivera–Berka vienādojuma abas puses ar Vmax · v. Pēc virknes algebrisku pārveidojumu iegūstam Edija–Hofsti vienādojumu:

v = Km [S]v

+ Vmax

Šī vienādojuma grafisks attēlojums ir taisne koordinātēs v un v/[S] (47. att. B).Speciālā gadījumā, kad v = 1/2 Vmax , Km = [S]. Tātad Mihaelisa konstante Km ir vienāda ar

substrāta koncentrāciju, pie kuras reakcijas ātrums ir puse no maksimālā ātruma.Km mērvienība ir mol/L [mol · L-1].Daudzās reakcijās lēnākā stadija, kas limitē kopējo reakciju, ir fermenta kompleksa disociācija

par fermentu un produktu. Tad konstantes k1 un k2 ievērojami pārsniedz k3, un Mihaelisa konstanti var izteikt ar vienkāršotu vienādojumu:

Km =

k1

k2 =[E]·[S]

[ES]

Šajā gadījumā Km ir vienāda ar fermenta-substrāta kompleksa disociācijas konstanti. Mazāka šī konstantes vērtība norāda uz augstāku saistīšanās spēju.

1V

1Vmax

1[S]-1

Km

Slīpums=Km

Vmax

v[S]

v

Vmax

Km

Vmax

Slīpums= - Km

A B

47. attēls. Mihaelisa – Mentena vienādojuma grafiskie attēlojumi. A – Lainvivera–Berka grafiskais attēlojums. B – Edija–Hofsti grafiskais attēlojums

2.3. Fermentu aktivitāti ietekmējoši faktori

2.3.1. TemperatūraTemperatūrai vienmēr ir ietekme uz enzimātiskās reakcijas ātrumu. Reakcijas ātrums pieaug,

pieaugot temperatūrai, taču tikai līdz zināmai robežai. Pārsniedzot šo robežu, sākas proteīna molekulas inaktivācija un ferments zaudē aktivitāti, līdz ar to eksistē temperatūras optimums, kas dažādiem fermentiem var stipri atšķirties.

2.3.2. pHLielākā daļa fermentu maina aktivitāti atkarībā no reakcijas vides pH. Dažādiem fermentiem

eksistē savs optimālais pH intervāls, kurā tam ir augstākā aktivitāte. pH palielināšana vai samazināšana ārpus šī intervāla noved pie fermenta aktivitātes krišanās. pH optimums var svārstīties no stipri skābas vides (piem., gremošanas trakta fermentam pepsīnam) līdz stipri sārmainai videi. pH ietekmi uz fermenta aktivitāti nosaka proteīna molekulu jonizējamo grupu pK. Sevišķa nozīme ir grupām,

40

kuras atrodas fermenta aktīvajā centrā un ir atbildīgas par substrāta piesaisti, kā arī grupām, kuras atbild par fermenta konformācijas izmaiņām. Arī substrāta molekulu funkcionālo grupu pK ietekmē katalizējamās reakcijas optimālo pH.

2.3.3. InhibitoriInhibitori ir ķīmiskas vielas, kas samazina enzimātiskās reakcijas ātrumu.Inhibīcijas pakāpi var izteikt:

εi =

v0-vi

v0

kur v0 – reakcijas ātrums bez inhibitora un vi – reakcijas ātrums inhibitora klātbūtnē.Izšķir neatgriezenisko un atgriezenisko inhibīciju.

2.3.3.1. Neatgriezeniskā inhibīcijaNeatgriezeniskā inhibīcija parasti notiek ar fermenta vienas vai vairāku grupu ķīmisku modifikāciju.

Neatgriezeniskie inhibitori bieži satur reaktīvas elektrofilas grupas (aldehīdus, haloalkānus), kas reaģē ar aminoskābju sānu ķēdēm, kuras satur tādas nukleofilas grupas kā hidroksilgrupa un sulfhidrilgrupa. Neatgriezeniskās reakcijas līdzsvars ir novirzīts kovalenti modificēta fermenta veidošanās virzienā.

Neatgriezeniskā inhibīcija atšķiras no neatgriezeniskas fermenta inaktivācijas, ko izraisa ķīmiskie aģenti, temperatūra vai pH, kuras rezultāta notiek proteīna struktūras destrukcija. Neatgriezeniskā inaktivācija ir nespecifiska, bet neatgriezeniskie inhibitori parasti ir specifiski vienai fermentu klasei un darbojas, ietekmējot fermenta aktīvo centru.

2.3.3.2. Atgriezeniskā inhibīcijaAtgriezeniskā inhibīcijas aprakstīšanai var izmantot Mihaelisa–Mentena vienādojumu. Atgrieze-

nisko inhibīciju iedala konkurentajā un nekonkurentajā inhibīcijā.Konkurentās inhibīcijas gadījumā inhibitors pēc savas struktūras ir līdzīgs substrātam un,

piesaistoties aktīvajam centram, bloķē substrāta piekļūšanu tam. Substrāts un inhibitors savstarpēji konkurē par piesaisti aktīvajam centram (48. att.). Konkurento inhibīciju var novērst vai samazināt, palielinot substrāta koncentrāciju.

Fermenta un inhibitora reakciju apraksta vienādojums:

E + I EIk1

k2

Atšķirībā no fermenta-substrāta kompleksa fermenta-inhibitora komplekss nevar tālāk sašķelties, veidojot produktus. Inhibīcijas konstanti izsaka kā:

Ki =k1

k2 =[E]·[I]

[EI]

Inhibīcijas konstante Ki ir fermenta-inhibitora kompleksa disociācijas konstante.Konkurentās inhibīcijas gadījuma Miahelisa–Mentena vienādojuma Lainvivera–Berka pārvei-

dojums iegūst šādu formu:

v=1

Vmax

Km +Vmax

11 +

[ I ]

Ki [S]

1

Apskatot Lainvivera–Berka grafikus konkurentās inhibīcijas gadījumā, iegūstam taisnes, kas atšķiras ar slīpumu, bet tās visas krusto ordinātu asi (1/v) vienā punktā (50. att. A). Maksimālais

41

reakcijas ātrums konkurentajā inhibīcijā netiek izmainīts, taču, lai sasniegtu noteiktu reakcijas ātrumu, ir nepieciešama augstāka substrāta koncentrācija (49. att. A). Šķietamā Km vērtība konkurento inhibitoru klātienē palielinās.

Nekonkurentās inhibīcijas gadījumā inhibitors saistās ar fermentu vietā, kas nav substrāta piesaistes vieta (48. att.). Tas var pievienoties gan fermentam, gan fermenta-substrāta kompleksam, veidojot neaktīvas formas.

E + I EI

ES + I ESIAtšķirībā no konkurentās inhibīcijas, nekonkurento inhibīciju nevar novērst vai samazināt,

palielinot substrāta koncentrāciju.Nekonkurentā inhibīcijā Miahelisa–Mentena vienādojuma Lainvivera–Berka pārveidojumu var

izteikt šādi:

v=1

Vmax

Km +Vmax

11 +

[ I ]

Ki [S]

1

Nekonkurentās inhibīcijas gadījumā taisnes atšķiras pēc slīpuma un tām nav kopēja punkta uz ordinātu (1/v) ass (50. att. B). Nekonkurentā inhibitora klātienē samazinās reakcijas maksimālais ātrums, bet nemainās Miahelisa–Mentena konstante (49. att B).

Nekonkurentaisinhibitors

Konkurentaisinhibitors

Substrāts

Substrāts

Ferments

Substrāts

48. attēls. Nekonkurentās un konkurentās inhibīcijas shematisks attēlojums

42

Vmax

V

[S]

Bez inhibitora

Ar inhibitoru

V1 max

V2 max

V3 max

Bez inhibitora

Ar inhibitoru

Ar augstākuinhibitora koncentrāciju

V

[S]

Ar augstākuinhibitora koncentrāciju

A B

49. attēls. Sakarība starp fermenta katalizējamās reakcijas ātrumu un substrāta koncentrāciju konkurentā (A) un nekonkurentā (B) inhibīcijā

1v

1Vmax

1[S]-1

Km(1 + [ I ] / Ki )

Slīpums=Km

Vmax

A

1Vmax

1[S]-1

Km

Slīpums=Km

Vmax

B1 +[ I ]Ki

Bez inhibitora

Pie inhibitorakonc. [ I ]

1v

Bez inhibitora

Slīpums=Km

Vmax

Pie inhibitorakonc. [ I ]

1 +[ I ]Ki

50. attēls. Lainvivera–Berka grafiskais attēlojums konkurentās (A) un nekonkurentās (B) inhibīcijas gadījumā

2.3.4. AktivatoriAktivatori ir vielas, kas palielina fermenta katalizējamās reakcijas ātrumu.Aktivācijas pakāpi izsaka kā:

εa =

va-v0

v0

Vienādojumi, kas apraksta aktivāciju, ir līdzīgi kā inhibīcijas gadījumā. Lieluma (1+[I]/Ki) vietā lieto izteiksmi (1+ K/[Q]), kur [Q] ir aktivatora koncentrācija.

2.3.5. Fermentu allostēriskā regulācijaAllostēriskie fermenti ir fermenti, kas izmaina savu konformāciju un līdz ar to arī savu bioloģisko

aktivitāti, kad tiem pievienojas tā saucamais allostēriskais efektors. Allostēriskais efektors ir viela, kas izmaina fermenta aktivitāti, piesaistoties proteīna allostēriskajai daļai (tas ir daļai, kas nav proteīna aktīvais centrs). Allostēriskie fermenti ir oligomēri, kas bieži satur vairākas subvienības, un efektora pievienošanās vienai subvienībai izraisa citu subvienību terciārās (trešējās) struktūras konformācijas izmaiņas, kas rezultātā izmaina allostēriskā fermenta bioloģisko aktivitāti. Proteīna ceturtējā struktūra paliek nemainīga.

43

Efektora molekula var darboties kā allostēriskais inhibitors vai allostēriskais aktivators.Daudzus allostēriskos fermentus regulē to substrāts (parasti kā aktivators). Tādā gadījumā runā

par homotropo allostērisko modulatoru. Ja allostēriskais regulators ir viela, kas nav substrāts, to sauc par heterotropo allostērisko modulatoru, un tas var būt gan aktivators, gan inhibitors.

Allostēriskie fermenti piedalās metabolisma regulācijā multifermentu sistēmu veidā.Allostērisko fermentu gadījumā fermentu kinētikas līknei bieži ir sigmoidāla forma (S veida,

51. att.)

51. attēls. Allostērisko fermentu katalizētās reakcijas ātruma atkarība no substrāta koncentrācijas

2.3.6. Kofaktori, koenzīmiDažiem fermentiem to aktivitātei ir nepieciešama citu – neproteīnu – molekulu piesaiste.

Šos savienojumus, kas nepieciešami fermenta darbībai, sauc par kofaktoriem. Kofaktori var būt gan neorganiski, gan organiski savienojumi. Ja kofaktori ir organiski savienojumi, tos sauc par koenzīmiem. Koenzīmi bieži ir prostētiskā grupa, kas stingri piesaistīta fermentam. Šie koenzīmi atšķiras no citiem koenzīmiem (tādiem, kā, piemēram, NADH), jo tie reakcijas laikā netiek atšķelti no aktīvā centra.

Koenzīmi pēc savas būtības ir mazas organiskas molekulas, kas transportē ķīmiskās grupas no viena fermenta uz citu. Koenzīmu lomu bieži pilda vitamīni. Ķīmiskās grupas, ko transportē koenzīmi, var būt, piemēram, hidrīdjoni (H-), ko pārnes NAD vai NADP, acetilgrupas, ko pārnes koenzīms A.

Tā kā koenzīmi fermentatīvās reakcijas rezultātā izmainās, tos var uzskatīt par otru substrātu, kas kopējs vairākiem fermentiem. Piemēram, koenzīmu NADH izmanto apmēram 700 dažādu fermentu.Šūnās koenzīmi parasti tiek reģenerēti un to koncentrācija uzturēta zināma līdzsvara līmenī.

2.4. Fermentu klasifikācijaFermentu nosaukumus bieži veido pēc to substrāta vai reakcijas, ko tie katalizē. Nosaukums

beidzas ar izskaņu -āze (alkoholdehidrogenāze, laktāze).Starptautiskā bioķīmijas un molekulārās bioloģijas savienība (International Union of Biochemistry

and Molecular Biology) ir izstrādājusi fermentu nomenklatūru, kur katram fermentam tiek piešķirts EC numurs, kas sastāv no četriem skaitļiem (piemēram: glucose-6-phosphate 1-dehydrogenase – EC 1.1.1.49). Pirmais skaitlis iedala fermentus pēc to darbības mehānisma.

EC 1 – oksidoreduktāzes: katalizē oksidēšanās/reducēšanās reakcijas.EC 2 – transferāzes: pārnes funkcionālo grupu.EC 3 – hidrolāzes: hidrolīzes rezultātā veido divas molekulas no substrāta.EC 4 – liāzes: šķeļ dažādas saites, bet bez hidrolīzes vai oksidēšanās.

44

EC 5 – izomerāzes: katalizē molekulas izomerizāciju.EC 6 – ligāzes: katalizē divu molekulu savienošanu ar kovalento saiti.

Pārējie skaitļi klasificē fermentus pēc tālākām specifiskākām īpašībām (kādas saites šķeļ, kādu funkcionālo grupu pārnes utt.).

45

3. VitamīniVitamīni pēc būtības ir ķīmiski atšķirīgu savienojumu grupa, kuru vienīgā kopīgā īpašība

ir nepieciešamība pēc tiem uzturā nelielā daudzumā, lai nodrošinātu normālu organisma un tā metabolisma darbību. Tiem ir dažādas funkcijas. Vitamīni var būt koenzīmi, hormoni, antioksidanti, šūnu signālmolekulas, šūnu augšanas un diferencēšanās regulatori.

Vitamīnus iedala ūdenī šķīstošos un taukos šķīstošos vitamīnos. Daudziem vitamīnam organismā parasti ir vairākas funkcijas.

Cilvēka organismā zināmi 13 vitamīni, no kuriem četri ir taukos šķīstošie vitamīni (A,D,E,K) un deviņi – ūdenī šķīstošie (C vitamīns, B grupas vitamīni).

3.1. Taukos šķīstošie vitamīni

3.1.1. Vitamīns AVitamīns A var eksistēt vairākās formās. Dzīvnieku izcelsmes pārtikā tas pamatā eksistē spirta

formā (retinols). Zināmas vēl arī A vitamīna skābes un aldehīda formas (45. att.). Augu izcelsmes pārtikas produkti satur karotenoīdus, kuri ir vitamīna A prekursori (provitamīni) un organismā var veidot retinolu. Ir divi primārie karotīna izomēri: α-karotīns un β-karotīns, kas atšķiras ar dubultsaites vietu gala cikliskajā grupā. Biežāk sastopamā karotīna forma ir β-karotīns, kas sastopams burkānos, spinātos, apelsīnos, tomātos un citos augos. Parasti, jo intensīvāka ir augļa vai dārzeņa krāsa, jo vairāk tas satur karotīnu. β-karotīna struktūra redzama 52. attēlā.

β-karotīna struktūra ir simetriska, un aknās notiek šīs molekulas oksidatīva sadalīšana divās vienādās daļās fermenta karotināzes iedarbībā. Abām šīm daļām ir vienāda struktūra, un tās ir identiskas vitamīna A struktūrai.

Organismā A vitamīna rezerves tiek glabātas aknās. Cilvēkam diennaktī rekomendējami 1–2 mg A vitamīna.

Viena no vitamīna A nepietiekamības pazīmēm ir tā saucamais nakts aklums. Vitamīna A trūkums izraisa acs radzenes un tīklenes sausumu un bojājumus. Vitamīns A ir rodopsīna sastāvdaļa. Rodopsīnu satur redzes nervu gali, kas veido acs tīklenes perifēro daļu. Ja acs tīklene uztver spilgtu gaismu, rodopsīns sadalās, atbrīvojot vitamīna A aldehīdu. Pie vāja apgaismojuma, savukārt, A vitamīns pārvēršas aldehīda formā, kurš savienojas ar citu pigmentu – opsīnu, veidojot rodopsīnu. Ja organismā ir nepietiekams vitamīna A daudzums, šis process ir traucēts un cilvēka redze vāja apgaismojuma apstākļos pasliktinās.

Retinols

COOH

Retinoīnskābe

CHO

Retināls

β-karotīns

52. attēls. A vitamīna formu un β-karotīna ķīmiskā struktūra

46

Vitamīns A piedalās arī kaulu augšanā, šūnu diferenciācijā, imūnsistēmas regulācijā. A vitamīna trūkums palielina infekcijas slimību risku. Retinols piedalās noteiktu glikoproteīnu un mukopolisaharīdu biosintēzē, palīdzot ādai un gļotādai funkcionēt kā barjerai pret baktērijām un vīrusiem.

Daži A provitamīni (karotenoīdi) laboratorijas eksperimentos uzrāda antioksidanta īpašības, tas ir, spēju pasargāt šūnas no brīvo radikāļu iedarbības. Tomēr cilvēka organismā šī nozīme nav pilnībā pierādīta.

Attiecībā uz β-karotīna un A vitamīna spēju samazināt saslimšanu ar dažādām vēža formām ir pretrunīgi dati. Ar β-karotīnu un A vitamīnu bagātu dārzeņu un citu pārtikas produktu lietošana var samazināt risku saslimt ar plaušu vēzi. Tomēr vairāki pētījumi ar β-karotīna piedevu lietošanu neuzrāda aizsargājošas īpašības pret šo slimību, un dažos pētījumos pat paradās dati, ka risks saslimt ar plaušu vēzi pieaug.

Pārmērīga vitamīna A uzņemšana var radīt hipervitaminozi ar toksiskiem efektiem, kaut gan pieaugušiem cilvēkiem to novēro reti. Daži pēdējo gadi pētījumi rāda, ka pārmērīga vitamīna A uzņemšana varētu būt riska faktors osteoporozes veidošanā. Vitamīna A hipervitaminoze ietver arī aknu darbības problēmas un centrālās nervu sistēmas traucējumus.

3.1.2. Vitamīns EVitamīns E ir virkne savienojumu, kas sastāv no metilētiem fenoliem. Vitamīns E var pastāvēt

astoņās dažādās formās (četri tokoferoli un četri tokotrienoli). Tokoferoli un tokotrienoli eksistē alfa, beta, gamma un delta formās, kas atšķiras ar metilgrupu skaitu pie hidrohinona gredzena.

α-tokoferols

O

OH

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

53. attēls. Alfa tokoferola ķīmiskā uzbūve

Aktīvākā E vitamīna forma cilvēka organismā ir α-tokoferols (53. att.). Alfa tokoferola galvenā funkcija ir antioksidanta loma, lai aizsargātu šūnu membrānu lipīdus no oksidatīvas destrukcijas. Vitamīns E saista brīvos radikāļus, novēršot lipīdu oksidēšanos. Tas pasargā no oksidēšanās ne tikai šūnu membrānu lipīdus, bet arī lipoproteīnus, kas piedalās tauku un holesterīna transportā asinīs.

Alfa tokoferolam piemīt arī citas bioloģiskas funkcijas, kas nav saistītas ar tā antioksidanta īpašībām. Tas inhibē proteīnkināzi, kura ir svarīga šūnu signālmolekula, ietekmē imūnsistēmas šūnu aktivitāti. Tas var darboties arī kā asins antikoagulants.

Tokoferola spēja pasargāt no oksidēšanās zema blīvuma lipoproteīnus (LDL), kas atbild par holesterola transportu, un tā antikogualanta īpašības ir radījušas uzskatu, ka vitamīns E var samazināt vai novērst koronārās sirds slimības. Tomēr apjomīgi klīniski pētījumi šo pieņēmumu pagaidām nav apstiprinājuši.

Tā kā uzskata, ka daudzus ļaundabīgos audzējus izraisa DNS oksidatīvi bojājumi, tad alfa tokoferola spēja neitralizēt brīvos radikāļus ir intensīvu pētījumu objekts pretvēža terapijā. Ir pētījumi, kas parāda, ka sintētiskā alfa tokoferola 50 mg devas dod ap 34 % samazinājumu prostatas vēža gadījumos smēķētājiem. Tomēr citos pētījumos nav atrasta būtiska tokoferola ietekme uz plaušu vai krūšu vēža attīstību.

Rekomendējamās vitamīna E diennakts devas pieaugušiem cilvēkiem ir 10–20 mg. Pārtikā tā galvenie avoti ir augu eļļas (olīvu, saulespuķu, sojas, palmu, kukurūzas eļļa), rieksti, veseli graudi, zivis, zaļo lapu dārzeņi (spināti).

47

E avitaminozi parasti novēro reti, jo organismā vienmēr ir zināmas tokoferola rezerves. Tokoferols atrodas hipofīzē, muskuļos, aknās, ka arī citos orgānos. E avitaminoze var attīstīties cilvēkiem, kam ir traucēta pārtikas tauku asimilācija. Vitamīna E trūkums organismā var radīt tādas problēmas, kā vāja nervu impulsu pārvade, muskuļu vājums un acs tīklenes deģenerācija.

3.1.3. Vitamīns DTaukos šķīstošais vitamīns D ir grupa steroīdu hormonu, kuri nepieciešami kalcija metabolismā.

Tā galvenās aktīvās formas ir vitamīns D2 (ergokalciferols) un vitamīns D3 (holekalciferols) (54. att.).Galvenā D vitamīna bioloģiskā funkcija ir uzturēt asinīs normālu kalcija un fosfora līmeni.

Vitamīns D strādā kopā ar vairākiem citiem vitamīniem, minerālvielām un hormoniem, lai veicinātu kaulu mineralizāciju.

Ultravioleto staru iedarbībā vitamīns D sintezējas cilvēka ādā. Zemādas tauku slānī ultravioleto staru iedarbībā ergosterīns un 7-hidroholesterīns pārvēršas attiecīgi D2 un D3 vitamīnos. Tas ir svarīgākais dabīgais vitamīna D avots cilvēka organismā.

Var būt diezgan grūti uzņemt pietiekami vitamīnu D tikai ar dabīgu pārtiku. Lai nodrošinātu pietiekamu vitamīna D daudzumu, bieži nepieciešams lietot ar šo vitamīnu bagātinātu pārtiku vai saņemt adekvātu saules gaismas devu.

Ergokalciferols ( D2 ) Holekalciferols ( D3 )

54. attēls. Vitamīnu D2 un D3 ķīmiskā uzbūve

Pētījumi liecina, ka vitamīnam D var būt protektīvas funkcijas pret dažiem ļaundabīgiem audzējiem. Ir novērota apgriezta sakarība starp augstāku vitamīna D līmeni asinīs un zarnu vēža saslimšanas risku. Tomēr papildu pētījumi nepieciešami, lai noteiktu, vai vitamīna D trūkums palielina risku saslimt ar vēzi vai arī palielinātām vitamīna D devām ir aizsargājošs efekts.

3.1.4. Vitamīns KVitamīns K dabā eksistē zaļajos dārzeņos kā vitamīns K1 jeb filohinons. Savukārt gremošanas

trakta baktērijas producē vitamīnu K2, jeb menahinonu (55. att.).

K1 (filohinons) K2 (menahinons)

55. attēls. Vitamīna K formas

Galvenā vitamīna K funkcija ir uzturēt normālu līmeni proteīniem, kas atbild par asins sarecēšanu. Šie proteīni tiek sintezēti aknās to neaktīvo prekursoru veidā. Fermentam, kurš atbild par šo proteīnu

48

konversiju aktīvā formā, kā kofaktors ir nepieciešama vitamīns K. Šo proteīnu aktivēšana izpaužas kā noteiktu proteīna glutamāta atlikumu karboksilēšana, veidojot γ-karboksilglutamāta (Gla) atlikumus. Šie proteīni zināmi kā Gla-proteīni, un tie piedalās asins koagulācijā un kaulu metabolismā.

Pārtikas produktos vitamīns K ir atrodams spinātos, dažādos kāpostos, graudaugos, avokado, banānos, gaļā, govs pienā un piena produktos, olās, sojas produktos.

Vitamīna K trūkumu organismā novēro reti. Šī vitamīna nepietiekamība var izraisīt iekšēju asiņošanu, kaulu attīstības traucējumus, skrimšļu pārkaļķošanos un kalcija sāļu izgulsnēšanos uz artēriju sieniņām.

3.2. Ūdenī šķīstošie vitamīni

3.2.1. B grupas vitamīniB grupas vitamīni ietver astoņus šūnu metabolismam svarīgus ūdenī šķīstošus vitamīnus.

Vēsturiski tie tika uzskatīti par vienu vitamīnu, jo tie parasti atrodas tajos pašos pārtikas produktos. Tomēr vēlāk noskaidrojās, ka tiem ir dažāda ķīmiskā uzbūve.

3.2.1.1. Vitamīns B1

Vitamīna B1 jeb tiamīna struktūra sastāv no pirimidīna atvasinājuma un tiazola atvasinājuma. Tiamīns šķīst ūdenī, bet nešķīst spirtos. Skābā vidē tas ir stabils pret termisku iedarbību, bet neitrālā un it īpaši sārmainā vidē, karsējot sadalās. Tiamīns sintezējas augos. Cilvēka organisms nespēj sintezēt tiamīnu, un tas jāuzņem ar uzturu.

Tiamīns

O P

O

O

OH

P

O

OH

OH

Tiamīna pirofosfāts

56. attēls. Tiamīna un tā pirofosfāta ķīmiskā struktūra

Tiamīns piedalās ogļhidrātu un tauku metabolismā.Tiamīns dzīvnieku un cilvēka audos sastopams galvenokārt tā pirofosfāta (difosfāta) atvasinājuma

veidā (56. att.). Tiamīna pirofosfāts pilda koenzīma funkcijas fermentiem, kas dekarboksilē α-ketoskābes (pirovīnogskābi un α-ketoglutārskābi). Piruvāta dekarboksilēšanās rezultātā veidojas acetilkoenzīms A, kas nepieciešams centrālajā metabolismā Krebsa ciklā.

Tiamīna nepietiekamības simptomi ir apetītes zudums, nelabums, nogurums. Hronisks tiamīna trūkums noved pie nopietniem neiroloģiskiem traucējumiem, acs koordinācijas zuduma, kardiovaskulārās sistēmas un muskulatūras defektiem. Nopietna tiamīna nepietiekamība zināma kā Beriberi slimība.

Tiamīns atrodams zaļajos zirņos, spinātos, aknās, liellopu un cūkas gaļā, riekstos, banānos, sojas pupās, veselos graudos, maizē, raugā, nepulētu rīsu apvalkā.

3.2.1.2. Vitamīns B2

Vitamīns B2 jeb riboflavīns (57. att.) ir dzeltena kristāliska viela, kas labi šķīst ūdenī. Riboflavīns ir stabils pret karsēšanu un, vārot ēdienu, nenoārdās. Riboflavīns ir kofaktoru FAD un FMN sastāvdaļa, tāpēc tas ir nepieciešams visos flavoproteīnos. Kā flavoproteīnu sastāvdaļa, tas ir būtisks dažādos šūnu procesos. Līdzīgi citiem B grupas vitamīniem tas piedalās enerģētiskajā metabolismā un ir nepieciešams tauku, ogļhidrātu un proteīnu metabolismā.

49

Riboflavīns

57. attēls. Riboflavīna ķīmiskā struktūra

B2 vitamīna avoti ir piens, siers, aknas, zivju un gaļas produkti, olas. Sevišķi daudz riboflavīna satur raugs.

B2 avitaminoze cilvēkiem saistīta ar acu slimībām, var attīstīties anēmija.

3.2.1.3. Vitamīns B3 (PP vitamīns)Vitamīns B3 (PP vitamīns) jeb niacīns (nikotīnskābe) (58. att.) ir nepieciešams nikotīnamīda

adenīndinukleotīda (NAD+) un nikotīnamīda adenīndinukleotīda fosfāta (NADP+) sintēzei. Vitamīns B3 var tik uzņemts gan nikotīnskābes, gan tās amīda formā. Citas niacīna funkcijas ir toksisko ķīmisko savienojumu izvadīšana no organisma un piedalīšanās steroīdo hormonu biosintēzē.

Lielas niacīna devas bloķē tauku sašķelšanos taukaudos, ietekmējot lipīdu līmeni asinīs. Tas izraisa brīvo taukskābju daudzuma samazināšanos un samazina zema blīvuma lipoproteīnu sekrēciju.

Neliels daudzums niacīna aknās veidojas no aminoskābes triptofāna, tomēr šī biosintēze ir neefektīva (no 60 mg triptofāna veidojas 1 mg niacīna). Nikotīnskābe ir plaši izplatīta augu un dzīvnieku izcelsmes pārtikas produktos. Galvenie niacīna avoti ir maize, griķi, rīsi, kartupeļi, burkāni, zivis, gaļa.

NH2

Nikotīnskābe Nikotīnskābes amīds

58. attēls. Nikotīnskābes un tās amīda ķīmiskā struktūra

3.2.1.4. Vitamīns B5

Vitamīns B5 jeb pantotēnskābe sastāv no α-γ-dioksisviestskābes un β-alanīna (59. att.). Bioloģiska aktivitāte ir tikai pantotēnskābes stereoizomēram, kurš griež gaismas polarizācijas plakni pa labi (D-izomērs).

Pantotēnskābe ir nepieciešama koenzīma A (CoA) sintēzei, līdz ar to tā ir nepieciešama Krebsa cikla metabolismam. Koenzīms A darbojas kā acilgrupu pārnesējs acetilCoA formā. Tas ir būtisks šūnas elpošanas ķēdē, kā arī taukskābju, holesterola un acetilholīna biosintēzē. Ir identificēti ap 70 fermentu, kuru darbībai nepieciešams CoA.

50

Pantotēnskābe

Koenzīms A

59. attēls. Pantotēnskābes un koenzīma A ķīmiskā struktūra

Nelieli pantotēnskābes daudzumi ir gandrīz jebkurā pārtikas produktā. Lielākos daudzumos tā ir veselos graudos un olās. Pantotēnskābes iztrūkums organismā ir sastopams ļoti reti.

3.2.1.5. Vitamīns B6

Vitamīns B6 ir ūdenī šķīstošs vitamīns, un tas eksistē trīs galvenajās ķīmiskajās formās – piridoksīns, piridoksāls un piridoksamīns. No šiem savienojumiem organismā veidojas vitamīna B6 aktīvā forma piridoksālfosfāts (60. att.). Piridoksālfosfāts piedalās kā koenzīms daudzās fermentatīvās reakcijās. Tas ir nepieciešama transaminēšanas, kā arī dažās dekarboksilēšanās un deaminēšanas reakcijās.

Piridoksālfosfāts piedalās hēma sintēzē. Līdz ar to vitamīns B6 vajadzīgs, lai veidotos hemoglobīns. Vitamīns B6 nepieciešams tādu neirotransmiteru kā serotonīns un dopamīns biosintēzē. Šie neirotransmiteri nodrošina normālu nervu šūnu komunikāciju.

Piridoksīns

Piridoksālfosfāts

Piridoksāls

Piridoksamīns

60. attēls. Vitamīna B6 formas

Vitamīna B6 iztrūkums organismā var radīt anēmiju, kas līdzīga dzelzs deficīta anēmijai. Šī vitamīna trūkums var radīt arī neiroloģiskas un ādas problēmas.

Vitamīna B6 trūkums var palielināt aminoskābes homocisteīna saturu asinīs. Ir dati, ka palielināts homocisteīna saturs ir riska faktors sirds slimībām, jo tas var bojāt artēriju sieniņas un veicināt asins koagulāciju. Pārāk lielas vitamīna B6 devas var radīt roku un kāju nervu bojājumus. Šī neiropātija ir atgriezeniska, samazinot vitamīna devu.

Vitamīns B6 atrodams daudzos pārtikas produktos: gaļas produktos, zivīs, banānos, pupās u. c.

3.2.1.6. Vitamīns B7 (vitamīns H)Vitamīns B7, zināms arī kā vitamīns H jeb biotīns, ir ūdenī šķīstošs komplekss savienojums, kura

pamatā ir tiofēna gredzens, kas sajūgts ar tetrahidroimidazola gredzenu. Cikliskajam komponentam ir piesaistīts baldriānskābes atlikums (61. att.).

51

Biotīns kalpo par kofaktoru fermentiem, kas iesaistīti karboksilēšanās reakcijās (piem., acetil-CoA karboksilāze un piruvātkarboksilāze). Tas ir iesaistīts oglekļa dioksīda pārnesē. Biotīns ir svarīgs taukskābju sintēzes metabolismā, glikoneoģenēzē un leicīna metabolismā.

Biotīns

61. attēls. Biotīna ķīmiskā struktūra

Biotīns atrodas daudzos pārtikas produktos, un to var sintezēt gremošanās traktā atrodošās baktērijas, tāpēc biotīna nepietiekamība ir reta. Biotīna trūkumu cilvēkiem var izraisīt, ar uzturu ievadot lielu daudzumu svaiga olas baltuma, jo tas satur ķīmisku savienojumu avidīnu, kas saistās ar biotīnu. Arī ilgstoša antibiotiku lietošana, kas samazina gremošanas trakta baktēriju daudzumu, var radīt biotīna nepietiekamību.

3.2.1.7. Vitamīns B9

Ūdenī šķīstošais vitamīns B9 ir folskābe (62. att.). Folskābe piedalās jaunu šūnu veidošanā. Folskābe ir nepieciešama DNS replikācijā. Folāta atvasinājumi ir substrāti oglekļa atoma pārnešanas reakcijās, ka arī piedalās dTMP (2’-dezoksitimidīna-5’-fosfāta) sintēzē no dUMP (2’-dezokisuridīna-5’-fosfāta). Folskābe arī palīdz konvertēt vitamīnu B12 par vienu no tā koenzīma formām. Folskābe ir nepieciešama normālai sarkano asins šūnu veidošanai.

Folskābe sastopama augu un dzīvnieku izcelsmes produktos. Bagātākie ar folskābi ir aknas, gaļa, zivis, pupas, spināti, kartupeļi un kāposti.

Folskābe

62. attēls. Folskābes ķīmiskā struktūra

3.2.1.8. Vitamīns B12

Vitamīna B12 (ciānkobalamīna) molekula sastāv no divām daļām. Viena daļa (hromoforā daļa) satur kobaltu un ir līdzīga porfirīniem, otra daļa (nukleotīdā daļa) satur 5,6-dimetilbenzimidazolu (63. att.).

Vitamīns B12 palīdz uzturēt veselīgas nervu šūnas un sarkanās asins šūnas. Tas nepieciešams arī DNS sintēzē.

Vitamīnu B12 satur dzīvnieku izcelsmes produkti – gaļa, zivis, olas, piens un piena produkti. Pārtikā vitamīns B12 ir piesaistīts pie proteīniem metilkobalamīna vai 5’-dezoksianenozilkobalamīna formā, un tā atbrīvošana notiek gremošanas procesā kuņģa sulas iedarbībā.

52

Ciānkobalamīns

63. attēls. Ciānkobalamīna ķīmiskā struktūra

3.2.2. Vitamīns CVitamīns C jeb askorbīnskābe (64. att.) ir svarīga pārtikas sastāvdaļa primātiem, to skaitā arī

cilvēkiem, jo to organismā tā neveidojas fermenta L-gulonolaktona oksidāzes trūkuma dēļ. Šis ferments ir atbildīgs par gulonolaktona konversiju askorbīnskābē. Lielākajai daļai dzīvnieku un augu askorbīnskābe sintezējas organismā.

Vitamīns C ir spēcīgs antioksidants, kas aizsargā organismu no oksidatīvā stresa. Tas arī piedalās kā kofaktors daudzās metabolisma reakcijās.

Askorbīnskābe viegli oksidējas, veidojot dehidroaskorbīnskābi. Ja pH=7, dehidroaskorbīnskābe neatgriezeniski pārvēršas par L-diketogulonskābi.

Viena no svarīgākajām reakcijām, kurā askorbīnskābei ir kofaktora nozīme, ir prolīna hidroksi-lēšana kolagēna molekulā. Līdz ar to vitamīns C ir nepieciešams normālai saistaudu uzturēšanai, kā arī ievainojumu ārstēšanai.

L- askorbīnskābe Dehidroaskorbīnskābe

64. attēls. Askorbīnskābes un dehidroaskorbīnskābes ķīmiskā struktūra

C vitamīns darbojas kā elektronu donors reakcijās, kas iekļautas tirozīna katabolismā, kā arī karnitīna sintēzē. Karnitīns ir būtisks savienojums taukskābju transportā mithondrijos ATP ģenerēšanai. Askorbīnskābe piedalās arī žultsskābju biosintēzē, kā arī vēl vairākos citos metabolisma procesos.

Askorbīnskābes trūkums organismā rada slimību, ko sauc par cingu.Pārāk lielas C vitamīna devas (virs 6 g diennaktī) dažos gadījumos var izraisīt gremošanas

traucējumus un diareju, it sevišķi, ja tas uzņemts tukšā dūšā. Kā toksiska reakcija novērojami arī ādas izsitumi.

53

4. Metabolisms

4.1. Metabolisma vispārējs raksturojumsPar metabolismu pieņemts saukt dažādu savstarpēji saistītu bioķīmisko reakciju kopumu dzīvajās

šūnās vai organismā, kas nepieciešams, lai nodrošinātu to dzīvotspēju.Metabolisms veic šādas funkcijas:

• Šūnas tiek nodrošinātas ar nepieciešamo ķīmisko enerģiju. Tas notiek, vai nu pārveidojot saules enerģiju (fototrofais metabolisms), vai oksidējot enerģiju saturošas vielas (hemotrofais metabolisms).

• Barības vielu molekulu noārdīšana. Šī procesa rezultātā barības vielu molekulas tiek pārvērstas centrālo metabolisko ceļu starpproduktos, no kuriem veidojas biopolimēru sintēzei nepieciešamie monomēri (aminoskābes, nukleotīdi, monosaharīdi).

• Organismam nepieciešamo biopolimēru (proteīnu, nukleīnskābju, polisaharīdu) sintēze no monomēriem. Šī procesa rezultātā tiek patērēta ķīmiskā enerģija.

• Tādu specializētu biomolekulu biosintēze vai noārdīšana, kas veic regulējošās vai citas funkcijas.

Metabolisma reakcijas katalizē fermenti. Fermenti var darboties atsevišķi, vai arī tie var būt apvienoti fermentu kompleksos. Dažas fermentu sistēmas ir integrētas membrānās.

Metabolisma procesu nosacīti iedala katabolismā un anabolismā.

4.1.1. KatabolismsKatabolisms – metabolisma reakciju kopums, kurā notiek barības vielu noārdīšanās līdz

vienkāršiem galaproduktiem. Katabolisma procesā atbrīvojas ķīmiskā enerģija. Daļa no šīs enerģijas tiek uzkrāta adenozītrifosfāta (ATP) fosfoesteru saitēs. ATP satur tā saucamās makroerģiskās saites – ar enerģiju bagātas ķīmiskās saites, kuras hidrolizējot atbrīvojas daudz enerģijas. Atsevišķos katabolisma ceļa posmos var būt arī reakcijas ar enerģijas patērēšanu, bet summāri enerģijas bilance ir pozitīva.

Katabolisms ietver vairākas stadijas:1. stadijā notiek barības vielu sašķelšana monomēros. Tā, piemēram, proteīni tiek sašķelti

aminoskābēs, polisaharīdi – monosaharīdos (pentozēs un heksozēs), tauki – taukskābēs un glicerīnā.

2. stadijas laikā 1. stadijā iegūtie monomēri tiek noārdīti tālāk līdz vairākām vienkāršākām molekulām, kuras ieņem centrālo vietu metabolismā, – tā saucamajiem centrālajiem metabolītiem. Tādi ir, piemēram, piruvāts, acetilCoA, α-ketoglutarāts, sukcināts. Šie savienojumi tiek izmantoti vai nu kā izejas materiāli dažādās biosintēzes reakcijās (anabolismā), vai arī 3. katabolisma stadijā pilnīgi oksidējas.

3. stadija – centrālie metabolīti oksidējas līdz CO2 un ūdenim. Šī stadija ietver Krebsa ciklu (trikarbonskābju cikls) un oksidatīvo fosforilēšanos.

4.1.2. AnabolismsAnabolisms – metabolisma reakciju kopums, kurā no vienkāršākiem savienojumiem fermentatīvās

biosintēzes ceļā veidojas komplicētāki savienojumi ar lielākām molekulām. No centrālajiem metabolītiem sintezējas vienkāršas molekulas – aminoskābes, nukleotīdi, taukskābes, monosaharīdi, kuri kalpo par monomēriem biopolimēru sintēzei. No šiem monomēriem tālākā anabolisma procesā veidojas sarežģīti biopolimēri. Anaboliskās reakcijas pārsvarā ir endotermiskas (prasa enerģijas

54

pievadīšanu). Enerģijas pievadīšana notiek, sajūdzot edergoniskās reakcijas ar ATP hidrolīzi, kuras rezultātā atbrīvojas ATP fosfoesteru saitēs ieslēgtā ķīmiskā enerģija.

Daži metabolisma ceļi var būt kopēji gan katabolismam, gan anabolismam. Tos sauc par amfiboliskiem metabolisma ceļiem. Tā piemēram vairāki Krebsa cikla (kas pēc būtības ir katabolisks process) starpprodukti tiek izmantoti kā izejvielas biosintēzes (anaboliskos) metabolisma ceļos.

4.1.3. Oksidēšanās - reducēšanās metabolisma procesosOksidēšanās-reducēšanās reakcijās elektronu pārnesi nodrošina vairāki ķīmiski savienojumi

(NAD+, NADP+, FAD u. c.). Lielākā nozīme šajā procesā ir nikotīnamīda adenīndinukleotīdam un tā fosforilētajai formai. NAD+ pievieno elektronus, kas atbrīvojas katabolisma procesā, veidojot NADH. Katabolisms ir oksidatīvs – substrāti zaudē reducējošos ekvivalentus, parasti H- jonus. Savukārt anabolisms ir reduktīvs – NADPH piegādā elektronus anaboliskiem procesiem

Proteīni Polisaharīdi Lipīdi

Aminoskābes

Glikoze

Piruvāts

PentozesHeksozesDisaharīdi

TaukskābesGlicerīns

AcetilCoA

Krebsacikls

Oksidatīvā fosforilēšanās

NADH NAD+

H2ONH3CO2

O2

65. attēls. Katabolisma shematisks attēlojums

4.2. Gremošana, gremošanas trakta fermentiBarības vielās esošās makromolekulas pirms iekļaušanas šūnu metabolismā nepieciešams sašķelt

mazākās molekulās. Tas tiek paveikts ar gremošanas fermentiem, kas ietver proteāzes – proteīnu sašķelšanai, glikozīdhidrolāzes – polisaharīdu hidrolīzei, kā arī fermentus, kas sašķeļ taukus par glicerīnu un taukskābēm – lipāzes.

Gremošanā var izšķirt vairākas fāzes.Cefālā fāze – tā ir fāze pirms barības nonākšanas kuņģī, kad organismu sagatavo gremošanas

procesam. Domas par ēdienu, tā izskats stimulē smadzeņu garozu, un smarža un garša stimulē hipotalamusu. Signāli no smadzenēm pa vagus nervu nonāk līdz kuņģim un izraisa kuņģa sulas sekrēciju.

55

Gremošana sākas mutē, kur pārtikas produkti tiek sasmalcināti. Ēšanas laikā izdalās siekalas, kuras satur siekalu amilāzi – fermentu, kas katalizē tādu polisaharīdu kā cietes sašķelšanu līdz disaharīdiem (maltoze).

Tālāk barība pa barības vadu nonāk kuņģī.Gastriskā fāze notiek kuņģī un aizņem 3–4 stundas. Kuņģa izplešanās un bāzisks pH veicina

acetilholīna izdalīšanos, kurš palielina kuņģa sulas (HCl un proteolītiskā fermenta pepsīna maisījums) izdalīšanos. Cilvēka kuņģis producē 2–3 litrus kuņģa sulas diennaktī.

Acetilholīns ir neirotransmiters kurš darbojas gan perifērajā, gan centrālajā nervu sistēmā.Kuņģa sieniņas satur vairākus miljonus dziedzeru šūnu, kuras izdala kuņģa sulu. Barības

proteīniem nonākot kuņģī, tie saistās ar ūdeņraža joniem, palielinot vides pH. Tas iedarbina hormona gastrīna veidošanos, kurš stimulē tā saucamās parietālās šūnas izdalīt HCl.

Kuņģa sieniņas šūnas sintezē un izdala pepsinogēnu – pepsīna prekursoru, kurš pie zema pH tiek pārvērsts pepsīnā. Pepsīns šķeļ peptīdsaites, sadalot garās polipeptīdķēdes īsākos fragmentos.

Kuņģī bez pepsīna vēl tiek izdalīti šādi gremošanas fermenti: • gelatināze – degradē proteoglukānus želatīnu un kolagēnu;• gastriskā amilāze – sašķeļ cieti;• gastriskā lipāze – tributirāze, kas darbojas gandrīz tikai uz tributirīnu (sviesta tauki).

Kuņģī barības vielu absorbcija ir niecīga. Tiek absorbēti daži joni, ūdens un daži lipīdos šķīstoši savienojumi (alkohols, kofeīns, daži medikamenti).

Parietālās šūnas arī izdala speciālu glikoproteīdu, kas nepieciešams vitamīna B12 uzsūkšanai.Kad barība kuņģī ir pietiekami sašķidrināta, tā tiek padota tālāk uz zarnām. Barības padeve uz

zarnām notiek tikai tad, kad tās nav aizņemtas. Ja zarnu sistēma ir vēl aizņemta, kuņģis darbojas kā barības uzglabātājs.

Zarnu fāze. No kuņģa barības vielas nonāk tievajās zarnās. Pirmā ir divpadsmitpirkstu zarna (duodenum), kurā notiek gremošanas lielākā daļa. Vides pH šeit ir aptuveni 6. Divpadsmitpirkstu zarnai ir aizkuņģa dziedzera kanāls, kas savienots ar žultsvadu.

Aizkuņģa dziedzeris veic divas svarīgas funkcijas – producē gremošanas fermentus, kas šķeļ taukus, ogļhidrātus, olbaltumvielas, nukleīnskābes, kā arī izdala hormonus – insulīnu un glikagonu. Aizkuņģa dziedzeris ir gan ārējās, gan iekšējās sekrēcijas dziedzeris.

Aizkuņģa dziedzeris izdala šādus fermentus:• tripsīnu un hemotripsīnu – peptidāzes, kas sašķel peptīdus mazākos fragmentos;• karboksipeptidāzi – proteāzi, kas sašķeļ peptīda fragmentus līdz aminoskābēm;• elastāzes – fermentus, kas sašķel proteīnu elastīnu, kā arī vairākus citus proteīnus;• aizkuņģa dziedzera (pankreātisko) amilāzi – ogļhidrātu polimērus sašķeļošs ferments, kas

hidrolizē ne tikai cieti un glikogēnu, bet arī citus cukurus;• lipāzi, kas degradē triglicerīdus līdz taukskābēm un glicerīnam;• nukleāzes (DNA-āze, RNS-āze), kas sašķeļ nukleīnskābes.

Kopā ar aizkuņģa dziedzera fermentiem divpadsmitpirkstu zarnā nonāk arī žults, kas veidojas aknās. Žults ir dzeltens, rūgts šķidrums, kas satur holesterolu, žults sāļus (Na glikoholātu, Na tauroholātu), hidrogēnkarbonātjonus, žults pigmentus un fosfolipīdu lecitīnu.

Žults palīdz emulģēt taukus, veidojot micellas, un atvieglo to absorbciju. Šajā procesā piedalās žults sāļi un fosfolipīdi. Žults arī neitralizē atlikušo kuņģa skābi.

Nākamā tievo zarnu daļa ir tukšā zarna (jejenum) un līkumotā zarna. Šajās zarnās arī tiek izdalīti vairāki gremošanas fermenti, starp tiem – disaharīdus hidrolizējoši fermenti:

• saharāze – sašķeļ saharozi līdz glikozei un fruktozei;

56

• laktāze – sašķeļ laktozi līdz glikozei un galaktozei;• maltāze un izomaltāze – sašķel maltozi un izomaltozi līdz glikozei.

Tukšajā zarnā vides pH ir 7–8.Izdalās arī fermenti aminopeptidāze, kas atšķeļ oligopeptīdu N-terminālu, un dipeptidāzes, kuras

šķel dipeptīdus līdz atsevišķām aminoskābēm.Līdz barības nonākšanai līkumotajā zarnā (ileum) sagremošana jau ir pamatā pabeigta. Lielākā

daļa sagremoto barības vielu uzsūcas tukšajā zarnā. Līkumotajā zarnā vēl turpinās barības vielu absorbcija. Līkumotās zarnas pēdējā posmā notiek vitamīna B12 absorbcija.

Resnajā zarnā notiek ūdens un sāļu uzsūkšanās. Resnajā zarnā uzsūcas arī daži tur mītošās mikrofloras veidotie produkti. Nesagremojamie polisaharīdi (piemēram, inulīns) baktēriju iedarbībā metabolizējas līdz īsas ķēdes taukskābēm, kuras tiek absorbētas pasīvās difūzijas ceļā. Resnajās zarnās izdalās nātrija karbonāts, kas palīdz neitralizēt šīs skābes. Zarnu baktērijas veido arī nelielus daudzumus vitamīnu (vitamīnu K un biotīnu).

4.3. Enerģētiskais metabolisms

4.3.1. Enerģētiskā metabolisma vispārīgie principiBioķīmisko reakciju enerģētikas aprakstīšanai var izmantot termodinamikas sakarības. Izmanto

tādu jēdzienu kā reakcijas brīvās enerģijas izmaiņa ∆G.∆G = ∆H – T∆S, kur H – entalpija, T – absolūtā temperatūra un S – entropija.Par standarta brīvās enerģijas ∆G° izmaiņu sauc brīvās enerģijas izmaiņu standartapstākļos

(T = 298 K jeb 25 °C, pH = 0, spiediens = 98,1 Pa jeb 1 atm.).Standarta brīvās enerģijas izmaiņu var izrēķināt no reakcijas līdzsvara konstantēm:∆G° = −RT lnKlīdzsv

Bioloģiskās sistēmās līdzsvara stāvoklis ir atkarīgs no pH, līdz ar to arī brīvās enerģijas izmaiņas ir atkarīgas no pH. Bioķīmiskās sistēmās par standarta stāvokli pieņem pH 7. Standarta brīvās enerģijas izmaiņas šādos apstākļos apzīmē ar ∆G° ‘.

Brīvā enerģija ir tā reaģējošo vielu potenciālā enerģija, kura var tikt izmantota lietderīgā darba veikšanai. Brīvās enerģijas izmaiņas kalpo par kritēriju tam, vai dotā ķīmiskā reakcija var noritēt spontāni vai nevar. Spontāni notiek tikai tās reakcijas, kurās brīvā enerģija samazinās (∆G < 0). Tās sauc par eksotermiskām reakcijām. Ja brīvā enerģija ķīmiskajā reakcijā pieaug (endotermiska reakcija), tad nepieciešams papildu enerģijas avots. Endotermiskās reakcijas var tikt realizētas, sajūdzot tās ar eksotermiskām reakcijām. Tam nepieciešams, lai abām reakcijām būtu kopīgs starpprodukts, respektīvi, pirmās reakcijas produkts ir otrās reakcijas substrāts.

Bieži šīs endotermiskās reakcijas ir sajūgtas ar ATP hidrolīzi.ATP + H2O → ADP + Pi

Šīs reakcijas ∆G° ‘ = –7,30 kcal/mol (–30,54 kJ/mol)Šūnu elpošana ir šūnā vai šūnu membrānā notiekošas metaboliskās reakcijas, kuru rezultātā tiek

iegūta ķīmiskā enerģija. Ķīmisko enerģiju iegūst, oksidējot organisko vielu molekulas (monosaharīdi, aminoskābes un taukskābes). Aerobos procesos kā elektronu akceptors (oksidētājs) tiek lietots skābeklis. Ja skābekļa vietā kā elektronu akceptors tiek lietots cits organiskais savienojums, tad to sauc par anaerobu procesu. Ķīmiskā reakcija tiek uzkrāta ATP makroenerģisko saišu veidā.

Aerobais metabolisms ir daudz efektīvāks par anaerobo metabolismu, kurā no vienas glikozes molekulas rodas tikai divas ATP molekulas. Salīdzinājumam var minēt, ka aerobā metabolismā no vienas glikozes molekulas ģenerējas līdz 38 ATP molekulām.

57

Aerobam un anaerobam metabolismam ir kopēja sākotnējā – glikolīzes – stadija. Bez šīs stadijas aerobais enerģētiskais metabolisms vēl ietver Krebsa ciklu un oksidatīvo fosforilēšanos (elektronu pārneses ķēde + ATP sintēze).

4.3.2. GlikolīzeGlikolīze ir ogļhidrātu katabolisma sākotnējais process. Tā ir secīga bioķīmisko reakciju virkne,

kurā notiek glikozes anaeroba noārdīšanās, un tās galvenās funkcijas ir:• enerģiju saturošu molekulu – ATP un NADH – ģenerēšana;• piruvāta veidošanās, kurš tālāk nepieciešams Krebsa ciklā;• dažādu starpproduktu veidošanās, kuri tiek izmantoti citos šūnas procesos.

Glikolīze norisinās šūnas citoplazmā. Pazīstamākais un izplatītākais glikolīzes metabolisma ceļš ir Embdena–Meijerhofa metabolisma ceļš. Glikolīzes ceļa summārais vienādojums ir šāds:

D-glikoze + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2piruvāts + 2NADH + 2H+ +2ATP + 2H2OGlikolīzi nosacīti var iedalīt divās fāzēs (66. att.). Pirmā fāze ietver piecas reakcijas, un tā saistīta

ar enerģijas patērēšanu – no divām ATP molekulām veidojas divas ADP molekulas. Otrajā glikolīzes fāzē notiek enerģijas izdalīšanās un uzkrāšanās ATP molekulās. Otrajā fāzē iegūst 4 ATP molekulas un 2 NADH molekulas. Līdz ar to kopējais glikolīzes process rezultējas ar 2 ATP un 2 NADH molekulām.

Glikolīzes reakcijas un par tām atbildīgie fermenti:1. Glikozes fosforilēšanās līdz glikozo-6-fosfātam. Ferments – heksokināze, kofaktors – Mg2+•2. Glikozo-6-fosfāts tiek konvertēts par fruktozo-6-fosfātu. Ferments – glikozofosfāt-

izomerāze.3. No fruktozo-6-fosfāta veidojas fruktozo-1,6-difosfāts. Šī reakcija prasa enerģijas patēriņu.

Ferments – fosfofruktokināze, kofaktors – Mg2+.4. Heksozes gredzens tiek sašķelts divos triozes cukuros – dihidroksiacetona fosfātā un

gliceraldehīd-3-fosfātā. Ferments – fruktozodifosfāta aldolāze.5. Dihidroksiacetons tiek konvertēts par gliceraldehīd-3-fosfātu. Līdz ar to glikolīzes pirmā fāze

rezultējas ar divām gliceraldehīd-3-fosfāta molekulām. Ferments – triozesfosfāta izomerāze.6. No abām gliceraldehīda-3-fosfāta molekulām veidojas divas 1,3-bifosfoglicerāta molekulas.

Triozes tiek dehidrogenētas, un pievienojas neorganiskā fosfāta grupa. Ūdeņradis reducē NAD+, veidojot NADH un H+. Ferments – gliceraldehīda fosfāta dehidrogenāze.

7. Fosfātgrupas pārnese no 1,3-difosfoglicerāta uz ADP, veidojot ATP un 3-fosfoglicerātu. Ferments – fosfoglicerātkināze, kofaktors – Mg2+.

8. 3-fosfoglicerāts tiek konvertēts par 2-fosfoglicerātu. Ferments – fosfoglicerātmutāze.9. Fosfoenolpiruvāta veidošanās no 2-fosfoglicerāta. Ferments – enolāze, kofaktori – divi

Mg2+joni.10. Pēdēja glikolīzes reakcija, kurā fosfātgrupa tiek pārnesta uz ADP, veidojot ATP un piruvātu.

Ferments – piruvātkināze, kofaktors – Mg2+.

58

Glikoze Glikozo-6-fosfāts Fruktozo-6-fosfāts

Fruktozo-1,6-bifosfāts

Gliceraldehīda-3-fosfāts

Dihidroksiacetona fosfāts

1,3-Bifosfoglicerāts

3-Fosfoglicerāts 2-Fosfoglicerāts Fosfoenolpiruvāts

Piruvāts

+

1. fāze

2. fāze

ATP ADP

ATP

ADP

1 23

45

6

7

9810

2Pi2NAD+

2NADH H+

2ATP

2ADP2H2O

2ATP

2ADP

2x

2x 2x 2x

2x

66. attēls. Glikolīzes (Embdena-Meijerhofa) metabolisma ceļš

Citi ogļhidrāti var iekļauties glikolīzes metabolisma ceļā šādos veidos:• fruktozo-6-fosfāts veidojas, fruktozi fosforilējot ar heksokināzi;• saharoze tiek sašķelta ar fermenta saharāzes palīdzību par glikozi un fruktozi;• mannoze vispirms tiek fosforilēta par mannozo-6-fosfātu, kurš izomerizējas par fruktozo-

6-fosfātu;• laktozi ferments laktāze sašķeļ par glikozi un galaktozi. Galaktoze tiek konvertēta

par uridildifosfogalaktozi, kas savukārt tiek konvertēta par uridilfosfoglikozi. Tālāk uridilfosfoglikoze pārvēršas par glikozo-1-fosfātu, kurš fosfoglikomutāzes iedarbībā izomerizējas par glikozo-6-fosfātu;

• glikogēns un ciete ar fermentu fosforilāzi tiek sašķelti par glikozo-1-fosfātu, kurš tālāk izomerizējas par glikozo-6-fosfātu.

Glikolīzē izveidojies piruvāts aerobajā metabolismā tālākas oksidatīvās dekarboksilēšanās rezultātā veido acetilkoenzīmu A (acetilCoA), kurš iekļaujas Krebsa ciklā. Anaerobos apstākļos no piruvāta laktātdehidrogenāzes iedarbībā veidojas pienskābe (laktāts). Cilvēka organismā anaerobais process var norisinātos muskuļos pie lielas fiziskas slodzes skābekļa bada gadījumā.

Glikolīzes regulācija. Regulatorie fermenti katalizē neatgriezeniskās reakcijas, kuras limitē metaboliskā ceļa ātrumu. Glikolīzē tie ir heksokināze, fosfofruktokināze un piruvātkināze. Fosfofruktokināzi allostēriski inhibē ATP, kā arī citrāts, un aktivē ADP, AMP un fruktozo-2,6-difosfāts. Heksokināzi inhibē tās reakcijas produkts – glikozo-6-fosfāts. Piruvātkināzi inhibē ATP.

4.3.3. Piruvāta oksidatīvā dekarboksilēšanaPiruvāta oksidatīvo dekarboksilēšanu veic piruvātdehidrogenāzes komplekss, kas lokalizēts

mitohondrijos. Šī kompleksa sastāvā ietilpst piruvātdehidrogenāze ar koenzīmu tiamīnpiro- fosfātu (E1), dihidrolipoiltransacetilāze ar koenzīmiem liposkābi un CoA (E2) un dihidrolipoil-dehidrogenāze ar koenzīmiem FAD un NAD+ (E3). Tas ir vairāku stadiju process, kura summārais vienādojums ir šāds:

Piruvāts + CoA + NAD+ → AcetilCoA + 2NADH + H++ CO2

59

Pirmajā stadijā piruvāts tiek sašķelts oglekļa dioksīdā un acetaldehīdā. Pēc tam acetaldehīds pievienojas koenzīma A sēra atomam, veidojot acetilCoA. Reakcija ir sajūgta ar NAD+ reducēšanu līdz NADH.

AcetilCoA tālāk tiek izmantots vairākos metabolisma procesos. Lielākā daļa iet uz Krebsa ciklu, taču acetilCoA ir nepieciešams arī lipīdu un aminoskābju biosintēzē, kā arī dažos citos biosintēzes procesos.

Piruvātdehidrogenāzes regulācija. Ja palielinās viena no attiecībām: ATP/ADP, NADH/NAD+ un acetilCoA/CoA, piruvātdehidrogenāze tiek inhibēta.

Piruvātdehidrogenāzes kompleksu (PDH) regulē piruvātdehidrogenāzes kināze (PDK) un piruvātdehidrogenāzes fosfatāze (PDP). PDK fosforilē E1 serīna atlikumus un līdz ar to inaktivē kompleksu. Savukārt PDP defosforilē E1 un atjauno kompleksa aktivitāti. Piruvātdehidrogenāzes reakcijas produkti darbojas kā PDH inhibitori un PDK aktivatori.Badošanās laikā pieaug PDK daudzums muskuļu un citos audos un samazinās PDP daudzums. Tas izraisa PDH inhibīciju un neļauj audiem katabolizēt glikozi. Metabolisms novirzās uz tauku utilizāciju. Glikoze tiek saglabāta izmantošanai smadzenēs.

4.3.4. Krebsa ciklsKrebsa cikls (trikarbonskābju cikls, citronskābes cikls) ieņem centrālo vietu metabolismā. Tas

ir ogļhidrātu, aminoskābju un tauku oksidēšanas beigu posms, kurā aktivētā acetilgrupa (acetilCoA) oksidējas līdz divām CO2 molekulām. Krebsa cikls ir noslēgts process, kas sastāv no 10 atsevišķām reakcijām. Krebsa cikla reakcijas notiek mitohondrija matricā. Tieša ķīmiski rezistentās divoglekļu acetilgrupas oksidēšana nav iespējama, tāpēc šis process iet aplinkus ceļu, izmantojot katalītisko ciklu. Acetilgrupa var kondensēties ar citu savienojumu, kas satur karbonilgrupu. Kondensācijas produktam ir vairāk nekā divi C atomi, un βsaišu sašķelšana ir iespējama. Tā kā Krebsa cikls paredzēts acetilgrupu oksidēšanai, tad acetilCoA tiek saukts par primāro substrātu, bet karbonilsavienojumu, ar kuru tas kondensējas, sauc par reģenerējamo substrātu. Reģenerējamā substrāta uzdevumu veic oksaloacetāts. AcetilCoA reakcijas ar oksaloacetātu rezultātā veidojas citronskābe, kuras cikliskas pārvēršanās ķēdes rezultātā izdalās divas CO2 molekulas un veidojas galaprodukts – oksaloacetāts (67. att.).

Krebsa cikla summārais vienādojums ir :AcetilCoA + 3NAD+ + ATP + FAD + Pi + 2H2O → 2CO2 + CoA-SH + 3NADH + ATP + FADH2

60

COOHCH

CH

COOHCOOH

HO

CH2

COOHCH

CH

COOHCOOH

HOCH2

COOHC

CH2

COOHCOOHCH2

COOHCH

OCCOOH

COOHCH2

COOHCH2

OC

COOHCH2

CH2

CO

COOHCH2

SCoACOOHCH2

COOHCH2

COOHCH

CH

HOOC

COOHCH

COOH

HOCH2

COOHCO

COOHCH2

citrāts cis-akonitāts

izocitrāts

oksalosukcināts

α-oksoglutarātssukcinil-CoAsukcināts

fumarāts

L-malāts

oksaloacetāts

AcetilCoA CoASH

H2O

1

2

H2O

H2O

3

NAD+NADH +H+

NADP+

NADPH + H+4

CO2

CO2

ADPATP(GDP)(GTP)

567

FAD

FADH2

8

9H2O

10

NADH +H+

NAD+

67. attēls. Krebsa cikls

Krebsa cikla reakcijas un tās katalizējošie fermenti:1. AcetilCoA un oksaloacetāta kondensācijas reakcija. Ferments – citrātsintāze.2., 3. Citrāta izomerizācija par izocitrātu. Ferments – (2,3) akonitāze. 4., 5. Izocitrāta dekarboksilēšana par α-oksoglutarātu (α-ketoglutarātu), vienlaikus reducējot

NAD(F)+. Ferments – izocitrātdehidrogenāze.6. α-oksoglutarāta oksidatīvā dekarboksilēšana par sukcinilCoA. Vienlaikus notiek NAD+

reducēšana. Ferments – α-ketoglutarātdehidrogenāzes komplekss.7. SukcinilCoA makroerģiskās tioestera saites hidrolīze. Vienlaikus sintezējas ATP no ADP

vai GTP no GDP. Ferments – sukcinilCoA sintetāze (sukcināttiokināze).8. Sukcināta oksidēšana par fumarātu, vienlaikus reducējot FAD. Ferments – sukcināt-

dehidrogenāze.9. Fumarāta hidratēšana par malātu. Ferments – fumarāze.10. Malāta oksidēšana par oksalātu, vienlaikus notiekot NAD+ reducēšanai. Ferments –

malātdehidrogenāze.Krebsa cikla regulācija. Augsts ATP vai NADH līmenis šūnās palēnina Krebsa cikla

darbību. Krebsa ciklā ir trīs regulācijas punkti: citrātsintāze, izocitrātdehidrogenāze un α-ketoglutarātdehidrogenāzes komplekss. Citrātsintāzes darbību allostēriski inhibē citrāts un ATP, bet aktivē ADP. Izocitrātdehidrogenāzi allostēriski inhibē ATP, aktivē ADP. α-ketoglutarātdehidrogenāzi inhibē NADH un sukcinilCoA, bet aktivē AMP.

Anaplerotiskās reakcijas. Anaplerotiskās reakcijas ir papildinošas reakcijas, kuru funkcija ir cikla starpproduktu koncentrācijas līmeņa uzturēšana, jo šie starpprodukti tiek izmantoti biosintēzes reakcijās. Lai Krebsa cikls varētu normāli funkcionēt, ir jāpapildina starpproduktu daudzums.

Anaplerotiskajās reakcijās notiek oksaloacetāta un malāta reģenerācija no piruvāta un fosfo-enolpiruvāta.

Oksaloacetāta veidošanos katalizē piruvātdekarboksilāze. Process notiek aknās un nierēs.Piruvāts + HCO3

- + ATP oksaloacetāts + ADP + Pi

61

Oksaloacetāts var veidoties arī fosfoenolpiruvāta karboksikināzes iedarbībā (sirds, skeleta muskuļos).

Fosfooenolpiruvāts +CO2 + GDP oksaloacetātsSavukārt malāts veidojas šādas reakcijas rezultātā:Piruvāts + HCO3

- + NAD(F)H malāts + NAD(F)+

4.3.5. Oksidatīvā fosforilēšanās

4.3.5.1. Elpošanas ķēdeOksidatīvā fosforilēšanās ir metabolisma ceļš, kurā notiek ATP sintēze, izmantojot enerģiju, kas

rodas barības vielu oksidēšanas rezultātā. Oksidatīvās fosforilēšanās redoksreakcijās notiek elektronu pārnese no elektronu donoriem (NADH vai FADH2) uz elektronu akceptoru, tādu kā skābeklis. Šajās redoksreakcijās izdalās enerģija, kas tiek izmantota ATP sintēzei. Organismā šis process norisinās tā saucamajā elektronu transporta jeb elpošanās ķēdē, kura pēc būtības ir virkne proteīnu šūnas mitohondriju iekšējā membrānā (baktēriju gadījumā tā ir citoplazmatiskā membrāna, bet augos – hloroplastu tilakoīdu membrāna).

Mitohondriji ir šūnas organellas, kas aptvertas ar membrānu. Viena no to funkcijām ir ģenerēt lielāko daļu no šūnām nepieciešamā ATP. Mitohondriji piedalās arī vairākos citos procesos (šūnas signālapmaiņa, šūnu diferenciācija, šūnas cikls un augšana). Mitohondriji satur paši savu genomu.

Mitohondrijiem ir ārējā un iekšējā membrāna. Arējā membrāna pēc sava proteīnu-fosfolipīdu (apmēram 1:1 pēc svara) sastāva ir līdzīga eikariotu šūnas plazmatiskajai membrānai. Tā satur daudz integrālo proteīnu (porīnu), kas veido lielus kanālus, atļaujot brīvi difundēt molekulām, kuru izmērs mazāks par 5000 daltoniem. Starp iekšējo un ārējo membrānu ir starpmembrānu telpa, kas mazu molekulu gadījumā ķīmiski ir ekvivalenta šūnas citoplazmai. Iekšējai membrānai ir augsta proteīnu-fosfolipīdu attiecība (3:1, pēc svara). Mitohondriju iekšējā membrānā ir daudz specifiska fosfolipīda –kardiolipīna, kas palīdz padarīt šo membrānu necaurejamu. Atšķirībā no ārējās membrānas mitohondriju iekšējā membrāna nesatur porīnus, un lielākā daļa savienojumu nespēj to šķērsot. Vielu transports caur šo membrānu notiek gandrīz tikai ar speciālu pārnesēju palīdzību. Iekšējā membrāna satur proteīnus, kuru funkcijās ietilpst oksidēšanās reakcijas elpošanas ķēdē, ATP sintēze, kā arī metabolītu transporta regulēšana. Mithondrija matrica ir telpa, ko ietver iekšējā membrāna. Mitohondrija matrica satur koncentrētu fermentu maisījumu, starp tiem arī Krebsa cikla fermentus.

Elektronu transporta ķēdē ietilpst flavoproteīni ar FMN vai FAD kā prostētisko grupu, hinoni (ubihinons, baktērijās – menahinons) un divu veidu dzelzi saturoši proteīni: citohromi un dzelzs-sēra proteīni.

Ubihinons (koenzīms Q10) ir lipīdos šķīstoša benzohinona atvasinājums ar izoprenoīda sānu ķēdi (68. att.). Hinoni pārnes reducējošos ekvivalentus uz akceptoru, piemēram, citohromu c.

CoQH2+ 2 FeIII-citohroms c → CoQ + 2 FeII-citohroms cDzelzs sēra proteīni satur tā saucamos dzelzs-sēra klasterus (69. att.), kuri caur dzelzs atomu saistīti

ar proteīna cisteīna atlikuma sēra atomu. Savukārt citohromos kā prostētiskajās grupās ir dzelzs jonus saturoši hēmi (kompleksi, kur dzelzs jons piesaistīts porfirīna gredzenam), tāpat kā hemoglobīnā. Metāla jonus saturošie kofaktori nodrošina elektronu transportu caur proteīna molekulu.

Elektronu pārnesēji ķēdē ir sakārtoti pēc to standarta redokspotenciāla (E’o). Reducētāji (ar zemu E’o) atrodas ķēdes sākumā, oksidētāji (ar augstu E’o) – ķēdes beigās. Potenciālu starpība elektronu pārneses ķēdē ir 1,14 V. Elektronu transporta ķēdē komponenti ir sagrupēti četros kompleksos.

62

Ubihinons

Ubihinols

O

O

OH

OH

O

O

O

OH

O

O

O

OHH

HSemihinona radikālis

·

68. attēls. Koenzīma Q10 oksidētā (ubihinons) un reducētā (ubihinols) forma

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

S

S

S

SS

S

CH2

S CH2

SCH2

SCH2Fe

S

S CH2

S CH2

SCH2

SCH2

4Fe - 4S klasteris 2Fe - 2S klasteris

69. attēls. Dzelzs-sēra klasteri

Komplekss I. Pirmais proteīns elektronu transporta ķēdē ir NADH dehidrogenāzes komplekss. Tas ir liels ferments, kas sastāv no 46 subvienībām un satur FMN kā prostētisko grupu, kā arī 7 dzelzs-sēra klasterus (gan 2Fe-2S, gan 4Fe-4S). Ferments katalizē divu elektronu pārnesi no NADH uz ubihinonu. Šis process notiek, vispirms pārnesot elektronus uz FMN un pēc tam caur dzelzs-sēra klasteriem – uz ubihinonu. Summārais reakcijas vienādojums ir šāds (ar Q apzīmēts ubihinons):

NADH + Q + 5H+ matrica → NAD+ + QH2 + 4H+ citoplazma

Šī procesa rezultātā četri protoni (ūdeņraža joni) tiek pārnesti no mitohondriju matricas uz šūnas citoplazmu.

Komplekss II. Tajā ietilpst sukcinātdehidrogenāze (sukcināt-Q-oksidoreduktāze), kas ir no četrām subvienībām sastāvošs flavoproteīns ar FAD kā prostētisko grupu un diviem dzelzs-sēra klasteriem. Tas ir vienīgais ferments, kas piedalās gan Krebsa ciklā, gan arī elektronu transporta ķēdē. Tas oksidē sukcinātu līdz fumarātam, reducējot ubihinonu. Elektronu pārnese notiek no sukcināta uz FAD un tālāk caur dzelzs-sēra klasteriem uz ubihinonu. Summārais reakcija vienādojums:

Sukcināts + Q Fumarāts + QH2

Komplekss III. Tas ir citohromu bc1 komplekss (ubihinona-citohroma c oksidoreduktāze). Tā sastāvā ir citohromi b562, b566, c1 un dzelzs-sēra proteīns. Citohromu sastāvā ir hēms, kas satur dzelzs atomus, kura oksidēšanas pakāpe mainās starp +2 (reducēts stāvoklis) un +3 (oksidēts stāvoklis). Komplekss III pārnes elektronus no ubihinola (QH2) uz citohromu c.

QH2 + 2 Cyt cox + 2H+ matrica → Q + 2 Cyt cred + 4 H+ citoplazma

Tā kā no QH2 uz vienu citohroma c molekulu var tikt pārnests tikai viens elektrons, tad process norisinās divās stadijās, ko sauc par Q ciklu. Vispirms viens elektrons no QH2 tiek pārnests uz citohromu c, un otrs elektrons tiek pievienots Q, veidojot ubisemihinona radikāli. Ubisemihinona radikālis paliek piesaistīts pie fermenta kompleksa. Otrajā stadijā otra QH2 molekula nodod savu elektronu uz vēl vienu citohroma c molekulu un otrs elektrons reducē ubisemihinona radikāli līdz QH2.

Komplekss IV. Citohromoksidāze ir pēdējais proteīnu komplekss elektronu transporta ķēdē. Zīdītāju organismā šim kompleksam ir ļoti sarežģīta uzbūve. Tas sastāv no 13 subvienībām un satur divas hēma grupas (citohroms a un citohroms a3) un citus metāla jonus (varu, magniju un cinku) saturošus kofaktorus.

63

Summārā reakcija ir :4Cyt cred + O2 + 8H+

matrica → 4Cyt cox + 2H2O + 4H+ citoplazma

4.3.5.2. ATP sintēzeElektronu transporta ķēde ir sajūgta ar fosforilēšanu (ATP sintēzi). Oksidējot 1 molu NADH,

veidojas 3 moli ATP, savukārt, oksidējot 1 molu FADH2+, veidojas 2 moli ATP. ATP sintēze tiek veikta ar fermenta ATP sintāzes palīdzību. Šo energosajūgšanas mehānismu skaidro ar hemiosmotisko teoriju. Elektronu transporta ķēdē notiek protonu pārnese no mitohondrijiem uz šūnas citoplazmu (I, II, IV komplekss). Tā tiek iegūta protonu (ūdeņraža jonu) koncentrācijas starpība, un veidojas elektroķīmiskais gradients (protondzinējspēks). Tā rezultātā protoni tiek virzīti atpakaļ mitohondrija matricā, un tas notiek caur ATP sintetāzi. Protonu plūsmas iedarbībā viena no ATP sintetāzes subvienībām tiek rotēta, un tas savukārt izraisa sintāzes subvienības aktīvā centra formas maiņu, kas nodrošina ADP fosforilēšanu par ATP. Vienas ATP molekulas sintēzei nepieciešams pārsūknēt uz mitohondrija matricu 3–4 H+.

Krebsacikls

Komplekss I

Komplekss II Sukcināts

NADH

UQH+

H+

Komplekss III

Komplekss IV

Cyt cred

ATPsintāze

O2

Fumarāts

ATP

ADPPi

Mitohondrijumatrica

Mitohondrijuiekšējāmembrāna

70. attēls. Elpošanas ķēdes shematisks attēlojums. Reakciju stehiometriju skatīt tekstā

ATP sintāze ir liels proteīna komplekss, kuram ir „sēnes” forma (71. att.). Zīdītājos šis komplekss sastāv no 16 subvienībām. ATP sintāzes daļu, kas integrēta membrānā apzīmē ar F0. F0 sastāv no gredzena formā sakārtotām subvienībām un protonu kanāla. Otru ATP sintāzes daļu apzīmē ar F1. Tā sastāv no „stumbra” un lodveida „galvas”, kurā ietilpst trīs α un trīs β subvienības. ATP sintēze notiek β subvienībās. Aktīvajos centros ATP veidošanās no ADP un fosfāta notiek bez enerģijas patēriņa, taču enerģija nepieciešama, lai ATP molekula atbrīvotos no aktīvā centra. Šī ATP atbrīvošana notiek, mainoties β subvienības konformācijai, un protonu plūsma caur Fo rada enerģiju, kas nepieciešama konformācijas izmaiņai.

64

Fosforilēšanas summāro ķīmisko vienādojumu var izteikt šādi:ADP + Pi + 4H+ citoplazma ATP + H2O + 4H+ matrica

ATP sintāzes reakcija ir apgriezeniska. Ja nav protondzinējspēka, ATP sintāze var darboties pretējā virzienā, hidrolizējot ATP, veidojot ADP un pārnesot protonus no mitohondrija matricas uz citoplazmu. Ja elektroķīmiskais gradients ir liels, tad līdzsvars novirzās ATP sintēzes virzienā.

71. attēls. ATP sintāze

Šo hemiosmotisko modeli apstiprina vairāki eksperimentāli fakti:• pH gradients inducē ATP sintēzi mitohondriju suspensijā;• ja mitohondriju suspensijai pievieno skābekli, tas rada pH pazemināšanos;• mitohondriju membrānām ir maza protonu vadītspēja;• vielas, kas atjūdz elpošanas ķēdi no ATP sintēzes, ir lipīdos šķīstošas vājas skābes (piem.,

dinitrofenols), un tās darbojas kā protonu pārnesēji caur membrānu.

4.3.5.3. Reducējošo ekvivalentu pārnese starp citoplazmu un mitohondriju matricuMitohondrijos lokalizētās elpošanas ķēdes darbības rezultātā notiek NAD+ reducēšanās par

NADH. NADH savukārt var oksidēties par NAD+ mitohondrijos un citoplazmā esošo dehidrogenāžu iedarbībā. Mitohondriju iekšējā membrāna ir nepārvarama NAD+. Taču enerģijas ģenerēšanai ir nepieciešama NADH, kas radies citoplazmā, oksidēšana mitohondrijos. Mitohondriju iekšējā membrānā eksistē speciāls mehānisms, kas ļauj izmantot citoplazmatiskā NAD+ oksidēšanu enerģijas ģenerēšanai un ATP sintēzei mitohondrijos. 72. attēlā parādīti vairāki ceļi reducējošā ekvivalenta (ūdeņraža) transportam caur mitohondriju membrānu.

65

NAD+

dihidroksiacetonfosfāts

gliceraldehīdfosfāts

glikoze

glicerolfosfāts glicerolfosfāts

dihidroksiacetonfosfātsNADH+H+

acetoacetāts acetoacetāts

β-oksibutirāts β-oksibutirātsNAD+

NADH+H+

NAD+

aspartāts aspartāts

oksaloacetāts

malāts

oksaloacetāts

malātsNAD+

NADH+H+

FAD

FADH2

NAD+

NADH+H+

NAD+

NADH+H+

elpo

šana

s ķē

de

Mitohondriju matricaCitoplazma

piruvāts

72. attēls. Reducējošo ekvivalentu pārnese no citoplazmas uz mitohondrijiem

4.4. Ogļhidrātu metabolisms

4.4.1. Pentozofosfātu ceļšPentozofosfātu metaboliskais ceļš jeb tā saucamais pentožu šunts ir šūnas citoplazmā notiekošs

reakciju kopums, kura rezultātā ģenerējas NADPH un pentožu fosfāti. Izšķir divus pentozofosfāta ceļa posmus: oksidatīvo un neoksidatīvo (73. att.). Oksidatīvajā posmā ietilpst glikozo-6-fosfātdehidrogenāzes, laktonāzes un 6-fosfoglikonāzes reakcijas. Šajā posmā notiek glikozo-6-fosfāta oksidatīva dekarboksilēšana. Oksidatīvajā posmā no viena heksozofosfāta veidojas viens pentozofosfāts un 2 NADPH molekulas:

Glikozo-6-fosfāts + 2NADP+ + H2O → ribozo-5-fosfāts + 2NADPH + 2H+ + CO2

66

1

23

Oksidatīvais posms

Neoksidatīvais posms

OH

OH

OHC

OH

HHH

CCCC

H2CO

HO

PP

OH

OHOH

O-C

O

HH

HH

CCCC

H2CO

HO

PP

Glikozo-6-fosfāts

OH

OH

OC

OH

HHH

CCCC

H2CO

HO

PP

6-P-glikonolaktons

NADP+ NADPHH2O

6-P-glikonāts

OHOHH

HCC

H2CO PP

OC

H2C OHNADP+ NADPH

CO2

Ribulozes-5-fosfāts

OHOHH

HCC

H2CO PP

OC

H2C OH

OHHO

HCHC

H2CO PP

OC

H2C OH

OH

OHHH

CC

H2CO PP

O

COHHCH

OHHCH2CO PP

O

C H

OHHO

HCHC

OC

H2C OH

OHOHH

HCC

H2CO PP

OH

OHHH

CC

H2CO PP

O

C H

HO CHOC

H2C OH

OHOHH

HCC

H2CO PP

OHHCH2CO PP

O

C H

Ribulozes-5-fosfāts

Ribozo-5-fosfāts

Ksilozo-5-fosfāts Gliceraldehīda-3-fosfāts Gliceraldehīda-3-fosfātsFruktozo-6-fosfāts

Sedoheptilozes-7-fosfātsEritrozo-4-fosfāts

4

5

67

OHHO

HCHC

H2CO PP

OC

H2C OH

Ksilozo-5-fosfāts8

73. attēls. Pentozofosfātu metabolisma ceļš

Pentozofosfātu ceļš nodrošina aptuveni 60 % no kopējās NADPH sintēzes cilvēka organismā. Tas ir aktīvs taukaudos, kur NADPH nepieciešams taukskābju sintēzei.

Neoksidatīvajā posmā notiek pentožu fosfātu izomerizācija un transaldolāzes un transketolāzes reakcijas, kuras nodrošina pāreju starp pentožu fosfātiem un glikolīzes starpproduktiem.

Pentozofosfātu ceļa (73. att.) fermenti:1. Glikozo- 6-fosfātdehidrogenāze2. Fosfoglikolaktonāze3. 6-fosfoglikonātdehidrogenāze4. Fosfopentozoizomerāze5. Fosfopentozoepimerāze6. Transketolāze7. Transaldolāze8. Transketolāze

Transketolāzes reakcijā glikoaldehīdgrupa no ketozes (donora) tiek pārnesta uz aldozi (akceptoru). Transaldolāzes reakcijā dihidroksiacetons tiek pārnests no ketozes (donora) uz aldozi (akceptoru).

Pentozofosfāta ceļu var attēlot kā ciklisku procesu (74. att.), kur viena cikla laikā no vienas glikozes molekulas veidojas gliceraldehīds, 3CO2 un rodas 3NADPH. Šāds cikls noārda glikozi, summāri neveidojot pentožu fosfātus. Dažu baktēriju gadījumā tas darbojas kā glikolīzes alternatīva.

67

glikozo-6-fosfāts

glikonāta-6-fosfāts

ribuloses-5-fosfāts

fruktozes-6-fosfāts

Gliceraldehīda-3-fosfāts

Glikoze

2

3

3

2

3NAD(P)+

3NAD(P)H +H+

3NAD(P)+

3NAD(P)H +H+

3 CO2

glikozo-6-fosfāts

74. attēls. Pentozofosfātu cikls

4.4.2. GlikoneoģenēzeCilvēka organisms izmanto apmēram 160 g glikozes dienā, no tiem 75 % patērē smadzenes.

Glikogēna veidā organismā uzglabājas 180–200 g glikozes rezerves. Ap 20 g glikozes atrodas dažādos organisma šķidrumos. Ir redzams, ka organismam nepieciešams mehānisms, kā pašam sintezēt glikozi ogļhidrātu trūkuma gadījumā. Tāds mehānisms ir glikoneoģenēze.

Glikoneoģenēzes lielākā daļa norisinās aknās. Šis process norisinās badošanās vai lielas slodzes laikā. Glikoneoģenēzes process ir izteikti endotermisks (enerģiju patērējošs).

Glikoneoģenēze ir glikozes veidošanās process no necukuru izejvielām, piemēram, piruvāta, glicerīna, laktāta, vairākām aminoskābēm un Krebsa cikla starpproduktiem (oksaloacetāta).

Pirmais un svarīgākais substrāts glikoneoģenēzē ir piruvāts. Glikoneoģenēze daļēji sakrīt ar pretējā virzienā vērstu glikolīzes metabolisma ceļu. Tomēr nevar teikt, ka glikoneoģenēze ir apgriezta glikolīze. Glikolīzes neatgriezenisko reakciju vietā glikoneoģenēzē ir citas reakcijas:

1. No piruvāta divās reakcijas veidojas fosfoenolpiruvāts Piruvāts + CO2+ ATPATP Oksālacetāts + ADF + Pi Piruvātdekarboksilāze Oksālacetāts + GTP Fosfoenolpiruvāts + GDP + Pi + CO2 Fosfoenolkarboksikināze

2. Fruktozo-1,6-difosfatāzes reakcija (fosfofruktokināzes reakcijas vietā glikolīzē) Fruktozo-1,6-difosfāts + H2O Fruktozo-6-fosfāts + Pi

3. Glikozo-6-fosfatāzes reakcija (heksokināzes reakcijas vietā glikolīzē) Glikozo-6-fosfāts +H2O Glikoze + Pi

Pārējās reakcijas ir tādas pašas kā glikolīze, tikai vērstas pretējā virzienā. Kopumā glikoneoģenēze sastāv no 11 fermentatīvām reakcijām (75. att.).

Glikoneoģenēzes summārais vienādojums ir šāds:2piruvāts + 4 ATP +2H2O+ 2GTP+NADH + 2H+ → glikoze + 4ADP + 2GDP + 6Pi + 2 NAD+

68

GlikozeGlikozo-6-fosfāts

Fruktozo-6-fosfāts

Fruktozo-1,6-bifosfāts

Gliceraldehīda-3-fosfāts

Dihidroksiacetona fosfāts

2 1,3-bifosfoglicerāts

2 3-fosfoglicerāts

2 2-fosfoglicerāts2 Fosfoenolpiruvāts2 Piruvāts

2ATP 2ADP + 2Pi

H2O

Pi 2Pi

2NAD+ 2NADH2H+

ADP

ATP

2 Oksaloacetāts

2GTP 2GDP

2CO2

Glicerols

H2O Pi

2 Laktāts

Aminoskābes

75. attēls. Glikoneoģenēzes shēma

Citoplazma

Fosfoenolpiruvāts

OksaloacetātsOksaloacetāts

Malāts

Piruvāts

Malāts

MembrānaMitohondriju matrica

ATP

ADP

CO2

NADH +H+

NAD+NADH +H+

NAD+

GDP

GTP

CO2

76. attēls. Oksālacetāta transports caur mitohondriju membrānu glikoneoģenēzes procesā

Lielākā daļa fermentu, kas piedalās glikoneoģenēzes procesā, ir lokalizēti citoplazmā. Piruvāt-karboksilāze ir lokalizēta mitohondrijos. Piruvātkarboksilāze satur biotīnu kā prostētisko grupu, kuras funkcijas ir aktivēta CO2 pārnese. Biotīns ir piesaistīts pie aktīvā centra lizīna atlikuma. Lai piruvātkarboksilāzes katalizētās reakcijas rezultātā izveidojies oksaloacetāts varētu tikt transportēts ārā no mitohondrijiem, tas tiek reducēts par malātu ar NADH palīdzību. Citoplazmā malāts savukārt atkal tiek oksidēts, izmantojot NAD+ (76. att.).

69

Kā glikoneoģenēzes substrāts kalpo arī aminoskābes, izņemot lizīnu un leicīnu. Laktāts un aminoskābes vispirms pārvēršas piruvātā, glicerīns – dihidroksiacetonfosfātā.

Taukskābes netiek izmantotas glikoneoģenēzē, jo tās tiek sadalītas tikai līdz acetilCoA molekulām, kuras tiek oksidētas Krebsa ciklā līdz CO2.

Glikoneoģenēzes regulācijaGlikoneoģenēze un glikolīze ir pakļauta tā saucamajai reciprokālai regulācijai. Tas nozīmē, ka

faktori, kas ir inhibējoši glikolīzei, var būt aktivējoši glikoneoģenēzei (un otrādi). Tā, piemēram, AMP aktivē fosfofruktokināzes darbību, bet inhibē fruktozo-1,6-bifosfatāzi. Glikoneoģenēze un glikolīze nenotiek vienlaikus. Ja enerģijas līmenis šūnā ir augsts, glikolīzi nepieciešams apturēt un piruvāts jāpārslēdz uz izmantošanu glikozes sintēzei un uzglabāšanai. Savukārt pie enerģijas iztrūkuma šūnā glikozi ātri jāsašķeļ, nodrošinot ķīmiskās enerģijas piegādi.

Piruvātkarboksilāze ir regulatorferments. Tas satur biotīnu kā prostētisko grupu, kuras funkcijas ir aktivēta CO2 pārnese. Biotīns ir piesaistīts pie lizīna atlikuma piruvātkarboksilāzes aktīvajā centrā. Piruvātkarboksilāzi aktivē acetilCoA, inhibē ADP. AcetilCoA darbojas kā signāls, ka šūnai nepieciešams oksaloacetāts. Ja ATP līmenis augsts, oksaloacetāts tiek virzīts uz glikoneoģenēzi. Ja ATP līmenis zems – oksaloacetāts kondensējas ar acetilCoA un iet uz Krebsa ciklu.

4.4.3. Glikogēna sintēze un noārdīšanās

4.4.3.1. Glikogēna sintēzeGlikogēna sintēzes procesā glikoze tiek pievienota glikogēna ķēdei. Glikoze ar fermentu (glikokināzes vai heksokināzes) palīdzību tiek konvertēta par glikozo-

6-fosfātu. Glikozo-6-fosfāts caur glikozo-1,6-fosfātu tiek konvertēts par glikozo-1-fosfātu. Glikozo-1-fosfāts veido UDP-glikozi, kas tad arī kalpo par substrātu glikogēnsintāzei. Glikozo-1-fosfāta konversija par UDP (uridildifosfāta)-glikozi notiek fermenta uridiltransferāzes (UDP-glikozopirofosfatāzes) katalizētā reakcijā. Glikogēnsintāzes darbības rezultātā glikozes molekula pievienojas augošai glikogēna ķēdei, veidojot α1-4 saiti (77. att.). Glikogēna sintēzes inicializēšanai nepieciešams proteīns glikogenīns, kam pievienojas glikoze. Glikogēnsintāze veido kompleksu ar glikogenīnu.

Savukārt α1-6 saites glikogēna ķēdes sazarošanas punktos veidojas „zarošanas enzīma” iedarbībā. Šis ferments atšķeļ 6–7 glikozes vienības saturošus fragmentus no glikogēna ķēdes un pievieno tos atpakaļ ar α1-6 saiti.

70

Glikozo-6-fosfāts Glikozo-1-fosfāts

1.

2.

Uridīns

Uridīns

Glikozo-1-fosfāts UDP-glikoze

Uridīns UridīnsUridīns Uridīns

Glikogēns( pagarināts par vienu glikozes vienību)

Glikogēns3.

77. attēls. Glikogēna biosintēze

4.4.3.2. Glikogēna noārdīšanās (glikogēnolīze)Glikogēna šķelšana ir glikogēna katabolisms, kas notiek, fosforolītiski šķeļot α 1-4 saites,

veidojot glikozo-1-fosfātu. Par šo procesu atbild ferments glikogēnfosforilāze, kas kā kofaktoru izmanto piridoksālu (vitamīns B6). Glikogēnfosforilāze šķeļ glikozi no glikogēna molekulas nereducējošā gala. Glikogēnfosforilāze var atšķelt tikai glikozes atlikumus, kas atrodas 4 un vairāk glikozes vienības no sazarojuma vietas. Glikogēna molekulas ar zarojumu, kas satur tika 4 glikozes molekulas (“limita dekstrīns”), glikogēnfosforilāze nevar tālāk sašķelt. Šim nolūkam darbojas cits ferments – glikogēna “atzarojošais enzīms”, kurš pārnes trīs glikozes vienības no “limita” atzara uz citu (78. attēls). Pēdējo atlikušo glikozes atlikumu sazarojumā ar α1-6 saiti nodala, hidrolizējot ar to pašu “atzarojošo enzīmu”, veidojot brīvu glikozi un nesazarotu glikogēnu.

Glikogēnfosforilāze ir daudz ātrāka par “atzarojošo enzīmu”.Fermenta fosfoglikomutāzes iedarbībā glikozo-1-fosfāts var tikt izomerizēts par glikozo-6-

fosfātu. Aknās glikozo-6-fosfāts utilizējas glikolīzes procesā vai arī ferments glikozo-6-fosfatāze atšķeļ fosfāta grupu, veidojot brīvu glikozi, kas ar asinīm tiek pārnesta uz citām šūnām. Muskuļu šūnas neizdala brīvu glikozi, bet tikai izmanto glikozo-6-fosfātu glikolīzē.

71

78. attēls. Glikogēnfosforilāzes darbība

79. attēls. „Atzarojošā enzīma” darbība glikogenolīzes procesā

4.4.3.3. Glikogēna sintēzes un noārdīšanas regulācijaGlikogēna sintēze un noārdīšanās pakļauta hormonālai regulācijai.Virsnieru hormons adrenalīns (epinefrīns) piesaistās pie receptora proteīna, kurš aktivē

adenilātciklāzi. Tas savukārt aktivē cikliskā adenozīnmonofosfāta (cAMP) veidošanos. Cikliskais AMP allostēriski aktivē proteīnkināzi A (80. att).

Glikogēnu noārdošais ferments glikogēnfosforilāze var eksistēt divas formās (aktīvā forma a un neaktīvā forma b). Proteīnkināze A aktivē fermentu fosforilāzes kināzi, kura savukārt konvertē glikogēnfosforilāzes neaktīvo formu uz aktīvo formu. Bez tam proteīnkināze dezaktivē glikogēnu sintezējošo fermentu glikogēnsintāzi, konvertējot to no aktīvās formas uz neaktīvo formu b. Līdz ar to adrenalīns gan aktivē glikogēnfosforilāzi, gan inhibē glikogēnsintāzi.

72

cAMP

Proteīnkināzeaktivē

Fosforilāzes kināze

Fosforilāze( no neaktīvās b uz aktīvo a formu )

aktivē

aktivē

inhibē

Adrenalīns (epinefrīns)

Receptors

aktivē

Adenilciklāze

G- proteīnsGlikogēnsintāze

( no aktīvās a uz neaktīvo b formu )

80. attēls. Adrenalīna loma glikogēna sintēzes un noārdīšanas regulācijā

Fosforilāzes kināzi deaktivē cits ferments – fosfoproteīnfosfatāze-1.Hormonam insulīnam ir pretējs efekts salīdzinājumā ar adrenalīnu. Insulīna sekrēcija notiek

aizkuņģa dziedzerī kā atbildes reakcija uz glikozes līmeņa palielināšanos asinīs.Hormons glukagons stimulē glikogēnolīzi. Glukagons ir polipeptīds, kas sastāv no 29 aminoskābju

atlikumiem. Glukagona sekrēcija aizkuņģa dziedzerī ir kā atbildes reakcija uz zemu glikozes līmeni asinīs. Glukagona sekrēciju savukārt inhibē hormoni somastatīns un insulīns.

Kalcija joni aktivē fosforilāzes kināzi un attiecīgai aktivē glikogēnfosforilāzi un inhibē glikogēnsintāzi.

4.4.4. Glikozildifosfātnukleotīdi cukuru savstarpējās pārvērtībāsLiela daļa monocukuru savstarpējās pārvērtības notiek, veidojoties cukuru nukleozīddifosfātiem.

Parasti kā bāze šajos gadījumos kalpo uracils, retākos gadījumos – guanīns. Monocukuru pārvēršanās uridīndifosfāta (UDP) atvasinājumos, kas satur makroerģisko saiti, nepieciešama to tālākām reakcijām. Monocukuru UDP atvasinājumi veidojas divās stadijās. Tā, piemēram, glikoze vispirms tiek fosforilēta līdz glikozo-6-fosfātam un izomerizēta par glikozo-1-fosfātu. Pēc tam glikozo-1-fosfāts reaģē ar UTP, veidojot UDP-glikozi un pirofosfātu. Šo reakciju katalizē glikozo-1-fosfāturidiltransferāze.

Nukleozīddifosfātcukuru galvenie pārvēršanās veidi:Glikozilgrupu apmaiņa glikozilfosfātos. Speciāli fermenti katalizē apmaiņas reakciju starp cukuru

fosfātiem un glikozildifosfātnukleozīdiem. Piemēram:Galaktozo-1-fosfāts + UDP-glikoze → Glikozo-1-fosfāts + UDP-galaktozeEpimerizācija. Fermenti epimerāzes izmaina monosaharīda konfigurāciju pie 4. oglekļa atoma.

Vispirms notiek cukura saistīšanās ar UDP, un reakcijas notiek NAD+/NADH+ + H+ klātienē. Šādā veidā, piemēram, no glikozes veidojas galaktoze, no ksilozes – arabinoze, no glikouronskābes – galaktouronskābe.

73

Heksožu oksidēšanās un dekarboksilēšanās līdz pentozēm. Piemēram, UDP-glikoze NAD+ klātienē oksidējas līdz UDP-uronskābei. UDP uronskābe tālāk dekarboksilāzes iedarbībā veido UDP-ksilozi.

Glikozīdsaites veidošana. Glikozilatlikums tiek pārnests pie akceptora, kas satur OH- grupu. Di-, tri-, oligo- un poliglikozīdu galvenais biosintēzes ceļš ietver to glikozilatlikumu pārnesi, kuri aktivēti, pievienojoties nukleozīdfosfātiem. Piemēram – laktozes sintēze (81. att.):

OH

OH

OO UDP

CH2OH

HO

OH

OH

OCH2OH

HO OH

Glikoze

UDP-galaktoze

+laktozes sintāze

OH

OH

OO

CH2OH

HO

Laktoze

OH

OH

OCH2OH

OH

UDP

+

81. attēls. Laktozes sintēze no UDP-galaktozes un glikozes

Heksožu savstarpējās pārvēršanās ceļi, izmantojot nukleozīdfosfātu atvasinājumus, parādīti 82. attēlā.

74

Glikoze

Glikozo-6-P

Galaktoze

Glikozo-1-P

UDP-Glikoze

UDP-Glikouronskābe

Galaktozo-1-P

UDP-Galaktoze

UDP- Ksiloze

ATP

ADP

UTP

PPi

ATP

ADP

CO2

Fruktoze

Mannoze

Fukoze

Fruktozo-1-P

ATP

ADP

Fruktozo-6-P

Gliceraldehīds

Dihidroksiaceton-P

Gliceraldehīd-3-P

Fruktozo-1,6-bi-P

ATP

ADP

Mannozo-6-P

ATP

ADP

Fukozo-1-P

GDP-Fukoze

Mannozo-1-P

GDP-Mannoze

ATP

ADP

GTP

PPi

NADP+

NADPH+H+

NADP+

NADPH+H+

GTP

PPi

Pi

ATP

ADP

Glikozamīn-6-P

N-Acetil-glikozamīn-6-P

N-Acetil-glikozamīn-1-P

UDP-N- Acetil-glikozamīns

N-acetilglikozamīns

UDP-N-Acetil-galaktozamīns

GlutamīnsGlutamāts

AcetilCoA

CoA

UTP

PPi

UDP

N-acetilmannozamīns

N-Acetilmannozamīn-6-P

ATP ADP

Fosfoenolpiruvāts

N-Acetil-neiramīnskābes-9-P

N-Acetil-neiramīnskābe

Pi

CMP-N-Acetil-neiramīnskābe

CTPPPi

82. attēls. Dažu heksožu savstarpējās pārvērtības un aktivēto cukuru atvasinājumu veidošanās

4.5. Lipīdu metabolisms

4.5.1. Taukskābju katabolismsLielākās enerģijas rezerves organismā tiek glabātas triacilglicerīdu veida. Triacilgricerīdi lipāžu

iedarbībā var hidrolizēties līdz glicerolam un taukskābēm. Glicerols pēc oksidācijas līdz dihidroksiacetona fosfātam tālāk metabolizējas glikolīzes ceļā.

75

Glikolīze

Glicerols Glicerol-3-fosfāts Dihidroksiacetonfosfāts

83. attēls. Glicerola oksidācija

Piesātināto taukskābju vispārīgā formula ir šāda: H3C-(CH2)n-CH2-CH2-COOH

β α

Taukskābju noārdīšanās notiek oksidēšanas reakcijās, veidojot acetilCoA molekulas. Taukskābēm kā enerģijas avotam ir vairākas priekšrocības. Taukskābju oglekļa atoms (CH2) ir gandrīz pilnībā reducēts, tāpēc tā oksidācija dod maksimālo enerģiju. Taukskābes nav hidratētas (atšķirībā no ogļhidrātiem), tāpēc tās var kompaktāk savietoties audos. Pirmā oksidēšanās reakcija notiek pie β-oglekļa atoma, tāpēc to sauc par β oksidēšanos.

Taukskābes pirms oksidēšanas tiek aktivētas, saistoties ar koenzīmu A (CoA) un veidojot acilCoA.

R-COO- + ATP R-CO – AMP + PPi

Aciladenilāts

R-CO-AMP + CoA-SH R-CO-SCoA + AMP

Acil-CoA

Izveidojusies pirofosfāta grupa tiek hidrolizēta līdz fosfātgrupām, un reakcija nobīdās acilCoA veidošanās virzienā. Taukskābju oksidēšanās dzīvnieku un cilvēka šūnās notiek mitohondrijos. Īsas ķēdes taukskābes (4–10 C atomi) var tieši šķērsot mitohondriju. Triacilgricerīdu sastāvā pamatā ir taukskābes ar C-atomu skaitu 14–24 (visbiežāk pāra skaitlis). Garas ķēdes taukskābes nevar šķērsot mitohondriju membrānu, tāpēc acilgrupa vispirms tiek pārnesta no CoA uz karnitīnu. Acilkarnitīns tiek transportēts uz mitohondriju matricu, kur acilgrupa tiek pārnesta atpakaļ uz CoA. Acilgrupas pārnešanu katalizē fermenti karnitīna aciltransferāzes (84. att.).

76R - acilgrupa ( - (CH2)nCH3 )

S

CoA

C O

R

+

RRSH

CoA+

Karnitīnaaciltransferāze I

KarnitīnaaciltransferāzeII

L-karnitīns

Acilkarnitīns

Karnitīna-acilkarnitīnatranslokāze

RRSH

CoA+

Acilkarnitīns

S

CoA

C O

R

+

L-karnitīns

Membrāna

Mitohondriju matrica

84. attēls. Acilgrupas pārnese caur mitohondriju membrānu

AcilCoA oksidēšanās shēma dota 85. attēlā. Katrā ciklā tiek atšķelta viena acetilCoA molekula.Taukskābju β oksidēšanas piemērs palmitīnskābes (C16) gadījumā:Palmitīnskābes oksidēšanās summārais vienādojums: Palmitoil-CoA + 7FAD + 7NAD++ 7CoA-SH + 7H2O

8 AcetilCoA + 7FADH2 + 7NADH +7H+

Katra acetilCoA, pilnīgi oksidējoties, dod 12 ATP. Katra NADH un FADH2 dod vēl attiecīgi 3 ATP un 2 ATP. Kopā uz 1 oksidētu palmitoilCoA ģenerējas 131 ATP molekula. Ņemot vērā divas patērētās makroerģiskās saites aktivācijas fāzē, kopā iegūst 129 makroerģiskās saites.

77

R CH2 C C C S CoA

OH

H H

H

R CH2 C C C S CoA

OH

H

R CH2 C C C S CoA

OH

H

H

OH

R CH2 C C C S CoA

OH

H

OR CH2 C C S CoA

O

H

H

C C S CoA

O

H

H

H

CoA-SH

AcetilCoA

AcilCoA( saīsināts par diviem C atomiem)

AcilCoAFAD FADH2

H2O

NAD+

NADH++ H+

Acil-CoAdehidrogenāze

EnoilCoAhidratāze

L-hidroksiacil-CoAdehidrogenāze

Tiolāze

trans-∆2-enoilCoA

L-β-hidroksiacil-CoAc

β-ketoacil-CoAc

85. att. Taukskābju oksidēšanās procesa viena cikla shēma

CH3-CH2-CO-S-CoA

ATP, CO2 karboksilāze(satur biotīnu)

-OOC-CH-CH3

CO-S-CoA

-OOC-CH2-CH2-CO-S-CoA

mutāze( satur koenzīmu B12)

metilmalonilCoApropionilCoA sukcinilCoA

Krebsa cikla starprodukts

86. attēls. Taukskābju ar nepāra skaita oglekļa atomiem oksidēšanās procesa pēdējais posms

Taukskābēm ar nepāra atomu skaitu oksidēšanās pēdējā posmā rodas propionilCoA, kas tiek konvertēts par sukcinilCoA (86. att.). SukcinilCoA iekļaujas Krebsa ciklā.

Nepiesātināto taukskābju gadījumā dubultsaiti no cis uz trans konfigurāciju pārveido enoil-CoA-izomerāze, vienlaikus pārvietojot to par vienu pozīciju tuvāk CoA (87. att.). Ja polinepiesātināto taukskābju gadījumā ir divas dubultsaites, kuras atdala -CH2- grupa, tad vienu no dubultsaitēm vispirms reducē NADPH atkarīgā reduktāze (88. att.).

78

CH3(CH2)7 – C=C – CH2(CH2)6-C-CoA

OH H

CH3-C-CoA

O

3β-oksidācijastrīs cikli

CH3(CH2)7 – C=C – CH2-C-CoA

OH H

CH3(CH2)7CH2 – C=C – C-CoA

OH

H

Enoil-CoA izomerāze

CH3(CH2)7CH2 – C– CH2-C-CoA

OH

OH

β-oksidācijasturpinājums

CH3-C-CoA

O

6

Enoil-CoA hidratāze H2O

87. attēls. Mononepiesātinātu taukskābju β-oksidācijas piemērs oleīnskābes gadījumā

Ja organismā trūkst ogļhidrātu, oksaloacetāts aknās tiek izmantots glikoneoģenēzē, un Krebsa cikls tiek inhibēts. Taukskābju oksidācijā radies acetilCoA netiek patērēts Krebsa ciklā, bet dimerizējas par acetilCoA, no kura veidojas acetoacetāts (CH3-CO-CH2-COO-). Tas savukārt var reducēties par β-hidroksibutirātu (89. att.). Acetoacetāts un hidroksibutirāts ir tā saucamie ketonu ķermeņi, kas normālā līmenī ir svarīgs enerģijas avots sirds muskulim un virsnierēm. Diabēta gadījumā (pie zema insulīna līmeņa ) notiek „ketonu ķermeņu” pārprodukcija (ketoacidoze) un veidojas acetons, kas ir toksisks un izdalās no organisma elpojot un ar urīnu.

79

CH3(CH2)4-C=C–CH2-C=C-CH2(CH2)6-C-CoAHH HH O

CH3(CH2)4-C=C–CH2-C=C-CH2-C-CoAHH HH O

CH3-C-CoA

O

3β-oksidācijastrīs cikli

CH3(CH2)4-C=C–CH2-CH2-C=C-C-CoAHH H

H

O

Enoil-CoA izomerāze

CH3-C-CoA

O

CH3(CH2)4-C=C–CH2-CH2-C-CoAHH O

β-oksidācijasviens cikls

CH3(CH2)4-C=C–C=C-C-CoAHH OH

Acil-CoA dehidrogenāze

CH3(CH2)4-CH2-C=C–CH2-C-CoAH O

H

NADPH + H+

NADP+2,4-dienoil-CoA reduktāze

Enoil-CoA izomerāze

CH3(CH2)4-CH2-CH2-C=C–C-CoAH

OH

β-oksidācijasturpinājums

CH3-C-CoA

O

5

88. attēls. Polinepiesātināto taukskābju β-oksidācijas piemērs

80

AcetilCoA

CH3-C-CH2-C-CoA

O O

CH3-C-CoA

O

2

AcetoacetilCoA

CH2-C-CH2-C-CoA

OH O

CH3

-O-C-CH2-

O

β-hidroksi-β-metilglutaril-CoA

CH3-C-CH2-C-O-O O

acetoacetāts

CH3-C-CH3

O

acetons

CH3-C-CH2-C-O-

OH

OH

β-hidroksibutirāts

H2O CH3-C-CoA

O

+

CoA

HMG-CoA sintāze

Tiolāze

CoA

CH3-C-CoA

O

CO2

NADH + H+

NAD+

HMG-CoA liāze

β-hidroksibutirātdehidrogenāze

89. attēls. „Ketonu ķermeņu” veidošanās

4.5.2. Taukskābju biosintēzeLīdzīgi kā glikolīzes/glikoneoģenēzes gadījumā, taukskābju oksidēšanās un sintēze notiek ar

atšķirīgām reakcijām. Starp taukskābju degradēšanos un biosintēzi ir vairākas atšķirības:• taukskābju biosintēzes starpprodukti ir piesaistīti acilpārnesējproteīniem (ACP) atšķirībā

no CoA taukskābju oksidēšanā;• taukskābju biosintēze dzīvnieku organismā notiek citoplazmā (citozolā);• biosintēze notiek multifermentu kompleksā – taukskābju sintāzē;• kā reducētājs tiek izmantots NADPH;• izejmateriāls sintēzei ir nevis acetilgrupas, bet malonilgrupas (malonilCoA).

MalonilCoA sintēze notiek acetilCoA karboksilāzes iedarbībā. AcetilCoA karboksilāze ir biotīnu saturošs fermentu komplekss, kas sastāv no trīs subvienībām: biotīnkarboksilāzes, karboksibiotīna pārnesēja un transkarboksilāzes.

Biotīnkarboksilāze piesaista karboksilgrupu proteīna-biotīna kompleksam (E-biotīns), patērējot vienu ATP molekulu.

E-biotīns + HCO3- + ATP → E-biotīns-CO2 + ADP + Pi

Transkarboksilāze katalizē karboksilgrupas pārnesi no biotīna uz acetilCoA, veidojot malonilCoA:

E-biotīns-CO2 + acetilCoA → malonilCoA + E-biotīns Mitohondriju membrāna ir nepārvarama acetilCoA, tāpēc aktivēto acetilgrupu transports no

mitohondriju matricas uz citoplazmu nonāk ar papildu reakciju palīdzību (90. att.). Taukskābju biosintēzes (91. att.) pirmais posms ir acetilgrupas un malonilgrupas piesaiste

acilpārnesējproteīniem (ACP). Pēc tam notiek acetil-ACP un malonil-ACP kondensācijas reakcija, veidojot acetoacetil-ACP. CO2 izdalīšanās novirza šo reakciju acetoacetil-ACP veidošanās virzienā. Nākamajā posmā acetoacil-ACP ar NADPH palīdzību tiek reducēts par β-oksibutiril-ACP. Pēc tam

81

β-oksibutiril-ACP dehidratējas par krotonil-ACP. Pēdējā reakcija ir krotonil-ACP reducēšanās ar NADPH par butiril-ACP.

Butiril-ACP var kondensēties ar nākamo malonil-ACP molekulu, un reakciju cikls turpinās, līdz pēc kopā 7 cikliem ir izveidojies palmitoil-ACP. Tas tiek hidrolizēts ar fermenta tioesterāzes palīdzību par palmitīnskābi (C16) un ACP.

Piruvāts

CO2

Oksaloacetāts Citrāts

AcetilCoA CoA

Piruvātkarboksilāze

Dekarboksilējošā malātdehidrogenāze(“malic” enzīms)

CitrātsOksaloacetātsMalāts

CoAAcetilCoA

Citrātliāze

NADH

Malātdehidrogenāze

Piruvāts

NADPHCO2

Mitohondriju matrica

Citoplazma

Mitohondriju iekšējā membrāna

90. attēls. Aktivēto acetilgrupu pārnese no mitohondriju matricas citoplazmā

C S CoAO

C

O

CH2-OCH3 C S CoA

O

HS-ACP HS-ACP

HS-CoA

CH3 C S ACP

O

C S ACPO

C

O

CH2-O+ C S ACP

O

C

O

CH2CH3

ACP

CO2

C S ACPO

CH

OH

CH2CH3

NADPH

NADP+

C S ACPO

CH CHCH3

H2O

C S ACPO

CH2 CH2CH3

Acetil-ACPMalonil-ACP

Acetocaetil-ACP

NADPH

NADP+

β- oksibutiril-ACP

Krotonil-ACP

Butilril-ACP

Butiril-ACP kondensējasar malonil-ACP un ciklsatkārtojas

Palmitīn-ACP

7x

3.

4.

5.

6.

HS-CoA

1. 2.

91. attēls. Taukskābju biosintēze multifermentu kompleksā

82

Fermenti, kas piedalās taukskābju biosintēzē (91. att.):1. Acetiltransacilāze2. Maloniltransacilāze3. Beta-ketoacil-ACPsintāze4. Beta-ketoacil-ACP reduktāze5. 3-hidroksiacil-ACPdehidrāze6. Enoil-ACP- reduktāze

Palmitīnskābes biosintēzes summārais vienādojums:8acetilCoA + 7ATP + 14NADPH + 14H+ → palmitāts + 14NADP++ 8CoA+7ADP + 7Pi

Nepiesātinātās taukskābes veidojas fermentu desaturāžu iedarbībā, kuras veido dubultsaiti noteiktā taukskābes ķēdes vietā. Zīdītāju šūnās nav fermentu, kas veido dubultsaiti dažās specifiskās vietās (piem., starp 12. un 13. C atomu). Tāpēc vairākas polinepiesātinātās taukskābes cilvēkam ir neaizvietojamas (jāuzņem ar pārtiku). Tādas ir linolskābe un linolēnskābe.

Dubultsaišu veidošanā ir iesaistīti šādi oksidāzes kompleksā ietilpstoši proteīni:• desaturāze, kas aktīvajā centrā satur divus dzelzs atomus kompleksā ar histidīna

atlikumiem;• NADH-cyt b5 reduktāze, kas ir flavoproteīns ar FAD kā prostētisko grupu;• citohroms b5.

Desaturāze katalizē šādu reakciju:piesātināta taukskābe +NADH + O2 + H+ → taukskābe ar vienu dubultsaiti + NAD+ + H2OTaukskābju ķēdes pagarināšana vairāk par 16 oglekļa atomiem notiek mitohondrijos, pievienojot

acetilCoA pretējā virzienā vērstā β-oksidācijas ceļā vai gludajā endoplazmatiskajā tīklā, izmantojot malonil-CoA kā 2-oglekļa vienību donoru. Pēdējā gadījumā reakcijas ir līdzīgas taukskābju sintēzes procesam, bet katru stadiju katalizē atsevišķi proteīni, un ACP funkcijas veic CoA. Gan piesātināto, gan nepiesātināto taukskābju gadījumā sākotnējo kondensācijas posmu katalizē fermenti elongāzes.

4.5.2.1. Taukskābju oksidācijas un biosintēzes regulācijaGalvenais taukskābju biosintēzes regulatorais ferments ir acetilCoA karboksilāze. To allostēriski

aktivē citrāts, bet inhibē palmitoilCoA. Ja mitohondrijos ir augsts ATP un acetilCoA līmenis, citrāts transportējas no mitohondrijiem uz citoplazmu un kalpo par acetilCoA un reducējošo ekvivalentu avotu taukskābju biosintēzei, kā arī aktivē acetilCoA karboksilāzi. Hormoni glukagons un adrenalīns inaktivē acetilCoA karboksilāzi, stimulējot tās fosforilēšanos. Insulīns stimulē acetilCoA piegādi taukskābju sintēzei, aktivējot piruvātdehidrogenāzes kompleksu un citrātliāzi.

Aknās taukskābju sintāzes ekspresiju stimulē insulīns. Insulīna stimulējošais efekts notiek ar transkripcijas faktoru USF un SREBP-1 palīdzību. Polinepiesātinātas taukskābes samazina taukskābju sintāzes gēna transkripciju, inhibējot SREBP veidošanos.

Tauku šūnās hormons leptīns inhibē SREBP-1 un taukskābju sintāzes ekspresiju. Leptīnam ir regulējoša loma pārtikas uzņemšanā un tauku metabolismā, un tas veidojas kā atbilde uz pārāk lieliem tauku uzkrājumiem.

4.5.3. Triacilglicerīdu un fosfolipīdu biosintēzeNeitrālo tauku biosintēze notiek tievajā zarnā, aknās un taukaudos. Tie uzkrājas taukaudu

šūnās. Triacilglicerīdiem un fosfolipīdiem ir kopīgs biosintēzes ceļš līdz fosfatidātam (93. att.). Glicerofosfolipīdu struktūra veidota no fosfaditāta, kuram ar fosfoesteru saiti pievienoti spirti vai to atvasinājumi.

83

Sākotnēji viena acilgrupa no acilCoA tiek pārnesta uz gliceriol-3-fosfātu vai dihidroksiacetonfosfātu. Pēc otras taukskābju grupas pievienošanas veidojas fosfatidāts. Neitrālo tauku sintēzē fosfatāze hidrolizē fosfatidātu, veidojot diacilglicerīdu, kurš acilējas līdz trigliceroliem.

Savukārt glicerofosfolipīdu biosintēzē fosfatidāts un citidīntrifosfāts (CTP) veido citidīn-difosfāt(CDP)-diacilglicerolu un pirofosfātu (94. att.). CDP-diacilglicerols var reaģēt ar inozitolu, veidojot fosfatidilinozitolu. Ja CDP-diacilglicerols reaģē ar fosfatilglicerol-3-fosfātu, veidojas kardiolipīns.

Cilvēka organismā tādi fosfolipīdi kā fosfatifilserīns, fosfatidiletanolamīns un fosfatidilholīns sintezējas no diacilglicerola un attiecīgi CDP-serīna, etanolamīna vai holīna. No fosfatidiletanolamīna var veidoties fosfatidilholīns, pievienojot trīs metilgrupas no metilgrupu donora S-adenozilmetionīna. Dekarboksilējot fosfatidilserīnu, var iegūt fosfatidiletanolamīnu (94. att.).

PP

OHH C

H2C

H2C

OH

OH

OHH C

H2C

H2C OH

PP

OHH C

H2C

H2C OCOR

PP

OC

H2C

H2C OH

PP

OCOR’H C

H2C

H2C OCOR

PP

OC

H2C

H2C OCOR

OCOR’H C

H2C

H2C OCOR

OH

OCOR’H C

H2C

H2C OCOR

OCOR’’

glicerols glicerol-3-fosfāts

dihidroksiacetonafosfāts

fosfatidāts

1,2-diacilglicerīds

Triacilglicerīds

RCOS-CoA HS-CoA

RCOS-CoA HS-CoA

NADH, H+

NAD+R’COS-CoA HS-CoA

NADH, H+

NAD+

Fosfolipīdi

R’’COS-CoA

HS-CoA

Pi

93. attēls. Triglicerīdu un fosfoglicerīdu kopīga biosintēzes stadija

84

2 AcetilCoA

AcetoacetilCoA

AcetilCoA

HS-CoA 3-hidroksi-3-metilglutaril-CoA

Mevalonskābe

-OOC-CH2-C-CH2-C-S-CoA

OH

CH3 O-OOC-CH2-C-CH2-C-S-CoA

OH

CH3 O

-OOC-CH2-C-CH2-CH2-OH

OH

CH3

HS-CoA

2 NADPH+H+

2 NADP+

Mevalonāta-5-fosfāts

ADP ATP

Mevalonāta-5-pirofosfāts

Izopentenil-5-pirofosfāts

Geranil pirofosfāts

Farnezil pirofosfāts

ADP

ATP

ADP

ATP

CO2

Dimetilallilpirofosfāts

Skvalēns

LanosterolsHolesterols

NADPH+H+ NADP++2 PPi

94. attēls. Fosfolipīdu biosintēzes shēma

4.5.4. Sfingolipīdu biosintēzeSfingolipīdu struktūras pamatu veido sfingozīns.Biosintēze sākas ar aminoskābes serīna un palmitoilCoA kondensācijas reakciju, ko katalizē

ketosfinganīnsintāze (95. att.). Izveidojies ketosfinganīns tiek reducēts ar NADPH līdz sfinganīnam (dihidrosfigozīnam). Par šo reakciju ir atbildīgs ferments ketosfinganīnreduktāze. Sfingozīnā esošā dubultsaite veidojas oksidāzes iedarbībā.

Acilējot sfingozīna aminogrupu, veidojas keramīdi (vienkāršākie sfingolipīdi). Keramīdi ir prekursori pārējiem sfingolipīdiem.

Sfingomielīns ir sfingolipīds, kuram pie gala hidroksilgrupas pievienots fosforilholīns. CDP-holīns vai fosfatidilholīns var būt fosforilholīna avots sfingomielīna sintēzē.

85

CH3(CH2)14 – C - S - CoA

O-OOC - C – CH2OH

H

+NH3PalmitoilCoASerīns

+

H2O

HCO3- CoA

CH3(CH2)14 – C – C - CH2OH

O H

+NH3

CH3(CH2)14 – C – C - CH2OH

OH H

+NH3

Ketosfinganīns

NADPH + H+

NADP+

Sfinganīns

FAD

FADH2

CH3(CH2)12CH=CH – C – C - CH2OH

OH H

+NH3Sfingozīns

AcilCoA

CoA

CH3(CH2)12CH=CH – C – C - CH2OH

OH H

NH

C O

(CH2)n

CH3

Keramīdi

95. attēls. Sfingozīna un keramīdu biosintēze

4.5.5. Sterīnu biosintēzePie sterīniem pieder holesterīns (holesterols) un tā atvasinājumi. Lielākā daļa no kopējās

holesterīna biosintēzes notiek aknās. Uz pārējiem audiem un orgāniem holesterīns tiek transportēts asinīs ar zema blīvuma lipoproteīnu (LDL) palīdzību. LDL saistās ar specifiskiem receptoriem uz plazmatiskās membrānas. Ja šūnā ir pietiekams holesterīna daudzums, receptoru skaits uz membrānas samazinās. Holesterola biosintēzē visi oglekļa atomi tiek iegūti no acetilCoA. Holesterola biosintēzē izšķir vairākas stadijas (96. att.):

1. stadija ir mevalonāta veidošanās stadija. No trīs acetilCoA molekulām veidojas 3-hidroksi-3-metilglutarilCoA, kurš 3-hidroksi-3-metilglutarilCoA reduktāzes iedarbībā konvertējas par mevalonskābi.

2. stadijā no mevalonāta veidojas izopentilpirofosfāts (aktivēts izoprēns). Šīs reakcijas noris ar enerģijas patērēšanu, utilizējot trīs ATP makroerģiskās saites.

3. stadija ietver virkni reakciju, kurās sešas izopentilpirofosfāta molekulas kondensējas, veidojot skvalēnu.

4. stadijā skvalēns tiek pārvērsts par lanosterolu, kurš sekojošās reakcijās tiek modificēts par holesterīnu.

86

2 AcetilCoA

AcetoacetilCoA

AcetilCoA

HS-CoA 3-hidroksi-3-metilglutaril-CoA

Mevalonskābe

-OOC-CH2-C-CH2-C-S-CoA

OH

CH3 O-OOC-CH2-C-CH2-C-S-CoA

OH

CH3 O

-OOC-CH2-C-CH2-CH2-OH

OH

CH3

HS-CoA

2 NADPH+H+

2 NADP+

Mevalonāta-5-fosfāts

ADP ATP

Mevalonāta-5-pirofosfāts

Izopentenil-5-pirofosfāts

Geranil pirofosfāts

Farnezil pirofosfāts

ADP

ATP

ADP

ATP

CO2

Dimetilallilpirofosfāts

Skvalēns

LanosterolsHolesterols

NADPH+H+ NADP++2 PPi

96. attēls. Holesterola biosintēzes shēma

Holesterīna biosintēzes galvenais regulatorais ferments ir 3-hidroksi-3-metilglutarilCoA reduktāze, kuru inhibē reakcijas produkts mevalonāts, kā arī holesterīns, kas uzņemts ar barību. Hormons insulīns aktivē 3-hidroksi-3-metilglutarilCoA reduktāzi, bet glukagons – inaktivē, veicinot tās fosforilēšanos.

Holesterola biosintēzes regulācijas mehānismā piedalās proteīns SREBP (Sterol Regulatory Element Binding Protein). Holesterola klātienē SREBP saistās ar diviem citiem proteīniem – SCAP (SREBP-clevage activating protein) un Insig1. Pie zema holesterola līmeņa proteīns Insig1 atdalās no SREBP-SCAP kompleksa, kurš savukārt tiek sašķelts ar divām proteāzēm. Atšķeltais SREBP migrē uz šūnu kodolu, kur darbojas kā transkripcijas faktors, piesaistoties sterolu regulējošam elementam SRE (sterol regulatory element), stimulējot vairāku gēnu transkripciju, tai skaitā LDL receptora un hidroksmetilglutarilCoA reduktāzes gēnus.

Holesterīns var tālāk modificēties par steroīdajiem hormoniem un žultsskābēm (97. att.). Tas notiek holesterīna sānu ķēdes oksidatīvas šķelšanas, hidroksilēšanas un oksidēšanas reakcijās, kuras katalizē gludā endoplazmatiskā tīkla fermenti – oksigenāzes.

Žultsskābju sintēze notiek aknās, bet steroīdie hormoni veidojas virsnieru dziedzeros vai repro-duktīvajos orgānos.

87

+NH3-CH2-CH2-SO3- +NH3-CH2-COO-

Holesterols7α-hidroksiholesterols

Holīnskābe

Taurīns Glicīns

Tauroholīnskā lohokilGeb īnskābe

Daudzstadiju process

97. attēls. Žultskābju veidošanās no holesterola.

4.6. Aminoskābju metabolisms

4.6.1. Aminoskābju katabolismsAminoskābes, kuras netiek izmantotas proteīnu biosintēzē, nevar uzkrāties organismā. Tās tiek

konvertētas par centrālā metabolisma starpsavienojumiem (acetilCoA, acetoacetoCoA, piruvātu, oksaloacetātu, sukcinilCoA, α-ketoglutarātu, fumarātu), bet aminoskābju slāpeklis tiek izvadīts no organisma urīnvielas formā.

Katabolisms sākas ar transaminēšanas reakciju, kurā aminogrupa no aminoskābēm tiek pārnesta uz α-ketoglutarātu, veidojot oksiskābes un glutamātu.

Transaminēšanas reakcija katalizē aminotransferāzes, kas satur piridoksālfosfātu (vitamīns B6) kā prostētisko grupu.

-OOC - CH2 – CH2 - CH- COO-

NH3+

R - CH- COO-

NH3+

R - CH- COO-

O

O

-OOC - CH2 – CH2 - CH- COO-+ +

98. attēls. Aminogrupas pārnese transaminēšanās reakcijā

Mitohondrijos glutamāts tiek pakļauts oksidatīvās dezaminēšanas reakcijai, kuru katalizē glutamātdehidrogenāze.

Glutamāts + H2O + NAD+ → α-ketoglutarāts + NADH + H++ NH+4

88

Amonjaks reaģē ar hidrogēnkarbonātjoniem, veidojot karbamoilfosfātu, kurš tālāk iekļaujas urīnvielas ciklā. Reakciju katalizē karbamoilfosfātsintāze:

NH+4 + HCO3

- + 2ATP

O

-O - P - O- CH- NH2

O

-O

+ 2ADP + Pi

Karbamoilfosfāts

Urīnvielas cikla galvenā bioloģiskā nozīme ir toksiskā amonjaka izvadīšana no organisma. Urīnvielas cikla beigu produkts – urīnviela – brīvi difundē caur šūnu membrānām, nokļūstot asins plazmā un no turienes – urīnā. Urīnvielas cikls sastāv no piecām reakcijām, no kurām divas notiek mitohondrijos un trīs citoplazmā. Viena no mitohondriju reakcijām ir iepriekš minētā karbomoilfosfāta veidošanās reakcija, otra ir karbomoilfosfāta reakcija ar ornitīnu, veidojot citrullīnu (notiek ar fermenta ornitīnkarbamoiltransferāzes palīdzību).

O

-O - P - O- CH- NH2

O

-O

NH-CH2-CH2-CH2-CH-COO-C

NH2

O

NH3+

+NH2=C– NH –CH2 –CH2 –CH2 –CH –COO-

NH3+

NH – CH – CH2 – COO-

COO-

Arginīnsukcināts

CitrullīnsKarbomoilfosfāts

NH4+ + CO2

2 ATP

2 ADP + Pi

+NH2=C– NH –CH2 –CH2 –CH2 –CH –COO-

NH3+ -OOC–CH = CH–COO-

FumarātsNH2

Arginīns

Mitohondriji

Citoplazma

H3N+–CH2 –CH2 –CH2 –CH –COO-

NH3+

H2N – C – NH2

O

H2OUrīnviela

Ornitīns

ATPAspartāts

AMP +PPi

Pi

99. attēls. Urīnvielas cikls

Arginīnsukcinātsintāze katalizē otras aminogrupas iekļaušanos ciklā ar asparagīnskābes (aspartāta) palīdzību. Asparagīnskābes aminogrupa kondensējas ar citrullīna karbamilgrupu. Reakcijai nepieciešams ATP. Izveidojies arginīnsukcināts arginīnsukcinātliāzes iedarbībā tiek sašķelts par arginīnu un fumarātu. Savukārt arginīns argināzes iedarbībā sašķeļas par urīnvielu un ornitīnu. Ornitīns tālāk piedalās nākamajā ciklā.

Summārais reakcijas vienādojums urīnvielas ciklā:NH4

+ + CO2 + 3ATP + asparagīnskābe + 2H2O → urīnviela + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi + fumarātsAspartāts reģenerējas glutamāta un oksaloacetāta transaminēšanas reakcijā, ko katalizē

aminotransferāzes. Fumarāts, kurš veidojas urīnvielas ciklā, tiek konvertēts par oksaloacetātu divās Krebsa cikla reakcijās.

Pēc aminoskābju noārdīšanās galaproduktiem tās var iedalīt ketogēnās un glikogēnās aminoskābēs. No ketogēnām aminoskābēm veidojas acetilCoA un acetoacetilCoA. Abi minētie savienojumi ir izejviela “ketonu ķermeņiem”, bet no tiem nevar veidoties ogļhidrāti. Savukārt glikogēnās

89

aminoskābes tiek konvertētas par piruvātu vai Krebsa cikla starpproduktiem, no kuriem var veidotie ogļhidrāti.

Leicīns un lizīns ir tīri ketogēnas aminoskābes. Par daļēji ketogēnām aminoskābēm var uzskatīt izoleicīnu, tirozīnu, triptofānu un fenilalanīnu. Pārējās aminoskābes ir glikogēnās aminoskābes.

AcetilCoAAcetoacetilCoA

Ketonu ķermeņiCitrāts

Izocitrāts

Oksaloacetāts

Malāts

FumarātsSukcināts

SukcinilCoA

α- ketoglutarāts

Glutamāts

Piruvāts

alanīns, glicīns, serīns,cisteīns, treonīns

asparagīns, aspartāts

metionīns, treonīns,valīns,

izoleicīns

triptofāns, izoleicīns, leicīnslizīns, leicīns, fenilalanīns,triptofāns, tirozīns

arginīns, histidīns,glutamīns, prolīns

100. attēls. Aminoskābju katabolisma vispārējā shēma

Oksalāts un piruvāts no aspartāta un alanīna rodas vienkāršā transaminēšanas reakcijā, no α-ketoglutarāta veidojoties glutamātam. Asparagīns pārvēršas aspartātā, bet glutamīns – glutamātā, attiecīgi asparagināzes un glutamināzes katalizētās reakcijās atšķeļot NH2.

Arī prolīna, arginīna un histidīna katabolismā rodas glutamāts. Glutamāts fermenta glutamātdehidrogenāzes reakcijā pārvēršas α-ketoglutarātā.

Treonīns var pārvērsties par acetilCoA vai sukcinilCoA (101. att.):1. Treonīns ar fermenta treonīnaldolāzes (piridoksālfosfāta atkarīgs ferments) palīdzību

sašķeļas par glicīnu un acetaldehīdu. Acetaldehīds tiek konvertēts par acetilCoA, savukārt glicīns oksimetilgrupas (no kofermenta N10-oksimetiltetrahidrofolāta) pievienošanas rezultātā pārvēršas par serīnu. Serīns tālāk konvertējas par piruvātu.

2. Treonīns ar fermenta treonīndehidratāzes palīdzību pārvēršas par α-ketobutirātu. Tas oksidatīvās dekarboksilēšanās rezultātā dod propionilCoA, no kura veidojas sukcinilCoA, kas iekļaujas Krebsa ciklā.

SukcinilCoA veidojošās aminoskābes vispirms veido propionilCoA un metilmalonilCoA. Tālāk reakcijas ir tādas pašas kā taukskābju ar nepāra C skaitu oksidēšanā.

90

CH3-CH-CH-COOH

NH2

OH

Treonīns CH3-CH2-C-COOH

O

α-ketobutirāts

NH2-CH2-COOH

HO-CH2-CH-COOHNH2

CH3-C-COOHO

CH3-CHO

CH3-C-CoAO

CH3-CH2-C-CoA

O

HOOC-CH2-CH2-C-CoA

O

Propionil-CoA

Sukcinil-CoA

AcetaldehīdsGlicīns

Serīns

Piruvāts Acetil-CoA

serīnmetiltransferāze

treonīnaldolāze

serīndehidrāze

NAD+

ATPCoA

NADH+H+

AMPPPi

treonīndehidratāze

dehidrogenāzeNAD+

CoA

NADH+H+

CO2

101. attēls. Treonīna konversija par acetilCoA un sukcinilCoA

Fenilalanīns hidroksilējas par tirozīnu, kurš transaminēšanās un tālākas hidroksilēšanās rezultātā veido fumarātu un oksaloacetātu.

Triptofāns tiek konvertēts par alanīnu, veidojot acetilCoA un acetoacetilCoA (102. att.). Alanīns tālāk pārvēršas piruvātā. Glicīns vispirms hidroksimetilējas par serīnu.

Cisteīna sulfhidrilgrupu cisteīna oksidāze oksidē līdz sulfinātam. Cisteīnsulfināts var kalpot par starpproduktu taurīna biosintēzē. Cisteīnsulfināta katabolisms ietver transaminēšanos par β-sulfinilpiruvātu, kurš pēc desulfurēšanās veido bisulfītu un piruvātu. Ferments sulfītoksidāze, izmantojot O2 un H2O, konvertē sulfītu par sulfātu un H2O2.

Lizīna katabolismā ε-aminogrupa transaminēšanas rezultātā tiek pārnesta uz α-ketoglutarātu, veidojot saharofīnu. Saharofīns tiek hidrolizēts par glutamātu un 2-aminoadipīnsemialdehīdu, kurš savukārt ar NAD(P)+ tiek oksidēts par α-aminoadipātu. Aminoadipāts fermenta aminoadipāta transamināzes katalizētā reakcijā atdod aminogrupu α-ketoglutarātam, veidojot glutamātu un α-ketoadipātu. α-ketoadipāts dekarboksilējas vispirms par ketoglutarilCoA, pēc tam par acetocetilCoA.

91

NH2

CH2

NH2

CH COOHCONH – CHO

CH2

NH2

CH COOHCONH – CHO

CH2

NH2

CH COOHC

CHNH

CH2

NH2

CH COOHC

CHNH

CH2

NH2

CH COOHCONH2

CH2

NH2

CH COOHCONH2

OH

COOH

NH2

OH

CH2 – CH – COOH

CH3-C-COOH

O

Piruvāts

AcetilCoA

OHC – CH = CH – C = C – COOH

COOH

NH2

OHC – CH = CH – CH = C – COOH

NH2

OHC – CH = CH – CH = C – COOH

OH

HOOC – CH = CH – CH2 – C – COOH

O

HOOC – CH2 – CH2 – CH2 – C – COOH

O

HOOC – CH2 – CH2 – CH2 – C –CoA

OAcetoacilCoA

Alanīns

Triptofāns

N-formilkinurenīns

Kinurenīns

3-oksikinurenīns

3-oksiantranilskābe3-akroleil-3amino-fumārskābe

2-aminomukonskābespusaldehīds

2-oksimukonskābespusaldehīds

Oksalokrotonskābeα-ketoadipīnskābe

Glutaril-CoA

O2

triptofānpirolāze

formiātskinurenīnformilāze

NADPH + H+

O2

NADP+

H2O

kinurenīn-3-oksilāze

kinurenīnāze

transamināze

O2

oksidāze

CO2

H2O

NH3

NAD+

NADH + H+

NADPH + H+NADH+

102. attēls. Triptofāna konversija par acetilCoA un acetoacetil CoA

4.6.2. Aminoskābju biosintēzeAminoskābju biosintēzē priekšteči ir Krebsa cikla starpprodukti – oksaloacetāts un α-ketoglutarāts,

glikolīzes ceļa starpprodukti – fosfoenolpiruvāts, piruvāts, 3-fosfoglicerāts, kā arī pentozofosfāta ceļa starpprodukti ribozo-5-fosfāts un eritrozo-4-fosfāts (103. attēls).

Daudzi mikroorganismi spēj sintezēt visas 20 aminoskābes, taču cilvēka organismā vairākas aminoskābes sintezēties nevar. Tās ir tā saucamās neaizvietojamās aminoskābes, kuras jāuzņem ar pārtiku: leicīns, izoleicīns, lizīns, metionīns, triptofāns, fenilalanīns, treonīns un valīns. Tomēr jāsaka, ka situācija ar aizvietojamām un neaizvietojamām aminoskābēm ir mazliet komplicētāka. Arginīns, histidīns, cisteīns un tirozīns arī var būt neaizvietojamas aminoskābes atsevišķos gadījumos (piemēram, augoša bērna organismā). Aizvietojamās aminoskābes spēj sintezēt visi audi, tomēr galvenā slāpekļa metabolisma vieta organismā ir aknas.

Aspartāts un glutamāts veidojas no α-ketoskābēm vienkāršā vienstadiju transaminēšanās reakcijā. Reakcijas katalizē attiecīgi aspartātaminotransferāze un glutamātdehidrogenāze.

Asparagīns veidojas, amidējot aspartātu. Aspartāts veidojas arī no asparagīna asparagināzes iedarbībā. Alanīns veidojas no piruvāta transaminēšanas reakcijā, saņemot aminogrupu no glutamāta. Glutamīns veidojas no glutamāta glutamīnsintetāzes katalizētā reakcijā.

92

Serīna biosintēze sākas no 3-fosfoglicerāta. NADH saistītā dehidrogenāze konvertē 3-fosfoglicerātu par 3-fosfopiruvātu. Aminotransferāze, izmantojot glutamātu, kā aminogrupas donoru katalizē 3-fosfoserīna veidošanos, no kura fosfoserīna fosfatāzes iedarbībā rodas serīns.

Glikoze

Glikozo-6-fosfāts Ribozo-5-fosfāts

Eritrozo-4-fosfāts

3-fosfoglicerāts

Fosfoenolpiruvāts

Piruvāts

Citrāts

Oksaloacetāts a-ketoglutarāts

Histidīns

SerīnsGlicīnsCisteīns

AlanīnsValīnsLeicīns

TriptofānsTirozīnsFenilalanīns

GlutamīnsProlīnsArginīns

GlutamātsAspartāts

AsparagīnsMetionīnsTreonīnsLizīnsIzoleicīns

103. attēls. Aminoskābju biosintēzes vispārīgā shēma

Prolīns tiek sintezēts no glutamāta, kurš sākotnēji reducējas par glutamīnskābes γ-pusaldehīdu (OCH-CH2-CH2-CHNH3-COO-). Pēc tam tas tiek konvertēts par prolīnu ar sekojošām reducēšanās un ciklizācijas reakcijām.

Glicīns veidojas no serīna hidrometiltransferāzes iedarbībā, kura katalizē metilgrupas pārnesi uz tetrahidrofolātu (101. att.). Tetrahidrofolāts ir vienoglekļa fragmentu (metilgrupa, metilēngrupa, formilgrupa) pārnesējs. Šīs grupas saistās pie N5 vai N10 atomiem (vai arī pie abiem). Glicīna veidošanās no serīna ir galvenais vienoglekļa grupu avots purīna bāzu biosintēzē nukleotīdu anabolismā.

Tirozīns veidojas, hidroksilējot neaizvietojamo aminoskābi fenilalanīnu. Reakciju katalizē fenilalanīna hidroksilāze.

Fenilalanīns + O2+NADPH + H+ → Tirozīns + NADP+ + H2OPuse no uzņemtā fenilalanīna tiek izmantota tirozīna sintēzei. Ja barība ir bagāta ar tirozīnu,

nepieciešamība pēc fenilalanīna ievērojami samazinās.

93

CHNH

NH

OH

5 CH

CH

N

NH2N

CH2 NH CO NH10

(CH2)2COOH

COOH

Tetrahidrofolāts

CHN

NH

OH

CH

CH

N

NH2N

CH2

N CO NH (CH2)2COOH

COOH

CH2

NH3+

C COO-

H

CH3

N5,N10-metilēn tetrahidrofolāts

CH2

NH3+

C COO-

H

HO

H2O

Glicīns

Serīns

104. attēls. Glicīna veidošanās no serīna

Cisteīns veidojas no serīna. Sēra donors ir metionīns. Metionīns tiek konvertēts homocisteīnā, kurš kondensējas ar serīnu, veidojot cistāthionīnu. Cistāthionīna liāze konvertē citāthionīnu par cisteīnu un α-ketobutirātu.

4.6.3. Aminoskābes citu vielu biosintēzēAminoskābes bieži piedalās dažādās biosintēzes reakcijās organismā. Tā, piemēram, vairākas

aminoskābes kalpo par priekštečiem neirotransmiteru sintēzē. Tirozīns var tik konvertēts par kateholamīnu neirotransmiteriem: dopamīnu, norepinefrīnu un epinefrīnu (105. att.). Savukārt no triptofāna var veidoties serotonīns un melatonīns.

Tirozīns

DOPA

Dopamīns

Norepinefrīns

Epinefrīns

Tirozīnhidroksilāze DOPA dekarboksilāze

Dopamīn β-hidroksilāze

FeniletanolamīnaN-metiltransferāze

+_

+_

105. attēls. No tirozīna atvasinātie neirotransmiteri

Arginīns un glicīns piedalās kreatīna biosintēzē. Kreatīns ir savienojums, kas tiek izmantots augstas enerģijas fosfātu grupu uzkrāšanai. ATP fosfātgrupas tiek pārnestas uz kreatīnu, veidojot kreatīna fosfātu. Reakcija ir atgriezeniska, un, ja nepieciešama enerģija, fosfātgrupa tiek pievienota ADP, veidojot ATP. Kreatīns un kreatīna fosfāts atrodas muskuļos, asinīs un smadzenēs.

94

4.7. Nukleotīdu biosintēzeNukleotīdi var sintezēties vai nu no nukleotīdu sadalīšanās starpproduktiem, izmantojot bāzes un

nukleozīdus, kas rodas RNS un DNS degradācijas rezultātā, vai arī slāpekļa bāzes var tikt sintezētas no jauna (de novo).

Nukleotīdi de novo veidojas no aminoskābēm, oglekļa dioksīda un skudrskābes (formāta) metabolisma reakcijās, kas prasa lielu enerģijas patēriņu.

Pirimidīna bāzes saturošie nukleotīdi veidojas no bāzes orotāta, kas savukārt sintezējas no aminoskābēm glutamīna un aspartāta.

Purīnu bāzes nukleotīdu (adenīns un guanīns) priekštecis ir nukleozīds inozīna monofosfāts, kas sintezējas no aminoskābēm glicīna, glutamīna un aspartāta, kā arī no formāta, ko pārnes koenzīms tetrahidrofolāts.

CH

NH

N

C

CC

N

HN

HC

O Glicīns

Formāts

Glutamīns

Aspartāts

CO2

CH

CC

N

HN

CO

O

H

Glutamīns

CO2 Formāts

( N10 formiltetrahidrofolāts)

106. attēls. Atomu izcelsme pirimidīna un purīna bāzēs

4.7.1. Pirimidīnu biosintēzes posmi1. Karbamoilfosfāta veidošanās karbamoilfosfātsintetāzes II iedarbībā:HCO3

– + 2ATP + Glutamīns → Karbamoilfosfāts + 2ADP + Glutamīns2. Orotāta veidošanās:Karbamoilfosfāts + Aspartāts + NAD+ → Orotāts + NADH + H+

3. Uridīna monofosfāta veidošanās. Orotātam pievienojas 5-fosforibozil-1-pirofosfāts (PRPP), veidojot orotidilātu. Orotidilāts UMP sintāzes iedarbībā konvertējas par uridīna monofosfātu.

Orotidilāts Uridīna monofosfāts ( UMP)

ATP dod fosfātgrupas UMP, konvertējot to par UDP un UTP.

95

UMP + ATP UDP + ADP

UMP kināze

UDP + ATP UTP + ADP

nukleotīddifosfātkināze

No uridīna trifosfāta, aizvietojot karbonilgrupu ar aminogrupu, sintezējas citidīna trifosfāts.

PPPPPPPPPPPP

Glutamīns

Glutamāts

Purīnu nukleotīdu biosintēzes ceļš ir komplicētāks, nekā tas ir pirimidīna bāzu gadījumā. Tas sākas ar 5-fosforibozil-1-pirofosfātu (PRPP), kas vairāku reakciju rezultātā noved pie nukleotīda inozīna-5-monofosfāta (IMP). Šī reakciju virkne prasa 5 molus ATP, 2 molus glutamīna, vienu molu glicīna, vienu molu CO2, vienu molu aspartāta un divus molus formāta (N5, N10 metilēntatrahidrofolāta un N10-formiltetrahidroholāta formā). No IMP var veidoties vai nu AMP vai GMP.

4.7.2. Purīnu biosintēzes posmi1. 5-fosforibosil-1-amīna veidošanās no PRPP glutamīna fosforibozilamidotransferāzes

iedarbībā.RPPP + glutamīns+ H2O → 5-fosforibosil-1-amīns + glutamāts 2. Fosforibozilamīna aminogrupa saistās ar glicīnu.P-riboze-NH2 + glicīns + ATP → glicīnamīda ribonukleotīds + ADP + Pi

3. Formilgrupu pārnese no N10-formiltetrahidroholāta uz glicīna aminogrupu. Ferments – glicīnamīda ribonukleotīda transferāze.

Glicīnamīda ribonukleotīds + N10-formilTHF → formilglicīnamīda ribonukleotīds + THF 4. Amīdgrupa tiek konvertēta par amidīnu.Formilglicīnamīda ribonukleotīds + glutamīns + ATP + H2O → formilglicīnamidīna ribonukleotīds

+ glutamāts + ADP + Pi

5. Iekšējās kondensācijas reakcija, veidojot imidazola gredzenu.Formilglicīnamidīna ribonukleotīds + ATP → 5-aminoimidazola ribonukleotīds + ADP + Pi +

H2O6. Hidrogēnkarbonātjona pievienošana aminogrupai ar sekojošu pārnesi uz blakus esošo imidazola

gredzena oglekļa atomu.5-aminoimidazola ribonukleotīds + HCO3

- + ATP → karboksiaminoimidazola ribonukleotīds + ADP + Pi + H2O

7. Imidazola karboksilāta fosforilēšana un fosfātgrupas aizvietošana ar aspartāta aminogrupu.Karboksiaminoimidazola ribonukleotīds + aspartāts + ATP → 5-aminoimidazola-4-(N-

sukcinilkarboksiamīda) ribonukleotīds + ADP + Pi + H2O

96

8. Liāzes iedarbībā tiek nodalīts fumarāts.5-aminoimidazola-4-(N-sukcinilkarboksiamīda) ribonukleotīds → 5-aminoimidazola-4-

karboksiamīda ribonukleotīds + fumarāts9. Tiek pievienota otra formilgrupa.5-aminoimidazola-4-karboksiamīda ribonukleotīds + N10-formilTHF → 5-formaminoimidazola-

4-karboksiamīda ribonukleotīds + THF10. Inozināta veidošanās ciklizācijas-dehidratācijas rezultātā.5-formaminoimidazola-4-karboksiamīda ribonukleotīds → inozīna-5-monofosfāts + H2O

97

5. Ūdens un jonu apmaiņa, to transports caur šūnu membrānām

5.1. Ūdens un sāļu cirkulācija organismāŪdens veido aptuveni 60 % no cilvēka ķermeņa masas. Molekulas polārās dabas dēļ ūdenim

piemīt labas šķīdinātāja īpašības. Ūdens svarīgo lomu bioloģiskās sistēmās nosaka tā molekulu spēja veidot ūdeņraža saites. Ūdens kā iekšējās vides galvenais komponents piedalās vielu transporta un struktūras veidošanas procesos.

Tikai neliela daļa no organismā esošā ūdens ir brīvā, mobilā stāvoklī. Lielākā daļa ūdens ir strukturētā veidā, pateicoties ūdeņraža saišu veidošanai. Ūdens veido hidrātu apvalkus ap joniem un polārām molekulām. Ūdens organismā ir sadalīts starp iekššūnu un āršūnu telpu. Tā kā iekššūnu un āršūnu telpas ir atdalītas ar membrānām, kas ierobežo daudzu vielu brīvu difūziju, vides sastāvs šajās abās telpās ļoti atšķiras. Galvenais katjons šūnas iekšienē ir K+ (apm. 160 mM), tam seko Mg2+ (apm. 13 mM) un Na + (apm. 10 mM). Anjonus pārstāv proteīni (20 % no šūnas masas), fosfāti (apm. 50 mM) un hidrogēnkarbonātjoni (apm. 11 mM). Savukārt ārpusšūnas telpā galvenais katjons ir Na+ (plazmā apm. 142 mM). K+ saturs plazmā ir 4 mM, Ca2+ – 2,5 mM, Mg2+ – 1,5 mM. Galvenais anjons plazmā ir hlorīdjoni (ap 103 mM). Starp iekššūnu un āršūnu šķidrumiem šķīduma elektroneitralitātes dēļ ātri iestājas līdzsvars. Vides sastāva pastāvīgumu nodrošina speciāli regulatori mehānismi, kas notiek nierēs un plaušās.

5.1.1. Nātrija un kālija joni organismāKālija joni ir galvenie katjoni dzīvnieku un cilvēka šūnu iekšienē, savukārt nātrija joni ir galvenie

katjoni ārpusšūnu šķidrumos (tai skatā asins plazmā) organismā. Šo jonu koncentrāciju starpības rada elektrisko potenciālu starp šūnas iekšieni un ārpusi jeb tā saucamo membrānu potenciālu. Līdzsvaru starp kālija un nātrija joniem uztur jonu sūknis šūnu membrānā (sk. 5.2.3.1. nodaļu). Nātrija un kālija jonu radītais membrānu potenciāls ļauj šūnām ģenerēt darbības potenciālu (action potencial), kas ir ātras izmaiņas sprieguma polaritātē un kam ir svarīga loma nervu signālu pārraidē, muskuļu kontrakcijās un sirdsdarbības funkcionēšanā.

Kālija joni ir nepieciešami kā kofaktors dažiem fermentiem. Tā, piemēram, kālija klātbūtne ir nepieciešama piruvātkināzes darbībai.

Tā kā nātrija joni un hlorīdjoni ir galvenie ārpusšūnu šķidruma (ieskaitot asinis) joni, kas nosaka to tilpumu, tad asins tilpumu un asinsspiedienu regulējošie fizioloģiskie mehānismi izmanto nātrija jonu koncentrācijas izmaiņas. Spiediena receptori, atbildot uz asinsspiediena izmaiņām, sūta stimulējošus vai inhibējošus signālus uz nervu sistēmu un endokrīnajiem dziedzeriem, ietekmējot nātrija regulāciju nierēs. Nātrija aizture izsauc ūdens aizturi organismā, bet nātrija jonu izvadīšana no organisma dod ūdens zudumus. Divas galvenās asinsspiedienu regulējošās sistēmas, kas izmanto nātrija regulāciju, ir renīna-angiotensīna-aldosterona sistēma un antidiurētiskā hormona sistēma.

Nātrija jonu absorbcijai tievajā zarnā ir svarīga loma hlorīda jonu, aminoskābju, glikozes un ūdens absorbcijā.

Nātrija jonu trūkumu organismā parasti neizraisa to nepietiekama uzņemšana ar pārtiku. Nātrija jonu nepietiekamības (hiponātriēmijas) cēlonis var rasties no pastiprinātas šķidruma aiztures nepareizas antidiurētiskā hormona izdalīšanās rezultātā vai, dažos gadījumos, no pārmērīgas ūdens uzņemšanas. Ilgstoša vemšana, caureja, diurētiķu lietošana, nieru slimības var būt par cēloni nātrija nepietiekamībai organismā. Līdzīgi var rasties arī kālija jonu trūkums, kas noved pie hipokāliēmijas, kura izraisa tādus simptomus, kā muskuļu vājums, krampji, zarnu darbības paralīze, aritmija.

98

Ar kāliju bagāti ir šādi pārtikas produkti: banāni, kartupeļi, avokado, apelsīnu sula, aprikozes, daudzi citi augļi un dārzeņi, kā arī gaļa.

5.1.2. Kalcija joni organismāKalcijam ir vitāli svarīga loma organisma un šūnas bioķīmijā. Apmēram 99 % no cilvēka

organisma kalcija ir lokalizēts kaulos un zobos, un aptuveni 1 % atrodas asinīs un mīkstajos audos. Kaulu audos kalcijs ietilpst hidroksiapatīta (Ca10(PO4)6(OH)2) kristālu sastāvā, kas saistīti ar kolagēna pavedieniem. Kalcija līmenis asinīs starpšūnu šķidrumā jāuztur ļoti šaurā koncentrācijas diapazonā. Vajadzības gadījumā, ja kalcijs netiek pietiekami uzņemts ar uzturu, lai uzturētu normālu kalcija līmeni, notiek kaulu demineralizācija. No kauliem Ca2+ joni var tikt izdalīti asinsritē. Kalcija jonu resorbciju no kauliem regulē hormons, ko izdala paravairogdziedzeris. Asinsritē kalcijs cirkulē vai nu brīvā jonu veidā, vai saistīts pie asins proteīniem, piemēram, seruma albumīna.

Kalcija joniem ir svarīga nozīme signāla transdukcijā šūnā. Tie piedalās asinsvadu relaksācijā un sašaurināšanā, nervu impulsu pārnesē, muskuļu kontrakcijās un hormonu (piem., insulīna) sekrēcijā. Muskuļu un nervu šūnu membrānas satur sprieguma atkarīgos kalcija kanālus, kas atļauj ātras izmaiņas kalcija koncentrācijā. Kalcija joni saistās ar aktivatorproteīniem. Tā, piemēram, kalcija piesaiste proteīnam kalmodulīnam aktivē fermentus, kas sašķel muskuļu glikogēnu, dodot enerģiju muskuļu kontrakcijām.

Kalcijs ir nepieciešams vairāku proteīnu un fermentu stabilizēšanai un aktivēšanai. Kalcija jonu piesaiste ir nepieciešama K vitamīna atkarīgo asins koagulācijas faktoru aktivēšanai.

Kalcija rezervju uzglabāšanā un kalcija homeostāzes nodrošināšanā šūnā piedalās mitohondriji un endoplazmatiskais tīkls. Mitohondriju spēja īslaicīgi uzglabāt kalcija jonus un vajadzības gadījumā tos atbrīvot, padara tos par labu kalcija bufersistēmu. Svarīgākais šūnas kalcija uzglabātājs ir endoplazmatiskais tīkls.

Kalcija jonu apmaiņu organismā ietekmē nātrija joni. Palielināta nātrija jonu uzņemšana paaugstina kalcija izdalīšanos ar urīnu. Iespējamais mehānisms ir konkurence starp nātrija un kalcija joniem reabsorbcijai nierēs vai arī nātrija jonu ietekme uz paravairogdziedzera hormona sekrēciju.

Būtiska nozīme kalcija metabolismā ir vitamīnam D. Vitamīns D aknās un nierēs tiek konvertēts par tā aktīvo formu 1,25-dihidroksivitamīnu D (1,25(OH)2D), kas piesaistās vitamīna D receptoriem (VDR) šūnas kodolā. VDR darbojas kā transkripcijas faktors, kas modulē kalcija absorbcijā iesaistīto transporta proteīnu (piem., TRPV6 un kalbindīna) gēnu ekspresiju.

5.1.3. Magnija joni organismāMagnijs organismā parasti ir Mg2+ jonu veidā un ir būtisks bioloģisko sistēmu elements.Pieauguša cilvēka organisms satur ap 25 g magnija. Vairāk nekā 60 % no magnija ir lokalizēts

kaulos, aptuveni 27 % – muskuļos un 6–7 % atrodas citās šūnās. Ārpus šūnām atrodas mazāk nekā 1 % no kopēja organisma magnija.

Magnijs ietekmē muskuļu relaksāciju, tieši iedarbojoties uz šūnu membrānu. Tas regulē kalcija kanālu darbību nervu šūnās. Augstāka magnija koncentrācija palielina šo kanālu bloķēšanu, samazinot nervu aktivitāti.

Magnijs ir iesaistīts vairāk nekā 300 metaboliskās reakcijās. Daudziem ogļhidrātu un tauku metabolismā iesaistītajiem fermentiem kā kofaktors nepieciešami Mg2+ joni. ATP kompleksos ar proteīniem magnija joni piesaistās pie ATP fosfāta grupas, samazinot ATP disociācijas no proteīna konstanti. Magnijs nepieciešams nukleīnskābju un proteīnu sintēzes dažādos posmos.

Palielinātas cinka jonu piedevas pārtikā var samazināt magnija absorbciju. Ir arī dati, ka liela daudzuma diētisko šķiedru uzņemšana arī samazina magnija utilizēšanos organismā. Pārtikas proteīnu daudzums var ietekmēt magnija jonu absorbciju. Paaugstināts proteīnu daudzums uzturā uzlabo magnija absorbciju.

99

Magnija trūkums organismā izraisa muskuļu spazmas, un tas tiek saistīts arī ar sirds asinsvadu slimībām, paaugstinātu asinsspiedienu, trauksmes stāvokli.

5.1.4. Nieru darbības bioķīmiskie pamatiNierēs pamata strukturālā un funkcionālā vienība ir nefrons, kas regulē ūdens un šķīstošo vielu

koncentrāciju, filtrējot asinis, reabsorbējot nepieciešamās vielas un izdalot pārējās vielas urīnā. Nefrona funkcijās ietilpst:

• atkritumvielu izdalīšana no organisma;• asins tilpuma regulācija;• elektrolītu un metabolītu līmeņa regulācija;• asins pH regulācija.

Nefrona funkciju regulē endokrīnā sistēma ar hormonu palīdzību. Piemēram, antidiurētiskais hormons regulē ūdens saglabāšanu ķermeņa dehidratācijas gadījumā, liekot nierēm iekoncentrēt urīnu.

Nefronam (107. att.) izšķir:• nieres ķermenīti, ko veido asins kapilāru kamoliņš (glomerula). Glomerulu aptver kapsula;• nefrona proksimālo kanāliņu, kura izlocītā daļa apvijas ap nieres ķermenīti. Proksimālā

kanāliņa taisnā daļa pāriet nefrona cilpā;• nefrona cilpu jeb Henles cilpu, kas sastāv no šauras lejupejošās daļas un platākas

augšupejošās daļas, kas pāriet distālā kanāliņā;• nefrona distālo kanāliņu, kas veido cilpas ap nieres ķermenīti;• savācējkanāliņu.

Plazma nierēs filtrējas caur glomerulas membrānu, kas sastāv no trīs slāņiem – kapilāru endotēlija, bazālās membrānas un epitēlija šūnām uz iekšējām sieniņām. Filtrāciju nodrošina bazālā membrāna, kas ir apmēram 300 nm bieza un sastāv no tievām kolagēna fibrillām. Tās veido tā saucamo molekulāro sietu, kas brīvi laiž cauri vielas ar molekulmasu, kas mazāka par 10 000. Vielas ar molekulmasu, kas lielāka par 50 000, tiek cauri šai membrānai tikai ļoti mazos daudzumos. Filtrācijai enerģija netiek patērēta, jo plūsmu nodrošina šķidruma hidrostatiskais spiediens, ko rada kapilāra sieniņas. Dienā tiek izfiltrēts ap 180 litriem šķidruma. Vairāk nekā 99 % no filtrāta (pirmējais urīns) pēc tam tiek reabsorbēts kanālu sistēmā. Nefrona dažādās daļās atrodas šūnas ar receptoriem dažādu vielu transportam no pirmējā urīna uz asinīm. Transports tiek realizēts ar dažādiem mehānismiem, kas apskatīti nākamajā nodaļā.

Proksimālā kanāliņā reabsorbētā nātrija daudzums ir tieši proporcionāls reabsorbētā ūdens daudzumam. Citu vielu reabsorbcija arī ir proporcionāla ūdens reabsorbijai, taču var atšķirties proporcionalitātes koeficients. Normālos apstākļos 99 % no pirmējā urīna Na+ joniem reabsorbējas. Proksimālajos kanāliņos reabsorbējas ap 2/3 no kopējā daudzuma. Na+ jonu reabsorbcija notiek ar aktīvā transporta palīdzību (sk. 5.2.2.), kas prasa enerģijas patēriņu. Nātrija joni pasīvās difūzijas ceļā no kanāliņa iekšējās telpas nokļūst proksimālā kanāliņa šūnās un pēc tam aktīvi transportējas uz starpšūnu telpu, kur Na+ jonu transporta dēļ rodas lokāls osmotiskā spiediena paaugstinājums. Tā rezultātā ūdens pasīvās difūzijas dēļ seko nātrija joniem. Katjonu transportu pavada pasīvais Cl- un HCO3

- jonu transports, lai saglabātu vides elektroneitralitāti. Proksimālā kanāliņa šūnu membrānas brīvi laiž cauri CO2, un oglekļa dioksīda parciālā spiediena

lielumi kanāliņa šķidrumam un plazmai ir apmēram vienādi. Tāpēc HCO3- jonu reabsorbcija balstās

uz H+ jonu aktīvo transportu caur kanāliņa šūnu membrānu. Kanāliņa iekšienē H+ reaģē ar HCO3-,

veidojot vāji disociējošu ogļskābi H2CO3. Fermenta karboanhidrāzes iedarbībā ogļskābe sašķeļas par CO2 un H2O. CO2 difundē šūnā, kur ar tā pašā fermenta palīdzību atkal veidojas H2CO3. Disociācijas rezultātā izveidojušies HCO3

- joni difundē asinīs. Elektroneitralitātes nodrošināšanai katra H+ jona transports no šūnas tiek kompensēts ar Na+ jona ieiešanu šūnā.

100

Glomerulas kapsula Proksimālais kanāliņš

Distālais kanāliņš

Henles cilpaaugšupejošā daļa

lejupejošā daļa

Savācējkanāliņš

107. attēls. Nefrona uzbūves shematisks attēlojums

Henles cilpas primārā nozīme ir sāļu iekoncentrēšana starpšūnu šķidrumā audos, kas aptver cilpu. Henles cilpas lejupejošā daļa ir sāļu necaurlaidīga, savukārt cilpas augšupejošā daļa ir ūdens necaurlaidīga. No Henles cilpas lejupejošās daļas ūdens osmozes iedarbība plūst ārā, kamēr filtrāta un starpšūnu šķidruma osmotiskais spiediens izlīdzinās. Augšupejošajā cilpas daļā notiek aktīva nātrija jonu sūknēšana prom no filtrāta, ģenerējot paaugstinātu osmotisko spiedienu starpšūnu šķidrumā. Ejot caur augšupejošo cilpas daļu, filtrāts kļūst hipotoniskāks, tā kā tas zaudē nātrija saturu. Filtrāts tālāk nonāk nefrona distālajā kanāliņā. Distālā kanāliņa sieniņu šūnas satur daudz mitohondriju, lai ģenerētu pietiekami daudz enerģijas, kas nepieciešama aktīvajam transportam. Liela daļa no distālajā kanāliņā notiekošā jonu transporta tiek regulēta ar endokrīno sistēmu. Na+ un H+ jonu transporta rezultātā notiek HPO4

2- jonu pārvēršanās par HPO4- joniem, palielinot skābumu urīnā.

Fosfāts reabsorbējas no pirmējā urīna aktīvā transporta rezultātā. Fosfāta sekrēcija caur nierēm notiek atkarībā no fosfāta koncentrācijas plazmā.

Nieru šūnās no glutamīna izveidojies amonjaks difundē uz kanāliņa iekšpusi, kur, reaģējot ar H+ joniem, veidojas NH4

+. Amonija joni netiek cauri membrānai un tiek izvadīti ar urīnu. Šis mehānisms tiek izmantots H+ jonu saistīšanai, ja šim nolūkam nepietiek ar HCO3

- joniem.K+ jonu lielākā daļa reabsorbējas proksimālajā kanāliņā aktīvā transporta rezultātā. Distālajā

kanāliņā K+ joni tiek pārnesti pa elektroķīmisko gradientu, kas veidojas Na+ jonu aktīvā transporta rezultātā.

5.2. Vielu transports caur šūnas membrānuŠūnu membrānu lipīdu dubultslānis ir necaurlaidīgs:

• katjoniem K+, Na+, Ca+;• anjoniem Cl-, HCO3

-;• mazām hidrofilām molekulām (piem., glikoze);• makromolekulām.

101

Makromolekulu transports caur šūnu membrānu tiek realizēts ar endocitozes un eksocitozes palīdzību. Endocitoze ir process, kad šūna absorbē lielmolekulāro savienojumu (piem., proteīnu), aptverot to ar šūnas membrānu un veidojot vakuolu, kas atdalās no membrānas šūnas iekšienē. Ekzocitoze ir pretējs process, kurā lielmolekulārais savienojums ir ieslēgts sekretoros pūslīšos, kas tiek novirzīti uz šūnas ārējo membrānu.

Problēma ar jonu un mazo molekulu transportu caur šūnas membrānu tiek risināta divos veidos – ar atvieglotās difūzijas un aktīvā transporta mehānismu.

5.2.1. Atvieglotā difūzijaAtvieglotā difūzija – membrānas proteīni veido kanālus, caur kuriem joni un hidrofilās molekulas

var izkļūt cauri difūzijas procesā (koncentrācijas gradienta virzienā). Šie kanāli var tikt atvērti vai aizvērti atkarībā no šūnas vajadzībām (108. att.).

Atvieglotās difūzijas gadījumā kanālu atvēršanas un aizvēršanas mehānismi var būt dažādi. Eksistē ligandu, mehāniski, elektriskā potenciāla un gaismas regulētie kanāli.

Iekššūnu telpa

Ārpusšūnas telpa

Šūnas membrāna

Proteīnukanāls

Pārnesējproteīni

108. attēls. Vielu atvieglotā difūzija caur membrānu

• Ligandu regulēto kanālu gadījumā kanāla atvēršanās vai aizvēršanās notiek kā atbildes reakcija uz mazu signālmolekulu (“ligandu”) pievienošanos kanālu veidojošo proteīnu molekulām. Ligandi var būt ekstracelulāri un intracelulāri.

• Ekstracelulāro ligandu gadījumā, tie pievienojas tai kanāla daļai, kas atrodas šūnas ārpusē. Piemērs: neirotransmiters acetilholīns sinapsēs atver Na+ jonu kanālus un rada nervu impulsus vai muskuļu kontrakcijas.

• Intracelulārie ligandi piesaistās pie kanāla iekššūnu daļas. Piemērs: ATP nepieciešams hlorīda un hidrogēnkarbonātjonu kanāla atvēršanai. Jāņem vērā, ka, kaut arī tiek patērēta ATP ieslēgtā enerģija, šis nav aktīvā transporta gadījums, jo jonu transports caur atvērto kanālu notiek difūzijas ceļā koncentrācijas gradienta virzienā.

• Mehāniski regulēto kanālu gadījumā kanāli tiek atvērti fiziskas mehāniskas iedarbības rezultātā. Piemēram, skaņas viļņi atver jonu kanālus iekšējās auss šūnās, radot nervu impulsus, vai arī mehāniska deformācija atver jonu kanālus taustes receptoru šūnās.

• Elektriskā potenciāla regulēto kanālu piemērs ir neironu un muskuļu šūnas, kurās daži jonu kanāli tiek atvērti vai aizvērti atkarībā no elektriskā potenciāla uz plazmatiskās membrānas.

5.2.2. Aktīvais transportsAktīvais transports – speciāli membrānu proteīni izmanto ATP uzkrāto enerģiju, lai transportētu

molekulas un jonus caur membrānu pretēji koncentrācijas gradientam.Aktīvā transporta gadījumā ATP enerģija tiek izmantota tieši vai netieši.

102

Tiešais aktīvais transports – transporta proteīni tieši piesaista ATP un izmanto tā hidrolīzes rezultātā radušos enerģiju (110. att.).

Netiešais aktīvais transports – transporta proteīni izmanto enerģiju, kas uzkrājusies koncentrācijas gradienta veidā, ko radījis cits aktīvā transporta process (109. att.). Kad šis gradients tiek izlīdzināts atvieglotās difūzijas ceļā, atbrīvotā enerģija tiek izmantota, lai transportētu kādu citu molekulu vai jonu. Netiešais aktīvais transports var būt simporta vai antiporta tipa. Pirmajā gadījumā virzošo spēku radošais jons (parasti Na+) un transportējama molekula vai jons iet caur membrānas sūkni vienā virzienā. Antiporta gadījumā virzošo spēku radošais jons un transportējamā molekula vai jons tiek pārnests pretējos virzienos.

Ārpusšūnas telpa

Iekššūnu telpa

Šūnas membrāna

Kon

cent

rāci

ja

109. att. Netiešais aktīvais transports

5.2.3. Tiešā aktīvā transporta piemēri

5.2.3.1. Na+/K+-ATP-āzeĀrpusšūnu telpā eksistē augsta Na+ jonu koncentrācija un zema K+ koncentrācija. Līdz ar to caur

membrānas jonu kanāliem notiek Na+ jonu difūzija uz šūnas iekšpusi. Lai uzturētu šūnai nepieciešamo K+ un Na+ jonu attiecību, Na+ joni ar aktīvā transporta palīdzību tiek sūknēti ārā no šūnas. Šo funkciju pilda nātrija-kālija sūknis, kas ir plazmatiskajā membrānā integrēts proteīns – Na+/Ka+-ATP-āze. Tas transportē jonus pretēji koncentrācijas gradientam, patērējot enerģiju no ATP.Nātrija-kālija sūkņa darbības mehānisms (110. att.):

• Na+/Ka+-ATP-āze, kurai piesaistīts ATP, saista Na+ jonus no iekššūnas telpas;• no ATP tiek atšķelta fosfātgrupa, fosforilējot proteīna aspartāta grupu un atbrīvojot ADP;• Na+/Ka+-ATP-āzes konformācijas izmaiņas transportē Na jonus uz šūnas ārpusi. Proteīna

fosforilētai formai ir zema afinitāte uz Na+ joniem, tāpēc tie atbrīvojas no proteīna;• proteīnam pievienojas divi K+ joni, kas izraisa defosforilēšanos un atgriešanos iepriekšēja

konformācijā, transportējot K+ jonus uz šūnas iekšpusi;• defosforilētajai Na+/Ka+-ATP-āzes formai ir augstāka afinitāte uz Na+ joniem, salīdzinot

ar K+ joniem. Līdz ar to abi saistītie K+ joni atbrīvojas. Pie proteīna piesaistās ATP un nātrija joni, un process sākas no gala.

Nātrija-kālija sūkņa jonu transports rada elektrisku un ķīmisku gradientu uz plazmatiskās membrānas. Tas ir svarīgi ne tikai šūnai, bet arī šķidruma un elektrolītu virzībai caur epitēlija slāni. Nātrija-kālija sūkņa darbība uztur šūnas membrānas miera potenciālu (resting membrane potencial). Nātrija jonu izsūknēšana no šūnas rada virzošo spēku citiem membrānas transporta proteīniem, kas transportē glikozi, aminoskābes un citas vielas uz šūnas iekšieni.

103

Na

K

NaNa

Na

Na

NaNaNa

Na

K

K

K

KK

ATP PiPi

ADP

Pi

PiATP

ATP

110. attēls. Na+/Ka+ -ATP-āzes darbības mehānisms

Nātrija jonu pārnese no vienas epitēlija puses uz otru rada osmotisko gradientu, kas veicina ūdens absorbciju. Tas ir būtiski ūdens absorbcijā tievajās zarnās un nierēs.

Nātrija-kālija sūknis atrodas praktiski uz visu cilvēka šūnu virsmas. Atkarībā no šūnu tipa uz šūnu virsmas var būt no 800 tūkstošiem līdz 30 miljoniem sūkņu. Tie var būt gan vienmērīgi sadalīti pa šūnas membrānas virsmu, gan apvienoti klasteros noteiktos membrānas apgabalos. Lai raksturotu šī sūkņa nozīmību, ir aprēķināts, ka aptuveni 25 % no citoplazmas ATP tiek izmantots nātrija-kālija sūkņa darbībai. Nervu šūnās šis skaitlis ir vēl augstāks un var sasniegt apm. 70 % no ATP.

5.2.3.2. Ca2+-ATP-āzeEikariotu šūnās ir liels Ca2+ transmembrānas elektroķīmiskais gradients, kas virza Ca2+ jonus

iekšā šūnā. Kalcijs ir svarīgs sekundārais mesendžers, tāpēc tā līmenis šūnās ir jāuztur zems. Lai uzturētu zemāku Ca2+ jonu koncentrāciju, ir nepieciešams jonu sūknis, kas sūknētu šos jonus ārā no šūnas. Šo uzdevumu pilda plazmas membrānas Ca2+ATP-āze (PMCA). Darbības mehānisms ir līdzīgs citiem jonu sūkņiem. ATP pārnes fosfāta grupu uz PMCA, veidojot fosforilētu starpproduktu. Uz katru hidrolizēto ATP molekulu no šūnas tiek izsūknēti divi Ca2+ joni.

PCMA ir augsta afinitāte pret kalciju, tas tiek piesaistīts ļoti stipri, bet kalcija atbrīvošana notiek relatīvi lēni.

5.2.4. Netiešā aktīvā transporta piemēri

5.2.4.1. Nātrija-kalcija apmainītājs Na+/Ca2+ apmainītājs (sodium calcium exchanger, NCX) jeb NCX ir membrānu proteīns, kas

sūknē Ca2+ ārā no šūnas. Tas izmanto enerģiju, kas uzkrāta Na+ jonu elektroķīmiskajā gradientā, ļaujot Na+ virzīties pa gradientu iekšā šūnā, apmaiņai sūknējot pretējā virzienā kalcija jonus. Uz trijiem Na+ joniem, kas iekļūst šūnā, NCX izsūknē no šūnas vienu Ca2+ jonu.

NCX kopā ar PMCA ir galvenie iekššūnu Ca2+ koncentrācijas līmeņa regulatori. NCX atšķirībā no PMCA ir zema afinitāte pret kalciju, bet augstāka ražība. NCX ir piemērots ātrai liela daudzuma Ca2+ izvadīšanai no šūnas, savukārt PMCA efektīvi strādā arī pie zemām Ca2+ koncentrācijām šūnā.

104

5.2.4.2. Nātrija/glikozes transportierisNa+/glikozes transporta proteīns ļauj nātrija joniem un glikozes molekulām reizē iekļūt šūnā.

Nātrija joni virzās iekšā šūnā pa to koncentrācijas gradientu, bet glikozes molekulas tiek iesūknētas pret glikozes gradientu. Na+ joni pēc tam tiek izsūknēti ārā no šūnas ar Na+/K+ ATP-āzes palīdzību (sk. 5.2.3.1.).

5.2.5. Anjonu transports caur mitohondriju iekšējo membrānuFosfāta transports. Lai mitohondrijos varētu notikt ADP fosforilēšanās, nepieciešams nogādāt

fosfātu caur mitohondriju iekšējo membrānu. Šo procesu veic speciālas transporta sistēmas (111. att.). Ir divas neatkarīgas sistēmas, kas nodrošina fosfāta transportu caur mitohondriju iekšējo membrānu. Pirmā transporta sistēma transportē fosfāta grupas procesā, kas atkarīgs no membrānas pH gradienta. H2PO4

2- joni tiek pārnesti vai nu apmaiņā pret OH- joniem, vai arī notiek vienlaicīgs H2PO42- un H+

jonu transports. Otrā transporta sistēma veic fosfāta jonu apmaiņu ar bikarbonskābju joniem (piem., malātu vai glutamātu).

Malāta transports. Malāts tiek transportēts mitohondrijos apmaiņā pret fosfātu. Pēc tā paša mehānisma tiek pārnests arī sukcināts, izomalāts, itakonitāts un D-tartrāts.

α-ketoglutarāta transports. α-ketoglutarāta transports uz mitohondriju matricu notiek apmaiņā pret glutamātu. Lai process norisinātos, nepieciešama gan malāta, gan fosfāta klātbūtne. Līdzīgi tiek pārnests arī cis-akonitāts, izocitrāts, L-tartrāts un α-ketoadipāts.

Glutamāta transports. Glutamāts tiek pārnests uz mitohondriju matricu apmaiņā pret fosfātu.Aspartāta transports. Aspartāts tiek pārnests apmaiņā pret glutamātu. Aspartāta transports

tiek izmantots, lai netiešā veidā transportētu caur mitohondriju membrānu oksaloacetātu, kurš tieši nevar pārvarēt mitohondriju membrānu. Transaminēšanas reakcijā oksaloacetātam reaģējot ar glutamātu, veidojas α-ketoglutarāts un aspartāts. Savukārt oksaloacetāts var veidoties no malāta malātdehidrogenāzes darbības rezultātā.

Citrāta transports. Citrāta transporta gadījumā citrāts vispirms tiek konvertēts no trīsvērtīga jona uz divvērtīgu jonu, kurš tiek transportēts apmaiņā pret bikarbonskābēm (piem., malātu). Citrāta transports prasa arī fosfātgrupas klātbūtni.

105

NH3NH3

OH-OH-

H+ H+

Fosfātapārnesējs

H2PO4- H2PO4

-

NH3NH3

Malāts

H+ H+

H2OH2O

NH4+NH4

+

Malātapārnesējs

H2PO4-

NH4+ NH4

+

Malāts

α-ketoglutarātapārnesējs

Malāts Malāts

α-ketoglutarāts α-ketoglutarāts

glumātapārnesējs

aspartātapārnesējs

Trikarbonskābjupārnesējs

H2PO4-

H2PO4- H2PO4

-

Glutamāts Glutamāts

Glutamāts Glutamāts

AspartātsAspartāts

Citrāts2- Citrāts2-

NH3NH3

H+ H+

Citrāts3-

NH4+ NH4

+

Citrāts3-

Malāts Malāts

OksaloacetātsOksaloacetāts

NADH+H+

NAD+

NADH+H+

NAD+

Mitohondriju matricaMitohondriju iekšējāmembrāna

Ārējā telpa

111. attēls. Anjonu transports caur mitohondriju iekšējo membrānu

106

6. Skābju-bāzu līdzsvars un gāzu apmaiņa organismā

Tādu metabolisko procesu kā oksidēšanās-reducēšanās reakcijas un dekarboksilēšanās rezultātā notiek skābekļa patērēšana un oglekļa dioksīda izdalīšanās. Metabolismā rodas arī negaistošās skābes – fosforskābe un sērskābe. Rezultātā rodas ap 70 mmol H+ jonu diennaktī. Tā kā organismam nepieciešams relatīvi konstants pH līmenis, tad liekos H+ jonus nepieciešams izvadīt no organisma. Galvenokārt tas notiek, izdalot CO2 no plaušām vai arī H+ jonus ar nieru palīdzību. Tomēr nepieciešams novērst H+ jonu negatīvo ietekmi, kamēr tie nonāk no veidošanās vietas šūnā līdz izejai no organisma. Šim nolūkam eksistē speciālas bufersistēmas, kas notur pH līmeni pieļaujamās robežās.

Metabolisma procesā radušos CO2 nepieciešams izdalīt no organisma, lai nepieļautu skābuma palielināšanos organismā. Oglekļa dioksīdam izšķīstot ūdeni saturošā vidē, veidojas līdzsvars:

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

Izšķīdušā CO2 koncentrācija ir proporcionāla CO2 parciālajam spiedienam un šķīdības koeficientam.

Ferments karboanhidrāze katalizē ogļskābes veidošanos no CO2 un H2O. Šis ferments pamatā lokalizēts eritrocītos, bet ir atrodams arī nierēs. Karboanhidrāzes iedarbība CO2 hidratācija paātrinās 1,3·104 reizes. Ferments katalizē arī pretējo reakciju. Palielinoties vides pH (videi kļūstot bāziskākai), fermenta aktivitāte pieaug un līdzsvars novirzās ogļskābes veidošanās virzienā.

Asinis satur sešas galvenās bufersistēmas, kas tiek iedalītas divās grupās:• hidrogēnkarbonātsistēmas (atrodas galvenokārt plazmā);• nehidrogēnkarbonātsistēmas ( atrodas plazmā un eritrocītos).

Nehidrogēnkarbonātu bufersistēmas ir hemoglobīns, plazmas olbaltumvielas, organiskie un neorganiskie fosfāti. Hemoglobīna ieguldījums kopējā asins buferkapacitātē ir 35 %.

Šūnas izveidojušie H+ joni nokļūst ārpusšūnas telpā, kur tos saista hidrogēnkarbonāta bufersistēma un, mazākā mērā, arī fosfātbufersistēma. Asinīs H+ jonus neitralizē hidrogēnkarbonātbufersistēma un plazmas proteīni. No plazmas H+ joni nonāk eritrocītos, kur tos saista hemoglobīns.

Hemoglobīns sastāv no četrām peptīdu ķēdēm un četriem hemiem, no kuriem katrs var piesaistīt vienu skābekļa molekulu. Skābekļa pievienošana hemoglobīna reducētajai formai notiek plaušu alveolās, veidojot oksihemoglobīnu. Šī procesa rezultātā atbrīvojas ūdeņraža joni. H+ joni reaģē ar hidrogēnkarbonātjoniem, veidojot ogļskābi, kuru karboanhidrāze sašķeļ par CO2 un H2O. CO2 nokļūst plaušu alveolās un tiek izelpots. Hemoglobīna pārnestais skābeklis nokļūst audos, kur tiek izmantots oksidēšanās reakcijās.

Skābju-bāzu līdzsvara izjaukšana un korekcijaMetabolisko acidozi izraisa samazināta H+ jonu izdalīšana caur nierēm vai H+ jonu pārprodukcija

organismā metabolisma traucējumu rezultātā. Piemēram, laktāta acidoze rodas anaerobā glikolīzē muskuļu hipoksijas gadījumā. Metaboliskā acidoze tiek kompensēta, palielinot alveolu ventilāciju un samazinot CO2 parciālo spiedienu. Nieru kanāliņi arī var piedalīties acidozes novēršanā, aizturot hidrogēnkarbonātjonus.

Metaboliskā alkaloze rodas liela ūdeņraža jonu zaudējumu gadījumā, piemēram, ilgstošas vemšanas gadījumā, vai arī paaugstināta hidrogēnkarbonātjonu aiztures gadījumā. Alkalozes kompensācija notiek, samazinot alveolu ventilāciju un palielinot CO2 līmeni asinīs.

Elpošanas acidoze rodas, samazinoties plaušu ventilācijai, un kompensējas ar H+ jonu pastiprinātu izdalīšanos no organisma caur nierēm. Elpošanas alkaloze rodas pārmērīgas plaušu ventilācijas gadījumā, un kompensējas ar H+ jonu samazinātu izdalīšanos caur nierēm.

107

7. DNS replikācija un transkripcijaĢenētiskās informācijas nesēji šūnā ir dezoksiribonukleīnskābes, kas atrodas šūnas kodolā.

Mitohondrijos ģenētisko informāciju glabā cikliskā DNS.Hromosomas ir DNS un proteīnu kompleksu organizētas struktūras. Hromosoma satur vienu

nepārtrauktu DNS ķēdi, kas sastāv no daudziem gēniem, kā arī nukleotīdu regulatorās struktūras.Eikariotu šūnās kodola hromosomas ar proteīnu palīdzību ir sapakotas struktūrā, ko sauc par

hromatīnu, tādējādi atļaujot garajām DNS molekulām savietoties šūnas kodolā. Hromatīnā no proteīniem galvenā nozīme ir histoniem, bet piedalās arī citi hromosomu proteīni. Eikariotu hromatīnā eksistē atkārtojošās struktūrvienības – nukleosomas, kas veidotas no DNS un četriem proteīnu (histonu) pāriem. Histoni darbojas kā pamats, ap kuru aptinas DNS spirāle, tādējādi nodrošinot molekulu kompaktumu. Šādi sapakota DNS molekula var būt 50 000 reizes īsāka nekā nesapakota forma.

Histoni saistās ar DNS ar ūdeņraža saitēm starp proteīna aminogrupām un DNS skeletu, kā arī ar jonu saitēm un ūdeņraža saitēm starp bāzisko aminoskābju (lizīna, arginīna) sānu ķēdēm un DNS fosfāta grupu skābekli.

7.1. Ģenētiskais kodsĢenētiskais kods ir principu kopums, pēc kuriem dzīvajā šūnā DNS vai RNS nukleotīdu sekvence

tiek translēta par aminoskābju sekvenci (proteīniem). Ģenētiskais kods nosaka sakarību starp trīs nukleotīdu sekvenci un tai atbilstošo aminoskābi. Šo trīs nukleotīdu sekvenci sauc par kodonu. Katrs kodons atbilst vienai aminoskābei. Ģenētiskais kods ir universāls – tas ir vienāds visiem dzīvajiem organismiem. Tomēr ir arī nelieli izņēmumi – ģenētiskais kods mitohondrijos var nedaudz atšķirties no standarta koda.

Ir iespējami 43=64 dažādi kodoni, kas sastāv no trijiem nukleotīdiem. Ģenētiskais kods ir deģenerēts – vienu un to pašu aminoskābi var kodēt vairāki dažādi tripleti. Taču jāatceras, ka katrs konkrēts triplets (kodons) nevar kodēt vairākas aminoskābes. Ir trīs aminoskābes, ko katru kodē seši dažādi kodoni. Tās ir leicīns, serīns, arginīns. Ir tikai divas aminoskābes (metionīns, triptofāns), kuras katru kodē tikai viens kodons. Šī īpašība, ka vairums aminoskābju kodē vairāki kodoni, dod ģenētiskajam kodam lielāku noturību pret punktveida mutācijām.

Metionīnu kodējošais triplets (AUG) vairumā gadījumu ir arī translācijas sākuma kodons. Ir trīs tripleti (UAG, UGA, UAA), kas nekodē nevienu aminoskābi, bet darbojas kā sekvences beigu kodoni. Atšķirībā no beigu kodoniem (terminatora), sākuma kodons viens pats nav pietiekams, lai sāktu translācijas procesu. Ir būtiskas arī blakus sekvences un iniciēšanas faktori.

Kodonu sekvenci, kas kodē kādu konkrētu proteīnu sauc par gēnu.5. tabula

Aminoskābēm atbilstošais kodons standarta ģenētiskajā kodāAminoskābe Kodons Aminoskābe KodonsAlaArgAsnAspCysGlnGluGlyHisIleSTART

GCU,GCC,GCA,GCACGU,CGC,CGA,CGG,AGA,AGGAAU,AACGAU,GACUGU, UGCCAA, CAGGAA, GAGGGU, GGC, GGA, GGGCAU, CACAUU, AUC, AUAAUG

LeuLysMetPheProSerThrTrpTyrValSTOP

UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUGAAA, AAGAUGUUU, UUCCCU, CCC, CCA, CCGUCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGCACU, ACC, ACA, ACGUGGUAU, UACGUU, GUC, GUA, GUGUAG, UGA, UAA

108

7.2. ReplikācijaDNS replikācija ir dezoksiribonukleīnskābes dubultspirāles kopēšanas process. Tā kā katrs DNS

dubultspirāles pavediens satur vienu un to pašu ģenētisko informāciju, katrs pavediens kalpo par šablonu pretējā pavediena veidošanai. Jaunais pavediens tiek sintezēts no nukleotīdiem.

Replikācijas sākumā notiek DNS dubultās spirāles atritināšanās topoizomerāzes iedarbībā. Pēc tam notiek abu pavedienu atdalīšana. To realizē ferments helikāze, izmantojot enerģiju no ATP vai GTP hidrolīzes. Helikāzes iedarbībā veidojas tā saucamā replikācijas dakša, kuras katru zaru veido DNS molekulas pavediens. Šos atzarus sauc par vadošo (leading) un atpaliekošo (lagging) pavedienu.

Uz šiem pavedieniem fermenti DNS polimerāzes pēc komplementaritātes principa veido jaunu ķēdi no nukleotīdiem. DNS polimerāzes nevar sintezēt DNS no nulles, bet tikai pievienot nukleotīdus eksistējošam pavedienam. Tāpēc sintēzes uzsākšanai ir nepieciešams praimeris (primer), kas ir īsas ķēdes RNS fragments komplementārs DNS fragmentam. Praimeri sintezē ferments DNS primāze. Vēlāk DNS polimerāze šo RNS praimeri nomaina ar attiecīgu DNS fragmentu.

DNS tiek nolasīts 3’ → 5’ virzienā (attiecībā pret izejas pavedienu), tātad nukleotīdi tiek sintezēti 5’ → 3’ virzienā (attiecība pret jauno pavedienu). Tā kā ir divi sākotnējie pavedieni, viens 3’ → 5’ virziena un otrs 5’ → 3’ virziena, tad replikācijai jānotiek divos pretējos virzienos. Vadošais zars virzās replikācijas dakšas virzienā un tiek sintezēts nepārtrauktā procesā, izmantojot tikai vienu praimeri. Mazliet sarežģītāk ir ar otru, atpaliekošo zaru. Tas tiek sintezēts pa atsevišķām daļām, ko sauc par Okazaki fragmentiem. Atbilstoši nepieciešami arī vairāki praimeri. Okazaki fragmentu RNS praimeri pēc tam tiek sašķelti ar ribonukleāzes RN-āzes H palīdzību. Izveidojušos „tukšumus” aizpilda ar dezoksiribonuklotīdiem un noslēdz ar fermentu ligāzi.

DNS ligāze veido kovalentu fosfoesteru saiti starp viena nukleotīda 3’ hidroksilgrupu un otra nukleotīda 5’ fosfātgrupu.

5’

3’

5’

3’

DNS polimerāzeDNS ligāze

RNS praimerisDNS primāze

Helikāze

TopoizomerāzeDNS polimerāze

Okazaki fragments

Proteīni

112. attēls. DNS replikācijas shēma

7.3. DNS bojājumi un mutācijasVides faktoru un normālu metabolisma procesu rezultātā notiek DNS bojājumi. Lai arī bojājumu

skaits dienā veido apm. 0,00016 % no kopējā cilvēka genoma 3 miljardiem bāzu pāru, bojājumi svarīgos gēnos var traucēt šūnas funkcijas un palielināt audzēju veidošanās varbūtību. Lielākā daļa bojājumu rada izmaiņas DNS ķēdes primārajā struktūrā, ķīmiski modificējoties bāzēm.

DNS bojājumi var rasties gan endogēno, gan eksogēno faktoru iedarbībā. Galvenie endogēno (iekššūnas) procesu izraisītie bojājumu veidi ir šādi:

109

• bāzu oksidēšanās un DNS pavediena pārtraukšana brīvo radikāļu iedarbībā;• bāzu alkilēšanās (parasti metilēšanās);• bāzu hidrolīze – deaminēšana, depurinēšana, depirimidēšana;• bāzu sajaukšana – kļūdas replikācijas procesā, kad tiek pievienota nepareiza bāze vai bāze

ir izlaista, vai ievietota nepareizā vietā.Eksogēno faktoru iedarbība var būt dažāda:

• citozīna un timīna bāzu kroslinkings, ko izraisa ultravioletā gaisma, veidojot pirimidīna dimērus;

• DNS pavedienu bojājumi, ko izraisa jonizējošais starojums;• ķimikālijas (vinilhlorīds, ūdeņraža peroksīds, policikliskie ogļūdeņraži u. c.) izraisa DNS

bāzu ķīmisko modifikāciju.Ģenētiskā materiāla bāzu pāru sekvences izmaiņas sauc par mutācijām. Tās rodas replikācijas

kļūdu, jonizējošā vai ultravioletā starojuma, ķīmisko mutagēnu vai vīrusu iedarbības rezultātā. Mutācijas var iedalīt maza mēroga un liela mēroga mutācijās.Maza mēroga mutācijas ietekmē vienu vai dažus nukleotīdus, un tās iedala šādi:

• Punktveida mutācijas – viena nukleotīda nomaiņa ar citu. Parasti rodas DNS replikācijas kļūdas rezultātā. Visbiežāk sastopama vienas purīna bāzes nomaiņa ar citu purīna bāzi vai pirimidīna bāzes nomaiņa ar citu pirimidīna bāzi. Retāk sastopama situācija, kad purīna bāze nomainās ar pirimidīna bāzi (vai otrādi). Ja punktveida mutācijas notiek proteīnu kodējošā DNS reģionā, iespējams, ka pēc mutācijas triplets kodē to pašu aminoskābi. Šajā gadījumā to sauc par kluso mutāciju. Iespējami arī gadījumi, kad pēc mutācijas triplets kodē citu aminoskābi vai arī veidojas beigu (stop) triplets.

• Ieslēgšana – viena vai vairāku nukleotīdu pievienošana DNS. Tā var notikt replikācijas kļūdas vai arī tā saucamo transpozonu iedarbībā. Transpozoni ir DNS sekvences, kas var pārvietoties šūnas genomā, procesā, ko sauc par transpozīciju, izraisot mutācijas. Transpozonus sauc arī par „lēkājošiem gēniem”. Pēc transpozīcijas mehānisma tos iedala vairākās klasēs. I klases jeb retrotranspozonu gadījumā vispirms notiek DNS transpozona transkripcija uz RNS, un pēc tam ar reversās transkriptāzes palīdzību jaunā vietā veidojas DNS kopija no RNS. II klases transpozoni sastāv vienīgi no DNS fragmenta, kas tieši pārvietojas no vietas uz vietu. Šo procesu katalizē ferments – transpozāze, kurš pats ir kodēts šajos transpozonos. Kā transpozoni elementi darbojas arī retrovīrusi (piem., HIV), kas var stabili integrēt savu RNS genomu saimnieka šūnas DNS. Ieslēgšana gēna kodējošos reģionos var būtiski izmainīt kodējamo proteīnu.

• Izdzēšana – viens vai vairāki nukleotīdi tiek izņemti no DNS. Šīs izmaiņas ir neatgriezeniskas.

Liela mēroga mutācijas ir izmaiņas hromosomu struktūrā:• Pavairošana (gēnu duplikācija) – veidojas hromosomu reģionu vairākas kopijas, kas

palielina gēnu daudzumu tajās.• Izdzēšana – tiek likvidēti lieli hromosomu reģioni, zaudējot gēnus šajos reģionos.• Mutācijas, kas savieno atsevišķus gēnus, veidojot funkcionāli atšķirīgus hibrīdgēnus

(fusion genes).Šūnās eksistē speciāli mehānismi, lai iespēju robežās novērstu radušos bojājumus DNS. Šo iespēju

nodrošina DNS dubultspirāles uzbūve. Ja bojāts ir tikai viens no abiem dubultspirāles pavedieniem, otrs tiek lietots kā šablons, lai veiktu korekcijas. Bojājumi DNS tiek salaboti vairākos veidos:

• Bāzu izgriešanas korekcija – salabo atsevišķa nukleotīda bojājumu, kas saistīts ar oksidēšanos, hidrolīzi vai deaminēšanu. Bojātā bāze tiek izgriezta ar glikozilāzi un nomainīta ar DNS ligāzes palīdzību.

110

• Nukleotīdu izgriešanas korekcija – salabo bojājumus, kas skar 2–30 bāzu garus pavediena fragmentus, kā arī viena pavediena pārtraukumus. Endonukleāze sašķel DNS pavediena skeletu, ekzonukleāze izņem vairākus nukleotīdus, un tukšās vietas aizpilda DNS polimerāze un DNS ligāze.

• Bāzu kļūdu izlabošana – izlabo kļūdas, kas rodas DNS replikācijā (nepareizā vietā ievietotus nukleotīdus).

• Pirimidīna kroslinkinga izlabošana – pirimidīna dimērus izlabo ferments fotoliāze.

7.4. Proteīnu biosintēzeProteīnu biosintēze ietver DNS kodētās ģenētiskās informācijas transkripciju un translāciju.

7.4.1. TranskripcijaTranskripcija ir process, kurā DNS sekvence tiek kopēta uz informācijas RNS (messenger

RNS). Šis process notiek, piedaloties fermentam RNS polimerāzei (RNSP), veidojot komplementāru nukleotīdu RNS ķēdi. RNS polimerāze ir nukleotīdtransferāze, kas polimerizē ribonukleotīdus RNS ķēdes 3’ galā. Transkripcija ir pirmais solis ģenētiskā koda translācijā. Transkripcija noris 5’ → 3’ virzienā. RNS polimerāze DNS ķēdi nolasa 3’ → 5’ virzienā, un jaunā RNS ķēde tiek sintezēta 5’ → 3’ virzienā. DNS fragmentu, kas tiek nokopēts uz RNS, sauc par transkripcijas vienību. Transkripcijas vienība satur ne tikai nukleotīdu sekvenci, kas kodē aminoskābju sekvenci, bet papildus arī sekvences, kas regulē proteīna sintēzi. Regulatorā sekvence var būt vai nu pirms 5’ gala, vai arī pēc 3’ gala kodējošai sekvencei. Pirmajā gadījumā to sauc par 5’ netranslēto sekvenci (5’UTR), otrajā gadījumā – par 3’netranslēto sekvenci (3’UTR).

Transkripcijai ir trīs fāzes:iniciācija;1) RNS ķēdes pagarināšanās;2) nobeigums 3) (termination).

RNS polimerāze piesaistās pie DNS fragmenta, kas atrodas pirms transkripcijai pakļautā gēna 5’ reģiona. Šo regulatoro DNS reģionu sauc par promoteru. Promoters satur specifisku nukleotīdu sekvenci, kuru atpazīst speciāli proteīni – transkripcijas faktori, kuru uzdevums ir nodrošināt RNS polimerāzes piesaistīšanos un iniciēt transkripciju. Transkripcijas faktori var darboties vieni paši vai kompleksā ar citiem proteīniem kā aktivatori vai represori. RNS polimerāze kopā ar citiem faktoriem atdala DNS dubultspirāles pavedienus un nodrošina piekļuvi atsevišķam DNS pavedienam (template strand).

RNS polimerāze izmanto vienu no DNS pavedieniem kā šablonu RNS sintēzei. RNS polimerāze virzās pa šablona DNS virkni virzienā 3’ → 5’ un polimerizē RNS ķēdi pēc bāzu komplementaritātes principa. Lai arī RNS polimerāze notiek virzienā 3’ → 5’, par atskaites punktu uzskata otru DNS pavedienu (kodējošo pavedienu), tāpēc saka, ka transkripcija notiek virzienā 5’ → 3’, jo sintezētā RNS molekula veidojas virzienā 5’ → 3’ un ir DNS kodējošā pavediena kopija (izņemot faktu, ka timīna vietā ir uracils, un dezoksiribozes vietā ir riboze).

RNS polimerāze virzās pa DNS pavedienu, kamēr nonāk līdz gala sekvencei (terminator sequence). Pēc tam RNS atbrīvo sintezēto mRNS un atvienojas no DNS molekulas.

Transkripcijas procesā var tikt iesaistītas vairākas RNS polimerāzes uz vienu DNS šablona pavedienu. No viena gēna eksemplāra var tikt kopētas daudzas RNS molekulas.

111

Šablona pavediens( template strand )

Kodējošais pavediens( coding strand )

Šablona pavediens( template strand )

Kodējošais pavediens( coding strand )

2.

3.mRNA

GēnsŠablona pavediens( template strand )

Kodējošais pavediens( coding strand )

1.

113. attēls. Transkripcijas procesa principiālā shēma

Transkripcijas faktors sastāv no vairākiem apgabaliem:DNS piesaistes apgabals, kas piesaistās specifiskām DNS sekvencēm (promoteram);•trans-aktivācijas apgabals, kas satur citu proteīnu (piemēram, transkripcijas koregulatoru) •piesaistes vietas;signāla uztveres apgabals, kas uztver ārēju signālu. Atbildes reakcija ir šī signāla pārnese uz •pārējo transkripcijas kompleksu, stimulējot vai represējot gēnu ekspresiju.

Transkripcijas procesā mRNS sākotnēji izveidojas prekursora formā, ko sauc par heterogēno kodola RNS (hnRNS). Eikariotu šūnās hnRNS eksistē tikai īsu brīdi. Pēc tam tā tiek konvertēta par nobriedušu mRNS. hnRNS satur divu tipu segmentus – intronus un eksonus. Introni ir DNS nekodējošie segmenti, kas transkripcijas procesā kopējas uz RNS un pēc tam tiek izslēgti no hnRNS procesā, ko sauc par splaisingu. Eksoni ir segmenti, kas saglabājas nobriedušā mRNS. Eksoni var saturēt gan sekvences, kas kodē aminoskābes, gan arī netranslējamās sekvences.

Splaisings ir ģenētiskās informācijas modifikācija pēc transkripcijas, kurā no hnRNS tiek izslēgti introni un savienoti eksoni. Šis process notiek ar virkni bioķīmisku reakciju, kuras katalizē ribonukleoproteīnu komplekss – spliceosoma. Iegūtā nobriedusī mRNS tad arī tālāk tiek izmantota translācijas procesā.

Introni dažreiz atļauj gēna alternatīvo splaisingu, kas dod iespēju vairākus proteīnus, kuriem ir daļa kopējas struktūras, translēt no viena gēna. Tas ir mehānisms, kā eksoni no sākotnējā gēna transkripta var tik savienoti alternatīvā ribonukleotīdu secībā.

Splaisings

Introns IntronsEksonsEksons Eksons

5’UTR(netranslējamais reģions)

3’UTR

114. attēls. hnRNS splaisings

112

Ir zināmi četri alternatīvā splaisinga veidi:• Promotera alternatīva selekcija – vienīgā metode, kas ļauj veidot alternatīvu proteīna

N-termināla apgabalu. Dažādu promoteru komplekti tiek kombinēti ar noteiktu eksonu komplektu.

• Poliadenilēšanas vietas alternatīva selekcija – vienīgā metode, kas ļauj veidot alternatīvu proteīna C-termināla apgabalu. Dažādi poliadenilēšanas vietas komplekti var kombinēties ar citu eksonu.

• Introna saglabāšana. Šajā gadījumā introns tiek atstāts mRNS, un tam jāatbilst nosacījumam, ka tas pareizi kodē aminoskābes.

• Eksona kasete – atsevišķi eksoni tiek izgriezti, tādējādi izmainot aminoskābju sekvenci.

7.4.2. TranslācijaTranslācija ir proteīnu biosintēzes otrais posms.Proteīnu sintēze no atsevišķām aminoskābēm notiek cioplazmā lokalizētās ribosomās. Ribosomas

ir RNS un proteīnu kompleksi. Ribosomas sastāv no divām subvienībām (mazās un lielās), kas eikariotu šūnās tiek apzīmētas kā 40S un 60S subvienības, bet prokariotu šūnās – 30S un 50S subvienības. Ribosomas un transporta RNS (tRNS) translē ģenētisko informāciju, sintezējot atbilstošos proteīnus.

Ribosomālā RNS (rRNS) tiek sintezēta kodoliņā – šūnas kodola suborganellā, kas sastāv no proteīniem, un hromosomu ribosomālās DNS (rDNA). rDNA kalpo kā šablons ribosomālās RNS transkripcijai, ko veic RNS polimerāze I. rRNS ir ribosomu centrālais elements, kura funkcija ir mRNS translācija par aminoskābēm, kā arī sadarbība ar tRNS, translācijas procesā nodrošinot peptidiltransferāzes (aminoaciltransferāzes) darbību. Individuālās aminoskābes tiek polimerizētas polipeptīdķēdē, izmantojot mRNS kā šablonu.

Ribosomas satur trīs tRNS piesaistes vietas, ko apzīmē ar A, P un E. A saista aminoacil-tRNS, P saista peptidil-tRNS (tRNS saistīta pie sintezētā peptīda). E saista brīvo tRNS pirms atbrīvošanas no ribosomas.

Aminoskābju transportu uz ribosomām nodrošina transporta RNS (tRNS). tRNS ir nelielas RNS molekulas (74–93 nukleotīdi), kuras satur aminoskābju pievienošanās vietu un molekulas segmentu, ko sauc par antikodonu. Antikodons ir RNS nukleotīdu triplets, kas ir komplementārs mRNS tripletam, kurš kodē transportējamo aminoskābi.

Translācijas procesā izšķir četras fāzes:1) aktivācija;2) iniciācija;3) aminoskābju ķēdes pagarināšana;4) nobeigums.

Aktivācija ir process, kurā aminoskābes piesaistās pie atbilstošās transporta RNS. Pievienošanās notiek ar aminoskābes karboksilgrupu pie tRNS 3’ hidroksilgrupas, veidojot esteru saiti. Izveidojas aminoacil-tRNS. Šo procesu katalizē aminoacil-tRNS sintetāze.

Reakcija notiek divās stadijās. Vispirms veidojas aminoaciladenilāts:ATP + aminoskābe → aminoaciladenilāts + PPi

Aminoaciladenilāts reaģē ar tRNS, veidojot aminoacil-tRNS:aminoaciladenilāts + tRNS → aminoacil-tRNS + AMPIniciācija ir process, kurā ribosomas mazā subvienība piesaistās pie mRNS 5’ gala. Šo procesu

palīdz realizēt proteīns – iniciācijas faktors (IF). Pie P piesaistes vietas saistās aminoacil-tRNS, kas parasti ir metionīn-tRNS metilēta forma. Šis tRNS antikodons saistās ar mRNS AUG kodonu. A piesaistes vietu iniciācijas faktori bloķē. Mazā subvienība pēc tam apvienojas ar lielo subvienību.

113

Aminoskābju ķēdes pagarināšanās notiek, tRNS antikodona un mRNS kodona sadarbības rezultātā nākamajai aminoacil-tRNS pievienojoties ribosomai (A piesaistes vietā).

Pievienotās aminoacil-tRNS aminoskābes N termināls tiek pietuvināts pirmās aminoskābes N terminālam, un veidojas peptīdsaite, pievienojot metilmetionīnu otrai aminoskābei. Izveidojies dipeptīds (saistīts ar tRNS) tiek pārnests no A vietas uz P vietu, pārvietojot tur esošo pirmo brīvo tRNS uz E vietu.

Viss ribosomas komplekss pavirzās uz priekšu pa mRNS ķēdi. Šie procesi notiek pagarināšanas faktora (elongation factor) iedarbībā, ņemot enerģiju no GDP hidrolīzes. Pirmā tRNS no E vietas tiek atbrīvota. Otrā tRNS ar peptīdķēdi atrodas uz P vietas. Pēc tam viss process atkārtojas ar nākamo aminoacil-tRNS (115. att.).

Procesa nobeigums jeb terminācija notiek, kad process nonāk līdz beigu kodonam (UAA, UAG vai UGA). Proteīni, ko sauc par atbrīvošanas faktoru (releasing factor), atpazīst šos beigu kodonus. Šo faktoru klātiene transformē peptidiltransferāzi par hidrolāzi, kas atšķeļ peptīdķēdi no tRNS.

PA

AUG

Met

Tyr

UAC

P A

AUG

Met Tyr

UAC

P A

AUG

MetTyr

UAC

P

AUG

MetTyr

UAC

Pro

CCC

CCC

CCC

CCC mRNA

t-RNA

Ribosoma

115. attēls. Proteīnu biosintēzes shēma ribosomās

114

8. Signālu transdukcija bioķīmiskajos procesosSignālu transdukcija (pārnese) bioloģijā ir procesi, kuros šūnas pārveido viena veida signālus

citos. Šie procesi ietver virkni bioķīmisku reakciju, ko katalizē fermenti, kuri tiek aktivēti ar tā saucamajiem sekundārajiem mesendžeriem. Bieži signālu transdukcijas procesā iesaistīto proteīnu un citu bioloģiski aktīvo vielu skaits pieaug, procesam virzoties no sākotnējā signāla, veidojot signāla kaskādes. Tas nodrošina to, ka relatīvi mazs sākotnējais stimuls var izraisīt lielu atbildes reakciju.

8.1. SignālmolekulasSignāla transdukcijas process vairumā gadījumu ietver ekstracelulāro signālmolekulu piesaisti

šūnas virsmas receptoriem.Pie signālmolekulām pieder:

• hormoni;• augšanas faktori;• citokīni, kemohīni;• neirotransmiteri;• neirotrofīni;• ekstracelulārās matricas komponenti.

Šis iedalījums ir diezgan nosacīts, jo vairākas vielas var pieskaitīt dažādām grupām. Tā, piemēram, epinefrīns (adrenalīns) ir gan neirotransmiters, gan darbojas kā hormons.

Citokīni ir proteīnu un peptīdu grupa, kas līdzīgi hormoniem un neirotransmiteriem nodrošina šūnu komunikāciju. Citokīni, piesaistoties specifiskiem šūnu virsmas receptoriem, iniciē iekšūnu signālu kaskādi, kas ietekmē šūnu funkcijas. Citokīnu darbības rezultāts var būt gēnu un to transkripcijas faktoru regulācija. Citokīniem ir būtiska nozīme imūnsistēmas regulācijā. Atšķirībā no hormoniem, kuri veidojas un tiek izdalīti asinīs no speciāliem orgāniem, citokīnus veido un izdala dažādas šūnas.

Kemohīni (chemokines) ir citokīnu grupa, kas raksturīgi ar mazu molekulas izmēru (8–10 kDa) un cisteīna grupu klātieni, kuras nodrošina to trīsdimensiālo struktūru. Kemohīnu galvenā funkcija ir regulēt šūnu migrāciju. Daži kemohīni veicina angioģenēzi (asinsvadu augšanu). Ir arī kemohīni, kam piemīt pretiekaisuma īpašības.

Augšanas faktori ir proteīni, kas stimulē šūnu vairošanos (proliferāciju) un diferenciāciju. Piemēram, kaulu morfoģenētiskais proteīns (BMP) stimulē kaulu šūnu diferenciāciju. Terminus "augšanas faktors" un "citokīni" dažreiz lieto kā sinonīmus. Tomēr pastāv uzskats, ka šos terminus nevajadzētu jaukt. Augšanas faktoram ir pozitīvs efekts uz šūnu proliferāciju, citokīniem var būt gan pozitīvs gan inhibējošs efekts.

Neirotransmiteri ir vielas, kas nodrošina signālu pārnesi starp nervu šūnām (neironiem) un citām šūnām. Neirotransmiteri pēc ķīmiskās uzbūves var būt aminoskābes un to atvasinājumi, peptīdi, monoamīni. Neirotransmitera piemēri ir acetilholīns, serotonīns. Peptīda tipa neirotransmiteri ir, piemēram, endorfīni. Endorfīni ir endogēnie opioīdi, kam, līdzīgi kā opiātiem, piemīt pretsāpju īpašības, un tie rada labsajūtu. β-endorfīnam ir augstākā afinitāte pret µ1-opioīdiem receptoriem. µ-receptori ir sinaptiskie receptori, kas inhibē nerotransmiteru izdalīšanos. Inhibējot neirotransmitera GABA izdalīšanos, tie veicina dopamīna veidošanos. Dopamīnam ir vairākas svarīgas funkcijas smadzenēs, tas ir saistīts arī ar prieka sajūtas sistēmu smadzenēs. Eksogēno dabīgo un sintētisko opioīdu (morfijs, heroīns, kodeīns, metadons u. c.) darbība arī saistīta ar šiem pašiem opioīdajiem receptoriem.

Lai vielu pieskaitītu neirotransmiteriem, tai jāatbilst šādiem kritērijiem:• to sintēze notiek presinaptiskos neironos;• eksistē to uzglabāšanas mehānisms;

115

• transmitera sekrēcija ir proporcionāla stimula stiprumam;• jābūt postsinaptiskam receptoram, pie kura spēj piesaistīties dotā ķīmiskā viela;• jābūt transmitera inaktivēšanas bioķīmiskajam mehānismam.

Neirotrofīni ir proteīni, kas sekmē neironu izdzīvošanu. Neirotrofīnus pēc būtības varētu pieskaitīt pie augšanas faktoriem. Lai arī smadzenes ir pamatā izveidojušās, pieauguša cilvēka smadzeņu atsevišķās daļās iespējama jaunu neironu veidošanās no cilmes šūnām procesā, ko sauc par neiroģenēzi. Nerotrofīni piedalās neiroģenēzes stimulācijā un kontrolē.

8.2. Hormoni metabolisma regulācijāHormoni ir bioloģiski aktīvas vielas, kas kalpo kā ķīmisko signālu pārnesēji no vienas šūnas

uz citu. Hormonus izstrādā iekšējās sekrēcijas dziedzeri, kā arī citi orgānu audi. Ar asinīm tie tiek pārnesti no vieniem orgāniem uz citiem. Hormoni iedarbojas uz tām mērķa šūnām, kurās ir receptori šiem hormoniem, un regulē šo šūnu funkcijas.

Par hormonu veidošanos ir atbildīga endokrīnā sistēma, kas ir vairāku nelielu orgānu sistēma. Endokrīnā sistēma ir galvenā ķermeņa sistēma, kas nodrošina orgānu komunicēšanos, to darbības kontroli un koordināciju. Endokrīnā sistēma ar hormonu palīdzību kontrolē un regulē:

• enerģijas līmeni ķermenī;• reprodukciju;• homeostāzi (ķermeņa sistēmu iekšējo līdzsvaru);• augšanu un attīstību;• atbildes reakcijas uz apkārtējo vidi, stresu, ievainojumiem.

Hormonālā regulācija notiek pēc dažādu šūnu tipu hierarhijas principa. Hormonu sekrēciju no viena līmeņa endokrīnām šūnām stimulē ķīmiskie signāli no augstākas hierarhijas šūnām. Cilvēka organismā galvenais hormonālās aktivitātes koordinators ir hipotalamuss, kurš saņem signālus no centrālās nervu sistēmas.

Hormonu sekrēcija var būt arī kā atbildes signāls uz vietējiem apstākļiem, piemēram, dažādu ķīmisko vielu koncentrācijas izmaiņām.

Hormonus var iedalīt:• steroīdie hormoni – holesterola atvasinājumi. Regulē metabolismu, ūdens–sāļu līdzsvaru,

iekaisuma procesus, seksuālās funkcijas;• hormoni, kas atvasināti no aminoskābēm (piem., adrenalīns) – regulē dažus metabolisma

procesus (glikogēnolīzi, lipolīzi), gludo muskuļu darbību, asinsspiedienu, sirdsdarbību;• peptīdu hormoni – regulē ļoti daudzus procesus visos audos, kā arī citu hormonu

sekrēciju.Hormoni izraisa šūnas atbildes reakciju, pievienojoties specifiskiem iekššūnu vai šūnas membrānā

lokalizētiem receptoru proteīniem. Daudziem hormoniem, tai skaitā, peptīdu hormoniem, receptors ir lokalizēts plazmatiskajā

membrānā un atrodas uz šūnas virsmas. Receptora un hormona mijiedarbība parasti ieslēdz sekundāro procesu kaskādi šūnas citoplazmā. Šie sekundārie procesi bieži ietver citoplazmas proteīnu fosforilēšanu vai defosforilēšanu, jonu kanālu caurlaidības izmaiņas, kā arī specifisku iekššūnu molekulu (piem., cikliskais AMP) – tā saucamo sekundāro signālu pārnesēju jeb mesendžeru (secondary messengers) koncentrācijas izmaiņas. Daži peptīdu hormoni var iedarboties arī uz iekššūnu receptoriem citoplazmā vai šūnas kodolā.

Lielākajai daļai steroīdo hormonu receptori lokalizējas šūnu citoplazmā, un šiem hormoniem jāšķērso šūnu membrāna. Hormona-receptora komplekss pēc tam nokļūst šūnas kodolā, kur, piesaistoties specifiskām DNS sekvencēm, stimulē vai inhibē noteiktus gēnus, ietekmējot noteiktu

116

proteīnu biosintēzi. Hormonus, kas darbojas šūnas iekšienē, sauc par intrakrīniem hormoniem. Ir zināmi arī steroīdie hormoni, kuru receptori atrodas plazmatiskajā membrānā.

Peptīdu hormoni vispirms sintezējas neaktīvu prohormonu formā, kas uzkrājas speciālos šūnu sekrēcijas pūslīšos, kuri lokalizēti membrānā. Vajadzības gadījumā kā atbildes reakcija uz specifiskiem stimuliem šie prohormoni tiek aktivēti ar speciāliem fermentiem (endopeptidāzēm), veidojot hormonu aktīvo formu, un sekretēti no šūnas.

Receptoru tipi:• septiņu transmembrānu segmentu receptori – satur ekstracelulāro piesaistes vietu hormonam

un iekššūnu piesaistes vietu GTP saistošiem proteīniem (G proteīniem). G-proteīniem ir dažāda konformācija atkarībā no tā, vai tiem ir piesaistīts GTP vai GDP. Parasti piesaistīts GTP stabilizē aktīvo konformāciju;

• viena transmembrānu segmenta receptors – satur ekstracelulāro piesaistes vietu hormonam un iekššūnu katalītisko daļu;

• oligomērie jonu kanāli. Sekundārais mesendžers ir kalcija joni vai fosfatidīlinozīts.Signāla transdukcijas līmeņa svarīgs nosacījums ir hormona-receptora kompleksa efektīvā

koncentrācija. Šo koncentrāciju nosaka trīs faktori:• hormona molekulu daudzums, kas pieejams kompleksa veidošanai;• receptora molekulu daudzums, kas pieejams kompleksa veidošanai;• afinitāte starp hormonu un receptoru.

117

9. Bioloģiski aktīvās vielas pātikas produktos, to ietekme uz metabolismu

Pārtikas produkti satur dažādus bioloģiski aktīvus savienojumus, kas ietekmē organisma metabolismu. Viena no šo bioloģiski aktīvo vielu grupām ir vitamīni, kas jau tika apskatīti 3. nodaļā. Bez vitamīniem pārtikas produkti satur arī citas vielas, kas iedarbojas uz cilvēka metabolismu.

9.1. Kofeīns un tā metabolītiKofeīns ir ksantīna alkaloīda savienojums, kas sastopams tādos produktos kā kafija, tēja, guarana,

matē tēja. Kofeīns ir centrālo nervu sistēmu stimulējoša viela. Tas pilnība tiek absorbēts kuņģī un tievajā zarnā apmēram 45 minūšu laikā. Laiks, kurā organismā metabolizējas puse no uzņemtā kofeīna daudzuma, ir apmēram 4–5 stundas, un tas ir atkarīgs no vairākiem faktoriem – vecuma, aknu funkcionalitātes, kofeīna metabolismam nepieciešamā fermentu līmeņa aknās. Kofeīns tiek metabolizēts aknās ar citohroma P450 oksidāzes fermentu kompleksa palīdzību. Rezultātā veidojas trīs metabolisma produkti, kuriem katram piemīt bioķīmiska ietekme uz organismu.

• Paraksantīns (1,7-dimetilksantīns) veido apm. 84 % no kopējā metabolizētā kofeīna. Tas pastiprina lipolīzi, dodot palielinātu glicerola un brīvo taukskābju līmeni asins plazmā. Paraksantīns, tāpat kā kofeīns, ir centrālās nervu sistēmas stimulants. Cilvēka organismā tas darbojas kā neselektīvs, konkurējošs adenozīna receptoru inhibitors, kas paaugstina diastolisko asinsspiedienu un palielina epinefrīna (adrenalīna) līmeni asins plazmā. Paraksantīns atšķirībā no kofeīna darbojas kā Na+/K+ ATP-āzes aktivators, palielinot kālija jonu transportu muskuļu šūnās. Tas arī stimulē kalcija jonu koncentrācijas pieaugumu muskuļos.

• Teobromīns veido apm. 12 % no kopējā metabolizētā kofeīna. Tas paplašina asinsvadus un palielina urīna daudzumu. Teobromīnu satur arī tādi produkti kā kakao un šokolāde. Atšķirībā no kofeīna toebromīnam ir mazāka ietekme uz centrālo nervu sistēmu, bet lielāks efekts uz sirdsdarbības stimulēšanu. Teobromīns ir cAMP fosfodiesterāzes inhibitors, kas novēršo sekundārā mesendžera cAPM inaktivāciju. cAMP darbojas kā sekundārais mesendžers daudzās hormonu regulētās metaboliskās sistēmās (piem., glikogēnolīze). Aknās teobromīns tiek metabolizēts par metilksantīnu un tālāk par metilurīnskābi.

• Teofilīns veido apm. 4 % no kopējā metabolizētā kofeīna. Tas relaksē bronhu gludo muskulatūru un tiek izmantots astmas simptomu novēršanai. Tomēr medicīnā izmantojamās teofilīna devas ir daudz lielākas, nekā organismā iespējams rasties kofeīna metabolisma rezultātā. Galvenais teofilīna ietekmes mehānisms ir tā darbība kā adenozīna receptoru antagonistam.

Kofeīna darbība ietver vairākus mehānismus, ietekmējot gan receptorus un jonu kanālus šūnas membrānā, gan darbojoties šūnas iekšienē uz kalcija un cAMP metabolisma ceļiem. Smadzenēs tas darbojas kā adenozīna receptoru antagonists, piesaistoties receptoriem, bet neaktivējot tos. Rezultātā tas palielina neirotransmitera dopamīna aktivitāti, kas arī galvenokārt nosaka kofeīna stimulējošo efektu. Kofeīns arī palielina adrenalīna un serotonīna līmeni. Kofeīns ir arī cAMP fosfodiesterāzes konkurentais inhibitors. Bloķējot cAMP inaktivēšanu, tas pastiprina un paildzina adrenalīna darbību. cAMP koncentrācijas palielināšana parietālās kuņģa šūnās pastiprina proteīnkināzes A aktivāciju, kura savukārt aktivē H+/K+ ATP-āzi, pastiprinot kuņģa skābes sekrēciju.

Kofeīns izraisa iekššūnu kalcija izdalīšanos no endoplazmatiskā tīkla kalcija rezervēm.Jāatzīmē, ka pret kofeīna efektiem ātri veidojas tolerance.

118

Kofeīns

Teobromīns12%

Paraksantīns84%

Teofilīns4%

116. attēls. Kofeīns un tā metabolīti

9.2. Alkohola metabolismsNo alkoholiem (jeb spirtiem) attiecībā uz pārtiku būtu jāmin etanols, kuru satur gan stiprie, gan

vājie (alus, vīns, sidrs) alkoholiskie dzērieni. Nelielos daudzumos etanolu var saturēt arī specifiski saldumi un citi pārtikas produkti. Alus un vīns bieži tiek lietots kā piedeva pie ikdienas maltītes. Salīdzinājumā ar citiem spirtiem etanols ir relatīvi mazāk toksisks. Mazākā zināmā letālā deva cilvēkam ir 1400 mg/kg.

Alkohols ietekmē GABA (gamma-aminobutirāts) receptorus, dodot depresanta efektu. Tomēr, lai arī alkohols ir depresants, pie zemākām koncentrācijām tas var stimulēt noteiktas smadzeņu daļas. Alkohols pastiprina smadzeņu NDMA receptoru jutīgumu pret neirotransmiteru glutamātu. NDMA (N-metil-D-aspartāts) receptora aktivācija atver neselektīvu katjonu kanālu, kas ļauj Na+ un Ca+ joniem plūst iekšā šūnā un K+ joniem ārā no šūnas. NDMA receptoriem ir svarīga nozīme sinapses (savienojums starp diviem neironiem) stipruma izmaiņā. Tāpat kā kofeīna gadījumā, daudzi etanola efekti veidojas no mijiedarbības ar adenozīna receptoriem.

Alkohols stimulē insulīna veidošanos, tādējādi paātrinot glikozes metabolismu un samazinot cukura līmeni asinīs.

Viens no alkohola metabolisma ceļiem organismā norit ar alkoholdehidrogenāžu palīdzību. Alkoholdehidrogenāzes (ADH) ir fermentu grupa, kas katalizē alkoholu konversiju par aldehīdiem vai ketoniem. Šis process norisinās ar NAD+ reducēšanu par NADH. Ir četras alkoholdehidrogenāzes klases (I-IV). Cilvēka organismā galvenokārt tiek izmantota 1. klases alkoholdehidrogenāze, kas lokalizējas aknās. Etanola oksidācija par acetaldehīdu notiek pēc šāda reakcijas vienādojuma:

CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+

Ir pierādījumi, ka izmaiņas gēnos, kas kodē alkoholdehidrogenāzes, ir saistītas ar atkarību no alkohola alkoholisma gadījumā. Ja gēni kodē ADH2 un ADH3, kurām ir lēnāks alkohola metabolisma ātrums, eksistē palielināts alkoholisma risks.

Eksistē vēl divi citi etanola metabolisma ceļi, kas abi arī noved pie acetaldehīda veidošanās. Alkohols var tikt metabolizēts ar aknu šūnu endoplazmatiskā tīklā esošu fermentu, kas pazīstams kā citohroms P450.

CH3CH2OH + NADPH + O2 + H+→ CH3CH(OH)2 +NADP+ + H2OCH3CH(OH)2 → CH3CHO + H2O Trešais etanola metabolisma ceļš (nelielam etanola daudzumam) ietver aknās un citās šūnās esošo

katalāžu darbību, ja ir pieejams pietiekams ūdeņraža peroksīda daudzums. CH3CH2OH + H2O2 → CH3CHO + 2H2O

119

Liela alkohola patēriņa rezultātā radies NADH daudzums var novest pie triglicerīdu akumulācijas aknās – aknu aptaukošanās. Ilgstoša liela daudzuma alkohola un tauku uzņemšana līdz ar zemu proteīnu un ogļhidrātu patēriņu var radīt aknu cirozi.

Acetaldehīds ir toksiskāks par etanolu un ir atbildīgs par daudziem paģiru simptomiem.Acetaldehīds tiek izvadīts no organisma cita fermenta – acetaldehīddehidrogenāzes iedarbībā. Acetaldehīddehidrogenāzes ir fermenti, kas konvertē acetaldehīdu par etiķskābi:CH3CHO + NAD+ + CoA → acetyl-CoA + NADH + H+

Acetāts tālāk tiek konvertēts taukskābēs vai arī par CO2 un ūdeni.Mērenas alkohola devas labvēlīgi ietekmē HDL holesterola līmeni un samazina asinsspiedienu.

Lielas alkohola devas savukārt palielina asinsspiedienu. Otrs labvēlīgs nelielu alkohola devu efekts ir asins recēšanas samazināšanās, tādējādi samazinot

sirds asinsvadu slimību risku.Tomēr, neskatoties šiem veselībai pozitīviem mērenu etanola devu efektiem, jāņem vērā izteikti

negatīvais efekts uz aknu darbību, smadzeņu neironu darbību, ka arī pētījumi, kas pierāda, ka etanola metabolisma starpprodukts – acetaldehīds – palielina ļaundabīgo audzēju veidošanās risku.

9.3. Polifenolu antioksidantiPolifenoli ir augos sastopamas ķīmiskas vielas, kuru molekulā ir vairāk par vienu fenola grupu.

Polifenolus iedala hidrolizējamos tanīnos (glikozes un citu cukuru gallskābes esteri), fenilpropanoīdos (piem., lignīns), flavonoīdos un kondensētos tanīnos.

Daudzi polifenoli cilvēka organismā darbojas kā antioksidanti. Polifenolu antioksidantu galvenais avots ir pārtika. Tie ir sastopami pākšaugos, augļos un ogās (ābolos, dzērvenēs, vīnogās, bumbieros zemenēs u. c.), kā arī dārzeņos (kāpostos, sīpolos, brokoļos u. c.). Polifenolu antioksidantus satur arī sarkanvīns, šokolāde, zaļā tēja un daudzi graudaugi.

Polifenolu antioksidantu iedarbība izpaužas to spējā saistīt brīvos radikāļus un stimulēt metālu saistīšanos hellātu kompleksos.

Tie uzrāda antialerģiskas, pretiekaisuma, pretmikrobu un pretvēža aktivitātes. Tā, piemēram, resveratrols inhibē zīdītāju ļaundabīgo audzēju veidošanos un augšanu.

Pēdējo gadu pētījumi rāda, ka, lai gan flavonoīdi uzrāda augstas antioksidantu spējas laboratorijas apstākļos, cilvēka organismā tie tiek vāji absorbēti un ātri metabolizēti. Tas liecina, ka asins antioksidatīvās kapacitātes palielināšanos pēc flavanoīdu lietošanas uzturā neizraisa flavonoīdi tiešā veidā, bet šis process saistīts ar urīnskābes, kurai piemīt antioksidanta īpašības, līmeņa palielināšanos. Flavanoīdi inducē tā saucamos fāzes II fermentus, kas palīdz likvidēt mutagēnus un kancerogēnus. Flavonoīdi arī paaugstina slāpekļa oksīda sintāzes aktivēšanu, kura uztur asinsvadu veselību, novēršot iekaisuma procesus un pazeminot asinsspiedienu.

120

Epigallokatehīna gallāts

Resveratrols

Gallskābe

117. attēls. Dažu polifenolu antioksidantu ķīmiskā struktūra

9.4. Kancerogēnie savienojumi kūpinātos un grilētos produktosDaudzi no dūmu komponentiem darbojas kā konservanti. Fenolu savienojumi kūpinātos

pārtikas produktos darbojas kā antioksidanti un antimikrobiālas vielas. Kūpināti produkti var saturēt arī formaldehīdu, etiķskābi un citas organiskās skābes. Daži no dūmos esošiem ķīmiskajiem savienojumiem ir toksiski arī cilvēkiem. Kūpināti un uz grila cepti pārtikas produkti var saturēt policikliskos aromātiskos ogļūdeņražus, kas zināmi kā kancerogēnas vielas (piem., benzopirēns). Šie savienojumi cilvēka organismā tiek konvertēti par epoksīdiem, kuri izraisa DNS bojājumus. Citohroms P4501A1 vispirms oksidē benzopirēnu par virkni savienojumu, kas ietver arī benzopirēn- -7,8-epoksīdu. Benzopirēna-7,8-epoksīdu tālāk metabolizē epoksidhidrolāze, veidojot benzopirēn-7,8-dihidrodiolu. No šī savienojuma citohroma P4501A1 iedarbībā veidojas benzopirēn-7,8-dihidrodiol- -9,10-epoksīds, kas ir stiprs kancerogēns un kovalenti saistās pie DNS.

Tomēr neliela policiklisko aromātisko ogļūdeņraža koncentrācija pārtikas produktos obligāti nepadara tos kancerogēnus, jo gremošanas traktam ir pašaizsardzības sistēma. Gremošanas trakta ārējais slānis nepārtraukti tiek atjaunots. Bez tam zarnās ir paaugstināta citohroma P450 aktivitāte, kas metabolizē nelielus benzopirēna daudzumus, pirms tie nonāk asinsritē.

Benzopirēns Benzopirēn-7,8-dihidrodiol-9,10- epoksīds

118. attēls. Benzopirēns un tā metabolisma produkts

9.5. Bioloģiski aktīvās vielas melnajos un čili piparosMelnie pipari satur alkaloīdus piperīnu un havicīnu (piperīna izomērs), kuri ir atbildīgi par

piparu dedzinošo garšu. Čili piparos līdzīgu efektu dod kapsaicīns un tā atvasinājumi – kapsaicionīdi. Dedzinošo sajūtu rada šo vielu izraisīta TRPV jonu kanālu aktivācija sensoro nervu šūnās. Kapsaicīns izraisa neirotransmiteru izdalīšanos nervu šūnās, izsaucot to izsīkšanu un sāpju sajūtas bloķēšanu. Šis efekts ir īslaicīgs. Smadzenes, reaģējot uz kapsaicīna izraisīto karstuma sajūtu, paātrina sirds ritmu, pastiprina svīšanu un izdala endorfīnu.

121

Piperīns arī inhibē cilvēka CYP3A4 un P-glikoproteīnu – fermentus, kas ir svarīgi metabolītu transportā.

Piperīns Kapsaicīns

119. attēls. Melno un čili piparu alkaloīdi

Kapsaicīns uzrāda arī antioksidanta īpašības. Laboratorijas pētījumos kapsaicīns izraisa vēža šūnu apoptozi žurkām. Pētījumi arī rāda, ka, pievienojot čili piparus cilvēka diētai, LDL holesterols ir ilgāku laiku tolerants pret oksidāciju, samazinot galveno sirds-asinsvadu slimību risku. Čili piparu klātiene uzturā samazina insulīna daudzumu, kas nepieciešams cukura līmeņa samazināšanai asinīs.

Ir arī pētījumi, kas līdzās kapsaicīna pozitīvajai ietekmei uz organismu norāda uz zināmiem riskiem veselībai pārmērīgas čili piparu lietošanas gadījumā. Ir norādes uz kuņģa vēža riska palielināšanos saistībā ar lielu čili piparu patēriņu. Čili pipari var arī saasināt iekaisuma procesus.

122

Literatūra

Pamatliteratūra• Lehninger, A. et al. Principles of Biochemistry, 2005, 2000, 1993. Krievu val. 1974, 1986. • Metzler, D. Biochemistry. Harcourt Publishers, 2001, 2006.• Musil, J., Novakova, O., Kunz, K. Biochemistry in Shematic Perspective. Prague: Avicenum, Czechoslovak Medical

Press, 1980. Krievu val. 1981.• Stryer, L. Biochemistry. 4th ed., New York: W. H. Freeman and Company, 1995.

Papildliteratūra• Carafoli, E. Calcium Pump of the Plasma Membrane. Physiological Reviews 1991, 71, 129–153.• Heaney, R. P. Calcium, Dairy Products and Osteoporosis. J. Am. Coll. Nutr. 2000, 19 (2 Suppl), 83S–99S.• Jorgensen, P. L., Hakansson, K. O., Karlish, S. J. D. Structure and Mechanism of Na,K-ATPase: Functional Sites

and Their Interactions. Annu. Rev. Physiol. 2003, 65, 817–849.• Latchman, D. S. Transcription Factors: an Overview. Int. J. Biochem. Cell Biol. 1997, 29 (12), 1305–12. • Schroepfer, G. Sterol Biosynthesis. Annu. Rev. Biochem. 1981, 50, 585–621.• Ellison, R. C. Does Moderate Alcohol Consumption Prolong Life? New York: American Council on Science and

Health, 1993.

123

LU Akadēmiskais apgādsBaznīcas iela 5, Rīga, LV-1010

Tālrunis: 7034535