БУДОВА І МЕТАБОЛІЗМ ГЕТЕРОПОЛІСАХАРИДІВ, ГЛІКО – І СФІНГОЛІПІДІВ

Методичні вказівки для самостійної

позааудиторної роботи студентів з теми №13:

“БУДОВА І МЕТАБОЛІЗМ ГЕТЕРОПОЛІСАХАРИДІВ,

ГЛІКО І СФІНГОЛІПІДІВ”

 

Актуальність теми: Глікозаміноглікани у складі протеогліканів входять до складу міжклітинної речовини сполучної тканини, містяться в кістках, синовіальній рідині. Один із представників – гепарин – має антизгортальну дію. Крім того гетероплісахариди покривають поверхню клітин, відіграють важливу роль в іонному обміні, імунних реакціях.

Тривалість заняття: 6 годин.

Навчальна мета:

Знати: структуру, метаболізм та біологічні функції основних представників гетерополісахаридів.

Вміти: провести діагностику основних порушень обміну гетерополісахаридів.

Засвоїти практичні навички: розв’язок клініко-ситуаційних завдань.

Базові знання

Дисципліна Отримані навички
Органічна хімія Будова основних представників класу вуглеводів та ліпідів

 

Контрольні питання:

1. Будова та класифікація гліколіпідів.

2. Будова, метаболізм та біологічна роль сфінгозину.

3. Спадкові ліпідози.

4. Структура і функції протеогліканів.

5. Гепарин: структура та функції.

6. Обмін протеогліканів.

7. Біохімічні аспекти розвитку мукополісахаридозів.

 

Конспект теми:

Гліколіпіди, як і сфінгофосфоліпіди, містять сфінгозин, а відрізняються відсутністю фосфорної кислоти й азотової основи та наявністю залишків вуглеводів. Розрізняють підгрупи гліколіпідів: цереброзиди і гангліозиди. Будову цереброзидів можна подати у вигляді схеми:

Жирна кислота–––Сфінгозин–––––О-гексоза

або

Церамід––––О-гексоза.

Гексозою найчастіше є галактоза. Вуглеводна частина може бути не тільки моносахаридом, але й олігосахаридом, який включає залишки галактози, глюкози, ацетильованих глюкозамінів і галактозамінів тощо.

Гліколіпіди є вуглеводними похідними церамідів.

Глікосфінголіпіди (галактозилцерамід та глюкозилцерамід) – основні ліпіди мієліну та мембран клітин інших тканин. Гліколіпіди беруть участь у міжклітинних взаємодіях, виконують функцію антигенів або рецепторну функцію.

Вуглеводна частина гліколіпідів мембран бере участь у розпізнаванні клітинами молекул й інших клітин. Так, глікоцераміди є антигенами А і В мембран еритроцитів. Велика кількість цереброзидів відкрита у мембранах нервових клітин. Вона характеризується специфічним набором жирних кислот: лігноцеринова, нервонова, церебронова. Частина моносахаридів у цереброзидах мозку сульфатована, тобто до одного з гідроксилів приєднаний залишок сульфатної кислоти.

Гангліозиди за будовою аналогічні до цереброзидів, але їх олігосахаридний ланцюг обов’язково включає один або декілька залишків N-ацетилнейрамінової кислоти. Гангліозиди містяться переважно в сірій речовині мозку, в плазматичній мембрані нервових і гліальних клітин. Гангліозидом є рецептор токсину холери в кишечнику. Його структура:

 

Сфінгозин–––Глюкоза–––Галактоза––––N-ацетилгалактозамін––Галактоза

↓                                           ↓

Жирна кислота             N-ацетилнейрамінова

кислота

Сфінголіпіди – це складні ліпіди, утворені на основі двохатомного ненасиченого аміноспирту сфінгозину та вищих жирних кислот. Ці ліпіди виконують структурну функцію – входять до складу клітинних мембран, в основному нервової системи. Їх поділяють на фосфосфінголіпіди (сфінгомієліни) та глікосфінголіпіди.

Сфінгозин

Сфінгомієлін

Сфінгозин синтезується в ендоплазматичному ретикулумі з амінокислоти серину, активованої піридоксальфосфатом, і пальмітил-КоА з утворенням 3-кетосфінганіну. Сфінгозин утворюється за участі двох послідовних окисно-відновних реакцій, які каталізують 3-кетосфінганінредуктаза та сфінганінредуктаза.

Жирна кислота приєднується до сфінгозину в N-положенні, утворюючи N-ацилсфінгозин – церамід. Церамід є попередником у синтезі фосфо- та глікосфінголіпідів.

Фосфосфінголіпід сфінгомієлін утворюється при взаємодії цераміду з ЦДФ-холіном.

Галактозилцерамід синтезується з цераміду та УДФ-галактози. УДФ-галактоза утворюється з УДФ-глюкози за участі ферменту уридиндифосфогалактозоепімерази.

Сульфогалактозилцерамід утворюється в реакції галактозилцераміду з фосфоаденозинфосфосульфатом (ФАФС, “активний сульфат”).

Гангліозиди синтезуються з цераміду послідовним приєднанням активованих моносахаридів і однієї з сіалових кислот, наприклад, N-ацетилнейрамінової кислоти.

Спадкові ліпідози, або хвороби жирового нагромадження, зумовлені відсутністю або зниженням активності специфічних лізосомальних катаболічних ферментів, необхідних для розщеплення ліпідних і гліколіпідних комплексів. Ліпіди поступово відкладаються в уражених тканинах, викликають їх руйнування.

Хвороби нагромадження ліпідів генетично зумовлені. Захворювання проявляється переважно у грудному віці. Деякі спадкові ліпідози подані у таблиці.

Катаболізм сфінголіпідів відбувається за участі лізосомальних ферментів. Спадкові захворювання, які пов’язані з недостатністю ферментів катаболізму сфінголіпідів, називаються сфінголіпідозами, які належать до родини лізосомальних хвороб і проявляються у ранньому дитячому віці. Хвороби супроводжуються накопиченням у тканинах складних ліпідів, структурним компонентом яких є церамід, розумовою відсталістю тощо.

Сфінголіпідози:

Глюкоцереброзидоз або хвороба Гоше (дефіцит бета-глюкозидази) супроводжується накопиченням гліколіпідів у клітинах РЕС, прогресуючою розумовою відсталістю, поступовою втратою слуху та зору.

Лейкодистрофія, галактоцереброзидоз, сульфацидоз тощо (дефіцит цереброзидсульфатази, сульфатази).

Гангліозидози або хвороба Тея-Сакса (дефіцит бета-N-ацетил-гексазамінідази, бета-галактозидази) супроводжується розумовою та фізичною відсталістю, сліпотою, неврологічними розладами, макроцефалією, зумовленими аномальним накопиченням гангліозидів у клітинах головного мозку (в 100-300 разів більше норми). Смерть наступає у 3-4-річному віці. Найвища частота захворюваності в етнічних євреїв (в популяції єврейського населення США частота 1:3600 новонароджених).

Сфінгомієліноз або хвороба Німанна-Піка (дефіцит сфінгомієлінази) характеризується накопиченням сфінгомієлінів у клітинах РЕС, головного мозку, кісткового мозку, печінки та інших внутрішніх органів, що призводить до затримки психічного розвитку та смерті в ранньому дитячому віці.

Церамідоліпогексозидоз або хвороба Фабрі (дефіцит бета-галактозидази) особливо виражений у чоловіків, розвивається в зрілому віці. У пацієнтів ушкоджені нирки (протеїнурія, уреміяє, артеріальна гіпертензія ниркового характеру) і серцево-судинної системи (стенокардія, інфаркт міокарду), ангіокератоми симетрично розміщені на стегнах, стопах, спині, сідницях. Смерть може настати від ниркової недостатності.

 

 

СТРУКТУРА І ФУНКЦІЇ ПРОТЕОГЛІКАНІВ

Основну міжклітинну речовину сполучної тканини утворюють протеоглікани, що складаються з невеликої білкової частини до якої ковалентними зв’язками приєднані полісахаридні ланцюги (декілька десятків, а інколи більше 100). Молекулярна маса протеогліканів може досягати десятків мільйонів. На відміну від глікопротеїнів, у протеогліканах основна частина маси припадає на вуглеводну частину (до 93-97 %).

Глікозаміноглікани (або кислі мукополісахариди) – це полісахариди, які побудовані з великої кількості однакових дисахаридних одиниць. Оскільки до складу дисахаридних одиниць входять два різні мономери, глікозаміноглікани відносяться до гетерополісахаридів. Звичайно дисахаридна одиниця складається з аміноцукру (N-ацетилглюкозаміну чи N-ацетилгалактозаміну) й уронової кислоти (глюкуронової чи ідуронової). До аміноцукрів в 4-чи 6-му положенні часто приєднаний залишок сульфату.

Відомі 7 типів глікозаміногліканів (табл.), які відрізняються за мономерами, типом глікозидних зв’язків, а також за кількістю і місцем приєднання сульфатних груп. На рис. показаний, як приклад, фрагмент гіалуронової кислоти. До складу кератансульфату замість уронової кислоти входить галактоза. Із усіх типів тільки гіалуронова кислота не містить залишків сульфатів. У гепарині частина глюкозамінних залишків містить N-сульфатні групи, а не N-ацетильні. Гепарансульфат має менше, ніж гепарин, N- і О-сульфатних груп. Крім того, в гепарансульфаті переважає глюкуронова кислота, а в гепарині – ідуронова.

Желеподібна структура розчину гіалуронової кислоти забезпечує функцію синовіальної рідини у суглобах як мастила, що зменшує тертя суглобових поверхонь. В’язкість синовіальної рідини у пацієнтів з ревматизмом чи артритом низька, що пов’язано з деполімеризацією гіалуронової кислоти.

 

Таблиця. Структура глікозаміногліканів

Тип

Уронова кислота

Аміноцукор

Зв’язок між дисахаридними одиницями у дисахаридній одиниці

Гіалуронова кислота

глюкуронова N-ацетилглюкозамін Р0->3) Р(1-й)

Хондроїтин-4-сульфат

глюкуронова N-ацетилгалактозамін-4-сульфат Р(1->3) p(l-vf)

Хондроітин-6-сульфат

глюкуронова N-ацетилгалактозамін-6-сульфат Р0-+3) Р(1-*4)

Дерматан-сульфат

ідуронова N-ацетилгалактозамін-4-сульфат а(1->3) Р(1-й)

Кератан-сульфат

галактоза N-ацетилглюкозамін-6-сульфат Р(І-И) Р(1->3)

Гепаран-сульфат

глюкороніл-2-сульфат, ідуроніл-2-сульфат N-ацетилглюкозамін-6-сульфат а(1-И) а(1->4)

Гепарин

глюкороніл-2-сульфат, ідуроніл-2-сульфат N-ацетилглюкозамін-6-сульфат а(1-»4) а(1->4)

 

Кількість дисахаридних одиниць і, відповідно, молекулярна маса різних глікозаміногліканів різна. Найбільші молекули гіалуронової кислоти. Завдяки наявності негативно заряджених при фізіологічних значеннях рН карбоксильних груп і сульфогруп усі глікозаміноглікани є поліаніонами, що має важливе значення для їх функцій. Зокрема, вони зв’язують та утримують катіони натрію. Глікозаміноглікани добре розчинні у воді з утворенням в’язких розчинів. Величина в’язкості залежить від форми і розмірів молекул. Найбільша в’язкість характерна для розчинів гіалуронової кислоти, довгі ланцюги якої укладаються неупорядкованим чином і займають великий простір, заповнений, в основному, молекулами води. Високий вміст гіалуронової кислоти знайдено в склоподібному тілі ока, слизовій тканині пупкового канатика зародка, синовіальній рідині.

 

Рис. Дисахаридні одиниці в молекулі гіалуронової кислоти:

1- залишок D-глюкуронової кислоти; 2 – залишок N-ацетилглюкозаміну.

 

ГЕПАРИН відрізняється від інших глікозаміногліканів за локалізацією в тканинах та функціями.

Синтезується він тканинними базофілами (інакше огрядними клітинами) і знаходиться в гранулах. Ці клітини часто локалізуються за ходом кровоносних судин мікроциркуляторного русла. Під час дегрануляції тканинні базофіли викидають гепарин у міжклітинний простір. Гепарин бере участь в регулюванні коагуляції крові. Він підвищує звільнення в плазму ферменту ліпопротеїнліпази, зв’язаної з стінками капілярів, і, таким чином, сприяє гідролізу тригліцеридів хіломікронів і ЛПДНГ. Антикоагуляційний ефект гепарину полягає в посиленні дії інгібітора факторів коагуляції антитромбіну III. Гепарин використовується в клінічній практиці як антикоагулянт.

Основну міжклітинну речовину складають протеогліканові агрегати з гіалуронової кислоти, низькомолекулярних білків і великої кількості мономерних субодиниць протеогліканів. На частку останніх припадає до 99% маси агрегатів. Мономери протеогліканів побудовані з білка (так званого “корового”) і ковалентно зв’язаних із ним полісахаридних ланцюгів сульфатованих глікозаміногліканів. Молекули хондроїтинсульфатів приєднані О-глікозидним зв’язком між ксилозою і серином поліпептидного ланцюга. Ксилоза не входить до дисахаридних одиниць, а виконує функцію додаткового складника, який зв’язує полісахарид із білком. Інші глікозаміноглікани можуть приєднуватись глікозидними зв’язками між N-ацетилглюкозаміном чи N-ацетилгалактозаміном і серином чи аспарагіном поліпептиду. В типовому протеоглікані хрящової тканини до білка приєднано приблизно 150 молекул хондроїтинсульфатів і кератансульфатів. Протеоглікани різних тканин (шкіри, хрящів, сухожиль, зв’язок, кісток, стінок судин, внутрішніх органів) розрізняються молекулярною масою, розмірами, набором глікозаміногліканів, відносним вмістом білка.

Протеогліканові мономери за допомогою низькомолекулярних білків нековалентно приєднуються до гіалуронової кислоти, утворюючи протеогліканові агрегати. Їх структура нагадує гілочку ялини (або щітку для пляшок). Перпендикулярно до нитки гіалуронової кислоти і вздовж усієї нитки рівномірно розміщені протеогліканові мономери. Довжина молекули гіалуронової кислоти може бути різною (від 450 до 4200 нм) і до неї може приєднуватись понад 100 протеогліканових мономерів. Усі складники протеогліканових агрегатів утримуються разом зв’язками різних типів: іонними, водневими, дисульфідними.

 

Рис. Будова протеоглікану хрящової тканини (А) і комплексів їх з гіалуроновою кислотою (Б): 1 – білок; 2 – хондроїтинсульфати; 3 – кератансульфати; 4 – олігосахариди.

 

 

 

Полісахаридні ланцюги глікозаміногліканів у протеогліканових агрегатах внаслідок гідратації і відштовхування однойменно заряджених груп витягнуті й розміщені не впритул один до одного. При зовнішньому тиску молекули води частково видавлюються з проміжків і полісахаридні ланцюги зближуються. У міру зближення опір тиску зростає, а при знятті тиску відновлюються форма і об’єм гідратованих агрегатів. Таким чином, якщо колагенові волокна надають міцності хрящам та іншим різновидам сполучної тканини, то основна міжклітинна речовина (желеподібна структура із протеогліканів) забезпечує тургор, пружно-еластичні властивості. Крім того, протеоглікани обмежують дифузію, переміщення через сполучну тканину молекул, які мають розміри альбумінів чи імуноґлобулінів. Гідроліз гіалуронової кислоти під дією гіалуронідази збільшує проникність міжклітинної речовини. Багато патогенних мікроорганізмів виділяють гіалуронідазу, що допомагає їм рухатись у тканинах.

Із віком у хрящовій тканині знижується кількість протеогліканів, зростає вміст колагенових волокон, які можуть затримувати солі кальцію і звапнюватися. Усі ці зміни викликають зменшення ступеня гідратації протеогліканів і втрату пружності хрящової тканини.

ОБМІН ПРОТЕОГЛІКАНІВ

Синтез протеогліканів подібний до синтезу глікопротеїнів. Спочатку “коровий” білок синтезується на рибосомах, зв’язаних з ендоплазматичним ретикулом (ЕР). До поліпептидного ланцюга в ЕР послідовно під дією специфічних глікозилтрансфераз приєднуються моносахаридні залишки. Процес продовжується в апараті Гольджі. Після утворення полісахаридного ланцюга певної довжини відбувається приєднання залишків сірчаної кислоти до моносахаридів. Реакція каталізується сульфотрансферазами, а донором служить 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат (ФАФС). Молекули протеогліканів потрапляють у гранули і секретуються з клітин. У міжклітинному просторі відбувається об’єднання складників протеогліканових агрегатів, а також взаємодія їх із колагеновими волокнами.

На обмін протеогліканів і колагену в сполучній тканині впливають ряд гормонів. Так, гормон росту стимулює синтез протеогліканів і колагену. Дія його опосередковується соматомединами. Синтез глікозаміногліканів знижується при недостатності інсуліну. Глюкокортикоїди пригнічують синтез протеогліканів і колагену у сполучній тканині, кістках, шкірі, а також підвищують катаболізм білків у цих тканинах. Тому при гіперфункції кори надниркових залоз спостерігаються стоншення шкіри та кровоносних судин, остеопороз. На клітинному рівні гормон росту стимулює проліферацію фібробластів, а глюкокортикоїди гальмують.

У тканинах організму протеоглікани постійно оновлюються. Розпад відбувається в лізосомах, куди протеоглікани потрапляють шляхом ендоцитозу. Білкова частина розщеплюється катепсинами, а вуглеводна – специфічними глікозидазами. Гіалуронідаза ссавців гідролізує β-1,4-глікозидні зв’язки між дисахаридними одиницями в гіалуроновій кислоті, а також у хондроїтинсульфатах, з утворенням тетрасахаридів, які під дією інших глікозидаз розпадаються до моносахаридів. Від сульфатованих моносахаридів спочатку усувається під дією сульфатаз сульфат.

Рис. Розпад хондроїтинсульфату під дією лізосомальних глікозидаз.

ГлюК – глюкуронова кислота; ГалNAц – N-ацеталгалактозамін.

 

Генетично зумовлена недостатність навіть однієї лізосомальної глікозидази викликає аномальне накопичення в клітинах субстратів і виникнення багатьох клінічних ознак. Продукти неповного розщеплення глікозаміногліканів у підвищеній кількості виводяться з сечею. Ці спадкові хвороби називаються мукополісахаридозами. Відомо понад 8 типів мукополісахаридозів із різними клінічними ознаками: малорухомі суглоби, деформації скелета, мутна рогівка ока, низький ріст, затримка розумового розвитку. Діагностика окремих типів грунтується на ідентифікації метаболітів у сечі та виявленні дефектів ферментів у культурі фібробластів. Мукополісахаридози можна діагностувати і під час вагітності шляхом визначення активності відповідних ферментів у клітинах амніотичної рідини. Розробляють методи замінної терапії мукополісахаридозів ферментами.

 

 

 

 

 

 

Табл. Мукополісахаридози

Тип

Назва синдрому

Відсутній фермент

Метаболіти в сечі

І-Н Гурлера a-L-ідуронідаза дерматансульфат,       гепарансульфат
I-S Шейе
II Гунтера ідуронатсульфатаза
ІІІ Сан-Філіппо

(декілька

підтипів)

гепарансульфатаза,

N-ацетилглюкозамінідаза,

N-ацетилтрансфераза,

N-ацетилглюкозамін-6-сульфатаза

гепарансульфат
IV Моркіо N-ацетилглюкозамін-6-сульфатаза кератансульфат
VI Марото-Ламі N-ацетилгалактозамінсульфатаза (арилсульфатаза В) дерматансульфат
VII Слайя β-глюкуронідаза гепарансульфат, хондроїтинсульфат
VIII Ді Ферранте  глюкозамін-6-сульфатаза гепарансульфат, кератансульфат

Матеріали для самоконтролю:

  1. Гліцерофосфоліпіди – це клас складних ліпідів, що складаються з залишків гліцерину, ненасиченої та насиченої вищих жирних кислот, фосфорної кислоти та аміноспирту. Вони виконують важливу функцію, а саме:

А. Формують біомембран;            В. Енергетичну функцію;              С. Транспортну функцію;         D. Утворюють депо жирів;               Е. Регуляторну функцію.

  1. Сфінголіпіди – це складні ліпіди, які є складними ефірами багатоатомного спирту сфінгозину та вищих жирних кислот, включаючи також залишки холіну і фосфорної кислоти. Сфінголіпіди присутні в організмі людини у складі переважно:

А. Нервової тканини;    В. Плазми крові;    С. Скелетних м’язів;      D. Печінки;            Е. Сполучної тканини.

  1. У сироватці крові пацієнта встановлено підвищення активності гіалуронідази. Визначення якого біохімічного показника сироватки крові дасть змогу підтвердити припущення про патологію сполучної тканини?

А. сіалових кислот;          В. білірубіну;              С. сечової кислоти;

D. галактози;                   Е. глюкози.

  1. Глікозаміноглікани хондроїтинсульфати мають виняткове значення для формування сполучної тканини. Ці гетерополісахариди утворені залишками:

А. Галактози та галактозаміну;    В. Глюкуронової кислоти та ацетилглюкозаміну; С. Галактози та сульфатованої глюкуронової кислоти; D. Глюкуронової кислоти та сульфатованого М-ацетилгалактозаміну;         Е. Глюкози та фруктози.

  1. У сироватці крові пацієнта виявлено підвищення концентрації оксипроліну, сіалових кислот, С-реактивного білка. Загострення якої патології спостерігається?

А. ревматизм;              В. бронхіт;                 С. гепатит;

D. ентероколіт;                 Е. гломерулонефрит.

  1. Нервова тканина крім води та білків містить значну кількість простих та складних ліпідів (30-70 %). До глікосфінголіпідів нервової тканини належать такі сполуки:

А. Цереброзиди та гангліозиди;          В. Гіалуронова кислота;         С. Фосфоінозитиди;  D. Стериди та цериди; Е. Гліцерофосфоліпіди.

  1. Вуглеводна частина гліколіпідів мембран бере участь у розпізнавані клітинами молекул та інших клітин. Яка гексоза найчастіше входить до складу цереброзидів?

А. галактоза;     В. маноза;    С. фруктоза;    D. глюкоза;    Е. гулоза.

  1. У дитини віком 1 рік 2 місяці виявлено затримку росту, деформацію вушних раковин, обмеження рухів у суглобах та дифузна м’язова гіпотонія. Яке захворювання можна запідозрити?

А. мукополісахаридоз;        В. глікозидоз;         С. хвороба Дауна;    D. м’язова дистрофія Дюшена;    Е. хвороба Німана-Піка.

  1. У печінці синтезується основна кількість фосфоліпідів, які використовуються як самою печінкою так й іншими тканинами. Назвіть транспортну форму фосфоліпідів:

А. αліпопротеїни;    В. β-ліпопротеїни;      С. хіломікрони;

D. пре-β-ліпопротеїни;        Е. альбуміни.

  1. Порушення процесів мієлінізації нервових волокон призводить до неврологічних розладів та розумової відсталості. Такі симптоми характерні для спадкових та набутих порушень обміну:

А. сфінголіпідів;     В. холестерину;     С. триацилгліцеролів;

D. ліпопротеїнів;          Е. колагену.

  1. В експерименті показано, що амфіфільні властивості гліцерофосфоліпідів визначають їх важливу роль в побудові клітинних мембран. Який із компонентів цих ліпідів зумовлює їх гідрофільність?

А. холін;              В. гліцерин;                  С. сфінгозин;   

D. ненасичені жирні кислоти;               Е. насичені жирні кислоти.

 

Рекомендована література:

1.Губський Ю.І. Біологічна хімія. – Київ-Тернопіль, 2007. – С. 65-71, 263-266.

2.Гонський Я.І., Максимчук Т.П., Калинський М.І.. Біохімія людини. – Тернопіль: Укрмедкнига,  2002. – С. 355, 607-608, 655-668.

3.Клінічна біохімія/ За редакцією проф. О.Я. Склярова. – К.: Медицина, 2006.-С.96-97, 321.

4.Мещишен І.Ф., Пішак В.П., Григор’єва Н.П. Основи обміну речовин та енергії. – Чернівці: Медуніверситет, 2010.-С. 74-75.

 

ЗАВАНТАЖИТИ

Для скачування файлів необхідно або Зареєструватись

БУДОВА І МЕТАБОЛІЗМ ГЕТЕРОПОЛІСАХАРИДІВ, ГЛІКО – І СФІНГОЛІПІДІВ (163.1 KiB, Завантажень: 0)

завантаження...
WordPress: 22.89MB | MySQL:26 | 0,357sec