Биохимия крови

Внутренняя среда организма формируется совокупностью биологических жидкостей (кровь, лимфа, тканевая жидкость), омывающих клетки и структуры тканей. Эти жидкости функционально тесно взаимосвязаны, они постоянно обмениваются между собой клетками и молекулами.

Химический состав плазмы

Основные функции крови
Дыхательная -транспорт O2 от легких к тканям и CO2 наоборот
Выделительная - транспорт конечных метаболитов к органам выделения (почкам, легким, коже, потовым железам, ЖКТ) для удаления.
Защитная (иммунитет, гемостаз и др.)
Транспортная
Трофическая - транспорт пищевых субстратов и метаболитов, обеспечивающих основные жизненные потребности клетки
Регуляторная (КОС, водно-электролитный баланс, t°, метаболизма – транспорт БАВ и др.).
Интегративная (креативная)

Химический состав крови
Большую часть этих функций выполняют компоненты плазмы крови.
Плазма крови состоит на 90-93% из воды и 10-7%. сухого остатка – белки, углеводы, липиды,, органич. метаболиты и электролиты
Сухой остаток на 6,6-8,5% состоит из белков плазмы крови и 1,5-3,5% - органических метаболитов (углеводы, липиды, азотосодержащие продукты) и электролитов (Na+, K+, Ca2+ , Cl-, HCO3- и др.).
Водный и электролитный состав плазмы очень похож на состав др. внеклеточных биологических жидкостей.
Лабораторный мониторинг уровней Na+, K+, Са2+, Cl-, HCO3- и рН крови важны для оценки состояния метаболизма.

Характеристика белков плазмы крови
содержатся в плазме крови
синтезируются в печени или РЭС (реже в спец. тканях)
проявляют основную функцию в пределах сосудистой системы
секретируются в кровь, а не попадают в результате повреждения тканей
находятся в плазме в концентрации большей, чем в других биологических жидкостях
проявляют генетический полиморфизм, имеют вариантные формы, не связанные с тканевым происхождением
не являются продуктами катаболизма в плазме, но могут быть продуктами ограниченного протеолиза
имеют большее время биологического полураспада в плазме, чем время транспорта по крови.

Состав белков плазмы крови
В плазме обнаружено более 100 разных белков соответствующих этим критериям, содержание которых колеблется в широких пределах
Изучение их функций, содержания, состава при патологии — одна из важных задач клинической биохимии.
Уровень ~10 белков составляющих 90 %, и называемых главными достигает высоких значений (альбумин – 40 г/л).
Остальные 10 % минорные, следовые белки.
приходится свыше 100 различных белков, содержание которых может быть в пределах 50 – 200 мкг/л.

Электрофорез белков плазмы

Белковые фракции

Альбумин
69
β1-глобулин
90
ЛПВП
200
Фибриноген 340
γ-глобулин
156
ЛПНП
1,300
Относительные размеры и приблизительная молекулярная масса белков крови (kDa)
Hb 64,5

Альбумин
Мм 69 kDa
Единственная цепь иэ 580 АК, первичная структура известна
Форма сердца
50% α цепь [He & Carter, Nature, 358 209 (1992)]
Модель:
30 Å
80 Å

Функциональная классификация белков плазмы
Транспортная а. специф. Б. неспециф
Резервная ~ 50% альбумина
Регуляторная колл-осм давление (1гр альбумина связывает 17 мл воды)
Защитная а. гемостаз б. Ig, лизоцим и др,
в. связывание и транс токсинов

Остаточный азот
Все азотсодержащие вещества плазмы образуют общий пул азота, состоящий из:
Азота белкового – осаждаемого кислотами
Азота небелкового (остаточного) (ОА), представленного конечными продуктами обмена АК, ФЛ, АО, Амины и др. азотсодержащих в-в, которые остаются после осаждения белков

Состав ОА
Мочевина - 50% (главный компонент)
АК - 25% (~ 10% ГЛУ и ГЛН)
Ураты - 8%
Креатинин - 2.5%
NH3 и индикан - 0.5%
билирубин, нуклеотиды, биогенные амины, метаболиты АК, АО, холин, олигопептиды и др

Ds значение ОА
Уровень ОА зависит от:
Интенсивности катаболизма
Травмы (ожоги, краш-синдром)
Распад тканей (tbc, c-r, etc )
Гнойно-воспалит процессы
О радиационные травмы и др.
Питания
Кол-во белка, НК и др.
Экскреторной функции почек
ОПН, ХПН, др поражения почек
Нарушение кровообращения почек
ОА
крови
Экскреция с мочой
Обмен в-в
Диета

Азотемия - повышение уровня ОА в крови
Ретенционная – задержка компонентов ОА в организме из-за нарушения экскреторной функции почек
Почечная азот мочевины составляет 90% ОА крови (норма 50%) (ОПН, ХПН – отравления, травмы, гломерулонефриты, пиелонефриты и др поражения почек)
Внепочечная азотемия возникает при снижения почечного кровотока из-за недостаточности кровообращения, снижения АД (шок, коллапс, большая кровопотеря)
Продукционная – увеличение продукции ОА за счет катаболизма
Комбинированная

Общие понятия КОС
КОС – система гомеостаза рН внутри-
и внеклеточной среды организма.
Единицы измерения :рН = -lg [H+],
сдвиг рН: на 1ед соответствует 10 кратному изменению [H+]
на 2ед соответствует 100 кратному изменению [H+]
рН внутри клеток рНi ~ 6.9 – 7.0
рН вне клеток рНО =7.40±0.04 [H+] ~ 40 ±0.5 нМ/л
Кислоты – доноры H+
Основания – акцепторы H+
Щелочи - доноры ОН -
Буфер система состоит из слабой кислоты и ее соли, образованной сильным основанием, стабилизирует рН,

NB!
С одной стороны : стабильный рН необходимое условие нормального метаболизма
С другой : рН производное метаболизма

рН – производное метаболизма
За сутки организм hs образует 50-100 мМ [Н+] на 15-20л ВКЖ.
Весь метаболизм представлен гл. обр. обменом кислот (Г6Ф, ЖК, АК и др.):
Распад 100г Б дает ~ 30 мМ Н2SO4 и 100 мМ Н2РО4-
поэтому белковая пища «кислая»
Распад 100 г Л дает ~ 17 мМ Н2РО4- (ФЛ)
постоянно образуется ПВК, лактат, ацетат и др.
накопление оснований идет значительно меньше: ОН-, NH3, основных АК, креатинина и др, которые вместе с буферами стабилизируют рН

Стабильный рН - необходимое условие метаболизма
Изменение рН приводит к изменению:
заряда и функции белков (ферментов, каналов, рецепторов и др.), что обуславливает:
рН зависимость всех б/х реакций и многих физиологических процессов в организме
Наличие мощной гомеостатической системы
стабилизации рН

Оптимум рН разных ферментов

Изоосмолярность – осм. давление=310 осМ/л - const
любые изменения должны поддерживать эту константу
Электронейтральность – (по 155 мМ- катионов и анионов)
Постоянство рН
Принципы организации КОС

Диаграмма Гэмбла

Механизмы регуляции КОС
Физико-хим – действует в автоматическом режиме и представлен:
разбавлением т.е. выходом Н+ или др. иона из одного компартмента в др. (из клетки в МКЖ или наоборот)
активность буферных систем (см типы, мех-мы действия БС
Физиологические – функция экскреторных органов (выделение или задержка Н+ или др. иона ) – легкие, почки, ЖКТ и др.

Классификация нарушений КОС
рНО =7.40±0.04
рН = 7.35 и ниже – ацидоз
рН = 7.45 и выше – алкалоз
По этиологии:
Респираторный (дыхательный, газовый)
Метаболический
Выделительный
Смешанный
По степени компенсации:
Компенсированный
Декомпенсированный (выраженное истощение буферных систем и сдвиг значений рН)

Механизм развития респираторных нарушений КОС
Ацидоз
СО2 + Н2О Н2СО3 Н++ НСО3-
Алкалоз
Причины: изменение частоты дыхания (гипо- или гипервентиляция)

Межорганное взаимодействие в регуляции рН
Если этих респираторных механизмов недостаточно, то активируются др. экскреторные системы.
В печени снижение рН ингибирует биосинтез мочевины.
NH3 + HCO3- ---? мочевина
В почках – ацидо- и аммониогенез – подкисление мочи и одновременно «подщелачивание» крови (за счет поступления НСО3- в плазму). Детоксикация NH3 происходит путем аммониогенеза

Межорганное взаимодействие в регуляции рН (прод.)
Активация ГНГ ( органические к-ты превращаются в нейтральную глюкозу )
Цикл Кори (глюкозо-лактатный)
Цикл Фелига (глюкозо-аланиновый)

Эритропоэтин (Эпо)
Эпо – цитокин, специфический регулятор эритропоэза в костном мозге
Эпо человека – гликопротеид, состоит из 193 АК (ММ -21,28 kDa), синтезируется почками и печенью, скорость его секреции в кровоток возрастает при гипоксии.
Эпо взаимодействует в костном мозге с клетками-мишенями при участии рецептора со свойствами тирозинкиназы способствуя их пролиферации и дифференцировке Вторичный посредник и специфичные гены к настоящему времени не установлены.
Действие Эпо усиливается другими факторами (ИЛ-3 и ИПФР).
Рекомбинантный Эпо используется в лечении анемий.

Э общий обзор
Кол-во Э у мужчин - 4.6-6.2 млн/мкл крови, а у женщин - 4.2-5.4 млн/мкл. Общее количество Э в кровотоке ~2.5 x 1013.
Продолжительность жизни Э - 120 суток.
Ежедневно обновлняется ~1 % популяции Э кровеносного русла (200 млрд клеток или 2 млн/сек).
«Старые» Э разрушаются клетками РЭС (селезенка, костный мозг и печень). Образующиеся при распаде гема желчные пигменты выделяются, а Fe и АК глобина используются повторно.
Увеличение кол-ва Э в крови называют полицетемией, снижение – анемией.

Цитоскелет Э

Белки цитоскелета Э
α-спектрин
Спектрин
Анкирин
Полоса 3
Полоса 4.1
Полоса 4.2
Полоса 4.9
Актин

Белки Э
1. Часть белков Э явл общими для мембран и цитоскелета:
Спектрин
Анкирин
Актин
Фракция 4.1 и 7
2. ДФГА – 3ФГА ДГ- мембранный белок
3. Поверхностные белки в основном гликопротеиды

Структура цитоскелета Э
Большинство мембран Э - интегральные Б,
гликопротеиды.
Б без углеводной части находятся на внутренней поверхности мембраны:
Ферменты - 3ФГА ДГ,
структурные белки (спектрин или актин) и Hb.
анкирин 3 обеспечивает, связь спектрина с цитозольном концом белка полосы 3 с бислоем ФЛ
актиновые филаменты взаимодействуют с несколькими молекулами спектрина , формируя единую молекулярную сеть в мембране эритроцита.

Метаболизм глюкозы в Э
Абсолютно глюкозозависмые клетки
Инсулиннезависимый транспорт глюкозы
Гликолиз (90-95%) – образование АТФ
ПФП (10-5%) - образование NADPH (АОЗ)
Особенностью обмена в Э является боковой путь, ответвляющийся на уровне 1.3-ди ФГК (шунт Раппопорта).

Особенности метаболизма Э (шунт Раппопорта)

Мет Hb редуктазная система Э
Hb(Fe2+)
Met-Hb(Fe3+)
2 G-SH
G-S-S-G
NAD(P)H + H+
NAD(P)+
Мет Hb редуктаза
GSH-редуктаза
ПФП,
изоцитратДГ,
МДГ
Спонтанно, нитриты, нитраты, сульфаниламиды и др.

Структура Hb

Синтез порфобилиногена и гема
Первая реакция б/с гема происходит в Мх и происходит путем конденсации гли и сукцинил-КоА при участии пиридоксаль-фосфат содержащего фермента – синтазы d-аминолевулиновой кислоты (дАЛК).
Эта реакция регуляторная и скорость-лимитирующая в б/с гема
Из Мх дАЛК транспортируется в цитозол, где дАЛК дегидратаза (синтаза порфобилиногена) димеризует 2 молекулы дАЛК с образованием пиррольного кольца порфобилиногена

Б/с гема (∆АЛК) в Мх

Б/с гема (порфобилиноген)
в цитоплазме

Синтез гема (прод)
Затем конденсация (голова-хвост) 4-х молекул порфобилиногена с образованием линейного тетрапиррола –оксиметилбилана
(фермент порфобилиноген деаминаза (уропорфирин I синтаза)
Оксиметилбилан Уропорфириноген III и далее гем
(фермент уропорфириноген синтаза)

Б/с гема

Б/с гема (прод)

Uroporphyrinogen I
Coproporphyrinogen I
Overview of Heme Synthesis
Heme synthesis occurs in all cells due to the requirement for heme as a prosthetic group on enzymes and electron transport chain. By weight, the major locations of heme synthesis are the liver and the erythroid progenitor cells of the bone marrow.
Succinyl CoA + Glycine
δ-aminolevulinic acid
δ-aminolevulinic acid
Porphobilinogen
Uroporphyrinogen III
Coproporphyrinogen III
Coproporphyrinogen III
Protoporphyrinogen IX
Protoporphyrin IX
Heme
ALA synthase
cytoplasm
mitochondrial matrix

SH-содержащие ферменты - Феррохелатаза, синтаза дАЛК и дАЛК дегидратаза высокочувствительны к действию тяжелых металлов
Характерный признак для интоксикации Pb - возрастание в крови содержания дАЛК
Протопорфирин и Pb

Экспрессии субъединиц глобина

Кривая диссоциации HbО2

Распад гема
Ежедневный оборот Hb ~6 г/день.
Сроки жизни Э ~120 дней определяет система АОЗ, при снижении ее активности возрастает конц. MetHb активирующего в Э пероксидный стресс и гемолиз
Гем старых Э, цитохромов и др. гем-содержащих ферментов освобождаются в РЭС.
Глобин деградирует и АК реутилизируются
Fe3+ реутилизируется

Распад гема
Гем окисляется в ЭПС гем оксигеназой с разрывом цикла и образованием линейного тетрапиррола – биливердина, выделения Fe3+ и CO.
CO выделяется легкими и его количество отражает активность гем оксигеназы l.

Распад гема
Источники гема:
Нb эритроцитов
Гем-протеиды (миоглобин, каталаза, цитохромы ДЦ и др)
Гем-протеиды пищи

Образование билирубина
Следующий этап СН2 мост (между кольцами III и IV) биливердина восстанавливается биливердин редуктазой до билирубина, с соответствующим изменением цвета
Деградация гема отражается при прогрессирующем «цветении» гематом-синяков темно-синий →красно-желтый → желтый.
Билирубин гидрофобен поэтому транспортируется в виде комплекса с альбумином в печень, где подвергается дальнейшей деградации путем коньюгации с глюкуронидами.

Деградация гема
M= Метил, P=Пропионил V=Винил

Билирубин-диглюкуронид
В гепатоцитах УДФ-глюкуронил трансфераза присоединяет 2 остатка ГК к билирубину с образованием гидрофильного билирубина-диглюкуронида, что облегчает его экскрецию.
Билирубин и его метаболиты называются
желчными пигментами.

Most heme from RBCs (85%) - rest from turnover of cytochromes, p450s, immature erythrocytes.
RBCs last 120 days, degraded by reticuloendothelial system (RES) [liver and spleen].
Microsomal heme oxygenase hydroxylates methenyl bridge carbon and oxidizes Fe2+ to Fe3+. Second reaction open ring and release methenyl carbon as CO.
The resulting biliverdin is poorly soluble due to ring stacking and aggregation.
Serum albumin carries bilirubin in circulation, ligandin in hepatocytes.

Клинические аспекты метаболизма гема
представлены в виде:
Дефектов ферментов и нарушения б/с гема – порфирий, которые сопровождаются увеличением содержания в крови и моче интермедиатов б/с гема .
Врожденные и приобретенные нарушения метаболизма и экскреции билирубина – гипербилирубинемии (желтухи).

Желтухи
Гипербилирубинемия проявляется в виде желтух – желтой пигментации кожи и слизистых.
В норме в кишечнике билирубин при участии бактерий превращается в уробилиноген (мезобилиноген), который выделяется с фекалиями.
Билирубин и продукты его катаболизма называются желчными пигментами.

Нейтрофилы (гранулоциты) –полиморфноядерные лейкоциты:
обладают выраженной способностью к фагоцитозу,
Хорошо развитый, подвижный цитоскелет,
Активное Мх и Мс - окисление
Систему продукции NADPH (ПФП и др.)
Систему генерации АФК
Богаты гранулами (определяющие название), в состав которых входят гидролазы - протеазы: эластаза, коллагеназа или катепсин G и гликозидазы: лизоцим (мураминидаза), лизирующие бактерии

Фагоцит
4O2
2O2
H+
2H2O2
2H2O + O2
(pH↓)
Цитоплазма
4e-
Вакуоль
4K+
и/или
4H+
(pHнейтр)
(pH↑)
NADPH
оксидаза
Компенсаторный
обмен
Плазмалемма
Мембрана
Протонирование

«Кислородный взрыв» и генерация АФК
В течение минуты после фагоцитоза резко возрастает потребление O2 нейтрофилом «кислородный взрыв»
Образующиеся при этом АФК обладают выраженным бактерицидным действием.
Hampton M B et al. Blood 1998;92:3007-3017
NOS - NO-синтаза,
MPO – миелопероксидаза
ONOO- - пероксинитрит-анион.
HOCl – гипохлорная к-та

Структура тромбоцита
Тромбоцит имеет Мх (ЦТК, β-окисление ЖК, ДЦ).
Депо гликогена.
Субмембранные сократительные филаменты.
Электроноплотные гранулы содержащие АДФ, Са2+, серотонин.
Гранулы содержащие ФР, фибриноген, фибронектин, фактор V
Ионные каналы.

Тромбогенез
Под слоем эндотелия находится коллаген с факторами фон Виллебранда.
Связывание с ними вызывает активацию тромбоцитов.
Адгезия
Активация
Аггрегация
Повреждение
эндотелия

Аггрегация тромбоцитов
с помощью интегринов GPIIb/IIIa
Активация тромбоцитов – способность связываться с фибриногеном.
Активаторы – коллаген, АДФ, тромбин, тромбоксан A2, серотонин.
Активация
Аггрегация
Тромбоцит
Фибриноген
GPIIb/IIIa
Мегакариоцит

Адгезия тромбоцитов. Механизм активации
Связывание GPIa с коллагеном субэндотелиального слоя.
Связывание GPIb с ф. фон Виллебранда (vWF).
Экспонированный комплекс GPIIb/GPIIIa затем связывается с vWF и фибриногеном.
Marks, 2005
GP – гликопротеин

Регуляция аггрегации тромбоцитов. Ингибиторы
Активация тромбоцитов и секреция TxA2 и АДФ.
Ингибируют аггрегацию ацетилсалициловая кислота и ряд др. в-в.
TxA2

Патология
Синдром Бернара-Сулье (GP1b)
Болезнь Виллебранда (vWF)

Заключение
Защитные функции крови обеспечиваются лейкоцитами (нейтрофилами) и тромбоцитами.
Ферментативные процессы лежат в основе всех процессов.