Лекция № 7: Биологически
активные вещества.
«Клей и ножницы» - выражение,
характеризующее литературные
произведения, построенные на
беззастенчивых заимствованиях,
скроенные их чужого материала ...
Лессинг, Письма в новейшей литературе
Письмо семнадцатое, 1759 г.
И. БАР белковой природы - гормоны, ферменты.
ИИ. БАР небелковой природы - стероидные гормоны, витамины, нуклеиновые кислоты алкалоиды, фитонциды.
Биологически активные вещества являются катализаторами химических реакций живых систем, то есть в случае синтеза соединений они могут выступать в роли «вещества склеивающей», а в случае расщепления соединения в роли «ножниц (рис. 2)».
Гормоны.
Гормон (греч. Ορμόνη) - это биологически активное химическое вещество, выделяемое эндокринными железами непосредственно в кровь и воздействует на определенные органы и ткани-мишени или на организм в целом. Гормоны являются гуморальными (те которые переносятся с кровью) регуляторами определенных процессов в определенных органах и системах.
Существуют и другие определения, согласно которым трактовка понятия гормон шире: «сигнальные химические вещества, вырабатываемые клетками тела и влияющие на клетки других частей тела». Это определение является предпочтительным, поскольку оно охватывает многие вещества, которые традиционно относят к гормонам: гормоны животных, которые лишены кровеносной системы например, экдизон круглых червей, гормоны позвоночных, которые производятся не в эндокринных железах (простагландины, эритропоэтины т.д.), а также гормоны растений .
Когда гормон, находящийся в крови, достигает клетки-мишени, он вступает во взаимодействие со специфическими рецепторами; рецепторы «прочитывают послания» организма, и в клетке начинают происходить определенные изменения. Каждом конкретном гормона отвечают исключительно «свои» рецепторы, которые находятся в конкретных органах и тканях, - только при взаимодействии гормона с ними образуется гормон-рецепторный комплекс.
По наработки гормонов соответствуют эндокринных желез (от эндо ... и греч. Krind - отделяю, выделяю) (далее Е.З.), железы внутренней секреции Специализированные органы позвоночных и некоторых беспозвоночных, которые производят и выделяют непосредственно в кровь или гемолимфу гормоны. У позвоночных к Э. с. относятся гипофиз, эпифиз, щитовидная железа, паращитовидные железы, надпочечники, а также железы, сочетающие синтез гормонов с неэндокринных функциями, - поджелудочная железа, семенники, яичники, тимус, плацента.
Специализированные клетки, способные выделять в кровь гормоны или подобные им биологично активные вещества, содержащие некоторые органы, обычно не относимые к Е. с .: сердце, желудок, кишечник, слюнные железы, почки. Для Э. з. характерный обильное кровоснабжение, что обеспечивает быстрое поступление гормонов в кровь и доставку их с кровью к органам и тканям, на которые они оказывают специфична регуляторное воздействие. У высших животных и человека Э. з. находятся "в тесном функциональной взаимозависимости, составляя целостную эндокринную систему, осуществляющую гормональную регуляцию всех основных процессов жизнедеятельности. Эндокринная система функционирует под контролем нервной системы, связующим звеном между ними служит гипоталамус. Нарушение функции Э. з. может приводить к тяжелым заболеваниям, которые называются эндокринными.
Гормоны белковой природы
К таким относятся окситоцин и вазопрессин, которые продуцируют клетки эпифиза, адреналин, который продуцирующие клетки коры надпочечников, соматотропин, который производит гипофиз и др.
Стероидных гормонов,
Группа физиологически активных веществ стероидной природы (половые гормоны, прогестины, кортикостероиды) (далее С.), регулирующих процессы жизнедеятельности у животных и человека. У позвоночных С. г. синтезируются из холестерина в коре надпочечников клеток, Лейдига, семенники, в фолликулах и желтом теле яичников, а также в плаценте. Гормональная форма витамина D3 достраивается с экзогенного витамина в печени и почках. Характерная особенность синтеза С. г.- ряд последовательно протекая процессов гидроксилирования молекул стероидов, происходящих в митохондриях и микросомах. Эти процессы осуществляются спец. ферментами клеток из класса гидролаз или оксидазы смешанного типа. С. г. содержатся в составе липидных капель в цитоплазме в свободном виде. В связи с высокой липофильностью стероидов С. г. относительно свободно диффундируют через плазматические мембраны в кровь (не накапливаясь в продуцирующих клетках), а затем проникают в клетки-мишени.
Свойства гормонов.
1. имеют сильную регулирующее воздействие на метаболизм в очень маленьких концентрациях.
2. действуют дистанционно - далеко в организме от места образования.
3. имеют короткий срок существования в организме.
Механизмы действия гормонов могут быть разными. Одну из групп составляют гормоны, которые соединяются с рецепторами, находящимися внутри клеток, - как правило, в цитоплазме. К ним относятся гормоны с липофильными свойствами - например, стероидные гормоны (половые гормоны, глюко- и минералокортикоиды), а также гормоны щитовидной железы. Будучи жирорастворимыми, эти гормоны легко проникают через клеточную мембрану и начинают взаимодействовать с рецепторами в цитоплазме или ядре. Они слабо растворимые в воде, при транспортировке по крови связываются с белками-носителями.
Считается, что в этой группе гормонов гормон-рецепторный комплекс выполняет роль своеобразного внутриклеточного реле - образовавшись в клетке, он начинает взаимодействовать с хроматином, который находится в клеточных ядрах и состоит из ДНК и белка, и тем самым ускоряет или замедляет работу тех или других генов. Избирательно воздействуя на конкретный ген, гормон изменяет концентрацию соответствующей РНК и белка, и вместе с тем корректирует процессы метаболизма.
Биологический результат действия каждого гормона весьма специфичен. Хотя в клетке-мишени гормоны изменяют обычно менее 1% белков и РНК, этого оказывается вполне достаточно для получения соответствующего физиологического эффекта.
Большинство других гормонов характеризуются тремя особенностями:
они растворяются в воде
не будут связаны с белками носителями;
начинают гормональный процесс, как только соединяются с рецептором, который может находиться в ядре клетки, ее цитоплазме или располагаться на поверхности плазматической мембраны.
В механизме действия гормон-рецепторного комплекса таких гормонов обязательно участвуют посредники, которые индуцируют ответ клетки. Важнейшие из таких посредников - цАМФ (циклический аденозинмонофосфат), инозитолтрифосфат, ионы кальция.
Так, в среде, лишенной ионов кальция, или в клетках с недостаточной их количеством, действие многих гормонов ослабляется; при применении веществ, увеличивающих внутриклеточную концентрацию кальция, возникают эффекты, идентичные действия некоторых гормонов.
Участие ионов кальция, как посредника обеспечивает воздействие на клетки таких гормонов, как вазопрессин и катехоламины.
Однако есть гормоны, внутриклеточного посредника которых до сих пор не обнаружено. Из наиболее известных таких гормонов можно назвать инсулин, у которого на роль посредника предлагали цАМФ и цГМФ, а также ионы кальция и даже перекись водорода, но убедительных доказательств в пользу какой-либо одного вещества нет. Многие исследователи считают, что в таком случае посредниками могут выступать химические соединения, структура которых полностью отличается от структуры уже известных науке посредников.
Выполнив свою задачу, гормоны или расщепляются в клетках-мишенях, или в крови, или транспортируются в печень, где расщепляются, или, наконец, удаляются из организма в основном с мочой (например, адреналин).
Фермента.
Ферменты или энзимы - органические катализаторы белковой или РНК природы, которые образуются в живых организмах, способных ускорять протекание химических реакций в организме. Ферменты катализируют большинство химических реакций, которые происходят в живых организмах. Они могут иметь от одного до нескольких полипептидных цепей - субъединиц. Каждый из ферментов имеет один или более активных центров, которые определяют специфичность химической реакции, катализируемой данным ферментом. Кроме активного центра некоторые ферменты имеют аллостерический центр, регулирующий работу активного центра. Ферментативная реакция также может регулироваться другими молекулами, как белковой природы, так и другими - активаторами и ингибиторами.
Все биохимические реакции происходят при участии ферментов по нормальным давлением, температурой, в слабокислой, нейтральной или слабощелочной среде.
Ферменты РНК-природы называются рибозимами и считаются первоначальной формой ферментов, которые были заменены белковыми ферментами в процессе эволюции.
Термины «фермент» и «энзим» можно использовать как синонимы. Но наука о ферментах называется энзимология, а не Ферментология (вероятно чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).
Синтезируются многими видами клеток и выполняют обычно функцию локального ускорения биохимических реакций, без неопосредованные влияния на весь организм.
Ферменты - соединения которые имеют или только белковую природу, или имеют два компонента: один белковый (апофермент) второй не белковый (кофермент).
Два основных ферментативных процессах образования энергии: гликолиз и кислородное расщепление (гидролиз или цикл Кребса).
Гликолиз - ферментативный процесс расщепления глюкозы, который происходит без участия кислорода. Выход АТФ - 2 (то есть в процессе гликолиза производится на 2 АТФ больше, чем тратится на поддержку процесса). Конечный продукт реакции - молочная кислота.
Гидролиз или цикл Кребса - ферментативный кислородный процесс расщепления глюкозы при участии кислорода. Выход АТФ - 36.
Обычно ферменты именуют по типу реакции, которую он катализирует, добавляя суффикс -аза к названию субстрата (например лактаза - фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, в различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФ-аза).
Активность ферментов определяется их трехмерной структурой.
Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, который сворачивается определенным образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и молекула (белковая глобула), что значит, обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепочек могут объединяться в белковый комплекс. Наибольшие уровни структуры белков - третичная и четвертичная структуры - разрушаются при нагревании или под действием некоторых химических веществ.
Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами
Белковую цепочку фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель или впадина, к которой присоединяются молекулы субстрата. Эта область называется участком (сайтом) связывание субстрата. Обычно она совпадает с активным центром фермента или находится вблизи от него. Некоторые ферменты содержат связывания кофакторов или ионов металлов.
В некоторых ферментов присутствуют также связывания малых молекул, которые не принимают непосредственного участия в реакции и часто, но не обязательно, являются субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Они уменьшают или увеличивают активность фермента, создает возможность для обратной связи или регуляции работы фермента.
Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.
ВИТАМИНЫ
(От лат. Vita - жизнь) (далее В), низкомолекулярные органические соединения различной химической природы выполняющих биохимические и физиологические функции в живых организмах. Основатель учения о ВИТАМИНЫ - российский врач Н. И. Лунин. Термин "В." предложенный в 1912 польским ученым Д. Функом. В. требуются организму в очень небольшом количестве (от нескольких мкг до нескольких миллиграммов в сутки), поскольку они обладают высокой биол. активностью. Человек и животные синтезируют их в недостаточном количестве (никотиновая к-та) и поэтому должны получать их с пищей.
Основной источник В.- растения, в которых могут содержаться и т.н. провитамины (каротины и др.), которые превращаются в В. в животном организме.
Важная роль в синтезе В. принадлежит микроорганизмам (например., Микрофлора рубца обеспечивает жвачных витаминами группы В). Различают водо- и жирорастворимые.
К водорастворимым относятся аскорбиновая к-та (витамин С), группу В - тиамин (витамин B1), рибофлавин (витамин B2), витамин B6, витамин B12 (кобаламин), ниацин (витамин РР), фолацин, пантотеновая к-та;
К жирорастворимым витамины A, D (кальциферол), Е (токоферолы) и К. Существуют также группа витаминоподобным соединений - флавоноиды (рутин и др.), Холин, инозит, липоева, оротовая, пангамова к-ты и др. В отличие от др. незаменимых факторов питания (аминокислоты, жирные к-ты и. п.), В. не является материалом для биосинтеза или источником энергии. Однако они участвуют практически во всех биохимич и физиол процессах, составляющих в совокупности обмен веществ. Большинство В. группы В в организме - предшественники коферментов и ферментов. Коферменты и группы ферментов каталитической активностью не обладают и приобретают ее только при взаимодействии со специфическими белками - апоферментами. Связанные с различными В. ферменты участвуют в энергетическом обмене (тиамин, рибофлавин), биосинтезе и превращения аминокислот (витамины В6 и В12), жирных кислот (пантотеновая к-та), пуриновых и пиримидиновых оснований (фолацин), в образовании ацетилхолина , стероидов и др. соединений. Функции жирорастворимых витаминов связанные с процессами фоторецепции (витамин А), свертывания крови (витамин Д), всасывание Са (витамин D) и т.д.
нуклеиновые кислоты
Важную роль в процессах энергетического и пластического обмена веществ в живых системах играют нуклеиновые кислоты, которые не несут генетической информации, но выполняют функцию накопления энергии при образовании химических связей своих молекул. Именно эту энергию организм тратит на активацию различных процессов прежде всего внутри клеток. АТФ - аденозинтрифосфорной кислота, АДФ - аденозиндифосфорна кислота, АМФ - аденозинмонофосфорна кислота
АТФ, АДФ, АМФ - нуклеотиды, моно, ди, или три фосфорные эфиры аденина. Имеют в составе аденин, рибоза, один или два, или три остатка фосфорной кислоты. АТФ ресинтезуються у эукариот преимущественно в митохондриях, восстанавливаясь с АМФ и АДФ. Этот процесс связан с окислительным фосфорилуванням АДФ и неорганического фосфата.
АЛКАЛОИДЫ,
Алкалоиды (далее А.), азотсодержащие органические основания природного (растительного) происхождения. Выделено несколько тысяч А. (у животных выявлено только 50); особенно богаты ими растения семейства бобовых, маковых, пасленовых, лютиков, бредовых, сложноцветных. В ходе эволюции высшие растения выработали т.н. метаболическую экскрецию, что делает возможным накопление вторичных соединений в продуцирующих их организме, но внешне метаболически активных центров - обычно в вакуолях и клеточной стенке. А., оказываются у животных, не всегда синтезируются самим организмом иногда их происхождение связано с характером пищи. Так, бобры накапливают А. касторамин, который очень близок А. дезоксинуфаридину, содержащийся в корневищах кубышки желтой, используемой ими в пищу. Как правило, в растениях содержится смесь нескольких А., иногда до 15-20, часто близких по своему строению (в мака снотворного, коре хинного дерева), однако в некоторых растений находят всего один А. (напр., Рицинин в клещевины). Многие А., особенно сложного строения (например., Морфин, хинин), специфические для родов и даже семейств, широко используется в систематике (хемотаксономия). В большинстве случаев А. находятся в растении в виде солей органических и неорганических к-т. Локализуются преимущественно в отдельных частях (органах) растений, например, в хинного дерева - гл. образом в коре, в аконита - в клубнях, в кокаинового куста - в письме. Содержание А. в тканях обычно составляет десятые - сотые доли процента и редко доходит до 10-15% (кора хинного дерева). Долгое время биол. функции А. в растительном организме были неясны. Чаще их считали конечными продуктами обмена веществ, или другими экскреты. Однако было показано, что А. активно привлекаются к обменных процессов. Возможно, А. также защищают растения от поедания животными то есть антифидантамы.
Уже первые народы Ближнего Востока, живших задолго до нашей эры, -шуммерийцы, ассирийцы, вавилоняне, накопили значительные знания о лекарственных растениях, о чем свидетельствуют клиновидные тексты дошедшие до нас. Однако больше всего сведений о растениях старины можно черпнутиз греческой литературы. У греков сложилась самобытная медицина но они также охотно использовали лекарственные средства египтян и народов Ближнего Востока. Знаменитый врач древности Гиппократ (460-377 гг. До н. Э.) Составил медицинский произведение «Corpus Hyppocraticum», который переведено сейчас на русский и несколько европейских языков. Лечил он больше физическими и диетическими методами, однако в его книге насчитывается более 230 лекарственных растений.
Очень много уделял внимания растениям, в первую очередь лекарственным древнегреческий естествоиспытатель, философ и ботаник Феофраст (372-287 гг. До н. Э.) - Автор знаменитого трактата «Исследование о растениях», переведенного на русский язык. «Отцом фармакогнозии» считается (для европейской медицины) греческий ученый Диоскорид (I века н. Э.) Знаменитая книга которого «Materia medica» 1, обеспечена рисунками растений, была авторитетным руководством в течение многих веков. Крупнейшим представителем древнеримской фармации и медицины был К. Гален (131-201 гг. Н. Э) высоко ценил значение растений в качестве лекарственных средств и положил начало производству экстракционных препаратов широко известных под названием галеновых.
Многочисленные лекарственные растения были известны и древним народам Юго-Восточной Азии. Наиболее древней является китайская медицина. До наших дней сохранилась инфрмации о том, что еще за 3000 лет до н.э. в Китае использовали 230 лекарственных и ядовитых растений, 65 лекарственных веществ животного происхождения и 48 лечебных минералов. С изобретением письменности сведения, накопившиеся были записаны в «Книге о травах» ( «Бень-цао»). В последующих китайских произведениях этот травник используется как основа и первоисточник. Китайская медицина самобытная как в своих философских теориях, так и в ассортименте лекарств, взятых с богатейшей флоры Китая. Импортных лекарственных растений почти не было. Наиболее крупный травник был составлен ли Ши-Чжэном и издан в XVI веке. Этот травник поныне считается в Китае непревзойденным. В нем описано 1892 объектов частности лекарственных растений до 900 видов. Остальные объекты являются или различными органами и продуктами переработки тех же видов растений или это вещества минерального и животного происхождения. Индийская медицина так же самобытная, как и китайская. Она имеет свою оригинальную философию медицинских теорий и ассортимент лекарств базирующейся на своей флоре. Древнейшей санскритской книге Индии составленной до нашей эры, считается «Аюр-веда» ( «Наука о жизни»). Книга эта в дальнейшем несколько раз перерабатывалась и дополнялась. Наиболее известной является переработка индийского врача Сушруты (VI века до н. Э.) Описавший более 700 лекарственных растений.
Медицина, Тибета, возникла на базе индийской, которая была занесена в Тибет вместе с буддизмом (V-VI века н. Э.). Многие санскритских книг переведены на язык, Тибета, и ими пользуются до сих пор. Наиболее известная книга «Джуд-ши» ( «Суть целебного»), составленная на основе «Аюр- веди».
В истории медицины и фармации большой след оставили арабские ученые медики и фармацевты. Наибольшую известность получило имя великого сына таджикского народа Абу Али-Ибн Сины (Авиценна) из Бухары, живший в 980-1037 гг. Знаменитая его книга «Канон врачебной науки», переведенная на латинский язык, а затем и на другие языки, в том числе и на русский (1954), пользовалась в Европе триваийе время таким же авторитетом, как произведения Диоскорида и Галена. Два тома «Канона» (2-й и 5-й) полностью посвящены фармации. Ибн Сина применял лекарственные средства растительного, животного и минерального происхождения, отдавая, однако, предпочтение растениям.
фитонциды
Фитонциды (от греч. Phyton - растение и лат. Caedo - убиваю), образующиеся растениями, являются биологически активными веществами, убивающие или подавляющие рост и развитие др. организмов (гл. образом микробов) играют важную роль в иммунитете растений и во взаимоотношениях организмов в биоценозах. По хим. природе Ф. разнообразны - гликозиды, терпеноиды и др. вторичные метаболиты. Способность древесных растений (особенно хвойных) выделять Ф. представляет интерес для специалистов по озеленению городов и др. Препараты, содержащие Ф. лука, чеснока и др. растений, применяют в медицине.
