Пігментний обмін

Пігментний обмін - сукупність процесів утворення, перетворення і розпаду в живих організмах забарвлених органічних речовин складної хімічної будови - пігментів. Найважливіші пігменти - порфірини, хромопротеиды, меланіни, каротиноїди, флавони (див.) та ін. Такі хромопротеиды, як гемоглобін (див.), міоглобін, каталаза, цитохромы (див. Ферменти), в якості простетичною (тобто небілкової групи містять железопорфириновый комплекс (гем). Утворення гемоглобіну відбувається в гемопоетичних клітинах кісткового мозку; міоглобін утворюється, мабуть, всередині м'язових волокон, а цитохромы і каталаза безпосередньо містять в їх тканинах. При біосинтезі порфиринсодержащих пігментів спочатку відбувається синтез протопорфірину (з бурштинової кислоти і гліцину), який потім включається атом заліза, і в результаті утворюється гем. Після приєднання до нього відповідного білка завершується синтез того чи іншого хромопротеида. В процесі біологічного розпаду порфириновых білкових пігментів вивільняються залізо і білок, а протопорфирин перетворюється в жовчні пігменти (див.). Білірубін (див.) в кишечнику перетворюється в уробіліну (див.) і стеркобілін (див.), які виводяться з організму в складі калу. Білівердин виділяється в незміненому вигляді. Частина жовчних пігментів виділяється з сечею.
Серед інших пігментів важливе місце займають пігменти шкіри і волосся - меланіни, які утворюються з фенілаланіну і тирозину, а також каротиноїди. З β-каротину в стінці кишечнику утворюється вітамін А, який у сітківці ока перетворюється в ретинин, і далі, сполучаючись з білком, в родопсин (див.) - речовина, яка бере участь у фотохімічних реакціях сітківки.
У ланцюзі реакцій біосинтезу і перетворень пігментів можуть виникнути патологічні порушення, що ведуть до важких захворювань. Так, при блокуванні деяких стадій біосинтезу порфириновых пігментів настає порфирія, супроводжується анемією (різке зменшення утворення гемоглобіну) і порфиринурией (виділення з сечею проміжних продуктів пігментного обміну). У всіх випадках гемолізу посилюється розпад гемоглобіну. Під впливом деяких отрут (наприклад, ціаніду, окису вуглецю) може відбуватися окислення гемоглобіну з утворенням метгемоглобіну. Наслідком глибокого порушення синтезу гемоглобіну є утворення різних форм патологічно змінених гемоглобінів (виникають при ряді спадкових захворювань).

Пігментний обмін - сукупність процесів утворення, перетворення і розпаду пігментів (див.) в живих організмах.
Біосинтез гемоглобіну і споріднених йому пігментів. Утворення гемоглобіну відбувається в процесі дозрівання гемопоетичних клітин кісткового мозку, в той час як міоглобін утворюється, мабуть, всередині м'язових волокон, а цитохромы і цитохромоксидазу - безпосередньо містять в їх тканинах, причому концентрація цитохромів в різних тканинах одного і того ж тварини пропорційна інтенсивності дихання даної тканини і певною мірою залежить від особливостей живлення організму.
У процесі біосинтезу гемоглобіну і міоглобіну відбувається утворення тетрапиррольного кільця протопорфірину (див. Порфірини), включення в нього заліза і наступне з'єднання утворився железопорфиринового комплексу (гема) з білком - глобином. В тваринному організмі кільце протопорфірину IX (тип III) утворюється з оцтової кислоти і гліцину. Оцтова кислота, включаючись в цикл трикарбонових кислот (див. біологічне Окислення), перетворюється на бурштинову кислоту, яка за участю коферменту А (див. Ферменти) конденсується з α-вуглецевим атомом гліцину і перетворюється в α-аміно-β-кетоадипиновую кислоту. Ця кислота, втрачаючи карбоксильную групу, переходить в α-аминолевулиновую кислоту; дві молекули цієї кислоти в результаті конденсації утворюють циклічні з'єднання - порфобилиноген. Порфобилиноген є прямим попередником пирроловых кілець молекули порфірину.
З молекул порфобилиногена синтезується потім тетрапиррольное кільце порфіринів. Загальним попередником порфіринів є речовина, що отримало назву порфириногена. Порфириноген та інші проміжні сполуки такого типу в процесі біосинтезу гемоглобіну швидко виникають і так само
швидко зникають, перетворюючись в протопорфирин III, з якого утворюється гем - простетичної група ряду хромопротеїдів. При перетворенні порфириногена в порфірини утворюються в основному протопорфирин III і тільки в невеликій кількості порфирин I, який не використовується в організмі і виділяється з нього у вигляді копропорфирина I. Кількість протопорфірину III, що утворюється за добу в організмі, так само близько 300 мг, добова ж виділення цієї речовини у вигляді копропорфирина III складає всього 0,1 мг. Таким чином, майже весь що синтезується протопорфирин III йде на побудову гемоглобіну, міоглобіну та інших хромопротеїдів.
Синтезований у тваринному організмі протопорфирин III, приєднуючи залізо, перетворюється в гем. Цей железопорфириновый комплекс не є речовиною, специфічних для певного пігменту, оскільки він входить до складу ряду складних білків, наприклад гемоглобіну, міоглобіну та ін. Гем надалі з'єднується зі специфічними білками, перетворюючись в молекули гемоглобіну, міоглобіну, цитохромів з та ін. Під час синтезу цитохрому с відбувається відновлення вінільних груп протопорфірину в этильные групи. Таким чином, утворення різних хромопротеїдів залежить від того, який із специфічних білків знаходиться в тих клітинах, в яких відбувається синтез даного пігменту. В організмі людини і вищих хребетних тварин здійснюється синтез лише железопорфирина. У процесі біосинтезу гемоглобіну та інших близьких йому пігментів використовується як залізо звільняється при розпаді еритроцитів, так і надходить з їжею. Включення заліза в еритроцити відбувається тільки в момент їх утворення. Недолік заліза в організмі призводить до зменшення синтезу гемоглобіну, але не впливає на процеси утворення цитохрому с, міоглобіну та каталази. Для синтезу білкової частини хромопротеїдів тканин і крові використовуються також амінокислоти, що звільняються в процесі руйнування відповідних глобинов.
Швидкість біосинтезу різних хромопротеїдів неоднакова. Освіта міоглобіну і цитохрому с відбувається більш повільно, ніж синтез гемоглобіну.
Розпад гемоглобіну і близьких йому пігментів. В процесі біологічного розпаду гемоглобіну відбувається вивільнення заліза та глобіну, які використовуються для синтезу нових молекул пігменту крові. Протопорфирин ж перетворюється в жовчні пігменти (див.). Всі ці реакції протікають в купферовских клітинах печінки та фагоцитарних клітинах ретикулоендотеліальної системи, але їх послідовність ще недостатньо з'ясована. На початку руйнування гемоглобіну і міоглобіну утворюються зелені пігменти - вердогемоглобины. При перетворенні пігментів м'язів і крові в вердогемоглобины відбувається розкриття кільця протопорфірину (зберігає свої зв'язки з залізом і глобином) в результаті розриву α-метинового містка з одночасним окисленням першого і другого кілець пиррола. Вердогемоглобин, втрачаючи залізо і глобине, перетворюється в жовчні пігменти: спочатку утворюється білівердин, який потім під впливом клітинних дегидраз відновлюється і перетворюється в білірубін. Основним джерелом жовчних пігментів є простетичної група гемоглобіну, а потім і міоглобіну. В жовчні пігменти, мабуть, перетворюються простетические групи цитохрому с і каталази; проте в результаті їх розпаду утворюється лише 5% загальної кількості пігментів жовчі. Припускають, що деяка кількість жовчних пігментів може виникати безпосередньо з протопорфірину III, а можливо, і з гема до використання цих речовин у біосинтезі гемоглобіну. Частина руйнуються пігментів м'язів і крові може перетворюватися і в копропорфирин III.
Жовчні пігменти, що утворюються в клітинах ретикулоендотеліальної системи, надходять у кров у вигляді білірубіну. У крові білірубін з'єднується з альбумінами сироватки і перетворюється в білірубін-білковий комплекс, який захоплюється печінкою. З печінки білівердин і вільний білірубін виділяються в жовчний міхур, а звідти - в кишечник.
У кишечнику білірубін під впливом кишкових бактерій відновлюється в уробіліноген та стеркобилиноген, безбарвні форми (лейкосоединения) пігментів сечі і калу. З цих лейкосоединений при окисленні утворюються уробілін і стеркобілін.
Основна маса уробіліногену і стеркобіліногена виділяється з організму через кишечник, але деяка частина всмоктується, потрапляє у печінку, де перетворюється в білірубін, частково надходить у кров і виділяється нирками разом з сечею у вигляді уробіліну і стеркобіліна (так званий загальний уробілін сечі, кількість якого коливається звичайно в межах 0,2-2 мг на добу і в нормі не перевищує 4 мг). В протилежність білірубіну, білівердин в кишечнику не піддається впливу мікрофлори і виділяється з організму в незміненому вигляді. Деяка частина білірубіну може окислюватися і перетворюватися в білівердин.
Поряд з утворенням жовчних пігментів (тетрапирролов з відкритою ланцюгом), які є головними кінцевими продуктами гемоглобіну та інших хромопротеїдів, в печінці може відбуватися і більш глибокий розпад гема і білірубіну з утворенням дипиррольных сполук - пропентдиопента і билифусцина. Билифусцин в кишечнику підлягає відновленню і, з'єднуючись потім з білком, перетворюється в коричневий пігмент - миобилин. Пропентдиопент і миобилин виявляються у сечі та фекальних масах.
Обмін деяких інших пігментів. Темно-коричневі та чорні
пігменти - меланіни (див.) - утворюються в організмі з фенілаланіну і тирозину під впливом тирозинази, причому спочатку фенілаланін окислюється в тирозин. Хоча лише невелика кількість вільного тирозину клітин перетворюється в меланіни, цей процес відіграє основну роль в утворенні пігментів шкіри і волосся. Тирозин, окислюючись, переходить в 3,4-ди-оксифенилаланин, який під впливом спеціального ферменту діоксифенілаланін-оксидази (ДОФА-оксидаза) розпадається, причому утворюються продуктів розпаду потім виникають меланіни. Утворення меланіну може відбуватися також з таких речовин, як червоно-жовтий пігмент ксантоматин і 3-оксикинуренин - продукт обміну триптофану. Пігменти каротиноидной природи не мають істотного значення для процесу утворення меланіну.
З різноманітних перетворень в живих організмах каротиноїдів (див.) особливої уваги заслуговує перехід каротину в вітамін А. Доведено, що вітамін А (див.) утворюється в основному з (5-каротину в стінці кишечнику, а не в печінці, як це передбачалося раніше. Проте немає ще достатніх підстав для того, щоб повністю заперечувати роль печінки в цьому важливому процесі. У стінці кишечнику під впливом, мабуть, ферменту каротиназы відбувається розщеплення молекул β-каротину, що надходить в організм разом з їжею. При цьому спочатку β-каротин піддається окислювальному розщепленню з утворенням альдегіду вітаміну А - ретинина, який потім швидко перетворюється у вітамін А. Утворився вітамін А надходить у кров, у значних кількостях накопичується в печінці і частково затримується рядом інших органів і тканин.
У сітківці ока вітамін А може оборотно перетворюватися в ретинин, при з'єднанні якого з білком опсином утворюється родопсин (див.), або зоровий пурпур, який є фотохімічним сенсибилизатором.
Патологія пігментного обміну. При різних захворюваннях у людини можуть виникати різні порушення в обміні гемоглобіну. Яскравим проявом розладів в біосинтетичних реакціях є порфірії, при яких в результаті недостатності відповідних ферментних систем блокуються ті чи інші етапи біосинтезу протопорфірину III і гема. Наочне уявлення про місце метаболічних ушкоджень протягом синтетичних реакцій при цій вродженої патології порфіринового обміну дає схема (див. нижче).

Схема метаболічних пошкоджень в ланцюзі реакцій, що приводять до утворення гему при порфириях.


При гострій порфірії порушується перетворення порфобилиногена в порфириноген. Внаслідок цього на початку нападу з сечею виділяються червоний пігмент порфобилин і його безбарвна форма - порфобилиноген, який при стоянні спонтанно перетворюється в порфобилин. Крім того, з організму виводяться невеликі кількості уро - і копропорфиринов I та III типів у вигляді цинкових сполук. Вроджена порфирія характеризується посиленням продукції уро - і копропорфиринов I типу. Кістки і зуби у хворих стають червоними або коричневими через відкладення в них порфіринів. У сечі присутні вільні уро - і копропорфирины I і сліди протопорфірину III, а у фекальних масах - копропорфирин I. У разі шкірної форми порфірії у період ремісії з організму виводиться нирками і через кишечник близько 20% всього нормально утворюється в ньому протопорфірину. Під час нападу порфірини виділяються тільки з сечею у вигляді уро - і копропорфиринов I і III типів.
Порфиринурии спостерігаються і при деяких інших захворюваннях як наслідок збільшення в організмі кількості вільних порфіринів, які є побічними продуктами при біосинтезі гема. Так, при апластичній анемії і поліомієліті переважає виділення копропорфирина III, у той час як у випадках перніциозної анемії, лейкемії, гемофілії, інфекційного гепатиту та деяких інших захворювань в основному виділяється копропорфирин I.
Патологічні зміни в обміні гемоглобіну мають місце і при анеміях (див.). Так, наприклад, залізодефіцитні анемії характеризуються різким зменшенням утворення гемоглобіну внаслідок виснаження депо заліза в організмі, дефіциту заліза в кістковому мозку і т. п. При перніциозної анемії утворення гемоглобіну сповільнено, частина незрілих еритроцитів руйнується у кістковому мозку, що призводить до підвищення вмісту жовчних пігментів і білірубінурії. У сечі постійно виявляються уробіліну (стеркобілін), а в калі підвищується вміст стеркобіліна (уробіліну).
Посилення розпаду гемоглобіну спостерігається у всіх випадках гемолізу (див.), в результаті якого звільняється значна кількість гемоглобіну, виникають гемоглобінемія, гемоглобінурія (див.), збільшується утворення жовчних пігментів і перетворення їх в пігменти сечі і калу.
Під впливом деяких отруйних речовин в крові може відбуватися окислення гемоглобіну з утворенням коричневого пігменту - метгемоглобіну. У випадках тяжких отруєнь метгемоглобін виділяється з сечею. При цьому можливе відкладення метгемоглобіну і продукту його розпаду - гематина - в ниркових канальцях, що тягне за собою порушення фільтраційної здатності нирок і розвиток уремії (див.).
Порушення обміну міоглобіну зустрічається при ряді захворювань, що супроводжуються виходом міоглобіну м'язів і виділенням його з сечею. Ці ще маловивчені захворювання об'єднані під загальною назвою міоглобінурії. Вони зустрічаються у тварин (паралітична міоглобінурія коней, беломышечная хвороба), рідше у людини. При миоглобинуриях спостерігається ненормальна мобілізація міоглобіну, втрата червоними м'язами звичайного забарвлення, атрофічні або дегенеративні зміни в м'язовій тканині. Міоглобінурія у людини виникає в результаті травматичних ушкоджень м'язів, після тривалих маршів, великого фізичного напруження, при деяких формах м'язової дистрофії і т. п.
Глибокі порушення в синтезі гемоглобіну, що носять не тільки кількісний, але і якісний характер, спостерігаються при серповидноклітинної анемії (див.).
У осіб, страждаючих цим захворюванням, синтезується особливий вид гемоглобіну - гемоглобін S, амінокислотний склад якого відрізняється від звичайного гемоглобіну тільки однієї амінокислоти (в гемоглобіні S замість молекули глютамінової кислоти, яка стоїть в поліпептидного ланцюга, що знаходиться амінокислота валін). Це невелике розходження в структурі різко відбивається на властивості гемоглобіну S, який погано розчинний у воді і випадає всередині еритроцитів у вигляді кристалів, завдяки чому еритроцити беруть серповидну форму.
У процесі фізіологічного розпаду тирозину відбуваються його дезамінування і подальше окислення з утворенням в якості проміжного продукту розпаду гомогентизиновой кислоти. При алкаптонурии порушується окислення гомогентизиновой кислоти; вона виділяється нирками, при лужній реакції сечі перетворюється в коричнево-чорний меланиноподобный пігмент, будова якого ще не встановлено.
См. також Азотистий обмін, Кров, Обмін речовин і енергії.