Пигментный обмен

Пигментный обмен — совокупность процессов образования, превращения и распада в живых организмах окрашенных органических веществ сложного химического строения — пигментов. Важнейшие пигменты — порфирины, хромопротеиды, меланины, каротиноиды, флавоны (см.) и др. Такие хромопротеиды, как гемоглобин (см.), миоглобин, каталаза, цитохромы (см. Ферменты), в качестве простетической (т. е. небелковой) группы содержат железопорфириновый комплекс (гем). Образование гемоглобина происходит в гемопоэтических клетках костного мозга; миоглобин образуется, по-видимому, внутри мышечных волокон, а цитохромы и каталаза непосредственно в содержащих их тканях. При биосинтезе порфиринсодержащих пигментов сначала происходит синтез протопорфирина (из янтарной кислоты и глицина), в который затем включается атом железа, и в результате образуется гем. После присоединения к нему соответствующего белка завершается синтез того или иного хромопротеида. В процессе биологического распада порфириновых белковых пигментов высвобождаются железо и белок, а протопорфирин превращается в желчные пигменты (см.). Билирубин (см.) в кишечнике превращается в уробилин (см.) и стеркобилин (см.), которые выводятся из организма в составе кала. Биливердин выделяется в неизмененном виде. Часть желчных пигментов выделяется с мочой.
Среди других пигментов важное место занимают пигменты кожи и волос — меланины, образующиеся из фенилаланина и тирозина, а также каротиноиды. Из β-каротина в стенке кишечника образуется витамин А, который в сетчатке глаза превращается в ретинин, и далее, соединяясь с белком, в родопсин (см.) — вещество, участвующее в фотохимических реакциях сетчатки.
В цепи реакций биосинтеза и превращений пигментов могут возникнуть патологические нарушения, ведущие к тяжелым заболеваниям. Так, при блокировании некоторых стадий биосинтеза порфириновых пигментов наступает порфирия, сопровождаемая анемией (резкое уменьшение образования гемоглобина) и порфиринурией (выделение с мочой промежуточных продуктов пигментного обмена). Во всех случаях гемолиза усиливается распад гемоглобина. Под влиянием некоторых ядов (например, цианида, окиси углерода) может происходить окисление гемоглобина с образованием метгемоглобина. Следствием глубокого нарушения синтеза гемоглобина является образование различных форм патологически измененных гемоглобинов (возникающих при ряде наследственных заболеваний).

Пигментный обмен — совокупность процессов образования, превращения и распада пигментов (см.) в живых организмах.
Биосинтез гемоглобина и родственных ему пигментов. Образование гемоглобина происходит в процессе созревания гемопоэтических клеток костного мозга, в то время как миоглобин образуется, по-видимому, внутри мышечных волокон, а цитохромы и цитохромоксидаза — непосредственно в содержащих их тканях, причем концентрация цитохромов в различных тканях одного и того же животного пропорциональна интенсивности дыхания данной ткани и в некоторой степени зависит от особенностей питания организма.
В процессе биосинтеза гемоглобина и миоглобина происходит образование тетрапиррольного кольца протопорфирина (см. Порфирины), включение в него железа и последующее соединение образовавшегося железопорфиринового комплекса (гема) с белком — глобином. В животном организме кольцо протопорфирина IX (тип III) образуется из уксусной кислоты и глицина. Уксусная кислота, включаясь в цикл трикарбоновых кислот (см. Окисление биологическое), превращается в янтарную кислоту, которая при участии кофермента А (см. Ферменты) конденсируется с α-углеродным атомом глицина и превращается в α-амино-β-кетоадипиновую кислоту. Эта кислота, теряя карбоксильную группу, переходит в α-аминолевулиновую кислоту; две молекулы этой кислоты в результате конденсации образуют циклическое соединение — порфобилиноген. Порфобилиноген является прямым предшественником пирроловых колец молекулы порфирина.



Из молекул порфобилиногена синтезируется затем тетрапиррольное кольцо порфиринов. Общим предшественником порфиринов является вещество, получившее название порфириногена. Порфириноген и другие промежуточные соединения подобного типа в процессе биосинтеза гемоглобина быстро возникают и так же быстро исчезают, превращаясь в протопорфирин III, из которого образуется гем — простетическая группа ряда хромопротеидов. При превращении порфириногена в порфирины образуются в основном протопорфирин III и только в небольшом количестве порфирин I, который не используется в организме и выделяется из него в виде копропорфирина I. Количество протопорфирина III, образующегося за сутки в организме, равно около 300 мг, суточное же выделение этого вещества в виде копропорфирина III составляет всего 0,1 мг. Таким образом, почти весь синтезирующийся протопорфирин III идет на построение гемоглобина, миоглобина и других хромопротеидов.
Синтезированный в животном организме протопорфирин III, присоединяя железо, превращается в гем. Этот железопорфириновый комплекс не является веществом, специфичным для определенного пигмента, поскольку он входит в состав ряда сложных белков, например гемоглобина, миоглобина и др. Гем в дальнейшем соединяется со специфическими протеинами, превращаясь в молекулы гемоглобина, миоглобина, цитохрома с и др. Во время синтеза цитохрома с происходит восстановление винильных групп протопорфирина в этильные группы. Таким образом, образование различных хромопротеидов зависит от того, какой из специфических белков находится в тех клетках, в которых происходит синтез данного пигмента. В организме человека и высших позвоночных животных осуществляется синтез только железопорфирина. В процессе биосинтеза гемоглобина и других близких ему пигментов используется железо как освобождающееся при распаде эритроцитов, так и поступающее с пищей. Включение железа в эритроциты происходит только в момент их образования. Недостаток железа в организме приводит к уменьшению синтеза гемоглобина, но не влияет на процессы образования цитохрома с, миоглобина и каталазы. Для синтеза белковой части хромопротеидов тканей и крови используются также аминокислоты, освобождающиеся в процессе разрушения соответствующих глобинов.
Скорость биосинтеза различных хромопротеидов неодинакова. Образование миоглобина и цитохрома с происходит более медленно, чем синтез гемоглобина.
Распад гемоглобина и близких ему пигментов. В процессе биологического распада гемоглобина происходит высвобождение железа и глобина, которые используются для синтеза новых молекул пигмента крови. Протопорфирин же превращается в желчные пигменты (см.). Все эти реакции протекают в купферовских клетках печени и фагоцитарных клетках ретикулоэндотелиальной системы, но их последовательность еще недостаточно выяснена. В начале разрушения гемоглобина и миоглобина образуются зеленые пигменты — вердогемоглобины. При превращении пигментов мышц и крови в вердогемоглобины происходит раскрытие кольца протопорфирина (сохраняющего свои связи с железом и глобином) в результате разрыва α-метинового мостика с одновременным окислением первого и второго колец пиррола. Вердогемоглобин, теряя железо и глобин, превращается в желчные пигменты: вначале образуется биливердин, который затем под влиянием клеточных дегидраз восстанавливается и превращается в билирубин. Основным источником желчных пигментов является простетическая группа гемоглобина, а затем и миоглобина. В желчные пигменты, по-видимому, превращаются простетические группы цитохрома с и каталазы; однако в результате их распада образуется только 5% общего количества пигментов желчи. Предполагают, что некоторое количество желчных пигментов может возникать непосредственно из протопорфирина III, а возможно, и из гема до использования этих веществ в биосинтезе гемоглобина. Часть разрушающихся пигментов мышц и крови может превращаться и в копропорфирин III.
Желчные пигменты, образующиеся в клетках ретикулоэндотелиальной системы, поступают в кровь в виде билирубина. В крови билирубин соединяется с альбуминами сыворотки и превращается в билирубин-белковый комплекс, который захватывается печенью. Из печени биливердин и свободный билирубин выделяются в желчный пузырь, а оттуда — в кишечник.
В кишечнике билирубин под влиянием кишечных бактерий восстанавливается в уробилиноген и стеркобилиноген, бесцветные формы (лейкосоединения) пигментов мочи и кала. Из этих лейкосоединений при окислении образуются уробилин и стеркобилин.
Основная масса уробилиногена и стеркобилиногена выделяется из организма через кишечник, но некоторая часть всасывается, попадает в печень, где превращается в билирубин, частично поступает в кровь и выделяется почками вместе с мочой в виде уробилина и стеркобилина (так называемый общий уробилин мочи, количество которого колеблется обычно в пределах 0,2—2 мг в сутки и в норме не превышает 4 мг). В противоположность билирубину, биливердин в кишечнике не подвергается воздействию микрофлоры и выделяется из организма в неизмененном виде. Некоторая часть билирубина может окисляться и превращаться в биливердин.
Наряду с образованием желчных пигментов (тетрапирролов с открытой цепью), являющихся главными конечными продуктами гемоглобина и других хромопротеидов, в печени может происходить и более глубокий распад гема и билирубина с образованием дипиррольных соединений — пропентдиопента и билифусцина. Билифусцин в кишечнике подвергается восстановлению и, соединяясь затем с белком, превращается в коричневый пигмент — миобилин. Пропентдиопент и миобилин обнаруживаются в моче и фекальных массах.
Обмен некоторых других пигментов. Темно-коричневые и черные
пигменты — меланины (см.) — образуются в организме из фенилаланина и тирозина под влиянием тирозиназы, причем вначале фенилаланин окисляется в тирозин. Хотя лишь небольшое количество свободного тирозина клеток превращается в меланины, этот процесс играет основную роль в образовании пигментов кожи и волос. Тирозин, окисляясь, переходит в 3,4-ди-оксифенилаланин, который под влиянием специального фермента диоксифенилаланин-оксидазы (ДОФА-оксидаза) распадается, причем из образующихся продуктов распада затем возникают меланины. Образование меланинов может происходить также из таких веществ, как красно-желтый пигмент ксантоматин и 3-оксикинуренин — продукт обмена триптофана. Пигменты каротиноидной природы не имеют существенного значения для процесса образования меланинов.
Из разнообразных превращений в живых организмах каротиноидов (см.) особого внимания заслуживает переход каротина в витамин А. Доказано, что витамин А (см.) образуется в основном из (5-каротина в стенке кишечника, а не в печени, как это предполагалось раньше. Однако нет еще достаточных оснований для того, чтобы полностью отрицать роль печени в этом важном процессе. В стенке кишечника под влиянием, по-видимому, фермента каротиназы происходит расщепление молекул β-каротина, поступающего в организм вместе с пищей. При этом вначале β-каротин подвергается окислительному расщеплению с образованием альдегида витамина А — ретинина, который затем быстро превращается в витамин А. Образовавшийся витамин А поступает в кровь, в значительных количествах накапливается в печени и частично задерживается рядом других органов и тканей.
В сетчатке глаза витамин А может обратимо превращаться в ретинин, при соединении которого с белком опсином образуется родопсин (см.), или зрительный пурпур, являющийся фотохимическим сенсибилизатором.

Патология пигментного обмена. При различных заболеваниях у человека могут возникать разные нарушения в обмене гемоглобина. Ярким проявлением расстройств в биосинтетических реакциях являются порфирии, при которых в результате недостаточности соответствующих ферментных систем блокируются те или иные этапы биосинтеза протопорфирина III и гема. Наглядное представление о месте метаболических повреждений в течении синтетических реакций при этой врожденной патологии порфиринового обмена дает схема (см. ниже).

Схема метаболических повреждений в цепи реакций, приводящих к образованию гема при порфириях.

При острой порфирии нарушается превращение порфобилиногена в порфириноген. Вследствие этого в начале приступа с мочой выделяются красный пигмент порфобилин и его бесцветная форма — порфобилиноген, который при стоянии спонтанно превращается в порфобилин. Кроме того, из организма выводятся небольшие количества уро- и копропорфиринов I и III типов в виде цинковых соединений. Врожденная порфирия характеризуется усилением продукции уро- и копропорфиринов I типа. Кости и зубы у больных становятся красными или коричневыми из-за отложения в них порфиринов. В моче присутствуют свободные уро- и копропорфирины I и следы протопорфирина III, а в фекальных массах — копропорфирин I. В случае кожной формы порфирии в период ремиссий из организма выводится почками и через кишечник около 20% всего нормально образующегося в нем протопорфирина. Во время приступа порфирины выделяются только с мочой в виде уро- и копропорфиринов I и III типов.
Порфиринурии наблюдаются и при некоторых других заболеваниях как следствие увеличения в организме количества свободных порфиринов, являющихся побочными продуктами при биосинтезе гема. Так, при апластической анемии и полиомиелите преобладает выделение копропорфирина III, в то время как в случаях пернициозной анемии, лейкемии, гемофилии, инфекционного гепатита и некоторых других заболеваний в основном выделяется копропорфирин I.
Патологические изменения в обмене гемоглобина имеют место и при анемиях (см.). Так, например, железодефицитные анемии характеризуются резким уменьшением образования гемоглобина вследствие истощения депо железа в организме, дефицита железа в костном мозге и т. п. При пернициозной анемии образование гемоглобина замедлено, часть незрелых эритроцитов разрушается в костном мозге, что приводит к повышению содержания желчных пигментов и билирубинурии. В моче постоянно обнаруживаются уробилин (стеркобилин), а в кале повышается содержание стеркобилина (уробилина).
Усиление распада гемоглобина наблюдается во всех случаях гемолиза (см.), в результате которого освобождается значительное количество гемоглобина, возникают гемоглобинемия, гемоглобинурия (см.), увеличивается образование желчных пигментов и превращение их в пигменты мочи и кала.
Под влиянием некоторых ядовитых веществ в крови может происходить окисление гемоглобина с образованием коричневого пигмента — метгемоглобина. В случаях тяжелых отравлений метгемоглобин выделяется с мочой. При этом возможно отложение метгемоглобина и продукта его распада — гематина — в почечных канальцах, что влечет за собой нарушение фильтрационной способности почек и развитие уремии (см.).
Нарушение обмена миоглобина встречается при ряде заболеваний, сопровождающихся выходом миоглобина из мышц и выделением его с мочой. Эти еще малоизученные заболевания объединены под общим названием миоглобинурии. Они встречаются у животных (паралитическая миоглобинурия лошадей, беломышечная болезнь), реже у человека. При миоглобинуриях наблюдается ненормальная мобилизация миоглобина, потеря красными мышцами обычной окраски, атрофические или дегенеративные изменения в мышечной ткани. Миоглобинурия у человека возникает в результате травматических повреждений мышц, после длительных маршей, большого физического напряжения, при некоторых формах мышечной дистрофии и т. п.
Глубокие нарушения в синтезе гемоглобина, носящие не только количественный, но и качественный характер, наблюдаются при серповидноклеточной анемии (см.).
У лиц, страдающих этим заболеванием, синтезируется особый вид гемоглобина — гемоглобин S, аминокислотный состав которого отличается от обычного гемоглобина только в отношении одной аминокислоты (в гемоглобине S вместо молекулы глютаминовой кислоты, стоящей в полипептидной цепи, находится аминокислота валин). Это небольшое различие в структуре резко отражается на свойствах гемоглобина S, который плохо растворим в воде и выпадает внутри эритроцитов в виде кристаллов, благодаря чему эритроциты принимают серповидную форму.
В процессе физиологического распада тирозина происходят его дезаминирование и дальнейшее окисление с образованием в качестве промежуточного продукта распада гомогентизиновой кислоты. При алкаптонурии нарушается окисление гомогентизиновой кислоты; она выделяется почками и при щелочной реакции мочи превращается в коричнево-черный меланиноподобный пигмент, строение которого еще не установлено.
См. также Азотистый обмен, Кровь, Обмен веществ и анергии.