ФОСФОРНЫЙ ОБМЕН

ФОСФОРНЫЙ ОБМЁН — совокупность реакций превращения минерального фосфора и органических фосфорсодержащих соединений, происходящих в организме. У животных, растений и микроорганизмов Ф. о. имеет важное значение для обеспечения всех процессов жизнедеятельности. Биол. роль Ф. о. связана с вовлечением неорганического фосфора (см.), входящего в состав пищевых продуктов, в обмен веществ и энергии (см.) в клетке. Превращаясь в эфиры органических соединений, неорганический фосфор (Фн) участвует в синтезе различных функционально важных компонентов клетки, в т. ч. богатых энергией фосфорных соединений (см. Высоко-эргические соединения), беспрерывно использующихся при выполнении различной работы: механической — сокращение мышц (см. Мышечное сокращение), электрической — пе

редача нервного импульса (см. Нервная клетка), транспортной — функционирование желез, кишечника, почек и др., химической — процессы синтеза, требующие затраты энергии. Активность ряда ферментов Ф. о. в крови, моче и др. является ценным .диагностическим признаком, а генетически обусловленная недостаточность нек-рых ферментов, катализирующих реакции Ф. о., является причиной тяжелых наследственных болезней (см.).

Пути обмена фосфорсодержащих соединений. Фн и фосфорсодержащие вещества пищевых продуктов подвергаются превращению в пищеварительном тракте. Органические фосфорсодержащие соединения расщепляются под влиянием эстераз (см.) и фосфатаз (см.) пищеварительных соков, и 70—90% попавшего в организм с пищей фосфата всасывается в тонкой кишке. Усвоение Фн зависит от содержания в пище белков (см.), жиров (см.) и кальция (см.). Лучше всего усваивается Фн молока, соотношение между содержанием Фн и кальция в к-ром примерно 1:1V3. Фосфорнокислые соли кальция Са3(Р04)2, СаНР04, Са(Н2Р04)2 участвуют в минерализации костей. Основная часть фосфорнокислых солей (ок. 85%) откладывается в костях в виде Са3(Р04)2 и образующегося в процессе минерализации костей гидроксил-апатита Ca10(PO4)fi (ОН)2. Между Фн костей и крови существует постоянный обмен: за сутки обменивается ок. 10—20% фосфата костной ткани (см. Минеральный обмен).

В кровь поступают в основном ор-то- и пирофосфат (см. Фосфорные кислоты) и нек-рое количество органического фосфата, большая часть к-рого содержится в эритроцитах. В плазме крови концентрация Фн поддерживается на постоянном уровне и составляет у взрослых людей 2,5—

6 мг! 100 мл, у новорожденных 4,2— 8 мг! 100 мл, у детей 1 мес. — 2 лет —

4—7 мг! 100 мл, 2 — 14 лет — 2—

5 мг! 100 мл. Анионы фосфорной к-ты HPOjj и Н2Р04 , соотношение к-рых в плазме крови равно примерно 4:1, являются существенной частью буферной системы крови и других биол. жидкостей организма. Из внеклеточной жидкости внутрь клетки Фн проходит через клеточную мембрану против градиента концентрации (см. Транспорт ионов), однако механизм активного транспорта Фн неизвестен. Выводится Фн через почки и кишечник. Экскреция фосфата почками играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия (см.). Механизм поддержания концентрации водородных ионов в организме связан с процессом образования мочи (см.) и состоит в изменении соотношения между одно- и двузамещенными фосфорнокислыми солями натрия Na2HP04 и NaH2P04; анионы Н2Р04 составляют основную часть титруемой в моче к-ты.

Участие Фн в энергетическом и пластическом обменах в клетке осуществляется различными путями. Одним из важнейших метаболических путей такого рода является углеводно-фосфорный обмен, промежуточные продукты к-рого включаются в обмен жиров (см. Жировой обмен), белков (см. Азотистый обмен), нуклеиновых кислот (см.) и других веществ. Углеводно-фосфорный обмен можно разделить на синтез и распад гликогена (см.), анаэробное и аэробное превращение глюкозы (см. Гликолиз) и глюконеогенез.

Наиболее интенсивный синтез гликогена, катализируемый гликоген-синтазой (КФ 2.4.1.11), протекает в печени, а также в мышцах, находящихся в покое. В распаде гликогена главную роль играет фосфоролиз (см.). Под действием ферментов фосфорилаз (см.) образуется глюкозо-1-фосфат, к-рый затем превращается в глюко-зо-6-фосфат. В печени последний расщепляется глюкозо-6-фосфатазой (КФ 3.1.3.9), и свободная глюкоза (см.) поступает в кровяное русло и затем в ткани. Одним из важнейших продуктов гликолиза является АТФ. Превращение одной молекулы глюкозы в процессе Ф. о., включая цикл трикарбоновых к-т (см. Трикарбоио-вых кислот цикл) и окислительное фосфор ил ирование в дыхательной цепи (см. Окисление биологическое), приводит к синтезу 38 молекул АТФ.

Глюконеогенез — синтез глюкозы — протекает в тканн печени и почек. В основном он происходит за счет обратимости реакций гликолиза. Необратимые реакции гликолиза, катализируемые гексокиназой, фосфо-фруктокиназой и пируваткиназой (см. Киназы), заменяются другими реакциями, полностью обеспечивающими процесс глюконеогенеза. В печени существуют системы фосфорилирования (см.) не только глюкозы, но также фруктозы (см.) и галактозы (см.).

Углеводный обмен (см.) по пенто-зофосфатному пути, протекающий в печени, почках, эмбриональных тканях, л актирующей молочной железе, имеет важное значение для пластического обмена веществ. Продукты пентозофосфатного метаболического пути — пентозофосфаты и восстановленный НАДФ (НАДФ-Н2) используются для биосинтеза различных компонентов клетки: жирных кислот (см.), холестерина (см.), нуклеотидных коферментов (см.), нуклеиновых кислот (см.) и др. Анаэробная стадия пентозофосфатного пути тесно связана с гликолизом. В зависимости от потребности клетки процесс протекает либо в направлении накопления фосфопентоз, либо накопления продуктов гликолиза — фруктозо-6-фосфата и глюкозо-6-фос-фата.

Жировой обмен, в частности синтез триглицеридов (см.) и фосфолипидов (см. Фосфатиды), тесно связан с углеводно-фосфорным обменом. В синтезе триглицеридов, являющихся основным субстратом окислительного обмена в организме, участвует глицерол-3-фосфат. Образующаяся затем фосфатидная к-та превращается в триглицериды или в фосфолипиды — основные компоненты клеточных мембран. Синтез стеринов, в т. ч. холестерина, сопровождается образованием фосфорилированных промежуточных продуктов — 5-фосфо-и 5-пирофосфомевалоновой к-ты.

В синтетических реакциях, связанных с обезвреживанием токсических продуктов обмена белков в печени (крезола, фенола, индола), участвуют уридинтрифосфат (УТФ) и рибозо-5-фосфат; при обезвреживании аммиака промежуточными продуктами синтеза глутамина (см.) и мочевины (см.) являются глутамил-фосфат и карбамоилфосфат.

Особое значение Ф. о. имеет для синтеза и распада ДНК (см. Дезоксирибонуклеиновые кислоты) и РНК (см. Рибонуклеиновые кислоты). Ключевой реакцией синтеза пуриновых оснований (см.) и пиримидиновых оснований (см.) и соответствующих нуклеотидов, структурных единиц нуклеиновых к-т является реакция образования 5-фосфорибозил-1 -пирофосфата из рибозо-5-фосфата и АТФ. Фосфорилирование нуклеозид-моно- и нуклеозиддифосфатов катализируется специфическими киназами. В обмене ДНК и РНК принимает участие полинуклеотидфосфори-лаза (КФ 2.7.7.8)— фермент, катализирующий перенос нуклеотидного остатка на Фн. Обратимость этой реакции была использована для изучения механизма синтеза нуклеиновых к-т и расшифровки генетического кода (см.) синтеза белков. Наконец, в самом важном процессе — синтезе белка с помощью АТФ происходит активация аминокислот; гуани-динтрифосфат (ГТФ) участвует в процессах фосфорилирования на стадии элонгации (наращивания поли-пептидной цепи), происходящего в рибосоме (см.). Существенное значение для синтеза белка имеет также фосфорилирование нуклеопротеидов (см. Фосфопротеиды).

Регуляция фосфорного обмена. Обмен Фн в организме регулируется витамином D (см. Кальциферолы), гормонами паращитовидных желез (см.) и щитовидной железы (см.). Паратгормон (см.) регулирует содержание фосфата и кальция в крови. Повышение концентрации фосфата в сыворотке крови является следствием влияния гормона на растворимость фосфорно-кальциевых солей в костной ткани и на реабсорбцию фосфата в почках. Регулирующее действие паратгормо-на на костную ткань и почки связано с аденилатциклазной системой. Гормон щитовидной железы калъцито-нин (см.) оказывает на костную ткань и на содержание фосфата в крови противоположный эффект: он препятствует растворению солей костной ткани и вызывает гипофосфатемию (см. Фосфатемия).

Регуляция Ф. о. осуществляется ц. н. с. и соответствующими гормонами. Активация углеводно-фосфорного обмена связана с действием адреналина (см.) и глюкагона (см.). Гормон-рецепторный комплекс, образующийся на клеточной мембране, активирует аденилатциклазу (КФ 4.6.1.1), катализирующую образование циклических нуклеотидов 3\5'-АМФ или 3',5'-гуанозинмоно-фосфата (соответственно цАМФ, цГМФ). Зависимая от цАМФ про-теинкиназа (КФ 2.7.1.37), взаимодействуя с цАМФ, активируется и обеспечивает фосфорилирование киназы фосфорилазы (КФ 2.7.1.38) и гликоген-синтазы (КФ 2.4.1.11),

в. результате к-рого активность первого фермента возрастает, а второго — угнетается. Киназа фосфорилазы в свою очередь фосфорилирует и активирует гликоген-фосфорилазу (КФ 2.4.1.1), катализирующую расщепление гликогена. Этот путь регуляции активности ферментов Ф. о., приводящий к целому каскаду реакций, быстро и эффективно повышающих скорость распада гликогена (см. Фосфорилазы), имеет особенно важное значение для обеспечения энергией работающие мышцы (см.). Известно более 25 ферментов, активность к-рых регулируется таким же образом. Среди них имеется ряд ферментов Ф. о. печени (пируватки-наза, фосфофруктокиназа и фруктозо-1,6-дифосфатаза) .

Многие реакции Ф. о. катализируются аллостерическими ферментами. Активность аллостерических ферментов регулируется путем их взаимодействия с молекулами веществ-эффекторов, связывающихся с молекулой ферментного белка в участках, отдаленных от активных центров. В качестве эффекторов обычно выступают промежуточные продукты обмена — метаболиты, субстраты, адениловые нуклеотиды и др. Продукты Ф. о. могут регулировать биол. активность различных белков. Напр., 2,3-дифосфоглицерат в эритроцитах является аллостери-ческим эффектом гемоглобина (см.). Связываясь с гемоглобином, он способствует отдаче им кислорода тканям.

Нарушения фосфорного обмена. При недостатке витамина D нарушается фосфорно-кальциевый обмен, связанный с процессом образования костной ткани, и развивается рахит (см.). Рахит сопровождается увеличением концентрации фосфата в моче (см. Фосфату-рия) и уменьшением — в крови. Нарушение соотношения между фосфатом и кальцием приводит к деминерализации костей. Костные заболевания характеризуются уменьшением активности щелочной фосфатазы (КФ 3.1.3.1.) в костных клетках — остеобластах и повышением ее активности в сыворотке крови; степень повышения активности этого фермента коррелирует со степенью костного поражения. При заболевании гепа-тобилпарной системы, злокачественных опухолях, поражающих кости, активность этого фермента в сыворотке крови также возрастает. Фос-форно-кальциевый обмен нарушается при гиперпаратиреозе (см.), гастроэнтерите (см.) и диабете (см. Диабет сахарный), вызывающих ацидоз, способствующий растворению костей и образованию мочевых камней (см.).

Известен ряд наследственных заболеваний, связанных с генетически обусловленным дефектом ферментов Ф. о. При гликогенозах (см.) блокируется активность глюкозо-6-фос-фатазы или фосфорилазы. Врожденное отсутствие фермента, фосфорили-рующего фруктозу, вызывает фрукто-земию (см.), а также увеличение выведения с мочой неметаболизирован-ной фруктозы. Отсутствие активности галактозо-1-фосфатуридилил-трансферазы (КФ 2.7.7.10) при галак-тоземии (см.) сопровождается повышением концентрации сахара в крови за счет галактозы и накоплением в печени галактозо-1-фосфата, обладающего токсическим действием на организм. Наследственная дистрофия мышечной ткани обусловлена нарушением процессов фосфорилирования в мышцах и увеличением активности креатинкиназы и альдо-лазы (КФ 4.1.2.13) в крови. Нарушение синтеза ключевых ферментов гликолиза — фруктокиназы, гек-сокиназы и пируваткиназы, а также угнетение активности гликоген-синтазы наблюдают при сахарном диабете (см. Диабет сахарный), связанном с недостатком инсулина.

Bi-гпповптамииоз (см. Тиамин) вызывает угнетение активности транс-кето лазы (КФ 2.2.1.1) — фермента пентозофосфатного пути углеводного обмена — и сопровождается нарушением обмена аминокислот, биосинтеза жиров, холестерина, нуклеиновых к-т и др.

Повреждение ткани в результате аноксии, ишемии, инфаркта, тромбозов и др. приводит к повышению активности ряда ферментов Ф. о. в сыворотке крови. Нарушение реакций энергетического и пластического обменов фосфорсодержащих соединений в миокарде обнаружено при различных заболеваниях сердца.

Методы изучения фосфорного обмена. Исследование Ф. о. в клинике проводится с помощью исследования крови, мочи и других биол. жидкостей. При диагностике многих заболеваний определяют в крови содержание Фн, фосфорных соединений, активность ряда ферментов Ф. о. Широкое применение нашли радио-изотопные методы. Введение радиоактивного фосфора (см.) дает возможность изучить скорость Ф. о. в целостном организме. Включение радиоактивного фосфора в различные фосфорсодержащие соединения позволяет исследовать механизмы и пути их превращений, проницаемость биол. мембран и др. Сведения об особенностях Ф. о. можно получить, используя биопсийный материал, в к-ром определяют активность ферментов и их изоферментный состав. Содержание промежуточных продуктов Ф.о. в крови, моче, костной ткани, определяемое с помощью улъ-

трацентри фугирования (см.), электрофореза (см.), хроматографии (см.), иммунохим. анализа и др., дает полноценную информацию о состоянии Ф. о. в организме. Исследование Ф. о. в эксперименте проводят путем перфузии органов, получения тканевых срезов и гомо-генатов, выделения различных клеточных и субклеточных структур (митохондрий, ядер, микросом и др.), а также их фрагментов. Большое число исследований проводят на индивидуальных ферментах Ф. о.

Библиогр.: Березов Т. Т. и Ко

ро в к и н Б. Ф. Биологическая химия, М., 1982; Клиническая ферментология,

под ред. Э. Щеклика, пер. с польск., Варшава, 1966; Мосс Д. У. и Б а т т е р-в о р т П. Д ж. Энзнмология и медицина, пер. с англ., М., 1978; Руководство по клинической лабораторной диагностике, под ред. В. В. Меньшикова, с. 229, 560, М., 1982: Уайт А. и д р. Основы биохимии, пер. с англ., М., 1981;

Krebs E. G. а. В e a v о J. A. Phosphorylation- dephosphorylation of enzymes, Ann. Rev. Biochem., v. 48, p. 923, 1979; R a p oport S. M. Medizinische Biochemie, B., 1977. П. JT. Вульфсон.