2 курс / Биохимия / Н.Ю.Коневалова - Биохимия

сменялось отрицательным балансом при выполнении работы. Это количество белка было названо физиологическим минимумом. При введении в диету 50 г белков группе добровольцев - студентов из 100 человек в течение 200 дней у них наблюдалось азотистое равновесие, а у некоторых даже положительный баланс. Однако студенты сильно похудели и после эксперимента были переведены на усиленное белковое питание.

Был сделан вывод, что 50 г белка в сутки взрослому человеку - это голодная норма, которая неминуемо в дальнейшем приведет к развитию белковой недостаточности (так как 200 дней – это лишь небольшая часть средней продолжительности жизни человека).

На основании многочисленных исследований для взрослого человека (массой 70 кг) была установлена норма белков 100-120 г при энергозатратах 2 500 ккал (12000 кДж – умственный труд, механизированный физический труд). При этом учитывается ряд условий: климатические, род профессии, пол, возраст, условия труда. При выполнении тяжелой физической нагрузки норма белка увеличивается; на каждые дополнительные 500 ккал добавляется 10 г. Дети до 12 лет должны получать минимально 50-70 г белка в сутки, а от 12 до 15 лет – суточную норму взрослого человека.

Важным фактором в удовлетворении потребности организма в белках кроме количества является их качество. Это связано с аминокислотным составом, так как ряд аминокислот не синтезируются в организме животных и человека и являются незаменимыми (эссенциальными). К ним относятся: метионин, треонин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан, лизин. Две аминокислоты - гистидин и аргинин являются полузаменимыми, т.к. их синтез идет, но медленно. Животные организмы не способны синтезировать углеродный скелет этих аминокислот, и они должны поступать с пищей. Природные белки в связи с разным аминокислотным составом имеют разную пищевую ценность. Чем ближе аминокислотный состав пищевого белка к аминокислотному составу белков человека, тем выше его биологическая ценность. Такими биологически ценными белками для человека являются белки мяса, молока, яиц. Исключение хотя бы одной незаменимой аминокислоты из пищи приводит к отрицательному балансу, остановке роста и развития, прекращению синтеза белков. Недостаточное поступление одной незаменимой аминокислоты ведет к неполному усвоению других аминокислот, а в последующем также может привести к остановке роста и тяжелым расстройствам.

Растительные белки от животных отличаются другим соотношением аминокислот, и поэтому для удовлетворения потребностей человека в белках их требуется значительно больше.

231

Важное значение в удовлетворении потребностей нашего орга-

низма в белках имеет способность белков пищи к усвоению, что за-

висит от способности протеолитических ферментов наших пищеварительных соков расщеплять их до аминокислот. Так, белки шерсти, перьев, волос имеют близкий аминокислотный состав к белкам человека, но не гидролизуются протеолитическими ферментами пищеварительных соков человека и большинства животных.

Белковые резервы

Обмен белков от изученных обменов углеводов и липидов отличается тем, что в живых организмах не происходит депонирования белков, подобно тому как депонируются углеводы (гликоген в печени

имышечной ткани) и триацилглицерины (в жировой ткани), которые могут использоваться при необходимости. Экспериментальные исследования на животных и наблюдения над больными в клинике показали, что в качестве белковых резервов для обеспечения жизнедеятельности жизненно важных органов используются белки плазмы крови, печени

имышечной ткани, которые гидролизуются и служат источником аминокислот в экстремальных ситуациях: голодание, потеря крови, тяжелые интоксикации, тяжелые инфекционные заболевания.

Каждый вид организма имеет характерные белки, т.е. обладающие видовой специфичностью. При попадании этих чужеродных белков организм лишает их видовой специфичности, расщепляя до таких структурных компонентов, которые не обладают специфичностью и могут быть использованы для построения собственных белков. Такими структурными элементами являются аминокислоты. Расщепление белков происходит в процессе переваривания в желудочно-кишечном тракте.

Переваривание белков

Происходит в различных отделах пищеварительного тракта (в желудке, двенадцатиперстной кишке и тонком кишечнике) под действием протеолитических ферментов пищеварительных соков.

Переваривание белков начинается в желудке под действием ферментов желудочного сока. В сутки выделяется от 1,5 до 2,5 л сока, который отличается от других пищеварительных соков сильно кислой реакцией. рН его 0,9-1,6 благодаря присутствию свободной соляной кислоты, секретируемой обкладочными клетками слизистой желудка. Секреция соляной кислоты в полость желудка представляет активный транспорт, осуществляемый протонной АТФ-азой с затратой АТФ и

232

благодаря наличию в клетках карбоангидразы. Процесс сопровождается уменьшением количества хлоридов в крови.

Роль соляной кислоты:

1.вызывает денатурацию белков;

2.вызывает набухание труднорастворимых белков;

3.растворяет белки, растворимые в кислой среде;

4.активирует пепсиноген;

5.создает рН, необходимое для действия пепсина;

6.стерилизует пищу;

7.способствует всасыванию железа;

8.вызывает секрецию секретина в двенадцатиперстной кишке.

В желудочном соке содержатся протеолитические ферменты:

пепсин, гастриксин, реннин. Главным из них является пепсин. Он вырабатывается главными клетками слизистой желудка в виде профермента пепсиногена (м.м. 40000 Да). Активация его осуществляется соляной кислотой (медленная) и аутокаталитически в присутствии соляной кислоты (быстрая). При этом с N-конца отщепляются пять пептидов с м.м. каждого около 1000 Да и ингибитор пепсина – щелочной пептид с м.м. 3100 Да. М.м. образующегося пепсина 32000-33000 Да. О том, что активация происходит с N-конца, свидетельствует смена N- концевой аминокислоты лейцина на изолейцин (у пепсина). C- концевая аминокислота – аланин одинаковая и у пепсина и у его профермента. При активации происходит изменение конформации молекулы и формирование активного центра, куда входят COOH-группы двух остатков аспарагиновой кислоты. Пепсин действует при значениях рН от 1,5 до 2,5 с максимумом при рН=1,8.

Пепсин проявляет групповую относительную специфичность действия, является эндопептидазой, расщепляющей пептидные связи внутри белковой молекулы:

1)Между двумя ароматическими аминокислотами.

2)Образованные аминогруппой ароматических аминокислот.

3)Ала-ала, ала-сер.

Пепсин хорошо расщепляет связи в мышечных белках, труднее в коллагене, эластине.

Кроме пепсина в желудочном соке содержится фермент гастриксин, проявляющий протеолитическую активность при рН 3,0-4,0 (максимум 3,2). По-видимому, он начинает переваривание белков.

М.м. гастриксина 31500 Да. Полагают, что и пепсин, и гастриксин образуются из одного предшественника. Их соотношение в желудочном соке 4:1.

В желудочном соке грудных детей (и маленьких жвачных животных) содержится фермент реннин (м.м. 40000 Да). Действует при рН 3,7-4,0. Фермент имеет большое значение для переваривания бе л-

233

ков у грудных детей, т.к. катализирует створаживание молока, т.е. превращение растворимого казеиногена в присутствии ионов Са2+ в нерастворимый казеин.

Продукты расщепления белков пепсином представляют смесь полипептидов и называются пептонами.

Переваривание белков в кишечнике

Образовавшиеся в результате действия пепсина в желудке полипептиды и нерасщепившиеся белки поступают в двенадцатиперстную кишку, куда поступает и сок поджелудочной железы.

Панкреатический сок имеет щелочную реакцию (рН 7,5-8,2), что обусловлено высоким содержанием бикарбонатов. В сутки выделяется до 800 мл сока. Кислое содержимое, поступающее из желудка, нейтрализуется, и пепсин теряет свою активность.

В панкреатическом соке содержатся протеолитические фермен-

ты: трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза и эластаза, которые вырабатываются в виде проферментов.

Трипсин вырабатывается в виде трипсиногена, который активируется в двенадцатиперстной кишке энтерокиназой и аутокаталитически. Энтерокиназа секретируется клетками слизистой двенадцатиперстной кишки в неактивной форме – в виде киназогена. Он активируется клеточными протеазами лизосом и самим трипсином.

Активация трипсиногена происходит путем отщепления с N- конца гексапептида , при этом изменяется N-концевая аминокислота (у трипсиногена валин, у трипсина – изолейцин). C-конец, вероятно, замкнут циклически.

После отщепления гексапептида происходит спирализация полипептидной цепи и конформационные изменения, приводящие к формированию активного центра, в который входят остатки серина и гистидина.

Трипсин – эндопептидаза, расщепляет пептидные связи, образованные карбоксильными группами основных аминокислот (лизина, аргинина). Для предотвращения активации профермента в железе, что вызвало бы протеолиз других ферментов и самого органа, здесь и в крови содержатся ингибиторы трипсина.

Химотрипсин вырабатывается в виде химотрипсиногена. Это белок с м.м. около 25000 Да, полипептидная цепь которого замкнута циклически. Активируется трипсином путем расщепления пептидной связи между 15 и 16 аминокислотными остатками. В результате конформационных изменений формируется активный центр, в который

Поэтому изменение молекулярной массы незначительно (23000-22000).

234

входят радикалы серина и гистидина. Образуется самая активная форма фермента – π-химотрипсин. Далее от него отщепляется дипептид (14 и 15 аминокислотные остатки) и образуется δ-химотрипсин с меньшей протеолитической активностью. От него отщепляется еще дипептид, в результате чего образуется α-химотрипсин с еще меньшей активностью, т.е. идет деградация самой молекулы фермента.

Химотрипсин – эндопептидаза, расщепляет пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот, а также триптофана, лейцина и метионина с любыми другими аминокислотами.

Таким образом, и трипсин и химотрипсин, как и пепсин, обладают групповой относительной специфичностью.

Карбоксипептидаза вырабатывается в виде прокарбоксипептидазы с м.м. 96000 Да. Активируется трипсином с отщеплением большей части молекулы. М.м. активного фермента 36000 Да. Простетической группой фермента является цинк. Это экзопептидаза, отщепляет C-концевую аминокислоту. Есть две формы фермента: А отщепляет с C-конца ароматические и другие аминокислоты, кроме основных и пролина, B – основные аминокислоты.

Эластаза вырабатывается в виде проэластазы, активируемой трипсином. Расщепляет эластин и коллаген соединительной ткани. Расщепляет пептидные связи, в образовании которых принимают участие гидрофобные аминокислоты (пролин, аланин), а также глицин, серин.

Дальнейшее переваривание происходит в тонком кишечнике при участии ферментов кишечного сока, содержащего амино-, ди- и трипептидаз. Все они вырабатываются в неактивной форме и активируются трипсином. Функционируют преимущественно пристеночно и внутриклеточно.

Аминопептидазы отщепляют аминокислоты с N-конца пептидов (т.е. со свободной аминогруппой). Выделяют активные аланинаминопептидазу и лейцинаминопептидазу. Ди- и трипептидазы расщепляют ди- и трипептиды соответственно до аминокислот.

Таким образом, конечными продуктами переваривания белков в желудочно-кишечном тракте являются аминокислоты, которые всасываются.

Переваривание сложных белков

Начинается с отщепления простетической группы, которая в зависимости от химической природы подвергается дальнейшим ферментативным превращениям (например, нуклеиновые кислоты расщепляются панкреатическими РНК-азой и ДНК-азой). Белковая часть гидро-

235

лизуется рассмотренными выше ферментами до аминокислот.

Регуляция пищеварения гормоноподобными веществами желудочно-кишечного тракта

Секреция пищеварительных соков находится под контролем сложных нейрогуморальных механизмов, среди которых важное место занимают гормоноподобные вещества желудочно-кишечного тракта.

Секрецию желудочного сока стимулируют гастрин и гистамин. Гастрин – полипептид, вырабатываемый слизистой оболочкой привратника под действием пищи, попадающей в желудок. Секреция его, кроме химических факторов, стимулируется рефлекторным растяжением желудка пищей. Кровотоком гастрин доставляется в клетки слизистой желудка и стимулирует секрецию желудочного сока (воды, электролитов, ферментов). Гистамин – продукт декарбоксилирования гистидина – вызывает интенсивную секрецию желудочного сока, чем обусловлено его применение в клинике при исследовании функциональной активности слизистой желудка.

Регуляция секреции панкреатического сока осуществляется секретином и холецистокинином. Оба они – полипептиды, синтезируемые слизистой оболочкой двенадцатиперстной кишки. При поступлении из желудка кислого содержимого стимулируется образование секретина (под влиянием соляной кислоты и других химических раздражителей). Он поступает с кровотоком в поджелудочную железу и через аденилатциклазную систему стимулирует секрецию сока, богатого бикарбонатами и с большим содержанием воды.

В ответ на поступление в двенадцатиперстную кишку жирной пищи клетками слизистой оболочкой вырабатывается холецистокинин, который кровью доставляется в поджелудочную железу и стимулирует выработку сока, богатого ферментами (поэтому его раньше называли панкреозимин). Он также вызывает сокращение гладких мышц желчного пузыря и усиливает двигательную функцию кишечника.

Парентеральное белковое питание

В клинике, чаще в хирургической практике при ряде состояний (кровопотери, непроходимость пищевода после ожогов, отравления, при раковом поражении пищевода и желудка, после операций на желудке, ожоговая болезнь, до и после хирургических вмешательств) возникает необходимость введения белков минуя пищеварительный тракт (парентерально). Однако парентеральное введение белков неминуемо приведет к сенсибилизации организма. Поэтому для белкового питания парентеральным путем используют гидролизаты белков, со-

236

держащие смесь аминокислот. Так, широко используется гидролизин - гидролизат белков крови крупного рогатого скота. Используется для парентерального питания до и после хирургических вмешательств, при кровопотерях, ожоговой болезни как источник аминокислот для биосинтеза белков. Может использоваться при непроходимости пищевода (ожоги, раковые поражения). Для нормализации обмена веществ в ткани мозга используют церебролизин -гидролизат ткани мозга.

Всасывание аминокислот

Происходит путем активного транспорта, т.е. идет с затратой АТФ, против градиента концентрации с участием переносчиков. Выяснено, что существуют специфические транспортные системы, переносящие аминокислоты определенного строения:

1.Нейтральные с небольшим радикалом.

2.Нейтральные с объемным радикалом.

3.Кислые (отрицательно заряженные).

4.Основные (положительно заряженные).

5.Пролин.

В настоящее время расшифрован механизм транспорта аминокислот в клетки кишечника, мозга, почек, получивший название γ- глутамильного цикла. В нем участвуют 6 ферментов и трипептид гл у- татион. Ключевой фермент – гаммаглутамилтрансфераза (ГГТ) локализован в мембране. Он отщепляет глутаминовую кислоту от глутатиона и переносит ее на поступающую в клетку аминокислоту с образованием дипептида. Он оказывается в клетке и расщепляется другим ферментом цикла на аминокислоту и оксопролин. Через ряд реакций оксопролин превращается в глутаминовую кислоту. Из нее, цистеина и глицина, выделившихся при расщеплении глутатиона, происходит ресинтез глутатиона, при этом на активацию каждой аминокислоты затрачивается АТФ, т.е. на ресинтез глутатиона – 3 АТФ.

Судьба всосавшихся аминокислот

Аминокислоты, всосавшиеся через стенку кишечника, поступают в кровь и по системе воротной вены попадают в печень, где используются с различными целями. Главные пути использования следующие:

−Синтез структурных белков.

−Синтез белков плазмы крови.

−Синтез биологически активных веществ (ферментов, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, аминов, креатина), порфиринов, пептидов – глутатиона.

237

−Распад аминокислот с использованием углеродного скелета для глюконеогенеза.

−Значительная часть аминокислот с кровью поступает к органам и тканям.

Втканях аминокислоты используются с такими же целями, кр о- ме этого, в эндокринных железах синтезируются гормоны. Не использованные с синтетическими целями аминокислоты подвергаются распаду до конечных продуктов – СО2, Н2О и NH3.

Лекция 23

ПРЕВРАЩЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ В ТКАНЯХ. РЕАКЦИИ ПО АМИНОГРУППЕ

Превращения аминокислот в тканях могут осуществляться по:

−Аминогруппе.

−Карбоксильной группе.

−Радикалу.

Превращения аминокислот по ΝН2-группе происходят путем:

1. Дезаминирования.

2. Переаминирования.

1. Дезаминирование аминокислот. Теоретически и in vitro воз-

можны следующие виды дезаминирования: окислительное, восстановительное, гидролитическое и путем внутримолекулярной перестройки. Все они обнаружены у бактерий. Но у животных, растений и большинства бактерий дезаминирование происходит окислительным путем. Процесс идет с участием ферментов оксидаз. Выделены оксидазы L- аминокислот, превращающие L-изомеры аминокислот, и D-оксидазы.

L-оксидазы имеют простетическую группу ФМН, проявляют относительную и стереохимическую специфичность, мало активны (т.к. опт. рН=10) – всего 10% активности, локализованы в пероксисомах.

D-оксидазы – сложные флавиновые ферменты с простетической группой ФАД, проявляют относительную и стереохимическую специфичность, высоко активны, находятся в микросомах.

238

Химизм процесса:

Аминокислоты наших белков и поступающих с пищей – L-ряда. D-аминокислоты могут поступить с некоторыми бактериями или всосаться из кишечника, где под действием рацемаз микрофлоры может идти рацемизация L-аминокислот в D-изомеры. Из всех L -оксидаз следует выделить фермент глутаматдегидрогеназу (ГлуДГ), которая дезаминирует глутаминовую кислоту и отличается тем, что:

1.Имеет кофермент НАД.

2.Обладает абсолютной специфичностью.

3.Высоко активна.

4.Локализована в митохондриях.

5.Регуляторный фермент: активируется АДФ, ингибируется АТФ, ГТФ, эстрогенами, тироксином.

При дезаминировании глутаминовой кислоты образуется α- кетоглутарат.

Вывод: таким образом, из всех наших L-аминокислот активно прямо дезаминируется только глутаминовая кислота.

1. Переаминирование (трансаминирование). Процесс открыт в

1937г. советскими биохимиками А.Е. Браунштейном и М.Г. Крицман. Процесс ферментативный, осуществляется ферментами аминотрансферазами (трансаминазами) и сводится к переносу аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту с образованием соответствующей кетокислоты и новой аминокислоты.

Аминотрансферазы – сложные ферменты с коферментом,

представленным пиридоксальфосфатом – производным витамина В6. Под витамином В6 понимают группу веществ: пиридоксол, пиридоксаль и пиридоксамин. В тканях они находятся в виде фосфорных эфиров:

пиридоксол пиридоксальфосфат пиридоксаминфосфат

239

Процесс переаминирования протекает в несколько стадий:

I.

Итогом первого этапа являются пиридоксаминфосфат и кетокислота, соответствующая превращающейся аминокислоте. Образовавшийся пиридоксаминфосфат взаимодействует с какой-либо кетокислотой, и процесс идет в обратном направлении. В результате образуется новая аминокислота и выделяется пиридоксальфосфат.

II.

Ферменты локализованы в цитозоле и митохондриях и отличаются высокой активностью.

Значение процесса переаминирования:

1)Путь синтеза в организме заменимых аминокислот.

2)Первый этап непрямого дезаминирования аминокислот.

3)Осуществление взаимосвязи обменов аминокислот, углеводов

илипидов.

Втканях активно дезаминируется лишь глутаминовая кислота. Изучение азотистого обмена, активности ферментов привело к мысли, что дезаминирование большей части аминокислот идет непрямым

путем. Вначале аминокислоты вступают в переаминирование с кетокислотами: ПВК, ЩУК или α-кетоглутаровой. Образовавшиеся АЛА и

240