Биохимия пособие Коновалова 2012

лось отрицательным балансом при выполнении работы. Это косМС огво белка было названо физиологическим минимумом. При 10,46нии в диету 50 г белков группе добровольцев - студентов из 100 вВб^ ек в течение 200 дней у них наблюдалось азотистое равновесие, а ЧеЛекоторых даже положительный баланс. Однако студенты сильно Уотдели и после эксперимента были переведены на усиленное белко­

вое питание.

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

На основании многочисленных исследований для взрослого че­ ловека (массой 70 кг) была установлена норма белков 100-120 г при энергозатратах 2 500 ккал ( 12000 кДж - умственный труд, механизи­ рованный физический труд). При этом учитывается ряд условий: кли­ матические, род профессии, пол, возраст, условия труда. При выпол­ нении 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 амино­ кислотным составом, так как ряд аминокислот не синтезируются в ор­ ганизме животных и человека и являются незаменимыми (эссенциальными). К ним относятся: метионин, треонин, валин, лейцин, изолей­ цин, 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 ами­ нокислотному составу белков человека, тем выше его биологическая Ценность. Такими биологически ценными белками для человека явля­ ются белки мяса, молока, яиц. Исключение хотя бы одной незамени­ мой аминокислоты из пищи приводит к отрицательному балансу, оста­ новке роста и развития, прекращению синтеза белков. Недостаточное поступление одной незаменимой аминокислоты ведет к неполному ус- в°ению других аминокислот, а в последующем также может привести костановке 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 пшцевард. тельных соков расщеплять их до аминокислот. Так, белки шерсти перьев, волос имеют близкий аминокислотный состав к белкам человек ка, но не гидролизуются протеолитическими ферментами пищевари­ тельных соков человека и большинства животных.

Белковые резервы

Обмен белков от изученных обменов углеводов и липидов отли­ чается тем, что в живых организмах не^происходит депонирования белков, подобно тому как депонируются углеводы (гликоген в печени и мышечной ткани) и триацилглицерины (в жировой ткани), которые могут использоваться при необходимости. Экспериментальные иссле­ дования на животных и наблюдения над больными в клинике показали, что в качестве белковых резервов для обеспечения жизнедеятельности жизненно важных органов используются белки плазмы крови, лечени и мышечной ткани, которые гидролизуются и служат источником ами­ нокислот в экстремальных ситуациях: голодание, потеря крови, тяже­ лые интоксикации, тяжелые инфекционные заболевания.

Каждый вид организма имеет характерные белки, т.е. обладаю­ щие видовой специфичностью. При попадании этих чужеродных бел­ ков организйТпнпаёт 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 бел­ ков происходит в процессе переваривания в желудочно-кишечном тракте.

Переваривание белков

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

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

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 pH, 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, гастриксиц реннин. Главным из них является пепсин. Он вырабатывается главными клетками слизистой желудка в виде про­ фермента пепсиногена (м.м. 40000 Да). Активация его осуществляется соляной кислотой (медленная) и аутокаталитически в присутствии со­ ляной кислоты (быстрая). При этом с N-конца отщепляются пять пеп­ тидов 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). С- концевая аминокислота - аланин одинакова и у пепсина и у его про­ фермента. При активации происходит изменение конформации моле­ кулы и формирование активного центра, куда входят СООН-группы двух остатков аспарагиновой кислоты. Пепсин действует при значени­ ях pH 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 pH 3,'0-4,0 (Мак­ симум 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 желу­ дочном соке 4:1.

В желудочном соке грудных детей (и маленьких жвачных жи­ вотных) содержится фермент реннин (м.м. 40000 Да). Действует при pH 3,7-4,0. Фермент имеет большое значение для переваривания бел­

233

ков у грудных детей, т.к. катализирует створаживание молока, т.е. цре вращение растворимого казеиногена в присутствии ионов Са2+ в HepaJ творимый казеин.

Продукты расщепления белков пепсином представляют смесь полипептидов и называются пептонами.

Переваривание белков в кишечнике

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

Панкреатический сок имеет щелочную реакцию (pH 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 активи­ руется в двенадцатиперстной кишке энтерокиназой и аутокаталитиче­ ски. Энтерокиназа секретируется клетками слизистой двенадцатипер­ стной кишки в неактивной форме —в виде киназогена. Он активирует­ ся 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). С-конец, вероятно, замкнут циклически.

После отщепления гексапептида происходит спирализация полипептидной цепи и конформационные изменения, приводящие к фор­ мированию активного центра, в который входят остатки серина и гис­ тидина.

Трипсин - эндопептидаза, расщепляет пептидные связи, образо­ ванные карбоксильными группами основных аминокислот (лизина, ар­ гинина). Для предотвращения активации профермента в железе, что вызвало бы протеолиз других ферментов и самого органа, здесь и» крови содержатся ингибиторы трипсина.

Химотрипсин вырабатывается в виде химотрипсиногена. Э1® белок с м.м. около 25000 Да, полипептидная цепь которого замкну1® циклически. Активируется трипсином путем расщепления пептидй0 связи между 15 и 16 аминокислотными остатками. В результате формационных изменений формируется активный центр, в котор

* Поэтому изменение молекулярной массы незначительно (23000-22000).

234

gT радикалы серина и гистидина. Образуется самая активная форвХ°*ЯDMdfTa ~ я-химотрипсин. Далее от него отщепляется дипептид ма ^ 15 аминокислотные остатки) и образуется 5-химотрипсин с (И щей протеолитической активностью. От него отщепляется еще «в*ЬеПтт, в результате чего образуется а-химотрипсин с еще меньшей

вН0СТью, т.е. идет деградация самой молекулы фермента.

3 Химотрипсин - эндопептидаза, расщепляет пептидные связи, об- «ованные карбоксильными группами ароматических аминокислот, а такжетриптофана, лейцина и метионина с любыми другими аминокис­

дазы с м м. 96000 Да. Активируется трипсином с отщеплением боль­ шей части молекулы. М.м. активного фермента 36000 Да. Простетиче- ской группой фермента является цинк. Это экзопептидаза, отщепляет С-кбнцевую аминокислоту. Есть две формы фермента: А отщепляет с С-конца ароматические и другие аминокислоты, кроме основных и пролина, В - основные аминокислоты.

Эластаза вырабатывается в виде проэластазы, активируемой трипсином. Расщепляет эластин и коллаген соединительной ткани. Расщепляет пептидные связи, в образовании которых принимают уча­ стие гидрофобные аминокислоты (пролин, аланин), а также глицин, серин. /4*Ak*,'u^ ,vji

Дальнейшее переваривание происходит в тонком кишечнике при участии ферментов кишечного сока, содержащего амино-. ди- и трипептидаз. Все они вырабатываются в неактивной форме и активируют­ ся 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 всасы­ ваются.

Переваривание сложных белков

Начинается с отщепления простетической группы, которая в за­ висимости от химической природы подвергается дальнейшим фермен­ тативным превращениям (например, нуклеиновые кислоты расщепля­ ется панкреатическими РНК-азой и ДНК-азой). Белковая часть гидро­

2 3 5

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 при­ вратника под действием пищи, попадающей в желудок. Секреция его, кроме химических факторов, стимулируется рефлекторным растяже­ нием желудка пищей. Кровотоком гастрин доставляется в клетки сли­ зистой 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 функцио­ нальной активности слизистой желудка.

Регуляция секреции панкреатического сока осуществляется сек­ ретином и холецистокининомГОба они - полипептиды, синтезируе­ мые слизистой оболочкой двенадцатиперстной кишки. При поступле­ нии из желудка кислого содержимого стимулируется образование сек­ ретина (под влиянием соляной кислоты и других химических раздра­ жителей). Он поступает с кровотоком в поджелудочную железу и через аденилатциклазную систему стимулирует секрецию сока, богатого би­ карбонатами 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 желч­ ного 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 же­ лудке, ожоговая болезнь, до и после хирургических вмешательств) возникает необходимость введения белков минуя пищеварительный тракт (парентерально). Однако парентеральное введение белков неми­ нуемо приведет к сенсибилизации организма. Поэтому для белкового питания парентеральным путем используют гидролизаты белков, со-

236

пясахцие смесь аминокислот. Так, широко используется гидролизин - ^ролизат белков крови крупного рогатого скота. Используется для парентерального питания до и после хирургических вмешательств, при овопотерях, ожоговой болезни как источник аминокислот для био­ синтеза белков. Может использоваться при непроходимости пищевода /ожоги, раковые поражения). Для нормализации обмена веществ в тка-

нИ мозга используют церебролизин -гидролизат ткани мозга.

Всасывание аминокислот

Происходит путем активного транспорта, т.е. идет с затратой дТФ, против градиента концентрации с участием переносчиков. Выяс­ нено, что существуют специфические транспортные системы, перено­ сящие аминокислоты определенного строения:

1.Нейтральные с небольшим радикалом.

2.Нейтральные с объемным радикалом.

3.Кислые (отрицательно заряженные).

4.Основные (положительно заряженные).

5.Пролин.

Внастоящее время расшифрован механизм транспорта амино­

кислот в клетки кишечника, мозга, почек, получивший название у- глутамильного цикла. В нем участвуют 6 ферментов и трипептид глу­ татион) Ключевой фермент - гаммаглутамилтрансфераза (ГГТ) локали­ зован в мембране. Он отщепляет глутаминовую кислоту от глутатиона и переносит ее на поступающую в клетку аминокислоту с образовани­ ем дипептида. Он оказывается в клетке и расщепляется другим фер­ ментом цикла на аминокислоту и оксопролин. Через ряд реакций оксопролин превращается в глутаминовую кислоту. Из нее, цистеина и глицина, выделившихся при расщеплении глутатиона, происходит ре­ синтез глутатиона, при этом на активацию каждой аминокислоты за­ трачивается 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 использу­ ются с различными целями. Главные пути'использования следующие:

-Синтез структурных белков.

-Синтез белков плазмы крови.

-Синтез биологически активных веществ (ферментов, пурино­ вых и пиримидиновых нуклеотидов, аминов, креатина), порфиринов,

Пептидов - глутатиона.

2 3 7

-Распад аминокислот с использованием углеродного скелета для глюконеогенеза.

-Значительная часть аминокислот с кровью поступает к орга­ нам и тканям.

Втканях аминокислоты используются с такими же целями, кро­ ме этого, в эндокринных железах синтезируются гормоны. Не исполь­ зованные с синтетическими целями аминокислоты подвергаются рас­ паду до конечных продуктов - С02, Н20 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 NH2-rpynne происходят путем:

1.Дезаминирования.

2.Переаминирования.

1.Дезаминирование аминокислот. Теоретически и in vitro воз­ можны следующие виды дезаминирования: окислительное, восстано­ вительное, гидролитическое и путем внутримолекулярной перестрой­ ки. Все они обнаружены у бактерий. Но у животных, растений и боль­ шинства 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 перокси-

сомах.

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

2 3 8

Химизм процесса:

Аминокислоты наших белков и поступающих с пищей - L-ряда. D-аминокислоты могут поступить с некоторыми бактериями или всо­ саться из кишечника, где под действием рацемаз микрофлоры может идти рацемизация L-аминокислот в D-изомеры. Из всех L-оксидаз следует выделить фермент глутаматдегидрогеназу, которая дезамини­ рует 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 ооразуется а- кетоглутарат.

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

1. Шереаминирование. Процесс открыт в 1937г. советскими биохимиками А.Е. Браунштейном и М.Г. Крицман. Процесс фермента­ тивный, осуществляется Ферментами аминотрансФеоазами (трансаминазами.) и сводится к переносу аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту с образованием соответствующей кетокислоты и новой ами­ нокислоты.

Аминотрансферазы - сложные ферменты с коферментом, пред­ ставленным пиридоксальфосфатом —производным витамина В6. Под витамином Be понимают группу веществ: пиридоксол, пиридоксаль и пиридоксамин. В тканях они находятся в виде фосфорных эфиров:

Нч * °

2 3 9

Процесс переаминирования протекает в несколько стадий:

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

Н.

Ферменты локализованы в цитозоле и митохондриях и отлича­ ются 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-В*- тем. Вначале аминокислоты вступают в переаминирование с кетокис лотами: ПВК, ЩУК или а-кетоглутаровой. Образовавшиеся АЛА

240