100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

1. Особенности обмена белка.

2. Катаболизм аминокислот.

3. Универсальные процессы в катаболизме аминокислот.

4. Способы обезвреживания аммиака.

5. Биосинтез белка.

Обмен белка занимает центральное место среди многообразных процессов метаболизма, свойственных живой материи. Все другие виды обмена - углеводный, липидный, нуклеиновый, минеральный и др. прежде всего обслуживают обмен белков и в т.ч. специфический биосинтез белка. Белковый обмен весьма строго специфичен, обеспечивает непрерывность воспроизводства и обновления белковых тел организма.

Именно белковый обмен координирует, регулирует и интегрирует многообразие химических превращений в целостном живом организме, подчиняя его сохранению вида, непрерывности жизни. По сравнению с другими видами обмена веществ обмен белка имеет ряд особенностей.

Особенности обмена белка

Одной из характерных особенностей белкового обмена является его чрезвычайная разветвлённость. В превращениях 20 с лишним аминокислот белковой молекулы в организме животных участвуют несколько сотен промежуточных продуктов, тесно связанных с метаболитами обмена углеводов и липидов. Блокирование какого - либо специфического пути обмена, даже одной аминокислоты может привести к появлению совершенно неизвестных продуктов.

Состояние белкового обмена определяется множеством факторов, как экзогенных, так и эндогенных. Большое значение при этом играет биологическая полноценность белков пищи (корма). Любые отклонения от нормального физиологического состояния организма, нарушения в обмене углеводов, липидов и др. незамедлительно отражаются на азотистом обмене.

Состояние обмена белка в живом организме можно характеризовать балансом азота. Этот термин означает количественную разницу между введенным с пищей азота и выведенным его в виде конечных продуктов выраженных в одинаковых единицах. Поскольку, как основная масса азота пищи представлена белками, так и большинство выделяемых конечных азотистых продуктов является следствием распада белка, принято считать, что для правильной оценки состояния обмена белков достаточно точным критерием может быть определение азотистого баланса. Кроме того, среднее содержание азота в белках, более или менее постоянная величина и составляет 16%. Для пересчета общего азота на белок нужно найденное его общее количество умножить на коэффициент 6,25. С понятием азотистого баланса тесно связана проблема о нормах белка в кормлении животных.

Различают 3 вида азотистого баланса организма: положительный, нулевой (азотистое равновесие) и отрицательный.

В клинической биохимии различают понятия белковый и небелковый азот. Количество небелкового азота в крови животных не велико и находится в пределах 20-60 мг%. Сюда входят, в основном, азот мочевины, аминокислот, мочевой кислоты креатина и креатинина, индикана и др. Небелковый азот крови называют также остаточным азотом, то есть остающийся в фильтрате после осаждения белков.

У здоровых животных колебания в содержании небелкового азота в крови незначительны и в основном зависят от количества поступающих с кормом белков. Однако, многие патологические состояния сопровождаются резким повышением содержания небелкового азота в крови. Такое состояние носит название азотемии.

Основные особенности обмена белков проявляются на стадии промежуточного обмена и их можно объяснить двумя факторами:

Во-первых, энергетическая ценность аминокислот не высока и выполняют в клетке, прежде всего, функции строительных материалов. В связи с этим, в обмене белков центральную роль играют не процессы катаболизма, а анаболизма, т.е. синтеза белка. Во-вторых, в живой клетке не существуют единые, универсальные механизмы расщепления аминокислот. Каждая аминокислота подвергается распаду по индивидуальному механизму.

Катаболизм аминокислот

Если известно 20 белковых аминокислот, то в каждой клетке, как минимум, функционируют 20 путей их катаболизма. Однако, несмотря на такое многообразие катаболических путей, конечных продуктов тканевого обмена аминокислот немного, т.е. 20 способов расщепления аминокислот на определенных этапах сливаются и приводят к образованию всего лишь 5 различных продуктов, которые затем вступают в цикл трикарбоновых кислот и окисляются полностью.

Рис. 21. Пути превращений аминокислот.

Углеродные скелеты 10 аминокислот расщепляются до ацетил-КоА. Причем, 5 из этих 10 аминокислот (аланин, цистеин, глицин, серин, треонин) расщепляются до ацетил-КоА через пируват. Другие 5 (фенилаланин, тирозин, лейцин, лизин, триптофан) – через ацетоацетил-КоА. Как известно, ацетоацетил-КоА является центральным продуктом в метаболизме кетоновых тел. В печени из этих аминокислот могут образовываться кетоновые тела и поэтому их называют кетогенными. Остальных – глюкогенными, т.к. из пирувата легко синтезируется глюкоза. Однако такое разделение аминокислот весьма условное, потому что, в целом всех аминокислот можно называть глюкогенными, тем более некоторые аминокислоты могут расщепляться, как с образованием пирувата, так и ацетоацетил-КоА.

Кроме ацетил-КоА, при катаболизме аминокислот могут образоваться α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат и оксалоацетат (рис.21).

Универсальные процессы в катаболизме

аминокислот.

Каждая аминокислота подвергается распаду по индивидуальному механизму. Некоторые катаболические пути достаточно сложные, многоступенчатые (до 13 последовательных реакций), с образованием большого количества метаболитов, которые в свою очередь могут вовлекаться в различные биохимические процессы. Например, при расщеплении триптофана образуются продукты, которые могут служить предшественниками нейрогормона серотонина, никотиновой кислоты и др.

Известны ряд превращений, которые встречаются в способах расщепления всех аминокислот, т.е. они являются общими для всех катаболических путей. К ним относятся: дезаминирование, трансаминирование и декарбоксилирование. В биологии они больше известны, как универсальные механизмы расщепления аминокислот.

Дезаминирование – отщепление аминогрупп аминокислот. Доказано существование четырех типов дезаминирования. Во всех случаях NH2 группа аминокислот освобождается в виде NH3.

1. Восстановительное дезаминирование.

2. Гидролитическое дезаминирование.

3. Внутримолекулярное дезаминирование.

4. Окислительное дезаминирование.

Преобладающим типом для животных тканей, растений и большинства аэробных микроорганизмов является окислительное дезаминирование аминокислот, протекающее в двух стадиях с образованием неустойчивого промежуточного продукта - иминокислоты. Однако нужно отметить, что большинство ферментов, катализирующие окислительное дезаминирование аминокислот, при физиологических значениях рН малоактивны. В животных тканях наиболее активным, является фермент, катализирующий окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты - глутаматдегидрогеназа. Конечным продуктом реакции является α-кетоглутарат.

Трансаминирование (переаминирование) - реакции межмолекулярного переноса аминогруппы от аминокислоты на α-кетокислоту без промежуточного образования аммиака.

Реакции трансаминирования являются обратимыми и универсальными для всех живых организмов. Протекают при участии специфических ферментов - аминотрансфераз. В трансаминировании могут участвовать любая α-аминокислота и любая α-кетокислота с образованием новой амино- и кетокислоты. Учитывая тот факт, что в животных тканях с высокой скоростью подвергается окислительному дезаминированию глутаминовая кислота, можно предположить, что одним из основных субстратов для трансаминирования является α-кетогутарат. В настоящее время считается доказанным не только то, что практически все аминокислоты реагируют с α-кетоглутаровой кислотой с образованием глутаминовой кислоты и соответствующей кетокислоты, но и то, что реакции трансаминирования и окислительного дезаминирования сопряжены в едином процессе, который протекает по схеме:

Рис. 22. Схема непрямого дезаминирования аминокислот

Поскольку все реакции данного процесса являются обратимыми, создаются условия для синтеза по существу любой аминокислоты, при наличии соответствующий α-кетокислоты.

Декарбоксилирование - отщепление карбоксильной группы аминокислот в виде углекислого газа. Реакция является необратимой и катализируется декарбоксилазами. Различают несколько видов декарбоксилирования, среди которых наибольшее распространение получило α-декарбоксилирование, т.е. отщепление –СООН группы у α-углерода аминокислоты. Продуктами декарбоксилирования являются СО2 и амины, а также могут быть диамины и новая аминокислота в зависимости от характера декарбоксилируемой аминокислоты.

Некоторые амины (триптамин, гистамин) обладают биологической активностью, среди диаминов известны ядовитые вещества (кадаверин, путресцин). Существуют специальные механизмы обезвреживания подобных соединений, суть которых в целом сводится к окислительному дезаминированию с выделением аммиака.

Способы обезвреживания аммиака.

Одним из конечных продуктов обмена аминокислот является высокотоксичное соединение - аммиак. Поэтому концентрация аммиака в организме должна сохраняться на низком уровне. Действительно, уровень аммиака в крови в норме не превышает 60 мкмоль/л (это почти в 100 раз меньше концентрации глюкозы в крови). В организме человека подвергается распаду около 100 г аминокислот в сутки, следовательно, высвобождается около 15 г аммиака. В опытах на кроликах показано, что концентрация аммиака 3 ммоль/л является летальной. Таким образом, аммиак должен подвергаться постоянному обезвреживанию с образованием нетоксичных соединений, легко выделяющихся с мочой.

Можно выделить несколько основных способов обезвреживания аммиака.

Образование амидов дикарбоновых аминокислот (восстановительное аминирование);

Синтез мочевины;

Образование аммонийных солей;

1. Восстановительное аминирование.

Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме, в частности в мозге, сетчатке, почках, печени и мышцах - это биосинтез амидов глутаминовой и аспарагиновой кислот (глутамина или аспарагина).

Образование глутамина (аспарагина) является, во-первых, экспресс способом нейтрализации аммиака и во-вторых, способом переноса аммиака от периферических тканей к печени и почкам, где происходит окончательное обезвреживание этого яда и выведение из организма.

Обезвреживание аммиака путем синтеза глутами-на имеет и анаболическое значение, поскольку глутамин используется для синтеза ряда соединений. Амидная группа глутамина может использоваться для синтеза аспарагина, глюкозамина и других аминосахаров, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Таким образом, в этих реакциях азот аммиака включается в разнообразные структурно-функциональные компоненты клетки.

2. Образование аммонийных солей.

В целом, весь аммиак из организма удаляется с мочой двумя путями:

В виде мочевины, которая синтезируется в печени;

В виде солей аммония образующихся в эпителии канальцев почек;

Экскреция аммиака с мочой в норме невелика - около 0,5 г в сутки. Но она в несколько раз повышается при ацидозе.

Синтез аммонийных солей происходит в просвете канальцев почек из секретируемых сюда аммиака и фильтрующихся анионов первичной мочи.

Аммиак в почках образуется также за счет амидной группы глутамина крови, который не задерживается в печени. Глутамин гидролизуется глутаминазой, имеющейся в клетках эпителия канальцев почки

Образование солей аммония в почечных канальцах является важным механизмом регуляции кислотно-основного состояния организма. Оно резко возрастает при метаболическом ацидозе - накоплении в организме кислот и снижается при потере кислот организмом (алкалозе).

3. Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является синтез мочевины . Мочевина выводится из организма с мочой в качестве главного конечного продукта белкового обмена. На долю мочевины приходится до 80-85 % от всего выводимого из организма азота. Основным местом синтеза мочевины является печень. Синтез мочевины является циклическим метаболическим процессом и носит название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса.

Орнитиновый цикл тесно связан с циклом трикарбоновых кислот (бицикл Кребса). Механизм процесса достаточно простой, рассматривается всего лишь в трех стадиях. Однако особенностью цикла является то, что ферменты реакций распределены между цитоплазмой и митохондрией клеток.

За каждый оборот цикла из двух молекул аммиака синтезируется одна молекула мочевины, и расходуются три молекулы АТФ.

Рис. 23. Схема биосинтеза мочевины.

Биосинтез белка

Синтез белка непрерывно происходит в каждой живой клетке. Белоксинтезирующая система клетки предполагает координированного взаимодействия более 300 различных макромолекул и включает набор всех 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул; минимум 20 разных тРНК; набор минимум 20 различных ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз; рибосомы; белковые факторы, участвующие в синтезе на разных уровнях трансляции; иРНК в качестве главного компонента системы, несущей информацию о структуре белка, синтезирующегося в рибосоме.

Несмотря на такую сложность белки в клетке синтезируются достаточно высокой скоростью. Например, в клетках E.coli, белок, состоящий из 100 аминокислот, синтезируется за 5 сек.

Рис. 24. Принципиальная схема биосинтеза белка (по А.С. Спирину). Кружочки – свободные аминокислоты и их остатки в составе полипептидной цепи.

Аминокислотная последовательность белка (первичная структура), как известно, закодирована в генах. Матричная РНК (мРНК) или информационная РНК (иРНК) служит для переноса генетической информации от ДНК в ядре до цитоплазмы, где она соединяется с рибосомами и служит матрицей, на которой осуществляется синтез белка. Процесс синтеза информационного РНК называется транскрипция. После того как стало известно особенности строения гена был полностью расшифрован механизм транскрипции. Предварительно синтезируется полная комплиментарная копия гена – pro-и РНК, котрая претерпевает затем процесс созревания (процессинг иРНК).

Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта с последующим удалением его интронных участков и воссоединением (сплайсингом) экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. Во время процессинга происходит также модификация 5"-и 3"-концов формирующейся зрелой молекулы мРНК.

Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК.

Трансляцию можно представить как процесс перевода «нуклеотидного языка» иРНК на «аминокислотный» полипептидной цепи молекулы белка. Происходит данный процесс благодаря тому, что в нуклеотидной последовательности мРНК имеются кодовые «слова» для каждой аминокислоты – генетический код. Каждое последовательное тройное сочетание нуклеотидов кодирует одну аминокислоту – кодон. Генетический код состоит из 64 кодонов.

Генетический код является вырожденным. Это означает, что большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами. Последовательность первых двух нуклеотидов определяет специфичность каждого кодона, т.е. кодоны кодирующие одну и ту же аминокислоту различаются только третьими нуклеотидами.

Другой отличительной особенностью генетического кода является его непрерывность, отсутствие «знаков препинания», т.е. сигналов, указывающих на конец одного кодона и начало другого. Другими словами, код является линейным, однонаправленным и непрерывающимся. Наиболее существенной особенностью кода является его универсальность для всех живых организмов от бактерий до человека. Код не подвергся существенным изменениям за миллионы лет эволюции.

Среди 64 кодонов 3, а именно УАГ, УАА, УГА, оказываются «бессмысленными». Эти кодоны выполняют важную функцию сигналов терминации в синтезе полипептида в рибосомах.

Процесс трансляции можно условно подразделить на три основные стадии - инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация трансляции обеспечивается соединением молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы и формированием инициирующего комплекса.

Процесс элонгации непосредственно связан с большой субъединицей рибосом, которая имеет специфические участки – А (аминокислотный) и Р (пептидильный). Начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5"→ 3", что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из A-участка в Р-участок, а освободившийся А -участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.

Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в А-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).

Посттрансляционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и формирование уровней структурной организации и др.

Для обмена белков в организме человека характерна одна важная особенность - ни белки, ни аминокислоты не могут запасаться впрок, как, например, липиды в жировой ткани или углеводы в виде гликогена.

Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в организме человека. Для этого есть несколько путей: аминирование непредельной кислоты, восстановительное аминирование и переаминирование.

Алитированием непредельной кислоты образуется Асп из фумаровой кислоты под действием аспартат:аммиак-лиазы (см. рис. 6.40). Реакция обратима и поэтому Асп, превращаясь в фумаровую кислоту, может полностью окисляться в цикле Кребса.

Восстановительное аминирование - процесс, обратный окислительному дезаминированию (см. рис. 3.14 и 12.1). Но таким путем образуются только Ала и Глу, так как активность их дегидрогеназ существенна.

Таким образом, Ала, Асп и Глу считают первичными , а все остальные заменимые аминокислоты образуются в реакциях переаминироваиия (см. рис. 3.15).

Пищевые аминокислоты (образующиеся при переваривании белков) с кровыо разносятся к разным органам и тканям, где используются для синтеза белков. Подсчитано, что в организме взрослого человека ежесуточно синтезируется 1,3 г белка на 1 кг массы (в среднем 90-100 г). При этом с помощью изотопных методов установлено, что пищевые аминокислоты составляют лишь 1/4 часть. Это свидетельствует о том, что в тканях организма белки подвергаются постоянному обновлению. Разные белки обновляются с разной скоростью. Например, сроки функционирования инсулина составляют 20-30 мин, белков слизистой кишечника - 2-4 сут, гемоглобина - 100-120 сут, коллагена - 6-8 мес.

Отслужившие свой срок молекулы белков подвергаются действию тканевых пептидгидролаз и разрушаются до свободных аминокислот по схеме

Белок -? Высокомолекулярные -? Низкомолекулярные -? Аминокислоты, полипептиды полипептиды

Аналогично протекает распад белков и вне организма, в различных биологических тканях, жидкостях и пищевых системах. Например, при созревании сыров в готовом продукте всегда присутствуют все компоненты, представленные на данной схеме. Соотношение продуктов распада: пептидов, аминокислот, аминов существенно влияет на вкус и аромат. Средне- и низкомолекулярные пептиды, обладающие горьким вкусом, придают некоторым сырам характерный горьковатый привкус.

Процессы обмена белков в организме человека регулируются при участии ряда гормонов (табл. 12.4).

Таблица 12.4

Регуляция обмена белков и аминокислот

Орган	Синтезируемые гормоны и оказываемый эффект
Гипофиз	Соматотропин усиливает синтетические процессы белка
Щитовидная железа	Тироксин увеличивает скорость биосинтеза белков
Поджелудочная железа	Инсулин обеспечивает преобладание синтеза белков над их распадом; стимулирует связывание и-РНК с рибосомами
Мозговое вещество надпочечников	Адреналин увеличивает скорость расщепления в тканях белков и выделения азотистых продуктов обмена с мочой
Кора надпочечников	Кортизон тормозит синтез белков, увеличивает их распад и выделение азотистых продуктов обмена с мочой
Семенники	Тестостерон стимулирует биосинтез белка в мышечной ткани, вызывая накопление в организме азота

В результате обмена белков часть аминокислот подвергается распаду. Обязательной стадией при этом является дезаминирование или переамиии- роваиие (см. параграф 3.2).Наиболее распространенный вариант - окислительное дезаминирование. На рис. 3.14 показано суммарное уравнение. В действительности реакция протекает в две стадии: дегидрирование и гидролиз (см. рис. 12.1). При окислении по действием специфической НАД-деги- дрогепазы образуется иминокислота. Во время гидролиза двойная связь в иминогруппе расщепляется и выделяется NH 3 .

Это превращение имеет большое значение для обмена белков, так как обе его стадии обратимы и таким образом из кетокислоты может образоваться аминокислота.

По направлению использования безазотистого остатка аминокислоты делят на две группы: кетогенные и гликогенные (табл. 12.5).

Одновременно кетогенные и гликогенные - Иле, Лиз, Фен, Тир, Три.

В настоящее время известны пути распада всех протеиногенных аминокислот.

Примеры кетогенных и гликогенных аминокислот

Обмен отдельных аминокислот

Глицин - простейшая аминокислота. Синтезируется, главным образом, из Сер, оксиметильная группа которого удаляется ферментом, содержащим витамин By. Подобно ГАМК, Гли является тормозным нейромедиатором . Гли включается в синтез пуриновых азотистых оснований (см. рис. 13.9) и пиррольных циклов. Участвует в обезвреживании токсичных соединений ароматического ряда, которые образуются из растительных продуктов, если те преобладают в рационе. Гли образует с бензойной, фснилуксусной кислотами и фенолами растворимые в воде соединения, которые выводятся через почки. Например, комплекс Гли с бензойной кислотой называется гиинуровая кислота (рис. 12.2).

Рис. 12.2.

С холевой кислотой Гли образует гликохолевую кислоту (рис. 12.3), обладающую свойствами ПАВ и участвующую в эмульгировании жиров при переваривании.

Дезаминирование Гли осуществляется по окислительному типу НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием глиоксиловой кислоты (рис. 12.4).

Рис. 12.4.

Серин - заменимая оксиаминокислота. Скелет ее образуется из 3-ФГК, источником которой является глюкоза, a NH 2 -rpynna вводится путем пере- аминирования. Сер необходим для синтеза фосфолипидов (см. рис. 11.42 и 11.43), является предшественником аминоэтанола (рис. 12.5), холина.

Рис. 12.5.

Оксигруппа Сер входит в состав активных центров многих ферментов, таких, как трипсин, химотрипсип, эстеразы, фосфорилазы, фосфатазы.

При распаде Сер сначала освобождается от спиртового гидроксила, а затем гидролитическим путем - от аминогруппы (рис. 12.6). В результате образуется ПВК, которая легко вовлекается в ЦТК и окисляется там до Н 2 0 и С0 2 .

Рис. 12.6.

Метионин - незаменимая серосодержащая аминокислота. Передает метальную группу на другие соединения. В результате образуются холин, креатин, адреналин, азотистые основания.

После освобождения от метальной группы сера Мет в основном переходит в серу Цис.

В действительности все превращения протекают, когда Мет находится в активной форме - в виде 8 + -аденозилметионина (см. рис. 6.31).

Хотя Мет - незаменимая аминокислота, она может регенерироваться из гомоцистеина в обратимой реакции, показанной на рис. 12.7. Катализируется превращение ферментами, в составе которых есть витамины В 9 и В 12 . По-

Рис. 12.7.

скольку единственным источником гомоцистеина служит Мет, то обеспечение организма данной аминокислотой зависит исключительно от ее содержания в продуктах питания .

Цистеин - заменимая серосодержащая аминокислота, так как может синтезироваться из двух аминокислот: Сер и Мет (см. рис. 12.7). Цис содержит высокоактивную сульфгидрильную группу, которая может легко окисляться с образованием дисульфидной связи. Такое превращение происходит между разными полипептидными цепями или в пределах одной полипептидной цепи при формировании третичной структуры белка и называется посттрансляционная модификация белка. Именно таким образом стабилизированы молекулы инсулина, химотрипсина и других белков в третичной структуре.

Активность сульфгидрильной группы проявляется в ферментативном катализе. Например, многие ферменты содержат в активном центре SH- группы, необходимые для каталитической реакции. Известно, что активность таких ферментов утрачивается при окислении SH-rpynn.

В экспериментах с животными доказано, что цистеин трансформируется в трипептид глутатион, обладающий окислительно-восстановительными свойствами. Предполагают, что глутатион поддерживает активную восстановленную форму ферментов, за счет собственного окисления. Положительный антиоксидантный эффект глутатиона доказан:

• в улучшении процессов нейтрализации тяжелых металлов, токсинов;
• снижении нежелательных последствий радиации и химиотерапии при лечении онкологических заболеваний;
• в замедлении процессов старения.

В тканях цистеин может декарбоксилироваться с образованием амино- этантиола (рис. 12.8), который необходим для синтеза Ко А или окисляется до таурина (рис. 12.9).

Таким образом, цистеин - это предшественник таурина, который играет роль нейромедиатора, обладает противосудорожной активностью. Таурин способствует улучшению энергетического обмена, стимулирует восстановительные процессы, например, в тканях глаза.

В печени таурин образует таурохолевую кислоту подобную гликохоле- вой (см. рис. 12.3), чем способствуют эмульгированию жиров в кишечнике.

Рис. 12.9.

Часто комплексы желчных кислот с таурином и глицином называют конъюгаты или парные соединения.

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты играют большую роль в обмене белков, осуществляют транс- и дезаминирование аминокислот. Могут акцептировать NH 3 не только в свободном виде, но и в составе белков. В результате образуются соответствующие амиды: аспрагин (Аси) и глутамин (Глн). Тем самым Аси и Глу участвуют в обезвреживании NH 3 .

Обмен большинства аминокислот проходит через стадию образования аспарагиновой и глутаминовой кислот в реакциях переаминирования.

Обе аминокислоты участвуют в синтезе азотистых оснований (см. рис. 13.8 и 13.9).

Декарбоксилирование аспарагиновой кислоты приводит к образованию а- или (3-алапина (рис. 12.10). Последний может включаться в синтез пан- тотеповой кислоты (см. рис. 6.47).

Рис. 12.10.

При а-декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется у-ами- номасляная кислота (рис. 12.11), которая тормозит процессы возбуждения в сером веществе коры головного мозга и используется как лекарственное средство при некоторых заболеваниях ЦНС.

Фенилаланин - незаменимая ароматическая аминокислота. Окисляется до тирозина, который далее превращается в хинон (рис. 12.12). Хиноны входят в состав меланонротеинов - сложных белков, придающих окраску коже, волосам, шерсти.

Рис. 12.12.

1 - реакция катализируется фенилаланингидроксилазой; 2 - реакция катализируется

тирозиназой

В обмене Фен может наблюдаться наследственный сбой - синтез ряда дефектных ферментов. Например, при дефекте синтеза фенилаланингид- роксилазы наблюдается заболевание феншкетонурия. В этом случае образуется не Тир, а фениллактат, фенилпируват и фенилацетат, которые накапливаются в крови и выводятся с мочой. Эти продукты токсичны для мозга и вызывают у детей тяжелое отставание в умственном развитии (фе- нилпировиноградная олигофрения), предупредить развитие которого можно, соблюдая диету, не содержащую Фен. В частности, гликомакропептид, отщепляющийся при ферментативном гидролизе казеина и переходящий в сыворотку, не содержит Фен, а значит, может использоваться в питании таких детей.

Другое нарушение возникает при дефекте тирозиназы и называется альбинизм (от лат. albus - белый). Из-за сбоя в синтезе пигмента меланина кожа и волосы у человека слабо пигментированы, а зрачки глаз красного цвета, так как просвечивают сосуды глазного дна из-за отсутствия пигментов в радужной оболочке.

Тирозин является заменимой аминокислотой, так как синтезируется из Фен (см. рис. 12.12). Однако окисление Фен в Тир, катализируемое фенил- аланингидроксилазой - необратимый процесс, поэтому при недостатке Фен в продуктах Тир не может заменить его.

Тир - предшественник ряда важных соединений. Во-первых, из Тир синтезируются гормоны щитовидной железы: тетраиодтиронин (Т,) и три- иодтиронин (Т 3).

Во-вторых, Тир при участии тирозиназы окисляется до диоксифенила- ланина (ДОФА), а затем до ДОФА-хинона, который необходим для синтеза окрашенных белков - меланонротеинов.

Наконец, диоксифенилаланин может подвергаться декарбоксилирова- нию с образованием дофамина (диоксифенилэтиламина), который является предшественником катехоламинов (нейромедиаторов) - норадреналина и адреналина (см. рис. 8.3).

Рис. 12.13.

Триптофан - незаменимая для человека и животных аминокислота. Из нее синтезируются такие биологически активные соединения, как серотонин (рис. 12.14) и рибонуклеотид никотиновой кислоты. Серотонин - высокоактивный биогенный амин сосудосуживающего действия. Он регулирует артериальное давление, температуру тела, дыхание, почечную фильтрацию и является медиатором нервных процессов в ЦНС.

Рис. 12.14.

В норме не более 1% Три превращается в серотонин. Более 95% Три окисляется по пути, который приводит к образованию НАД, уменьшая потребность организма в витамине В 5 .

Пролил - заменимая аминокислота, поэтому в животном организме существует возможность ее синтеза: либо из у-полуальдегида глутаминовой кислоты (а-амино-у-оксопентановая кислота), либо из орнитина, который образуется при гидролизе Apr (рис. 12.15).

Рис. 12.15.

При распаде Про сначала окисляется той же НЛД-дегидрогеназой до 5-пирролин-2-карбоновой кислоты, у которой гидролитическим путем разрушается цикл по месту двойной связи. В результате образуется у-полуальдегид. Его альдегидная группа окисляется до карбоксильной. Так возникает Глу, пути использования которой зависят от потребности клетки.

Мы подошли к наиважнейшему аспекту в планировании питания спортсмена. Тема нашей статьи — белковые обменные процессы. В новом материале вы найдёте ответы на вопросы: что такое обмен белков, какую роль протеины и аминокислоты играют в организме и что бывает, если нарушается белковый метаболизм.

Общая суть

Из белка (протеина) состоит большая часть наших клеток. Это основа жизнедеятельности организма и его строительный материал.

Белки регулируют следующие процессы:

• мозговую деятельность;
• переваривание тригидроглицеридов;
• синтез гормонов;
• передачу и хранение информации;
• движение;
• защиту от агрессивных факторов;

Примечание: наличие белка напрямую связано с синтезом инсулина. Без достаточного количества , из которых синтезируется этот элемент, повышение сахара в крови становится лишь вопросом времени.

• создание новых клеток — в частности, за счет белковых структур регенерируют клетки печени;
• транспортировку липидов и других важных соединений;
• преобразование липидных связей в смазочные материалы для суставов;
• контроль метаболизма.



И еще десятки различных функций. Фактически белок – это мы. Поэтому люди, которые отказываются от употребления мяса и других животных продуктов, все равно вынуждены искать альтернативные источники белка. В противном случае, их вегетарианская жизнь будет сопровождаться дисфункциями и патологическими необратимыми изменениями.

Как бы это странно не звучало, но небольшой процент белка есть во многих продуктах. Например, крупы (все, за исключением манной) имеют в своем составе до 8% белка, пусть и с неполным аминокислотным составом. Это частично компенсирует дефицит белка, если вы хотите сэкономить на мясе и спортивном питании. Но помните, что организму нужны разные белки — одной гречкой не удовлетворить потребности в аминокислотах. Не все белки расщепляются одинаково и все по разному влияют на деятельность организма.




В пищеварительном тракте белок расщепляется под воздействием специальных ферментов, которые тоже состоят из белковых структур. Фактически, это замкнутый круг: если в организме есть длительный дефицит белковых тканей, то и новые белки не смогут денатурировать до простых аминокислот, что вызовет еще больший дефицит.

Важный факт: белки могут участвовать в энергетическом обмене наравне с липидами и углеводами. Дело в том, что глюкоза — необратимая и самая простейшая структура, которая превращается в энергию. В свою очередь белок, пускай и со значительными энергетическими потерями в процессе окончательной денатурации, может быть превращен в . Другими словами, организм в критической ситуации способен использовать белок в качестве топлива.

В отличие от углеводов и жиров, белки усваиваются ровно в том количестве, которое необходимо для функционирования организма (включая поддержание постоянного анаболического фона). Никаких протеиновых излишков организм не откладывает. Единственное, что может изменить этот баланс – это прием и аналогов гормона тестостерона (анаболических стероидов). Первичная задача таких препаратов – вовсе не повышение силовых показателей, а увеличение синтеза АТФ и белковых структур, за счет чего и .

Этапы белкового обмена

Белковые обменные процессы гораздо сложнее углеводных и . Ведь если углеводы – это всего лишь энергия, а жирные кислоты поступают в клетки практически в неизменном виде, то главный строитель мышечной ткани претерпевает в организме целый ряд изменений. На некоторых этапах по белок и вовсе может метаболизироваться в углеводы и, соответственно, в энергию.



Рассмотрим основные этапы обмена белков в организме человека, начиная с их поступления и запечатывания слюной денатурата будущих аминокислот и заканчивая конечными продуктами жизнедеятельности.

Примечание: мы поверхностно рассмотрим биохимические процессы, которые позволят понять сам принцип переваривания белков. Для достижения спортивных результатов этого будет достаточно. Однако при нарушениях белкового обмена лучше обратится к врачу, который определит причину патологии и поможет устранить её на уровне гормонов или синтеза самих клеток.

Этап	Что происходит	Суть
Первичное попадание белков	Под воздействием слюны расщепляются основные гликогеновые связи, превращаясь в простейшую глюкозу, остальные фрагменты запечатываются для последующей транспортировки.	На этом этапе основные белковые ткани в составе продуктов питания выделяются в отдельные структуры, которые затем будут перевариваться.
Переваривание белков	Под воздействием панкреатина и других ферментов происходит дальнейшая денатурация до белков первого порядка.	Организм настроен таким образом, что может получать аминокислоты только из простейших цепочек белков, для чего он воздействует кислотой, чтобы сделать белок более расщепляемым.
Расщепление на аминокислоты	Под воздействием клеток внутренней слизистой оболочки кишечника, денатурированные белки всасываются в кровь.	Уже упрощенный белок организм расщепляет на аминокислоты.
Расщепление до энергии	Под воздействием огромного количества инсулиновых заменителей и ферментов для переваривания углеводов белок распадается до простейшей глюкозы	В условиях, когда организму не хватает энергии, он не денатурирует белок, а при помощи специальных веществ расщепляет его сразу до уровня чистой энерги.
Перераспределение аминокислотных тканей	Циркулируя в общем кровотоке, белковые ткани под воздействием инсулина транспортируются по всем клеткам, отстраивая необходимые аминокислотные связи.	Белки, путешествуя по организму, восстанавливают недостающие части, как в мышечных структурах, так и в структурах связанных с гормоностимуляцией, мозговой активностью или последующей ферментацией.
Составление новых белковых тканей	В мышечных тканях аминокислотные структуры, связываясь с микроразрывами, составляют новые ткани, вызывая гипертрофию мышечных волокон.	Аминокислоты в нужном составе превращаются в мышечную-белковую ткань.
Вторичный белковый обмен	При наличии переизбытка белковых тканей в организме, они под вторичным воздействием инсулина снова попадают в кровоток для превращения их в другие структуры.	При сильном мышечном напряжении, долгом голоде или во время болезни организм использует мышечные белки для компенсации аминокислотного недостатка в других тканях.
Транспортировка липидных тканей	Свободно циркулирующие белки, соединенные в фермент липазу, помогают транспортировать и переваривать вместе с желчью полинасыщенные жирные кислоты.	Белок участвует в транспортировке жиров и синтезе холестерина из них. В зависимости от аминокислотного состава белка синтезируются как полезный, так и вредный холестерин.
Выведение окисленных элементов (конечных продуктов)	Отработанные аминокислоты в процессе катаболизма выводятся с продуктами жизнедеятельности организма.	Мышечные ткани, поврежденные в результате нагрузок, транспортируются из организма.

Нарушение метаболизма белков

Нарушения белкового обмена опасны для организма не менее, чем патологии метаболизма жиров и углеводов. Белки участвуют не только в формировании мышц, но практически во всех физиологических процессах.

Что может пойти не так? Как мы все знаем, важнейший энергетический элемент в организме — это молекулы АТФ, которые, путешествуя по крови, раздают клеткам необходимые . При нарушении обмена белков «ломается» синтез АТФ и нарушаются процессы, которые косвенно или напрямую влияют на синтезирование из аминокислот новых белковых структур.

В числе наиболее вероятных последствий метаболических нарушений:

• острый панкреатит;
• некроз тканей желудка;
• раковые новообразования;
• общее отекание организма;
• нарушение водно-солевого баланса;
• потеря веса;
• замедление умственного развития и роста у детей;
• невозможность переваривания жирных кислот;
• невозможность транспортировки продуктов жизнедеятельности по кишечнику без раздражения сосудистых стенок;
• резкие
• разрушение костной и мышечной ткани;
• разрушение нейрон-мышечной связи;
• ожирение;
• Под воздействием изменений в гормональном балансе катаболические реакции превалируют над анаболическими.
• Без поступления белка из пищи возникает недостаток основных синтезируемых аминокислот.
• В отсутствии достаточного поступления углеводов остаточные белки катаболизируются в метаболиты сахара.
• Полное отсутствие жировой прослойки.
• Есть патологии почек и печени.

Итог

Метаболизм белков в организме человека – сложнейший процесс, требующий изучения и внимания. Однако для поддержания уверенного анаболического фона при правильном перераспределении белковых структур в последующие аминокислоты достаточно придерживаться простых рекомендаций:

1. Потребление белка на килограмм тела отличается для тренированного и нетренированного человека (спортсмена и не-спортсмена).
2. Для полноценного метаболизма нужны не только углеводы и белки, но и жиры.
3. Голодание всегда приводит к разрушению белковых тканей для восполнения энергетических запасов.
4. Белки – это в основном потребители, а не носители энергии.
5. Оптимизационные процессы в организме направлены на уменьшение энергопотребления с целью сохранения ресурсов на длительное время.
6. Белки — это не только мышечные ткани, но и ферменты, мозговая активность и многие другие процессы в организме.

И главный совет для спортсменов: не увлекайтесь соевым протеином, так как из всех белковых коктейлей он обладает самым слабым аминокислотным составом. Более того, продукт плохой очистки может привести к катастрофическим последствиям — изменениям гормонального фона и . Длительное потребление сои чревато дефицитом невосполнимых в организме аминокислот, что станет первопричиной нарушения белкового синтеза.

В организме взрослого человека метаболизм азота в целом сбалансирован , то есть количества поступающего и выделяемого белкового азота примерно равны. Если выделяется только часть вновь поступающего азота, баланс положителен . Это наблюдается, например, при росте организма. Отрицательный баланс встречается редко, главным образом как следствие заболеваний.

Полученные с пищей белки подвергаются полному гидролизу в желудочно-кишечном тракте до аминокислот, которые всасываются и кровотоком распределяются в организме (см. ). 8 из 20 белковых аминокислот не могут синтезироваться в организме человека (см. ). Эти незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей (см. ).

Через кишечник и в небольшом объёме также через почки организм постоянно теряет белок. В связи с этими неизбежными потерями ежедневно необходимо получать с пищей не менее 30 г белка. Эта минимальная норма едва ли соблюдается в некоторых странах, в то время как в индустриальных странах содержание белка в пище чаще всего значительно превышает норму. Аминокислоты не запасаются в организме, при избыточном поступлении аминокислот в печени окисляется или используется до 100 г аминокислот в сутки. Содержащийся в них азот превращается в мочевину (см. ) и в этой форме выделяется с мочой, а углеродный скелет используется в синтезе углеводов, липидов (см. ) или окисляется с образованием АТФ.

Предполагается, что в организме взрослого человека ежедневно разрушается до аминокислот 300-400 г белка (протеолиз ). В то же время примерно то же самое количество аминокислот включается во вновь образованные молекулы белков (белковый биосинтез ). Высокий оборот белка в организме необходим потому, что многие белки относительно недолговечны : они начинают обновляться спустя несколько часов после синтеза, а биохимический полупериод составляет 2-8 дней. Ещё более короткоживущими оказываются ключевые ферменты промежуточного обмена. Они обновляются спустя несколько часов после синтеза. Это постоянное разрушение и ресинтез позволяют клеткам быстро приводить в соответствие с метаболическими потребностями уровень и активность наиболее важных ферментов. В противоположность этому особенно долговечны структурные белки, гистоны, гемоглобин или компоненты цитоскелета.

Почти все клетки способны осуществлять биосинтез белков (на схеме наверху слева). Построение пептидной цепи путём трансляции на рибосоме рассмотрено на в статьях , . Однако активные формы большинства белков возникают только после ряда дальнейших шагов. Прежде всего при помощи вспомогательных белков шаперонов должна сложиться биологически активная конформация пептидной цепи (свёртывание , см. , ). При пострансляционном созревании у многих белков удаляются части пептидной цепи или присоединяются дополнительные группы, например олигосахариды или липиды. Эти процессы происходят в эндоплазматическом ретикулуме и в аппарате Гольджи (см.

Обмен аминокислот. Динамическое состояние белков организма (биохимия)

Значение аминокислот для организма в первую очередь заключается в том, что они используются для синтеза белков, метаболизм которых занимает особое место в процессах обмена веществ между организмом и внешней средой. Аминокислоты непосредственно участвуют в биосинтезе большого количества других биологически активных соединений, регулирующих процессы обмена веществ в организме, таких как нейромедиаторы и гормоны. Аминокислоты служат донорами азота при синтезе всех азотсодержащих небелковых соединений, в том числе нуклеотидов, гема, креатина, холина и др.

Рис. 23.1. Общая схема метаболизма аминокислот в организме

Катаболизм аминокислот является источником энергии для синтеза АТФ. Энергетическая функция аминокислот становится значимой при голодании, некоторых патологических состояниях (сахарный диабет). Именно обмен аминокислот осуществляет взаимосвязь многообразных химических превращений в живом организме.

Большая часть аминокислот входит в состав белков, количество которых в организме взрослого человека составляет примерно 15 кг.

Какой-либо специальной формы депонирования аминокислот и белков, подобно глюкозе или жирным кислотам не существует. Поэтому резервом аминокислот могут служить все функциональные и структурные белки тканей, но преимущественно белки мышц. В организме человека в сутки распадается на аминокислоты около 400 г белков, примерно такое же количество синтезируется. Поэтому тканевые белки не могут восполнять затраты аминокислот при их катаболизме и использовании на синтез других веществ. Период полураспада белков различен – от нескольких минут до нескольких суток. Первичными источниками аминокислот не могут служить и углеводы, так как из них синтезируется только углеродная часть молекулы, а аминогруппа поступает от других аминокислот. Следовательно, основным источником аминокислот организма служат белки пищи.

Показателем, отражающим интенсивность аминокислотного обмена, является азотистый баланс – разница между количеством азота, поступающего с пищей, и количеством выделяемого азота (преимущественно в виде мочевины и аммонийных солей).

Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте

Переваривание белков начинается в желудке под действием ферментов желудочного сока. За сутки его выделяется до 2,5 литров и он отличается от других пищеварительных соков сильно кислой реакцией, благодаря присутствию свободной соляной кислоты, секретируемой обкладочными клетками слизистой желудка.

Секреция соляной кислоты представляет активный транспорт, осуществляемый протонной АТФ-азой с затратой АТФ.

Роль соляной кислоты:

1. денатурирует белки;

2. стерилизует пищу;

3. вызывает набухание труднорастворимых белков;

4. активирует пепсиноген;

5. создает рН-оптимум для действия пепсина;

6. способствует всасыванию железа;

7. вызывает секрецию секретина в двенадцатиперстной кишке.

В желудочном соке содержатся протеолитические ферменты пепсин, гастриксин и реннин. Главным из них является пепсин. Он вырабатывается главными клетками слизистой желудка в виде профермента пепсиногена. Активация его осуществляется соляной кислотой (медленная) и аутокаталитически пепсином (быстрая) путем отщепления фрагмента полипептидной цепи с N-конца (частичный протеолиз). При этом происходит изменение конформации молекулы и формирование активного центра. Пепсин действует при значениях рН 1,5–2,5 и является эндопептидазой с относительной специфичностью действия, расщепляющей пептидные связи внутри белковой молекулы.

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

В желудочном соке грудных детей содержится фермент реннин, который имеет большое значение для переваривания белков у грудных детей, т.к. катализирует створаживание молока (превращение растворимого казеиногена в нерастворимый казеин), в результате чего замедляется продвижение нерастворимого казеина в двенадцатиперстную кишку и он дольше подвергается действию протеаз.

Образовавшиеся в результате действия пепсина в желудке полипептиды поступают в двенадцатиперстную кишку, куда выделяется сок поджелудочной железы. Панкреатический сок имеет щелочную реакцию (рН 7,5–8,2), что обусловлено высоким содержанием бикарбонатов. Кислое содержимое, поступающее из желудка нейтрализуется, и пепсин теряет свою активность.

В панкреатическом соке содержатся протеолитические ферменты трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза и эластаза, которые вырабатываются также в виде проферментов. Трипсиноген активируется энтерокиназой (вырабатывается клетками слизистой двенадцатиперстной кишки), переходит в активный трипсин, который активирует все остальные ферменты поджелудочного и кишечного сока. Клетки поджелудочной железы защищены от действия протеаз тем, что ферменты желудочного сока образуются в виде неактивных предшественников, а в панкреас синтезируется особый белок-ингибитор трипсина. В полости ЖКТ протеазы не контактируют с белками клеток, поскольку слизистая оболочка покрыта слоем слизи, а каждая клетка содержит на наружной поверхности плазматической мембраны полисахариды, которые не расщепляются протеазами. Разрушение клеточных белков ферментами желудочного или кишечного сока происходит при язвенной болезни.

Переваривание продуктов протеолиза пищевых белков в тонком кишечнике осуществляется с помощью амино-, ди-, и трипептидаз, которые функционируют преимущественно пристеночно.

Таким образом, конечными продуктами переваривания белков в ЖКТ являются свободные аминокислоты, которые всасываются.

Всасывание аминокислот.

Происходит путем активного транспорта с участием переносчиков. Максимальная концентрация аминокислот в крови достигается через 30–50 мин после приема белковой пищи. Перенос через щеточную каемку осуществляется целым рядом переносчиков, многие из которых действую при участии Na + -зависимых механизмов симпорта. Причем аминокислоты конкурируют друг с другом за специфические участки связывания. Выяснено, что существуют транспортные системы, переносящие аминокислоты определенного строения: нейтральные с небольшим радикалом, нейтральные с объемным радикалом, кислые, основные и иминокислоты.

В настоящее время, расшифрован механизм транспорта аминокислот в клетки кишечника, мозга, почек, получивший название g-глутамильного цикла Майстера, ключевым ферментом которого является g-глутамилтрансфераза.

Всосавшиеся аминокислоты попадают в портальный кровоток и, следовательно, в печень, а затем в общий кровоток. Освобождается кровь от свободных аминокислот очень быстро – уже через 5 мин 85–100% их оказывается в тканях. Особенно интенсивно аминокислоты поглощаются печенью и почками.

Наследственные нарушения транспорта аминокислот

Болезнь Хартнупа – нарушение всасывания триптофана в кишечнике и его реабсорбции в почечных канальцах. Так как триптофан служит исходным продуктом для синтеза витамина РР, то основные проявления болезни Хартнупа – дерматиты, диарея и деменция, характерные для пеллагры.

Цистинурия – нарушение реабсорбции цистина в почках. Цистин плохо растворим в воде, поэтому выпадает в виде кристаллов, которые приводят к образованию цистиновых камней в почках и мочевыводящих путях.

Расщепление белков в тканях

Осуществляется с помощью протеолитических лизосомальных ферментов катепсинов. По строению активного центра выделяют цистеиновые, сериновые, карбоксильные и металлопротеиновые катепсины.

Роль катепсинов:

1. создание биологически активных пептидов путем ограниченного протеолиза белковых предшественников;

2. разрушение состарившихся и аномальных белков;

3. участие в фагоцитозе и делении клеток;

4. участие в аутолизе (при ишемии);

5. участие в патогенезе заболеваний, связанных с изменением функций лизосом (лизосомальные болезни накопления).

Кроме процессов протеолиза в лизосомах возможен процесс разрушения эндогенных белков непосредственно в цитозоле. При этом происходит соединение подлежащих гидролизу белков со специальным белком убиквитином. Происходит ковалентная модификация белка, что может изменять его функцию. К одной молекуле может быть присоединено несколько молекул убиквитина и это служит сигналом для переноса белка-мишени на большую высокомолекулярную частицу протеасому, состоящую из протеаз.

Превращение аминокислот микрофлорой кишечника

Микроорганизмы кишечника располагают набором ферментативных систем, отличных от соответствующих ферментов тканей организма человека и катализирующих самые разнообразные превращения пищевых аминокислот и не переваренных белков, в том числе и по несвойственным человеку метаболическим путям (гнилостный распад).

В результате образуются два типа веществ:

1. токсические продукты: фенол, крезол, индол, скатол, сероводород, амины, меркаптан;

2. Нетоксические продукты: кетокислоты, оксикислоты, жирные кислоты, спирты.

Обезвреживание токсических веществ происходит путем образования парных нетоксичных продуктов при соединении с 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфатом (ФАФС, активированная форма серной кислоты), либо с уридиндифосфоглюкуроновой кислотой (УДФ-глюкуронат).

При кишечных инфекциях (дизентерия, брюшной тиф, холера) образуется во много раз большое количество продуктов гнилостного распада аминокислот, которые вызывают общую интоксикацию организма, нарушение проницаемости мембран слизистой оболочки кишечника, приводящее к поносам, обезвоживанию тканей и повышению температуры тела. Кроме того, возрастает активность декарбоксилаз патогенных бактерий, в результате образуются амины, создающие картину инфекционного заболевания.

Пути обмена аминокислот в тканях

Аминокислоты – это бифункциональные соединения, содержащие аминную и карбоксильную группу. Реакции по этим группам являются общими для различных аминокислот.

К ним относят:

1. по аминной группе – реакции дезаминирования и трансаминирования;

2. по карбоксильной группе – реакции декарбоксилирования.

Кроме этих общих путей возможны реакции по углеводородному радикалу аминокислот, которые являются специфическими для каждой аминокислоты.

Катаболизм большинства аминокислот начинается с отщепления a-аминогруппы, которое возможно в реакциях трансаминировани и дезаминирования.

Трансаминирование аминокислот

Трансаминирование – реакции переноса a-аминогруппы с аминокислоты на a-кетокислоту, в результате чего образуются новая кетокислота и новая аминонокислота. Реакции катализируют ферменты аминотрансферазы. Это сложные ферменты, коферментом которых является производное витамина В 6 – пиридоксальфосфат, который обратимо может переходить в пиридоксаминфосфат. Реакции трансаминирования обратимы, и могут проходить как в цитоплазме, так и в митохондриях клеток. В клетках человека найдено более 10 аминотрансфераз, отличающихся по субстратной специфичности. Вступать в реакции трансаминирования могут почти все аминокислоты, за исключением лизина, треонина и пролина.

Реакции трансаминирования протекают в 2 стадии. На первой стадии к пиридоксальфосфату в активном центре фермента присоединяется аминогруппа от первого субстрата – аминокислоты. Образуется комплекс фермент- пиридоксаминфосфат и кетокислота – первый продукт реакции. Этот процесс включает промежуточное образование 2 шиффовых оснований (альдимин и кетимин).

На второй стадии пиридоксаминфосфат соединяется с новой кетокислотой (второй субстрат) и снова через промежуточное образование 2 шиффовых оснований передает аминогруппу на кетокислоту. В результате фермент возвращается в свою нативную форму, и образуется новая аминокислота – второй продукт реакции.

Чаще всего в реакциях трансаминирования участвуют аминокислоты, содержание которых в тканях значительно выше остальных – глутамат, аланин, аспартат. Наиболее распространенными в большинстве тканей являются аланинаминотрансфераза (АлАТ) и аспартатаминотрансфераза (АсАТ).

Наибольшая активность АсАТ обнаруживается в клетках сердечной мышцы и печени, в то время как в крови обнаруживается только фоновая активность АлАТ и АсАТ. Поэтому можно говорить об органоспецифичности этих ферментов, что позволяет их широко примененятьих с диагностической целью (при инфарктах миокарда и гепатитах).

Биологическое значение трансаминирования

Трансаминирование – первая стадия дезаминирования большинства аминокислот, т.е. начальный этап их катаболизма. Образующиеся при этом кетокислоты окисляются в ЦТК или используются для синтеза глюкозы и кетоновых тел. Поскольку этот процесс обратим, ферменты аминотрансферазы функционируют как в процессах катаболизма, так и биосинтеза аминокислот. Трансаминирование – заключительный этап синтеза заменимых аминокислот из соответствующих кетокислот, если они необходимы в данный момент клеткам. В результате происходит перераспределение аминнного азота в тканях. При трансаминированиии общее количество аминокислот в клетке не меняется.

Оксидазы D-аминокислот.

При физиологических значениях рН в тканях высоко активны оксидазы D-аминокислот. Они также обнаружены в почках и печени и находятся в микросомах. Роль оксидаз D-аминокислот невелика и до конца не понятна, потому что в белки пищи и тканей человека входят только природные L-аминокислоты.

В печени человека присутствуют специфические ферменты, катализирующие реакции дезаминирования серина, треонина, цистеина и гистидина неокислительным путем.

Дезаминирование аминокислот

Дезаминирование аминокислот – реакция отщепления a-аминогруппы от аминокислоты с выделением аммиака. Различают два типа реакций дезаминирования: прямое и непрямое.

Прямое дезаминирование – непосредственное отщепление аминогруппы от аминокислоты без промежуточных посредников. В живой природе возможны следующие типы прямого дезаминирования: окислительное, восстановительное, гидролитическое и путем внутримолекулярной перестройки. Но у человека дезаминирование происходит преимущественно окислительным путем в результате чего образуется соответствующая a-кетокислота и выделяется аммиак. Процесс идет с участием ферментов оксидаз. Выделены оксидазы L-аминокислот, превращающие L-изомеры аминокислот, и D-оксидазы.

Окислительное дезаминирование глутамата

Наиболее активно в тканях происходит дезаминирование глутаминовой кислоты. Реакцию катализирует фермент глутаматдегидрогеназа, который несколько отличается от типичных оксидаз L-аминокислот:

1. в качестве кофермента содержит НАД + или НАДФ + ;

2. обладает абсолютной специфичностью;

3. высокоактивна;

4. локализована в митохондриях.

Реакция идет в 2 этапа. Вначале происходит дегидрирование глутамата и образование a-иминоглутарата, затем – неферментативное гидролитическое отщепление имминогруппы в виде аммиака, в результате чего образуется α-кетоглутарат. Окислительное дезаминирование глутамата – обратимая реакция и при повышении концентрации аммиака может протекать в обратном направлении, как восстановительное аминирование α-кетоглутарата.

Глутаматдегидрогеназа очень активна в митохондриях клеток практически всех органах, кроме мышц. Она является регуляторным ферментом аминокислотного обмена. Аллостерические ингибиторы – АТФ, ГТФ, НАД(Ф)Н. Высокие концентрации АДФ активируют фермент. Таким образом, низкий энергетический уровень в клетке стимулирует разрушение аминокислот и образование α-кетоглутарата, поступающего в ЦТК как энергетический субстрат.

Глутаматдегидрогеназа может индуцироваться стероидными гормонами (кортизолом) и ингибироваться эстрогенами и тироксином.

Непрямое дезаминирование аминокислот

Большинство аминокислот не способно дезаминироваться в одну стадию, подобно глутамату. Аминогруппы таких аминокислот перносятся на α-кетоглутарат с образованием глутаминовой кислоты, которая затем подвергается прямому окислительному дезаминированию. Такой механизм дезаминирования аминокислот в 2 стадии получил название трансдезаминирования или непрямого дезаминирования. Он происходит с участием 2 ферментов аминотрансферазы и глутаматдегидрогеназы. Значение этих реакций в обмене аминокислот очень велико, так как непрямое дезаминирование – основной способ дезаминирования большинства аминокислот. Обе стадии непрямого дезаминирования обратимы, что обеспечивает как катаболизм аминокислот, так и возможность образования практически любой аминокислоты из соответствующей a-кетокислоты. Обратная последовательность реакций, при которой происходит синтез аминокислот из кетокислот, получила название трансреаминирования.

В мышечной ткани активность глутаматдегидрогеназы низка, поэтому в этих клетках при интенсивной физической нагрузке функционирует еще один путь непрямого дезаминирования с участием цикла ИМФ-АМФ. Образующийся при этом аммиак предотвращает закисление среды в клетках, вызванное образованием лактата.

Декарбоксилирование аминокислот

Некоторые аминокислоты и их производные могут подвергаться декарбоксилированию. Реакции декарбоксилирования необратимы и катализируются ферментами декарбоксилазами, нуждающимися в пиридоксальфосфате в качестве кофермента. Продуктами реакции являются СО 2 и амины, которые оказывают выраженное биологическре действие на организм, и поэтому названы биогенными аминами. Они выполняют функцию нейромедиаторов (серотонин, дофамин, ГАМК и др.), гормонов (норадреналин, адреналин), регуляторных факторов местного действия (гистамин, карнозин, спермин и др.).

Биогенные амины

Гистамин образуется при декарбоксилировании гистидина в тучных клетках соединительной ткани.

В организме человека выполняет следующие функции:

1. стимулирует секрецию желудочного сока и слюны;

2. повышает проницаемость капилляров, вызывает отеки, снижает АД, но увеличивает внутричерепное давление, вызывая головную боль;

3. сокращает гладкую мускулатуру легких, вызывает удушье;

4. участвует в формировании воспалительных реакций – расширение сосудов, покраснение, отечность ткани;

5. вызывает аллергическую реакцию;

6. нейромедиатор;

7. медиатор боли.

Серотонин – образуется при декарбоксилировании и дальнейшем окислении триптофана.

Биологические функции:

1. оказывает мощное сосудосуживающее действие;

2. повышает кровяное давление;

3. участвует в регуляции температуры тела, дыхания;

4. медиатор нервных процессов в ЦНС (обладает антидепрессантным действием).

Дофамин образуется при декарбоксилировании диоксифенилаланина (ДОФА). При дальнейшем окислении и метилировании образуюся адреналин и норадреналин. Дофамин является нейромедиатором, контролирующим произвольные движения, эмоции и память. В высоких концентрациях дофамин стимулирует адренорецепторы, увеличивает силу сердечных сокращений, повышает сопротивление периферических сосудов (с параллельным увеличением почечного и коронарного кровотока). Кроме того, дофамин тормозит секрецию пролактина и соматотропина.

В нервных клетках декарбоксилирование глутамата приводит к образованию g-аминомасляной кислоты (ГАМК), которая служит основным тормозным медиатором высших отделов мозга. Содержание ГАМК в головном мозге в десятки раз выше других нейромедиаторов. Она увеличивает проницаемость постсинаптических мембран для ионов К+, что вызывает торможение нервного импульса.

Цикл превращений ГАМК в мозге включает три сопряженных реакции, получивших название ГАМК-шунта. Первую катализирует глутаматкарбоксилаза. Эта реакция является регуляторной и обеспечивает скорость образования ГАМК в клетках мозга. Последующие 2 две реакции можно считать реакциями катаболизма ГАМК. ГАМК-аминотрансфераза образует янтарный полуальдегид, который затем подвергается дегидрированию и превращается в янтарную кислоту. Сукцинат затем используется в цикле Кребса. Инактивация ГАМК возможна и окислительным путем под действием моноамионоксидазы.

При декарбоксилировании орнитина образуется путресцин, который является предшественником биологически активных веществ спермина и спермидина. Путресцин, спермин и спермидин имеют большой положительный заряд, легко связываются с отрицательно заряженными молекулами ДНК и РНК, входят в состав хроматина и участвуют в репликации РНК. Кроме того эти вещества стабилизируют структуру мембран клеток.

Этаноламин образуется при декарбоксилировании серина. В организме используется для синтеза холина, ацетилхолина, фосфатидилэтаноламинов, фосфатидилхолинов.

При декарбоксилировании лизина образуется кадаверин, который является трупным ядом.

Для осуществления биологической функции в организме требуется определенная концентрация биогенных аминов. Избыточное их накопление может вызвать различные патологические отклонения.

В связи с этим большое значение приобретают механизмы их инактивации:

1. окисление ферментами моноаминооксидазами (МАО) (кофермент ФАД). Таким путем чаще всего инактивируются дофамин, норадреналин, серотонин и ГАМК. При этом происходит окислительное дезаминирование биогенных аминов с образованием альдегидов, а затем соответствующих кислот, которые выводятся почками.

2. метилирование с участием S-аденозилметионина. Таким путем чаще всего инактивируются катехоламины – фермент катехол-орто-метилтрансфераза (КОМТ)

3. окисление с помощью диаминооксидаз – инактивация гистамина, а также короткоцепочечных алифатических диаминов (путресцина и кадаверина).

Пути катаболизма углеродного скелета аминокислот

Трансаминирование и дезаминирование аминокислот ведет к образованию безазотистых углеродных скелетов аминокислот – α-кетокислот. В состав белков входят 20 аминокислот, различающихся по строению углеводородного радикала, каждый из которых катаболизируется по своим специфическим метаболическим путям.

Катаболизм всех аминокислот сводится к образованию шести веществ, вступающих в общий путь катаболизма: пируват, ацетил-КоА, α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат, оксалоацетат.

Аминокислоты, которые превращаются в промежуточные продукты ЦТК (a-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат), и образуют в конечном итоге оксалоацетат, могут использоваться в процессе глюконеогенеза. Такие аминокислоты называются гликогенными. К ним относятся: аланин, аргинин, аспартат, глутамат, глицин, гистидин, метионин, пролин, серин, треонин, валин, цистеин.

Катаболизм лейцина и лизина не включает стадии образования пировиноградной кислоты, их углеводородная часть превращается непосредственно в ацетоацетат (лейцин, лизин) или в ацетил-КоА (лейцин) и используются в синтезе кетоновых тел.

Тирозин, фенилаланин, изолейцин и триптофан являются смешанными или одновременно гликогенными и кетогенными. Часть углеродных атомов их молекул при катаболизме образует пируват, другая часть включается в ацетил-КоА, минуя стадию пирувата.

Истинной кетогенной аминокислотой является лейцин.