Биохимия пособие Коновалова 2012
.pdfлось 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
лотами. |
• о< |
|
Таким образом, и трипсин и химотрипсин, как и пепсин, облада |
||
ют групповой_относительной специфичностью. |
а, |
|
ТЙрбоксипептидаза |
вырабатывается в виде прокарбоксипепги- |
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:
|
ФМН(ФАД) |
* |
н |
R |
|
H C - N H 2 |
с = 0 +NH3 |
||||
^ |
С=N11 |
- |
|||
СООН |
ФМН (ФАД)-Н2 |
I |
|
I |
|
| + о 2 |
СООН |
|
СООН |
||
|
ФМН (ФАД) + Н20 2 имиио- |
|
кето- |
||
|
|
кислота |
кислота |
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 * °
CHjOH |
|
С |
CHJNHJ |
H O p ^ V - C H j O H |
НО \ |
^\\ |
СН2ОРОэН2 H O - Y ip C H jO P O jH j |
H3C- \ KJ |
НзС- P |
j l |
ЩС-Kj' |
N |
|
N |
|
пиридоксол |
пиридоксальфосфат пиридоксаминфосфат |
2 3 9
Процесс переаминирования протекает в несколько стадий:
Ri |
О |
Ri |
Rx |
н с —N H 2 +с - -ЦФ |
-Н 2Р | |
J |
|
Н С —N=CH—11Ф 4^C =N CH2- ПФ |
|||
I |
Н |
+ н2о |
СООН |
СООН |
с о о н |
||
|
|
I основание |
Н основание |
Ri |
|
Шиффа |
Шиффа |
|
|
|
|
+ H2p i 1 |
|
|
|
^ С = 0 + H,N—СН2—ПФ |
|
||
- н 2о| |
|
пирндоксаминфосфат |
|
СООН |
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.
R2 |
|
|
RI |
|
с - о + H 2N —СН2-П Ф |
н2р |
ПФ — НС—V=CH— ПФ |
||
с —\- с :н 2- |
||||
сI о о н |
|
, |
+ н 2осIо о н |
СООН |
|
|
|
П основание |
I основание ’ |
|
|
|
Шиффа |
Шиффа |
+:S=^ НС—NH2+C—ПФ |
|
|||
- HiP |
I |
I |
|
|
2 |
с о о н |
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