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.
Из белка (протеина) состоит большая часть наших клеток. Это основа жизнедеятельности организма и его строительный материал.
Белки регулируют следующие процессы:
Примечание: наличие белка напрямую связано с синтезом инсулина. Без достаточного количества , из которых синтезируется этот элемент, повышение сахара в крови становится лишь вопросом времени.
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 .
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. |
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:
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:
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.
Белки занимают ведущее место среди органических элементов, на их долю приходится более 50 % сухой массы клетки. Они выполняют ряд важнейших биологических функций.
Вся совокупность обмена веществ в организме (дыхание, пищеварение, выделение) обеспечивается деятельностью ферментов, которые являются белками. Все двигательные функции организма обеспечиваются взаимодействием сократительных белков - актина и миозина.
Поступающий с пищей из внешней среды белок служит пластической и энергетической целям. Пластическое значение белка состоит в восполнении и новообразовании различных структурных компонентов клетки. Энергетическое значение заключается в обеспечении организма энергией, образующейся при расщеплении белков.
В тканях постоянно протекают процессы распада белка с последующим выделением из организма неиспользованных продуктов белкового обмена и наряду с этим - синтез белков. Таким образом, белки организма находятся в динамическом состоянии: из-за непрерывного процесса их разрушения и образования происходит обновление белков, скорость которого неодинакова для различных тканей. С наибольшей скоростью обновляются белки печени, слизистой оболочки кишечника, а также других внутренних органов и плазмы крови. Медленнее обновляются белки, входящие в состав клеток мозга, сердца, половых желез и еще медленнее - белки мышц, кожи и особенно опорных тканей (сухожилий, костей и хрящей).
Без незаменимых аминокислот синтез белка резко нарушается и наступает отрицательный баланс азота, останавливается рост, уменьшается масса тела. Для людей незаменимыми аминокислотами являются лейцин, изолейцин, валин, метионин, лизин, треонин, фенилаланин, триптофан.
Белки обладают различным аминокислотным составом, поэтому и возможность их использования для синтетических нужд организма неодинакова. В связи с этим было введено понятие биологической ценности белков пищи. Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот в таких соотношениях, которые обеспечивают нормальные процессы синтеза, являются белками биологически полноценными. Наоборот, белки, не содержащие тех или иных аминокислот или содержащие их в очень малых количествах, являются неполноценными. Так, неполноценными белками являются желатина, в которой имеются лишь следы цистина и отсутствуют триптофан и тирозин; зеин (белок, находящийся в кукурузе), содержащий мало триптофана и лизина; глиадин (белок пшеницы) и гордеин (белок ячменя), содержащие мало лизина; и некоторые другие. Наиболее высока биологическая ценность белков мяса, яиц, рыбы, икры, молока.
В связи с этим пища человека должна не просто содержать достаточное количество белка, но обязательно иметь в своем составе не менее 30% белков с высокой биологической ценностью, т. е. животного происхождения.
У людей встречается форма белковой недостаточности, развивающаяся при однообразном питании продуктами растительного происхождения с малым содержанием белка. При этом возникает заболевание, получившее название «квашиоркор». Оно встречается среди населения стран тропического и субтропического пояса Африки, Латинской Америки и Юго-Восточной Азии. Этим заболеванием страдают преимущественно дети в возрасте от 1 года до 5 лет.
Биологическая ценность одного и того же белка для разных людей различна. Вероятно, она не является какой-то определенной величиной, а может изменяться в зависимости от состояния организма, предварительного пищевого режима, интенсивности и характера физиологической деятельности, возраста, индивидуальных особенностей обмена веществ и других факторов.
Практически важно, чтобы два неполноценных белка, один из которых не содержит одних аминокислот, а другой - других, в сумме могли обеспечить потребности организма.
Усвоение азота вычисляют по разности содержания его в принятой пище и в кале. Зная количество усвоенного азота, легко вычислить общее количество усвоенного организмом белка, так как в белке содержится в среднем 16% азота, т. е. 1 г азота содержится в 6,25 г белка. Следовательно, умножив найденное количество азота на 6,25, можно определить количество усвоенного белка.
Для того чтобы установить количество разрушенного белка, необходимо знать общее количество азота, выведенного из организма. Азотсодержащие продукты белкового обмена (мочевина, мочевая кислота, креатинин и др.) выделяются преимущественно с мочой и частично с потом. В условиях обычного, неинтенсивного потоотделения количество азота в поте можно не принимать во внимание, поэтому для определения количества распавшегося в организме белка обычно находят количество азота в моче и умножают на 6,25.
Между количеством азота, введенного с белками пищи, и количеством азота, выводимым из организма, существует определенная связь. Увеличение поступления белка в организм приводит к увеличению выделения азота из организма. У взрослого человека при адекватном питании, как правило, количество введенного в организм азота равно количеству азота, выведенного из организма. Это состояние получило название азотистого равновесия. Если в условиях азотистого равновесия повысить количество белка в пище, то азотистое равновесие вскоре восстановится, но уже на новом, более высоком уровне. Таким образом, азотистое равновесие может устанавливаться при значительных колебаниях содержания белка в пище.
В случаях, когда поступление азота превышает его выделение, говорят о положительном азотистом балансе. При этом синтез белка преобладает над его распадом. Устойчивый положительный азотистый баланс наблюдается всегда при увеличении массы тела. Он отмечается в период роста организма, во время беременности, в периоде выздоровления после тяжелых заболеваний, а также при усиленных спортивных тренировках, сопровождающихся увеличением массы мышц. В этих условиях происходит задержка азота в организме (ретенция азота).
Белки в организме не депонируются, т. е. не откладываются в запас, поэтому при поступлении с пищей значительного количества белка только часть его расходуется на пластические цели, большая же часть - на энергетические цели.
Когда количество выведенного из организма азота превышает количество поступившего азота, говорят об отрицательном азотистом балансе. Отрицательный азотистый баланс отмечается при белковом голодании, а также в случаях, когда в организм не поступают отдельные необходимые для синтеза белков аминокислоты.
Распад белка в организме протекает непрерывно. Степень распада белка обусловлена характером питания. Минимальные затраты белка в условиях белкового голодания наблюдаются при питании углеводами. В этих условиях выделение азота может быть в 3-З1/2 раза меньше, чем при полном голодании. Углеводы при этом выполняют сберегающую белки роль.
Распад белков в организме, происходящий при отсутствии белков в пище и достаточном введении всех других питательных веществ (углеводы, жиры, минеральные соли, вода, витамины), отражает те минимальные траты, которые обусловлены основными процессами жизнедеятельности. Эти наименьшие потери белка для организма в состоянии покоя, пересчитанные на 1 кг массы тела, были названы Рубнером коэффициентом изнашивания. Коэффициент изнашивания для взрослого человека равен 0,028-0,075 г азота на 1 кг массы тела в сутки.
Отрицательный азотистый баланс развивается при полном отсутствии или недостаточном количестве белка в пище, а также при потреблении пищи, содержащей неполноценные белки. Не исключена возможность дефицита белка при нормальном поступлении, но при значительном увеличении потребности в нем организма. Во всех этих случаях имеет место белковое голодание.
При белковом голодании даже в случаях достаточного поступления в организм жиров, углеводов, минеральных солей, воды и витаминов происходит постепенно нарастающая потеря массы тела, зависящая от того, что затраты тканевых белков (минимальные в этих условиях и равные коэффициенту изнашивания) не компенсируются поступлением белков с пищей, поэтому длительное белковое голодание в конечном счете, так же как и полное голодание, неизбежно приводит к смерти. Особенно тяжело переносит белковое голодание растущий организм, у которого в этом случае происходит не только потеря массы тела, но и остановка роста, обусловленная недостатком пластического материала, необходимого для построения клеточных структур.
Соматотропный гормон гипофиза во время роста организма стимулирует увеличение массы всех органов и тканей. У взрослого человека он обеспечивает процесс синтеза белка за счет повышения проницаемости клеточных мембран для аминокислот, усиления синтеза РНК в ядре клетки и подавления синтеза катепсинов - внутриклеточных протеолитических ферментов.
Существенное влияние на белковый обмен оказывают гормоны щитовидной железы - тироксин и трийодтиронин. Они могут в определенных концентрациях стимулировать синтез белка и благодаря этому активизировать рост, развитие и дифференциацию тканей и органов.
Гормоны коры надпочечников - глюкокортикоиды (гидрокортизон, кортикостерон) усиливают распад белков в тканях, особенно в мышечной и лимфоидной. В печени же глюкокортикоиды, наоборот, стимулируют синтез белка.
Особая роль белков в питании
Белки являются незаменимым компонентом пищи. В отличие от белков - углеводы и жиры не являются незаменимыми компонентами пищи. Ежесуточно потребляется около 100 граммов белков взрослым здоровым человеком. Пищевые белки
– это главный источник азота для организма. В смысле экономическом белки являются самым дорогим пищевым компонентом. Поэтому очень важным в истории биохимии и медицины было установление норм белка в питании.
В опытах Карла Фойта впервые были установлены нормы потребления пищевого белка - 118г/сутки, углеводов - 500г/сутки, жиров 56г/сутки. М.Рубнер первым определил, что 75% азота в организме находится в составе белков. Он составил азотистый баланс (определил, сколько азота человек теряет за сутки и сколько азота прибавляется).
У взрослого здорового человека наблюдается азотистое равновесие – «нулевой азотистый баланс» (суточное количество выведенного из организма азота соответствует количеству усвоенного).
Положительный азотистый баланс (суточное количество выведенного из организма азота меньше, чем количество усвоенного). Наблюдается только в растущем организме или при восстановлении белковых структур (например, в периоде выздоровления при тяжелых заболеваниях или при наращивании мышечной массы).
Отрицательный азотистый баланс (суточное количество выведенного из организма азота выше, чем количество усвоенного). Наблюдается при белковой недостаточности в организме. Причины: недостаточное количество белков в пище; заболевания, сопровождающиеся повышенным разрушением белков.
В истории биохимии проводились эксперименты, когда человека кормили только углеводами и жирами («безбелковая диета»). В этих условиях измеряли азотистый баланс. Через несколько дней выведение азота из организма уменьшалось до определенного значения, и после этого поддерживалось длительное время на постоянном уровне: человек терял ежесуточно 53 мг азота на кг веса в сутки (примерно 4 г азота в сутки). Это количество азота соответствует примерно 23-25г
белка в сутки. Эту величину назвали "КОЭФФИЦИЕНТ ИЗНАШИВАНИЯ". Затем ежедневно добавляли в рацион 10г белка, и выведение азота при этом повышалось. Но все
белка в сутки) назвали ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ МИНИМУМ БЕЛКА.
В 1951 году были предложены нормы белка в питании: 110-120 граммов белка в
В настоящее время установлено, что 8 аминокислот являются незаменимыми. Суточная потребность в каждой незаменимой аминокислоте - 1-1.5 гр., а всего организму необходимо 6-9 граммов незаменимых аминокислот в сутки. Содержание незаменимых аминокислот в разных пищевых продуктах различается. Позтому физиологический минимум белка может быть разным для разных продуктов.
Сколько необходимо съедать белка для поддержания азотистого равновесия? 20 гр. яичного белка, либо 26-27 гр. белков мяса или молока, либо 30 гр. белков картофеля, либо 67 гр. белков пшеничной муки. В яичном белке содержится полный набор аминокислот. При питании растительными белками необходимо гораздо больше белка для восполнения физиологического минимума. Потребности в белке у женщин (58 граммов в сутки) меньше, чем у мужчин (70 г белка в сутки) – данные нормативов США.
ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ БЕЛКОВ В ЖЕЛУДОЧНО-KИШЕЧНОМ ТРАКТЕ
Переваривание не относится к процессам метаболизма, поскольку происходит вне организма (по отношению к тканям просвет желудочно-кишечного тракта является внешней средой). Задача переваривания - раздробить (расщепить) крупные молекулы
лишены видовой специфичности. Но энергетические запасы, имеющиеся в пищевых
приводят к большой потери энергии - они не окислительные. Каждые сутки в организм человека всасывается примерно 100 граммов аминокислот, которые
ежедневно распадаются до конечных продуктов: мочевина, CO2 . В процессе распада образуются также необходимые организму метаболиты, способные выполнять функции гормонов, медиаторов различных процессов и другие вещества (например: меланины, гормоны адреналин и тироксин).
Для белков печени период полураспада составляет 10 дней. Для белков мышц этот период составляет 80 дней. Для белков плазмы крови - 14 дней, печени - 10 дней. Но есть белки, которые распадаются быстро (для a2 -макроглобулина и инсулина период полураспада - 5 мин).
Ежедневно ресинтезируется около 400 г белков.
Распад белков до аминокислот происходит путем гидролиза - присоединяется H2 O по месту расщепления пептидных связей под действием протеолитических ферментов. Протеолитические ферменты называются ПРОТЕИНАЗАМИ или ПРОТЕАЗАМИ. Существует много разных протеиназ. Но по структуре каталитического центра все протеиназы делят на 4 класса:
1. СЕРИНОВЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ - у них в каталитическом центре содержатся аминокислоты серин и гистидин.
2. ЦИСТЕИНОВЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ - в каталитическом центре цистеин и гистидин.
гистидин, глутаминовая кислота и ион металла (карбоксипептидаза ”А”, коллагеназа содержат Zn2+ ).
Все протеиназы различаются по механизму катализа и по условиям среды, в которой они работают. В каждой молекуле белка имеются десятки, сотни и даже тысячи пептидных связей. Протеиназы разрушают не любую пептидную связь, а строго определенную.
Как происходит узнавание "своей" связи? Это определяется структурой адсорбционного центра протеиназ. Пептидные связи отличаются только тем, какие
случаях для субстратной специфичности имеет значение аминокислота, аминогруппа которой образует гидролизуемую связь. А иногда обе аминокислоты имеют значение для определения субстратной специфичности фермента.
С практической точки зрения все протеиназы по их субстратной специфичности могут быть разделены на 2 группы:
1. МАЛОСПЕЦИФИЧНЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ
2. ВЫСОКОСПЕЦИФИЧНЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ
МАЛОСПЕЦИФИЧНЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ:
У них адсорбционный центр имеет простое строение, их действие зависит только от тех аминокислот, которые формируют пептидную связь, гидролизуемую данным ферментом.
Пепсин Это фермент желудочного сока. Синтезируется в клетках
слизистой оболочки желудка в форме неактивного предшественника - пепсиногена. Превращение неактивного пепсиногена в активный пепсин происходит в полости желудка. При активации отщепляется
закрывающий активный |
центр фермента. |
Активация |
||
пепсина происходит под действием двух факторов: |
||||
а) соляной кислоты (HCl) |
||||
уже образовавшегося |
активного |
|||
называется |
аутокатализом. |
|||
Пепсин является карбоксильной протеиназой и |
катализирует |
гидролиз связей, |
||
образованных аминокислотами фенилаланином (Фен) или тирозином (Тир) в R 2 - положении (смотрите предыдущий рисунок), а также связь Лей-Глу . pH-оптимум пепсина равен 1.0-2.0 рН, что соответствует рН желудочного сока.
(рН=4.5). Реннин отличается от пепсина также механизмом и специфичностью действия.
Химотрипсин.
Синтезируется в поджелудочной железе в форме неактивного |
||||
предшественника |
химотрипсиногена. |
Активируется |
||
химотрипсин активным трипсином и путем аутокатализа. |
||||
Разрушает связи, |
образованные карбоксильной |
группой тирозина |
||
(Тир), фенилаланина (Фен) или триптофана (Три) - в положении R1 , |
||||
крупными гидрофобными радикалами лейцина (лей), изолейцина |
||||
и валина (вал) в том же положении R 1 (смотрите рисунок) . |
||||
активном центре химотрипсина имеется гидрофобный карман, в |
||||
который помещаются эти аминокислоты.
Трипсин Синтезируется в поджелудочной железе в форме неактивного
предшественника - трипсиногена. Активируется в полости кишечника ферментом энтеропептидазой при участии ионов кальция, а также способен к аутокатализу. Гидролизует связи, образованные положительно заряженными аминокислотами аргинином (Арг) и лизином (Лиз) в R 1 -положении . Его адсорбционный центр похож на адсорбционный центр химотрипсина, но в глубине гидрофобного кармана есть отрицательно заряженная карбоксильная группа.
Эластаза.
Синтезируется в поджелудочной железе в виде неактивного предшественника - проэластазы. Активируется в полости кишечника трипсином. Гидролизует пептидные связи в R 1 -положении, образованные глицином, аланином и серином .
Все перечисленные малоспецифичные протеиназы относятся к ЭНДОПЕПТИДАЗАМ, потому что гидролизуют связь внутри молекулы белка, а не на концах полипептидной цепи. Под действием этих протеиназ полипептидная цепь белка расщепляется на крупные фрагменты. Затем на эти крупные фрагменты действуют ЭКЗОПЕПТИДАЗЫ, каждая из которых отщепляет одну аминокислоту от концов полипептидной цепи.
ЭКЗОПЕПТИДАЗЫ.
Карбоксипептидазы.
Синтезируются в поджелудочной железе. Активируются трипсином в кишечнике. Являются металлопротеинами. “С”-конце молекулы белка . Бывают 2-х видов: карбоксипептидаза “А” и карбоксипептидаза “В”.
Карбоксипептидаза “А” отщепляет аминокислоты с ароматическими (циклическими) радикалами, а карбоксипептидаза “В” отщепляет лизин и аргинин.
Аминопептидазы.
Синтезируются в слизистой оболочке кишечника, активируются трипсином в кишечнике. Гидролизуют пептидные связи на “N”-конце молекулы белка . Существуют 2 таких фермента: аланинаминопептидаза и лейцинаминопептидаза.
Аланинаминопептидаза отщепляет только аланин, а лейцинаминопептидаза - любые “N”-концевые аминокислоты.
ДИПЕПТИДАЗЫ Расщепляют пептидные связи только в дипептидах.
Все описанные ферменты относятся к МАЛОСПЕЦИФИЧНЫМ ПРОТЕИНАЗАМ. Они характерны для желудочно-кишечного тракта.
всасываться и попадают в печень, где подвергаются реакциям обезвреживания. Подробнее об этом - смотрите учебник Коровкина, стр. 333-335.
Малоспецифичные протеиназы встречаются и в лизосомах.
ФУНКЦИИ ЛИЗОСОМАЛЬНЫХ МАЛОСПЕЦИФИЧНЫХ ПРОТЕИНАЗ:
1. Обеспечивают расщепление чужеродных белков, попавших в клетку.
2. Обеспечивают тотальный протеолиз собственных белков клетки (особенно при гибели клетки).
Таким образом, тотальный протеолиз - один из общих биологических процессов, необходимый не только для внутриклеточного пищеварения, но и для обновления стареющих белков клетки, и организма в целом. Но этот процесс находится под строгим контролем, который обеспечивают специальные механизмы, защищающие белки от избыточного действия протеаз.
МЕХАНИЗМЫ, ЗАЩИЩАЮЩИЕ БЕЛКИ ОТ ДЕЙСТВИЯ ПРОТЕИНАЗ:
1. Защита типа "клетки" - пространственная изоляция протеиназ от тех белков, на которые они могут подействовать. Внутриклеточные протеиназы сосредоточены внутри лизосом и отделены от белков, которые они могут гидролизовать.
2. Защита типа "намордника" . Заключается в том, что протеиназы вырабатываются в виде неактивных предшественников (проферментов): например, пепсиноген (в желудке) трипсиноген и химотрипсиноген (в pancreas) Во всех этих предшественниках активный центр фермента прикрыт фрагментом полипептидной цепи. После гидролиза определенной связи эта цепочка отрывается и фермент становится активным.
3. Защита типа “кольчуги“ . Защита белка-субстрата путем включения в его молекулу каких-либо химических структур (защитные группы, прикрывающие пептидные связи). Протекает тремя способами:
а) Гликозилирование белка . Включение в белок углеводных компонентов. Образуются гликопротеины. Эти углеводные компоненты выполняют некоторые функции (например, рецепторную функцию). Во всех гликопротеинах с помощью углеводной части обеспечивается также защита от действия протеиназ.
б) Ацетилирование аминогрупп . Присоединение остатков уксусной кислоты к
свободным аминогруппам в молекуле белка. |
|||||
Если протеиназа узнает место своего |
|||||
действия по наличию аминогруппы, то |
|||||
появление |
ацетильного |
||||
препятствует действию протеиназы на белок. |
|||||
Амидирование |
карбоксильной |
||||
группы. Защитный эффект аналогичен. |
|||||
г) Фосфорилирование радикалов серина или тирозина
4. Защита типа “сторожа“. Это защита белков с помощью эндогенных ингибиторов протеиназ.
Эндогенные ингибиторы протеиназ - это особые белки или пептиды, которые специально вырабатываются в клетке и могут взаимодействовать с протеиназой и блокируют ее. Хотя в связывании участвуют слабые типы связей, связывание протеиназы с эндогенным ингибитором прочное. Субстраты с высоким сродством к данной потеиназе могут вытеснять ингибитор из его комплекса с протеиназой, и тогда она начинает действовать. В плазме крови много таких ингибиторов и если появляется протеиназы, то ингибиторы их обезвреживают.
Обычно такие ингибиторы протеиназ являются специфическими по отношению к
определенному классу протеиназ. |
|||||||||
Ингибиторы сериновых |
протеиназ. |
||||||||
Самый активный ингибитор плазмы - альфа 1 -антитрипсин . |
концентрация в |
||||||||
крови примерно 35 нмоль/л. Ингибирует в первую очередь эластазу, |
а при больших |
||||||||
концентрациях ингибитора угнетает трипсин. |
вырабатывается |
||||||||
может нарушаться |
процессинг |
этого белка. |
результате |
||||||
накапливается |
в гранулах, |
выделяется |
в активной форме |
||||||
генетический дефект, и у гомозиготных по этому признаку больных могут развиться нарушения со стороны легких, а затем в печени (развиваются эмфизема и гепатит).
У гетерозигот - склонность к развитию хронических воспалительных процессов.
В плазме крови есть и другие ингибиторы сериновых протеиназ: альфа 1 -
антихимотрипсин, антитромбин, альфа2 -антиплазмин.
Ингибиторы тиоловых протеиназ
Одним из наиболее важных ингибиторов этой группы - альфа 2 - макроглобулин .
протеиназу в ловушку, которая есть на поверхности макроглобулина. При таком взаимодействии активный центр фермента свободен и низкомолекулярные субстраты
продолжают |
разрушаться протеиназой. |
Но в "ловушке" |
||||||
сблизиться |
достаточной |
степени с |
белковым субстратом. |
альфа2 - |
||||
макроглобулин |
не просто |
ингибитор, |
а модулятор |
субстратной |
специфичности |
|||
протеиназ. Если макроглобулин захватывает протеиназу в ловушку, то, например, плазмин, продолжает расщеплять молекулы фибрина (небольших размеров). Как только
Метаболизм простых белков и аминокислот В.220400 |
||||||||
альфа2 -макроглобулин |
захватывает в ловушку протеиназу, |
то он сразу изменяется |
||||||
результате |
освобождается |
которого |
многие клетки |
|||||
(лейкоциты, |
макрофаги) обладают |
специфическими рецепторами. |
Поэтому они |
|||||
связываются с комплексом “альфа2 -макроглобулин-фермент”, фагоцитируют его и в лизосомах поглощенные белки полностью гидролизуются до аминокислот. Поэтому альфа2 -макроглобулин называют еще "чистильщиком". 4% всех белков плазмы
макроглобулина составляет около 5-ти минут. Это означает, что за 5 минут обновляется половина содержащегося в плазме крови альфа2 -макроглобулина.
ВЫСОКОСПЕЦИФИЧНЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ
Адсорбционный центр этих ферментов имеет сложное строение. Они способны
которую гидролизует фермент. Часто высокоспецифичная протеиназа может узнать и гидролизовать только одну связь из сотен других, имеющихся в белке-субстрате. Такое высокоспецифичное расщепление молекулы белка в одном строго определенном месте называется “ограниченный протеолиз” .
Высокоспецифичные протеиназы можно разделить на две группы:
1. Внутриклеточные высокоспецифичные протеиназы. Обеспечивают постсинтетическую модификацию белка. Молекулы белка синтезируется в рибосомах в виде единственного полипептида, в составе которого гораздо больше аминокислот, чем в том белке, который затем из него образуется.
Постсинтетическая модификация белка включает в себя множество разнообразных процессов, которые различны для каждого отдельного белка.
Например, может происходить химическая модификация некоторых аминокислотных радикалов (так, пролин в составе коллагена превращается в оксипролин).
После синтеза белка к нему присоединяются углеводные фрагменты. Так образуются гликозилированнные белки. Постсинтетические превращения, которые сопровождают ограниченный протеолиз, называются "ПРОЦЕССИНГ БЕЛКА".
Все реакции процессинга можно разделить на две фазы: а) отщепление "сигнального" пептида; б) последующая постсинтетическая модификация.
Обычно белки синтезируются так, что на N-конце такого белка имеется
гидрофобными радикалами. Поэтому сигнальная последовательность очень устойчива к действию протеолитических ферментов. Гидрофобность сигнальной последовательности обеспечивает молекуле белка проникновение через мембраны.
Выделяют три главные функции сигнальных пептидов :
а) обеспечивают устойчивость синтезированного белка к протеолизу на всем пути этого белка от рибосом до места, где белок выполняет свою функцию в клетке;
б) создают условия для переноса белка через мембраны.
Таким образом, сигнальные пептиды обеспечивают транспорт белка от места
синтеза к месту назначения - обеспечивают адресную функцию. |
|||
Даже после отщепления |
сигнального пептида формирование окончательного |
||
белка еще на закончено: остается длинная полипептидная |
которая еще |
||
должна быть укорочена. |
|||
Опять протекает серия реакций ограниченного протеолиза, в результате |
|||
которых полипептидная цепь |
укорачивается по-разному: |
происходит |
|
укорочение путем гидролиза со стороны С-конца; иногда гидролиз происходит со стороны N-конца; в некоторых случаях расщепление полипептида происходит в середине цепи в результате гидролиза в двух местах.
ПРИМЕРЫ РАБОТЫ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ВЫСОКОСПЕЦИФИЧНЫХ ПРОТЕИНАЗ
Пример 1: СОЗРЕВАНИЕ МОЛЕКУЛЫ ГОРМОНА ИНСУЛИНА:
Метаболизм простых белков и аминокислот В.220400 |
||||||||||
Созревшая |
молекула состоит из |
|||||||||
двух полипептидных цепей, |
||||||||||
соединены |
дисульфидными |
|||||||||
одной цепи (А-цепь) |
||||||||||
содержится |
аминокислотный |
|||||||||
остаток, а во второй (В-цепь) - 30 |
||||||||||
аминокислотных остатков. |
||||||||||
Оказалось, что этот белок |
||||||||||
синтезируется |
единственной |
|||||||||
полипептидной |
||||||||||
(ПРЕПРОИНСУЛИН), |
в которой |
содержится |
100 аминокислотных |
остатков. |
||||||
гидролиза со стороны N-конца от молекулы отрывается сигнальный пептид (16 |
||||||||||
аминокислот) и образуется ПРОИНСУЛИН. |
сигнальной |
последовательности в |
||||||||
препроинсулине |
позволяет |
проникать |
мембраны |
трубочек |
||||||
эндоплазматического ретикулума. А превращение препроинсулина в проинсулин происходит внутри трубочек под действием высокоспецифичной протеиназы.
Затем, в аппарате Гольджи начинается и в секреторных гранулах завершается вторая группа реакций процессинга. В ходе этих реакций образуется В-цепь, а затем со стороны С-конца на расстоянии в 20 аминокислотных фрагментов от конца
происходит гидролиз связи между арг79 и гли80. |
В конечном счете от молекулы |
||||
проинсулина отделяется 33-членный срединный пептид. |
В результате |
образуется |
|||
Пример 2. СОЗРЕВАНИЕ МОЛЕКУЛЫ АДРЕНОКОРТИКОТРОПНОГО ГОРМОНА ГИПОФИЗА (АКТГ). |
|||||
Белок кортикотропин синтезируется в составе |
молекулы, |
||||
которая содержит 264 аминокислотных фрагмента и называется ПРООПИОКОРТИН. |
|||||
Сам АКТГ состоит из аминокислот |
|||||
от 131-й до 170-й в составе этого |
|||||
остальные участки содержат |
|||||
сигнальную |
последовательность |
||||
молекулы |
содержится |
||||
полипептид, из которого образуется |
|||||
меланоцитстимулирующий гормон |
|||||
В ходе процессинга от проопиокортина вначале отщепляется сигнальная последовательность и затем после двух реакций протеолиза со стороны N-конца и С- конца отделяется пептид гамма2 -МСГ (меланоцитстимулирующий гормон). АКТГ освобождается с N-конца.
образуются ЭНДОРФИНЫ (эндогенные морфины). По структуре они являются пептидами. Например, пептид скотофобин вызывает у животных боязнь темноты (даже если животным, ведущим ночной образ жизни, его ввести, то они начинают бояться темноты).
Внутриклеточные протеиназы, которые обеспечивают реакции процессинга, обладают высокой субстратной специфичностью. Каждая такая протеиназа действует на один определенный белок, а следующая протеиназа действует только на продукт первой реакции.
Совсем по другому организованы системы внеклеточных протеиназ.
ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ Примером может служить система свертывания крови. Это совокупность более чем
десяти разных белков. Многие из этих белков являются неактивными формами
конформационные изменения. На поверхность молекулы выступает ее активный центр, который был раньше спрятан. Этот белок уже становится активным и может разрушать одну пептидную связь в другом белке, который тоже в результате этого воздействия из профермента превращается в активный фермент.
Для этого активного фермента субстратом является следующий белок плазмы, который превращается под действием второго звена из профермента в активный фермент, пока процесс не дойдет до фибриногена. Очередной протеолитический
осадок. В этом осадке запутываются форменные элементы крови. Так образуется кровяной сгусток.
Именно высокая субстратная специфичность позволяет протеиназам плазмы образовать в крови систему, звенья которой работают строго последовательно. Эта
система - система свертывания крови работает по принципу каскадности . Происходит
постепенное усиление первоначально слабого сигнала. |
Свертывание |
|||||||||
происходит постоянно, но |
оно уравновешивается |
процессом |
фибринолиза. |
|||||||
обеспечивается наличием в плазме крови фермента плазмина, |
который образуется из |
|||||||||
плазминогена и не является звеном каскада свертывания. |
Плазмина, |
|||||||||
содержится в крови, достаточно, |
чтобы обеспечить гидролиз фибрина внутри |
|||||||||
нарушениях |
фибринолиза |
наблюдается |
ДВС-синдром |
|||||||
диссеминированного внутрисосудистого свертывания). |
||||||||||
протеолитическим системам |
относятся |
|||||||||
КОМПЛЕМЕНТА и СИСТЕМА РЕГУЛЯЦИИ СОСУДИСТОГО ТОНУСА (с помощью вазоактивных пептидов). Подробно об этих системах, а также о работе системы свертывания крови изложено в лекции “ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КРОВИ”.
КАТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ.
80% аминокислот, которые поступают в организм из желудочно-кишечного тракта, используются для синтеза белков. Остальные 20% вступают в метаболические процессы. Все эти процессы можно разделить на 2 группы:
1. Общие пути катаболизма аминокислот (для всех аминокислот они одинаковы). В них принимает участие общая часть молекулы аминокислоты.
2. Специфические пути метаболизма для каждой отдельной аминокислоты (разные для разных аминокислот) - участвуют радикалы аминокислот. Это - особенности обмена отдельных аминокислот.
ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА АМИНОКИСЛОТ
1. Декарбоксилирование
2. Дезаминирование
3. Трансаминирование (переаминирование)
ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ В природе встречаются разные типы декарбоксилирования аминокислот. В
организме человека происходит только окислительное декарбоксилирование . Ферменты - декарбоксилазы. Их простетическая группа представлена пиридоксальфосфатом -
это активная форма витамина В6 : |
||||
В реакциях декарбоксилирования |
участвует альдегидная группа |
|||
пиридоксальфосфата: |
||||
Аминокислота |
||||
соединяется |
активным |
|||
фермента, в состав которого |
||||
альдегидная |
||||
Образуются |
||||
основания |
(альдимины |
|||
кетимины). |
результате |
|||
СООН-группа становится лабильной и отщепляется в виде СО2 . Далее происходит гидролиз до соответствующего амина. Эта реакция необратима. Отнятие СО2 происходит без окисления.
Субстратная специфичность декарбоксилаз очень разная.
1. ГЛУТАМАТДЕКАРБОКСИЛАЗА - высокоспецифичный фермент. Работает в клетках серого вещества головного мозга. Катализирует реакцию превращения глутаминовой кислоты в гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК).
ГАМК является медиатором тормозных импульсов в нервной системе. ГАМК и ее аналоги применяются в медицине как нейротропные средства для лечения эпилепсии и других заболеваний.
2. ОРНИТИН-ДЕКАРБОКСИЛАЗА - высокоспецифичный фермент. Катализирует превращение орнитина в путресцин:
Образующийся ПУТРЕСЦИН (диаминобутан) является трупным ядом. В результате присоединения остатков
пропиламина из путресцина могут образоваться СПЕРМИН и СПЕРМИДИН, содержащие 3 (у спермина) или 4 (у спермидина) иминоили аминогруппы.
Спермин и спермидин относятся к группе биогенных полиаминов. Введение полиаминов в организм снижает температуру тела и кровяное давление. Полиамины принимают участие в
белка. Они являются ингибиторами некоторых ферментов, в том числе протеинкиназ. Орнитиндекарбоксилаза - это первый фермент на пути образования путресцина
и остальных полиаминов, это регуляторный фермент процесса.
В культуре клеток добавление некоторых гормонов ускоряет биосинтез орнитиндекарбоксилазы в 10-200 раз.
Период полужизни орнитиндекарбоксилазы - 10 минут.
Добавление в культуру клеток самих полиаминов приводит к индукции биосинтеза другого белка - ингибитора орнитиндекарбоксилазы. При раковых заболеваниях обнаружено резкое увеличение секреции полиаминов и повышение их экскреции с мочой.
3. ГИСТИДИНДЕКАРБОКСИЛАЗА Этот фермент имеет абсолютную субстратную специфичность - превращает
гистидин в гистамин:
Гистамин является медиатором и содержится в нервных клетках и в тучных клетках. Обладают сильным сосудорасширяющим действием. Особенно много его выделяется в очаге воспаления. Гистамин
играет важную роль в проявлении аллергических реакций. Известно 2 типа рецепторов к гистамину:H1 и H2 . Эффекты гистамина:
- расширение капилляров и повышение сосудистой проницаемости;
- понижение артериального давления;
Повышение тонуса (спазм) гладких мышц - |
том числе гладкой |
мускулатуры |
|||
Усиление секреции желудочного сока; |
|||||
Некоторые из этих эффектов позволяют гистамину принимать участие в |
|||||
формировании аллергических проявлений. |
|||||
Антигистаминные препараты применяются с целью предотвратить образование |
|||||
гистамина |
и обладают |
противовоспалительным |
антиаллергическим действием. По |
||
механизму |
действия |
некоторые из них |
являются ингибиторами |
гистидин- |
|
декарбоксилазы, а другие конкурируют с гистамином за взаимодействие с рецепторами клеток.
Например, лекарственный препарат циметидин и его аналоги блокируют Н2 - рецепторы и таким образом понижают секрецию желудочного сока. Применяются при лечении язвенной болезни желудка.
Блокаторы Н1 -рецепторов используются в основном как противоаллергические средства - димедрол, тавегил, супрастин, пипольфен, грандаксин. Некоторые из этих препаратов вызывают сонливость.
4. ДЕКАРБОКСИЛАЗА АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ Имеет широкую субстратную специфичность. Превращает несколько разных
аминокислот:
а) триптофан - в триптамин б) 5-окситриптофан - в триптамин (серотонин)
в) 3,4-диоксифенилаланин - в дофамин г) гистидин - в гистамин
Серотонин вырабатывается в нервной ткани. Некоторые виды головных болей (мигрени) связаны с избыточной выработкой серотонина. Серотонин сужает сосуды, регулирует свертывание крови. Обладает антиаллергическим действием. Триптамин обладает сходным эффектом.
Аминокислота фенилаланин может в результате окисления присоединять две ОН-группы в кольце и превращаться в
диоксифенилаланин (ДОФА). Из него под действием ДЕКАРБОКСИЛАЗЫ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ образуется дофамин. Дофамин является предшественником катехоламинов - норадреналина и адреналина.
Метаболизм простых белков и аминокислот В.220400 |
|||
Кроме функции предшественника, ДОФАмин |
|||
имеет свои специфические функции. |
Если ДОФА |
||
метилируется, |
то образуется |
a-метил-ДОФА. |
|
Это соединение является сильным ингибитором |
|||
декарбоксилазы |
ароматических |
аминокислот. |
|
Применяется как лекарственный препарат для |
|||
понижения артериального давления |
(называется |
||
Альдомет). |
|||
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕАКЦИЙ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ АМИНОКИСЛОТ
1. Реакции необратимы - приводят к необратимому распаду аминокислот.
2. Образуется значительное количество СО 2 - конечного продукта метаболизма, который выводится из организма.
3. Образуются амины, которые обладают высокой биологической активностью. Поэтому такие амины называют биологически активными или биогенными аминами . Они
являются медиаторами, с помощью которых сигнал передается от одной клетки к другой и от одной молекулы к другой.
ИНАКТИВАЦИЯ БИОГЕННЫХ АМИНОВ Если биогенные амины обладают высокой биологической активностью, то они
должны быстро разрушаться после выполнения своей функции.
В организме имеются механизмы, позволяющие разрушать биогенные амины. МЕХАНИЗМЫ ИНАКТИВАЦИИ:
1. Метилирование по оксигруппам тех аминов, которые такие группы содержат, либо включают оксигруппы в свою молекулу после гидроксилирования.
Ферменты - О-МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ. Они переносят метильную группу на кислород. Источник метильного радикала: S- Аденозилметионин.
После присоединения аденильного остатка АДФ к сере метионина, метильная группа метионина становится очень мобильной и легко переносится на разные вещества. В том числе и на кислород оксигрупп.
2. Окисление амина по аминогруппе с целью дезаминирования.
Главный путь инактивации биогенных аминов - их окисление под действием оксидаз с отщеплением аминогруппы. В результате исчезает биологическая активность амина.
Оксидазы биогенных аминов: моноаминооксидаза (МАО), диаминооксидаза (ДАО), полиаминооксидаза.
Оксидазы отнимают два протона и два электрона и передают их сразу на кислород. Образуется перекись водорода, а амин превращается в ИМИН. Этот имин
легко гидролизуется без участия фермента и превращается в альдегид. Простетической группой ферментов оксидаз является ФАД или ФМН, т.е. они являются флавопротеинами.
Вторая реакция (гидролиз) необратима. Образовавшийся в итоге альдегид легко окисляется до карбоновой кислоты, которая распадается до СО2 и H2 O. МАО в клетке больше, чем ДАО.
Угнетение МАО приволит к замедлению распада биогенных аминов. Такие лекарства продлевают период существования биогенных аминов, что особенно важно при их недостатке.
Эти вещества играют роль антидепрессантов и используются, в частности, при
декарбоксилирования аминокислот и разрушение биогенных аминов происходят не одновременно, то биогенные амины могут некоторое время существовать и выполнять свою биологическую функцию.
ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ У человека происходит в основном путем окислительного дезаминирования. Эти
реакции протекают с помощью двух ферментов: - оксидаза Д-аминокислот
Оксидаза L-аминокислот
Эти ферменты обладают групповой стереоспецифичностью. Оксидазы отнимают
протоны и электроны от аминокислот с помощью такого |
же механизма, |
||||||||
оксидазы, |
обеспечивающие дезаминирование |
биогенных |
ферменты |
||||||
являются флавопротеинами и содержат в качестве простетической |
|||||||||
образуется |
|||||||||
иминокислота, |
|||||||||
спонтанного гидролиза образуется альфа- |
|||||||||
кетокислота. |
|||||||||
Кроме оксидаз имеется еще один |
|||||||||
катализирующий |
окислительное |
||||||||
дезаминирование |
глутаминовой кислоты |
||||||||
глутамат-дегидрогеназа (глутаматДГ). |
|||||||||
является |
|||||||||
зависимым и обладает высокой активностью (как и другие НАД-зависимые
дегидрогеназы). |
отличие от |
оксидаз аминокислот, которые |
медленно |
|||||
превращают аминокислоты в физиологических условиях (поэтому |
||||||||
сохраняется |
большинство |
аминокислот). |
глутамат-ДГ |
является |
||||
никотинамидной, |
отнимаемые протоны |
электроны не |
передаются |
|||||
кислород, а транспортируются по полной цепи МтО с образованием воды и
параллельным образованием трех молекул АТФ. |
||||
Глутамат-ДГ |
обладает |
|||
активностью и этим отличается от МАО и |
||||
ДАО. Глутамат-ДГ является регуляторным |
||||
ферментом |
он ингибируется |
избытком |
||
АТФ, и активируется избытком АДФ. |
||||
БИОЛОГИЧЕСКОЕ |
ЗНАЧЕНИЕ |
|||
ДЕЗАМИНИРОВАНИЯ |
||||
дезаминирования |
||||
необратимы, как и реакции декарбоксилирования |
дезаминирование тоже может |
|||
играть роль первого этапа на путях распада аминокислот.
2. Один из непосредственных продуктов дезаминирования -конечный продукт метаболизма аммиак. Это токсическое вещество. Поэтому клетки должны затрачивать энергию, чтобы обезвредить аммиак до безвредных продуктов, которые выводятся из организма.
3. Другой продукт реакции дезаминирования - альфа-кетокислота.
Все образующиеся альфа-кетокислоты легко расщепляются дальше до СО2 и Н2 О (например, аланин превращается в ПВК (путем дезаминирования; аспартат - в ЩУК; глутаминовая кислота - в альфа-кетоглутаровую). Большинство альфа-кетокислот тем или иным путем превращаются в кислоты, которые являются промежуточными метаболитами ЦТК:
В альфа-кетоглутаровую;
В янтарную;
Фумаровую;
- щавелево-уксусную. Все эти метаболиты могут в организме трансформироваться
в углеводы, перед этим превращаясь в ПВК. Поэтому большинство аминокислот относится к группе, которая называется ГЛЮКОГЕННЫМИ АМИНОКИСЛОТАМИ (их 17). Только 3 аминокислоты не могут превращаться в ПВК, но превращаются в Ац-КоА - КЕТОГЕННЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ: лейцин, лизин, триптофан ). Они могут прямо трансформироваться в жирные кислоты или в кетоновые тела.
Метаболические пути, в которые вступают аминокслоты после дезаминирования, уже не являются собственно путями метаболизма аминокислот, а являются универсальными и для аминокислот, и для углеводов, и для жиров.
ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ Эта реакция заключается в том, что
аминокислота и кетокислота обмениваются друг с другом своими функциональными группами при альфа-углеродном атоме. В результате вступившая в реакцию аминокислота превращается в соответствующую альфа-кетокислоту, а
кетокислота становится аминокислотой.
Московская государственная академия
ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина
Реферат по физиологии
на тему: Белковый обмен
Москва 2006 г.
ОБМЕН БЕЛКОВ
Основным структурным элементом клеток и тканей организма являются белки. Пожалуй, нет ни одной функции, которая могла бы осуществляться в организме без участия белков. Многие химические реакции ускоряются биологическими катализаторами - ферментами, представляющими собой белковые соединения. Некоторые гормоны, как например, регулирующий углеводный обмен инсулин, тоже имеют белковую природу. Железосодержащий белок гемоглобин принимает участие в газообмене. Белковую природу имеют особые вещества - антитела, вырабатывающиеся в организме после попадания в него чужеродных веществ (антигенов). Мышцы состоят из белков, основным компонентом опорных тканей (кости, сухожилия, связки) также является белок - коллаген
Процессы распада и синтеза белков в ходе тканевого метаболизма. Все белковые соединения можно разделить на собственно белки - протеины и протеиды. Протеины состоят из аминокислот, в структуре протеидов содержатся, кроме того, сложные вещества небелковой природы (нуклеиновые кислоты и др.). Аминокислотный состав белков пищевых продуктов определяет их биологическую ценность для животного организма, что связано с особенностями обмена белков организма. Существенное отличие белкового обмена от углеводного или жирового обмена заключается в том, что в животном организме белки, а точнее многие составляющие их аминокислоты не могут синтезироваться из органических веществ и из аммиака.
Синтез аминокислот возможен лишь при наличии в организме соответствующей а-кетокислоты, образующейся в качестве промежуточного продукта метаболизма углеводов и жиров. Аминокислоты, которые могут быть синтезированы в животном организме, называются заменимыми (аланин, глутаминовая кислота, тирозин и др.). Заменимые аминокислоты синтезируются в значительном количестве независимо от поступления их с белками пищи. Другие - незаменимые аминокислоты (лейцин, триптофан, фенилаланин и др.) не могут синтезироваться в организме и должны поступать с пищей. В зависимости от содержания в белках пищи незаменимых аминокислот эти белки делят на биологически полноценные (с полным набором незаменимых аминокислот) и неполноценные (при отсутствии одной или нескольких незаменимых аминокислот).
Отличительная особенность белкового обмена заключается в том, что в организме нет депо белковых соединений. Весь белок организма входит в структуру клеточных элементов тканей и жидкостей организма. Поэтому при отсутствии регулярного притока белковых веществ наблюдается частичное разрушение различных клеточных структур, т. е. появляются признаки «белкового голодания».
Травоядные животные получают с пищей растительные белки, синтезированные зелеными растениями, хищные животные - белки животного происхождения.
Пищевые продукты, потребляемые человеческим организмом, содержат разное количество белка: богатые белками - мясо, рыба, бобы, яйца и др., бедные белками - овощи, фрукты. Промежуточное место в этом отношении занимают хлеб и другие продукты.
Ежедневно человеческий организм должен получать около 100 г белковых соединений, которые в виде аминокислот поступают в кровеносное русло и затем разносятся по всем органам и тканям. Аминокислоты в организме выполняют в основном пластическую функцию: служат материалом для синтеза специфических белков, гормонов (например, инсулина, глюкагона, гормонов гипофиза и др.), азотистых небелковых составных частей клеток и тканей. За счет аминокислот пищевого белка восстанавливаются белковые соединения, разрушенные в процессе жизнедеятельности организма. В молодом растущем организме пищевой белок идет не только для синтеза распавшихся белков, но и для увеличения биомассы: белковых компонентов тканей и клеток. У взрослых животных белки тела замещаются, обновляются с различной скоростью: период обновления общего белка составляет у человека 80 дней, у крысы - 17 дней. Белковые соединения у животных подвергаются сложному циклу химических превращений, в результате которых образуются конечные продукты азотистого обмена - мочевина, мочевая кислота и другие соединения, выделяющиеся из организма и поступающие в почву. В почве эти вещества под воздействием микроорганизмов превращаются в аммиак, нитраты и нитриты, служащие продуктами азотистого питания растений.
Цикл сложных химических превращений белковых веществ в организме животного начинается с гидролитического их расщепления в желудочно-кишечном тракте под действием протеолитических ферментов. Образующиеся вначале достаточно сложные высокомолекулярные белковые соединения (альбумозы, пептоны) в последующих отделах кишечника под действием других протеолитических ферментов распадаются на три- и дипептиды и, наконец, на отдельные аминокислоты. Ежедневно в кровь взрослого человека всасывается из кишечника более 100 г различных аминокислот, образованных в результате гидролитического расщепления белков пищи.
При синтезе белков в клетках и тканях организма могут быть использованы не только отдельные аминокислоты, но» и более сложные белковые соединения типа. полипептидов. В биосинтезе тканевого белка важная роль принадлежит нуклеиновым кислотам, входящим в структуру ядра и протоплазмы клеток. Расщепление белка в клетках происходит в два этапа: вначале белковая молекула гидролизуется до аминокислот, затем расщепляется молекула аминокислоты. Аминокислоты, не использованные для синтеза белковых веществ и других азотистых соединений, образующих структуру живой клетки, подвергаются глубокому распаду с образованием конечных продуктов. Разрушение аминокислоты происходит путем дезаминирования, т. е. отщеплением аминогруппы. Безазотистый остаток молекулы через ряд промежуточных стадий превращается в глюкозу, претерпевающую затем ряд химических превращений по типу углеводного обмена. Азот белка, не имеющий энергетического значения, в виде аммиака превращается затем у млекопитающих в мочевину и выделяется с мочой (у птиц в виде мочевой кислоты).
Обычно белковые соединения окисляются в тканях животного организма не до конца, в результате чего из организма выделяется определенная часть белковых соединений в виде продуктов неполного окисления. При распаде белковой молекулы в организме освобождается некоторое количество вредных ядовитых продуктов, нейтрализация которых происходит в печени.
Всасывание аминокислот. Основным механизмом поступления аминокислот в энтероцит является Nа + -зависимый активный транспорт. Вместе с тем возможна и диффузия аминокислот по электрохимическому градиенту. Наличием двух механизмов транспорта объясняют тот факт, что D-аминокислоты всасываются быстрее (за счет активного транспорта), чем L-изомеры, поступающие в клетку пассивно, путем диффузии. У взрослых животных диффузия, очевидно, происходит лишь при нарушении механизма активного транспорта. В нормальных же условиях поступление аминокислот в энтероцит обеспечивается механизмами облегченной диффузии и активного транспорта, реализующимися с участием переносчиков. Предполагают наличие различных транспортных систем для нейтральных, основных, N-замещенных и дикарбоновых аминокислот.
Практически единственным видом продуктов гидролиза белка, всасывающихся в кровеносное русло у высших животных и человека, являются аминокислоты. Исключение составляют оксипролиновые пептиды, которые, по-видимому, всасываются путем диффузии. В весьма небольшом количестве через кишечный эпителий способны проникать некоторые мелкие пептиды, например глицилглицин. Кроме того, у новорожденных млекопитающих, когда еще не функционируют механизмы расщепления белка, возможно всасывание интактного белка посредством пиноцитоза. Таким путем в организм новорожденного с молоком матери поступают антитела, обеспечивающие невосприимчивость к инфекциям.
Существует точка зрения, в соответствии с которой олигопептиды, образующиеся в процессе полостного гидролиза, поступают в энтероцит, где и расщепляются до аминокислот под действием внутриклеточных ферментов. В то же время показано, что промежуточные и заключительные этапы расщепления белковых молекул осуществляются не внутриклеточно, а в зоне щеточной каймы энтероцитов с помощью находящихся здесь пептидаз.
В энтероцитах наряду с транспортной системой апикальной мембраны имеется также транспортная система, расположенная в базальной и латеральных мембранах, которая осуществляет выход транспортируемых аминокислот из клетки. Эта система функционирует с участием транспортеров по механизму облегченной диффузии. Предполагают возможность и Nа + -зависимого активного транспорта.
Процесс переваривания и всасывания белков можно представить в следующем виде. В просвете кишки происходит расщепление полипептидов до олигопептидов, ди- и трипептидов и аминокислот. В мембране микроворсинок щеточной каймы - дальнейшее расщепление специфическими пептидазами, поглощение аминокислот и олигопептидов. В цитоплазме - расщепление ди- и олигопептидов цитоплазматическими пептидазами до аминокислот. В базальной мембране - выход аминокислот из клетки в кровь.
Азотистый баланс . О состоянии белкового обмена в организме принято судить по азотистому балансу. Это связано с тем, что весь N белковых веществ, поступающих в организм животного с пищей, выделяется в виде азотистых веществ преимущественно с мочой. Доля азотистых веществ, выделяемых из организма с калом, незначительна, и поэтому при соответствующих расчетах во внимание не принимается.
Что такое белки в целом и какую роль они играют в человеческом организме. Каковы функции белков, что такое азотистый баланс и какова биологическая ценность белков. Это неполный список вопросов затронутых в данной статье.
Продолжаем серию статей "ОБМЕН УГЛЕВОДОВ В ОРГАНИЗМЕ", "ОБМЕН ЖИРОВ В ОРГАНИЗМЕ" статьей "ОБМЕН БЕЛКОВ В ОРГАНИЗМЕ". Информация рассчитана на широкий круг читателей, при одобрении со стороны читателей серия статей, посвященных физиологии человека, будет продолжена.
ФУНКЦИИ БЕЛКОВКосвенным показателем активности обмена белков служит так называемый азотистый баланс. Азотистым балансом называют разность между количеством азота, поступившего с пищей, и количеством азота, выделяемого из организма в виде конечных метаболитов. При расчетах азотистого баланса исходят из того факта, что в белке содержится около 16% азота, то есть каждые 16 г азота соответствуют 100 г белка.
Белки органов и тканей нуждаются в постоянном обновлении. Около 400 г белка из 6 кг, составляющих белковый "фонд" организма, ежедневно подвергается катаболизму и должно быть возмещено эквивалентным количеством вновь образованных белков. Минимальное количество белка, постоянно распадающегося в организме, называется коэффициентом изнашивания . Потеря белка у человека массой 70 кг составляет 23 г/сут. Поступление в организм белка в меньшем количестве ведет к отрицательному азотистому балансу, неудовлетворяющему пластические и энергетические потребности организма.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ БЕЛКОВВне зависимости от видоспецифичности все многообразные белковые структуры содержат в своем составе всего 20 аминокислот . Для нормального метаболизма имеет значение не только количество получаемого человеком белка, но и его качественный состав, а именно соотношение заменимых и незаменимых аминокислот .
После приема пищи, особенно белковой, отмечено повышение энергообмена и теплопродукции . При употреблении смешанной пищи энергообмен возрастает примерно на 6%, при белковом питании повышение может достигнуть 30-40% общей энергетической ценности всего введенного в организм белка. Повышение энергообмена начинается через 1-2 ч, достигает максимума через 3 ч и продолжается в течение 7 — 8 ч после приема пищи.
Гормональная регуляция метаболизма белков обеспечивает обеспечивает динамическое равновесие их синтеза и распада.
Белки являются, безусловно, одними из важнейших компонентов в процессе жизнедеятельности организма. А главное, они играют чрезвычайно важную роль в питании человека, так как являются главной составной частью клеток всех органов и тканей организма. Недаром ведь в 2005 году по законопроекту, подготовленному Минздравсоцразвития, "в целях повышения качества питания в новой потребительской корзине предлагается увеличить объем продуктов, содержащих белок животного происхождения, одновременно сократив объем продуктов, содержащих углеводы".
Cообщение # 3367, написанное 05-03-2014 в 14:52 МСК, удалено.
| # 1347 · 07-06-2013 в 12:37 МСК · ip адрес записан · |
