Белковый обмен биохимия. Рефераты по медицинебелковый обмен в организме человека

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.

Глава IV .9.

Обмен белков

Важный критерий пищевой ценности белков – доступность аминокислот. Аминокислоты большинства животных белков полностью высвобождаются в процессе пищеварения. Исключение составляют белки опорных тканей (коллаген и эластин). Белки растительного происхождения перевариваются в организме плотоядных плохо, т.к. содержат много волокон и иногда ингибиторы протеаз (соя, горох). У жвачных растительные белки перевариваются под действием ферментов микрофлоры рубца. Существенный критерий ценности пищевого белка – аминокислотный состав. Чем больше содержится незаменимых аминокислот, тем полезнее данный белок для организма.

Переваривание и всасывание белков

В ротовой полости не происходит.

В желудке главные клетки слизистой оболочки секретируют пепсиноген – предшественник протеолитического фермента пепсина . В результате аутокатализа в кислой среде желудочного сока фермент активируется. Соляная кислота поддерживает рН в пределах 1,5-2,0. Это оптимальные условия для активной работы фермента. В кислой среде белки корма подвергаются денатурации, что делает их более доступными ферментативному протеолизу. Пепсин быстро гидролизует в белках пептидные связи, образованые ароматическими аминокислотами и медленно связи между лейцином и дикарбоновыми аминокислотами.

В тонком отделе кишечника происходит дальнейший гидролиз пептидов до аминокислот. Туда поступает панкреатический сок с рН 7,8-8,2. Он содержит неактивные предшественники протеаз: трипсиноген , химотрипсиноген , прокарбоксипептидазу , проэластазу. Слизистой кишечника вырабатывается фермент энтеропептидаза , который активирует трипсиноген до трипсина, а последний уже все остальные ферменты. Протеолитические ферменты содержатся также в клетках слизистой кишечника, поэтому гидролиз небольших пептидов происходит после их всасывания. Конечный результат действия ферментов желудка и кишечника – расщепление почти всей массы пищевых белков до свободных аминокислот.

Всасывание аминокислот происходит в тонком отделе кишечника. Это активный процесс и требует затраты энергии. Основной механизм транспорта – гамма-глутамильный цикл. В нем участвует 6 ферментов и трипептид глутатион (глутамилцистеинилглицин). Ключевой фермент – гамма-глутамилтрансфераза . Кроме того, процесс всасывания АК требует присутствия ионов Na + . Аминокислоты попадают в портальный кровоток – в печень и в общий кровоток. Печень и почки поглощают аминокислоты интенсивно, мозг избирательно поглощает метионин, гистидин, глицин, аргинин, глутамин, тирозин.

В толстом отделе кишечника не всосавшиеся по каким-либо причинам (недостаток или низкая активность протеолитических фрементов, нарушение процессов транспорта АК) пептиды и АК подвергаются процессам гниения. При этом образуются такие продукты как: фенол , крезол , сероводород , метилмеркаптан , индол , скатол , а также группа соединений под общим названием «трупные яды» - кадаверин , путресцин . Эти вещества всасываются в кровь и поступают в печень, где подвергаются конъюгации с глюкуроновой кислотой и другим процессам обезвреживания (см. подробнее главу "Биохимия печени"). Затем они выводятся из организма с мочой.

Переваривание белков у жвачных

Под действием ферментов микрофлоры рубца белки гидролизуются до АК, которые могут использоваться двумя путями:

1) идти на синтез белков микрофлоры рубца;

2) подвергаться процессу брожения;

Вновь образовавшаяся микрофлора поступает в сычуг и далее подвергается действию ферментов как и у моногастричных животных. Сбраживание АК завершается образованием летучих жирных кислот (ЛЖК: молочной, масляной, уксусной, пропионовой) и аммиака. Данные продукты в свою очередь идут:

1) на синтез белков микрофлоры рубца;

2) поступают в кровь и идут на энергетические нужды.

Пути использования АК в организме

1) синтез собственных белков организма (см. главу "Матричный биосинтез);

2) при дефиците энергии участие в ЦТК (рис. 4.9.1.);

3) участие в образовании биологически активных веществ (БАВ).

Ряд аминокислот в клетках подвергается химической модификации:

1) окислительное дезаминировние или отщепление аминогруппы катализируется ферментами класса аминооксидаз. Они очень специфичны и малоактивны. Единственный высокоактивный фермент работает в печени и мозге – это глутаматдегидрогеназа (ГДГ). Он катализирует превращение глутаминовой кислоты в альфа-кетоглутаровую ;

2) переаминироване. Происходит обмен аминогруппы на кетогруппу между амино- и кетокислотой. Глутаминовая кислота взаимодействует с пировиноградной , при этом образуется альфа-кетоглутаровая кислота и аланин ;

3) декарбоксилирование или отщепление карбоксильной группы с образованием СО 2 и амина. Катализируют реакцию декарбоксилазы. В тканях этим процессам подвергаются в основном гистидин, тирозин, глутаминовая кислота. Из них образуются гистамин, тирамин, гамма-аминомаслянная кислота .

Гистамин - продукт декарбоксилирования гистидина. Накапливается в тучных клетках. В слизистой желудка активирует синтез пепсина и соляной кислоты. Является одним из медиаторов воспаления.

Серотонин образуется из триптофана преимущественно в нейронах гипоталамуса и стволе мозга. Является медиатором этих нейронов. Разрушается под действием моноаминоксидазы обычно в печени.

Дофамин – производное тирозина. Он является медиатором проведения нервного импульса, а также предшественником меланина, норадреналина и адреналина .

Процессы гниения в тонком отделе кишечника происходят также под действием декарбоксилаз.

Биосинтез аминокислот

Если незаменимые АК должны в обязательном порядке поступать в организм с пищей, то заменимые АК могут в случае их дефицита синтезироваться одна из другой. Полностью заменимыми являются 8 аминокислот: Ала, Аск, Асп, Глк, Глн, Сер, Глн и Про. Исходными соединениями для их биосинтеза являются компоненты гликолитической цепи и ЦТК. Добавление аминогруппы чаще осуществляется при участии глутаматдегидрогеназы. Аланин из пирувата, аспарагин – из фумарата, глутамин из - альфа-кетоглутарата, из него также пролин, орнитин и аргинин, серин и глицин - из 3-фосфоглицерата. Аспартат может также образовываться из оксалоацетата с использованием в качестве донора аминогруппы от глутамата (Ф: АсАт). Аланин при участии фермента АлАт из пирувата (аминогруппа также от глутамата). Ряд других АК могут синтезироваться в организме, но по более сложным механизмам.

Биосинтез сложных белков

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды . Пуриновый скелет образуется в ходе нескольких реакций из аспартата, формила, глутамина, глицина и СО 2 . Пиримидиновый скелет из глутамина, аспарагиновой кислоты и СО 2 .

Катаболизм пуриновых нуклеотидов завершается образованием мочевой кислоты . Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов – аланином и аминомасляной кислотой.

Синтез гемоглобина включает в себя образование глобина и гема. Глобин синтезируется как и все белки.

Предшественники гема – сукцинил КоА и глицин. Из них образуется аминолевулиновая кислота (Е : аминолевулитат-синтетаза). Две молекулы аминолевулиновой кислоты конденсируются с образованием порфобилиногена(Е: порфобилиногенсинтетаза ). Четыре молекулы порфобилиногена конденсируются в тетрапиррольное соединение которое модифицируется в протопорфирин . Заключительный этап – присоединение железа (Е : феррохелатаза ).

Разрушение гемоглобина происходит в такой последовательности:

1) раскрытие пиррольного кольца с образованием вердоглобина;

2) удаление железа после чего получается биливердоглобин;

3) отщепление глобина с образованием биливердина ;

4) восстановление метиновой группы с получением билирубина .

Билирубин с током крови доставляется в печень, где часть его этерифицируется при участии УТФ-глюкуронилтрансферазы. Этерифицированный билирубин называется прямым (связанным), а неэтерифицированный – непрямым (свободным).

Связанный билирубин выделяется с желчью в 12-перстную кишку, где после ряда превращений под действием ферментов микрофлоры он превращается в стеркобилин и выделяется с калом или в уробилин и выделяется с мочой. Повышение содержания билирубина в крови – билирубинемия.

Обезвреживание аммиака

Он образуется в основном при дезамировании аминокислот.

1) Восстановительное аминировние происходит в малом объеме и несущественно.

2) Образование амидов аспарагиновой и глутаминовой кислот (аспарагина и глутамина). Этот процесс в основном протекает в нервной ткани, где очень важно обезвреживать аммиак.

3) Образование солей аммония происходит в почечной ткани (хлорид аммония удаляется с мочой).

4) Основной путь – синтез мочевины. Происходит в цикле мочевины или орнитиновом цикле.

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.

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.

Обмен белков

Обмен белков - центральное звено всех биохимических процессов, лежащих в основе существования живого организма. Интенсивность обмена белков характеризуется балансом азота , так как основная масса азота организма приходится на белки. При этом учитывается азот кормов, азот организма и азот продуктов выделения. Баланс азота может быть положительным (когда происходит увеличение массы животного и задержка азота в организме), равным нулю, или наблюдается азотистое равновесие (из организма выводится столько азота, сколько поступает с кормами), и отрицательным (распад белков не компенсируется белками кормов). Баланс азота характеризуется белковым минимумом - наименьшим количеством белка в кормах, которое необходимо для сохранения в организме азотистого равновесия. Белковый минимум, рассчитанный на 1 кг живой массы, имеет такие средние величины, г:

Белки кормов делят на полноценные и неполноценные . Полноценные корма содержат остатки незаменимых аминокислот, которые не могут быть синтезированы организмом животного: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. К условно незаменимым аминокислотам относят

гистидин, так как его небольшой недостаток в кормах восполняется синтезом микрофлорой в пищевом канале. Остальные аминокислоты - заменимые и могут синтезироваться в организме животного: аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, серии. Пять аминокислот считают частично заменимыми: аргинин, глицин, тирозин, цистин и цистеин. Иминокислоты пролин и оксипролин могут синтезироваться в организме.

В различных кормах и пищевых продуктах содержится неодинаковое количество белков, %:

Богаты полноценными белками продукты животноводства, %:

Эталоном полноценного белка чаще всего служит казеин, содержащий все незаменимые аминокислоты.

Переваривание белков. В пищевом канале белки подвергаются расщеплению до аминокислот и простатических групп.

В ротовой полости корма, содержащие белки, механически измельчаются, смачиваются слюной и образуют пищевой ком, который по пищеводу поступает в желудок (у жвачных - в преджелудки и сычуг, у птиц - в железистый и мышечный желудки). В составе слюны нет ферментов, способных расщеплять белки корма. Пережеванные кормовые массы поступают в желудок (у жвачных в сычуг), перемешиваются и пропитываются желудочным соком.

Желудочный сок - бесцветная и слегка опалесцирующая жидкость плотностью 1,002-1,010. У человека в течение суток образуется около 2 л, у крупного рогатого скота - 30, у лошади - 20, у свиньи - 4, у собаки - 2-3, у овцы и козы - 4 л желудочного сока. Выделение желудочного сока в первой

(сложнорефлекторной) фазе определяется видом, запахом и вкусом корма, во второй (нейрогуморальной) - его химическим составом и механическим раздражением рецепторов слизистой оболочки. В состав желудочного сока входит 99,5% воды и 0,5% плотных веществ. Плотные вещества включают ферменты пепсин, реннин, гастриксин, желатиназу, липазу (у свиней и амилазу); белки - сывороточные альбумины и глобулины, мукопротеины слизи, фактор Касла; из минеральных веществ кислоты (в основном соляную) и соли.

Основным ферментом желудочного сока является пепсин , а кислотой, создающей условия для его каталитического действия, - соляная. В образовании пепсина участвуют главные клетки желез дна желудка, в образовании соляной кислоты - обкладочные. Источником хлорид-ионов служит NaCl, ионов H + -протоны, поступающие из крови в цитоплазму обкладочных клеток вследствие окислительно-восстановительных реакций (Г. Д. Ковбасюк, 1978).

Соляная кислота создает необходимую кислотность для каталитического действия ферментов. Так, у человека рН желудочного сока равен 1,5-2,0, у крупного рогатого скота - 2,17-3,14, у лошади - 1,2-3,1, у свиньи - 1,1-2,0, у овцы - 1,9-5,6, у птиц - 3,8. Соляная кислота создает также условия для превращения пепсиногена в пепсин, ускоряет расщепление белков на составные части, их денатурацию, набухание и разрыхление, препятствует развитию в желудке гнилостных и бродильных процессов, стимулирует синтез гормонов кишечника и др. В лабораторной практике определяют общую, свободную и связанную кислотность желудочного сока.

Реннин (химозин, или сычужный фермент) вырабатывается у молодых жвачных железами слизистой оболочки сычуга. Синтезируется в виде прореннина, который при значении рН

В желудке происходит гидролитическое расщепление большинства белков корма. Так, нуклеопротеиды под влиянием соляной кислоты и пепсина распадаются на

нуклеиновые кислоты и простые белки. Здесь же происходит расщепление и других протеидов. Под влиянием пепсина расщепляются пептидные связи по краям белковых молекул. Легче всего разрываются связи, образованные ароматическими и дикарбоновыми аминокислотами. Пепсин легко ращепляет белки животного происхождения (казеин, миоглобин, миоген, миозин) и некоторые растительные белки, построенные в основном из моноаминодикарбоновых кислот (глиадин и глутелин злаков), за исключением кератинов шерсти, фиброинов шелка, муцинов слизи, овомукоидов, некоторых белков костей и хрящей.

Часть белков расщепляется другими протеолитическими ферментами желудочного сока, например, коллагены - желатиназой, казенны - реннином.

Под влиянием составных частей желудочного сока, прежде всего соляной кислоты и ферментов, белки в желудке гидролизуются до простетических групп, альбумоз, пептонов, полипептидов и даже аминокислот.

Желудочная секреция стимулируется гормоноидами слизистой оболочки пищевого канала: гастрином (в привратнике), энтерогастрином (в кишках), гистамином (в желудке) и др.

Особенности переваривания белков у жвачных. У жвачных пищевой ком из пищевода поступает в преджелудки, где подвергается дополнительной механической переработке, при жвачке возвращается в ротовую полость, снова измельчается, затем попадает в рубец, сетку, книжку и сычуг, где завершается первый этап пищеварения.

В преджелудках происходит химическая переработка веществ корма под влиянием ферментов бактерий, инфузорий и грибов, симбиотирующих там. До 38% микробов рубца крупного рогатого скота и 10% микробов рубца овец обладают протеолитической активностью, 70-80% таких ферментов сосредоточены внутри клеток, 20-30%-в рубцовой жидкости. Ферменты действуют аналогично трипсину, расщепляя пептидные связи между карбоксильной группой аргинина или лизина и аминогруппой других аминокислот при рН 5,5-6 и рН 6,5-7. Белки под влиянием пептид-гидролаз расщепляются до пептидов, пептиды пептидазами - до олигопептидов, олигопептиды - до аминокислот. Так, зеин кукурузы гидролизуется на 60% до аминокислот, а

казеин - на 90%. Часть аминокислот дезаминируется ферментами бактерий.

Замечательной особенностью пищеварения в преджелудках является синтез белков микроорганизмами из небелковых веществ корма и продуктов его переработки. Основная масса растительных кормов представлена углеводами, и прежде всего клетчаткой. Клетчатка в преджелудках под влиянием микробных ферментов целлюлазы и целлобиазы расщепляется до α-D (+)-глюкозы и β-D (+) -глюкозы.

Монозы подвергаются различным видам брожения, что приводит к образованию низкомолекулярных жирных кислот. Так, при молочнокислом брожении, вызываемом Bact. lactis, из глюкозы образуется молочная кислота: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 →CHOH - COOH. При маслянокислом брожении, вызываемом бактериями рода Clostridium, образуется масляная кислота: C 6 H 12 O 6 → CH 3 - CH 2 - CH 2 - COOH + 2H 2 + 2CO 2 и т. д.

Количество летучих жирных кислот в рубце коровы может достигать 7 кг в сутки. При сеноконцентратном рационе в рубце коров содержится: уксусной кислоты - 850-1650 г, пропионовой - 340-1160, масляной кислоты - 240-450 г.

В пересчете на уксусную кислоту в рубце овцы за сутки образуется 200-500 г летучих жирных кислот. Их процентный состав следующий:

Часть этих кислот идет на синтез молочного жира, гликогена и других веществ (рис. 22), часть - служит материалом для синтеза микрофлорой аминокислот и собственного белка.

Синтез микрофлорой аминокислот в преджелудках жвачных происходит за счет безазотистых продуктов брожения и аммиака. Источником аммиака являются продукты расщепления мочевины, аммонийных солей и

других азотсодержащих добавок к рационам. Так, мочевина под влиянием фермента уреазы, продуцируемого микрофлорой рубца, расщепляется до аммиака и углекислого газа:

Источником безазотистых продуктов чаще всего служат кетокислоты, которые образовались из кислот жирного ряда (см. выше). Этот биосинтез носит обычно характер восстановительного аминирования:

Из аминокислот микроорганизмы синтезируют белки, необходимые для своего существования. В зависимости от рациона в рубце коров может синтезироваться 300-700 г бактериального белка в сутки.

Из преджелудков кормовые массы поступают в сычуг, где под влиянием кислого сычужного сока микроорганизмы гибнут, а их белки расщепляются до аминокислот.

Из желудка (сычуга) кормовые массы мелкими порциями поступают в тонкую кишку , где завершается расщепление белков. В нем участвуют протеолитические ферменты секрета поджелудочной железы и кишечного сока. Эти реакции протекают в нейтральной и слабощелочной среде (рН 7-8,7). В тонкой кишке гидрокарбонаты секрета поджелудочной железы и кишечного сока нейтрализуют соляную кислоту: HCl + NaHCO 3 → NaCl + H 2 CO 3 .

Угольная кислота под влиянием фермента карбоангидразы расщепляется до CO 2 и H 2 O. Наличие CO 2 способствует образованию в химусе стойкой эмульсии, облегчающей процессы пищеварения.

Около 30% пептидных связей белков расщепляется трипсином. Он выделяется в виде неактивного трипсиногена и под влиянием фермента слизистой оболочки кишок энтерокиназы превращается в активный трипсин, теряя гексапептид, который закрывал ранее активный центр (рис, 23), Трипсин расщепляет пептидные связи, образованные - СООН-группами аргинина и лизина и - NН 2 -группами других аминокислот.

Почти 50% пептидных связей расщепляется химо-трипсином. Он выделяется в виде химо-трипсиногена, который под влиянием трипсина превращается в химо-трипсин. Фермент расщепляет пептидные связи, образованные - СООН-группами фенилаланина, тирозина и триптофана и - NН 2 -группами других аминокислот. Остальные пептидные связи расщепляются пептидазами кишечного сока и сока поджелудочной железы - карбоксипептидазами и аминопептидазами.

В составе сока поджелудочной железы есть коллагеназа (расщепляет коллаген) и эластиназа (гидролизует эластин). Деятельность ферментов активируется микроэлементами: Mg 2+ , Mn 2+ , Со 2+ и др. Заключительный этап переваривания белков отражает схема:

Переваривание белков происходит в полости кишок и на поверхности слизистой оболочки (пристеночное пищеварение).

В полости кишок расщепляются белковые молекулы, а на поверхности слизистой оболочки - их "обломки": альбумозы, пептоны, полипептиды, трипептиды и дипептиды.

Белки и их производные, не подвергшиеся расщеплению в тонкой кишке, в дальнейшем в толстой кишке подвергаются гниению. Гниение - многоступенчатый

процесс, на отдельных этапах которого участвуют различные микроорганизмы: анаэробные и аэробные бактерии родов Bacillus и Pseudomonas, инфузории и др. Под влиянием бактериальных пептид-гидролаз сложные белки расщепляются на протеины и простетические группы. Протеины, в свою очередь, гидролизуются до аминокислот, а они подвергаются дезаминированию, декарбоксилированию, внутримолекулярному расщеплению, окислению, восстановлению, метилированию, деметилированию и т. д. Возникает ряд ядовитых продуктов, которые всасываются через слизистую оболочку кишок в кровеносную и лимфатическую системы и разносятся по всему организму, отравляя его органы, ткани и клетки.

Так, при гниении в толстой кишке аминокислоты подвергаются декарбоксилированию, что приводит к образованию ядовитых аминов, например трупных ядов - кадаверина и путресцина.

При дезаминировании (восстановительном, внутримолекулярном, гидролитическом, окислительном) образуются аммиак, насыщенные и ненасыщенные карбоновые кислоты, оксикислоты и кетокислоты.

Бактериальные декарбоксилазы могут вызывать дальнейшее разложение карбоновых кислот с образованием углеводородов, альдегидов, спиртов и др.: CH 3 -CH 2 - COOH → CH 3 -CH 3 + CO 2 ;

Эти процессы обычно протекают сопряженно и поэтапно, что в итоге приводит к возникновению самых различных продуктов гниения. Так, при гнилостном разложении циклических аминокислот образуются следующие фенолы.

При гнилостном разложении триптофана образуются скатол и индол.

При гнилостном разложении цистина и цистеина образуются меркаптаны, сероводород, метан, углекислый газ.

Процессы гниения белков интенсивно развиваются при кормлении животных недоброкачественными кормами, нарушении режима кормления, при заболеваниях пищевого канала (атонии преджелудков, запорах), инфекционных (колибациллезе) и инвазионных (аскаридозе) болезнях. Это отрицательно сказывается на состоянии здоровья и продуктивности животных.

Всасывание белков. Белки всасываются в виде аминокислот, низкомолекулярных пептидов и простетических групп. У новорожденных животных всасывается часть нерасщепленных белков молозива и молока. Место всасывания - микроворсинки ворсинок эпителия слизистой оболочки тонкой кишки. Аминокислоты проникают в клетку через субмикроскопические канальцы микроворсинок и экзоплазматическую мембрану благодаря процессам диффузии, осмоса, с помощью белковых переносчиков против концентрационного и электрохимического градиентов. Прежде всего аминокислота соединяется с переносчиком. Он представляет собой поливалентный ион, который имеет четыре участка для

связывания с нейтральными, кислыми и основными аминокислотами, а также с ионом Na + . Пройдя мембрану, аминокислота отщепляется от переносчика и по эндоплазматической сети и пластинчатому комплексу постепенно перемещается от апикального края к базальному участку энтероцита (рис. 24). Быстрее всасывается аргинин, метионин, лейцин; медленнее - фенилаланин, цистеин, тирозин; медленно - аланин, серии и глутаминовая кислота.

В процессах всасывания важное место принадлежит натриевому насосу, так как хлорид натрия ускоряет всасывание.

Расходуемую при этом химическую энергию обеспечивают митохондрии.

В передвижении аминокислоты по клетке участвует белковый переносчик. В базальном и латеральных участках клетки комплекс переносчик + аминокислота расщепляется.

Аминокислота диффундирует в межклеточное пространство и поступает в кровеносную или

лимфатическую системы ворсинок, а ионы Na + возвращаются к поверхности клетки и взаимодействуют с новыми порциями аминокислот. Эти процессы регулируются нервной и гуморальной системами.

В толстой кишке всасываются продукты гниения: фенол, крезол, индол, скатол и др.

Промежуточный обмен. Продукты всасывания белков через систему воротной вены поступают в печень. Оставшиеся в крови после прохождения через печень аминокислоты из печеночной вены попадают в большой круг кровообращения и разносятся к отдельным органам, тканям и клеткам. Некоторая часть аминокислот из межклеточной жидкости поступает в лимфатическую систему, затем большой круг кровообращения.

В плазме крови содержится определенное количество аминокислот и полипептидов. Их содержание возрастает после приема корма.

Плазма крови богата глутамином и глутаминовой кислотой.

Большая часть аминокислот расходуется на биосинтез белков, часть - на биосинтез биологически активных веществ (небелковых гормонов, пептидов, аминов и др.), часть, дезаминируясь, используется в качестве энергетического сырья и материала для биосинтеза липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и др.

Биосинтез белка

Биосинтез белка протекает во всех органах, тканях и клетках. Наибольшее количество белка синтезируется в печени. Синтез его осуществляют рибосомы. По химической природе рибосомы - нуклеопротеиды, состоящие из РНК (50-65%) и белков (35-50%).

Рибосомы образуются самосборкой из предварительно синтезированных РНК и белков. Они являются составными частями гранулярной эндоплазматической сети, где происходит биосинтез и перемещение синтезированных молекул белка.

Рибосомы в клетке находятся в виде скопления от 3 до 100 единиц - полисом (полирибосом, эргосом). Рибосомы обычно соединены между собой своеобразной нитью, видимой под электронным микроскопом, - иРНК (рис. 25).

Каждая рибосома способна синтезировать

самостоятельно одну полипептидную цепь, группа - несколько таких цепей и молекул белка. Примером крупной полирибосомной системы могут быть полисомы мышечной ткани, синтезирующие миозин. Полисома состоит из 60-100 рибосом и осуществляет биосинтез молекулы белка, которая состоит из 1800 аминокислотных остатков.

Биосинтез белка в клетке протекает через ряд стадий.

Активация аминокислот . В гиалоплазму из межклеточной жидкости в результате диффузии, осмоса или активного переноса поступают аминокислоты. Каждый вид амино- и иминокислоты взаимодействует со своим активирующим ферментом - аминоацилсинтетазой. Реакция активируется катионами Mg 2+ , Mn 2+ и Co 2+ . Возникает активированная аминокислота.

Соединение активированных аминокислот с тРНК. На второй стадии биосинтеза белка активированные аминокислоты (аминоациладенилаты) от соединений их с

соответствующими ферментами переносятся на тРНК цитоплазмы. Процесс катализируется аминоацил-РНК-синтетазами.

Остаток аминокислоты соединяется карбоксильной группой с гидроксильной второго углеродного атома рибозы нуклеотида тРНК.

Транспортирование комплекса активированной аминокислоты с тРНК к рибосоме клетки . Активированная аминокислота, соединенная со своей тРНК, переносится из гиалоплазмы на рибосому. Процесс катализируется специфическими ферментами, которых в организме не меньше 20,

Ряд аминокислот транспортируется несколькими тРНК (например, валин и лейцин - тремя тРНК). В этом процессе используется энергия ГТФ и АТФ.

Связывание аминоацил-тРНК с комплексом иРНК -рибосома. Аминоацил-тРНК, подойдя к рибосоме, взаимодействует с иРНК. Каждая тРНК имеет участок, который состоит из трех нуклеотидов, - антигсодон . В иРНК ему соответствует участок с тремя нуклеотидами - кодон . Каждому кодону соответствуют антикодон тРНК и одна аминокислота. В ходе биосинтеза к рибосоме присоединяются в виде аминоацил-тРНК аминокислоты, которые в дальнейшем в порядке, определяемом размещением ko-донов в иРНК, соединяются в полипептидную цепь.

Инициация полипептидной цепи . После того, как две соседних аминоацил-тРНК своими антикодонами присоединились к кодонам иРНК, создаются условия для синтеза полипептидной цепи. Формируется первая пептидная связь. Эти процессы катализируются пептидсинтетазами, активируются катионами Mg 2+ и факторами инициации белковой природы - F 1 , F 2 и F 3 . Источником химической энергии является

ГТФ. Связь возникает за счет СО-группы первой и NН 2 -труппы второй аминоацил-тРНК.

Эти реакции протекают на свободной 30S субъединице. К инициаторному комплексу присоединяется 50S субъединица, и они объединяются в рибосому, связанную с иРНК. Каждый этап инициации требует одной молекулы ГТФ.

Элонгация полипептидной цепи. Инициация полипептидной цепи начинается с N-конца, так как в образовавшемся дипептиде сохранена -NH 2 -группа первой аминокислоты. Первая тРНК, принесшая свою аминокислоту, отщепляется от комплекса иРНК - рибосома и "направляется" в гиалоплазму за новой аминокислотой. Дипептид, связанный со второй тРНК (см. выше), взаимодействует с третьей амино-ацил-тРНК, образуется трипептид, и вторая тРНК сходит с рибосомы в гиалоплазму и т. д. Пептидная цепь удлиняется (элонгируется) в результате последовательного присоединения новых аминокислотных остатков. Рибосома постепенно движется по иРНК, превращая закодированную в ней информацию в четко организованную полипептидную цепь. При каждом шаге рибосомы образуется новый пептидил-тРНК, увеличенный на один аминокислотный остаток. Процесс катализируется пептидилтрансферазой, активируется катионами Mg 2+ и белковыми факторами (EF-Tu, EF-Ts, EF-G). Источником энергии служит ГТФ. На полисоме синхронно синтезируется несколько пептидных цепей. Так создается первичная структура молекулы белка.

Терминация полипептидной цепи . Рибосома, на поверхности которой синтезировалась полипептидная цепь, достигает конца цепочки иРНК и "соскакивает" с него; к противоположному концу иРНК на ее место присоединяется новая рибосома, осуществляющая синтез очередной молекулы полипептида. Полипептидная цепь отсоединяется от рибосомы и выделяется в гиалоплазму. Эта реакция осуществляется с помощью специфического фактора освобождения (фактора R), который связан с рибосомой и облегчает гидролиз сложноэфирной связи между полипептидом и тРНК. Все стадии суммирует схема (цвет, табл. III).

В гиалоплазме из полипептидных цепей образуются простые и сложные белки. Формируются вторичная, третичная и в ряде случаев четвертичная структуры белковой молекулы.

Обновление белков в организме. Белки находятся в динамическом состоянии, подвергаясь постоянным процессам синтеза и распада. В ходе жизнедеятельности они постепенно "изнашиваются" - разрушаются их четвертичная, третичная, вторичная и первичная структуры. Инактивируются белковые функциональные группы и разрушаются связи в белковой молекуле. Возникает необходимость в замене "изношенных" белковых молекул новыми.

В зависимости от степени повреждения белковой молекулы происходит ее частичное или полное обновление. В первом случае под влиянием специальных ферментов обновляются небольшие участки полипептидных цепей или отдельные аминокислотные остатки (транспептидация). Во втором случае происходит полная замена "изношенной" молекулы белка новой. Поврежденная молекула белка распадается под влиянием тканевых протеаз или катепсинов I, II, III и IV, локализированных в лизосомах. Молекула протеида подвергается обычным для этих веществ превращениям.

Белки организма человека в целом обновляются в течение 135-155 сут. Белки печени, поджелудочной железы, стенки кишок и плазмы крови обновляются в течение 10 сут, мышц - 30, коллагена - 300 сут. Синтез молекулы белка в клетке протекает быстро - в течение 2-5 с. В организме взрослого человека ежесуточно синтезируется 90-100 г белка (1,3 г на 1 кг

массы). Степень обновления уменьшается при старении, болезнях и т. д.

Биосинтез пептидов

Часть эндо- и экзогенных аминокислот идет на синтез пептидов.

Глутатион . Представляет собой трипептид, образованный из остатков глутаминовой кислоты, цистеина и глицина.

Биосинтез протекает в две стадии. Так, вначале под влиянием фермента γ -глутамилцистеинсинтетазы образуется дипептид-, затем при участии трипептид - синтетазы - трипептид-глутатион:

Он является составной частью многих ферментов, защищает SH-группы белков от окисления.

Карнозин и ансерин. Дипептиды мышечной ткани. Карнозин образуется из гистидина и β -аланина, ансерин - из 1-метилгистидина и β -аланина.

Пептиды синтезируются под влиянием специфических ферментов, при участии АТФ и Мg 2+ -ионов. Реакции протекают в две стадии, например синтез карнозина.

Биосинтез и обмен отдельных аминокислот

Заменимые аминокислоты синтезируются в тканях организма; незаменимые поступают в организм в составе корма; условно заменимые синтезируются в тканях в ограниченной мере (аргинин и гистидин) или при наличии предшественников (тирозин и цистеин). Некоторое количество аминокислот синтезируется симбиотической микрофлорой в пищевом канале.

Материалом для синтеза аминокислот чаще всего служат α -кето- и α -оксикислоты, которые образуются в тканях при промежуточном обмене углеводов, липидов и других соединений. Источником азота служат аммиак и аммонийные соли, водорода - НАД∙H 2 или НАДФ∙H 2 .

Если источником аминокислоты является кетокислота, то она может подвергаться восстановительному аминированию, которое протекает в две стадии: вначале образуется иминокислота, затем - аминокислота.

Так образуется аланин из пировиноградной кислоты, аспарагиновая и глутаминовая кислоты из щавелевоуксусной и др.

Часть глутаминовой кислоты может синтезироваться из α -кетоглутаровой кислоты под действием фермента L -глутаматдегидрогеназы.

Глутаминовая кислота используется тканями как донор аминогруппы.

Отдельные аминокислоты могут образовываться из других аминокислот трансаминированием (A. E. Браунштейн и M. Г. Крицман, 1937) под влиянием ферментов аминофераз, составной частью которых является производное витамина B 6 - пиридоксальфосфат, играющий роль переносчика NН 2 -групп (с. 271).

Так образуется глицин из серина или треонина; аланин - из глутаминовой и аспарагиновой кислот, триптофана или цистеина; тирозин из фенилаланина; цистеин и цистин - из серина или метионина; глутаминовая кислота образуется из пролина или аргинина и др.

Обмен отдельных аминокислот имеет определенные особенности.

Глицин . Участвует в ряде важнейших реакций биосинтеза. Так, из него образуются:

В тканях печени глицин участвует в процессе обезвреживания ядовитых соединений - бензойной,

фенилуксусной кислот и фенолов, образует парные соединения, которые выводятся с мочой.

Аланин . Образуется трансаминированием пировиноградной кислоты (см. выше). Существует в виде α - и β -форм. Участвует в биосинтезе.

Аспарагиновая кислота. Образуется обычно трансаминированием щавелевоуксусной кислоты (см. выше). Вместе с глутаминовой кислотой обеспечивает взаимосвязь между обменом белков, углеводов и липидов. Служит донатором аминогрупп в

реакциях трансаминирования. Основные реакции отражает схема.

Глутаминовая кислота . Содержится в тканях в составе белков, в свободном состоянии и в виде амида. Донатор аминогруппы в реакциях трансаминирования. Основные вещества, в синтезе которых участвует кислота:

Серин и треонин . Их обмен тесно связан с обменом глицина. Серин в тканях образуется из 3-фосфоглицериновой кислоты. Из серина образуется глицин в результате переноса одноуглеродного фрагмента (C 1) на тетрагидрофолиевую кислоту (ТГФК, см. с. 311). Глицин может образовываться из треонина. Фрагмент C 1 используется для синтеза гистидина и пуринов. Из серина и треонина образуется пировиноградная кислота, которая с помощью ацетил-КоА включается в ЦТК.

Часть превращений отражает схема:

Гидроксильная группа серина входит в состав активного центра многих ферментов: трипсина, химо-трипсина, эстераз, фосфорилаз.

Метионин . Является составной частью многих белков. Служит донатором метальной группы. Передача метильной группы в процессе переметилирования происходит под влиянием соответствующих метил-трансфераз через S-аденозилметионин:

Предшественником метионина является аспарагиновая кислота, которая через, несколько стадий (гомосерин, 0-сукцинил-гомосерин, цистеин, цистатионин, гомоцистеин) превращается в метионин.

Цистеин и цистин . Составные части многих белков, пептидов, гормонов и других соединений. SH-Группа цистеина - составная часть активных центров ряда ферментов. Участие цистеина в обмене веществ частично отражает схема:

Аргинин и орнитин . Аргинин образуется в процессе превращения углекислого газа и аммиака в мочевину.

Обе аминокислоты участвуют в образовании ряда жизненно важных веществ.

Лизин . Важнейшая аминокислота. Участвует в синтезе многих веществ.

Σ-Аминогруппа остатка лизина участвует в формировании связи между апо- и коферментами, особенно при образовании биотинфермента. Лизину принадлежит важная роль в связывании фосфора при минерализации костной ткани и других процессах.

Фенилаланин и тирозин . Их превращения в организме идут в таких направлениях: биосинтез белков и пептидов, образование

протеиногенных аминов, гормонов и пигментов, окисление до концевых продуктов с разрывом ядра и др.:

Триптофан . Важнейшая аминокислота. Ее превращения иллюстрируются схемой:

Гистидин . Относится к незаменимым аминокислотам. Участвует в биосинтезе и обмене многих жизненно важных веществ:

Пролин и оксипролин . Оксипролин возникает из пролина. Процесс необратимый. Обе иминокислоты используются для биосинтеза белков и др.

Превращение безазотистого остатка аминокислот

Часть аминокислот, не использованных в синтезе белков, и их производных, подвергается процессам распада до аммиака и карбоновых кислот. Аммиак обезвреживается в печени в орнитиновом цикле. Из нескольких видов дезаминирования преобладает окислительное. Образовавшиеся при этом кетокислоты используются тканями для различных потребностей. По направлению использования безазотистого остатка аминокислоты делят на два вида: глюкопластические и липопластические. Из глюкопластических аминокислот (аланин, серии, цистеин и др.) обычно образуется пировиноградная кислота, которая служит исходным веществом для биосинтеза глюкозы и гликогена.

Из липопластических аминокислот (лейцин, изолейцин, аргинин, орнитин, лизин и др.) после дезаминирования образуется ацетоуксусная кислота - источник биосинтеза высших жирных кислот.

α -Кетокислоты, образовавшиеся при окислительном дезаминировании аминокислот, декарбоксилируются и одновременно окисляются в жирные кислоты.

Образовавшаяся жирная кислота может подвергаться β -окислению, возникает ацетил-КоА - источник химической энергии или сырье для биосинтеза многих веществ.

Особенности промежуточного обмена сложных белков

Биосинтез сложных белков протекает аналогично биосинтезу протеинов. При этом формируются первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковой молекулы с присоединением соответствующей простетической группы.

Обмен хромопротеидов. В организме животных содержится ряд хромопротеидов: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, геминовые ферменты и др.

Для них характерно наличие в составе молекулы гема. Наиболее подробно изучен биосинтез гемоглобина.

Основные компоненты молекулы гемоглобина образуются в органах кроветворения: красном костном мозгу, селезенке, печени. Глобин синтезируется из аминокислот обычным для белков путем. Образование гема происходит при участии ферментов через ряд стадий.

Из двух молекул δ -аминолевулиновой кислоты образуется порфобилиноген, который содержит пиррольное кольцо.

Порфобилиноген затем образует циклическое соединение из четырех пиррольных колец - уропорфирин.

В дальнейших превращениях из уропорфирина образуется протопорфирин. В молекулу протопорфирина под влиянием фермента гемосинтетазы включается железо (Fe 2+) и возникает гем, который через остаток гистидина связывается с простым белком глобином, образуя субъединицу молекулы гемоглобина.

Гемоглобин составляет 90-95% сухой массы эритроцитов.

Обмен липопротеидов, гликопротеидов и фосфопротеидов мало чем отличается от обмена простых белков. Их синтез протекает аналогично другим белкам - с образованием первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур. Разница заключается в том, что при синтезе к белковой части молекул присоединяются разные простетические группы. При распаде молекулы сложного белка белковая часть расщепляется до аминокислот, а простетические группы (липид, углевод, фосфорные эфиры аминокислот) - до простых соединений.

Конечный обмен. Во время промежуточного обмена образуется ряд химических соединений, которые выделяются из организма как продукты распада белков. В частности, углекислый газ выделяется легкими, вода - почками, с потом, в составе кала, с выдыхаемым воздухом. Многие другие продукты обмена белков, особенно азотистые, выделяются в виде мочевины, парных соединений и т. д.

Превращение аммиака . Аммиак образуется при дезаминировании аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, никотиновой кислоты и ее производных, других азотсодержащих соединений. За сутки в организме человека дезаминируется 100-120 г аминокислот, образуется 16-19 г азота или 18-23 г аммиака. В основном аммиак в организме сельскохозяйственных животных обезвреживается в виде мочевины, частично - в виде аллантоина, мочевой кислоты и аммонийных солей. У птиц и рептилий основным конечным продуктом азотистого обмена является мочевая кислота.

Мочевина - главный конечный продукт азотистого обмена у большинства позвоночных и человека. Она составляет 80-90% всех азотистых веществ мочи. Создана современная теория образования мочевины в печени - орнитиновый цикл Кребса.

1. Отщепившиеся в процессе дезаминирования и декарбоксилирования NH 3 и CO 2 под влиянием фермента карбамоилфосфатсинтетазы соединяются, образуя карбамоил фосфат.

2. Карбамоилфосфат с орнитином при участии орнитинкарбамоилтрансферазы образуют цитруллин.

3. Под влиянием аргининосукцинатсинтетазы он взаимодействует с аспарагиновой кислотой, образуя аргининоянтарную кислоту.

4. Аргининоянтарная кислота под воздействием аргининосукцинатлиазы расщепляется на аргинин и фумаровую кислоту.

5. Аргинин под влиянием аргиназы расщепляется на орнитин и мочевину, которая удаляется из организма с мочой и потом:

Орнитин вступает в реакцию с новыми порциями карбамоилфосфата, и цикл повторяется.

Часть аммиака в тканях связывается в процессе образования амидов - аспарагина или глутамина , которые транспортируются в печень. В печени они гидролизуются, после чего из аммиака образуется мочевина. Некоторое количество аммиака используется тканями для восстановительного аминирования кетокислот, что приводит к образованию аминокислот.

Кроме того, в тканях почек аммиак участвует в процессе обезвреживания органических и неорганических кислот:

Превращения других продуктов конечного обмена белков . В процессе обмена белков образуются и другие продукты конечного обмена, в частности производные пуриновых и пиримидиновых оснований, газы (выделяются при дефекации), фенолы, индол, скатол, серная кислота и др. Особенно много таких веществ образуется в толстой кишке при гниении белков.

Эти ядовитые соединения нейтрализуются в печени образованием так называемых парных кислот, которые выделяются в составе мочи, частично - пота и кала.

Индол и скатол, образующиеся при гнилостном разложении триптофана, превращаются в индоксил и скатоксил. Они образуют парные соединения с глюкуроновой или серной кислотами.

Превращения продуктов распада хромопротеидов . При расщеплении хромопротеидов образуются глобин и гем. Глобин подвергается обычным превращениям, типичным для протеинов. Гем служит источником образования

пигментов желчи, мочи и кала. Гемоглобин, окисляясь, превращается в вердогемоглобин (холеглобин). Вердогемоглобин теряет белковую часть и атомы железа, что приводит к образованию вещества зеленого цвета - биливердина . Биливердин восстанавливается в пигмент красного цвета - билирубин . Из билирубина образуется мезобилирубин , который после очередного восстановления становится уробилиногеном . Уробилиноген в кишечнике превращается в пигменты кала - стеркобилиноген и стеркобилин , в почках - в пигмент мочи уробилин .

Продукты распада гема используются организмом для различных потребностей. Так, железо депонируется в органах в составе ферритинов. Биливердин и билирубин являются пигментами желчи, остальные вещества - пигментами мочи и кала. Расщепление мио-глобина протекает аналогично.

Регуляция белкового обмена. Особое место в регуляции принадлежит коре больших полушарий головного мозга и подкорковым центрам. В гипоталамусе имеется центр белкового обмена. Регуляция осуществляется рефлекторно, в ответ на раздражения.

Действие гормонов на биосинтез белка осуществляется путем стимуляции образования иРНК. Соматотропин усиливает синтетические процессы белка. Биосинтез белков активируется инсулином, некоторыми

андро- и эстрогенами, тироксином. Глюкокортикоиды коры надпочечников стимулируют расщепление белков и выделение азотистых веществ.

Действие гормонов на обмен белков связано с изменением скорости и направления ферментативных реакций. Биосинтез и, следовательно, активность ферментов, участвующих в обмене белков, зависит от наличия в кормах достаточного количества витаминов. В частности, пиридоксальфосфат является коферментом декарбоксилаз аминокислот, витамин B 2 - составная часть кофермента аминооксидаз, витамин PP-основа дегидразы глутаминовой кислоты, без витамина С не может проходить биосинтез пролина и оксипролина и т. д.

Патология белкового обмена. Обмен белков нарушается при инфекционных, инвазионных и незаразных болезнях. Причиной нарушений белкового обмена бывает неправильно составленный рацион, кормление недоброкачественными кормами, несоблюдение режима кормления и др. Это приводит к снижению уровня продуктивности животных, ухудшению их здоровья, а иногда и к гибели.

Патология белкового обмена проявляется в различных формах.

Белковое голодание . Различают два вида белкового голодания: первичное, когда в кормах нет достаточного количества незаменимых аминокислот, и вторичное, вызванное заболеваниями пищевого канала, печени, поджелудочной железы. У животных замедляется рост, появляется общая слабость, отечность, нарушается костеобразование, наблюдаются потеря аппетита, поносы. Возникает отрицательный азотистый баланс, наступает гипопротеинемия (в крови уменьшается содержание белков на 30-50%).

Нарушение обмена аминокислот . Проявляется в нескольких видах. Так, при некоторых болезнях печени (гепатитах, циррозах, острой желтой дистрофии) в крови и моче резко увеличивается содержание аминокислот - наступает алкаптонурия. В частности, при нарушении обмена тирозина развивается алкаптонурия, сопровождаемая резким потемнением мочи после стояния на воздухе. При цистинозе происходит отложение цистина в печени, почках, селезенке, лимфатических узлах, кишках и

наблюдается избыток цистина в моче (цистинурия). При фенилкетонурии в моче появляется большое количество фенилпировиноградной кислоты. Часто причиной таких нарушений бывают авитаминозы.

Нарушение обмена сложных белков. Чаще всего они проявляются в виде нарушений нуклеинового и порфиринового обменов. В последнем случае нарушается обмен гемоглобина, мио-глобина и других белков. Так, при различных поражениях печени (гепатитах, фасциолезе и др.) возникает гипербилирубинемия - содержание билирубина в крови возрастает до 0,3 - 0,35 г/л. Моча становится темной, в ней появляются большие количества уробилина, возникает уробилинурия. Иногда наблюдается порфирия - увеличение в крови и тканях содержания порфиринов. Это приводит к порфинурии, и моча становится красной.

Контрольные вопросы

1. Что такое белки, каковы их значение, химический состав, физико-химические свойства, структура (первичная, вторичная, третичная, четвертичная)? Их классификация.

2. Дайте характеристику основных групп и подгрупп аминокислот, приведите структурные формулы важнейших из них, проанализируйте их свойства.

3. Что такое баланс азота, белковый минимум, полноценные и неполноценные белки, заменимые, условно заменимые и незаменимые аминокислоты? Напишите формулы незаменимых аминокислот.

4. Проанализируйте основные этапы обмена белков в организме различных видов сельскохозяйственных животных - переваривание, всасывание, промежуточный (биосинтез и распад) и конечный обмены.

5. Как регулируется белковый обмен в организме животных и чем проявляется патология обмена белков?