Тема 9. Обмен белков. Особенности обмена белков и других азотсодержащих соединений (2 часа)

Цели:

1. ознакомление с особенностями обменабелков и других азотсодержащих соединений и биологическими свойствами продуктов азотистого обмена

2. готовностью использовать основные методы защиты от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК-11) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения);

3. способностью использовать возможности образовательной среды для формирования универсальных видов учебной деятельности и обеспечения качества учебно-воспитательного процесса (ПК-5) профиль подготовки: Физическая культура. Безопасность жизнедеятельности (очная и заочная форма обучения).

Содержание: Ферментативный гидролиз белков в желудочно-кишечном тракте. Характеристика основных протеолитических ферментов. Проферменты протеиназ и механизмы их активации; субстратная специфичность протеиназ; экзо- и эндопептидазы. Аминокислоты – конечные продукты переваривания белков, механизм их транспорта через мембраны. Фонд свободных аминокислот, источники его образования и использования в клетках. Гниение белка в кишечнике, продукты гниения и их токсичность. Обезвреживание в печени продуктов гниения аминокислот, поступающих из кишечника. Роль тканевых протеиназ в обмене белков и аминокислот. Катаболизм аминокислот. Общие пути катаболизма аминокислот (по a-амино- и a-карбоксильной группам), специфические превращения по радикалу.

Дезаминирование аминокислот. Типы дезаминирования. Окислительное дезаминирование, его роль, оксидазы L- и D-аминокислот, глутаматдегидрогеназа. Трансаминирование: аминотрансфераза, роль пиридоксальфосфата (метаболически активная форма витамина В₆). Химизм реакций и биологическая роль трансаминирования. Непрямое дезаминирование аминокислот. Коллекторная функция глутамата в метаболическом потоке азота аминокислот; глутамат – главный переносчик аминогрупп. Токсичность аммиака. Основные пути нейтрализации аммиака: восстановительное аминирование a-кетоглутарата, синтез глутамина и аспарагина, образование мочевины. Биосинтез мочевины как основной путь нейтрализации аммиака, его химизм и регуляция. Глутамин как донор аминогруппы при синтезе ряда соединений.

Декарбоксилирование аминокислот. Образование биогенных аминов (гистамин, катехоламины, таурин, серотонин, ГАМК). Роль биогенных аминов в организме. Трансметилирование. Метионин и S-аденозилметионин. Синтез креатина, адреналина, фосфатидилхолинов, метилирование ДНК, представление о метилировании ксенобиотиков. Тетрагидрофолиевая кислота, синтез и использование одноуглеродных групп. Обмен фенилаланина и тирозина.

При освоении темы необходимо:

ответить на контрольные вопросы: см. Фонд оценочных средств. Обратить внимание на нормирование белковой составляющей рациона. Процессы утилизации продуктов обмена аминокислот и белка.

Переваривание белков начинается в желудке под влиянием желудочного сока. Желудочный сок, выделяемый железами слизистой оболочки стенок желудка, содержит до 99% воды, свободную соляную кислоту и протеолитический фермент — пепсин. Пепсин действует преимущественно на внутренние пептидные связи, до­вольно далеко расположенные от концов полипептидной цепи.

Роль соляной кислоты сводится не только к активизации фермента; она также способствует набуханию белков, увеличивает их объем, что создает благоприятные условия для действия фермента.

В результате гидролиза белков пепсином происходит частич­ный распад их с образованием альбумоз и пептонов. Это сложная смесь полипептидов, которые отличаются друг от друга поведением в некоторых растворителях. Альбумозы — сложные полипептиды — растворяются в воде и высаливаются из раствора сульфатом аммонием. Пептоны— менее сложные по­липептиды— не осаждаются сульфатом аммония; они осаждаются только с помощью фосфорно-вольфрамовой кислоты. Интенсивность и глубина гидролиза различных белков зависят от физико-химического состава подвергаемых перевариванию белков и под действием пепсина сильно меняются. В желудке легко рас­щепляются белки мышц — миозин и актин; значительно медлен­нее — коллаген и эластин; почти совсем не гидролизуются протамины и кератины. В желудке подвергается превращениям белок молока казеиноген, который после воздействия пепсина превра­щается в казеин с последующим гидролитическим расщеплением до полипептидов.

Смесь альбумоз и пептонов попадает из желудка в кишечник, где вновь подвергается воздействию протеолитических ферментов— трипсина, химотрипсина и пептидаз. В под­желудочном соке протеолитические ферменты содержатся в виде проферментов трипсиногена и химотрипсиногена. Под влиянием фермента энтеропептидазы, открытого Н. П. Шеповальниковым в лаборатории И. П. Павлова, от трипсиногена отщепляется пептид, состоящий из шести аминокислот, и профермент превращается в активный фермент трипсин.

Химизм превращения трипсиногена в трипсин во многом сходен с описанным превращением пепсиногена в пепсин.

Химотрипсиноген переходит в активную форму — химотрипсин — под действием трипсина. Оптимум действия протеолитиче­ских ферментов поджелудочного сока лежит в слабощелочной среде с рН = 7,8.

Трипсин гидролизует не только сложные полипептиды, но и белки, по различным причинам не подвергшиеся гидролизу в же­лудке. В результате действия трипсина образуются небольшие полипептиды и даже свободные аминокислоты. Химотрипсин гидролизует такие пептидные связи в пептонах и альбумозах, на которые трипсин не действует, и также приводит к накоплению низкомолекулярных полипептидов и некоторого количества свободных аминокислот.

Образование и выделение протеолитических ферментов (пепсина, трипсина, химотрипсина) в виде неактивных проферментов имеют глубокое биологическое значение, так как они предохраняют от разрушений органы, в которых выделяются, и различные ферменты.

РАСЩЕПЛЕНИЕ И СИНТЕЗ ТКАНЕВЫХ БЕЛКОВ В ОРГАНИЗМЕ

Еще в начале нашего столетия Е. Сальковским было показано, что изолированные из организма кусочки тканей и орга­нов в стерильных условиях (т. е. в отсутствии микроорганизмов) самоперевариваются. Это происходит потому, что в тканях существует система протеолитических ферментов, подвергающая тканевые белки гидролизу до низкомолекулярных полипептидов и аминокислот. Эта система, состоящая из нескольких ферментов, по своему действию сходных с пепсином, трипсином и пептидаза-ми, получила название к а теп си нов, а весь процесс самопереваривания и растворения тканей — автолиза. Катепсины обыч­но действуют в слабокислой среде (рН = 4—5). Их активность тонко регулируется изменениями обмена веществ в клетке, сопровождающимися накоплением и устранением органических кислот, которые вызывают местные изменения рН среды. Катепсины не только расщепляют белки, но также могут участвовать в их син­тезе. Впервые это было показано в работах А. Я. Данилевского, который получил белковоподобные вещества — пластеины, синте­зировавшиеся под влиянием катепсинов. Пластеины представляют собой вещества, близкие к белкам, но отличаются от них своими физико-химическими свойствами.

Однако истинный механизм биосинтеза белка в тканях орга­низма совершенно иной. Синтез белка в клетке является результатом ряда сложных биохимических реакций. Исключительно важную роль в этом процессе играют нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК. Многие аминокислоты, кроме участия в процессах биосинтеза белков, подвергаются различным превращениям в многочисленных реакциях обмена веществ. Некоторые аминокислоты в ходе ферментативных реакций преобразуются в вещества, обладающие физиологической активностью. Так, например, тирозин в надпочечниках может превращаться в гормон, в щитовидной железе — в гормон тироксин. Триптофан способен образовывать серотонин — вещество, влияющее на регулирование ряда функций центральной нерв­ной системы.

ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ

Дезаминирование аминокислот. В животном организме ами­нокислоты могут подвергаться дезаминированию, т. е. терять свою аминогруппу. Эта реакция протекает при участии ферментов дегидрогеназ или оксидаз аминокислот. Сначала происходит отнятие двух атомов водорода (одного — от аминогруппы, другого — от связанного с ней углеродного атома) с образованием иминокислоты. Последняя легко присоединяет воду и распадается на аммиак и α-кетокислоту:

Особенно активна в тканях дегидрогеназа глютаминовой кислоты, дезаминирующая ее в α-кетоглютаровую кислоту. Дру­гие аминокислоты дезаминируются несколько медленнее.

Кроме описанного окислительного дезаминирования, существуют и другие виды его: восстановительное — с образованием NH₃ и насыщенной жирной кислоты; гидролитическое — с образованием NH₃ и а-оксикетокислоты; внутримолекулярное — с образованием NH₃ и ненасыщенной жирной кислоты. Однако эти виды дезаминирования имеют в организме меньшее значение, чем окислительное.

Не содержащие азота продукты дезаминирования аминокислот учавствуют далее в процессах обмена веществ наряду с ана­логичными веществами, образующимися из углеводов и жиров. Например, α-кетоглютаровая кислота, образующаяся при дезаминировании глютаминовой кислоты, и пировиноградная кислота, образующаяся из аланина, могут окисляться в цикле трикарбоновых кислот.

Наряду с этим α-кетокислоты могут подвергаться и восстано­вительному аминированию, т. е. снова превращаться в аминокислоты.

Восстановительное аминирование. В животных тканях наблюдается процесс ресинтеза аминокислот из продуктов их дезаминирования — α-кетокислот и аммиака. Так, из α-кетоглютаровой кислоты и аммиака образуется глютаминовая кислота. По-видимому, ресинтез аминокислот из аммиака и α -кетокислот происходит в две фазы. Вначале к кетокислоте присоединяется аммиак и отнимается вода с образованием иминокислоты иминокислота восстанавливается в аминокислоту. Переаминирование аминокислот. Существенную роль в обра­зовании и распаде аминокислот играют реакции переаминирова-ния, которые открыты в 1937 г. советскими биохимиками А. Е. Баунштейном и М. Г. Крицман. При реакциях переаминирования происходит перенос аминогрупп между аминокислотами и кетокислотами, без промежуточного образования аммиака:

В большинстве случаев необходимо, чтобы один из участни­ков этой реакции — α-аминокислота или α-кетокислота — был представлен дикарбоновой кислотой. В настоящее время изучено до 60 реакций переаминирования аминокислот. Они катализируются ферментами — аминотрансферазами.

Кофермент аминотрансфераз — фосфопиридоксаль — служит промежуточным переносчиком аминогрупп от аминокис­лоты на кетогруппу. Фосфопиридоксаль взаимодействует с аминокислотой с образованием продукта конденсации. Последний подвергается таутомерному превращению, в результате которого перемещаются двойная связь между атомом азота и углерода и соответственно атом водорода и, наконец, происходит распад промежуточного соединения с образованием кетокислоты и фосфопиридоксамин а:

Фосфопиридоксамин передает аминогруппу кетокислоте. В результате образуется новая аминокислота, а фосфопиридоксамин превращается в фосфопиридоксаль, который теперь снова может вступать в реакцию переаминирования между новой парой молекул:

Биологическое значение реакций переаминирования заключается в том, что им принадлежит решающая роль в азотистом обмене организма. Именно через реакции переаминирования с участием кето- и аминодикарбоновых кислот, а не через реакции прямого дезаминирования осуществляется диссимиляция почти всех природных аминокислот в организме.

Декарбоксилирование аминокислот. Процесс декарбоксилирования аминокислот, при котором аминокислота теряет карбоксильную группу и превращается в соответствующий амин, характерен для многих аминокислот. В результате образуются протеиногенные амины.

Декарбоксилирование аминокислот осуществляется с помощью ферментов декарбоксилаз, коферментом которых также является фосфопиридоксаль. В животном организме в результате процесса декарбоксилирования некоторых аминокислот образуется ряд биологически активных веществ. Например, из глютаминовой кислоты — γ аминомасляная кислота, играющая важную роль в процессах торможения в центральной нервной системе.

Альдегиды окисляются в соответствующие жирные кислоты, которые подвергаются окислению до воды и углекислого газа через цикл трикарбоновых кислот.

УСТРАНЕНИЕ АММИАКА И СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ

Аммиак образуется при окислительном дезаминировании, в процессе гидролитического дезаминирования адениловой кислоты, а также из некоторых других азотсодержащих веществ. Об­разование аммиака усиливается при мышечной деятельности, возбуждении центральной нервной системы и других проявлениях функциональной активности организма. Как показали исследования Д. Л. Фердмана, сильное токсическое вещество устраняется за счет синтеза амида глютаминовой кислоты (глютамина) и путем связывания аммиака карбоксильными группами белков тканей. Основной транспортной формой аммиака в организме служит глютамин крови, доставляемый ею в почки или печень. В этих органах аммиак либо удаляется из организма с мочой в виде аммонийных солей, либо участвует в синтезе конечного продукта азотистого обмена — мочевины.

Образование мочевины происходит в печени в результате цепи последовательных реакций, открытых Г. А. Кребсом. Вначале из аммиака, углекислоты и АТФ в присутствии активатора N-ацетилглютаминовой кислоты образуется карбамилфосфат.

Цитруллин вступает в реакцию с аспарагиновой кис­лотой и АТФ. При этом образуется аргининоянтарная кислота.

Аргининоянтарная кислота подвергается ферментативному расщеплению на аргинин и фумаровую кислоту.

Мочевина выводится через почки с мочой, а орнитин вновь вступает в реакцию с карбамилфосфатом, как катализатор процесса образования мочевины. Поэтому весь цикл образования мочевины называют орнитиновым циклом. Он представлен на следующей схеме:

ОБМЕН ПРОТЕИДОВ

Обмен сложных белков отличается от обмена простых бел­ков превращениями, связанными с простетической группой.

Обмен нуклеопротеидов. Нуклеопротеиды пищи под влиянием кислой реакции желудочного сока и ферментов, расщепляющих белки (пепсина и трипсина), распадаются в желудочно-кишечном тракте на белок и нуклеиновую кислоту. В дальнейшем белок подвергается обычным превращениям.

Нуклеиновая кислота под влиянием ферментов полинуклеотидаз, содержащихся в соке поджелудочной железы (рибонуклеазы или дезоксирибонуклеазы, в зависимости от нуклеиновой кислоты — РНК или ДНК), деполимеризуется затем распадается на мононуклеотиды. Мононуклеотиды под действием ферментов фосфатаз кишечника распадаются на фосфорную кислоту и нуклеозид. Мононуклеотиды и нуклеозиды всасываются в кровь и могут участвовать в построении нуклеиновых кислот в тканях. Введение нуклеотидов с пищей необязательно, так как они могут синтезироваться из низкомолекулярных со­единений, возникающих в реакциях обмена веществ.

Синтез РНК начинается с образования рибозо-5-фосфата из глюкозо-6-фосфата путем реакции окисления и декарбоксилирования. На основе молекулы рибозо-5-фосфата синтезируется пуриновое основание, которое возникает в ре­зультате последовательных реакций при участии глютамина, глютаминовой или аспарагиновой кислоты, глицина, угольного ангидрида, активированного АТФ, и муравьиной кислоты. Образовавшаяся инозиновая кислота может получить амино­группу от глютамина и превратиться в тканях в адениловую и гуаниловую кислоты. Пиримидиновое кольцо синтезируется путем конден­сации аспарагиновой кислоты с карбанилфофатом, при этом образуется сначала карбамиласпарагиновая, а затем оротовая кислота — предшественник всех пиримидиновых оснований.

Оротовая кислота конденсируется с фосфорибозой и после декарбоксилирования превращается в уридиловую кислоту. Уридиловая кислота при получении аминогруппы от аспара­гиновой кислоты превращается вцитидиловую кислоту. Биосинтез РНК был осуществлен С. Очоа из мононуклеотидди-фосфатов при помощи фермента-полинуклеотидфосфорилазы.

Для синтеза ДНК исходным веществом служит дезокси-рибозо-5-фосфат. Дезоксирибоза может образоваться из 3-фосфоглицеринового альдегида и уксусного альдегида. После фосфорилирования она превращается в дезоксирибозо-5-фосфат.

Синтез пуриновых нуклеотидов при синтезе ДНК идет так же, как при синтезе РНК. Сходны и первые стадии синтеза пиримидиновых оснований до образования оротовои кислоты. Оротовая кислота с дезоксирибозо-5-фосфатом дает промежуточное соединение уридиндезоксирибозил-5-фосфат, из которого образуется цитозиновое производное, а при участии фолиевой кислоты — тимидоновое.

Наряду с синтезом в различных тканях организма происхо­дит распад нуклеиновых кислот. Под влиянием рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы тканей нуклеиновые кис­лоты диполимеризуются до мононуклеотидов. При участии фер­ментов нуклеотидаз мононуклеотиды расщепляются на фосфорную кислоту и нуклеозиды. Последние подвергаются ферментативному распаду до азотистого основания и углевода. В жи­вотных тканях азотистые основания дезаминируются под влиянием дезаминаз, причем дезаминирование может происходить на стадии нуклеотида, нуклеозида или свободного основания. При дезаминировании аденина образуется гипоксантин; при отщеплении аминогруппы от гуанина — ксантин:

Гипоксантин окисляется в ксантин, последний с помощью фермента ксантиноксидазы окисляется до мочевой кислоты:

Мочевая кислота у человека является конечным про­дуктом пуринового обмена. Из организма она в виде мочекислых солей выводится через почки с мочой.

Обмен хромопротеидов. Из всех хромопротеидов наиболее важным является содержащийся в эритроцитах гемоглобин крови. По современным представлениям, средняя продолжительность жизни эритроцитов колеблется от 90 до 110 дней, и, следовательно, все количество эритроцитов и гемоглобина обновляется за 3—4 месяца. Эритроциты разрушаются в клетках ретикулоэндотелиальной системы (костный мозг, селезенка, печень). Гемоглобин расщепляется на белок — глобин — и простетическую группу — гем. Гем в дальнейшем теряет атом железа и превращается в желчные пигменты — биливердин и билирубин.

Процессы образования билирубина сосредоточены в селезен­ке и печени. Из печени билирубин поступает вместе с желчью в желчный пузырь, а оттуда — в кишечник. Из кишечника часть его снова всасывается в кровь и поступает в печень, а часть под влиянием микроорганизмов восстанавливается в темноокрашенные пигменты — стеркобилиноген и стеркобилин. Последний выводится из организма с калом. Некоторое количе­ство стеркобилина после всасывания в кровь выделяется с мочой в виде пигментов мочи — уробилиногена и уробилина.

Одновременно с распадом гемоглобина в организме непре­рывно происходит синтез этого хромопротеида. Основные его компоненты синтезируются в кроветворных органах. В биосин­тезе гема принимают участие уксусная и янтарная кислоты, ами­нокислота глицин и содержащий железо резервный протеид ферритин.

ПРЕВРАЩЕНИЕ НЕПЕРЕВАРЕННЫХ БЕЛКОВ

Часть аминокислот не успевает всосаться в кровь и вместе с некоторым количеством белков подвергается воздействию микрофлоры кишечника. Под влиянием различных гнилостных микро­организмов в нижних отделах кишечника происходят процессы декарбоксилирования, дезаминирования и окисления различных аминокислот. Эти процессы приводят к возникновению в ряде случаев ядовитых веществ (аминов, фенолов, индола, скатола и др.).

Протеиногенные амины либо выводятся почками, либо уст­раняются связыванием аминогруппы путем ацетилирования, ко­торое снимает их физиологическую активность, либо, наконец, подвергаются распаду путем дезаминирования. Дезаминирова-ние диаминов катализируется оксидазой диаминов с отщеплени­ем от них одной аминогруппы и образованием моноамина:

Из аминокислот, содержащих серу (цистеина, цистина, ме-тионина), под действием гнилостных микробов образуются сильно пахнущий метил-меркаптан, сероводород, метан, метиламин, которые выводятся из организма с мочой или с кишечными газами. Ряд циклических аминокислот (триптофан, тирозин) в результате действия микробов теряет боковые цепи и превращается в ядовитые вещества: индол, скатол, крезол, фенол.

Все ядовитые вещества после всасывания в кровь через воротную вену попадают в печень, которая служит защитным барьером и предохраняет организм от поступления в него этих ве­ществ. Обезвреживание происходит благодаря эстерификации веществ, обладающих ядовитым действием, с глюкуроновой или серной кислотой с образованием «парных кис­лот».