МОДУЛЬ 3

Тема 12. БІЛКОВИЙ ОБМІН

План

1.Перетравлювання білкових речовин у шлунково- кишковому тракті.

2. Катаболізм білкових речовин в організмі. Хімізм перетворень амінокислот.

3.Детоксикація аміаку в організмі людини.

4. Синтез білків.

Література: [1,2,3,4, 6, 8].

Нові поняття, терміни: перетравлювання білків, гідроліз, пепсин, трипсин, ентерокіназа, карбоксипептидази, амінопептидази, хімозин, хімотрипсин, трансляція, дезамінування, декарбоксилювання, переамінування, азотний баланс, ген, триплети, кодон, антикодон, цистрон, комплементарність, рекогніція, ініціація, елонгація, термінація, процесінг, інтрон, білкова недостатність.

1. ПЕРЕТВОРЕННЯ БІЛКОВИХ РЕЧОВИН У ШЛУНКОВО-КИШКОВОМУ ТРАКТІ

Основним шляхом перетворення білків їжі є їх гідроліз (перетравлювання) до амінокислот.

В організмі постійно відбувається катаболізм і анаболізм білків.

Засвоєння білків залежить від кулінарної обробки, активності протеолітичних ферментів, амінокислотного складу білків.

Біологічно повноцінними є білки раціону, із 100 г яких може бути синтезовано 100 г білків організму.

Закон мінімуму Лібіха: якщо співвідношення незамінних амінокислот у складі білків відрізняється від оптимального на 20 %, то всі інші амінокислоти будуть також використовуватися на 20 % менше.

Загальна схема перетворення білків і амінокислот у тваринному організмі.

! Динаміку балансом азоту обміну білків в організмі характеризують балансом азоту

► Продукти гідролізу білка - амінокислоти всмоктуються в кінцевій частині дванадцятипалої і на початку тонкої клубової

кишок і попадають у кров, а звідти — до клітин різних органів і, насамперед, до печінки.

!! Амінокислоти, які не всмокталися в тонкій кишці, а потрапляють у товсту кишку, піддаються різним перетворенням під дією ферментів мікроорганізмів. Цей процес дістав назву гниття білків. При цьому найбільш поширене декарбоксилювання та деякі інші види перетворень, які призводять до утворення з амінокислот токсичних речовин: амінів, індолу, скатолу, фенолу, крезолу.

Токсичні продукти розкладу білків із товстої кишки частково всмоктуються у кров, попадають у печінку, де знешкоджуються.

2. КАТАБОЛІЗМ БІЛКОВИХ РЕЧОВИН В ОРГАНІЗМІ. ХІМІЗМ ПЕРЕТВОРЕНЬ

Амінокислоти до клітин надходять двома основними шляхами:

після перетравлювання

за рахунок реакцій переамінування з метаболітів вуглеводного та ліпідного обмінів

► Метаболічні перетворення амінокислот у клітинах організму відбуваються переважно як синтез білків і пептидів з

амінокислот. Крім того, ряд амінокислот є попередниками утворення сполук непептидної природи (пуринових і

піримідинових основ, біогенних амінів, нікотинової кислоти, порфіринів, в тому числі гема, тощо). Основним органом

метаболізму амінокислот є печінка.

Основні напрямки катаболізму вільних амінокислот реакції дезамінування

реакції декарбоксилювання

перетворення амінокислот за радикалом

Дезамінування амінокислот в живих організмах

► окиснювальне (утворюється кетокислота)

Є основним в організмі вищих тварин. Субстратом є глютамінова кислота:

► відновне - шляхом редукції під дією дегідрогеназ (утворюється насичена жирна кислота)

► гідролітичне - під дією відновних гідролаз (утворюється гідроксикислота)

►• внутрішньо-молекулярне - під дією відповідних ліаз (утворюється ненасичена кислота)

Дезамінування за 2 - 4 типами більш властиве грибам та рослинам

Біологічне окиснення амінокислот в організмі людини відбувається двома шляхами:

► пряме дезамінування (за хімізмом першої реакції)

► непряме, яке ще має назви трансдезамінування або переамінування (аміногрупа переноситься на кетокислоти)

Процес переамінування принципово ділиться на 2 етапи:

1) перенесення аміногруп з вільних амінокислот на кетокислоти, які є ключовими метаболітами (акцептори аміногруп - піруват, оксалоацетат, α-кетоглутарат). Реакції каталізуються відповідними - амінотрансферазами, кофакторами яких є похідна вітаміну В₆ - піридоксальфосфат.

Мета першого етапу переамінування - зібрати аміногрупи вільних амінокислот, що підлягають біологічному окисненню, у амінокислоти одного типу (глутамінову кислоту).

2) процес окиснення лутамінової кислоти, який відбувається у мітохондріях під дією глутаматдегідрогенази.

Хімізм перетворення амінокислот за участю відповідних карбоксилаз

Декарбоксилювання

► Продуктами обміну амінокислот є карбонові кислоти, гідроксикислоти, кетокислоти, частина яких використовується під час синтезу нових речовин, а інша частина піддається р-окисненню, стисненню в трикарбоновому циклі Кребса до кінцевих продуктів - Н₂О і СО2.

Аміни, що утворюються під час декарбоксилювання, мають високу біологічну активність, тому їх називають також біогенними амінами.

► Тканинними гормонами або нейрогормонами є серотонін, гістамін. Серотонін регулює функції нервової, серцево-судинної та м'язової систем, тиск крові. Бере участь у регуляції роботи органів дихання, травного каналу. Гістамін викликає секрецію соляної кислоти в шлунку, виявляє специфічну дію на нервові закінчення судин, зумовлюючи їх розширення і зниження тиску крові.

► γ-аміномасляна кислота відіграє важливу роль у функціональній діяльності центральної нервової системи.

3. МЕТОДИ ЗНЕШКОДЖЕННЯ АМІАКУ В ОРГАНІЗМІ людини

► Аміак, який утворюється як кінцевий продукт розщеплення амінокислот, є токсичною речовиною (шкідливо впливає на центральну нервову систему, порушує процеси тканинного дихання. Тому аміак миттєво нейтралізується з утворенням нетоксичних для організму сполук.

Одним із важливих методів знешкодження аміаку є взаємодія його з аспарагіновою і глутаміновою кислотами:

Схема перетворення аміаку

► синтез глутаміну та аспарагіну

► синтез амінокислот

► синтез сечовини (є основним шляхом для людини)

► синтез креатину

► утворення амонійних солей

► При взаємодії аспарагінової та глутамінової кислот з аміаком утворюються відповідні аміди. Обидві реакції відбуваються за участю енергії АТФ. Аспарагінова і глутамінова кислоти у клітинах зв'язують аміак.

Аміак у складі аспарагіну і глутаміну надходить у печінку, де з нього синтезується сечовина, яка є кінцевим продуктом азотистого обміну уреотелічних тварин (більшості хребетних).

!! Синтез сечовини - ферментативний процес, який здійснюється із затратою енергії АТФ.

Орнітиновий цикл - синтез сечовини

Орнітин знову може вступати в реакцію з карбамоїлфосфатом. Цикл повторюється. Більшість ферментів орнітинового циклу знаходяться в мітохондріях клітин печінки. Сечовина виділяється з клітин печінки в кров, переноситься в нирки і виділяється з організму з сечею.

4. СИНТЕЗ БІЛКІВ

Біосинтез білка - це багатоступеневий ферментативний процес в органелах живих клітин - рибосомах, локалізованих у цитоплазмі, який забезпечує постійне оновлення білків тканин та органів

► Всі білки організму людини малого та середнього віку оновлюються за 135 - 150 днів.

► Протягом 1 секунди в організмі синтезується 3 млн. еритроцитів, а в кожному з них міститься біля 300 молекул

гемоглобіну.

► Синтез молекули білка у живій клітині завершується протягом 2-3 секунд.

Синтез білка відбувається за матричним принципом. Матрицею, що несе інформацію про первинну структуру білка, є іРНК, яка утворюється при транскрипції - переписування послідовності чергування триплетів певних ділянок ДНК -цистронів або структурних генів. Ген складається з тринуклеотидів або триплетів, які називаються колонами. Відповідно до кодонів молекули ДНК формуються кодони іРНК за правилом комплементарності (відповідності). Інформація з іРНК реалізується при трансляції на рибосомному апараті клітин (полісомах), де послідовність триплетів іРНК перетворюється у послідовність амінокислотних залишків синтезованих молекул білка.

Генетична інформація передається за формулою:

Важливі етапи біосинтезу

рекогніція

трансляція: ініціація

елонгація

термінація

► Рекогніція - процес сполучання амінокислот з відповідними тРНК (відбувається активування амінокислот та перенесення їх як аміноацил-тРНК з цитоплазми до місця синтезу білка -рибосом:

Фермент + АТФ > Фермент - АМФ ~ ФФ;

Фермент - АМФ ~ ФФ + Амінокислота > Фермент - АМФ ~ Амінокислота + ФФ;

Фермент - АМФ ~ Амінокислота + тРНК > Аміноацил ~ тРНК + АМФ + Фермент

Трансляція - це синтез білка в рибосомному комплексі клітини.

► Ініціація трансляції - процес утворення функціонально активної рибосоми (ініціюючого комплексу).

Функціонально-активна 70 S-рибосома

Функціонально активна рибосома містить 50S + 30S субодиниці, іРНК + тРНК, в якій кодон ІРНК зв'язаний водневими зв'язками з тРНК.

► Елонгація трансляції (подовження нарощування пептидного ланцюга) забезпечується факторами елонгації та відповідними аміноацил-тРНК, комплементарними кодону іРНК, який знаходиться в рибосомі. Ці фактори разом з аміноацил-тРНК доставляються в А-ділянку рибосоми, де утворюються водневі зв'язки між кодоном іРНК та антикодоном аміноацил-тРНК. Далі відбувається транслокація комплексу у Р-ділянку рибосоми. Амінокислоти залишаються, вільна тРНК видаляється з рибосомами; іРНК пересувається в рибосомі на один кодон, який поступає у звільнену А-ділянку і процес повторюється знову.

► Термінація трансляції (закінчення синтезу поліпептидного ланцюга) відбувається при потраплянні в А-ділянку рибосоми кодону, який не кодує жодної амінокислоти (термінуючий). При цьому складноефірний зв'язок між С-кінцевою амінокислотою та її тРНК розривається і поліпептидами ланцюг білка виходить з рибосоми.

Регуляція синтезу білків відбувається залежно від потреб організму на рівні транскрипції; процесінгу ІРНК, трансляції та постгрансляційної модифікації білків.

Процесінг - посттранскрипційна модифікація високомолекулярних попередників цитоплазматичних РНК. При цьому видаляються некодуючі ділянки ДНК-інтрони.

► В живій клітині рибосоми утворюють рибосомальні комплекси, нагадуючи намисто, нанизане на ІРНК. ІРНК, яка програмує гемоглобін, розміщує на своїй молекулі до 5 рибосом.

Види небезпеки при нестачі або надлишку білків

Спеціалістами ВООЗ відмічається, що білкова недостатність виникає при вживанні людським організмом білка у кількості нижче рекомендованої мінімальної потреби (35 — 40 г/добу).

Тема 13. ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК ОБМІННИХ ПРОЦЕСІВ

Нові поняття, терміни: ключові метаболіти

1. ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК ОСНОВНИХ ВИДІВ ОБМІНУ РЕЧОВИН

Сукупність метаболічних реакцій, які становлять гармонійний баланс нормально функціонуючого організму, обумовлена одночасним і узгодженим перетворенням, розщепленням і синтезом у клітинах організму жирів, білків і вуглеводів.

Схема загальних шляхів катаболізму біомолекуп основних речовин

Сполучною ланкою між обміном білків, вуглеводів і ліпідів є цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса).

Схема взаємозв'язку між обміном вуглеводів і білків

Білки

Амінокислоти

ПВК (піровиноградна кислота)

Ацетил-КоА

Вуглеводи

Схеми взаємозв'язку між обміном білків і ліпідів

Білки

Амінокислоти (аланін)

ПВК (піровиноградна кислота)

Диоксиацетонфосфат

Гліцерин

ПВК (піровиноградна кислота)

Ацетил КоА

Жирні кислоти

2. КЛЮЧОВІ МЕТАБОЛІТИ - ЛАНКИ ПЕРЕХОДУ ВУГЛЕВОДНОГО, БІЛКОВОГО ТА ЛІПІДНОГО ОБМІНІВ

► Взаємозв'язок між процесами обміну основних харчових речовин - вуглеводів, ліпідів, білків - здійснюється через ключові метаболіти.

Ключові метаболіти - це проміжні продукти метаболізму живих організмів, які є мономерами асиміляції і дисиміляції біомолекул.

До ключових метаболітів відносяться: ПВК, ацетил-КоА, α-кетоглутарат.

Основними метаболітами, через які також здійснюються перехід обмінів білків, вуглеводів і ліпідів, є також фосфодиоксиацетон, фосфогліцеринова кислота, а також метаболіти циклу Кребса - фумарат, сукцинат (янтарна, бурштинова кислота), малат (яблучна кислота).

Основним містком перетину метаболічних шляхів є ацетил-КоА.

Взаємозамінність основних класів органічних сполук обмежена (8 незамінними амінокислотами, ненасиченими жирними кислотами, жиророзчинними вітамінами тощо.)

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ