Переваривание и всасывание белков в желудочно-kишечном тракте

Особая роль белков в питании

В отличие от углеводов и жиров, белки являются незаменимым компонентом пищи. Пищевые белки - это главный источник азота для организма.

Впервые М.Рубнер определил, что 75% азота в организме находится в составе белков, и составил азотистый баланс (определил, сколько азота человек теряет за сутки и сколько азота прибавляется).

У взрослого здорового человека наблюдается азотистое равновесие - «нулевой азотистый баланс»(суточное количество выведенного из организма азота соответствует количеству усвоенного).

Положительный азотистый баланс (суточное количество выведенного из организма азота меньше, чем количество усвоенного). Наблюдается только в растущем организме или при восстановлении белковых структур (например, в периоде выздоровления при тяжелых заболеваниях или при наращивании мышечной массы).

Отрицательный азотистый баланс (суточное количество выведенного из организма азота выше, чем количество усвоенного). Наблюдается при белковой недостаточности в организме. Причины: недостаточное количество белков в пище; заболевания, сопровождающиеся повышенным разрушением белков.

Отсутствие в пищевых белках незаменимых аминокислот (даже одной) нарушает синтез белков, поскольку в состав практически всех белков входит полный набор аминокислот.Полноценность белкового питаниязависит от аминокислотного состава белков и определяется наличием незаменимых аминокислот. Суточная потребность в каждой незаменимой аминокислоте - 1-1.5 гр., а всего организму необходимо 6-9 граммов незаменимых аминокислот в сутки.

ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ БЕЛКОВ В ЖЕЛУДОЧНО-KИШЕЧНОМ ТРАКТЕ

Каждые сутки в организм человека всасывается примерно 100 граммов аминокислот, которые поступают в кровь. Еще 400 граммов аминокислот поступает ежесуточно в кровь в результате распада собственных белков тела. Все эти 500 г аминокислот представляют собой метаболический пул аминокислот.

Припереваривании происходит гидролиз пищевых белков до свободных аминокислот. Процесс переваривания начинаетсяв желудке и продолжается в тонкойкишке под действием протеолитических ферментов, которые называются протеиназами или пептидазами. Существует много разных протеиназ. Они имеются не только в желудочно-кишечном тракте, но и в клетках.

Пути использования аминокислот изображены на рис. 1

Рисунок 1

Ферменты, участвующие в переваривании белков, обладают относительной субстратной специфичностью, которая обусловлена тем, что пептидазы быстрее гидролизуют пептидные связи между определенными аминокислотами, что позволяет за более короткое время расщепить белковую молекулу.

В зависимости от места расположения в пептиде гидролизуемой связи всепептидазы делятся на:эндопептидазы, которые действуют на пептидные связи, удаленные от концов пептидной цепи (пепсин, трипсин, химотрипсин, эластаза); экзопептидазы, которые действуют на пептидные связи, образованные N- и С-концевыми аминокислотами (аминопептидаза, карбоксипептидазы А и В).

Желудочные и панкреатические пептидазы вырабатываются в неактивной форме (проферменты), секретируются к месту действия, где активируются путем частичного протеолиза (отщепление пептида различной длины с N-конца молекулы про­фермента).

Место синтеза проферментов (слизистая оболочка желудка, поджелудочная железа) иместо их активации (полость желудка, тонкой кишки)про­странственно разделены. Такоймеханизм образова­ния активных ферментов необходим для защиты сек­реторных клеток желудка и поджелудочной железы от самопереваривания.

Пепсин

Это фермент желудочного сока. Синтезируется в клетках слизистой оболочки желудка в форме неактивного предшественника - пепсиногена. Превращение неактивного пепсиногена в активный пепсин происходит в полости желудка. При активации отщепляется пептид, закрывающий активный центр фермента. Активация пепсина происходит под действием двух факторов: а) соляной кислоты (HCl); б) уже образовавшегося активного пепсина - это называется аутокатализом.

Пепсин является карбоксильной протеиназой и катализирует гидролиз связей, образованных аминокислотами фенилаланином или тирозином, а также связь Лей-Глу. pH-оптимум пепсина равен 1.0-2.0 рН, что соответствует рН желудочного сока.

Реннин

В желудочном соке грудных детей переваривание белков осуществляет фермент РЕННИН, который расщепляет белок молока казеин. Реннин похож по строению на пепсин, но его рН-оптимум соответствует рН среды желудка грудного ребенка (рН=4.5). Реннин отличается от пепсина также механизмом и специфичностью действия.

Химотрипсин.

Синтезируется в поджелудочной железе в форме неактивного предшественника - химотрипсиногена. Активируется химотрипсин активным трипсином и путем аутокатализа. Разрушает связи, образованные карбоксильной группой тирозина, фенилаланина или триптофана, либо крупными гидрофобными радикалами лейцина, изолейцина и валина.

Трипсин

Синтезируется в поджелудочной железе в форме неактивного предшественника - трипсиногена. Активируется в полости кишечника ферментом энтеропептидазой при участии ионов кальция, а также способен к аутокатализу. Гидролизует связи, образованные аргинином и лизином.

Эластаза.

Синтезируется в поджелудочной железе в виде неактивного предшественника - проэластазы. Активируется в полости кишечника трипсином. Гидролизует пептидные связи, образованные глицином, аланином и серином.

Под действием этих протеиназ полипептидная цепь белка расщепляется на крупные фрагменты. Затем на эти крупные фрагменты действуют ЭКЗОПЕПТИДАЗЫ, каждая из которых отщепляет одну аминокислоту от концов полипептидной цепи.

Карбоксипептидазы.

Синтезируются в поджелудочной железе. Активируются трипсином в кишечнике. Являются металлопротеинами. Гидролизуют пептидные связи на С-конце молекулы белка. Бывают 2-х видов: карбоксипептидаза А и карбоксипептидаза В. Карбоксипептидаза А отщепляет аминокислоты с ароматическими (циклическими) радикалами, а карбоксипептидаза В отщепляет лизин и аргинин.

Аминопептидазы.

Синтезируются в слизистой оболочке кишечника. Гидролизуют пептидные связи на N-конце молекулы белка. Существуют 2 таких фермента: аланинаминопептидаза и лейцинаминопептидаза. Аланинаминопептидаза отщепляет только аланин, а лейцинаминопептидаза - любые N-концевые аминокислоты.

Дипептидазы

Расщепляют пептидные связи только в дипептидах.

Все описанные ферменты относятся к МАЛОСПЕЦИФИЧНЫМ ПРОТЕИНАЗАМ. Они характерны для желудочно-кишечного тракта (рис.2).

Желудочный сок содержит соляную кислоту, ко­торая вырабатывается обкладочными клетками же­лудка и выполняет следующиефункции:оказывает бактерицидное действие; денатурирует белки пищи; создает оптимум рН для пепсина; активирует пепсиноген путем частичного протеолиза. рН желудочного сока в норме 1,5-2,0.

НСl и пепсин способны разрушать клетки эпите­лия желудка. В норме этого не происходит, так как существуют защитные факторы слизистой оболоч­ки желудка, основными из которых являются: образование слизи на поверхности; секреция эпителиальными клеткамиионов НСО^-₃, создающих в пристеночном слое среду с рН 5,0-6,0; наличие на наружной поверхности мембран кле­ток слизистой оболочки гетерополисахаридов, ко­торые не являются субстратами пептидаз; быстрая регенерация поврежденного эпителия.

Конечным результатом переваривания белков» является образование свободных аминокислот, поступающих в клетки слизистой оболочки кишечника путем активного транспорта за счет градиента концентрат натрия (симпорт).

Свободные аминокислоты в отличие от белков пищи лишены видовой специфичной и не обладают антигенными свойствами.

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 аминокислот) пептиды и аминокислот подвергаются процессам гниения. При этом образуются такие продукты как: фенол, крезол, сероводород, меркаптоэтанол, индол, скатол, а также группа соединений под общим названием «трупные яды» - кадаверин и путресцин. Эти вещества всасываются в кровь и поступают в печень, где подвергаются конъюгации с глюкуроновой кислотой и другим процессам обезвреживания. Затем они выводятся из организма с мочой.

Тотальный протеолиз - один из общих биологических процессов, необходимый не только для внутриклеточного пищеварения, но и для обновления стареющих белков клетки, и организма в целом (рис.2). Но этот процесс находится под строгим контролем, который обеспечивают специальные механизмы, защищающие белки от избыточного действия протеаз.

МЕХАНИЗМЫ, ЗАЩИЩАЮЩИЕ БЕЛКИ ОТ ДЕЙСТВИЯ ПРОТЕИНАЗ:

1. Защита типа "клетки" - пространственная изоляция протеиназ от тех белков, на которые они могут подействовать. Внутриклеточные протеиназы сосредоточены внутри лизосом и отделены от белков, которые они могут гидролизовать.

2. Защита типа "намордника". Заключается в том, что протеиназы вырабатываются в виде неактивных предшественников (проферментов): например, пепсиноген (в желудке) трипсиноген и химотрипсиноген (в pancreas) Во всех этих предшественниках активный центр фермента прикрыт фрагментом полипептидной цепи. После гидролиза определенной связи эта цепочка отрывается и фермент становится активным.

3. Защита типа “кольчуги“. Защита белка-субстрата путем включения в его молекулу каких-либо химических структур (защитные группы, прикрывающие пептидные связи). Протекает следующими способами:

а) Гликозилирование белка.

б) Ацетилирование аминогрупп. Присоединение остатков уксусной кислоты к свободным аминогруппам в молекуле белка.

в) Амидирование карбоксильной группы. Защитный эффект аналогичен.

г) Фосфорилирование радикалов серина или тирозина

4. Защита типа “сторожа“. Это защита белков с помощью эндогенных ингибиторов протеиназ.

Эндогенные ингибиторы протеиназ - это особые белки или пептиды, которые могут взаимодействовать с протеиназой и блокируют ее. Хотя в связывании участвуют слабые типы связей, связывание протеиназы с эндогенным ингибитором прочное.

Обычно такие ингибиторы протеиназ являются специфическими по отношению к определенному классу протеиназ.

Самый активный ингибитор плазмы - альфа₁-антитрипсин. Его концентрация в крови примерно 35 нмоль/л. Ингибирует в первую очередь эластазу, а при больших концентрациях ингибитора угнетает трипсин.

При дефиците альфа₁-антитрипсина или при нарушении его процессинга этого белка. В результате не выделяется в активной форме в кровь. Это генетический дефект, и у гомозиготных по этому признаку больных могут развиться нарушения со стороны легких, а затем в печени (развиваются эмфизема и гепатит). У гетерозигот - склонность к развитию хронических воспалительных процессов.

В плазме крови есть и другие ингибиторы сериновых протеиназ: альфа₁-антихимотрипсин, антитромбин, альфа₂-антиплазмин.

Другим не менее важным ингибитором является альфа₂- макроглобулин. альфа_2­-макроглобулин - универсальный ингибитор (блокирует протеиназы разных типов). Он не блокирует активные центры ферментов, а лишь захватывает протеиназу в ловушку, которая есть на поверхности макроглобулина.

Как только альфа₂-макроглобулин захватывает в ловушку протеиназу, то он сразу изменяется и в результате освобождается участок, для которого многие клетки (лейкоциты, макрофаги) обладают специфическими рецепторами. Поэтому они связываются с комплексом “альфа₂-макроглобулин-фермент”, фагоцитируют его и в лизосомах поглощенные белки полностью гидролизуются до аминокислот.