Аминокислотный фонд организма
Обмен аминокислот
Белки являются наиболее распространенными органическими веществами организма, которые составляют большую часть сухой массы тела (10-12 кг). Метаболизм белков рассматривается как метаболизм аминокислот.
Переваривание белков
Перевариванию и всасыванию подвергаются пищевые и эндогенные белки. Эндогенные белки (30-100 г/сутки) представлены пищеварительными ферментами и белками слущивающегося эпителия кишечника. Переваривание и всасывание белков происходит очень эффективно и поэтому только около 5-10 г белков теряется с кишечным содержимым. Пищевые белки подвергаются денатурации, что облегчает их переваривание.
Ферменты переваривания белков (гидролазы) специфически расщепляют пептидные связи в белках и поэтому называются пептидазами. Они делятся на 2 группы: 1) эндопептидазы – расщепляют внутренние пептидные связи и образуются фрагменты белков (пепсин, трипсин); 2) экзопептидазы действуют на пептидную связь концевых аминокислот. Экзопептидазы подразделяются на карбоксипептидазы (отщепляют С-концевые аминокислоты) и аминопептидазы (отщепляют N-концевые аминокислоты).
Протеолитические ферменты переваривания белков продуцируются в желудке, поджелудочной железе и тонком кишечнике. В ротовой полости белки не перевариваются из-за отсутствия ферментов в слюне.
Желудок. Переваривание белков начинается в желудке. При поступлении белков в слизистой оболочке желудка вырабатывается гормоноподобное вещество гастрин, которое активирует секрецию HCl париетальными клетками желудка и пепсиногена – главными клетками желудка.
Соляная кислота (рН желудочного сока 1,0-2,5) выполняет 2 наиболее важные функции: вызывает денатурацию белков и гибель микроорганизмов. У взрослого человека ферментами желудочного сока являются пепсин и гастриксин, у грудных детей реннин.
1. Пепсин вырабатывается в главных клетках слизистой оболочки желудка в неактивной форме в виде пепсиногена (м.м. 40000 Да). Пепсиноген превращается в активный пепсин в присутствии НCl и аутокаталитически под действием других молекул пепсина: с N-конца молекулы отщепляется 42 аминокислотных остатка в виде 5 нейтральных пептидов (м.м. около 1000 Да) и одного щелочного пептида (м.м. 3200 Да). М.м. пепсина 32700 Да, оптимум рН 1,0-2,0. Пепсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных аминогруппамиароматических аминокислот (фен, тир), а также аспарагиновой, глутаминовой кислот, лейцина и пар ала-ала, ала-сер. 
2. Из пепсиногена образуется другой пепсиноподобный фермент - гастриксин (м.м. 31500 Да), оптимум рН 3,0-5,0. В нормальном желудочном соке соотношение пепсин/гастриксин 4:1.
3. Реннин содержится в желудочном соке грудных детей; оптимум рН 4,5. Фермент створаживает молоко, т.е. в присутствии ионов кальция переводит растворимый казеиноген в нерастворимый казеин. Его продвижение по пищеварительному тракту замедляется, что увеличивает время действия протеиназ.
В результате действия ферментов в желудке образуются пептиды и небольшое количество свободных аминокислот, которые стимулируют высвобождение холецистокинина в двенадцатиперстной кишке.
Двенадцатиперстная кишка. Содержимое желудка поступает в 12-перстную кишку и стимулирует секрецию секретина в кровь. Секретин активирует секрецию в поджелудочной железе бикарбонатов, которые нейтрализуют соляную кислоту и повышают рН до 7,0. Под действием образованных свободных аминокислот в верхнем отделе 12-перстной кишки вырабатывается холецистокинин, который стимулирует секрецию ферментов поджелудочной железы и сокращение желчного пузыря.
Переваривание белков осуществляет группа сериновых (в активном центре ОН-группа серина) протеиназ панкреатического происхождения: трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза, эластаза.
1. Ферменты вырабатываются в виде неактивных предшественников - проферментов. Синтез протеолитических ферментов в виде неактивных предшественников защищает экзокринные клетки поджелудочной железы от разрушения. В поджелудочной железе синтезируется также панкреатический ингибитор трипсина, который предотвращает синтез активных ферментов внутри поджелудочной железы.
2. Ключевым ферментом для активации проферментов является энтеропептидаза (энтерокиназа), секретируемая клетками слизистой кишечника.
3. Энтерокиназа отщепляет гексапептид от N-конца трипсиногена и образуется активный трипсин, который затем активирует остальные протеиназы.
4. Трипсин катализирует гидролиз пептидных связей, в образовании которых участвуют карбоксильные группы основных аминокислот (лизин, аргинин).
5.Химотрипсин - эндопептидаза, вырабатывается в поджелудочной железе в виде химотрипсиногена. В тонком кишечнике при участии трипсина образуются активные формы химотрипсина - a, d и p. Химотрипсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильными группами ароматических аминокислот.
6. Специализированные белки соединительной ткани - эластин и коллаген - перевариваются с помощью панкреатических эндопептидаз - эластазы и коллагеназы.
7. Панкреатические карбоксипептидазы (А и В) являются металлоферментами, содержащими ионы Zn2+. Обладают субстратной специфичностью и отщепляют С-концевые аминокислоты. В результате переваривания в 12-перстной кишке образуются небольшие пептиды (2-8 аминокислот) и свободные аминокислоты.
В тонком кишечникепроисходит конечное переваривание коротких пептидов и всасывание аминокислот. Здесь действуют аминопептидазы кишечного происхождения, отщепляющие N-концевые аминокислоты, а также три- и дипептидазы.
Всасывание аминокислот
В тонком кишечнике всасываются свободные аминокислоты, дипептиды и небольшое количество трипептидов. Ди- и трипептиды после всасывания гидролизуются на свободные аминокислоты в цитозоле эпителиальных клеток. После приема белковой пищи только свободные аминокислоты обнаруживаются в портальной вене. Максимальная концентрация аминокислот в крови достигается через 30-50 мин после приема пищи.
Свободные L-аминокислоты переносятся через клеточные мембраны вторичным активным транспортом, сопряженным с функционированием Na+,К+-АТФазы. Перенос аминокислот внутрь клеток осуществляется чаще всего как симпорт аминокислот и ионов натрия. Считают, что существует, по меньшей мере, шесть транспортных систем (транслоказ), каждая из которых настроена на перенос близких по строению аминокислот: 1) нейтральных аминокислот с небольшим радикалом (ала, сер, три); 2) нейтральных аминокислот с объемным радикалом и ароматических аминокислот (вал, лей, иле, мет, фен, тир); 3) кислых аминокислот (асп, глу), 4) основных аминокислот (лиз, арг), 5) пролина, 6) β-аминокислот (таурин, β-аланин). Эти системы, связывая ионы натрия, индуцируют переход белка-переносчика в состояние с сильно увеличенным сродством к аминокислоте; Nа+ стремится к транспорту в клетку по градиенту концентрации и одновременно переносит внутрь клетки молекулы аминокислоты. Чем выше градиент Na+, тем выше скорость всасывания аминокислот, которые конкурируют друг с другом за соответствующие участки связывания в транслоказе.
Известны другие механизмы активного транспорта аминокислот через плазматическую мембрану. А.Майстером предложена схема трансмембранного переноса аминокислот через плазматические мембраны, получившая название g-глутаминильный цикл.
В соответствии с гипотезой γ-глутамильного цикла транспорта аминокислот через клеточные мембраны роль переносчика аминокислот принадлежит широко распространенному в биологических системах трипептиду глутатиону.
1. Главную роль в этом процессе играет фермент g-глутаминилтрансфераза (транспептидаза), который локализован в плазматической мембране. Этот фермент осуществляет перенос g-глутамильной группы внутриклеточного трипептида глутатиона (g-глу-цис-гли) на внеклеточную аминокислоту.
2. Образовавшийся комплекс g-глутамил-аминокислота проникает в цитозоль клетки, где аминокислота освобождается.
3. g-Глутамильная группа в виде 5-оксопролина через ряд ферментативных стадий и участии АТФ соединяется с цис-гли, что ведет к восстановлению молекулы глутатиона. При переносе следующей молекулы аминокислоты через мембрану цикл превращений повторяется. Для транспорта одной аминокислоты используется 3 молекулы АТФ.
Все ферменты γ-глутамильного цикла обнаружены в высоких концентрациях в разных тканях – почках, эпителии ворсинок тонкого кишечника, слюнных железах желчном протоке и др. После всасывания в кишечнике аминокислоты через воротную вену поступают в печень, а затем разносятся кровью во все ткани организма.
Всасывание интактных белков и пептидов: в течение короткого периода после рождения в кишечнике могут всасываться интактные пептиды и белки путем эндоцитоза или пиноцитоза. Этот механизм важен для переноса иммуноглобулинов матери в организм ребенка. У взрослых всасывание интактных белков и пептидов не происходит. Тем не менее, у некоторых людей наблюдается этот процесс, что вызывает образование антител и развитие пищевой аллергии. В последние годы высказывается мнение о возможности переноса фрагментов полимерных молекул в лимфатические сосуды в области пейеровых бляшек слизистой дистальных отделов тонкого кишечника.
Аминокислотный фонд организма
В организме взрослого человека присутствует около 100 г свободных аминокислот, которые составляют аминокислотный фонд (пул). Глутамат и глутамин составляют 50% аминокислот, эссенциальные (незаменимые) аминокислоты – около 10%. Концентрация внутриклеточных аминокислот всегда выше, чем внеклеточных. Аминокислотный фонд определяется поступлением аминокислот и метаболическими путями их утилизации.
Источники аминокислот
Обмен белков организма, поступление белков с пищей и синтез заменимых аминокислот являются источниками аминокислот в организме.
1. Белки находятся в динамическом состоянии, т.е. обмениваются. В организме человека ежесуточно обменивается примерно 300-400 г белков. Период полураспада белков различен - от минут (белки плазмы крови) до многих суток (чаще 5-15 суток) и даже месяцев и лет (например, коллаген). Аномальные, дефектные и поврежденные белки разрушаются, поскольку не могут использоваться организмом и ингибируют процессы, для которых необходимы функциональные белки. К факторам, влияющим на скорость разрушения белков относятся: а) денатурация (т.е. потеря нативной конформации) ускоряет протеолиз; б) активация лизосомальных ферментов; в) глюкокортикоиды, избыток тироидных гормонов повышают протеолиз; г) инсулин снижает протеолиз и повышает синтез белков.
2.Пищевые белки.Около 25% обменивающихся белков, т.е. 100 г аминокислот подвергается распаду, и эти потери восполняются пищей. Поскольку аминокислоты являются главным источником азота для азотсодержащих соединений, они определяют состояние азотистого баланса организма. Азотистый баланс - это разность между азотом поступающим в организм и азотом, выводимым из организма. Азотистое равновесие наблюдается, если количество азота, поступающего в организм равно количеству азота, выводимого из организма (у взрослых здоровых людей). Положительный азотистый баланснаблюдается, если количество азота, поступающего в организм больше количества азота, выводимого из организма (рост, введение анаболических препаратов, развитие плода). Отрицательный азотистый баланс наблюдается, если количество азота, поступающего в организм меньше количества азота, выводимого из организма (старение, белковое голодание, гипокинезия, хронические заболевания, ожоги). Коэффициент изнашивания Рубнера - при 8-10 дневном белковом голодании в тканях расщепляется примерно постоянное количество белков - 23,2 г, или 53 мг азота в сутки на 1 кг массы тела (0,053×6,25×70 =23,2, где 6,25 - коэффициент, показывающий, что в белках содержится около 16% азота; 70 кг - масса тела человека). Если в пище будет содержаться 23,2 г белков в сутки, то развивается отрицательный азотистый баланс. Физиологический минимум белков (около 30-45 г в сутки) ведет к азотистому равновесию (но на короткое время). При средней физической нагрузке человеку требуется в сутки 100-120 г белка.
Резервные белки.В отличии от углеводов и липидов, белки не накапливаются в организме. Избыток аминокислот метаболизируется – окисляется для получения энергии, превращается в глюкозу или жиры. Резервные белки – это не депо, а легко мобилизуемые при необходимости белки плазмы крови, мышц, соединительной ткани.
4.2. Протеолиз тканевых белков животных. Осуществляется с помощью протеолитических (лизосомальных) ферментов - катепсинов. По строению активного центра выделяют цистеиновые (SН-группа цистеина), сериновые (ОН-группа серина), карбоксильные (СООН-группа асп или глу) 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 автолизе (при ишемии или вне организма в стерильных условиях); 5) участие в патогенезе заболеваний, связанных с изменением функции лизосом. Действие катепсинов ограничивают их ингибиторы - экзогенные и эндогенные вещества преимущественно полипептидной природы.
В то же время следует учитывать, что функциональные белки клетки должны быть защищены от преждевременного протеолиза. Для этого внутриклеточные протеолитические ферменты представлены в двух видах: 1) иммобилизованные в лизосомах и функционирующие при рН 5,0; 2) связанные с протеасомами (молекулярная масса 2000 кДа).
Для мечения подлежащих уничтожению белков используется убиквитин – высококонсервативный белок у эукариот, состоящий из 76 остатков аминокислот, отличается у дрожжей и человека только по 3 остаткам. Остаток глицина на С-конце убиквитина ковалентно связывается с ε-аминогруппой остатка лизина в предназначенном для разрушения белке. Для образования такой «изопептидной связи» (изопептидная, поскольку образована не с α-аминогруппой, а ε-аминогруппой) требуется гидролиз АТФ.