Лекция Источники и пути расходования аминокислот Общая характеристика Совокупность свободных аминокислот в живых организмах образует так называемый аминокислотный фонд. У взрослого человека этот фонд составляет примерно 35 г. Обычно процессы расходования и пополнения аминокислотного фонда уравновешены, то есть он находится в состоянии динамического равновесия. Пополнение аминокислотного фонда осуществляется за счет эндогенных и экзогенных источников. За счет эндогенных источников пополняется 2/3, а за счет экзогенных – 1/3 аминокислотного фонда. Одним из эндогенных источников аминокислот в организме является синтез заменимых аминокислот. Из 20-ти входящих в состав белков аминокислот у человека могут синтезироваться 10. Остальные 10 аминокислот должны поступать с пищевым белком. Следует отметить, что такие аминокислоты, как аргинин и гистидин, являются частично заменимыми, поскольку они синтезируются в организме, однако со скоростью, не достаточной для того, чтобы обеспечить рост организма в детском возрасте. Тирозин является условно заменимой аминокислотой так как он образуется в организме из незаменимой аминокислоты фенилаланина, т.е. его синтез возможен при условии наличия фенилаланина. Аминокислоты Заменимые Незаменимые Аланин Фенилаланин Аспарагин Триптофан Аспартат Треонин Глицин Метионин Глутамат Лизин Глутамин Лейцин Пролин Изолейцин Серин Валин Тирозин (условно заменимая) Аргинин (для детей) Цистеин Гистидин (для детей) Вторым эндогенным источником пополнения аминокислотного фонда является распад белков организма. У здорового человека обновление белков составляет 1–2% от общего количества белков тела, или 30–40 г в сутки. При этом примерно 75–80% высвободившихся аминокислот снова используется в синтезе белков. Оставшаяся часть подвергается катаболизму до конечных продуктов азотистого обмена, превращается в глюкозу, кетоновые тела или жирные кислоты. Поступление аминокислот в составе пищевого белка является экзогенным источником пополнения аминокислотного фонда. Для поддержания стационарного состояния аминокислотного фонда взрослый организм нуждается в потреблении примерно 60 г белка. При этом важным является биологическая ценность пищевого белка, которая оценивается по наличию незаменимых аминокислот в пищевом белке и соответствию их соотношения в синтезируемых организмом белках. С учетом аминокислотного скора (соотношения незаменимых аминокислот), а также перевариваемости и усвояемости, пищевые белки можно расположить по ценности в следующем порядке: яичный белок, альбумин молока, белки рыбы, мяса, белки растительных продуктов. Недостаточное содержание в рационе полноценных белков приводит к развитию кахексии и квашиоркора (детская дистрофия). Расходование аминокислотного фонда связано со следующими процессами: 1. Синтез белков и пептидов. 2. Синтез соединений других классов: а) пуриновых и пиримидиновых оснований (Гли, Глн, Асп); б) катехоламинов и йодтиронинов (Тир); в) биогенных аминов (Глу, Гис, 5-гидрокситриптофан); г) порфиринов (Гли); д) глицерофосфолипидов (Сер, Мет); е) креатина (Арг, Мет); ж) меланинов (Тир, Цис); з) витамина РР (Три). 3. Распад ради энергии. Около 10% от общего количества АТФ при смешанной диете образуется за счет окисления аминокислот. 4. Образование глюкозы (все аминокислоты, за исключением Лиз и Лей). 5. Образование кетоновых тел и жирных кислот (Лей, Йле, Лиз, Тир, Фен). Переваривание белков Поскольку белки организма отличаются видовой и тканевой специфичностью, живой организм способен использовать вводимый с пищей белок только после полного его расщепления в ЖКТ до аминокислот, из которых в клетках синтезируются специфические для данного вида белки. Процесс высвобождения аминокислот из белков катализируется специальными ферментами, получившими название протеиназы. Протеиназы – это ферменты, которые относятся к классу гидролаз. По месту действия их разделяют на эндопептидазы и экзопептидазы. Эндопептидазы разрывают пептидные связи внутри пептидной цепи. К ним относятся: пепсин и гастриксин желудка; трипсин, химотрипсин, эластаза поджелудочной железы. Экзопептидазы катализируют разрыв концевой пептидной связи с отделением концевой аминокислоты. К ним относятся карбоксипептидазы А и В поджелудочной железы, аминопептидазы и дипептидазы тонкого кишечника (мембраносвязанные ферменты). 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. Характеристика протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта Активация протеиназ Место синтеза Место рНдействия оптимум Профермент Активатор Активный фермент Специфичность действия Слизистая оболочка желудка Полость 1,5–2,0 желудка Пепсиноген НСl– медленно; Пепсин пепсин – быстро -X-Тир-X-Фен-Лей-Глу- Поджелудочная железа Полость 7,0–8,0 тонкой кишки Трипсиноген ЭнтеропептидазаТрипсин -Арг-X-Лиз-X- 7,0–8,0 Химотрипсиноген Трипсин -Три-X-Фен-X-Тир-X- 7,0–8,0 7,0–8,0 Проэластаза Трипсин ПрокарбоксипептидазыТрипсин А, В Аминопептидазы Тонкая кишка Присте- 7,0–8,0 ночный слой Ди- и трипептидазы Химотрипсин Эластаза -Гли-АлаКарбоксипетидазы C-конце-вая А, В аминокислота N-конце-вая аминокислота, ди- и трипептиды Примечание: Х – любая аминокислота. Начальные стадии гидролиза белков осуществляются за счет полостного пищеварения эндопептидазами желудочного и поджелудочного соков. В результате полипептиды расщепляются до полипептидов меньшего размера. Главным механизмом промежуточных и заключительных стадий гидролиза является мембранное пищеварение. Оно осуществляется адсорбированными ферментами поджелудочного сока и кишечными мембраносвязанными ферментами. У детей грудного возраста в желудке находится фермент реннин, который отщепляет от основного белка молока казеина гликопротеин, в результате чего образуется параказеин. Параказеин присоединяет ионы кальция, что приводит к створаживанию молока и задержке его выхода из желудка в кишечник. Это создает условия для проявления протеолитической активности пепсина. У взрослых людей створаживание молока происходит под действием соляной кислоты и пепсина. Всасывание продуктов гидролиза белков Основным продуктом гидролиза белков являются аминокислоты. Их всасывание в тонком кишечнике, так же как и транспорт через другие клеточные мембраны, осуществляется с помощью специальных транспортных систем (пермиаз) для аминокислот. Транспорт аминокислот является активным и требует необходимого градиента ионов Nа+, создаваемого Nа+/К+-АТФ-азой мембраны эпителия тонкого кишечника. Существует не менее пяти специфических транспортных систем (пермиаз), каждая из которых функционирует для переноса определенной группы близких по строению аминокислот: 1) нейтральных с короткой боковой цепью; 2) нейтральных с длинной боковой цепью; 3) с катионными радикалами; 4) с анионными радикалами; 5) иминокислот (пролина). Аминокислоты этих групп конкурируют за участки связывания с переносчиком соответствующей транспортной системы. При транспорте аминокислот через мембрану кишечного эпителия ион Nа + входит вместе с ними внутрь клетки, т.е. имеет место симпорт аминокислот и ионов Nа+ специальной системой переносчиков. Натрий вновь «откачивается» из клетки Nа+/К+-АТФ-азой, а аминокислоты остаются внутри клетки. Есть и другая разновидность механизма транспорта аминокислот через мембрану клеток кишечного эпителия и других клеток – γ-глутамильный цикл. Перенос аминокислоты совершается в комплексе с глутамильным остатком трипептида глутатиона с помощью специального фермента γ-глутамилтрасферазы, который находится в мембране клеток кишечного эпителия. На первом этапе фермент осуществляет присоединение транспортируемой через мембрану аминокислоты к γ-глутамильному остатку глутатиона и одновременный распад уже тетрапептида на два дипептида: γ-глутамиламинокислоту и цистеинил-глицин. На втором этапе происходит расщепление дипептида γ-глутамиламинокислоты с освобождением поступившей аминокислоты и ресинтез затраченной на ее транспорт молекулы глутатиона. Для транспорта одной аминокислоты с помощью γ-глутамильного цикла затрачивается 3 АТФ. У новорожденных детей проницаемость слизистой оболочки выше, чем у взрослых, поэтому в кровь могут поступать либо целые, либо частично гидролизованные молекулы белка, что может быть причиной иммунных реакций. Если ребенок получает молозиво, образующееся в первые дни после родов, то может происходить всасывание антител и антитоксинов, что имеет защитное значение. Этому дополнительно способствует присутствие в молозиве ингибитора трипсина. Желудочный сок В состав нормального желудочного сока входят: вода, белки, пепсин, гастриксин, липаза, муцин, соляная кислота, хлорид натрия, кислые фосфаты, гликопротеин – так называемый внутренний фактор Кастла и другие вещества. Кислотность желудочного сока формируется за счет следующих компонентов: свободная соляная кислота, связанная соляная кислота, кислореагирующие фосфаты, органические кислоты. Соляную кислоту, находящуюся в солеобразном соединении с белками и продуктами их гидролиза, называют связанной соляной кислотой. Несвязанную с белками кислоту называют свободной соляной кислотой. У здорового взрослого человека содержание свободной соляной кислоты составляет 20–40 ммоль/л. Сумма всех кислореагирующих веществ желудочного сока составляет общую кислотность желудочного сока, которая у здорового взрослого человека составляет 40–60 ммоль/л. Одним из основных методов исследования желудочной секреции является зондовый, с его помощью производится отбор проб желудочного сока с последующим исследованием его компонентов и состояния кислотности. Этот метод является не физиологичным и травматичным, в связи с чем противопоказан некоторым людям (сужение пищевода, нарушения психики). Существуют и беззондовые методы, основанные на использовании ионообменных смол, способных обменивать ионы в кислой среде. При применении этого метода кислотность желудочного сока оценивается по изменению цвета мочи. Кроме того, используется десмоидная проба, которая основана на использовании резинового мешочка с метиленовым синим, перевязанного кетгутовой нитью № 3. Этот мешочек заглатывается. Если кислотность желудочного сока нормальная, кетгутовая нить переваривается под действием пепсина, метиленовый синий всасывается. Этот факт устанавливается по изменению цвета мочи. Если моча сохраняет обычный цвет, кислотность желудочного сока понижена или в нем отсутствует соляная кислота. Определение кислотности желудочного сока важно для диагностики различных заболеваний желудка. Повышенная кислотность желудочного сока сопровождается изжогой, диареей и может быть симптомом язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, а также гиперацидного гастрита. Пониженная кислотность или полное отсутствие соляной кислоты наблюдается при атрофических гастритах и часто сопровождается анемией вследствие недостаточной выработки фактора Кастла. Анацидность, или ахлоргидрия, свидетельствует о значительной потере слизистой оболочкой обкладочных клеток, что может быть при раке желудка. Желудочный сок ребенка до года характеризуется невысокой кислотностью (рН 3,0–4,0, в единицах кислотности). Причем до 4–5-месячного возраста кислотность обусловлена присутствием молочной кислоты, а позже и соляной. Интенсивность секреции желудочного сока возрастает примерно в два раза при смешанном вскармливании. Первые 2 месяца жизни главную роль в переваривании белков играет ренин, а затем гастриксин и пепсин. Однако первые два года активность протеиназ остается низкой и достигает максимального уровня к 3-м годам. Ферментативная активность слизистой кишечника высокая, преобладает мембранное пищеварение. Женское молоко в желудке находится 2–3 часа, питательная смесь с коровьим молоком – 3–4 часа. Белки женского молока перевариваются и всасываются лучше, чем коровьего, и усваиваются на 90–95%, а коровьего – на 60–70%. Роль соляной кислоты в переваривании белков 1. Вызывает денатурацию и набухание белков, способствуя тем самым лучшему их гидролизу. 2. Создает рН-оптимум для пепсина (1,5–2,5) и гастриксина (3,5). 3. Осуществляет частичный протеолиз пепсиногена и переводит его в пепсин, т.е. является активатором пепсина. 4. Способствует секреции секретина – гормона пищеварения. 5. Обладает антимикробным действием. От денатурирующего влияния соляной кислоты и переваривающего действия пепсина собственные белки стенок желудка предохраняет слизистый секрет, содержащий гликопротеины. Гниение аминокислот Около 5% невсосавшихся аминокислот в нижних отделах тонкого и в толстом кишечнике подвергается действию энзимов гнилостной флоры – гниению. В основе гниения лежат реакции декарбоксилирования и дезаминирования с образованием множества продуктов гниения. Кадаверин и путресцин – трупные яды. Обнаруживаются в больших количествах при гастроэнтерите, холере. В ходе гниения тирозина и триптофана исходная молекула утрачивает радикал целиком. Продукты гниения аминокислот являются токсичными. Они частично выводятся, а частично всасываются в толстом кишечнике, в последующем обезвреживаются в печени и выводятся с мочой. Для уменьшения количества образующихся продуктов гниения необходимо, чтобы потребление белков соответствовало физиологическому состоянию организма (физическая активность, возраст и т.д.). Кроме того, потребление пищевых волокон (целлюлоза, лигнин, пектин и т.д.) в составе растительных продуктов приводит к подкислению среды в результате их расщепления микрофлорой с образованием кислых продуктов. Кислая среда препятствует процессу гниения. Пищевые волокна улучшают также моторную функцию кишечника, что ускоряет опорожнение толстого кишечника и уменьшает всасывание продуктов гниения. Катаболизм аминокислот В процесс катаболизма (распада) вовлекаются только те амиинокислоты, которые оказались не использованными в ходе реакций синтеза белка или образования других соединений. Катаболизм аминокислот включает два этапа: 1. Дезаминирование, заключающееся в отщеплении аминогруппы в виде аммиака с образованием aкетокислоты. 2. Катаболизм углеродного скелета аминокислоты, т.е. a-кетокислоты Обязательным этапом катаболизма аминокислот является удаление аминогруппы, т.е. их дезаминирование. Азот аминогруппы выводится у человека в виде мочевины и аммонийных солей. Эти вещества являются конечными продуктами азотистого обмена. Частично аммиак, образующийся при дезаминировании аминокислот, реутилизируется в ходе восстановительного аминирования кетокислот. Углеродные скелеты аминокислот в конечном итоге поступают в ЦТК, где они расщепляются до углекислого газа и воды. Например, при дезаминировании глутамата образуется 2-кетоглутарат, аспартата – оксалоацетат, они являются интермедиатами ЦТК. Катаболизм аланина связан с образованием пирувата, который подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА, вовлекаемый в ЦТК. Безазотистые углеродные скелеты практически всех протеиногенных аминокислот (за исключением лейцина и лизина) могут служить субстратами глюконеогенеза, т.е. катаболизм некоторой части аминокислот связан с превращением в глюкозу, которая окисляется ради образования энергии. Часть аминокислот, метаболизм которых связан с образованием ацетил-КоА или ацетоацетил-КоА, катаболизируют путем превращения в кетоновые тела или жирные кислоты. К кетогенным аминокислотам относятся фенилаланин, лизин, тирозин, лейцин, изолейцин и триптофан.
