100 р бонус за первый заказ
Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line
Узнать цену
1. Особенности обмена белка.
2. Катаболизм аминокислот.
3. Универсальные процессы в катаболизме аминокислот.
4. Способы обезвреживания аммиака.
5. Биосинтез белка.
Обмен белка занимает центральное место среди многообразных процессов метаболизма, свойственных живой материи. Все другие виды обмена - углеводный, липидный, нуклеиновый, минеральный и др. прежде всего обслуживают обмен белков и в т.ч. специфический биосинтез белка. Белковый обмен весьма строго специфичен, обеспечивает непрерывность воспроизводства и обновления белковых тел организма.
Именно белковый обмен координирует, регулирует и интегрирует многообразие химических превращений в целостном живом организме, подчиняя его сохранению вида, непрерывности жизни. По сравнению с другими видами обмена веществ обмен белка имеет ряд особенностей.
Особенности обмена белка
Одной из характерных особенностей белкового обмена является его чрезвычайная разветвлённость. В превращениях 20 с лишним аминокислот белковой молекулы в организме животных участвуют несколько сотен промежуточных продуктов, тесно связанных с метаболитами обмена углеводов и липидов. Блокирование какого - либо специфического пути обмена, даже одной аминокислоты может привести к появлению совершенно неизвестных продуктов.
Состояние белкового обмена определяется множеством факторов, как экзогенных, так и эндогенных. Большое значение при этом играет биологическая полноценность белков пищи (корма). Любые отклонения от нормального физиологического состояния организма, нарушения в обмене углеводов, липидов и др. незамедлительно отражаются на азотистом обмене.
Состояние обмена белка в живом организме можно характеризовать балансом азота. Этот термин означает количественную разницу между введенным с пищей азота и выведенным его в виде конечных продуктов выраженных в одинаковых единицах. Поскольку, как основная масса азота пищи представлена белками, так и большинство выделяемых конечных азотистых продуктов является следствием распада белка, принято считать, что для правильной оценки состояния обмена белков достаточно точным критерием может быть определение азотистого баланса. Кроме того, среднее содержание азота в белках, более или менее постоянная величина и составляет 16%. Для пересчета общего азота на белок нужно найденное его общее количество умножить на коэффициент 6,25. С понятием азотистого баланса тесно связана проблема о нормах белка в кормлении животных.
Различают 3 вида азотистого баланса организма: положительный, нулевой (азотистое равновесие) и отрицательный.
В клинической биохимии различают понятия белковый и небелковый азот. Количество небелкового азота в крови животных не велико и находится в пределах 20-60 мг%. Сюда входят, в основном, азот мочевины, аминокислот, мочевой кислоты креатина и креатинина, индикана и др. Небелковый азот крови называют также остаточным азотом, то есть остающийся в фильтрате после осаждения белков.
У здоровых животных колебания в содержании небелкового азота в крови незначительны и в основном зависят от количества поступающих с кормом белков. Однако, многие патологические состояния сопровождаются резким повышением содержания небелкового азота в крови. Такое состояние носит название азотемии.
Основные особенности обмена белков проявляются на стадии промежуточного обмена и их можно объяснить двумя факторами:
Во-первых, энергетическая ценность аминокислот не высока и выполняют в клетке, прежде всего, функции строительных материалов. В связи с этим, в обмене белков центральную роль играют не процессы катаболизма, а анаболизма, т.е. синтеза белка. Во-вторых, в живой клетке не существуют единые, универсальные механизмы расщепления аминокислот. Каждая аминокислота подвергается распаду по индивидуальному механизму.
Катаболизм аминокислот
Если известно 20 белковых аминокислот, то в каждой клетке, как минимум, функционируют 20 путей их катаболизма. Однако, несмотря на такое многообразие катаболических путей, конечных продуктов тканевого обмена аминокислот немного, т.е. 20 способов расщепления аминокислот на определенных этапах сливаются и приводят к образованию всего лишь 5 различных продуктов, которые затем вступают в цикл трикарбоновых кислот и окисляются полностью.
Рис. 21. Пути превращений аминокислот.
Углеродные скелеты 10 аминокислот расщепляются до ацетил-КоА. Причем, 5 из этих 10 аминокислот (аланин, цистеин, глицин, серин, треонин) расщепляются до ацетил-КоА через пируват. Другие 5 (фенилаланин, тирозин, лейцин, лизин, триптофан) – через ацетоацетил-КоА. Как известно, ацетоацетил-КоА является центральным продуктом в метаболизме кетоновых тел. В печени из этих аминокислот могут образовываться кетоновые тела и поэтому их называют кетогенными. Остальных – глюкогенными, т.к. из пирувата легко синтезируется глюкоза. Однако такое разделение аминокислот весьма условное, потому что, в целом всех аминокислот можно называть глюкогенными, тем более некоторые аминокислоты могут расщепляться, как с образованием пирувата, так и ацетоацетил-КоА.
Кроме ацетил-КоА, при катаболизме аминокислот могут образоваться α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат и оксалоацетат (рис.21).
Универсальные процессы в катаболизме
аминокислот.
Каждая аминокислота подвергается распаду по индивидуальному механизму. Некоторые катаболические пути достаточно сложные, многоступенчатые (до 13 последовательных реакций), с образованием большого количества метаболитов, которые в свою очередь могут вовлекаться в различные биохимические процессы. Например, при расщеплении триптофана образуются продукты, которые могут служить предшественниками нейрогормона серотонина, никотиновой кислоты и др.
Известны ряд превращений, которые встречаются в способах расщепления всех аминокислот, т.е. они являются общими для всех катаболических путей. К ним относятся: дезаминирование, трансаминирование и декарбоксилирование. В биологии они больше известны, как универсальные механизмы расщепления аминокислот.
Дезаминирование – отщепление аминогрупп аминокислот. Доказано существование четырех типов дезаминирования. Во всех случаях NH2 группа аминокислот освобождается в виде NH3.
1. Восстановительное дезаминирование.
2. Гидролитическое дезаминирование.
3. Внутримолекулярное дезаминирование.
4. Окислительное дезаминирование.
Преобладающим типом для животных тканей, растений и большинства аэробных микроорганизмов является окислительное дезаминирование аминокислот, протекающее в двух стадиях с образованием неустойчивого промежуточного продукта - иминокислоты. Однако нужно отметить, что большинство ферментов, катализирующие окислительное дезаминирование аминокислот, при физиологических значениях рН малоактивны. В животных тканях наиболее активным, является фермент, катализирующий окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты - глутаматдегидрогеназа. Конечным продуктом реакции является α-кетоглутарат.
Трансаминирование (переаминирование) - реакции межмолекулярного переноса аминогруппы от аминокислоты на α-кетокислоту без промежуточного образования аммиака.
Реакции трансаминирования являются обратимыми и универсальными для всех живых организмов. Протекают при участии специфических ферментов - аминотрансфераз. В трансаминировании могут участвовать любая α-аминокислота и любая α-кетокислота с образованием новой амино- и кетокислоты. Учитывая тот факт, что в животных тканях с высокой скоростью подвергается окислительному дезаминированию глутаминовая кислота, можно предположить, что одним из основных субстратов для трансаминирования является α-кетогутарат. В настоящее время считается доказанным не только то, что практически все аминокислоты реагируют с α-кетоглутаровой кислотой с образованием глутаминовой кислоты и соответствующей кетокислоты, но и то, что реакции трансаминирования и окислительного дезаминирования сопряжены в едином процессе, который протекает по схеме:
Рис. 22. Схема непрямого дезаминирования аминокислот
Поскольку все реакции данного процесса являются обратимыми, создаются условия для синтеза по существу любой аминокислоты, при наличии соответствующий α-кетокислоты.
Декарбоксилирование - отщепление карбоксильной группы аминокислот в виде углекислого газа. Реакция является необратимой и катализируется декарбоксилазами. Различают несколько видов декарбоксилирования, среди которых наибольшее распространение получило α-декарбоксилирование, т.е. отщепление –СООН группы у α-углерода аминокислоты. Продуктами декарбоксилирования являются СО2 и амины, а также могут быть диамины и новая аминокислота в зависимости от характера декарбоксилируемой аминокислоты.
Некоторые амины (триптамин, гистамин) обладают биологической активностью, среди диаминов известны ядовитые вещества (кадаверин, путресцин). Существуют специальные механизмы обезвреживания подобных соединений, суть которых в целом сводится к окислительному дезаминированию с выделением аммиака.
Способы обезвреживания аммиака.
Одним из конечных продуктов обмена аминокислот является высокотоксичное соединение - аммиак. Поэтому концентрация аммиака в организме должна сохраняться на низком уровне. Действительно, уровень аммиака в крови в норме не превышает 60 мкмоль/л (это почти в 100 раз меньше концентрации глюкозы в крови). В организме человека подвергается распаду около 100 г аминокислот в сутки, следовательно, высвобождается около 15 г аммиака. В опытах на кроликах показано, что концентрация аммиака 3 ммоль/л является летальной. Таким образом, аммиак должен подвергаться постоянному обезвреживанию с образованием нетоксичных соединений, легко выделяющихся с мочой.
Можно выделить несколько основных способов обезвреживания аммиака.
Образование амидов дикарбоновых аминокислот (восстановительное аминирование);
Синтез мочевины;
Образование аммонийных солей;
1. Восстановительное аминирование.
Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме, в частности в мозге, сетчатке, почках, печени и мышцах - это биосинтез амидов глутаминовой и аспарагиновой кислот (глутамина или аспарагина).
Образование глутамина (аспарагина) является, во-первых, экспресс способом нейтрализации аммиака и во-вторых, способом переноса аммиака от периферических тканей к печени и почкам, где происходит окончательное обезвреживание этого яда и выведение из организма.
Обезвреживание аммиака путем синтеза глутами-на имеет и анаболическое значение, поскольку глутамин используется для синтеза ряда соединений. Амидная группа глутамина может использоваться для синтеза аспарагина, глюкозамина и других аминосахаров, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Таким образом, в этих реакциях азот аммиака включается в разнообразные структурно-функциональные компоненты клетки.
2. Образование аммонийных солей.
В целом, весь аммиак из организма удаляется с мочой двумя путями:
В виде мочевины, которая синтезируется в печени;
В виде солей аммония образующихся в эпителии канальцев почек;
Экскреция аммиака с мочой в норме невелика - около 0,5 г в сутки. Но она в несколько раз повышается при ацидозе.
Синтез аммонийных солей происходит в просвете канальцев почек из секретируемых сюда аммиака и фильтрующихся анионов первичной мочи.
Аммиак в почках образуется также за счет амидной группы глутамина крови, который не задерживается в печени. Глутамин гидролизуется глутаминазой, имеющейся в клетках эпителия канальцев почки
Образование солей аммония в почечных канальцах является важным механизмом регуляции кислотно-основного состояния организма. Оно резко возрастает при метаболическом ацидозе - накоплении в организме кислот и снижается при потере кислот организмом (алкалозе).
3. Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является синтез мочевины . Мочевина выводится из организма с мочой в качестве главного конечного продукта белкового обмена. На долю мочевины приходится до 80-85 % от всего выводимого из организма азота. Основным местом синтеза мочевины является печень. Синтез мочевины является циклическим метаболическим процессом и носит название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса.
Орнитиновый цикл тесно связан с циклом трикарбоновых кислот (бицикл Кребса). Механизм процесса достаточно простой, рассматривается всего лишь в трех стадиях. Однако особенностью цикла является то, что ферменты реакций распределены между цитоплазмой и митохондрией клеток.
За каждый оборот цикла из двух молекул аммиака синтезируется одна молекула мочевины, и расходуются три молекулы АТФ.
Рис. 23. Схема биосинтеза мочевины.
Биосинтез белка
Синтез белка непрерывно происходит в каждой живой клетке. Белоксинтезирующая система клетки предполагает координированного взаимодействия более 300 различных макромолекул и включает набор всех 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул; минимум 20 разных тРНК; набор минимум 20 различных ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз; рибосомы; белковые факторы, участвующие в синтезе на разных уровнях трансляции; иРНК в качестве главного компонента системы, несущей информацию о структуре белка, синтезирующегося в рибосоме.
Несмотря на такую сложность белки в клетке синтезируются достаточно высокой скоростью. Например, в клетках E.coli, белок, состоящий из 100 аминокислот, синтезируется за 5 сек.
Рис. 24. Принципиальная схема биосинтеза белка (по А.С. Спирину). Кружочки – свободные аминокислоты и их остатки в составе полипептидной цепи.
Аминокислотная последовательность белка (первичная структура), как известно, закодирована в генах. Матричная РНК (мРНК) или информационная РНК (иРНК) служит для переноса генетической информации от ДНК в ядре до цитоплазмы, где она соединяется с рибосомами и служит матрицей, на которой осуществляется синтез белка. Процесс синтеза информационного РНК называется транскрипция. После того как стало известно особенности строения гена был полностью расшифрован механизм транскрипции. Предварительно синтезируется полная комплиментарная копия гена – pro-и РНК, котрая претерпевает затем процесс созревания (процессинг иРНК).
Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта с последующим удалением его интронных участков и воссоединением (сплайсингом) экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. Во время процессинга происходит также модификация 5"-и 3"-концов формирующейся зрелой молекулы мРНК.
Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК.
Трансляцию можно представить как процесс перевода «нуклеотидного языка» иРНК на «аминокислотный» полипептидной цепи молекулы белка. Происходит данный процесс благодаря тому, что в нуклеотидной последовательности мРНК имеются кодовые «слова» для каждой аминокислоты – генетический код. Каждое последовательное тройное сочетание нуклеотидов кодирует одну аминокислоту – кодон. Генетический код состоит из 64 кодонов.
Генетический код является вырожденным. Это означает, что большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами. Последовательность первых двух нуклеотидов определяет специфичность каждого кодона, т.е. кодоны кодирующие одну и ту же аминокислоту различаются только третьими нуклеотидами.
Другой отличительной особенностью генетического кода является его непрерывность, отсутствие «знаков препинания», т.е. сигналов, указывающих на конец одного кодона и начало другого. Другими словами, код является линейным, однонаправленным и непрерывающимся. Наиболее существенной особенностью кода является его универсальность для всех живых организмов от бактерий до человека. Код не подвергся существенным изменениям за миллионы лет эволюции.
Среди 64 кодонов 3, а именно УАГ, УАА, УГА, оказываются «бессмысленными». Эти кодоны выполняют важную функцию сигналов терминации в синтезе полипептида в рибосомах.
Процесс трансляции можно условно подразделить на три основные стадии - инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация трансляции обеспечивается соединением молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы и формированием инициирующего комплекса.
Процесс элонгации непосредственно связан с большой субъединицей рибосом, которая имеет специфические участки – А (аминокислотный) и Р (пептидильный). Начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5"→ 3", что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из A-участка в Р-участок, а освободившийся А -участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.
Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в А-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).
Посттрансляционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и формирование уровней структурной организации и др.
Процессы дезаминирования, переаминирования и синтеза аминокислот, альбуминов и большей части глобулинов сыворотки крови, протромбина и фибриногена происходят в печени. Предполагают, что альбумин и α-глобулины вырабатываются полигональными клетками печени, β- и ү-глобулины образуются в РЭС, в частности в купферовских клетках печени и плазматических клетках костного мозга.
Ведущая роль печени в белковом обмене объясняет большой интерес клиницистов к методам определения показателей этого обмена. К ним относится прежде всего определение общего количества белка плазмы и его фракций, в том числе и протромбина. Наряду с определением протеинограммы находят практическое применение и пробы, указывающие лишь косвенно на наличие изменений в белках крови, в том числе на проявление патологических белков - парапротеинов. К таковым принадлежат пробы на лабильность и коллоидальные пробы.
Общее количество белка в плазме здоровых людей составляет 7,0-8,5% (К. И. Степашкина, 1963). Изменение общего количества белка наблюдается лишь при тяжелых нарушениях белкового обмена. В противоположность этому изменение соотношения отдельных фракций является весьма тонким показателем состояния обмена белков.
Наиболее широкое применение в практике имеет определение белковых фракций методом электрофореза на бумаге. Недостатком последнего являются колебания в получаемых результатах в зависимости от применяемого варианта метода. Поэтому литературные данные о нормальной протеинограмме не идентичны.
В таблице 7 приведены варианты нормы, описываемые различными авторами (по В. Е. Предтеченскому, 1960).
При поражении печени уменьшается синтез альбумина и α1-глобулинов в полигональных клетках печени, а синтез β- и ү-глобулинов в купферовских клетках и перипортальных мезенхимальных клетках увеличивается (как проявление раздражения клеток ретикулоэндотелия), результатом чего являются количественные изменения белковых фракций - диспротеинемия.
Для диффузных поражений печени, как острых, так и хронических в период их обострения, характерны следующие изменения протеинограммы: уменьшение количества альбуминов и повышение глобулинов. Что касается последних, то преимущественно увеличивается ү-глобулиновая фракция, по-видимому, за счет накопления антител, сходных по электрофоретической подвижности с ү-глобулинами. Меньше повышается содержание α2- и β-глобулинов. Степень изменения протеинограммы находится в прямой зависимости от тяжести заболевания. Исключение составляет агаммаглобулинемия при печеночной коме. Общее количество белка обычно несколько повышено за счет гиперглобулинемии.
Оценивая протеинограмму у больных с поражением печени, не следует забывать, что при большом количестве самых разнообразных заболеваний наблюдается значительное изменение белковых фракций, как, например, при коллагенозах, поражениях почек, миеломатозе и др.
При заболеваниях печени происходят изменения в свертывающей системе крови, и определение различных факторов свертывания крови является тестом для оценки функционального состояния печени. Наиболее характерны изменения протромбина и проконвертина.
Протромбин (II фактор свертывания крови) является глобулином, при электрофоретическом исследовании плазмы протромбиновый пик расположен между альбуминами и ү-глобулинами. Образуется протромбин в печеночных клетках при участии витамина К. В процессе свертывания крови протромбин превращается в тромбин. Концентрация протромбина в плазме крови составляет около 0,03%. Практически определяют не абсолютное количество протромбина, а «протромбиновое время» и протромбиновый индекс. Наиболее распространенным в Советском Союзе методом определения протромбинового индекса является метод В. Н. Туголукова (1952). В норме протромбиновый индекс составляет 80-100%.
Способность гепатоцитов к синтезу протромбина при патологии печени может быть нарушена. Кроме того, поражение печени сопровождается нарушением депонирования в ней ряда витаминов, в том числе витамина К, что также является причиной гипопротромбинемии. Поэтому в случае обнаружения понижения протромбинового индекса следует провести повторное исследование после 3-дневной нагрузки витамином К - по 0,015 викасола 3 раза в день. Если количество протромбина остается низким, то это свидетельствует о поражении паренхимы печени.
Другим фактором свертывающей системы крови, закономерно реагирующим на поражение печени, является проконвертин (фактор VII, стабильный фактор). Проконвертин катализирует действие тромбопластина, ускоряя образование тромбина. Данный фактор образуется в печени, содержание его в плазме составляет 0,015-0,03%. Количество проконвертина, как и протромбина, выражают в виде индекса. Время проконвертина составляет в норме 30-35 секунд, индекс - 80-120%.
При поражении паренхимы печени понижаются как протромбиновый индекс, так и показатель проконвертина. Имеется параллелизм между этими показателями и тяжестью поражения печени (К. Г. Капетанаки и М. А. Котовщикова, 1959; А. Н. Филатов и М. А. Котовщикова, 1963).
Предложено большое количество различных методов, косвенно определяющих наличие диспротеинемии и парапротеинемии. Все они основаны на осаждении патологического белка различными реактивами.
Проба Таката-Ара (сулемовая проба) основана на выпадении хлопьевидного осадка крупнодисперсных белков под действием реактива Таката, содержащего сулему. Реакция оценивается по плотности осадка или по разведению сыворотки, при котором наступило помутнение. Проба оценивается как положительная, если в ряду пробирок с реактивом Таката и убывающим количеством сыворотки (1,0; 0,5; 0,25; 0,12 мл и т. д.) хлопьевидный осадок выпадает в первых трех и более пробирках; если только в первых двух - слабо положительная. Проба выпадает положительной при увеличении содержания ү-глобулинов в крови, в частности при болезни Боткина, при циррозе печени, но также и при ряде других заболеваний (пневмония, сифилис и др.).
Одной из модификаций пробы Таката-Ара является проба Гросса (сулемово-осадочная реакция), при которой результаты выражаются в миллилитрах сулемового реактива, необходимого для получения отчетливого помутнения. Нормой является 2 мл и более. При заболеваниях печени показатели пробы Гросса снижаются до 1,8-1,6 мл, при тяжелом поражении - до 1,4 мл и ниже.
Проба Вельтмана основана на коагуляции белков плазмы при нагревании в присутствии раствора хлористого кальция различной концентрации (от 0,1 до 0,01%). В норме коагуляция наступает при концентрации раствора выше чем 0,04%, т. е. в первых 6-7 пробирках. Для поражения печени характерно появление осадка при меньшей концентрации - удлинение коагуляционной «ленты».
Проба с кефалином основана на возникновении флокуляции кефалин-холестериновой эмульсии в присутствии сыворотки крови больного. Проба имеет то преимущество перед указанными выше, что выпадает резко положительной при наличии некрозов в паренхиме печени и поэтому может быть полезна в определении активности процесса при болезни Боткина и циррозе печени и в дифференциальном диагнозе между механической желтухой (на ранних этапах) и поражением паренхимы печени.
Тест тимолового помутнения основан на определении помутнения, возникающего при соединении испытуемой сыворотки с тимоловым реактивом. Степень помутнения определяется через 30 минут и оценивается в спектрофотометре или в колориметре. Используя стандартную кривую мутности, получают результат в условных единицах. Норма колеблется от 0,8 до 5,0 ед. При поражении печени показатель пробы увеличивается, достигая 30-35 ед. при болезни Боткина (Popper, Schaffner, 1961).
Проба тимолового помутнения может быть продолжена в виде теста тимоловой флоккуляции: оценивается флоккуляция, наступающая через 24 часа после соединения сыворотки с тимоловым реактивом.
Остаточный азот крови составляет в норме 20-40 мг%. Выраженная азотемия (до 100 мг% и более) встречается при тяжелых поражениях печени (острая дистрофия при гепатите, терминальная стадия цирроза, печеночная недостаточность после операции на печени и желчевыводящих путях) и свидетельствует о развитии печеночной недостаточности.
Аммиак сыворотки крови составляет в норме 40-100 ү%. Гипераммониемия наблюдается при печеночной недостаточности, а также при наличии выраженных порто-кавальных анастомозов (развившихся естественно или созданных при операции), по которым кровь от кишечника идет, минуя печень. Наиболее выраженное увеличение количества аммиака в периферической крови наблюдается у больных с печеночной недостаточностью после нагрузки белком (употребление в пищу большого количества мяса, поступление в кишечник крови при пищеводном или желудочном кровотечении). Для выявления портально-печеночной недостаточности может быть применена проба с нагрузкой аммиачными солями (А. И. Хазанов, 1968).
Липопротеиды и гликопротеиды *. Белки сыворотки крови образуют устойчивые соединения с липидами и углеводами: липо- и гликопротеиды. Естественно, что при изменении соотношения различных фракций белков плазмы изменяется и содержание связанных с ними комплексов.
При электрофорезе липопротеиды разделяются на фракции, соответствующие α1-,β и ү-фракциям глобулина. К ү-фракции («липидный остаток») относятся мало подвижные в электрическом поле соединения белка с нейтральным жиром и холестериновыми эфирами. Эта фракция не представляет практического интереса, поскольку последняя не изменяется в условиях патологии. У здоровых лиц имеется следующее процентное соотношение α- и β-фракций, липопротеидов (И. Е. Тареева, 1962): α-липопротеиды - 29,0 ± 4,9; β-липопротеиды - 71,0 ± 4,9; отношение β/α-2,45 ± 0,61.
Установлена связь между изменением соотношения α- и β-фракцией липопротеидов и степенью тяжести повреждения паренхимы печени. Нет полного параллелизма между изменением липопротеинограммы и другими функциональными показателями. Однако следует отметить, что для болезни Боткина и активной фазы цирроза печени характерно понижение количества α-липопротеидов до полного их исчезновения на липидограмме и повышение β-липопротеидов с соответственным увеличением соотношения β/α в несколько раз. При хронических поражениях печени указанные изменения менее выражены.
Гликопротеиды - соединения различных углеводов с белками, в основном с глобулинами. Электрофоретический метод дает разделение фракций гликопротеидов с соответствующими белковыми фракциями. Синтез гликопротеидов осуществляется в печени, поэтому понятна попытка применения определения гликопротеидов с целью функциональной диагностики. Однако данные, получаемые различными авторами при обследовании больных с патологией печени, остаются весьма противоречивыми. Более характерным является увеличение фракции α-гликопротеидов (Н. А. Заславская, 1961; И. Д. Мансурова, В. И. Дронова и М. С. Панасенко, 1962).
* Методику определения см: А. Ф. Блюгер. Структура и функция печени при эпидемическом гепатите. Рига, 1964.
Обмен белков
Обмен белков - центральное звено всех биохимических процессов, лежащих в основе существования живого организма. Интенсивность обмена белков характеризуется балансом азота , так как основная масса азота организма приходится на белки. При этом учитывается азот кормов, азот организма и азот продуктов выделения. Баланс азота может быть положительным (когда происходит увеличение массы животного и задержка азота в организме), равным нулю, или наблюдается азотистое равновесие (из организма выводится столько азота, сколько поступает с кормами), и отрицательным (распад белков не компенсируется белками кормов). Баланс азота характеризуется белковым минимумом - наименьшим количеством белка в кормах, которое необходимо для сохранения в организме азотистого равновесия. Белковый минимум, рассчитанный на 1 кг живой массы, имеет такие средние величины, г:
| Корова лактирующая | 1 |
| Корова нелактирующая | 0,6-0,7 |
| Овца | 1 |
| Коза | 1 |
| Свинья | 1 |
| Лошадь работающая | 1,24,42 |
| Лошадь неработающая | 0,7-0,8 |
Белки кормов делят на полноценные и неполноценные . Полноценные корма содержат остатки незаменимых аминокислот, которые не могут быть синтезированы организмом животного: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. К условно незаменимым аминокислотам относят
гистидин, так как его небольшой недостаток в кормах восполняется синтезом микрофлорой в пищевом канале. Остальные аминокислоты - заменимые и могут синтезироваться в организме животного: аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, серии. Пять аминокислот считают частично заменимыми: аргинин, глицин, тирозин, цистин и цистеин. Иминокислоты пролин и оксипролин могут синтезироваться в организме.
В различных кормах и пищевых продуктах содержится неодинаковое количество белков, %:
| Бобы гороха | 26 | Дрожжи кормовые | 16 |
| Бобы сои | 35 | Картофель | 2,0-5 |
| Зерно пшеницы | 13 | Капуста | 1,1-1,6 |
| Зерно кукурузы | 9,5 | Морковь | 0,8-1 |
| Зерно риса | 7,5 | Свекла | 1,6 |
Богаты полноценными белками продукты животноводства, %:
| Говяжье мясо постное | 21,5 | Творог | 14,6 |
| Баранина постная | 19,8 | Сыры | 20-36 |
| Баранина жирная | 25 | Яйцо куриное | 12,6 |
| Свинина жирная | 16,5 | Молоко коровье | 3,5 |
| Рыба | 9-20 | Масло коровье | 0,5 |
Эталоном полноценного белка чаще всего служит казеин, содержащий все незаменимые аминокислоты.
Переваривание белков. В пищевом канале белки подвергаются расщеплению до аминокислот и простатических групп.
В ротовой полости корма, содержащие белки, механически измельчаются, смачиваются слюной и образуют пищевой ком, который по пищеводу поступает в желудок (у жвачных - в преджелудки и сычуг, у птиц - в железистый и мышечный желудки). В составе слюны нет ферментов, способных расщеплять белки корма. Пережеванные кормовые массы поступают в желудок (у жвачных в сычуг), перемешиваются и пропитываются желудочным соком.
Желудочный сок - бесцветная и слегка опалесцирующая жидкость плотностью 1,002-1,010. У человека в течение суток образуется около 2 л, у крупного рогатого скота - 30, у лошади - 20, у свиньи - 4, у собаки - 2-3, у овцы и козы - 4 л желудочного сока. Выделение желудочного сока в первой
(сложнорефлекторной) фазе определяется видом, запахом и вкусом корма, во второй (нейрогуморальной) - его химическим составом и механическим раздражением рецепторов слизистой оболочки. В состав желудочного сока входит 99,5% воды и 0,5% плотных веществ. Плотные вещества включают ферменты пепсин, реннин, гастриксин, желатиназу, липазу (у свиней и амилазу); белки - сывороточные альбумины и глобулины, мукопротеины слизи, фактор Касла; из минеральных веществ кислоты (в основном соляную) и соли.
Основным ферментом желудочного сока является пепсин , а кислотой, создающей условия для его каталитического действия, - соляная. В образовании пепсина участвуют главные клетки желез дна желудка, в образовании соляной кислоты - обкладочные. Источником хлорид-ионов служит NaCl, ионов H + -протоны, поступающие из крови в цитоплазму обкладочных клеток вследствие окислительно-восстановительных реакций (Г. Д. Ковбасюк, 1978).
Соляная кислота создает необходимую кислотность для каталитического действия ферментов. Так, у человека рН желудочного сока равен 1,5-2,0, у крупного рогатого скота - 2,17-3,14, у лошади - 1,2-3,1, у свиньи - 1,1-2,0, у овцы - 1,9-5,6, у птиц - 3,8. Соляная кислота создает также условия для превращения пепсиногена в пепсин, ускоряет расщепление белков на составные части, их денатурацию, набухание и разрыхление, препятствует развитию в желудке гнилостных и бродильных процессов, стимулирует синтез гормонов кишечника и др. В лабораторной практике определяют общую, свободную и связанную кислотность желудочного сока.
Реннин (химозин, или сычужный фермент) вырабатывается у молодых жвачных железами слизистой оболочки сычуга. Синтезируется в виде прореннина, который при значении рН
В желудке происходит гидролитическое расщепление большинства белков корма. Так, нуклеопротеиды под влиянием соляной кислоты и пепсина распадаются на
нуклеиновые кислоты и простые белки. Здесь же происходит расщепление и других протеидов. Под влиянием пепсина расщепляются пептидные связи по краям белковых молекул. Легче всего разрываются связи, образованные ароматическими и дикарбоновыми аминокислотами. Пепсин легко ращепляет белки животного происхождения (казеин, миоглобин, миоген, миозин) и некоторые растительные белки, построенные в основном из моноаминодикарбоновых кислот (глиадин и глутелин злаков), за исключением кератинов шерсти, фиброинов шелка, муцинов слизи, овомукоидов, некоторых белков костей и хрящей.
Часть белков расщепляется другими протеолитическими ферментами желудочного сока, например, коллагены - желатиназой, казенны - реннином.
Под влиянием составных частей желудочного сока, прежде всего соляной кислоты и ферментов, белки в желудке гидролизуются до простетических групп, альбумоз, пептонов, полипептидов и даже аминокислот.
Желудочная секреция стимулируется гормоноидами слизистой оболочки пищевого канала: гастрином (в привратнике), энтерогастрином (в кишках), гистамином (в желудке) и др.
Особенности переваривания белков у жвачных. У жвачных пищевой ком из пищевода поступает в преджелудки, где подвергается дополнительной механической переработке, при жвачке возвращается в ротовую полость, снова измельчается, затем попадает в рубец, сетку, книжку и сычуг, где завершается первый этап пищеварения.
В преджелудках происходит химическая переработка веществ корма под влиянием ферментов бактерий, инфузорий и грибов, симбиотирующих там. До 38% микробов рубца крупного рогатого скота и 10% микробов рубца овец обладают протеолитической активностью, 70-80% таких ферментов сосредоточены внутри клеток, 20-30%-в рубцовой жидкости. Ферменты действуют аналогично трипсину, расщепляя пептидные связи между карбоксильной группой аргинина или лизина и аминогруппой других аминокислот при рН 5,5-6 и рН 6,5-7. Белки под влиянием пептид-гидролаз расщепляются до пептидов, пептиды пептидазами - до олигопептидов, олигопептиды - до аминокислот. Так, зеин кукурузы гидролизуется на 60% до аминокислот, а
казеин - на 90%. Часть аминокислот дезаминируется ферментами бактерий.
Замечательной особенностью пищеварения в преджелудках является синтез белков микроорганизмами из небелковых веществ корма и продуктов его переработки. Основная масса растительных кормов представлена углеводами, и прежде всего клетчаткой. Клетчатка в преджелудках под влиянием микробных ферментов целлюлазы и целлобиазы расщепляется до α-D (+)-глюкозы и β-D (+) -глюкозы.
Монозы подвергаются различным видам брожения, что приводит к образованию низкомолекулярных жирных кислот. Так, при молочнокислом брожении, вызываемом Bact. lactis, из глюкозы образуется молочная кислота: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 →CHOH - COOH. При маслянокислом брожении, вызываемом бактериями рода Clostridium, образуется масляная кислота: C 6 H 12 O 6 → CH 3 - CH 2 - CH 2 - COOH + 2H 2 + 2CO 2 и т. д.
Количество летучих жирных кислот в рубце коровы может достигать 7 кг в сутки. При сеноконцентратном рационе в рубце коров содержится: уксусной кислоты - 850-1650 г, пропионовой - 340-1160, масляной кислоты - 240-450 г.
В пересчете на уксусную кислоту в рубце овцы за сутки образуется 200-500 г летучих жирных кислот. Их процентный состав следующий:
Часть этих кислот идет на синтез молочного жира, гликогена и других веществ (рис. 22), часть - служит материалом для синтеза микрофлорой аминокислот и собственного белка.
Синтез микрофлорой аминокислот в преджелудках жвачных происходит за счет безазотистых продуктов брожения и аммиака. Источником аммиака являются продукты расщепления мочевины, аммонийных солей и
других азотсодержащих добавок к рационам. Так, мочевина под влиянием фермента уреазы, продуцируемого микрофлорой рубца, расщепляется до аммиака и углекислого газа:
Источником безазотистых продуктов чаще всего служат кетокислоты, которые образовались из кислот жирного ряда (см. выше). Этот биосинтез носит обычно характер восстановительного аминирования:
Из аминокислот микроорганизмы синтезируют белки, необходимые для своего существования. В зависимости от рациона в рубце коров может синтезироваться 300-700 г бактериального белка в сутки.
Из преджелудков кормовые массы поступают в сычуг, где под влиянием кислого сычужного сока микроорганизмы гибнут, а их белки расщепляются до аминокислот.
Из желудка (сычуга) кормовые массы мелкими порциями поступают в тонкую кишку , где завершается расщепление белков. В нем участвуют протеолитические ферменты секрета поджелудочной железы и кишечного сока. Эти реакции протекают в нейтральной и слабощелочной среде (рН 7-8,7). В тонкой кишке гидрокарбонаты секрета поджелудочной железы и кишечного сока нейтрализуют соляную кислоту: HCl + NaHCO 3 → NaCl + H 2 CO 3 .
Угольная кислота под влиянием фермента карбоангидразы расщепляется до CO 2 и H 2 O. Наличие CO 2 способствует образованию в химусе стойкой эмульсии, облегчающей процессы пищеварения.
Около 30% пептидных связей белков расщепляется трипсином. Он выделяется в виде неактивного трипсиногена и под влиянием фермента слизистой оболочки кишок энтерокиназы превращается в активный трипсин, теряя гексапептид, который закрывал ранее активный центр (рис, 23), Трипсин расщепляет пептидные связи, образованные - СООН-группами аргинина и лизина и - NН 2 -группами других аминокислот.
Почти 50% пептидных связей расщепляется химо-трипсином. Он выделяется в виде химо-трипсиногена, который под влиянием трипсина превращается в химо-трипсин. Фермент расщепляет пептидные связи, образованные - СООН-группами фенилаланина, тирозина и триптофана и - NН 2 -группами других аминокислот. Остальные пептидные связи расщепляются пептидазами кишечного сока и сока поджелудочной железы - карбоксипептидазами и аминопептидазами.
В составе сока поджелудочной железы есть коллагеназа (расщепляет коллаген) и эластиназа (гидролизует эластин). Деятельность ферментов активируется микроэлементами: Mg 2+ , Mn 2+ , Со 2+ и др. Заключительный этап переваривания белков отражает схема:
Переваривание белков происходит в полости кишок и на поверхности слизистой оболочки (пристеночное пищеварение).
В полости кишок расщепляются белковые молекулы, а на поверхности слизистой оболочки - их "обломки": альбумозы, пептоны, полипептиды, трипептиды и дипептиды.
Белки и их производные, не подвергшиеся расщеплению в тонкой кишке, в дальнейшем в толстой кишке подвергаются гниению. Гниение - многоступенчатый
процесс, на отдельных этапах которого участвуют различные микроорганизмы: анаэробные и аэробные бактерии родов Bacillus и Pseudomonas, инфузории и др. Под влиянием бактериальных пептид-гидролаз сложные белки расщепляются на протеины и простетические группы. Протеины, в свою очередь, гидролизуются до аминокислот, а они подвергаются дезаминированию, декарбоксилированию, внутримолекулярному расщеплению, окислению, восстановлению, метилированию, деметилированию и т. д. Возникает ряд ядовитых продуктов, которые всасываются через слизистую оболочку кишок в кровеносную и лимфатическую системы и разносятся по всему организму, отравляя его органы, ткани и клетки.
Так, при гниении в толстой кишке аминокислоты подвергаются декарбоксилированию, что приводит к образованию ядовитых аминов, например трупных ядов - кадаверина и путресцина.
При дезаминировании (восстановительном, внутримолекулярном, гидролитическом, окислительном) образуются аммиак, насыщенные и ненасыщенные карбоновые кислоты, оксикислоты и кетокислоты.
Бактериальные декарбоксилазы могут вызывать дальнейшее разложение карбоновых кислот с образованием углеводородов, альдегидов, спиртов и др.: CH 3 -CH 2 - COOH → CH 3 -CH 3 + CO 2 ;
Эти процессы обычно протекают сопряженно и поэтапно, что в итоге приводит к возникновению самых различных продуктов гниения. Так, при гнилостном разложении циклических аминокислот образуются следующие фенолы.
При гнилостном разложении триптофана образуются скатол и индол.
При гнилостном разложении цистина и цистеина образуются меркаптаны, сероводород, метан, углекислый газ.
Процессы гниения белков интенсивно развиваются при кормлении животных недоброкачественными кормами, нарушении режима кормления, при заболеваниях пищевого канала (атонии преджелудков, запорах), инфекционных (колибациллезе) и инвазионных (аскаридозе) болезнях. Это отрицательно сказывается на состоянии здоровья и продуктивности животных.
Всасывание белков. Белки всасываются в виде аминокислот, низкомолекулярных пептидов и простетических групп. У новорожденных животных всасывается часть нерасщепленных белков молозива и молока. Место всасывания - микроворсинки ворсинок эпителия слизистой оболочки тонкой кишки. Аминокислоты проникают в клетку через субмикроскопические канальцы микроворсинок и экзоплазматическую мембрану благодаря процессам диффузии, осмоса, с помощью белковых переносчиков против концентрационного и электрохимического градиентов. Прежде всего аминокислота соединяется с переносчиком. Он представляет собой поливалентный ион, который имеет четыре участка для
связывания с нейтральными, кислыми и основными аминокислотами, а также с ионом Na + . Пройдя мембрану, аминокислота отщепляется от переносчика и по эндоплазматической сети и пластинчатому комплексу постепенно перемещается от апикального края к базальному участку энтероцита (рис. 24). Быстрее всасывается аргинин, метионин, лейцин; медленнее - фенилаланин, цистеин, тирозин; медленно - аланин, серии и глутаминовая кислота.
В процессах всасывания важное место принадлежит натриевому насосу, так как хлорид натрия ускоряет всасывание.
Расходуемую при этом химическую энергию обеспечивают митохондрии.
В передвижении аминокислоты по клетке участвует белковый переносчик. В базальном и латеральных участках клетки комплекс переносчик + аминокислота расщепляется.
Аминокислота диффундирует в межклеточное пространство и поступает в кровеносную или
лимфатическую системы ворсинок, а ионы Na + возвращаются к поверхности клетки и взаимодействуют с новыми порциями аминокислот. Эти процессы регулируются нервной и гуморальной системами.
В толстой кишке всасываются продукты гниения: фенол, крезол, индол, скатол и др.
Промежуточный обмен. Продукты всасывания белков через систему воротной вены поступают в печень. Оставшиеся в крови после прохождения через печень аминокислоты из печеночной вены попадают в большой круг кровообращения и разносятся к отдельным органам, тканям и клеткам. Некоторая часть аминокислот из межклеточной жидкости поступает в лимфатическую систему, затем большой круг кровообращения.
В плазме крови содержится определенное количество аминокислот и полипептидов. Их содержание возрастает после приема корма.
Плазма крови богата глутамином и глутаминовой кислотой.
Большая часть аминокислот расходуется на биосинтез белков, часть - на биосинтез биологически активных веществ (небелковых гормонов, пептидов, аминов и др.), часть, дезаминируясь, используется в качестве энергетического сырья и материала для биосинтеза липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и др.
Биосинтез белка
Биосинтез белка протекает во всех органах, тканях и клетках. Наибольшее количество белка синтезируется в печени. Синтез его осуществляют рибосомы. По химической природе рибосомы - нуклеопротеиды, состоящие из РНК (50-65%) и белков (35-50%).
Рибосомы образуются самосборкой из предварительно синтезированных РНК и белков. Они являются составными частями гранулярной эндоплазматической сети, где происходит биосинтез и перемещение синтезированных молекул белка.
Рибосомы в клетке находятся в виде скопления от 3 до 100 единиц - полисом (полирибосом, эргосом). Рибосомы обычно соединены между собой своеобразной нитью, видимой под электронным микроскопом, - иРНК (рис. 25).
Каждая рибосома способна синтезировать
самостоятельно одну полипептидную цепь, группа - несколько таких цепей и молекул белка. Примером крупной полирибосомной системы могут быть полисомы мышечной ткани, синтезирующие миозин. Полисома состоит из 60-100 рибосом и осуществляет биосинтез молекулы белка, которая состоит из 1800 аминокислотных остатков.
Биосинтез белка в клетке протекает через ряд стадий.
Активация аминокислот . В гиалоплазму из межклеточной жидкости в результате диффузии, осмоса или активного переноса поступают аминокислоты. Каждый вид амино- и иминокислоты взаимодействует со своим активирующим ферментом - аминоацилсинтетазой. Реакция активируется катионами Mg 2+ , Mn 2+ и Co 2+ . Возникает активированная аминокислота.
Соединение активированных аминокислот с тРНК. На второй стадии биосинтеза белка активированные аминокислоты (аминоациладенилаты) от соединений их с
соответствующими ферментами переносятся на тРНК цитоплазмы. Процесс катализируется аминоацил-РНК-синтетазами.
Остаток аминокислоты соединяется карбоксильной группой с гидроксильной второго углеродного атома рибозы нуклеотида тРНК.
Транспортирование комплекса активированной аминокислоты с тРНК к рибосоме клетки . Активированная аминокислота, соединенная со своей тРНК, переносится из гиалоплазмы на рибосому. Процесс катализируется специфическими ферментами, которых в организме не меньше 20,
Ряд аминокислот транспортируется несколькими тРНК (например, валин и лейцин - тремя тРНК). В этом процессе используется энергия ГТФ и АТФ.
Связывание аминоацил-тРНК с комплексом иРНК -рибосома. Аминоацил-тРНК, подойдя к рибосоме, взаимодействует с иРНК. Каждая тРНК имеет участок, который состоит из трех нуклеотидов, - антигсодон . В иРНК ему соответствует участок с тремя нуклеотидами - кодон . Каждому кодону соответствуют антикодон тРНК и одна аминокислота. В ходе биосинтеза к рибосоме присоединяются в виде аминоацил-тРНК аминокислоты, которые в дальнейшем в порядке, определяемом размещением ko-донов в иРНК, соединяются в полипептидную цепь.
Инициация полипептидной цепи . После того, как две соседних аминоацил-тРНК своими антикодонами присоединились к кодонам иРНК, создаются условия для синтеза полипептидной цепи. Формируется первая пептидная связь. Эти процессы катализируются пептидсинтетазами, активируются катионами Mg 2+ и факторами инициации белковой природы - F 1 , F 2 и F 3 . Источником химической энергии является
ГТФ. Связь возникает за счет СО-группы первой и NН 2 -труппы второй аминоацил-тРНК.
Эти реакции протекают на свободной 30S субъединице. К инициаторному комплексу присоединяется 50S субъединица, и они объединяются в рибосому, связанную с иРНК. Каждый этап инициации требует одной молекулы ГТФ.
Элонгация полипептидной цепи. Инициация полипептидной цепи начинается с N-конца, так как в образовавшемся дипептиде сохранена -NH 2 -группа первой аминокислоты. Первая тРНК, принесшая свою аминокислоту, отщепляется от комплекса иРНК - рибосома и "направляется" в гиалоплазму за новой аминокислотой. Дипептид, связанный со второй тРНК (см. выше), взаимодействует с третьей амино-ацил-тРНК, образуется трипептид, и вторая тРНК сходит с рибосомы в гиалоплазму и т. д. Пептидная цепь удлиняется (элонгируется) в результате последовательного присоединения новых аминокислотных остатков. Рибосома постепенно движется по иРНК, превращая закодированную в ней информацию в четко организованную полипептидную цепь. При каждом шаге рибосомы образуется новый пептидил-тРНК, увеличенный на один аминокислотный остаток. Процесс катализируется пептидилтрансферазой, активируется катионами Mg 2+ и белковыми факторами (EF-Tu, EF-Ts, EF-G). Источником энергии служит ГТФ. На полисоме синхронно синтезируется несколько пептидных цепей. Так создается первичная структура молекулы белка.
Терминация полипептидной цепи . Рибосома, на поверхности которой синтезировалась полипептидная цепь, достигает конца цепочки иРНК и "соскакивает" с него; к противоположному концу иРНК на ее место присоединяется новая рибосома, осуществляющая синтез очередной молекулы полипептида. Полипептидная цепь отсоединяется от рибосомы и выделяется в гиалоплазму. Эта реакция осуществляется с помощью специфического фактора освобождения (фактора R), который связан с рибосомой и облегчает гидролиз сложноэфирной связи между полипептидом и тРНК. Все стадии суммирует схема (цвет, табл. III).
В гиалоплазме из полипептидных цепей образуются простые и сложные белки. Формируются вторичная, третичная и в ряде случаев четвертичная структуры белковой молекулы.
Обновление белков в организме. Белки находятся в динамическом состоянии, подвергаясь постоянным процессам синтеза и распада. В ходе жизнедеятельности они постепенно "изнашиваются" - разрушаются их четвертичная, третичная, вторичная и первичная структуры. Инактивируются белковые функциональные группы и разрушаются связи в белковой молекуле. Возникает необходимость в замене "изношенных" белковых молекул новыми.
В зависимости от степени повреждения белковой молекулы происходит ее частичное или полное обновление. В первом случае под влиянием специальных ферментов обновляются небольшие участки полипептидных цепей или отдельные аминокислотные остатки (транспептидация). Во втором случае происходит полная замена "изношенной" молекулы белка новой. Поврежденная молекула белка распадается под влиянием тканевых протеаз или катепсинов I, II, III и IV, локализированных в лизосомах. Молекула протеида подвергается обычным для этих веществ превращениям.
Белки организма человека в целом обновляются в течение 135-155 сут. Белки печени, поджелудочной железы, стенки кишок и плазмы крови обновляются в течение 10 сут, мышц - 30, коллагена - 300 сут. Синтез молекулы белка в клетке протекает быстро - в течение 2-5 с. В организме взрослого человека ежесуточно синтезируется 90-100 г белка (1,3 г на 1 кг
массы). Степень обновления уменьшается при старении, болезнях и т. д.
Биосинтез пептидов
Часть эндо- и экзогенных аминокислот идет на синтез пептидов.
Глутатион . Представляет собой трипептид, образованный из остатков глутаминовой кислоты, цистеина и глицина.
Биосинтез протекает в две стадии. Так, вначале под влиянием фермента γ -глутамилцистеинсинтетазы образуется дипептид-, затем при участии трипептид - синтетазы - трипептид-глутатион:
Он является составной частью многих ферментов, защищает SH-группы белков от окисления.
Карнозин и ансерин. Дипептиды мышечной ткани. Карнозин образуется из гистидина и β -аланина, ансерин - из 1-метилгистидина и β -аланина.
Пептиды синтезируются под влиянием специфических ферментов, при участии АТФ и Мg 2+ -ионов. Реакции протекают в две стадии, например синтез карнозина.
Биосинтез и обмен отдельных аминокислот
Заменимые аминокислоты синтезируются в тканях организма; незаменимые поступают в организм в составе корма; условно заменимые синтезируются в тканях в ограниченной мере (аргинин и гистидин) или при наличии предшественников (тирозин и цистеин). Некоторое количество аминокислот синтезируется симбиотической микрофлорой в пищевом канале.
Материалом для синтеза аминокислот чаще всего служат α -кето- и α -оксикислоты, которые образуются в тканях при промежуточном обмене углеводов, липидов и других соединений. Источником азота служат аммиак и аммонийные соли, водорода - НАД∙H 2 или НАДФ∙H 2 .
Если источником аминокислоты является кетокислота, то она может подвергаться восстановительному аминированию, которое протекает в две стадии: вначале образуется иминокислота, затем - аминокислота.
Так образуется аланин из пировиноградной кислоты, аспарагиновая и глутаминовая кислоты из щавелевоуксусной и др.
Часть глутаминовой кислоты может синтезироваться из α -кетоглутаровой кислоты под действием фермента L -глутаматдегидрогеназы.
Глутаминовая кислота используется тканями как донор аминогруппы.
Отдельные аминокислоты могут образовываться из других аминокислот трансаминированием (A. E. Браунштейн и M. Г. Крицман, 1937) под влиянием ферментов аминофераз, составной частью которых является производное витамина B 6 - пиридоксальфосфат, играющий роль переносчика NН 2 -групп (с. 271).
Так образуется глицин из серина или треонина; аланин - из глутаминовой и аспарагиновой кислот, триптофана или цистеина; тирозин из фенилаланина; цистеин и цистин - из серина или метионина; глутаминовая кислота образуется из пролина или аргинина и др.
Обмен отдельных аминокислот имеет определенные особенности.
Глицин . Участвует в ряде важнейших реакций биосинтеза. Так, из него образуются:
В тканях печени глицин участвует в процессе обезвреживания ядовитых соединений - бензойной,
фенилуксусной кислот и фенолов, образует парные соединения, которые выводятся с мочой.
Аланин . Образуется трансаминированием пировиноградной кислоты (см. выше). Существует в виде α - и β -форм. Участвует в биосинтезе.
Аспарагиновая кислота. Образуется обычно трансаминированием щавелевоуксусной кислоты (см. выше). Вместе с глутаминовой кислотой обеспечивает взаимосвязь между обменом белков, углеводов и липидов. Служит донатором аминогрупп в
реакциях трансаминирования. Основные реакции отражает схема.
Глутаминовая кислота . Содержится в тканях в составе белков, в свободном состоянии и в виде амида. Донатор аминогруппы в реакциях трансаминирования. Основные вещества, в синтезе которых участвует кислота:
Серин и треонин . Их обмен тесно связан с обменом глицина. Серин в тканях образуется из 3-фосфоглицериновой кислоты. Из серина образуется глицин в результате переноса одноуглеродного фрагмента (C 1) на тетрагидрофолиевую кислоту (ТГФК, см. с. 311). Глицин может образовываться из треонина. Фрагмент C 1 используется для синтеза гистидина и пуринов. Из серина и треонина образуется пировиноградная кислота, которая с помощью ацетил-КоА включается в ЦТК.
Часть превращений отражает схема:
Гидроксильная группа серина входит в состав активного центра многих ферментов: трипсина, химо-трипсина, эстераз, фосфорилаз.
Метионин . Является составной частью многих белков. Служит донатором метальной группы. Передача метильной группы в процессе переметилирования происходит под влиянием соответствующих метил-трансфераз через S-аденозилметионин:
Предшественником метионина является аспарагиновая кислота, которая через, несколько стадий (гомосерин, 0-сукцинил-гомосерин, цистеин, цистатионин, гомоцистеин) превращается в метионин.
Цистеин и цистин . Составные части многих белков, пептидов, гормонов и других соединений. SH-Группа цистеина - составная часть активных центров ряда ферментов. Участие цистеина в обмене веществ частично отражает схема:
Аргинин и орнитин . Аргинин образуется в процессе превращения углекислого газа и аммиака в мочевину.
Обе аминокислоты участвуют в образовании ряда жизненно важных веществ.
Лизин . Важнейшая аминокислота. Участвует в синтезе многих веществ.
Σ-Аминогруппа остатка лизина участвует в формировании связи между апо- и коферментами, особенно при образовании биотинфермента. Лизину принадлежит важная роль в связывании фосфора при минерализации костной ткани и других процессах.
Фенилаланин и тирозин . Их превращения в организме идут в таких направлениях: биосинтез белков и пептидов, образование
протеиногенных аминов, гормонов и пигментов, окисление до концевых продуктов с разрывом ядра и др.:
Триптофан . Важнейшая аминокислота. Ее превращения иллюстрируются схемой:
Гистидин . Относится к незаменимым аминокислотам. Участвует в биосинтезе и обмене многих жизненно важных веществ:
Пролин и оксипролин . Оксипролин возникает из пролина. Процесс необратимый. Обе иминокислоты используются для биосинтеза белков и др.
Превращение безазотистого остатка аминокислот
Часть аминокислот, не использованных в синтезе белков, и их производных, подвергается процессам распада до аммиака и карбоновых кислот. Аммиак обезвреживается в печени в орнитиновом цикле. Из нескольких видов дезаминирования преобладает окислительное. Образовавшиеся при этом кетокислоты используются тканями для различных потребностей. По направлению использования безазотистого остатка аминокислоты делят на два вида: глюкопластические и липопластические. Из глюкопластических аминокислот (аланин, серии, цистеин и др.) обычно образуется пировиноградная кислота, которая служит исходным веществом для биосинтеза глюкозы и гликогена.
Из липопластических аминокислот (лейцин, изолейцин, аргинин, орнитин, лизин и др.) после дезаминирования образуется ацетоуксусная кислота - источник биосинтеза высших жирных кислот.
α -Кетокислоты, образовавшиеся при окислительном дезаминировании аминокислот, декарбоксилируются и одновременно окисляются в жирные кислоты.
Образовавшаяся жирная кислота может подвергаться β -окислению, возникает ацетил-КоА - источник химической энергии или сырье для биосинтеза многих веществ.
Особенности промежуточного обмена сложных белков
Биосинтез сложных белков протекает аналогично биосинтезу протеинов. При этом формируются первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковой молекулы с присоединением соответствующей простетической группы.
Обмен хромопротеидов. В организме животных содержится ряд хромопротеидов: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, геминовые ферменты и др.
Для них характерно наличие в составе молекулы гема. Наиболее подробно изучен биосинтез гемоглобина.
Основные компоненты молекулы гемоглобина образуются в органах кроветворения: красном костном мозгу, селезенке, печени. Глобин синтезируется из аминокислот обычным для белков путем. Образование гема происходит при участии ферментов через ряд стадий.
Из двух молекул δ -аминолевулиновой кислоты образуется порфобилиноген, который содержит пиррольное кольцо.
Порфобилиноген затем образует циклическое соединение из четырех пиррольных колец - уропорфирин.
В дальнейших превращениях из уропорфирина образуется протопорфирин. В молекулу протопорфирина под влиянием фермента гемосинтетазы включается железо (Fe 2+) и возникает гем, который через остаток гистидина связывается с простым белком глобином, образуя субъединицу молекулы гемоглобина.
Гемоглобин составляет 90-95% сухой массы эритроцитов.
Обмен липопротеидов, гликопротеидов и фосфопротеидов мало чем отличается от обмена простых белков. Их синтез протекает аналогично другим белкам - с образованием первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур. Разница заключается в том, что при синтезе к белковой части молекул присоединяются разные простетические группы. При распаде молекулы сложного белка белковая часть расщепляется до аминокислот, а простетические группы (липид, углевод, фосфорные эфиры аминокислот) - до простых соединений.
Конечный обмен. Во время промежуточного обмена образуется ряд химических соединений, которые выделяются из организма как продукты распада белков. В частности, углекислый газ выделяется легкими, вода - почками, с потом, в составе кала, с выдыхаемым воздухом. Многие другие продукты обмена белков, особенно азотистые, выделяются в виде мочевины, парных соединений и т. д.
Превращение аммиака . Аммиак образуется при дезаминировании аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, никотиновой кислоты и ее производных, других азотсодержащих соединений. За сутки в организме человека дезаминируется 100-120 г аминокислот, образуется 16-19 г азота или 18-23 г аммиака. В основном аммиак в организме сельскохозяйственных животных обезвреживается в виде мочевины, частично - в виде аллантоина, мочевой кислоты и аммонийных солей. У птиц и рептилий основным конечным продуктом азотистого обмена является мочевая кислота.
Мочевина - главный конечный продукт азотистого обмена у большинства позвоночных и человека. Она составляет 80-90% всех азотистых веществ мочи. Создана современная теория образования мочевины в печени - орнитиновый цикл Кребса.
1. Отщепившиеся в процессе дезаминирования и декарбоксилирования NH 3 и CO 2 под влиянием фермента карбамоилфосфатсинтетазы соединяются, образуя карбамоил фосфат.
2. Карбамоилфосфат с орнитином при участии орнитинкарбамоилтрансферазы образуют цитруллин.
3. Под влиянием аргининосукцинатсинтетазы он взаимодействует с аспарагиновой кислотой, образуя аргининоянтарную кислоту.
4. Аргининоянтарная кислота под воздействием аргининосукцинатлиазы расщепляется на аргинин и фумаровую кислоту.
5. Аргинин под влиянием аргиназы расщепляется на орнитин и мочевину, которая удаляется из организма с мочой и потом:
Орнитин вступает в реакцию с новыми порциями карбамоилфосфата, и цикл повторяется.
Часть аммиака в тканях связывается в процессе образования амидов - аспарагина или глутамина , которые транспортируются в печень. В печени они гидролизуются, после чего из аммиака образуется мочевина. Некоторое количество аммиака используется тканями для восстановительного аминирования кетокислот, что приводит к образованию аминокислот.
Кроме того, в тканях почек аммиак участвует в процессе обезвреживания органических и неорганических кислот:
Превращения других продуктов конечного обмена белков . В процессе обмена белков образуются и другие продукты конечного обмена, в частности производные пуриновых и пиримидиновых оснований, газы (выделяются при дефекации), фенолы, индол, скатол, серная кислота и др. Особенно много таких веществ образуется в толстой кишке при гниении белков.
Эти ядовитые соединения нейтрализуются в печени образованием так называемых парных кислот, которые выделяются в составе мочи, частично - пота и кала.
Индол и скатол, образующиеся при гнилостном разложении триптофана, превращаются в индоксил и скатоксил. Они образуют парные соединения с глюкуроновой или серной кислотами.
Превращения продуктов распада хромопротеидов . При расщеплении хромопротеидов образуются глобин и гем. Глобин подвергается обычным превращениям, типичным для протеинов. Гем служит источником образования
пигментов желчи, мочи и кала. Гемоглобин, окисляясь, превращается в вердогемоглобин (холеглобин). Вердогемоглобин теряет белковую часть и атомы железа, что приводит к образованию вещества зеленого цвета - биливердина . Биливердин восстанавливается в пигмент красного цвета - билирубин . Из билирубина образуется мезобилирубин , который после очередного восстановления становится уробилиногеном . Уробилиноген в кишечнике превращается в пигменты кала - стеркобилиноген и стеркобилин , в почках - в пигмент мочи уробилин .
Продукты распада гема используются организмом для различных потребностей. Так, железо депонируется в органах в составе ферритинов. Биливердин и билирубин являются пигментами желчи, остальные вещества - пигментами мочи и кала. Расщепление мио-глобина протекает аналогично.
Регуляция белкового обмена. Особое место в регуляции принадлежит коре больших полушарий головного мозга и подкорковым центрам. В гипоталамусе имеется центр белкового обмена. Регуляция осуществляется рефлекторно, в ответ на раздражения.
Действие гормонов на биосинтез белка осуществляется путем стимуляции образования иРНК. Соматотропин усиливает синтетические процессы белка. Биосинтез белков активируется инсулином, некоторыми
андро- и эстрогенами, тироксином. Глюкокортикоиды коры надпочечников стимулируют расщепление белков и выделение азотистых веществ.
Действие гормонов на обмен белков связано с изменением скорости и направления ферментативных реакций. Биосинтез и, следовательно, активность ферментов, участвующих в обмене белков, зависит от наличия в кормах достаточного количества витаминов. В частности, пиридоксальфосфат является коферментом декарбоксилаз аминокислот, витамин B 2 - составная часть кофермента аминооксидаз, витамин PP-основа дегидразы глутаминовой кислоты, без витамина С не может проходить биосинтез пролина и оксипролина и т. д.
Патология белкового обмена. Обмен белков нарушается при инфекционных, инвазионных и незаразных болезнях. Причиной нарушений белкового обмена бывает неправильно составленный рацион, кормление недоброкачественными кормами, несоблюдение режима кормления и др. Это приводит к снижению уровня продуктивности животных, ухудшению их здоровья, а иногда и к гибели.
Патология белкового обмена проявляется в различных формах.
Белковое голодание . Различают два вида белкового голодания: первичное, когда в кормах нет достаточного количества незаменимых аминокислот, и вторичное, вызванное заболеваниями пищевого канала, печени, поджелудочной железы. У животных замедляется рост, появляется общая слабость, отечность, нарушается костеобразование, наблюдаются потеря аппетита, поносы. Возникает отрицательный азотистый баланс, наступает гипопротеинемия (в крови уменьшается содержание белков на 30-50%).
Нарушение обмена аминокислот . Проявляется в нескольких видах. Так, при некоторых болезнях печени (гепатитах, циррозах, острой желтой дистрофии) в крови и моче резко увеличивается содержание аминокислот - наступает алкаптонурия. В частности, при нарушении обмена тирозина развивается алкаптонурия, сопровождаемая резким потемнением мочи после стояния на воздухе. При цистинозе происходит отложение цистина в печени, почках, селезенке, лимфатических узлах, кишках и
наблюдается избыток цистина в моче (цистинурия). При фенилкетонурии в моче появляется большое количество фенилпировиноградной кислоты. Часто причиной таких нарушений бывают авитаминозы.
Нарушение обмена сложных белков. Чаще всего они проявляются в виде нарушений нуклеинового и порфиринового обменов. В последнем случае нарушается обмен гемоглобина, мио-глобина и других белков. Так, при различных поражениях печени (гепатитах, фасциолезе и др.) возникает гипербилирубинемия - содержание билирубина в крови возрастает до 0,3 - 0,35 г/л. Моча становится темной, в ней появляются большие количества уробилина, возникает уробилинурия. Иногда наблюдается порфирия - увеличение в крови и тканях содержания порфиринов. Это приводит к порфинурии, и моча становится красной.
Контрольные вопросы
1. Что такое белки, каковы их значение, химический состав, физико-химические свойства, структура (первичная, вторичная, третичная, четвертичная)? Их классификация.
2. Дайте характеристику основных групп и подгрупп аминокислот, приведите структурные формулы важнейших из них, проанализируйте их свойства.
3. Что такое баланс азота, белковый минимум, полноценные и неполноценные белки, заменимые, условно заменимые и незаменимые аминокислоты? Напишите формулы незаменимых аминокислот.
4. Проанализируйте основные этапы обмена белков в организме различных видов сельскохозяйственных животных - переваривание, всасывание, промежуточный (биосинтез и распад) и конечный обмены.
5. Как регулируется белковый обмен в организме животных и чем проявляется патология обмена белков?
В организме взрослого человека метаболизм азота в целом сбалансирован , то есть количества поступающего и выделяемого белкового азота примерно равны. Если выделяется только часть вновь поступающего азота, баланс положителен . Это наблюдается, например, при росте организма. Отрицательный баланс встречается редко, главным образом как следствие заболеваний.
Полученные с пищей белки подвергаются полному гидролизу в желудочно-кишечном тракте до аминокислот, которые всасываются и кровотоком распределяются в организме (см. ). 8 из 20 белковых аминокислот не могут синтезироваться в организме человека (см. ). Эти незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей (см. ).
Через кишечник и в небольшом объёме также через почки организм постоянно теряет белок. В связи с этими неизбежными потерями ежедневно необходимо получать с пищей не менее 30 г белка. Эта минимальная норма едва ли соблюдается в некоторых странах, в то время как в индустриальных странах содержание белка в пище чаще всего значительно превышает норму. Аминокислоты не запасаются в организме, при избыточном поступлении аминокислот в печени окисляется или используется до 100 г аминокислот в сутки. Содержащийся в них азот превращается в мочевину (см. ) и в этой форме выделяется с мочой, а углеродный скелет используется в синтезе углеводов, липидов (см. ) или окисляется с образованием АТФ.
Предполагается, что в организме взрослого человека ежедневно разрушается до аминокислот 300-400 г белка (протеолиз ). В то же время примерно то же самое количество аминокислот включается во вновь образованные молекулы белков (белковый биосинтез ). Высокий оборот белка в организме необходим потому, что многие белки относительно недолговечны : они начинают обновляться спустя несколько часов после синтеза, а биохимический полупериод составляет 2-8 дней. Ещё более короткоживущими оказываются ключевые ферменты промежуточного обмена. Они обновляются спустя несколько часов после синтеза. Это постоянное разрушение и ресинтез позволяют клеткам быстро приводить в соответствие с метаболическими потребностями уровень и активность наиболее важных ферментов. В противоположность этому особенно долговечны структурные белки, гистоны, гемоглобин или компоненты цитоскелета.
Почти все клетки способны осуществлять биосинтез белков (на схеме наверху слева). Построение пептидной цепи путём трансляции на рибосоме рассмотрено на в статьях , . Однако активные формы большинства белков возникают только после ряда дальнейших шагов. Прежде всего при помощи вспомогательных белков шаперонов должна сложиться биологически активная конформация пептидной цепи (свёртывание , см. , ). При пострансляционном созревании у многих белков удаляются части пептидной цепи или присоединяются дополнительные группы, например олигосахариды или липиды. Эти процессы происходят в эндоплазматическом ретикулуме и в аппарате Гольджи (см. ). Наконец, белки должны транспортироваться в соответствующую ткань или орган (сортировка , см. ).
Внутриклеточное разрушение белков (протеолиз ) происходит частично в липосомах. Кроме того, в цитоплазме имеются органеллы, так называемые протеасомы , в которых разрушаются неправильно свёрнутые или денатурированные белки. Такие молекулы узнаются с помощью специальных маркеров (см. ).
Статьи раздела «Белковый обмен: общие сведения»:
- А. Белковый обмен: общие сведения
Biological Aging: Methods and Protocols investigates the various processes that are affected by the age of an organism. Several new tools for the ...
Белки – обязательный компонент сбалансированного пищевого рациона.
Главными источниками белков для организма являются пищевые продукты растительного и животного происхождения. Переваривание белков в организме происходит с участием протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта. Протеолиз – гидролиз белков. Протеолитические ферменты – ферменты, осуществляющие гидролиз белков. Данные ферменты подразделяются на две группы – экзопепетидазы , катализирующие разрыв концевой пептидной связи с освобождением одной какой-либо концевой аминокислоты, и эндопептидазы , катализирующие гидролиз пептидных связей внутри полипептидной цепи.
В ротовой полости расщепления белков не происходит из-за отсутствия протеолитических ферментов. В желудке имеются все условия для переваривания белков. Протеолитические ферменты желудка – пепсин, гастриксин – проявляют максимальную каталитическую активность в сильно кислой среде. Кислая среда создается желудочным соком (рН = 1,0–1,5), который вырабатывается обкладочными клетками слизистой оболочки желудка и в качестве основного компонента содержит соляную кислоту. Под действием соляной кислоты желудочного сока происходит частичная денатурация белка, набухание белков, что приводит к распаду его третичной структуры. Кроме того, соляная кислота переводит неактивный профермент пепсиноген (вырабатывается в главных клетках слизистой оболочки желудка) в активный пепсин. Пепсин
катализирует гидролиз пептидных связей, образованных остатками ароматических и дикарбоновых аминокислот (оптимум рН = 1,5–2,5). Слабее проявляется протеолитическое действие пепсина на белки соединительной ткани (коллаген, эластин). Не расщепляются пепсином протамины, гистоны, мукопротеины и кератины (белки шерсти и волос).
По мере переваривания белковой пищи с образованием продуктов гидролиза щелочного характера рН желудочного сока изменяется до 4,0. С уменьшением кислотности желудочного сока проявляется деятельность другого протеолитического фермента – гастриксина
(оптимум рН= 3,5–4,5).
В желудочном соке детей обнаружен химозин (реннин), расщепляющий казеиноген молока.
Дальнейшее переваривание полипептидов (образовавшихся в желудке) и нерасщепившихся белков пищи осуществляется в тонком кишечнике под действием ферментов панкреатического и кишечного соков. Протеолитические ферменты кишечника – трипсин, химотрипсин – поступают с панкреатическим соком. Оба фермента наиболее активны в слабощелочной среде (7,8–8,2), что соответствует рН тонкого кишечника. Профермент трипсина – трипсиноген, активатор – энтерокиназа (вырабатывается стенками кишечника) или ранее образованный трипсин. Трипсин
гидролизует пептидные связи, образованные арг и лиз. Профермент химотрипсина – химотрипсиноген, активатор – трипсин. Химотрипсин расщепляет пептидные связи между ароматическими амк, а также связи, которые не были гидролизованы трипсином.
Благодаря гидролитическому действию на белки эндопептидаз (пепсин, трипсин, химотрипсин) образуются пептиды различной длины и некоторое количество свободных аминокислот. Дальнейший гидролиз пептидов до свободных аминокислот осуществляется под влиянием группы ферментов – экзопептидаз . Одни из них – карбоксипептидазы – синтезируются в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидазы, активируются трипсином в кишечнике, отщепляют аминокислоты с С-конца пептида; другие – аминопептидазы – синтезируются в клетках слизистой оболочки кишечника, активируются трипсином, отщепляют аминокислоты с N – конца.
