Метаболизм белков и аминокислот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коллоквиум «Метаболизм белков и аминокислот»



1. Значение белков для жизнедеятельности организма. Азотистый баланс. Понятие о полноценности белков. Заменимые и незаменимые аминокислоты

Белки выполняют множество самых разнообразных функций, характерных для живых организмов.

1)Каталитическая функция. Идентифицировано более 3400 ферментов. Большинство известных в настоящее время ферментов, 20 называемых биологическими катализаторами, является белками. Эта функция белков, хотя и не оказалась уникальной, определяет скорость химических реакций в биологических системах.

2)Транспортная функция. Дыхательная функция крови, в частности перенос кислорода, осуществляется молекулами гемоглобина - белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Ряд других сывороточных белков образует комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы-мишени.

3)Защитная функция. А)Основную функцию защиты в организме выполняет иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белков-антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов, вирусов или чужеродных белков. Высокая специфичность взаимодействия антител с антигенами (чужеродными веществами) по типу белок-белковое взаимодействие способствует узнаванию и нейтрализации биологического действия антигенов. Б) Защитная функция белков проявляется и в способности ряда белков плазмы крови, в частности фибриногена, к свертыванию. В результате свертывания фибриногена образуется сгусток крови, предохраняющий от потери крови при ранениях.

4)Сократительная функция. В акте мышечного сокращения и расслабления участвует множество белковых веществ. Однако главную роль в этих жизненно важных процессах играют актин и миозин - специфические белки мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечивает тончайшие процессы жизнедеятельности клеток (расхождение хромосом в процессе митоза).

5)Структурная функция. Белки, выполняющие структурную (опорную) функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела человека. Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в частности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже, эластин в сосудистой стенке и др. Большое значение имеют комплексы белков с углеводами в формировании ряда секретов: мукоидов, муцина и т.д. В комплексе с липидами (в частности, с фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клеток.

6)Гормональная функция. Обмен веществ в организме регулируется разнообразными механизмами. В этой регуляции важное место занимают гормоны, синтезируемые не только в железах внутренней секреции, но и во многих других клетках организма. Ряд гормонов представлен белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др. Некоторые гормоны являются производными аминокислот.

7)Питательная (резервная) функция. Эту функцию выполняют так называемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию. Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма.

Можно назвать еще некоторые другие жизненно важные функции белков. Это, в частности, экспрессия генетической информации, генерирование и передача нервных импульсов, способность поддерживать онкотическое давление в клетках и крови, буферные свойства, поддерживающие физиологическое значение рН внутренней среды, и др.

Биологически полноценными называются те белки, в которых в достаточном количестве содержатся все аминокислоты, необходимые для синтеза белка животного организма. В состав полноценных белков, необходимых для роста организма, входят следующие незаменимые аминокислоты: лизин, триптофан, треонин, лейцин, изолейцин, гистидин, аргинин, валин, метионин, фенилаланин. Из этих аминокислот могут образоваться другие аминокислоты, гормоны и т. д. Из фенилаланина образуется тирозин, из тирозина путем превращений -- гормоны тироксин и адреналин, из гистидина -- гистамин. Метионин участвует в образовании гормонов щитовидной железы и необходим для образования холина, цистеина и глютатиона. Он необходим для окислительно-восстановительных процессов, азотистого обмена, усвоения жиров, нормальной деятельности головного мозга. Лизин участвует в кроветворении, способствует росту организма. Триптофан также необходим для роста, участвует в образовании серотонина, витамина РР, в тканевом синтезе. Лизин, цистин и валин возбуждают сердечную деятельность. Малое содержание цистина в пище задерживает рост волос, увеличивает содержание сахара в крови.

Биологические неполноценными называются те белки, в которых отсутствуют хотя бы даже одна аминокислота, которая не может быть синтезирована животными организмами.

Биологическая ценность белка измеряется количеством белка организма, которое образуется из 100 г белка пищи.

Белки животного происхождения, содержаться в мясе, яйцах и молоке, наиболее полоненные (70-95%). Белки растительного происхождения имеют меньшую биологическую ценность, например белки ржаного хлеба, кукурузы (60%), картофеля, дрожжей (67%).

Белок животного происхождения - желатина, в котором нет триптофана и тирозина, является неполноценным. В пшенице и ячмене мало лизина, в кукурузе мало лизина и триптофана.

Некоторые аминокислоты заменяют друг друга, например фенилаланин заменяет тирозин.

Два неполноценных белка, в которых недостает различных аминокислот, вместе могут составить полноценное белковое питание.

Заменимые аминокисолоты синтезируются в клетках в необходимых количествах( ала, асп, асн, глу, глн, про, гли, сер)

Аланин нормализует метаболизм углеводов. Является составной частью таких незаменимых нутриентов как пантотеновая кислота и коэнзим А.

Аргинин замедляет рост опухолей, в том числе раковых, за счет стимуляции иммунной системы организма, повышает активность вилочковой железы, которая вырабатывает T-лимфоциты. применяют при заболеваниях печени (цирроз и жировая дистрофия), он способствует дезинтоксикационным процессам в печени (прежде всего обезвреживанию аммиака)..

Аспарагиновая кислота в организме присутствует в составе белков и в свободном виде. Играет важную роль в обмене азотистых веществ.Участвует в образовании пиримидиновых оснований мочевины.

Биологическое действие аспарагиновой кислоты: иммуномодулирующее, повышающее физическую выносливость, нормализующее баланс возбуждения и торможения в ЦНС.

Гистидин усиливает секрецию соляной кислоты и пепсина в желудке. Стимулирует образование гемоглобина и кроветворение в целом, способствует улучшению половой функции, так как гистамин (производное гистидина)

Глицин (аминоуксусная кислота) является центральным нейромедиатором тормозного типа действия, оказывает седативное действие, улучшает метаболические процессы в тканях мозга, ослабляет влечение к алкоголю, оказывает положительное влияние при мышечных дистрофиях, уменьшает повышенную раздражительность, нормализует сон.

Глутаминовая кислота (глутамин) обладает уникальным свойством присоединять дополнительный атом азота, тем самым, являясь организатором синтеза различных белков (перенос азота), либо связывая избыток азота (в том числе аммиак), который может вызывать нарушение работы различных органов, но, прежде всего мозга и печени.

Пролин участвует в синтезе коллагена, восстанавливает структуру соединительной ткани (в том числе опорно-двигательного аппарата, паренхиматозных органов, сердца).

Тирозин является предшественником нейромедиаторов норадреналина и дофамина. Тиреоидные гормоны образуются при присоединении к тирозину атомов йода. Эта аминокислота участвует в регуляции настроения; недостаток тирозина приводит к дефициту норадреналина, что, в свою очередь приводит к депрессии. Тирозин подавляет аппетит, способствует уменьшению отложения жиров, способствует выработке мелатонина и улучшает функции надпочечников, щитовидной железы и гипофиза.

Незаменимые аминокислоты.Не могут синтезироваться в организме( вал,лей,иле,мет,фен,три,лиз,тре)

Лизин входит в состав практически любых белков, понижает уровень триглицеридов в сыворотке крови, оказывает противовирусное действие, особенно в отношении вирусов, вызывающих герпес и острые респираторные инфекции. Хорошо сочетается с витамином С и биофлавоноидами.

Метионин обеспечивает дезинтоксикационные процессы, прежде всего по связыванию тяжелых металлов, эндогенных и экзогенных токсинов, а также при токсикозе беременности, оказывает выраженное антиоксидантное действие, так как является хорошим источником серы, инактивирующей свободные радикалы. Помогает переработке жиров, предотвращая их отложение в печени и стенках артерий. Синтез таурина и цистеина зависит от количества метионина в организме.

Треонин поддерживает липотропную функцию печени совместно с метионином и аспартамом, играет важную роль в образовании коллагена и эластина, иммунитет, участвует в производстве антител.

Фенилаланин принимает активное участие в синтезе белков, повышает умственную активность, память, способствует улучшению секреторной функции поджелудочной железы и печени.

Триптофан необходим для производства витамина B3 (ниацина) и серотонина-важнейшего нейромедиатора, передающего нервные импульсы. Серотонин нормализует сон, стабилизирует настроение, снижает аппетит.Триптофан снижает содержание жиров, образующих холестерин в крови, также обладает гипотензивным свойством, расширяя кровеносные сосуды. Участвует в синтезе альбуминов и глобулинов, усиливает выделение гормона роста.

Валин необходим для восстановления поврежденных тканей и метаболических процессов в мышцах при тяжелых нагрузках и для поддержания нормального обмена азота в организме, оказывает стимулирующее действие.

Лейцин, действуя вместе с валином и изолейцином, защищают мышечные ткани и является источником энергии, также способствует восстановлению костей, кожи, мышц. Лейцин также несколько понижает уровень сахара в крови и стимулирует выделение гормона роста.

Изолейцин необходим для образования гемоглобина, стабилизирует уровень сахара в крови, восстанавливает мышечные ткани, ускоряет процесс выработки энергии.

Частично заменимые - синтезируются очень медленно в количествах не покрывающих потребности организма, особенно у детей(гис, арг).

Условно заменимые- синтезируются из незаменимых аминокислот(цис, тир, из мет и фен соответственно)

Отсутствие в пище незаменимых аминокислот нарушает синтез практически всех белков. Белковое голодание приводит к необратимым нарушениям: циррозу печени, анемии, поражению почек, нарушению функции нервной системы.

2. Качественный и количественный состав желудочного сока и его биохимическое исследование. Определение кислотности желудочного сока

Желудочный сок -- продукт деятельности желудочных желез и покровного эпителия слизистой оболочки желудка.

Чистый желудочный сок представляет собой бесцветную, слегка опалесцирующую жидкость без запаха со взвешенными комочками слизи. В состав его входят соляная кислота, ферменты, минеральные вещества, вода, особые физиологически активные вещества и слизь. Желудочный сок имеет кислую реакцию. Суточное его количество около 2 л.



Исследование желудочной секреции

Зондовые методы: позволяют наиболее полно оценить так называемую базальную и стимулированную кислотности желудочного сока, ферментообразующую функцию желудка, pH и др. Беззондовые методы: не требуют введения зонда в желудок и используются преимущественно в амбулаторной практике.

В настоящее время общепринятым является фракционное исследование желудочной секреции тонким зондом с использованием пентагастринового, гистаминового и инсулинового тестов. Одномоментное определение кислотности желудочного сока толстым зондом, так же как применение энтеральных раздражителей желудочной секреции (кофеинового «завтрака» по Качу, бульонного по Зимницкому, капустного по Лепорскому, алкогольного по Эрману) являются устаревшими и в настоящее время не должны использоваться в клинической практике.

Методика фракционного зондирования

Фракционное зондирование желудка проводится с помощью тонкого зонда - полой резиновой трубки диаметром 4-5 мм и длинной 100-150 см, слепой конец которой, вводимый в желудок, имеет имеет два боковых отверстия.

За 3-5 дней до исследования рекомендуется исключить применение пациентом антацидов, блокаторов Н2-гистаминовых рецепторов и других антисекреторных средств. Исследование проводится утром натощак после 12-часового голодания. Пациент занимает положение сидя, плотно прислонившись к стенке стула и немного наклонив голову вперед. На шею и грудь пациента следует положить полотенце, а в руки ему дать лоток (для сбора вытекающей слюны).

Стерильный зонд берут правой рукой на расстоянии 10-15 см от слепого конца, а левой рукой поддерживают его свободный конец. Слепой конец зонда помещают на корень языка, а затем осторожно вводят в глотку. Пациент при этом должен глубоко дышать и делать активные глотательные движения, благодаря которым зонд постепенно продвигается по пищеводу.

Сразу после введения зонда в желудок шприцом или специальным вакуумным насосом извлекают все содержимое желудка натощак, помещая его в отдельную пробирку или банку -- приемник (1-я порция). Затем в течение одного часа каждые 15 мин откачивают все содержимое желудка в отдельные пробирки (2-я, 3-я, 4-я и 5-я порции). Это так называемая базальная желудочная секреция (I фаза секреции), вызванная механическим раздражением желудка зондом и активной? аспирацией желудочного содержимого.

Обычно аспирацию желудочного сока проводят в течение 5 мин через 10-минутные интервалы. Более предпочтительным является непрерывное отсасывание желудочного содержимого с помощью специального вакуумного насоса со сменой емкости каждые 15 мин. Это позволяет избежать потери желудочного сока в результате его эвакуации в двенадцатиперстную кишку. После извлечения 5-й порции желудочного сока пациенту вводят один из парентеральных стимуляторов желудочной секреции (гистамин, пентагастрин, инсулин) и вновь откачивают желудочный сок в течение часа через 15-минутные интервалы времени (6-я, 7-я, 8-я, и 9-я порции). Это так называемая стимулированная секреция (II фаза).

Гистамин и пентагастрин (синтетический аналог гастрина) являются физиологическими стимуляторами желудочной секреции. Инсулин, снижая уровень глюкозы в крови, стимулирует вагусные центры желудочной секреции. Инсулиновый тест часто используется для оценки эффективности ваготомии у больных с послеоперационными рецидивами язвенной болезни. Введение гистамина в качестве стимулятора желудочной секреции противопоказано больным с аллергическими заболеваниями, а также при высоком и стойком повышении АД, недавнем кровотечении.

В результате фракционного зондирования получают следующие порции желудочного содержимого: 1-я порция -- секреция натощак, 2-я -- 5-я порции -- базальная секреция, 6-я -- 9-я порции -- стимулированная секреция. Все 9 порций желудочного содержимого, маркированного соответствующим образом, отправляют в лабораторию, где их подвергают физико-химическому исследованию.

Исследование желудочного содержимого

Исследование желудочного содержимого включает определение его физических свойств, химическое и микроскопическое исследование. Чистый желудочный сок, полученный при фракционном зондировании, представляет собой бесцветную жидкость без запаха и видимых примесей.

Количество. Измеряют объем каждой доставленной в лабораторию порции желудочного сока, в том числе полученной натощак, и рассчитывают так называемое часовое напряжение секреции в I и II ее фазах (базальная и стимулированная секреции). Эти два показателя представляют собой суммарный объем желудочного сока в мл, полученного за час базальной (2-5-я порции) и стимулированной секреции (6-9-я порции).

Объем желудочной секреции натощак не превышает 50 мл, базальной секреции -- 50-100 мл и стимулированной секреции -- от 100-140 до 160-220 (в зависимости от вида парентерального раздражителя). При использовании в качестве стимулятора капустного сока (по Лепорскому) часовое напряжение II-й фазы секреции не превышает 50-110 мл. Увеличение количества желудочного содержимого свидетельствует либо о гиперсекреции, либо о нарушении эвакуации из желудка, а уменьшение объемов -- о пониженной секреции или ускоренной эвакуации из желудка. При непрерывной аспирации желудочного сока с помощью вакуумного насоса изменение объема секреции в ее I и II фазах может характеризовать только соответствующие нарушения желудочной секреции.

Цвет и запах. Нормальный желудочный сок практически бесцветен и не имеет запаха. Желтоватая или зеленоватая его окраска указывает обычно на примесь желчи (дуоденогастральный рефлюкс), а красноватая или коричневатая -- о примеси крови (кровотечение). Появление неприятного гнилостного запаха свидетельствует о значительном нарушении эвакуации из желудка (стеноз привратника) и возникающем в связи с этим гнилостном распаде белков. Примеси. Нормальный чистый желудочный сок содержит лишь небольшое количество слизи. Увеличение примеси слизи свидетельствует о воспалении слизистой оболочки желудка, а появление в полученных порциях еще и остатков пищевых масс -- о серьезных нарушениях эвакуации из желудка (стеноз привратника).

Биохимическое исследование

Определение кислотности желудочного сока. В каждой порции желудочного сока, доставленной в лабораторию, определяют общую, свободную и связанную кислотность.

1. свободная соляная кислота (HCl), присутствующая в желудочном соке в виде диссоциированных ионов Н+ и Cl- ; 2. связанная соляная кислота (HCl), которая находится в соке в недиссоциированном виде и химически связана с белками; 3. органические кислоты, присутствующие в желудочном содержимом в норме или/и при патологии (молочная, масляная, уксусная, углекислота и другие) в виде диссоциированных ионов Н+ и соответствующих анионов.

Нейтрализация различных компонентов кислотности желудочного сока и изменение цвета индикаторов: диметиламиноазобензола (а), ализарина (б) и фенолфталеина (в)

Определение общей кислотности. К 5 мл профильтрованного желудочного сока добавляют 1 каплю 1% спиртового раствора фенолфталеина. Отметив уровень раствора NaOH в бюретке, титруют желудочный сок до появления красного окрашивания. Количество едкого натра (в мл), пошедшего на титрование 5 мл желудочного сока, умноженное на 20 (расчет ведется на 100 мл желудочного сока), соответствует общей кислотности, выраженной в ммоль/л HCl. *Например, если на титрование 5 мл желудочного сока было израсходовано 2,5 мл NaOH, то общая кислотность равна: 2,5 X 20 = 50 ммоль/л HCl.

Определение свободной соляной кислоты. К 5 мл желудочного сока добавляют 1 каплю индикатора диметиламидоазобензола, который в присутствии свободных ионов Н+ приобретает красный цвет. Желудочный сок титруют раствором NaOH до появления своеобразного оранжево-желтого цвета (цвета «семги»). Расчет свободной кислотности ведут так же, как при определении общей кислотности.

Определение связанной соляной кислоты. К 5 мл желудочного сока добавляют 1 каплю индикатора 1% раствора ализаринсульфоновокислого натра (ализарина), который в кислой среде приобретает желтый цвет, а при нейтрализации всех кислых валентностей, за исключением HCl, химически связанной с белками (т. е. связанной соляной кислоты), -- фиолетовый. Желудочный сок титруют до фиолетового окрашивания. Таким образом, с помощью ализарина определяется титр всех кислот (HCl и органических кислот), присутствующих в желудочном содержимом в виде диссоциированных ионов Н+ и соответствующих анионов.

Запомните! Для определения связанной кислотности желудочного сока из титра общей кислотности вычитают титр всех свободных кислых валентностей, определенный с помощью индикатора ализарина.

Общую, свободную и связанную кислотность на практике чаще определяют методом титрования не в трех, а в двух или даже в одном химическом стаканчике с желудочным соком. Это сокращает время исследования, но предъявляет высокие требования к точности определения момента изменения цвета различных индикаторов и измерения количеств NaOH, пошедших на титрование.



3. Механизм образования и секреции соляной кислоты и ее роль в переваривании белков

Соляная кислота секретируется обкладочными клетками главных желёз дна и тела желудка.

Обкладочные клетки содержат значительное количество митохондрий. Эти клетки имеют секреторные канальцы (см. схему 1), образованные инавагинациями цитоплазматической мембраны. Канальцы сообщаются с полостью желудочных желез. Обкладочные клетки могут иметь пузырчатые образования - тубуловезикулы, которые в процессе развития и активности преобразуются в канальцы. В экспериментах установлено, что скорость и объём секреции соляной кислоты пропорциональны числу обкладочных клеток. Среда канальцев обкладочных клеток имеет большую кислотность ( pH ~ 1). В то же время среда цитоплазмы обкладочных клеток такая же, как и в других клетках, слабощёлочная ( pH ~ 7,2). Уровень положительного градиента концентрации катионов водорода по обе стороны обкладочной клетки составляет ~ 1: 1 000 000.

Механизмы образования соляной кислоты обкладочными клетками неизвестен. Существует несколько гипотез. Одна из них рассматривается ниже.

Стадии образования соляной кислоты.

1. Ионы хлора активно транспортируются из цитоплазмы обкладочной клетки в полость её канальца. Ионы натрия, Na⁺ активно транспортируются (см. схему 2, активный транспорт обозначен буквой Р) в обратном направлении из канальца в цитоплазму. Эти два процесса обусловливают существование на поверхности канальца отрицательного заряда ~ -(40 ч 70) мв. Трансмембранный градиент электрического поля является движущей силой для диффузионного потока (см. схему 2, простая диффузия или осмос обозначены пунктиром) катионов калия через цитоплазму обкладочной клетки и небольшой поток катионов натрия из цитоплазмы клетки в её каналец. В результате в каналец транспортируется значительное количество хлористого калия и небольшое количество хлористого натрия.

Схема. Механизм секреции соляной кислоты (гипотеза) обкладочными клетками главной железы слизистой оболочки желудка. Модификация: Arthur C. Guyton, M.D., John E. Hall, Ph.D. Textbook of Medical Physiology, 10th ed., 2000. W.B. Saunders Company. A Harcourt Health Company. Philadelphia, London, New York, St. Louis, Sydney, Toronto.

2. В цитоплазме обкладочной клетки вода диссоциирует на катион водорода, Н⁺ и гидроксильный анион, OН-. Образовавшийся катион водорода активно секретируется в каналец в качестве компенсации транспорта катионов калия в обратном направлении. Эти взаимно сопряженные процессы разнонаправленного активного транспорта катионов водорода и калия катализируются ферментом Н⁺/K⁺-АТФ-азой. Кроме того, катионы натрия активно реабсорбируются посредством особого натриевого насоса. Таким образом, большая часть ионов калия и натрия, диффундирующие в каналец, реабсорбируются в цитоплазму обкладочной клетки, а их место в канальце занимают катионы водорода. Высокая концентрация в полости канальца катионов водорода и анионов хлора обусловливает их ассоциацию. Образовавшаяся соляная кислота секретируется из открытого канальца обкладочной клетки в полость желудочной железы. В итоге концентрациия соляной кислоты в канальцевом секрете составляет приблизительно ~150 ч 160 мэкв / л, концентрация хлористого калия - ~15 мэкв / л и ещё меньше концентрация хлористого натрия (см. схему 2).

3. Вода поступает в каналец в результате осмоса вслед за транспортируемыми туда ионами.

4. В результате метаболизма клетки образуется двуокись углерода, CO2. Она может также поступать в обкладочную клетку из плазмы крови сосудов слизистой оболочки. Эта двуокись углерода комбинируется с гидроксильным анионом, OН- образовавшимся в процессе диссоциации воды (стадия 2) с образованием аниона бикарбоната, НCO3-. Реакция протекает практически мгновенно, поскольку она катализируется ферментом карбоангидразой. Бикарбонатные анионы диффундируют из цитоплазмы обкладочной клетки в межклеточную жидкость, занимая место анионов хлора, которые вышли из межклеточной жидкости в цитоплазму (стадия 1), а затем секретировались в каналец.

Выделяют нейрогенные и гуморальные механизмы управления секрецией желез желудка. Средством реализации гуморальных механизмов управления секрецией соляной кислоты являются гистамин, ацетилхолин и гастрин.



4. Переваривание белков в желудке. Претеолитические ферменты желудка. Механизмы активации пепсиногена. Специфичность действия пепсина

Хорошо известно, что в полости рта белки никаким изменениям не подвергаются вследствие отсутствия в слюне протеолитических ферментов. Переваривание белков начинается в желудке. Выделяют три основных фактора, обеспечивающих инициацию процесса переваривания:

· стимуляция выделения гастринаприсутствием белка пищи в желудке;

· в свою очередь гастринобеспечивает секрецию обкладочными клетками слизистой желудка соляной кислоты;

· секреция пепсиногена главными клетками слизистой желудка

Желудочный сок характеризуется присутствием высокой концентрации HCl и, следовательно, низким значением рН (рН ? 2.0), а также наличием протеиназ семейства пепсина. Высокая кислотность содержимого желудка имеет чрезвычайно важное физиологическое и биохимическое значение:

1. сильно кислая среда обеспечивает набухание и денатурацию пищевых белков. При этом глобулярные белки утрачивают третичную структуру, вследствие чего внутренние петидные связи становятся доступными для действия протеиназ;

2. присутствие соляной кислоты обеспечивает инициацию аутокаталитического процесса превращения пепсиногена в пепсин и создает оптимальные условия для проявления его протеолитической активности.

3. высокая концентрация соляной кислоты препятствует развитиювполости желудка микрофлоры, действуя как антисептик, тем самым, предотвращая зарождение гнилостных процессов.

Механизм активации пепсиногена. Под действием гастринов в главных клетках желудочных желёз стимулируются синтез и секреция пепсиногена - неактивной формы пепсина. Под действием НСl он превращается в активный пепсин с оптимумом рН 1,0-2,5. В процессе активации в результате частичного протеолиза от N-конца молекулы пепсиногена отщепляются 42 аминокислотных остатка, которые содержат почти все положительно заряженные аминокислоты, имеющиеся в пепсиногене. Таким образом, в активном пепсине преобладающими оказываются отрицательно заряженные аминокислоты, которые участвуют в конформационных перестройках молекулы и формировании активного центра. Образовавшиеся под действием НСl активные молекулы пепсина быстро активируют остальные молекулы пепсиногена (аутокатализ). Пепсин в первую очередь гидролизует пептидные связи в белках, образованные ароматическими аминокислотами (фенилаланин, триптофан, тирозин) и несколько медленнее - образованные лейцином и дикарбоновыми аминокислотами. Пепсин - эндопептидаза, поэтому в результате его действия в желудке образуются более короткие пептиды, но не свободные аминокислоты.

Протеолитические ферменты желудка. Протеолитические ферменты подразделяют по особенности их действия на экзопептидазы, отщепляющие концевые аминокислоты, и эндопептидазы, действующие на внутренние пептидные связи.

В желудке пища подвергается воздействию желудочного сока, включающего соляную кислоту и ферменты. К ферментам желудка относятся две группы протеаз с разным оптимумом рН, которые упрощенно называют пепсин и гастриксин. У грудных детей основным ферментом является реннин.

Белки, поступившие в организм с пищей, в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) расщепляются до аминокислот при действии группы протеолитических ферментов -- пептидгидролаз по современной номенклатуре; тривиальное название -- протеазы, или протеиназы. Эти ферменты катализируют гидролитическое расщепление пептидной связи в белках, представляющее собой экзэргоничсский процесс.

Свойства пептидгидролаз. Для протеолитических ферментов характерен ряд общих свойств и особенностей.Ферменты, расщепляющие белки, обладают относительной субстратной специфичностью, которая определяется:

· длиной полипептидной цепи;

· структурой радикалов аминокислотных остатков, образующих гидролизуемую пептидную связь;

· положением связи в полипептиде.

Известно, что скорость гидролиза протеазами денатурированных белков выше, чем нативных, поскольку при денатурации белков становятся доступными для протеолиза внутренние участки полипептидной цепи, ранее плотно упакованные в компактную глобулу.

Расщепление пищевых белков начинается с действия протеолитического фермента желудка -- пепсина. Специализированные (периетальные) клетки эпителия желудка секретируют соляную кислоту, создавая в желудке кислую среду (pH - 1,5--2.0). Этот фактор имеет важное значение в переваривании белков: денатурирует белки пищи, оказывает бактерицидное действие, убивая попадающие с пищей микроорганизмы, является инициирующим фактором активации пепсиногена и превращения его в активную форму. Пспсиноген превращается в пепсин после отщепления от него 42 аминокислотных остатков, вначале под действием соляной кислоты (медленно), а затем аутокаталитически (очень быстро). В слизистой желудка человека выделен также протеолитический фермент гастриксин, сходный по свойствам с пепсином.

Действие пепсина. Пепсины являются уникальными белками хотя бы потому, что чрезвычайно устойчивы к действию кислот. Фактически эти протеиназы активны только в сильно кислой среде и не активны при нейтральном значении рН. Механизм катализа зависит от присутствия в активном центре фермента двух карбоксильных групп, принадлежащих двум остаткам аспарагиновой кислоты, причем одна карбоксильная группа находится в ионизованной форме, а другая в недиссоциированном состоянии. По этой причине пепсины относят к семейству карбоксипротеиназ. Характерной особенностью карбоксипротеиназ является их ингибирование пепстатином, который оказывает ингибирующее действие в очень низких концентрациях.

Основной желудочной протеиназой является пепсин А, который преимущественно расщепляет пептидные связи, образованные аминогруппами ароматических аминокислот - тирозина, фенилаланина и триптофана, а также связи Ala-Ala и Ala-Ser. Нервнорефлекторные механизмы отделения желудочного сока ирегуляция желудочной секреции.



5. Полостное переваривание белков в кишечнике. Протеиназы панкреатического сока, механизмы активации, специфичность действия

Вкишечнике панкреатические пептидазы продолжают гидролиз олигопептидов до ди- и трипептидов и свободных аминокислот. Короткие пептиды расщепляются до свободных аминокислот в пристеночном слое или в клетках кишечного эпителия. Затем происходит их всасывание.Все пептидазы, в зависимости от места расположения в пептиде гидролизуемой связи, делятся на эндопептидазы и экзопептидазы:

· эндопептидазы - расщепляют пептидные связи, удаленные от концов пептидной цепи (пепсин, трипсин, химотрипсин, эластаза);

· экзопептидазы - гидролизуют пептидные связи, образованные N- и С-концевыми аминокислотами (аминопептидаза, карбоксипептидазы А и В), а также расщепляют ди- и трипептиды.

Содержимое желудка поступает в двенадцатиперстную кишку и другие отделы тонкого кишечника, где на него действует комплекс протеолитических ферментов, синтезируемых в поджелудочной железе и слизистой оболочке тонкого кишечника.

Поджелудочная железа синтезирует и секретирует щелочную жидкость, содержащую неактивные предшественники ряда протеаз, а именно трипсиноген, три химотрипсиногена, прокарбоксипептидазыА и В, и проэластазу. Под влиянием фермента кишечника энтеропептидазытрипсиноген специфично и быстро превращается в активный трипсин; скорость активации трипсиногена под действием энтеропептидазы в 2000 раз выше, чем скорость аутокаталитического превращения под действием трипсина.

Дуоденальный сок - пищеварительный сок двенадцатиперстной кишки, состоящий из секрета поджелудочной железы, желчи, сока кишечных крипт и дуоденальных желез Панкреатический сок имеет высокую концентрацию бикарбонатов, которые обусловливают его щелочную реакцию. Его рН колеблется от 7,5 до 8,8.

Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, эластаза, карбок-сипептидазы А и В) выделяются панкреацитами в неактивном состоянии, что предотвращает самопереваривание клеток.

· Трипсин. Трипсиноген и трипсин получены в кристаллическом виде, полностью расшифрована их первичная структура и известен молекулярный механизм превращения профермента в активный фермент. Активирование трипсиногена химически выражается в отщеплении с N-конца полипептидной цепи 6 аминокислотных остатков (Вал-Асп- Асп-Асп-Асп-Лиз) и соответственно в укорочении полипептидной цепи.

· Химотрипсин. В поджелудочной железе синтезируется ряд химотрипсинов (б-, в- и р-химотрипсины) из двух предшественников - химотрипсиногена А и химотрипсиногена В. Активируются проферменты в кишечнике под действием активного трипсина ихимотрипсина. Активация профермента не сопряжена с отщеплением большого участка молекулы. Получены доказательства, что разрыв одной пептидной связи между аргинином и изолейцином в молекуле химотрипсиногена А под действием трипсина приводит к формированию р-химотрипсина, обладающего наибольшей ферментативной активностью. Аутокаталитический процесс активирования, вызванный химотрипсином, сначала способствует формированию неактивного промежуточного неохимотрипсина, который под действием активного трипсина превращается в б-химотрип-син; этот же продукт образуется из д-химотрипсина, но под действием активного химотрипсина. Таким образом, благодаря совместному перекрестному воздействию химотрипсина и трипсина из химотрипсиногена образуются разные химотрипсины, различающиеся как ферментативной активностью, так и некоторыми физико-химическими свойствами, в частности электрофоретической подвижностью.

· Эластаза. В поджелудочной железе синтезируется еще одна эндопептидаза - эластаза - в виде проэластазы. Превращениепрофермента в эластазу в тонкой кишке катализируется трипсином. Название фермент получил от субстрата эластина, который он гидролизует. Эластин содержится в соединительной ткани и характеризуется наличием большого числа остатков глицина и серина. Эластаза обладает широкой субстратной специфичностью, но предпочтительнее гидролизует пептидные связи, образованныеаминокислотами с небольшими гидрофобными радикалами, в частности глицином, аланином и серином.

· Экзопептидазы. В переваривании белков в тонкой кишке активное участие принимает семейство экзопептидаз. Одни из них - карбоксипептидазы - синтезируются в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидазы и активируются трипсином в кишечнике; другие - аминопептидазы - секретируются в клетках слизистой оболочки кишечника и также активируются трипсином.

· Карбоксипептидазы. Подробно изучены две карбоксипептидазы - А и В, относящиеся к металлопротеинам и катализирующие отщепление от полипептида С-концевых аминокислот. Карбоксипептидаза А разрывает преимущественно пептидные связи, образованные концевыми ароматическими аминокислотами, а карбоксипептидаза В - связи, в образовании которых участвуют С-концевые лизин и аргинин. Очищенный препарат карбокси-пептидазы А обладает бифункциональной активностью - пептидазной и эстеразной и содержит ион Zn²⁺.

· Аминопептидазы. В кишечном соке открыты два фермента - аланин-аминопептидаза, катализирующая преимущественно гидролизпептидной связи, в образовании которой участвует N-концевой аланин, и лейцин-аминопептидаза, не обладающая строгой субстратнойспецифичностью и гидролизующая пептидные связи, образованные любой N-концевой аминокислотой. Оба фермента осуществляют ступенчатое отщепление аминокислот от N-конца полипептидной цепи.

· Дипептидазы. Процесс переваривания пептидов, их расщепление до свободных аминокислот в тонкой кишке завершают дипептидазы. Среди дипептидаз кишечного сока хорошо изучена глицилглицин-дипептидаза, гидролизующая соответствующий дипептид до двухмолекул глицина. Известны также две другие дипептидазы: пролил-дипептидаза (пролиназа), катализирующая гидролиз пептидной связи, в образовании которой участвует СООН-группа пролина, и пролин-дипептидаза (пролидаза), гидроли-зующая дипептиды, в которых азот пролина связан кислотно-амидной связью.

Специфичность действия протеаз.

1. Трипсин преимущественно гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина.

2. Химотрипсины наиболее активны в отношении пептидных связей, образованных карбоксильными группами ароматических аминокислот (Фен, Тир, Три).

3. Карбоксипептидазы А и В -- цинксодержащие ферменты, отщепляют аминокислоты с С-конца. Карбоксипептидаза А отщепляет преимущественно аминокислоты, содержащие ароматические или гидрофобные радикалы, а карбоксипептидаза В -- остатки аргинина и лизина.

4. Поджелудочный сок обеспечивает в просвете кишки полостное переваривание. Ферменты поджелудочной железы гидролизуют полипептиды пищи до олигопептидов и аминокислот.

5. Экзопептидазы (аминопептидазы, три- и дипептидазы) синтезируются кишечником сразу в активной форме, они гидролизуют оставшиеся олигопептиды до аминокислот.

6. Аминопептидазыпоследовательно отщепляют N-концевые аминокислоты пептидной цепи.

7. Лейцинаминопептидаза -- Zn2+- или Мn2+-содержащий фермент, обладает широкой специфичностью по отношению к N-концевым аминокислотам.

8. Трипептидазырасщепляют трипептиды на дипептиды и аминокислоты, а дипептиды гидролизуют на аминокислоты дипептидазы.

Кишечный сок. Кишечный сок является продуктом деятельности всей слизистой оболочки кишечника и представляет собой неоднородную вязкую жидкость, с величиной рН=7,2-8,6. Кишечный сок продуцируется в основном бруннеровыми железами 12-перстной кишки и либеркюновыми железами 12-перстной, тощей и подвздошной кишок.

Основной компонент кишечного сока - вода, в которой растворены органические (белки, аминокислоты, промежуточные продукты обмена, слизь) и неорганические (хлориды, бикарбонаты, фосфаты натрия, калия, кальция) компоненты.В кишечном соке содержится более 20 ферментов, гидролизующих углеводы (мальтаза, трегалаза, инвертаза, лактаза, а- и г-амилазы), белки и их фрагменты (аминопептидазы, трипептидазы, дипептидазы, энтерокиназа), липиды (моноглицеридлипаза, карбоксиэстераза), нуклеазы, фосфатазы и другие гидролазы. Состав кишечного сока меняется в зависимости от пищи.

6. Пристеночное переваривание белков в кишечнике. Протеиназы кишечного сока, специфичность действия

Пристеночное пищеварение и его значение.Вещества из полости тонкой кишки поступают в слой кишечной слизи, обладающей более высокой ферментативной активностью, чем жидкое содержимое полости тонкой кишки.

В слизистых наложениях адсорбированы ферменты из полости тонкой кишки (панкреатические и кишечные), из разрушенных энтероцитов и транспортированные в кишку из кровотока. Проходящие через слизистые наложения питательные вещества частично гидролизуются этими ферментами и поступают в слой гликокаликса, где продолжается гидролиз питательных веществ по мере их транспорта в глубь пристеночного слоя. Продукты гидролиза поступают на апикальные мембраны энтероцитов, в которые встроены кишечные ферменты, осуществляющие собственно мембранное пищеварение, в основном гидролиз димеров до стадии мономеров. Следовательно, пристеночное пищеварение последовательно идет в трех зонах: слизистых наложениях, гликокаликсе и на апикальных мембранах энтероцитов с огромным числом микроворсинок на них. Образовавшиеся в результате пищеварения мономеры всасываются в кровь и лимфу.

Связь пристеночного пищеварения с всасыванием питательных веществ. Благодаря взаимосвязи этих двух процессов все окончательные питательные вещества в результате пристеночного пищеварения могут всасываться в кровь и лифу.

При пристеночном пищеварении процесс расщепления питательных веществ происходит на клеточной мембране через которую осуществляется и процесс всасывания. Поэтом расщепление и всасывание веществ здесь сближены и осуществляются с более высокой скоростью. Пристеночное пищеварение протекает в стерильных условиях, так как бактериальная флора не проникает в микропоры между микроворсинками, потому что ее размеры превышают размеры микропор.

Всасывание аминокислот. Аминокислоты, образовавшиеся при переваривании белков, быстро всасываются в кишечнике. Транспорт их осуществляется двумя путями: через воротную систему печени, ведущую прямо в печень, и по лимфатическим сосудам, сообщающимся с кровью через грудной лимфатический проток. Аминокислоты переносятся через кишечную стенку от слизистой её поверхности в кровь. Перенос через щёточную кайму осуществляется целым рядом переносчиков, многие из которых действуют при участии Na+-зависимых механизмов симпорта, подобно переносу глюкозы.

В настоящее время известно пять специфических транспортных систем, каждая из которых функционирует для переноса определённой группы близких по строению аминокислот:

1. нейтральных, с короткой боковой цепью (аланин, серин, треонин);

2. нейтральных, с длинной или разветвлённой боковой цепью (валин, лейцин, изолей-цин);

3. с катионными радикалами (лизин, аргинин);

4. с анионными радикалами (глутаминовая и аспарагиновая кислоты);

5. иминокислот (пролин, оксипролин). Причём к числу Na⁺-зависимых относятся

Одним из механизмов транспорта аминокислот является -глутамильный цикл. Ключевой фермент процесса - -глутамилтрансфераза. Этот фермент катализирует перенос глутамильного остатка глутатиона на транспортируемую кислоту: аминокислота + глутатион (глутамилцистеинилглицин) глутамиламинокислота + цистеинилглицин

Свободная аминокислота, участвующая в этой реакции, поступает с наружной поверхности клетки, глутатион находится внутри. После реакции глутамиламинокислота оказывается в клетке вместе с цистеинилглицином. Далее эта кислота расщепляется ферментом цитозоля глутамиламинотрансферазой: глутамиламинокислота аминокислота + 5-оксопролин.

Благодаря высокой проницаемости слизистой кишечника новорожденных и низкой концентрации у них протеолитических ферментов может всасываться некоторое количество нативных белков, обуславливающих сенсибилизацию организма.

Желудочное содержимое (химус) в процессе переваривания поступает в двенадцатиперстную кишку. Низкое значение рН химуса вызывает в кишечнике выделение белкового гормона секретина, поступающего в кровь. Этот гормон в свою очередь стимулирует выделение из поджелудочной железы в тонкий кишечник панкреатического сока, содержащего НСО₃^-, что приводит к нейтрализации НСl желудочного сока и ингибированию пепсина. В результате рН резко возрастает от 1,5-2,0 до ?7,0. Поступление пептидов в тонкий кишечник вызывает секрецию другого белкового гормона - холецистокинина, который стимулирует выделение панкреатических ферментов с оптимумом рН 7,5-8,0. Под действием ферментов поджелудочной железы и клеток кишечника завершается переваривание белков.

Активация панкреатических ферментовВ поджелудочной железе синтезируются проферменты ряда протеаз: трипсиноген, химотрипсиноген, проэластаза, прокарбоксипептидазы А и В. В кишечнике они путём частичного протеолиза превращаются в активные ферменты трипсин, химотрипсин, эластазу и карбоксипептидазы А и В.

Активация трипсиногена происходит под действием фермента эпителия кишечника энтеропептидазы. Этот фермент отщепляет с N-конца молекулы трипсиногена гексапептид Вал-(Асп)₄-Лиз. Изменение конформации оставшейся части полипептидной цепи приводит к формированию активного центра, и образуется активный трипсин. Последовательность Вал-(Асп)₄-Лиз присуща большинству известных трипсиногенов разных организмов - от рыб до человека.

Образовавшийся трипсин активирует химотрипсиноген, из которого получается несколько активных ферментов. Химотрипсиноген состоит из одной полипептидной цепи, содержащей 245 аминокислотных остатков и пяти дисульфидных мостиков. Под действием трипсина расщепляется пептидная связь между 15-й и 16-й аминокислотами, в результате чего образуется активный р-химотрипсин.

Специфичность действия протеаз. Трипсин преимущественно гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина. Химотрипсины наиболее активны в отношении пептидных связей, образованных карбоксильными группами ароматических аминокислот (Фен, Тир, Три). Карбоксипептидазы А и В - цинксодержащие ферменты, отщепляют С-концевые остатки аминокислот. Причём карбоксипептидаза А отщепляет преимущественно аминокислоты, содержащие ароматические или гидрофобные радикалы, а карбоксипептидаза В - остатки аргинина и лизина. Последний этап переваривания - гидролиз небольших пептидов, происходит под действием ферментов аминопептидаз и дипептидаз, которые синтезируются клетками тонкого кишечника в активной форме.

· Аминопептидазы последовательно отщепляют N-концевые аминокислоты пептидной цепи. Наиболее известна лейцинаминопептидаза - Zn²⁺- или Мn²⁺-содержащий фермент, несмотря на название, обладающий широкой специфичностью по отношению к N-концевым аминокислотам.

· Дипептидазы расщепляют дипептиды на аминокислоты, но не действуют на трипептиды.

В результате последовательного действия всех пищеварительных протеаз большинство пищевых белков расщепляется до свободных аминокислот.

Экзопептидазы(экзопротеиназы) --ферменты, гидролизующие белки, отщепляяаминокислотыот концапептида: карбоксипептидазы-- от C-конца,аминопептидазы-- от N-конца,дипептидазырасщепляют дипептиды. Экзопептидазы синтезируются в клеткахтонкого кишечника(аминопептидазы, дипептидазы) и вподжелудочной железе(карбоксипептидаза). Функционируют эти ферменты внутриклеточно в кишечномэпителиии, в небольшом количестве, в просветекишечника.

Эндопептидазы(эндопротеиназы) --протеолитические ферменты(пепсин,трипсин,химотрипсин), расщепляющиепептидные связивнутрипептидной цепи. С наибольшей скоростью ими гидролизуются связи, образованные определённымиаминокислотами. Эндопептидазы синтезируются в видепроферментов, активируемых затем при помощи избирательногопротеолиза. Таким образом клетки, секретирующие эти ферменты защищают собственные белки от разрушения. От действия ферментовклеточную мембрануклеток животных защищает также поверхностный слойолигосахаридов--гликокаликс, а вкишечникеижелудке-- слой слизи.

Вопрос 7. Механизмы трансмембранного переноса аминокислот. Роль г-глутамилтрансферазы в транспорте аминокислот.

Всасывание аминокислот происходит главным образом в тонком кишечнике. Механизм всасывания аминокислот является сложным биологическим процессом, в котором сочетаются фильтрация, осмос, диффузия и активное всасывающее действие ворсинок. Однако главным является трансмембранный перенос с помощью специальных белков-переносчиков, требующий затраты энергии. Это активныйтранспорт, протекающий против градиента концентрации аминокислот. Для осуществления такого транспорта используется энергия метаболических процессов, преимущественно резервированная в АТФ.

Установлено наличие пяти или более специфических транспортных систем, каждая из которых функционирует при переносе определенной группы близких по строению аминокислот: 1) нейтральных алифатических аминокислот; 2) циклических аминокислот; 3) основных аминокислот; 4) кислых аминокислот и 5) пролина. Полагают, что белкипереносчики подобны ферментам не только своей специфичностью, но и наличием центров (контактных участков), которыми связываются с соответствующими аминокислотами, образуя с ними комплексы. Аминокислоты конкурируют друг с другом за соответствующие участки связывания. Так, всасывание лейцина (если он присутствует в относительно высоких концентрациях) уменьшает всасывание изолейцина и валина. Эта система транспорта аминокислот функционирует в кишечнике, мозге и почках.

Следующий механизм получил название г-глутамильного цикла; в нем участвует шесть ферментов, один из которых является мембранносвязанным, а остальные находятся в цитозоле. В цикле участвует трипептидглутатион - г-глутаминилцистеилглицин.

При функционировании г-глутамильного цикла ключевую роль играет мембранно-связанный фермент г-глутамилтрансфераза, которая катализирует реакцию переноса глутамильногоостатка глутатиона на транспортируемую аминокислоту.

Таким образом, происходит перенос одной молекулы аминокислоты в клетку, при этом используется энергия гидролиза пептидных связей глутатиона. Для продолжения процесса глутатион регенерируется в результате трех последовательных реакций, каждая из которых протекает с затратой энергии АТФ.

Образовавшийся глутатион может участвовать в следующем цикле с другой аминокислотой.

Вопрос 8. Гниение белков и аминокислот в кишечнике. Механизмы обезвреживания токсических продуктов гниения белков.

В процессе переваривания в желудке и тонком кишечнике основная масса белков расщепляется и преимущественно в виде аминокислот всасывается. Однако часть трудноперевариваемых белков сухожилий, апоневрозов, кожи и некоторое количество свободных аминокислот попадает в толстую кишку.

При многих заболеваниях, особенно при кишечных инфекциях, переваривание и всасывание белков ухудшается, поэтому их больше попадает в толстый кишечник. В зависимости от количества пищевых продуктов и состояния аппарата пищеварения количество нерасщепившихся белков может составлять от 2-3 до 5-10%, а иногда и больше.

Толстый кишечник населен микроорганизмами, использующими пищевые аминокислоты для своего роста. Они располагают набором ферментных систем, катализирующих разнообразные превращения пищевых белков и свободных аминокислот (гидролиз, окисление, восстановление, дезаминирование, декарбоксилирование, деметилирование). Благодаря этому в толстом кишечнике создаются оптимальные условия для образования ядовитых продуктов распада аминокислот, в частности, фенола, индола, крезола, скатола, сероводорода, метилмеркаптана, а также ряда других нетоксических для организма соединений -спиртов, жирных кислот, кетокислот, гидроксикислот и др. Все эти превращения аминокислот, обусловленные деятельностью микроорганизмов кишечника, получили общее название гниениябелковвкишечнике.

В процессе постепенного и глубокого распада серусодержащих аминокислот (цистина, цистеина и метионина) в кишечнике образуются сероводород (Н2S) и метилмеркаптан (СН3SН).

Диаминокислоты подвергаются процессу декарбоксилирования с образованием аминов. Два из них - путресцин и кадаверин - давно известны из-за их неприятного запаха. Путресцин (putrificatio - гниение, лат.) образуется при декарбоксилировании орнитина, а кадаверин (cadaver - труп, лат.) - при декарбоксилировании лизина.

...