237
9.Обмен белков
9.1.Общая характеристика. Переваривание белков
Белковый обмен занимает ведущее место среди многообразных превращений веществ, свойственных живой материи. По степени важности в процессах обмена пластическая роль белков в организации разнообразных структур и образовании ряда важнейших веществ, таких как, например, ферментов и гормонов, неизмеримо превосходит их роль как источника энергии. Более того, пластическая функция белков не только существенна, но и незаменима, так как белки в этом отношении нельзя заменить какими-либо другими веществами, входящими в состав организма или поступающими из внешней среды. Продолжительное безбелковое питание неизбежно кончается смертью животного.
Белки, вводимые с пищей в организм, никогда не вступают в состав тканей тела без предварительного расщепления. Прежде чем быть усвоенными, белки разлагаются в пищеварительном тракте на индифферентный материал, лишенный видовой и тканевой специфичности. Таким материалом служат аминокислоты. К этому следует добавить, что и при тканевом обмене внеклеточные белки и пептиды не могут проходить через клеточную мембрану. Поэтому белки и в процессе тканевого обмена предварительно гидролизуются до аминокислот, которые затем попадают внутрь клетки путем активного транспорта через мембраны.
Гидролиз белка катализируется особыми ферментами, относящимися к классу гидролаз – пептидгидролазами. Пептидгидролазы гидролизуют пептидные связи. При этом свободная энергия пептидныхсвязей переходит в тепло. Благодаря совместному и последовательному действию различных пептидгидролаз (протеиназ, пептидаз) удаётся полностью разрушить белок до аминокислот. Следует заметить, что протеолитическим ферментам придают большую роль не только в катаболизме белков, но и в регуляции ряда внеклеточных и внутриклеточных физиологических процессов, таких как свертывание крови, лизис клеток, образование гормонов, токсинов, вазоактивных веществ (ангиотензина, кининов), дифференциации клеток, активировании белков, придании им специфических свойств.
По месту своего действия пептидгидролазы можно подразделить 2на группы: внутриклеточные и внеклеточные.
Внутриклеточными пептидгидролазами осуществляется в процессе обмена белка расщепление клеточных белков до аминокислот. Этот процесс главным образом протекает в особых органеллах клеток– лизосомах.
238 9. Обмен белков
Другие пептидгидролазы действуют внеклеточно. Последние делают возможным усвоение белков пищи при пищеварении, выделяясь из пищеварительных желез в просвет желудочно-кишечного тракта.
Данные ферменты образуются в слизистой оболочке желудка, тонкого кишечника и поджелудочной железе в форме неактивных предшественников (проферментов, зимогенов), которые уже в просвете желудочно-кишечного тракта превращаются в соответствующие активные ферменты. Внеклеточное активирование защищает от самопереваривания органы, вырабатывающие ферменты, предохраняет от разрушения другие ферменты – белки, в них вырабатываемые.
Как и все энзимы, пищеварительные пептидгидролазы являются белками. Их активирование представляет собой протеолитический процесс, при котором отщепляется пептид от молекулы профермента и в следствии этого молекулярная масса активного фермента ниже таковой профермента. В некоторых случаях активирование – аутокаталитический процесс.
Пептидгидролазы обладают более или менее выраженной субстратной специфичностью. Они часто разрушают только те пептидные связи, в которых участвует определенный тип аминокислот. Катализ белков пищи пищеварительными ферментами облегчается денатурированием субстратов. Денатурирование происходит в процессе приготовления пищи, а также под действием соляной кислоты в желудке, а частично уже при обработке слюной. Оптимум рН ферментов примерно совпадает с условиями среды места их действия.
Переваривание белков начинается в желудке. Этому способствует 2 фактора: 1) наличие сильнокислой реакции желудочного сока(рН=0,9-1,6), 2) присутствие в соке пепсина, действующего на белки.
Кислотность желудочного сока обусловливает денатурирующее влияние на белок, чем облегчается его гидролиз ферментом. Одновременно соляная кислота желудочного сока способствует превращению препепсина(пепсиногена), т.е. неактивной формы фермента, выделяемой главными клетками слизистой оболочки желудка, в активный протеолитический фермент – пепсин.
Имеются доказательства, что у человека из пепсиногена образуется -не сколько близких по строению пепсинов, и, кроме того, пепсиноподобный фермент гастриксин (оптимум рН=3).
Оптимальная концентрация водородных ионов для пепсина составляет рН=1,5-2,5, что соответствует кислотности содержимого желудка на высоте пищеварения. При рН выше 6,0 пепсин инактивируется. Пепсин является фер- ментом-протеином и относится к группе эндопептидаз. Его каталитическая активность весьма велика: 1 г кристаллического пепсина за2 часа расщепляет 50 кг денатурированного яичного белка. Пепсин предпочтительно ускоряет гидролиз пептидных связей, образованных при фенилаланине и лейцине, а по другим данным – аминогруппами ароматических и дикарбоновых аминокис-
9. Обмен белков |
239 |
лот. В итоге каталитического действия пепсина образуются более или менее сложные пептиды (которые иногда называют пептонами).
Гидролиз под влиянием пепсина может сопровождаться также появлением свободных аминокислот. Наиболее легко под влиянием пепсина расщепляются мышечные белки, а также альбумины и глобулины как животного, так и растительного происхождения.
Помимо пепсина и гастриксина, в желудке молодых животных и грудных детей обнаружен так называемый сычужный фермент(химозин). Оптимум действия этого фермента лежит в пределах рН=3,5-4. Под влиянием химозина
вприсутствии солей кальция казеиноген молока превращается в ходе гидролитической реакции в нерастворимый казеин, в результате этого происходит створаживание молока, приводящее к замедлению продвижения казеина по пищеварительному тракту и большему воздействию на него протеиназ.
Пептиды и белки, перешедшие из желудка вкишечник подвергаются дальнейшему расщеплению под влиянием ферментов поджелудочной железы (трипсина, химотрипсина, карбоксипептидаз) и ферментов кишечника (аминопептидаз и дипептидаз).
Трипсин содержится в поджелудочном соке в недеятельной форме в виде трипсиногена (претрепсина). Активирование фермента (перевод его в трипсин) начинается под влиянием другого протеолитического фермента– энтерокиназы (или энтеропептидазы) кишечного сока, открытого Н.П. Шаповальниковым
влаборатории И.П. Павлова. В последующем образование трипсина из трип-
синогена осуществляется аутокаталитически(трипсин сам превращает трипсиноген в трипсин). Для процесса активирования необходимы ионы Са++. Процесс превращения трипсиногена в трипсин сводится к отщеплению небольшого пептида с α-аминного, т.е. N-конца полипептидной цепи фермента. Трипсин представлен одной полипептидной цепью и включает в себя около229 аминокислот с 6-ю дисульфидными связями. Трипсин является эндопептидазой. Трипсин гидролитически расщепляет какбелки, не изменившиеся в желудке под влиянием пепсина, так и высокомолекулярные пептиды. При этом трипсин предпочтительно расщепляет связи, в которых участвуют карбоксильные группы аргинина и лизина. Оптимум рН для трипсина равен 7-8. Трипсин производит сравнительно неглубокий гидролиз белка, образуя полипетиды. Следует отметить, что под влиянием трипсина в процессе гидролиза белка могут освободиться в небольшом количестве и свободные аминокислоты. Ряд основных пептидов с М=9000 могут быть ингибиторами трипсина. Такие ингибиторы были обнаружены в поджелудочной железе, крови, ткани легкого, в бобах сои. В яйцах в качестве ингибитора трипсина найден мукопротеид.
Другим протеолитическим ферментом поджелудочного сока является химотрипсин, который также секретируется в неактивной форме в виде химотрипсиногена и является, как и трипсин, эндопептидазой. Последний под дей-
240 9. Обмен белков
ствием трипсина переходит в химотрипсин. Установлено, что в поджелудочной железе синтезируется ряд химотрипсинов (α, d, p) из двух предшественников – химотрипсиногенов А и В. Химотрипсин гидролизует предпочтительно те пептидные связи, в образовании которых участвует карбоксильная группа ароматических аминокислот (тирозина, фенилаланина и триптофана), а также лейцина, а по некоторым данным – метионина.
В поджелудочной железе образуются также другие эндопептидазы, которые, по-видимому, как и химотрипсин, активируются трипсином. Таковым является, например, фермент эластаза (или панкреатопептидаза), профермент которого – проэластазу – можно обнаружить в соке поджелудочной железы. Этот фермент разрывает пептидные связи, прилегающие к остаткам нейтральных аминокислот (пролина, аланина, глицина, серина и др.). В поджелудочной железе образуется и фермент коллагеназа, гидролизующий белок коллаген.
Полипетиды (или пептиды), образовавшиеся в результате действия на белки протеиназ пепсина, трипсина и химотрипсина, подвергаются дальнейшему расщеплению в кишечнике под влиянием пептидаз: карбоксипептидаз, аминопептидаз, дипептидаз. Эти так называемые экзопептидазы являются металлоферментами. Они активируются двухвалентными ионамиMg2+, Со2+, Mn2+, Zn2+, которые, по-видимому, имеют значение для образования ферментсубстратного комплекса. Пептидазы синтезируются в виде проферментов: карбоксипептидазы – в поджелудочной железе, аминопептидазы и дипептидазы – в кишечных железах, активируются эти проферменты трипсином. В результате ферментативного гидролиза полипептидов указанными пептидазами – карбоксипептидазами – с С-конца, а аминопептидазами – с N-конца полипептидов, в кишечнике образуются свободные аминокислоты, которые всасываются в кровь через кишечную стенку. Всасывание идет путём активного транспорта за счет энергии градиентаNа+ на мембране с участием -бел ков-переносчиков, молекулярные механизмы транспорта еще не совсем ясны.
Часть аминокислот до их всасывания может использоваться микробами, населяющими кишечник, в качестве питания. При этом расщепление аминокислот ферментами, выделяемыми микробами, приводит к превращению их в амины, жирные кислоты, спирты, фенол, п-крезол, индол, скатол, сероводород и ряд других соединений, некоторые из которых являются ядами для организма. Этот процесс иногда называют гниением белков в кишечнике.
В основе гниения лежат реакции декарбоксилированияаминокислот, обусловленные ферментами, вырабатываемыми кишечной микрофлорой.
При декарбоксилровании аминокислот образуются амины. При декарбоксилировании аминокислоты орнитина (α,β-диаминовалериановой кислоты) образуются путресцин (тетраэтилендиамин):
|
|
|
|
|
9. Обмен белков |
241 |
|||
H2N |
|
|
CH COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
(CH2)3 |
|
H2N |
|
(CH2)4 |
NH2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
- СО 2 |
|
||||
|
|
|
NH2 |
|
путресцин |
||||
орнитин
При декарбоксилировании лизина (α,e-диаминокапроновая кислота) получается кадаверин (пентаметилендиамин):
H2N |
|
|
CH |
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
(CH2)4 |
|
H2N |
|
(CH2)5 |
NH2 |
||
|
|
|
|
- СО2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
NH2 |
|
кадаверин |
||||||
|
лизин |
|
|
|
|
|
|||||
Ядовитость путресцина и кадаверина незначительна и в случае всасывания в кровь они выводятся с мочой в неизменённомвиде или подвергаются окислению диаминооксидазами. Аналогичным образом при гниении в кишечнике из фенилаланина образуется фенилэтиламин, из триптофана – индолэтиламин (триптамин), из 5-окситриптофана – серотонин, из тирозина – тирамин, из гистидина – гистамин и т.д.
Образующиеся в кишечнике под влиянием ферментов микрофлоры амины серотонин, тирамин, гистамин и др. после всасывания могут оказать сильное физиологическое действие на организм. Поэтому они обезвреживаются в эпителии кишечника путем окисления соответствующими аминооксидазами. Поскольку образование этих аминов происходит также в тканях, на их судьбе мы более подробно остановимся ниже.
Из ядовитых продуктов гниения белков следует назвать фенол, паракрезол, скатол и индол. Фенол и крезол (паракрезол) образуются в процессе расщепления бактериями тирозина.
CH3
OH |
OH |
фенол |
п-крезол |
Крезол и фенол после всасывания обезвреживаются в печени путем образования парных кислот: либо с серной кислотой, либо с глюкуроновой кислотой.
242 |
9. Обмен белков |
Причем, и серная и глюкуроновая кислоты взаимодействуют с крезолом и фенолом в активной форме: первая в виде3’-фосфоаденозин-5’-фосфо- сульфата (ФАФС), а вторая в виде уридин-дифосфоглюкуроновой кислоты. Образующиеся парные кислоты неядовиты и выводятся с мочой.
|
+ ФАФС |
арилсульфотрансфераза |
|
|
|
+ ФАФ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
OH |
|
|
|
O |
|
SO3H |
|
|
|
|
|
|
||||
фенол |
|
|
фенолсерная кислота |
|||||
|
+ УДФГК |
|
УДФ-глюкуронилтрансфераза |
|
|
УДФ + |
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
OH |
COOH |
|
|
|||
|
|
|
|
|||
H |
|
O H |
||||
+ |
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|||
|
|
OH H |
O |
|||
|
|
|
|
|
||
OH |
|
|
||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
H OH
фенолглюкуроновая кислота
Индол и скатол образуются при гниении белков в кишечнике из аминокислоты триптофана:
CH3 |
|
CH3 |
OH |
|
NH |
NH |
OH |
|
|
NH |
NH |
|||
скатол |
скатоксил |
|||
индол |
индоксил |
|||
|
|
Эти ядовитые вещества также обезвреживаются в печени путем соединения с серной кислотой(3’-фосфоаденозин-5’-фосфосульфатом) или глюкуроновой кислотой (уридиндифосфоглюкуроновой кислотой). Однако предварительно индол окисляется в индоксил, а скатол – в скатоксил. В виде парных кислот эти соединения выводятся из организма через почки с мочой. Калиевая или натриевая соль индоксилсерной кислоты получила название животного индикана. Она выводится с мочой. По количеству индикана в моче можно судить о скорости процессов гниения белков в кишечнике и функциональном со-