Биохимия и ее задачи

3) Окончательный  распад веществ с участием кислорода до конечных продуктов (СО₂, Н₂О, азотсодержащие вещества). Выделяется около 80% энергии веществ.

Все рассмотренные этапы  отражают лишь главные формы обменных процессов. Как на втором, так и  на третьем этапах выделяющаяся энергия  накапливается в виде энергии  химических связей макроэргических соединений (это вещества, имеющие хотя бы одну макроэргическую связь, напр., АТФ, ЦТФ, ТТФ, ГТФ, УТФ, АДФ, ЦДФ, …, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицериновая кислота). Так, энергия связи последнего фосфата в молекуле АТФ составляет около 10-12 ккал/моль.

Биологическая роль обмена веществ:

1. аккумуляция энергии  при распаде химических соединений;

2. использование энергии  для синтеза собственных веществ  организма;

3. распад обновляемых структурных  компонентов клетки;

4. происходит синтез и распад биомолекул специального назначения.

Обмен белков

Переваривание и всасывание белков

Функции белков многообразны, но особенно выделяются структурная, каталитическая и энергетическая функции. Энергетическая ценность белка  около 4,1 ккал/г.

Среди всех веществ, поступающих в организм, при недостатке какого-либо из них, например, углеводов, их могут в некоторой степени заменить белки и липиды, а при недостатке липидов – белки и углеводы. Белки же практически незаменимы – они содержат 10 незаменимых АК: ВАЛ, ЛЕЙ, ИЛЕ, ЛИЗ, МЕТ, ТРЕ, ТРИ, ФЕН, ГИС, АРГ. При недостатке незаменимых АК лимитируется (ограничивается) синтез белков организма. Причем, примерно 50% поступающих белков должны составлять белки растительного и 50% - животного происхождения; максимально подходит по аминокислотному составу белок куриного яйца, он содержит около 34% незаменимых АК.

Взрослый мужчина нуждается  в ежедневном употреблении 80-100 г  белка. В 100 г белка содержится около 16 г азота, поэтому 1 г азота – в 6,25 г белка.

Для характеристики белкового (азотного) обмена веществ используется понятие «азотистый баланс» – это разность между азотом пищи и азотом мочи. В норме азотистый баланс равен нулю; положителен в растущем организме, во время активной регенерации, беременности; отрицателен – в старческом возрасте, при патологии, голодании.

Превращение белков в органах пищеварения

Все белки подвергаются действию гидролаз (третий класс ферментов), а именно пептидаз – они, как правило, вырабатываются в неактивной форме, а затем активируются путем частичного протеолиза.

► Ротовая полость. Гидролиза нет.

► Желудок. Действуют ферменты:

1) Пепсин (вырабатывается в виде пепсиногена, который активируется соляной кислотой и своей активной формой – пепсином). Пепсин имеет одну полипептидную цепь. Под действием HCl или в результате аутокатализа происходит частичный протеолиз пепсиногена: от его N-конца отщепляется 42-АК фрагмент. После этого формируется третичная структура с полноценным активным центром.

Роль соляной  кислоты:

ü активирует пепсиноген (пепсин);

ü создает оптимальную рН для действия пепсина (рН=1,5-2,5);

ü бактерицидное действие (напр., при снижении кислотности желудочного сока – гниение, брожение, выделяются сероводород, органические кислоты);

ü денатурирует белки пищи, и они становятся более доступными для действия пептидаз;

ü способствует эвакуации желудочного содержимого.

Пепсин – эндопептидаза (т.е. разрывает внутренние пептидные связи), действующая на пептидные связи, образованные СООН-группой ароматических АК (ГИС, ТРИ, ТИР, ФЕН).

2) Гастриксин (рН_оптим.=3,5) – эндопептидаза, рвет связи, образованные дикарбоновыми АК (ГЛУ, АСП).

В желудке образуются достаточно крупные пептиды – пептоны, или альбумозы.

► Кишечник. Действуют ферменты: трипсин, химотрипсин, эластаза, карбоксипептидаза, аминопептидаза, дипептидазы, энтеропептидаза. Процесс начинается с превращения трипсиногена в трипсин под действием энтеропептидазы. Затем трипсин катализирует активацию:

химотрипсиноген → химотрипсин,

прокарбоксипептидазы  → карбоксипептидазы,

проэластаза →  эластаза.

В результате действия указанных ферментов происходит полный гидролиз белков пищи.

1) химотрипсин вырабатывается в ПЖЖ (поджелудочной железе), активируется частичным протеолизом трипсином. Действует в кишечнике (рН=7,5-8,5) как эндопептидаза; рвет связи, образованные СООН-группой ароматических АК.

2) трипсин вырабатывается в ПЖЖ, активируется частичным протеолизом (отщепление 6 АК-фрагмента с N-конца. Действует в тонкой кишке как эндопептидаза, рвет связи, образованные СООН-группами диаминомонокарбоновыми кислотами (ЛИЗ, АРГ).

3) эластаза вырабатывается в ПЖЖ, активируется частичным протеолизом трипсином. Действует в кишечнике как эндопептидаза; рвет связи, образованные АК пролином (ПРО).

4) карбоксипептидазы А и В вырабатываются в ПЖЖ, активируются частичным протеолизом трипсином. Действуют в кишечнике как экзопептидазы; рвут связи, образованные СООН-группами: А- ароматических и алифатических АК, В- ЛИЗ и АРГ.

5) аминопептидаза вырабатывается слизистой кишечника, активируется ионами Zn²⁺ и Mn²⁺. Действует в кишечнике как экзопептидаза; отщепляет по одной АК с N-конца.

6) дипептидазы вырабатываются слизистой кишечника, активируются ионами Co²⁺ и Mn²⁺. Действуют в кишечнике как экзопептидазы; расщепляют дипептиды.

7) эндопептидаза вырабатывается в кишечнике, активирует трипсиноген.

В кишечнике  происходит полный гидролиз белков.

Переваривание сложных белков и их катаболизм

1. Гликопротеины гидролизуются с помощью гликозидаз (амилолитических ферментов).

2. Липопротеины – с помощью липолитических ферментов.

3. Гемсодержащие хромопротеины: порфириновое кольцо не расщепляется, а выводится из организма с калом.

4. Нуклеопротеины. В кишечнике полинуклеотиды гидролизуются с помощью специфических нуклеаз до мононуклеотидов, которые под действием нуклеотидаз разрушаются до нуклеозидов и Фн. Затем под действием нуклеозидаз они распадаются до азотистых оснований и пентоз (рибоза или дезоксирибоза). Пуриновые азотистые основания разрушаются до мочевой к-ты, а пиримидиновые – до бета-аланина, аммиака NH₃, углекислоты CO₂.

Транспорт АК через  цитолемму является активным и требует  градиента Na⁺. Такой градиент создается ферментом Na⁺,K⁺-АТФ-азой, расположенным в цитолемме эпителиоцитов. Существует более пяти переносчиков АК:

ü для нейтральных алифатических АК (ЛЕЙ, ИЛЕ),

ü для ароматических АК,

ü для основных АК,

ü для кислых АК,

ü для АК пролина (ПРО).

А также имеется гамма-глутаминовый цикл (шунт), содержащий гамма-глутамилтранспептидазу (ГТТП, иначе гамма-глутамилтрансфераза  – ГТТФ). Он имеет большое значение в определении функции печени, характеризуя степень усвоения АК гепатоцитами.

Гниение белков и обезвреживание его продуктов

Гниение белков – это бактериальный распад белковых веществ и АК под действием микрофлоры кишечника. Идет в толстой кишке, однако может наблюдаться и в желудке – при снижении кислотности в нем.

Образуются такие продукты:

а) токсичные: сероводород H₂S, углекислота CO₂, аммиак NH₃, метан CH₄, меркаптаны (CH₃SH и его гомологи), бензол C₆H₆, крезол, индол, скатол и др.

б) нетоксичные: спирты (в  т.ч. этиловый), амины, жирные к-ты, кетокислоты, витамины (напр., витамин B₆).

Основные  процессы гниения:

1. Декарбоксилирование (–СО₂) обычно характерно для диаминомонокрбоновых кислот.

Напр., орнитин COOH-CH(NH₂)-CH₂-CH₂-CH₂-NH₂ превращается в путресцин (то же, но без СООН-группы). Или лизин (ЛИЗ) – в кадаверин (это вроде первой реакции, но в цепи на одну CH₂-группу больше).

Путресцин, кадаверин входят в состав трупных ядов. Они всасываются  и частично выводятся с мочой  и обезвреживаются в печени диаминооксидазой.

2. Дезаминирование. При гниении главным образом протекает восстановительное дезаминирование. Напр., аланин (АЛА) NH₂-CH(CH₃)-COOH + 2Н → СН₃-СН₂-СООН (пропионовая к-та) +NH₃.

3. Десульфирование (тоже восстановительное).

Напр., цистеин (ЦИС) NH₂-CH(CH₂SH)-COOH + 2Н → АЛА + H₂S.

Напр., метионин (МЕТ) NH₂-CH(CH₂-СН₂-S-CH₃)-COOH + 2Н → NH₂-CH(CH₂-CH₃)-COOH (альфа-аминомасляная к-та) + НS-CH₃ (метил-меркаптан).

4. Разрушение  боковой цепи АК (ТИР, ТРИ).

Напр., тирозин (ТИР) + 4Н → крезол (пара-метилфенол) + NH₃ + CO₂ + CH₄; крезол + 2Н → фенол + СН₄.

Напр., триптофан (ТРИ) + 4Н → скатол (метилиндол) + NH₂ + CO₂ + CH₄. Скатол +2Н→ индол + СН₄.

Т.о., в процессе гниения АК образуются различные  токсичные вещества, которые должны быть обезврежены в печени. В обезвреживании участвуют две системы:

1) УДФГК –  уридиндифосфоглюкуроновая к-та (активная форма глюкуроновой к-ты)

2) ФАФС – 3'-фосфоаденозин-5’-фосфосульфат (активная форма серной к-ты) [рис.  этого соединения].

Механизм обезвреживания – конъюгация (связывание) токсина с активной формой серной или глюкуроновой к-ты. Продукты конъюгации – нетоксичные вещества, которые могут выделяться с мочой.

Напр., обезвреживание фенола под действием УДФ-глюкуронил-трансферазы: фенол + УДФГК → (ТФ) фенилглюкуронид (фенил присоединяется по первому  положению) + R-OH.

Напр., обезвреживание индола: Индол окисляется кислородом по 7-му положению, получается индоксил (это типа 7-оксииндол). Индоксил взаимодействует с ФАФС под действием арилссульфо-трансферазы с образованием индоксилсерной к-ты, которая с ионами калия дает индикан (калиевая соль индоксилсульфата).

   

 

Определение индола и индикана в моче имеет диагностическое  значение. Так, если отсутствует индол, то обезвреживающая функция печени в норме, а если при этом обнаруживается индикан, то в кишечнике активное гниение. Если же есть индол в моче, то имеется нарушение обезвреживающей функции печени.

Метаболизм  аминокислот

Фонд АК организма  пополняется за счет процессов:

1) гидролиза  белков пищи,

2) гидролиза  тканевых белков (под действием катепсинов лизосом).

Расходуется АК-фонд на процессы:

ü синтез заменимых АК,

ü синтез собственных белков,

ü синтез азотсодержащих веществ (урины, пиримидины, холин, креатин и т.д.),

ü синтез углеводов (глюконеогенез),

ü синтез липидов из кетогенных АК,

ü распад до NH₃, NH₂-CO-NH₂, мочевой к-ты и др.

Условно метаболизм АК в тканях можно распределить на общие пути и индивидуальные пути обмена АК.

Общие пути обмена веществ

1. Переаминирование (открыто в 1937 г. Браунштейном и Крицмом).

 

Роль: синтез заменимых  АК, участие в непрямом дезаминировании  АК. Определение АлАТ и АсАТ в  крови имеет большое диагностическое  значение. Так, через 5 часов после  инфаркта миокарда АсАТ увеличивается  в 20-30 раз, через 48 часов – АлАТ и АсАТ снижаются до нормы, еще через 24 часа повышается АлАТ. Также АлАТ повышается при патологии печени.

2. Дезаминирование  (ДА) АК:

ü восстановительное ДА – под действием микрофлоры кишечника,

ü гидролитическое ДА – с участием воды,

ü внутримолекулярное ДА – с образованием непредельной к-ты,

ü окислительное ДА – характерно для тканей организма. Оно бывает прямым и непрямым.

Прямое ДА идет с участием дезаминаз (оксидаз). NH₂-CHR-COOH → NH=CR-COOH (иминокислота), при этом ФМН→ФМН·Н₂, который затем восстанавливает кислород до пероксида водорода; последний расщепляется каталазой. А иминокислота гидролизуется до альфа-кетокислоты и аммиака.

Непрямое ДА (или транс-ДА) идет в два этапа: 1) переаминирование (см. выше); 2) дезаминирование ГЛУ «α-КГ + NH₃, над стрелочкой глутамат-ДГ, под стрелочкой – НАД→НАД·Н₂.

3. Декарбоксилирование АК – процессы образования биогенных аминов, обладающих биологической активностью:

ГИС → (гистидил-ДК, ПФ) гистамин,

   

ТИР → (оксигеназа, +1/2О₂) ДОФА (диоксифенилаланин) → (ДК, ПФ, -СО₂)дофамин,

          

ТРИ → (оксигеназа, +1/2О₂) 5-окситриптофан → (ДК, ПФ, -СО₂) серотонин,

ГЛУ → гамма-аминомасляная  к-та (ГАМК).

      

Дофамин и ГАМК – тормозные нейромедиаторы, гистамин – тканевой гормон. Серотонин является местным регулятором в функции периферических органов.