Биологическая химия

В процессах жизнедеятельности организма белкам принадлежит главная роль. Однако синтез белка из неорганических веществ возможен только в растительных тканях. В животном же организме белок синтезируется из аминокислот, часть из которых образуется в самом организме, тогда как другие должны поступать с пищей. Таким образом, состояние белкового обмена в значительной степени определяется содержанием белка в продуктах питания.

Ниже приводится содержание белка в некоторых пищевых продуктах.

Как видно из приведенных данных, содержание белка в продуктах животного происхождения (мясо, рыба, сыр) выше, чем в растительных продуктах (хлеб, крупы, овощи). Между растительными и животными продуктами существуют и качественные различия. Именно животные продукты содержат аминокислоты, которые не синтезируются в организме.

Белки в организме выполняют разнообразные функции (см. Химия белков), основной из которых является пластическая. В течение всей жизни в организме происходит одновременно разрушение и восстановление клеток органов и тканей. Это — противоположные процессы, единство которых и составляет сущность жизни. В связи с этим в организм должны постоянно поступать вещества, необходимые для построения новых клеток. Главное место при этом принадлежит белкам, так как ни углеводы, ни жиры не могут их заменить в воспроизводстве основных структурных элементов органов и тканей, а также в образовании ряда важнейших веществ, например ферментов и гормонов.

Норма белка в питании

Для нормальной жизнедеятельности организма необходимо поступление такого количества белка, которое полностью будет покрывать все его потребности. Эта величина не является постоянной и зависит от многих факторов, таких, как пол, возраст, род трудовой деятельности и других физиологических условий. Институтом питания АМН СССР в 1971 г. опубликованы нормы белкового питания (табл. 6).

Таблица 6. Потребность в белках

Азотистый баланс

Так как белки представляют собой азотсодержащие вещества, одним из методов, характеризующих состояние белкового обмена в организме и биологическую ценность продуктов питания, является определение баланса азота. Баланс азота — это разница между количеством азота, поступившего в организм, и азота, выведенного из него. Обычно у здорового человека при нормальном белковом питании имеется состояние белкового равновесия, когда поступление азота полностью покрывает его расход. При отрицательном балансе азота выводится больше, чем поступает. Такое состояние может наблюдаться при белковом голодании, нарушениях деятельности пищеварительного аппарата, рвоте и т. д. Положительный азотистый баланс наблюдается в тех случаях, когда азота вводится больше, чем выводится. Это бывает при беременности, у растущего организма, при бурном росте опухоли и других состояниях, когда в организме повышены процессы биосинтеза белка.

Биологическая ценность белка

Азотистый баланс только частично может характеризовать биологическую ценность пищи и обеспеченность организма белками. Как известно, для синтеза белков организма необходимы различные аминокислоты. Ряд из них может синтезироваться в организме. Такие аминокислоты называются заменимыми. Те же, которые не синтезируются и должны поступать с пищей, называются незаменимыми.

К заменимым аминокислотам относятся глицин, аланин, серии, глютаминовая кислота, аспарагиновая кислота, тирозин, аргинин, пролин и гистидин[5].

Незаменимыми аминокислотами являются треонин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан и лизин.

Только те белки пищи, которые имеют в своем составе все незаменимые аминокислоты, считаются полноценными. В случае отсутствия одной или нескольких незаменимых ами- .. нокислот белки являются неполноценными. Однако такое определение полноценных и неполноценных белков в настоящее время недостаточно. Это связано с тем, что использование организмом аминокислот пищи зависит еще и от соотношений последних между собой. Потребности организма будут полностью обеспечены только в том случае, если соотношение незаменимых аминокислот в пище будет примерно таким же, как и в самом организме.

Таким образом, полноценными белками можно считать только такие, которые имеют в своем составе набор всех незаменимых аминокислот в соотношениях, приближающихся к таковым в организме. На этом основании А. А. Покровским рассчитана суточная потребность человека в незаменимых аминокислотах.

Потребность взрослого человека в триптофане составляет 1,0 г, в треонине — 2-3 г, в лизине — 3,5 г, в метионине — 2,4 г, в фенилаланине — 2-4 г, в валине — 4,0 г, в лейцине — 4,6 г, в изолейцине — 3-4 г.

Среди белков пищевых продуктов, однако, практически нет ни одного, который бы отвечал таким требованиям. С некоторым приближением к полноценным белкам можно отнести белки материнского молока, куриного яйца, икры рыб, мозга животных. Поэтому для полного обеспечения здорового организма полноценными белками в суточный рацион человека должны входить белки различных пищевых продуктов. При различных патологических состояниях потребность в белках может меняться. Так, например, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта могут нарушаться процессы переваривания и всасывания белков, что влечет за собой изменение и белкового состава рациона. При других заболеваниях может снижаться уровень заменимых аминокислот. В этих случаях они становятся незаменимыми и должны поступать с пищей.

В полости рта отсутствуют протеолитические ферменты, и поэтому белки здесь не расщепляются.

Основная масса белков распадается в желудке под действием желудочного сока, которого в сутки выделяется около 2,5 л. В его составе содержится соляная кислота, которая вырабатывается обкладочными клетками слизистой оболочки желудка и способствует набуханию белков (денатурации), облегчая тем самым гидролитическое расщепление их ферментами.

Рис. 58. Структура пепсиногена. 1 — место отщепления полипептида от молекулы пепсиногена; 2 — активный пепсин

Основным протеолитическим ферментом желудочного сока является пепсин, который образуется из профермента (неактивного фермента) пепсиногена, секретируемого главными клетками слизистой оболочки желудка. Превращение пепсиногена в пепсин может происходить двумя путями: под влиянием соляной кислоты или путем аутоак-тивации. Механизм их действия одинаков. Как соляная кислота, так и имеющийся в желудочном соке пепсин отщепляют от пепсиногена полипептид с молекулярным весом 7000. При этом происходит определенная внутримолекулярная перестройка молекулы, в результате чего образуется активный пепсин, схема которого показана на рис. 58. За сутки в желудке вырабатывается около 2 г пепсина. Каталитическая активность пепсина при рН среды желудка очень высока. Пепсин катализирует расщепление пептидных связей в молекуле белка, который распадается на отдельные аминокислоты и гюлипептиды различной величины. По последним научным данным, пепсин катализирует разрыв пептидных связей, образованных, главным образом, ароматическими и дикарбоновыми аминокислотами.

Помимо пепсина, в желудке присутствует другой протеолитический фермент гастриксин, оптимум действия которого лежит в пределах рН 2,5-3,5.

В желудке хорошо перевариваются альбумины и глобулины животного и растительного происхождения, плохо расщепляются белки соединительной ткани (коллаген и эластин) и совершенно не расщепляются кератин и протамины.

Образовавшиеся в желудке полипептиды и нерасщдпленные белки поступают в двенадцатиперстную кишку и тонкий кишечник. Здесь они подвергаются воздействию большой группы протеолитических ферментов, вырабатываемых поджелудочной железой и слизистой оболочкой гонкого кишечника.

Сок поджелудочной железы поступает в двенадцатиперстную кишку и тонкий кишечник, где смешивается с кишечным соком. Эта смесь соков содержит протеолитические ферменты, обеспечивающие расщепление белка до аминокислот. К ним относятся трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза, лейцинаминопептидаза и большая группа три- и дипептидаз.

Трипсин и химотрипсин вырабатываются в недеятельном состоянии в виде проферментов — трипсиногена и химотрипсиногена. Процесс их активации заключается в следующем. Трипсиноген под действием фермента энтеро-киназы превращается в трипсин. Г. К. Шлыгин установил, что энтерокиназа сама вырабатывается в недеятельном состоянии в виде кинозогена и активируется ранее образованным трипсином. Трипсиноген, так же как и пепсиноген, может активироваться уже имеющимся трипсином (процесс аутоактивации). Химотрипсиноген под действием трипсина превращается в активный фермент — химотрипсин. Оптимум действия этих ферментов лежит в слабощелочной среде (рН 7,8-8,1). Трипсин расщепляет полипептиды и белки, главным образом пептидные связи между ароматическими аминокислотами и диаминокислотами — аргинином и лизином. Химотрипсин действует на белки и полипептиды, содержащие ароматические аминокислоты, а также на те пептидные связи, на которые трипсин не влияет.

Механизм действия амино- и карбоксиполипептидаз заключается в отщеплении от полипептидов концевых аминокислот, которые имеют соответственно свободную аминную или карбоксильную группу. Оставшиеся нерасщепленными небольшие пептиды, состоящие из 3-4 аминокислотных остатков, подвергаются гидролизу специфическими ди- и трипептидазами. Таким образом, в результате пищеварения в желудке и кишечнике белки в основном расщепляются до аминокислот и небольшого количества пептидов.

Гниение белков в кишечнике под влиянием бактерий

Некоторое количество не всосавшихся в тонком кишечнике аминокислот белков ? поступают в толстый кишечник, где подвергаются воздействию микроорганизмов — гниению, при котором образуются различные вещества, в том числе ядовитые. К последним относятся путресцин и кадаверин, которые образуются при декарбоксилировании орнитина и лизина. Из тирозина образуются фенол и крезол, а из триптофана — скатол и индол.

Продукты гниения белков всасываются в кровь воротной вены, откуда попадают в печень, где обезвреживаются, вступая в соединение с активными формами серной или глюкуроновой кислот по следующей схеме:

Калиевая соль индоксилсерной кислоты называется животным индиканом и выделяется в значительных количествах при атонии кишечника, хронических запорах, заворотах, т. е. при длительной задержке продуктов переваривания пищи в кишечнике.

Некоторые ядовитые вещества, например бензойная кислота, обезвреживаются в печени путем образования с аминокислотой глицином гиппуровой кислоты, безвредного соединения, которое выделяется с мочой.

Эта реакция служит в клинике для определения антитоксической функции печени. Чем больше выделяется гиппуровой кислоты, тем выше антитоксическая функция печени.

Судьба аминокислот после всасывания их в кишечнике

Всосавшиеся аминокислоты в кишечнике в основном поступают в кровь воротной вены. Только около 5% попадает в лимфу. По воротной вене они доставляются в печень, где часть их идет на биосинтез различных специфических для организма белков — альбуминов, глобулинов, ферментов, фибриногена крови и др. Другая часть аминокислот током крови разносится по всем органам и тканям, где они используются для биосинтеза белков или подвергаются различным превращениям.

У человека в норме концентрация аминокислот в крови поддерживается на постоянном уровне и составляет в среднем 6-8 мг% из расчета на аминный азот. Основная часть белка содержится в сыворотке крови.

В тканях (мышцы, печень, мозг, почки и т. д.) содержание аминокислот выше, чем в крови, и составляет 40-100 мг% аминного азота.

Использование аминокислот клетками органов и тканей является активным процессом, в котором принимают участие АТФ.

Одним из основных путей превращения аминокислот в организме является биосинтез белка.

Биосинтез белка

Изучению вопросов биосинтеза белка в организме уделяется самое большое внимание, так как это имеет важнейшее научное и клиническое значение. Пока точно не известно, как протекает этот процесс, но успехи биохимии последних двух десятилетий позволяют наметить основные этапы синтеза белка в организме.

Как известно, отличие одного индивидуального белка от другого определяется прежде всего природой и последовательностью чередования аминокислот, входящих в его состав. Передача этих сведений и составляет одну из основных черт биосинтеза белка.

Как было установлено, носителем информации наследственности является молекула ДНК, на которой закодированы генетические особенности организма. Они обусловлены определенной последовательностью азотистых оснований, входящих в структуру ДНК. В состав ДНК входят аденин, гуанин, тимин и цитизин, а в РНК вместо тимина представлен урацил. В ДНК и РНК каждые три последовательно соединенных азотистых основания носят название "трипилет".

ДНК в основном расположена в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, на особых клеточных микроструктурах — рибосомах. Передача наследственных особенностей организма, закодированных на ДНК, осуществляется через информациоиную РНК (и-РНК), которая синтезируется по подобию ДНК. В основе передачи информации лежит принцип комплементарности (дополнения), т. е. каждому из 4 оснований в РНК и ДНК соответствует дополнительное, комплементарное основание, что можно записать так:

Синтез и-РНК заключается в том, что молекула ДНК, как имеющая двойную спираль, в определенные моменты раскручивается и на каждой из раскрученных нитей ДНК строится молекула и-РНК по принципу комплементарное™ (рис. 59). Следовательно, каждому азотистому основанию ДНК соответствует комплементарное азотистое основание и-РНК. В результате этого молекула информационной РНК в точности повторяет последовательность азотистых оснований ДНК и, следовательно, генетическую информацию. Молекула и-РНК является матрицей, на которой строится белок, соответствующий данному организму.

Рис. 59. Образование информационной РНК

Основная функция аминокислот — это участие в биосинтезе белка. Начинается этот процесс с активации аминокислот (при участии АТФ с образованием комплексов — аминоациладенилатов. Для каждой аминокислоты имеется своя определенная транспортная РНК (т-РНК), к которой и присоединяется вполне определенная аминокислота в виде аминоациладенилата. Этот комплекс переносится к рибосомам. Особенностью т-РНК является наличие у нее определенного триплета (антикодона), комплементарного кодону и-РНК.

Биосинтез белка заключается на последнем этапе в том, что т-РНК определенной аминокислоты своим антикодом присоединяется к кодону и-РНК. К следующему кодону и-РНК присоединяется антикодон другой т-РНК с новой аминокислотой. Две последовательно расположенные аминокислоты соединяются между собой при помощи пептидной связи. Общая схема биосинтеза белка показана на рис. 60.

Рис. 60. Схема биосинтеза белка в рибосоме (по А. С Спирину)

Таким путём происходит образование первичной структуры белка. В дальнейшем полипептидная цепь отсоединяется от РНК, закручивается в спираль и, наконец, приобретает специфическое пространственное расположение — третичную структуру.

Процесс биосинтеза белка находится под контролем как механизмов внутри клетки, так и вне ее.

Другие пути превращения аминокислот

Конечные продукты распада аминокислот

В результате различных превращений аминокислот в тканях организма образуются аммиак, углекислый газ и вода. Углекислый газ частично выводится из организма, а оставшаяся часть используется для синтетических процессов, например для синтеза жирных кислот, пуриновых оснований и др.

Аммиак образуется в организме при дезаминировании аминокислот, при распаде некоторых веществ, таких, как пуриновые и пиримидиновые основания, глютамин и др. Например, в почках аммиак выделяется при распаде глютамина.

Аммиак для организма является очень сильным токсическим веществом. Например, повышение его концентрации в крови только на 5% приводит к гибели кроликов. Поэтому организм в ходе эволюции выработал различные эффективные механизмы его обезвреживания. К основным из них относятся: образование глютамина, восстановительное аминирование, нейтрализация кислот, синтез мочевины.

Образование глютамина имеет важное значение для организма. Это связано с тем, что синтез глютамина в основном происходит в местах непосредственного образования аммиака, например в печени и мозге, где обнаружена активная глютаминсинтетаза — фермент, катализирующий этот процесс. В результате этого предотвращается проявление токсического действия аммиака. Обезвреженный таким путем NH₃ может быть использован организмом в качестве источника азота, например, для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, мукополисахаридов (глюкозамин). Это характеризует взаимосвязь белкового обмена с обменом нуклеиновых кислот и углеводов. Глютамин выступает в этих процессах в качестве транспортной формы аммиака.

Восстановительное аминирование представляет собой процесс, обратный дезаминированию. Он обеспечивает связывание аммиака кетокислотами с образованием соответствующих им аминокислот. В организме обнаружена активная ферментная система, которая катализирует восстановительное аминирование α-кетоглютаровой кислоты с образованием глютаминовой.

Нейтрализация неорганических и органических кислот аммиаком с образованием аммонийных солей является процессом обезвреживания аммиака в почках.

Синтез мочевины

Синтез мочевины служит основным путем детоксикации аммиака у млекопитающих и главной формой выделения белкового азота из организма. Из общего числа азотистых веществ в моче на долю азота мочевины приходится от 80 до 85%. Впервые принципиальная схема синтеза мочевины была предложена М. В. Ненцким. Ему удалось доказать, что синтез мочевины происходит из двух молекул аммиака и одной молекулы углекислого газа:

В специальных опытах И. В. Залеский и С. С. Салазкин в лаборатории И. П. Павлова установили, что если кровь воротной вены направить не в печень, а в нижнюю полую вену, т. е. миновать печень, то наступает резкое увеличение содержания аммиака в крови и отравление животного, нередко заканчивающееся его гибелью. Был сделан вывод, что печень является органом, где происходит обезвреживание аммиака.

Работами Кребса, Эмбдена, Клементи, Ратнера и других авторов было выяснено участие в этом процессе других веществ и ферментов, катализирующих реакции синтеза мочевины.

В современном представлении синтез мочевины изображен на схеме 4.

Схема 4

При детальном изучении синтез мочевины можно условно разделить на 3 этапа. На первых двух происходит связывание двух молекул аммиака в безвредные для организма соединения, а на третьем фактически происходит образование мочевины.

I этап. Молекула аммиака и углекислого газа за счет энергии, выделяемой при распаде АТФ, синтезируется в карбамилфосфат, который, соединяясь с орнитином (неприродная аминокислота), образует цитруллин.

Таким образом, в цитруллине зафиксированы одна молекула аммиака и СО₂.

II этап. Происходит связывание еще одной молекулы аммиака в глютаминовой кислоте путем восстановительного аминирования с α-кетоглютаровой кислотой. Глютаминовая кислота передает зафиксированную молекулу аммиака в виде NН₂-группы на щавелевоуксусную кислоту, которая превращается в аспарагиновую кислоту (процесс переаминирования).

III этап. На этом этапе и происходит синтез мочевины. Цитруллин и аспарагиновая кислота при участии энергии АТФ образуют аргинин-янтарную кислоту, которая расщепляется на фумаровую кислоту и аргинин. Под действием аргиназы аргинин распадается на орнитин и мочевину. Орнитин вновь может включаться в первый этап этого процесса, а образовавшаяся мочевина выводится почками из организма.

Обмен отдельных аминокислот

Аминокислоты, поступающие с пищей или образующиеся при распаде тканевых белков, главным образом идут на синтез белков. Однако многие аминокислоты принимают участие в образовании ряда веществ, которые имеют большое значение для жизнедеятельности организма.

Так, глицин идет на синтез креатина, серина, гемоглобина, пуриновых оснований, сиаловых и парных желчных кислот. Он принимает участие в обезвреживании бензойной, фенил-уксусной кислот и других ядовитых для организма веществ. При дезаминировании аланина образуется пировиноградная кислота, которая участвует в синтезе ацетил-КоА, а также глюкозы и гликогена.

Серии может явиться исходным веществом для образования 3-фосфоглицериновой кислоты, одного из субстратов обмена глюкозы и гликогена, этаноламина (азотистого основания, входящего в состав фосфолипида-кефалина), пировиноградной кислоты, цистеина.

Метионин в организме имеет важное значение как один из основных поставщиков метальных групп, необходимых для синтеза холина, тимина, адреналина и креатина.

Креатин играет важную роль в химических процессах, связанных с мышечным сокращением. Он относится к важнейшим азотистым небелковым соединениям. Креатин синтезируется из аргинина, глицина и метионина.

В мышцах креатин находится не в свободном виде, а в соединении с фосфорной кислотой — в виде фосфокреатина. Он является макроэргическим соединением, обеспечивая энергией процесс мышечного сокращения и синтеза АТФ. При распаде фосфокреатин превращается в креатинин, который выводится с мочой из организма. За сутки в норме выделяется около 2 г креатинина.

Между содержанием в крови фосфокреатина и выделением креатинина с мочой существует прямая зависимость, что позволяет по степени выделения креатинина судить о мышечном развитии тела.

В случае появления в моче креатина — (креатинурия) — предполагается наличие различных заболеваний мышц и авитаминоза Е. Физиологическая креатинурия может быть у беременных женщин и у маленьких детей, но причина ее не выяснена.

Цистеин участвует в синтезе цистина и таурина, необходимого компонента для образования парных желчных кислот.

Значение этих серусодержащих аминокислот заключается еще и в том, что они образуют серную кислоту, которая в активированной форме, в виде фосфоаденозинфосфосульфата (ФАФС) обеспечивает обезвреживание вредных для организма веществ, таких, как крезол, фенол и др. (см. "Гниение белков") в кишечнике под влиянием бактерий.

Глютаминовая и аспарагиновая кислоты в организме выполняют многие важные функции. Так, они участвуют в процессе обезвреживания аммиака путем синтеза мочевины и образования амидов — глютамина и аспарагина. В синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований принимает участие аспарагиновая кислота.

При декарбоксилировании глютаминовой кислоты образуется γ-аминомасляная кислота — медиатор в центральной нервной системе:

В результате дезаминирования или переаминирования глютаминовой кислоты образуется α-кетоглютаровая кислота — один из основных субстратов цикла Кребса.

Аргинин принимает участие в синтезе мочевины. При распаде лизина образуется глютаминовая кислота. Фенилаланин является предшественником тирозина. Главный путь распада тирозина проходит через стадию гомогентизиновой кислоты до образования конечных продуктов, которыми являются фумаровая и ацетоуксусная кислоты. Однако тирозин в организме подвергается и другим превращениям, в результате которых образуются важные в биологическом отношении вещества. Так, тирозин является исходным продуктом для синтеза гормонов мозгового слоя надпочечников — адреналина и норадреналина. Меланины — темные пигменты — также синтезируются из тирозина.

Тирамин — представитель биогенных аминов — образуется при декарбоксилировании тирозина.

Триптофан. Превращение триптофана также происходит по нескольким путям, одним из которых является эндогенный синтез никотиновой кислоты — витамина PP. Другой путь распада триптофана ведет к образованию биогенного амина — серотонина.

При обмене гистидина может образоваться глютаминовая кислота, а также один из представителей биогенных аминов — гистамин.