 |
Обмен аммиака: источники, связывание в тканях, транспорт
|
|
|
|
Обмен белков
Фонд свободных аминокислот организма составляет около 30 г. Содержание аминокислот в крови равно 25-65 мг/дл. Источником свободных аминокислот организма служат пищевые белки, белки собственных тканей, а также синтез аминокислот из углеводов.
Значение аминокислот для организма определяется, прежде всего, тем, что они используются для синтеза белков. Кроме того, из аминокислот образуется большое количество азотсодержащих веществ небелковой природы, выполняющих специальные функции: биогенные амины, глутатион, гем и др. Катаболизм аминокислот может служить источником энергии для синтеза АТФ. При обычном питании энергетическая роль аминокислот невелика (~10%), однако может быть существенной при преимущественно белковом питании, а также при голодании.
Азотистый баланс
На долю аминокислот (свободных и в составе белков) приходится более 95% всего азота организма. Поэтому об общем состоянии аминокислотного и белкового обмена можно судить по азотистому балансу, т.е. разнице между количеством азота, поступающего с пищей, и количеством выделяемого азота (главным образом в составе мочевины). У взрослого здорового человека при нормальном питании имеет место азотистое равновесие, т.е. количество выделяемого азота равно количеству поступающего. В период роста организма, а также при выздоровлении после тяжелых заболеваний азота выводится меньше, чем поступает, т.е. имеет место положительный азотистый баланс. При старении, голодании и в течение истощающих заболеваний азота выводится больше, чем поступает, т.е. имеет место отрицательный азотистый баланс.
При положительном азотистом балансе часть аминокислот пищи задерживается в организме, включаясь в состав белков и клеточных структур. Общая масса белков в организме при этом увеличивается. Наоборот, при отрицательном азотистом балансе общая масса белков уменьшается (катаболические состояния).
|
|
|
Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте
Переваривание белков начинается в желудке под действием пепсина. Пепсин в виде неактивного предшественника – пепсиногена – образуется в главных клетках желудочных желез. Активация пепсиногена происходит в желудочном соке и заключается в отщеплении N-концевого фрагмента молекулы. В результате ограниченного протеолиза и последующей конформационной перестройки оставшейся части молекулы формируется активный центр, т.е. образуется пепсин. Превращение пепсиногена в пепсин может происходить под действием НСI (этот процесс протекает медленно) или самого пепсина, т.е. аутокаталитически (этот процесс протекает быстро). Т.о., небольшое количество пепсина, образовавшегося при участии НСI вскоре после секреции желудочного сока, быстро приводит к превращению остальной части пепсиногена в пепсин.
Поскольку пепсин относится к эндопептидазам, т.е. гидролизует пептидные связи внутри белковой молекулы, в результате его действия белки в желудке распадаются на полипептиды. Наибольшую активность пепсин проявляет при рН 1,5-2,5.
НСl, помимо активации пепсиногена, выполняет и другие важные функции. В кислой среде желудочного сока большинство белков денатурирует, что облегчает их переваривание. Кроме того, кислый желудочный сок обладает бактерицидным действием, препятствуя развитию микрофлоры в желудке.
Из желудка крупные осколки белков поступают в тонкий кишечник, в верхних отделах которого завершается переваривание белков. Это происходит под действием ферментов поджелудочной железы и клеток кишечника. В клетках поджелудочной железы синтезируются проферменты трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбоксипептидазы А и В, проэластаза. Активация трипсиногена происходит при участии фермента энтеропептидазы, выделяемого клетками кишечника. В результате отщепления N-концевого гексапептида и изменения конформации оставшейся части молекулы формируется активный центр и образуется трипсин. Все другие проферменты поджелудочной железы активируются трипсином путем ограниченного протеолиза. В результате получаются ферменты химотрипсин, карбоксипептидазы А и В, эластаза.
|
|
|
Трипсин, химотрипсин, эластаза подобно пепсину относятся к эндопептидазам и различаются по субстратной специфичности. Основную часть продуктов действия этих ферментов составляют пептиды.
Карбоксипептидазы – это экзопептидазы: они гидролизуют пептидную связь, образованную С-концевым аминокислотным остатком. Карбоксипептидаза А отщепляет преимущественно С-концевые аминокислоты с гидрофобным радикалом, а карбоксипептидаза В – С-концевые остатки лизина и аргинина.
Последний этап переваривания происходит при участии ферментов, синтезируемых клетками кишечника – аминопептидаз и дипептидаз. Аминопептидазы отщепляют N-концевые аминокислоты от пептидов, а дипептидазы гидролизуют дипептиды.
Последовательность действия всего набора протеолитических ферментов обеспечивает расщепление белков до аминокислот. Образовавшиеся аминокислоты всасываются слизистой кишечника при участии целого ряда механизмов, основным из которых является активный вторичный транспорт.
Обмен белков в тканях
Белки организма человека постоянно обновляются. В норме у здорового взрослого человека обновление белков составляет 1-2% от общего количества белков тела за сутки и связано преимущественно с деградацией мышечных белков до аминокислот. При этом примерно 75-80% высвободившихся аминокислот повторно используется в синтезе белков. Оставшаяся часть метаболизируется до конечных продуктов азотистого обмена, удаляемых из организма, а также превращается в глюкозу, кетоновые тела и СО2. Суточная деградация белков составляет 30-40 г. Поскольку ~16% массы белка приходится на азот, суточная потеря азота составляет 5-7 г.
|
|
|
Распад белка в тканях происходит под действием тканевых протеиназ или катепсинов, локализованных преимущественно в лизосомах (рН 5-6). В зависимости от структуры активного центра ферментов, все катепсины подразделяются на
1. тиоловые (катепсины В, С, Н, L, N, S)
2. аспартильные (катепсин D)
3. сериновые (катепсин A)
Под действием катепсинов тканевые белки расщепляются до отдельных аминокислот.
Катаболизм аминокислот
Аминокислоты, поступающие в организм в количествах, превышающих потребности, связанные с биосинтезом белков, запасаться в организме не могут и используются как метаболическое топливо.
Катаболизм аминокислот чаще всего начинается с реакции дезаминирования – удаления α-аминогруппы. Дезаминированию подвергаются все аминокислоты, кроме лизина.
Различают следующие виды дезаминирования:
а) окислительное – для Glu
б) неокислительное – для Ser, Thr, His, Cys.
в) непрямое – для всех остальных аминокислот.
Непрямое дезаминирование аминокислот протекает в 2 стадии. Первая стадия – реакция переаминирования. Реакциями переаминирования называют реакции переноса аминогруппы от аминокислоты на кетокислоту с образованием новой аминокислоты и новой кетокислоты, а ферменты, катализирующие эти реакции, получили название аминотрансфераз или трансаминаз. Основным акцептором (сборщиком) аминогрупп является 2-оксоглутарат.
Кроме того, в роли промежуточных акцепторов аминогрупп могут выступать пируват и оксалоацетат. Образующиеся при этом, соответственно, аланин и аспартат могут передавать свою аминогруппу на 2-оксоглутарат с образованием глутамата. Таким образом, аминогруппы большинства аминокислот собираются в составе глутамата.
Вторая стадия: собственно дезаминирование. Реакция катализируется глутаматдегидрогеназой (ГДГ) – митохондриальным ферментом, использующим в качестве кофермента НАД+. Реакция обратима и функционирует как в процессах катаболизма, так и биосинтеза аминокислот.
ГДГ печени является регуляторным ферментом. ГТФ и АТФ являются аллостерическими ингибиторами, тогда как ГДФ и АДФ служат аллостерическими активаторами. Следовательно, снижение энергетического заряда ускоряет окисление аминокислот.
|
|
|
Определение активности АлАТ в сыворотке крови широко используется в клинике с целью ранней диагностики и мониторинга заболеваний печени.
Обмен аммиака: источники, связывание в тканях, транспорт
Другими (помимо аминокислот) источниками аммиака в организме являются:
2) глутамин + Н2О ® глутамат + NH3
3) амины (R-CH2-NH2 + H2O + O2 ® R-C=O + NH3 + H2O2)
4) аденин + Н2О ® гипоксантин + NH3
5) распад пиримидиновых оснований:
3-уреидопропионат + Н2О ® b-аланин + СО2 + NH3
Образовавшийся аммиак – вещество крайне токсичное, особенно опасное для мозга. Причины токсичности аммиака:
а) аммиак сдвигает реакцию, катализируемую глутаматдегидрогеназой в сторону образования глутамата
2-оксоглутарат + НАДН·Н+ + NH3 → глутамат + НАД+
Снижение концентрации 2-оксоглутарата вызывает угнетение обмена аминокислот (переаминирования) и гипоэнергетическое состояние (угнетение ЦЛК).
б) аммиак усиливает синтез глутамина из глутамата в нервной ткани
глутамат + NH3+ АТФ → глутамин + АДФ + Н3РО4
Накопление глутамина в нервных клетках приводит к повышению осмотического давления и в больших концентрациях может вызвать отек мозга. Снижение концентрации глутамата нарушает обмен нейромедиаторов, в частности синтез γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) – основного тормозного медиатора.
Глутамат → ГАМК + СО2
Это приводит к преобладанию процессов возбуждения над процессами торможения и вызывает судороги.
в) Аммиак в крови и цитозоле образует ион NH4+
NH3 + H+ → NH4+
Накопление NH4+ нарушает трансмембранный перенос ионов, в частности одновалентных катионов Na+ и К+, что также влияет на проведение нервных импульсов.
Образовавшийся в клетках аммиак связывается (обезвреживается) и выводится из организма почками в виде конечных продуктов азотистого обмена: 1) мочевины – синтезируется в печени и 2) аммонийных солей – образуются в почках.
Существует несколько способов обезвреживания и выведения аммиака в разных тканях. 1) Образование глутамата из 2-оксоглутарата катализируется глутаматдегидрогеназой (ГДГ). Вклад этой реакции в обезвреживание аммиака невелик. 2) Основной реакцией обезвреживания аммиака почти во всех тканях является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы:
Глутаминсинтетаза обладает высоким сродством к аммиаку, и благодаря этой реакции в крови и тканях поддерживается низкая концентрация NH3.
Глутамин является транспортной формой аммиака, т.к. представляет собой нейтральную кислоту, способную легко проникать через клеточные мембраны путем облегченной диффузии (в отличие от глутаминовой кислоты, требующей механизмов активного транспорта).
|
|
|
Образовавшийся в тканях глутамин транспортируется в почки и печень.
|
|
|
