2. Источники поступления белков

Недостаточное поступление белка сказывается на функции всех систем организма: ферментной, эндокринной, иммунной, кроветворной, нервно-рефлекторной, детоксицирующей. При недостаточном поступлении белков с пищей нарушаются обменные процессы витаминов и минеральных веществ. При длительном недостаточном поступлении белков с пищей у детей 1 – 5 лет может развиться заболевание, носящее название болезни Квашиоркор, что в переводе с языка жителей Ганы означает «болезнь ребенка, отнятого от груди». Квашиоркор бывает и у грудных детей, находящихся на бедном белком искусственном вскармливании, реже – у взрослых.

При избыточном поступлении в организм белка в кишечнике усиливаются процессы гниения с образованием таких токсичных соединений как индол, скатол. Нарушается ряд обменных процессов с накоплением в организме пуриновых соединений, уратов, что может способствовать развитию подагры, мочекаменной болезни.

В связи с непрерывно увеличивающейся численностью населения земного шара возникает необходимость поиска путей решения проблемы обеспечения населения полноценным белком. Главным путем увеличения белковых ресурсов останется традиционный, связанный с повышением продуктивности сельскохозяйственного производства (в том числе за счет селекции и биотехнологических приемов, основанных на генно-инженерных методах) и снижением потерь при переработке и обороте продовольственного сырья и пищевых продуктов. Разрабатываются технологии получения нетрадиционных и новых источников белка. Под нетрадиционными и новыми источниками белка, перспективными для использования в питании, подразумевают протеин-содержащие продукты, являющиеся или отходами пищевого и кормового производства и малоутилизируемым пищевым сырьем, или совершенно новые ресурсы для получения белка.

К нетрадиционным источникам белка относятся:

• вторичные белоксодержащие продукты - обрат, молочная сыворотка, казеинаты, кровь и органы убойных животных, продукты переработки бобовых (соевые белковые продукты);

• отходы и побочные продукты пищевого и кормового производства - бобовые культуры, отходы мельничных производств, шрот из семян подсолнечника, льна, хлопчатника, арахиса, сои, сафлора и некоторых других масличных культур, кукурузных зародышей, томатов, винограда;

• малоутилизируемое и не используемое ранее пищевое сырье - некоторые виды рыб и морепродуктов, биомасса зеленых растений, шрот из семян рапса и других крестоцветных, некоторые ткани и органы убойных животных.

Новыми источниками белка являются одноклеточные и многоклеточные водоросли, мицелий грибов, дрожжи, а также белки и аминокислоты микробиологического и химического синтеза.

Все потенциальные источники белка должны рассматриваться в качестве носителей как известных, так и новых токсических, аллергенных и антиалиментарных веществ (Рагузин А.В., Сетко Н.П., Ширшов О.В., Фатеева Т.А 2001).

3. Этапы обмена белков. Переваривание белков

Этапы обмена белков:

1. гидролиз в ЖКТ;

2. всасывание;

3. транспорт кровью;

4. химические превращения в клетках;

5. выведение.

Белки, поступившие в организм с пищей, в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) расщепляются до аминокислот при действии группы протеолитиче-ских ферментов — пептидгидролаз по современной номенклатуре; широко из­вестно их тривиальное название — протеазы, или протеиназы. Эти ферменты катализируют гидролитическое расщепление пептидной связи в белках, пред­ставляющее собой экзэргонический процесс, при котором АС имеет отрица­тельное значение и полностью сдвигает равновесие реакции в сторону образо­вания продуктов реакции. Пептидгидролазы относятся по классификации ферментов к классу гидролаз, их шифр КФ 3.4.1—3.4.4.

Протеолитические ферменты животных и че­ловека изучены достаточно хорошо, в меньшей степени исследованы расти­тельные протеазы.

Для протеолитических ферментов характерен ряд общих свойств и осо­бенностей.

Ферменты, расщепляющие белки, обладают относительной субстратной специфичностью, которая определяется:

• длиной полипептидной цепи;

• в структурой радикалов аминокислотных остатков, образующих гидроли-зуемую пептидную связь;

• положением связи в полипептиде.

Внутренние пептидные связи расщепляются эндопептидазами, концевые - экзопептидазами:

Известно, что скорость гидролиза протеазами денатурированных белков выше, чем нативных, поскольку при денатурации белков (например, в желуд­ке под действием соляной кислоты при рН ~ 1,5—2,0) становятся доступными для протеолиза внутренние участки полипептидной цепи, ранее плотно упако­ванные в компактную глобулу.

Рис. 1. Схема последовательной деграда­ции пищевых белков в желудочно-кишечном тракте

Все протеолитические ферменты синтезируются в виде неактивных пред­шественников, называемых зимогенами или проферментами, и таким образом клетки защищены от контакта с активной формой фермента и автолиза. Пре­вращение зимогена в активный фермент происходит путем необратимой ковалентнои модификации зимогена за счет локального протеолиза, т. е. разрыва одной или нескольких пептидных свя­зей и отщепления ограниченного чис­ла аминокислотных остатков. Это вы­зывает конформационные изменения в полипептиде, достаточные для фор­мирования пространственной струк­туры активного центра фермента.

Общая схема деградации белков пищи протеолитическими фермента­ми в пищеварительном тракте пред­ставлена на рис. 24.2.

Расщепление пищевых белков начинается с действия протеолитиче-ского фермента желудка — пепсина. Специализированные (периетальные) клетки эпителия желудка секретиру-ют соляную кислоту, создавая в же­лудке кислую среду (рН ~ 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. Пепсиноген превра­щается в пепсин после отщепления от него 42 аминокислотных остатков, вначале под действием соляной кис­лоты (медленно), а затем аутокаталитически (очень быстро). Молекулярная масса пепсиногена 40,4 кВа, пепси­на — 32,7 Ша. Пепсин является эндонуклеазой, и его действие приводит к на­коплению смеси пептидов; наиболее активно он гидролизует пептидные связи, МН-группа которых принадлежит ароматическим аминокислотам — тирозину, фенилаланину, триптофану. В слизистой желудка человека выделен также про-теолитический фермент гастриксин, сходный по свойствам с пепсином.

Секреция соляной кислоты активируется гистамином и гормонами гаст-ринами, их образование угнетается гормоном слизистой двенадцатиперстной кишки — секретином и гормоном гипофиза — соматостатином.

Дальнейшее переваривание высокомолекулярных пептидов и белков, не расщепленных пепсином, происходит тремя эндопептидазами, вырабатывае­мыми поджелудочной железой в виде предшественников — трипсиногена, хи-мотрипсиногена и проэластазы.

Процесс превращения трипсиногена в трипсин происходит под действием фермента, вырабатываемого в клетках слизистой оболочки кишечника — энте-ропептидазы, а затем аутокаталитически под влиянием трипсина.

Трипсин обладает сравнительно узкой субстратной специфичностью, раз­рывая пептидные связи, в образовании которых участвуют карбоксильные группы лизина и аргинина, т. е. основных аминокислот.

В поджелудочной железе синтезируется ряд химотрипсинов из двух предшественников — химотрипсиногена А и химотрип-синогена В. Активируются зимогены в кишечнике под действием активного трипсина и хймотрипсина.

Химотрипсин обладает более широкой субстратной специфичностью, чем трипсин. Он катализирует гидролиз не только пептидов, но и эфиров, амидов и других ацилпроизводных, хотя наибольшую активность он проявляет по от­ношению к пептидным связям, в образовании которых принимают участие карбоксильные группы ароматических аминокислот — фенилаланина, тиро­зина и триптофана.

В поджелудочной железе синтезируется еще одна эндопептидаза — элас-таза. Название фермент получил от субстрата эластина, который он гидроли­зует. Эластин богат глицином и аланином, содержится в соединительной тка­ни. Эластаза обладает широким спектром действия, гидролизуя субстраты, не расщепляемые трипсином и химотрипсином.

Рис. 2. Активация протеиназ в кишечнике

В переваривании нативных белков и продуктов их гидролиза в тонком ки­шечнике активное участие принимают экзопептидазы. Карбоксипептидазы синтезируются в неактивном состоянии в поджелудочной железе и активиру­ются трипсином в кишечнике. Карбоксипептидаза А гидролизует пептидные связи С-концевых аминокислот, образованные преимущественно ароматиче­скими аминокислотами (фенилаланин, тирозин, триптофан), а карбоксипеп-тидаза В — связи, в образовании которых участвуют С-концевые лизин и аргинин.

Аминопептидазы вырабатываются в клетках слизистой оболочки кишеч­ника (энтероцитах) сразу в активной форме. Из кишечного сока выделены два типа аминопептидаз, различающиеся по субстратной специфичности — ала-нинаминопептидаза и лейцинаминопептидаза, первая из которых гидролизует пептидную связь, образованную ТУ-концевым аланином, а вторая способна гидролизовать практически любую пептидную связь, образованную ТУ-конце-вой аминокислотой.

Процесс переваривания пептидов, их расщепление до свободных амино­кислот в тонком кишечнике завершают три- и дипептидазы.

При избыточном потреблении животных жиров и ряде патологий в ниж­них отделах кишечника возможно развитие гнилостных и бродильных процес­сов. При действии микрофлоры кишечника происходят превращения амино­кислот, получившие название гниения белков в кишечнике. Так, в процессе глу­бокого распада серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина и метиони-на) в кишечнике образуются сероводород и меркаптан. Диаминокислоты, в частности орнитин и лизин, подвергаются процессу де-карбоксилирования с образованием диаминов, иногда называемых трупными ядами, поскольку они образуются также при гнилостном разложении трупов. Из орнитина образуется путресцин, а из лизина — кадаверин:

Следует отметить, что сравнительно недавно в животных тканях был от­крыт фермент, катализирующий декарбоксилирование орнитина.

Полиамины, в том числе и диамин путресцин, содержатся практически во всех тканях и входят в основном в состав ядерного хроматина. Известно их участие в регуляции клеточного деления, однако молекулярные механизмы их действия остаются не до конца выясненными.

Из фенилаланина, тирозина и триптофана при бактериальном декарбок-силировании образуются соответствующие биогенные амины: фенилэтил-амин, и-гидроксифенилэтиламин (или тирамин) и индолилэтиламин (трипт-амин); при постепенном разрушении боковых цепей циклических аминокис­лот, в частности тирозина и триптофана, образуются ядовитые продукты обме­на: соответственно крезол и фенол, скатол и индол

Индол и скатол обезвреживаются в печени, предварительно окисляясь со­ответственно в индоксил и скатоксил, выводятся из организма в виде парных соединений, вступая в реакцию конъюгации с З-фосфоаденозил-5-фосфо-сульфатом (ФАФС) или уридиндифосфатглюкуроновой кислотой (УДФГК).

В качестве примера приведена реакция детоксикации индола, которая за­канчивается образованием животного индикана, выводимого с мочой (В.П. Комов, В.П. Шведова, 2004).

После денатурации вызванной соляной кислотой желудочного сока, белок подвергается полостному гидролизу в тонкой кишке, в результате чего получаются олигопептиды. Получение олигопептидов невозможно без участия ферментов поджелудочной железы – трипсина и химотрипсина. Олигопептиды являются субстратом для пристеночного гидролиза в тонкой кишке, конечными продуктами которого являются аминокислоты. Процесс пристеночного гидролиза сопряжен с всасыванием конечных продуктов, т. е. локализация гидролиза и всасывания одна и также. Всасывание аминокислот осуществляется активно. Поступившие в кровь аминокислоты по системе воротной вены поступают в печень. В печени синтезируются два вида белков:

• белки, необходимые для жизнедеятельности самих клеток (ферменты, структурные);

• белки, экспортируемые в плазму крови, где они и проявляют свои функции.

В гепатоцитах преобладает синтез экспортируемых в плазму белков, особенно альбуминов. Концентрация альбумина в норме колеблется от 38 до 50 г/л. Альбумины плазмы крови синтезируются только в гепатоцитах, другие плазменные белки синтезируются и в других органах. За сутки в печени обновляется около 9 % собственных белков и до 25% всех альбуминов плазмы (12 – 25 г/сут).

Альбумины имеют наименьшую молекулярную массу из всех плазменных белков и форму, обеспечивающую наименьшее увеличение вязкости крови по сравнению с глобулинами и особенно фибриногеном. Альбумины обладают большой гидрофильностью и связанная в гидратных оболочках альбумина вода не способна покидать кровяное русло. Связывание альбумином воды плазмы и Na⁺ определяет их роль в регуляции онкотического давления (75 – 80% от общего онкотического давления). Таким образом, выраженная гипоальбуминемия ведёт к понижению онкотического давления. Онкотическое давление играет роль в обеспечении фильтрации и реабсорбции воды и растворенных в ней веществ. Так как стенка капилляров непроницаема для белков, то онкотическое давление препятствует фильтрации. Следовательно, при гипоальбуминемии происходит увеличение фильтрации и развивается отек тканей, уменьшается объем циркулирующей крови. Отёк тканей создаёт условия для сдавливания просвета капилляров, что ещё больше нарушает микроциркуляцию в жизненно важных органах: мозг, почки, сердце, скелетные мышцы. Это ведёт к снижению мышечной работоспособности, быстрой утомляемости, мышечной слабости и так далее.

Особо следует выделить транспортную функцию альбуминов. Молекулы альбумина присоединяют и транспортируют свободные жирные кислоты, желчные кислоты, избыток стероидных и тиреоидных гормонов, ионы кальция, токсины, многочисленные лекарственные вещества. Присоединяясь к альбуминам эти вещества изменяют свои физико – химические свойства (например, становятся растворимыми в воде) и теряют свои биологические свойства (инактивация гормонов, обезвреживание токсинов и лекарств). Поэтому у грудных детей при гипотрофии и пожилых людей при истощении нередко появляются признаки передозировки лекарств и токсический эффект.

Кроме альбумина в гепатоцитах синтезируются белки, выполняющие специфические функции. Это прокоагулянтные белки (фибриноген, протромбин, проакцелерин (V), конвертин (VII), фактор Стюарта (X)), белки – переносчики, (трансферрин, гаптоглобины), а также ферменты и их ингибиторы. Трансферрин транспортирует свободное (негеминовое) железо, поступающее из кишечника, и не фильтруется. По этой причине молоко практически не содержит железо. В клетках ретикуло – эндотелиальной системы (селезёнка, печень, красный костный мозг) железо входит в состав белка ферритина.

Для синтеза многообразных белков и использования аминокислот в энергетических целях в печени аминокислоты подвергаются переаминированию и дезаминированию. Переаминирование – это перенос аминогруппы, в результате этой реакции из одной аминокислоты можно получить другую, исключение составляют восемь аминокислот получивших название незаменимых, чье присутствие в пище является обязательным условием для синтеза белков. Дезаминирование является начальным этапом включения аминокислот в глюконеогенез. Из печени в кровь печеночной вены поступают белки плазмы и аминокислоты. Аминокислоты, поступая в ткани организма, используются на синтез белков или подвергаются дезаминированию. Одновременно с синтезом белков в тканях идет распад белковых соединений. При распаде образуются азотистые соединения, обладающие токсичным эффектом. В печени происходит превращение азотсодержащих токсинов в мочевину, которая выводится из организма с мочой и потом.

Регуляция белкового обмена, как и регуляция обмена веществ в целом, преимущественно гуморальная. Следует отметить группу гормонов, оказывающих анаболический эффект, т. е. увеличение синтеза белка. Выраженным анаболическим эффектом обладают СТГ (стимулирует процессы транскрипции и трансляции), инсулин (белковосберегающая функция инсулина за счет угнетения глюконеогенеза), половые гормоны, особенно андрогены. Следует отметить двоякое влияние глюкокортикоидов на синтез белков. В печени они увеличивают синтез белков, а в мышцах и лимфоидных образованиях наоборот угнетают. Следствием последнего является снижение иммунитета при применении глюкокортикоидов с лечебной целью. При высокой концентрации глюкокортикоидов из-за снижения синтеза белков возможно истончение кожи и явления остеопороза.