Тема 9.1. Роль белков в питании. Азотистый баланс

В организме человека содержится примерно 15 кг белков. Количество свободных аминокислот составляет около 35 г. Ежесуточно в организме распадается до аминокислот почти 400 г белков и столько же синтезируется.

1. Основным источником аминокислот для человека являются пищевые белки. Суточная норма потребления белков составляет в среднем около 100 г.

20 α-аминокислот, которые встречаются в белках организма, можно разделить на четыре группы:

•  заменимые аминокислоты - Ала, Асп, Асн, Глу, Глн, Про, Гли, Сер - синтезируются в необходимых количествах в организме;

•  незаменимые аминокислоты - Вал, Лей, Иле, Мет, Фен, Три, Лиз, Тре - не могут синтезироваться в организме и должны поступать с пищей;

•  частично заменимые аминокислоты - Гис, Арг - синтезируются очень медленно, в количествах, не покрывающих потребности организма, особенно в детском возрасте;

•  условно заменимые аминокислоты - Цис, Тир - синтезируются из незаменимых аминокислот Мет и Фен соответственно.

2. Полноценность белкового питания зависит от аминокислотного состава белков и определяется наличием незаменимых аминокислот.Отсутствие в пищевых белках незаменимых аминокислот (даже одной) нарушает их синтез в организме. Обновление белков в различных тканях происходит с разной скоростью. Так, белок соединительной ткани коллаген обновляется полностью за 300 дней, а белки системы свертывания крови - от нескольких минут до нескольких дней.

3. Большая часть свободных аминокислот используется для синтеза собственных белков организма. Кроме того, из аминокислот синтезируется большое количество биологически активных молекул:

•  биогенные амины (медиаторы); некоторые аминокислоты сами являются нейромедиаторами - например, глицин и глутамат;

•  гормоны белковой природы;

•  гем, креатин, карнитин и другие азотсодержащие соединения.

Аминокислоты подвергаются реакции дезаминирования; образовавшиеся безазотистые остатки используются для синтеза глюкозы, кетоновых тел или окисляются до СО₂ и Н₂О.

Азот аминокислот выводится из организма почками в виде мочевины или аммонийных солей. Аминокислоты и белки содержат до 95% всего азота организма.

4. Азотистый баланс - разница между количеством азота, поступающего с пищей, и количеством азота, выделяемого почками в виде мочевины и азотистых солей. Он является показателем состояния белкового и аминокислотного обмена.

Азотистый баланс может быть:

•  положительным - у детей, беременных женщин, при увеличении мышечной массы у спортсменов и больных, выздоравливающих после тяжелой болезни, что свидетельствует о преобладании синтеза белков и роста тканей над их распадом;

•  отрицательным - при тяжелых заболеваниях, голодании, старении, что свидетельствует об усилении процессов распада белков;

•  равным нулю (азотистое равновесие) - у здоровых взрослых людей при нормальном питании.

Тема 9.2. Переваривание белков в желудке и кишечнике, всасывание аминокислот

1. При переваривании происходит гидролиз пищевых белков до свободных аминокислот. Процесс переваривания начинается в желудке и продолжается в тонком кишечнике под действием ферментов пептидгидролаз (пептидаз). Основные пептидазы синтезируются в клетках желудка, поджелудочной железы и кишечника (рис. 9.1). В желудке белки пищи денатурируются и гидролизуются с образованием олигопептидов. Вкишечнике панкреатические пептидазы продолжают гидролиз олигопептидов до ди- и трипептидов и свободных аминокислот. Короткие пептиды расщепляются до свободных аминокислот в пристеночном слое или в клетках кишечного эпителия. Затем происходит их всасывание.

Все пептидазы, в зависимости от места расположения в пептиде гидролизуемой связи, делятся на эндопептидазы и экзопептидазы:

•  эндопептидазы - расщепляют пептидные связи, удаленные от концов пептидной цепи (пепсин, трипсин, химотрипсин, эластаза);

•  экзопептидазы - гидролизуют пептидные связи, образованные N- и С-концевыми аминокислотами (аминопептидаза, карбоксипептидазы А и В), а также расщепляют ди- и трипептиды.

Рис. 9.1. Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте

Ферменты, участвующие в переваривании белков, обладают относительной субстратной специфичностью и гидролизуют пептидные связи; при этом каждая пептидаза преимущественно расщепляет связи, образованные определенными аминокислотами (табл. 9.1).

2. Желудочные и панкреатические пептидазы вырабатываются в неактивной форме (проферменты), секретируются к месту действия, где активируются путем частичного протеолиза (отщепление пептида различной длины, чаще с N-конца молекулы профермента). Место синтеза проферментов (клетки слизистой оболочки желудка, поджелудочная железа) и место их активации (полость желудка, тонкого кишечника)пространственно разделены. Такой механизм образования активных ферментов необходим для защиты секреторных клеток желудка и поджелудочной железы от самопереваривания.

Таблица 9.1. Характеристика протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта

Примечание: X - любая аминокислота

Преждевременная активация проферментов в секреторных клетках происходит при:

•  язвенной болезни желудка - пепсиноген превращается в пепсин в клетках слизистой желудка;

•  остром панкреатите - трипсиноген превращается в трипсин в клетках поджелудочной железы и активирует остальные панкреатические пептидазы.

3. Слизистая оболочка желудка вырабатывает следующие факторы, необходимые для переваривания белков:

•  пепсиноген - синтезируется в главных клетках;

•  соляную кислоту - вырабатывается обкладочными клетками. Гидролиз белков в желудке происходит под действием пепсина.

Профермент пепсиноген при поступлении пищи секретируется в полость желудка, где в два этапа происходит его активация:

•  с помощью НС! - медленно;

•  аутокаталитически - быстро, уже имеющимся пепсином. Соляная кислота желудочного сока выполняет следующие функции:

•  .участвует в активации пепсиногена;

•  создает оптимум рН для пепсина;

•  оказывает бактерицидное действие;

•  денатурирует белки пищи.

Значение рН желудочного сока в норме составляет 1,5-2,0. Определение кислотности желудочного сока используется для диагностики различных заболеваний желудка (табл. 9.2).

Таблица 9.2. Компоненты желудочного сока в норме и при патологических состояниях

•    Общая кислотность желудочного сока - это совокупность всех кислотореагирующих веществ желудочного сока, представляющая собой секрет желудка, собираемый в течение 1 часа (предварительно отбирают секрет, ранее содержащийся в желудке).

•  Связанная соляная кислота - это соляная кислота, связанная с белками и продуктами их переваривания.

•  Свободная соляная кислота - это соляная кислота, не связанная с другими молекулами.

•  Общая кислотность желудочного сока выражается в титрационных единицах (ТЕ) и измеряется количеством 0,1 М NaOH в миллилитрах, затраченным на титрование 100 мл желудочного сока в присутствии определенных индикаторов.

•  Кислотность желудочного сока в норме составляет:

общая 40-60 ТЕ;

связанная HCl 20-30 ТЕ;

свободная HCl 20-40 ТЕ.

При диагностике заболеваний желудка помимо биохимических анализов обязательно проводят рентгенологические и эндоскопические исследования, иногда биопсию.

В слизистой оболочке желудка вырабатывается также внутренний фактор (фактор Касла), который представляет собой белок, способствующий всасыванию витамина В₁₂ в тонкой кишке. Отсутствие этого витамина часто приводит к развитию анемии.

Молочная кислота в норме в желудочном соке отсутствует. Образуется при уменьшении содержания или отсутствии свободной соляной кислоты в результате усиленного размножения молочнокислых бактерий или при злокачественных опухолях желудка.

НС1 и пепсин способны разрушать клетки эпителия желудка. В норме это не происходит благодаря наличию защитных факторов слизистой оболочки, таких, как:

•  образование на поверхности слизи, содержащей гетерополисахариды, которые не являются субстратами пептидгидролаз;

•  секреция эпителиальными клетками ионов НСО₃^-, создающих в пристеночном слое менее агрессивную среду с рН 5,0-6,0, в которой пепсин неактивен. Кроме того, клетки поврежденного эпителия обладают способностью к быстрой регенерации.

Пепсин гидролизует пептидные связи, образованные аминогруппой или карбоксильной группой ароматических аминокислот (см. табл. 9.1):

4. Переваривание белков в кишечнике происходит под действием:

•  ферментов поджелудочной железы-трипсина, химотрипсина, эластазы, карбоксипептидаз А и Б;

•  ферментов эпителия тонкой кишки - аминопептидазы, дипептидаз, трипептидаз.

Активная форма трипсина образуется в кишечнике при участии фермента энтеропептидазы, выделяемого клетками кишечника. Энтеропептидазаотщепляет от N-конца трипсиногена гексапептид (рис. 9.2), что приводит к изменению конформации молекулы и формированию активного центра трипсина.

Рис. 9.2. Механизм активации трипсиногена.

Пунктирная стрелка - место гидролиза. Буквами обозначены аминокислоты (А - асп, Г - глу, В - вал, Л - лиз, И - иле)

Остальные проферменты панкреатического сока (химотрипсиноген, прокарбоксипептидазы А и В, проэластаза) активируются трипсином.Активация панкреатических пептидаз в кишечнике происходит в виде каскада реакций.

Ферменты эпителия тонкой кишки синтезируются в энтероцитах сразу в активной форме.

• Ферменты, участвующие в переваривании белков в кишечнике, обладают субстратной специфичностью к определенным аминокислотам в белке: Трипсин гидролизует преимущественно пептидные связи, образованные карбоксильными группами катионогенных аминокислот:

•   Химотрипсин - пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот:

•    Эластаза - связь между -Гли-Ала-

•  Карбоксипептидазы отщепляют С-концевые аминокислоты:

карбоксипептидаза А - гидрофобные аминокислоты, карбоксипептидаза В - Лиз и Арг;

•  Аминопептидаза - отщепляет N-концевые аминокислоты;

•  Дипептидаза - гидролизует дипептиды;

•  Трипептидаза - расщепляет трипептиды на отдельные аминокислоты.

5. Конечным результатом переваривания белков является образование свободных аминокислот, поступающих в клетки слизистой оболочки кишечника, путем вторично-активного транспорта за счет градиента концентрации натрия (симпорт). Всасывание L-аминокислот является активным, требующим затраты энергии процессом. Транспорт их осуществляется двумя путями:

•  через воротную систему печени;

•  по лимфатическим сосудам, сообщающимся с кровью через грудной лимфатический проток.

Аминокислоты конкурируют друг с другом за специфические участки связывания белков-переносчиков. Так, всасывание лейцина в больших количествах уменьшает всасывание изолейцина и валина. В крови максимальная концентрация аминокислот достигается через 30-50 минут после приема белковой пищи. Свободные аминокислоты, в отличие от белков пищи, лишены видовой специфичности и не обладают антигенными свойствами.

Скорость проникновения аминокислот через мембраны клеток различается, что указывает на существование транспортных систем, обеспечивающих перенос аминокислот через мембраны. Известно пять специфических транспортных систем для переноса определенной группы близких по строению аминокислот:

•  нейтральных с короткой боковой цепью (аланин, серин, треонин);

•  нейтральных с длинной или разветвленной боковой цепью (валин, лейцин, изолейцин);

•  с катионными радикалами (лизин, аргинин);

•  с анионными радикалами (глутаминовая и аспарагиновая кислоты);

•  иминокислот (пролин, оксипролин).

Переносчики аминокислот первой и пятой групп, а также переносчик метионина относятся к числу Na+-зависимых. Независимые от Na+ переносчики специфичны для некоторых нейтральных аминокислот (фенилаланин, лейцин) и аминокислот с катионными радикалами (лизин).

Одной из основных транспортных систем для нейтральных аминокислот является γ-глутамильный цикл, который функционирует в почках, поджелудочной железе, печени и селезенке, в мозге и других тканях он содержится в очень небольших количествах (рис. 9.3).

Рис. 9.3. γ-Глутамильный цикл:

Е₁ - γ-глутамилтранспептидаза (γ-ГТ); Е₂ - γ-глутамилциклотрансфераза; Е₃ - пептидаза; Е₄ - оксопролиназа; Е₅ - γ-глутамилцистеинсинтетаза; Е₆ - глутатионсинтетаза.

Система состоит из одного мембранного и пяти цитоплазматических ферментов. Перенос аминокислоты внутрь клетки осуществляется в комплексе с глутамильным остатком глутатиона под действием фермента γ-ГТ. Затем аминокислота освобождается, а γ-глутамильный остаток в несколько стадий превращается в глутатион, который способен присоединять следующую молекулу аминокислоты

Ключевую роль в работе системы играет мембранный фермент γ-глутамилтранспептидаза (γ-ГТ). Этот гликопротеин катализирует перенос γ-глутамильной группы с глутатиона (γ-глутамилцистеинилглицин) или другого γ-глутамильного пептида на транспортируемую аминокислоту и последующий перенос комплекса в клетку. Глутатион содержится во всех тканях животных. Для транспорта в клетку одной молекулы аминокислоты с участием γ-глутамильного цикла затрачивается три молекулы АТР.

γ-ГТ в больших количествах содержится в почках, поджелудочной железе, печени и других тканях. Активность фермента в сыворотке крови в норме составляет 30-50 МЕ/л (мкмоль/мин-мг) для мужчин и 25-35 МЕ/л для женщин. Определение активности γ-ГТ в сыворотке крови используется для диагностики заболеваний печени и сердца. γ-ГТ-тест используется также в качестве маркера рака поджелудочной железы, печени, предстательной железы и для обнаружения людей из группы раннего риска алкоголизма, для контроля за лечением хронического алкоголизма.