Глава 25. Обмен белков и нуклеиновых кислот

Обмен белков занимает центральное место во всем многообразии обменных процессов организма. Это объясняется, с одной стороны, тем, что все структурные элементы клеток, тканей и органов человека и высших животных построены из белков; с другой стороны, обладая специфическими физико-химическими и биологическими свойствами, белки являются тем инструментом, который реализует геном клетки. Организм человека и животных не может обходиться без регулярного поступления белков с пищей. Если на длительное время исключить из пищи жиры и углеводы, то это не вызовет в организме таких тяжелых расстройств, как отсутствие белка. Продолжительное безбелковое питание, даже при интенсивном употреблении с пищей углеводов и жиров, неизбежно заканчивается смертью.

Очень велика роль белков как пластического материала. С момента рождения организма и до его смерти постоянно происходит разрушение и восстановление клеток. Пластическая функция белков настолько велика, что никакими другими органическими соединениями их заменить невозможно. Все это требует обязательного поступления в организм белков. В этом отношении продукты растительного происхождения, которые являются основным источником углеводов, имеют второстепенное значение. Первое место в обеспечении организма человека белками занимают продукты животного происхождения.

Белки не могут быть использованы организмом в том виде, в каком они поступают с пищей, поскольку им присуща строгая видовая специфичность. Более того, каждый орган и каждая ткань организма человека состоят из характерных для них белков. Если ввести, например, в кровь человека альбумины и глобулины крови какого-либо животного, то они будут вести себя как чужеродные тела. Поэтому прежде чем использовать белки, поступающие с пищей, организм должен лишить их своей видовой специфичности. Следовательно, белки расщепляются на отдельные аминокислоты. Это необходимо еще и в связи с тем, что молекулы белков не могут проникать через клеточную мембрану, тогда как аминокислоты свободно через нее проходят.

Расщепление белков на аминокислоты происходит в пищевом канале. Весь же процесс обмена белков включает переваривание, всасывание продуктов расщепления и внутриклеточный обмен.

Переваривание белков

В слюне нет ферментов, расщепляющих белки. Переваривание белков происходит в желудке и тонких кишках. Под действием соляной кислоты, содержащейся в желудочном соке, выделяемом слизистой оболочкой желудка (около 2,5 л в сутки), происходит набухание белков, которое облегчает их гидролитическое расщепление ферментами.

Наиболее важными ферментами желудочного сока являются пепсин и гастриксин. Пепсин образуется из неактивного предшественника пепсиногена под действием свободного пепсина и соляной кислоты. Оптимум активности пепсина лежит в интервале рН = 1,0 — 1,5. Под действием пепсина происходит расщепление пептидных связей в молекулах белков, образованных аминогруппами ароматических и моноаминодикарбоновых аминокислот.

В желудочном соке детей содержится фермент химозин, катализирующий превращение казеиногена в казеин. Под влиянием этого фермента казеиноген молока гидролизуется в незначительной степени и образующийся при этом казеин дает в присутствии кальция нерастворимый в воде казеинат кальция. Превращение казеиногена в казеин имеет существенное значение для переваривания его в желудке детей, когда молоко является единственным продуктом их питания. Створоженное молоко задерживается в желудке и подвергается более длительному воздействию пепсина. В желудочном соке взрослых людей химозин отсутствует, створаживание молока в желудке происходит под действием пепсина.

Оптимум действия гастриксина лежит в пределах рН = 2,5— 3,5. Гастриксин осуществляет дальнейший гидролиз продуктов, образовавшихся под действием пепсина.

Под влиянием этих двух протеолитических ферментов молекулы белков расщепляются на отдельные аминокислоты и полипептиды различной величины. В желудке хорошо перевариваются альбумины и глобулины как животного, так и растительного происхождения, плохо расщепляются белки соединительной ткани (коллаген и эластин) и совсем не растворяются кератин и протамины.

Образовавшиеся в желудке свободные аминокислоты, полипептиды и нерасщепленные белки поступают в двенадцатиперстную и тонкие кишки, где подвергаются воздействию большой группы протеолитических ферментов, вырабатываемых поджелудочной железой и слизистой оболочкой тонкой кишки. Ферменты поджелудочной железы поступают в двенадцатиперстную и далее в тонкую кишку, где смешиваются с кишечным содержимым. Эта смесь содержит ферменты, осуществляющие расщепление белков и отдельных полипептидов до свободных аминокислот,— трипсин, химотрипсин, карбок-сипептидазу, эластазу и большую группу три- и дипептидаз. Оптимум действия указанных ферментов лежит в слабощелочной среде (рН = 7,8 — 8,1). Перечисленные ферменты выделяются в просвет тонкой кишки в неактивном состоянии в виде трипсиногена, химотрипсиноге-на, прокарбоксипептидазы и проэластазы, которые превращаются в активную форму при поступлении в кишки отдельных полипептидов и нерасщепившихся белков.

Под действием энтерокиназы (выделяемой стенкой кишок) или самого трипсина трипсиноген превращается в активный трипсин, который проявляет максимальную активность при рН =7,0. Он расщепляет пептидные связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина, в любом месте полипептидной цепи.

Активный химотрипсин гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами триптофана, фенилаланина или тирозина, а также лейцина и метионина.

Концевые пептидные связи расщепляют карбоксипептидазы. Известны карбоксипептидазы А и В. Первая расщепляет все СООН-концевые пептидные связи за исключением тех, где находятся СООН-ос-татки лизина или аргинина. Вторая, наоборот, гидролизует только те концевые пептидные связи, которые образованы СООН-группами лизина и аргинина.

Эластаза расщепляет пептидные связи между остатками различных нейтральных кислот. Слизистая оболочка тонкой кишки секретирует аминопептидазу под названием лейцинаминопептидаза. Этот фермент, несмотря па свое название, обладает слабо выраженной специфичностью и отщепляет NН₂-концевые остатки большинства аминокислот.

Так, в результате совместного действия различных протеолитических ферментов, выделяемых стенкой желудка, поджелудочной железой и стенкой тонкой кишки, пищевые белки подвергаются полному гидролитическому расщеплению до свободных аминокислот. Последние всасываются клетками стенки тонкой кишки, откуда затем поступают в кровь и разносятся по всем органам и тканям, где подвергаются дальнейшим превращениям.

Превращения аминокислот после всасывания

B клетках отдельных органов и тканей аминокислоты претерпевают различные превращения. Часть их служит материалом для синтеза специфических для организма белков, другие используются для образования небелковых азотистых соединений, являющихся составными частями клеток и тканей, некоторые аминокислоты распадаются до конечных продуктов азотистого обмена.

Образованию конечных продуктов белкового обмена предшествует предварительное внутриклеточное окисление аминокислот. При этом для окисления двадцати различных аминокислот, входящих в состав белков, существует и двадцать различных путей, каждый из которых в свою очередь состоит из большого числа ферментативных реакций Однако все эти пути в конечном итоге приводят к образованию небольшого количества продуктов, в разных местах вовлекающихся в цикл трикарбоновых кислот, где они подвергаются дегидрированию и декарбоксилированию. Пути включения углеродных скелетов двадцати аминокислот в цикл Кребса показаны на схеме: