52.Химическое строение, св-ва и биологическая роль белков. Протеолиз.

Белки – это высокомолекулярные органические соединения. Структурными единицами белков являются аминокислоты. В природных белках встречается 20 различных аминокислот, но разнообразие белков велико, поскольку каждому белку свойственна своя особая аминокислотная последовательность, генетически конролируемая. Белков в клетках больше, чем каких бы то ни было орган.соединений ( свыше 50% от сухой массы клетки). Большое разнообразие белков позволяет им выполнять в живом организме множество различных функций: каталитическая – выполняют ферменты, которые по своей биол.природе являются белками; питательная – выполняют резервные белки, являющиеся источниками питания (казеин); транспортная – перенос кислорода гемоглабином, участие альбуминов в транспорте липидов и др; защитная – выполняют белки-антитела в ответ на поступление чужеродных вещест, также способность ряда белков крови к свертыванию; сократительная – эту функцию обеспечивает много белковых веществ тела, но глав.роль играют – актин и миозин; структурная – белки вместе с липидами образуют биомембраны клеток. Каллоген входит в состав соедин.тк, кератин в волосы и ногти, эластин в сосудистой стенки и др; гормональная – гормоны регулируют обмен вещ, и ряд гормонов представлены белками (гормоны гипофиза, поджел.ж-зы и др). Т.образом белкам принадлежит разносторонняя роль в ор-ме человека. Сложность строения белк.молекул и черезвычайное разнообразие их функций затрудняет создание единой четкой классиф-и. поэтому выделяют разные класф-и, основанные на хар-х.

Класф-я белков по их составу:1) простые – при гидролизе распадаются только на аминокислоты (альбумины, глобулины, гистоны) 2) сложные – при гидролизе распад-ся на АК и небелковую часть (фосфо-, нуклео-, гликопротеины).

Класф-я белков по их структуре: 1)фибриллярные, 2) глобулярные, 3) промежуточные.

Существуют и другие класф-и.

В зависимости от пространственной конфигурации полипептидных цепей различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную стр-ру белка:

1 – последовательная цепочка АК остатков

2 – обуславливается водородными связями, возникающими м\у двумя пептидными группами одной (спиральная конфигурация) или двух (складчатая конфиг-я) полипептидных цепей.

3 – формируется вследствии превращения спиральных и неспиральных уч-в полипептидной цепи в трехмерные образования – глобулы, в результате формир-я дисульфидных ионных и водородных мостиков и гидрофобных взаимодействий.

4 – при обьединении нескольких отдельных белковых молекул в единую систему.

Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте - это часть метаболизма белков, совокупность управляемых процессов, осуществляемых в системе пищеварения, которые представляют собой химическую переработку белков поступающих в организм с пищей, для последующего их всасывания в кровь и в лимфу.

Пищевые вещества содержат крупномолекулярные белки, углеводы и липиды, которые не способны к всасыванию в кровь и лимфу из-за больших размеров своих молекул. Химическая переработка пищи в желудочно-кишечном тракте представляет собой последовательное ступенчатое ферментативноегидролитическое расщепление крупномолекулярных белков, углеводов и липидов до простых веществ, способных к всасыванию. Ферменты, катализирующие эти реакции гидролиза называют гидролазами.

Переваривание белков пищи предназначено для их денатурации, лишения видовой и тканевой специфичности и расщепления на простые компоненты способные всасываться в тонкой кишке в кровь. Почти все белки пищи (~95 ё 97%) всасываются в виде свободных аминокислот. Расщепление белков пищи представляет собой гидролиз с участием катализаторов - протеолитических ферментов (протеазы, протеиназы, пептидазы). Каждый фермент из протеиназ разрывает вполне определенные пептидные связи белков. Специфичностьдействия зависит от размера полипептида, его структуры, разновидности аминокислот участвующих в образовании пептидных связей.

В зависимости от особенностей действия, пептидазы разделяют на две группыэкзопептидазы и эндопептидазы. Экзопептидазы катализируют разрыв концевой пептидной связи. При этом высвобождается вполне определенная концевая аминокислота. Эндопептидазы гидролизуют главным образом пептидные связи внутри полипептидной цепи. Разные эндопептидазы обладают специфичностью действия на субстрат гидролиза, зависящей от вида аминокислот в разрываемой пептидной связи. В связи с этим под действием разных эндопептидаз молекула белка расщепляется на определенное количество пептидов.

Переваривание белков пищи начинается в желудке. Желудок является резервуаром, где потребленная пища находится в течение ~6 ё 8 ч. Ёмкость желудка взрослого человека в среднем равна ~3 л (1,5 ё 4,0 л). В желудок поступает пища, которая подверглась существенной физической и незначительной химической переработке в полости рта. Химическая переработка пищи более интенсивно продолжается в желудке. Здесь происходит её постепенное перемешивание с желудочным соком

и образование химуса. Желудочный сок содержит соляную кислоту и ферменты, катализирующие гидролиз пищевых веществ, главным образом белков. Подготовленные для еще более интенсивного переваривания слои химуса, прилегающие к стенке желудка, периодически порциями перемещаются желудком в двенадцатиперстную кишку.

Соляная кислота желудочного сока играет существенную роль в переваривании белков. Она способствует набуханию белков, их денатурации, создает оптимальнуюкислотностьсреды для наилучшего действия ферментов, активирует проферменты, стимулирует секрециюгормонов принимающих участие в управлениифункциями желудочно-кишечного тракта.

Желудочный сок содержит три главных протеазы: пепсин, реннин и гастриксин. Пепсин катализирует гидролиз пептидных связей почти всех натуральных белков (за исключением некоторых кератинов, протаминов, гистонов и мукопротеинов). В результате гидролиза белков образуются различного размера полипептиды, олигопептиды и небольшое количество свободных аминокислот.

В желудочном соке детей грудного возраста содержится фермент реннин. Он катализирует свертывание молока (превращение растворимого казеиногена в нерастворимый казеин). При таком свертывании молока замедляется продвижение нерастворимого казеина по желудочно-кишечному тракту. Благодаря этому увеличивается время действия протеиназ и обеспечивается эффективность усвоения белков. У взрослых свертывание молока осуществляется в большей степени пепсином.

Значительно более интенсивное, чем в желудке переваривание белков осуществляется в тонкой кишке. Начальным отделом её является двенадцатиперстная кишка. Двенадцатиперстная кишка имеет приблизительно в десять раз меньшую ёмкость, чем желудок. В то же время через двенадцатиперстную кишку проходит вся та масса химуса, которая находится в желудке. В полость двенадцатиперстной кишки выделяют свои секретыподжелудочная железа, бруннеровы железы и печень. Количество секретов на единицу поверхности двенадцатиперстной кишки, количество ферментов значительно больше, чем на единицу поверхности желудка. Все это объясняет тот факт, что интенсивность переваривания пищевых продуктов, в том числе и белков в двенадцатиперстной кишке приблизительно в четыре раза больше, чем в желудке.

Сок поджелудочной железы содержит пять главных ферментов: трипсин, химотрипсин, коллагеназу, карбоксипептидазу, эластазу. Трипсин и химотрипсин действуют на белки аналогично пепсину. Они наиболее активны в слабощелочной среде (рН = 7,2 ё 7,8) и разрушают внутренние пептидные связи. Таким образом, внутренние пептидные связи сложных белков последовательно разрывают три протеазы: пепсин желудочного сока, трипсин и химотрипсин сока поджелудочной железы. В результате образуются полипептиды различной длины и небольшое количество свободных аминокислот.

Дальнейший гидролиз полипептидов до свободных аминокислот осуществляется под влиянием группы более специфичных ферментов - пептидаз. Они содержатся в соке поджелудочной железы, в соке двенадцатиперстной кишки (бруннеровы железы) и в кишечном соке желёз нижележащих отделов тонкой кишки (либеркюновы железы) Это карбоксипептидазы (карбоксиполи , , карбокситри , карбоксидипептидазы) и аминопептидазы (аминополи , .,аминотри , аминодипептидазы). Эти ферменты разрушают концевые пептидные связи с образованием олигопептидов или свободных аминокислот (в соответствии с названием). Кроме перечисленных ферментов сок поджелудочной железы содержит ферменты эластазу и коллагеназу. Они катализируют гидролиз эластина и коллагена.

Как правило, конечные стадии гидролиза пищевых продуктов осуществляются в гликокаликсе и на мембранеэнтероцита (мембранное переваривание). Образовавшиеся при этом простые вещества, в частности свободные аминокислоты, здесь же всасываются (активный транспорт) через мембрану энтероцита в его цитозоль, затем - в интерстициальное пространствомикроворсинок, и далее - в кровь их микроциркуляторного русла в печень.

Протеолиз Для полного расщепления белков до свободных аминокислот необходимо несколько ферментов с различной специфичностью. Протеиназы и пептидазы имеются не только в желудочно-кишечном тракте, но и в клетках. По месту атаки молекулысубстратапротеолитические ферменты делятся на эндопептидазы и экзопептидазы. Эндопептидазы, или протеиназы, расщепляют пептидную связь внутри пептидной цепи. Они «узнают» и связывают короткие пептидные последовательности субстратов и относительно специфично гидролизуют связи между определенными аминокислотными остатками. Протеиназы классифицируются по механизму реакции. Сериновые протеиназы (схема В) содержат в активном центре важный для каталитического действия этих ферментов остаток серина, в цистеиновых протеиназах таким является остаток цистеина и т.д. Экзопептидазы гидролизуют пептиды с конца цепи: аминопептидазы — с N-конца, карбоксипептидазы — с С-конца. Наконец, дипептидазы расщепляют только дипептиды.

Б. Протеасомы

Поскольку функциональные белкиклетки должны быть защищены от преждевременного протеолиза, часть протеолитических ферментовклетки заключена в липосомы (см. с. 228). Другая хорошо регулируемая система деградации белков локализована в цитоплазме. Она состоит из больших белковых комплексов (молекулярная масса 2?106 Да), протеасом. Протеасомы содержат бочковидное ядро из 28 субъединиц и имеют коэффициент седиментации (см. с. 202) 20S. Протеолитическая активность (на схеме показана в виде ножниц) локализована во внутреннем 20S-ядре. С торцов бочки запираются сложно устроенными 19S-частицами, контролирующими доступ в ядро.

Белки, которым предстоит разрушение в протеасоме (например, содержащие ошибки транскрипции или состарившиеся молекулы), метятся путем ковалентного связывания с небольшим белкомубиквитином. Убиквитин активирован благодаря наличию тиолсложноэфирной связи. Меченые убиквитином («убиквитинированные») молекулы распознаются 19S-частицами с потреблением АТФ и попадают в ядро, где происходит их деградация. Убиквитин не разрушается и после активации используется вновь.

В. Сериновые протеиназы

Большая группа протеиназ содержит в активном центресерин. К сериновым протеиназам принадлежат, например, ферментыпищеварениятрипсин, химотрипсин и эластаза (см. с. 262), многие факторы свертывания крови (см. с. 282), а также фибринолитический ферментплазмин и его активаторы (см. с. 284).

Как показано на рис. 265, панкреатические протеиназы секретируются в виде проферментов (зимогенов). Активация таких ферментов основана на протеолитическом расщеплении. Процесс активации показан на примере трипсиногена, предшественникатрипсина (1). Она начинается с отщепления N-концевого гексапептида энтеропептидазой («энтерокиназой»), специфической сериновой протеиназой, которая локализована в мембранах кишечного эпителия. Продукт расщепления (?-трипсин) ферментативно активен и расщепляет следующую молекулу трипсиногена в местах, отмеченных на рисунке красным цветом (аутокаталитическая активация). Проферментыхимотрипсина, эластазы, карбоксипептидазы А и др. также активируются трипсином.

Активный центртрипсина показан на схеме 2. Остаток серина при участии остатков гистидина и аспартата нуклеофильно атакует расщепляемую связь (красная стрелка). Отщепляемая часть пептидного субстрата расположена в С-концевой стороне от остатка лизина, боковая цепь которого во время катализа фиксируется в специальном «кармане» фермента (на схеме слева).Протеолиз, процесс гидролиза пептидных связей, катализируемый протеолитическими ферментами. Наряду с расщеплением до аминокислот белков пищи (а также собственных белков организма в процессе метаболизма) П. играет важную роль в образовании ферментов, гормонов и биологически активных пептидов из их неактивных предшественников (см. Ангиотензин, Кинины, Проферменты). В растениях П. участвует в мобилизации запасных белков семян при прорастании.