39.Современные представления о биологическом окислении

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ

В переносе электронов от субстратов к молекулярному кислороду принимают участие: 1) пиридинзависимые дегидрогеназы, для которых коферментами служат либо НАД, либо НАДФ; 2) флавинзависимые дегидрогеназы (флавиновые ферменты), у которых роль простетической группы играют ФАД или ФМН; 3) цитохромы, содержащие в качестве простетической группы железопорфириновую кольцевую систему. Среди компонентов дыхательной цепи обнаружены также убихинон (коэнзим Q) и белки, содержащие негемовое, или негеминовое, железо.

Пиридинзависимые дегидрогеназы

К числу пиридинзависимых дегидрогеназ относится свыше 150 ферментов, которые катализируют восстановление НАД и НАДФ различными органическими субстратами. Структура НАД была выяснена Эйлером и соавт. Варбургу принадлежит заслуга открытия НАДФ. НАД и НАДФ являются динуклеотидами, в которых мононуклеотиды связаны между собой через остатки фосфорной кислоты. В состав одного из нуклеотидов входит амид никотиновой кислоты (витамин РР), другой представляет собой адениловую кислоту. В молекуле НАДФ имеется еще один остаток фосфорной кислоты, присоединенный к рибозе в положении С3'.

Катализируемые пиридинзависимыми дегидрогеназами реакции можно изобразить так:

Способность НАД и НАДФ играть роль промежуточного переносчика водорода связана с наличием в их структуре амида никотиновой кислоты.

При переносе двух восстановительных эквивалентов от субстрата на НАД+ один из них затем присутствует в восстановленном коферменте в виде водорода, а другой - в виде электрона. Свободный ион Н+ остается в среде. Для простоты обычно восстановленные формы НАД и НАДФ изображают символами НАДН2 и НАДФН2.

Окисленные и восстановленные пиридиннуклеотиды обладают характерными спектрами поглощения в УФ-области. В окисленной форме НАД (НАДФ) имеет одну узкую полосу поглощения с максимумом при 260 нм, зависящую от наличия аденина в его структуре. В восстановленной форме (НАДН2) поглощение света в этой зоне понижается и появляется вторая широкая полоса поглощения с максимумом при 340 нм. Вторая полоса обусловлена исчезновением одной двойной связи в никотинамидном комплексе кофермента при его восстановлении. Это свойство данных коферментов позволяет использовать спектрофотометрические методы анализа для быстрого количественного определения ряда субстратов - доноров водорода, а также для исследования активности НАДФ-зависимых дегидрогеназ.

В клетках НАД-зависимые дегидрогеназы преимущественно участвуют в процессах, связанных с переносом электронов от органических субстратов к кислороду. В свою очередь НАДФ-зависимые дегидрогеназы играют существенную роль в реакциях биосинтеза (например, высших жирных кислот, сте-ринов и др.). В соответствии с этим коферменты НАД и НАДФ различаются по своей внутриклеточной локализации: НАД концентрируется главным образом в митохондриях, а бoльшая часть НАДФ находится в цитоплазме клеток.

Флавиновые ферменты

Следующим акцептором атомов водорода является группа флавиновых ферментов, которые осуществляют перенос водородов (протонов и электронов) от восстановленных НАД или НАДФ:

В некоторых случаях (например, при окислении сукцината или жирных кислот) флавиновые ферменты могут играть роль первичных дегидрогеназ, т. е. прямо, без участия НАД- или НАДФ-зависимых дегидрогеназ, принимать электроны и протоны от окисляемых субстратов.

Насчитывается около 30 флавиновых ферментов. Это сложные белки, простетической группой которых, как уже отмечалось, являются либо ФМН, либо ФАД. ФМН и ФАД очень прочно, в отличие от коферментов НАД и НАДФ, присоединены к ферменту (точнее, к апоферменту) и не отщепляются от него ни на одной из стадий каталитического цикла.

Флавиновые дегидрогеназы, входящие в систему дыхательных катализаторов животных клеток, обычно содержат в качестве простетической группы не ФМН, а ФАД. Впервые ФМН и ФАД были выделены Варбургом в середине 30-х годов XX столетия. В это же время Куном был идентифицирован витамин B2 (рибофлавин), который входит в структуру ФАД и ФМН.

ФАД

Окисленные формы ФМН и ФАД обладают характерным спектром поглощения с максимумом при 450 нм; в окисленном состоянии флавиновые ферменты окрашены в красный, коричневый или зеленый цвет. При восстановлении ФАД и ФМН полоса 450 нм в спектре поглощения исчезает. Активной частью молекулы ФАД или ФМН является изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина, к атомам азота которого могут присоединяться два атома водорода, т. е. два электрона и два протона при соответствующей внутримолекулярной перегруппировке двойных связей.

Установлено, что многие из флавиновых дегидрогеназ являются сложными олигомерными образованиями, которые состоят из нескольких белковых субъединиц и содержат, помимо флавиннуклеотидов (ФАД или ФМН), также атомы металлов - чаще всего негемовое (негеминовое) железо. Это так называемые металлофлавопротеиды. По-видимому, наличие атомов металла (Fe, Мn, Сu), способных легко изменять свою валентность, присоединяя или теряя электроны, придает металло-флавопротеидам своеобразный характер, сближая их с типичными электронотранспортазами - цитохромами.

Кофермент Q (убихинон)

Следующим компонентом дыхательной цепи является кофермент Q (KoQ), или убихинон. Этот кофермент впервые был описан Мортоном, который показал, что данное соединение имеет повсеместное распространение в клетках, и назвал его убихиноном. Позже было установлено, что убихинон, подобно НАД и ФАД, может играть роль промежуточного переносчика водородных атомов, т. е. электронов и протонов.

KoQ является производным бензохинона с длинной боковой цепью, которая в большинстве тканей млекопитающих состоит из 10 изопреноидных единиц (KoQ10).

Считают, что восстановленная форма флавиновых ферментов в цепи дыхательных катализаторов передает атомы водорода (протоны и электроны) KoQ.

Цитохромы

Дальнейший перенос электронов1 (1Принято считать, что цитохромы переносят только электроны.) от KoQ (или от восстановленной формы флавинового фермента) на кислород осуществляет система цитохромов. Данная система состоит из ряда гемсодержащих белков (гемопротеидов), открытых в 1886 г. Мак-Мунном. Однако роль этих гемопротеидов в дыхании клеток была выяснена лишь в 1925 г. Кейлином. В процессе тканевого дыхания наиболее важную роль играют цитохромы b, c1, с, аа3. Все они имеют простетическую геминовую группу, близкую к тему гемоглобина (простетическая группа цитохрома b, как считают, идентична гему).

Цитохромы отличаются друг от друга не только своими простетическими группами, но и белковыми компонентами. В ходе каталитического процесса валентность содержащегося в цитохромах железа обратимо изменяется (Fe2+ <--> Fe3+).

Все цитохромы, особенно в восстановленной форме, имеют характерные спектры поглощения. Величины окислительно-восстановительного потенциала у разных цитохромов также неодинаковы. Например, для цитохрома "с" окислительно-восстановительный потенциал составляет +0,25 В, а для цитохрома "а" +0,29 В. Система 1/2O2/H2O имеет потенциал + 0,82 В. Таким образом, было выяснено, что звено цитохромов располагается в цепи окисления между убихиноном и кислородом; при этом цитохромы в цепь дыхательных катализаторов включаются в определенной последовательности:

цит.b --> цит.c1 --> цит.c --> цит.аа3

Цитохромы b, c1 и с выполняют функцию промежуточных переносчиков электронов, а цитохром аа3 (цитохромоксидаза) является терминальным дыхательным ферментом, непосредственно взаимодействующим с кислородом. Окисленная форма цитохромоксидазы (Fe3+) принимает электроны от восстановленного цитохрома с, переходя в восстановленную форму (Fe2+), которая затем вновь окисляется в Fe3+-форму молекулярным кислородом. Образовавшийся "активный" кислород присоединяет два протона из окружающей среды, в результате чего и образуется молекула воды.

В последнее время установлено, что цитохромоксидаза состоит из 6 субъединиц; каждая из них содержит геминовую группу и атом меди. По-видимому, две субъединицы из шести составляют цитохром а, а остальные четыре относятся к цитохрому а3.

Обычно считается, что на участке между НАД и KoQ осуществляется двухэлектронный перенос, а на участке между цитохромом b и кислородом - одноэлектронный (следовательно, на каждом этапе дыхательной цени должно участвовать по два цитохрома); тем не менее нельзя исключить и другие возможности.

Цепь дыхательных катализаторовa

Как уже отмечалось, иногда цепь биологического окисления может быть укорочена. Имеются флавиновые ферменты, например сукцинатдегидрогеназа, которые способны отнимать водород непосредственно от субстрата. В ряде случаев цепь дыхательного катализатора может иметь еще более простое строение. Так, например, оксидазы L- и D-аминокислот (за исключением глутаматдегидрогеназы), ксантиноксидаза и некоторые другие ферменты катализируют окисление соответствующих субстратов без участия как НАД или НАДФ, так и цитохромов. Эти оксидазы по своей химической природе являются флавопротеидами.

Все ферменты тканевого дыхания - компоненты цепи дыхательных катализаторов, как установлено, связаны главным образом с митохондриями, точнее с их внутренними мембранами. Никотинамиддинуклеотидные коферменты и некоторые ферменты цикла трикарбоновых кислот "вмонтированы" в белковый слой мембраны, металлофлавопрогеиды, убихинон и цитохромы связаны с липидными ее структурами.

40. Пути использования кислорода в клетке. Основные пути использования кислорода в клетках. Основная масса молекулярного кислорода (80-90%) используется в митохондриях в процессах тканевого дыхания, сопряженного с окислительным фосфорилюваннием, что сопровождается образованием воды. С того количества кислорода, оставшаяся (10-20%), большая часть расходуется при микросомального окисления, причем главным образом в окислительных цепях эндоплазматического ретикулума печени и других тканей и в митохондриях клеток коры надпочечников. Для клетки очень важно, чтобы молекула кислорода, присоединив четыре электрона, полностью восстанавливалась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода, в случае присоединения одного или двух электронов, образуются пероксид водорода и различные свободные радикалы - очень токсичны для клеток. Они способны повреждать клеточные мембраны, взаимодействуя с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов. Свободным радикалом называют группу атомов, имеющих свободную валентность, способных активно реагировать с другими веществами (например, гидроксильный радикал-OH, ме-тыльную радикал - CH3 и др..).Молекулярный кислород в основном триплетном состоянии имеет два неспаренных электрона, которые занимают самостоятельные внешние орбитали с одинаково направленным вращением (спины). Каждая из этих орбиталей может принять еще один электрон. Могут окисляться как свободные ненасыщенные жирные кислоты, так и их остатки, которые входят в состав липидов, особенно фосфолипидов. Этот процесс, как отмечалось, называют пероксидным окислением липидов. Перекисное окисление необходимое для биосинтеза ряда биологически активных веществ, например, кортикостероидов - гормонов коры надпочечников, прогестерона - женского полового гормона, простагландинов - клеточных гормонов и др.. В то же время усиление перекисного окисления липидов может изменять их конформацию, уменьшать гидрофобность, приводить к образованию ковалентных сшивок между молекулами липидов или липидов и белков. Вследствие этого при окислении мембранных липидов резко меняется их структура и нарушаются функции. Активные формы кислорода в организме образуются в реакциях самопроизвольного (неферментативного) окисления ряда веществ. Так, одним из важных примеров может служить окисления гемоглобина в метгемоглобин, в результате чего утворюеься супероксид. Усиление процессов свободнорадикального окисления, которое наблюдается при ультрафиолетового облучения, действия ультразвука, радиации и других воздействий, может вызвать серьезные нарушения в обмене веществ и энергии, функциях и структуре клетки. Например, в случае лучевой болезни происходит нарушение уникальной структуры биологических мембран, их разрыхления и, вследствие этого, нарушение структурированности ферментов и их систем. Накопление пероксидов в значительных количествах в митохондриях вызывает их набухание и разрушение, что приводит к нарушению упорядоченности, фиксации и функций ферментативных систем дыхания, которые сосредоточены на внутренний и внешний мембранах митохондрий. Одним из самых серьезных нарушений энергетического обмена в случае усиления свободно-радикального окисления также разобщении дыхания и фосфорилю-ния, а следовательно, и ослабление биосинтеза макроэргических соединений, особенно АТФ. Это в свою очередь тормозит процессы биосинтеза белков, нуклеиновых кислот и других соединений, а также нарушает функции организма. Такие сдвиги особенно тяжело сказываются на ЦНС, поскольку мозг очень чувствителен к нарушениям дыхания и к повышенному содержанию различных продуктов обмена. Проведение таких лечебных манипуляций, как вдыхание кислорода повышенного давления во время проведения гипербарической оксигенации в специальных камерах, может привести к усилению пероксид-ного окисления. Гипербарическая оксигенация является одним из перспективных и эффективных средств лечения. Она применяется в случае значительных потерь крови и некоторых других форм анемии, связанных со снижением уровня гемоглобина, при заболеваниях дыхательных путей, нарушениях работы сердца, тяжелых операциях, в том числе на сердце и крупных сосудах, а также в других случаях, когда необходимо усилить дыхание. В случае применения этого метода лечения повышается не только количество оксигемоглобина, но и концентрация кислорода, растворенного в плазме, быстро диффундирует в ткани, улучшая дыхание клеток, а следовательно - обмен и их функции. Но следует помнить, что при вдыхании кислорода под давлением может усилиться свободнорадикальное окисление липидов, которое приводит к негативным последствиям. Поэтому профилактически следует назначать лекарственные средства, способные тормозить этот процесс. С возрастом накопление пероксидов липидов ускоряет процесс старения организма. Они также задерживают деление клеток, чем снижают процессы заживления поврежденных тканей.

41. Механизм образования активных форм кислорода. Антиоксидантная система защиты в организме. 1. Источники активных форм кислорода (АФК) в организме. В организме имеются ферменты, которые катализируют прямые реакции между своими субстратами и O2. Вклад таких реакций в общее потребление кислорода в организме невелик. Основная доля кислорода потребляется в митохондриальной системе, дающей энергию клеткам в виде АТФ. Эти реакции включены в различные пути биосинтеза, распада (обезвреживания), в метаболизм ароматических соединений, стероидов. К таким ферментам относятся флавопротеидные оксидазы. Окисление таких веществ, как ксантин, гипоксантин, L- и D-аминокислоты совершается коротким путем. Атомы водорода от этих соединений с помощью флавиновых коферментов переносятся непосредственно на молекулярный кислород, минуя систему цитохромов и цитохромоксидазы. Конечным продуктом окисления в этих случаях является не вода, а перекись водорода. В балансе тканевого дыхания процессы, которые заканчиваются образованием воды, составляют 93-95%, а заканчивающиеся образованием перекиси водорода — только 5-7%. Образующаяся H2O2 может разлагаться каталазой или использоваться в реакциях, катализируемых пероксидазой. Почти у половины лиц, страдающих врожденной акаталазией, не наблюдается никаких патологических симптомов. Это свидетельствует о том, что не только каталаза регулирует концентрацию H2O2 в организме, но и пероксидаза. Ферменты, участвующие в метаболизме H2O2, в значительном количестве содержатся в таких клеточных (печени, почек) органеллах, как пероксисомы. В них H2O2 образует простые самоокисляющиеся флавопротеиды — ферменты уратоксидаза, оксидаза D-аминокислот, оксидаза a-оксикислот, а каталаза (в клетках печени она составляет около 40% общего количества пероксисомного белка) разрушает ее. Перекись водорода образуется в реакциях с участием флавожелезопротеидов, медьсодержащих оксидаз, ферментов, содержащих молибден (ксантиндегидрогеназа, ксантиноксидаза, альдегидоксидаза). К дегидрогеназам, которые с помощью флавопротеидов переносят водород на молекулярный кислород с образованием H2O2, относятся моноамино-, диамино-, глицин-, гликольоксидазы. Действие ферментов группы монооксигеназ (гидроксилаз), в частности флавопротеидных, включает последовательные стадии, в которых восстановитель переводит флавин в дигидроформу, восстанавливающую O2 до H2O2, затем фермент-флавин-пероксидный комплекс гидроксилирует субстрат. К группе монооксигеназ (гидроксилаз) относят ферменты, которые названы цитохромами Р-450. Оксигенированию (в мембранах эндоплазматической сети клеток печени) подвергаются различные продукты метаболизма, чужеродные соединения. Промежуточным продуктом этих реакций является супероксидный радикал O2-.. Он образуется в процессе реакций, катализируемых диоксигеназами (чаще катализируют разрыв двойной связи в ароматическом кольце). Образование O2-. и H2O2 происходит при самопроизвольном окислении гемоглобина, ферредоксинов, восстановленных цитохромом b5 гидрохинонов, тетрагидроптеридинов, адреналина. Образование активных форм кислорода катализируют ионы железа. АФК постоянно производятся при взаимодействии O2 с ФМН или ФАД (флавиновыми коферментами), которые имеются в дегидрогеназах, оксидазах, монооксигеназах. Активной группой обоих коферментов является флавин (изоаллоксазин), имеющий сопряженную систему из трех колец, которая может при восстановлении принимать два электрона и два протона. Образуется O2-. в митохондриальной дыхательной цепи в QH2-цитохром-с-редуктазном комплексе (в дыхательной цепи имеются флавиновые коферменты), а также в нейтрофильных лейкоцитах и макрофагах, в которых активные формы кислорода используются для уничтожения фагоцитированных микроорганизмов. А. Ленинджер (1985) отмечает, что в митохондриях в цепи переноса электронов возможно неполное восстановление кислорода: в случае присоединения только двух электронов образуется перекись водорода (H2O2), одного — супероксидный радикал (O2-.). Восстановление O2 цитохром-с-оксидазой протекает без накопления АФК, так как фермент не высвобождает промежуточные продукты в среду (Я. Кольман, К.Г. Рем, 2000). В течении нормального аэробного метаболизма 1-2% всех электронов, движущихся по митохондриальной дыхательной цепи, превращаются в супероксид или трансформируются в перекись водорода (А. Boveris et al., 1972). Супероксид образуется и в других электронно-транспортных клеточных системах. Каждая клетка человеческого организма продуцирует около 1010 молекул (0,15 моля) супероксида в сутки (B.N. Ames et al., 1993) или около 1,75 кг в год.

Как это было показано интенсификация свободнорадикальных процессов, перекисного окисления ПНЖК наблюдается при развитии общего неспецифического адаптационного синдрома (стресса), т. е. практически при большинстве острых заболеваний и состояний, обострении хронических заболеваний, интоксикациях, ожогах, травмах, операциях и т. п. В основе биологической целесообразности этой интенсификации лежит усиление в возникающих экстремальных условиях синтеза эйкозаноидов, обновления мембран, детоксикационных (обезвреживающих) процессов. Накопление АФК, перекисей в значительных количествах (как это наблюдается при действии радиации, ультрафиолетового излучения, гипербарической оксигенации, интоксикациях, в том числе алкоголем) может сопровождаться целым рядом негативных изменений:

нарушением жидкокристаллической структуры липопротеидов мембран;

снижением прочности биологических мембран: разрушением мембран, набуханием и разрушением митохондрий;

структурно-функциональными нарушениями ферментных систем дыхания;

окислением сульфгидрильных групп глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, сукцинатдегидрогеназы и др.;

ослаблением биосинтеза макроэргических соединений (АТФ);

дезорганизацией транспортных механизмов переноса ионов (Na+, K+, Ca2+ и др.), различных метаболитов между цитозолем, митохондриями и рибосомами;

торможением процессов биосинтеза белков, нуклеиновых кислот, других соединений;

повреждением (разрывом) лизосом с выходом гидролитических ферментов;

разрушением мембран эритроцитов, ослаблением процессов дыхания, развитием гемолиза;

накоплением (в результате нарушения окислительно-восстановительных процессов) продуктов промежуточного обмена, в том числе молочной кислоты, окси-, кетокислот, и развитием ацидоза;

инактивацией глутатиона, липоевой кислоты и др.

2. Антиоксидантная система. Повреждающему эффекту СР, АФК противостоит система противоокислительной защиты, главным действующим звеном которой являются антиоксиданты — соединения, способные тормозить, уменьшать интенсивность свободнорадикального окисления (СРО), нейтрализовывать СР путем обмена своего атома водорода (в большинстве случаев) на кислород свободных радикалов. В выведении СР и радикальных форм антиоксидантов играют роль системы естественной детоксикации. Антиоксиданты могут быть природного (биоантиоксиданты) и синтетического происхождения. Вещества этой группы имеют подвижный атом водорода и поэтому реагируют со свободными радикалами, а также катализаторами свободнорадикального окисления и, прежде всего, с ионами металлов переменной валентности. Подвижность атома водорода обусловлена нестойкой связью с атомами углерода (С-Н) или серы (S-Н). В результате взаимодействия возникают малоактивные радикалы самого антиоксиданта (они не способны к продолжению цепи), гидроперекиси разлагаются без диссоциации на активные радикалы (под действием серосодержащих соединений), образуются комплексоны с металлами переменной валентности. Ряд антиоксидантов не обрывает, а замедляет продолжение цепи, т. е. обладает пролонгирующим действием. Несмотря на малую активность радикалов антиоксидантов, их накопление в клетках нежелательно. Антиоксиданты могут обезвреживать свободные радикалы еще до развития эффекта повреждения биомолекул. Антиоксидантная защита направлена против всех видов радикалов, образующихся в организме (B. Frei et al., 1988; N.I. Krinsky, 1988; R. Stocker, B. Frei, 1991; K.L. Retsky et al., 1993; B. Frei, J.M. Gaziano, 1993; B. Frei, 1994). Жирорастворимые биоантиоксиданты (фосфолипиды, токоферолы, витамин А, каротиноиды, убихинон, витамины группы К, стероидные гормоны) осуществляют свою защитную функцию в биологических мембранах, водорастворимые (аскорбиновая кислота, лимонная, никотиновая, серосодержащие соединения — цистеин, гомоцистеин, липоевая кислота, бензойная, церулоплазмин, фенольные соединения — полифенолы, флавоноиды, трансферрин, лактоферрин, альбумин, мочевина, мочевая кислота) — в цитозоле клеток, межклеточной жидкости, плазме крови, лимфе. Защита от повреждающего действия АФК, СР осуществляется на всех уровнях организации: от клеточных мембран до организма в целом.

42.Превращение и всасывание углеводов, липидов, белков в пищеварительном тракте. Переваривание углеводов.Переваривание углеводов начинается в ротовой полости главным образом с помощью α-амилазы слюны. Некоторые исследователи считают, что в слюне имеется и другой фермент - мальтаза. α-Амилаза состоит из одной полипептидной цепи, стабилизируется кальцием, имеет оптимум рН 7,1 и активируется ионами хлора. Фермент относится к эндоамилазам, действует на внутренние α-1,4-гликозидные связи крахмала и гликогена пищи и не способен гидролизовать α-1,6-гликозидные связи этих полисахаридов. α-Амилаза гидролизует весьма беспорядочно α-1,4-гликозидные связи полисахаридов в отличие от β- и γ-амилаз. β-Амилаза последовательно отщепляет от конца полисахарида дисахарид мальтозу, а γ-амилаза - концевой моносахарид глюкозу. Поэтому обе эти амилазы являются экзоамилазами. γ-Амилаза присутствует в ткани печени и участвует в расщеплении гликогена (β-амилазы в организме человека нет; она находится в бактериях).После действия α-амилaзы слюны полисахариды расщепляются на α-лимитдекстрин (разветвленный полисахарид меньшей молекулярной массы, чем крахмал и гликоген), мальтозу и небольшое количество глюкозы (возможно в результате присутствия мальтазы). Поскольку время нахождения пищи в ротовой полости невелико, доля расщепленных полисахаридов относительно мала, хотя содержание фермента в слюне очень велико. Дисахариды пищи, главными из которых являются сахароза, лактоза (особенно у детей, питающихся молоком и молочными продуктами), трегалоза (дисахарид грибов), не расщепляются в полости рта.В желудке α-амилаза инактивируется кислым содержимым желудка, и переваривание углеводов прекращается. В кишечнике происходит полный гидролиз полисахаридов, включая и образовавшийся в полости рта α-лимитдекстрин, и всех дисахаридов до моносахаридов. Действию ферментов благоприятствует нейтрализация поступающей в кишечник кислой пищи гидрокарбонатами, растворенными в щелочном содержимом сока поджелудочной железы и желчи.Гидролиз углеводов в кишечнике осуществляется ферментами поджелудочной железы и кишечника. К первым относятся панкреатическая α-амилаза и олиго-1,6-глюкозидаза. Остальные ферменты - олигосахаридазы и дисахаридазы - образуются преимущественно в слизистой кишечника. Панкреатическая α-амилаза сходна по действию с α-амилазой слюны. Она буквально в течение 4-5 мин гидролизует поступающий крахмал и гликоген до α-лимитдекстринов и мальтозы. Гидролиз α-лимитдекстрина происходит с помощью олиго-1,6-глюкозидазы, которая специфически разрывает α-1,6-гликозидные связи в точках "ветвления" полисахарида. При этом образуется мальтоза:

Дисахариды гидролизуются не в полости, а в стенке кишечника, поэтому образующиеся моносахариды сразу всасываются. Существуют α-специфичные и β-специфичные олигосахаридазы, которые расщепляют дисахариды до моносахаридов. К α-олигосахаридазам относятся мальтаза, изомальтаза, сахараза, α,α-трегалаза. Сахараза образует чаще всего комплекс с изомальтазой. Такой ферментативный сахаразо-изомальтазный комплекс (сахарозо-α-глюкогидролаза) расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу, а изомальтозу - на две молекулы глюкозы.

Среди β-олигосахаридаз наибольшее значение имеет специфичная β-галактозидаза, или лактаза, осуществляющая гидролиз лактозы:

Конечными продуктами переваривания углеводов являются моносахариды, преимущественно глюкоза, фруктоза, галактоза. Доля остальных моносахаридов, поступающих с пищей, относительно невелика. Далее в тонком кишечнике происходит всасывание моносахаридов.

Переваривание липидов

Переваривание липидов происходит в тех отделах пищеварительного тракта, где имеются следующие обязательные условия:

наличие липолитических ферментов, гидролизующих липиды;

условия для эмульгирования липидов;

оптимальный pH среды для действия липолитических ферментов (среда должна быть нейтральной или слабощелочной).

Все эти условия создаются в кишечнике взрослого человека. У ребенка, особенно новорожденного, близкие условия создаются для переваривания триацилглицеринов молока желудочной липазой. pH среды желудочного содержимого ребенка около 5,0 (слабокислая среда), жир молока находится в виде эмульсии, поэтому возможно некоторое расщепление жира липазой.У взрослого человека сильнокислая среда инактивирует желудочную липазу.

В кишечнике нейтрализуется поступающая из желудка пища, а жир подвергается эмульгированию. Эмульгирование липидов происходит под действием желчных кислот, поступающих в кишечник в составе желчи. В желчи находятся преимущественно следующие желчные кислоты - холевая, хенодезоксихолевая и их конъюгаты с глицином и таурином - гликохолевая и таурохенодезоксихолевая.

Желчные кислоты выполняют следующие биологические функции:

эмульгирующую;

функцию активатора липолитических ферментов;

транспортную, так как, образуя с высшими жирными кислотами транспортный комплекс, помогают их всасыванию в кишечнике.Все желчные кислоты являются амфифильными соединениями, поэтому обладают свойствами эмульгаторов. Располагаясь на поверхности раздела двух фаз жир-вода, желчные кислоты препятствуют их расслоению. Перистальтика кишечника помогает дроблению крупных капель жира, а желчные кислоты сохраняют их во взвешенном состоянии, мешая слиянию мелких жировых капель. Дополнительными эмульгаторами являются свободные жирные кислоты и моноацилглицерины, образующиеся в ходе переваривания липидов, пищевые фосфолипиды и продукты их частичного переваривания (фосфатидилхолин).Гидролиз триацилглицеринов, составляющих основную массу липидов пищи, происходит под действием панкреатической липазы. Липаза поступает в неактивном виде. Она активируется в кишечнике специальным кофактором - колипазой и желчными кислотами. Активная липаза действует на триацилглицерины жировой капли. Сам фермент растворен в водной части, а расщепляет субстрат, находящийся в липидной фазе. У липазы есть специальный гидрофобный участок (головка), с которым контактирует триацилглицерин. Гидролиз жира идет на самой поверхности раздела. Продуктами гидролиза являются чаще всего 2-моноацилглицерин и свободные жирные кислоты:

Карбоксиэстеразы кишечника и сока поджелудочной железы расщепляют 2-моноацилглицерин на свободную жирную кислоту и глицерин. Помогают гидролизу триацилглицеринов ионы кальция, которые образуют комплексы со свободными жирными кислотами.Гидролиз фосфолипидов осуществляется группой липолитических ферментов, называемых фосфолипазами. Существует несколько типов фосфолипаз, обозначаемых как А1, А2, С и D. Они гидролизуют разные связи в молекуле фосфолипида (показано на примере фосфатидилхолина):

В кишечнике имеются фосфолипазы А2, С и, возможно, D и лизофосфолипаза, участвующие в расщеплении фосфолипидов пищи. В поджелудочной железе образуются преимущественно фосфолипаза А2 и в небольших количествах фосфолипаза С и лизофосфолипаза. В стенке кишечника также присутствуют фосфолипазы А2 и С. Кроме того, в кишечнике обнаружена лизофосфолипаза, которая отщепляет жирную кислоту не от целой молекулы фосфолипида, а от лизофосфатидов:Активирование профосфолипазы А2 происходит в кишечном соке, где под действием трипсина отщепляется от профермента гексапептид. Кроме того, для работы фосфолипазы А2, как, впрочем, и для других фосфолипаз, требуются желчные кислоты и ионы кальция. Желчные кислоты помогают сближению субстрата с активным центром фермента, ионы кальция удаляют из зоны действия фермента свободные жирные кислоты (как и в случае с липазой) и препятствуют инактивации фосфолипазы.Продуктом действия фосфолипазы А2, являющейся основной пищеварительной фосфолипазой, являются чрезвычайно токсичные лизофосфатиды, которые тут же гидролизуются лизофосфолипазой.Фосфолипазы С и D завершают процесс гидролиза фосфоглицеридов. Конечными продуктами их гидролиза являются глицерин, жирные кислоты, неорганический фосфат и один из остаточных спиртов (холин, этаноламин, инозит, серии).Гидролиз других пищевых фосфолипидов - сфингофосфатидов, а также гликолипидов менее изучен. Однако в стенке кишечника обнаружены ферменты сфингомиелиназа и церамидаза. Первый из них гидролизует связь, образованную фосфорной кислотой и сфингозином в сфингомиелинах, а второй - N-ацильную связь в молекуле церамида. Это ведет к освобождению сфингозина, жирной кислоты и фосфохолина.Гидролиз стеридов. Поступающие с пищей эфиры холестерина, которыми богаты некоторые продукты (желток яиц, сливочное масло, икра и т. д.), расщепляются в эмульсионной капле кишечного содержимого с помощью панкреатической холестеролэстеразы. Активируется фермент также желчными кислотами. После действия фермента образуются свободный холестерин и жирные кислоты. Продукты гидролиза всех пищевых липидов всасываются в кишечнике.

Переваривание белков

Протеолитические ферменты, участвующие в переваривании белков и пептидов, синтезируются и выделяются в полость пищеварительного тракта в виде проферментов, или зимогенов. Зимогены неактивны и не могут переваривать собственные белки клеток. Активируются протеолитические ферменты в просвете кишечника, где действуют на пищевые белки.В желудочном соке человека имеются два протеолитических фермента - пепсин и гастриксин, которые очень близки по строению, что указывает на образование их из общего предшественника.Пепсин образуется в виде профермента - пепсиногена - в главных клетках слизистой желудка. Выделено несколько близких по строению пепсиногенов, из которых образуется несколько разновидностей пепсина: пепсин I, II (IIa, IIb), III. Пепсиногены активируются с помощью соляной кислоты, выделяющейся обкладочными клетками желудка, и аутокаталитически, т. е. с помощью образовавшихся молекул пепсина.Пепсиноген имеет молекулярную массу 40 000. Его полипептидная цепь включает пепсин (мол. масса 34 000); фрагмент полипептидной цепи, являющийся ингибитором пепсина (мол. масса 3100), и остаточный (структурный) полипептид. Ингибитор пепсина обладает резко основными свойствами, так как состоит из 8 остатков лизина и 4 остатков аргинина. Активация заключается в отщеплении от N-конца пепсиногена 42 аминокислотных остатков; сначала отщепляется остаточный полипептид, а затем ингибитор пепсина.Пепсин относится к карбоксипротеиназам, содержащим остатки дикарбоновых аминокислот в активном центре с оптимумом pH 1,5-2,5.Субстратом пепсина являются белки - либо нативные, либо денатурированные. Последние легче поддаются гидролизу. Денатурацию белков пищи обеспечивает кулинарная обработка или действие соляной кислоты. Следует отметить следующие биологические функции соляной кислоты:

активация пепсиногена;

создание оптимума pH для действия пепсина и гастриксина в желудочном соке;

денатурация пищевых белков;

антимикробное действие.

От денатурирующего влияния соляной кислоты и переваривающего действия пепсина собственные белки стенок желудка предохраняет слизистый секрет, содержащий гликопротеиды.

Пепсин, являясь эндопептидазой, быстро расщепляет в белках внутренние пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот - фенилаланина, тирозина и триптофана. Медленнее гидролизует фермент пептидные связи между лейцином и дикарбоновыми аминокислотами типа: Пищеварение в полипептидной цепи.

Гастриксин близок к пепсину по молекулярной массе (31 500). Оптимум pH у него около 3,5. Гастриксин гидролизует пептидные связи, образуемые дикарбоновыми аминокислотами. Соотношение пепсин/гастриксин в желудочном соке 4:1. При язвенной болезни соотношение меняется в пользу гастриксина.

Присутствие в желудке двух протеиназ, из которых пепсин действует в сильнокислой среде, а гастриксин в среднекислой, позволяет организму легче приспосабливаться к особенностям питания. Например, растительно-молочное питание частично нейтрализует кислую среду желудочного сока, и pH благоприятствует переваривающему действию не пепсина, а гастриксина. Последний расщепляет связи в пищевом белке.

Пепсин и гастриксин гидролизуют белки до смеси полипептидов (называемых также альбумозами и пептонами). Глубина переваривания белков в желудке зависит от длительности нахождения в нем пищи. Обычно это небольшой период, поэтому основная масса белков расщепляется в кишечнике.Активация протеолитических проферментов кишечника

Протеолитические ферменты кишечника. В кишечник протеолитические ферменты поступают из поджелудочной железы в виде проферментов: трипсиногена, химотрипсиногена, прокарбоксипептидаз А и В, проэластазы. Активирование этих ферментов происходит путем частичного протеолиза их полипептидной цепи, т. е. того фрагмента, который маскирует активный центр протеиназ. Ключевым процессом активирования всех проферментов является образование трипсина .Трипсиноген, поступающий из поджелудочной железы, активируется с помощью энтерокиназы, или энтеропептидазы, которая вырабатывается слизистой кишечника. Энтеропептидаза также выделяется в виде предшественника киназогена, который активируется протеазой желчи. Активированная энтеропептидаза быстро превращает трипсиноген в трипсин, трипсин осуществляет медленный аутокатализ и быстро активирует все остальные неактивные предшественники протеаз панкреатического сока.

Механизм активирования трипсиногена заключается в гидролизе одной пептидной связи, в результате чего освобождается N-концевой гексапептид, называемый ингибитором трипсина. Далее трипсин, разрывая пептидные связи в остальных проферментах, вызывает образование активных ферментов. При этом образуются три разновидности химотрипсина, карбоксипептидазы А и В, эластаза.Кишечные протеиназы гидролизуют пептидные связи пищевых белков и полипептидов, образовавшихся после действия желудочных ферментов, до свободных аминокислот. Трипсин, химотрипсины, эластаза, будучи эндопептидазами, способствуют разрыву внутренних пептидных связей, дробя белки и полипептиды на более мелкие фрагменты.

Трипсин гидролизует пептидные связи, образованные главным образом карбоксильными группами лизина и аргинина, менее активен он в отношении пептидных связей, образованных изолейцином.

Химотрипсины наиболее активны в отношении пептидных связей, в образовании которых принимает участие тирозин, фенилаланин, триптофан. По специфичности действия химотрипсин похож на пепсин.

Эластаза гидролизует те пептидные связи в полипептидах, где находится пролин.

Карбоксипептидаза А относится к цинксодержащим ферментам. Она отщепляет от полипептидов С-концевые ароматические и алифатические аминокислоты, а карбоксипептидаза В - только С-концевые остатки лизина и аргинина.

Ферменты, гидролизующие пептиды, имеются также и в слизистой кишечника, и хотя они могут секретироваться в просвет, но функционируют преимущественно внутриклеточно. Поэтому гидролиз небольших пептидов происходит после их поступления в клетки. Среди этих ферментов лейцинаминопептидаза, которая активируется цинком или марганцем, а также цистеином, и высвобождает N-концевые аминокислоты, а также дипептидазы, гидролизующие дипептиды на две аминокислоты. Дипептидазы активируются ионами кобальта, марганца и цистеином.Разнообразие протеолитических ферментов приводит к полному расщеплению белков до свободных аминокислот даже в том случае, если белки предварительно не подвергались действию пепсина в желудке. Поэтому больные после операции частичного или полного удаления желудка сохраняют способность усваивать белки пищи.