БХ методички 2 курс / Metodichki / методы / Белки

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения и социального развития Российской федерации»

(ГБОУ ВПО НГМУ Минздравсоцразвития России)

ПЕДИАТРИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра медицинской химии

Шинкарѐва Н.В., Шарапов В.И.

ФУНКЦИИ И ОБМЕН БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ

Учебное пособие для студентов 2-го курса лечебного, педиатрического и стоматологического

факультетов

под редакцией профессора Потеряевой О.Н.

Новосибирск - 2012

1

Н.В. Шинкарева, В.И. Шарапов Функции и обмен белков и аминокислот. – Новосибирск.- 2012.- 40с.

Под редакцией профессора О.Н. Потеряевой

В настоящем учебно-методическом пособии рассмотрены основные моменты о нормах белкового питания, роли пищевого белка как источника аминокислот и метаболизм аминокислот в организме. Рассмотрены особенности белкового обмена веществ и возможные нарушения.

Материал освящен в соответствии с рабочими программами для студентов лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов.

Учебно-методическое пособие может быть использовано для подготовки к практическим занятиям, коллоквиумам и экзамену. Пособие предназначено для студентов 2-го курса лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов очной формы обучения.

Ситуационные задачи предназначены для контроля уровня знаний студентов по теме «Белковый обмен»

Рецензенты:

В.Ю. Куликов – д.м.н., профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии НГМУ А.А. Зубахин - д.м.н., профессор кафедры патологической физиологии НГМУ

Переработанное пособие утверждено на заседании кафедры медицинской химии, протокол № 8 от 14.11.2011г.

Утверждено и рекомендовано к печати ЦМК фармацевтического факультета НГМУ (протокол № 1 от 06.10.2010 г)

©Шинкарева Н.В., Шарапов В.И., Потеряева О.Н.

©Новосибирский государственный медицинский университет, 2012 г.

2

Предисловие

Биохимия - динамичная, быстро развивающаяся область знаний. Цель этого методического пособия состоит в том, чтобы представить накопленную информацию в наиболее упрощенной форме. В данном пособии даны основные сведения темы: «Белковый обмен» в объеме университетского курса, т.е. рассмотренные вопросы включены в типовые и рабочие программы по биологической химии, на основании которых ведется подготовка специалистов в ГОУ ВПО Новосибирском государственном медицинском университете по всем специальностям.

Настоящее пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов к практическим занятиям по биохимии для студентов 2-3 курсов всех факультетов по теме «Белковый обмен», а также необходимо для подготовки к коллоквиуму и экзамену по курсу биохимии, выполнению контрольных работ.

Целью данного пособия является формирование представления о нормах белкового питания, роли пищевого белка как источника аминокислот и метаболизме аминокислот в организме.

Знание основных моментов превращения белков и дальнейшего использования аминокислот в организме необходимо для дальнейшего изучения курса биохимии.

Пособие содержит задачи по теме «Белковый обмен», предназначенные для самооценки степени усвоения материала.

Для углубленного представления о роли белкового обмена можно использовать литературу, представленную в конце пособия.

3

СОДЕРЖАНИЕ

Введение:

1.Обмен белков………………………………………………………………………………...3 1.1 Функции белков………………………………………………………………………….....4 1.2 Классификация белков……………………………………………………………………..4

1.3 Физико-химические свойства белков……………………………………………………..5

1.4 Структурная организация белков………………………………………………………....5

2.Баланс азотистого обмена…………………………………………………………………...5

3.Нормы белков в питании……………………………………………………………………7

4.Белковая недостаточность…………………………………………………………………..8

5.Переваривание белков в ЖКТ………………………………………………………………8

5.1.Переваривание белков в желудке…………………………………………………………9

5.2.Переваривание белков в кишечнике……………………………………………………..12 5.3.Регуляция желудочно-кишечной секреции……………………………………………..14

6.Всасывание аминокислот в кишечнике…………………………………………………...16

7.Нарушения переваривания белков и транспорта аминокислот…………………………17

8.Общие пути обмена аминокислот………………………………………………………...20 8.1.Декарбоксилирование аминокислот……………………………………………………..20 8.2.Дезаминирование аминокислот………………………………………………………….23

8.3.Трансаминирование аминокислот……………………………………………………….24

9.Обезвреживание аммиака в организме. Синтез мочевины……………………………...27

10.Специфические пути обмена отдельных аминокислот………………………………...28

10.1.Обмен глицина и серина………………………………………………………………..29

10.2.Обмен серосодержащих аминокислот…………………………………………………30

10.3.Обмен цистеина…………………………………………………………………………31

10.4.Обмен аргинина…………………………………………………………………………31

10.5.Обмен дикарбоновых аминокислот……………………………………………………32

10.6.Конкретная роль каждой аминокислоты………………………………………………32

10.7.Обмен циклических аминокислот фенилаланина и тирозина………………………32

10.8.Нарушения обмена фенилаланина и тирозина………………………………………..33

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ……………………………………………………………………...34 ЗАДАЧИ……………………………………………………………………………………….38 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………………………...39 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…………………………………………………………………..40

4

1. ОБМЕН БЕЛКОВ

Биологическое значение и специфичность белков. Белки являются основным веществом, из которого построена протоплазма клеток и межклеточные вещества. Жизнь — есть форма существования белковых тел (Ф. Энгельс). Без белков нет и не может быть жизни. Все ферменты, без которых не могут протекать обменные процессы, являются белковыми телами. С белковыми телами — миозином и актином — связаны явления мышечного сокращения. Переносчиками кислорода в крови являются пигменты белковой природы. Белку плазмы, фибриногену, кровь обязана своей способностью к свертыванию. С некоторыми белковыми веществами плазмы, так называемыми антителами, связаны иммунные свойства организма. Одно из белковых веществ сетчатки — зрительный пурпур, или родопсин — повышает чувствительность сетчатки глаза к восприятию света. Нуклеопротеиды ядерные и цитоплазматические принимают существенное участие в процессах роста и размножения. С участием белковых тел связаны явления возбуждения и его распространения. Среди гормонов, участвующих в регуляции физиологических функций, имеется ряд веществ белковой природы.

Строение белков отличается большой сложностью. При гидролизе кислотами, щелочами и протеолитическими ферментами белок расщепляется до аминокислот, общее число которых более двадцати пяти. Помимо аминокислот, в состав различных белков входят и многие другие компоненты (фосфорная кислота, углеводные группы, липоидные группы, специальные группировки).

Белки отличаются высокой специфичностью. В каждом организме и в каждой ткани имеются белки, отличные от белков, входящих в состав других организмов и других тканей. Высокая специфичность белков может быть выявлена при помощи следующей биологической пробы. Если ввести в кровь животного белок другого животного или растительный белок, то организм отвечает на это общей реакцией, заключающейся в изменении деятельности ряда органов и в повышении температуры. При этом в организме образуются специальные защитные ферменты, способные расщеплять введенный в него чужеродный белок.

Парентеральное (т. е. минуя пищеварительный тракт) введение чужеродного белка делает животное через некоторый промежуток времени чрезвычайно чувствительным к повторному введению этого белка. Так, если морской свинке парентерально ввести небольшое количество (1 мг и даже меньше) чужеродного белка (сывороточные белки других животных, яичные белки и т. д.), то через 10—12 дней (инкубационный период) повторное введение нескольких миллиграммов этого же самого белка вызывает бурную реакцию организма морской свинки. Реакция проявляется в судорогах, рвоте, кишечных кровоизлияниях, понижении кровяного давления, расстройстве дыхания, параличах. В результате этих расстройств животное может погибнуть. Такая повышенная чувствительность к чужеродному белку получила название анафилаксии, а описанная выше реакция организма — анафилактического шока. Значительно большая доза чужеродного белка, вводимая первый раз или до истечения инкубационного срока, не вызывает анафилактического шока. Повышение чувствительности организма к тому или иному воздействию называется сенсибилизацией. Сенсибилизация организма, вызванная парентеральным введением чужеродного белка, сохраняется в течение многих месяцев и даже лет. Она может быть устранена, если ввести этот же белок повторно до истечения срока инкубационного периода.

Явление анафилаксии наблюдается и у людей в форме так называемой «сывороточной болезни» при повторном введении лечебных сывороток.

Высокая специфичность белков понятна, если учесть, что путем различного комбинирования аминокислот возможно образование бесчисленного количества белков с различным сочетанием аминокислот. Расщепление белков в кишечнике обеспечивает не только возможность их всасывания, но и снабжение организма продуктами для синтеза своих собственных специфических белков.

Основное значение белков заключается в том, что за их счет строятся клетки и межклеточное вещество и синтезируются вещества, принимающие участие в регуляции физиологических

5

функций. В известной мере белки, однако, наряду с углеводами и жирами, используются и для покрытия энергетических затрат.

1.1 Функции белков

1.Каталитическая (ферментативная). Все ферменты - белки. Ни одна реакция в организме не проходит самопроизвольно, каждая при участии своего фермента.

2.Транспортная. Пример: гемоглобин переносит кислород от легких к тканям и СО2 от тканей к легким. В клеточных мембранах есть белки, переносящие глюкозу, аминокислоты внутрь клетки.

3.Пищевая и запасная (резервная). Пример: яичный альбумин - источник питания. Казеин молока и глиадин пшеницы - источник аминокислот.

4.Рецепторная. Пример: белки биомембран.

5.Сократительная и двигательная. Пример: актин и миозин - белки мышечной ткани.

6.Структурная. Пример: кератин волос, ногтей, коллаген (соединительная ткань), эластин (сосуды), фосфолипопротеины (белки биологических мембран).

7.Защитная. Пример: антитела сыворотки крови - образуются в ответ на поступление в организм чужеродных веществ (антигенов).

8.Регуляторная. Пример: инсулин регулирует содержание глюкозы в крови.

9.Когенетическая. Совместно с нуклеиновыми кислотами участвуют в хранении и передаче наследственной информации.

10.Сохраняют онкотическое давление в клетках крови, поддерживают физиологическое значение PH внутренней среды организма.

Основным свойством белков является возможность их связывания с различными веществами. У каждого белка имеются центры, состоящие из аминокислот, которые участвуют в связывании с другими веществами - белками, углеводами, липидами, нуклеиновыми кислотами. Вещества, которые присоединяются к белкам, называются лигандами (О2 к гемоглобину).

1.2 Классификация аминокислот:

По биологическому и физиологическому значению аминокислоты разделяют на 3 группы:

1.незаменимые - не могут синтезироваться организмом из других соединений, поэтому должны поступать с пищей. Это: вал, лей, илей, тре, мет, лизин, фен, три;

2.полузаменимые - образуются в недостаточном количестве в организме, поэтому частично должны поступать с пищей. Это: арг, тир, гис;

3.заменимые - синтезируются в организме из незаменимых или других соединений. Это остальные.

Функциональная классификация:

1группа - алифатические монокарбоновые кислоты: гли, ала, вал, лей, илей.

2группа - алифатические оксиаминокислоты: сер, тре.

3группа - серосодержащие: цис, мет.

4группа - диаминомонокарбоновые: лиз, арг.

5группа - моноаминодикарбоновые: аспарагиновая, глутаминовая, у них есть амиды (глу, глн).

6группа - ароматические: фен, тир.

7группа - гетероциклические: гис, три.

8группа - аминокислота: про.

У белка первая аминокислота имеет свободную NH2-группу - это начало, называется N-конец, а конечная кислота будет иметь С-конец.

6

Пептиды.

Пептиды отличаются от белков молекулярным весом. Если у белков вес до млн. пептидов 1001600, они содержат от 4 до 100 аминокислот. Некоторые из них являются биологически активными веществами (гормоны - вазопрессин, окситоцин). Трипептид - глутатион - участвует в окислительно-восстановительных процессах. Эндорфины - пептиды, которые связываются с определенными рецепторами на нервных клетках и уменьшают боль.

Классификация сложных белков зависит от строения простетической группы:

Гликопротеины (содержат углеводы). Липопротеины (содержат липиды). Фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту).

Хромопротеины (содержат окрашенную простетическую группу). Металлопротеины (содержат ионы различных металлов). Нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты).

Физико-химические свойства белков

Белки имеют высокий молекулярный вес 16 000-1 000 000.

Заряд белковой молекулы. Все белки имеют хоть одну свободную -NH и - СООН группы.

Структурная организация белков

Первичная структура - определяется последовательностью аминокислот в пептидной цепочке, стабилизируется ковалентными пептидными связями (инсулин, пепсин, химотрипсин). Вторичная структура – пространственная структура белка. Это либоспираль, либо складчатость. Создаются водородные связи.

Третичная структура - глобулярные и фибриллярные белки. Стабилизируют водородные связи, электростатические силы (СОО-, NН3+), гидрофобные силы, сульфидные мостики, определяются первичной структурой. Глобулярные белки - все ферменты, гемоглобин, миоглобин. Фибриллярные белки - коллаген, миозин, актин.

Четвертичная структура - имеется только у некоторых белков. Такие белки построены из нескольких пептидов. Каждый пептид имеет свою первичную, вторичную, третичную структуру, называются протомерами. Несколько протомеров соединяются вместе в одну молекулу. Один протомер не функционирует как белок, а только в соединении с другими протомерами

2. БАЛАНС АЗОТИСТОГО ОБМЕНА

Изучение белкового обмена облегчается тем, что в состав белка входит азот. Содержание азота в различных белках колеблется от 14 до 19%, в среднем же составляет 16%. Каждые 16 г азота соответствуют 100 г белка, air азота, следовательно, — 6,25 г белка. Поэтому, изучая азотистый баланс, т. е. количество азота, введенного с пищей, и количество азота, выведенного из организма, можно охарактеризовать суммарно и белковый обмен. Усвоение азота организмом равно азоту пищи минус азот кала, выведение — количеству азота, выделенного с мочой. Умножая эти количества азота на 6,25, определяют количество потребленного и распавшегося белка. На точности этого метода сказываются потери организмом белков с кожной поверхности (слущивающиеся клетки рогового слоя эпидермиса, отрастающие волосы, ногти). Процессы расщепления белков в организме и выведение продуктов обмена, так же как усвоение воспринятых белков, требуют многих часов. Поэтому для определения величины белкового

7

распада в организме необходимо собирать мочу в течение суток, а при ответственных исследованиях — даже в течение многих суток подряд.

Во время роста организма или прироста в весе за счет усвоения увеличенного количества белков (например, после голодания, после инфекционных болезней и т. д.) количество вводимого с пищей азота больше, чем количество выводимого. Азот задерживается в теле в форме белкового азота. Это обозначается как положительный азотистый баланс. При голодании, при заболеваниях, сопровождающихся большим распадом белков, наблюдается превышение выделяемого азота над вводимым, что обозначается как отрицательный азотистый баланс. Когда количество вводимого и выводимого азота одинаково, говорят об азотистом равновесии.

Обмен белка существенно отличается от обмена жиров и углеводов тем, что во взрослом здоровом организме почти не происходит откладывания легко используемого запасного белка. Количество резервного белка, откладываемого в печени, незначительно, и удержания этого белка на длительный срок не происходит. Увеличение общей массы белков в организме наблюдается только в период роста, в период восстановления после инфекционных болезней или голодания и в известной мере в период усиленной мышечной тренировки, когда происходит некоторое увеличение общей массы мускулатуры. Во всех остальных случаях избыточное введение белка вызывает увеличение распада белка в организме.

Если поэтому человек, находящийся в состоянии азотистого равновесия, начинает принимать с пищей большое количество белков, то количество выводимого с мочой азота также увеличивается. Однако состояние азотистого равновесия на более высоком уровне устанавливается не сразу, а в течение нескольких дней. То же самое происходит, но в обратном порядке, если переходить на более низкий уровень азотистого равновесия. По мере уменьшения количества азота, вводимого с пищей, уменьшается и количество азота, выводимого с мочой, причем через несколько дней устанавливается равновесие на более низком уровне.

В обычных условиях питания азотистое равновесие устанавливается при выделении 14— 18 г азота с мочой. При понижении количества белков в пище оно может быть установлено и на 8—10 г. Дальнейшее понижение количества белков в пище приводит уже к отрицательному азотистому балансу. То минимальное количество вводимого с пищей белкового азота (6—7 г), при котором еще возможно сохранение азотистого равновесия, называется белковым минимумом. Количество выводимого с мочой азота при белковом голодании зависит от того, вводятся ли другие питательные вещества или нет. Если все энергетические затраты организма могут быть обеспечены за счет других питательных веществ, то количество азота, выводимого с мочой, может быть снижено до 1 г в сутки и даже ниже.

При поступлении в тело белков в количестве меньшем, чем это соответствует белковому минимуму, организм испытывает белковое голодание: потери белков организмом восполняются в недостаточной степени. В течение более или менее продолжительного срока в зависимости от степени голодания отрицательный белковый баланс не грозит опасными последствиями. Описаны наблюдения над «искусниками голодания», которые не принимали пищи, ограничиваясь лишь небольшим количеством воды, в течение 20—50 дней. Однако, если голодание не прекратится, наступает смерть.

При продолжительном общем голодании количество азота, выводимого из организма, в первые дни резко снижается, затем устанавливается на постоянном низком уровне. Опыты на животных показали, что незадолго перед смертью азотистый распад в организме вновь повышается. Это обусловлено исчерпанием последних остатков других энергетических ресурсов, в частности, жиров.

8

Рисунок– Влияние полного голодания на суточное выведение с мочой валового азота (по Бенедикту).

3.НОРМЫ БЕЛКОВОГО ПИТАНИЯ

Всвязи с тем, что при различных условиях питания минимум может изменяться, а значение больших количеств белков в пище не выяснено, белковые нормы не являются определенными. Фойт, исходя из статистических цифр, предложил в качестве суточной нормы 118 г белка. Нормы Читтендена (50—60 г) и Хиндхеде (25—35 г), как показывает большой ряд наблюдений, являются совершенно недостаточными и, как правило, приводят к отрицательному азотистому балансу.

Исследования ученых (О. П. Молчанова и др.) позволяют считать наиболее обоснованным минимумом 100—120 г белков за сутки. Прием в пищу больших количеств белка для здоровых людей не является вредным.

Следует иметь в виду, что количественные нормы в белковом питании сохраняют свое значение только при условии надлежащего состава пищевых белков. Поступление с пищей ряда аминокислот, синтез которых в животном теле невозможен, является совершенно необходимым для того, чтобы обеспечить синтез белков организма. Напротив, некоторые аминокислоты могут быть синтезированы из других аминокислот и даже из безазотистых тел и аммиака, и их поступление в организм с пищей не обязательно. Исследования последних лет показали, что число таких аминокислот больше, чем раньше предполагали.

Вприведенной ниже таблице указаны незаменимые аминокислоты, присутствие которых в белках пищи обязательно; частично заменимые аминокислоты, которые в небольших количествах синтезируются в организме; условно заменимые аминокислоты, для синтеза которых необходимы незаменимые аминокислоты и, наконец, заменимые аминокислоты, потребность в которых может быть восполнена синтезом из других веществ.

9

Аминокислотный состав характеризует пищевую ценность белка. Чем выше содержание незаменимых аминокислот, тем больше пищевая ценность белка. Норма белков в питании составляет примерно 100 г в сутки.

При выключении из пищи одной из незаменимых аминокислот процессы синтеза белков

ворганизме нарушаются. У растущего организма происходит задержка роста, а затем потеря веса. Таким образом, к белковому питанию применим «закон минимума», по которому синтез белка в организме ограничивается той из незаменимых аминокислот, которая вводится с пищей

вминимальном количестве.

Те белки, которые содержат необходимые аминокислоты в пропорции, наиболее благоприятной для синтеза белков в организме, используются организмом наиболее полно. Поэтому оказывается, что для поддержания нормального роста животного требуется неодинаковое количество различных белков, т. е. биологическая ценность белков в зависимости от их аминокислотного состава неодинакова. Биологическую ценность белков измеряют количеством белка организма, которое может образоваться из 100 г белка пищи. Оказывается, что белки животного происхождения (мяса, яиц и молока) имеют высокую биологическую ценность (70—95%), а большинство белков растительного происхождения (ржаного хлеба, овса, кукурузы) — более низкую биологическую ценность (60—65%). Имеются, однако, и белки животного происхождения (например, желатина), не содержащие некоторых ценных аминокислот (триптофана, тирозина, цистина), а поэтому являющиеся неполноценными.

4.БЕЛКОВАЯ НЕДОСТАТОЧНОСТЬ

Продолжительное безбелковое питание вызывает серьѐзные нарушения обмена веществ и неизбежно заканчивается гибелью организма. Дефицит в пище даже одной незаменимой АК ведѐт к неполному усвоению других АК и сопровождается развитием отрицательного азотистого баланса, истощением, остановкой роста и нарушениями функций нервной системы.

У животных при отсутствии цистеина возникает острый некроз печени, гистидина — катаракта; отсутствие метионина приводит к анемии, ожирению и циррозу печени, облысению и геморрагии в почках. Исключение лизина из рациона молодых животных вызывает анемиею и внезапную гибель.

Заболевание «Квашиоркор», в переводе означает «золотой (или красный) мальчик», возникает при недостаточности белкового питания. Оно характерно для Центральной Африки.

Заболевание развивается у детей, которые лишены молока и других животных белков, а питаются исключительно растительной пищей (кукуруза, бананы, таро, просо). Квашиоркор характеризуется задержкой роста, анемией, гипопротеинемией (часто сопровождающейся отѐками), жировым перерождением печени. У лиц негроидной расы волосы приобретают красно-коричневый оттенок. Часто это заболевание сопровождается атрофией клеток поджелудочной железы. В результате нарушается секреция панкреатических ферментов и не усваивается даже то небольшое количество белков, которое поступает с пищей. Происходит поражение почек, вследствие чего резко увеличивается экскреция свободных аминокислот с мочой.

Без лечения смертность детей составляет 50—90%. Даже если дети выживают, длительная недостаточность белка приводит к необратимым нарушениям не только физиологических функций, но и умственных способностей. Заболевание исчезает при своевременном переводе больного на богатую белком диету, включающую большие количества мясных и молочных продуктов. Один из путей решения проблемы — добавление в пищу препаратов лизина.

5.ПЕРЕВАРИВАНИЕ БЕЛКОВ В ЖКТ

Переваривание – процесс гидролиза веществ до их ассимилируемых форм. Всасывание – процесс поступления веществ из просвета ЖКТ в кровеносное русло.

10