Глава 2. Метаболизм аминокислот

Общие положения

Основная масса аминокислот поступает в организм человека в составе пищевых белков, которые в ЖКТ гидролизуются под действием эндо (пепсин, трипсин, химотрипсин, эластаза) и экзо (карбокси-, амино-, дипептидазы) протеаз (2.1). Высвободившиеся аминокислоты всасываются и разносятсяпо кровотоку в клетки, где используются в реакциях полимеризации, преобразуясь в ди-, три-, олиго-, полипептиды и по большей части белки, выполняющие пластическую, транспортную, каталитическую, рецепторную, регуляторную, зрительную, дыхательную, сократительную, иммунную и др. функции. Катаболизм аминокислот альтернативен (2.2). Распад части этих соединений носит специфический характер. Большинство же разрушаетс, лишаясь в начале или амино-, или карбоксильной группы. Получившиеся после декарбоксилирования амины (гистамин, тирамин, дофамин и др.)являются биологически активными соединениями (2.2.1.1). Дезаминирование проходит двумя способами: первый ­– переаминирование – фактический обмен функциональными группами между амино- и α-кетокислотой с получением новых амино- и α-кетокислот. Второй вариант представляет отщепление свободного NН₃, который в растворе цитозоля проявляет свойства основания, обуславливая опасность развития алкалоза (2.2.1.2). В клетках присутствуют различные кислые вещества, способные фактически его нейтрализовать (буферные системы, α-кетокислоты). Образовавшиеся при этом соли аммония, глутамин доставляются в печень, где используются для синтеза мочевины (орнитиновый цикл):

Окончательный продукт обезвреживания – мочевина – током крови доставляется в почки, откуда экскретируется в составе мочи.

Для большинства аминокислот анаболическая фаза заключается в их поступлении в организм (незаменимые), заменимые же способны синтезироваться из различных соединений, в первую очередь, из α-кетокислот, метаболитов гликолиза, ЦТК (2.3).

Кроме включения в белки аминокислоты могут подвергаться самым различным преобразованиям (2.4), повреждения в которых приводят к развитию патологий (приобретенных и наследственных) («Патохимия насл. заболеваний»).

2.1. Гидролитическая стадия катаболизма полипептидов

В зависимости от происхождения аминокислоты (см. Приложение, табл.1.) делят на экзогенные и эндогенные. Первые поступают в организм обычно с белковой пищей.

В ротовой полости с помощью механической обработки обеспечивается выход содержимого из клеток пищевых продуктов в просвет ЖКТ. Химические преобразования протеинов начинаются с их денатурации, вызванной соляной кислотой желудка, что делает доступным пептидные связи молекул субстратов для действия ферментов (табл. 2.1.). Кроме того, это соединение вызывает резкое снижение кислотности (до рН= 1,5-2) в полости желудка у взрослого человека, что регулирует нормальную работу сфинктера, который обычно находится в сокращенном состоянии и открывается лишь при возникновении разницы рН по обе стороны. Следовательно, пища, поступившая в желудок, определенный промежуток времени остается в нем, создавая чувство насыщения.

Сильно кислая среда в полости этого органа разрушает мембраны клеток микробов, стерилизуя пищевой комок. Поэтому при сниженной секреции соляной кислоты начинает размножаться микрофлора, вызывая брожение (наличие молочной кислоты в желудочном содержимом позволяет подтвердить этот симптом). В подобных условиях сфинктер не открывается, пища залеживается, также способствуя брожению.

Основными структурными компонентами мембран клеток являются липиды и белки, то чтобы их сохранить, протеазы и липазы, вырабатываемые органами пищеварительной системы, синтезируются в виде зимогенов - своих неактивных форм. Их активация осуществляется уже в полости ЖКТ.

В просвете желудка медленно под влиянием НСl образуется из пепсиногена первая затравочная порция пепсина, который сам активирует (аутокатализ) путем частичного протеолиза последующие порции фермента (табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Ферменты гидролиза белков в ЖКТ

Происхождение	Представитель	Аминокислоты, образующие разрываемую пептидную связь
Главные клетки желудка Клетки поджелудочной железы Энтероциты тонкой кишки	Пепсиноген пепсин Трипсиноген Трипсин Энтерокиназа Аминополипептидаза Дипептидаза	Ароматические аминокислоты Ароматические аминокислоты Нейтральные алифатические и аминокислоты С-концевая пептидные связи, ароматические а/к, аргинин, лизин Лейцин, лизин, аргинин N-концевые пептидные связи, лизин, аргинин

Подобный процесс с протеазами поджелудочного сока проходит в двенадцатиперстной кишке: за созревание трипсина отвечает энтерокиназа, а активированный энзим стимулирует химотрипсиноген, проэластазу, прокарбоксипептидазу.

В зависимости от того, на каком участке полипептида ферменты рвут пептидные связи, их делят на эндо- и экзопептидазы. Любой белок — это неветвящаяся нить только с двумя концами. Отсюда, чтобы ускорить работу энзимов, отщепляющих аминокислоты, требуется увеличить число концов, от которых они могут отрываться. Поэтому гидролиз протеинов начинают эндопептидазы, которые разрушают связи, расположенные в середине цепей, что приводит к образованию более коротких пептидов и облегчают работу экзопептидаз.

Так как радикалы аминокислот, составляющих нить белка, различны по строению, то соответственно требуется присутствие энзимов, обладающих относительной специфичностью, которая определяется природой аминокислоты, участвовавшей в образовании пептидной связи. В таблице 2.1 приведены примеры, характеризующие подобные явления. Обращает на себя внимание, что и пепсин желудка, и химотрипсин поджелудочного сока гидролизуют амидные связи, возникшие при участии ароматических аминокислот; отсюда при снижении функции желудка способность к их разрыву сохраняется и не мешает дальнейшему перевариванию, которое обычно продолжают экзопептидазы, отщепляющие аминокислоты с концов цепей (карбоксипептидаза с С-конца, аминопептидаза с N-конца). Заканчивается процесс гидролизом пептидной связи в дипептиде, на которую действует одноименный энзим энтероцита тонкой кишки.

Освободившиеся аминокислоты путем облегченной диффузии всасываются в тонком кишечнике. Для предотвращения потерь этих соединений в мембранах энтероцитов существуют системы активного транспорта (транслоказа + АТФ), которые включаются при смещении градиента концентрации к нулю. Всосавшиеся аминокислоты попадают или в лимфатические сосуды, или по воротной вене в печень.

Тонкий кишечник не стерилен, поэтому часть продуктов гидролиза подвергается действию ферментов кишечной микрофлоры (гниению). Вещества, образующиеся при этом, могут быть газами (СО₂, NН₃, Н₂S, CН₄), что провоцирует метеоризм; нелетучими соединениями с неприятным запахом (скатол, индол из триптофана, путресцин и кадаверин из лизина), способными также всасываться, как и аминокислоты и попадать в печень, а через портокавальные анастомозы – в нижнюю полую вену и в общий кровоток. Если этих соединений образовалось немного, а гепатоциты функционально здоровы, то последние легко инактивируют поступившие продукты гниения.

У человека, особенно у новорожденного, в зависимости от проницаемости стенки кишечника могут всасываться небольшие пептиды, даже белки, обладающие антигенными свойствами, способные провоцировать иммунные реакции.

Что касается судьбы аминокислот в печени, то можно выделить три направления их использования: большая часть отправляется в общий кровоток, меньшая используется для собственных нужд. Если количество оказавшихся в гепатоцитах аминокислот избыточно, то логично их отложить в запас. Но накопление подобных низкомолекулярных структур в клетке грозит ростом осмотического давления, поэтому они начинают участвовать в полимеризации, т.е. в синтезе полипептидов. Образуются белки, в первую очередь, альбумины, различные фракции глобулинов, которые тоже не задерживаются в печени, а отправляются в кровоток, где выполняют многочисленные функции (транспортную, гомеостатические: нормализация рН, онкотического давления).