- •Методическая разработка
- •2 Курса фпсзс по биологической химии
- •Тема: Белки 1. Переваривание и всасывание. Анализ желудочного сока. Время 3ч.
- •1. Роль белков в питании. Полноценные и неполноценные белки. Нормы белка в питании. Заменимые и незаменимые аминокислоты. Азотистый баланс
- •6. Липаза.
- •7. Фосфолипаза.
- •4. Значение градиента pH соков жкт в переваривании белков. Механизмы переваривания белков и всасывания аминокислот в жкт.
- •6. Гниение белков в толстом кишечнике. Обезвреживание продуктов гниения в печени.
- •Лабораторная работа №1. Количественное определение общей кислотности, общей, свободной и связанной соляной кислоты в одной пробе желудочного сока.
- •Лабораторная работа № 2.Обнаружение патологических компонентов желудочного сока.
Министерство здравоохранения Республики Беларусь
Учреждение образования
«Гомельский государственный медицинский университет»
Кафедра биологической химии
Обсуждено на заседании кафедры биологической химии
Протокол № __________
Методическая разработка
Для проведения занятия со студентами
2 Курса фпсзс по биологической химии
(наименование дисциплины)
Тема: Белки 1. Переваривание и всасывание. Анализ желудочного сока. Время 3ч.
1. УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ, МОТИВАЦИЯ ДЛЯ УСВОЕНИЯ ТЕМЫ; ТРЕБОВАНИЕ К ИСХОДНОМУ УРОВНЮ ЗНАНИЙ.
Цель занятия: формирование представления о пищевой ценности белков, молекулярных механизмах их переваривания и всасывания в желудочно-кишечном тракте, путях формирования пула свободных аминокислот тканей и жидкостей организма. Освоение методов определения кислотности и патологических компонентов желудочного сока.
В результате проведения занятия студент должен:
1) Знать: строение, классификацию и свойства аминокислот; уровни структурной организации белковой молекулы; механизм микросомального окисления; механизмы мембранного транспорта веществ.
2) Научиться проводить титриметрический анализ; проводить качественные реакции на кровь и молочную кислоту.
2. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ИЗ СМЕЖНЫХ ДИСЦИПЛИН.
2.1. Структура и свойства белков и аминокислот (биоорганическая химия).
2.2. Строение пищеварительной системы (анатомия).
2.3. Механизмы регуляции деятельности желудочно-кишечного тракта (физиология).
2.4. Бактериальная микрофлора полостей ЖКТ (микробиология).
3.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ.
1. Роль белков в питании. Полноценные и неполноценные белки. Нормы белка в питании. Заменимые и незаменимые аминокислоты. Азотистый баланс
Роль белков в питании.
Источники свободных аминокислот в клетке:
белки пищи;
собственные белки тканей;
синтез аминокислот из углеводов.
В организме человека в сутки распадается на аминокислоты около 400 г белков, примерно столько же синтезируется. Тканевые белки не могут восполнять затраты аминокислот при их катаболизме и использовании на синтез других веществ. Первичными источниками аминокислот не могут служить и углеводы, т.к. из них синтезируются только углеродная часть молекулы большинства аминокислот. Следовательно, основным источником аминокислот организма служат белки пищи.
Полноценные и неполноценные белки.
Все белки по биологической ценности подразделяются на 2-е группы:
-условно полноценные
-условно неполноценные.
Факторы полноценности белка:
1) аминокислотный состав (чем ближе аминокислотный состав принимаемого с пищей белка к аминокислотному составу белков тела, тем выше его биологическая ценность);
2) усвояемость белка (зависит от аминокислотного состава и от степени гидролиза белка под действием ферментов ЖКТ. Ряд белков, близких по аминокислотному составу белкам тела - шерсть, волосы не используются в пищу, потому что не перевариваются протеиназами кишечника.
Например, степень усвоения белка куриного яйца составляет 95%
-мяса составляет 85%
-молока - 70%
3) потребность организма в белках.
Растительные белки не являются полноценными, т. к. они покрыты специфическими бета-гликозидными оболочками, а в организме нет ферментов, расщепляющих ее. Полноценными белками являются животные белки.
Условно-полноценными считаются те белки, которые содержат 10 незаменимых аминокислот (эссенциальных):
-
Аргинин*
Лизин
Валин
Метионин
Гистидин *
Треонин
Изолейцин
Триптофан
Лейцин
Фенилаланин
Аргинин и гистидин являются частично заменимыми, т.к. синтезируются в организме в количестве удовлетворяющем потребность в этих АК взрослого организма, но не детского.
Недостаток какой-либо одной аминокислоты ведет к неполному усвоению и других аминокислот. В этом случае вступает в силу закон "минимума" Либиха: "рост и развитие живых организмов определяется тем незаменимым веществом, которое поступает с пищей в минимальном количестве".
Нормы белка в питании.
(1г на 1 кг массы тела)
Нормы белка для взрослого человека и для детей разного возраста учитывают разные климатические условия, условия труда, профессию, возраст и др. факторы.
Для взрослого человека, занимающегося умственным трудом, уровень белка должен составлять 100-120 г/сутки.
Для людей, занимающихся частично механизированным трудом -120-130 г/сутки.
Рабочие, выполняющие тяжелую физическую работу, должны получать 130-150 г белка в сутки.
Для детей суточная потребность в белках определяется возрастом и массой:
1-3 года ----> 55 г/сутки
4-6 лет ----> 72 -//-
7-9 -//- ----> 89 -//-
10-12 -//- ----> 100 -//-
Суточные потребности в белках возрастают при беременности и лактации, при патологических состояниях, когда организм теряет белок с мочой, асцитной жидкостью, экссудатами (нефриты, ожоги, травмы).
Заменимые и незаменимые аминокислоты
В то время как растения и микроорганизмы могут синтезировать все аминокислоты, млекопитающие в ходе эволюции утратили способность к синтезу примерно половины из 20 протеиногенных аминокислот. Поэтому незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей. Так, организм высших организмов не способен синтезировать ароматические аминокислоты de novo (тирозин не является незаменимой аминокислотой только потому, что может образоваться из фенилаланина). К незаменимым аминокислотам принадлежат аминокислоты с разветвленной боковой цепью: валин и изолейцин, а также лейцин, треонин, метионин и лизин. Гистидин и аргинин являются незаменимыми для крыс, но касается ли это также человека — спорно.
Заменимые аминокислоты (аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты и их амиды, аспарагин и глутамин) образуются в результате трансаминирования из промежуточных метаболитов — 2-кетокислот. Пролин синтезируется в достаточных количествах из глутамата, а представители серинового семейства (серин, глицин и цистеин) сами являются естественными метаболитами организма животных.
Заменимые аминокислоты |
Незаменимые аминокислоты |
аланин |
фенилаланин |
аспарагиновая кислота |
лизин |
аспарагин |
аргинин* |
глутаминовая кислота |
гистидин* |
глутамин |
валин |
пролин |
лейцин |
серин |
изолейцин |
глицин |
треонин |
цистеин |
метионин |
тирозин |
триптофан |
Азотистый баланс.
Поскольку основная масса азота пищи представлена белками, принято считать, что для правильной оценки состояния белкового обмена точным критерием является определение азотистого баланса (АБ).
АБ - соотношение количества поступившего с пищей белка к количеству продуктов метаболизма этого же белка, выраженное в г/сут.
Здесь следует отметить, что количество пищевого азота (соответственно белка) можно легко и точно определить, т. к. 6,25г белка содержит 1г N2, то количество N2 умножают на 6,25 и получают количество белка, в то время как количество теряемого азота не всегда легко определить, поскольку на практике учитывают только азотистые продукты, выделяемые с мочой и калом, потерей азота с молоком, слюной, эпителием кожи, волосами пренебрегают.
В возрасте от 30 до 45 лет при нормальном белковом питании наблюдается азотистое равновесие: АБ = 0.
Бывает положительный АБ: количество поступившего с пищей азота (белка) больше, чем количество выделившегося азота (белка).
ПАБ наблюдается при растущем организме, во время беременности, выздоровлении, отдыхе, почечной недостаточности.
Бывает отрицательный АБ: количество выделяемого азота (белка) больше, чем количество поступившего. Наблюдается при голодании, физической нагрузке, опухолях, высокой температуре, у старых людей даже без видимой патологии.
Соотношение белков, липидов и углеводов в детском организме:1:1:2, у взрослых - 4:1:1.
2. Обмен простых белков. Переваривание белков в ЖКТ. Состав и свойства желудочного сока. Значение компонентов сока в переваривании белков (HCl, пепсин, слизь и др.). Характеристика пепсина. Механизмы образования и секреции HCl в желудочном соке. Регуляция секреции HCl (роль гистамина, гастрина, ацетилхолина и др.).
Обмен простых белков.
Белки в организме, независимо от их функций, находятся в динамическом состоянии. Это значит, что они постоянно синтезируются и распадаются. Эти процессы названы белковым обменом. Существует необходимость замены белков, которые теряют свою биологическую активность путем окисления, денатурации и другими необратимыми модификациями.
Скорость обмена разных белковых молекул различна. Некоторые белки, подобно иммуноглобулинам, имеют длинную жизнь, измеряемую годами, в то время как другие имеют короткую жизнь (в минутах). Эти процессы протекают в каждой клетке, но клетки некоторых тканей более активны, чем другие. Например, белки печени и кишечника обмениваются быстрее, чем белки скелетной мышцы. Синтез и распад белка необязательно протекает в одной и той же клетке. Некоторые клетки секретируют белки, которые затем работают и распадаются в другом месте (альбумин, антитела, ферменты, катализирующие процессы пищеварения, гормоны). Приблизительное содержание и обмен некоторых белков приводится ниже.
Белок или ткань |
Содержание белка (кг) |
Время полураспада (сут) |
Коллаген (мышцы, кожа, кость) |
3.3 |
- |
Миозин, актин ( мышцы) |
3.0 |
|
Альбумины, глобулины (мышцы) |
1.7 |
30 |
Гемоглобин |
0.9 |
126 |
Белки плазмы |
0.4 |
10 |
Печень, почки, легкие |
0.5 |
5 |
Схема обмена белков у человека. (Цифры на схеме показывают общее количество обмениваемого азота в граммах)
Переваривание белков в ЖКТ.
В желудочно-кишечном тракте под действием протеолитических ферментов происходит расщепление белков. Они имеют различную специфичность и последовательно гидролизуют белки до аминокислот.
Для переваривания белков необходимы:
Водный раствор с различным значением рН и концентрацией электролитов (создает условия, необходимые для оптимальной активности ферментов)
Предшественники ферментов - протеолитические ферменты - синтезируются в виде неактивных предшественников (проферментов) и затем активируются в полости желудочно-кишечного тракта. Проферменты активируются путем ограниченного протеолиза.
Слизь (мукопротеины) – высоковязкие растворы мукопротеинов действуют как смазочные средства, ускоряя прохождение пищи по ЖКТ.
Переваривание белков осуществляется главным образом до аминокислот, в форме которых и происходит всасывание. Гидролиз химически сводится к разрыву пептидной связи. При расщеплении одной пептидной связи происходит снижение свободной энергии на 16,8 кДж. Протеолитические ферменты чувствительны:
к размеру полипептида;
к точке приложения гидролиза;
к природе аминокислот, участвующих в образовании пептидной связи.
Все белки подвергаются воздействию ограниченного числа протеолитических ферментов, относящихся к классу гидролаз (пептидаз). Известны 2-е группы пептидаз:
экзопептидазы - катализируют разрыв концевой пептидной связи с освобождением одной какой-либо а/к;
эндопептидазы - гидролизуют пептидные связи внутри полипептидной цепи, а также, в зависимости от природы а/к, и некоторые концевые пептидные связи.
Состав и свойства желудочного сока. Значение компонентов сока в переваривании белков (HCl, пепсин, слизь и др.). Характеристика пепсина.
Желудочный сок - бесцветная жидкость кислой реакции (pH =1-6). Главные компоненты - H2O (99%) и 1% сухой остаток.
Соляная кислота: свободная (H+ и Cl-) и связанная форма (на поверхности частиц в форме хлоридов). HCl вместе с лактатом и ПВК формирует общую кислотность. Наличие лактата имеет диагностическое значение; повышение его содержания свидетельствует о раке желудка.
Важнейшие органические компоненты, ферменты желудочного сока:
1. Пепсин (эндопептидаза), активен при pH = 0,8 - 5,4 (оптимум pH = 2,0). Обладает протеазным, пептидазным, транспептидазным действием. Очень активен (1г пепсина за 2 часа способен расщепить 50кг яичного альбумина). Неактивная форма - пепсиноген. В процессе активации HCl образуются пепсины 2-х групп:1-ая группа (их 5) образуется в своде желудка; 2-ая группа (их 3) - в привратнике. Из них собственно пепсинами называются ферменты, гидролизующие белки с максимальной скоростью при pH = 1,5 - 2,0. Другая фракция гидролизует белки с максимальной скоростью при pH = 3,2 - 3,5 и называется гастриксином. Отношение между пепсином и гастриксином составляет от 1:2,5 до 1:6.Пепсин и гастриксин отличаются изоэлектрическими точками и электрофоретической подвижностью.
Пепсин расщепляет практически все природные белки, кроме некоторых кератинов, гистонов, протаминов и мукопротеидов.
2. Реннин (сычужный фермент - химозин) встречается преимущественно у детей. Его роль заключается в створаживании молока, т. е. он превращает растворимый казеиноген в нерастворимый казеин, кальциевая соль которого выпадает в осадок в виде творога:
Ca2+
казеиноген -----------------> нерастворимый казеин (творог).
реннин
В желудке взрослого человека роль реннина выполняет пепсин.
3. Парапепсин (обладает желатиназным действием, в 140 раз сильнее пепсина).
4. Муцин - защитный фактор: обволакивает слизистую, защищая ее от действия HCl, выполняет роль сорбента, на котором иммобилизируется пепсин.
5. Муколизин - фактор, растворяющий слизь. Существует слизь 2-ух фаз: нерастворимой, или видимой, и растворимой. Нерастворимая слизь выполняет защитную функцию: она формирует защитный барьер, который препятствует контакту слизистой с содержимым желудка, ингибирует пепсин, нейтрализует HCl (за счет буферных свойств слизи).
6. Липаза - расщепляет эмульгированные жиры (молока) до глицерина и ЖК.
7. Амилаза - очень мало, имеет реинкреторное роисхождение (из плазмы крови).
8. Лизоцим - оказывает бактерицидное действие.
9. Ряд а/к, имеющих диагностическое значение.
10. Гликопротеид, необходимый для транспорта Vit B12.
11. Соли: хлориды, сульфаты, фосфаты, бикарбонаты, нитраты.
12. Ионы - K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-.
13. Патологические компоненты: молочная кислота и кровь.
Образование желудочного сока осуществляется секреторным аппаратом слизистой, который представлен несколькими видами клеток:
главные - продуцируют пепсиногены и химозин;
обкладочные (париетальные) участвуют в образовании HCl: поставляют Cl-;
добавочные - единственные клетки, продуцирующие сульфатированные мукополисахариды;
слизистые (среди них млечные - камбиальные);
эндокринные - 8 типов:
ЕС - энтерохромаффинные (серотонин);
ECL - энтерохромаффиноподобные (гистамин);
G - гастриновые (гастрин);
А - вырабатывают глюкагон;
D - соматостатин;
D1 - ВИП;
P - бомбезин;
PP - ПП.
Гастрин имеет 4 формы:
а) минигастрин (13 а/к);
б) малый гастрин (17 а/к);
в) большой гастрин (34 а/к);
г) супер-гастрин.
Гастрин - специфический стимулятор желудочной секреции, оказывает трофическое влияние на слизистую желудка, стимулирует выделение гистамина.
Энтерогастрон, ваго-, бульбо-, сиало-, соматогастрон и гастрон тормозят желудочную секрецию и секрецию HCl.
Бомбезин - стимулирует секрецию HCl, играет роль рилизинг фактора по отношению к другим гастроинтестинальным гормонам.
ВИП - мощный ингибитор гастрина, подавляет секрецию HCl, сильный дилятатор.
Гистамин - через аденилатциклазный механизм активирует карбоангидразу, участвующую в секреции HCl.
ТТГ, АКТГ - стимуляторы желудочной секреции.
СТГ - стимулирует слизеобразование.
PG - в некотором роде оказывает действие сходное с действием гистамина.
Механизмы образования и секреции HCl в желудочном соке.
Секреция соляной кислоты обкладочными клетками является процессом активного транспорта (идет с затратой энергии АТФ).
Диоксид углерода (СО2) диффундирует из крови в обкладочные клетки, где гидратируется (соединяется с молекулой воды) при участии карбоангидразы с образованием угольной кислоты, которая спонтанно диссоциирует на протон водорода Н+ и анион гидрокарбоната (НСО3-)..Протоны водорода Н+ транспортируются Н+/К+-АТФ-азой из цитоплазматического пространства обкладочных клеток в просвет желудка, при этом концентрация протонов в желудке возрастает примерно в 106 раз (концентрация Н+ в клетке примерно 10-7 M = рН 7, в просвете желудка примерно 10-1 M = рН 1). Равновесие ионов между кровью и обкладочными клетками достигается поступлением НСО3- в кровь в обмен на ионы Cl, поступающие из крови в гастроцит. Хлорид-ионы следуют за активно секретируемыми (при помощи Н+/К+-АТФ-азы) протонами через хлоридный канал в просвет желудка (для сохранения электронейтральности).
Минимальная скорость секреции HCl наблюдается с 5 до 11 утра.
В норме общая кислотность желудочного сока должна составлять 40-60 ммоль/л (связанная HCl + свободная HCl). Свободная HCl - 20-40 ммоль/л, связанная HCl - 10-20 ммоль/л.
Роль HCl.
1. Активирует пепсин: вначале осуществляется первичная активация пепсиногена с последующим превращением его в пепсин аутокаталитически (под действием активного пепсина).
HCl
Пепсиноген --------------> пепсин
- 42 а/к
От N- конца молекулы пепсиногена отщепляется 42 а/к остатка, что составляет 5 нейтральных пептидов и один щелочной пептид, который считается ингибитором пепсина.
2. Создает оптимум pH для действия ферментов желудочного сока. (pH = 1,5 _+ 0,5)
3. Обладает бактерицидным действием (является своего рода фактором неспецифической защиты организма).
4. Принимает участие в денатурации белков и их набухании.
5. Участвует в створаживании молока.
6. Осуществляет декальцинацию костей.
7. Стимулирует секреторную, моторную и гормональную деятельность ЖКТ. 8. Ускоряет всасывание железа.
9. Активирует образование гастрина из прогастрина.
Регуляция секреции HCl (роль гистамина, гастрина, ацетилхолина и др.).
Механизм секреции HCl находится под контролем инсулина и гистамина. Секреция соляной кислоты стимулируется гистамином через H2 рецепторы, ацетилхолином через M3 мускариновые рецепторы, и гастрином, частично через гастриновые рецепторы в мембранах париетальных клеток. H2 рецепторы увеличивают внутриклеточный цАМФ при участии Gs белков, а мускариновые и гастриновые рецепторы проявляют свои эффекты, увеличивая концентрацию внутриклеточного свободного Ca2+. Действие одного из указанных регуляторов обычно потенцируeт ответ другого на возбуждение. Простагландины, особенно E ряда, ингибируют секрецию кислоты, активируя Gi (ингибирующие) белки, и это объясняет частично повышение риска язвенной болезни у людей, принимающих антивоспалительные препараты, которые ингибируют синтез простагландинов.
Циклическая АМФ и Ca2+ действуют через протеинкиназы, повышая транспорт H+ в желудочный просвет H+-K+ АТФазой.
Гипоацидоз наблюдается:
при недостатке инсулина;
при дефиците Vit B1;
при нарушении энергообразовательных процессов.
Кишечный сок. Его состав и свойства. Характеристика панкреатических и кишечных ферментов. Механизм активации трипсина, химотрипсина и др.
Переваривание в кишечнике иногда называют панкреатическим перевариванием, поскольку основные ферменты образуются и секретируются поджелудочной железой. Панкреатический сок содержит ферменты, которые несут основную функцию в переваривании белков.
Панкреатический сок - бесцветная жидкость щелочной реакции pH = 7,8 - 8,4. Щелочность обусловлена наличием бикарбонатов, концентрация которых изменяется прямо пропорционально скорости секреции. Источником бикарбонатов является как бикарбонат плазмы крови, так и образующийся CO2 в pancreas в результате окисления.
Неорганические компоненты: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-.
Органические компоненты, главным образом ферменты:
1. Трипсин (эндопептидаза, гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами основных аминокислот - лиз и арг).
Трипсин - активная форма трипсиногена. Первичная активация трипсиногена осуществляется энтерокиназой и заключается в отщеплении от N-конца 6 а/к: ВАЛ - (АСП)4 - ЛИЗ. В дальнейшем аналогичный процесс происходит под действием активного трипсина, т. е. путем аутокатализа. При этом происходит формирование активного центра и трехмерной структуры трипсина.
Ca2+
Трипсиноген -----------------------------> трипсин
энтерокиназа
Такой механизм активации называется частичным (ограниченным) протеолизом. Он имеет большое биологическое значение:
1) исключает самопереваривание органа;
2) обеспечивает более тонкую регуляцию количества фермента.
Если бы трипсин вырабатывался в активной форме в pancreas, то он бы оказывал протеолитическое воздействие на клетки железы, вызывая некроз, что и наблюдается при остром панкреатите. В этом случае трипсин появляется в крови и его определение в сыворотке крови, является надежным ферментным тестом в диагностике острого панкреатита.
2. Химотрипсин (эндопептидаза, гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот (фен, тир, три).
.
Химотрипсин бывает нескольких разновидностей (альфа, бета, гамма, пи), но это все различные кристаллические формы одного и того же белка. Они синтезируются из двух предшественников - химотрипсиногенов А и В. Они активируются первоначально под действием трипсина и впоследствии под действием химотрипсинов аутокаталитически.
Получены доказательства, что разрыв одной пептидной связи между АРГ и ЛЕЙ в молекуле химотрипсиногена А под действием трипсина приводит к формированию пи-химотрипсина, обладающего наибольшей ферментативной активностью. Последующее отщепление серил-аргинина приводит к образованию бета-химотрипсина. Аутокаталитическая активация приводит к образованию вначале неактивного неохимотрипсина, который под действием трипсина превращается в альфа-химотрипсин. Альфа-химотрипсин образуется из бета-химотрипсина под действием активного химотрипсина.
Химотрипсин обладает более широкой субстратной специфичностью, чем трипсин. Он катализирует гидролиз не только пептидов, но и эфиров, амидов.
3. Эластаза (эндопептидаза, гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами маленьких алифатичеких аминокислот (гли, ала, сер).
Выделяется в виде проэластазы и активируется трипсином. Гидролизует пептидные связи эластина.
4. Карбоксипептидазы (экзопептидазы).
Представлены двумя видами: А и В. А - разрывают преимущественно связи, образованные С-концевыми ароматическими а/к, В - катализируют отщепление С-концевых остатков диаминокислот: АРГ и ЛИЗ. А и В карбоксипептидазы активируются трипсином.
А - обладает бифункциональной активностью - пептидазной и эстеразной и содержит ион Zn2+. При замене Zn на Ca происходит полная потеря пептидазной активности и усиление эстеразной.
5. Альфа-амилаза - расщепляет альфа-1,4 -гликозидные связи, активируется ионами Ca2+, которые повышают устойчивость фермента к изменению температуры и pH.