10. Расщепление белков в желудочно-кишечном тракте. Протеазы. Проферменты, их биологическая роль.

 Пептид-гидролазы желудочно-кишечного тракта - это ферменты, катализирующие гидролиз пищевых белков в желудочно-кишечном тракте.      Пищевые вещества содержат крупномолекулярные белки, углеводы и липиды, которые не способны к всасыванию в кровь и лимфу из-за больших размеров своих молекул. Химическая переработка пищи в желудочно-кишечном тракте представляет собой последовательное ступенчатое ферментативное гидролитическое расщепление крупномолекулярных белков, углеводов и липидов до простых веществ, способных к всасыванию.      Все ферменты желудочно-кишечного тракта являются гидролазами.      Пептид-гидролазы желудочно-кишечного тракта - ферменты, катализирующие гидролиз пищевых белков в желудочно-кишечном тракте.      Гликозидазы желудочно-кишечного тракта - ферменты катализирующие гидролиз пищевых углеводов в желудочно-кишечном тракте.      Липазы желудочно-кишечного тракта - ферменты катализирующие разрыв эфирных связей в пищевых липидах и их компонентах. Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте - это часть метаболизма белков, совокупность  управляемых  процессов, осуществляемых в системе пищеварения. Эти процессы представляют собой химическую переработку белков, поступающих в организм с пищей. Цель такой переработки - обеспечить последующее всасывание продуктов расщепления в кровь и в лимфу.      Переваривание белков пищи предназначено для их денатурации, лишения видовой и тканевой специфичности и расщепления на простые компоненты способные всасываться в тонкой кишке в кровь. Почти все белки пищи (~95 ÷ 97%) всасываются в виде свободных аминокислот. Расщепление белков пищи представляет собой гидролиз с участием катализаторов - протеолитических ферментов. Каждый фермент из протеиназ разрывает вполне определенные пептидные связи белков. Специфичность действия зависит от размера полипептида, его структуры, разновидности аминокислот участвующих в образовании пептидных связей. Все пептид-гидролазы хранятся в секреторных клетках и выводятся из них в виде проферментов.  В зависимости от особенностей действия, пептидазы разделяют на две группы экзопептидазы и эндопептидазы. Экзопептидазы катализируют разрыв концевой пептидной связи. При этом высвобождается вполне определенная концевая аминокислота. Эндопептидазы гидролизуют главным образом пептидные связи внутри полипептидной цепи. Разные эндопептидазы обладают специфичностью действия на субстрат гидролиза, зависящей от вида аминокислот в разрываемой пептидной связи. В связи с этим под действием разных эндопептидаз молекула белка расщепляется на определенное количество пептидов.      Переваривание белков пищи начинается в желудке. Желудок является резервуаром, где потребленная пища находится в течение ~6 ÷ 8 ч. Ёмкость желудка взрослого человека в среднем равна ~3 л (1,5 ÷ 4,0 л). В желудок поступает пища, которая подверглась существенной физической и незначительной химической переработке в полости рта. Химическая переработка пищи более интенсивно продолжается в желудке. Здесь происходит её постепенное перемешивание с желудочным соком и образование химуса. Желудочный сок содержит соляную кислоту и ферменты, катализирующие гидролиз пищевых веществ, главным образом белков. Подготовленные для еще более интенсивного переваривания слои химуса, прилегающие к стенке желудка, периодически порциями перемещаются желудком в двенадцатиперстную кишку.      Соляная кислота желудочного сока играет существенную роль в переваривании белков. Она способствует набуханию белков, их денатурации, создает оптимальную кислотность среды для наилучшего действия ферментов, активирует проферменты, стимулирует секрецию гормонов принимающих участие в управлении функциями желудочно-кишечного тракта.      Желудочный сок содержит три главных протеазы: пепсин, реннин и гастриксин. Пепсин катализирует гидролиз пептидных связей почти всех натуральных белков (за исключением некоторых кератинов, протаминов, гистонов и мукопротеинов). В результате гидролиза белков образуются различного размера полипептиды, олигопептиды и небольшое количество свободных аминокислот.      В желудочном соке детей грудного возраста содержится фермент реннин. Он катализирует свертывание молока (превращение растворимого казеиногена в нерастворимый казеин). При таком свертывании молока замедляется продвижение нерастворимого казеина по желудочно-кишечному тракту. Благодаря этому увеличивается время действия протеиназ и обеспечивается эффективность усвоения белков. У взрослых свертывание молока осуществляется в большей степени пепсином.      Значительно более интенсивное, чем в желудке переваривание белков осуществляется в тонкой кишке. Начальным отделом её является двенадцатиперстная кишка. Двенадцатиперстная кишка имеет приблизительно в десять раз меньшую ёмкость, чем желудок. В то же время через двенадцатиперстную кишку проходит вся та масса химуса, которая находится в желудке. В полость двенадцатиперстной кишки выделяют свои секреты поджелудочная железа и печень. Количество секретов на единицу поверхности двенадцатиперстной кишки, количество ферментов значительно больше, чем на единицу поверхности желудка. Все это объясняет тот факт, что интенсивность переваривания пищевых продуктов, в том числе и белков в двенадцатиперстной кишке приблизительно в четыре раза больше, чем в желудке.      Сок поджелудочной железы содержит пять главных ферментов: трипсин, химотрипсин, коллагеназу, карбоксипептидазу, эластазу. Трипсин и химотрипсин действуют на белки аналогично пепсину. Они наиболее активны в слабощелочной среде (рН = 7,2 ÷ 7,8) и разрушают внутренние пептидные связи. Таким образом, внутренние пептидные связи сложных белков последовательно разрывают три протеазы: пепсин желудочного сока, трипсин и химотрипсин сока поджелудочной железы. В результате образуются полипептиды различной длины и небольшое количество свободных аминокислот.      Дальнейший гидролиз полипептидов до свободных аминокислот осуществляется под влиянием группы более специфичных ферментов - пептидаз. Они содержатся в соке поджелудочной железы, в соке двенадцатиперстной кишки и в кишечном соке желёз нижележащих отделов тонкой кишки . Это карбоксипептидазы и аминопептидазы . Эти ферменты разрушают концевые пептидные связи с образованием олигопептидов или свободных аминокислот (в соответствии с названием). Кроме перечисленных ферментов сок поджелудочной железы содержит ферменты эластазу и коллагеназу. Они катализируют гидролиз эластина и коллагена.      Как правило, конечные стадии гидролиза пищевых продуктов осуществляются в гликокаликсе и на мембране энтероцита (мембранное переваривание). Образовавшиеся при этом простые вещества, в частности свободные аминокислоты, здесь же всасываются (активный транспорт) через мембрану энтероцита в его цитозоль, затем - в интерстициальное пространство микроворсинок, и далее - в кровь их микроциркуляторного русла. С кровью белки переносятся в печень.

10. Катаболизм белков. Убиквитин-зависимая и убиквитин-независимая деградация белков. Цикл мочевины. Мочевая кислота. Убиквитин-зависимая система протеолиза проводит поиск потенциальной мишени для протеолитической деградации среди внутриклеточных белков. Белки несут специфические сигналы деградации по аналогии с сигнальными последовательностями, которые направляют вновь синтезируемые белки к определенным микрокомпартментам клетки. Сигналы протеолитической деградации более сложные и разнообразные, так как с их помощью не только маркируются белки, удаляемые с помощью протеолиза, но и определяется время удаления и скорость их протеолитического расщепления. Для распознавания и декодирования таких сигналов в клетках эукариот имеется убиквитин-конъюгирующая система .

Как в ядре, так и в цитоплазме эта система отделена пространственно и функционально от протеолитических ферментов, организованных в протеасомы .

Распознанные данной системой белки-субстраты маркируются путем ковалентного присоединения к ним молекул стабильного 76- звенного белка - убиквитина . Убиквитин соединяется C-концом с боковыми остатками лизина в субстрате. Наличие такой метки в белке является первичным сигналом сортировки, направляющей образовавшиеся конъюгаты к протеасомам. В большинстве случаев к субстрату присоединяется несколько молекул убиквитина, которые организованы в виде бусинок на нитке. Молекулы белков, содержащие убиквитин, по-видимому, являются для протеасом предпочтительными субстратами.

Конъюгацию убиквитина с субстратом: Убиквитин-активирующий фермент (E1) связывает убиквитин, гидролизует ATP и образует тиоэфирную связь между AMP и убиквитином с последующим переносом молекулы убиквитина на один из своих остатков Cys. Молекула активированного убиквитина далее соединяется с одним из ферментов семейства убиквитин-конъюгирующих ферментов (E2) и часто вслед за этим с убиквитин-лигазой (E3) . Процесс конъюгации убиквитина с субстратом может катализироваться как самим E2, так и E2 совместно с E3.

Белки E2 и E3 в клетках существуют в виде больших семейств, члены которых различаются по свойствам и внутриклеточной локализации. Мутации в генах семейства E2 у дрожжей показывают, что в ДНК-репарацию, прохождение клеточного цикла, биогенез пероксисом, в обеспечение устойчивости к тепловому шоку и ионам кадмия вовлечены разнообразные ферменты. Некоторые из ферментов E2 способны образовывать между собой гетеродимеры, которые в сочетании с белками E3 обеспечивают весь репертуар субстратных специфичностей убиквитин-конъюгирующих комплексов.

Цикл мочевины или орнитиновый цикл (цикл Кребса-Хензелейта)— последовательность биохимических реакций млекопитающих и некоторых рыб, в результате которой азотсодержащие продукты распада преобразуются в мочевину, которая в свою очередь выделяется почками. Происходит превращение аммиака в мочевину. Необходимость в данном цикле реакций возникает вследствие того, что высокие концентрации аммиака, образующиеся в больших количествах в результате деградации нуклеотидов, оказывают угнетающее воздействие на нейроны. Мочевина же, являясь нейтральным соединением с небольшими размерами и высокой растворяемостью в физиологических жидкостях, способна легко проникать через биологические мембраны, легко переноситься кровью и выделяться с мочой. Реакции в митохондриях: Непосредственно перед циклом происходит образование карбомоилфосфата из аммиака, воды и углекислого газа при участии фермента карбомоилфосфат-синтетазы. Данная реакция происходит с затратой энергии двух молекул АТФ и образованием двух молекул АДФ.

При участии орнитин-карбомоил-трансферазы (орнитинтранскарбомоилазы) остаток карбомоилфосфата присоединяется к молекуле орнитина, что приводит к образованию молекулы цитрулина, которая переносится в цитозоль. Реакции в цитоплазме:

В цитоплазме цитрулин с аспарагиновой кислотой при участии фермента аргининсукцинат-синтетазы образует совместно аргининосукцинат. В ходе данной реакции расходуется энергия превращения одной молекулы АТФ в АМФ (что эквивалентно превращению двух молекул АТФ в АДФ). Образовавшийся в ходе реакции дифосфат гидролизируется для обеспечения необратимости процесса. Под действием фермента аргининосукцинат-лиазы аргининосукцинат распадается на фумарат и аргинин.

Аргинин в свою очередь гидролизируется при участии аргиназы (аргининогидролазы) с образованием мочевины и орнитина, который сразу же переносится в митохондрию и цикл повторяется вновь.