Общие представления об обмене белков

Обмен белков – центральный процесс всего обмена веществ в организме. Он связан с обменом других веществ, так как белки катализируют все химические реакции. Поскольку белки – основной строительный материал различных биологических структур, они играют важную роль в их разрушении и новообразовании. Обновление белков в организме протекает быстро: белки печени обновляются наполовину за 10 суток, плазмы крови – за 20-40 суток, мышечные – несколько медленнее.

Основным материалом обновления белков служат белки пищи, но они не могут включиться в состав клеточных структур без предварительного расщепления, поскольку все белки обладают видовой специфичностью. Поэтому белки должны быть в пищеварительном тракте расщеплены до аминокислот.

В клетках различных органов аминокислоты образуются из веществ небелковой природы – промежуточных продуктов углеводов и липидов. Однако только часть аминокислот (заменимые) может синтезироваться в организме человека. Другие аминокислоты (незаменимые) должны поступать в организм с пищей. Белки пищи, содержащие полный набор незаменимых аминокислот, называются полноценными. Белки, не содержащие незаменимых аминокислот – неполноценные. Незаменимыми аминокислотами являются валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан, лизин, гистидин, аргинин.

Все аминокислоты (из пищи или тканей) поступают в общий фонд аминокислот.

В клетках аминокислоты могут включаться в синтез новых белков или разрушаться в процессе диссимиляции до конечных продуктов обмена.

Включение аминокислот в пластические процессы или энергетический обмен зависит от конкретных условий протекания реакций в клетках. При напряженной мышечной работе преобладает распад тканевых белков и аминокислот, в ходе которого может освобождаться до 12% энергии, необходимой для работы мышц. В период отдыха после работы преобладающими становятся реакции биосинтеза белка, потребляющие много энергии. Особенно интенсивно синтез белков идет в печени, лимфатических узлах, костном мозге, селезенке, слизистой оболочке кишечника.

Диссимиляция аминокислот происходит с помощью реакций дегидрирования, дезиминирования, переаминирования, декарбоксилирования. Они приводят к образованию из аминокислот пировиноградной кислоты, ацетил-кофермента А и ряда метаболитов цикла Кребса, где их распад завершается образованием углекислого газа и воды. Азот белков и аминокислот оказывается в составе аммиака и мочевины.

Пищеварение белков

Белки, поступающие с пищей, подвергаются в желудочно-кишечном тракте распаду при участии гидролитических ферментов или пептидгидролаз. Пептидгидролазы выделяются в неактивной форме (это предохраняет стенки пищеварительной системы от самопереваривания). Активируются они при поступлении пищи в пищеварительную систему. Активация пепсина и трипсина происходит по механизму автокатализа, другие пептидгидролазы активируются трипсином.

Химические изменения белков начинаются в желудке при участии пепсина и соляной кислоты. При действии соляной кислоты белки набухают, и фермент получает доступ во внутренние зоы молекулы. Пепсин ускоряет гидролиз внутренних (расположенных далеко от концов молекул) пептидных связей. В результаты белки расщепляются до пептидов. Пептиды в кишечнике подвергаются дальнейшим превращениям в слабощелочной среде под действием трипсина, химотрипсина и пептидаз. В результате образуются дипептиды, которые гидролизуются до свободных аминокислот. Аминокислоты всасываются через стенки кишечника. Этот процесс энергозависим. Некоторые аминокислоты включаются в синтез белков уже после всасывания, 95% поступает в кровь и лимфу. Кровь переносит их в печень, где идет интенсивный синтез белков. Не использованные аминокислоты вновь попадают в кровь.

Часть аминокислот в кишечнике подвергается гниению под действием кишечных бактерий. Из некоторых аминокислот образуются токсины – амины, фенолы, меркаптаны. Они выводятся с калом и частично всасываются в кровь, переносятся ею в печень, где происходит их детоксикация. Этот процесс требует значительных затрат АТФ.

Синтез белков

Синтез белков в живых организмах – сложный многоступенчатый процесс, включающий активацию аминокислот, установление их последовательности в полипептидной цепи белка, замыкание пептидных связей и образование трехмерной структуры, свойственной данному белку.

Аминокислоты активируются АТФ с помощью фермента аминоацилсинтетазы, находящейся в цитозоле клеток. Следующий этап – определение последовательности аминокислотных остатков (первичной структуры белка) – связан с обменом нуклеиновых кислот. Наследственная информация о первичной структуре всех белков хранится в закодированной форме в молекулах ДНК. Молекула ДНК содержит несколько тысяч различных генов, хранящих информацию о последовательности аминокислот в одном белке.

Когда в клетке возникает необходимость в синтезе какого-либо белка, под действием индукторов активируется соответствующий ген в ДНК. Информация о последовательности аминокислотных остатков в белках кодируется через последовательность нуклеотидных остатков, образующих ген. Каждой аминокислоте соответствует участок гена, состоящий из трех нуклеотидов (триплет или кодон). Перевод информации с ДНК в мРНК – транскрипция.

мРНК в цитоплазме клеток связывается с рибосомами, содержащими рРНК. Процесс синтеза белка происходит на рибосоме с участием тРНК и большого количества факторов трансляции. Аминокислотная последовательность точно соответствует последовательности кодонов. Полипептидная цепь синтезируется в линейном порядке. После окончания синтеза она отделяется от рибосомы и приобретает свойственную этому белку конформацию. Этот способ синтеза белка называется матричным.