От отдельных признаков до фена Английский биолог В. Бэтсон был одним из тех, кто формулировал целые научные направления, прозорливо отличал «существенное от несущественного». Он предложил термин «генетика» в 1906 г. и был организатором первых конференций, по гибридизации,

3. Перемещения отдельных клеток Многие процессы формообразования происходят не путем перемещения клеточных пластов, а путем перемещения отдельных клеток. Иногда движение клеточного пласта происходит при частичной потере его эпителиальной структуры. Так, например,

Глава 496. Почему кодируемых аминокислот двадцать? (XII) Неискушенному Читателю может показаться, что элементы машины генетического кодирования описаны в предыдущей главе настолько детально, что к концу чтения он стал даже как-то утомляться, чувствуя, что несколько

Глава 8. Введение в метаболизм Обмен веществ или метаболизм – это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности. Процесс метаболизма, сопровождающийся образованием более простых

Метаболизм фруктозы Значительное количество фруктозы, образующее при расщеплении сахарозы, прежде чем поступить в систему воротной вены, превращается в глюкозу уже в клетках кишечника. Другая часть фруктозы всасывается с помощью белка-переносчика, т.е. путем

Метаболизм галактозы Галактоза образуется в кишечнике в результате гидролиза лактозы.Нарушение метаболизма галактозы проявляется при наследственном заболевании – галактоземии. Оно является следствием врожденного дефекта фермента

Метаболизм лактозы Лактоза, дисахарид содержится только в молоке и состоит из галактозы и глюкозы. Лактоза синтезируется только секреторными клетками желез млекопитающих в период лактации. Она присутствует в молоке в количестве от 2 % до 6 % в зависимости от вида

Глава 22. Метаболизм холестерола. Биохимия атеросклероза Холестерол – стероид, характерный только для животных организмов. Основное место его образования в организме человека – печень, где синтезируется 50% холестерола, в тонком кишечнике его образуется 15–20%, остальное

Глава 23. Обмен аминокислот. Динамическое состояние белков организма Значение аминокислот для организма в первую очередь заключается в том, что они используются для синтеза белков, метаболизм которых занимает особое место в процессах обмена веществ между организмом и

Метаболизм метионина Метионин – незаменимая аминокислота. Метильная группа метионина – мобильный одноуглеродный фрагмент, используемый для синтеза ряда соединений. Перенос метильной группы метионина на соответствующий акцептор называют трансметилированием,

Метаболизм как превращение энергии

С молекулярных позиций, жизнь многоклеточного организма - это сложно организованные генетические и биохимические реакции, упорядоченно протекающие на клеточном, межклеточном, тканевом, органном и системном уровнях организации и отражающие обмен веществ или взаимодействие между молекулами и атомами различных химических соединений (биологических материалов).

Реакции, происходящие в ходе обмена веществ, называются метаболизмом или метаболическими реакциями. Как сказано в предыдущей главе, в числе главных химических соединений клетки значатся: вода (70-90% объема), определяющая свойства биологических материалов; растворенные в воде соли Na, Ca, K, Mg, Cl и другие микроэлементы; органические соединения (10-30% объема), являющиеся ценным видом биологического топлива. Разнообразие органических молекул создается в ходе соединения атомов углерода с атомами других химических элементов.

Каждый химический элемент характеризуется валентностью или способностью образовывать определенное количество ковалентных связей. Именно так образуются простые молекулы: спирты (алкоголь), включающие углеродную цепь и гидроксильную группу (НО), амины (аминогруппа - NH 2), кислоты (карбоксильная группа - СООН) и др. Из разных сочетаний простых молекул образуются сложные молекулы, в том числе наиболее важные для организма молекулы нуклеиновых кислот, белков, жиров и углеводов. Все эти молекулы образуются в результате метаболических реакций. Известны два типа метаболических реакций: анаболические или синтез необходимых для жизни молекул (анаболизм) и катаболические или распад молекул (катаболизм). Участник метаболической реакции - это метаболит, результат метаболической реакции - это продукт. Если продукт метаболической реакции служит исходным веществом для следующей реакции - это субстрат.

Цепь из таких последовательных реакций - это метаболический путь. Метаболические пути сложны и взаимосвязаны. Каждый путь

должен мгновенно подстраиваться к текущей ситуации в отдельной клетке и во всем организме, исходя из информации, поступающей от других путей или разных звеньев одного пути. Любой метаболический путь основан на превращениях энергии, которые определяют, какой путь возможен, а какой нет.

Превращения энергии (ее преобразования) - это с одной стороны согласование производства биологического топлива с постоянно меняющимися потребностями в нем; с другой стороны это подчинение скорости и направлений преобразования энергии в отдельных клетках нуждам и жизненному ритму всего организма, который периодически принимает пищу и голодает, работает и отдыхает, вынашивает, кормит, растит и обучает свое потомство опыту взаимодействия с окружающей средой. Кроме того, в ходе своего функционирования любой организм кратковременно или длительно, редко или часто болеет, затрачивая в период болезни запасы имеющейся энергии.

Таким образом, превращения энергии в клетках, тканях, органах и системах организма происходят постоянно в течение всей жизни индивида. Однако условно можно считать, что они начинаются с приема пищи, когда молекулы пищевых веществ «разбираются» клетками для получения энергии (биологического топлива), которая затем используется для метаболизма и синтеза необходимых организму веществ.

Координация и интеграция всех энергетических превращений обеспечивается главными регуляторными системами организма: нервной и эндокринной, а также иммунной системой, которая проявляет свое регулирующее действие либо опосредованно через нейроэндокринную регуляцию, либо через свои лимфоидные органы, обладающие эндокринной функцией (см. главу 14). В целом контроль за превращениями энергии в организме обеспечивается совместным действием нейромедиаторов, гормонов, регуляторных факторов роста, а также множеством сигнальных молекул-посредников энергетического метаболизма (см. главу 8).

Говоря о роли отдельных клеток и тканей в распределении и потреблении энергии, поступающей в организм в виде продуктов питания, а также о роли воды (см. главу 6), следует выделить наиболее энергоемкие и энергозатратные клетки печени, мышц, мозга, жировые клетки и эритроциты. Например, клетки печени при нормальном питании запасают глюкозу в виде гликогена, а при голодании освобождают ее до тех пор, пока не исчерпан весь его запас. Если запас

гликогена иссяк, печень превращает в глюкозу аминокислоты (глюконеогенез), а жиры (жирные кислоты) сначала превращает в кетоновые тела, а потом (через окисление) синтезирует из них триглицериды, являющиеся переносчиками энергии. Триглицериды поступают в кровь и разносятся во все ткани и органы, включая мозг, который не имеет собственных энергетических запасов. Поэтому транспорт глюкозы в нейроны носит пассивный характер, не требующий затрат энергии извне. В системе пассивного транспорта участвуют регуляторные поры, каналы межклеточных соединений и клеточных мембран (см. главу 6). Эти каналы контролируют прохождение различных молекул и потоков ионов, и их пропускная способность (например, для ионов Са 2 +, К+ и Na+) зависит от внешних для клетки сигналов, поступающих к воротам каналов, в которых расположены распознающие их рецепторы.

В свою очередь, транспорт глюкозы в эритроциты носит активный характер, так как происходит за счет концентрационного градиента или облегченной диффузии благодаря двустороннему встречному движению анионов Cl - и HCO - через плазматическую мембрану эритроцита. При этом активный транспорт совершается за счет внешнего источника энергии, выделяемой при гидролизе АТР, и идет (благодаря такому перемещению) против концентрационного градиента.

Разнообразными источниками энергии для мышц служат глюкоза и гликоген, жирные кислоты, кетоновые тела и аминокислоты. Особое место во внутриклеточном энергетическом обмене занимают митохондрии, ответственные за «тканевое дыхание» или энергетический обмен за счет процессов окисления и фосфорилирования, а также синтеза АТР для «критически зависимых» тканей и органов, функционирование которых полностью зависит от своевременного пополнения запасов АТР. В числе таких «критически зависимых» морфофункциональных структур находятся клетки и ткани головного мозга, миокарда, скелетных мышц, сетчатки глаз, островки Лангерганса в поджелудочной железе и др. Происходящие в них нарушения энергетического обмена вносят значительный вклад в спектр и объем наследственной патологии человека.

При этом часто «страдают» и сами митохондрии. Так, к настоящему времени идентифицирован большой класс митохондриальных болезней (свыше 200 нозологий), проявляющихся инвалидизацией больных за счет тяжелой нейродегенеративной симптоматики на фоне значительного снижения энергетических запасов (см. главу 26).

В частности, нарушения структуры и функции митохондрий выявлены при болезнях Альцгеймера и Паркинсона (см. главу 28), кардиомиопатическом синдроме, сахарном диабете и другой патологии.

Трофическое обеспечение

Трофическое обеспечение или трофика, - это совокупность метаболических реакций, определяющих сохранение структуры и функционирования клеток, тканей, органов и систем организма, их увеличение в процессе избыточной функциональной нагрузки (состояние гипертрофии) или уменьшение в процессе функциональной бездеятельности (состояние гипотрофии). Трофическое обеспечение всех структур организма происходит с помощью нервных волокон и сигнальных молекул, поступающих к рецепторам клеточных мембран в клетках-мишенях. Последние не только информируют нейроны о своем состоянии, но и оказывают на них стимулирующее воздействие, инициируя в нейронах адекватные функциональные изменения и, следовательно, опосредуя обратное воздействие на клеткимишени. При этом сама нервная система обеспечивает собственную трофику исключительно за счет сигнальных молекул, поступающих в нейроны от клеток-мишеней, которые они иннервируют. Все метаболические реакции, происходящие в многоклеточном организме, катализируются регуляторными белками-ферментами и протекают благодаря связыванию ферментов с субстратами. Такого рода реакции называются ферментативными.

Ферменты и ферментативные реакции

Молекула фермента (энзима) способна к образованию активного центра или «кармана», в который попадает молекула субстрата и в котором она «атакуется» разными функционально активными группами.

Согласно закономерностям классической генетики, одна биохимическая реакция катализируется одним ферментом. В ее основе лежит формула, предложенная в 1941 году Дж. Бидлом и Э. Тейтемом: «Один ген - один фермент», которая потом трансформировалась в формулу: «Один ген - одна полипептидная цепь», длительное время считавшуюся центральной догмой молекулярной биологии (см. главу 1).

Необходимо отметить, что этот общий для энзимологии принцип и теперь достаточно часто соблюдается для многофункциональных ферментов и многоферментных систем (комплексов).

Протекающие в организме ферментативные реакции основаны на модели Михаэлиса-Ментен, которая учитывает все известные формулы генной экспрессии:

где E - фермент; S - субстрат; ES иЕР - комплексы фермента с субстратом S и фермента с продуктом Р.

Таким образом, для одной ферментативной реакции необходимы как минимум субстрат и фермент. При этом субстратом могут быть молекулы ДНК, РНК, белка или другие молекулы, а ферментом - молекулы регуляторных белков. Ферментативные реакции сопровождают все альтернативные процессы в клетке и организме: прогресс и регресс, синтез и распад, развитие и инволюция (старение), возбуждение и торможение, сон и бодрствование и вообще любые другие молекулярные процессы (физикохимические, генетические и биохимические, морфологические, физиологические и патофизиологические), связанные с онтогенезом (см. главу 12).

Функции клетки и организма, обеспечиваемые с помощью ферментов

Как известно, ферменты обеспечивают многочисленные функции клетки и организма. Перечислим наиболее важные из ферментативных реакций. Это:

Экспрессия генов, производящих структурные и функциональные белки для клеток, тканей, органов и систем организма (реакции ДНК-мРНК-белок);

Защитные реакции организма: врожденный и приобретенный иммунитет, свертывание крови, действие цитохрома Р 450 и др. (реакции фермент-белок, фермент-субстрат);

Узнавание молекул при их трансмембранном переносе (включая контроль потоков ионов), взаимодействии гормонов и других сигнальных молекул с рецепторами, генерации и проведении нервных импульсов и др. (те же реакции);

Умственная деятельность, работа мышечных клеток и др. (те же реакции). Кроме того, это также ферментативные реакции, происходящие между нуклеиновыми кислотами, начиная с этапа оплодотворения гамет. Например, в реакции ДНК-ДНК участвуют ферменты цитоплазмы яйцеклетки и ядерные факторы транскрипции, содержащиеся в яйцеклетке и сперматозоиде. Другие примеры - это реакции ДНК-мРНК в ходе транскрипции, реакции мРНК-рРНК, мРНК-тРНК в ходе трансляции, а также реакции

сайт-специфического связывания между аминокислотными остатками ферментов и нуклеотидными последовательностями ДНК.

ОСНОВНЫЕ СОБЫТИЯ ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО

МЕТАБОЛИЗМА

Среди множества разных по биологической значимости событий внутриклеточного метаболизма в первую очередь следует рассмотреть основные «технологические» процессы, происходящие на молекулярном уровне, - это метаболизм пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, заменимых и незаменимых аминокислот, деградация ДНК и белков.

Метаболизм нуклеотидов

Нуклеотид - это соединение трех элементов: фосфат-сахар- основание. В этом соединении с образованием энергии связан фосфат. При этом центральную роль играет главный энергетический субстрат - АТР, хотя другие энергетические соединения (GTP, CTP, UTP) также принимают участие. Углеводные компоненты нуклеотида представлены дезоксирибозой или рибозой. С ними через атом азота (N) в девятом положении пурина и первом положении пиримидина связаны азотистые основания, обеспечивающие передачу наследственной информации.

Азотистые основания нуклеотида - это пурины А и G и пиримидины С, Т и U.

К ДНК-нуклеотидам (дезоксирибонуклеотидам) относятся: аденин (dАМР), гуанин (dGMP), цитозин (dСМР) и тимин (dТМР).

К РНК-нуклеотидам (рибонуклеотидам) относятся: адениловая (АМР), гуаниловая (GMP), цидиловая (СМР) и уридиловая (UMP) кислоты.

Синтез пуриновых нуклеотидов

Большинство клеток синтезируют пурины de novo из предшественников, имеющих небольшую молекулярную массу. Источниками свободных пуринов служат нуклеиновые кислоты, распадающиеся в лизосомах клетки при деградации молекулы ДНК, а местом их синтеза является печень.

Пуриновый цикл - это реакция риботилирования или присоединения комплектующих фрагментов к рибозо-5-фосфату. Этот

механизм характерен для синтеза пуринов de novo, свободных пуринов и пиримидиновых нуклеотидов при участии 5-фосфорибозил- 1-пирувата (активная форма рибозо-5-фосфата) или фосфорибозил- 1-пирофосфата (ФРПФ). Образование ФРПФ происходит по пентозофосфатному пути при переносе пирофосфатной группы (РР) с АТР глутамина, катализируемого с помощью ФРПФ-синтетазы. Продукт этой реакции - 5-фосфорибозиламин. После его образования происходит ряд последовательных реакций (их всего 9), завершающихся сборкой первого пуринового нуклеотида, включающего гипоксантин, - это инозиновая кислота (IMP) .

Образование IMP служит своеобразным метаболическим перекрестком: из этой кислоты образуются аденин или гуанин.

В ходе указанных преобразований из NH 10 -формилтетрагидрофолата или тетрагидрофолата (FH 4) также образуется формильная группа (FH) - это реакция формилирования. Участник реакции формилирования - тетрагидрофолат (FH 4) является коферментом витамина F или фолиевой (птероилглутаминовой) кислоты. FH 4 восстанавливается из гидрофолатредуктазы (FH 2) при участии NADPH и формилтрансферазы.

Формильная группа также поступает от серина, который в присутствии серингидроксиметилазы переносит гидроксиметильную группу (СН 2 ОН) на FH 4 , и в результате образуются глицин, вода и N 5 N 10 -метилен-FH 4 . Вместе с тем, последнее соединение еще не готово к участию в формилировании, так как метиленовая группа (СН 2) более восстановлена, чем формильная группа (FH). Поэтому СН 2 окисляется ферментом NADP + до метильного производного, которое после гидролиза превращается в N 10 -формил-FH 4 , или донор формильной группы, необходимый для синтеза пуриновых нуклеотидов. Здесь уместно заметить, что синтез пуринов de novo не дает свободных пуринов, так как новые пурины сразу превращаются в пуриновые нуклеотиды. Известен также путь синтеза пуриновых нуклеотидов, в ходе которого в них превращаются свободные пурины, получаемые при распаде нуклеотидов и сохраняющиеся после взаимодействия с ФРПФ. В этом пути участвуют две фосфорибозилтрансферазы: одна катализирует образование пуриновых нуклеотидов из аденина, другая - из гипоксантина и гуанина. Причем во втором случае (синтез пуриновых нуклеотидов из гипоксантина или рибонуклеотида АМР, а синтез гуанина из рибонуклеотида GMP) принимает участие гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансфераза

(ГГФРТ), которая, взаимодействуя с ФРПФ, образует IMP и неорганический фосфор (Р). Для клеток человека сбережение аденина, по-видимому, менее важно, чем сбережение гипоксантина и гуанина. Свободный гипоксантин образуется из АМР при удалении фосфатной группы (РН) с помощью 5-нуклеотидазы и при этом превращается в аденозин, из которого удаляется NH 2 -группа с помощью фермента аденозиндезаминазы (АДА) . В итоге аденозин превращается в инозин, из которого с помощью другого фермента - нуклеозидфосфорилазы - образуются гипоксантин и рибозо-1-фосфат.

Следует также отметить, что при отсутствии в этом метаболическом пути АДА развивается аутосомно-рецессивная болезнь лимфоцитов (20q13.11), проявляющаяся тяжелым комбинированным иммунодефицитом (ТКИД). Предложенный в США в 1990 г. способ лечения ТКИД стал первым случаем применения в медицине метода генной терапии, суть которого заключалась во введении в стволовые клетки костного мозга in vitro нормального гена АДА и последующей аутотрансплантации этих клеток in vivo (см. главу 20).

В заключение необходимо подчеркнуть, что синтез пуриновых нуклеотидов требует от клетки больших энергетических затрат, и поэтому механизм реутилизации свободных пуринов более выгоден для нее, ибо позволяет клетке ограничить синтез de novo.

Кроме того, в организме имеются уникальные клетки (эритроциты), которые не способны синтезировать пурины de novo, и поэтому используют лишь готовые пуриновые основания. Значение механизма реутилизации свободных пуринов можно продемонстрировать на примере Х-сцепленного рецессивного синдрома Леша-Найана (Xq26-27), связанного с умственной отсталостью, нарушениями координации и аутоагрессией (из-за отсутствия ГГФРТ). У таких больных в клетках печени резко увеличен синтез пуриновых нуклеозидов de novo (есть сахар и основание, но нет фосфата), что ведет к увеличению уровня ФРПФ, образованию большого количества мочевой кислоты (в печени) и отложению кристаллов уратов (в почках).

Схожая симптоматика наблюдается при подагре, однако в этом случае у больных нет неврологических расстройств (по неизвестным пока причинам). По-видимому, подагра - это фенокопия синдрома Леша-Найана. При этом важно отметить, что мочевая кислота, образующаяся в печени из гипоксантина и гуанина, ингибируется аллопурином. Этот препарат применяется для лечения подагры, он вызывает преимущественное накопление не уратов, а гуанина

и гипоксантина, которые растворимы в воде и поэтому легко выводятся из организма.

Путь синтеза пуриновых нуклеотидов de novo - это пример аллостерического ингибирования по принципу обратной связи. При этом местом контроля ингибирования служит первая (обратимая) реакция синтеза пуринов. Ее катализирует ФРПФ-синтетаза, ингибируемая рибонуклеотидами AMP, ADP,GMP и GDP.

Синтез пиримидиновых нуклеотидов

Большинство клеток синтезирует пиримидиновые нуклеотиды de novo. Вместе с тем, известен путь реутилизации свободных пиримидинов, который менее ярок, чем у пуринов.

Синтез свободных пиримидинов начинается с аспарагиновой кислоты и ведет к образованию оротовой кислоты (соединение с циклической структурой), которая в присутствии ФРПФ и под действием киназ преобразуется в урацил (UМР).

В ходе сбалансированного производства дезоксинуклеотидтрифосфатов (так же, как пуринов) осуществляется аллостерическая регуляция по принципу обратной связи (см. главу 8). Их восстановление идет на уровне дифосфатов при помощи NADPH (переносит электроны на редуктазу). Только после этого они в несколько стадий превращаются в трифосфаты (в результате фосфорилирования киназами с участием АТР). Сначала не участвующий в синтезе dUTP (он содержит тимин) гидролизуется в dUMP с образованием РР. Затем dUMP метилируется в dTMP.

Метилирование - это перенос обладающей высокой активностью метильной группы (СН 3) от донора-метионина на молекулы других соединений, включая ДНК (см. ниже). При этом нуклеозид-тимидин ресинтезируется до ТМП под действием тимидинкиназы.

Метилирование dUMP происходит также под действием фермента тимидилатсинтетазы, коферментом которой является N 5 N 10 -метилен- FH 4 или метилентетрагидрофолат (FH 4). Далее dTMP фосфорилируется в dTTP (метилированный урацил), который превращается в dTTP.

В случае синтеза пуринов метиленовая группа (СН 2) окисляется с образованием формильной группы (см. выше), а в случае синтеза тимидилата она восстанавливается и переносится к метильной группе (СН 3) тимина в присутствии тимидилатсинтетазы. При этом FH 4 превращается в FH 2 . Для обратной восстановительной реакции необходим фермент дегидрофолатредуктаза, с дефицитом которого связано появление одной из генокопий фенилкетонурии (см. ниже).

Другой метаболический путь - это превращение FH 4 в метилен- FH 4 в реакции с серином, но для этого FH 2 восстановливается до FH 4 под действием дегидрофолатредуктазы.

Показано, что антифолатами или структурными аналогами фолата, ингибирующими FH 2 -редуктазу, служат антилейкемические препараты: аметоптерин и аминоптерин, которые подавляют образование dTMP, крайне необходимого лейкозным клеткам. Причем образование dTMP идет по пути ингибирования FH 2 -редуктазы и торможения процесса превращения FH 2 в FH 4 . Далее фермент серингидроксиметилаза способствует образованию метилен-FH (из фолиевой кислоты), а затем в присутствии dUMP образуется dTMP.

Кроме этих реакций, известна реакция, в ходе которой N 5 N 10 - метилен-FH 4 восстанавливается до N 5 -метилен-FH 4 , который поставляет метильные группы для превращения гомоцистеина в метионин в присутствии метионинсинтетазы.

Метионинсинтетазе необходим кофактор - витамин В 12 , при полном отсутствии которого развивается аутосомно-рецессивная пернициозная анемия (6р12-р21.2). При этом заболевании в организме не образуется желудочный гликопротеин, необходимый для восстановления в кишечнике витамина В 12 , хотя с пищей его поступает много. В связи с этим запасы FH 4 становятся недоступными для синтеза пуринов, и тетрагидрофолат превращается в метил- FH 4 , вызывая у больных неврологические расстройства, связанные с метилмалоновым ацидозом. При дефиците витамина В 12 развивается аутосомно-рецессивная врожденная мальабсорбция фолата (мегалобластная анемия). Один из ее генов-кандидатов картирован на 11q13.3-q14.1.

Известны две реакции, зависимые от витамина В 12 . Они катализируются разными ферментами: метилмалонил-СоА-мутазой (6р12- р21.2) и метионинсинтазой (ген не картирован). При недостатке первого фермента развивается смертельный ацидоз, тогда как недостаток второго фермента вызывает только раннюю задержку психомоторного развития, сопровождающуюся неврологической симптоматикой, обусловленной токсическим действием гомоцистеина.

Метилирование последовательностей ДНК

Метилирование последовательностей ДНК (например, остатков цитозина в положении 5) происходит с образованием 5-метилцитозина (5-mC) при действии ряда ферментов, получивших общее название: цитозин-ДНК-метилтрансфераз или М-таз.

М-таза - это «поддерживающий» фермент, узнающий и метилирующий только наполовину метилированные последовательности ДНК, формирующиеся в ходе репликации, когда вновь синтезированная дочерняя цепь еще не метилирована. Известны четыре таких фермента (Dnmt 1, Dnmt 2, Dnmt 3а и Dnmt 3b). Наиболее изучен Dnmt 1 или белок с молекулярной массой около 190 кДа, имеющий 2 домена: каталитический (расположен в С-концевой части фермента), структурно близкий к бактериальным цитозиновым М-тазам, и регуляторный (расположен в N-концевой части), содержащий сигнальную последовательность, направляющую фермент в активные репликативные комплексы в делящихся клетках.

Ферментативная активность Dnmt 1 резко возрастает с началом синтеза ДНК. Возможно, что промотор гена этого фермента активируется продуктом гена H-ras, участвующим в переносе митогенного сигнала.

Показано, что остатки цитозина в основном метилируются в составе динуклетидов CpG, или CpG-островков (см. главы 1 и 25). Всего в геноме эукариот метилируется около 70% CpG-островков и 6-7% остатков цитозина. Такое поддерживающее метилирование отражено на рис. 32: в результате репликации метилированные динуклеотиды CpG присутствуют в материнской нити ДНК. ДНК-метилтрансфераза распознает в ней метилированные CpG и воссоздает тот же рисунок метилирования в дочерней нити. Следует отметить, что М-тазы обладают лишь ограниченной способностью метилировать последовательности ДНК de novo в полностью неметилированных участках и метилировать олигонуклеотиды, содержащие ошибочно спаренные основания (см. главу 10).

В настоящее время клонированы гены, продукты которых проявляют высокую способность к метилированию ДНК de novo и, возможно, ответственны за этот процесс.

Метилирование остатков цитозина влияет на структурные характеристики ДНК, что проявляется в облегчении перехода ее метилированных участков из В-формы в Z-форму, увеличении шага спирали ДНК и изменении кинетики образования крестообразных структур. При этом метильная группа 5-mC выступает на поверхности большой бороздки ДНК, находящейся в В-форме, что увеличивает ее гидрофобность и в ряде случаев становится решающим фактором взаимодействия ферментов с соответствующими участками молекулы ДНК. Кроме того, показано метилирование других последовательностей ДНК, например CpNpG, а также опи-

Рис. 32. Поддерживающее метилирование в геноме (по: Herman et al., 1999; http//www.kletca.ru/stem-cells/glossary/)

сан механизм метилирования аденина и гуанина - это метилирование с помощью сульфониевого катиона S-аденизилметионина или SАМ. В частности, механизм метилирования гуанина в положении 7 (N 7 -метилгуаниновая группа), а также в положении 2 (группа ОН второго и иногда третьего нуклеотида) играет важную роль в кэпировании мРНК с помощью РНК-полимеразы II или модификации мРНК с 5"-конца. В этом месте в составе первого нуклеотида имеется трифосфатная группа, и ее концевой фосфат удаляется с заменой на остаток GMP. Благодаря этому кэпированная мРНК достраивается до функционально активной мРНК. Кроме метилирования аденина и гуанина, для SАМ показано метилирование аминокислот и других веществ: креатина, ФХ и адреналина (относится к катехоламинам).

Деградация ДНК

Деградация ДНК - это универсальная для большинства клеток замена в ходе репликации старых молекул на новые. Процесс деградации ДНК считается необратимой терминальной стадией апоптоза, которая контролируется белками семейства Вс 1-2 (см. главу 11).

Деградация мРНК

Выделено 2 механизма деградации мРНК (процессы NMD и SMD), относящихся к восстановительным механизмам клетки (см. главу 10).

На рис. 33 приведена схема механизма - NMD у млекопитающих: процесс NMD происходит во время трансляции, и с его помощью разрушается мРНК, содержащая преждевременные стоп-кодоны (ПСК), что прерывает трансляцию на расстоянии 50-55 нуклеотидов вперед по ходу считывания экзон-экзонной последовательности, возникшей в результате сплайсинга.

Предшественник мРНК (пре-мРНК) в ядре связан с гетеродимером СВР80 - СВР20 главного ядерного кэп-связывающего белка (CBP).

После формирования З"-конца пре-мРНК соединяется с ядерным поли (А)-связывающим Upf3a-белком или РАВР?-белком (PABP). Затем пре-мРНК подвергается сплайсингу и превращается в мРНК,

Рис. 33. Схема NMD у млекопитающих (по Maquat L., 2005)

которая связывается с комплексом, включающим СВР80-СВР20, РАВРN1 и цитоплазматический белок PABPC, и после этого присоединяется к белкам экзон-экзонного комплекса или EJC, находящегося на расстоянии 20-24 нуклеотида вперед. Компонентами EJC служат ряд белков, включая:

Белки сплайсинга пре-мРНК (Pnn/DRS, RNPS1, SRm160, UAP56);

Белки, участвующие в экспорте мРНК (REF/Aly, Y14, Magoh);

Белки, функции которых полностью не выяснены (PYM, eIF4AIII и Barentsz/MLN512).

К комплексу EJC также могут присоединяться дополнительные белки:

Факторы NMD (Upf3 или Upf3a, Upf3X или Upf3b, Upf2);

Белок Upf1 (присоединяется, по-видимому, транзиторно).

Как полагают, белки Upf3/Upf3X, имеющие преимущественно ядерную локализацию, способны перемещаться в цитоплазму и взаимодействовать с белком Upf2, который сконцентрирован вдоль цитоплазматического края ядерной оболочки. При их перемещении образуется инициирующий комплекс первичной трансляции или мРНП. Этот комплекс проходит первичный цикл трансляции либо в ассоциации с ядром, либо с цитоплазмой, так как мРНК служит ассоциированным с ними субстратом для NMD.

Процесс NMD происходит после распознавания ПСК во время первого цикла трансляции. Если трансляция прерывается в ПСК, который находится на расстоянии более чем 50-55 нуклеотидов выше от экзон-экзонного соединения, то Upf1 инициирует процесс NMD путем взаимодействия с белком Upf2, ассоциированным c EJC.

Непосредственная деградация нонсенс-транскриптов в клетках млекопитающих происходит как в направлении 5" - 3", так и 3" - 5", включая соответственно декэпирование и действие 5" - 3" экзонуклеотических факторов или же деаденилирование и действие 3" - 5" экзосомальных факторов.

Участие EJC-комплексов в процессе NMD подтверждается данными о том, что мРНК, содержащие ПСК, и мРНК, происходящие из генов, не содержащих интроны, не подвергаются NMD. Мишенью для NMD служат только вновь синтезированные мРНК, тогда как стабильные мРНК не подвергаются деградации.

Для NMD показано разрушение ряда нонсенс-транскриптов, включая:

МРНК, относящуюся к продуктам альтернативного сплайсинга;

МРНК, необходимую для селенопротеинов;

МРНК с открытой рамкой считывания;

ли NMD в комплексе с рибосомами, транслирующими белки, или цитоплазматическими внерибосомными участками деградации мРНК.

Эффективность NMD, как правило, не зависит от локализации ПСК и увеличения количества EJC-комплексов. Однако эффективность NMD может быть повышена за счет других механизмов, например за счет моделирования (замены) различных последовательностей генов.

В настоящее время продолжает изучаться роль NMD в других клеточных процессах. Например, один из его факторов - SMG1 - принимает участие в распознавании и/или репарации повреждений ДНК, другой фактор - Upfl - участвует в нонсенс-опосредованном альтернативном сплайсинге, а также в недавно открытом новом пути деградации мРНК - так называемой опосредованной деградации мРНК или SMD. В случае SMD-механизма деградации РНКсвязывающий белок напрямую взаимодействует с белком Upfl, вызывая деградацию мРНК на достаточно удаленном расстоянии от ПСК, включающем нормальный стоп-кодон.

Вместе с тем, для SMD-механизма окончательно не определено функциональное назначение указанных факторов.

Метаболизм аминокислот и его нарушения

Аминокислоты образуются из кетокислот и аммиака (аминогруппы). Они используются для синтеза различных белков, в том числе компонентов клеточных мембран, нейромедиаторов (например, 5-гидрокситриптамина и гамма-аминобутирата или GАВА), гормонов (например, тироксина), гема и других веществ. Источниками аминокислот служат пищевые продукты и продукты клеточного метаболизма.

Основные аминокислоты делятся на:

Незаменимые (поступают исключительно извне), их 10;

Заменимые (поступают извне и синтезируются в организме), их также 10.

Только одна аминокислота - аргинин - необходима организму в течение ограниченного периода развития (исключительно во время его роста), тогда как остальные 19 аминокислот необходимы всегда.

Абсолютно необходимыми считаются лизин, фенилаланин и триптофан. Цистеин можно получить из фенилаланина, а тирозин - из метионина. Основные аминокислоты либо кетогенны (образуют ацетил-СоА, который превращается в кетоновые тела), либо гликогенны (увеличивают уровень глюкозы в крови, а у диабетиков в моче). Вместе с тем, лейцин и лизин относятся и к тем и к другим (кетогенным и гликогенным).

На рис. 34 приведена общая схема метаболизма аминокислот. Как показано на схеме, избыток аминокислот формируется за счет аминокислотных остатков, не использованных в биосинтезе белков или на другие нужды клетки.

Сформировавшийся избыток аминокислот в виде метаболического фонда используется (при их расщеплении) для производства энергии и создания энергетических запасов (жиров и гликогена), а аминный азот выводится с мочой в виде мочевины.

В случае необходимости резервами для производства аминокислот могут стать функциональные мышечные белки (их в организме больше всего). У человека выявлен целый ряд наследственных болезней, связанных с нарушениями метаболизма аминокислот (см. главу 21). Для больных с такими нарушениями характерен либо дефицит, либо избыток какой-либо определенной аминокислоты, что ведет к пло-

Рис. 34. Общая схема метаболизма аминокислот (по Эллиот В., Эллиот Д., 2002)

хому перевариванию и всасыванию пищи, истощению организма, задержке психомоторного и физического развития, отекам тканей, неврологической и другой симптоматике, базирующейся на синтезе неполноценных белков.

Наиболее характерным примером этих заболеваний служит аутосомно-рецессивная фенилкетонурия (ФКУ), развивающаяся в результате дефицита фермента фенилаланин-4-гидроксилазы

ФКУ имеет ряд генокопий (чаще всего злокачественных), развивающихся в результате дефицита 6-пирувоилтетрагидроптерин- синтазы (11q22.3-q23.3), цитозольной дигидроптеридинредуктазы (4р15.31), цитозольной гуанозин-циклогидролазы (ген не картирован) или тетрагидробиоптерина - кофактора ВН 4 гидролаз ароматических аминокислот: фенилаланина, тирозина и триптофана (ген также не картирован).

Сюда же относится генокопия ФКУ вследствие дефицита дегидрофолатредуктазы.

Прежде чем рассмотреть механизмы патогенеза генокопий фенилкетонурии, отметим, что в нормально функционирующем организме фенилаланин не подвергается дезаминированию, а превращается в тирозин (под действием фенилаланин-4-гидроксилазы).

При ФКУ синтез тирозина затруднен либо полностью заблокирован, и фенилаланин «вынужденно» подвергается дезаминированию в фенилпируват (кетокислота), который выводится с мочой.

В связи с этими особенностями обмена фенилаланина в организме и наличием генокопий ФКУ был проведен анализ состава свободных аминокислот и результатов метаболизма фенилаланина в плазме крови небеременных и беременных женщин - носителей гена ФКУ (Васильева О.В., 1999). Состав свободных аминокислот в сыворотке крови у небеременных (первая группа) характеризовался соотношением заменимых и незаменимых аминокислот 38 и 62% соответственно, а также отношением гидрофобных и нейтральных к другим аминокислотам, составляющим 71 к 29%. Отмечались наибольшие концентрации аланина, треонина, лизина и аргинина; наименьшие - аспарагиновой и глутаминовой кислот.

При анализе корреляционных связей между количественными характеристиками аминокислотного спектра были выделены три степени сопряженности количественных показателей взаимно корре-

лируемых систем: высокие, средние и низкие уровни объединения аминокислот.

Соответственно, высокие уровни - это лизин, фенилаланин и тирозин; средние уровни - это гистидин, цистеин и валин; низкие уровни - это лейцин, изолейцин, метионин, аланин и аспарагиновая кислота. Кроме этих трех уровней, были выделены уровни корреляционных связей, характерные для аргинина и глутаминовой кислоты, а также серина и треонина. Полученные данные были объяснены автором структурно-функциональными особенностями аминокислот:

Фенилаланин является предшественником тирозина;

Фенилаланин, тирозин и лизин участвуют в синтезе ацетил-СоА без промежуточного образования пирувата;

Аргинин, гистидин и валин могут участвовать в синтезе глутаминовой кислоты;

Лейцин, изолейцин и метионин относятся к гидрофобным аминокислотам;

Аланин образуется при переаминировании пирувата, который может стать основой для синтеза глицина; донором аминогруппы служит аспартат.

Физиологическая беременность приводила к изменениям фонда свободных аминокислот за счет снижения содержания в первом триместре-глицина, валина, лейцина; во втором триместрегистидина, фенилаланина и цистеина. Если по данным массового (пилотного) скрининга беременных уровень фенилаланина в плазме крови соответствовал 1,2 мг%, то это оценивалось как критерий отбора женщин в группу «потенциальных гетерозигот» по гену ФКУ.

Если экспрессия скрытого в материнском организме гена ФКУ приводила в первом триместре беременности к возрастанию уровня фенилаланина в плазме крови выше 10 мг%, то это оценивалось как причина нарушений развития плода.

Облигатное гетерозиготное носительство гена ФКУ у матерей, родивших детей с ФКУ (вторая группа), в сравнении с женщинами без гена ФКУ (третья группа) проявлялось нарушениями метаболического фонда аминокислот в виде высокой концентрации глутаминовой и аспарагиновой кислот, треонина и глицина.

Отмечая большое теоретическое и практическое значение работы О.В. Васильевой, можно сделать вывод, что имеющиеся сегодня представления о спектре и механизмах проявления различных генокопий

ФКУ (а возможно, и генокопий при других наследственных болезнях обмена - НБО аминокислот) должны быть значительно расширены. Это может быть сделано не только за счет анализа фонда всех аминокислот, объединенных в отдельные группы в зависимости от степени сопряженности с их структурно-функциональными характеристиками, но и на основе анализа роли белков-ферментов, участвующих в метаболизме этих аминокислот. В пользу такого вывода свидетельствует также пример аутосомно-рецессивного лейциноза или болезни мочи «кленового сиропа», при которой выделены три генокопии, обусловленные дефицитом фермента: дегидрогеназы альфа-кетокислот с разными боковыми цепями, тип I A (19q13.1-13.2), тип I B (6p21-p22) и тип II (1p31). Лейциноз развивается в результате нарушения окислительного декарбоксилирования альфа-кетокислот, сопутствующих образованию алифатических аминокислот: лейцина, изолейцина и валина.

Завершая рассмотрение данных о значении метаболизма отдельных аминокислот, важно отметить, что наряду с дефицитом может наблюдаться их избыток, и тогда у больных диагностируются, например, такие заболевания, как:

алкаптонурия (3q2) - результат нарушенного расщепления тирозина из-за избытка гомогентизиновой кислоты, являющейся его продуктом дифенолом; в этом случае дифенол соединяется с кислородом воздуха и образует пигмент, благодаря которому моча окрашивается в темный цвет;

цистатионурия (16q) - это избыток цистатиона (см. ниже).

Синтез аминокислот

Предшественниками основных аминокислот являются 5 химических соединений: альфа-кетоглутарат, 3-фосфоглицерат, оксалоацетат (R= СН 2 СОО), фосфоенол-пируват, пируват (R=СН 3) и два моносахарида пентозофосфатного пути. Рассмотрим механизмы их преобразования в аминокислоты.

Аминокислоты как продукты метилирования

Аминокислоты могут быть продуктами метилирования или переноса метильной группы от донора-метионина на различные соединения (см. выше). Когда метионин реагирует с АТР, то его NH 3 + -группа активируется с образованием сульфониевого катиона, или S-аденизилметионина (SАМ). Перенос метильной группы катализируется трансметилазами.

В ходе этой реакции три фосфатные группы АТР превращаются в пирофосфат (РР) и неорганический фосфор (Р), затем РР расщепляется до двух молекул Р.

Сначала SАМ превращается в S-аденозилгомоцистеин, который превращается в гомоцистеин-метионин (у него вместо группы S-CH 3 имеется SH-группа, или тиольная группа). Далее тиольная группа с гомоцистеина переносится на серин с образованием цистеина. Промежуточным соединением в этой реакции является цистатион, избыток которого выводится с мочой.

Продуктами метилирования SАМ также являются: креатин, фосфолипид - ФХ и катехоламин - адреналин.

Аминокислоты как продукты трансаминирования

Аминокислоты могут быть продуктами трансаминирования или дезаминирования. Например, глутаминовая кислота синтезируется с помощью глутаматдегидрогеназы, кофакторами которой являются NAD+ и NADР+. Эта реакция обратима.

Донорами глутаминовой кислоты служат аспарагиновая кислота и аланин, образующиеся при трансаминировании оксалоацетата и пирувата. Глутаминовая кислота дезаминируется путем отщепления двух атомов водорода в присутствии глутаматдегидрогеназы, использующей в качестве окислителя NAD+или NADP+. Этот фермент аллостерически ингибируется ATP и GTP (они указывают на большие запасы энергии), но активируется ADP и GDP (они указывают на недостаток энергии).

После дезаминирования глутаминовой кислоты образуется альфакетоглутарат, который участвует в цикле Кребса (цикл лимонной кислоты), что делает возможным окисление глутаминовой кислоты

до Н 2 О и СО 2 .

Поскольку альфа-кетоглутарат превращается в оксалоацетат, он может участвовать в синтезе глюкозы, т.е. глутаминовая кислота - это гликогенная аминокислота.

Для других аминокислот (кроме глутаминовой) нет соответствующих дегидрогеназ. Поэтому их дезаминирование идет не в одну, а в две стадии: первая стадия - переаминирование, вторая стадия - дезаминирование. В целом этот общий для всех аминокислот метаболический путь называется трансаминированием или дезаминированием.

Трансаминирование катализируется аминотрансферазами (трансаминазами), которые специфичны для разных аминокислот.

В активных центрах трансаминаз находится кофермент пиридоксаль-5-фосфат (ПФ), выступающий в роли электрофильного интермедиатора, который сначала принимает аминогруппу

(служит ее акцептором), а затем (как донор) передает ее кетокислоте.

Рабочей группой ПФ является альдегидная группа (СНО) .

ПФ включает три производных витамина В 6: пиридоксаль, пиридоксин и пиридоксамин.

Механизм трансаминирования можно продемонстрировать на примере аланина, являющегося транспортной формой аминного азота в крови.

В аланине сосредоточено около 30% аминного азота, поступающего в печень после расщепления мышечных белков и образующегося из пирувата при трансаминировании других аминокислот.

При взаимодействии аланина и альфа-кетоглутарата возникает пируват, который вступает в реакцию с глутаматом, - это первая стадия. Во второй стадии глутамат присоединяет NAD+ и воду, образуя кетоглутарат, который взаимодействует с NaРН+ и NH 4 . В печени аланин дезаминируется. Образующийся при этом аммиак идет на синтез мочевины, а пируват - на синтез глюкозы, которая возвращается с кровью в мышцы, замыкая глюкозо-аланиновый цикл переноса аммиака. Этот цикл приобретает особое значение при голодании, когда в ходе глюконеогенеза в печени используются аминокислоты, образующиеся при расщеплении мышечных белков.

Синтез серина и глицина

Серин синтезируется в три стадии из гликозила-3-фосфатглицерина, который сначала окисляется в кетокислоту (трифосфатгидроксипируват); она трансаминируется глутаминовой кислотой и превращается в 3-фосфат-серин, гидролизующийся до серина и неорганического фосфора.

Глицин синтезируется путем удаления из серина гидроксиметильной группы (см. выше). Реакция идет с участием тетрагидрофолиевой кислоты, являющейся переносчиком моноуглеродных групп.

Такого рода перенос важен для синтеза нуклеотидов.

Синтез других аминокислот

Глутамин (так же как аланин) служит транспортной формой аммиака в крови, который образуется при дезаминировании аминокислот.

Аммиак токсичен и поэтому в печень поступает не в свободном виде, а в соединении с глутаминовой кислотой, образуя при участии фермента глутаминсинтетазы амид глутаминовой кислоты, или

глутамин. В качестве промежуточного продукта образуется гаммаглутамилфосфат (ангидрит глутаминовой и фосфорной кислот) - это макроэргическое соединение, способное взаимодействовать с ионами аммония при участии синтетазы (см. главу 8).

Источником глутамина служит альфа-кетоглутарат из цикла Кребса, подвергающийся трансаминированию другими аминокислотами.

Глутамин переносится кровью в печень, где гидролизуется глутаминазой, а высвобождающийся при этом аммиак используется для синтеза мочевины.

Фенилаланин - это ароматическая аминокислота, избыток которой в нормально функционирующем организме превращается в тирозин при участии фенилаланин-4-гидроксилазы, поставляющей 2 атома водорода от кофермента - тетрагидробиоптерина (см. выше).

Лейцин, изолейцин и валин - это алифатические аминокислоты, промежуточные продукты которых накапливаются в виде кетокислот при лейцинозе (см. выше).

Метаболизм других соединений из аминокислот

Кроме белков, из аминокислот образуются: амины (в результате декарбоксилирования); катехоламины или гормоны, сходные по структуре с катехолом (например, 1,2-дегидроксибензол), включая дофамин, адреналин и норадреналин; нейромедиаторы (GABA и 5-окситриптамин), а также гормон - тироксин.

Аминогруппы после их удаления из аминокислот выводятся с мочой в виде мочевины - это инертное водорастворимое нетоксическое соединение.

Мочевина образуется в печени при отщеплении гуанидиновой группы от аргинина. При этом попутно образуется аминокислота - орнитин, не входящая в состав основных белков организма.

Для превращения орнитина обратно в аргинин используются атом углерода, получаемого из углекислого газа, и аминный азот, выделяемый в ходе метаболизма любой из основных аминокислот.

Образование аргинина из орнитина идет в несколько стадий. В качестве промежуточного продукта образуется аминокислота - цитруллин, также не входящая в состав основных белков организма; она стимулирует синтез мочевины в печени (как орнинтин и аргинин).

Деградация белков

Деградация белков - это замена старых белковых молекул на новые молекулы. Она происходит во всех клетках и тканях организма в ходе метаболизма. Белки имеют различную продолжительность жизни. К белкам-долгожителям относятся структурные белки и гемоглобин. Несколько дней живут белки печени.

Многие белки имеют продолжительность жизни не более 20 ч, а часть из них живут не более десяти или даже двух минут.

В связи с разной продолжительностью жизни белков их деградация характеризуется высокой селективностью.

В ходе синтеза аминокислот и последующего производства из них структурных и регуляторных белков их абсолютная структурная (и функциональная) точность не всегда соблюдается. Поэтому в клетках неизбежно образуются ошибочные аминокислоты, что влечет за собой неправильный фолдинг белков (см. главу 3), и такие белки уничтожаются клеткой, т.е. подвергаются процессу деструкции. Для селективной деструкции важен белок - убиквитин. Это небольшой белок, участвующий в АТР-зависимой реакции, при которой его концевая карбоксильная группа связывается с аминогруппой боковой цепи белка-мишени (остатками лизина), который должен подвергнуться деструкции, т.е. он как бы «метится» для нее.

Тема 1. РОЛЬ БЕЛКОВ В ПИТАНИИ. ПЕРЕВАРИВАНИЕ БЕЛКОВ

Практическая значимость темы. Главным и первичным источником аминокислот для человека являются белки пищи. Для обеспечения необходимых потребностей организма в аминокислотах важное значение имеет не только состояние желудочно-кишечного тракта и количество белков в пище, но и качественные характеристики пищевых белков. Чем ближе аминокислотный состав пищевого белка к аминокислотному составу белков организма, тем выше степень его усвоения в пищеварительном тракте. Кроме того, источниками аминокислот могут служить тканевые белки организма, которые постоянно метаболизируют с освобождением входящих в их состав мономеров.

Цель занятия. После изучения данной темы студент должен знать условия, необходимые для эффективного переваривания белков и всасывания аминокислот в желудочно-кишечном тракте, факторы, способствующие гниению аминокислот в кишечнике и механизмы обезвреживания продуктов гниения и их биологическую роль, уметь применять полученные знания для решения теоретических и практических задач.

Исходный уровень знаний

1. Строение аминокислот (аланин, аспартат, глутамат, гистидин, тирозин, триптофан, цистеин).
2. Коферментные функции витаминов (пиридоксин, никотинамид).
3. Гидрофильные и гидрофобные свойства органических соединений.
4. Свойства ферментов, обусловленные их химической природой.
5. Механизмы регуляции активности каталитических белков.
6. Окислительно-восстановительные реакции, реакции переноса и отщепления функциональных групп в биологических системах.

Аминокислотный фонд организма.

1.1.1. В организме человека содержится около 100 г свободных аминокислот, которые образуют его аминокислотный фонд. Этот фонд постоянно пополняется за счёт поступления новых молекул аминокислот взамен тех, которые были использованы в метаболических процессах. Источники и пути использования свободных аминокислот в организме представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Образование и использование свободных аминокислот в организме.

1.1.2. Исследования с помощью радиоактивных меток показывают, что у здорового взрослого человека общая скорость синтеза белка в организме составляет около 400 – 500 г в сутки, причём на 3/4 этот синтез обеспечивается за счёт эндогенных ресурсов. Этим объясняется тот факт, что даже при голодании синтез определённых белков происходит с достаточно высокой скоростью.

Азотистый баланс.

1.2.1. Для правильной оценки соотношения процессов биосинтеза и расщепления белков в организме достаточно точным параметром является азотистый баланс. Азотистый баланс – разница между количеством азота, поступившим в организм с пищей, и количеством азота, выведенного из организма с мочой, калом, слюной и потом.

1.2.2. Если количество поступившего азота превышает количество выделившегося азота, то наблюдается положительный азотистый баланс . Он характерен для всех состояний, при которых скорость синтеза белка в организме выше, чем скорость его распада, например:

• у женщин в период беременности;
• в детском возрасте при полноценном питании;
• у больных в период выздоровления;
• у спортсменов в период тренировок;
• при введении анаболических гормонов.

1.2.3. Если количество азота, выведенного из организма, превышает количество азота, поступившее с пищей, то наблюдается отрицательный азотистый баланс . Он встречается во всех случаях, когда распад белков в организме преобладает над их синтезом, например.

Аминокислоты - основная составляющая всех белков. Одна из основных функций белков - рост и восстановление мышечных тканей (анаболизм).

Аминокислоты - основная составляющая всех белков. Одна из основных функций белков - рост и восстановление мышечных тканей (анаболизм).

Чтобы разобраться во всех тонкостях метаболизма, необходимо изучить молекулярную структуру белков.

Структура белков и аминокислот

Белок состоит из углерода, водорода, кислорода и азота. Также он может содержать серу, железо, кобальт и фосфор. Данные элементы формируют строительные блоки белка - аминокислоты. Молекула белка состоит из длинных цепей аминокислот, соединенных между собой амидными или пептидными связями.

Белковая пища содержит в себе аминокислоты, разновидность которых зависит от типа присутствующего белка. Существует бесконечное количество комбинаций разных аминокислот, каждая из которых характеризует свойства белка.

Если различные комбинации аминокислот определяют свойства белка, то структура отдельных аминокислот влияет на его функцию в организме. Аминокислота состоит из центрального атома углерода, который находится в центре, положительно заряженной аминовой группы NH 2 на одном конце и отрицательно заряженной карбоксильной кислотной группы СООН на другом. Другая группа R, называющаяся боковой цепочкой, определяет функцию аминокислоты.

Нашему организму требуется 20 различных аминокислот, которые, в свою очередь, могут быть разделены на отдельные группы. Главным признаком разделения являются их физические свойства.

Группы, на которые делятся аминокислоты, могут быть следующими.

К данной группе относятся такие аминокислоты, как

• гистидин,
• лизин,
• фенилаланин,
• метионин,
• лейцин,
• изолейцин,
• валин,
• треонин.

Несущественные аминокислоты:

• цистеин,
• цистин,
• глицин,
• пролин,
• серин,
• триптофан,
• тирозин.

Белок, содержащий все незаменимые аминокислоты, называют полноценным. А неполноценный белок, соответственно, либо не содержит в себе всех незаменимых аминокислот, либо содержит, но в незначительных количествах.

Однако, если несколько неполноценных белков объединить, то можно собрать все незаменимые аминокислоты, из которых состоит белок полноценный.

Процесс пищеварения

В процессе пищеварения клетки слизистой оболочки желудка вырабатывают пепсин, поджелудочная железа - трипсин, а тонкая кишка - химотрипсин. Выделение этих ферментов запускает реакцию расщепления белка до пептидов.

Пептиды, в свою очередь, расщепляются на свободные аминокислоты. Этому способствуют такие ферменты, как аминопептидазы и карбоксипептидазы.

Далее свободные аминокислоты транспортируются через кишечник. Кишечные ворсинки покрыты однослойным эпителием, под которым расположены кровеносные сосуды. Аминокислоты попадают в них и разносятся по организму кровью к клеткам. После этого запускается процесс усвоения аминокислот.

Дезанимирование

Представляет собой удаление аминогрупп от молекулы. Данный процесс происходит в основном в печени, хотя глутамат дезанимируется также и в почках. Аминогруппа, удаляющаяся от аминокислот во время дезанимирования, превращается в аммиак. При этом атомы углерода и водорода могут потом быть использованы в реакциях анаболизма и катаболизма.

Аммиак вреден для человеческого организма, поэтому он превращается в мочевину или мочевую кислоты под воздействием ферментов.

Трансанимирование

Трансанимирование - это реакция передачи аминогруппы от аминокислоты на кетокислоту без образования аммиака. Перенос осуществляется за счет воздействия трансаминазы - ферментов из группы трансфераз.

Большинство подобных реакций включает передачу аминогрупп на альфа-кетоглутарат, формируя новую альфа-кетоглутаровую кислоту и глутамат. Важной реакцией трансаминазы являются аминокислоты с разветвленными цепочками (), усвоение которых происходит непосредственно в мышцах.

В данном случае BCAA удаляются и переносятся на альфа-кетоглутарат, образующий разветвленные кетокислоты и глутаминовую кислоту.

Обычно, в трансанимировании задействованы аминокислоты, которые больше всех содержатся в тканях - аланин, глутамат, аспарат.

Белковый обмен

Аминокислоты, которые поступили к клеткам, используются для синтеза белка. Каждая клетка вашего организма нуждается в постоянном обмене белка.

Обмен белка состоит из двух процессов:

• синтез белка (анаболический процесс);
• распад белка (катаболический процесс).

Если представить эту реакцию в виде формулы, она будет выглядеть следующим образом.

Обмен белка = Синтез белка - Распад белка

Наибольшее количество белка, содержащегося в организме, находится в мышцах.

Поэтому логично, что если ваш организм в процессе белкового обмена будет получать больше белка, чем терять, то будет наблюдаться прирост в мышечной массе. Если же в процессе белкового обмена распад белка будет превосходить синтез, то масса неизбежно будет уменьшаться.

Если организм не будет получать достаточное количество белка, необходимое для жизнедеятельности, тогда он умрет от истощения. Но смерть, разумеется, наступает лишь в особо крайних случаях.

Для того чтобы полностью удовлетворять требованиям организма, вы должны снабжать его новыми порциями аминокислот. Для этого употребляйте достаточное количество белковой пищи, являющейся главным источником белка для вашего организма.

Если вашей целью является набор мышечной массы, вы должны следить за тем, чтобы разность показателей, указанных в формуле выше, была положительной. Иначе достичь прироста мышечной массы не получится.

Азотистый баланс

Представляет собой соотношение количества азота, которое поступает в организм с пищей и выделяется. Выглядит этот процесс следующим образом.

Баланс азота = Общее потребление - Естественные отправления организма - Пот

Азотистый баланс достигается в том случае, если данное уравнение равно 0. Если результат больше 0, то баланс положительный, если меньше - отрицательный.

Основной источник азота в организме - белок. Следовательно, по азотистому балансу можно судить и о белковом обмене.

В отличие от жира или гликогена белок в теле не сохраняется. Поэтому при отрицательном балансе азота организму приходится разрушать мышечные образования. Это необходимо для обеспечения жизнедеятельности.

Норма потребляемого белка

Недостаток белка в организме может привести к серьезным проблемам со здоровьем.

Суточная норма потребляемого белка

Заключение

Рост мышц напрямую зависит от количества белка, который поступает в ваш организм и синтезируется в нем. Вам необходимо следить за нормой потребляемого белка. Определитесь со своими целями, которых вы хотите достичь с помощью режима тренировок и питания. Наметив цель, вы сможете рассчитать суточную норму белка, необходимого для жизнедеятельности организма.

Обмен аминокислот

Белки являются наиболее распространенными органическими веществами организма, которые составляют большую часть сухой массы тела (10-12 кг). Метаболизм белков рассматривается как метаболизм аминокислот.

Переваривание белков

Перевариванию и всасыванию подвергаются пищевые и эндогенные белки. Эндогенные белки (30-100 г/сутки) представлены пищеварительными ферментами и белками слущивающегося эпителия кишечника. Переваривание и всасывание белков происходит очень эффективно и поэтому только около 5-10 г белков теряется с кишечным содержимым. Пищевые белки подвергаются денатурации, что облегчает их переваривание.

Ферменты переваривания белков (гидролазы ) специфически расщепляют пептидные связи в белках и поэтому называются пептидазами . Они делятся на 2 группы: 1) эндопептидазы – расщепляют внутренние пептидные связи и образуются фрагменты белков (пепсин, трипсин); 2) экзопептидазы действуют на пептидную связь концевых аминокислот. Экзопептидазы подразделяются на карбоксипептидазы (отщепляют С-концевые аминокислоты) и аминопептидазы (отщепляют N-концевые аминокислоты).

Протеолитические ферменты переваривания белков продуцируются в желудке , поджелудочной железе и тонком кишечнике . В ротовой полости белки не перевариваются из-за отсутствия ферментов в слюне.

Желудок . Переваривание белков начинается в желудке. При поступлении белков в слизистой оболочке желудка вырабатывается гормоноподобное вещество гастрин , которое активирует секрецию HCl париетальными клетками желудка и пепсиногена – главными клетками желудка.

Соляная кислота (рН желудочного сока 1,0-2,5) выполняет 2 наиболее важные функции: вызывает денатурацию белков и гибель микроорганизмов. У взрослого человека ферментами желудочного сока являются пепсин и гастриксин , у грудных детей реннин .

1. Пепсин вырабатывается в главных клетках слизистой оболочки желудка в неактивной форме в виде пепсиногена (м.м. 40000 Да). Пепсиноген превращается в активный пепсин в присутствии НCl и аутокаталитически под действием других молекул пепсина: с N-конца молекулы отщепляется 42 аминокислотных остатка в виде 5 нейтральных пептидов (м.м. около 1000 Да) и одного щелочного пептида (м.м. 3200 Да). М.м. пепсина 32700 Да, оптимум рН 1,0-2,0 . Пепсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных аминогруппамиароматических аминокислот (фен, тир), а также аспарагиновой, глутаминовой кислот, лейцина и пар ала-ала, ала-сер.

2. Из пепсиногена образуется другой пепсиноподобный фермент - гастриксин (м.м. 31500 Да), оптимум рН 3,0-5,0. В нормальном желудочном соке соотношение пепсин/гастриксин 4:1.

3. Реннин содержится в желудочном соке грудных детей; оптимум рН 4,5. Фермент створаживает молоко, т.е. в присутствии ионов кальция переводит растворимый казеиноген в нерастворимый казеин . Его продвижение по пищеварительному тракту замедляется, что увеличивает время действия протеиназ.

В результате действия ферментов в желудке образуются пептиды и небольшое количество свободных аминокислот, которые стимулируют высвобождение холецистокинина в двенадцатиперстной кишке.

Двенадцатиперстная кишка . Содержимое желудка поступает в 12-перстную кишку и стимулирует секрецию секретина в кровь. Секретин активирует секрецию в поджелудочной железе бикарбонатов, которые нейтрализуют соляную кислоту и повышают рН до 7,0. Под действием образованных свободных аминокислот в верхнем отделе 12-перстной кишки вырабатывается холецистокинин , который стимулирует секрецию ферментов поджелудочной железы и сокращение желчного пузыря.

Переваривание белков осуществляет группа сериновых (в активном центре ОН-группа серина) протеиназ панкреатического происхождения: трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза, эластаза.

1. Ферменты вырабатываются в виде неактивных предшественников - проферментов. Синтез протеолитических ферментов в виде неактивных предшественников защищает экзокринные клетки поджелудочной железы от разрушения. В поджелудочной железе синтезируется также панкреатический ингибитор трипсина , который предотвращает синтез активных ферментов внутри поджелудочной железы.

2. Ключевым ферментом для активации проферментов является энтеропептидаза (энтерокиназа ), секретируемая клетками слизистой кишечника.

3. Энтерокиназа отщепляет гексапептид от N-конца трипсиногена и образуется активный трипсин , который затем активирует остальные протеиназы.

4. Трипсин катализирует гидролиз пептидных связей, в образовании которых участвуют карбоксильные группы основных аминокислот (лизин, аргинин).

5.Химотрипсин - эндопептидаза, вырабатывается в поджелудочной железе в виде химотрипсиногена. В тонком кишечнике при участии трипсина образуются активные формы химотрипсина - a, d и p. Химотрипсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильными группами ароматических аминокислот .

6. Специализированные белки соединительной ткани - эластин и коллаген - перевариваются с помощью панкреатических эндопептидаз - эластазы и коллагеназы .

7. Панкреатические карбоксипептидазы (А и В) являются металлоферментами, содержащими ионы Zn 2+ . Обладают субстратной специфичностью и отщепляют С-концевые аминокислоты. В результате переваривания в 12-перстной кишке образуются небольшие пептиды (2-8 аминокислот) и свободные аминокислоты.

В тонком кишечнике происходит конечное переваривание коротких пептидов и всасывание аминокислот. Здесь действуют аминопептидазы кишечного происхождения, отщепляющие N-концевые аминокислоты, а также три- и дипептидазы .

Всасывание аминокислот

В тонком кишечнике всасываются свободные аминокислоты, дипептиды и небольшое количество трипептидов. Ди- и трипептиды после всасывания гидролизуются на свободные аминокислоты в цитозоле эпителиальных клеток. После приема белковой пищи только свободные аминокислоты обнаруживаются в портальной вене. Максимальная концентрация аминокислот в крови достигается через 30-50 мин после приема пищи.

Свободные L-аминокислоты переносятся через клеточные мембраны вторичным активным транспортом, сопряженным с функционированием Na + ,К + -АТФазы. Перенос аминокислот внутрь клеток осуществляется чаще всего как симпорт аминокислот и ионов натрия. Считают, что существует, по меньшей мере, шесть транспортных систем (транслоказ), каждая из которых настроена на перенос близких по строению аминокислот: 1) нейтральных аминокислот с небольшим радикалом (ала, сер, три); 2) нейтральных аминокислот с объемным радикалом и ароматических аминокислот (вал, лей, иле, мет, фен, тир); 3) кислых аминокислот (асп, глу), 4) основных аминокислот (лиз, арг), 5) пролина, 6) β-аминокислот (таурин, β-аланин). Эти системы, связывая ионы натрия, индуцируют переход белка-переносчика в состояние с сильно увеличенным сродством к аминокислоте; Nа + стремится к транспорту в клетку по градиенту концентрации и одновременно переносит внутрь клетки молекулы аминокислоты. Чем выше градиент Na + , тем выше скорость всасывания аминокислот, которые конкурируют друг с другом за соответствующие участки связывания в транслоказе.

Известны другие механизмы активного транспорта аминокислот через плазматическую мембрану. А.Майстером предложена схема трансмембранного переноса аминокислот через плазматические мембраны, получившая название g-глутаминильный цикл.

В соответствии с гипотезой γ-глутамильного цикла транспорта аминокислот через клеточные мембраны роль переносчика аминокислот принадлежит широко распространенному в биологических системах трипептиду глутатиону .

1. Главную роль в этом процессе играет фермент g-глутаминилтрансфераза (транспептидаза), который локализован в плазматической мембране. Этот фермент осуществляет перенос g-глутамильной группы внутриклеточного трипептида глутатиона (g-глу-цис-гли) на вне­клеточную аминокислоту.

2. Образовавшийся комплекс g-глутамил-аминокис­лота проникает в цитозоль клетки, где аминокислота освобождается.

3. g-Глутами­льная группа в виде 5-оксопролина через ряд ферментативных стадий и учас­тии АТФ соединяется с цис-гли , что ведет к восстановлению молекулы глутатио­на. При переносе следующей молекулы аминокислоты через мембрану цикл превращений повторяется. Для транспорта одной аминокислоты используется 3 молекулы АТФ .

Все ферменты γ-глутамильного цикла обнаружены в высоких концентрациях в разных тканях – почках, эпителии ворсинок тонкого кишечника, слюнных железах желчном протоке и др. После всасывания в кишечнике аминокислоты через воротную вену поступают в печень, а затем разносятся кровью во все ткани организма.

Всасывание интактных белков и пептидов: в течение короткого периода после рождения в кишечнике могут всасываться интактные пептиды и белки путем эндоцитоза или пиноцитоза. Этот механизм важен для переноса иммуноглобулинов матери в организм ребенка. У взрослых всасывание интактных белков и пептидов не происходит. Тем не менее, у некоторых людей наблюдается этот процесс, что вызывает образование антител и развитие пищевой аллергии. В последние годы высказывается мнение о возможности переноса фрагментов полимерных молекул в лимфатические сосуды в области пейеровых бляшек слизистой дистальных отделов тонкого кишечника.

Аминокислотный фонд организма

В организме взрослого человека присутствует около 100 г свободных аминокислот, которые составляют аминокислотный фонд (пул). Глутамат и глутамин составляют 50% аминокислот, эссенциальные (незаменимые) аминокислоты – около 10%. Концентрация внутриклеточных аминокислот всегда выше, чем внеклеточных . Аминокислотный фонд определяется поступлением аминокислот и метаболическими путями их утилизации.

Источники аминокислот

Обмен белков организма, поступление белков с пищей и синтез заменимых аминокислот являются источниками аминокислот в организме.

1. Белки находятся в динамическом состоянии , т.е. обмениваются. В организме человека ежесуточно обменивается примерно 300-400 г белков. Период полураспада белков различен - от минут (белки плазмы крови) до многих суток (чаще 5-15 суток) и даже месяцев и лет (например, коллаген). Аномальные, дефектные и поврежденные белки разрушаются, поскольку не могут использоваться организмом и ингибируют процессы, для которых необходимы функциональные белки. К факторам, влияющим на скорость разрушения белков относятся: а) денатурация (т.е. потеря нативной конформации) ускоряет протеолиз; б) активация лизосомальных ферментов; в) глюкокортикоиды, избыток тироидных гормонов повышают протеолиз; г) инсулин снижает протеолиз и повышает синтез белков.

2.Пищевые белки . Около 25% обменивающихся белков, т.е. 100 г аминокислот подвергается распаду, и эти потери восполняются пищей . Поскольку аминокислоты являются главным источником азота для азотсодержащих соединений, они определяют состояние азотистого баланса организма. Азотистый баланс - это разность между азотом поступающим в организм и азотом, выводимым из организма. Азотистое равновесие наблюдается, если количество азота, поступающего в организм равно количеству азота, выводимого из организма (у взрослых здоровых людей). Положительный азотистый баланс наблюдается, если количество азота, поступающего в организм больше количества азота, выводимого из организма (рост, введение анаболических препаратов, развитие плода). Отрицательный азотистый баланс наблюдается, если количество азота, поступающего в организм меньше количества азота, выводимого из организма (старение, белковое голодание, гипокинезия, хронические заболевания, ожоги). Коэффициент изнашивания Рубнера - при 8-10 дневном белковом голодании в тканях расщепляется примерно постоянное количество белков - 23,2 г, или 53 мг азота в сутки на 1 кг массы тела (0,053×6,25×70 =23,2, где 6,25 - коэффициент, показывающий, что в белках содержится около 16% азота; 70 кг - масса тела человека). Если в пище будет содержаться 23,2 г белков в сутки, то развивается отрицательный азотистый баланс. Физиологический минимум белков (около 30-45 г в сутки) ведет к азотистому равновесию (но на короткое время). При средней физической нагрузке человеку требуется в сутки 100-120 г белка.