Как происходит активация протеолитических ферментов желудка и кишечника

ЕМА 9.1. РОЛЬБЕЛКОВ В ПИТАНИИ. АЗОТИСТЫЙ БАЛАНС

В организмечеловека содержится примерно 15 кгбелков. Количество свободных аминокислотсоставляет около 35 г. Ежесуточно ворганизме распадается до аминокислотпочти 400 г белков и столько же синтезируется.

1. Основнымисточником аминокислот для человекаявляются пищевые белки. Суточная нормапотребления белков составляет в среднемоколо 100 г.

20 α-аминокислот,которые встречаются в белках организма,можно разделить на четыре группы:

•  заменимыеаминокислоты – Ала, Асп, Асн, Глу, Глн,Про, Гли, Сер -синтезируются в необходимых количествахв организме;

•  незаменимыеаминокислоты – Вал, Лей, Иле, Мет, Фен,Три, Лиз, Тре -не могут синтезироваться в организмеи должны поступать с пищей;

•  частичнозаменимые аминокислоты – Гис, Арг -синтезируются очень медленно, вколичествах, не покрывающих потребностиорганизма, особенно в детском возрасте;

•  условнозаменимые аминокислоты – Цис, Тир -синтезируются из незаменимых аминокислотМет и Фен соответственно.

2. Полноценностьбелкового питания зависитот аминокислотного состава белков иопределяется наличием незаменимыхаминокислот.Отсутствиев пищевых белках незаменимых аминокислот(даже одной) нарушает их синтез ворганизме. Обновление белков в различныхтканях происходит с разной скоростью.Так, белок соединительной ткани коллагенобновляется полностью за 300 дней, абелки системы свертывания крови – отнескольких минут до нескольких дней.

3. Большаячасть свободных аминокислот используетсядля синтеза собственных белков организма.Кроме того, из аминокислот синтезируетсябольшое количество биологическиактивных молекул:

•  биогенныеамины (медиаторы); некоторые аминокислотысами являются нейромедиаторами -например, глицин и глутамат;

•  гормоныбелковой природы;

•  гем,креатин, карнитин и другие азотсодержащиесоединения.

Аминокислотыподвергаются реакции дезаминирования;образовавшиеся безазотистые остаткииспользуются для синтеза глюкозы,кетоновых тел или окисляются до СО2 иН2О.

Азот аминокислотвыводится из организма почками в видемочевины или аммонийных солей.Аминокислоты и белки содержат до 95%всего азота организма.

4. Азотистыйбаланс -разница между количеством азота,поступающего с пищей, и количествомазота, выделяемого почками в видемочевины и азотистых солей. Он являетсяпоказателем состояния белкового иаминокислотного обмена.

Азотистыйбаланс можетбыть:

•  положительным -у детей, беременных женщин, при увеличениимышечной массы у спортсменов и больных,выздоравливающих после тяжелой болезни,что свидетельствует о преобладаниисинтеза белков и роста тканей над ихраспадом;

•  отрицательным -при тяжелых заболеваниях, голодании,старении, что свидетельствует обусилении процессов распада белков;

•  равнымнулю (азотистое равновесие) – уздоровых взрослых людей при нормальномпитании.

1. Припереваривании происходит гидролизпищевых белков до свободных аминокислот.Процесс переваривания начинается вжелудке и продолжается в тонком кишечникепод действием ферментов пептидгидролаз(пептидаз). Основныепептидазы синтезируются в клеткахжелудка, поджелудочной железы и кишечника(рис. 9.1). В желудке белкипищи денатурируются и гидролизуютсяс образованием олигопептидов.Вкишечнике панкреатическиепептидазы продолжают гидролизолигопептидов до ди- и трипептидов исвободных аминокислот. Короткие пептидырасщепляются до свободных аминокислотв пристеночномслое илив клетках кишечного эпителия. Затемпроисходит их всасывание.

Все пептидазы, взависимости от места расположения впептиде гидролизуемой связи, делятсянаэндопептидазы и экзопептидазы:

•  эндопептидазы -расщепляют пептидные связи, удаленныеот концов пептидной цепи (пепсин,трипсин, химотрипсин, эластаза);

•  экзопептидазы- гидролизуютпептидные связи, образованные N- иС-концевыми аминокислотами (аминопептидаза,карбоксипептидазы А и В),а также расщепляют ди- и трипептиды.

Рис.9.1. Переваривание белков в желудочно-кишечномтракте

Ферменты,участвующие в переваривании белков,обладают относительной субстратнойспецифичностью и гидролизуют пептидныесвязи; при этом каждая пептидазапреимущественно расщепляет связи,образованные определенными аминокислотами(табл. 9.1).

2. Желудочныеи панкреатические пептидазы вырабатываютсяв неактивной форме (проферменты), секретируютсяк месту действия, где активируются путемчастичного протеолиза (отщеплениепептида различной длины, чаще с N-концамолекулы профермента). Местосинтеза проферментов (клеткислизистой оболочки желудка, поджелудочнаяжелеза) и местоих активации (полостьжелудка, тонкого кишечника)пространственноразделены. Такоймеханизм образования активных ферментовнеобходим для защиты секреторных клетокжелудка и поджелудочной железы отсамопереваривания.

Таблица9.1. Характеристика протеолитическихферментов желудочно-кишечного тракта

Примечание: X- любая аминокислота

Преждевременнаяактивация проферментов в секреторныхклетках происходит при:

•  язвеннойболезни желудка -пепсиноген превращается в пепсин вклетках слизистой желудка;

•  остромпанкреатите -трипсиноген превращается в трипсин вклетках поджелудочной железы и активируетостальные панкреатические пептидазы.

3. Слизистаяоболочка желудка вырабатывает следующиефакторы, необходимые для перевариваниябелков:

•  пепсиноген -синтезируется в главных клетках;

•  солянуюкислоту -вырабатывается обкладочными клетками.Гидролиз белков вжелудке происходитпод действием пепсина.

Проферментпепсиноген при поступлении пищисекретируется в полость желудка, гдев два этапа происходит его активация:

•  с помощьюНС! – медленно;

•  аутокаталитически- быстро, уже имеющимся пепсином. Солянаякислота желудочногосока выполняет следующие функции:

•  .участвуетв активации пепсиногена;

•  создаетоптимум рН для пепсина;

•  оказываетбактерицидное действие;

•  денатурируетбелки пищи.

Значение рНжелудочного сока в норме составляет1,5-2,0. Определениекислотности желудочного сока используетсядля диагностики различных заболеванийжелудка (табл. 9.2).

Таблица9.2. Компоненты желудочного сока в нормеи при патологических состояниях

•   Общаякислотность желудочного сока -это совокупность всех кислотореагирующихвеществ желудочного сока, представляющаясобой секрет желудка, собираемый втечение 1 часа (предварительно отбираютсекрет, ранее содержащийся в желудке).

•  Связаннаясоляная кислота -это соляная кислота, связанная с белкамии продуктами их переваривания.

•  Свободнаясоляная кислота -это соляная кислота, не связанная сдругими молекулами.

•  Общаякислотность желудочного сока выражаетсяв титрационных единицах (ТЕ) иизмеряется количеством 0,1 М NaOH вмиллилитрах, затраченным на титрование100 мл желудочного сока в присутствииопределенных индикаторов.

•  Кислотностьжелудочного сока внорме составляет:

общая 40-60 ТЕ;

связаннаяHCl 20-30 ТЕ;

свободнаяHCl 20-40 ТЕ.

При диагностикезаболеваний желудка помимо биохимическиханализов обязательно проводятрентгенологические и эндоскопическиеисследования, иногда биопсию.

В слизистойоболочке желудка вырабатываетсятакже внутреннийфактор (фактор Касла), которыйпредставляет собой белок, способствующийвсасыванию витамина В12 втонкой кишке. Отсутствие этого витаминачасто приводит к развитию анемии.

Молочнаякислота внорме в желудочном соке отсутствует.Образуется при уменьшении содержанияили отсутствии свободной солянойкислоты в результате усиленногоразмножения молочнокислых бактерийили при злокачественных опухоляхжелудка.

НС1 и пепсинспособны разрушать клетки эпителияжелудка. В норме это не происходитблагодаря наличию защитных факторовслизистой оболочки, таких, как:

•  образованиена поверхности слизи, содержащейгетерополисахариды, которые не являютсясубстратами пептидгидролаз;

•  секрецияэпителиальными клетками ионов НСО3-,создающих в пристеночном слое менееагрессивную среду с рН 5,0-6,0, в которойпепсин неактивен. Кроме того, клеткиповрежденного эпителия обладаютспособностью к быстрой регенерации.

Пепсингидролизует пептидныесвязи, образованные аминогруппой иликарбоксильной группой ароматическихаминокислот (см. табл. 9.1):

4.Переваривание белков в кишечнике происходитпод действием:

•  ферментовподжелудочной железы-трипсина,химотрипсина, эластазы, карбоксипептидазА и Б;

•  ферментовэпителия тонкой кишки – аминопептидазы,дипептидаз, трипептидаз.

Активнаяформа трипсина образуетсяв кишечнике при участии ферментаэнтеропептидазы, выделяемого клеткамикишечника. Энтеропептидазаотщепляетот N-конца трипсиногена гексапептид(рис. 9.2), что приводит к изменениюконформации молекулы и формированиюактивного центра трипсина.

Рис.9.2. Механизм активации трипсиногена.

Пунктирнаястрелка – место гидролиза. Буквамиобозначены аминокислоты (А – асп, Г -глу, В – вал, Л – лиз, И – иле)

Остальные проферментыпанкреатического сока (химотрипсиноген,прокарбоксипептидазы А и В, проэластаза)активируются трипсином.Активацияпанкреатических пептидаз в кишечникепроисходит в виде каскада реакций.

Ферментыэпителия тонкой кишки синтезируютсяв энтероцитах сразу вактивной форме.

• Ферменты,участвующие в переваривании белков вкишечнике, обладаютсубстратной специфичностью копределенным аминокислотам вбелке: Трипсин гидролизуетпреимущественно пептидные связи,образованные карбоксильными группамикатионогенных аминокислот:

•  Химотрипсин -пептидные связи, образованныекарбоксильными группами ароматическихаминокислот:

•   Эластаза -связь между -Гли-Ала-

•  Карбоксипептидазы отщепляютС-концевые аминокислоты:

карбоксипептидаза А -гидрофобные аминокислоты, карбоксипептидаза В- Лиз и Арг;

•  Аминопептидаза -отщепляет N-концевые аминокислоты;

•  Дипептидаза -гидролизует дипептиды;

•  Трипептидаза -расщепляет трипептиды на отдельныеаминокислоты.

5. Конечнымрезультатом переваривания белковявляется образование свободныхаминокислот, поступающих в клеткислизистой оболочки кишечника,путем вторично-активноготранспорта засчет градиента концентрации натрия(симпорт). Всасывание L-аминокислотявляется активным, требующим затратыэнергии процессом. Транспорт ихосуществляется двумя путями:

•  черезворотную систему печени;

•  полимфатическим сосудам, сообщающимсяс кровью через грудной лимфатическийпроток.

Аминокислотыконкурируют друг с другом за специфическиеучастки связывания белков-переносчиков.Так, всасывание лейцина в большихколичествах уменьшает всасываниеизолейцина и валина. В крови максимальнаяконцентрация аминокислот достигаетсячерез 30-50 минут после приема белковойпищи. Свободные аминокислоты, в отличиеот белков пищи, лишены видовойспецифичности и не обладают антигеннымисвойствами.

Скоростьпроникновения аминокислот черезмембраны клеток различается, чтоуказывает на существование транспортныхсистем, обеспечивающих переносаминокислот через мембраны. Известнопять специфических транспортных системдля переноса определенной группыблизких по строению аминокислот:

•  нейтральныхс короткой боковой цепью (аланин,серин, треонин);

•  нейтральныхс длинной или разветвленной боковойцепью (валин,лейцин, изолейцин);

•  скатионными радикалами (лизин,аргинин);

•  санионными радикалами (глутаминоваяи аспарагиновая кислоты);

•  иминокислот (пролин,оксипролин).

Переносчикиаминокислот первой и пятой групп, атакже переносчик метионина относятсяк числу Na+-зависимых. Независимые отNa+ переносчики специфичны для некоторыхнейтральных аминокислот (фенилаланин,лейцин) и аминокислот с катионнымирадикалами (лизин).

Одной изосновных транспортных систем длянейтральных аминокислотявляется γ-глутамильныйцикл, которыйфункционирует в почках, поджелудочнойжелезе, печени и селезенке, в мозге идругих тканях он содержится в оченьнебольших количествах (рис. 9.3).

Рис.9.3. γ-Глутамильный цикл:

Е1 -γ-глутамилтранспептидаза (γ-ГТ); Е2 -γ-глутамилциклотрансфераза; Е3 -пептидаза; Е4 -оксопролиназа; Е5 -γ-глутамилцистеинсинтетаза; Е6 -глутатионсинтетаза.

Системасостоит из одного мембранного и пятицитоплазматических ферментов. Переносаминокислоты внутрь клетки осуществляетсяв комплексе с глутамильным остаткомглутатиона под действием ферментаγ-ГТ. Затем аминокислота освобождается,а γ-глутамильный остаток в несколькостадий превращается в глутатион, которыйспособен присоединять следующуюмолекулу аминокислоты

Ключевуюроль в работе системы играет мембранныйфермент γ-глутамилтранспептидаза(γ-ГТ). Этотгликопротеин катализирует переносγ-глутамильной группы сглутатиона (γ-глутамилцистеинилглицин)или другого γ-глутамильного пептидана транспортируемую аминокислоту ипоследующий перенос комплекса в клетку.Глутатион содержится во всех тканяхживотных. Для транспорта в клетку одноймолекулы аминокислоты с участиемγ-глутамильного цикла затрачиваетсятри молекулы АТР.

γ-ГТ в большихколичествах содержится в почках,поджелудочной железе, печени и другихтканях. Активность фермента в сывороткекрови в норме составляет 30-50 МЕ/л(мкмоль/мин-мг) для мужчин и 25-35 МЕ/л дляженщин. Определение активности γ-ГТ всыворотке крови используется длядиагностики заболеваний печени исердца. γ-ГТ-тест используется также вкачестве маркера рака поджелудочнойжелезы, печени, предстательной железыи для обнаружения людей из группыраннего риска алкоголизма, для контроляза лечением хронического алкоголизма.