10. ОБМЕН БЕЛКОВ
Обмен белков является центральным звеном среди всех биохимических процессов, лежащих в основе жизни. В живой природе вся сумма химических реакций направлена к одной цели – воспроизведению белковых тел. Все другие виды обмена – углеводный, липидный, нуклеиновый и минеральный – обеспечивают метаболизм белков, особенно биосинтез специфических белков.
Обмен белков в организме занимает ведущую роль, а потому необходимо систематическое пополнение их из внешней среды, главным образом белками растительного и животного происхождения. Проблема белка была и остается основной проблемой перед человечеством. Сегодня треть человечества испытывает недостаток белка в рационе.
Основной источник белка в рационе человека это белки животного происхождения – мясо, молоко, яйцо. Если для обеспечения потребности человека в питательных веществах требуется производство зерна из расчета 1 тонна на человека в год, то из этого количества две трети зерна используется на корм скоту, чтобы иметь полноценные белки животного происхождения. Потребление зерна для кормовых целей занимает большое место в производстве полноценных белков, поэтому необходимо стремиться к снижению потребления концентратов в производстве животноводческих продуктов. В этом плане разные виды животных резко отличаются между собой. Так, птица способна быстро переработать зерно и обеспечить необходимым количеством мяса и яиц. Производство имеет промышленную технологию, хорошо механизировано, однако для этого требуются концентраты.
Свиньи также дают быстро прирост и продукцию, в течение одного года до 100 кг и более; но затраты при этом состоят в основном из концентратов. Имея комбинированный силос, можно в какой-то степени снизить долю концентратов в рационе свиней.
Крупный рогатый скот – может дать целиком продукцию за счет растительных кормов (без зерна). Он не является конкурентом человека в потреблении зерна. Эту особенность следует помнить всегда. Очень часто для получения молока доля концентратов в рационе коров доходит до 60 %. Это очень много. Задача – снизить до 20-30%, что реально и возможно при полноценном кормлении, прежде всего кормовым белком.
Данные о содержании белков, жира и клетчатки в кормах приведены в таблице 10.1.
Пищевая ценность кормов, в % на сухую массу (по Чечеткину А.В.).
Таблица 10.1
Корма
|
Протеин
|
Жир
|
Клетчатка
|
Пшеница
Рожь
Горох
Соя
Силос кукурузный Мука клеверная Мука люцерны
|
13,5
12,0
21,5
33,2
1,4
16,0
17,9
|
11,8
2,1
1,5
16,9
0,8
2,9
2,3
|
3,5
2,2
5,4
5,0
5,7
24,0
23,3
|
Большинство растительных кормов содержат немного белков, за исключением гороха, сои, а также кормов животного и бактериального происхождения.
Белки, окисляясь в организме, могут служить источником энергии, но организм животного и птицы не может обходиться без систематического поступления белков с кормом. Опыты показывают, что длительное исключение углеводов и жиров из рациона животного мало отражается на продуктивности; исключение белка из рациона приводит к снижению продуктивности, а длительное исключение – к гибели животного. Без кормовых белков невозможна не только высокая продуктивность, но и жизнь животного.
В течение жизни организма его клетки сменяются многократно. Так, например, эритроциты крови полностью обновляются за 100-120 дней, интенсивно сменяется эпителий кожи и слизистых оболочек и других тканей. Роль белков велика для растущего организма, для животных, основу продуктивности которых составляет молоко, яйца, шерсть.
Например, корова с продуктивностью 20 кг молока ежедневно теряет с молоком 0,5 кг белка. Белки составляют 20% массы тела, в том числе 95% азота белка приходится на долю аминокислот. Если живая масса коровы 500 кг, то из этого количества 100 кг составляют аминокислоты. Без белков и аминокислот не может быть обеспечено воспроизводство основных элементов клеток, тканей, органов, синтез ферментов, гормонов. О белковом обмене можно судить на основе показателей азотистого баланса.
Азотистый баланс определяется на основании суточного потребления животным азотистых веществ с кормами, выделения их с калом, мочой. На основании потребления - выделения - разницы между ними судят о количестве усвоенных организмом азотистых веществ за сутки и коэффициенте использования протеина корма.
Азотистый баланс – это отношение усвоенного азота к азоту, выделенному в виде конечных продуктов обмена:
X = N (усвоенный) / Ni (конечных продуктов обмена)
Различают три вида азотистого баланса:
1. Положительный азотистый баланс – когда усвоение азота (аминокислот) больше, чем его выделяется с мочой и калом в виде конечных продуктов катаболизма белков и аминокислот. Это наблюдается в условиях нормального питания животных в периоды роста и развития организма, в период беременности, лактации, яйцекладки и в восстановительную фазу после болезни. Такой баланс говорит о преобладании синтеза и задержки белков в организме над его распадом.
2. Азотистое равновесие характеризуется равным количеством усвоенных азотистых веществ и выделенных в виде конечных продуктов обмена.
3. При отрицательном азотистом балансе азотистых веществ корма усваивается меньше, чем выделяется в виде конечных продуктов обмена, то есть в организме происходит распад белков органов и тканей, который не компенсируется белками корма.
Наиболее частая причина отрицательного азотистого баланса – недокорм животных белками (белковое голодание) или наличие в рационе биологически неполноценного белка. Такое же явление может быть при слабой доступности белков и аминокислот для их усвоения, при авитаминозах, при заболеваниях.
Биологическая ценность белков
Для обеспечения потребности организма большое значение имеет качество и количество белков корма. Природные белки по количественному составу и по качеству отличаются друг от друга.
В организме животных могут синтезироваться не все аминокислоты, часть из них должна поступать с кормами. Кормовые белки растительного происхождения, как правило, не могут удовлетворять потребности организма животных в некоторых аминокислотах. Такие белки называются неполноценными. Биологическая ценность белков зависит от их аминокислотного состава. На качество протеина по аминокислотному составу особенно остро реагируют свиньи и птица – моногастричные животные. Жвачные животные, благодаря микробиологическим процессам в преджелудках значительное количество белка ежедневно получают как результат жизнедеятельности микробов.
Различают аминокислоты незаменимые и заменимые. Незаменимые аминокислоты в организме не синтезируются или же синтезируются в недостаточном количестве.
К незаменимым аминокислотам относятся: треонин, метионин, валин, лейцин, изолейцин, лизин, аргинин, фенилаланин, триптофан, гистидин. Заменимые аминокислоты синтезируются в организме. К ним относятся: глицин, серии, аланин, цистеин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, тирозин, пролин, оксипролин.
Учитывая потребности животноводства в незаменимых аминокислотах, сейчас промышленностью выпускаются аминокислоты: лизин, треонин, метионин и другие аминокислоты, а также дрожжевые белки – паприн (БВК), мемприн и т.д.
Высокую продуктивность свиней и птицы можно поддерживать лишь при полноценном кормлении по белкам, то есть при содержании в рационе всех незаменимых аминокислот в необходимом количестве, если же соотношение аминокислот будет нарушено, то результат будет отрицательным. Например: при синтезе 100 г. белка для данного вида животного требуется:
лизина 1,0 г, содержится 1,0 в 100 г. белка корма
гистидина 1,0 г "_" 1,0 г "_"
триптофана 1,0 г "-" 0,5 г "_"
лейцина 0,5 г " _" 0,5 г " _"
Недостаток 50 % необходимого количества триптофана приведет к тому, что вместо 100 г белка будет синтезироваться только 50 г белка. В данном примере недостаток триптофана является лимитирующим фактором.
Недостаточность аминокислот в рационах выявляется обычно быстрее, чем неполноценность по витаминам и минеральным веществам. Недостаток какой-либо незаменимой аминокислоты ограничивает использование других аминокислот в рационе, а это снижает эффективность всего рациона.
Аргинин частично синтезируется организмом млекопитающих и является для них условно незаменимой аминокислотой, а для крупного рогатого скота – считается заменимой.
Для птицы аргинин – незаменимая аминокислота, хотя в организме может синтезироваться при поступлении цитруллина. Для птиц глицин – незаменимая аминокислота. Синтез его в организме ограничен, а расходуется он не только как пластический материал, но и для синтеза мочевой кислоты.
Крупный рогатый скот испытывает повышенную потребность в серосодержащих аминокислотах – цистеине, цистине, метионине, которые не восполняются рубцовым микробиологическим синтезом.
Значение незаменимых аминокислот еще и в том, что кроме участия в синтезе тканевых белков, они выполняют специфические функции.
Например, при отсутствии валина развивается тяжелое нарушение функции центральной нервной системы; фенилаланин идет на синтез тироксина, адреналина, норадреналина; недостаток триптофана ведет к нарушению половой функции и т.д.
Корма животного происхождения – мясокостная мука, рыбная, молоко и т.д. содержат все незаменимые аминокислоты. В растительных белках, как правило, некоторых незаменимых аминокислот нет. Поэтому они называются неполноценными белками. При кормлении животных важно, чтобы, в рационе было несколько видов белков, чтобы не было дефицита незаменимых аминокислот.
Нормы белка в питании животных
Определение нормы белка в рационе с учетом вида, возраста, продуктивности животных – это очень важная задача. В этом отношении основой явились балансовые опыты. То минимальное количество белка, которое обеспечивает азотистое равновесие называется белковым минимумом. При определении нормы протеина очень важно учесть содержание незаменимых аминокислот, т. е. нормирование должно быть по незаменимым аминокислотам.
Известно, что чем лучше корма сбалансированы по незаменимым аминокислотам, тем выше использование протеина животным. Балансирование рационов по аминокислотному составу проводят комбинированием кормов или добавлением к кормосмесям недостающих аминокислот.
О достаточности аминокислот в рационах можно судить по нормам аминокислотного состава, разработанным для разных видов и групп животных. Для свиней и птицы аминокислотное питание составляется, прежде всего, по критическим аминокислотам – лизину, метионину, триптофану. Имеется в виду, что при обеспечении этими аминокислотами, по другим потребность будет удовлетворена.
Белковые резервы организма
В организме нет резервных белков, как это бывает с углеводами, – гликоген, жирами - запасной жир. Однако, при голодании, в первую очередь, расходуются белки плазмы крови, затем печени и мышц. При благоприятных условиях белки тканей этих органов быстро восстанавливаются. Масса тканей мозга, сердца, почек – жизненно важных органов – не меняется, т.е. поддерживается за счет указанных тканей.
Обмен простых белков
В тканях и органах постоянно происходит синтез и распад белков. В результате гидролиза белков образуются аминокислоты, которые подвергаются дальнейшим превращениям. Для синтеза белков необходимы аминокислоты, источником их служат белки кормов. Как уже указывалось, в организме синтезируется лишь половина аминокислот, входящих в состав белков тела.
Чужеродные белки при поступлении в кровь вызывают образование антител, повышенную чувствительность. Поэтому белки гидролизуются в пищеварительном тракте до аминокислот и всасываются в таком виде в кровь. Нормальная слизистая оболочка кишечника лишь новорожденных животных пропускает белки (иммунные белки, содержащиеся в молоке могут всасываться), таким образом, поддерживается пассивный иммунитет.
Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте
моногастричных животных
Переваривание белков в желудке. В желудке измельченная масса подвергается воздействию желудочного сока, содержащего соляную кислоту и ферменты – пепсин (ренин), желудочная липаза.
HCl – способствует набуханию белков, тем самым, делает их доступными ферментам.
Пепсин – основной фермент, катализирующий гидролиз белков, образуется из предшественника пепсиногена. М.м. пепсиногена – 42000, пепсина – 35000, т. е. в процессе превращения в пепсин полипептидная цепь укорачивается на 7000, освобождается активный центр фермента.
Пепсиноген + HCl (следы пепсина) → пепсин + полипептид
42000 35000 7000
Каталитическая активность пепсина большая: 1 г пепсина за 1 час в состоянии гидролизовать 25 кг денатурированного яичного белка. Пепсин гидролизует большинство белков, кроме кератинов, фиброина, муцина, овомукоида. Коллагены изменяются лишь при длительном воздействии пепсина. Пепсин преимущественно действует на внутренние пептидные связи (эндопептидаза), расположенные далеко от концов полипептидной цепи. Поэтому продукты гиролиза – полипептиды, очень немного аминокислот.
Пепсин гидролизует чаще связи аминогрупп ароматических аминокислот, а также ала-ала, ала-сер.
В сычуге жвачных в молочный период кормления выделяется фермент реннин (химозин), который вызывает процесс свертывания молока. М.м. реннина – 40000, по специфичности действия аналогичен пепсину. Сычужный фермент реннин, в отличие от пепсина, действует в слабокислой среде (рН 5,0-5,3) и только в присутствии солей кальция. Он створаживает молоко путем превращения казеиногена в казеинат кальция.
Переваривание белков в кишечнике.
Высокомолекулярные полипептиды, образовавшиеся в желудке под действием пепсина, и нативные белки в двенадцатиперстной кишке подвергаются действию ферментов поджелудочной железы – трипсина, химотрипсина, карбоксипептидазы, аминопептидазы.
Трипсин – выделяется в виде трипсиногена. Трипсиноген под действием энтеропептидазы (открыт в лаборатории Павлова И.П.) превращается в активную форму – трипсин, при этом освобождается активный центр фермента. М.м. 26700, трипсин активен при рН 7,8-8,2. Он расщепляет примерно 1/3 пептидных связей в молекуле белка. Продукты гидролиза – низкомолекулярные полипептиды, дипептиды, свободные аминокислоты.
Химотрипсин – М.м. 25000, оптимум рН 7,2-8,0; выделяется в виде профермента химотрипсиногена,который превращается в химотрипсин многоступенчато (α, β, γ, δ и т.д.). Он гидролизует белки и высокомолекулярные пептиды, так же как и трипсин, но более глубоко. При этом гидролизуются до 50 % пептидных связей. Легче разрываются связи карбоксильных групп тирозина, фенилаланина, триптофана и метионина. Низкомолекулярные пептиды расщепляются под действием пептидаз. Карбоксипептидаза расщепляет полипептиды с конца цепи со свободной карбоксильной группой, а аминопептидазы – со свободного N- конца. Ди- и трипептидазы вырабатываются в клетках кишечной стенки и гидролиз пептидных связей под действием этих ферментов происходит или непосредственно у кишечной стенки или же в клетках кишечной стенки, поэтому этот процесс называют пристеночным перевариванием.
Фермент коллагеназа гидролизует коллагены костной ткани, эластаза – эластины связок. Распад белков идет до образования аминокислот, которые затем всасываются с участием переносчиков, то есть всасывание аминокислот – активный процесс.
Биохимические процессы в толстом отделе кишечника
Толстый отдел кишечника (слепая, ободочная кишки и др.) представляют важный участок желудочно-кишечного тракта, в его соке содержатся карбонаты, создаются условия для микробиологических процессов. Клетчатка и другие углевод подвергаются бактериальному гидролизу и сбраживанию, а белки и аминокислоты - гниению, что приводит к образованию различных ядовитых для организма продуктов.
У лошадей, кроликов и других травоядных животных преобладают различные виды брожения. У свиней, собак, кошек – процессы гниения. В толстом отделе кишечника микроорганизмами синтезируются водорастворимые витамины (B1, B2, B3, B5, Вб, B12 и т.д.).
Одним из путей превращения аминокислот является их декарбоксилирование, которое сопровождается выделением CO2 и образованием аминов и диаминов. Реакция происходит под действием фермента декарбоксилазы.
Тирозин декарбоксилируется с образованием тирамина, орнитин – путресцина, лизин – кадаверина, гистидин – гистамина.
Из тирозина образуются крезол, фенол, из триптофана – скатол, индол; все они имеют неприятный запах.
Фенол, крезол, скатоксил, индоксил обезвреживаются в результате взаимодействия этих веществ с "активной" формой серной кислоты (З-фосфоаденозин-5-фосфосульфат, ФАФС).
Кроме того, эти вещества обезвреживаются при связывании их с глюкуроновой кислотой, образуя при этом парные соединения. Реакция катализируется ферментом УДФ-глюкуронил-
трансферазой (УДФ-ГК). Ниже представлены химическое строение ФАФС и УДФГК.
Они всасываются из кишечника в кровь и выделяются с мочой. Путресцин и кадаверин называют трупными ядами, так как они образуются при разложении трупов.
Образующиеся в кишечнике амины и диамины обладают сильным действием на сосуды и, как следствие, – на кровяное давление (тирамин, гистамин). Сероводород (H2S), метилмеркаптан (CH3SH) и другие серосодержащие соединения образуются из цистеина, метионина.
Под влиянием ферментов гнилостных бактерий происходит окисление аминокислот и образуются ядовитые продукты распада фенилаланина, тирозина, триптофана.
В результате образуются фенолсерная кислота, крезолсерная кислота, фенолглюкуроновая, крезолглюкуроновая кислоты. Индол (как и скатол) предварительно подвергается окислению в индоксил (соответственно скатоксил), который взаимодействует непосредственно в ферментативной реакции с ФАФС или УДФГК. Так, индоксил образует эфиры серной кислоты, затем калиевую соль, которая выделяется с мочой (животный индикан):
Индол и скатол обезвреживаются преимущественно путем синтеза сульфопроизводных, а количество индикана в моче является постоянной величиной у здоровых животных. Увеличение индикана в моче наблюдается при воспалении мышц, обширных травмах и при избытке триптофана в рационе животных.
Избыточное содержание фенилаланина в рационе, или ее недоступность ферментам тонкого отдела кишечника, приводит к тому, что фенилаланин окисляется бактериальными ферментами в толстом отделе кишечника и превращается в бензойную кислоту. У млекопитающих бензойная кислота обезвреживается в печени и почках путем взаимодействия с глицином, в результате образуется гиппуровая кислота. У птиц обезвреживание бензойной кислоты происходит в реакции с орнитином, в результате образуется орнитуровая кислота.
Особенности переваривания белков
у жвачных животных
Как известно, у жвачных животных желудок 4-х камерный, состоит из рубца, сетки, книжки, сычуга. Сычуг является собственным желудком, где вырабатывается сок, содержащий HCl, реннин, пепсин. Рубец, сетка, книжка – в них происходит основное превращение белков и других азотистых веществ корма под действием микрофлоры и простейших. Рубцовая микрофлора имеет сбалансированный характер. Общее количество бактерий в рубце составляет 109-1010 клеток в 1 г содержимого, или в рубцовом содержимом находится 1,5-2,0 кг бактерий. Это огромное количество. Под действием бактериальных ферментов растительные и животные белки в рубце расщепляются до пептидов, аминокислот и свободного аммиака. Одновременно идет синтез бактериального белка за счет размножения микробов.
Кроме бактерий в рубце значительное место занимают простейшие, их количество в 1 мл составляет 105-106. На долю инфузории приходится 1/20 массы рубцовой жидкости у крупного рогатого скота, а их азот занимает 10-12 % общего азота кормовой смеси преджелудков. Инфузории размножаются быстро, за сутки меняется 4-5 поколений и ежесуточное их переваривание в сычуге и кишечнике достигает 70 % всех простейших рубца.
Простейшие синтезируют незаменимые аминокислоты, обеспечивающие животное полноценным белком. Это имеет существенное значение для животного. Простейшие содержат больше незаменимых аминокислот, особенно лизина, чем бактерии. Таким образом, в организме жвачных бактерии – главный поставщик ферментов, гидролизирующих белки до аминокислот.
Бактерии и инфузории систематически поступают в сычуг и перевариваются. Часть аминокислот под действием ферментов бактерий подвергаются гидролитическому дезаминированию:
Или происходит восстановительное дезаминирование с участием НАДН2:
В результате процессов дезаминирования аминокислот в рубце накапливается большое количество аммиака. Оптимальным для бактерий и инфузорий является значение рН 5,5-7,0. После дезаминирования кислотные остатки превращаются в CO2 и летучие жирные кислоты. Микрофлора рубца способна расщеплять не только белковые молекулы, но и небелковые азотистые вещества. Известно, что вместе с растительными кормами до 10-30 % азота может быть, в виде небелкового азота (аминокислоты, амиды и т.д.). Эти продукты гидролизуются до аммиака и жирных кислот. Таким же процессам гидролиза подвергаются пуриновые и пиримидиновые основания: аденин, гуанин, ксантин, мочевая кислота и гуанидин, которые расщепляются с образованием NH3, CO2 и уксусной кислоты.
Мочевина (диамид угольной кислоты) может попадать в рубец с кормом или слюной (куда попадает из крови в результате обезвреживания аммиака в печени в орнитиновом цикле), а также в виде подкормки (карбамид-мочевина). При недостаточности азотистых веществ в корме мочевина начинает усиленно поступать в рубцовое содержимое путем выделения стенкой рубца из крови.
В рубце под влиянием бактериальных ферментов уреазы мочевина гидролизуется с образованием аммиака, CO2, H2O:
Аммиак частично всасывается в кровь и превращается в печени в мочевину, далее выделяется почками. Частично используется бактериями для синтеза аминокислот:
Бактерии могут синтезировать все аминокислоты заменимые и незаменимые, о чем уже указывалось выше.
Для практики животноводства важно использование карбамида для пополнения азота рациона жвачных, при этом следует учесть, что гидролиз мочевины идет в 4 раза быстрее, чем усвоение бактериями освободившегося аммиака, поэтому в корм добавляют мочевину малыми порциями, в брикетированном виде, в виде добавок к силосу (добавляют при силосовании) и т.д. За сутки коровы могут использовать 60-150 г мочевины, овцы 10-15 г. Это позволяет заменить 20-30 % перевариваемого протеина корма.
Распад белков в тканях и его биологическое значение
Аминокислоты всасываются в кровь, доставляются в печень, где частично дезаминируются, декарбоксилируются или подвергаются трансаминированию. Кроме того, происходит постоянно обновление белков собственного тела – распад (в лизосомах) и синтез de novo. Обновление аминокислот в белках ткани идет очень интенсивно. Так, белки печени обновляются наполовину за 8-12 суток, плазмы крови – за 18-45 суток. У крупного рогатого скота при выращивании на мясо за сутки синтезируется 120-200 г белка, у лактирующей коровы с молоком выделяется 600-1200 г новых белков. Распад тканевых белков – аутолиз происходит под действием ферментов – тканевых протеаз – катепсинов.
Третьим источником свободных аминокислот (1-ый из кишечника, 2-ой - аутолиз) в клетках организма является их синтез. В растениях синтезируется очень большой набор аминокислот (свыше 20), а в животном организме синтезируются только заменимые аминокислоты путем восстановительного аминирования кетокислот и трансаминирования.
Восстановительное аминирование кетокислот является обратным процессом окислительного дезаминирования аминокислот (глутаминовая, аспарагиновая и др.). Ресинтез происходит в 2 этапа:
Таким образом, в первую фазу реакции из кетокислоты и аммиака образуются иминокислоты, во вторую – иминокислота восстанавливается за счет водорода восстановленной формы НАД или НАДФ, то есть НАД•H2, НАДФ•Н2 – в аминокислоту. Этот путь синтеза аминокислот в организме животных ограничен, он ярче выражен у растений и микробов (бактерий).
Наиболее выраженный путь биосинтеза аминокислот в организме – путь переаминирования (трансаминирования). Он открыт в 1937 году Браунштейном A.E. и Крицманом М.Г. Было установлено, что из глутаминовой и пировиноградной кислот могут образоваться α-кетоглутаровая кислота и аланин без промежуточного выделения аммиака.
Эту реакцию называют трансаминированием, при этом происходит перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Донором аминогруппы является аминокислота, акцептором – кетокислота. Все природные аминокислоты подвержены ферментативному переаминированию. Наиболее активно эта реакция происходит между глутаминовой кислотой и щавелевоуксусной.
Между аспарагиновой кислотой и α-кетоглутаровой (в печени и мышечной ткани) реакция происходит с участием трансфераз (трансаминаз); коферментом является фосфо- пиридоксаль (витамин B6).
Аминогруппа через основание Шиффа переходит на фосфопиридоксаль, в результате синтезируется фоофопиридоксамин и соответствующая кетокислота. Фосфопиридоксамин реагирует с новой кетокислотой, образуя новую аминокислоту с освобождением фосфопирид оксаля. Процесс образования промежуточного продукта можно представить следующим образом:
Процесс образования промежуточного продукта можно представить следующим образом:
Переаминирование играет очень важную роль при синтезе в тканях необходимых аминокислот.
Таким образом, фонд свободных аминокислот клеток формируется за счет:
1) поступления из органов пищеварения;
2) распада белков;
3) синтеза заменимых аминокислот в реакциях трансаминирования, восстановительного аминирования кетокислот.
Дезаминирование аминокислот
Различают четыре способа дезаминирования аминокислот: 1. Восстановительное дезаминирование:
В результате образуется органическая кислота и аммиак.
2. Гидролитическое дезаминирование:
В результате реакции образуется оксикислота и аммиак.
Эти виды дезаминирования характерны для бактерий (преджелудка жвачных, толстого отдела кишечника других животных).
3. Внутримолекулярное дезаминирование:
В результате образуется ненасыщенная органическая кислота и аммиак.
Такой вид дезаминирования характерен для бактерий, растений, а в животном организме дезаминируется гистидин. Под действием фермента гистидиндезаминазы происходит образование аммиака и урокиноновой кислоты.
Окислительное дезаминирование:
Это наиболее распространенная форма дезаминирования. Реакция происходит с участием ферментов, где акцептором водорода, как правило, является НАД, реже – ФМН. Она проходит в
две стадии. На первой стадии образуется неустойчивая иминокислота, во второй стадии с участием молекулы воды образуется аммиак и кетокислота:
В тканях организма важно дезаминирование Д-аминокислот, так как в белках содержатся только L-аминокислоты. Поэтому в организме весьма активна дегидрогеназа а-глутаминовой кислоты, которая превращает ее в а-кетоглутаревую кислоту.
Реакция весьма распространена. Глутаматдегидрогеназа играет решающую роль в процессах окислительного дезаминирования большинства аминокислот путем непрямого Дезаминирования.
Коферментом глутамат дегидрогеназы является НАД (НАДФ):
НАДН2 в дыхательной цепи митохондрий обеспечивает синтез трех молекул АТФ (печень, мышца, почки, мозг и т.д.).
Трансаминирование – непрямой путь дезаминирования
аминокислот
В метаболизме аминокислот трансаминирование занимает ключевое место. Так, глутаматдегидрогеназа весьма активно ведет к образованию α-кетоглутаровой кислоты, которая является субстратом для трансаминирования с другими аминокислотами. Например:
Глутаминовая кислота затем дезаминируется по схеме, представленной выше. Щавелевоуксусная кислота так же может быть субстратом для переаминирования и для дезаминирования:
Механизм непрямого дезаминирования обеспечивает дезаминирование всех аминокислот в организме животных.
Декарбоксилирование аминокислот
В тканях животных декарбоксилированию подвергаются аминокислоты: гистидин, тирозин, глутаминовая кислота, 5-окситриптофан, 3,4-диоксифенилаланин (ДОФА), цистеиновая кислота.
Первые три входят в состав белков, остальные – продукты обмена – тирозина, триптофана, цистеина.
Декарбоксилазы в качестве кофактора имеют фосфопиридоксаль (витамин B6), они декарбоксилируют только α-аминокислоты. Амины, образующиеся при этом, влияют на обмен веществ. При декарбоксилировании цистеина образуется таурин – необходимый для синтеза желчных кислот. При декарбоксилировании гистидина образуется гистамин:
Гистамин вызывает спазм гладких мышц (включая мышцы бронхов), снижает кровяное давление, расширяет капилляры, вызывает отек, усиливает в 8-10 раз выделение желудочного сока.
При декарбоксилировании тирозина и ДОФА соответственно образуется тирамин и 3,4-диокситирамин:
Как тирамин, так и 3,4-диокситирамин обладают мощным фармакологическим действием. ДОФА и дофамин содержатся в высокой концентрации в двигательных центрах головного мозга и играют важную роль в управлении мышцами.
При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется γ-аминомасляная кислота – природный фактор, тормозящий деятельность нервных клеток. Амины окисляются моноаминооксидазами до альдегидов и выводятся из организма.
Окислительное расщепление аминокислот
Большую часть энергии организм получает в результате окисления углеводов и нейтральных жиров (до 90 %). Остальную часть
10% за счет окисления аминокислот. Аминокислоты, прежде всего, используются для синтеза белка. Окисление их происходит:
1) если аминокислоты, образующиеся при обновлении белков не используются для синтеза новых белков;
2) если в организм поступает избыток белка;
3) в период голодания или при сахарном диабете, когда нет углеводов или их усвоение нарушено, в качестве источника энергии используются аминокислоты.
Во всех этих ситуациях аминокислоты теряют свои аминогруппы и превращаются в соответствующие α-кетокислоты, которые затем окисляются до СО2 и H2O. Частично это окисление идет через цикл трикарбоновых кислот. В результате дезаминирования и окисления образуются пировиноградная кислота, ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА, α-кетоглутаровая кислота, сукцинил-КоА, фумаровая кислота. Некоторые аминокислоты могут превращаться в глюкозу, а другие – в кетоновые тела.
Пути обезвреживания аммиака в тканях животных
Аммиак токсичен, и накопление его в организме может привести к смерти. Существуют следующие пути обезвреживания аммиака:
1. Синтез аммонийных солей.
2. Синтез амидов дикарбоновых аминокислот.
3. Синтез мочевины.
Синтез аммонийных солей происходит ограниченно в почках, это как дополнительное защитное приспособление организма при ацидозах. Аммиак и кетокислоты частично используются для ресинтеза аминокислот и для синтеза других азотистых веществ. Кроме того, в тканях почек аммиак участвует в процессе обезвреживания оргинических и неорганических кислот, образуя с ними нейтральные и кислые соли:
R – COOH + NH3 → R – COONH4;
H2SO4 + 2 NH3 → (NH4)2SO4;
H3PO4 + NH3 → NH4H2PO4
Этим путем организм защищается от потери с мочой при выведениикислот знпачительного количества катионов (Na, K, отчасти Са, Mg), что могло бы привести к резкому снижению щелочного резерва крови. Количество аммонийных солей, выводимых с мочой, заметно повышается при ацидозе, так как аммиак используется для нейтрализации кислоты. Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака является использование его для образования амидной связи глутамина и аспарагина. При этом из глутаминовой кислоты под действием фермента глутаминсинтетазы синтезируется глутамин, из аспарагиновой кислоты при участии аспарагинсинтетазы – аспарагин:
Этим путем происходит устранение аммиака во многих органах (мозг, сетчатка, почки, печень, мышцы). Амиды глутаминовой и аспарагиновой кислот могут образоваться и тогда, когда эти аминокислоты находятся в структуре белка, то есть акцептором аммиака может быть не только свободная аминокислота, но и белки, в состав которых они входят. Аспарагин и глутамин доставляются в печень и используются в синтезе мочевины. Аммиак переносится в печень и с помощью аланина (глюкозо-аланиновый цикл). Этот цикл обеспечивает перенос аминогрупп из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину, а работающие мышцы получают глюкозу. В печени глюкоза синтезируется из углеродного скелета аланина. В работающей мышце из α-кетоглутаровой кислоты образуется глутаминовая кислота, которая затем передает аминную группу - NH2 пировиноградной кислоте, в результате синтезируется аланин – нейтральная аминокислота. Схематически указанный цикл выглядит следующим образом:
Глутаминовая кислота + пировиноградная кислота ↔
↔ α-кетоглутаровая кислота + аланин
 Рис. 10.1. Глюкозо-аланиновый цикл.
Этот цикл выполняет две функции: 1) переносит аминогруппы из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину;
2) обеспечивает работающие мышцы глюкозой, поступающей с кровью из печени, где для ее образования используется углеродный скелет аланина.
Образование мочевины – основной путь обезвреживания аммиака. Этот процесс изучали в лаборатории И.П.Павлова. Показано, что мочевина синтезируется в печени из аммиака, CO2 и воды.
Мочевина выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Главным местом синтеза мочевины в организме является печень. Сейчас доказано, что синтез мочевины происходит в несколько этапов.
1 стадия – образование карбамоилфосфата происходит в митохондриях под действием фермента карбомоилфосфат-синтетазы:
На следующей стадии с участием орнитина синтезируется цитруллин:
Цитруллин переходит из митохондрий в цитозоль клеток печени. После этого в цикл вводится вторая аминогруппа в форме аспарагиновой кислоты. Происходит конденсация молекул цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргинин-янтарной кислоты.
Цитруллин аспарагиновая аргинин-янтарная
кислота кислота
Аргинин-янтарная кислота расщепляется на аргинин и фумаровую кислоты.
Под действием аргиназы аргинин гидролизуется, образуется мочевина и орнитин. В дальнейшем орнитин поступает в митохондрии и может включиться в новый цикл обезвреживания аммиака, а мочевина выделяется с мочой.
Таким образом, в синтезе одной молекулы мочевины нейтрализуется две молекулы NH3 и CO2 (HCO3), что также имеет значение в поддержании рН. Для синтеза одной молекулы мочевины расходуется 3 молекулы АТФ, в том числе две при синтезе карбомоилфосфата, одна для образования аргинин-янтарной кислоты; фумаровая кислота может превращаться в яблочную и щавелевоуксусную кислоты (цикл Кребса), а последняя в результате трансаминирования или восстановительного аминирования может превратиться в аспарагиновую кислоту. Некоторая часть азота аминокислот выделяется из организма в виде креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата.
Из всего азота мочи на долю мочевины приходится до 80-90%, аммонийных солей – 6 %. При избыточном кормлении белком доля азота мочевины возрастает, а при недостаточном белковом кормлении снижается до 60 %.
У птиц и рептилий – нейтрализация аммиака происходит путем образования мочевой кислоты. Птичий помет на птицефабриках - это источник азотсодержащего удобрения (мочевая кислота).
Особенности обмена отдельных аминокислот
Глицин – легко синтезируется в организме животных, лишь для птиц может быть лимитирующей аминокислотой.
Дезаминируется в тканях под влиянием глициноксидазы с образованием глиоксалевого альдегида. При этом НАД восстанавливается в НАДН2, который в дыхательной цепи митохондрий дает три молекулы АТФ. Глицин используется для синтеза парных желчных кислот, глутатиона, креатина, серина, коламина, пуринов, порфиринов. Идет на обезвреживание бензойной и фенилуксусной кислот.
Серин – при дезаминировании его образуется пировиноградная кислота и аммиак.
Серин входит в состав серинсодержащих фосфолипидов, является исходным продуктом образования этаноламина и холина, цистеина.
Общую схему катаболизма и глюконеогенез можно представить в следующем виде (рис.10.2., по Николаеву А.Я.):
Рис. 10.2. Введение аминокислот в общий путь катаболизма и глюконеогенез.
Треонин - незаменимая аминокислота для всех видов животных. Под действием альдолазы превращается в глицин и уксусный альдегид.
Цистеин и цистин. К недостатку серосодержащих аминокислот чувствителен крупный рогатый скот и овцы. Цистеин и цистин легко превращаются друг в друга путем окислительно-восстановительных реакций:
Наличие –SH, -S-S- группировок определяет высокую реактивность ферментов и гормонов. Часть цистеина превращается в таурин, который используется в синтезе парных желчных кислот.
При декарбоксилировании цистеина образцется тиоэтаноламин – кофактор фермента активирования кислот HS-KoA.
Цистеин входит в состав глутатиона – трипептида, широко представленного в эритроцитах, печени, который может быть в восстановленной (HS-глутатион) и окисленной (-S-S-) формах. Глутатион является кофактором дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида и глиоксилазы.
Метионин – незаменимая аминокислота, принимает участие в синтезе цистеина. Метионин имеет CH3 метильную группу активную в трансметилировании. Это универсальный донор метальных групп (для этаноламина, карнозина, гуанидинуксусной кислоты, норадреналина, пиримидиновых оснований).
Аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Их много в белках растений. Играют роль в трансаминировании, дезаминировании других аминокислот. Синтезируются из кетокислот. Глутамин используется в синтезе пуриновых оснований мононуклеотидов. При декарбоксилировании аспарагиновой кислоты может образоваться β и α-аланин:
β-аланин идет на синтез пантотеновой кислоты. При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется у-аминомасляная кислота.
Лизин – незаменимая аминокислота. Биологический распад лизина проходит по сложному пути с образованием α-аминоадипиновой, α- кетоадипиновой и глутаровой кислот.
Фенилаланин и тирозин являются субстратами для синтеза тироксина, адреналина, норадреналина. Валин, лейцин, изолейцин – превращения их направлены на синтез жирных кислот и кетоновых тел. Остальные аминокислоты и два амида могут служить субстратами для синтеза глюкозы и гликогена. Глюконеогенез из аминокислот (синтез глюкозы) происходит интенсивно из гликогенных аминокислот при преимущественно белковом кормлении животных или голодании. При голодании используются белки собственных тканей.
Катаболизм лейцина и лизина не включает стадии образования пировиноградной кислоты.
|
Скачать 14.38 Mb.