Белки являются основным строительным материалом различных биологических структур клеток организма, поэтому обмен белков играет первостепенную роль в их разрушении и новообразованиях.
У здорового взрослого человека за сутки обновления 1-2% общего количества белков тела, что связано преимущественно с деградацией мышечных белков до свободных аминокислот. Примерно 75-80% высвободившихся аминокислот снова используется в биосинтезе белков; оставшаяся часть подвергается различным метаболическим превращениям.
Белки сильно различаются между собой по числу и видам содержащихся в них аминокислот. Когда клетки организма синтезируют белок определенного типа, в их расположении должны быть все аминокислоты, входящие в состав этого белка. Если каких-либо аминокислот нет или мало, то данный белок не может быть синтезирован. Животные клетки способны вырабатывать некоторые аминокислоты, но не все; те из них, которые не могут быть синтезированы, так называемые незаменимые аминокислоты, должны быть получены с пищей. Существует 10 незаменимых аминокислот, и белки, в которых все они содержатся в достаточном количестве, называются полноценными белками. Молоко, мясо и яйца содержат биологически полноценные белки, тогда как в белке кукурузы недостает двух незаменимых кислот. Если в пище содержится избыток белка, то излишний белок превращается в жиры или углеводы, которые накапливаются или используются для получения энергии. Белок содержит элемент азот, которого нет в жирах и углеводах. Определяя количество азота в моче и экскрементах, с одной стороны, и в потребляемой пище-с другой, можно установить, поддерживается ли в организме азотный, а, следовательно, и белковый, баланс.
Главный, но возможно не единственный путь распада белков в организме-гидролиз. Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма, в основном в специальных субклеточных элементах-лизосомах, где сосредоточены гидролитические ферменты и где осуществляется деструкция высокомолекулярных метаболитов. Вместе с тем определенная часть ферментов, ускоряющих распад белков, есть в цитозоле клетки, а некоторые из них секретируются, обеспечивая внеклеточное переваривание белков. Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до аминокислот). Таким образом, в результате деятельности разнообразных пептидгидролаз (протениназы и пептидазы) из белков в процессе их гидролиза сначала образуются сложные смеси различных пептидов, а затем смесь свободных белковых аминокислот. Гораздо большее значение для регуляции обмена веществ имеет неполный, селективный гидролиз белков, нежели их полное превращение до свободных аминокислот.
Аминокислоты, поступающие в организм в избыточном количестве, не могут запасаться и подвергаются метаболическим превращениям. Наиболее распространенными и важными реакциями являются трансаминирование, окислительное дезаминирование и декарбоксилирование.
Трансаминирование (переаминирование) представляет собой взаимопревращение α-аминокислоты и α-кетокислоты, катализируемые аминотрансферазой. В большинстве тканей имеются две аминотрансферазы – аналин-аминотрансфераза и глутомат-аминотрансфераза. Они катализируют перенос аминогрупп от большинства аминокислот с образованием аланина и глутаминовой кислоты.
Окислительное дезаминирование аминокислот происходит в клетках печени и почек. Продуктами окислительного дезаминирования являются соответствующие α-кетокислоты. Этот процесс катализирует дегидрогеназа, коферментом которой может быть как НАД, так и НАДФ.
Декарбоксилирование аминокислот-важный метаболитический процесс, в результате которого из аминокислот образуются биологически активные амины.
Конечными продуктами распада аминокислот являются Н2О, СО2 и NН3. Вода поступает в общий метаболический фонд, оксид углерода (IV) беспрепятственно выводится из организма и лишь судьба аммиака нуждается в специальном рассмотрении. Аммиак токсичен для центральной нервной системы, поэтому в организме существуют процессы, в которых происходит связывание (дезактивация) аммиака. Основным путем связывания аммиака в мозге является образование глутамина:
НООС-СН2-СН2-СН-СООН+ NH3+ АТФ→ H2N-C-CH2-CH-COOH+ АДФ+H3PO4
| || |
NH2 O NH2
Глутаминовая кислота глутамин
Глутамин может использоваться не только для синтеза белка, но и для других метаболитических процессов, следовательно, его можно рассматривать как хранилище аммиака. Другим путем связывание аммиака может служить восстановительное аминирование α-кетоглутаровой кислоты, в результате которого образуется глутаминовая кислота. Основным путем связывания аммиака является орнитиновый цикл, называемый также циклом мочевины.
Орнитиновый цикл. Первой реакцией орнитинового цикла является процесс образования карбамоилфосфата из аммиака и оксида углерода (IV) при участии АТФ. Катализирует этот процесс карбамоилфосфатсинтетаза. Интересно отметить, что в данном процессе принимает участие две молекулы АТФ, одна из которых является донором остатка фосфорной кислоты, а другая выполняет энергетическую функцию:
O
карбамоилфосфатсинтетаза ||
NH3+ CO2+ 2АТФ+ H2O————————————→ H2N-C-O-P-OH+ 2АДФ+ НЗРО4
|| |
O OH
Карбамоилфосат-макроэргическое соединение, поэтому следующая стадия процесса-перенос карбамоила на аминогруппу бокового радикала аминокислоты орнитина- происходит довольно быстро. Равновесие этой реакции сдвинуто в сторону синтеза цитруллина. Последующая цепь реакций приводит к конечному продукту обмена азота-мочевине:
NH2 NH2
| O O ОРНИТИНКАРБАМО- | АТФ, асп АРГИНИНОСУКЦИОНАТ-
(CH2)3 || || ИЛТРАНСФЕРАЗА C=O СИНТЕТАЗА
| + H2N-C-O-P-OH——————→ | ————————————→
CH-COOH | NH
| OH |
NH2 (CH2)3
|
CH-COOH
|
NH2
Орнитин Карбамоилфосфат Цитруллин
NH2 COOH NH2
| | |
C = N - CH C=NH COOH
| | | |
NH CH2 аргининосукцинат- NH CH
| | ———————→ | + ||
(CH2)3 COOH лиаза (CH2)3 CH
| | |
CH-COOH CH-COOH COOH
| |
NH2 NH2
Аргининоукцинат Аргинин Фумаровая кислота
NH2
|
C=NH NH2
| H2O | O
NH аргиназа (CH2)3 ||
| —————→ | + H2N-C-NH2
(CH2)3 CH-COOH
| |
CH-COOH NH2
|
NH2
Аргинин Орнитин Мочевина
Хотя аргинин есть во всех клетках организма человека, образование мочевины происходит только в клетках печени-единственном органе, где локализован фермент аргиназа. Мочевина выделяется из клеток печени в кровь и выводится из организма с мочой.
Новообразование аминокислот. Некоторые аминокислоты синтезируются путем переаминирования: пировиноградная кислота является источником аланина, α-кетоглутаровая- глутаминовой, а щавелевоуксусная- аспарагиновой кислот. Глутамин и аспарагин образуются путем прямого аминирования из соответствующих аминокислот. Аминокислоты служат исходным материалом для важных биологических соединений, как гемоглобин, креатинфосфат, некоторые коферменты и, конечно же, белки.
Биосинтез белка. Важнейшим процессом ассимиляции в клетке является синтез белков. Так как белки выполняют в организме целый ряд функций, то необходимо синтезировать тысячи различных белков, тем более что некоторые белки имеют ограниченный срок функционирования, и синтез таких белков не прекращается не на минуту. Каждый человек имеет свой определенный набор белков. Белки являются основой уникальности каждого человека, хотя некоторые белки, выполняющие одну и туже функцию, у разных людей могут быть похожими и даже одинаковыми. С другой стороны все люди хоть немного, но отличаются друг от друга. На Земле нет двух абсолютно одинаковых людей. Индивидуальную неповторимость каждого человека определяют различия в структуре белков.
Вся информация о структуре белка и деятельности клеток, обо всех признаках каждой клетки и организма в целом заключена в ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Эта информация получила название генетической информации. ДНК состоит из генов, которые отвечают за синтез одной белковой молекулы. Каждой аминокислоте белка соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов ДНК-тирплет, или кодон. К настоящему времени составлена карта генетического кода, то есть известно какие триплеты в ДНК соответствуют той или иной аминокислоте. Почему именно триплет? В состав всех белков в организме человека присутствуют из всего многообразия аминокислот только 20. Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число сочетаний 4 по 3 составляет 43=64, то есть ДНК может кодировать 64 аминокислоты. Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько триплетов. Предполагается, что это свойство генетического кода повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало или конец того или иного гена. Очень важное свойство генетического кода – специфичность; один триплет кодирует только одну аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерии до человека.
Носителем генетической информации является ДНК, расположенное в ядре клетки. А синтез белка протекает на рибосомах в цитоплазме клетки. Из ядра в цитоплазму клетки поступает в виде информационной РНК (и-РНК). Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок двухцепочечной ДНК раскручивается на том участке, на котором содержится информация о синтезируемом белке. А затем на одной из цепочек по принципу комплементарности синтезируется и-РНК:
МОЛЕКУЛА ДНК - А -Г-Ц- Г- Т- Т-А-Ц-Т-Г-Ц-
| | | | | | | | | | |
СИНТЕЗИРУЕМАЯ И-РНК -У- Ц- Г-Ц- А-А-У-Г-А-Ц-Г
Таким образом, формируется цепочка и-РНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина урацил). Так информация о белке с «языка ДНК» переводится на «язык РНК». Этот процесс получил название транскрипции. Для синтеза и-РНК необходим особый фермент - РНК-полимераза. В начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором. РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и начинает синтез белка с нужного места. Фермент присоединяет новые нуклеотиды, продолжая синтез и-РНК, до тех пор, пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК – терминатора (УАА, УАГ, УГА). Эта последовательность нуклеотидов указывает на завершение этапа транскрипции.
В цитоплазме обязательно должен находиться полный набор аминокислот, необходимый для синтеза белка. Необходимо помнить, что любая аминокислота может попасть в рибосому, только при помощи специальной транспортной РНК (т-РНК).
И-РНК из ядра переходит в цитоплазму и двигается к рибосомам. В это же время, при помощи т-РНК к рибосомам начинают доставляться аминокислоты, необходимые для синтеза определенного белка. С тем концом и-РНК, с которого должен начаться синтез белка, взаимодействует рибосома. Рибосома представляет собой две субъединицы; малую и большую. И-РНК пресоединяется к функциональному центру рибосомы, откуда начинается синтез белка. При этом начало будущего белка обозначается триплетом АУГ, который является знаком начала трансляции. Так как этот триплет кодирует аминокислоту метионин, то все белки, за исключением спецслучаев, начинаются с метионина. После связывания рибосома начинает двигаться по и-РНК, задерживаясь на каждом ее участке, который содержит два триплета (6 нуклеотидов). Время задержки составляет всего 0,2 с. За это время молекула т-РНК, триплет которой комплементарен триплету, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Та аминокислота, которая была связана с т-РНК, отделяется от «черешка» и присоединяется с образованием пептидной связи к молекуле уже синтезируемого белка и так далее. Когда же рибосома доходит до одного из так называемых стоп-триплетов (УАА, УАГ или УГА), то синтез белка должен быть завершен. Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную или четвертичную структуры. Клетке необходимо большое количество каждого белка. Поэтому, как только первая рибосома продвигается вперед, тут же на ее место нанизывается вторая рибосома и так далее. Все рибосомы, синтезирующие белок на одной и-РНК, называются полисомой. Последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов и-РНК.
На регуляцию белкового обмена влияют нервная система, гормоны гипофиза (соматотропный гормон), щитовидной железы (тироксин), надпочечников (глюкокортикоиды).
Поможем написать любую работу на аналогичную тему