Лекция Обмен белков и аминокислот Ферментативный гидролиз белков

Высокий оборот белка в организме необходим для того, чтобы недолговечные белки (обновляются через несколько часов после их синтеза) могли эффективно заменяться аналогичными молекулами, дабы поддерживать строго определенный уровень метаболизма в клетке. К короткоживущим относятся такие белки, как ключевые ферменты промежуточного обмена. Впрочем, замена необходима и другим белкам – живущим значительно дольше (гистоновые белки, гемоглобин, компоненты цитоскелета).

Полученные с пищей белки подвергаются в желудочно-кишечном тракте полному гидролизу (до аминокислот). Аминокислоты всасываются в кровь и с кровотоком разносятся по всему организму ко всем органам и тканям. Некоторые аминокислоты способны синтезироваться в организме животных и человека, но некоторые должны обязательно поступать с пищей, поскольку не образуются в животных клетках. Это так называемые незаменимые аминокислоты (вал, лей, иле, лиз, фен, три, мет, тре). Аминокислоты не запасаются в организме и поэтому при избыточном их поступлении в организм, они окисляются в печени. Азот, который содержится в аминокислотах (в составе амино- или иминогруппы) превращается в мочевину и в этой форме выделяется через почки (с мочой). Оставшийся углеродный скелет используется при синтезе различных углеводов, липидов, или претерпевает дальнейшее окисление с образованием СО₂, воды и АТФ.

В желудочно-кишечном тракте переваривание белков осуществляется специфическими пептидгидролазами, катализирующими разрыв пептидных связей как у концевых аминокислот (экзопептидазами), так и внутри полипептидной цепи (эндопептидазами).

К эндопептидазам относятся: 1) пепсин, который в кислой среде гидролизует пептидные связи преимущественно рядом с фенилаланином, тирозином, лейцином, а у взрослых животных и людей катализирует свертывание молока (превращение растворимого казеиногена в нерастворимый казеин); 2) функцию свертывания молока в раннем возрасте выполняет более активный в этом отношении, чем пепсин, фермент реннин. Он содержится в желудочном соке детей грудного возраста, а также в сычуге телят и других молодых жвачных животных. Реннин часто называют химозином; 3) трипсин в слабощелочной среде поджелудочного сока гидролизует пептидные связи рядом с аргинином или лизином; 4) химотрипсин предпочтительно гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами гидрофобных аминокислот (тирозина, триптофана, фенилаланина, лейцина); 5) эластаза гидролизует разрыв пептидных связей рядом с аминокислотами, имеющими небольшие незаряженные боковые цепи (глицин, аланин), и только в эластине.

Результатом действия эндопептидаз из длинной белковой молекулы образуются пептиды небольшого размера и немного свободных аминокислот. А вот дальнейший гидролиз пептидов до свободных аминокислот осуществляется в кишечнике экзопептидазами: 1) карбоксипептидазы разрывают пептидную связь с карбоксильного конца пептида (цинксодержащая карбоксипептидаза A укорачивает пептид, отщепляя от него ароматические или другие гидрофобные аминокислоты; карбоксипептидаза B отщепляет основные аминокислоты; карбоксипептидаза C действует на все C-концевые аминокислоты); 2) аминопептидазы катализируют отщепление аминокислот с аминного конца (то есть имеющего свободную аминогруппу). Имеются аминопептидазы, отщепляющие от пептида преимущественно аланин (аланинаминопептидаза), аргинин (аргининаминопептидаза) и другие аминокислоты. Аспартатаминопептидаза отщепляет от пептида аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Лейцинаминопептидаза отщепляет с N-конца как лейцин, так и другие аминокислоты; 3) дипептидазы специфически катализируют гидролиз только дипептидов с образованием двух аминокислот, то есть для действия этого фермента необходимо наличие около гидролизуемой пептидной связи свободных аминной и карбоксильной групп.

Пептидгидролазы пищеварительных желез образуются в их клетках в виде проферментов или зимогенов и активируются в полости желудка и кишечника путем частичного протеолиза – гидролиза одной пептидной связи, после чего происходят конформационные изменения полипептидной цепи и завершается формирование активного центра данного фермента и энзим начинает выполнять присущие ему функции.

Кроме желудочно-кишечного тракта все ткани человека и животных содержат большой набор внутри- и внеклеточных пептидгидролаз, которыми особенно богаты почки, печень, селезенка. Внутриклеточное разрушение белков происходит частично в лизосомах, а частично в протеосомах (в которых разрушаются неправильно свернутые или денатурированные белки).

Внутриклеточные пептидгидролазы тканей (часто называемые катепсинами) по механизму действия и специфичности близки к пепсину, трипсину, карбокси-, аминопептидазам, дипептидазам пищеварительного тракта и нередко изолированы от других внутриклеточных белков, будучи заключены в органоиды (лизосомы и др.). Например, катепсин D по специфичности сходен с пепсином, акрозин (акросомальная пептидгидролаза сперматозоидов) обладает трипсиноподобной активностью, катепсин C (дипептидилпептидаза) отщепляет дипептиды от N-конца, карбоксикатепсин – от C-конца.