КАТАБОЛІЗМ ПРОСТИХ БІЛКІВ

КАТАБОЛІЗМ ПРОСТИХ БІЛКІВ. ТРАВЛЕННЯ, ХІМІЧНИЙ СКЛАД ТРАВНИХ СЕКРЕТІВ, ЗАСВОЄННЯ.

ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ АМІНОКИСЛОТ. ПРОЦЕСИ ДЕТОКСИКАЦІЇ АМІАКУ ТА БІОСИНТЕЗ СЕЧОВИНИ.

Норми білка в харчуванні. Повноцінні та неповноцінні білки. Замінні і незамінні амінокислоти. Азотовий баланс.

 

Білки складають 18-20 % від загальної маси і близько 50 % сухої маси тіла людини. В організмі масою 70 кг є 12-15 кг білків. На відміну від вуглеводів і жирів, в організмі немає резервних білків. У той же час білки відіграють надзвичайно важливі функції в організмі ( пластична, каталітична, енергетична, деякі білки проявляють властивості гормонів, виконують захисну функцію і т.п.). Це означає, що білки дуже динамічні структури, в організм вони постійно надходять із харчовими продуктами, синтезуються, розкладаються, перетворюються в інші речовини.

Організм може тривалий час обходитись без жирів або вуглеводів, але виключення із раціону білків навіть на короткий час призводить до значних порушень, а іноді – до незворотних патологічних змін. За добу в організмі людини оновлюється близько 400 г білків, тобто стільки розпадається до амінокислот і стільки ж синтезується. Частина амінокислот, утворених при розпаді білків, використовується для біосинтезу нових білків із поповненням енергії у вигляді АТФ або перетворюється в непептидні речовини (аміни, гем, тироксин, холін, таурин тощо). Це означає, що для поповнення втрачених під час метаболізму амінокислот організм повинен постійно одержувати білки з продуктами харчування. Під час травлення в шлунково-кишковому тракті білки розпадаються до амінокислот. Утворені амінокислоти використовуються для синтезу білків організму, а також небілкових азотових речовин.

Оскільки на частку білків і вільних амінокислот припадає більше 95% всього азоту в організмі, то за азотовим балансом, тобто різницею між кількістю азоту, що надходить з їжею, і кількістю азоту, що виводиться з організму (переважно у вигляді сечовини), можна оцінювати загальний білковий обмін. Розрізняють три види азотового балансу. В дорослої здорової людини при нормальному харчуванні спостерігається азотова рівновага (нульовий азотовий баланс), тобто кількість азоту, що надходить, дорівнює кількості, що виділяється з організму.

Позитивний азотовий баланс буває під час росту організму, вагітності, одужання після виснажливих захворювань. За цих умов кількість азоту, що надходить в організм, більша за кількість азоту, що виводиться з організму, тобто загальна білкова маса в організмі збільшується.

Негативний азотовий баланс вказує на збільшення кількості ­азоту, що виводиться з організму, порівняно з надходженням. Він спостерігається в похилому віці, при виснажливих захворюваннях, білковому або повному голодуванні. В цих випадках загальна маса білків в організмі зменшується.

Повне виключення білка з їжі призводить до швидкого розвитку негативного азотового балансу, що виражається щоденною втратою близько 4 г азоту, тобто 25 г білка. Це означає, що за умов виключення білка з їжі та при достатньому надходженні всіх інших харчових продуктів за добу організм тратить близько 25 г тканинних білків. У разі повного голодування втрата білків ще більша, оскільки в такому випадку амінокислоти, що утворюються при розпаді тканинних білків, будуть використовуватися і для забезпечення енергетичних потреб організму. Максимальна кількість азоту, що екскретується за цих умов, складає близько 20 г на день, тобто розкладається близько 125 г білка. Тривале голодування, як і повне голодування, неодмінно призводить до смерті. Наслідки білкового голодування: порушення фізичної і психічної активності, зниження вмісту білків плазми, що спричиняє порушення колоїдно-осмотичної рівноваги, набряки, зниження синтезу білків м'язів, недокрів'я, ослаблення діяльності серця, порушення імунітету.

Як було сказано вище, у дорослої людини при нормальному харчуванні має місце азотова рівновага. Якщо в умовах азотової рівноваги підвищити кількість білка в їжі, то азотова рівновага незабаром відновиться, але вже на вищому рівні. Таким чином, азотова рівновага може встановлюватись при значних коливаннях вмісту білка в їжі. Мінімальна кількість білка в раціоні, достатньому за калорійністю, при якій підтримується азотова рівновага, складає 30-50 г. Оптимальним для підтримання нормального стану дорослого організму є споживання 80-100 г повноцінного білка (при важкій фізичній роботі – 100-150 г). У США потреба білка вираховується з розрахунку 1 г на кілограм маси людини.

Висока швидкість синтезу білка точно зрівноважується швидкістю його розпаду. Регуляція обміну білків здійснюється групою гормонів. Зокрема, інсулін, соматотропін, тироксин, чоловічі й жіночі статеві гормони у фізіологічних умовах стимулюють біосинтез білків. Глюкокортикоїди гальмують синтез білків у більшості тканин, за винятком печінки, і стимулюють використання амінокислот для глюконеогенезу.

 

ФАКТОРИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА БІЛКОВИЙ ОБМІН

 

 

Фізіологічна потреба у білку

Наукове обґрунтування фізіологічної потреби у білку відбувається за азотистим балансом. Якщо людина знаходиться на безбілковому харчовому раціоні, то втрати азоту з сечею, калом та потом становлять 85 мг на 1 кг маси тіла. Тоді мінімальна норма споживання білка буде: (85 мг o 6,25) = 0,5 г на 1 кг маси тіла. Така кількість білків забезпечить рівновагу між процесами синтезу та розпаду їх в організмі людини. Враховуючи рівень засвоюваності білків, стресові ситуації, фізичні навантаження, безпечний рівень споживання білків становить 0,75 г на 1 кг маси тіла, а максимальний - 1,1 г. Таким чином:

 

 

Потреба у білках залежить від енерговитрат і становить при енерговитратах більше 3000 ккал - 11 %, 2500-3000 ккал - 12 %, 2000-2500 ккал - 13 % від енергоцінності раціону.

Добова потреба у незамінних амінокислотах та їх вміст у деяких продуктах, г:

 

Поняття біологічної цінності білків та методи визначення

Біологічна цінність білків характеризує здатність їх забезпечити пластичні процеси та синтез метаболічно-активних субстанцій.

Біологічну цінність білків оцінюють хімічними, біохімічними та біологічними методами.

Хімічні методи

При хімічному методі визначення біологічної цінності білків визначають амінокислотний склад білків у гідролізаті, використовуючи аміноаналізатор, та порівнюють його із стандартною амінокислотною шкалою.

Біохімічні методи

При біохімічному методі здійснюють ферментативний гідроліз білків пепсином і трипсином у моделях in vitro, що близькі до умов травлення у живому організмі. При цьому визначають атакованість білків in vitro, яка дає комплексну характеристику максимальної швидкості та глибини гідролізу досліджуваного білка порівняно з еталонним білком (казеїном).

Біологічні методи

 

 

Залежно від біологічної цінності білки продуктів харчування поділяють на 4 класи:

Клас 1. Білки молока, яєць	Клас 2. Білки м'яса, риби, сої, насіння бавовни, соняшника, рапсу	Клас 3. Білки зернових культур	Клас 4. Білки желатину, гемоглобіну
мають високу біологічну цінність і організм спроможний коректувати їх амінограми	мають найоптимальніші амінограми і організм не спроможний коректувати їх амінограми	погано збалансовані за вмістом амінокислот і мають низьку корекцію їх амінограм організмом.	неповноцінні, біологічна цінність наближається до нуля.

 

Біологічна цінність білків визначається їх амінокислотним складом і ступенем засвоєння (ефективністю розщеплення у шлунково-кишковому тракті і рівнем всмоктування амінокислот). В організмі людини із 20 амінокислот, що входять до складу білків, синтезуються 10 (замінні амінокислоти), не синтезуються 8 (незамінні амінокислоти), дві амінокислоти (гістидин і аргінін) синтезуються, але швидкість їх синтезу недостатня для забезпечення потреб організму, зокрема дітей під час інтенсивного росту (частково замінні). До незамінних амінокислот відносяться лізин, лейцин, ізолейцин, валін, треонін, метіонін, фенілаланін, триптофан. Добова потреба в них – від 0,5 г (для триптофану) до 2,0 г (для лейцину, фенілала­ніну). Замінні амінокислоти утворюються із проміжних продуктів вуглеводного обміну. Виключення із дієти навіть однієї з незамінних амінокислот швидко призводить до порушення синтезу білка, негативного азотового балансу.

Вміст незамінних амінокислот визначає харчову цінність того чи іншого білка. Біологічна цінність білка тим більша, чим ближче його амінокислотний склад до середнього амінокислотного складу білків тіла людини. До білків з біологічною цінністю, що містять усі незамінні амінокислоти в оптимальних співвідношеннях і легко перетравлюються, відносяться білки курячого яйця, м'яса, риби, молока. Рослинні білки містять недостатню кількість незамінних амінокислот, зокрема лізину, метіоніну, триптофану і тому є менш цінними. Але із неповноцінних білків можна скласти повноцінну суміш, що буде містити збалансований набір незамінних амінокислот, в якій білки будуть доповнювати один одного, і нестача окремих амінокислот компенсуватиметься. Неповноцінні білки, що разом складають повноцінну суміш, повинні надходити в організм одночасно.

 

Класифікація амінокислот

 

 

Ступінь засвоєння білків їжі залежить від ефективності їх розпаду під впливом ферментів шлунково-кишкового тракту. Ряд білків, наприклад, шерсті, волосся, не гідролізуються ферментами кишечника. Рослинні білки злакових не можуть повністю перетворюватись, оскільки білкова частина зерен захищена оболонкою із целюлози й інших полісахаридів, які не гідролізуються травними ферментами. В цілому, тваринні білки засвоюються краще, ніж рослинні, і тому потрібно споживати щоденно не менше 30 % білків тваринного походження.

В організм людини білки надходять з рослинною і тваринною їжею, яка містить неоднаковий вміст білка. Так, в м'ясі білка міститься в середньому 18-22 %, в рибі – 17-20 %, в молоці – 3-3,5 %. Сир містить 20-36 % білка, хліб – 7-8 %, яйця – 13 %, горох, соя, квасоля – 26-36 %; овочі, фрукти – 0,5-1,5 %. Отже, з рослинних продуктів тільки горох, соя та квасоля займають провідне місце за вмістом білка.

 

Травлення білків у шлунку

Травлення білків відбувається в шлунку і кишечнику. В шлунку розщепленню білків сприяють два чинники:

1) протеолітичні ферменти;

2) кисле середовище.

 

http://www.youtube.com/watch?v=y8Ftc1wIeT0&feature=player_detailpage#t=0s

http://www.youtube.com/watch?v=1GggZ7E7WKY

 

Основним ферментом шлунка є пепсин, оптимальне значення рН якого знаходиться в межах 1,5-2,5. При зростанні рН дія пепсину слабшає, а при рН 5-6 – він просто не діє. Кисле рН у шлунку створюється завдяки соляній кислоті. Вона утворюється в обкладкових клітинах шлункових залоз і секретується в порожнину шлунка, де її концентрація сягає 0,16 М. За рахунок цього шлунковий вміст має значення рН у межах 1,5-2,5. Соляна кислота в шлунку стимулює перетворення неактивного пепсиногену в активний пепсин, створює оптимальне рН для його дії, викликає набухання білків. Крім того, вона запобігає розвитку в шлунку мікрофлори, стимулює вироблення секретину та прискорює всмоктування заліза. При гастритах і зменшенні кислотності шлункового соку гнилісні процеси в шлунку можуть бути причиною неприємного запаху з рота у хворих.

Пепсин виділяється основними клітинами залоз шлунка в неактивній формі, у вигляді проферменту (попередника пепсину) – пепсиногену. Останній під впливом соляної кислоти перетворюється в активний протеолітичний фермент – пепсин. Перетворення пепсиногену в пепсин може відбуватися і під впливом самого пепсину, тобто автокаталітично:

 

 

 За допомогою НСl перетворення здійснюється повільно, тоді як автокаталітичний процес – дуже швидко. Таким чином, соляна кислота ініціює утворення активного пепсину, який швидко за автокаталітичним механізмом спричинює утворення решти пепсину із пепсиногену. Активний пепсин утворюється за рахунок відщеплення від пепсиногену пептидного ланцюга із 42 амінокислотних залишків.

У залишеній частині молекули відбувається конформаційне перетворення і утворюється активна форма пепсину. Пепсин частково всмоктується в кров і через нирки виділяється в сечу (уропепсин), активність його іноді визначається в клініці, особливо в педіатрії, для оцінки секреторної діяльності слизової шлунка. Зменшення секреції шлункових залоз супроводжується зниженням активності уропепсину, і, навпаки, гіперсекреція, зокрема виразкова хвороба шлунка, призводить до підвищення активності уропепсину.

Іноді в клініці визначають активність пепсину в шлунковому соці. Це дозволяє відрізнити анацидний стан (відсутність НСl при наявності пепсину) від справжньої ахілії, коли слизова шлунка не виробляє ні соляної кислоти, ні пепсину. Визначення концентрації соляної кислоти в шлунковому соку також використовується для діагностики деяких захворювань шлунка. Для дослідження секреції соляної кислоти спершу відкачують вміст шлунка за допомогою зонда, після цього підшкірно вводять гістамін, який стимулює секрецію соляної кислоти. Наступні проби шлункового соку, взяті кожні 15 хв з часу введення гістаміну, дають змогу виключити або підтвердити діагноз ахілії чи анацидного гастриту. Висока кислотність буває при виразці шлунка і дванадцятипалої кишки. Низька кислотність характерна для гіпоацидних гастритів. Повна відсутність кислоти (анацидітас) спостерігається при атрофічних гастритах. За цих умов, як правило, відсутній і пепсин, тобто не утворюється шлунковий сік (ахілія). Через відсутність внутрішнього фактора Кастла, що є необхідним для всмоктування вітаміну В₁₂, ахілія нерідко супроводжується анемією.

 

Активність пепсину у базальному шлунковому секреті та при стимуляції шлункових залоз

 

 

Різні білки розщеплюються пепсином з неоднаковою швидкістю. Зовсім не перетравлюються пепсином кератин, колаген. Легко розщеплюються м'язові білки (міоген, міозин), а також альбуміни і глобуліни. Пепсин гідролізує пептидні зв'язки, утворені аміногрупами ароматичних амінокислот (фенілаланін, тирозин), а також лейцину і глутамінової кислоти. Білки їжі в шлунку розщеплюються до поліпептидів і коротких пептидів.

У шлунку діють пепсини А, В, С (гастриксин), які утворюються з пепсиногену I та II і проявляють оптимальну активність при різних значеннях рН – від 1,0 до 3,0.

У дітей грудного віку залозами слизової шлунка виробляється фермент хімозин (ренін). Синтезується він у вигляді прохімозину, який при рН 5,0 перетворюється в активну форму. Хімозин перетворює казеїноген молока у нерозчинну кальцієву сіль казеїну за рахунок відщеплення пептиду. Такий комплекс затримується довше у шлунку, що сприяє його розщепленню ферментом; рН-оптимум хімозину лежить в межах 3,5-5,0. Він активується іонами кальцію.

Шлунковий сік – безбарвна, прозора, слабоопалесціювальна рідина з питомою густиною 1,002 – 1,007 г/см³ та сильнокислою реакцією (рН 1,5 – 2,5), до складу якої входить вода  (99 – 99,5%), ферменти (пепсин, гастриксин тощо), муцин, гідрохлоридна кислота  та інші речовини.

Надзвичайно важливе клінічне значення має вивчення кислотоутворювальної функції шлунка, яке складається з двох аспектів: а) визначення концентрації вільної  гідрохлоридної кислоти і загальної кислотності; б) отримання інформації про дебіт-годину гідрохлоридної кислоти.

Кисла  реакція шлункового соку зумовлена наявністю гідрохлоридної кислоти (НСl), кислореагуючих фосфатів, а при патологічних процесах – молочної кислоти і летких жирних кислот. Сукупність усіх кислореагуючих речовин шлункового соку називають загальною кислотністю.

Загальну кислотність шлункового соку чисельно виражають у мілілітрах 0,1 н. Розчину натрію гідроксиду, необхідного для нейтралізації 100 мл шлункового соку в присутності індикатора фенолфталеїну (інтервал переходу рН 8,2 – 10).

Вільну гідрохлоридну кислоту  в шлунковому соку вимірюють у мілілітрах  0,1 н. розчину натрію гідроксиду, затраченого на нейтралізацію шлункового соку в присутності індикатора 2,4-диметиламіноазобензолу (рН переходу 2,9 – 4).

Підвищення вмісту гідрохлоридної кислоти та загальної кислотності (гіперхлоргідрія) спостерігають при виразковій хворобі шлунка, гіперацидному гастриті.

Зниження вмісту вільної гідрохлоридної кислоти та загальної кислотності (гіпохлоргідрія) спостерігають при гіпоацидному гастриті, раку шлунка.

Значне зниження загальної кислотності та повна відсутність гідрохлоридної кислоти (ахлоргідрія) вказують на рак шлунка, хронічний гастрит.

Відсутність гідрохлоридної кислоти та пепсину (ахілія) виявляють при злоякісній анемії, раку шлунка.

 

Ферментоутворювальна функція шлунка

Вивчення показників ферментної активності шлункового соку має важливе діагностичне значення і дозволяє достовірно оцінити ефективність лікування. Протеолітична активність шлункового соку забезпечується в основному (до 95% і вище) пепсином і гастриксином.

Пепсиногени продукуються в фундальному й антральному відділах шлунка, а також в проксимальному відділі дванадцятипалої кишки. За імунохімічними характеристиками їх поділяють на дві групи. Пепсиноген І  виявляють у всіх вищевказаних відділах, тоді  як пепсиноген ІІ не спостерігають у фундальному відділі шлунка. Пепсиногени, які продукуються головними клітинами шлунка, майже повністю надходять у його просвіт, де вони розщеплюються до пепсину. Приблизно 1% пепсиногену виділяється в кров. В сироватці крові виявляють обидва пепсиногени, а в нормальній сечі – тільки пепсиноген І. Існує позитивна кореляція між рівнем сумарного сироваткового пепсиногену і шлунковою секрецією кислоти.

 

Вміст пепсиногену в сироватці крові та сечі

 

 

Підвищення рівня сироваткового пепсиногену І спостерігають при виразковій хворобі, гастродуоденіті, а також при сепсисі, інфаркті міокарда, шоці.

Зниження рівня сумарного сироваткового пепсиногену – після операцій на шлунку та при атрофічному гастриті.

 

Відсутність пепсину і гідрохлоридної кислоти (ахілія) спостерігають при злоякісній анемії, раку шлунка.

 

Мікрофлора шлунка. За умов норми шлунок натще майже не містить бактеріальної флори. Не дивлячись на бактерицидну дію гідрохлоридної кислоти, у шлунку в невеликій кількості наявні ентерококи, молочнокислі бактерії, стрептококи, стафілококи, гриби, а кількість мікроорганізмів не перевищує 1000 мікробних тіл в 1 мл шлункового соку. Посилене розмноження мікрофлори відбувається у хворих з анацидним і гіпоанацидним гастритами після вживання препаратів, що гальмують виділення гідрохлоридної кислоти. Зменшення або повне зникнення бактерій спостерігають при гіперацидному гастриті. Мікробна флора шлунка змінюється при дуодено-гастральному рефлюксі та зниженні моторики тонкої кишки. Найбільший інтерес викликає спіралеподібний грамнегативний мікроорганізм Неlісоbасtеr руlоrі (Н. руlorі). Дослідження останніх років висвітлили механізм розвитку хронічних захворювань травного тракту при зараженні Н. руlоrі. Основною причиною є висока адгезивна спорідненість бактерій до мембран епітеліальних клітин слизової оболонки шлунка, яка створює умови для дії бактеріальних ферментів, що виділяються Н. руlоrі у великій кількості (уреаза, ліпаза, фосфоліпаза, протеаза і каталаза) і пошкоджують слизову оболонку. Серед існуючих методів діагностики Н. руlоrі поширені ті, які грунтуються на виявленні в біоптаті ферменту уреази. Н. руlоrі визначають при виразках дванадцятипалої кишки у 92 – 100% хворих, гастритах у близько 90%, виразці шлунка – 70 – 80%, раку шлунка – до 80%, диспепсії без виразок у 40 – 70% хворих.

 

Види кислотності шлункового соку, методи їх визначення.

Перед початком визначення кислотності шлунковий вміст фільтрують через кілька шарів марлі. Її визначають методом титрування з 0,1 NаОН. До складу загальної кислотності входять вільна та зв’язана НСІ, органічні кислоти, кисло реагуючі фосфати. В нормі загальна кислотність 40-60 титраційних одиниць, вільна НСІ – 20-40 т. о., зв’язана – 10-15 т. о. решта кислих валентностей (кислотний залишок) – 4-8 т. с. Для визначення кислотності, дебіту, дефіциту хлороводневої кислоти, оцінки МАО, ВАО, користуються методом Міхаеліса. До 5-10 мл шлункового соку додають 2 краплі 1% спиртового розчину фенолфталеїну, 1-2 краплі 0,5% спиртового розчину диметіламіноазобензолу і титрують 0,1 И розчином NаОН. при цьому відмічають 4 моменти: I – червоне забарвлення до початку титрування, II – від початку титрування до появи кольору сьомги, III – перехід жовто-оранжевого кольору в лимонно-жовтий, IV – поява стійкого рожевого забарвлення.

Визначення вільної кислоти проводять за другим моментом, шляхом множення стриманої цифри на 20 (5 мл соку) чи 10 (10 мл соку). Загальна кислотність визначається за IV моментом, тим самим розрахунком. Зв’язана НСІ визначається за III моментом. Вираховується середнє арифметичне між III і IV моментами титрування і множаться на 20, 10. так отримується кількість всієї НСІ.

Кількість зв’язаної НСІ дістають шляхом віднімання від усієї НСІ вільної НСІ. Для більш об’єктивної оцінки кисло утворюючої функції шлунку введено поняття “дебіт-години” – це кількість НСІ, що виділяється за 1 год. виражена в мікро еквівалентах.  Відсутність в шлунковому вмісті вільної НСІ, вказує на пригнічення кисло утворюючої функції, котру оцінюють за дефіцитом НСІ. Дефіцит НСІ – це кількість 0,1 И соляної кислоти, котру треба додати до шлункового вмісту, щоб отримати позитивну реакцію на вільну НСІ. Визначають титруванням шлункового соку 0,1 N HCІ до появи вільної НСІ в присутності індикатора диметиламідоазобензолу. Дебіт-годину розраховують для кожної порції фракційного дослідження. чи  де Д – дебіт НСІ в мг чи ммоль/л, V – кількість шлункового соку за певний проміжок часу, Е – вільна НСІ в ммоль/л, 36,5 – відносна молекулярна маса НСІ. Після цього розраховують дебіт-годину для всіх порцій разом. Розрізняють дебіт вільної, зв’язаної НСІ, а також загальної кислотності. Дебіт час НСІ базальної секреції.ВАО – базальна кислотна продукція (від basal acid output) САО – стимулююча кислотна продукція (від stimul acid output) МАО – максимальна кислотна продукція (від maximal acid output), тобто дебіт-година НСІ при максимальній гістаміновій стимуляції. РАО – пікова кислотна продукція тобто дебіт максимальної гістамінової стимуляції в порціях, що відрізняються найбільшим вмістом хлороводневої кислоти. В лабораторній практиці для спрощення визначення дебіт-години НСІ, користуються номограмою Калініченко В. В. (1968 р.). Норми дебіту хлороводневої кислоти в ммоль/л: базальна – 1-4 ммоль/л, стимульована – 1-4,5 ммоль/л, стимульована гістаміном – 6,5-12 ммоль/л. Показники дебіту соляної кислоти знаходяться в прямій залежності від маси обкладочних клітин, котрі забезпечують кисло утворюючу функцію шлунку. Дефіцит НСІ вказує на наявність лужних компонентів. Його збільшення понад 20 ммоль/л свідчить про присутність продуктів розпаду, гною, крові в шлунку. Дефіцит вище 40 ммоль/л вказує відсутність НСІ, тобто повну ахлоргідрію.

Шлунковий сік має в собі групу протеолітичних ферментів – пепсин, гастрін, ренін, котрі розщеплюють білки. Пепсин виділяється в неактивному стані у вигляді пепсиногену головними клітинами слизової оболонки шлунку і активується соляною кислотою. Гастрин, крім гідролізу білків, стимулює кисло утворюючу функцію шлунку, секрецію підшлункової залози та жовчі. При визначенні ферментоутворюючої функції шлункового вмісту частіше всього оцінюють активність пепсину. Одним з найбільш поширених є метод Туголукова, з допомогою якого визначають пепсин шлункового соку, пепсиноген крові, уропепсиноген. Співставлення даних дозволяє судити про кількість пепсину по кількості перевареного білка сухої плазми. Нормальні величини: - у шлунковому вмісті натще – 0-21 г/л, - після введення подразника – 20-40 г/л, - дебіт-година пепсину при базальній секреції – 1-4 г/л, - дебіт-година пепсину при субмаксимальній стимуляції гістаміном – 5-9 г/л. Відсутність пепсину спостерігається при новоутвореннях. Помилки у визначенні кислотності можуть бути за рахунок неточностей в індикаторному методі, а також через неповну аспірацію шлункового вмісту. На сучасному етапі існує точний метод визначення кислотності – внутрішньо шлункова рН-метрія, для дослідження використовують зонд Лінара. Метод відноситься до функціональних методів дослідження. Зонд Лінара має товщину 5 мм, довжину до 1,5 м, покритий м’яким пластиковим чохликом, оснащений двома електродами – каломельним – для визначення рН-середовища в воротаревій ділянці шлунку та сурм’яним – для визначення рН-середовища в тілі шлунку. За допомогою цього методу можливе динамічне спостереження за виділенням соляної кислоти під час їжі, після введення гістаміну, при наявності в шлунку крові, гною, жовчі. Метод є більш чутливим ніж титраційний, дозволяє визначати кислотність від 2,6 до 6,9, тобто коли титраційний метод дає анацидність. Анацидність встановлюється лише при рН 8. В залежності від величини рН тіла шлунку виділяють 5 видів станів: - сильно кислий шлунок – рН 0,9-1,9, - середньо кислий – рН 2,0-2,9, - помірно кислий – рН 3,0-4,9, - слабко кислий – рН 5,0-6,9, - лужний шлунок – рН 7,0-8,9. В нормі в тілі шлунку рН 5,0-6,0, в воротаревій печері – 7,0, що вказує на фізіологічний спокій секреції. 20-40 т.с. вільної НСІ відповідають внутрішньошлуночковому рН 1,3-1,7. За 12-14 год. припиняється прийом їжі. рН-метр вмикають за 30 хв. до дослідження, обробляють 70% спиртом. Вводять хворому в сидячому положенні. Для визначення базальної секреції, реєструють показники через кожні 5 хв. на протязі 20 хв. Зондовий метод визначення кислотності дає обширну інформацію, але він нефізіологічний і важко переноситься хворими. Тому в певних випадках використовують без зондові методи, хоча вони і є менш точними. Десмоїдна проба в 1911 році запропонована Салі і в даний час використовується як орієнтовний тест для виявлення ахлоргідрії. В тонкий еластичний мішечок зав’язують 0,15 г метиленового синього. Діаметр мішечка не більше 5 мм. Його поміщають в воду на 24 год. для перевірки герметичності. Хворий натще ковтає його, снідає. Сечу збирають через 3,5 і 20 годин. При нормальній секреції шлунку перша порція сечі не забарвлюється, друга – блідо-зеленого кольору, третя – інтенсивного синьо-зеленого кольору. При гіперхлоргідрії всі три порції забарвлені, при зниженій кислотності – забарвлена лише третя порція сечі. Сеча не забарвлюється при ахлоргідрії. Проба рекомендована для поліклінічних та санаторних умовах. Визначення кислотності шлункового соку за допомогою іонообмінних смол основане на здатності насичених хініном або борвником смол до обміну іонів в кислому середовищі, тобто іони насиченої речовини обмінюються на іони водню, при цьому індикатор звільнюється з смоли, всмоктується і виділяється з сечею. Смоли не токсичні для оранізму і випускаються промислово: “діагнесблю”, гастро тест, ацидотест, магентест, разом з кольоровою шкалою, для порівняння забарвлення сечі. Без зондові методи використовуються у хворих з абсолютними проти показами до зондування. Значення мікроскопічного дослідження шлункового вмісту невелике, але його проводять у всіх порціях для отримання додаткових даних про стан слизової оболонки шлунку. Особливо ретельно вивчають вміст порції натще для виявлення елементів застою та новоутворень. Всі елементи, що зустрічаються при мікроскопії, ділять на: - елементи слизової оболонки,- залишки їжі, - мікрофлора.

 

Патологічні складові частини шлункового соку, їх виявлення, значення в діагностиці.

Патологічними складовими частинами шлункового соку, які найчастіше зустрічаються, є молочна кислота, кров і жовч.

 

Виявлення молочної кислоти в шлунковому соку

 

Молочна кислота утворюється паличками молочнокислого бродіння в застійному вмісті при відсутності вільної соляної кислоти, а також як продукт метаболізму ракових клітин. На наявність молочної кислоти досліджують порції шлункового вмісту, отримані натще, використовуючи якісну реакцію Уффельмана.

 

Виявлення крові в шлунковому соку

Кров може попадати в шлунковий сік при кровотечі із стінок шлунка, з варикозно розширених вен стравоходу, при легеневих кровотечах, а також із їжею.

Принцип методу

При наявності крові в шлунковому соку пероксидаза, використовуючи як акцептор електронів Н2О2, окиснює бензидин з утворенням синього забарвлення.

 

Виявлення жовчних пігментів у шлунковому соку

 

Жовчні пігменти (білірубін, білівердин) можуть потрапляти в шлунковий вміст внаслідок антиперистальтики кишечника. Наявність жовчних пігментів зумовлює характерний трав’янисто-зелений або жовтий колір шлункового вмісту.

Принцип методу

Жовчні пігменти при наявності концентрованої азотної кислоти здатні утворювати на межі двох рідин кольорові кільця в такій послідовності: зелене, синє, фіолетове, червоне, червоно-жовте. Реакція дає можливість виявити білірубін у розведенні 1:80000.

 

Травлення білків у кишечнику

Травні соки кишечника містять протеолітичні ферменти підшлункової залози і власне кишечника. Підшлункова залоза секретує проферменти: трипсиноген, хімотрипсиноген, проеластазу. Сік підшлункової залози являє собою слабколужну рідину (рН 7,2-7,8) завдяки вмісту гідрокарбонату натрію.

 

Під впливом ферменту кишечника ентерокінази (ентеропептидази) трипсиноген перетворюється в трипсин. Це відбувається за рахунок гідролітичного відщеплення від трипсиногену гексапептиду. Перетворення три­псиногену в трипсин здійснюється автокаталітичним шляхом. Всі інші проферменти переходять в активну форму під впливом трипсину.

Трипсин і хімотрипсин – подібні за структурою та функцією ферменти, що каталізують розщеплення поліпептидних молекул у ділянці пептидних зв’язків: трипсин – у ділянці лізину та аргініну, хімотрипсин – карбоксильних груп тирозину та фенілаланіну, ендопептидази.

 

Активність ферментів трипсину та хімотрипсину

в біологічних субстратах

 

 

Підвищення активності трипсину та хімотрипсину в сироватці крові спостерігають при гострому панкреатиті. Менш виражене підвищення активності ферменту – при хронічному панкреатиті.

Зниження активності трипсину і хімотрипсину в крові виявляють при карциномі підшлункової залози, порушенні всмоктування в кишках.

Визначення фекального трипсину і хімотрипсину є прямим методом кількісної оцінки панкреатичних ферментів. він може мати деяке значення як скринінг-тест при захворюваннях підшлункової залози. Визначення вмісту хімотрипсину в калі доцільно проводити при стеатореї та під час скринінгу кістозного фіброзу.

Трипсин, хімотрипсин і еластаза як ендопептидази походять від одного попередника. Дія трипсину спрямована на пептидні зв'язки, утворені карбоксильними групами лужних амінокислот (аргінін, лізин) та аміногрупами інших амінокислот. Хімотрипсин переважно гідролізує ті пептидні зв'язки, які утворені карбоксильними групами ароматичних амінокислот (тирозин, фенілаланін, триптофан) й аміногрупами інших амінокислот. Інакше, за субстратною специфічністю хімотрипсин подібний до пепсину. Саме тому при ахілії або резекції шлунка білкова їжа буде перетравлюватись до кінця. Фермент еластаза має ширшу субстратну специфічність, але найкраще гідролізує пептидні зв'язки, що утворені гліцином, серином, аланіном та проліном.

У травленні білків у тонкому кишечнику активна участь належить і екзопептидазам: карбоксипептидазам, що синтезуються в підшлунковій залозі й активуються трипсином. Розрізняють карбоксипептидази А і В. Вони відщеплюють від поліпептидів С-кінцеві амінокислоти. Карбоксипептидаза А (містить іон цинку) відщеплює від поліпептидного ланцюга крайні ароматичні амінокислоти, а карбоксипептидаза В відщеплює лужні амінокислоти (аргінін, лізин). До амінопептидаз відносяться аланінамінопептидаза і лейцинамінопептидаза, які відщеплюють відповідно з N-кінця аланін чи лейцин. Завершують гідролітичне розщеплення білків до амінокислот дипептидази, які розщеплюють окремі дипептиди. Наприклад, гліцилгліциндипептидаза розщеплює дипептид до 2-х молекул гліцину. Важливо, що основні процеси гідролізу білків (як і вуглеводів та жирів) перебігають на поверхні слизової оболонки кишечника (так зване пристінкове, або мембранне травлення). У мембранному травленні пептидів беруть участь ферменти екзопептидази (карбоксипептидази, амінопептидази) і дипептидази.

Підшлунковий сік (1,5 – 2 л) – безбарвна прозора рідина лужної реакції (рН = 8 - 8,5) містить велику кількість ферментів, які гідролізують білки, жири, вуглеводи.

Секреція підшлункового соку починається через 2-3 хвилини після вживання їжі (триває протягом 4-10 годин (залежно від характеру їжі). Цей процес починається з подразнень їжею рецепторів ротової порожнини та дії умовно-рефлекторних подразників. Активізують підшлункову секрецію 1. Харчова кашка, яка подразнює нервові закінчення 12-палої кишки. 2. Особлива речовина – секретин, що утворюється в стінці 12-палої кишки під дією соляної кислоти шлункового соку. Центр регуляції підшлункової секреції міститься у довгастому мозку.

Сік підшлункової залози діє найсильніше бо він має основні ферменти трипсин і хімотрипсин перетворюють білки до амінокислот. Трипсин утворюється з трипсиногону після його активації ентерокіназою – ферментом, який виробляється 12-палою кишкою. З вуглеводних ферментів найважливішою є амілаза, яка гідролізує крохмаль до дисахаридів; мальтаза перетворює дисахариди на моносахариди (глюкозу), лактаза розщеплює цукор молока до моносахаридів, нуклеаза діє на нуклеїнові кислоти; ліпаза розщеплює жири на гліцерин і жирні кислоти (цьому допомагає жовч, яка емульгує жири).

Кишковий сік на відміну від соку підшлункової залози мутнуватий, бо вміщує клітини злущеного епітелію та інші елементи. В ньому знаходяться ферменти пептидази, що розщеплюють поліпептиди до амінокислот, а також вуглеводні ферменти: сахараза, лактоза, мальтаза й ентерокіназа та ліпаза. (Ентерокіназа – названа Павловим „ферментом ферментів”, відкрита Шеповальниковим в лабораторії Павлова в 1899 році.).

За добу кишкового соку виділяється близько 3 л. Секреція кишкових залоз збуджується внаслідок механчної і частково хімічної дії хімусу на стінку кишки.

 

Дуодентальний вміст

Дуоденальний вміст – це вміст просвіту дванадцятипалої кишки, суміш жовчі з панкреатичним, шлунковим і кишковим соками.

a-Амілаза – фермент, що гідролізує a-1,4-глюкозидні зв'язки вуглеводів (крохмаль, глікоген тощо). У людини a-амілаза секретується підшлунковою та слинними залозами. У здорових людей  вміст слинної і панкреатичної амілази в крові приблизно однаковий, у сечі вміст панкреатичної амілази вдвічі вищий, ніж амілази слинних залоз.

 

Активність ферменту a-амілази у біологічних субстратах

 

 

Підвищення активності a-амілази має місце при гострому панкреатиті, кісті підшлункової залози, закупорці протоки підшлункової залози (пухлиною, камінням, спайками), гострому холециститі, діабетичному ацидозі, гострій алкогольній інтоксикації тощо.

Зниження рівня a-амілази спостерігають при гострому та хронічному гепатиті, цирозі, новоутвореннях печінки, недостатності підшлункової залози. Низькі концентрації a-амілази виявляють у дітей віком до 1 року.

Підвищення a-амілази в сечі відбувається паралельно до її підвищення в крові. Але після нападу панкреатиту показник амілази крові може досить швидко повернутись до норми, а в сечі цей показник може залишатися підвищеним до 7 днів.

Панкреатична ліпаза – фермент, що руйнує ефірні зв’язки триацилгліцеринів з вивільненням залишків гліцеролу і жирних кислот. Першим продуктом гідролізу є діацилгліцерини, які в процесі дальшого розщеплення перетворюються на β-моноацилгліцерини (ліпази, що діють переважно на β-моноацилгліцерини, знайдені в слизовій оболонці кишок). Ліпаза підшлункової залози практичнно не впливає на  β-моноацилгліцерини). Секретується в  підшлунковій залозі, у великій кількості  виявляють у дуоденальному вмісті. У сироватці крові активність ферменту низька.  Ліпаза – термолабільний фермент і затемператури 37^оС  частково ін активується

Норма в панкреатичному соці 50 – 1 500 МО, у сироватці крові – 0 – 470 нмоль/л.

Підвищення активності панкреатичної ліпази  в  крові спостерігають  при гострому панкреатиті, затримці жовчі в печінці (внутрішньопечінковому холестазі), хронічному панкреатиті (обструктивному), недостатності роботи нирок (коли рівень креатиніну в плазмі крові знижується до 0,264 ммоль/л, або 30 мг/л.

Зниження показників активності ліпази виявляють у хворих туберкульозом, сифілісом, раком, при різних інфекційних захворюваннях.

Багато метаболітів, що утворюються в підшлунковій залозі, або вивільняються в процесі обміну, порушують функціонування екзокринної частини залози і визначення вмісту деяких метаболітів може служити важливим  клінічним тестом.

Кишковий сік

При захворюваннях тонкої та товстої кишок обов’язковим є  визначення активності ферментів  ентерокінази і  лужної фосфатази. Дослідження травних ферментів (ентерокінази і лужної фосфатази) в калі дітей має практичне значення для оцінки стану кишок на різних етапах запального процесу (особливо гострого).

 

 

 

 

Ентерокіназа каталізує процес перетворення трипсиногену панкреатичного соку на трипсин і є високоспецифічним ферментом (належить до мукопротеїдів). Виробляється ентерокіназа переважно в дванадцятипалій кишці та верхньому відділі тонкої кишки.

 

Активність ферменту ентерокінази в біологічних субстратах

 

 

Підвищення активності ентерокінази  в калі спостерігають при ентероколітах і гострих кишкових захворюваннях, що супроводжуються діареєю.

Зниження  активності ентерокінази в калі має місце при хронічних розладах харчування, парентеральній диспепсії, ексудативному діатезі тощо.

 

Всмоктування продуктів розщеплення білків

 

Амінокислоти швидко всмоктуються в мікроворсинках тонкого кишечника. Але при наявності фруктози і галактози всмоктування їх сповільнюється. Всмоктування амінокислот – активний процес і вимагає енергії АТФ, за механізмом подібне до всмоктування глюкози і тому залежить від транспорту в клітини натрію.

http://www.youtube.com/watch?v=STzOiRqzzL4

http://www.youtube.com/watch?v=NewpaNwevFk

 

Всмоктування амінокислот здійснюється за допомогою спеціальних транспортних систем. Транспорт амінокислот, подібно до транспорту моносахаридів, є вторинним активним і для його здійснення необхідний градієнт іонів Na⁺, що створюється Na⁺, К⁺-АТФ-азою мембрани епітелію кишечника. Існує декілька переносників для амінокислот: 1)нейтральних з коротким вуглецевим ланцюгом; 2) нейтральних з довгим ланцюгом; 3) основних; 4) кислих; 5) проліну. Амінокислоти кожної групи конкурують між собою за зв'язування з відповідним переносником. Під час транспорту амінокислот через мембрану ентероцитів іон Na⁺ входить разом з амінокислотами всередину клітини. Звідси натрій відкачується за допомогою Na⁺, К⁺-АТФази, а амінокислоти залишаються всередині клітини.

Гальмують транспорт амінокислот через мембрани ентероцитів галактоза та фруктоза.

Описана ще одна система транспорту амінокислот через плазматичну мембрану ентероцитів та інших клітин (мозку, нирок) – гамма-глутамільний цикл. У ньому беруть участь шість ферментів, з яких один (гамма-глутамілтрансфераза) знаходиться в мембрані, а інші – в клітині. Перенесення амінокислоти здійснюється гамма-глутамілтрансферазою. Кофактором цього ферменту є трипептид глутатіон (гама-глутамілцистеїнілгліцин). Під впливом гамма-глутамілтрансферази відбувається реакція між амінокислотою і глутатіоном:

 

амінокислота+глутатіон ® гама-глутаміл-амінокислота+цистеїнілгліцин

 

Інші п'ять ферментів циклу забезпечують відщеплення в цитоплазмі клітини амінокислоти від гамма-глутаміну та ресинтез глутатіону.

У кишечнику відбувається всмоктування невеликої кількості дипептидів і негідролізованих білків. Вони всмоктуються шляхом піноцитозу і всередині клітин гідролізуються лізосомальними протеазами. Мізерна кількість білків, що надходить з кишечника в кров, виводиться нирками (пепсин, підшлункова амілаза) або розкладається протеазами крові. Проникність слизової кишечника у новонароджених вища, ніж у дорослих. Це має фізіологічне значення, бо в кров дитини можуть потрапляти антитіла молока. В декотрих випадках у новонароджених із кишечника в кров можуть всмоктуватися і нативні білки, що призводить до сенсибілізації організму і може служити причиною ідіосинкразії до білкової їжі.

Травлення білків регулюється системою гормоноподібних речовин, які виробляються в клітинах травного тракту. Більшість із цих речовин відноситься до пептидів. Тільки гістамін є аміном гістидину. Гормоноїди виділяються під впливом їжі і через кров проявляють свою регуляторну дію. Так, надходження їжі в шлунок стимулює виділення гістаміну і гастрину, які зумовлюють секрецію пепсину і соляної кислоти, необхідних для травлення білків у шлунку. Надходження їжі в дванадцятипалу кишку служить стимулом для виділення ентерогастрину, який гальмує секрецію шлункового соку.

Слизова тонкої кишки у відповідь на надходження сюди їжі відповідає виділенням цілої групи регуляторів (секретин, холецистокінін-панкреозимін, хімоденін, ентерокінін), які проникають у кров і забезпечують швидке виділення травних соків підшунковою залозою та слизовою кишки. Порушення секреції регуляторів супроводжується змінами процесів травлення їжі.

В основі патології травлення білків знаходяться нестача травних ферментів і відповідних їм коферментів та порушення процесів всмоктування в кишечнику. Нестача соляної кислоти і пепсину в шлунку істотно не відбивається на травленні білків, оскільки в кишечнику є достатньо протеолітичних ферментів, що компенсують її. Однак дефіцит соляної кислоти призводить до розвитку мікробної флори та гниття у шлунку. При нестачі протеаз підшлункової залози спостерігаються неперетравлення білків, виділення їх з калом та відносне білкове голодування. Непере­травлені білки зазнають змін під дією мікрофлори товстого кишечника– гниття, що супроводжується утворенням отруйних речовин.

 

Перетворення амінокислот під дією мікрофлори товстого кишечника (гниття білків у кишечнику)

 

Неперетравлені білки та АК, які не всмокталися, надходять у товстий кишечник, де під впливом ферментів мікрофлори утворюють продукти, не характерні для обміну амінокислот в організмі людини і навіть отруйні. Інтенсивність процесу в нормі невелика, але може значно зростати при порушенні діяльності кишечника. Цей процес називається гниттям білків.

Майже нетоксичними продуктами є аміни, кето- і оксикислоти, спирти. Зокрема, аміни утворюються при декарбоксилюванні ароматичних амінокислот (фенілетиламін із фенілаланіну, тирамін із тирозину, триптамін із триптофану), діамінокислот (кадаверин із лізину, путресцин із орнітину, агматин із аргініну). У слизовій кишечника аміни піддаються окиснювальному дезамінуванню із звільненням аміаку. Кадаверин, путресцин і агматин переважно утворюються при гнитті трупа (трупні отрути). При розпаді сірковмісних амінокислот метіоніну і цистеїну в кишечнику утворюються гази, сірководень (Н₂S) і метилмеркаптан (СН₃SH).

Ферменти мікроорганізмів каталізують також розпад бокових ланцюгів триптофану і тирозину з утворенням токсичних продуктів – крезолу і фенолу, скатолу й індолу:

Неприємний запах вмісту товстої кишки зумовлений частково скатолом та індолом. Невеликі кількості цих речовин всмоктуються у товсту кишку, потрапляють у печінку, де знешкоджуються, перетворюючись у нетоксичні водорозчинні сполуки, які виводяться із сечею. Індол і скатол піддаються у печінці гідроксилюванню і наступній кон'югації з сірчаною чи глюкуроновою кислотами. Фенол і крезол відразу знешкоджуються в реакції кон'югації.

Донором залишку сірчаної кислоти служить 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат (ФАФС), а донором глюкуронової кислоти – уридиндифосфоглюкуронова кислота (УДФГК). Ферменти глюкуронілтрансферази і сульфотрансферази каталізують перенесення залишків глюкуронової та сірчаної кислоти на індоксил, скатоксил, фенол, крезол. Утворені парні сполуки (ефіросірчані кислоти та глюкуроніди) виводяться із сечею. Калієва сіль індоксилсірчаної кислоти має назву індикан. Рівень індикану в сечі розглядається як показник інтенсивності процесів гниття в кишечнику і швидкості реакцій знешкодження у печінці. В нормальній сечі індикан міститься у незначній кількості, що не виявляється звичайними якісними реакціями. Індиканурія спостерігається при інтенсивному гнитті білкових речовин у кишечнику (коліт, закрепи, непрохідність кишечника, рак, абсцес, перитоніт).

Із фенілаланіну в товстій кишці в невеликій кількості утворюється бензойна кислота. У печінці при взаємодії бензойної кислоти з гліцином утворюється гіпурова кислота, яка виводиться з сечею. Для оцінки зне­шкоджувальної функції печінки застосовують пробу на синтез гіпурової кислоти (пробу Квіка). Суть проби полягає в пероральному прийомі бензоату натрію і визначенні в сечі кількості гіпурової кислоти. При перенхіматозних ураженнях печінки синтез гіпурової кислоти знижений. Та обставина, що гіпурова кислота може синтезуватись із бензойної, утвореної в товстій кишці під дією ферментів мікроорганізмів, робить пробу Квіка у діагностичному плані недостатньо надійною і рідковикористовуваною.

 

ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ АМІНОКИСЛОТ

 

В органах і тканинах знаходиться невелика кількість вільних АК. Після всмоктування амінокислоти потрапляють через портальну систему в печінку, яка є головним органом обміну амінокислот в організмі. Периферичні тканини з різною ефективністю поглинають циркулюючі в крові амінокислоти. Крім амінокислот їжі, фонд вільних амінокислот в організмі поповнюється за рахунок розпаду тканинних білків і синтезу замінних амінокислот.

 

Тканинні білки гідролізуються протеолітичними ферментами-катепсинами (пептидгідролазами), які локалізовані, головним чином, у лізосомах клітин. Загальна кількість вільних амінокислот в організмі людини складає близько 30 г (під час травлення вміст їх значно зростає). Амінокислоти використовуються далі в таких напрямках: 1) синтез білків; 2) синтез пептидів; 3) утворення ­різноманітних низькомолекулярних азотовмісних речовин-біогенних амінів, пуринів, піримідинів, креатину, холіну, таурину, тироксину, порфіринів тощо, 4) розщеплення до кінцевих продуктів; 5) перетворення у вуглеводи чи ліпіди.

 

ВИКОРИСТАННЯ АМІНОКИСЛОТ

 

Синтез і розпад білків в організмі дорослої людини відбуваються з різною швидкістю. Так, у дорослої людини масою 70 кг за добу синтезується і розпадається близько 400 г білка. Ці дані свідчать про високу швидкість оновлення білків тіла. Очевидно, що збільшення сумарної кількості білків при рості організму чи в процесі виздоровлення відбувається за рахунок білків їжі. Катаболізм амінокислот до кінцевих продуктів (СО₂, Н₂О, NH₃) супроводжується звільненням енергії. Однак енергетична роль амінокислот при звичайному раціоні невелика. За рахунок окиснення амінокислот покривається 10-15 % потреби організму в енергії. Окиснювальне розщеплення амінокислот зростає при переважно білковому харчуванні, голодуванні та цукровому діабеті. На початковій стадії окиснювального розпаду амінокислоти втрачають свої аміногрупи у формі аміаку, який в організмі людини йде на синтез сечовини, що виводиться з сечею. Відщеплення аміногрупи від амінокислот призводить до утворення альфа-кетокислот, які потім окиснюються до СО₂ і Н₂О. Альфа-кетокислоти також можуть перетворюватись у вуглеводи чи ліпіди.

 

Дезамінування амінокислот, його види. Роль ферментів і коферментів.

Процес відщеплення аміногрупи від амінокислоти з утворенням вільного аміаку називається дезамінуванням і може здійснюватись різними шляхами, характерними для різних видів живих організмів. У вищих тварин основним шляхом є окиснювальне дезамінування, при якому, крім аміаку, утворюється альфа-кетокислота.

 

 

Непряме дезамінування. Доля амінного азоту та альфа-кетокислот

 

Розрізняють кілька типів дезамінування. Окисне дезамінування амінокислот є основним шляхом їх розкладу в організмі, особливо тварин.

Приводить до утворення відповідних кетокислот, процес проходить за участю ферментів — оксидаз амінокислот. Окисним шляхом дезамінуються й аміни, шо утворюються в організмі при декарбоксилюванні амінокислот. Значна частина цих амінів токсична, тому дезамінування має важливе значення для їх знешкодження. Дезамінування амінів каталізується амінооксидазами. Оксидази природних амінокислот, крім глутаматдегідрогенази, що дезамінує L-глутамінову кислоту, в тваринних тканинах мало активні. Тому більшість L-амінокислот підлягає непрямому дезамінуванню шляхом попереднього перезмінування з утворенням глутамінової кислоти, яка потім підлягає окислювальному дезамінуванню або іншим перетворенням.

Іншими типами дезамінування є відновне, гідролітичне та внутрішньомолекулярне.

Відновне дезамінування відбувається шляхом окислювально-відновних реакцій між двома амінокислотами, внаслідок чого обидві амінокислоти дезамінуються (реакція між аланіном і гліцином). При внутрішньомолекулярному дезамінуванні утворюються ненасичені кислоти. Ці реакції мають місце при дезамінуванні ряду амінокислот (наприклад, аспарагінової кислоти у рослин і деяких бактерій; гістидину в печінці людини). При гідролітичному дезамінуванні утворюються D-оксикислоти. Цим шляхом дезамінуються також пуринові основи й піримідинові основи у плісеневих грибів, деяких бактерій і тканинах тварин.

Дезамінування грає важливу роль і в метаболізмі ДНК. Спонтанне дезамінування цитозину в результаті гідролізу перетворює його на урацил, виділяючи в процесі аміак. Це може відбуватися in vitro через використання бісульфатів, при чому перетворюється цитозин, але не 5-метилцитозин. Ця властивість дозволяє дослідникам послідовностей ДНК відрізнити неметильований цитозин (що перетворюється на урацил) і метильований цитозин (залишається незмінним). В ДНК для репарації такого пошкодження урацил видалається і замінюється цитозином відповідно до гуаніну на іншому ланцюжку ДНК. Спонтанне дезамінування 5-метилцитозину приводить до утворення тиміну і аміаку. У ДНК, цей відгук не може бути виправлений, тому що механізми репарації не визнають тимін як помилку (в протилежність урацилу), в результаті чого мутація зберігається. Ці мутації сприяють рідкісності CPG-ділянок в геномам еукаріотів.

В організмі людини є декілька ферментів, що каталізують такі реакції, різної специфічності й біологічного значення. В печінці і нирках є неспецифічна оксидаза L-амінокислот, яка у фізіологічних умовах малоактивна, оскільки оптимум рН для неї дорівнює 10. Простетичною групою оксидази L-амінокислот служить ФМН. Значно активніша в організмі людини оксидаза D-амінокислот, ФАД-залежний фермент, що виділений із нирок, печінки й мозку. Фермент каталізує окиснювальне дезамінування тільки D-ізомерів амінокислот, що не входять до складу білків, і тому біологічна роль його є загадковою. Він міг би окиснювати D-амінокислоти клітинних стінок бактерій, якщо б вони всмоктувались.

Єдиним високоефективним ферментом, що діє на амінокислоту L‑ряду в організмі вищих тварин і людини, є глутаматдегідрогеназа. Вона каталізує реакцію:

Обмін глутамату

 

Окиснювальне дезамінування глутамінової кислоти відбувається в мітохондріях печінки (а також інших органів) з утворенням аміаку, НАДН+Н⁺ і альфа-кетоглутарової кислоти, яка може бути використана у циклі лимонної кислоти. Ця реакція є основним джерелом аміаку в організмі людини.

Глутаматдегідрогеназа – олігомерний фермент, складається із 6 субодиниць. Активатором ферменту є АДФ, інгібітором – ГДФ. Таким чином, коли клітинам печінки потрібно більше палива у циклі лимонної кислоти для синтезу АТФ, активність реакції окиснювального дезамінування глутамату підвищується.

Глутаматдегідрогеназа каталізує й зворотний процес, тобто відновне амінування a-кетоглутарату з утворенням глутамату. У зворотній реакції замість НАД бере участь НАДФ, що забезпечує незалежний перебіг цих двох процесів – окиснювального дезамінування глутамату і відновного амінування альфа-кетоглутарату. Обидва ці процеси тісно пов'язані з трансамінуванням амінокислот, що розглядається нижче.

Дезамінування декількох амінокислот може відбуватися неокиснювальним шляхом. Серин- і треоніндегідратази каталізують неокиснювальне дезамінування відповідно серину і треоніну за таким механізмом (на прикладі серину):

Ферментативно відбувається тільки перша реакція під впливом дегідратази. Як і при окиснювальному дезамінуванні, утворюються аміак і альфа-кетокислота (у даному випадку – піруват). Для гістидину  властиве  внутрішньомолекулярне дезамінування.

Таким чином, в організмі людини з належною ефективністю відбувається пряме дезамінування глутамінової кислоти, а з меншою ефективністю – серину, треоніну, цистеїну і гістидину. Відщеплення аміногрупи від більшості  альфа-амінокислот відбувається в процесі трансамінування.

 

Трансамінування амінокислот, механізм, роль ферментів і коферментів.

У ході реакції трансамінування аміногрупа від альфа-амінокислоти переноситься на альфа-кетокислоту, що призводить до утворення нової альфа-кетокислоти (утворюється із вихідної альфа-амінокислоти) і нової альфа-амінокислоти ­(утворюється із вихідної альфа-кетокислоти). Ця реакція є зворотною, і напрямок перетворення залежить від концентрації субстратів. Майже у всіх реакціях трансамінування приймають участь глутамат і відповідний йому альфа-кетоглутарат:

 

альфа-амінокислота + альфа-кетоглутарат  альфа-кетокислота + глутамат

 

Ферменти, що каталізують процес трансамінування, називаються амі­но­трансферазами, або трансаміназами.

У назву ферменту включають ­назву амінокислоти, що, крім глутамату, є субстратом чи продуктом реакції. За винятком лізину і треоніну, всі амінокислоти можуть брати участь у переамінуванні. Найбільш активними є аланін- і аспартатамінотрансфераза.

Механізм дії всіх амінотрансфераз однаковий. Всі вони містять міцно зв'язану простетичну групу, якою служить похідне вітаміну В₆ – піридоксальфосфат.

 Альдегідна група піридоксальфосфату зв'язана ковалентним зв'язком з альфа-аміногрупою залишку лізину поліпептидного ланцюга апоферменту. Саме ця альдегідна група, звільняючись від зв'язку з апоферментом, взаємодіє із альфа-аміногрупою амінокислоти, внаслідок чого утворюється проміжний продукт (шифова основа). На схемі показаний механізм переамінування (приводиться тільки та частина простетичної групи, яка бере безпосередню участь у реакції):

 

У проміжному продукті відбувається переміщення подвійного зв'язку і потім гідроліз з утворенням альфа-кетокислоти і простетичної групи у формі піридоксамінфосфату. Таким чином, у результаті першої половини реакції аміногрупа з амінокислоти переноситься на простетичну групу ферменту. Під час другої половини реакції піридоксамінфосфат переносить аміногрупу на альфа-кетокислоту (альфа-кетоглутарат), знову перетворю­ю­чись у піридоксальфосфат, а альфа-кетокислота переходить в амінокислоту. Механізм другої половини реакції такий же, як і першої, але перебігає вона у зворотному напрямку.

Реального дезамінування (відщеплення аміаку) в реакціях трансамінування не відбувається, оскільки дезамінування альфа-амінокислоти супроводжується амінуванням альфа-кетоглутарової кислоти. Таким чином, аміно­групи від різних кислот збираються у формі глутамату. Під дією високоактивної глутаматдегідрогенази відбувається реальне дезамінування глутамату із виділенням аміаку. Поєднання трансамінування з окиснювальним дезамінуванням глутамату називають непрямим дезамінуванням амінокислот (трансдезамінуванням). Таким шляхом різні амінокислоти вступають у реакцію катаболізму з утворенням альфа-кетокислоти, відновленого НАД і аміаку. Доля альфа-кетокислоти й аміаку розглядається далі.

 

Трансамінування і окиснювальне дезамінування глутамату, як за­значалось вище, є зворотними процесами. Це забезпечує можливість синтезу амінокислот із відповідних альфа-кетокислот і аміаку. Поєднання відновного амінування альфа-кетоглутарату з трансамінуванням називають трансреамінуванням. В організмі людини цим шляхом синтезуються замінні амінокислоти, відповідні яким альфа-кетокислоти утворюються із вуглеводів. Зокрема, аланін і аспартат синтезуються в результаті трансамінування відповідно із пірувату й оксалоацетату:

 

Синтез інших замінних амінокислот розглядається далі.

Альфа-кетокислоти, відповідні незамінним амінокислотам, в організмі людини не утворюються із вуглеводів чи ліпідів, тому власне незамінні амінокислоти не синтезуються, а повинні надходити з їжею. Зазначимо, що їжа людини не містить значних кількостей альфа-кетокислот, відповідних незамінним амінокислотам.

Глутамінова кислота виконує основні функції в обміні амінокислот. Вона приймає аміногрупи від тих амінокислот, що знаходяться в організмі людини в надлишку, і віддає на утворення тих замінних амінокислот, яких недостатньо. Наприклад, ­якщо їжа містить багато аспартату, але мало аланіну, то дві поєднані реакції трансамінування забезпечують перерозподіл аміногруп:

 

При катаболізмі амінокислот глутаматдегідрогеназа виконує головну роль, каталізуючи звільнення у вигляді аміаку аміногруп, що надходять від інших амінокислот. Крім того, з глутамінової кислоти синтезується ряд замінних амінокислот.

Послаблення процесів транс- і дезамінування амінокислот відбувається при гіповітамінозах (РР, В₂, В₆), гіпоксії, ураженнях печінки. Це спричиняє зростання вмісту амінокислот у плазмі (гіпераміноацидемія) і при перевищенні реабсорбційної здатності  клітин ниркових канальців – екс­крецію амінокислот із сечею (аміноацидурія). Порушення оптимального співвідношення амінокислот в організмі гальмує білковий синтез.

 

Катаболізм вуглецевого скелета амінокислот. Глікогенні й кетогенні амінокислоти

У результаті прямого й непрямого дезамінування амінокислот утворюються, як показано вище, альфа-кетокислоти. Окиснення останніх іде через цикл лимонної кислоти. Для кожної амінокислоти існує специфічний шлях розщеплення вуглецевого скелета. І хоч для 20 амінокислот є 20 різних катаболічних шляхів, в остаточному підсумку вони зливаються й утворюють п'ять продуктів (ацетил-КоА, альфа-кетоглутарат, сукциніл-КоА, оксалоацетат і фумарат), що включаються в цикл лимонної кислоти і згоряють там до СО₂ і Н₂О. Таким чином амінокислоти вносять свій вклад у загальне забезпечення організму енергією. На рис. показано місця включення вуглецевих скелетів різних амінокислот у цикл Кребса.

 

 

 

Тільки для декількох амінокислот втрата аміногрупи відразу дає проміжні продукти циклу (глутамат-альфа-кетоглутарат, аспартат-оксало­ацетат, аланін і серин-піруват). Для інших амінокислот шляхи деградації вуглецевого скелета включають декілька ферментативних реакцій, а в ряді випадків катаболічний шлях досить складний.

Вуглецеві скелети амінокислот можуть також перетворюватися у вуглеводи, жирні кислоти, кетонові тіла. Розрізняють глікогенні й кетогенні амінокислоти. До глікогенних амінокислот відносять ті, з яких утворюються піруват, оксалоацетат, альфа-кетоглутарат, сукциніл-КоА і фумарат, оскільки піруват і оксалоацетат є вихідними субстратами глюконеогенезу, а альфа-кетоглутарат, сукциніл-КоА і фумарат у ході циклу дають оксалоацетат. Із шести амінокислот, які розпадаються до ацетоацетил-КоА і ацетил-КоА, можуть утворюватись кетонові тіла, тому їх виділяють у групу кетогенних. Серед них виключно кетогенними амінокислотами є лейцин і лізин, а інші одночасно належать до обох груп, оскільки частина вуглецевих атомів їх молекули переходить у попередники глюкози, а друга частина – в ацетил-КоА. Зазначимо, що глікогенні амінокислоти можуть перетворюватись у піруват, який при окиснювальному декарбоксилюванні дасть ацетил-КоА. Таким чином, глікогенні амінокислоти можуть перетворюватись як у вуглеводи, так і в жирні кислоти й кетонові тіла.

 

Катаболізм вуглеводних скелетів амінокислот

 

 

Декарбоксилювання L-амінокислот в організмі людини, роль ферментів і коферментів. Фізіологічне значення утворених продуктів. Окиснення біогенних амінів.

 

В організмі людини і тварин під дією ферментів декарбоксилаз від деяких амінокислот відщеплюється карбоксильна група у вигляді СО2. У результаті реакції утворюються аміни з важливими біологічними функціями.

 

 

 

 

 

Прикладами біогенних амінів є гістамін (із гістидину), гама-аміномасляна кислота (із глутамату), дофамін (із 3,4-діоксифенілаланіну), серотонін (із 5-окситриптофану). Структура і функції їх розглядаються далі. Декарбо­ксилази амінокислот, як і амінотрансферази, містять як простетичну ­групу піридоксальфосфат. Механізм реакції включає утворення проміжного комплексу між амінокислотою і піридоксальфосфатом (шифові основи) з наступним розривом зв'язку С-СООН і звільненням СО₂. Таким чином, піридоксальфосфат виконує каталітичну роль у реакціях декарбоксилювання і трансамінування, а направляються реакції у відповідному напрямку апоферментами декарбоксилаз і амінотрансфераз. Реакції декарбоксилювання незворотні.

Біогенні аміни інактивуються в реакціях окиснювального дезамінування під дією моноамінооксидаз (МAO), коферментом яких є ФАД.

 

Утворюються альдегід, аміак і пероксид водню. Альдегіди окиснюються до кислот, які використовуються організмом, під дією альдегіддегідрогеназ. Н₂О₂ розкладається на воду й кисень за участю каталази або пероксидаз. МАО локалізується переважно в мітохондріях, містить у своєму складі ФАД, відіграє важливу роль в організмі, регулюючи швидкість біосинтезу та розпаду біогенних амінів. Деякі інгібітори МАО (гармін, паргілін) застосовуються для лікування депресивних станів, шизофренії тощо.

Діамінооксидази (ДАО) знаходяться в цитоплазмі, коферментом їх є піридоксальфосфат (для реакції необхідна Сu²⁺). ДАО інактивують переважно гістамін, путресцин, кадаверин і меншою мірою діють на аліфатичні аміни, які розщеплюються за допомогою МАО.

Декарбоксилування глутамату призводить до утворення гальмівного медіатора ЦНС – гама-аміномасляної кислоти:

 

Глутамат                                                              ГАМК

 

Гістамін – медіатор запалення, алергічних реакцій

Аміак – високотоксичний продукт білкового метаболізму. Основним джерелом утворення аміаку є метаболізм амінокислот, їх трансамінування з наступним окисним дезамінуванням глутамінової кислоти ферментом глутаматдегідрогеназою. Аміак також утворюється при дезамінуванні амідів, амінів, азотистих основ нуклеотидів (рис. 1).

 

Рис. 1. Джерела аміаку.

 

У головному мозку значна кількість аміаку утворюється при дезамінуванні АМФ ферментом аденозиндезаміназою, при цьому утворюється інозинмонофосфат (ІМФ). Певна кількість аміаку всмоктується в кров з кишечника, де він утворюється з азотвмісних сполук під впливом ферментів мікрофлори.

Аміак є особливо токсичним для мозку, інші тканини є менш чутливими або нечутливими до аміаку.

Існує декілька гіпотез, які пояснюють механізм нейротоксичності аміаку. В мітохондріях мозку надлишок аміаку стимулює відновлювальне амінування a-кетоглутарату глутаматдегідрогеназою:

NH₃ + a-кетоглутарат + НАДФН+Н⁺ ® Глутамат + НАДФ⁺ + Н₂О.

Ця реакція виснажує пул  ключового метаболіту циклу трикарбонових кислот - a-кетоглутарату і, як наслідок, призводить до пригнічення процесів окисного фосфорилювання та зниження рівня АТФ в мозку. Проте, ця гіпотеза не пояснює, чому такий механізм не працює в інших тканинах, які є менш чутливими до аміаку. Більш ймовірною є гіпотеза, що пояснює токсичність аміаку зниженням вмісту в мозку глутамату, який є збудливим нейромедіатором. Глутамін, що синтезується і зберігається в гліальних клітинах, транспортується в нейрони, де гідролізується до глутамату. Аміак інгібує глутаміназу і знижує рівень глутамату в нейронах. Згідно ще однієї гіпотези, нейротоксичність аміаку можна пояснити дисфункцією нейрональних мембран, оскільки підвищений рівень аміаку призводить до підвищеної проникності мембран для іонів К⁺ і СІ^-.

З органів і тканин аміак транспортується в основному в печінку, а також в нирки, за допомогою двох основних механізмів:

1. Під впливом ферменту глутамінсинтетази в органах, де аміак утворюється, він взаємодіє з глутаміновою кислотою, в результаті чого синтезується глутамін:

 

 

Найбільше глутаміну утворюється в мозку і м’язах. З цих та інших органів він легко проходить через клітинні мембрани в кров, звідки захоплюється печінкою та нирками (рис. 2). У печінці під впливом ферменту глутамінази відбувається гідроліз глутаміну до глутамату і вільного аміаку:

 

 

Аміак знешкоджується у печінці шляхом синтезу сечовини.

 

Рис. 2. Схема метаболізму аміаку.

 

Глутамін, який захоплюється нирками, також розщеплюється в глутаміназній реакції. Аміак, що утворюється при цьому, екскретується з сечею у формі іону амонію (NH₄⁺). Це один із механізмів, за допомогою якого нирки підтримують сталість рН в організмі і запобігають розвитку ацидозу.

2. При інтенсивній м’язовій роботі частина амінокислот може використовуватися як паливо, при цьому в процесі метаболізму вони втрачають аміногрупу в реакціях трансамінування з a-кетоглутаровою кислотою. Утворюється глутамінова кислота, яка дальше передає аміноазот на піруват і утворюється аланіну:

Глутамат + Піруват « a-кетоглутарат + аланін.

Деградація білків і, відповідно, катаболізм амінокислот у м’язах також посилюються при голодуванні, травмах, опіках, септицемії.

Аланін легко дифундує з м’язів в кров, переноситься в печінку, де піддається зворотньому трансамінуванню з утворенням глутамату і пірувату. Піруват використовується у процесі глюконеогенезу, синтезується глюкоза, яка транспортується назад у м’язи, а глутамат піддається окисному дезамінуванню під впливом глутаматдегідрогенази з утворенням аміаку, який знешкоджується у циклі сечовини (рис. 2).

 

БІОСИНТЕЗ СЕЧОВИНИ

 

Сечовина синтезується у циклічному біохімічному шляху, який вперше був описаний у 1932 р. Г.Кребсом і К.Хенселайтом. Одна аміногрупа у молекулі сечовини походять від вільного аміаку, який утворюється при гідролізі глутаміну чи окисному дезамінуванні глутамату, а інша - від амінокислоти аспартату.

Цикл сечовини починається і закінчується орнітином, складається з п’яти реакцій і вимагає 5 ферментів (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Біосинтез сечовини.

 

У першій реакції, яка каталізується ферментом карбамоїлфосфатсинтетазою І, аміак конденсується з бікарбонатом за участю двох молекул АТФ, в результаті чого утворюється карбамоїлфосфат:

Одна молекула АТФ у цій реакції активує бікарбонат, а інша служить донором фосфатної групи карбамоїлфосфату. Карбамоїлфосфатсинтетаза І знаходиться в матриксі мітохондрій, вона використовує аміак як донор азоту і її активність залежить від N-ацетилглутамату. Останній є позитивним ефектором карбамоїлфосфатсинтетази І.

Існує також карбамоїлфосфатсинтетаза ІІ, яка локалізується в цитоплазмі, використовує для синтезу карбамаїлфосфату амідну групу глутаміну, її активність не залежить від N-ацетилглутамату, а утворений нею карбамаїлфосфат іде на синтез піримідинів.

У другій реакції карбамоїльна група переноситься ферментом орнітинкарбамаїлтрансферазою на амінокислоту орнітин, в резуль­таті утворюється цитрулін:

 

Цитрулін транспортується з матриксу мітохондрій в цитоплазму, де під впливом ферменту аргініносукцинатсинтетази конденсується з аспартатом з утворенням аргініносукцинату:

 

 

У цій реакції молекула АТФ розпадається до АМФ і пірофосфату, що еквівалентно гідролізу двох молекул АТФ.

У четвертій реакції аргініносукцинат розщеплюється ферментом аргініносукцинатліазою до аргініну і фумарату:

 

В останній реакції аргінін розщеплюється аргіназою до орнітину і сечовини:

 

 

Аргіназа знаходиться тільки в гепатоцитах, тобто розщеплення аргініну і утворення сечовини можливе тільки в печінці. Орнітин повертається в матрикс мітохондрій і запускає новий цикл синтезу сечовини. У внутрішній мембрані мітохондрій знаходиться спеціальний орнітин/цитрулін білок-переносник.

Фумарат, який утворюється в аргініносукцинатліазній реакції, є проміжним метаболітом циклу трикарбонових кислот, в якому він перетворюється до малату, а потім до оксалоацетату. Одним із шляхів метаболізму оксалоацетату є його трансамінування з утворенням аспартату. Останній може знову вступати в цикл сечовини.

Через фумарат існує тісний взаємозв’язок між циклом лимонної кислоти і циклом утворення сечовини (рис. 4). Крім того в циклі трикарбонових кислот утворюються СО₂ і АТФ, які також необхідні для утворення сечовини.

 

 

Рис. 4. Взаємозв’язок між циклом трикарбонових кислот і циклом утворення сечовини.

 

Регуляція циклу сечовини

N-Ацетилглутамат є необхідним активатором для карбамаїлфосфатсинтетази І – ферменту який лімітує швидкість синтезу сечовини. N-Ацетилглутамат синтезується з ацетил-КоА і глутамату, аллостеричним активатором цієї реакції є аргінін.

Тому концентрація N-ацетилглутамату в печінці підвищується після білкової дієти, яка забезпечує поступлення і субстрату для його синтезу – глутамату, і регулятора синтезу – аргініну.

Білкова дієта прискорює синтез сечовини також внаслідок збільшення кількості аміаку, що утворюється при дезамінуванні амінокислот. Отже, при вживанні великої кількості білка або при розпаді білків організму (травма, опіки) вміст сечовини в крові і її екскреція з сечею зростають, і, навпаки, при зменшенні надходження білка з їжею чи при порушенні всмоктування амінокислот в кишечнику рівень сечовини в крові і сечі знижується.

Сечовина є основним продуктом знешкодження аміаку у людей і ссавців (такі організми називаються уреотелічні), птахи і наземні рептилії виводять аміак у формі сечової кислоти (урикотелічні організми), більшість організмів, які живуть у воді, виводять аміак у вигляді іонів амонію.

Сечовина – нейтральна, водорозчинна сполука, з печінки вона переходить в кров, транспортується до нирок, де фільтрується і екскретується з сечею. Частина сечовини реабсорбується в ниркових канальцях назад в кров. За добу доросла людина виділяє з сечею близько 20-35 г сечовини.

З крові невелика кількість сечовини також дифундує в кишечник, де розщеплюється до СО₂ і NH₃ уреазою кишечних бактерій. Частково аміак, що утворюється в кишечнику, всмоктується в кров і через ворітну вену попадає в печінку, де знову знешкоджується у циклі синтезу сечовини. У пацієнтів з нирковою недостатністю фільтрація сечовини в нирках сповільнюється, її вміст в сечі знижується, а в крові зростає. У цьому випадку більше сечовини попадає з крові в кишечник. Дія інтестінальної уреази на цю сечовину стає клінічно важливим джерелом розвитку гіперамоніємії у таких пацієнтів.

Гіперамоніємія. Концентрація аміаку в плазмі крові в нормі становить 25-40 мкмоль/л. Крім ниркової недостатності причиною гіперамоніємії є хвороби печінки (алкогольне чи інфекційне ураження гепатоцитів, цироз, рак) та генетичні дефекти ферментів синтезу сечовини. При цирозі печінки гіперамоніємія різко наростає внаслідок шунтування портальної крові, що несе аміак з кишечника, в системну циркуляцію. Може розвинутися печінкова енцефалопатія. У таких випадках корисним є призначення хворим антибіотиків, які пригнічують мікрофлору кишечника і, як наслідок, утворення в кишечнику аміаку (наприклад, неоміцину), а також застосування дисахариду лактулози. Кишечні бактерії катаболізують лактулозу в органічні кислоти, які, в свою чергу, перетворюють NH₃ в NH₄⁺, таким чином знижується всмоктування NH₃ в систему ворітної вени.

Описані генетичні дефекти всіх п’яти ферментів циклу синтезу сечовини, а також ферменту синтезу N-ацетилглутамату. Найбільш частим є дефіцит карбамаїлфосфатсинтетази і орнітинкарбамаїлтрансферази.

Гіперамоніємія розвивається в перші тижні після народження, що призводить до енцефалопатії і сповільненя розумового розвитку. Лікування включає обмеження білка в дієті і призначення сполук, що здатні ковалентно зв’язувати амінокислоти, утворюючи азотвмісні молекули, які екскретуються з сечею.

При тяжких хворобах печінки чи вираженому дефіциті ферментів циклу синтезу сечовини вміст аміаку в крові може підніматися до 1000 мкмоль/л. Енцефалопатія при гіперамоніємії пояснюється набряком мозку і набуханням астроцитів внаслідок інтрацелюлярного нагромадження глутаміну, яикй викликає осмотичне переміщення води в клітини. Інші симптоми гіперамоніємії – сонливість, тремор, блювота, порушення зору і мови, в тяжких випадках – кома і смерть. Гостра гіперамоніємія, незалежно від причини, є невідкладним медичним станом, що потребує негайних заходів, направлених на зниження рівня аміаку (гемодіалізу, обмінної трансфузії, перітонеального діалізу).

 

СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ АМІНОКИСЛОТ

 

Двадцять основних амінокислот організму людини, які присутні в тканинах або в складі білків, або у вільному стані, метаболізуються у специфічних біохімічних шляхах. У процесі катаболізму від амінокислот видаляється аміногрупа у реакціях дезамінування або трансамінування, в результаті чого утворюється вуглецевий скелет, який трансформується в метаболіти, що можуть перетворюватися в глюкозу, жирні кислоти, кетонові тіла або окислюватися в циклі трикарбонових кислот. Вуглецевий скелет 20 основних амінокислот перетворюється всього в сім молекул (рис. 5):  

§                    піруват,

§                    ацетил CoA,

§                    ацетоацетил CoA,

§                    a-кетоглутарат,

§                    сукциніл CoA,

§                    фумарат,

§                    оксалоацетат.

Для деяких амінокислот шляхи їх катаболізму до вищенаведених молекул є дуже простими і складаються з однієї або двох реакцій, для інших – надзвичайно складними (понад 10 реакцій).

Амінокислоти, які метаболізуються до ацетил-КоА або ацетоацетил-КоА називаються кетогенними, тому що вони є попередниками кетонових тіл і жирних кислот. Амінокислоти, які деградують до пірувату, a-кетоглутарату,  сукциніл-КoA, фумарату чи оксалоацетату називаються глюкогенними амінокислотами, оскільки дані метаболіти циклу трикарбонових кислот і піруват можуть перетворюватися до фосфоенолпірувату і далі до глюкози. В організмі людини і тварин відсутні біохімічні шляхи синтезу глюкози з ацетил-КоА або ацетоацетил-КоА.

З 20 амінокислот тільки лейцин і лізин є чисто кетогенними амінокислотами. Ізолейцин, фенілаланін, триптофан і тирозин є одночасно і кетогенними, і глюкогенними. Решту 14 амінокислот є глюкогенними.

 

 

Рис. 5. Схема включення вуглецевих скелетів амінокислот у цикл Кребса.

 

Обмін аланіну

 

Аланін належить до замінних глюкогенних амінокислот. В організмі синтезується шляхом трансамінування з піровиноградної кислоти (фермент – аланінамінотрансфераза):

 

Катаболізується аланін у зворотній реакції, перетворюючись у піруват, який декарбоксилюється до ацетил-КоА і розпадається в циклі трикарбонових кислот, або перетворюється до оксалоацетату і використовується для глюконеогенезу.

 

Обмін глутамінової кислоти і глутаміну

 

Глутамінова кислота і глутамін є замінними глюкогенними амінокислотами. Глутамінова кислота утворюється з a-кетоглутарової кислоти  у реакціях трансамінування або у реакції відновного амінування a-кетоглутарату (фермент – глутаматдегідрогеназа) (рис. 6).

 

Рис. 6. Схема синтезу і розпаду глутамату і глутаміну.

Катаболізм глутамату відбувається у зворотніх реакціях трансамінування і окисного дезамінування. В обох випадках утворюється a-кетоглутарат, який або розкладається в циклі трикарбонових кислот, або через оксалоацетат використовується для синтезу вуглеводів (рис. 6).

Глутамін синтезується з глутамату шляхом приєднання аміаку під дією глутамінсинтетази.

У нирках і печінці глутамін гідролізується ферментом глутаміназою до глутамінової кислоти і аміаку (рис. 6). Такі перетворення забезпечують функцію глутаміну, як переносника аміаку в організмі.

Важливим метаболітом глутамінової кислоти є g-аміномасляна кислота (ГАМК). ГАМК утворюється в мозку при декарбоксилюванні глутамату ферментом глутаматдекарбоксилазою:

 

 

ГАМК є основним гальмівним нейромедіатором центральної нервової системи людини і тварин.

Функція ГАМК полягає в зниженні нейронної активності і пригніченні збудження в нервових клітинах, попередженні поступлення в рухові центри мозку сигналів, пов’язаних зі станом тривоги, страху або стресу. ГАМК покращує покращує обмінні процеси в мозку, пам’ять і увагу, її дефіцит виявлено у хворих на епілепсію і шизофренію.

Крім ГАМК, глутамінова кислота є попередником для синтезу трипептиду глутатіону (див. нижче), аміноксислот проліну, орнітину та аргініну.

 

Обмін аспарагінової кислоти і аспарагіну

 

Аспарагінова кислота і аспарагін належать до замінних глюкогенних амінокислот. Синтезується аспарагінова кислота у реакції трансамінування (фермент – аспартатамінотрансфераза) з метаболіту циклу трикарбонових кислот оксалоацетату. Катаболізм аспартату також починається реакцією його трансамінування з a-кетоглутаровою кислотою:

 

 

Аспарагінова кислота бере участь в утворенні піримідинових основ, є донором азоту для біосинтезу сечовини, пурину, виконує роль нейромедіатора в центральній нервовій системі.

Аспарагін є важливим продуктом азотистого обміну, резервом азоту; знешкоджує аміак, що утворюється в процесі перетворення білків.

Під впливом аспарагінсинтетази до аспартату приєднується аміак і утворюється аспарагін. Гідроліз аспарагіну назад до аспартату і аміаку каталізується ферментом аспарагіназою:

 

 

Обмін гліцину

 

Гліцин – замінна глюкогенна амінокислота, бере участь в численних синтетичних шляхах, а також може окислюватися з виділенням енергії. Найважливішими фізіологічно-активними сполуками, які утворюються з гліцину, є глутатіон, холін, креатин, порфірини, пурин, гіпурова кислота, кон’югати жовчних кислот, білки (рис. 7).

 

Рис. 7. Схема синтезу гліцину і шляхи його використання.

 

Синтезується гліцин за допомогою ферменту серингідроксіметилтрансферази з іншої замінної амінокислоти – серину:

 

 

Дана реакція є зворотньою, тобто катаболізм гліцину може відбуватися шляхом його перетворення в серин, який в подальшому конвертується в піруват, а останній деградує в циклі лимонної кислоти.

Іншим шляхом розпаду гліцину є його окислення до аміаку і діоксиду вуглецю ферментом гліцинсинтазою:

 

H₂N-CH₂-COOH+FH₄+НАД⁺«NH₃+CO₂+НАДН+Н⁺+N⁵,N¹⁰-метилен-FH₄.

	Гліцин

 

У цьому випадку один атом вуглецю гліцину виділяється у формі СО₂, а інший у вигляді метиленової групи зв’язується з тетрагідрофолатом і в подальшому використовується для синтетичних процесів.

Реакція окислення гліцину гліцинсинтазою є зворотньою, тобто гліцин може частково відновлюватися з аміаку і діоксиду вуглецю, використовуючи відновлювальні еквіваленти НАДН + Н⁺ і метилентетрагідрофолат як донор атому вуглецю.

У механізмах перетворення гліцину важливе значення має коферментна форма фолієвої кислоти – тетрагідрофолієва кислота (FH₄), яка забезпечує міжмолекулярне транспортування одновуглецевих радикалів.

Ще одним шляхом катаболізму гліцину є його окислення ФАД-залежною гліциноксидазою з утворенням гліоксилової кислоти:

 

H₂N-CH₂-COOH + О₂ + Н₂О ® СHO-COOH + NH₃ + H₂O₂.

 

Гліоксилова кислота може трансамінуатися до гліцину, відновлюватися до гліколату або окислюватися до оксалату. Оксалат виводиться з сечею. Зустрічається генетично детерміноване захворювання гіпероксалурія, при якому утворюється велика кількість оксалату. Оскільки кальцієва сіль оксалату погано розчинна у воді, її кристали відкладаються в нирках, викликаючи нефролітіаз і нефрокальциноз.

 

Обмін серину

 

Серин належить до глюкогенних замінних амінокислот.

Синтез серину з 3-фосфогліцерату, який є проміжним метаболітом гліколізу, вимагає окислення 3-фосфогліцерату до 3-фосфогідроксіпірувату, трансамінування останнього глутаматом з утворенням 3-фосфосерину і гідролізу останнього до серину:

 

 

Серин перетворюється до пірувату цитозольною сериндегід­ра­тазою. Із серину може також утворюватися гліцин, який в подальшому окислюється до аміаку і діоксиду вуглецю або до гліоксилової кислоти (див. обмін гліцину).

Реакція перетворення серину на гліцин є зворотньою, тобто за певних умов серин може синтезуватися з гліцину ферментом серингідроксіметилтрансферазою, при цьому як донор вуглецевого залишку використовується метилентетрагідрофолат (N⁵,N¹⁰-СН₂-FH₄).

Важливою функцією серину є його участь у синтезі фосфоліпідів – фосфатидилсерину і фосфатидилетаноламіну.

Загальна схема метаболізму серину і його взаємозв’язок з обміном гліцину наведена на рис. 8.

 

Рис. 8. Схема метаболізму серину і гліцину.

 

Обмін треоніну

 

Треонін – незамінна глюкогенна амінокислота. Треонін зазвичай метаболізується до пірувату, проте проміжний метаболіт у цьому шляху може піддаватися тіолізу коензимом А з утворенням ацетил-КоА і гліцину.

У іншому метаболічному шляху треоніндегідратаза перетворює треонін до a-кетобутирату. Комплекс, подібний до піруватдегідрогенази, метаболізує a-кетобутират до пропіоніл-КоА (рис. 9). 

 

 

Рис. 9. Схема метаболізму треоніну.

 

Обмін лізину

 

Лізин – незамінна кетогенна амінокислота. В процесі метаболізму лізин перетворюється до ацетоацетил-КоА.

На першому етапі лізин взаємодіє з a-кетоглутаратом з утворенням сахаропіну, який розпадається на семіальдегідну сполуку і глутамат (фермент a-аміноадіпіксеміальдегідсинтаза). Семіальдегід окислюється до дикарбонової a-аміноадіпової кислоти, яка в подальших шести реакціях перетворюється на ацетоацетил-КоА (рис. 10).

 

Рис. 10. Схема метаболізму лізину.

 

Зрідка зустрічається вроджений дефіцит a-аміноадіпіксеміальдегідсинтази, при якому лізин і сахаропін виділяються з сечею. Дане захворювання, як правило, не проявляється ніякими клінічними симптомами.

Більш серйозним є генетично детерміноване захворювання, що характеризується порушенням всмоктування в кишечнику і реабсорбції в ниркових канальцях лужних амінокислот (лізину, аргініну і орнітину). Концентрація лізину, аргініну і орнітину в плазмі крові знижується. У таких пацієнтів розвивається виражена гіперамонійемія після вживання білкової їжі. Іншими симптомами є втрата м’язової маси і остеопороз.

Вважається, що лізину притаманна противірусна дія, особливо щодо вірусів, які викликають герпес і гострі респіраторні інфекції. Лізин бере участь у формуванні колагену, його використовують у відновлювальний період після операцій і травм. Лізин покращує засвоєння кальцію з крові і його транспорт в кісткову тканину, підвищує імунну відповідь організму, зокрема, активність нейтрофілів, знижує рівень тригліцеридів в плазмі крові.

Лізин є попередником для синтезу карнітину – сполуки, яка транспортує жирні кислоти в матрикс мітохондрій, де вони окислюються з утворенням енергії, тобто лізин підтримує рівень АТФ в клітині.

 

Обмін аргініну

 

Аргінін синтезується в циклі сечовини з амінокислоти орнітину і також поступає в організм з білками їжі. Під час росту у молодому віці та при деяких патологічних станах (наприклад, ендотеліальній дисфункції) ендогенної продукції аргініну для організму недостатньо, тому він належить до частково замінних амінокислот.

З аргініну утворюються такі важливі метаболіти як оксид азоту, креатинфосфат, спермін. Гідролізується аргінін під дією аргінази до орнітину і сечовини.

Описаний спадковий дефект аргінази, який характеризується аргінінемією, високим рівнем аміаку в крові, затримкою психомоторного розвитку, м'язовою гіпертонією, парезами й паралічами, гепатомегалією, пригніченням ЦНС.