Обмен белков

Обмен белков - центральное звено всех биохимических процессов, лежащих в основе существования живого организма. Интенсивность обмена белков характеризуется балансом азота , так как основная масса азота организма приходится на белки. При этом учитывается азот кормов, азот организма и азот продуктов выделения. Баланс азота может быть положительным (когда происходит увеличение массы животного и задержка азота в организме), равным нулю, или наблюдается азотистое равновесие (из организма выводится столько азота, сколько поступает с кормами), и отрицательным (распад белков не компенсируется белками кормов). Баланс азота характеризуется белковым минимумом - наименьшим количеством белка в кормах, которое необходимо для сохранения в организме азотистого равновесия. Белковый минимум, рассчитанный на 1 кг живой массы, имеет такие средние величины, г:

Корова лактирующая	1
Корова нелактирующая	0,6-0,7
Овца	1
Коза	1
Свинья	1
Лошадь работающая	1,24,42
Лошадь неработающая	0,7-0,8

Белки кормов делят на полноценные и неполноценные . Полноценные корма содержат остатки незаменимых аминокислот, которые не могут быть синтезированы организмом животного: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. К условно незаменимым аминокислотам относят

гистидин, так как его небольшой недостаток в кормах восполняется синтезом микрофлорой в пищевом канале. Остальные аминокислоты - заменимые и могут синтезироваться в организме животного: аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, серии. Пять аминокислот считают частично заменимыми: аргинин, глицин, тирозин, цистин и цистеин. Иминокислоты пролин и оксипролин могут синтезироваться в организме.

В различных кормах и пищевых продуктах содержится неодинаковое количество белков, %:

Бобы гороха	26	Дрожжи кормовые	16
Бобы сои	35	Картофель	2,0-5
Зерно пшеницы	13	Капуста	1,1-1,6
Зерно кукурузы	9,5	Морковь	0,8-1
Зерно риса	7,5	Свекла	1,6

Богаты полноценными белками продукты животноводства, %:

Говяжье мясо постное	21,5	Творог	14,6
Баранина постная	19,8	Сыры	20-36
Баранина жирная	25	Яйцо куриное	12,6
Свинина жирная	16,5	Молоко коровье	3,5
Рыба	9-20	Масло коровье	0,5

Эталоном полноценного белка чаще всего служит казеин, содержащий все незаменимые аминокислоты.

Переваривание белков. В пищевом канале белки подвергаются расщеплению до аминокислот и простатических групп.

В ротовой полости корма, содержащие белки, механически измельчаются, смачиваются слюной и образуют пищевой ком, который по пищеводу поступает в желудок (у жвачных - в преджелудки и сычуг, у птиц - в железистый и мышечный желудки). В составе слюны нет ферментов, способных расщеплять белки корма. Пережеванные кормовые массы поступают в желудок (у жвачных в сычуг), перемешиваются и пропитываются желудочным соком.

Желудочный сок - бесцветная и слегка опалесцирующая жидкость плотностью 1,002-1,010. У человека в течение суток образуется около 2 л, у крупного рогатого скота - 30, у лошади - 20, у свиньи - 4, у собаки - 2-3, у овцы и козы - 4 л желудочного сока. Выделение желудочного сока в первой

(сложнорефлекторной) фазе определяется видом, запахом и вкусом корма, во второй (нейрогуморальной) - его химическим составом и механическим раздражением рецепторов слизистой оболочки. В состав желудочного сока входит 99,5% воды и 0,5% плотных веществ. Плотные вещества включают ферменты пепсин, реннин, гастриксин, желатиназу, липазу (у свиней и амилазу); белки - сывороточные альбумины и глобулины, мукопротеины слизи, фактор Касла; из минеральных веществ кислоты (в основном соляную) и соли.

Основным ферментом желудочного сока является пепсин , а кислотой, создающей условия для его каталитического действия, - соляная. В образовании пепсина участвуют главные клетки желез дна желудка, в образовании соляной кислоты - обкладочные. Источником хлорид-ионов служит NaCl, ионов H + -протоны, поступающие из крови в цитоплазму обкладочных клеток вследствие окислительно-восстановительных реакций (Г. Д. Ковбасюк, 1978).

Соляная кислота создает необходимую кислотность для каталитического действия ферментов. Так, у человека рН желудочного сока равен 1,5-2,0, у крупного рогатого скота - 2,17-3,14, у лошади - 1,2-3,1, у свиньи - 1,1-2,0, у овцы - 1,9-5,6, у птиц - 3,8. Соляная кислота создает также условия для превращения пепсиногена в пепсин, ускоряет расщепление белков на составные части, их денатурацию, набухание и разрыхление, препятствует развитию в желудке гнилостных и бродильных процессов, стимулирует синтез гормонов кишечника и др. В лабораторной практике определяют общую, свободную и связанную кислотность желудочного сока.

Реннин (химозин, или сычужный фермент) вырабатывается у молодых жвачных железами слизистой оболочки сычуга. Синтезируется в виде прореннина, который при значении рН

В желудке происходит гидролитическое расщепление большинства белков корма. Так, нуклеопротеиды под влиянием соляной кислоты и пепсина распадаются на

нуклеиновые кислоты и простые белки. Здесь же происходит расщепление и других протеидов. Под влиянием пепсина расщепляются пептидные связи по краям белковых молекул. Легче всего разрываются связи, образованные ароматическими и дикарбоновыми аминокислотами. Пепсин легко ращепляет белки животного происхождения (казеин, миоглобин, миоген, миозин) и некоторые растительные белки, построенные в основном из моноаминодикарбоновых кислот (глиадин и глутелин злаков), за исключением кератинов шерсти, фиброинов шелка, муцинов слизи, овомукоидов, некоторых белков костей и хрящей.

Часть белков расщепляется другими протеолитическими ферментами желудочного сока, например, коллагены - желатиназой, казенны - реннином.

Под влиянием составных частей желудочного сока, прежде всего соляной кислоты и ферментов, белки в желудке гидролизуются до простетических групп, альбумоз, пептонов, полипептидов и даже аминокислот.

Желудочная секреция стимулируется гормоноидами слизистой оболочки пищевого канала: гастрином (в привратнике), энтерогастрином (в кишках), гистамином (в желудке) и др.

Особенности переваривания белков у жвачных. У жвачных пищевой ком из пищевода поступает в преджелудки, где подвергается дополнительной механической переработке, при жвачке возвращается в ротовую полость, снова измельчается, затем попадает в рубец, сетку, книжку и сычуг, где завершается первый этап пищеварения.

В преджелудках происходит химическая переработка веществ корма под влиянием ферментов бактерий, инфузорий и грибов, симбиотирующих там. До 38% микробов рубца крупного рогатого скота и 10% микробов рубца овец обладают протеолитической активностью, 70-80% таких ферментов сосредоточены внутри клеток, 20-30%-в рубцовой жидкости. Ферменты действуют аналогично трипсину, расщепляя пептидные связи между карбоксильной группой аргинина или лизина и аминогруппой других аминокислот при рН 5,5-6 и рН 6,5-7. Белки под влиянием пептид-гидролаз расщепляются до пептидов, пептиды пептидазами - до олигопептидов, олигопептиды - до аминокислот. Так, зеин кукурузы гидролизуется на 60% до аминокислот, а

казеин - на 90%. Часть аминокислот дезаминируется ферментами бактерий.

Замечательной особенностью пищеварения в преджелудках является синтез белков микроорганизмами из небелковых веществ корма и продуктов его переработки. Основная масса растительных кормов представлена углеводами, и прежде всего клетчаткой. Клетчатка в преджелудках под влиянием микробных ферментов целлюлазы и целлобиазы расщепляется до α-D (+)-глюкозы и β-D (+) -глюкозы.

Монозы подвергаются различным видам брожения, что приводит к образованию низкомолекулярных жирных кислот. Так, при молочнокислом брожении, вызываемом Bact. lactis, из глюкозы образуется молочная кислота: C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 →CHOH - COOH. При маслянокислом брожении, вызываемом бактериями рода Clostridium, образуется масляная кислота: C 6 H 12 O 6 → CH 3 - CH 2 - CH 2 - COOH + 2H 2 + 2CO 2 и т. д.

Количество летучих жирных кислот в рубце коровы может достигать 7 кг в сутки. При сеноконцентратном рационе в рубце коров содержится: уксусной кислоты - 850-1650 г, пропионовой - 340-1160, масляной кислоты - 240-450 г.

В пересчете на уксусную кислоту в рубце овцы за сутки образуется 200-500 г летучих жирных кислот. Их процентный состав следующий:

Часть этих кислот идет на синтез молочного жира, гликогена и других веществ (рис. 22), часть - служит материалом для синтеза микрофлорой аминокислот и собственного белка.

Синтез микрофлорой аминокислот в преджелудках жвачных происходит за счет безазотистых продуктов брожения и аммиака. Источником аммиака являются продукты расщепления мочевины, аммонийных солей и

других азотсодержащих добавок к рационам. Так, мочевина под влиянием фермента уреазы, продуцируемого микрофлорой рубца, расщепляется до аммиака и углекислого газа:

Источником безазотистых продуктов чаще всего служат кетокислоты, которые образовались из кислот жирного ряда (см. выше). Этот биосинтез носит обычно характер восстановительного аминирования:

Из аминокислот микроорганизмы синтезируют белки, необходимые для своего существования. В зависимости от рациона в рубце коров может синтезироваться 300-700 г бактериального белка в сутки.

Из преджелудков кормовые массы поступают в сычуг, где под влиянием кислого сычужного сока микроорганизмы гибнут, а их белки расщепляются до аминокислот.

Из желудка (сычуга) кормовые массы мелкими порциями поступают в тонкую кишку , где завершается расщепление белков. В нем участвуют протеолитические ферменты секрета поджелудочной железы и кишечного сока. Эти реакции протекают в нейтральной и слабощелочной среде (рН 7-8,7). В тонкой кишке гидрокарбонаты секрета поджелудочной железы и кишечного сока нейтрализуют соляную кислоту: HCl + NaHCO 3 → NaCl + H 2 CO 3 .

Угольная кислота под влиянием фермента карбоангидразы расщепляется до CO 2 и H 2 O. Наличие CO 2 способствует образованию в химусе стойкой эмульсии, облегчающей процессы пищеварения.

Около 30% пептидных связей белков расщепляется трипсином. Он выделяется в виде неактивного трипсиногена и под влиянием фермента слизистой оболочки кишок энтерокиназы превращается в активный трипсин, теряя гексапептид, который закрывал ранее активный центр (рис, 23), Трипсин расщепляет пептидные связи, образованные - СООН-группами аргинина и лизина и - NН 2 -группами других аминокислот.

Почти 50% пептидных связей расщепляется химо-трипсином. Он выделяется в виде химо-трипсиногена, который под влиянием трипсина превращается в химо-трипсин. Фермент расщепляет пептидные связи, образованные - СООН-группами фенилаланина, тирозина и триптофана и - NН 2 -группами других аминокислот. Остальные пептидные связи расщепляются пептидазами кишечного сока и сока поджелудочной железы - карбоксипептидазами и аминопептидазами.

В составе сока поджелудочной железы есть коллагеназа (расщепляет коллаген) и эластиназа (гидролизует эластин). Деятельность ферментов активируется микроэлементами: Mg 2+ , Mn 2+ , Со 2+ и др. Заключительный этап переваривания белков отражает схема:

Переваривание белков происходит в полости кишок и на поверхности слизистой оболочки (пристеночное пищеварение).

В полости кишок расщепляются белковые молекулы, а на поверхности слизистой оболочки - их "обломки": альбумозы, пептоны, полипептиды, трипептиды и дипептиды.

Белки и их производные, не подвергшиеся расщеплению в тонкой кишке, в дальнейшем в толстой кишке подвергаются гниению. Гниение - многоступенчатый

процесс, на отдельных этапах которого участвуют различные микроорганизмы: анаэробные и аэробные бактерии родов Bacillus и Pseudomonas, инфузории и др. Под влиянием бактериальных пептид-гидролаз сложные белки расщепляются на протеины и простетические группы. Протеины, в свою очередь, гидролизуются до аминокислот, а они подвергаются дезаминированию, декарбоксилированию, внутримолекулярному расщеплению, окислению, восстановлению, метилированию, деметилированию и т. д. Возникает ряд ядовитых продуктов, которые всасываются через слизистую оболочку кишок в кровеносную и лимфатическую системы и разносятся по всему организму, отравляя его органы, ткани и клетки.

Так, при гниении в толстой кишке аминокислоты подвергаются декарбоксилированию, что приводит к образованию ядовитых аминов, например трупных ядов - кадаверина и путресцина.

При дезаминировании (восстановительном, внутримолекулярном, гидролитическом, окислительном) образуются аммиак, насыщенные и ненасыщенные карбоновые кислоты, оксикислоты и кетокислоты.

Бактериальные декарбоксилазы могут вызывать дальнейшее разложение карбоновых кислот с образованием углеводородов, альдегидов, спиртов и др.: CH 3 -CH 2 - COOH → CH 3 -CH 3 + CO 2 ;

Эти процессы обычно протекают сопряженно и поэтапно, что в итоге приводит к возникновению самых различных продуктов гниения. Так, при гнилостном разложении циклических аминокислот образуются следующие фенолы.

При гнилостном разложении триптофана образуются скатол и индол.

При гнилостном разложении цистина и цистеина образуются меркаптаны, сероводород, метан, углекислый газ.

Процессы гниения белков интенсивно развиваются при кормлении животных недоброкачественными кормами, нарушении режима кормления, при заболеваниях пищевого канала (атонии преджелудков, запорах), инфекционных (колибациллезе) и инвазионных (аскаридозе) болезнях. Это отрицательно сказывается на состоянии здоровья и продуктивности животных.

Всасывание белков. Белки всасываются в виде аминокислот, низкомолекулярных пептидов и простетических групп. У новорожденных животных всасывается часть нерасщепленных белков молозива и молока. Место всасывания - микроворсинки ворсинок эпителия слизистой оболочки тонкой кишки. Аминокислоты проникают в клетку через субмикроскопические канальцы микроворсинок и экзоплазматическую мембрану благодаря процессам диффузии, осмоса, с помощью белковых переносчиков против концентрационного и электрохимического градиентов. Прежде всего аминокислота соединяется с переносчиком. Он представляет собой поливалентный ион, который имеет четыре участка для

связывания с нейтральными, кислыми и основными аминокислотами, а также с ионом Na + . Пройдя мембрану, аминокислота отщепляется от переносчика и по эндоплазматической сети и пластинчатому комплексу постепенно перемещается от апикального края к базальному участку энтероцита (рис. 24). Быстрее всасывается аргинин, метионин, лейцин; медленнее - фенилаланин, цистеин, тирозин; медленно - аланин, серии и глутаминовая кислота.

В процессах всасывания важное место принадлежит натриевому насосу, так как хлорид натрия ускоряет всасывание.

Расходуемую при этом химическую энергию обеспечивают митохондрии.

В передвижении аминокислоты по клетке участвует белковый переносчик. В базальном и латеральных участках клетки комплекс переносчик + аминокислота расщепляется.

Аминокислота диффундирует в межклеточное пространство и поступает в кровеносную или

лимфатическую системы ворсинок, а ионы Na + возвращаются к поверхности клетки и взаимодействуют с новыми порциями аминокислот. Эти процессы регулируются нервной и гуморальной системами.

В толстой кишке всасываются продукты гниения: фенол, крезол, индол, скатол и др.

Промежуточный обмен. Продукты всасывания белков через систему воротной вены поступают в печень. Оставшиеся в крови после прохождения через печень аминокислоты из печеночной вены попадают в большой круг кровообращения и разносятся к отдельным органам, тканям и клеткам. Некоторая часть аминокислот из межклеточной жидкости поступает в лимфатическую систему, затем большой круг кровообращения.

В плазме крови содержится определенное количество аминокислот и полипептидов. Их содержание возрастает после приема корма.

Плазма крови богата глутамином и глутаминовой кислотой.

Большая часть аминокислот расходуется на биосинтез белков, часть - на биосинтез биологически активных веществ (небелковых гормонов, пептидов, аминов и др.), часть, дезаминируясь, используется в качестве энергетического сырья и материала для биосинтеза липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и др.

Биосинтез белка

Биосинтез белка протекает во всех органах, тканях и клетках. Наибольшее количество белка синтезируется в печени. Синтез его осуществляют рибосомы. По химической природе рибосомы - нуклеопротеиды, состоящие из РНК (50-65%) и белков (35-50%).

Рибосомы образуются самосборкой из предварительно синтезированных РНК и белков. Они являются составными частями гранулярной эндоплазматической сети, где происходит биосинтез и перемещение синтезированных молекул белка.

Рибосомы в клетке находятся в виде скопления от 3 до 100 единиц - полисом (полирибосом, эргосом). Рибосомы обычно соединены между собой своеобразной нитью, видимой под электронным микроскопом, - иРНК (рис. 25).

Каждая рибосома способна синтезировать

самостоятельно одну полипептидную цепь, группа - несколько таких цепей и молекул белка. Примером крупной полирибосомной системы могут быть полисомы мышечной ткани, синтезирующие миозин. Полисома состоит из 60-100 рибосом и осуществляет биосинтез молекулы белка, которая состоит из 1800 аминокислотных остатков.

Биосинтез белка в клетке протекает через ряд стадий.

Активация аминокислот . В гиалоплазму из межклеточной жидкости в результате диффузии, осмоса или активного переноса поступают аминокислоты. Каждый вид амино- и иминокислоты взаимодействует со своим активирующим ферментом - аминоацилсинтетазой. Реакция активируется катионами Mg 2+ , Mn 2+ и Co 2+ . Возникает активированная аминокислота.

Соединение активированных аминокислот с тРНК. На второй стадии биосинтеза белка активированные аминокислоты (аминоациладенилаты) от соединений их с

соответствующими ферментами переносятся на тРНК цитоплазмы. Процесс катализируется аминоацил-РНК-синтетазами.

Остаток аминокислоты соединяется карбоксильной группой с гидроксильной второго углеродного атома рибозы нуклеотида тРНК.

Транспортирование комплекса активированной аминокислоты с тРНК к рибосоме клетки . Активированная аминокислота, соединенная со своей тРНК, переносится из гиалоплазмы на рибосому. Процесс катализируется специфическими ферментами, которых в организме не меньше 20,

Ряд аминокислот транспортируется несколькими тРНК (например, валин и лейцин - тремя тРНК). В этом процессе используется энергия ГТФ и АТФ.

Связывание аминоацил-тРНК с комплексом иРНК -рибосома. Аминоацил-тРНК, подойдя к рибосоме, взаимодействует с иРНК. Каждая тРНК имеет участок, который состоит из трех нуклеотидов, - антигсодон . В иРНК ему соответствует участок с тремя нуклеотидами - кодон . Каждому кодону соответствуют антикодон тРНК и одна аминокислота. В ходе биосинтеза к рибосоме присоединяются в виде аминоацил-тРНК аминокислоты, которые в дальнейшем в порядке, определяемом размещением ko-донов в иРНК, соединяются в полипептидную цепь.

Инициация полипептидной цепи . После того, как две соседних аминоацил-тРНК своими антикодонами присоединились к кодонам иРНК, создаются условия для синтеза полипептидной цепи. Формируется первая пептидная связь. Эти процессы катализируются пептидсинтетазами, активируются катионами Mg 2+ и факторами инициации белковой природы - F 1 , F 2 и F 3 . Источником химической энергии является

ГТФ. Связь возникает за счет СО-группы первой и NН 2 -труппы второй аминоацил-тРНК.

Эти реакции протекают на свободной 30S субъединице. К инициаторному комплексу присоединяется 50S субъединица, и они объединяются в рибосому, связанную с иРНК. Каждый этап инициации требует одной молекулы ГТФ.

Элонгация полипептидной цепи. Инициация полипептидной цепи начинается с N-конца, так как в образовавшемся дипептиде сохранена -NH 2 -группа первой аминокислоты. Первая тРНК, принесшая свою аминокислоту, отщепляется от комплекса иРНК - рибосома и "направляется" в гиалоплазму за новой аминокислотой. Дипептид, связанный со второй тРНК (см. выше), взаимодействует с третьей амино-ацил-тРНК, образуется трипептид, и вторая тРНК сходит с рибосомы в гиалоплазму и т. д. Пептидная цепь удлиняется (элонгируется) в результате последовательного присоединения новых аминокислотных остатков. Рибосома постепенно движется по иРНК, превращая закодированную в ней информацию в четко организованную полипептидную цепь. При каждом шаге рибосомы образуется новый пептидил-тРНК, увеличенный на один аминокислотный остаток. Процесс катализируется пептидилтрансферазой, активируется катионами Mg 2+ и белковыми факторами (EF-Tu, EF-Ts, EF-G). Источником энергии служит ГТФ. На полисоме синхронно синтезируется несколько пептидных цепей. Так создается первичная структура молекулы белка.

Терминация полипептидной цепи . Рибосома, на поверхности которой синтезировалась полипептидная цепь, достигает конца цепочки иРНК и "соскакивает" с него; к противоположному концу иРНК на ее место присоединяется новая рибосома, осуществляющая синтез очередной молекулы полипептида. Полипептидная цепь отсоединяется от рибосомы и выделяется в гиалоплазму. Эта реакция осуществляется с помощью специфического фактора освобождения (фактора R), который связан с рибосомой и облегчает гидролиз сложноэфирной связи между полипептидом и тРНК. Все стадии суммирует схема (цвет, табл. III).

В гиалоплазме из полипептидных цепей образуются простые и сложные белки. Формируются вторичная, третичная и в ряде случаев четвертичная структуры белковой молекулы.

Обновление белков в организме. Белки находятся в динамическом состоянии, подвергаясь постоянным процессам синтеза и распада. В ходе жизнедеятельности они постепенно "изнашиваются" - разрушаются их четвертичная, третичная, вторичная и первичная структуры. Инактивируются белковые функциональные группы и разрушаются связи в белковой молекуле. Возникает необходимость в замене "изношенных" белковых молекул новыми.

В зависимости от степени повреждения белковой молекулы происходит ее частичное или полное обновление. В первом случае под влиянием специальных ферментов обновляются небольшие участки полипептидных цепей или отдельные аминокислотные остатки (транспептидация). Во втором случае происходит полная замена "изношенной" молекулы белка новой. Поврежденная молекула белка распадается под влиянием тканевых протеаз или катепсинов I, II, III и IV, локализированных в лизосомах. Молекула протеида подвергается обычным для этих веществ превращениям.

Белки организма человека в целом обновляются в течение 135-155 сут. Белки печени, поджелудочной железы, стенки кишок и плазмы крови обновляются в течение 10 сут, мышц - 30, коллагена - 300 сут. Синтез молекулы белка в клетке протекает быстро - в течение 2-5 с. В организме взрослого человека ежесуточно синтезируется 90-100 г белка (1,3 г на 1 кг

массы). Степень обновления уменьшается при старении, болезнях и т. д.

Биосинтез пептидов

Часть эндо- и экзогенных аминокислот идет на синтез пептидов.

Глутатион . Представляет собой трипептид, образованный из остатков глутаминовой кислоты, цистеина и глицина.

Биосинтез протекает в две стадии. Так, вначале под влиянием фермента γ -глутамилцистеинсинтетазы образуется дипептид-, затем при участии трипептид - синтетазы - трипептид-глутатион:

Он является составной частью многих ферментов, защищает SH-группы белков от окисления.

Карнозин и ансерин. Дипептиды мышечной ткани. Карнозин образуется из гистидина и β -аланина, ансерин - из 1-метилгистидина и β -аланина.

Пептиды синтезируются под влиянием специфических ферментов, при участии АТФ и Мg 2+ -ионов. Реакции протекают в две стадии, например синтез карнозина.

Биосинтез и обмен отдельных аминокислот

Заменимые аминокислоты синтезируются в тканях организма; незаменимые поступают в организм в составе корма; условно заменимые синтезируются в тканях в ограниченной мере (аргинин и гистидин) или при наличии предшественников (тирозин и цистеин). Некоторое количество аминокислот синтезируется симбиотической микрофлорой в пищевом канале.

Материалом для синтеза аминокислот чаще всего служат α -кето- и α -оксикислоты, которые образуются в тканях при промежуточном обмене углеводов, липидов и других соединений. Источником азота служат аммиак и аммонийные соли, водорода - НАД∙H 2 или НАДФ∙H 2 .

Если источником аминокислоты является кетокислота, то она может подвергаться восстановительному аминированию, которое протекает в две стадии: вначале образуется иминокислота, затем - аминокислота.

Так образуется аланин из пировиноградной кислоты, аспарагиновая и глутаминовая кислоты из щавелевоуксусной и др.

Часть глутаминовой кислоты может синтезироваться из α -кетоглутаровой кислоты под действием фермента L -глутаматдегидрогеназы.

Глутаминовая кислота используется тканями как донор аминогруппы.

Отдельные аминокислоты могут образовываться из других аминокислот трансаминированием (A. E. Браунштейн и M. Г. Крицман, 1937) под влиянием ферментов аминофераз, составной частью которых является производное витамина B 6 - пиридоксальфосфат, играющий роль переносчика NН 2 -групп (с. 271).

Так образуется глицин из серина или треонина; аланин - из глутаминовой и аспарагиновой кислот, триптофана или цистеина; тирозин из фенилаланина; цистеин и цистин - из серина или метионина; глутаминовая кислота образуется из пролина или аргинина и др.

Обмен отдельных аминокислот имеет определенные особенности.

Глицин . Участвует в ряде важнейших реакций биосинтеза. Так, из него образуются:

В тканях печени глицин участвует в процессе обезвреживания ядовитых соединений - бензойной,

фенилуксусной кислот и фенолов, образует парные соединения, которые выводятся с мочой.

Аланин . Образуется трансаминированием пировиноградной кислоты (см. выше). Существует в виде α - и β -форм. Участвует в биосинтезе.

Аспарагиновая кислота. Образуется обычно трансаминированием щавелевоуксусной кислоты (см. выше). Вместе с глутаминовой кислотой обеспечивает взаимосвязь между обменом белков, углеводов и липидов. Служит донатором аминогрупп в

реакциях трансаминирования. Основные реакции отражает схема.

Глутаминовая кислота . Содержится в тканях в составе белков, в свободном состоянии и в виде амида. Донатор аминогруппы в реакциях трансаминирования. Основные вещества, в синтезе которых участвует кислота:

Серин и треонин . Их обмен тесно связан с обменом глицина. Серин в тканях образуется из 3-фосфоглицериновой кислоты. Из серина образуется глицин в результате переноса одноуглеродного фрагмента (C 1) на тетрагидрофолиевую кислоту (ТГФК, см. с. 311). Глицин может образовываться из треонина. Фрагмент C 1 используется для синтеза гистидина и пуринов. Из серина и треонина образуется пировиноградная кислота, которая с помощью ацетил-КоА включается в ЦТК.

Часть превращений отражает схема:

Гидроксильная группа серина входит в состав активного центра многих ферментов: трипсина, химо-трипсина, эстераз, фосфорилаз.

Метионин . Является составной частью многих белков. Служит донатором метальной группы. Передача метильной группы в процессе переметилирования происходит под влиянием соответствующих метил-трансфераз через S-аденозилметионин:

Предшественником метионина является аспарагиновая кислота, которая через, несколько стадий (гомосерин, 0-сукцинил-гомосерин, цистеин, цистатионин, гомоцистеин) превращается в метионин.

Цистеин и цистин . Составные части многих белков, пептидов, гормонов и других соединений. SH-Группа цистеина - составная часть активных центров ряда ферментов. Участие цистеина в обмене веществ частично отражает схема:

Аргинин и орнитин . Аргинин образуется в процессе превращения углекислого газа и аммиака в мочевину.

Обе аминокислоты участвуют в образовании ряда жизненно важных веществ.

Лизин . Важнейшая аминокислота. Участвует в синтезе многих веществ.

Σ-Аминогруппа остатка лизина участвует в формировании связи между апо- и коферментами, особенно при образовании биотинфермента. Лизину принадлежит важная роль в связывании фосфора при минерализации костной ткани и других процессах.

Фенилаланин и тирозин . Их превращения в организме идут в таких направлениях: биосинтез белков и пептидов, образование

протеиногенных аминов, гормонов и пигментов, окисление до концевых продуктов с разрывом ядра и др.:

Триптофан . Важнейшая аминокислота. Ее превращения иллюстрируются схемой:

Гистидин . Относится к незаменимым аминокислотам. Участвует в биосинтезе и обмене многих жизненно важных веществ:

Пролин и оксипролин . Оксипролин возникает из пролина. Процесс необратимый. Обе иминокислоты используются для биосинтеза белков и др.

Превращение безазотистого остатка аминокислот

Часть аминокислот, не использованных в синтезе белков, и их производных, подвергается процессам распада до аммиака и карбоновых кислот. Аммиак обезвреживается в печени в орнитиновом цикле. Из нескольких видов дезаминирования преобладает окислительное. Образовавшиеся при этом кетокислоты используются тканями для различных потребностей. По направлению использования безазотистого остатка аминокислоты делят на два вида: глюкопластические и липопластические. Из глюкопластических аминокислот (аланин, серии, цистеин и др.) обычно образуется пировиноградная кислота, которая служит исходным веществом для биосинтеза глюкозы и гликогена.

Из липопластических аминокислот (лейцин, изолейцин, аргинин, орнитин, лизин и др.) после дезаминирования образуется ацетоуксусная кислота - источник биосинтеза высших жирных кислот.

α -Кетокислоты, образовавшиеся при окислительном дезаминировании аминокислот, декарбоксилируются и одновременно окисляются в жирные кислоты.

Образовавшаяся жирная кислота может подвергаться β -окислению, возникает ацетил-КоА - источник химической энергии или сырье для биосинтеза многих веществ.

Особенности промежуточного обмена сложных белков

Биосинтез сложных белков протекает аналогично биосинтезу протеинов. При этом формируются первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковой молекулы с присоединением соответствующей простетической группы.

Обмен хромопротеидов. В организме животных содержится ряд хромопротеидов: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, геминовые ферменты и др.

Для них характерно наличие в составе молекулы гема. Наиболее подробно изучен биосинтез гемоглобина.

Основные компоненты молекулы гемоглобина образуются в органах кроветворения: красном костном мозгу, селезенке, печени. Глобин синтезируется из аминокислот обычным для белков путем. Образование гема происходит при участии ферментов через ряд стадий.

Из двух молекул δ -аминолевулиновой кислоты образуется порфобилиноген, который содержит пиррольное кольцо.

Порфобилиноген затем образует циклическое соединение из четырех пиррольных колец - уропорфирин.

В дальнейших превращениях из уропорфирина образуется протопорфирин. В молекулу протопорфирина под влиянием фермента гемосинтетазы включается железо (Fe 2+) и возникает гем, который через остаток гистидина связывается с простым белком глобином, образуя субъединицу молекулы гемоглобина.

Гемоглобин составляет 90-95% сухой массы эритроцитов.

Обмен липопротеидов, гликопротеидов и фосфопротеидов мало чем отличается от обмена простых белков. Их синтез протекает аналогично другим белкам - с образованием первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур. Разница заключается в том, что при синтезе к белковой части молекул присоединяются разные простетические группы. При распаде молекулы сложного белка белковая часть расщепляется до аминокислот, а простетические группы (липид, углевод, фосфорные эфиры аминокислот) - до простых соединений.

Конечный обмен. Во время промежуточного обмена образуется ряд химических соединений, которые выделяются из организма как продукты распада белков. В частности, углекислый газ выделяется легкими, вода - почками, с потом, в составе кала, с выдыхаемым воздухом. Многие другие продукты обмена белков, особенно азотистые, выделяются в виде мочевины, парных соединений и т. д.

Превращение аммиака . Аммиак образуется при дезаминировании аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, никотиновой кислоты и ее производных, других азотсодержащих соединений. За сутки в организме человека дезаминируется 100-120 г аминокислот, образуется 16-19 г азота или 18-23 г аммиака. В основном аммиак в организме сельскохозяйственных животных обезвреживается в виде мочевины, частично - в виде аллантоина, мочевой кислоты и аммонийных солей. У птиц и рептилий основным конечным продуктом азотистого обмена является мочевая кислота.

Мочевина - главный конечный продукт азотистого обмена у большинства позвоночных и человека. Она составляет 80-90% всех азотистых веществ мочи. Создана современная теория образования мочевины в печени - орнитиновый цикл Кребса.

1. Отщепившиеся в процессе дезаминирования и декарбоксилирования NH 3 и CO 2 под влиянием фермента карбамоилфосфатсинтетазы соединяются, образуя карбамоил фосфат.

2. Карбамоилфосфат с орнитином при участии орнитинкарбамоилтрансферазы образуют цитруллин.

3. Под влиянием аргининосукцинатсинтетазы он взаимодействует с аспарагиновой кислотой, образуя аргининоянтарную кислоту.

4. Аргининоянтарная кислота под воздействием аргининосукцинатлиазы расщепляется на аргинин и фумаровую кислоту.

5. Аргинин под влиянием аргиназы расщепляется на орнитин и мочевину, которая удаляется из организма с мочой и потом:

Орнитин вступает в реакцию с новыми порциями карбамоилфосфата, и цикл повторяется.

Часть аммиака в тканях связывается в процессе образования амидов - аспарагина или глутамина , которые транспортируются в печень. В печени они гидролизуются, после чего из аммиака образуется мочевина. Некоторое количество аммиака используется тканями для восстановительного аминирования кетокислот, что приводит к образованию аминокислот.

Кроме того, в тканях почек аммиак участвует в процессе обезвреживания органических и неорганических кислот:

Превращения других продуктов конечного обмена белков . В процессе обмена белков образуются и другие продукты конечного обмена, в частности производные пуриновых и пиримидиновых оснований, газы (выделяются при дефекации), фенолы, индол, скатол, серная кислота и др. Особенно много таких веществ образуется в толстой кишке при гниении белков.

Эти ядовитые соединения нейтрализуются в печени образованием так называемых парных кислот, которые выделяются в составе мочи, частично - пота и кала.

Индол и скатол, образующиеся при гнилостном разложении триптофана, превращаются в индоксил и скатоксил. Они образуют парные соединения с глюкуроновой или серной кислотами.

Превращения продуктов распада хромопротеидов . При расщеплении хромопротеидов образуются глобин и гем. Глобин подвергается обычным превращениям, типичным для протеинов. Гем служит источником образования

пигментов желчи, мочи и кала. Гемоглобин, окисляясь, превращается в вердогемоглобин (холеглобин). Вердогемоглобин теряет белковую часть и атомы железа, что приводит к образованию вещества зеленого цвета - биливердина . Биливердин восстанавливается в пигмент красного цвета - билирубин . Из билирубина образуется мезобилирубин , который после очередного восстановления становится уробилиногеном . Уробилиноген в кишечнике превращается в пигменты кала - стеркобилиноген и стеркобилин , в почках - в пигмент мочи уробилин .

Продукты распада гема используются организмом для различных потребностей. Так, железо депонируется в органах в составе ферритинов. Биливердин и билирубин являются пигментами желчи, остальные вещества - пигментами мочи и кала. Расщепление мио-глобина протекает аналогично.

Регуляция белкового обмена. Особое место в регуляции принадлежит коре больших полушарий головного мозга и подкорковым центрам. В гипоталамусе имеется центр белкового обмена. Регуляция осуществляется рефлекторно, в ответ на раздражения.

Действие гормонов на биосинтез белка осуществляется путем стимуляции образования иРНК. Соматотропин усиливает синтетические процессы белка. Биосинтез белков активируется инсулином, некоторыми

андро- и эстрогенами, тироксином. Глюкокортикоиды коры надпочечников стимулируют расщепление белков и выделение азотистых веществ.

Действие гормонов на обмен белков связано с изменением скорости и направления ферментативных реакций. Биосинтез и, следовательно, активность ферментов, участвующих в обмене белков, зависит от наличия в кормах достаточного количества витаминов. В частности, пиридоксальфосфат является коферментом декарбоксилаз аминокислот, витамин B 2 - составная часть кофермента аминооксидаз, витамин PP-основа дегидразы глутаминовой кислоты, без витамина С не может проходить биосинтез пролина и оксипролина и т. д.

Патология белкового обмена. Обмен белков нарушается при инфекционных, инвазионных и незаразных болезнях. Причиной нарушений белкового обмена бывает неправильно составленный рацион, кормление недоброкачественными кормами, несоблюдение режима кормления и др. Это приводит к снижению уровня продуктивности животных, ухудшению их здоровья, а иногда и к гибели.

Патология белкового обмена проявляется в различных формах.

Белковое голодание . Различают два вида белкового голодания: первичное, когда в кормах нет достаточного количества незаменимых аминокислот, и вторичное, вызванное заболеваниями пищевого канала, печени, поджелудочной железы. У животных замедляется рост, появляется общая слабость, отечность, нарушается костеобразование, наблюдаются потеря аппетита, поносы. Возникает отрицательный азотистый баланс, наступает гипопротеинемия (в крови уменьшается содержание белков на 30-50%).

Нарушение обмена аминокислот . Проявляется в нескольких видах. Так, при некоторых болезнях печени (гепатитах, циррозах, острой желтой дистрофии) в крови и моче резко увеличивается содержание аминокислот - наступает алкаптонурия. В частности, при нарушении обмена тирозина развивается алкаптонурия, сопровождаемая резким потемнением мочи после стояния на воздухе. При цистинозе происходит отложение цистина в печени, почках, селезенке, лимфатических узлах, кишках и

наблюдается избыток цистина в моче (цистинурия). При фенилкетонурии в моче появляется большое количество фенилпировиноградной кислоты. Часто причиной таких нарушений бывают авитаминозы.

Нарушение обмена сложных белков. Чаще всего они проявляются в виде нарушений нуклеинового и порфиринового обменов. В последнем случае нарушается обмен гемоглобина, мио-глобина и других белков. Так, при различных поражениях печени (гепатитах, фасциолезе и др.) возникает гипербилирубинемия - содержание билирубина в крови возрастает до 0,3 - 0,35 г/л. Моча становится темной, в ней появляются большие количества уробилина, возникает уробилинурия. Иногда наблюдается порфирия - увеличение в крови и тканях содержания порфиринов. Это приводит к порфинурии, и моча становится красной.

Контрольные вопросы

1. Что такое белки, каковы их значение, химический состав, физико-химические свойства, структура (первичная, вторичная, третичная, четвертичная)? Их классификация.

2. Дайте характеристику основных групп и подгрупп аминокислот, приведите структурные формулы важнейших из них, проанализируйте их свойства.

3. Что такое баланс азота, белковый минимум, полноценные и неполноценные белки, заменимые, условно заменимые и незаменимые аминокислоты? Напишите формулы незаменимых аминокислот.

4. Проанализируйте основные этапы обмена белков в организме различных видов сельскохозяйственных животных - переваривание, всасывание, промежуточный (биосинтез и распад) и конечный обмены.

5. Как регулируется белковый обмен в организме животных и чем проявляется патология обмена белков?

Глава IV .9.

Обмен белков

Важный критерий пищевой ценности белков – доступность аминокислот. Аминокислоты большинства животных белков полностью высвобождаются в процессе пищеварения. Исключение составляют белки опорных тканей (коллаген и эластин). Белки растительного происхождения перевариваются в организме плотоядных плохо, т.к. содержат много волокон и иногда ингибиторы протеаз (соя, горох). У жвачных растительные белки перевариваются под действием ферментов микрофлоры рубца. Существенный критерий ценности пищевого белка – аминокислотный состав. Чем больше содержится незаменимых аминокислот, тем полезнее данный белок для организма.

Переваривание и всасывание белков

В ротовой полости не происходит.

В желудке главные клетки слизистой оболочки секретируют пепсиноген – предшественник протеолитического фермента пепсина . В результате аутокатализа в кислой среде желудочного сока фермент активируется. Соляная кислота поддерживает рН в пределах 1,5-2,0. Это оптимальные условия для активной работы фермента. В кислой среде белки корма подвергаются денатурации, что делает их более доступными ферментативному протеолизу. Пепсин быстро гидролизует в белках пептидные связи, образованые ароматическими аминокислотами и медленно связи между лейцином и дикарбоновыми аминокислотами.

В тонком отделе кишечника происходит дальнейший гидролиз пептидов до аминокислот. Туда поступает панкреатический сок с рН 7,8-8,2. Он содержит неактивные предшественники протеаз: трипсиноген , химотрипсиноген , прокарбоксипептидазу , проэластазу. Слизистой кишечника вырабатывается фермент энтеропептидаза , который активирует трипсиноген до трипсина, а последний уже все остальные ферменты. Протеолитические ферменты содержатся также в клетках слизистой кишечника, поэтому гидролиз небольших пептидов происходит после их всасывания. Конечный результат действия ферментов желудка и кишечника – расщепление почти всей массы пищевых белков до свободных аминокислот.

Всасывание аминокислот происходит в тонком отделе кишечника. Это активный процесс и требует затраты энергии. Основной механизм транспорта – гамма-глутамильный цикл. В нем участвует 6 ферментов и трипептид глутатион (глутамилцистеинилглицин). Ключевой фермент – гамма-глутамилтрансфераза . Кроме того, процесс всасывания АК требует присутствия ионов Na + . Аминокислоты попадают в портальный кровоток – в печень и в общий кровоток. Печень и почки поглощают аминокислоты интенсивно, мозг избирательно поглощает метионин, гистидин, глицин, аргинин, глутамин, тирозин.

В толстом отделе кишечника не всосавшиеся по каким-либо причинам (недостаток или низкая активность протеолитических фрементов, нарушение процессов транспорта АК) пептиды и АК подвергаются процессам гниения. При этом образуются такие продукты как: фенол , крезол , сероводород , метилмеркаптан , индол , скатол , а также группа соединений под общим названием «трупные яды» - кадаверин , путресцин . Эти вещества всасываются в кровь и поступают в печень, где подвергаются конъюгации с глюкуроновой кислотой и другим процессам обезвреживания (см. подробнее главу "Биохимия печени"). Затем они выводятся из организма с мочой.

Переваривание белков у жвачных

Под действием ферментов микрофлоры рубца белки гидролизуются до АК, которые могут использоваться двумя путями:

1) идти на синтез белков микрофлоры рубца;

2) подвергаться процессу брожения;

Вновь образовавшаяся микрофлора поступает в сычуг и далее подвергается действию ферментов как и у моногастричных животных. Сбраживание АК завершается образованием летучих жирных кислот (ЛЖК: молочной, масляной, уксусной, пропионовой) и аммиака. Данные продукты в свою очередь идут:

1) на синтез белков микрофлоры рубца;

2) поступают в кровь и идут на энергетические нужды.

Пути использования АК в организме

1) синтез собственных белков организма (см. главу "Матричный биосинтез);

2) при дефиците энергии участие в ЦТК (рис. 4.9.1.);

3) участие в образовании биологически активных веществ (БАВ).

Ряд аминокислот в клетках подвергается химической модификации:

1) окислительное дезаминировние или отщепление аминогруппы катализируется ферментами класса аминооксидаз. Они очень специфичны и малоактивны. Единственный высокоактивный фермент работает в печени и мозге – это глутаматдегидрогеназа (ГДГ). Он катализирует превращение глутаминовой кислоты в альфа-кетоглутаровую ;

2) переаминироване. Происходит обмен аминогруппы на кетогруппу между амино- и кетокислотой. Глутаминовая кислота взаимодействует с пировиноградной , при этом образуется альфа-кетоглутаровая кислота и аланин ;

3) декарбоксилирование или отщепление карбоксильной группы с образованием СО 2 и амина. Катализируют реакцию декарбоксилазы. В тканях этим процессам подвергаются в основном гистидин, тирозин, глутаминовая кислота. Из них образуются гистамин, тирамин, гамма-аминомаслянная кислота .

Гистамин - продукт декарбоксилирования гистидина. Накапливается в тучных клетках. В слизистой желудка активирует синтез пепсина и соляной кислоты. Является одним из медиаторов воспаления.

Серотонин образуется из триптофана преимущественно в нейронах гипоталамуса и стволе мозга. Является медиатором этих нейронов. Разрушается под действием моноаминоксидазы обычно в печени.

Дофамин – производное тирозина. Он является медиатором проведения нервного импульса, а также предшественником меланина, норадреналина и адреналина .

Процессы гниения в тонком отделе кишечника происходят также под действием декарбоксилаз.

Биосинтез аминокислот

Если незаменимые АК должны в обязательном порядке поступать в организм с пищей, то заменимые АК могут в случае их дефицита синтезироваться одна из другой. Полностью заменимыми являются 8 аминокислот: Ала, Аск, Асп, Глк, Глн, Сер, Глн и Про. Исходными соединениями для их биосинтеза являются компоненты гликолитической цепи и ЦТК. Добавление аминогруппы чаще осуществляется при участии глутаматдегидрогеназы. Аланин из пирувата, аспарагин – из фумарата, глутамин из - альфа-кетоглутарата, из него также пролин, орнитин и аргинин, серин и глицин - из 3-фосфоглицерата. Аспартат может также образовываться из оксалоацетата с использованием в качестве донора аминогруппы от глутамата (Ф: АсАт). Аланин при участии фермента АлАт из пирувата (аминогруппа также от глутамата). Ряд других АК могут синтезироваться в организме, но по более сложным механизмам.

Биосинтез сложных белков

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды . Пуриновый скелет образуется в ходе нескольких реакций из аспартата, формила, глутамина, глицина и СО 2 . Пиримидиновый скелет из глутамина, аспарагиновой кислоты и СО 2 .

Катаболизм пуриновых нуклеотидов завершается образованием мочевой кислоты . Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов – аланином и аминомасляной кислотой.

Синтез гемоглобина включает в себя образование глобина и гема. Глобин синтезируется как и все белки.

Предшественники гема – сукцинил КоА и глицин. Из них образуется аминолевулиновая кислота (Е : аминолевулитат-синтетаза). Две молекулы аминолевулиновой кислоты конденсируются с образованием порфобилиногена(Е: порфобилиногенсинтетаза ). Четыре молекулы порфобилиногена конденсируются в тетрапиррольное соединение которое модифицируется в протопорфирин . Заключительный этап – присоединение железа (Е : феррохелатаза ).

Разрушение гемоглобина происходит в такой последовательности:

1) раскрытие пиррольного кольца с образованием вердоглобина;

2) удаление железа после чего получается биливердоглобин;

3) отщепление глобина с образованием биливердина ;

4) восстановление метиновой группы с получением билирубина .

Билирубин с током крови доставляется в печень, где часть его этерифицируется при участии УТФ-глюкуронилтрансферазы. Этерифицированный билирубин называется прямым (связанным), а неэтерифицированный – непрямым (свободным).

Связанный билирубин выделяется с желчью в 12-перстную кишку, где после ряда превращений под действием ферментов микрофлоры он превращается в стеркобилин и выделяется с калом или в уробилин и выделяется с мочой. Повышение содержания билирубина в крови – билирубинемия.

Обезвреживание аммиака

Он образуется в основном при дезамировании аминокислот.

1) Восстановительное аминировние происходит в малом объеме и несущественно.

2) Образование амидов аспарагиновой и глутаминовой кислот (аспарагина и глутамина). Этот процесс в основном протекает в нервной ткани, где очень важно обезвреживать аммиак.

3) Образование солей аммония происходит в почечной ткани (хлорид аммония удаляется с мочой).

4) Основной путь – синтез мочевины. Происходит в цикле мочевины или орнитиновом цикле.

Лежащих в основе жизни. В живой природе вся сумма химических реакций направлена к одной цели – воспроизведению белковых тел. Все другие виды обмена – углеводный, липидный, нуклеиновый и минеральный – обеспечивают метаболизм белков, особенно биосинтез специфических белков.

Обмен белков в организме занимает ведущую роль, а потому необходимо систематическое пополнение их из внешней среды, главным образом белками растительного и животного происхождения. Проблема белка была и остается основной проблемой перед человечеством. Сегодня треть человечества испытывает недостаток белка в рационе.

Основной источник белка в рационе человека это белки животного происхождения – мясо, молоко, яйцо. Если для обеспечения потребности человека в питательных веществах требуется производство зерна из расчета 1 тонна на человека в год, то из этого количества две трети зерна используется на корм скоту, чтобы иметь полноценные белки животного происхождения. Потребление зерна для кормовых целей занимает большое место в производстве полноценных белков, поэтому необходимо стремиться к снижению потребления концентратов в производстве животноводческих продуктов. В этом плане разные виды животных резко отличаются между собой. Так, птица способна быстро переработать зерно и обеспечить необходимым количеством мяса и яиц. Производство имеет промышленную технологию, хорошо механизировано, однако для этого требуются концентраты.

Свиньи также дают быстро прирост и продукцию, в течение одного года до 100 кг и более; но затраты при этом состоят в основном из концентратов. Имея комбинированный силос, можно в какой-то степени снизить долю концентратов в рационе свиней.

Крупный рогатый скот – может дать целиком продукцию за счет растительных кормов (без зерна). Он не является конкурентом человека в потреблении зерна. Эту особенность следует помнить всегда. Очень часто для получения молока доля концентратов в рационе коров доходит до 60 %. Это очень много. Задача – снизить до 20-30%, что реально и возможно при полноценном кормлении, прежде всего кормовым белком.

Пищевая ценность кормов, в % на сухую массу (по Чечеткину А.В.).

Таблица 10.1

Большинство растительных кормов содержат немного белков, за исключением гороха, сои, а также кормов животного и бактериального происхождения.

Белки, окисляясь в организме, могут служить источником энергии, но организм животного и птицы не может обходиться без систематического поступления белков с кормом. Опыты показывают, что длительное исключение углеводов и жиров из рациона животного мало отражается на продуктивности; исключение белка из рациона приводит к снижению продуктивности, а длительное исключение – к гибели животного. Без кормовых белков невозможна не только высокая продуктивность, но и жизнь животного.

В течение жизни организма его клетки сменяются многократно. Так, например, эритроциты крови полностью обновляются за 100-120 дней, интенсивно сменяется эпителий кожи и слизистых оболочек и других тканей. Роль белков велика для растущего организма, для животных, основу продуктивности которых составляет молоко, яйца, шерсть.

Например, корова с продуктивностью 20 кг молока ежедневно теряет с молоком 0,5 кг белка. Белки составляют 20% массы тела, в том числе 95% азота белка приходится на долю аминокислот. Если живая масса коровы 500 кг, то из этого количества 100 кг составляют аминокислоты. Без белков и аминокислот не может быть обеспечено воспроизводство основных элементов клеток, тканей, органов, синтез ферментов, гормонов. О белковом обмене можно судить на основе показателей азотистого баланса.

Азотистый баланс определяется на основании суточного потребления животным азотистых веществ с кормами, выделения их с калом, мочой. На основании потребления - выделения - разницы между ними судят о количестве усвоенных организмом азотистых веществ за сутки и коэффициенте использования протеина корма.

Аминокислоты всасываются в кровь, доставляются в печень, где частично дезаминируются, декарбоксилируются или подвергаются трансаминированию. Кроме того, происходит постоянно обновление белков собственного тела – распад (в лизосомах) и синтез de novo. Обновление аминокислот в белках ткани идет очень интенсивно. Так, белки печени обновляются наполовину за 8-12 суток, плазмы крови – за 18-45 суток. У крупного рогатого скота при выращивании на мясо за сутки синтезируется 120-200 г белка, у лактирующей коровы с молоком выделяется 600-1200 г новых белков. Распад тканевых белков – аутолиз происходит под действием ферментов – тканевых протеаз – катепсинов.

Третьим источником свободных аминокислот (1-ый из кишечника, 2-ой - аутолиз) в клетках организма является их синтез. В растениях синтезируется очень большой набор аминокислот (свыше 20), а в животном организме синтезируются только заменимые аминокислоты путем восстановительного аминирования кетокислот и трансаминирования.

Восстановительное аминирование кетокислот является обратным процессом окислительного дезаминирования аминокислот (глутаминовая, аспарагиновая и др.). Ресинтез происходит в 2 этапа:

Таким образом, в первую фазу реакции из кетокислоты и аммиака образуются иминокислоты, во вторую – иминокислота восстанавливается за счет водорода восстановленной формы НАД или НАДФ, то есть НАД H 2 , НАДФ Н 2 – в аминокислоту. Этот путь синтеза аминокислот в организме животных ограничен, он ярче выражен у растений и микробов (бактерий).

Наиболее выраженный путь биосинтеза аминокислот в организме – путь переаминирования (трансаминирования). Он открыт в 1937 году Браунштейном A.E. и Крицманом М.Г. Было установлено, что из глутаминовой и пировиноградной кислот могут образоваться α-кетоглутаровая кислота и аланин без промежуточного выделения аммиака.

Эту реакцию называют трансаминированием, при этом происходит перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Донором аминогруппы является аминокислота, акцептором – кетокислота. Все природные аминокислоты подвержены ферментативному переаминированию. Наиболее активно эта реакция происходит между глутаминовой кислотой и щавелевоуксусной.

Между аспарагиновой кислотой и α-кетоглутаровой (в печени и мышечной ткани) реакция происходит с участием трансфераз (трансаминаз); коферментом является фосфо- пиридоксаль (витамин B 6).

Аминогруппа через основание Шиффа переходит на фосфопиридоксаль, в результате синтезируется фоофопиридоксамин и соответствующая кетокислота. Фосфопиридоксамин реагирует с новой кетокислотой, образуя новую аминокислоту с освобождением фосфопирид оксаля. Процесс образования промежуточного продукта можно представить следующим образом:

Процесс образования промежуточного продукта можно представить следующим образом:

Переаминирование играет очень важную роль при синтезе в тканях необходимых аминокислот.

Таким образом, фонд свободных аминокислот клеток формируется за счет:

1) поступления из органов пищеварения;

2) распада белков;

3) синтеза заменимых аминокислот в реакциях трансаминирования, восстановительного аминирования кетокислот.
Дезаминирование аминокислот

Различают четыре способа дезаминирования аминокислот: 1. Восстановительное дезаминирование:

В результате образуется органическая кислота и аммиак.

2. Гидролитическое дезаминирование:

В результате реакции образуется оксикислота и аммиак.

Эти виды дезаминирования характерны для бактерий (преджелудка жвачных, толстого отдела кишечника других животных).

3. Внутримолекулярное дезаминирование:

В результате образуется ненасыщенная органическая кислота и аммиак.

Такой вид дезаминирования характерен для бактерий, растений, а в животном организме дезаминируется гистидин. Под действием фермента гистидиндезаминазы происходит образование аммиака и урокиноновой кислоты.

1. 
   Окислительное дезаминирование:

Это наиболее распространенная форма дезаминирования. Реакция происходит с участием ферментов, где акцептором водорода, как правило, является НАД, реже – ФМН. Она проходит в

две стадии. На первой стадии образуется неустойчивая иминокислота, во второй стадии с участием молекулы воды образуется аммиак и кетокислота:

В тканях организма важно дезаминирование Д-аминокислот, так как в белках содержатся только L-аминокислоты. Поэтому в организме весьма активна дегидрогеназа а-глутаминовой кислоты, которая превращает ее в а-кетоглутаревую кислоту.

Реакция весьма распространена. Глутаматдегидрогеназа играет решающую роль в процессах окислительного дезаминирования большинства аминокислот путем непрямого Дезаминирования.

Коферментом глутамат дегидрогеназы является НАД (НАДФ):

НАДН 2 в дыхательной цепи митохондрий обеспечивает синтез трех молекул АТФ (печень, мышца, почки, мозг и т.д.).

Трансаминирование – непрямой путь дезаминирования

аминокислот

В метаболизме аминокислот трансаминирование занимает ключевое место. Так, глутаматдегидрогеназа весьма активно ведет к образованию α-кетоглутаровой кислоты, которая является субстратом для трансаминирования с другими аминокислотами. Например:

Глутаминовая кислота затем дезаминируется по схеме, представленной выше. Щавелевоуксусная кислота так же может быть субстратом для переаминирования и для дезаминирования:

Механизм непрямого дезаминирования обеспечивает дезаминирование всех аминокислот в организме животных.
Декарбоксилирование аминокислот
В тканях животных декарбоксилированию подвергаются аминокислоты: гистидин, тирозин, глутаминовая кислота, 5-окситриптофан, 3,4-диоксифенилаланин (ДОФА), цистеиновая кислота.

Первые три входят в состав белков, остальные – продукты обмена – тирозина, триптофана, цистеина.

Декарбоксилазы в качестве кофактора имеют фосфопиридоксаль (витамин B 6), они декарбоксилируют только α-аминокислоты. Амины, образующиеся при этом, влияют на обмен веществ. При декарбоксилировании цистеина образуется таурин – необходимый для синтеза желчных кислот. При декарбоксилировании гистидина образуется гистамин:


Гистамин вызывает спазм гладких мышц (включая мышцы бронхов), снижает кровяное давление, расширяет капилляры, вызывает отек, усиливает в 8-10 раз выделение желудочного сока.

При декарбоксилировании тирозина и ДОФА соответственно образуется тирамин и 3,4-диокситирамин:

Как тирамин, так и 3,4-диокситирамин обладают мощным фармакологическим действием. ДОФА и дофамин содержатся в высокой концентрации в двигательных центрах головного мозга и играют важную роль в управлении мышцами.

При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется γ-аминомасляная кислота – природный фактор, тормозящий деятельность нервных клеток. Амины окисляются моноаминооксидазами до альдегидов и выводятся из организма.

Окислительное расщепление аминокислот
Большую часть энергии организм получает в результате окисления углеводов и нейтральных жиров (до 90 %). Остальную часть 10% за счет окисления аминокислот. Аминокислоты, прежде всего, используются для синтеза белка. Окисление их происходит:

1) если аминокислоты, образующиеся при обновлении белков не используются для синтеза новых белков;

2) если в организм поступает избыток белка;

3) в период голодания или при сахарном диабете , когда нет углеводов или их усвоение нарушено, в качестве источника энергии используются аминокислоты.

Во всех этих ситуациях аминокислоты теряют свои аминогруппы и превращаются в соответствующие α-кетокислоты, которые затем окисляются до СО 2 и H 2 O. Частично это окисление идет через цикл трикарбоновых кислот. В результате дезаминирования и окисления образуются пировиноградная кислота, ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА, α-кетоглутаровая кислота, сукцинил-КоА, фумаровая кислота. Некоторые аминокислоты могут превращаться в глюкозу, а другие – в кетоновые тела.
Пути обезвреживания аммиака в тканях животных

Аммиак токсичен, и накопление его в организме может привести к смерти. Существуют следующие пути обезвреживания аммиака:

1. Синтез аммонийных солей.

2. Синтез амидов дикарбоновых аминокислот.

3. Синтез мочевины.

Синтез аммонийных солей происходит ограниченно в почках, это как дополнительное защитное приспособление организма при ацидозах. Аммиак и кетокислоты частично используются для ресинтеза аминокислот и для синтеза других азотистых веществ. Кроме того, в тканях почек аммиак участвует в процессе обезвреживания оргинических и неорганических кислот, образуя с ними нейтральные и кислые соли:

1. 
   R – COOH + NH 3 → R – COONH 4 ;
2. 
   H 2 SO 4 + 2 NH 3 → (NH 4) 2 SO 4 ;
3. 
   H 3 PO 4 + NH 3 → NH 4 H 2 PO 4

Этим путем организм защищается от потери с мочой при выведениикислот знпачительного количества катионов (Na, K, отчасти Са, Mg), что могло бы привести к резкому снижению щелочного резерва крови. Количество аммонийных солей, выводимых с мочой, заметно повышается при ацидозе, так как аммиак используется для нейтрализации кислоты. Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака является использование его для образования амидной связи глутамина и аспарагина. При этом из глутаминовой кислоты под действием фермента глутаминсинтетазы синтезируется глутамин, из аспарагиновой кислоты при участии аспарагинсинтетазы – аспарагин:

Этим путем происходит устранение аммиака во многих органах (мозг, сетчатка, почки, печень, мышцы). Амиды глутаминовой и аспарагиновой кислот могут образоваться и тогда, когда эти аминокислоты находятся в структуре белка, то есть акцептором аммиака может быть не только свободная аминокислота, но и белки, в состав которых они входят. Аспарагин и глутамин доставляются в печень и используются в синтезе мочевины. Аммиак переносится в печень и с помощью аланина (глюкозо-аланиновый цикл). Этот цикл обеспечивает перенос аминогрупп из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину, а работающие мышцы получают глюкозу. В печени глюкоза синтезируется из углеродного скелета аланина. В работающей мышце из α-кетоглутаровой кислоты образуется глутаминовая кислота, которая затем передает аминную группу - NH 2 пировиноградной кислоте, в результате синтезируется аланин – нейтральная аминокислота. Схематически указанный цикл выглядит следующим образом:

Глутаминовая кислота + пировиноградная кислота ↔

↔ α-кетоглутаровая кислота + аланин

Рис. 10.1. Глюкозо-аланиновый цикл.

Этот цикл выполняет две функции: 1) переносит аминогруппы из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину;

2) обеспечивает работающие мышцы глюкозой, поступающей с кровью из печени, где для ее образования используется углеродный скелет аланина.

Образование мочевины – основной путь обезвреживания аммиака. Этот процесс изучали в лаборатории И.П.Павлова. Показано, что мочевина синтезируется в печени из аммиака, CO 2 и воды.

Мочевина выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Главным местом синтеза мочевины в организме является печень. Сейчас доказано, что синтез мочевины происходит в несколько этапов.

1 стадия – образование карбамоилфосфата происходит в митохондриях под действием фермента карбомоилфосфат-синтетазы:

На следующей стадии с участием орнитина синтезируется цитруллин:

Цитруллин переходит из митохондрий в цитозоль клеток печени. После этого в цикл вводится вторая аминогруппа в форме аспарагиновой кислоты. Происходит конденсация молекул цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргинин-янтарной кислоты.

Цитруллин аспарагиновая аргинин-янтарная

кислота кислота
Аргинин-янтарная кислота расщепляется на аргинин и фумаровую кислоты.

Под действием аргиназы аргинин гидролизуется, образуется мочевина и орнитин. В дальнейшем орнитин поступает в митохондрии и может включиться в новый цикл обезвреживания аммиака, а мочевина выделяется с мочой.

Таким образом, в синтезе одной молекулы мочевины нейтрализуется две молекулы NH 3 и CO 2 (HCO 3), что также имеет значение в поддержании рН. Для синтеза одной молекулы мочевины расходуется 3 молекулы АТФ, в том числе две при синтезе карбомоилфосфата, одна для образования аргинин-янтарной кислоты; фумаровая кислота может превращаться в яблочную и щавелевоуксусную кислоты (цикл Кребса), а последняя в результате трансаминирования или восстановительного аминирования может превратиться в аспарагиновую кислоту. Некоторая часть азота аминокислот выделяется из организма в виде креатинина , который образуется из креатина и креатинфосфата.

Из всего азота мочи на долю мочевины приходится до 80-90%, аммонийных солей – 6 %. При избыточном кормлении белком доля азота мочевины возрастает, а при недостаточном белковом кормлении снижается до 60 %.

У птиц и рептилий – нейтрализация аммиака происходит путем образования мочевой кислоты. Птичий помет на птицефабриках - это источник азотсодержащего удобрения (мочевая кислота).

Особенности обмена отдельных аминокислот
Глицин – легко синтезируется в организме животных, лишь для птиц может быть лимитирующей аминокислотой.


Дезаминируется в тканях под влиянием глициноксидазы с образованием глиоксалевого альдегида. При этом НАД восстанавливается в НАДН 2 , который в дыхательной цепи митохондрий дает три молекулы АТФ. Глицин используется для синтеза парных желчных кислот, глутатиона, креатина, серина, коламина, пуринов, порфиринов. Идет на обезвреживание бензойной и фенилуксусной кислот.
Серин – при дезаминировании его образуется пировиноградная кислота и аммиак.

Серин входит в состав серинсодержащих фосфолипидов, является исходным продуктом образования этаноламина и холина, цистеина.

Общую схему катаболизма и глюконеогенез можно представить в следующем виде (рис.10.2., по Николаеву А.Я.):

Рис. 10.2. Введение аминокислот в общий путь катаболизма и глюконеогенез.
Треонин - незаменимая аминокислота для всех видов животных. Под действием альдолазы превращается в глицин и уксусный альдегид.

Цистеин и цистин . К недостатку серосодержащих аминокислот чувствителен крупный рогатый скот и овцы. Цистеин и цистин легко превращаются друг в друга путем окислительно-восстановительных реакций:


Наличие –SH, -S-S- группировок определяет высокую реактивность ферментов и гормонов. Часть цистеина превращается в таурин, который используется в синтезе парных желчных кислот.

При декарбоксилировании цистеина образцется тиоэтаноламин – кофактор фермента активирования кислот HS-KoA.

Цистеин входит в состав глутатиона – трипептида, широко представленного в эритроцитах, печени, который может быть в восстановленной (HS-глутатион) и окисленной (-S-S-) формах. Глутатион является кофактором дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида и глиоксилазы.

Метионин – незаменимая аминокислота, принимает участие в синтезе цистеина. Метионин имеет CH 3 метильную группу активную в трансметилировании. Это универсальный донор метальных групп (для этаноламина, карнозина, гуанидинуксусной кислоты, норадреналина, пиримидиновых оснований).

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Их много в белках растений. Играют роль в трансаминировании, дезаминировании других аминокислот. Синтезируются из кетокислот. Глутамин используется в синтезе пуриновых оснований мононуклеотидов. При декарбоксилировании аспарагиновой кислоты может образоваться β и α-аланин:


β-аланин идет на синтез пантотеновой кислоты. При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется у-аминомасляная кислота.

Лизин – незаменимая аминокислота. Биологический распад лизина проходит по сложному пути с образованием α-аминоадипиновой, α- кетоадипиновой и глутаровой кислот.

Фенилаланин и тирозин являются субстратами для синтеза тироксина, адреналина, норадреналина. Валин, лейцин, изолейцин – превращения их направлены на синтез жирных кислот и кетоновых тел. Остальные аминокислоты и два амида могут служить субстратами для синтеза глюкозы и гликогена. Глюконеогенез из аминокислот (синтез глюкозы) происходит интенсивно из гликогенных аминокислот при преимущественно белковом кормлении животных или голодании. При голодании используются белки собственных тканей.

Катаболизм лейцина и лизина не включает стадии образования пировиноградной кислоты.

Белки – обязательный компонент сбалансированного пищевого рациона.

Главными источниками белков для организма являются пищевые продукты растительного и животного происхождения. Переваривание белков в организме происходит с участием протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта. Протеолиз – гидролиз белков. Протеолитические ферменты – ферменты, осуществляющие гидролиз белков. Данные ферменты подразделяются на две группы – экзопепетидазы , катализирующие разрыв концевой пептидной связи с освобождением одной какой-либо концевой аминокислоты, и эндопептидазы , катализирующие гидролиз пептидных связей внутри полипептидной цепи.

В ротовой полости расщепления белков не происходит из-за отсутствия протеолитических ферментов. В желудке имеются все условия для переваривания белков. Протеолитические ферменты желудка – пепсин, гастриксин – проявляют максимальную каталитическую активность в сильно кислой среде. Кислая среда создается желудочным соком (рН = 1,0–1,5), который вырабатывается обкладочными клетками слизистой оболочки желудка и в качестве основного компонента содержит соляную кислоту. Под действием соляной кислоты желудочного сока происходит частичная денатурация белка, набухание белков, что приводит к распаду его третичной структуры. Кроме того, соляная кислота переводит неактивный профермент пепсиноген (вырабатывается в главных клетках слизистой оболочки желудка) в активный пепсин. Пепсин

катализирует гидролиз пептидных связей, образованных остатками ароматических и дикарбоновых аминокислот (оптимум рН = 1,5–2,5). Слабее проявляется протеолитическое действие пепсина на белки соединительной ткани (коллаген, эластин). Не расщепляются пепсином протамины, гистоны, мукопротеины и кератины (белки шерсти и волос).

По мере переваривания белковой пищи с образованием продуктов гидролиза щелочного характера рН желудочного сока изменяется до 4,0. С уменьшением кислотности желудочного сока проявляется деятельность другого протеолитического фермента – гастриксина

(оптимум рН= 3,5–4,5).

В желудочном соке детей обнаружен химозин (реннин), расщепляющий казеиноген молока.

Дальнейшее переваривание полипептидов (образовавшихся в желудке) и нерасщепившихся белков пищи осуществляется в тонком кишечнике под действием ферментов панкреатического и кишечного соков. Протеолитические ферменты кишечника – трипсин, химотрипсин – поступают с панкреатическим соком. Оба фермента наиболее активны в слабощелочной среде (7,8–8,2), что соответствует рН тонкого кишечника. Профермент трипсина – трипсиноген, активатор – энтерокиназа (вырабатывается стенками кишечника) или ранее образованный трипсин. Трипсин

гидролизует пептидные связи, образованные арг и лиз. Профермент химотрипсина – химотрипсиноген, активатор – трипсин. Химотрипсин расщепляет пептидные связи между ароматическими амк, а также связи, которые не были гидролизованы трипсином.

Благодаря гидролитическому действию на белки эндопептидаз (пепсин, трипсин, химотрипсин) образуются пептиды различной длины и некоторое количество свободных аминокислот. Дальнейший гидролиз пептидов до свободных аминокислот осуществляется под влиянием группы ферментов – экзопептидаз . Одни из них – карбоксипептидазы – синтезируются в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидазы, активируются трипсином в кишечнике, отщепляют аминокислоты с С-конца пептида; другие – аминопептидазы – синтезируются в клетках слизистой оболочки кишечника, активируются трипсином, отщепляют аминокислоты с N – конца.