1.2. Обмен белков в организме здорового человека
1.2.1. Поступление извне
При средней физической нагрузке взрослый человека должен потреблять 100-120 г белков в сутки [Millward D.J., 2012]. Для поддержания азотистого равновесия достаточно употреблять 30-50 г белков в сутки [Wolfe R.R., Miller S.L., Miller K.B., 2008], однако такое количество не обеспечивает сохранение работоспособности и здоровья человека. В организме распад белков протекает непрерывно и зависит от характера питания. Отрицательный азотистый баланс отмечается при белковом голодании, а также когда в организм не поступают отдельные необходимые для синтеза белков аминокислоты [Duggleby S.L., Waterlow J.C., 2005]. Минимальные затраты белка в условиях белкового голодания наблюдаются при питании углеводами; при этом выделение азота может быть в 3—3,5 раза меньше, чем при полном голодании [Ten Have G.A., Engelen M.P., Luiking Y.C., Deutz N.E., 2007]. Белки при значительном поступлении с пищей не депонируются, часть их расходуется на пластические цели, но большая часть - на энергетические [Phillips S.M., 2013]. Переваривание поступивших с пищей белков начинается в ротовой полости с помощью слюны, в которой содержится ряд протеолитических ферментов, расщепляющих белки - гидролаз, оксиредуктаз, трансфераз, протеиназ, пептидаз, кислой и щелочной фосфатазы [Kennedy S. et al., 1998]. При переваривании белка в желудке стимулируется выделение гистаминов [Chu S., Schubert M.L., 2013] и гастрина [Kovac S., Anderson G.J., Baldwin G.S., 2011], вызывающих секрецию соляной кислоты и профермента пепсиногена, являющегося неактивной формой пепсина [Luo H.N., Kim H.S., Agarwal M., Teraoka I., 2013]. Пепсин в первую очередь гидролизует пептидные связи в белках, образованные ароматическими аминокислотами, и несколько медленнее - дикарбоновыми. В двенадцатиперстной кишке, низкое значение рH вызывает выделение секретина, стимулирующего выделение из поджелудочной железы в тонкий кишечник панкреатического сока, нейтрализующего соляную кислоту [Ng S.S., Yung W.H., Chow B.K., 2002]. Поступление пептидов в тонкий кишечник вызывает секрецию холецистокинина, который также стимулирует выделение панкреатических ферментов [Little T.J., Horowitz M., Feinle-Bisset C., 2005]. Это - проферменты ряда протеаз: трипсиногена, химотрипсиногена, проэластаз, прокарбоксипептидазы А и В. В кишечнике они превращаются в активные ферменты: трипсин [Sah R.P., Dawra R.K., Saluja A.K., 2013], химотрипсин [Szabó A., Sahin-Tóth M., 2012], эластазу и карбоксипептидазы А и В [Andersson B., Pendse M.L., Andersson R., 2010]. В результате последовательного действия всех пищеварительных протеаз большинство пищевых белков расщепляется до свободных аминокислот, и они подвергаются быстрому всасыванию в кишечнике через клетки полярного эпителия щеточной каемки. Максимальная концентрация аминокислот в крови достигается через 30-50 минут после приема белковой пищи. Всасывание L-аминокислот – это активный процесс, требующий затрат энергии [Громова Л.В., Груздков А.А. 1993]. Перенос аминокислот через эпителий щеточной каемки осуществляется с различной скоростью целым рядом переносчиков, многие из которых действуют при участии Na+-зависимых механизмов [García-Giménez E., Alcaraz A., Aguilella V.M. et al., 2012]. Одна из специфических транспортных систем для некоторых нейтральных аминокислот функционирует в кишечнике, почках, и, возможно, в мозге, это система - γ глутамильного цикла [Campesi I. et al., 2013].
1.2.2. Распад белков в организме
В основе существования организма как сложной системы лежит непрерывный обмен со средой пластическими и энергетическими ресурсами, а также - информацией. Отражением первых двух видов обмена на уровне биохимии служит взаимосвязь двух динамических процессов: катаболизма и анаболизма веществ. В организме постоянно происходит распад и синтез белковых молекул – расщепление белков до аминокислот (катаболизм) и построение новых белковых молекул (анаболизм). На аминокислоты в сутки распадается около 400 грамм белков, примерно такое же количество синтезируется. Катаболизм большинства аминокислот начинается с отщепления L-аминогруппы в результате двух типов реакций: трансаминирования и дезаминирования [Felux A.K. et al., 2013]. Путем трансаминирования - реакции переноса L-аминогруппы с аминокислоты на L-кетокислоту - образуется новая кетокислота и новая аминокислота [Zhou Y. et al., 2010]. В клетках человека выявлено более 10 аминотрансфераз, локализующихся как в цитоплазме, так и в митохондриях, которые отличаются по субстратной специфичности [Han Q. et al., 2009]. В трансаминирование вступают почти все аминокислоты, за исключением лизина, треонина и пролина, эти реакции обратимы и играют большую роль в обмене аминокислот [Crugeiras J., Rios A., Riveiros E., Richard J.P., 2011]. Трасаминирование является и первой стадией дезаминирования большинства аминокислот, т.е. служит начальным этапом их катаболизма. В результате реакции дезаминирования выделяется L –кетокислота и молекула аммиака [Cortellino S. et al., 2011], часть которого образуется в результате бактериального разложения пищевых белков [Kim E., Coelho D., Blachier F., 2013].
Наиболее активными продуцентами аммиака в кровь являются органы с высоким обменом аминокислот и биогенных аминов - нервная ткань, печень, кишечник, мышцы [Holecek M. et al., 2011]. Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма, является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы, локализованной в митохондриях [Hu W.W. et al., 2012]. Глутамин - основной донор азота в организме, он используется для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и других соединений; его тканями - поставщиками являются мышцы, мозг и печень. С током крови глутамин транспортируется в кишечник и почки. В кишечнике происходит гидролиз глутамата, затем трансаминирование с пируватом. L-аминогруппа глутаминовой кислоты переносится в составе аланина, поступающего из кишечника в кровь воротной вены и поглощается печенью [van de Poll M.C. et al., 2007]. Около 5% аммиака удаляется в составе фекалий, небольшая часть через воротную вену попадает в печень, остальные 90% выводятся почками, в которых также происходит гидролиз глутамина, который является одним из механизмов регуляции кислотно-щелочного равновесия организме и сохранения важнейших катионов для поддержания осмотического давления [Dass P.D., Martin D., 1990]. Глутаминаза почек значительно индуцируется при ацидозе [Weiner I.D., Verlander J.W., 2011]. В почках образуется и ими выводится около 0,5 грамм солей аммония в сутки. Из мышц и кишечника избыток аммиака выводится в виде аланина в печень, где подвергается непрямому дезаминированию, аммиак при этом обезвреживается, а пируват включается в глюконеогенез [Moriwaki H. et al., 2004]. Таким образом, в печени аккумулируется большое количество аммиака [Holecek M., Kovarik M., 2013], что поддерживает низкое содержание его в крови [Barsotti R.J., 2001]. В орнитиновом цикле [Tamai M. et al., 2013] в печени синтезируется мочевина, которая является основным конечным продуктом азотистого обмена. Экскреция мочевины в норме составляет 25 г/сутки, увеличение скорости синтеза происходит при длительной физической работе, голодании или патологических состояниях.
1.2.3. Выведение продуктов белкового обмена
Аминокислоты, поступающие в ток крови в результате гидролиза белков в пищеварительном тракте, а также аминокислоты, образованные в процессе расщепления клеточных белков, образуют так называемый аминокислотный пул, который может использоваться всеми клеточными структурами для белкового синтеза [Veronesi M. et al., 2013]. Наибольшее количество свободных аминокислот поступает из мышц, мозга и кишечника, причем до 50% - это аланин и глутамин [Stobart J.L., Anderson C.M., 2013]. Почки - основной источник серина и частично аланина, которые попадают в нее из плазмы печенью [Longenecker K.L. et al., 2006]. В головном мозге окисляется большое количество аминокислот с разветвленной боковой цепью [Butt S.A. et al., 2012]. В постабсорбтивном периоде (перед следующим приемом пищи) основными источниками свободных аминокислот служат мышцы. Из них в кровоток поступают в основном аланин и глутамин. Аланин поглощается печенью [Jorgensen J.T. et al., 2012], глутамин - кишечником и почками. В кишечнике азот глутамина переносится в аланин или серин и в их составе транспортируется в печень, где активируется процесс глюконеогенеза [Larsen M., Kristensen N.B., 2013]. Аминокислоты с разветвленной боковой цепью (валин, лейцин, изолейцин) освобождающиеся из мышц, направляются в мозг, являясь источником энергии. Катаболизм всех аминокислот сводится к образованию шести веществ, вступающих в общий путь катаболизма: пируват, ацетил-КоА, L-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат, оксалоацетат.
В живой природе, в организме человека в частности, не существует изолированного обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процесс метаболизма, подчиняющийся определенным закономерностям, взаимозависимости и взаимообусловленности, допускающий также взаимопревращения между отдельными классами органических веществ. Подобные взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма, а также целесообразностью замены одних классов органических веществ другими. Так, гликогенные аминокислоты используются в процессе глюконеогенеза [Pasiakos S.M. et al., 2011], а кетогенные - в синтезе кетоновых тел [Deng-Bryant Y., Prins M.L., Hovda D.A., Harris N.G., 2011], часть аминокислот (гликокетогенных) используется в обоих классах превращений. В организме человека возможен синтез восьми заменимых аминокислот: Ала, Асп, Асн, Сер, Гли, Глу, Глн, Про; углеводный скелет данных аминокислот образуется из глюкозы, а универсальным донором L-аминогруппы служит глутамат. Серин и глицин необходимы не только для синтеза белков и глюкозы (при ее недостатке в клетках), но и нуклеотидов, коферментов, сложных липидов, креатинина и других соединений. Метионин и цистеин, содержащие серу, используются в синтезе белков, участвуют в инициации процесса трансляции, фолдинге, в образовании мембран клеток и липопротеинов, в составе которых осуществляется транспорт липидов, а также в синтезе таурина. Тирозин используется не только в синтезе белков, но выступает предшественником таких гормонально-активных соединений как катехоламины, тироксин, меланины. Большую роль в организме человека играют непептидные азотосодержащие соединения - производные аминокислот: гормоны надпочечников, щитовидной железы, а также медиаторы ЦНС, медиатор воспаления (гистамин) и другие [Северин Е.С., 2013].
1.2.4. Синтез белка де ново и переаминирование
«Центральной догмой биологии» называют поток информации от дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) через рибонуклеиновую кислоту (РНК) на белок, который характерен для всех живых организмов, за исключением некоторых вирусов [Crick F., 1970]. Результаты работ по исследованию генетического кода являются одним из самых значительных достижений XX века в понимании процессов жизни [Novozhilov A.S., Koonin E.V., 2009]. Биосинтез белков, называемый трансляцией, включает в себя преобразование информации, заложенной в полинуклеотидной последовательности мРНК в аминокислотную последовательность белка согласно генетическому коду [Ingolia N.T. et al., 2012]. Каждая молекула ДНК представляет собой две правозакрученные, антипараллельные полинуклеотидные цепи, упакованные в хромосому, расположены в ядре, в диплоидных клетках человека их сорок шесть – т.е. 23 пары [Maffeo C., Luan B., Aksimentiev A., 2012]. У эукариот с ДНК связаны гистоновые и негистоновые белки. В ядре существует 5 видов гистонов, общая масса которых примерно равна содержанию ДНК [Bartke T. et al., 2010]. К негистоновым белкам относят семейство сайт-специфических белков типа «цинковые пальцы», годимеры, негистоновые белки с высокой электрофоретической подвижностью, ферменты репликации, транскрипции и репарации [Petruk S. et al., 2013]. Генетическая информация, считывающаяся с ДНК, «переносится» на молекулу РНК (long RNA), которая строится как одна полинуклеотидная цепь, отдельные участки которой образуют спирализованные петли-«шпильки» за счет водородных связей [Seetin M.G., Mathews D.H., 2012]. В цитоплазме клеток присутствуют несколько типов РНК - транспортные, матричные, рибосомальные и маленькие молекулы РНК (small RNA) отличающиеся по массе, структуре, конформации, функции [Okada H., Hayashizaki Y., 2013]. Первичные транскрипты мРНК подвергаются ряду ковалентных модификаций, которые необходимы для функционирования мРНК в качестве матрицы. Модификация РНК (сплайсинг) происходит в ядре, в цитоплазму поступает уже «зрелая» мРНК [Meyer K.D. et al., 2012]. Варианты сплайсинга могут приводить к образованию различных изоформ одного и того же белка. Кодирование структуры белков осуществляется, по современным представлениям, в линейной последовательности нуклеотидов мРНК, однако в ходе трансляции не наблюдается соответствия между числом мономеров в матрице мРНК и синтезируемом белке; отсутствует также и структурное сходство между мономерами РНК и белка. Причины несоответствия транскриптома и протеома клетки обсуждаются сообществом биологов постгеномного периода с неослабевающим интересом. Кроме самоочевидной причины - различного времени полужизни тРНК и белка, синтезируемого с данной молекулы РНК, приводятся последние данные, указывающие на участии, длинных РНК в регуляции активности транскрипции [Takayama K.,et al., 2013]. Таким образом, не все длинные РНК непосредственно участвуют в последующих этапах, ведущих к синтезу белка. Код позволяет шифровать аминокислоты, входящие в состав белков, с помощью соответствия им определенной последовательности нуклеотидов в ДНК. Генетический код представляет собой не случайный конгломерат соответствий между кодонами мРНК и аминокислотами белков, а высокоорганизованную систему, проявляющую общие свойства и закономерности [Ратнер В.А., 2000]. Для него характерны триплетность, специфичность, вырожденность (включение в белок одной и той же аминокислоты определяют несколько кодонов), линейность записи информации, универсальность (кроме митохондриальной мРНК, содержащей 4 триплета), колинеарность (аминокислотная последовательность белка колинеарна последовательности экзонов в гене или зрелой мРНК после посттранскрипционного удаления интронов) [Amikura K., Sakai Y., Asami S., Kiga D., 2014]. Таким образом, основными компонентами белоксинтезирующей системы являются: аминокислоты в достаточном количестве, мРНК (содержат информацию о структуре синтезируемого белка и используются в качестве матрицы), тРНК (обеспечивают включение аминокислот в белок), рибосомы, на которых идет сборка аминокислот в белки, белковые факторы, а также аденозинтрифосфат (АТФ) и гуанозинтрифосфат (ГТФ) как источники энергии. Каждая эукариотическая мРНК кодирует строение только одной полипептидной цепи, т.е. она моноцистронна. Рибосома способна катализировать образование около 100 пептидных связей в минуту [Beznosková P. et al. 2013]. Полипептидные цепи могут подвергаться структурным модификациям, посттрансляционным изменениям, затем происходит фолдинг полипептидных цепей и формирование уникальной третичной или четвертичной структуры белков [Кузнецова И.М., Форже В., Туроверов К.К., 2005; Shen X., Chen S., Li G., 2013].
Способность регулировать синтез белков необходима для успешного выживания любого организма. В зависимости от возраста и фазы развития, типа ткани или условий окружающей среды изменяется количество и набор (спектр) синтезируемых белков. Эта регуляция осуществляется на уровне различных внутриклеточных процессов: репликации, транскрипции, посттранскрипционных воздействий на мРНК, а также при трансляции и через воздействие на уже синтезированные белки (посттрансляционно) [Стручкова И.В., Брилкина А.А., Веселов А.П., 2010]. Общую теорию регуляции синтеза белка разработали Ф. Жакоб и Ж. Моно [Jacob F., Monod J., 1961], которая сводится к «выключению» или «включению» генов как функционирующих единиц, к возможности или невозможности проявления их способности передавать закодированную в структурных генах ДНК генетическую информацию для синтеза специфических белков. Доказанная в опытах на бактериях, эта теория получила широкое признание, хотя в эукариотических клетках механизм регуляции синтеза белка более сложен [Rajewsky N., 2011]. У эукариот дополнительно существует стратегия наработки мРНК не по потребности данного момента, а заранее, впрок. Такие метаболически стабильные мРНК хранятся в неактивной форме и не участвуют в трансляции. Когда определенный белок становится необходим - мРНК активируется, когда необходимость в продукте трансляции исчезает – мРНК может быть инактивирована [Стручкова И.В., Брилкина А.А., Веселов А.П., 2010]. У эукариот только небольшое число генов (обычно менее 1%) доступно для транскрипции. Стойкая репрессия генов гетерохроматина обеспечивается пространственной укладкой ДНК [Xu X., Guardiani C., Yan C., Ivanov I., 2013]; метилированием дезоксицитидина ДНК-метилазами [Mengxi D. et al., 2013], что препятствует активной транскрипции; связыванием с гистонами и образованием нуклеосом, что также снижает транскрипционную активность ДНК. В целом в геноме человека содержится не более 1,5% белок-кодирующих нуклеодидных последовательностей [Lander E.S. et al., 2001].
|
