Биологическая химия - часть 101

Глава 12

ОБМЕН ПРОСТЫХ БЕЛКОВ

Обмен белков занимает особое место в многообразных превращениях

веществ, характерных для всех живых организмов. Выполняя ряд уни-

кальных функций, свойственных живой материи, белки определяют не

только микро- и макроструктуру отдельных субклеточных образований,

специфику организации клеток, органов и целостного организма (пласти-

ческая функция), но и в значительной степени динамическое состояние

между организмом и окружающей его средой. Белковый обмен строго

специфичен, направлен и настроен, обеспечивая непрерывность воспроиз-

водства и обновления белков организма. В течение всей жизнедеятельности

в организме постоянно и с высокой скоростью совершаются два про-

тивоположных процесса: распад, расщепление органических макромоле-

кул и надмолекулярных структур и синтез этих соединений. Эти процессы

обеспечивают катаболические реакции и создание сложной структурной

организации живого из хаоса веществ окружающей среды, причем ведущую

роль в последнем случае играют именно белки. Все остальные виды обмена

подчинены этой глобальной задаче живого – самовоспроизведению себе

подобных путем программированного синтеза специфических белков. Для

осуществления этого используются энергия обмена углеводов и липидов,

строительный материал в виде углеродных остатков аминокислот, про-

межуточных продуктов метаболизма углеводов и др.

Белки способны также выполнять энергетическую функцию, особенно

при избыточном их поступлении с пищей или в экстремальных ситуациях,

когда белки тела подвергаются усиленному распаду, восполняя недостаток

питательных веществ, например при голодании или патологии (сахарный

диабет). Как известно, при сгорании 1 г белков освобождается энергия,

равная 16,8 кДж. Эта энергия обычно может быть полностью заменена

энергией окисления углеводов и липидов, однако при длительном исклю-

чении последних из пищи у животных не наблюдается существенных

патологических отклонений, тогда как исключение белков из пищи даже на

короткий срок приводит к выраженным нарушениям, а иногда и к не-

обратимым патологическим явлениям. Если животные находятся на мало-

белковой диете, то у них очень быстро развивается белковая недоста-

точность – патологическое состояние, характеризующееся нарушением ряда

важных физиологических функций организма. Аналогичные изменения

наблюдаются у людей при недостаточном потреблении белка. Следо-

вательно, белки являются незаменимыми для организма веществами, вы-

полняющими прежде всего пластическую функцию. Специфическая роль

белков, однако, этим не ограничивается. В опытах на крысах было по-

казано, что белковая недостаточность у животных проявляется не столько

в уменьшении массы органов и тканей, сколько в снижении активности

ферментов, обусловленном замедлением процессов биосинтеза белка.

Таким образом, помимо пластической роли, белки выполняют уни-

409

кальную каталитическую функцию, хотя, как было отмечено, некоторые

РНК также наделены энзиматической активностью. Следует указать также,

что белки (соответственно и продукты их гидролиза аминокислоты) при-

нимают непосредственное участие в биосинтезе ряда гормонов и других

биологически активных соединений, регулирующих процессы обмена ве-

ществ в организме. Следовательно, именно белковый обмен координирует,

регулирует и интегрирует многообразие химических превращений в це-

лостном живом организме, подчиняя его задачам сохранения вида и обес-

печивая тем самым непрерывность жизни.

Характерной особенностью белкового обмена является его чрезвы-

чайная разветвленность. Достаточно указать, что в обмене 20 аминокислот,

входящих в состав белковых молекул, в организме животных участвуют

сотни промежуточных метаболитов, тесно связанных с обменом углеводов

и липидов. Число ферментов, катализирующих химические реакции азо-

тистого обмена, также исчисляется сотнями. Следует добавить, что бло-

кирование одного какого-либо специфического пути обмена даже одной

аминокислоты, обычно наблюдаемое при врожденных пороках обмена,

может привести к образованию совершенно неизвестных продуктов обмена,

так как возникают условия для неспецифических превращений всех пред-

шествующих компонентов в данной цепи реакций. Отсюда становятся

понятными трудности интерпретации данных о регуляции процессов азо-

тистого обмена в норме и особенно при патологии. Этими обстоятельства-

ми можно объяснить исключительную перспективность изучения обмена

белков с целью выяснения особенностей их катаболизма и синтеза, ов-

ладение тонкими молекулярными механизмами которых, несомненно, даст

в руки исследователя ключ к пониманию развития и течения патологи-

ческих процессов и соответственно к целенаправленному воздействию на

многие процессы жизни.

ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВ ОРГАНИЗМА

Кажущаяся стабильность химического состава целостного организма яв-

ляется результатом существования определенного равновесия между ско-

ростями синтеза и распада его составляющих. Внедрение в биохимическую

и клиническую практику метода меченых атомов позволило доказать, что

белки нужны не только растущему, но и сформировавшемуся организму,

когда его рост прекратился, т.е. имеются доказательства существования

в организме механизма постоянного обновления химических составных

частей тела. При нормальных физиологических условиях, как и при па-

тологических состояниях, скорости синтеза и распада специфических ве-

ществ определяются, помимо нервно-гормонального влияния, химической

природой веществ и внутриклеточной их локализацией. В растущем ор-

ганизме скорость синтеза многих компонентов органов и тканей пре-

обладает над скоростью их распада. Тяжелые изнуряющие болезни, а также

голодание, напротив, характеризуются преобладанием скорости катабо-

лизма над скоростью синтеза. Почти все белки тела, включая структурные

белки, гемоглобин, белки плазмы и других биологических жидкостей

организма, также подвергаются постепенному распаду и синтезу. На-

пример, более половины белков печени, сыворотки крови и слизистой

оболочки кишечника подвергается распаду и ресинтезу в течение 10 дней.

Медленнее обновляются белки мышц, кожи и мозга.

Введенные в организм меченые аминокислоты быстро включаются

в белки тканей. Активный ресинтез белков происходит даже в период

410

длительного голодания, и в то же время отмечается интенсивный распад

белков в состоянии азотистого равновесия, причем распад белков в какой-

либо ткани часто сопровождается усиленным биосинтезом белков в других

тканях. Индуцированные активной или пассивной иммунизацией белки

антител – γ-глобулины – также подвергаются постоянному распаду и син-

тезу. Полупериод распада антител и ряда других белков крови человека

составляет примерно 2 нед. Для белков слизистой оболочки кишечника этот

период составляет несколько дней, для ряда гормонов исчисляется часами

и даже минутами (инсулин).

Высокая скорость обновления белков, доказанная при помощи меченых

атомов, свидетельствует о том, что в организме происходит постоянное

смешивание эндогенных белковых молекул и продуктов их гидролиза –

аминокислот с молекулами белков и их производных, синтезированных из

аминокислот белков пищи. Эта смесь эндогенного и экзогенного материала,

которая может в принципе служить источником анаболических и ка-

таболических реакций азотистого обмена, существует в качестве резервного

материала, называемого  м е т а б о л и ч е с к и м пулом. С помощью изо-

топных методов установлено, что примерно

 2

/

3

 общего пула аминокис-

лот приходится на эндогенные источники и только

 1

/

3

 имеет своим

источником белки пищи. Эти данные указывают прежде всего на исключи-

тельную важность эндогенного источника аминокислот и, кроме того,

свидетельствуют о высокой скорости обновления белков тела.

Необходимо подчеркнуть, что белковый обмен тесно интегрирован

также с обменом углеводов, липидов и нуклеиновых кислот через амино-

кислоты или α-кетокислоты (α-кетоглутарат, оксалоацетат и пируват). Так,

аспарагиновая кислота или аланин путем трансаминирования обратимо

превращаются соответственно в оксалоацетат и пируват, которые не-

посредственно включаются в углеводный обмен. Эти данные, как и ре-

зультаты опытов с введением животным меченых аминокислот и α-кето-

кислот, свидетельствуют о том, что в организме млекопитающих не

существует вопреки классической теории М. Рубнера и К. Фойта обо-

собленного и независимого эндогенного и экзогенного обмена вообще

и белкового обмена в частности.

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОСТОЯНИЕ

БЕЛКОВОГО ОБМЕНА

Направление и интенсивность обмена белков в первую очередь опре-

деляются физиологическим состоянием организма и несомненно регули-

руются, как и все другие виды обмена, нейрогормональными факторами.

Более интенсивно обмен белков протекает в детском возрасте, при активной

мышечной работе, беременности и лактации, т.е. в случаях, когда резко

повышаются потребности в белках. Существенное влияние на белковый

обмен оказывает характер питания и, в частности, количественный и

качественный белковый состав пищи. При недостаточном поступлении

белков с пищей происходит распад собственных белков ряда тканей (печени,

плазмы крови, слизистой оболочки кишечника и др.) с образованием

свободных аминокислот, обеспечивающих синтез абсолютно необходимых

цитоплазматических белков, ферментов, гормонов и других биологически

активных соединений. Таким образом, «в жертву» приносятся некоторые

«строительные» белки тканей для обеспечения жизнедеятельности целост-

ного организма. Введение с пищей повышенных количеств белка, напротив,

не оказывает заметного влияния на состояние белкового обмена, поскольку

411

избыток белка не откладывается про запас, а в виде конечных продуктов

азотистого обмена выводится с мочой. Более существенное значение имеет,

однако, качественный белковый состав пищи, так как отсутствие или

недостаток хотя бы одной какой-либо незаменимой аминокислоты может

служить лимитирующим фактором биосинтеза всех белков в организме.

Синтез белка подчиняется закону «все или ничего» и осуществляется при

условии наличия в клетке полного набора всех 20 аминокислот. Даже при

поступлении всех аминокислот с пищей организм может испытывать

состояние белковой недостаточности, если всасывание какой-либо одной

аминокислоты в кишечнике замедлено или если она разрушается в большей

степени, чем в норме, под действием кишечной микрофлоры. В этих случаях

будет происходить ограниченный синтез белка или организм будет ком-

пенсировать недостаток аминокислоты для биосинтеза белка за счет рас-

пада собственных белков. Степень усвоения белков и аминокислот пищи

зависит также от количественного и качественного состава углеводов

и липидов, которые резко сокращают энергетические потребности ор-

ганизма за счет белков. Экспериментальный и клинический материал

свидетельствует, что диета с недостаточным содержанием жиров и низко-

калорийная пища способствуют повышению экскреции аминокислот и

продуктов их распада с мочой.

Имеются экспериментальные доказательства прямой и опосредованной

связи белкового обмена с обеспеченностью организма витаминами, в

частности В

1

, В

2

, В

6

, РР и др. Обмен белков регулируется, кроме того,

деятельностью желез внутренней секреции. Гормоны определяют в из-

вестной мере направление (в сторону синтеза или распада) и интенсивность

белкового обмена. Например, после введения АКТГ и гормонов щи-

товидной железы наблюдается интенсивный распад тканевых белков. Дру-

гие гормоны, в частности СТГ, андрогены и эстрогены, напротив, сти-

мулируют анаболические реакции и способствуют синтезу белка. Введение

некоторых гормонов коркового вещества надпочечников вызывает диспро-

теинемию и приводит к отрицательному азотистому балансу, что не-

которые авторы связывают со стимулированием глюконеогенеза из уг-

леродных скелетов аминокислот (после дезаминирования последних – см.

далее).

Таким образом, состояние белкового обмена определяется множеством

факторов, как экзогенных (окружающая среда, характер питания и др.), так

и эндогенных (физиологическое состояние организма, включающее нервно-

гормональный статус, ферментная оснащенность и др.). Любые отклонения

от нормального физиологического состояния организма отражаются на

азотистом обмене. Знание закономерностей изменений обмена белков при

данном конкретном патологическом процессе – необходимая предпосылка

для правильного выбора тактики терапевтических мероприятий по устра-

нению нарушенного процесса обмена.

НОРМЫ БЕЛКА В ПИТАНИИ

Изучение проблемы нормы белка в питании человека имеет, кроме ака-

демического интереса, большое социальное значение. Принятые в нашей

стране нормы белка для взрослого человека и для детей разного возраста

основаны на результатах многочисленных научных исследований отечест-

венных ученых, учитывают разные климатические условия, условия труда,

профессию, возраст и другие факторы. Эти нормы выводятся из оп-

тимального содержания белка в пищевом рационе. Так, взрослый человек,

412