Биологическая химия - часть 104

Рис. 12.1. Механизм активации трипсиногена быка (схема).

низкомолекулярным пептидом (мол. масса 6000), который прочно свя-

зывается с активными центрами трипсина и химотрипсина, вызывая обра-

тимое их ингибирование. В поджелудочной железе синтезируется также

α

1

-антипротеиназа (мол. масса 50000), которая преимущественно инги-

бирует эластазу.

При остром панкреатите, когда трипсин и другие ферменты из по-

раженной поджелудочной железы «вымываются» в кровь, уровень их

в крови соответствует размерам некротического участка. В этом случае

определение активности трипсина в сыворотке крови является надежным

ферментным тестом при диагностике острого панкреатита. Следует от-

метить, что субстратная специфичность трипсина ограничена разрывом

только тех пептидных связей, в образовании которых участвуют кар-

боксильные группы лизина и аргинина.

Химотрипсин. В поджелудочной железе синтезируется ряд химотрип-

синов (α-, β- и π-химотрипсины) из двух предшественников – химотрипси-

ногена А и химотрипсиногена В. Активируются проферменты в кишечнике

под действием активного трипсина и химотрипсина. Полностью раскрыта

последовательность аминокислот химотрипсиногена А, во многом сходная

с последовательностью аминокислот трипсина. Молекулярная масса его

составляет примерно 25000. Он состоит из одной полипептидной цепи,

содержащей 246 аминокислотных остатков. Активация профермента не

сопряжена с отщеплением большого участка молекулы (см. рис. 4.3).

Получены доказательства, что разрыв одной пептидной связи между

аргинином и изолейцином в молекуле химотрипсиногена А под действием

трипсина приводит к формированию π-химотрипсина, обладающего наи-

большей ферментативной активностью. Последующее отщепление дипеп-

тида Сер–Арг приводит к образованию δ-химотрипсина. Аутокаталити-

ческий процесс активирования, вызванный химотрипсином, сначала спо-

собствует формированию неактивного промежуточного неохимотрипсина,

который под действием активного трипсина превращается в α-химотрип-

син; этот же продукт образуется из δ-химотрипсина, но под действием

активного химотрипсина.

421

Электростатическое

взаимодействие

или наличие

водородных связей

Пептид,

освобождающийся

при активации

Трипсиноген

Активный центр

Трипсин

Таким образом, благодаря совместному перекрестному воздействию

химотрипсина и трипсина из химотрипсиногена образуются разные химо-

трипсины, различающиеся как ферментативной активностью, так и не-

которыми физико-химическими свойствами, в частности электрофорети-

ческой подвижностью.

Следует отметить, что химотрипсин обладает более широкой субстрат-

ной специфичностью, чем трипсин. Он катализирует гидролиз не только

пептидов, но и эфиров, гидроксаматов, амидов и других ацилпроизводных,

хотя наибольшую активность химотрипсин проявляет по отношению к

пептидным связям, в образовании которых принимают участие карбок-

сильные группы ароматических аминокислот: фенилаланина, тирозина и

триптофана *.

Эластаза. В поджелудочной железе синтезируется еще одна эндопеп-

тидаза – эластаза – в виде проэластазы. Превращение профермента в элас-

тазу в тонкой кишке катализируется трипсином. Название фермент получил

от субстрата эластина, который он гидролизует. Эластин содержится

в соединительной ткани и характеризуется наличием большого числа

остатков глицина и серина. Эластаза обладает широкой субстратной

специфичностью, но предпочтительнее гидролизует пептидные связи, об-

разованные аминокислотами с небольшими гидрофобными радикалами,

в частности глицином, аланином и серином. Интересно, что ни трипсин, ни

химотрипсин не гидролизуют пептидные связи молекулы эластина, хотя все

три фермента, включая эластазу, содержат сходные участки аминокислот-

ных последовательностей и одинаковые места положения дисульфидных

мостиков, а также имеют в активном центре один и тот же ключевой

остаток серина (см. табл. 4.2), что подтверждают опыты с ингибированием

всех трех ферментов диизопропилфторфосфатом, химически связывающим

ОН-группу серина. Высказано предположение, что все три эндопептидазы

поджелудочной железы: трипсин, химотрипсин и эластаза,– возможно,

имеют один и тот же общий предшественник и что специфичность актив-

ного фермента в основном определяется конформационными изменениями

профермента в процессе активирования.

Экзопептидазы. В переваривании белков в тонкой кишке активное

участие принимает семейство экзопептидаз. Одни из них – карбоксипеп-

тидазы – синтезируются в поджелудочной железе в виде прокарбоксипеп-

тидазы и активируются трипсином в кишечнике; другие – аминопептидазы –

секретируются в клетках слизистой оболочки кишечника и также акти-

вируются трипсином.

Карбоксипептидазы. Подробно изучены две карбоксипептидазы – А и В,

относящиеся к металлопротеинам и катализирующие отщепление от поли-

пептида С-концевых аминокислот. Карбоксипептидаза А разрывает преи-

мущественно пептидные связи, образованные концевыми ароматическими

аминокислотами, а карбоксипептидаза В – связи, в образовании которых

участвуют С-концевые лизин и аргинин. Очищенный препарат карбокси-

пептидазы А обладает бифункциональной активностью – пептидазной

и эстеразной и содержит ион Zn

2+

 (один атом на 1 моль фермента).

При замене ионов Zn

2+

 на ионы Са

2+

 полностью утрачивается пепти-

дазная активность, но усиливается исходная эстеразная активность, хотя

* Химотрипсин является одним из наиболее изученных ферментов, для которого в де-

талях расшифрован механизм ферментативного катализа, включающий образование про-

межуточного продукта ацилфермента. Доказана существенность для катализа гидроксильной

группы серина и непротонированного остатка гистидина в активном центре фермента.

422

при этом существенных изменений в третичной структуре фермента не

отмечается.

Аминопептидазы. В кишечном соке открыты два фермента – аланин-

аминопептидаза, катализирующая преимущественно гидролиз пептидной

связи, в образовании которой участвует N-концевой аланин, и лейцин-

аминопептидаза, не обладающая строгой субстратной специфичностью

и гидролизующая пептидные связи, образованные любой N-концевой

аминокислотой. Оба фермента осуществляют ступенчатое отщепление ами-

нокислот от N-конца полипептидной цепи.

Дипептидазы. Процесс переваривания пептидов, их расщепление до

свободных аминокислот в тонкой кишке завершают дипептидазы. Среди

дипептидаз кишечного сока хорошо изучена глицилглицин-дипептидаза,

гидролизующая соответствующий дипептид до двух молекул глицина.

Известны также две другие дипептидазы: пролил-дипептидаза (пролиназа),

катализирующая гидролиз пептидной связи, в образовании которой участ-

вует СООН-группа пролина, и пролин-дипептидаза (пролидаза), гидроли-

зующая дипептиды, в которых азот пролина связан кислотно-амидной

связью.

Еще сравнительно недавно протеиназы традиционно связывали только

с процессами переваривания. В настоящее время появляется все больше

данных о более широкой биологической роли протеолитических ферментов

органов и тканей в регуляции ряда вне- и внутриклеточных процессов.

Некоторые протеиназы выполняют защитную функцию (свертывание кро-

ви, система комплемента, лизис клеток), другие генерируют гормоны,

токсины, вазоактивные агенты (ангиотензин, кинины). Ряд протеиназ ре-

гулирует образование пищеварительных ферментов, взаимодействие между

клетками и клеточными поверхностями, процессы фертилизации (хитин-

синтетаза) и дифференциации. Регуляция в большинстве случаев пред-

усматривает превращение неактивного предшественника в активный белок

путем отщепления ограниченного числа пептидов. Этот процесс, впервые

описанный К. Линдерстрем-Лангом еще в 50-е годы, в последнее время

называют ограниченным протеолизом. Значение его очень важно для по-

нимания сущности биологического синтеза в клетках неактивных пре-

и пробелков. Кроме того, этот процесс нашел широкое практическое

применение в лабораториях и промышленности. В регуляции действия

протеолитических ферментов участвуют также ингибиторы протеиназ бел-

ковой природы, открытые не только в поджелудочной железе, но и в плазме

крови, курином яйце и т.д.

Отделение панкреатического и кишечного соков регулируется нейро-

гормональными факторами, которые подробно излагаются в курсе фи-

зиологии. Имеются доказательства роли соляной кислоты в качестве

пускового механизма выработки в кишечнике особых гормонов. В част-

ности, соляная кислота, попадая в двенадцатиперстную кишку, стимулирует

секрецию  с е к р е т и н а (см. главу 8); последний, стимулируя секрецию

и отделение щелочного панкреатического сока, способствует оттоку желчи.

Показано, что секретин быстро исчезает из кровотока, а новые порции его

не вырабатываются, поскольку соляная кислота нейтрализуется щелочным

панкреатическим соком. Таким образом, благодаря существованию такого

механизма, действующего по типу обратной связи, осуществляется ре-

гуляция секреции и отделения поджелудочного сока. Поджелудочный сок,

полученный при действии секретина, содержит незначительное количество

ферментов, но богат бикарбонатами, создающими слабощелочную среду

(рН 7,5–8,5), оптимальную для действия пищеварительных ферментов

423

в кишечнике. Вторым гормоном, также синтезирующимся в двенадцати-

перстной кишке и регулирующим секрецию поджелудочного сока, является

х о л е ц и с т о к и н и н (панкреозимин); он стимулирует отделение сока, бо-

гатого ферментами и бедного бикарбонатами.

Переваривание белков в желудке

В желудке имеются все условия для переваривания белков. Во-первых,

в желудочном соке содержится активный фермент пепсин. Во-вторых,

благодаря наличию в желудочном соке свободной соляной кислоты для

действия пепсина создается оптимальная среда (рН 1,5–2,5). Следует особо

указать на существенную роль соляной кислоты в переваривании белков:

она переводит неактивный пепсиноген в активный пепсин, создает оп-

тимальную среду для действия пепсина; в присутствии соляной кислоты

происходят набухание белков, частичная денатурация и, возможно, гидро-

лиз сложных белков. Кроме того, соляная кислота стимулирует выработку

секретина в двенадцатиперстной кишке, ускоряет всасывание железа и

оказывает бактерицидное действие.

Ввиду исключительной роли соляной кислоты в переваривании белков

были предприняты попытки объяснить механизм ее секреции в желудке.

В деталях этот механизм до сих пор не выяснен, однако имеющиеся данные

свидетельствуют, что образующиеся при диссоциации хлорида натрия

в крови ионы хлора диффундируют через клеточную мембрану и соеди-

няются с ионами водорода, которые в свою очередь освобождаются при

диссоциации угольной кислоты, образующейся в обкладочных клетках из

конечных продуктов обмена – Н

2

О и СО

2

. Образовавшаяся соляная кислота

затем экскретируется обкладочными клетками в полость желудка. Равно-

весие ионов Сl

–

 между кровью и обкладочными клетками достигается

поступлением отрицательно заряженных ионов HCO

3–

 из клеток в кровь

взамен ионов Сl

–

, поступающих из крови в клетки. Предполагается участие

АТФ, поскольку синтез соляной кислоты требует энергии.

Следует отметить, что при некоторых поражениях желудка (обычно при

воспалительных процессах) могут нарушаться секреция соляной кислоты

и соответственно переваривание белков.

Пепсин, катализирующий гидролиз пептидных связей, образованных

остатками ароматических аминокислот, расщепляет практически все при-

родные белки. Исключение составляют некоторые кератины, протамины,

гистоны и мукопротеины. При их гидролизе образуются различного раз-

мера пептиды и, возможно, небольшое число свободных аминокислот.

В желудочном соке детей грудного возраста, а также в секрете четвертого

желудочка телят и других молодых жвачных животных содержится от-

личный от пепсина весьма активный фермент реннин. Он катализирует

свертывание молока (превращение растворимого казеиногена в нераство-

римый казеин). У взрослых людей эту функцию выполняет пепсин. Ме-

ханизм этого процесса, несмотря на кажущуюся простоту, в деталях пока не

выяснен. Предполагают, что реннин превращает растворимый казеиноген

молока в параказеин, кальциевая соль которого нерастворима, и он

выпадает в осадок. Интересно отметить, что после удаления ионов Са

2+

 из

молока образования осадка не происходит. Наличие активного реннина

в желудочном соке детей грудного возраста имеет, по-видимому, важное

физиологическое значение, поскольку при свертывании молока, являюще-

424