Предыдущая: Переваривание и всасывание белков

ПРОЦЕССЫ ГНИЕНИЯ БЕЛКОВ В КИШЕЧНИКЕ

Строго говоря, речь идет о разнообразных превращениях свободных аминокислот, а не белков пищи, под действием микрофлоры нижнего отдела кишечника. Известно, что микроорганизмы кишечника для своего роста также нуждаются в доставке с пищей определенных аминокислот. Кроме того, микрофлора кишечника располагает набором ферментных систем, отличных от соответствующих ферментов животных тканей и катализирующих разнообразные превращения пищевых аминокислот (окисление, восстановление, дезаминирование, декарбоксилирование, распад). Благодаря этому в кишечнике создаются оптимальные условия для образования ядовитых продуктов распада аминокислот, в частности фенола, индола, крезола, скатола, сероводорода, метилмеркаптана, а также нетоксичных для организма ряда других соединений - спиртов, аминов, жирных кислот, кетокислот, гидроксикислот и др.

Все эти превращения аминокислот, вызванные деятельностью микроорганизмов кишечника, получили общее название гниения белков в кишечнике. Так, в процессе постепенного и глубокого распада серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина и метионина) в кишечнике образуются сероводород (H₂S) и метилмеркаптан (CH₃SH). Диаминокислоты, в частности орнитин и лизин, подвергаются процессу декарбоксилирования с образованием протеиногенных аминов (их иногда называют птомаинами, или трупными ядами, поскольку они образуются также при гнилостном разложении трупов). Из орнитина образуется путресцин, а из лизина - кадаверин [показать] .

Оба амина легко всасываются в кровь и выделяются с мочой; следует указать, что в моче они открываются в редких случаях, в частности при холере, гастроэнтеритах, а также при наследственной цистинурии. Вероятнее всего, оба этих амина обезвреживаются уже в клетках слизистой оболочки кишечника под влиянием специфической диаминоксидазы (см. ниже).

Из ароматических аминокислот фенилаланина, тирозина и триптофана при аналогичном бактериальном декарбоксилировании образуются соответствующие биогенные амины: фенилэтиламин, парагидроксифенилэтиламин (или триптамин) и индолилэтиламин (триптамин). Помимо этого процесса, микробные ферменты кишечника вызывают постепенное разрушение боковых цепей циклических аминокислот, в частности тирозина и триптофана, с образованием ядовитых продуктов обмена: соответственно крезола и фенола, скатола и индола [показать] .

После всасывания эти продукты через воротную вену попадают в печень, где они подвергаются обезвреживанию путем химического связывания с серной или глюкуроновой кислотой с образованием нетоксичных, так называемых парных, кислот (например, фенолсерная кислота или скатоксилсерная кислота). Последние выделяются с мочой.

Механизм обезвреживания этих продуктов расшифрован в деталях.

В печени содержатся специфические ферменты - арилсульфотрансфераза и УДФ-глюкуронилтрансфераза, катализирующие соответственно перенос остатка серной кислоты из ее связанной формы - 3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфата (ФАФС) и остатка глюкуроновой кислоты также из ее связанной формы - уридиндифосфоглюкуроновой кислоты (УДФГК) на любой из указанных выше продуктов. Источником ФАФС являются промежуточные продукты обмена пуриновых нуклеотидов и углеводов; не исключено возможное участие рибозо-5-фосфата, который образуется в процессе пентозо-фосфатного пути окисления глюкозы. Предшественниками УДФГК в организме являются метаболиты глюкозы и УТФ. Cм. химическое строение ФАФС и УДФГК и в качестве примера механизм обезвреживания индола:

Индол (как и скатол) предварительно подвергается окислению в индоксил (соответственно скатоксил), который взаимодействует непосредственно в ферментативной реакции с ФАФС:

Индол связывается в виде эфиросерной кислоты, калиевая или натриевая соль которой получила название животного индикана, который выводится с мочой. По количеству индикана в моче у человека судят о скорости процессов гниений белков в кишечнике и о функциональном состоянии печени. Таким образом, определение индикана имеет большое клиническое значение.

Ряд других аминокислот также подвергается распаду под действием ферментов микроорганизмов кишечника (фенилаланин, лизин, орнитин и др.), однако образующиеся из них продукты гниения не представляют большой опасности для организма, поскольку они менее токсичны, чем указанные выше соединения.

Существенный интерес с точки зрения клиники представляет механизм обезвреживания бензойной кислоты, которая после всасывания из кишечника связывается в печени с глицином согласно уравнению:

Реакция требует доставки энергии и присутствия КоА. По скорости образования и выделения гиппуровой кислоты с мочой после приема бензойной кислоты (проба Квика) обычно судят о функциональном состоянии печени; этот тест с успехом используется в клинической практике. Таким образом, организм человека и животных обладает рядом защитных механизмов синтеза, биологическая роль которых заключается в обезвреживании токсических продуктов, поступающих в организм извне или образующихся в кишечнике из продуктов питания благодаря жизнедеятельности микроорганизмов.

СУДЬБА ВСОСАВШИХСЯ АМИНОКИСЛОТ

Приведенная ниже схема дает представление о многообразии каналов, по которым используются аминокислоты после всасывания в кишечнике. Поступив через воротную вену в печень, они прежде всего подвергаются ряду превращений в этом органе, хотя значительная часть аминокислот разносится кровью по всему организму и используется для физиологических целей. В печени аминокислоты используются не только для синтеза собственных белков и белков плазмы крови, но также для синтеза ряда специфических азотсодержащих соединений - пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, креатина, мочевой кислоты, НАД и др. Печень обеспечивает, кроме того, сбалансированный пул свободных аминокислот организма путем синтеза незаменимых аминокислот и перераспределения азота в результате реакций трансаминирования

Как видно из представленной схемы, всосавшиеся аминокислоты в первую очередь используются в качестве строительного материала для синтеза специфических тканевых белков, ферментов, гормонов и других биологически активных соединений. Некоторое количество аминокислот подвергается распаду с образованием конечных продуктов белкового обмена (СО₂, Н₂О и NH₃) и освобождением энергии. Подсчитано, что в организме взрослого человека, находящегося на полноценной диете, освобождается примерно 1200 кДж в сутки за счет окисления около 70 г аминокислот (помимо пищевых, также эндогенных аминокислот, образующихся при гидролизе тканевых белков или синтезированных de novo из углеводов и липидов). Это количество составляет около 10% суточной потребности организма человека в энергии. Количество аминокислот, подвергающихся распаду, зависит как от характера питания, так и от физиологического состояния организма. Например, даже при полном голодании или при частичном белковом голодании с мочой выделяется небольшое, но определенное количество азотистых веществ, что свидетельствует о постоянстве процесса распада белков тела. Аминокислоты, как и белки, не накапливаются и не откладываются в тканях (наподобие жиров и гликогена) и у взрослого человека при нормальной обеспеченности пищевым белком поддерживается довольно постоянная концентрация аминокислот в крови (0,5 г/л или около 2,5 г во всем объеме крови).

Использованию аминокислот в синтезе белка и роли в этом исключительно важном для всех живых существ процессе нуклеиновых кислот будет посвящена отдельная глава (см. Биосинтез белка). Прежде чем перейти к рассмотрению основных путей обмена аминокислот, следует остановиться вкратце на проблеме транспорта аминокислот внутрь клетки.

ТРАНСПОРТ АМИНОКИСЛОТ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ

Различная скорость проникновения аминокислот через биомембраны клеток, установленная при помощи метода меченых атомов, свидетельствует о существовании в организме активной транспортной системы, обеспечивающей перенос аминокислот как через внешнюю клеточную мембрану, так и через систему внутриклеточных мембран. Несмотря на тщательные исследования, проведенные в разных лабораториях, тонкие механизмы функционирования активной системы транспорта аминокислот пока не расшифрованы. А. Майстером предложена новая схема транспорта аминокислот через биомембраны, которая, по-видимому, активно функционирует в почечных канальцах, слизистой кишечника и в ряде других тканей, в частности в ткани мозга. Сущность этой гипотезы можно понять из схемы [показать] .

Предполагается, что главную роль в этом процессе играет мембранно-связанный гликопротеид - фермент γ-глутамил-транспептидаза, которая катализирует перенос γ-глутамильной группы от глутатиона или другого γ-глутамильного пептида на транспортируемую аминокислоту. Комплекс γ-глутамил - аминокислота после переноса (транслокации) через биомембрану распадается внутри клетки (или внутри субклеточного образования) под действием глутамилциклотрансферазы на свободную аминокислоту и 5-оксопролин (пироглутаминовая кислота), образование которого почти целиком сдвигает реакцию расщепления комплекса вправо. Специфичность связывания (центр узнавания) аминокислоты обусловлена молекулой самой γ-глутамилтранспептидазы благодаря существованию изоферментов. С другой стороны, предполагается, что имеются особые белки, связывающие аминокислоты, - эти белки обеспечивают доставку своих субстратов к транспептидазе. Укажем также, что благодаря легкой возможности ресинтеза глутатиона, требующего только затраты энергии АТФ, цикл может повторяться многократно. Однако, несмотря на свою оригинальность и привлекательность, схема не отвечает на ряд вопросов (включая значение Na⁺ в активном транспорте аминокислот).

ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ В ТКАНЯХ

Ранее было отмечено широкое участие природных аминокислот (точнее углеродных скелетов, колец и различных функциональных групп) в синтезе биологически активных соединений. О многообразии таких синтезов свидетельствует приведенная ниже схема:

ОБЩИЕ ПУТИ ОБМЕНА АМИНОКИСЛОТ

Несмотря на то, что почти для каждой аминокислоты выяснены индивидуальные пути обмена (см. ниже), известен ряд превращений, общих почти для всех аминокислот. К этим превращениям относятся реакции дезаминирования, трансаминирования, декарбоксилирования и рацемизации. Рассмотрим подробно три первые реакции, имеющие значение для всех живых организмов. В то же время реакции рацемизации характерны только для микроорганизмов, в которых открыты ферменты, катализнрующие рацемизацию ряда аминокислот (Ала, Глу, Про, Мет, Лиз, Сер) и эпимеризацию оксипролина и α,ε-диаминопимелиновой кислоты. Физиологическая роль рацемаз микроорганизмов сводится к синтезу ряда D-изомеров аминокислот, которые затем используются для построения клеточной оболочки.

• Дезаминирование аминокислот
• Трансаминирование аминокислот

  Судьба α-кетокислот

  

  Образовавшиеся в процессе дезаминирования и трансдезаминирования α-кетокислоты подвергаются в тканях животных различным превращениям. Прежде всего α-кетокислоты могут подвергаться восстановительному аминированию с образованием соответствующей аминокислоты. Это так называемый синтетический путь превращения. Опыты с перфузией растворов α-кетокислот и аммиака через изолированную печень показали, что в оттекающей из печени жидкости действительно открываются соответствующие исходным кетокислотам L-аминокислоты. Этот синтез протекает преимущественно по механизму трансреаминирования, т. е. при участии трансаминирования (см. выше). Доказаны, кроме того, глюкогенные, кетогенные и окислительные пути, ведущие к образованию глюкозы, жирных кислот, ацетоновых тел и компонентов цикла трикарбоновых кислот (рис.)

  Углеродные скелеты аминокислот могут включаться в ЦТК через следующие соединения: ацетил-КоА (опосредованно через пируват), ЩУК, α-КГ и сукцинил-КоА непосредственно. Пять аминокислот (Фен, Лиз, Лей, Три и Тир) считаются "кетогенными", поскольку они являются предшественниками ацетоновых тел, в частности ацетоуксусной кислоты, в то время как большинство других аминокислот, обозначаемых как "глюкогенные", служат в организме источником углеводов, в частности глюкозы. Подобный синтез углеводов de novo наблюдается при некоторых патологических состояниях, например при сахарном диабете, а также при гиперфункции коры надпочечников и при введении глюкокортикоидов (см. Гормоны). Такое разделение аминокислот на кетогенные и глюкогенные имеет, однако, условный характер, поскольку из 9 углеродных атомов тирозина, например, четыре используются при синтезе ацетоуксусной кислоты, а три - при синтезе глюкозы через пируват.

• Декарбоксилирование аминокислот

  Судьба биогенных аминов. Накопление биогенных аминов может отрицательно сказаться на физиологическом статусе и вызывать ряд серьезных нарушений в организме. Однако органы и ткани как и целостный организм располагают специальными механизмами обезвреживания биогенных аминов, которые в общем виде сводятся к их окислительному дезаминированию с образованием соответствующих альдегидов и освобождением аммиака:

  

  Ферменты, катализирующие эти реакции, получили названия моноамин- и диаминоксидаз. Более подробно изучен механизм окислительного дезаминирования моноаминов. Этот ферментативный процесс является необратимым и протекает в две стадии:

  1. R-CH₂-NH₂ + E · ФАД + Н₂О --> R-CHO + NH₂ + E · ФАДH₂
  2. ФАДH₂ + O₂ --> E · ФАД + Н₂О₂

  Видно, что в первой, анаэробной, стадии образуются альдегид, аммиак и восстановленный фермент. Последний в аэробной фазе окисляется молекулярным кислородом. Образовавшаяся перекись водорода далее распадается на воду и кислород. Моноаминоксидаза - ФАД-содержащий фермент - преимущественно локализуется в митохондриях, играет исключительно важную роль в организме, регулируя скорость биосинтеза и распада биогенных аминов. Укажем также, что некоторые ингибиторы моноаминоксидазы (ипраниазид, гармин, паргилин) нашли применение при лечении гипертонической болезни, депрессивных состояний, шизофрении и др.

Продолжение: Обезвреживание аммиака в организме