Перетравлення білків та всмоктування амінокислот

Амінокислоти

Амінокислоти - це органічні речовини, які мають як карбоксильну так і аміно групу.В природі їх дуже багато(приблизно 500 представників), однак в склад білків живих організмів входить лише 20(22) штуки.
Всі амінокислоти мають як і аміно так і карбокси групу, однак тут ще є радикал - особлива група атомів, яка є різною для різних амінокислот.Знизу ми бачимо формули всіх амінокислот, які входять в склад білків живих організмів.
Амінокислота може бути в не іонізованій та іонізованій формах.В природі, ці речовини знаходяться в основному в іонізованій формі, яку ще називають цвіттер-іоном.
Від карбоксильної групи тікає протон гідрогену та чіпляється до аміногрупи, в результаті чого, остання стає позитивно зарядженою(бо прийшов зайвий протон, який має позитивний заряд), а карбоксильна група втратила свій протон, тепер вона має більше електронів ніж протонів, тому отримує негативний заряд.Однак, сумарний заряд молекули являється нейтральним(аміногрупа заряджено "+", а карбокси - "-", а плюс і мінус дорівнює 0).І в залежності від pH середовища будуть відбуватись певні зміни в структурі цього цвіттер-іону, однак, це не являється предметом вивчення біохімії.В нормі, pH рідин організму приблизно 7.3 - 7.4.При данному показнику pH амінокислоти знаходяться у формі звичайного цвіттер-іону, все.


Амінокислоти в залежності від того, чи вміє організм їх синтезувати поділяють на:

• Замінні амінокислоти повністю можуть синтезуватися в нашому організмі, такими являються аланін, аргінін, аспарагін, аспартат, цистеїн, глутамат, глутамін, гліцин, пролін, серин та тирозин
• Незамінні не синтезуються в нашому організмі в достатніх кількостях, представлені гістидином, ізолейцином, лейцином, лізином, метіоніном, фенілаланіном, треоніном, триптофаном та валіном.
• Умовно незамінні являються замінними амінокислотами(тобто синтезуються в достатній кількості), однак в деяких стресових для організму ситуаціях, їх просто не вистачає щоб забезпечити потреби організму, тому потрібно збільшити їх надходження до організму, наприклад, разом з їжею.Такими являються аргінін, цистеїн, глутамін, тирозин, гліцин, пролін.

Не потрібно все це запам'ятовувати, просто декілька штук з кожної категорії зазубріть, та й на цьому все(якшо у вас прєпод нормальний, то прокатить).

Так, тепер переходимо до того, як амінокислоти об'єднуються між собою та утворюють полімери - білки.
Щоб об'єднати дві амінокислоти в одну молекулу, нам потрібно взяти аміногрупу від однієї амінокислоти та карбоксильну групу від другої амінокислоти.Карбоксильна група віддає свою -OH, а аміногрупа віддає свій гідроген(-H).Ці дві частинки об'єднуються між собою та утворюється побічний продукт реакції - вода, а дві амінокислоти об'єднуються між собою, між ними утворюється пептидний зв'язок - ковалентний зв'язок, який об'єднує дві амінокислоти, утворений аміногрупою від однієї амінокислоти та карбоксильною групою від іншої.Знизу ми бачимо механізм утворення цього зв'язку(а якшо малюнку нема, то скоро буде).

І ось за таким принципом амінокислоти об'єднуються між собою і утворюють величезні молекули(деякі білки утворені 30000+ амінокислотами).По кінцям цієї великої молекули у нас ще є вільні карбоксильна та аміно група.Вони не беруть участь в утворені пептидних зв'язків, бо вони знаходяться по краям, типу, їм немає з чим взаємодіяти, вони являються вільними кінцями.C-кінець представлений вільною карбоксильною групою, а N-кінець представлений вільною аміногрупою.
Тепер перейдемо до класифікації полімерів амінокислот:

• Олігопептид утворений двадцятьма та меншою кількостю амінокислот(дипептиди, трипептиди, тетрапептиди...)
• Пептиди утворені п'ятдесятьма та менше амінокислотами
• Білки представлені величезними молекулами, які мають в своєму складі більше, ніж 50 амінокислот, доволі часто ще мають в своєму складі небілковий компонент(гем, кофактор, простетична група)

Тепер щодо функцій білків(їх тут багато):

• Енергетична.В організмі існує баланс між розпадом та синтезом білків.В нормальних фізіологічних умовах(коли людина не голодає), співвідношення синтезу та розпаду приблизно однакове(хоча, синтез може незначно переважати).Але коли організм знаходиться в стресових ситуаціях(гіпоглікемія та ж сама внаслідок довготривалого голодання), то активуються процеси розпаду білків, з подальшим дезамінуванням та трансамінуванням амінокислот, які в результаті цих подій можуть бути використані для синтезу АТФ.
• Структурна.Наприклад, білки входять в склад клітинної мембрани, ті ж самі проміжні філаменти клітин, які надають їм пружності.
• Каталітична.ВСІ ФЕРМЕНТИ - БІЛКИ, звичайна істина яку просто потрібно запам'ятати.
• Рецепторна.Білки можуть об'єднуватись в комплекси та утворювати комплекси, які реагують на певні подразники - рецептори.
• Рухова.В результаті взаємодії актинових та міозинових філаментів скелетних м'язів відбувається скорочення останніх.
• Захисна.Імуноглобуліни(антитіла) секретуються в кров плазмоцитами та прикріплюються до антигенів, таким чином "мітять" їх, потім сюди приходить той самий макрофаг, який пожирає ці помічені бактерії або віруси.
• Транспортна.Спеціалізовані білки крові транспортують деякі речовини(гемоглобін транспортує кисень, вуглекислий газ, вітамін-зв'язуючі білки, трансферин транспортує залізо, альбуміни транспортують жиророзчинні речовини).Також, впринципі сюди можна віднести білки кінезин та динеїн, які відіграють роль у внутрішньоклітинному транспорті речовин.

Перетравлення та всмоктування продуктів розпаду

Перетравлення білків в шлунку

Перетравлення білків починається в шлунку(ніякої ротової порожнини, ніякого стравоходу та прямої кишки, ШЛУНОК - перший відділ розпаду білків).
І так, в шлунку є наступні види клітин:

• Парієтальні клітини забезпечують утворення соляної кислоти в просвіті шлунку.Зараз не будемо оці всі механізм детально розглядати, це вже предмет фізіології та гістології.
  Ці клітини викидають в просвіт шлунку аніони хлору та протони гідрогену.Ці дві частинки об'єднуються між собою та утворюється соляна кислота(HCl), яка знижує pH шлунку до 1.1 - 2.0(супер кисле).Парієтальні клітини стимулюються гастрином та гістаміном(нижче описано).
• Головні клітини синтезують та секретують пепсиноген та гастриксиноген(неактивні ферменти, або ж проферменти).
  Клітина в стані спокою спокійно собі синтезує та накопичує в гранулах вище згадані ферменти, але коли приходить сигнал у вигляді гістаміну чи гастрину, то ці гранули евакуюються в просвіт шлунку.Відповідно, неактивні ферменти потрапляють в шлунок.Чому вони неактивні? бо їх активний центр закритий, і тому він не може взаємодіяти з субстратами.Навіщо його закривати? для того, щоб запобігти самоперетравленню стінок шлунку, якщо порушиться процес секреції цих ферментів.Коли в шлунку pH середовища стає супер кислотним(а це забезпечує соляна кислота, яка секретується парієтальними клітинами), то ось це стимулює процес аутокаталізу - фермент бере і відщеплює від себе той шматок, який закриває активний центр, відповідно, активний центр відкривається та може взаємодіяти з субстратами.Ось таким чином профермент перетворюється в фермент(пепсиноген - пепсин, гастриксиноген - гастриксин).Про функції ферментів поговоримо нижче.

• Ентерохромафінні клітини схожі за функцією на ендокринні клітини: вони мають рецептори, які розпізнають, що в шлунок потрапила їжа, і у відповідь на це продукують гістамін та гастрин, який прямує до вищезгаданих клітин та стимулюють процеси синтезу відповідних речовин(детальніше буде на фізіології)
• Мукоцити синтезують слиз, який захищає слизову оболонку шлунку від пагубної дії соляної кислоти.

Тепер про функції гастриксину та пепсину.
Ну чесно кажучи, вклад гастриксину в перетравлення білків не дуже вагомий, порівняно з гастриксином(але прєпод може здивуватись, якщо ви згадаєте про цей фермент).
Пепсин - це пептидаза, тобто, фермент, який розщеплює пептидні зв'язки за допомогою реакції гідролізу(додавання води).Однак, пептидази бувають двох видів:

• Ендопептидази розщеплюють ті зв'язки, які знаходяться всередині молекули(уявляємо величезний ланцюг із амінокислот, ендопептидаза розщеплює ті пептидні зв'язки, які знаходяться в середині цього ланцюгу, вона не чіпає крайні зв'язки)
• Екзопептидази каталізують розщеплення крайніх пептидних зв'язків(протилежно ендопептидазі)

Пепсин являється ендопептидазою, окрім цього, він розщеплює не будь-які пептидні зв'язки: він розщеплює переважно ті зв'язки, які утворені між ароматичними амінокислотами(фенілаланін, тирозин, гістидин, триптофан, тобто ті амінокислоти, які мають циклічний радикал).Ну і знову ж таки, пепсин не має чіткої послідовності розщеплення пептидних зв'язків: він розщепив один тут, а другий зовсім в іншому місці, тому в результаті у нас утворюються не вільні амінокислоти, а олігопептиди(по аналогії, як було з перетравленням вуглеводів).
Додам ще одну детально стосовно хлоридної кислоти: кисле pH забезпечує денатурацію білку, тобто, білок втрачає свою третинну(четвертинну) структуру та перетворюється в простий ланцюг амінокислот(первинна структура).Це дуже важливо, бо якщо не буде кислого середовища, але в нас якимось чином буде активний пепсин, то він не зможе нічого перетравити, навіть не дивлячись на свою активність, бо білки, які знаходяться на третинній чи четвертинній структурі просто не піддають гідролізу.

Перетравлення білків в тонкому кишечнику

Коли вміст шлунку(хімус) потрапляє в дванадцятипалу кишку, то це подразнює клітини її слизової оболонки, вони в свою чергу, у відповідь на це подразнення починають секретувати в кров гормони секретин та холецистокінін.
Секретин прямує до підшлункової залози, де стимулює секрецію бікарбонат-іонів(луги) та ферментів підшлункової залози(але вони неактивні).Бікарбонати потрапляють в дванадцятипалу кишку відбувається реакція нейтралізації і як наслідок, pH в просвіті тонкої кишки стає лужним.Разом з цим сюди потрапляють панкретичні ферменти у неактивній формі(трипсиноген, хімотрипсиноген, проеластаза, прокарбоксипептидаза, проамінопептидаза).
Здавалось би, за аналогією з шлунком, коли ферменти потраплять в лужне середовище, то вони повинні за допомогою аутокаталізу перетворитись в активну форму, але ні.
Всі ці обставини стимулюють виділення ентерокінази - ферменту, який виділяється клітинами слизової оболонки дванадцятипалої кишки.Цей фермент відщеплює зайві амінокислотні залишки від неактивних панкреатичних пептидаз, в результаті чого проферменти перетворюються в активні форми ферментів(трипсиноген - трипсин, хімотрипсиноген - хімотрипсин, проеластаза - еластаза, проамінопептидаза - амінопептидаза, прокарбоксипептидаза - карбоксипептидаза).
Тепер розглянемо, які функції відіграє кожен фермент.

• Трипсин в основному каталізує розщеплення пептидних зв'язків між амінокислотами лізину, аргініну.
• Хімотрипсин розщеплює пептидні зв'язки між ароматичними амінокислотами(аналогічно пепсину)
• Еластаза розщеплює пептидні зв'язки між аланіном, проліном, гліцином.
• Карбоксипептидаза відщеплює амінокислоти, ідучи від C-кінця(карбоксильного кінця).Карбоксипептидази бувають двох видів А і B.Карбоксипептидаза А відщеплює переважно нейтральні амінокислоти, а карбоксипептидаза B - основні амінокислоти.
• Амінопептидаза відщеплює амінокислоти, ідучи від N-кінця.

І знову ж таки, в результаті перетравлення білків панкреатичними ферментами, продуктами розпаду переважно утворюються олігопептиди(бо ферменти не мають чіткої послідовності відщеплення).
Далі ці олігопептиди прямують до пептидаз, які знаходяться на ентероцитах(пристінкові пептидази).Ці пептидази мають специфічність до розщеплення пептидних зв'язків всередині невеликого пептиду(олігопептиду).Однак, олігопептиди не повністю розщеплюються.Наприклад, пептид з восьми амінокислот може розщепитися на 3 вільні амінокислоти та пентапептид.Як вільні амінокислоти, так і маленькі пептиди(ди, три, тетра, пента) можуть всмоктуватись в ентероцит.

Всмоктування продуктів розпаду

І так, за рахунок роботи натрій-калієвого насосу, в цитоплазмі ентероцита дуже мало натрію, але багато калію.В просвіті кишечника - навпаки.Відповідно, натрій так сильно хоче потрапити в ентероцит, що разом з собою пропускає одну довільну вільну амінокислоту.Цей канал має назву натрій-залежного транспортеру амінокислот.Це називається вторинний активний транспорт, ми вже його де тільки не розбирали.
А стосовно всмоктування олігопептидів, то тут нам потрібні протони гідрогену.На мембрані ентероцита працює помпа, яка викачує протони з клітини в просвіт кишечника.Ці протони хочуть потрапити назад в клітину через спеціальний канал, який також може пропустити разом з протоном олігопептид.Ці протони проходять через цей канал, а потім відразу за ними іде олігопептид.


До речі, чому ми не можемо просто взяти і запхати амінокислоту звичайною пасивною дифузією?Відповідь доволі проста: в клітині концентрація амінокислот набагато більша, ніж в просвіті кишечника, тому ми використовуємо вторинний активний транспорт.Хоча, коли в ентероцитах немає амінокислот взагалі, то впринципі, амінокислоти можуть потрапити в ці клітини без ніяких труднощів через спеціальні канали.
Повертаємось до олігопептидів, які потрапили в ентероцит разом з протоном.Всередині ентероцита є спеціальні ферменти пептидази, які розщеплюють цей олігопептид на амінокислоти, які потім просто втікають в кров та розносяться по організму.

Хвороба Хартнупа

Значить, амінокислоти бувають кислими, основними та нейтральними.
Кожен тип амінокислот має свій спеціальний натрій-залежний транспортер, який забезпечує їх всмоктування в ентероцит.Наприклад, через транспортер A проходять лише кислі амінокислоти, через транспортер B проходять основні амінокислоти, а через транспортер С проходять нейтральні.Так ось, транспортер C(який забезпечує проходження нейтральних амінокислот) кодується геном SLC6A19.В деяких людей цього гену нема, або якщо бути точнішим, то в ньому відбулася мутація(рецесивна мутація), відповідно, порушується всмоктування нейтральних амінокислот.
Однією із таких нейтральних амінокислот являється триптофан, який ще й являється незамінною амінокислотою, тобто, ми можемо його отримувати тільки з їжею, організм не може забезпечити синтез достатньой кількості цієї амінокислоти.А так як у нас поламався транспортер, то і отримати із зовнішнього середовища ми його ніяк також не можемо.
Триптофан дуже важливий для синтезу того ж самого ніацину, який входить в склад НАД, а останній являється коферментом для багатьох ферментів, відповідно, якщо не буде цієї речовини, то робота ферментів порушується.Окрім цього, триптофан потрібен для синтезу деяких нейромедіаторів, а у випадку порушення синтезу цих нейромедіаторів спостерігаються психічні розлади, в тому числі деменція.У таких пацієнтів спостерігаються дерматит, діарея.
Також, доволі іронічно, що окрім порушення всмоктування амінокислот, підвищується виведення цих амінокислот разом з сечею.Тому на підставі аналізу сечі ми вже можемо зробити певні догадки.