Cooh - NH3 cooh

Ii II

О

СН, —ОН

СН₂— О — С — R, СН₂ — О — С — R,

О

+ R,— C—SKoA

СН —О —С —R₂ -Л------------- Г^Г СН —О —С —R.

■2

- HSKoA I О

СН₂ — О — С — R₃

Следует подчеркнуть, что глицерин и жирные кислоты могут быть получены из углеводов. Поэтому при избыточном потреблении углево- ов на фоне малоподвижного образа жизни развивается ожирение.

Полезная информация

Применение карнитина в качестве пищевой добавки позволяет уско- _ить вовлечение жирных кислот в р-окисление. Во многих видах спорта использование препарата карнитина позволяет повысить аэробную вы­носливость. В бодибилдинге карнитин применяют в период тренировок «на рельеф». Благодаря карнитину увеличивается скорость окисления жиров подкожной жировой клетчатки и мышцы становятся более рельеф­ными.

ГЛАВА 7

ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

С пищей в сутки поступает около 1 г нуклеиновых кислот.

Переваривание их происходит в тонкой кишке. Сначала поступив­шие с пищей нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) под действием фер­ментов поджелудочного сока (ДНКаза и РНКаза) превращаются в мо- нонуклеотиды. Затем под влиянием ферментов кишечного сока от мо- нонуклеотидов отщепляется фосфорная кислота и образуются нуклео­зиды (состоят из азотистого основания и углевода). Часть нуклеозидов может затем расщепиться на азотистые основания и углеводы.

Продукты переваривания нуклеиновых кислот (азотистые основа­ния, углеводы, фосфорная кислота и нерасщепившиеся нуклеозиды) всасываются в кровь, поступают по воротной вене в печень, а затем в другие органы.

КАТАБОЛИЗМ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

В клетках организма интенсивно протекает только обмен рибонук­леиновых кислот (РНК), метаболические превращения ДНК протека­ют очень медленно и в основном только при делении клеток в расту­щих и регенерирующих тканях.

При распаде внутриклеточные нуклеиновые кислоты, так же как и пищевые, превращаются последовательно в мононуклеотиды, нуклео- ^3иДы, фосфорную кислоту, азотистые основания и углеводы. Нуклеози- ДЫ» Поступившие из кишечника, расщепляются на азотистые основания ^а Углеводы.

Таким образом, из нуклеиновых кислот в конечном счете образуют­ся азотистые основания (пуриновые и пиримидиновые), углеводы (ри­боза и дезоксирибоза) и фосфорная кислота.

Схематично распад нуклеиновых кислот может быть представлен следующим образом:

РНК ДНК Мононуклеотиды (азотистое основание - углевод - фосфат)

Нуклеозиды Фосфорная кислота

(азотистое основание - углевод)

Азотистые основания Углеводы

(пуриновые и пиримидиновые) (рибоза и дезоксирибоза)

Далее пуриновые азотистые основания (аденин и гуанин) в процес­се катаболизма дезаминируются (теряют аминогруппу в виде аммиака), окисляются и превращаются в мочевую кислоту:

ОН

Образование мочевой кислоты осуществляется в печени. В сутки образуется и выводится с мочой около 1 г мочевой кислоты. Поскольку пуриновые азотистые основания входят в состав и ДНК и РНК, то по выделению мочевой кислоты с мочой можно судить о скорости распада в организме всех нуклеиновых кислот.

Пиримидиновое кольцо в отличие от пуринового менее устойчиво, и поэтому пиримидиновые основания (тимин, урацил, цитозин) под­вергаются глубокому распаду до С0₂, Н₂0 и NH₃.

Углеводы (рибоза и дезоксирибоза) вовлекаются в ГМФ-путь рас­пада углеводов и превращаются в глюкозу.

ё

фосфорная кислота распаду не подвергается. Она может снова ис­пользоваться в реакциях фосфорилирования и фосфоролиза или же при избытке выделяется из организма с мочой.

•Д тезнуклЕотидов __________________________________

Все клетки организма способны синтезировать необходимые для них нуклеиновые кислоты и не нуждаются в наличии в пище гото­вых нуклеиновых кислот или их составных частей. Поэтому содер­жание нуклеиновых кислот в пище не имеет для организма сущест­венного значения, однако продукты их распада могут частично ис­пользоваться.

Синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов происходит на основе рибозо-5-фосфата, образующегося из глюкозы при ее распаде по ГМФ-пути. Свободные азотистые основания (пуриновые и пиримиди­новые) обычно для этого синтеза не используются.

Гипоксантин

сн₂о—Р=0

он он Рибоза

ОН

он

Далее из инозиновой кислоты образуются обычные пуриновые нук- леотиды, при этом гипоксантин превращается либо в аденин, либо в Танин.

При синтезе пуриновых нуклеотидов к рибозо-5-фосфату пооче­редно присоединяются атомы углерода и азота, из которых образу­ется пуриновое кольцо. Источниками этих атомов являются амино­кислоты: глицин, глутамин, аспарагиновая кислота. Часть атомов углерода поставляется коферментами, содержащими в своем составе витамины В_с (фолиевая кислота) и Н (биотин). Промежуточным продуктом синтеза пуриновых нуклеотидов является инозиновая кислота, содержащая необычное азотистое основание - гипоксан­тин:

Синтезу пиримидиновых нуклеотидов предшествует образование необычного азотистого основания - оротовой кислоты (ее нет в соста­ве нуклеиновых кислот), содержащей пиримидиновое кольцо:

ОН НО ^1,1 СООН Оротовая кислота

Синтезируется оротовая кислота из аммиака, углекислого газа и ас- парагиновой кислоты. Образовавшаяся оротовая кислота присоединя­ется к рибозо-5-фосфату и возникает пиримидиновый нуклеотид - оро- тидинмонофосфат. Далее оротовая кислота в составе этого нуклеотида преобразуется в обычные азотистые основания - тимин, урацил и цито- зин, в результате чего появляются пиримидиновые нуклеотиды (тими- динмонофосфат - ТМФ, уридинмонофосфат - УМФ и цитидинмоно- фосфат - ЦМФ), входящие в состав нуклеиновых кислот.

В связи с такой важной ролью оротовой кислоты в синтезе нуклео­тидов в спортивной практике в качестве пищевой добавки нередко применяется оротат калия.

Дезоксирибонуклеотиды (содержат дезоксирибозу) образуются из соответствующих рибонуклеотидов путем восстановления входящей в них рибозы в дезоксирибозу.

СИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Для синтеза нуклеиновых кислот используются мононуклеотиды обязательно в трифосфатной форме. Такие нуклеотиды содержат в сво­ей молекуле три остатка фосфорной кислоты и обладают повышенным запасом энергии. Переход нуклеотидов в трифосфатную форму осуще­ствляется путем взаимодействия с АТФ.

Для синтеза РНК необходимо четыре вида рибонуклеотидов (АТФ, ГТФ, УТФ и ЦТФ). Для синтеза ДНК используются дезоксирибонукле­отиды тоже четырех видов (д-АТФ, д-ГТФ, д-ТТФ и д-ЦТФ).

Синтез ДНК (репликация) интенсивно протекает во время клеточ­ного деления. В процессе репликации в молекуле ДНК (родительская молекула) разрываются водородные связи между азотистыми основа­ниями обеих ее нитей, что приводит к раскручиванию двойной спирали

ДНК и образованию двух свободных нитей. К образовавшимся свобод­ным нитям, как к матрицам, подходят нуклеотиды в трифосфатной форме и своими азотистыми основаниями с соблюдением принципа комплементарное™ (аденин - тимин и гуанин - цитозин) присоединя­йся к ним. Благодаря этому принципу создается нужная последова­тельность расположения нуклеотидов. По мере присоединения к мат­рице нуклеотиды связываются в полинуклеотидные нити, которые сра­зу же закручиваются с матрицей в двойную спираль. При этом от каж­дого нуклеотида отщепляется по два остатка фосфорной кислоты в форме дифосфата. В конечном счете на каждой матрице возникает но­вая нить, которая по строению точно соответствует второй нити ДНК. В результате репликации синтезируются две новые молекулы ДНК (до­черние), которые являются точной копией родительской молекулы ДНК. В дочерних молекулах одна полинуклеотидная нить происходит из родительской молекулы, а другая синтезирована из нуклеотидов в процессе репликации.

Синтез РНК (транскрипция) также протекает с участием ДНК. В процессе транскрипции раскручивается только ограниченный уча­сток ДНК и матрицей служит лишь одна освободившаяся нить ДНК. К этой нити, как к матрице, подходят нуклеотиды в трифосфатной форме, содержащие рибозу, и по принципу комплементарности рас­полагаются в строго определенном порядке. Затем нуклеотиды со­единяются в полинуклеотид, и от каждого из них отщепляется ди- фосфат. Образовавшаяся полинуклеотидная цепь с матрицей двой­ной спирали не образует и легко отходит от молекулы ДНК, после чего происходит восстановление ее двойной спирали. Таким обра­зом происходит синтез информационных (иРНК), транспортных (тРНК) и рибосомных (рРНК) РНК.

Полезная информация

Диффузия - самопроизвольное движение молекул из области вы­сокой концентрации в направлении более низкой. Обусловлена диф­фузия тем, что все молекулы постоянно находятся в состоянии беспо­рядочного, хаотичного движения. Следствием диффузии является вы­равнивание концентрации.

ГЛАВА 8 ОБМЕН БЕЛКОВ

В сутки с пищей поступает около 100 г белков.

Переваривание белков осуществляется протеолитическими фер­ментами желудочного, поджелудочного и кишечного соков, причем ферменты желудочного и поджелудочного соков вырабатываются в не­активной форме (в виде проферментов) и активируются непосредст­венно в полости желудочно-кишечного тракта. Это предупреждает не­желательное воздействие данных ферментов на белки клеток пищева­рительных желез, где происходит их образование.

Под действием протеолитических ферментов в молекулах пище­вых белков расщепляются пептидные связи, т. е. протекает протеолиз. В результате совместного действия всех протеолитических ферментов пищевые белки превращаются в аминокислоты. В сутки из белков пищи образуется примерно 100 г аминокислот.

Всасывание аминокислот происходит по системе воротной вены.

КАТАБОЛИЗМ БЕЛКОВ

Белки, входящие в состав клеток организма, также подвергаются постоянному распаду под влиянием внутриклеточных протеолитиче­ских ферментов, называемых внутриклеточными протеиназами или катепсинами. Эти ферменты локализованы в специальных внутрикле­точных органоидах — лизосомах. Под действием катепсинов белки ор­ганизма также превращаются в аминокислоты. (Важно отметить, что распад как пищевых, так и собственных белков организма приводит к образованию одних и тех же 20 видов аминокислот.) В сутки расщеп­ляется примерно 200 г белков организма. Поэтому в течение суток в организме появляется около 300 г свободных аминокислот.

СИНТЕЗ БЕЛКОВ

Большая часть аминокислот используется для синтеза белков. В ор­ганизме взрослого человека существует равновесие между распадом и синтезом белков. У детей преобладает синтез, ведущий к накоплению белков в организме, что является обязательным условием роста и раз­вития организма.

Синтез белков происходит при обязательном участии нуклеиновых кислот.

Первый этап синтеза белка - транскрипция - осуществляется в клеточном ядре с использованием ДНК как источника генетической информации. Генетическая (наследственная) информация обусловлива­ет порядок расположения аминокислот в полипептидных цепях синте­зируемого белка. Эта информация закодирована строгой последова­тельностью азотистых оснований мононуклеотидов в молекуле ДНК. Каждая аминокислота кодируется сочетанием трех азотистых основа­ний, называемым кодоном, или триплетом. Участок молекулы ДНК, содержащий информацию об определенном белке, получил название «ген». На этом участке ДИК во время транскрипции по принципу ком- плементарности синтезируется информационная РНК (иРНК), (см. главу 7 «Обмен нуклеиновых кислот»). Эта нуклеиновая кислота пред­ставляет собой копию соответствующего гена. Следовательно, иРНК содержит информацию о строении белка, закодированного в данном гене. Образовавшаяся иРНК выходит из ядра и поступает в цитоплазму.

Аналогичным образом на ДНК как на матрице происходит синтез рибосомных (рРНК) и транспортных (тРНК) РНК.

В ходе второго этапа — рекогниции (распознования), протекающе­го в цитоплазме, аминокислоты избирательно связываются со своими переносчиками - транспортными РНК (тРНК).

Все тРНК (их обнаружено около 60) построены сходным образом. Молекула каждой тРНК представляет собой короткую полинуклеотид- ную цепь, содержащую примерно 80 нуклеотидов и частично закру­ченную в двойную спираль, что приводит к возникновению простран­ственной конфигурации «изогнутого клеверного листа» (рис. 7). На од­ном конце полинуклеотидной цепи у всех тРНК находится нуклеотид, содержащий аденин. К этому концу молекулы тРНК присоединяется аминокислота. Петля, противоположная месту присоединения амино­кислоты, содержит антикодон, состоящий из трех азотистых основа­ний и предназначенный для последующего связывания с комплемен­тарным кодоном иРНК. Одна из боковых петель молекулы тРНК обес­печивает присоединение тРНК к ферменту, участвующему в рекогни- ВДи> а другая, боковая, петля необходима для присоединения тРНК к рибосоме на следующем этапе синтеза белка.

На этом этапе в качестве источника энергии используется молекула АТф. в результате рекогниции образуется комплекс аминокислота- ^ТРНК (аминоацил-тРНК):

аминокислота + тРНК ---------- аминоацил-тРНК

ь

составе этого комплекса аминокислота обладает повышенной хими­ческой активностью. В связи с этим второй этап синтеза белка часто бывают активацией аминокислот.

Третий этап синтеза белка - трансля­ция - происходит на рибосомах. Каждая ри­босома состоит из двух частей - большой и малой субчастиц. По химическому составу обе субчастицы представляют собою нук- леопротеиды, состоящие из рибосомных РНК и белков. Рибосомы способны легко распадаться на субчастицы (диссоциация), которые снова могут соединяться друг с дру­гом, образуя рибосому (ассоциация).

Трансляция начинается с диссоциации рибосомы на субчастицы, которые сразу же присоединяются к начальной части молеку­лы информационной РНК, поступающей из ядра. При этом между субчастицами остает­ся пространство (так называемый туннель), где располагается небольшой участок иРНК.

Затем к образовавшемуся комплексу рибосома - иРНК присоеди­няются тРНК, связанные с аминокислотами. Присоединение тРНК к этому комплексу происходит путем связывания одной из боковых пет­лей тРНК с рибосомой и связывания антикодона тРНК с комплемен­тарным ему кодоном иРНК, находящимся в туннеле между субчасти­цами рибосомы. Одновременно к комплексу рибосома - иРНК могут присоединиться только две тРНК с аминокислотами.

Благодаря специфическому связыванию антикодонов тРНК с ко до­нами иРНК, к участку молекулы иРНК, находящемуся в туннеле, при­соединяются только молекулы тех тРНК, у которых антикодоны ком­плементарны кодонам иРНК. Поэтому эти тРНК доставляют в рибосо­мы только строго определенные аминокислоты. Далее аминокислоты соединяются друг с другом пептидной связью и образуется дипептид, который связан с одной из тРНК. После этого рибосома передвигается вдоль иРНК ровно на один кодон (это перемещение рибосомы называ­ется траислокацией).

В результате транслокации свободная (без аминокислоты) тРНК отщепляется от рибосомы, а в зоне туннеля появляется новый кодон, к которому присоединяется по принципу комплементарности еще одна тРНК с аминокислотой, соответствующей этому кодону. Доставленная аминокислота соединяется с ранее образовавшимся дипептидом, что приводит к удлинению пептидной цепи. Далее следуют новые трансло­кации, поступление на рибосому новых тРНК с аминокислотами и дальнейшее удлинение пептидной цепи.

Антикодон Рис. 7. Схема строения аминоацил-тРНК

Таким образом порядок включения аминокислот в синтезируемый белок определяется последовательностью ко донов в иРНК.

Завершается синтез полипептидной цепи при поступлении в туннель особого кодона, который не кодирует аминокислоты и к которому не может присоединиться ни одна тРНК. Такие кодоны называются терми­нирующими, или нонсенс-кодонами. Особенно велика их роль в синтезе белков, молекула которых состоит из нескольких полипептидов.

В итоге за счет описанных трех этапов синтезируются полипептиды, т. е. формируется первичная структура белка. Высшие (пространствен­ные) структуры (вторичная, третичная, четвертичная) возникают само­произвольно. Это объясняется тем, что пространственные структуры фиксируются в основном химическими связями, возникающими между радикалами аминокислот. Поэтому в каждом белке эти связи образуются специфически в соответствии с генетически обусловленной последова­тельностью расположения радикалов в полипептидных цепях.

В некоторых случаях полипептидная цепь после завершения синтеза подвергается незначительной химической модификации, в результате чего в ней появляются некодируемые аминокислоты (не относящиеся к 20 обычным аминокислотам). Например, при синтезе белка коллагена на рибосомах образуется его предшественник - проколлаген, содержа­щий в большом количестве аминокислоты лизин и пролин. Эти амино­кислоты, находящиеся в составе полипептидной цепи, подвергаются в ходе модификации окислению и превращаются соответственно в окси- лизин и оксипролин, что приводит к переходу проколлагена в коллаген.

Синтез белков - процесс энергоемкий. Для включения в молекулу синтезируемого белка только одной аминокислоты требуется не менее трех молекул АТФ.

В очень небольших количествах белки еще синтезируются в мито­хондриях, где также имеются ДНК, иРНК, тРНК и рибосомы.

Синтез белков в организме ускоряется соматотропным гормоном (гормоном роста) и тестостероном (мужским половым гормоном). Тормозится синтез белков гормонами коры надпочечников - глюко- кортикоидами. Регулирующее действие всех этих гормонов связано с их влиянием на скорость транскрипции.

Синтез белков подавляют многие антибиотики, ингибирующие трансляцию.

Метаболизм аминокислот__________________________

Помимо синтеза белков аминокислоты еще используются для син- ^Теза различных небелковых соединений, имеющих важное биологиче- ^ск°е значение. Так, из аминокислот синтезируется глюкоза, азотистые ^0сНования, небелковая часть гемоглобина - гем, гормоны адреналин
и тироксин и очень важное соединение, участвующее в энергообеспе­чении мышечной работы, - креатии.

Часть аминокислот подвергается распаду и превращается в конеч­ные продукты: С0₂, Н₂0 и NH₃.

Распад начинается с реакций, общих для большинства аминокислот. К ним относятся:

а) декарбоксилирование - отщепление от аминокислот карбок­сильной группы в виде углекислого газа:

R R

Н —С —NH₂ _______ ^ Н — C — NH₂

I - со₂ I

СООН H

Амин

б) дезаминирование - отщепление аминогруппы в виде NH₃. У че­ловека дезаминирование аминокислот идет окислительным путем:

R R

I I

H-C-NH₂ +1/2 0, С = 0

I 1 I

а-кетокислота

в) трансаминирование (переамииирование) - реакция между аминокислотами и а-кетокислотами. В ходе этой реакции ее участники обмениваются функциональными группами, в результате чего амино­кислота превращается в а-кетокислоту, а кетокислота становится ами­нокислотой:

R₁ R, R-i R,

II II

H-C-NH, + С = 0 --------- — С = 0 + H-C-NH,

II II

СООН СООН СООН СООН

Трансаминированию подвергаются все аминокислоты. В этой реак­ции участвует кофермент - фосфопиридоксаль, для образования кото­рого необходим витамин В₆ - пиридоксин.

Трансаминирование - это главное превращение аминокислот в ор­ганизме, так как его скорость значительно выше, чем у реакций декар- боксилирования и дезаминирования.

Трансаминирование выполняет две основные функции:

w

а) за счет трансаминирования одни аминокислоты могут превра­щаться в другие. При этом общее количество аминокислот не меняется, но изменяется соотношение между ними. С пищей в организм посту­
пают чужеродные белки, у которых аминокислоты находятся в иных пропорциях по сравнению с белками организма. Путем трансаминиро- вания происходит корректировка аминокислотного состава организма.

б) является составной частью косвенного (непрямого) дезамини- рования аминокислот - процесса, с которого начинается распад боль­шинства аминокислот. На первой стадии этого процесса аминокислоты вступают в реакцию трансаминирования с а-кетоглутаровой кислотой (а-кетокислота). Аминокислоты при этом превращаются в а- кетокислоты, а а-кетоглутаровая кислота переходит в глутаминовую кислоту (аминокислота). На второй стадии появившаяся глутаминовая кислота подвергается дезаминированию, от нее отщепляется NH₃ и снова образуется а-кетоглутаровая кислота.

Схема косвенного дезамипирования СООН СООН Глутаминовая кислота

СООН

Итоговое уравнение косвенного дезаминирования совпадает с урав­нением прямого дезаминирования:

R I C-NH-,СООН

R I с = о I СООН

Н-

+ 1/2 О ₂ ~nh'

Отсюда следует, что реакцией, с которой начинается распад амино-

^{1С11СЛот} в организме, является трансаминирование.

65

Образовавшиеся а-кетокислоты далее подвергаются глубокому рас­паду и превращаются в конечные продукты С0₂ и Н₂0. Для каждой из 20 кетокисло! (их образуется столько же, сколько имеется видов ами­нокислот) имеются свои специфические пути распада. Однако при рас­паде некоторых аминокислот в качестве промежуточного продукта об­разуется пировиноградная кислота, из которой возможен синтез глюко­зы. Поэтому аминокислоты, из которых возникают такие кетокислоты, получили название глюкогенные. Другие же кетокислоты при своем распаде не образуют пирувата. Промежуточным продуктом у них явля­ется ацетилкофермент А, из которого невозможно получить глюкозу, но зато могут синтезироваться кетоновые тела. Аминокислоты, соот­ветствующие таким кетокислотам, называются кетогенные.

Второй продукт косвенного дезаминирования аминокислот - амми­ак. Для организма аммиак является высоко токсичным. Поэтому в ор­ганизме имеются молекулярные механизмы его обезвреживания.

По мере образования NH₃ связывается во всех тканях с глутамино- вой кислотой с образованием глутамина:

conh₂

I

сн₂

I

СН,

------------ — I

■ н₃ро₄

- адф н - с - nh₂

соон

соон I сн₂ СН,

+ nh, + атф

h-c-nh₂ СООН Глутаминовая кислота

Глутамин

Это временное обезвреживание аммиака. С током крови глутамин поступает в печень, где распадается опять на глутаминовую кислоту и NH₃. Образовавшаяся глутаминовая кислота с кровью снова поступает в органы для обезвреживания новых порций аммиака. Освободившийся аммиак, а также углекислый газ в печени используются для синтеза мочевины.

Синтез мочевины - циклический, многостадийный процесс, по­требляющий большое количество энергии. В синтезе мочевины очень важное участие принимает аминокислота орнитии. Эта ами­нокислота не входит в состав белков. Образуется орнитин из другой аминокислоты - аргинина, который присутствует в белках. В связи с важной ролью орнитина синтез мочевины получил название орни- тиновый цикл.

в процессе синтеза к орнитину присоединяются две молекулы аммиака и молекула углекислого газа, и орнитин превращается в ар-

гинин, от которого сразу же отщепляется мочевина, и вновь образу­ется орнитин: Мочевина

Наряду с орнитином и аргинином в образовании мочевины еще уча­ствуют аминокислоты: глутамин и аспарагиновая кислота. Глутамин является поставшиком аммиака, а аспарагиновая кислота его перенос­чиком.

Синтез мочевины - это окончательное обезвреживание аммиака. Из печени с кровью мочевина поступает в почки и выделяется с мочой. В сутки образуется 20-35 г мочевины. Выделение мочевины с мочой характеризует скорость распада белков в организме.

Дата добавления: 2015-05-06