Обмен белков и его нарушения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБМЕН БЕЛКОВ И ЕГО НАРУШЕНИЯ

Состав, структура, свойства белков

Белки или протеины (от греческого protos - первый, главный) - высокомолекулярные органические азотсодержащие вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Белки являются важнейшей составной частью клеток любого живого организма, на их долю приходится около 50% сухой массы. Содержание белка в мышцах составляет 18-23%, печени 18-20%,почках 16-18%, легких 14-15%, мозге 79% от массы свежей ткани. Белки имеют очень большую молекулярную массы примерно от 4000-6000 дальтон до нескольких миллионов.

Основная масса молекулы белка приходится на долю углерода (55%), кислорода (21-23%), азота (1518%), водорода (6-7%), серы (0,3-2,5%). В некоторых белках содержится также фосфор, железо, цинк, медь и некоторые другие элементы. Содержание минеральных веществ в белках колеблется от 0 до 0,5%. Содержание азота в белках растительного, животного и микробного происхождения принимают равным 16%, что позволяет рассчитывать массу белка по количеству найденного азота: массу азота, определяемую при химическом анализе, умножают на коэффициент 6,25 (100/16=6,25). Но имеются и исключения, например, в протаминах содержание азота составляет около 30%, поэтому только по количеству азота дифференцировать белки от других азотсодержащих веществ нельзя.

Биологические функции белков исключительно разнообразны. Они принимают участие во всех наиболее важных процессах жизнедеятельности. В организме они осуществляют каталитическую или ферментативную функцию, регуляторную(многие гормоны являются белками), структурную, транспортную, пластическую, иммунологическую и др. Исключением является лишь передача наследственной информации, которая осуществляется с помощью нуклеиновых кислот. Однако и в этом случае реализация генетической информации происходит с участием специальных белков.

При кислотном или щелочном гидролизе белки распадаются на простые низкомолекулярные органические соединения относящиеся к классу a-аминокислот. В настоящее время из живых объектов выделено более 200 аминокислот, 60 из них обнаруживаются в организме животных и человека, но в состав белков входят только 20 аминокислот (таблица 1). Остальные аминокислоты не являются структурными элементами белковой молекулы, они присутствуют в организме или в свободном состоянии или входят в низкомолекулярные азотные соединения. Например, в цикле синтеза мочевины участвуют аминокислоты цитруллин и орнитин, гамма-аминомасляная кислота играет роль медиатора в передаче нервных импульсов, бета-аланин входит в состав пантотеновой кислоты. Аминокислоты входящие в состав белков не имеют видовой специфичности, одни и те же 20 аминокислот участвуют в синтезе различных белков у самых различных растительных и животных организмов. Все они относятся к L-аминокислотам. Остальные аминокислоты более специфичны, некоторые из них являющиеся нормальными продуктами обмена одних организмов могут быть токсичны для других. Например, бета-цианоаланин, выделенный из растений, ядовит для человека и животных. В отличие от структурной, биологическая классификация является не столь универсальной, так как обусловлена видовой специфичностью. Абсолютно незаменимыми для всех видов животных являются восемь аминокислот: валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан. Для курицы таких аминокислот уже одиннадцать (добавляются гистидин, аргинин, тирозин), для пчелы - 10 (аргинин, гистидин).

Потребность организма в поступлении определенных аминокислот делает организм более зависимым от окружающей среды, однако снижает энергетические затраты организма. Известно, что организмы, использующие незаменимые аминокислоты тратят примерно на 20% энергии меньше по сравнению с теми, которые синтезируют все аминокислоты.

В зависимости от характера обмена веществ количественная потребность в различных аминокислотах у разных животных различна. На потребности в аминокислотах сказываются такие факторы как физиологическое состояние, продуктивность, особенность рациона, характер пищеварения и всасывания и ряд других. По мнению большинства авторов, аминокислотами, лимитирующими молочную продуктивность у коров, являются лизин, метионин, валин, изолейцин, триптофан. При даче лактирующим коровам мочевины увеличивается потребность в валине, метионине, гистидине, лейцине и фенилаланине. Хотя такие аминокислоты как валин, лейцин, метионин, интенсивно синтезируются в преджелудках, они слабо всасываются в кишечнике и при интенсивном использовании их в процессе молокообразования, животные могут ощущать в них недостаток.

В органах и тканях животных поддерживается определенная концентрация аминокислот. Для характеристики биологической ценности белка используют соотношение незаменимых аминокислот (скор). В соответствии с эталоном ФАО (международной продовольственно-сельскохозяйственной организации) в 100 г пищевого белка на 1 г триптофана должно приходиться 4 г изолейцина, 7 г лейцина, 5,5 г лизина, 4 г треонина, 5 г валина, 6 г ароматических аминокислот (фенилаланин+тирозин), 3,5 г серосодержащих аминокислот (метио- нин+цистин). Наиболее ценным по аминокислотному составу для животных считается рацион в котором на 1 часть триптофана приходится, частей: лизина - 5, лейцина - 4,5, валина - 4, фенилаланина - 4, метионина - 3, изолейцина - 2,5, треонина - 2,5, тистидина - 1,5. Это усредненное отношение. Для животных разного вида, физиологического состояния и продуктивности оно будет несколько изменятся.

Для определения биологической ценности пищевых белков используют как экспериментальные, так и расчетные методы. К числу первых относится использование в качестве тест-системы инфузории тетрахимена пириформ. Для нормального роста и развития она нуждается в тех же незаменимых аминокислотах, что и высшие животные и способна утилизировать белки не подвергшиеся предварительному гидролизу. При определении биологической ценности белка, испытуемый образец вносят в питательную среду для инфузорий. После стерилизации вносят туда же тест - культуру и через 4 суток подсчитывают число выросших инфузорий. На основании сравнительного расчета выводят показатель относительной биологической ценности белка.

Из расчетных методов при определении биологической ценности наиболее часто используется метод определения интегрированного индекса незаменимых аминокислот (ИНАК). Индекс рассчитывается как среднее геометрическое отношение концентраций всех незаменимых аминокислот в исследуемом белке к концентрациям тех же аминокислот в эталоне (в %).

ИНАК = л/ а_/А₁ -100-а₂/А₂-100-А₃ /А₃-100...а_п/А_п-100, где

п - количество учтенных незаменимых аминокислот;

а - содержание аминокислоты в исследуемом белке;

А - содержание аминокислоты в эталоне.

Биологическая ценность белка (БЦ) рассчитывается по формуле:

БЦ = 1,09 ИНАК - 11,7

Второй способ основан на представлении о том, что биологическая ценность белка определяется количеством той незаменимой аминокислоты, содержание которой по сравнению с эталоном минимально. В этом случае расчет ведут по формуле:

БЦ = 102 - 63,4(А-а)/А, где

а - содержание лимитирующей аминокислоты в исследуемом белке;

А - содержание этой аминокислоты в эталоне.

Коэффициенты, которые используются в этих формулах, найдены эмпирически, путем эксперимента на животных.

Как и другие полимеры белки имеют определенную структурную организацию. Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белка. Процесс образования первичной структуры - первичной полипептидной цепи, кодируется нуклеиновыми кислотами, более высокие уровни организации белков (вторичная, третичная, четвертичная структуры) определяется их первичной структурой. До недавнего времени считалось, что этот процесс происходит автоматически в соответствии с вторым законом термодинамики, требующим чтобы энергия системы в данных условиях была минимальна. Наличие гидрофобных группировок в составе молекулы белка вызывает упорядоченное расположение молекул воды вокруг них, что приводит к уменьшению энтропии. Упорядочение воды тем больше, чем обширнее поверхность контакта ее молекул с гидрофобными группировками. Эта поверхность будет максимальна у развернутой, вытянутой цепи и именно поэтому подобных конформаций белки не принимают. «Энтропийный двигатель» закручивает цепи, сворачивает их в клубки, уменьшая поверхность контакта.

В то же время имеется ряд свидетельств, указывающих, что этот процесс может регулироваться внутриклеточными механизмами с участием специальных белков-шаперонов. Предполагается, что они препятствуют образованию из полипептидной цепи неспецифических беспорядочных клубков.

Если бы молекулы белков не обладали свойством самоорганизации это резко бы усложнило получение необходимой биологически активной структуры белка, потребовалось бы огромное количество специальных ферментов «свертывания» регулирующих этот процесс.

Образующаяся сложная пространственная структура белка стабилизируется за счет так называемых слабых связей (водородных, гидрофобных, электростатических). Она получила название конформации. С конформацией связана функциональная активность белков и те специфические биологические функции, которые они выполняют. Нарушение конформации может привести к потере биологической активности. Если белок имеет характерную для него конформацию, обуславливающую присущую ему функцию (например, ферментативную), то его определяют как нативный (естественный) белок, находящийся в нативном (естественном) состоянии.

Сравнительно слабые связи ответственные за стабилизацию вторичной, третичной и четвертичной структуры белка легко разрушаются, что приводит к потере его биологической активности. Такое разрушение нативной структуры называется денатурацией. В ходе денатурации белков водородные, гидрофобные, электростатические связи разрушаются, что приводит к потере соответствующей конформации. Пептидные связи сохраняются и денатурация не приводит к разрушению первичной структуры белка.

Каждый индивидуальный белок характеризуется только ему присущей первичной структурой. Замена аминокислот в полипептидной цепи может привести к изменению не только физико-химических свойств, но и к изменению биологических функций. Классическим примером может служить замена в бета-цепи гемоглобина человека глутаминовой кислоты на валин, результатом чего является заболевание серповидной анемией. При этом заболевании эритроциты принимают форму серпа или полулуний. Гемоглобин при этом заболевании обладает более низкой растворимостью и кристаллизуется внутри эритроцитов, придавая им характерную форму.

Замена даже одной - двух аминокислот может обуславливать видовую специфичность белка без изменения его функции. Например, ннсулины различных животных выполняют в организме одну функцию, но отличаются одной - двумя аминокислотами в полипептидной цепи.

Бык: Цис-Цис-Ала-Сер-Вал-Цис-

Баран: Цис-Цис-Ала-Гли-Вал-Цис-

Лошадь: Цис-Цис-Тре-Гли-Иле-Цис-

Свинья: Цис-Цис-Тре-Сер-Иле-Цис-

Белки образуют растворы высокомолекулярных соединений, которые характеризуются высокой вязкостью, способностью к набуханию, малой диффузией, оптической активностью, высоким онкотическим давлением, способностью к поглощению ультрафиолетовых лучей.

Вследствие большого размера белки не способны проходить через полупроницаемые мембраны или сетку образуемую некоторыми гелями (с небольшими размерами пор). На этом основана очистка белковых растворов от низкомолекулярных примесей (диализ, ультрафильтрация, фильтрация через гранулированные гели). Этими приемами часто пользуются при получении различных диагностических препаратов, иммунных сывороток, лекарственных веществ и др.

Белки, также как и аминокислоты, обладают кислотно-основными свойствами. Однако NH₂ и СООН - группы (L-амино и L-карбоксильные группы), которые обуславливают амфотерность аминокислот в белках, в своем большинстве участвуют в образовании пептидных связей. Поэтому амфотерные свойства обусловлены в основном кислотно-основными группами боковых радикалов аминокислот входящих в белок. Кислотные свойства белка связаны с наличием в белках кислых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой), а щелочные - основных аминокислот (лизина, аргинина, гистидина). В зависимости от соотношения кислых и основных аминокислот молекула белка обладает более выраженными кислыми или основными свойствами.

В растворе в результате диссоциации ионогенных групп молекула белка приобретает отрицательный или положительный заряд. Диссоциация СООН- групп кислых аминокислот приводит к появлению отрицательного заряда, а боковые радикалы основных аминокислот создают положительный заряд за счет присоединения протона (Н+) к основным группам (NH₃+). В зависимости от соотношения кислых и основных аминокислот, а также от рН среды молекулы белка в растворе приобретают или суммарный отрицательный заряд, т.е. являются полианионами, или суммарный положительный, т.е. становятся поликатионами. То значение рН при котором суммарный заряд белка будет равен нулю, называется изоэлектрической точкой данного белка (р1).

Изоэлектрическая точка определяется общим соотношением кислых и основных групп аминокислот, входящих в состав белка. Изоэлектрическая точка большинства белков лежит в пределах от 5,5 до 7,0, что свидетельствует о преобладании кислых аминокислот. Однако в организме животных имеются белки с резко отличающимися изоэлектрическими точками. Например, пепсин (фермент желудочного сока) имеет изо-электрическую точку р1 равную 1, а сальмин (белок из молок семги) имеетр1 около 12. У белков с преобладанием кислых аминокислотр 1 будет меньше 7, ас преобладанием основных - больше 7. Изоэлектрическая точка является важной характеристикой белка, т.к. от нее во многом зависит стабильность белка в растворе. В изоэлектрическом состоянии белки наименее устойчивы, незаряженные частицы белка могут легко выпадать в осадок.

Изменение химического состава биологических жидкостей и рН среды могут привести к изменению белковой молекулы, ее физико-химических и биологических свойств, что и имеет место при различных патологических состояниях.

Для разделения и очистки белков применяют разнообразные методы: высаливание, тепловую денатурацию, осаждение органическими растворителями, водорастворимыми полимерами, хроматографию, электрофорез и др.

Под высаливанием понимают осаждение белка при добавлении солей к его раствору. Для этой процедуры используют соли щелочных и щелочноземельных металлов, а также сульфат аммония. Использование сульфата аммония имеет то важное преимущество, что в этом случае происходит стабилизация белков. Суспензия белка в 2-3 М растворе сульфата аммония стабильна в течение нескольких лет. При высаливании происходит обычно соосаждение белков, когда в осадок будут переходить не один, а несколько белков. Тем не менее многие белки осаждаются из раствора в достаточно узкой области концентрации соли. Так как различные белки высаливаются из растворов при разных концентрациях солей этот прием является достаточно эффективным методом фракционирования. Обычно белок не теряет способности растворяться вновь в воде после удаления солей из раствора путем диализа, или гель-хроматографии.

Высаливание белков зависит не только от концентрации и природы соли, но и рН среды и температуры. Осаждение происходит легче всего вблизи изоэлектрической точки белка. Например, фермент глицеральдегидфосфатдегидрогеназа растворим в 2,3 М растворе сульфата аммония при рН 6, но выпадает в осадок при рН 8,0 и выше (его изоэлектрическая точка лежит при рН около 8,5).

Высаливанием обычно пользуются в клинической практике при анализе белков сыворотки крови и других биологических жидкостей. Однако чаще применяется оно в препаративных целях. С его использованием разработаны многочисленные производственные методы выделения белков плазмы. Однако для получения высокоочищенных белковых препаратов высаливание применяется в комбинации с другими метода- ми(обычно хроматографическими).

Из органических осадителей для осаждения белков помимо этанола и ацетона широко используется такой нейтральный водорастворимый полимер как полиэтиленгликоль (ПЭГ). Обычно применяют полиэтиленглиголь с молекулярными массами 6000 и 20000. ПЭГ довольно успешно используется при фракционировании белков сыворотки крови и, в частности при выделении иммуноглобулинов разных классов.

Для разделения смеси белков можно использовать тепловую денатурацию, так как белки сильно различаются по своей устойчивости к температуре. Поэтому можно подобрать такую температуру при которой один белок денатурирует, в то время как другой почти полностью остается в нативном состоянии.

Тепловую денатурацию лучше проводить при определенном, предварительно подобранном значении рН. Это необходимо для того, чтобы получить максимальное осаждение ненужных белков при возможно более низкой температуре.

Используя экстремальные значения рН можно добиться осаждения белка одним его изменением без воздействия температуры. Этот процесс получил название рН-денатурации. Чем больше отличается рН от физиологических значений рН для данного фермента, тем менее стабильным оказывается фермент. Это не обязательно должно происходить при рН, отличных от нейтральных. Например, пепсин достаточно стабилен при рН 1-2, но быстро теряет активность и денатурирует при рН 7 и выше. Величину рН доводят до нужного значения подходящим основанием или кислотой, избегая по возможности сильных кислот и щелочей.

Промежуточный обмен белков

В организме животного непрерывно идет синтез и распад белка. Особенно интенсивно синтез белка будет идти у молодых животных. В организме свиней массой 76 кг синтезируется в сутки около 700 г белка, однако прирост его составляет всего 100-200 г. Остальное его количество идет на обновление белков в органах и тканях. Постоянное обновление белков обеспечивает адаптацию живого организма к меняющимся условиям окружающей среды. Это весьма энергоемкий процесс и ведет к большим непроизводственным затратам кормов, так как домашнее животное в заданных человеком условиях не нуждается в столь совершенных механизмах адаптации. В принципе, воздействуя на генетический аппарат, очевидно, можно добиться уменьшения интенсивности обновления белка в органах и тканях и переключения синтеза на «продуктивный» белок. В основе биосинтеза белка лежит основной постулат молекулярной биологии, в соответствии с которым поток генетической информации в клетках, необходимый для процессов биосинтеза белка, идет в соответствии со схемой: ДНК ® РНК ® белок.

В настоящее время он дополнен положением о том, что возможен перенос информации от РНК к

ДНК. Биосинтез белков в организме основан на матричном механизме с участием нуклеиновых кислот, роль которых заключается не только в хранении генетической информации, но и реализации этой информации путем программирования синтеза специфических белков.

Прежде, чем начнется собственно синтез белка должен осуществится перенос генетической информации к месту его синтеза в рибосомах.

В настоящее время выяснены основные процессы посредством которых осуществляется передача наследственной информации: они включают репликацию-синтез ДНК на матрице ДНК, транскрипцию-синтез РНК на матрице ДНК и трансляцию - использование генетической информации содержащейся в мРНК для синтеза белка. Репликация ДНК происходит только во время деления клетки, а процессы транскрипции и трансляции идут на протяжении всей ее жизни.

Нематричный синтез белка (точнее полипептидов) возможен в небольших масштабах, как у прокариотов, так и у эукариотов. Он неэкономичен, сложен, так как для образования каждой пептидной связи необходим отдельный фермент. Обычно таким путем синтезируются небольшие полипептиды. Например, таким путем синтезируется у бактерий грамицидин, состоящий из 10 аминокислотных остатков. В организме высших животных синтезируются депептиды карнозин и ансерин и трипептид глутатион. Предполагается что нематричный синтез белка наиболее древний в эволюционном плане, существовавший до возникновения универсального матричного способа и сохранившийся в рудиментарном виде до наших дней.

Нарушение процесса биосинтеза белка приводит к развитию того или иного патологического состояния обусловленного измененной функцией белка. Например, синтез аномальных белков при мутациях вследствие ошибок в процессе репликации. Возможны несколько вариантов генных мутаций - транзиция или замена пар оснований, делеция или выпадение пары оснований или нескольких пар (нуклеотидов), вставка одной или нескольких пар оснований (нуклеотидов), изменение местоположения отдельных фрагментов ДНК.

В зависимости от места в молекуле ДНК, которое затронуто мутацией, характер нарушений будет различный. Мутация в структурных генах часто приводит к синтезу функционально и структурно неполноценных белков, мутации в промоторе нарушают связывание РНК-полимеразы и в итоге резко снижается выход белка, хотя он остается функционально активным. Мутации в области оператора могут привести к разрегулированию его функций и переходу от регулированного синтеза к нерегулированному.

Спонтанные ошибки в процессе передачи генетической информации сравнительно редки. При транскрипции они составляют один ошибочный нуклеотид на 10⁵-10⁶ нуклеотидов и в процессе репликации - один на 10⁹ нуклеотидов. Однако многие факторы окружающей среды обладают мутагенным эффектом, что значительно повышает вероятность нарушения структуры ДНК и появление наследственных болезней.

Распад белков в клетке осуществляется путем гидролиза с помощью тканевых пептид-гидролаз или катепсинов. Различают кислые катепсины, которые содержатся в лизосомах и наиболее активны в кислой среде. В цитоплазме и других частях клетки имеются катепсины проявляющие активность при нейтральной или слабо щелочной среде. В тканях организма имеются различные катепсины отличающиеся не только по оптимуму рН, но и механизмом действия. Различают экзоиеитидазы, гидролизующие пептидные связи с -N или -С конца полипептидной цепи, и эндопептидазы расщепляющие пептидные связи внутри белковой молекулы.

Различают несколько типов катепсинов, обозначаемых латинскими буквами (катепсин А, катепсин В, катепсин Д и др.). Роль катепсинов заключается не только в том, что они участвуют в процессах обновления белков, но и в устранении дефектных молекул, образовавшихся в процессе биосинтеза белка и исключении их из процесса обмена веществ.

В клетках организма определенная концентрация аминокислот поддерживается двумя противоположно идущими процессами. Процесс накопления аминокислот идет за счет поступления аминокислот из внеклеточной жидкости (аминокислоты экзогенного происхождения образующиеся при расщеплении белков корма) и синтеза заменимых аминокислот, внутриклеточного гидролиза белков (аминокислоты эндогенного происхождения). Расходуются свободные аминокислоты в первую очередь на синтез белков и пептидов, образование небелковых азотсодержащих соединений (пуринов, пиримидинов, холина, креатина и др.) в процессе глюконеогенеза, биосинтеза липидов, в энергетических целях, при окислении до конечных продуктов обмена. Распад аминокислот у животных осуществляется обычно за счет окислительного дезаминирования (исключение составляют аминокислота гистидин, которая подвергается внутримолекулярному дезаминированию).

Образующиеся в процессе дезаминирования аминокислот альфа-кетокислоты подвергаются в организме дальнейшим превращениям, образуя продукты которые вовлекаются в цикл трикарбоновых кислот (рис. 21) и окисляются до С0₂ и Н₂0 давая значительное количество энергии. Так как при распаде многих аминокислот (глицин, аланин, лейцин, серин, лизин и др.) образуется ацетил- КоА, то интенсивный распад аминокислот может стимулировать синтез кетоновых тел в печени. При распаде углеродных скелетов аминокислот образуется также фумарат (фенилаланин, тирозин) сукцинил-КоА (валин, метионин), а-кетоглутарат (аргинин, гистидин и др.), оксалоацетат (аспарагин, аспарагиновая кислота). Эти метаболиты могут использоваться в глюконеогенезе (оксалоацетат, пировиноградная кислота), синтезе жирных кислот (ацетил- КоА). Аммиак, образующийся в организме при дезаминировании аминокислот, амидов аминокислот, биогенных аминов, пуриновых оснований, распаде пиримидиновых оснований весьма токсичен и поэтому в организме существуют эффективные механизмы его устранения. Основным путем обезвреживания аммиака в организме животных является синтез мочевины. Главным местом синтеза мочевины является печень. Помимо этого одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме является биосинтез глутамина и аспарагина. Так как они почти не выделяются с мочой, считается, что они выполняют транспортную функцию переноса аммиака в нетоксичной форме.

У жвачных животных белковый обмен имеет свои особенности, так как тесно связан с метаболизмом азотосодержащих соединений в преджелудках. Микрофлора рубца использует белки корма для построения собственных белков, кроме того для этой цели она использует азот аммиака и других неорганических и органических соединений. Из всех небелковых азотистых соединений наибольшее значение имеет мочевина. Использование мочевины как источника азота для синтеза белка основано на особенностях превращений азотистых веществ в преджелудках жвачных.

Попавшаяся в рубец мочевина расщепляется ферментом уреазой микроорганизмов до аммиака и углекислого газа. Освободившийся аммиак используется для синтеза аминокислот. Процесс идет достаточно интенсивно, если одновременно происходит ферментативное расщепление микроорганизмами углеводов, дающих метаболиты для синтеза аминокислот.

Вместе с тем необходимо иметь в виду, что процесс гидролиза мочевины идет значительно быстрее процесса использования аммиака в биосинтетических процессах. Поэтому необходимо регулирование этих 2 сопряженных процессов, чтобы во-первых не происходили большие потери азота в виде аммиака, а во- вторых, чтобы устранить опасность отравления аммиаком. Количество аммиака, образующегося в рубце, в значительной степени зависит от типа белка и углеводов поступающих в рубец. Уменьшая интенсивность образования аммиака в рубце можно уменьшить потери азота организмом и стимулировать синтез бактериального белка. Это можно достичь разными путями, но в первую очередь соответствующим подбором кормов в рационе. Например, введением в рацион легкоферментируемых углеводов.

Однако и тот аммиак, который всосался в кровь не полностью потерян для организма. Определенная часть его возвращается в рубец со слюной в виде мочевины.

Повторное использование азота мочевины является важным регуляторным механизмом в случае неравномерного поступления азота с кормом. Удержание мочевины в организме осуществляется за счет почечного механизма. При этом степень клубочковой фильтрации мочевины остается примерно постоянной, а меняется степень реабсорбции ее в почечных канальцах. Если в поступающем корме содержится низкое количество азота, то реабсорбция мочевины усиливается и концентрация мочевины в моче снижается. Мочевина возвращается в рубец или со слюной или непосредственно через стенку рубца. Содержание азота в слюне жвачных животных составляет примерно 1/10 часть азота корма. Важное значение для создания определенного химического состава среды, необходимой для роста микрофлоры рубца являются белки сыворотки крови, которые также секретируется слизистой рубца в рубцовую жидкость. Секретируются альбумины и глобулины сыворотки крови, гликопротеины, а также белки десквамированного эпителия слизистой оболочки.

В результате деятельности рубцовой микрофлоры значительная часть растительного белка, поступившего с кормом превращается в микробный. Однако степень этой трансформации в сильной степени зависит от состава рациона, входящих в его состав белков и углеводов, физиологического состояния животного.

Особенности обмена аминокислот и его нарушения

белок аминокислота высокомолекулярный азотистый

Растения и многие микроорганизмы могут синтезировать все аминокислоты необходимые для жизни. У животных также большинство аминокислот может синтезироваться в процессе обмена веществ, однако восемь аминокислот - валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, трионин, триптофан и фенилаланин не синтезируется и являются незаменимыми. Организм животного должен получать их с кормом. При отсутствии или недостатке хотя бы одной из них нормальный синтез белка невозможен, в результате наступает нарушение азотистого равновесия.

Под азотистым равновесием понимают такое состояние, когда количество полученного азота с кормом равно количеству выведенному с мочой и калом. Минимальное количество белка обеспечивающее азотистое равновесие называется белковым минимумом. Если с кормом поступает азота меньше белкового минимума, организм начинает разрушать белки своего тела, азота выделяется больше чем поступает, наступает отрицательный азотистый баланс. Это происходит не только при голодании, но и в том случае, когда в рационе содержится недостаток незаменимых аминокислот и даже при высоком содержании незаменимых аминокислот, но если их соотношение необходимое для синтеза белков сильно нарушено, лишние аминокислоты в этом случае используются не на синтез белка, а как энергетические вещества. Азот аминокислот будет выделяться с мочой в виде конечных продуктов (мочевины, солей аммония). Поэтому даже при высоком содержании белка в рационе может наступить отрицательный азотный баланс.

Кроме того, избыточное содержание отдельных аминокислот в рационе не просто неэкономично, но и вредно для организма. При этом наблюдается снижение содержания белка в отдельных органах, в клетках установлено разрушение полирибосом. Особенно чувствительны ткани почки и печени. В последней наблюдался усиленный протеолиз.

Причины усиленной деградации белка у животных, находящихся на диете с высоким уровнем какой- либо аминокислоты, недостаточно ясны.

Обмен аминокислот достаточно сложен и имеет свои особенности для каждой аминокислоты. В тоже время для многих из них важное значение имеет цикл трикарбоновых кислот, с участием которого происходит какраспад, так и синтез многих аминокислот.

Участие аминокислот в цикле трикарбоновых кислот объясняет каким образом аминокислоты могут быть и поставщиком энергии (АТФ) и материалом необходимым для биосинтеза углеводов и липидов. Те аминокислоты, которые используются для биосинтеза глюкозы, относят к глюкогенным (глицин, аланин, треонин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты и др.). Аминокислоты которые способны непосредственно превращаться в ацетил-КоА или ацетоацетил-КоА являются кетогенными (лейцин, изолейцин, лизин, триптофан, тирозин и фенилаланин). Наиболее выраженными кетогенным действием обладает лейцин. Остальные 5 аминокислот относятся одновременно и к кетогенным и к глюкогенным.

Несмотря на разнообразие путей обмена аминокислот все они образуют всего 7 молекул являющихся главными промежуточными продуктами обмена веществ: пируват, ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА, альфа- кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат и оксалоацетат.

В организме животного всегда имеется «банк» свободных аминокислот, которые являются связующим звеном между процессами распада и синтеза белков.

Глицин входит в различном соотношении в состав различных белков, но особенно много его в желатине. В процессе обмена веществ глицин может образоваться из глиоксиловой кислоты.

Глицин тесно связан с обменом серина, они могут превращаться друг в друга. Это открывает возможность использования глицина в углеводном обмене, так как серин легко превращается в пируват. В виде амида входит в состав гормонов задней доли гипофиза- вазопрессина и окситоцина, входит в состав глутатиона. Для птиц является незаменимой кислотой. Нарушение декарбоксилирования глицина приводит к гипергликемии. Метаболически он связан со многими биологически важными веществами.

У детей описаны случаи нарушения обмена глицина с развитием гиперглицинемии и гиперглицинурии и целым рядом клинических симптомов (рвота, конвульсии, мышечная гипертония), у сельскохозяйственных животных этот вопрос не изучался.

Аспарагиновая кислота. В процессе обмена веществ образуется из щавелевоуксусной кислоты, валина, лейцина, метионина путем переаминирования. При аминировании легко образуется амид-аспарагин. В организме играет роль переносчика и депо азота.

Принимает непосредственное участие в орнитиновом цикле нейтрализующем аммиак. Является глюкогенной кислотой, так как при ее дезаминировании образуется оксалоацетат, включающийся в цикл трикарбоновых кислот. Декарбоксилирование аспарагиновой кислоты сопровождается образованием бета-аланина, который необходим для синтеза пантотеновой кислоты.

Глутаминовая кислота содержится в белках в большом количестве. В фибрине крови, яичном альбумине, пепсине, кератине шерсти, казеине молока ее содержится от 10 до 30%. Высокое содержание глутаминовой кислоты и ее амида - глутамина обнаружено в мозге. Для нервной ткани аммиак является ядом и глутаминовая кислота участвует в его обезвреживании превращаясь в нетоксичный глутамин.

Наличие такого метаболита как альфа-кетоглутаровая кислота открывает возможность синтеза глутаминовой кислоты при участии соответствующих аминотрансферез. Эта аминокислота может также образовываться в организме из гистидина, пролина, 5-оксипролина, орнитина. В свою очередь эти аминокислоты могут синтезироваться из глутаминовой кислоты.

В головном мозге глутаминовая кислота подвергается декарбоксилированию под действием высокоактивной глутаматдекарбоксилазы и превращается в гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), которая играет важную физиологическую роль, оказывая тормозящий эффект на синаптическую передачу в центральной нервной системе. Так как в состав глутаматдекарбоксилазы входит пиридоксальфосфат, то недостаток витамина В₆ приводит к снижению образования ГАМК и, как следствие, к нарушению функции нервной системы (судороги).

Глутаминовая кислота используется для синтеза глутатиона и фолиевой кислоты (витамин В_с), при биосинтезе пуриновых и пирамидиновых оснований, аминосахаров.

Цистин и цистеин. Свободный цистин в клетках присутствует в очень незначительных количествах.

В организме животных легко осуществляется окислительно-восстановительная реакция между цистеином и цистином. Он может образовываться из цистеина неферментным путем в присутствии кислорода и катионов Fe²+ и Cu²+. Однако довольно быстро восстановленный глутатион вновь превращает цистин в цистеин.

В составе белков цистин обнаруживается в небольших количествах. Более богаты белки шерсти, волос - кератины. Находится в динамическом равновесии с аминокислотой цистеином, входит в состав глутатиона являющегося регулятором целого ряда биологически активных веществ, оказывает сберегающее действие в отношении метионина. Дисульфидная связь образующаяся между двумя остатками цистеина играет важную роль в создании нативной структуры белковой молекулы, в том числе структуры антител.

Цистеин может окисляться до цистеиновой кислоты и подвергаясь декарбоксилированию превращается в таурин, участвуя в метаболизме желчных кислот. Сера цистеина в организме окисляется в конечном счете до сульфата и выводится с мочой в виде нетоксичных сульфатов или эфиросерных кислот. При нарушении обмена серосодержащих аминокислот с мочой может выделяться большое количество цистина (цистинурия). Заболевание описано, как у человека, так и сельскохозяйственных животных (овцы). Вследствие плохой растворимости цистина в почечных лоханках, мочеточниках наблюдается образование цистиновых камней. Наблюдаются также отложения цистина в печени, селезенке, лимфатических узлах, стенке кишечника.

Тирозин. Биосинтез аминокислоты тирозина в организме животных идет путем гидроксилирования незаменимой аминокислоты фенилаланина. При условии достаточного поступления фенилаланина с кормом организм не испытывает недостатка в тирозине. Является глюкогенной кислотой, так при его расщеплении образуется ацетил-КоА и фумарат. Содержится в большом количестве в инсулине (до 12%), в кератинах шерсти.

В щитовидной железе тирозин иодируется и превращается в тереоидные гормоны, среди которых наиболее активными являются 3,5,3¹-трииодотиронин (Т₃) и 3,5,3¹,5¹-тетраиодотиронин (Т₄ или тироксин). В щитовидной железе эти гормоны находятся в связанном с белком тиреоглобулином состоянии. При активации щитовидной железы эти белки гидролизуются протеолитическими ферментами железы и освобождающиеся гормоны секретируются в в циркулирующую кровь и переносятся к тканям.

В клетках мозгового слоя надпочечников и головного мозга тирозин превращается в адреналин и норадреналин.

Участвует в образовании пигментов кожи, волос, перьев. При отсутствии или низкой активности фермента тирозиназы, окисляющего тирозин с образованием диоксифенилаланина и диоксифенилаланинхинона являющихся предшественниками меланина, наблюдается альбинизм - отсутствие пигмента в коже, волосах, сетчатке. Альбинизм установлен как у человека, так и животных. В желудочно-кишечном тракте под действием ферментов микроорганизмов из тирозина образуются ядовитые продукты (крезол, фенол), которые обезвреживаются печенью. В процессе обмена тирозина образуются также кетоновые тела (ацето-уксусная кислота).

Известно нарушение обмена тирозина, связанное с отсутствием в печени фермента р- оксифенилпируватгидроксилазы. В плазме наблюдается увеличение концентрации тирозина и метионина. Нарушается функция почечных канальцев и, как следствие, гипераминоацидурия, глюкозурия, протеинурия, гиперкалиу- рия. Наблюдается поражение печени, цирроз.

Серин. Является глюкогенной кислотой, так как легко превращается в пируват, необходим для биосинтеза сложных белков, фосфопротеинов, а также фосфолипидов. Углеродный скелет и азот серина используется для биосинтеза фосфатидилэтаноламина, фосфатидилхолина, а также фосфатидилсерина.

Пролин. В больших количествах находится в коллагене (до 15%), кератине (до 8,5%), желатине (25%). Нарушение обмена пролина наблюдается при снижении активности ферментов, расщепляющих пролин и оксипролин. В результате повышается уровень этих аминокислот в крови и усиливается их выделение с мочой.

У людей установлены нарушения обмена пролина и оксипролина сопрвождающиеся гиперпролине- мией и гидроксипролинемией. Увеличено выделение этих аминокислот с мочой. Отмечено резкое снижение активности пролиноксидазы, катализирующей превращение пролина. Клинические симптомы связаны в основном с воспалительными процессами в почках.

Лизин. Входит в состав сложных белков нуклеопротеинов, поэтому в тканях с богатым содержанием ядерного вещества его содержится больше, чем в других. Большое количество его обнаруживается в белках спермы, он используется при биосинтезе гемоглобина, влияет на молочную продуктивность у животных.

Лизин не синтезируется в организме из соответствующих альфа-кетокислот.

В процессе обмена из него образуется ряд биологических активных веществ - гомоаргинин, гомоцит- руллин, кадаверин, ацетил - КоА.

Он является одной из лимитирующих аминокислот для животных. Если в рационах животных недостает лизина, резко снижаются привесы, ухудшается аппетит, общее состояние. Особенно чувствительны к недостатку лизина поросята, реагирующие снижением оплаты корма, общим истощением, анемией, сухостью и огрубением волосяного покрова, уменьшением отложения подкожного жира.

Метионин. Серосодержащая аминокислота, входит в состав многих белков, но в небольших количествах, относительно много ее содержится в кератине. Также как и к лизину животные очень чувствительны к недостатку метионина. При его недостатке замедляется рост, нарушается синтез гемоглобина, наблюдается ожирение печени, мускульная атрофия, кровоизлияния в почках, метионин необходим для нормального роста волосяного покрова. При биосинтетических процессах метионин является донором метальных групп. Фактически донором метальных групп в реакциях трансметилирования является не свободный метионин а S- аденозилметионин, который образуется из метионина.

Потребность в метионине может в определенной мере быть заменена цистеином. Корма, как правило, бедны метионином, поэтому он часто является лимитирующей аминокислотой, особенно для организма птицы. Метионин оказывает специфическое влияние на обмен липопротеинов в печени. Он лимитирует синтез фосфолипидов в печени, оказывает влияние на распределение жира между тканями организма и молоком. Он необходим для нормальной жизнедеятельности рубцовой микрофлоры у жвачных. Метионин стимулирует рост микроорганизмов, усиливает биосинтез микробных жирных кислот в рубце, что способствует увеличению молочного жира в молоке.

При нарушении обмена метионина и серина может быть блокировано дальнейшее превращение цистатиона, являющегося промежуточным продуктом вследствие чего он накапливается в организме и повреждает центральную нервную систему.

Исключительно важная роль принадлежит метионину в иммунологических реакциях, так как установлено, что клетки могут продуцировать иммуноглобулины только в присутствии небольших количеств этой аминокислоты. В то же время избыток метионина приводит к ингибированию антителообразования.

Триптофан. Незаменимая аминокислота играющая важную роль в обмене веществ в организме животных. Является источником никотиновой кислоты. Поэтому белки имеющие высокое содержание триптофана обладают антипеллагрической активностью. Трипотфан в процессе обмена веществ может превращаться в серотонин, оказывая тем самым косвенное влияние на сосуды и центральную нервную систему.

При недостатке триптофана в рационе наблюдается снижение привесов, анемия, огрубление и выпадение шерсти, атрофия семенников и яичников, некроспермия. При недостаточной активности фермента кинурениназы, нарушаются процессы метаболизма триптофана и может наблюдаться ксантуреиновая ацидурия. У поросят при дефиците триптофана наблюдается выпадение шерсти (плешивость), помутнение хрусталика, роговицы глаза, ее васкуляризация. Триптофан играет определенную роль в иммунных реакциях усиливая антителообразования. Добавка триптофана в корм крысам резко увеличивало содержание иммуноглобулинов в крови.

Аргинин. Частично заменимая аминокислота, считается, что в организме свиней он синтезируется на 60% от его потребности. Наиболее широко встречается в белках щелочного характера (протамины, гистоны). Белок кукурузы беден аргинином. В процессе метаболизма из аргинина образуются пролин, аскорбиновая кислота и цитруллин.

Недостаток аргинина в организме приводит к замедлению роста, ухудшению оплаты корма, нарушению сперматогенеза. Особенно возрастает потребность в аргинине у производителей. Аргинин играет важную роль в метаболизме в процессе обезвреживания аммиака через орнитиновый цикл. У свиней при недостатке аргинина отмечено нарушение функции нервной системы, что проявляется расстройством координации движений, судорогами.

Гистидин. Частично заменимая кислота. Синтез ее у некоторых животных идет неинтенсивно и определенные количества должны поступать с кормом. Гистидин необходим для синтеза гемоглобина, ядерных белков некоторых ферментов, карнозина, гомокарнозина.

В процессе метаболизма гистидин превращается в гистамин, оказывающий мощное воздействие на организм и ряд других метаболитов. При недостаточной активности гистидиназы, катализирующей превращение гистидина в уроканиновую кислоту, обмен гистидина блокируется. Он накапливается в плазме крови и спинномозговой жидкости. У детей может наблюдаться умственная отсталость.

При недостатке фолиевой кислоты в рационе нарушается метаболизм гистидина у цыплят, так как блокируется превращение формиминоглутамата в глутамат и происходит увеличение концентрации гистидина в плазме крови. При недостатке гистидина у животных наблюдается снижение привесов, интенсивности роста, содержания гемоглобина в крови.

Лейцин. Входит в состав многих белков особенно богат им инсулин (до 30%). Он входит в состав окситоцина, участвует в синтезе каротиноидов, кофермента А, холестерина.

Избыточное поступление лейцина с кормом приводит к ацидозу и кетозу наблюдающегося у высокопродуктивных животных, так как конечными продуктами распада лейцина является ацетил-КоА и ацетоуксусная кислота. Лейцин может оказывать специфическое ингибирующее действие на В клетки иммунной системы. Скармливание крысам рациона с избытком лейцина приводило к резкому, в десятки раз, уменьшению розеткообразующих клеток в селезенке. Особенно иммуносупрессивный эффект лейцина сказывается на фоне дефицита белка.

Кроме того отмечено, что избыток лейцина вызывает вторичную недостаточность валина и изолейцина.

Изолейцин. В обмене веществ связан с лейцином и валином. Недостаток аминокислоты вызывает потерю эндогенного азота и нарушает белковый обмен. Замена лейцина изолейцином приводит к полной потере активности гормона окситоцина. В процессе метаболизма изолейцин распадается до ацетил-КоА и пропионил-КоА.

При нарушении окислительного декарбоксилирования изолейцина и лейцина происходит накопление этих аминокислот в плазме крови, спинномозговой жидкости. Болезнь зарегистрирована у новорожденных детей и протекает тяжело с судорогами, затруднением дыхания, комой. У телят установлено врожденное нарушение метаболизма лейцина и изолейцина, приводящее к накоплению этих аминокислот в крови, поражению нервной системы, и к гибели животных.

Фенилаланин. Широко представлен в белках животного происхождения (например, в казеине - 5%, альбумине сыворотки крови - 7,8%, инсулине быка - 8,1%). В высоком количестве содержится в сперме сельскохозяйственных животных. В обмене веществ тесно связан с тирозином, так как в процессе метаболизма фенилаланин может превращается в тирозин.

В процессе обмена фенилаланина могут образовываться с одной стороны ацетоуксусная кислота (кетоновые тела), а с другой - диоксифенилаланин, который необходим для синтеза катехоламинов(адреналин, норадреналин) в мозговом слое надпочечников. Фенилаланин является также глюкогенной аминокислотой, т.к. при ее расщеплении образуется ацетил-КоА и фумарат.

При недостатке фенилаланина нарушается пигментация, синтез адреналина и тирозина.

При нарушении синтеза фермента фенилаланингидроксилазы, катализирующей превращение фенилаланина в тирозин в тканях происходит значительное накопление фенилаланина (в 10-40 раз против нормы) и его производных - фенилпирувата, фениллактата и фенилацетата. С мочой выделяются большие количества фенилпировиноградной кислоты. У детей нарушение обмена этой кислоты приводит к резкому замедлению умственного развития (фенилпировиноградная олигофрения).

В процессе обмена фенилаланина образуется гомогентизиновая кислота. Недостаточная активность фермента гомогентизатоксидазы приводит к резкому увеличению выделения гомогентизиновой кислоты с мочой, моча становится черной. Это состояние носит название алкаптонурия.

Валин. В большом количестве содержится в казеине молока. Играет определенную роль в углеводном обмене усиливая образование гликогена в печени. Валин участвует в образовании кофермента А, связан с обменом холестерина, каротиноидов. Недостаток валина, так же как и любой другой незаменимой аминокислоты приводит к отрицательному балансу азота.

При недостатке валина у животных наблюдается нарушение функции нервной системы, повышение чувствительности нервных окончаний, нарушение координации движений.

Патология белкового обмена

Одно из основных нарушений белкового обмена - белковая недостаточность, являющаяся следствием дефицита белка в рационе или тяжелых заболеваний. Белковая недостаточность может развиваться при белковом голодании, когда с суточным рационом животные не получают необходимое количество белка или белки являются биологически неполноценными, не содержащими одну или более аминокислот. Белковая недостаточность может явиться следствием заболевания различных отделов желудочно-кишечного тракта, когда нарушена переваримость и всасываемость белков, авитаминозов, инфекционных заболеваний, ожогов.

При белковой недостаточности наблюдается отставание в росте и развитии животных, снижение сопротивляемости организма к инфекциям, тяжелые поражения печени, атония мышц, снижение продуктивности, воспроизводительной функции.

У животных наблюдается отрицательный азотистый баланс, гипопротеинемия (уменьшение содержания белков в плазме крови), снижение онкотического давления крови и нарушение водно-солевого обмена, что приводит к развитию отеков (голодные отеки).

При белковом голодании в первую очередь расходуются белки печени, мышц и кожи, сыворотки крови. Так как по массе белки мышц и кожи намного превосходят другие ткани, то основная масса теряемого белка приходится на их долю (около 70%).

При белковой недостаточности в первую очередь нарушаются общие процессы обмена аминокислот, снижается интенсивность процессов дезаминирования и переминирования, синтез мочевины и новых аминокислот. В результате увеличивается содержание свободных аминокислот в крови, их выделение с мочой, резко снижается содержания мочевины в моче. При белковом голодании нарушается биосинтез многих ферментов и, в первую очередь, катализирующих реакции обмена белков и аминокислот. У жвачных животных угнетаются процессы биосинтеза в рубце.

При белковой недостаточности нарушается нормальное функционирование иммунной системы. Для синтеза многочисленных белковых компонентов иммунной системы организма необходим определенный набор аминокислот.

Как отмечено многими исследователями, недостаток белков в рационе оказывает наиболее сильное влияние на тимусзависимые области лимфоидных тканей. Показано, что клетки лимфоидных тканей при дефиците белка задерживаются в развитии на первых этапах митотического цикла. Особенно неблагоприятно сказывается белковая недостаточность у беременных и лактирующих животных.

Недостаток белка в рационе и усиленное расходование запасных липидов тела усиливает кетогенез, снижает образование бактериального белка в преджелудках. Ослабленный биосинтез белка приводит к накоплению аммиака в рубце и печень работает с большой нагрузкой, обезвреживая его в орнитиновом цикле.

При нарушении белкового обмена чаще всего проводят исследование сыворотки крови на содержание в ней определенных белков и небелковых азотистых компонентов, сравнивая полученные данные с нормативными показателями.

Небелковые азотистые компоненты крови и значение их определения при патологии