Основные этапы белкового обмена

Первый этап. Пищеварительные процессы обеспечиваются функционированием ферментативных систем, участвующих в расщеплении белков до аминокислот и последующем их всасывании в кровь. Ферментативные процессы расщепления белка осуществляются протеиназами — гидролитическими ферментами, разрушающими пептидные связи, в результате чего из белков образуются крупные полипептиды (пептоны и альбумозы). В дальнейшем при участии карбопептидаз, аминопептидаз, дипептидаз белковая молекула разрушается до стадии аминокислот. Аминокислоты транспортируются через эпителиальную клетку кишечника и поступают с кровотоком через воротную вену в печень, где часть их задерживается и трансформируется, а часть переносится к различным органам и тканям. Заметим, что всасывание аминокислот в кишечнике — энергозависимый процесс, требующий расходования АТФ.

У жвачных в рубце большая часть белков и других азотистых соединений пищи до поступления в последующие отделы пищеварительного тракта подвергается специфическим превращениям. Рубцовые микроорганизмы, обладая в числе прочих и протеолитической активностью, расщепляют белки корма до пептидов и аминокислот и служат источником образования аммиака в процессе дезаминирования. Образующийся аммиак используется в основном для синтеза микробиальных белков, но некоторое его количество поступает через стенку рубца в кровь. Высвобождение аммиака под действием микробиальных дезаминаз происходит достаточно быстро, причем различные кормовые источники азота существенно различаются по скорости образования аммиака в зависимости от подготовки корма: силосованные корма, где процесс ферментативного расщепления составляющих корма в основном уже прошел, обеспечивают значительно более высокий выход аммиака.

Особенно важным источником аммиака является мочевина эндогенного и экзогенного происхождения, которая расщепляется микробиальными уреазами до аммиака и диоксида углерода. Высвобождение аммиака происходит и из других небелковых соединений азота. Кроме того, до аммиака могут восстанавливаться нитраты простейшими микроорганизмами рубца на стадии промежуточного обмена азота. Благодаря этому можно использовать мочевину и аммонийсодержащие соединения в качестве пищевых добавок в рационах жвачных животных для восполнения белка и оптимизации азотистого баланса. Известно, что мочевина постоянно присутствует в кровотоке жвачных животных, но при быстром ее поступлении в кровь и достижении опасных концентраций она выводится почками, а при небольших концентрациях экскретируется слюнными железами и со слюной поступает в рубец, где вновь подвергается микробному метаболизму. Другая группа азотсодержащих веществ в рубцовом содержимом представлена нуклеиновыми кислотами, которые быстро расщепляются ферментами микроорганизмов до мономеров и используются микроорганизмами рубца для белоксинтетической деятельности.

Источники азота, быстро образующие аммиак, способствуют перевариванию целлюлозы и крахмала, поскольку он необходим для питания и размножения целлюлозолитических и амилолитических бактерий. Для синтеза аминокислот из аммиака необходимы углеродный скелет и энергия, при этом микроорганизмы способны использовать различные источники углерода (углеводы, изовалериановую кислоту, ацетат и другие летучие жирные кислоты). Синтез определенных аминокислот требует специфичных углеродных скелетов: изовалериат для лейцина, 2-метилбутират для изолейцина, изобутират для валина, фенилацетат для фенилаланина, индол-3-ацетат для триптофана. Наряду с синтезом аминокислот в рубце происходит всасывание аммиака при его концентрации 7 мг%. Аммиак с кровотоком поступает в печень, где он используется для синтеза мочевины. Аммиак в ионной форме — ион аммония не способен адсорбироваться клеточной мембраной, и только при повышении pH ионы аммония, превращаясь в аммиак, быстро всасываются за счет легкого проникновения через клеточную мембрану. Некоторое количество аммиака может трансформироваться в мочевину и в слизистой оболочке рубца.

Второй этап. Промежуточный обмен белков начинается в печени, куда поступают всосавшиеся в желудочно-кишечном тракте аминокислоты. Здесь происходит их трансформация — дезаминирование, переаминирование (или трансаминирование), декарбоксилирование при участии специфических ферментов и образование новых аминокислот с отщеплением аминои кетогруппы. Безазотистые остатки аминокислот используются в синтезе жиров, углеводов и других метаболически значимых соединений. В процессе промежуточного обмена аминокислот образуются и физиологически активные соединения: при декарбоксилировании — амины (катехоламины, гистамин, серотонин) и гаммааминомасляная кислота.

Начальным звеном биосинтеза белков является транспорт их из крови в клетки, где свободные аминокислоты образуют комплексные соединения с АТФ и тРНК и доставляются к рибосомам. Структурные компоненты клетки рибосомы (или их объединение полисомы) «сшивают» аминокислоты в определенной последовательности и формируют первичную полипептидную цепь. Дальнейшие внутриклеточные превращения полипептидной цепи (приобретение вторичной и третичной структуры за счет включения в состав молекулы фосфатных и кальциевых сшивок) определяют конечный результат белкового синтеза — появление специфичного белка с определенной молекулярной массой и характерными свойствами. Наряду с синтезом новых белковых молекул в клетке возможна деградация новообразованного белка под действием протеиназ, которые являются эндопептидазами и локализуются в основном в лизосомах. Если клетка выработала излишнее количество белка или его выведение затруднительно, то включается внутриклеточная система деградации белка, активируются хранители гидролитических ферментов (лизосомы) и цитоплазма освобождается от белковых «излишков».

Третий этап. Конечными продуктами белкового обмена являются диоксид углерода, вода и азотсодержащие вещества — мочевина, мочевая кислота, аммиак, креатинин, гиппуровая кислота и индикан. Эти продукты должны быть выведены из организма либо обезврежены в ходе дальнейших метаболических реакций. Так, часть аммиака обезвреживается за счет образования глютаминовой кислоты и глютамина либо преобразовывается в менее токсичный продукт — мочевину. Удаление печени — основного мочевинобразовательного органа — приводит к аммиачному отравлению, которое сказывается прежде всего на состоянии ЦНС. Мочевая кислота, являющаяся конечным продуктом обмена нуклеиновых кислот, как и мочевина, выводится из организма через почки. Некоторые количества аммиака могут связываться непосредственно в почках с образованием аммонийных солей.

В кишечнике под влиянием гнилостных бактерий белок пищи может преобразовываться в индол и скатол, которые, поступая в кровь, инактивируются за счет связывания с серной кислотой. Образовавшиеся индоксил-серная (индикан) и скатоксил-серная кислоты выводятся с мочой.

При нарушении образования мочевины в печени или прекращении выведения продуктов белкового обмена в организме развивается гиперазотемия — накопление в крови аммиака, аминокислот и полипептидов. Переизбыток полипептидов вызывает значительное падение кровяного давления (пептонный шок), замедление сердечной деятельности и увеличение проницаемости капилляров. Эта реакция обусловлена высвобождением значительных количеств гистамина, который вызывает сосудистые расстройства и увеличение кровенаполнения печени за счет сужения печеночных вен, спазм сосудов селезенки и уменьшение объема кровотока почек. Накопление крови в печени и изменения в почках сопровождаются замедлением свертываемости крови. В дальнейшем развивается порозность капилляров, в крови увеличивается уровень калия, а кальция снижается. Падение активности холинэстеразы приводит к изменению активности вегетативной нервной системы. При нарушении деятельности почек в моче накапливаются до опасных пределов мочевина и индикан, а в крови появляются фенол, паракрезол и другие токсические продукты, что приводит к тяжелому отравлению организма (уремия). Наряду с почками выведение конечных продуктов белкового обмена осуществляется желудочно-кишечным трактом, потовыми железами и, в меньшей степени, через легкие с выдыхаемым воздухом.