Обмяна на белтъците

Белтъците са една от трите основни групи хранителни вещества, които приемаме с храната. Те са изградени от аминокиселини, които са свързани посредством пептидни връзки. Някои от тях притежават освен аминокиселини и въглехидратни остатъци (гликопротеини) или липидни остатъци (липопротеини). В зависимост от броя на аминокиселините влизащи в молекулата, съединенията се разделят на:

• пептиди – съдържат до 10 АК;
• полипептиди – съдържат до 100 АК;
• белтъци – съдържат над 100 АК.

Белтъците са изключително важни за живите организми. Те изпълняват структурна и регулаторна функция. Всички клетъчни органели имат белтъчни компоненти, а цитоскелетът и съкратителните елементи са изградени от белтъци. Ензимите и голяма част от хормоните имат белтъчна структура. Съществуват и хромопротеини, които представляват белтъци с метал-съдържаща пигментна простетична група. Към тях се причисляват белтъци, които участват в различни етапи от дишането – хемоглобин, миоглобин, цитохроми. Белтъците участват в процесите на междуклетъчна сигнализация и клетъчна адхезия и в осъществяването на имунния отговор. Плазмените белтъци изпълняват изключително важни функции – защитна, транспортна, хемостатична и регулаторна.

Азотен баланс

Всеки ден значителна част от белтъците в организма се подлагат на разграждане. Най-ефективна е обмяната им в епитела на храносмилателния тракт, в черния дроб и в костния мозък, а най-инертна е в костната и хрущялната тъкан. При разграждането на белтъците се получават аминокиселини, които могат да се насочат към ресинтез на протеини или към подлагане на допълнителни модификации. Необходимо е дневната загуба от белтъци да се възстановява, за да не се наруши азотния баланс на организма. Азотният баланс е нормален когато азотът от приетите белтъци е равен на загубите на азот от елиминиране на азот-съдържащите съединения с урината, фекалиите и с кожните придатъци. Според Световната здравна организация (СЗО) за поддържане на азотния баланс ежедневно трябва да се приемат 0,75 грама/килограм (телесна маса без липиди). Това означава, че оптималният прием на белтъци за жена с тегло 60 килограма, е 45 грама. Той представлява около 10-15% от общия калориен внос на дневното меню. За растящите организми, за бременните жени и по време на възстановителния период след тежки заболявания изискванията на организма за запазване на азотния баланс се увеличават на 2 грама белтък/килограм телесна маса. В тези случаи обикновено азотния баланс е положителен, или с други думи загубите на азот са по-малки от приетото количество с храната. Азотният баланс е отрицателен когато загубите от азот са по-големи от неговия прием. Това се наблюдава при продължително гладуване и при тежки заболявания, свързани с усилено разграждане на клетки.

В страните със слабо икономическо развитие, където след спиране на кърменето приемът на белтъци е изключително малък, се наблюдава заболяването квашиоркор, което в превод означава болест на отбиване на кърмачето от майчината гърда. При болните деца се наблюдава изоставане във физическото развитие, хипопротеинемия, отоци и намалени защитни сили.

Голяма част от приетите с храната белтъци се усвояват успешно. Под влияние на протеолитичните ензими и пептидазите белтъците се разграждат до аминокиселини и ди- и трипептиди. В храносмилателния тракт аминокиселините се реабсорбират чрез вторично-активен транспорт, свързан с натрия. Механизмите на транспорт в епитела на проксималното каналче в бъбреците са сходни. Така нормално филтрираните в гломерула аминокиселини се реабсорбират. При дефект в синтеза на преносителите на различните групи аминокиселини се развиват сериозни нарушения, които се съпровождат със загуба на аминокиселини с урината. При тези състояния възникват и сериозни промени в централната нервна система и вътрешните органи.

Клетъчните белтъци непрекъснато се обновяват. Разграждането им се осъществява в специални клетъчни органели, наречени протеазоми, под влиянието на ензими – протеази. Белтък, предназначен за разграждане или с други думи за постъпване в протеазомата, се маркира от нискомолекулни протеини, които се срещат във всички еукариотни клетки. Тези нискомолекулни протеини се наричат убиквитини.

Освен разграждане в клетките протичат и процеси на синтез на белтъци. Те са едни от най-сложните и фино регулирани процеси в клетките, тъй като специфичната структура на всеки протеин е съществена за неговата функция. Синтезът на белтъците протича в няколко етапа. Той започва в клетъчното ядро с транскрипция, продължава в рибозомите на ендоплазмения ретикулум с транслация и завършва с поредица от посттранслационни модификации, чрез които се постига сложната третична и четвъртична структура на съответния белтък. На всеки един от тези етапи може да възникне грешка в синтезата, която да доведе до образуване на дефектен белтък, който да причини сериозни функционални последици. В резултат от процесите на синтез в екстрацелуларната течност се образува един значителен резерв от аминокиселини, който се намира в равновесие с плазмените и клетъчните белтъци. Този резерв се обновява от приема на белтъци и част от него се губи в състава на азот-съдържащите съединения.

Аминокиселини

Аминокиселините, които изграждат белтъците са L-изомери. В зависимост от химичната си структура двадесетте аминокиселини се делят на няколко групи – алифатни АК, АК с хидроксилни групи, АК, съдържащи сяра, ароматни АК, кисели АК, основни АК и циклични аминокиселини. Част от аминокиселините не могат да бъдат синтезирани в организма. По тази причина е необходимо задължителното им постъпване с храната. Тези аминокиселини се наричат незаменими или есенциални. Към тях се причисляват валин, левцин, изолевцин, треонин, фенилаланин, аргинин, лизин, хистидин, метионин. Комбинацията от всички тях обикновено се съдържа в оптимално количество и в оптимално съотношение в белтъците от животински произход, като особено ценни са белтъците на млякото и яйчния белтък. За някои аминокиселини е задължителна посттранслационната модификация. Тя е от значение за функцията на белтъците, които изграждат. Така например ?-карбокси глутаматът се получава при карбоксилиране на аминокиселината глутамат. Тази посттранслационна модификация повишава Ca²⁺-свързващата способност на протеина. При хидроксилиране на пролин се получава хидроксипролин, който е основният структурен елемент на съединителната тъкан. При заместване на сярата от цистеина със селен се получава селеноцистеин, който участва в структурата на важни ензими.

Катаболизъм на аминокиселините

Катаболизмът на аминокиселините включва процесите на окислително дезаминиране, трансаминиране и декарбоксилиране. Окислителното дезаминиране се изразява в окисление и отделяне на NH₄⁺, катализирано от ензими в черния дроб и в бъбреците. Така се образува кетокиселина със съответен брой на въглеродните атоми. Голяма част от образувания NH₄⁺ се превръща в урея в черния дроб в цикъла на уреята (орнитин-цитрулинов цикъл), която се изхвърля с урината. Останалите азотсъдържащи съединения в крайната урина са креатинин, който се получава от разграждането на мускулния кретинин, пикочна киселина – от разграждането на нуклеопротеините и малко количество амоняк под формата на амониеви катиони. С трансаминиране се означава пренасянето на аминогрупа от аминокиселина към кетокиселина, при което се образува нова аминокиселина. Процесът се катализира от аминотрансферази. От особено значение са ензимите аланинаминотрансфераза (АЛАТ) и аспартат аминотрансфераза (АСАТ). При увреждането на органи, в чиито клетки активността на тези ензими е висока (черен дроб, миокард) концентрацията им в плазмата се повишава. Третият възможен процес за катаболизиране на аминокиселините е декарбоксилирането. То се осъществява в черния дроб, в бъбреците и мозъка. Ензимите, които участват в процеса, се наричат декарбоксилази.

От въглеродния скелет на една дезаминирана ?-кетокиселина може отново да се образува аминокиселина, благодарение на обратимостта на реакцията. Някои от кетокиселините при необходимост могат да бъдат насочени към междинни съединения на въглехидратната обмяна. Повече от 50% от аминокиселините в животинските белтъци могат да се превръщат в глюкоза. По тази причина те се означават като гликогенни аминокиселини. Най-важните от тях са аланин, аспартат и глутамат. При дезаминирането на някои от аминокиселините се получават кетокиселини, които са типични за метаболизма на липидите. Тези аминокиселини се означават като кетогенни. Най-важните им представители са левцин, изолевцин, фенилаланин и тирозин. Други аминокиселини участват в изграждането на физиологично важни съединения, като пурини и пиримидини, полиамини, креатин, фосфолипифи, карнитин, някои небелтъчни хормони и невромедиатори.

Регулация на белтъчната обмяна

Оптималните нива на белтъците в организма са от ключово значение за поддържане на хомеостазата. По тази причина процесите на обмяната на белтъците са подложени на фина регулация. Тя се осъществява от резултат от действието на редица вегетативни, хормонални и паракринни фактори. В организма се складират резервни депа от въглехидрати и липиди, но липсват такива от белтъци. В условия на енергиен дефицит започва разграждане на структурни и функционално активни белтъци. Тази особеност на белтъчната обмяна налага много прецизно взаимодействие между анаболните и катаболните регулаторни фактори.

Хормоните, които имат отношение към анаболизма на белтъците, са инсулинът, соматотропният хормон и андрогенните стероиди. Те действат по следния начин:

• инсулин – този хормон стимулира всички етапи от белтъчния синтез в мускулите, в черния дроб и в мастната тъкан. От особено значение за процеса на транслация е активирането на протеинкиназа В и фосфорилирането на ключови съединения. Действието на инсулина е по-изразено след нахранване и при високи концентрации на глюкоза и аминокиселини в кръвта. Този хормон притежава и антипротеолитичен ефект, който се изразява в потискане на разграждането на белтъците в клетъчните протеазоми.;
• соматотропен хормон (растежен хормон) – той има изразен анаболен ефект върху белтъчната обмяна в черния дроб, мускулите, вътрешните органи, костната и хрущялната тъкан. Този ефект от части се дължи на прякото действие на соматотропния хормон и е свързан с увеличения трансмембранен транспорт на аминокиселини към вътреклетъчното пространство. Растежният хормон стимулира липолизата в мастната тъкан, като по този начин се освобождава енергия необходима за синтез на белтъци. Част от ефектите на соматотропния хормон са медиирани от действието на инсулиноподобния растежен фактор-1 (ИРФ-1). Действията му са сходни с тези на инсулина, тъй като притежава анаболен и антипротеолитичен ефект.;
• андрогенни стероиди – тестостеронът стимулира белтъчния синтез в мускулите.

По време на пуберета производството на мъжки полови хормон, растежен хормон и инсулиноподобен растежен фактор-1 се увеличава. В резултат от това се оформят типичните полови различия в мускулната маса, мускулната сила и костите. Белтъчният синтез се стимулира и от приемането на богата на белтъци храна.

Има и хормони, които имат катаболно действие към белтъчната обмяна. Към тях спадат глюкокортикоидите и щитовидните хормони. Глюкокортикоидите чрез усилено разграждане на белтъци осигуряват субстрати за глюконеогенезата. Щитовидните хормони усилват белтъчния кръговрат, като стимулират и белтъчния катаболизъм и белтъчния анаболизъм. При хиперфункция на щитовидната жлеза преобладава ефектът върху белтъчния катаболизъм най-вече в мускулната тъкан. Това води до развитие на тиреотоксична миопатия, намаляване на мускулната маса и мускулна слабост. Възпалението и инфекциозните процеси също повлияват белтъчната обмяна чрез повишеното производство на цитокините интерлевкин-1, интерлевкин-6, туморен некротизиращ фактор-?. Така се потиска белтъчния синтез свързан с процесите на растеж, възстановяване и лактация. Аминокиселините се пренасочват към тъканите, обхванати от възпалителния процес и се използват за синтез на медиатори на възпалението и на имунопротеини, необходими за защита на организма.