Аминокислоты являются «строительными блоками» белков. Белки, что в переводе с греческого означает «первостепенного значения», в свою очередь, являются строительными элементами целого ряда структур. К ним, например, относятся гормоны, энзимы и мышцы.
Основной функцией белка является рост и обновление тканей организма (анаболизм). Белки также могут быть использованы в качестве энергии при катаболических реакциях (распад тканей), к которым относится, например, глюконеогенез — процесс образования глюкозы из аминокислот, молочной кислоты, глицерина или пирувата в печени или почках.
В проводимом нами изучении белков и аминокислот мы расскажем о метаболизме потребляемого нами белка, диетическом белке и катаболических процессах в организме. Общее понимание молекулярной структуры белков и аминокислот необходимо для понимания их метаболизма.
Структура белков и аминокислот
В состав белков входят углерод, водород, кислород и, самое главное, азот. Также они могут содержать серу, кобальт, железо и фосфор. Эти элементы являются «строительными блоками» белков, аминокислотами. Молекула белка состоит из длинных цепочек аминокислот, связанных амидными или пептидными связями.
Белок, потребляемый нами с пищей, содержит самые разные аминокислоты. Существует почти бесконечное сочетание аминокислотных цепочек. Комбинация аминокислот определяет свойства белков.
Как сочетание аминокислот влияет на определенные свойства белков, так и структура отдельных аминокислот определяет их функцию в организме. Аминокислота состоит из центрального атома углерода, положительно заряженной аминогруппы (NH2) на одном конце и отрицательно заряженной карбоксильной группы на другом (COOH). Функция аминокислоты обусловлена боковой группой (R-). У различных аминокислот боковая цепь отличается.
Нашему организму необходимы 20 различных аминокислот. Эти аминокислоты могут быть разделены на несколько групп в зависимости от их физических свойств. Исходя из цели нашего обсуждения, мы выделим две существенные группы:
- Незаменимые аминокислоты.
- Заменимые аминокислоты.
Незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей, поскольку они не могут синтезироваться в организме с необходимой скоростью. Заменимые кислоты могут синтезироваться в организме из других белков и небелковых веществ, и они так же важны, как и незаменимые кислоты.
| Незаменимые аминокислоты | Заменимые аминокислоты |
|---|---|
| гистидин | аланин |
| изолейцин | аргинин |
| лейцин | аспаргиновая кислота |
| лизин | цистеин |
| метионин | цистин |
| фенилаланин | глютаминовая кислота |
| типрофан | глютамин |
| валин | глицин |
| пролин | |
| серин | |
| треонин | |
| тирозин |
Белки, содержащие все незаменимые аминокислоты, называются полноценными. Те, которые содержат не все незаменимые аминокислоты, являются неполноценными. Два или более неполноценных белка могут образовать полноценный, если в сочетании они дают организму все незаменимые аминокислоты.
Поглощение и усвоение белка
Сначала белок расщепляется на фрагменты — пептиды. Этот процесс осуществляется в желудке с помощью пепсина и в тонком кишечнике с помощью химотрипсина и трипсина (ферментов поджелудочной железы).
Затем эти пептидные фрагменты расщепляются до свободных аминокислот (не связанных с другими аминокислотами). Этот процесс происходит под воздействием аминопептидазы, содержащейся в клетках эпителия тонкого кишечника, а также под действием карбоксипептидазы, выделяемой поджелудочной железой.
Белок > пептидные фрагменты > свободные аминокислоты
Затем свободные аминокислоты переносятся в эпителиальные клетки с помощью вторичного активного транспорта в сочетании с натрием. Короткие цепочки аминокислот, ди- или трипептиды, могут всасываться при помощи вторичного активного транспорта в сочетании с градиентом ионов водорода (Н +).
Для определенных аминокислот существуют разные переносчики. В клетках эпителия эти небольшие пептиды гидролизуются (расщепляются) на аминокислоты. Оба процесса протекают под действием АТФ. Далее эти аминокислоты поступают в кровь путем облегченной диффузии через клеточную мембрану.
Нуклеотид C10H16N5O13P3, содержащий макроэргические фосфатные связи и используемый для транспорта энергии к клеткам для биохимических процессов, включая сокращение мышц и ферментный обмен.
Эти аминокислоты, попавшие в кровь и внеклеточную (экстрацеллюлярную) жидкость, составляют большую группу, именуемую аминокислотным пулом. Этот пул также содержит аминокислоты, катаболизированные из других тканей и синтезированные в печени. Аминокислоты постоянно поступают в пул и покидают его.
Далее аминокислоты поглощаются в печени или клетках. Те аминокислоты, которые попадают в печень, либо используются для синтеза белков, либо преобразуются в кетокислоты, углеводоподобные вещества, в процессе дезаминирования.
Дезаминирование
Поскольку организм не может получить полезную энергию из азота в аминокислотах, азот нужно вывести прежде, чем будут использованы кетоаминокислоты. Дезаминирование включает в себя удаление аминогруппы из аминокислот. Азот из этих аминогрупп передается глютамату, который затем дезаминируется с высвобождением аммиака в реакции глутаматдегидрогеназы.
Этот азот дезаминированных аминокислот используется для формирования мочевины в печени, которая затем выводится почками.
Цикл Кребса
Оставшиеся кетоаминокислоты могут обеспечить печень энергией путем их катаболизма в цикле Кребса, который используется для образования глюкозы в процессе глюконеогенеза, либо для синтеза жиров, поставляя ацетил-КоА (субстрат, необходимый для синтеза жирных кислот). Они также могут быть преобразованы в новые аминокислоты путем трансаминирования.
Происходящая во всех растениях и организмах животных серия ферментативных реакций в митохондриях клеток, используемых для производства высокоэнергетических фосфатных соединений, которые являются источником клеточной энергии.
Трансаминирование
Процесс трансанимирования подразумевает перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Большинство реакций трансаминирования предполагают перенос аминогруппы в кетоглютарат, с образованием новой кетокислоты и глютамата.
Одна из важнейших реакций трансаминирования включает аминокислоты с разветвленной цепочкой (АРЦ) и происходит в основном в мышцах. В такой реакции аминогруппы АРЦ перемещаются и поступают в кетоглютарат, который, в свою очередь, образует разветвленную цепь кетокислот и глютаминовую кислоту.
Аминогруппа глютаминовой кислоты затем переносится на пируват, который образует кетоглютарат и аланин. Аланин отправляется из мышц в печень, где аминогруппа отделяется от него и попадает в оксалоацетат, вновь образуя кетоглюторат и пируват.
Пируват, который теперь находится в печени, используется для получения глюкозы. Этот процесс называется циклом глюкоза-аланин. Во время тренировок этот процесс ускоряется. Во время тренировок расщепляется мышечный протеин, чтобы доставить необходимые для цикла глюкоза-аланин АРЦ. Так выглядит процесс белкового обмена.
Обмен белков и баланс азота
Поглощаемые клетками аминокислоты используются дли синтеза белков. Всем клеткам необходимо постоянное обеспечение белками, поскольку они всегда находятся в процессе белкового обмена. Белковый обмен состоит из двух частей: синтеза белков и их распада.
Белковый обмен = синтез белков (анаболизм) – распад белков (катаболизм)
Большая часть белка организма сконцентрирована в виде мышц. Когда мышцы не получают требуемое количество аминокислот из спортивного питания или пищи, мышцы начинают распадаться на аминокислоты, которые следом направляются в аминокислотный пул и используются надлежащим образом. Когда распадается больше белка, чем синтезируется, человек начинает терять белок.
То же самое верно и в том случае, когда синтезируется больше белка, чем распадается — человек начинает терять белок. Без достаточного обеспечения белками (при недоедании) в организме человека невозможен нормальный белковый обмен, что в конечном счете может привести к летальному исходу.
Чтобы предотвратить распад мышечных волокон, организм нуждается в постоянном пополнении аминокислотами. Основным источником аминокислот для человека является пищевой белок. Ввиду своего значения белок является единственным из трех основных макронутриентов (жиры, углеводы и белки), который имеет рекомендуемую дневную норму потребления. В настоящее время дневная рекомендованная норма составляет 0,83 г белка на 1 кг веса (0,377 г на фунт веса).
Несмотря на споры вокруг этой темы, очевидным остается тот факт, что у тренирующегося, активного человека расходуется больше белков, поэтому и потреблять их ему нужно больше, чем неактивному человеку.
Белковый обмен включает процессы синтеза и распада. Для наращивания мышечной массы необходимо, чтобы оборот белка был положительным, либо он должен обладать положительным балансом азота. Определение “азотистый баланс” используется как мера измерения потребления и выделения азота в результате метаболизма белков.
Баланс азота = (общее количество выделяемого азота) – (азот в моче) – (азот в кале) – (азот в поте)
Когда значение равно нулю, это называется азотным балансом. Когда значение больше нуля, значит, азотистый баланс положительный, и дополнительный белок будет использован для синтеза новых тканей.
Когда значение меньше нуля, это значит, что азотистый баланс является отрицательным. Это может привести к тому, что для получения энергии будут использоваться аминокислоты из скелетных мышц.
Организм не запасает белки, как это он делает в случае с жирами (жировая ткань) и глюкозой (глюкоген). Избыток белка, потребленного сверх нормы, необходимой для поддержания белкового обмена, превращается в глюкозу или жирные кислоты.
Таким образом, в случае отрицательного азотистого баланса, чтобы произвести энергию, организм вынужден разрушать функционирующие ткани и скелетные мышцы. Чаще всего это не представляет большой угрозы, так как во взрослом организме содержание белка относительно постоянно и окисляется столько аминокислот, сколько получает человек из питания.
Однако у спортсменов содержание белка не является постоянной величиной, поскольку во время тренировок происходит интенсивный процесс распада белков.
Для интенсивно тренирующихся спортсменов ученые и спортивные доктора рекомендуют ежедневно с питанием принимать от 1,2 до 1,8 г белков на 1 кг веса тела.
По поводу того, какое количество белка считать оптимальным, по-прежнему нет единого мнения. Для определения этой нормы необходимо учитывать массу факторов: интенсивность, продолжительность, частота тренировок, объем потребляемых калорий, цель тренировок и желаемый результат с учетом конституции тела.
Краткое резюме и вывод
- аминокислоты = углерод + положительно заряженная аминогруппа + отрицательно заряженная карбоксильная группа + боковая группа
- усвоение — белок > пептидные фрагменты > свободные аминокислоты
- аминокислоты могут использоваться для: синтеза белка, производства энергии, глюконеогенеза, трансаминирования, образования жиров и производства мочевины
- белковый обмен = синтез белка (анаболизм) – распад белка (катаболизм)
- баланс азота = (общее количество выделяемого азота) – (азот в моче) – (азот в кале) – (азот в поте)
