Глава III. БЕЛКИ
§ 6. АМИНОКИСЛОТЫ КАК СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БЕЛКОВ
Природные аминокислоты
Аминокислоты в живых организмах встречаются преимущественно в составе белков. Белки построены в основном двадцатью стандартными аминокислотами. Они являются a-аминокислотами и отличаются друг от друга строением боковых групп (радикалов), обозначаемых буквой R:
Разнообразие боковых радикалов аминокислот играет ключевую роль при формировании пространственной структуры белков, при функционировании активного центра ферментов.
Структура стандартных аминокислот приведена в конце параграфа в табл.3. Природные аминокислоты имеют тривиальные названия, оперировать которыми при записях структуры белков неудобно. Поэтому для них введены трехбуквенные и однобуквенные обозначения, которые также представлены в табл.3.
Пространственная изомерия
У всех аминокислот, за исключением глицина, a-углеродный атом является хиральным, т.е. для них характерна оптическая изомерия. В табл. 3 хиральный атом углерода обозначен звездочкой. Например, для аланина проекции Фишера обоих изомеров выглядят следующим образом:
Для их обозначения, как и для углеводов, используется D, L-номенклатура. В состав белков входят только L-аминокислоты.
L- и D-изомеры могут взаимно превращаться друг в друга. Этот процесс называется рацемизацией.
Интересно знать! В белке зубов – дентине – L -аспарагиновая кислота самопроизвольно рацемизуется при температуре человеческого тела со скорость 0,10 % в год. В период формирования зубов в дентине содержится только L -аспарагиновая кислота, у взрослого же человека в результате рацемизации образуется D -аспарагиновая кислота. Чем старше человек, тем выше содержание D-изомера. Определив соотношение D- и L-изомеров, можно достаточно точно установить возраст. Так были изобличены жители горных селений Эквадора, приписывавшие себе слишком большой возраст.
Химические свойства
Аминокислоты содержат амино- и карбоксильную группы. В силу этого они проявляют амфотерные свойства, то есть свойства и кислот и оснований.
При растворении аминокислоты в воде, например, глицина, его карбоксильная группа диссоциирует с образованием иона водорода. Далее ион водорода присоединяется за счет неподеленной пары электронов у атома азота к аминогруппе. Образуется ион, в котором одновременно присутствуют положительный и отрицательный заряды, так называемый цвиттер-ион:
Такая форма аминокислоты является преобладающей в нейтральном растворе. В кислой среде аминокислота, присоединяя ион водорода, образует катион:
В щелочной среде образуется анион:
Таким образом, в зависимости от рН среды аминокислота может быть положительно заряженной, отрицательно заряженной и электронейтральной (при равенстве положительных и отрицательных зарядов). Значение рН раствора, при котором суммарный заряд аминокислоты равен нулю, называется изоэлектрической точкой данной аминокислоты. Для многих аминокислот изоэлектрическая точка лежит вблизи рН 6. Например, изоэлектрические точки глицина и аланина имеют значения 5,97 и 6,02 соответственно.
Две аминокислоты могут реагировать друг с другом, в результате чего отщепляется молекула воды и образуется продукт, который называется дипептидом :
Связь, соединяющая две аминокислоты, носит название пептидной связи . Если пользоваться буквенными обозначениями аминокислот, образование дипептида можно схематически представить следующим образом:
Аналогично образуются трипептиды, тетрапептиды и т.д.:
H 2 N – лиз – ала – гли – СООН – трипептид
H 2 N – трп – гис – ала – ала – СООН – тетрапептид
H 2 N – тир – лиз – гли – ала – лей – гли – трп – СООН – гептапептид
Пептиды, состоящие из небольшого числа аминокислотных остатков, имеют общее название олигопептиды .
Интересно знать! Многие олигопептиды обладают высокой биологической активностью. К ним относится ряд гормонов, например, окситоцин (нанопептид) стимулирует сокращение матки, брадикинин (нанопептид) подавляет воспалительные процессы в тканях. Антибиотик грамицидин С (циклический декапептид) нарушает регуляцию ионной проницаемости в мембранах бактерий и тем самым убивает их. Грибные яды аманитины (октапептиды), блокируя синтез белка, способны вызвать сильное отравление у человека. Широко известен аспартам - метиловый эфир аспартилфенилаланина. Аспартам имеет сладкий вкус и используется для придания сладкого вкуса различным продуктам, напиткам.
Классификация аминокислот
Существует несколько подходов к классификации аминокислот, но наиболее предпочтительной является классификация, основанная на строении их радикалов. Выделяют четыре класса аминокислот, содержащих радикалы следующих типов; 1) неполярные (или гидрофобные); 2) полярные незаряженные; 3) отрицательно заряженные и 4) положительно заряженные:
К неполярным (гидрофобным) относятся аминокислоты с неполярными алифатическими (аланин, валин, лейцин, изолейцин) или ароматическими (фенилаланин и триптофан) R-группами и одна серусодержащая аминокислота – метионин.
Полярные незаряженные аминокислоты в сравнении с неполярными лучше растворяются в воде, более гидрофильны, так как их функциональные группы образуют водородные связи с молекулами воды. К ним относятся аминокислоты, содержащие полярную НО-группу (серин, треонин и тирозин), HS-группу (цистеин), амидную группу (глутамин, аспарагин) и глицин (R-группа глицина, представленная одним атомом водорода, слишком мала, чтобы компенсировать сильную полярность a-аминогруппы и a-карбоксильной группы).
Аспарагиновая и глутаминовая кислоты относятся к отрицательно заряженным аминокислотам. Они содержат по две карбоксильные и по одной аминогруппе, поэтому в ионизированном состоянии их молекулы будут иметь суммарный отрицательный заряд:
К положительно заряженным аминокислотам принадлежат лизин, гистидин и аргинин, в ионизированном виде они имеют суммарный положительный заряд:
В зависимости от характера радикалов природные аминокислоты также подразделяются на нейтральные, кислые и основные . К нейтральным относятся неполярные и полярные незаряженные, к кислым – отрицательно заряженные, к основным – положительно заряженные.
Десять из 20 аминокислот, входящих в состав белков, могут синтезироваться в человеческом организме. Остальные должны содержаться в нашей пище. К ним относятся аргинин, валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин и гистидин. Эти аминокислоты называются незаменимыми. Незаменимые аминокислоты входят часто в состав пищевых добавок, используются в качестве лекарственных препаратов.
Интересно знать! Исключительно важную роль играет сбалансированность питания человека по аминокислотам. При недостатке незаменимых аминокислот в пище организм саморазрушается. При этом страдает в первую очередь головной мозг, что приводит к различным заболеваниям центральной нервной системы, психическим расстройствам. Особенно уязвим молодой растущий организм. Так, например, при нарушении синтеза тирозина из фенилаланина у детей развивается тяжелое заболевание финилпировиноградная олигофрения, вызывающее тяжелую умственную отсталость или гибель ребенка.
Таблица 3
Стандартные аминокислоты
|
Аминокислота (тривиальное название) |
Условные обозначения |
Структурная формула |
||
|
Латинское |
||||
|
трехбук- венное |
однобук-венное |
|||
|
НЕПОЛЯРНЫЕ (ГИДРОФОБНЫЕ) |
||||
 |
||||
 |
||||
 |
||||
|
Изолейцин |
 |
|||
 |
||||
|
Фенилаланин |
 |
|||
|
Триптофан |
 |
|||
|
Метионин |
 |
|||
|
ПОЛЯРНЫЕ НЕЗАРЯЖЕННЫЕ |
||||
 |
||||
 |
||||
|
Аспарагин |
 |
|||
|
Глутамин | ||||
БИОХИМИЯ КАК НАУКА. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОХИМИИ. МЕТОДЫ БИОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Биологическая химия – это фундаментальная биомедицинская наука, которая изучает химический состав живых организмов и химические превращения биомолекул.
Изучение в курсе биохимии молекулярной организации клетки, механизмов регуляции биохимических реакций, которые лежат в основе физиологических функций организма человека в норме и патологии, имеет огромное значение для разработки способов и методов фармакологической коррекции нарушенных метаболических процессов.
Оновные теоретические вопросы, позволяющие выполнить целевые виды деятельности:
1. Предмет и задачи биологической химии
1.1. Место биохимии среди других медико-биологических дисциплин.
1.2. Объекты изучения и задачи биохимии
2. Основные этапы развития биологической химии как науки
3. Разделы биохимии:
4. Современные направления развития биохимии
4.1. Достижения и перспективы развития биохимии, теоретической и молекулярной биологии, биотехнологии, генной инженерии и их значение для диагностики и лечения основных заболеваний человека – сердечно-сосудистых, онкологических, инфекционных и других.
4.2. Роль биохимии в выяснении молекулярно-генетических механизмов патогенеза заболеваний, выяснения значения наследственных и экологических факторов в возникновении патологических состояний и их влияния на продолжительность жизни населения.
5. Биохимические лабораторные исследования
5.1. Цель биохимических исследований
5.2. Критерии оценки использованного метода лабораторных исследований
5.3. Материал для диагностических исследований, принципы забора материала
5.4. Ошибки, имеющие место во время проведения лабораторных исследований
Граф логическая структура
Основные термины и их значение:
Статическая биохимия (связь с биоорганической химией, молекулярной биологией) исследует химический состав организмов.
Динамическая биохимия изучает превращение химических соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе жизнедеятельности.
Функциональная биохимия выясняет связи между строением химических соединений и процессами их видоизменения, с одной стороны, и функцией субклеточных частиц специализированных клеток, тканей или органов, включающих в свой состав упомянутые вещества, с другой.
Медицинская биохимия (биохимия человека).
Клиническая биохимия как раздел медицинской биохимии
Биоэнергетика – раздел динамической биохимии, который изучает закономерности освобождения, аккумуляции и использования энергии в биологических системах.
Молекулярная генетика – раздел биохимии, раскрывающий закономерности сохранения и реализации генетической информации путем изучения структуры и функционирования информационных молекул – ДНК и РНК.
Электрофорез – физико-химический метод анализа, применяемый в биохимии для разделения белковых фракций.
ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МЕТАБОЛИЗМА. МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ, ЛИПИДОВ, БЕЛКОВ И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Обмен веществ представляет собой сложную систему химических реакций, связанных между собой через пластические компоненты, энергетическое обеспечение и общие регуляторы. Целями этих реакций является извлечение энергии и синтез биологических макромолекул, структура которых отвечает индивидуальной генетической программе организма.
Биохимическая схема обмена веществ включает цепи, каскады и циклы химических преобразований, составляющих в совокупности метаболические пути. Для того чтобы эти метаболические пути функционировали согласованно и удовлетворяли потребностям индивидуальных клеток, органов или организма в целом, они должны подвергаться строгой регуляции. Для регуляции метаболизма эволюционно сформировались различные механизмы, которые влияют на инструменты метаболизма, то есть на каталитическую активность ферментов.
Для нормального метаболизма характерны адаптационные изменения в период голодания, при физической нагрузке, беременности и лактации. Нарушения метаболизма возникают, например, при неполноценности питания, нехватке витаминов, дефиците тех или иных ферментов или при дисбалансе гормонов. Поэтому знания общих закономерностей обмена веществ в норме необходимо будущему врачу для понимания причин многих заболеваний.
В основе возникновения и развития большинства патологических процессов лежат биохимические изменения. Главным образом это относится к изменению обмена веществ основных биологических макромалекул: белков, углеводов и липидов. Понимание процессов обмена веществ включает знание структуры и функций макромолекул, а также особенностей их переваривания, всасывания, транспорта и непосредственно тех химических преобразований, которые происходят с данными веществами в живом организме. При этом важно рассматривать каждый метаболический процесс не изолированн о, как искусственную схему, а учитывать особенности его протекания в различных тканях и органах, возможности его регуляции и, безусловно, его взаимосвязь с другими метаболическими путями.
Целью изучения модуля «Общие закономерности метаболизма. Метаболизм углеводов, липидов, белков и его регуляция» является: уметь интерпретировать общие закономерности обмена веществ, а также особенности метаболизма углеводов, липидов и белков в норме и при патологии для последующего использования этих данных в клинике внутренних болезней.
Общие закономерности метаболизма. Метаболизм углеводов, липидов, белков и его регуляция» включает следующие содержательные модули:
1. Метаболизм белков и его регуляция. Энзимопатии аминокислотного обмена
2. Роль ферментов и витаминов в обмене веществ
3. Метаболизм липидов и его регуляция
4. Обмен веществ и энергии
5. Метаболизм углеводов и его регуляция
АМИНОКИСЛОТЫ. ПЕПТИДЫ. БЕЛКИ
Введение
Аминокислоты рассматриваются как производные карбоновых кислот, в которых положение аминогруппы относительно карбоксильной принято указывать буквами: , что равносильно цифрам 2, 3, 4 и т. д. соответственно. Буквы греческого алфавита не употребляется в заместительной номенклатуре ИЮПАК.
В природных объектах обнаружено около 300 разных аминокислот, но наиболее важными, постоянно встречающимися во всех пептидах и белках, являются 20 α –аминокислот (см. табл 1). Они кодируются генетическим кодом, и их принято называть протеиногенными (иногда каноническими).
Строение. Классификация и номенклатура. Стероизомерия
α -Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат аминогруппу и карбоксильную группу у одного и того же атома углерода.
Для нормального роста детского организма необходимо обязательное поступление еще двух -аминокислот, хотя у взрослых они синтезируются в достаточных количествах. Эти аминокислоты называют частично заменимыми. Для синтеза тирозина и цистеина нужны незаменимые -аминокислоты, поэтому эти две кислоты называют условно заменимыми. Тирозин синтезируется в организме путем гидроксилирования фенилаланина, а для получения цистеина необходим метионин.
α -Аминокислоты необходимы для биосинтеза не только пептидов и белков, но и фосфолипидов, нуклеиновых оснований, порфириновых соединений, а также для выполнения таких специфических задач, как перенос аминогруппы, метильной группы, гуанидиновой группировки и др.
Основным источником α -аминокислот для человека и животных являются белки пищевых продуктов. В зависимости от содержания незаменимых аминокислот белки разделяют на полноценные и неполноценные . Например, белки молочных, рыбных, мясных продуктов, некоторых морепродуктов (мясо кальмара, краба), яиц, а также некоторые белки растительного происхождения (сои, гороха, фасоли) являются полноценными, так как они содержат все незаменимые аминокислоты в необходимых пропорциях. В основных группах пищевых продуктов среди незаменимых аминокислот преобладают лейцин и лизин, их содержание колеблется от 7,0 до 11% от общего содержания α -аминокислот (см. табл.). Относительно небольшое содержание в продуктах характерно для триптофана (не более 2%) и метионина (от 1.5 до 3.5%).
Таблица 2 Содержание белка в некоторых пищевых продуктах
Смеси -аминокислот являются препаратами для парентерального питания (минуя желудочно-кишечный тракт) больных с тяжелыми патологическими осложнениями.
Номенклатура
Названия -аминокислот могут быть построены по заместительной номенклатуре, но практически всегда используются только их тривиальные названия, принятые номенклатурой ИЮПАК. Тривиальные названия -аминокислот, как правило, связаны с источниками выделения. Простейшую аминокислоту, выделенную впервые из гидролизата желатины и имеющую сладкий вкус, назвали гликокол (от греч..glykys - сладкий и kolla - клей, т. е. «сладкий из клея»), позднее она получила название глицин.
В названиях алифатических аминокислот по заместительной номенклатуре аминогруппа обозначается префиксом амино- , а карбоксильная группа как старшая - суффиксом -овая кислота. В названиях ароматических аминокислот в качестве родоначальной структуры используется бензойная кислота.
Стереоизомерия
Во всех (кроме глицина - ахиральна) природных -аминокислотах -углеродный атом асимметрический, причем у большинства этих соединений (кроме изолейцина и треонина) имеется только один хиральный центр. Поэтому они существуют в виде двух оптических изомеров (L- и D-энантиомеров) Почти все природные -аминокислоты имеют L-форму , а D-аминокислоты, как правило, не усваиваются живыми организмами. Интересно, что большинство аминокислот L-ряда имеют сладкий вкус, а аминокислоты D-ряда - горькие или безвкусные.
Ни для кого не секрет, что человеку для поддержания жизнедеятельности на высоком уровне необходим белок - своеобразный строительный материал для тканей организма; в состав белков входят 20 аминокислот, названия которых вряд ли что-то скажут обычному офисному работнику. Каждый человек, особенно если говорить о женщинах, хоть раз слышал о коллагене и кератине - это протеины, которые отвечают за внешний вид ногтей, кожи и волос.
Аминокислоты - что это такое?
Аминокислоты (или же аминокарбоновые кислоты; АМК; пептиды) - органические соединения, на 16 % состоящие из аминов - органических производных аммония, - что отличает их от углеводов и липидов. Они участвуют в биосинтезе белка организмом: в пищеварительной системе под влиянием ферментов все белки, поступающие с едой, разрушаются до АМК. Всего в природе существует около 200 пептидов, но в построении организма человека участвуют всего 20 основных аминокислот, которые подразделяются на заменимые и незаменимые; иногда встречается и третий вид - полузаменимые (условно заменяемые).
Заменимые аминокислоты
Заменимыми называют те аминокислоты, которые как потребляются с продуктами питания, так и воспроизводятся непосредственно в теле человека из других веществ.
- Аланин - мономер биологических соединений и белков. Осуществляет один из главенствующих путей глюкогенеза, то есть в печени превращается в глюкозу, и наоборот. Высокоактивный участник метаболических процессов в организме.
- Аргинин - АМК, способная синтезироваться в организме взрослого, но не способная к синтезу в теле ребёнка. Содействует выработке гормонов роста и других. Единственный переносчик азотистых соединений в организме. Содействует увеличению мышечной массы и уменьшению жировой.
- Аспарагин - пептид, участвующий в азотном обмене. В ходе реакции с ферментом аспарагиназой отщепляет аммониак и превращается в аспарагиновую кислоту.
- Аспарагиновая кислота - принимает участие в создании иммуноглобулина, деактивирует аммиак. Необходим при сбоях в работе нервной и сердечно-сосудистой систем.
- Гистидин - используется для профилактики и лечения болезней ЖКТ; оказывает положительную динамику при борьбе со СПИДом. Уберегает организм от пагубного воздействия стресса.
- Глицин - нейромедиаторная аминокислота. Применяется в качестве мягкое успокоительное и антидепрессивное средство. Усиливает действие некоторых ноотропных препаратов.
- Глутамин - в большом объёме Активатор процессов восстановления тканей.
- Глутаминовая кислота - обладает нейромедиаторным действием, а также стимулирует метаболические процессы в ЦНС.
- Пролин - является одним из составляющих практически всех протеинов. Им особенно богаты эластин и коллаген, отвечающие за эластичность кожи.
- Серин - АМК, что содержится в нейронах головного мозга, а также способствует выделению большого количества энергии. Является производной глицина.
- Тирозин - составляющая тканей животных и растений. Может воспроизводиться из фенилаланина под действием фермента фенилаланингидроксилазы; обратного процесса не происходит.
- Цистеин - один из компонентов кератина, отвечающего за упругость и эластичность волос, ногтей, кожи. Ещё он является антиоксидантом. Может производиться из серина.
Аминокислоты, не способные к синтезу в организме, - незаменимые
Незаменимыми аминокислотами называют те, которые не способные генерироваться в организме человека и способны поступать только с продуктами питания.
- Валин - АМК, которая содержится практически во всех белках. Повышает координацию мышц и снижает чувствительность организма к температурным перепадам. Поддерживает гормон серотонин на высоком уровне.
- Изолейцин - естественный анаболик, который в процессе окисления насыщает энергией мышечную и мозговую ткани.
- Лейцин - аминокислота, улучшающая метаболизм. Является своеобразным «строителем» структуры белка.
- Эти три АМК входят в так называемый комплекс BCAA, особо востребованный среди спортсменов. Вещества этой группы выступают в качестве источника для увеличения объема мышечной массы, уменьшения жировой массы и поддержания хорошего самочувствия при особо интенсивных физических нагрузках.
- Лизин - пептид, ускоряющий регенерацию тканей, выработку гормонов, ферментов и антител. Отвечает за прочность сосудов, содержится в мышечном белке и коллагене.
- Метионин - пронимает участие в синтезе холина, недостаток которого может привести к усиленному накоплению жира в печени.
- Треонин - придает эластичность и силу сухожилиям. Очень положительно влияет на сердечную мышцу и зубную эмаль.
- Триптофан - поддерживает эмоциональное состояние, так как в организме преобразуется в серотонин. Незаменим при депрессиях и других психологических расстройствах.
- Фенилаланин - улучшает внешний вид кожи, нормализуя пигментацию. Поддерживает психологическое благополучие, улучшая настроение и привнося ясность в мышление.
Другие методы классификации пептидов
С научной стороны 20 незаменимых аминокислот подразделяют, основываясь на полярности их боковой цепи, то есть радикалов. Таким образом, выделяются четыре группы: (но не имеющие заряда), положительно заряженные и отрицательно заряженные.
Неполярными являются: валин, аланин, лейцин, изолейцин, метионин, глицин, триптофан, фенилаланин, пролин. В свою очередь, к полярным, имеющим отрицательный заряд относят аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Полярными, имеющими положительный заряд, называют аргинин, гистидин, лизин. К аминокислотам, обладающим полярностью, но не имеющим заряда, относят непосредственно цистеин, глутамин, серин, тирозин, треонин, аспарагин.
20 аминокислот: формулы (таблица)
Аминокислота | Аббревиатура | |
Аспарагин | ||
Аспарагиновая кислота | ||
Гистидин | ||
Глутамин | ||
Глутаминовая кислота | ||
Изолейцин | ||
Метионин | ||
Триптофан | ||
Фенилаланин | ||
Основываясь на этом, можно отметить, что все 20 в таблице выше) имеют в своем составе углерод, водород, азот и кислород.
Аминокислоты: участие в жизнедеятельности клетки
Аминокарбоновые кислоты участвуют в биологическом синтезе белка. Биосинтез белка - процесс моделирования полипептидной («поли» - много) цепи из остатков аминокислот. Протекает процесс на рибосоме - органелле внутри клетки, отвечающей непосредственно за биосинтез.
Информация считывается с участка цепи ДНК по принципу комплементарности (А-Т, Ц-Г), при создании м-РНК (матричная РНК, или и-РНК - информационная РНК - тождественно равные понятия) азотистое основание тимин заменяется на урацил. Далее всё по тому же принципу создается переносящая молекулы аминокислот к месту синтеза. Т-РНК закодирована триплетами (кодонами) (пример: УАУ), и если знать, какими азотистыми основаниями представлен триплет, можно узнать, какую именно аминокислоту он переносит.
Группы продуктов питания с наибольшим содержанием АМК
В молочных продуктах и яйцах содержатся такие важные вещества, как валин, лейцин, изолейцин, аргинин, триптофан, метионин и фенилаланин. Рыба, белое мясо обладают высоким содержанием валина, лейцина, изолейцина, гистидина, метионина, лизина, фенилаланина, триптофана. Бобовые, зерновые и крупы богаты на валин, лейцин, изолейцин, триптофан, метионин, треонин, метионин. Орехи и различные семена насытят организм треонином, изолейцином, лизином, аргинином и гистидином.
Ниже приведено содержание аминокислот в некоторых продуктах.
Наибольшее количество триптофана и метионина можно обнаружить в твёрдом сыре, лизина - в мясе кролика, валина, лейцина, изолейцина, треонина и фенилаланина - в сое. При составлении рациона, основанного на поддержании АМК в норме, стоит обратить внимание на кальмаров и горох, а наиболее бедными в плане содержания пептидов можно назвать картофель и коровье молоко.
Нехватка аминокислот при вегетарианстве
То, что существуют такие аминокислоты, которые содержатся исключительно в продуктах животного происхождения, - миф. Более того, учёные выяснили, что белок растительного происхождения усваивается человеческим организмом лучше, чем животного. Однако при выборе вегетарианства как стиля жизни очень важно следить за рационом. Основная проблема такова, что в ста граммах мяса и в таком же количестве бобов содержится разное количество АМК в процентном соотношении. На первых порах необходимо вести учёт содержания аминокислот в потребляемой пище, затем уже это должно дойти до автоматизма.
Какое количество аминокислот нужно потреблять в день
В современном мире абсолютно во всех продуктах питания содержатся нужные для человека питательные вещества, поэтому не следует переживать: все 20 белковых аминокислот благополучно поступают с пищей, и этого количества хватает для человека, ведущего обычный образ жизни и хоть немного следящего за своим питанием.
Рацион спортсмена же необходимо насыщать белками, потому что без них просто невозможно построение мышечной массы. Физические упражнения ведут к колоссальному расходу запаса аминокислот, поэтому профессиональные бодибилдеры вынуждены принимать специальные добавки. При интенсивном построении мышечного рельефа количество белков может доходить до ста граммов белков в день, но такой рацион не подходит для ежедневного потребления. Любая добавка к пище подразумевает инструкцию с содержанием разных АМК в дозе, с которой перед применением препарата необходимо ознакомиться.
Влияние пептидов на качество жизни обычного человека
Потребность в белках присутствует не только у спортсменов. Например, белки эластин, кератин, коллаген влияют на внешний вид волос, кожи, ногтей, а также на гибкость и подвижность суставов. Ряд аминокислот влияет на в организме, сохраняя баланс жира на оптимальном уровне, предоставляют достаточное количество энергии для повседневной жизни. Ведь в процессе жизнедеятельности даже при самом пассивном образе жизни затрачивается энергия, хотя бы для осуществления дыхания. Вдобавок невозможна и когнитивная деятельность при нехватке определенных пептидов; поддержание психоэмоционального состояния осуществляется в том числе за счет АМК.
Аминокислоты и спорт
Диета профессиональных спортсменов предполагает идеально сбалансированные питание, которое помогает поддерживать мышцы в тонусе. Очень облегчают жизнь разработанные специально для тех спортсменов, которые работают на набор мышечной массы.
Как уже писалось ранее, аминокислоты - основной строительный материал белков, необходимых для роста мышц. Также они способны ускорять метаболизм и сжигать жир, что тоже важно для красивого мышечного рельефа. При усердных тренировках необходимо увеличивать потребление АМК ввиду того, что они увеличивают скорость наращивания мышц и уменьшают боли после тренировок.
20 аминокислот в составе белков могут потребляться как в составе аминокарбоновых комплексов, так и из пищи. Если выбирать сбалансированное питание, то нужно учитывать абсолютно все граммовки, что трудно реализовать при большой загруженности дня.
Что происходит с организмом человека при нехватке или переизбытке аминокислот
Основными симптомами нехватки аминокислот считаются: плохое самочувствие, отсутствие аппетита, ломкость ногтей, повышенная утомляемость. Даже при нехватке одной АМК возникает огромное количество неприятных побочных эффектов, которые значительно ухудшают самочувствие и продуктивность.
Перенасыщение аминокислотами может повлечь за собой нарушения в работе сердечно-сосудистой и нервной систем, что, в свою очередь, не менее опасно. В свой черед могут появиться симптомы, схожие с пищевым отравлением, что тоже не влечет за собой ничего приятного.
Во всем надо знать меру, поэтому соблюдение здорового образа жизни не должно приводить к переизбытку тех или иных «полезных» веществ в организме. Как писал классик, «лучшее - враг хорошего».
В статье мы рассмотрели формулы и названия всех 20 аминокислот, таблица содержания основных АМК в продуктах приведена выше.
Аминокислоты (АК) - органические молекулы, которые состоят из основной аминогруппы (-NH 2), кислотной карбоксильной группы (-СООН), и органической R радикала (или боковой цепи), которая является уникальной для каждой АК
Структура аминокислот
Функции аминокислот в организме
Примеры биологических свойств АК. Хотя в природе встречается более 200 различных АК только около одной десятой из них включаются в белки, другие выполняют иные биологические функции:
- Они строительные блоки белков и пептидов
- Предшественники многих биологически важных молекул, производных АК. Например, тирозин является предшественником гормона тироксина и пигмента кожи меланина, тирозин также предшественник соединения ДОФА (диокси-фенилаланина). Это нейромедиатор передачи импульсов в нервной системе. Триптофан является предшественником витамина В3 - никотиновой кислоты
- Источники серы - серосодержащие АК.
- АК участвуют во многих метаболических путях, таких как глюконеогенез - синтез глюкозы в организме, синтез жирных кислот и др.
В зависимости от положения аминогруппы относительно карбоксильной группы АК могут быть альфа, α-, бета, β- и гамма,γ.
|
Альфа - аминогруппа присоединена к углероду, примыкающему к карбоксильной группе:
|
Бета - аминогруппа находятся на 2-м углероде от карбоксильной группы
|
Гамма - аминогруппа на 3-м углерое от карбоксильной группы
|
В состав белков в ходят только альфа-АК
Общие свойства альфа-АК белков
1 - Оптическая активность - свойство аминокислот
Все АК, за исключекнием глицина, проявляют оптическую активность, т.к. содержат по крайней мере один асимметричный атом углерода (хиральный атом).
Что представляет собой асимметричный атом углерода? Это атом углерода, к которому присоединены четыре различных химических заместителя. Почему глицина не проявляет оптическую активность? В его радикале только три разных заместителя, т.е. альфа-углерод не асимметричный.
Что означает оптическая активности? Это означает, что АК в растворе может присутствовать в двух изомерах. Правовращающий изомер (+), который обладает способностью вращать плоскость поляризацованного света вправо. Левовращающий изомер (-), который обладает способностью вращать плоскость поляризации света влево. Оба изомера могут вращать плоскость поляризации света на одну ту же величину, но в противоположном направлении.
2 - Кислотно-основные свойства
В результате их способности к ионизации можно записать следующее равновесие этой реакции:
R-СООН<-------> R-C00 - + H +
R- NH 2 <--------->R-NH 3 +
Поскольку эти реакции обратимы это означает, что они могут действовать как кислоты (прямая реакция) или как основания (обратная реакция), что объясняет амфотерные свойства аминокислот.
Цвиттер ион - свойство АК
Все нейтральные аминокислоты при физиологическом значении рН (около 7,4) присутствуют как цвиттерионы - карбоксильная группа непротонированная и аминогруппа протонированная (рис.2). В растворах более основных, чем изоэлектрическая точка аминокислоты (ИЭТ), аминогруппа -NH3 + в АК жертвует протон. В растворе более кислом, чем ИЭТ АК, карбоксильная группа -СОО - в АК принимает протон. Таким образом, АК иногда ведет себя как кислота, в другие время как основание в зависимости от рН раствора.
Полярность как общее свойство аминокислот
При физиологическом рН АК присутствуют как цвиттер ионы.Положительный заряд несет альфа -аминогруппа, а отрицательный карбоновая. Таким образом, создаётся два противоволожных заряда с обеих концов молекулы АК, молекула имеет полярные свойства.
Наличие изоэлектрической точки (ИЭТ) - свойство амингокислот
Значение рН, при котором чистый электрический заряд аминокислоты равен нулю, и, следовательно, она не может перемещаться в электрическом поле называется ИЭТ.
Способность поглощать в ультрафиолете - свойство ароматических аминокислот
Фенилаланин, гистидин, тирозин и триптофан поглощают при 280 нм. На рис. оторажены значения молярного коэффициента экстинкции (ε) этих АК. В видимой части спектра аминокислоты не поглощают, следовательно, они бесцветны.
АК могут присутствовать в двух вариантах изомеров: L-изомера и D-
изомера, которые являются зеркальными отражениями, и отличаются расположением химических групп вокруг атома α-углерода.
Все аминокислоты в белках в L-конфигурации, L-аминокиcлоты.
Физические свойства аминокислоты
Аминокислоты в основном водорастворимые, что объясняется их полярностью и наличием заряженных групп. Они растворимы в полярных и не растворяется в неполярных растворителях.
АК имеют высокую температуру плавления, что отражает наличие сильных связей, поддерживающих их кристаллическую решетку.
Общие свойства АК является общим для всех АК и во многих случаях определяются альфа-аминогруппой и альфа- карбоксильной группой. АК обладают и специфическими свойствами, которые диктуются уникальной боковой цепью.
К настоящему времени обстоятельно изучены промежуточные продукты метаболизма аминокислот и выяснена природа специфических ферментных систем, участвующих в реакциях. Экспериментальные данные об обмене аминокислот в организме обобщены в монографиях и обзорах, поэтому мы кратко изложим лишь общие закономерности обмена аминокислот.
В основе путей обмена аминокислот лежат реакции трех типов - переаминирование, дезаминирование и декарбоксилирование.
Переаминирование
Переаминирование распространено в природе. Оно важно в обмене аминогрупп. Переход аминогруппы от аминокислоты к кетокислоте катализируется аминотрансферазами. Эта ферментная система впервые описана Браунштейном, Крицман в 1937 г.
Следовательно, для процесса переаминирования необходима аминокислота, играющая роль донатора аминогруппы, и а-кетокислота как акцептор аминогруппы. При этом происходит обмен аминогруппой, вследствие которого из аминокислоты образуется а-кетокислота, а из последней - аминокислота.
В переаминировании участвует много аминокислот (кроме лизина, треонина, а-аминогруппы аргинина), наиболее активными являются глутаминовая, аспарагиновая кислоты, что связывают с высоким содержанием в тканях животных двух специфических аминотрансфераз - аспартат-аминотрансферазы и аланин-аминотрансферазы.
Дезаминирование
Первые данные о дезаминировании аминокислот получил Krebs (1970), который на препаратах печени наблюдал окисление L- и D-аминокислот в кетокислоты и обнаружил, что в этих реакциях участвуют две ферментные системы. По специфичности последние можно разделить на оксидазы L- и D-аминокислот. Они представляют собой преимущественно флавиновые ферменты. Дезаминирование происходит в две стадии, только первая является ферментативной. Наиболее важный дезаминирующий фермент - L-глутаматдегидрогеназа. Она присутствует в различных органах животных: в печени, сердце, почках. Несмотря на митохондриальную локализацию, ее можно легко экстрагировать и получить в кристаллическом виде. Глутаматдегидрогеиазная реакция нуждается в присутствии НАД+ и НАДФ+. Промежуточным продуктом является а-аминоглутаровая кислота.
Значение L-глутаматдегидрогеназной реакции заключается в ее обратимости. Вследствие чего обмен глутаминовой кислоты связывается с основным путем катаболизма субстратов - лимоннокислым циклом, становится возможным образование свободного аммиака.
В печени, почках животных обнаружена специфичная ФАД+-зависимая глициноксидаза, превращающая глицин в аммиак и глиоксиловую кислоту.
Считают, что данный фермент играет роль в образовании аммиака в почечных канальцах.
Представляют интерес дезаминирующие ферментные системы, существующие для определенных аминокислот, таких как цистеин, серии, треонин, гомоцистеин, гомосерин, гистидин, аспарагиновая кислота и триптофан, дезаминирование которых протекает неокислительным путем.
Низкая активность ферментов окислительного и неокислительного дезаминирования а-аминокислот позволяет сделать вывод об их незначительной роли в обмене аминокислот. Обмен аминогрупп происходит, вероятно, преимущественно путем переаминирования.
Декарбоксилирование
Хотя первичное декарбоксилирование в тканях представляет собой не основной путь обмена, многие образовавшиеся в процессе его амины оказывают фармакологическое действие и являются предшественниками гормонов или составными частями коферментов. Их называют биогенными аминами.
Декарбоксилирование - энзиматический процесс. Декарбоксилазы аминокислот обладают выраженной субстратной специфичностью. Простетической группой декарбоксилаз аминокислот, как и аминотрансфераз, является пиридоксальфосфат.
Распад аминокислот происходит с отделением аминогруппы от углеродного скелета, затем путем переаминирования или дезаминирования из аминокислот образуются моно- и дикарбоновые кислоты. Эти метаболиты используются в биосинтетических процессах либо подвергаются окислительному распаду до СО2 и Н2О.
Аланин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты поставляют пировиноградную, щавелевоуксусную и а-кето- глутаровую кислоты, из которых через щавелевоуксусную и фосфоэнолпировиноградную кислоты могут образовываться глюкоза и гликоген. После переаминирования соответствующая а-кетокислота активируется и подвергается окислительному декарбоксилированию. Полученный таким образом ацил-КоА подвергается затем окислительному распаду как и обычные жирные кислоты.
Важнейшими конечными продуктами обмена азота аминокислот являются мочевина, мочевая кислота и аммиак.
Превращение азота большинства аминокислот идет в основном двумя путями: переаминированием в глутаминовую кислоту и аспарагиновую кислоту. Глутаматоксалатаминотрансфераза поставляет аспартат для синтеза аргинина, глутаматдегидрогеназа - аммиак для синтеза карбамилфосфата. Синтез мочевины происходит в серии циклических превращений (цикл Кребса-Гензелейта), промежуточными продуктами которых являются орнитин, цитруллин и аргинин. У человека мочевина синтезируется в основном в митохондриях клеток печени.
Синтез аммиака происходит преимущественно в почках. Это подтверждается тем, что концентрация аммония в почечной вене может быть в 2 раза, а в моче в сотни раз больше, чем в артериях. Аминогруппы, происходящие из различных аминокислот, переаминируются с образованием глутаминовой кислоты, которая под действием глутаматдегидрогеназы подвергается окислительному дезаминированию. Дальнейший процесс образования глутамина из глутаминовой кислоты катализируется глутаминсинтетазой. Около 60% аммиака синтезируется в почках из глутамина, остальное количество - из аспарагина, аланина и гистидина. Меньшее значение в образовании аммиака имеют глицин, лейцин, аспарагиновая кислота, метионин.
Однако в литературе приведены и другие сведения. Основываясь на данных о влиянии внутривенных введений аминокислот на здоровых людей и больных циррозом печени, биохимики сделали заключение, что в зависимости от способности аминокислот продуцировать аммиак в процессе обмена веществ их следует распределить на три группы:
образующие при обмене относительно много аммиака (серии, глицин, треонин, глутамин, лизин, гистидин, аспарагин);
с нерезко выраженной способностью синтезировать аммиак (орнитин, тирозин, аланин);
не образующие аммиак в процессе метаболизма (аспарагиновая, глутаминовая кислоты, пролин, аргинин, триптофан). Такие сведения чрезвычайно важны при лечении аминокислотами заболеваний, в патогенезе которых большое значение имеет гипераминемия (циррозы печени).
Методом микропункции установлено, что аммиак синтезируется в дистальных и проксимальных канальцах почки млекопитающих.
Часть аммиака образуется в почке в реакции трансаминирования глутамина и а-кетокислоты с последующим дезаминированием.
Скорость синтеза аммиака в почке зависит от накопления в клетках продукта дезаминирования глутамина - глутамата, выделение аммиака с мочой - от состояния кислотно-щелочного равновесия: во время ацидоза экскреция его может значительно возрастать, а в условиях алкалоза - снижаться.
Белки пищи, прежде чем включиться в процессы катаболизма, подвергаются полному ферментативному гидролизу до аминокислот. Процесс начинается в желудке под действием желудочного сока, pH которого составляет 1-1,5. Активным началом при этом являются протеолитические ферменты - пепсин, выделяемый клетками слизистой желудка в форме неактивного предшественника пепсиногена, и гастриксин. Образующиеся в желудке полипептиды попадают в тонкую кишку, где под влиянием ряда ферментов (трипсина, лейцин- аминопептидазы) гидролизуются до аминокислот. Свободные аминокислоты всасываются эпителиальными клетками, выстилающими внутреннюю поверхность тонкой кишки, поступают в кровь и доставляются всем тканям, в клетках которых подвергаются метаболическим превращениям.
Незаменимые аминокислоты у человека не синтезируются. Потребность в них обеспечивается за счет пищевых продуктов. К незаменимым аминокислотам относят триптофан, лизин, метионин, лейцин, валин, изолейцин, аргинин, треонин, гистидин.
Заменимые аминокислоты синтезируются в организме из других аминокислот или соответствующих а-кетокислот. К этой группе относят цистин, пролин, тирозин, оксипролин, серин, глицин, аланин, глутаминовую, аспарагиновую кислоты.
Синтез большинства аминокислот происходит в печени. Она занимает ключевые позиции в снабжении организма аминокислотами и их катаболизме.
Исследования взаимоотношения концентраций отдельных аминокислот в крови воротной вены, печеночной вены и артерии позволили установить две фазы процесса - фиксацию и освобождение аминокислот, протекание которых связано со временем приема пищи. Большая часть аминокислот задерживается в гепатоцитах, участвуя в биосинтезе белка или подвергаясь катаболическим реакциям (переаминирование, окислительное дезаминирование, синтез мочевины). В печени происходит дезаминирование аминокислот до аммиака и мочевины. Большая часть образовавшихся кетокислот превращается в углеводы (глюконеогенез) - гликоген печени и глюкозу крови, меньшая - в жирные кислоты, кетоновые тела.
В печени осуществляется обезвреживание токсического аммиака, освобождающегося при дезаминировании аминокислот. Главный путь детоксикации аммиака - образование мочевины. Снижение интенсивности обезвреживания приводит к резкому нарастанию содержания аминокислот и аммонийных солей в крови и развитию тяжелой интоксикации. Нормально функционирующая печень имеет высокую (примерно десятикратную) степень надежности обеспечения дезаминирования аминокислот и образования мочевины.
Реакции аминокислотного обмена в скелетных мышцах не столь разнообразны, как в печени, но благодаря своей массе скелетная мускулатура занимает значительное место в аминокислотном обмене.
В скелетных мышцах происходит синтез, распад белков, обмен креатина и некоторых аминокислот. Мышцы содержат ферментные системы, катализирующие распад незаменимых аминокислот. В отличие от печени и почек в этих органах не происходит превращения кето- кислот, образовавшихся при дезаминировании аминокислот в углеводы, т. е. им не характерны процессы гликонеогенеза. В мышцах находятся в больших концентрациях таурин и карнозин, а также креатин, играющий главную роль в энергообеспечении мышечного сокращения.
Почки играют основную роль в выведении мочевины. Образовавшаяся мочевина поступает в почки с кровотоком, затем отфильтровывается в почечных клубочках, частично реабсорбируется в канальцах и выводится с мочой. Креатинин экскретируется, не реабсорбируясь в канальцах. Аминокислоты в свободной форме фильтруются в почечных клубочках и почти полностью реабсорбируются в канальцах.
У здоровых людей с аминокислотами выводится 1- 2% общего азота мочи. Увеличенное выведение аминокислот с мочой (гипераминоацидурия) может быть обусловлено внепочечными и почечными факторами.
Статью подготовил и отредактировал: врач-хирург
