АМИНОКИСЛОТЫ И ИХ НЕКОТОРЫЕ ФУНКЦИИ

АМИНОКИСЛОТЫ И ИХ НЕКОТОРЫЕ ФУНКЦИИ В ОРГАНИЗМЕ
Общее число встречающихся в природе аминокислот достигает около 300. Среди них
различают: а) аминокислоты, входящие в состав белков; б) аминокислоты, образующиеся из
других аминокислот, но только после включения последних в процесс синтеза белка (их
обнаруживают в гидролизатах белков); в) свободные аминокислоты. С точки зрения питания
выделяют эссенциальные (незаменимые) аминокислоты. Эти аминокислоты не могут
синтезироваться в организме человека и должны поступать с пищей.
Аминокислоты — полифункциональные соединения, содержащие по меньшей мере две разные
химические группировки, способные реагировать друг с другом с образованием ковалентной
пептидной (амидной) связи:
В аминокислотах амино- (—NH2) и карбоксильная (—СООН) группы присоединены к одному и
тому же атому углерода, который называют а-углеродом. Природа боковых цепей 20 протеи но
генных аминокислот приведена на рис. 2.4.
Для объяснения и понимания свойств аминокислот следует помнить следующее.
1. Аминокислоты, существуя в твердом или растворенном состоянии, всегда находятся в форме
биполярных ионов (цвиттерионов), положение равновесия которых зависит от рН среды:
Нахождение аминокислот в виде ионов обуславливает растворимость в воде и нерастворимость
в неполярных жидкостях. Большинство аминокислот растворимы в воде, но у аминокислот с
гидрофобными группами (изолейцин, лейцин, тирозин) растворимость относительно невысока. В
организме ионное состояние аминокислот определяет их всасываемость в желудочно-кишечном
тракте после гидролитического расщепления белков и транспорт к различным органам и тканям.
Способность к ионизации в кислой или щелочной среде лежит в основе разделения аминокислот
ионообменной хроматографией и электрофорезом.
Рис. 2.4. Боковые цепи аминокислот, входящих или способных включаться в состав белков
(курсивом выделены названия незаменимых аминокислот)
2. Большинство природных а-аминокислот относятся к L-стереохи-мическому ряду, однако в
некоторых пептидах (антибиотики грамицидин, актиномицин) встречаются аминокислоты D-ряда.
Последние, как правило, не усваиваются организмом человека. Аминокислоты D- и L-рядов
значительно отличаются по вкусу. Так, D-глутаминовая кислота не имеет вкуса, а L-глутаминовая
кислота обладает вкусом мяса. Получая последнюю из клейковины пшеницы, ее используют в
качестве вкусовой добавки к пищевым концентратам. Сладкий вкус имеют и другие аминокислоты L-ряда: валин, треонин, пролин, серии и т. д. Они все в большей степени привлекают к
себе внимание как заменители сахара в питании диабетиков.
3. Аминокислоты отличаются друг от друга структурой боковых цепей, от которой зависят
химические, физические свойства и физиологические функции белков в организме. Аминокислоты
с гидрофобными боковыми группами большей частью локализованы внутри белковых макромолекул, тогда как аминокислоты с полярными боковыми группами располагаются на их
поверхности. В составе полярных а-аминокислот имеются функциональные группы, способные к
ионизации (ионогенные) и не способные переходить в ионное состояние (неионогенные). При
этом кислые и основные ионогенные группы радикалов, как правило, располагаясь на поверхности
молекул белков, принимают участие в ионных (электростатических) взаимодействиях. В роли
полярных неионогенных групп в молекулах белков выступают гидроксильные группы серина, треонина и амидные группы глутамина (Глн) и аспарагина (Асн). Эти группы могут располагаться
как на поверхности, так и внутри белковой молекулы, и принимать участие в образовании
водородных связей с другими полярными группировками.
Почти все а-аминокислоты, поступающие из пищеварительного тракта человека в кровяное
русло организма, претерпевают ряд общих превращений, назначение которых заключается в
обеспечении пластическим материалом процесса синтеза белков и пептидов и осуществлении
дыхания с образованием АТФ (рис. 2.5). В основе таких превращений
Рис. 2.5. Основные функции аминокислот в организме
лежат реакции дезаминирования, трансаминировани я и декарбоксилирования. Эти реакции
подробно рассматриваются в курсе биохимии, здесь же остановимся на специфических путях
обмена и модификации отдельных а-аминокислот.
В тканях организма легко осуществляется ферментативная окислительно-восстановительная
реакция, обусловленная наличием в цистеине реакционнеспособной SH-группы:
Свойство данной аминокислоты окисляться придает ей защитные и радиопротекторные
свойства. В присутствии цистеина снижается интенсивность окислительных процессов в липидах
и белках, повышается устойчивость организма к ионизирующим излучениям и стабилизируется
качество принимаемых лекарственных препаратов. При участии двух остатков цистеина в
полипептидных цепях образуются дисульфидные связи, которые обуславливают биологическую
активность или функциональные свойства белков в составе пищи. Особо важную роль
дисульфидные связи играют в белках пшеницы, так как они придают клейковине упругие свойства
(см. Белки злаков).
Основная физиологическая роль другой серосодержащей аминокислоты — метионина —
связана с наличием лабильной метильной группы. Отдавая группу —СН3 через образование Sаденозилметионина, метионин принимает участие в синтезе глицерофосфолипидов:
В приведенных реакциях синтеза глицерофосфолипидов видна физиологическая роль и
аминокислоты серии, которая, как и треонин, в этерифицированном виде при участии фосфорной
кислоты в большом количестве входит в состав сложных белков — фосфопротеидов (казеина
молока и вителлина яйца):
Серии в свою очередь синтезируется из глицина под действием фермента, содержащего
тетрагидрофолевую кислоту (ТГФК). Эта реакция изучена с помощью метода меченых атомов:
Глицин является предшественником пуринового кольца гема крови и образует так называемые
парные соединения. С желчными кислотами, например холевой кислотой, он образует
гликохолевую кислоту, с бензойной кислотой — гиппуровую кислоту:
Гликохолевая кислота принимает участие в процессе усвоения липидов, а в форме гиппуровой
кислоты из организма выводится токсичная бензойная кислота.
Три аминокислоты — аргинин, глицин и метионин — участвуют в синтезе креатина —
соединения, с помощью которого в мышечной ткани происходит непрерывный ресинтез макроэрга
АТФ:
При участии креатина в организме человека и животных образуется креатинфосфат, который
по мере необходимости отдает свою фосфатную группу молекулам АДФ, превращаясь в
креатинин:
Креатин и циклический креатинин входят в состав мясного экстракта, их соотношение зависит
от рН среды и температуры. Так, при нагревании мяса в кислой среде в экстракте преобладает
креатинин.
В составе живых организмов, пищевых продуктов и сырья встречаются и другие, так
называемые «редкие», аминокислоты, не входящие в
состав белков. Так, р*-аланин является составной частью мясных бульонов, а бетаин —
мелассы — отхода свеклосахарного производства:
Аминокислоты цитруллин и орнитин участвуют вместе с аргинином в цикле образования
мочевины у человека и животных. Фундаментальную роль в обмене веществ живых организмов
играют глутаминовая и аспарагиновая кислоты. Они участвуют в процессах расщепления, синтеза
и переноса, часто в форме амидов:
Глутамин, например, является основной формой переноса аммиака в крови человека и вместе с
аспарагиновой кислотой служит предшественником пиримидинового кольца нуклеотидов. Азот 1
происходит из аспарагиновой кислоты, азот 3 — из глутамина, углерод 4, 5, 6 кольцу отдает
аспарагиновая кислота, а углерод 2 происходит от СО2. Предварительно молекула СО2 и амидная
группа глутамина образуют карбамоилфосфат:
Реакции декарбоксилирования глутаминовой кислоты с образованием у-аминомасляной
кислоты, относящейся к группе медиаторов, отводится важная роль в обмене веществ мозга и
нервной ткани.
С обменом глутаминовой кислоты тесно связан обмен пролина, который синтезируется из нее в
результате восстановления пролиндегидрогеназой. Пролин играет важную роль при
формировании структуры коллагена и белков пшеничной клейковины,, вызывая изгибы в полипептидных цепях. В фибриллярных белках соединительной ткани мяса и коллагене, наряду с
пролином, встречаются 4-оксипролин и 5-окси-лизин, образующиеся за счет окисления
соответствующих аминокислот уже после включения в белок. Присутствие оксипролина в мясных
и колбасных изделиях оказывает влияние на их качество и учитывается при его оценке.
Тирозин является ответственным за окраску волос, кожи, глаз, за темный цвет пищевых
продуктов (например, ржаного хлеба), так как с его участием синтезируются темноокрашенные
пигменты — меланины. Механизм реакции до конца не изучен, но известны первые этапы их
синтеза. Под действием медьсодержащего фермента тирозин превращается в диоксифенилаланин
(ДОФА), который далее окисляется, циклизуется, образуя индолхинон. Полимеризация
последнего приводит к синтезу меланинов:
Образование меланинов усиливается под влиянием ультрафиолетовых лучей (при загаре) и
может быть причиной злокачественных новообразований. При наследственном заболевании —
альбинизме, характеризующемся отсутствием фермента тирозиназы, наоборот, не наблюдается
пигментации кожи, волос, но присутствует боязнь света. Сам же тирозин образуется из
фенилаланина. В здоровом организме реакция синтеза тирозина протекает с участием
двухкомпонентного фермента фенилала-нингидроксилазы по схеме:
При наследственном заболевании фенилкетонурией у человека происходит мутация гена,
который кодирует синтез одного из компонентов фермента, содержащего в качестве переносчика
водорода соединение биоптерин. Наследственная аномалия, сопровождающаяся тяжелой умственной отсталостью, характеризуется превращением фенилаланина не по указанному выше
пути, а по типу переаминирования с избыточным накоплением фенилпировиноградной кислоты в
моче:
Снизить степень умственной отсталости, особенно у детей в раннем возрасте, можно с
помощью понижения содержания фенилаланина в пище, чтобы избыток последнего не оказывал
токсического действия на клетки головного мозга. Известен и ряд других врожденных заболеваний, связанных с нарушением обмена аминокислот. Так, алкаптонурия возникает в результате
недостатка оксидазы гомогентизиновой кислоты — продукта обмена тирозина, гиперпролинемия
— из-за недостатка фермента пролиноксидазы, а цитруллинемия обусловлена нарушением цикла
образования мочевины, так как в организме не синтезируется аргининсукцинатси нтетаза.
Незаменимая аминокислота триптофан служит предшественником никотиновой кислоты, НАД
и НАДФ, серотонина и индол ил уксусной кислоты — гормона роста растений. Серотонин,
обладая сосудосуживающим действием, синтезируется в клетках кишечника и нервной ткани. Из
организма он выводится в виде гидрооксииндол ил уксусной кислоты (ГИУК):
Из тирозина и триптофана, содержащихся в пище, при участии микробных ферментов в
кишечнике образуются ядовитые продукты — крезол, фенол, скатол, индол, обезвреживание
которых происходит в печени путем связывания с серной или глюкуроновой кислотой с образованием нетоксичных (парных) кислот, например фенолсерной кислоты.
В результате декарбоксилирования аминокислот в организме образуются некоторые важные
биогенные амины. Образование и роль этанола-мина, серотонина и у-аминомасляной кислоты уже
рассмотрено. Здесь же отметим, что декарбоксилирование аспарагиновой кислоты обеспечивает
синтез (3-аланина, являющегося составной частью биологически активных соединений —
КоАиАПБ, а декарбоксилирование лизинаиорнитина под влиянием ферментов кишечной
микрофлоры приводит к образованию ядовитых диаминов — кадаверина и путресцина. В
здоровом организме оба амина полностью обезвреживаются в слизистой оболочке кишечника.
Часть аминокислот выполняет роль медиаторов — веществ, принимающих участие в передаче
нервных импульсов от одной нервной клетки к другой. При раздражении нервных волокон
медиаторы реагируют со специфическим рецептором и обеспечивают соответствующую физиологическую функцию: регуляцию сна, бодрствования, сердечно-сосудистой деятельности,
терморегуляцию тела. К медиаторам относятся ацетилхолин, глутаминовая и аспарагиновая
кислота, глицин, ГАМК, гистамин, серотонин, норадреналин.
Таким образом, приведенные сведения показывают, какую большую роль играют
аминокислоты в синтезе важнейших физиологически активных соединений в организме и
обеспечении некоторых свойств пищевого сырья и продуктов. Обобщенная схема представлена на
рис. 2.6.
НЕЗАМЕНИМЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ.
ЦЕННОСТЬ БЕЛКОВ
ПИЩЕВАЯ
И
БИОЛОГИЧЕСКАЯ
Все живые организмы различаются по способности синтезировать аминокислоты, необходимые
для биосинтеза белков. В организме человека синтезируется только часть аминокислот, другие
должны доставляться с пищей. Первые из них называются заменимыми, вторые — незаменимыми
(см. рис. 2.4). Заменимые аминокислоты способны заменять одна другую в рационе, так как они
превращаются друг в друга или синтезируются из промежуточных продуктов углеводного или
липидного обмена. Для незаменимых аминокислот такие пути обмена существуют только у
растений и некоторых микроорганизмов, например Е. coli.
Жизнедеятельность человека обеспечивается ежедневным потреблением с пищей
сбалансированной смеси, содержащей восемь незаменимых аминокислот и две частично
заменимые. Незаменимые представлены аминокислотами с разветвленной цепью углерода —
лейцином, изо-лейцином и валином, ароматическими — фенилаланином, триптофаном и
алифатическими — треонином, лизином и метионином. Так как из ме-тионина и фенилаланина в
организме синтезируется цистеин и тирозин, соответственно, то наличие в пище в достаточном
количестве этих двух заменимых аминокислот сокращает потребность в незаменимых предшественниках.
К частично заменимым аминокислотам относят аргинин и гистидин, так как в организме они
синтезируются довольно медленно. Недостаточное потребление аргинина и гистидина с пищей у
взрослого человека в целом не сказывается на развитии, однако может возникнуть экзема или
нарушиться синтез гемоглобина. В аргинине и гистидине особенно нуждается молодой организм.
Отсутствие в пище хотя бы одной незаменимой аминокислоты вызывает отрицательный
азотистый баланс, нарушение деятельности центральной нервной системы, остановку роста и
тяжелые клинические последствия типа авитаминоза. Нехватка одной незаменимой аминокислоты
приводит к неполному усвоению других. Данная закономерность подчиняется закону Либиха, по
которому развитие живых организмов определяется тем незаменимым веществом, которое
присутствует в наименьшем количестве.
Зависимость функционирования организма от количества незаменимых аминокислот
используется при определении биологической ценности белков химическими методами. Наиболее
широко используется метод X. Митчела и Р. Блока (Mitchell, Block, 1946), в соответствии с которым рассчитывается показатель аминокислотного с кора (а. с). Скор выражают в процентах или
безразмерной величиной, представляющей собой отношение содержания незаменимой
аминокислоты (а. к.) в исследуемом белке к ее количеству в эталонном белке. При расчете скора (в
%) формула выглядит следующим образом:
Аминокислотный состав эталонного белка сбалансирован и идеально соответствует
потребностям организма человека в каждой незаменимой кислоте, поэтому его еще называют
«идеальным». В 1973 г. в докладе ФАО и ВОЗ опубликованы данные по содержанию каждой
аминокислоты в эталонном белке. В 1985 г. они были уточнены в связи с накоплением новых
знаний об оптимальном рационе человека (табл. 2.1).
Аминокислота, скор которой имеет самое низкое значение, называется первой лимитирующей
аминокислотой. Значение скора этой аминокислоты определяет биологическую ценность и
степень усвоения белков. Наглядно показатель биологической ценности можно изобразить в виде
самой низкой доски бочки Либиха на примере белков пшеницы (рис. 2.7). Полная емкость бочки
соответствует «идеальному» белку, а высота доски лизина — биологической ценности
пшеничного белка.
Таблица 2.1. Рекомендуемые составы и суточная потребность человека в незаменимых аминокислотах (мг/г белка)
Незаменимые
аминокислоты
ФАО/ВОЗ(1985г.)
Дети
2...5 лет
Изолейцин
Лейцин
Лизин
Метионин + цистин
Фенилаланин
тирозин
Треонин
+
ФАО/
Мг/кг
ВОЗ (1973 массы тела
Дети
Подрос г.)
10... 12 лет тки
Взрослые
28
66
58
25
63
28
44
44
22
22
13
19
16
17
19
40
70
55
35
60
10
14
12
13
14
34
28
9
25
9
5
13
40
10
50
7
3,5
10
Триптофан
11
Валин
35
Другой метод определения биологической ценности белков заключается в определении индекса
незаменимых аминокислот (ИНАК). Метод представляет собой модификацию метода химического
скора (Oser, 1951) и позволяет учитывать количество всех незаменимых кислот. Индекс рассчитывают по формуле:
где я — число аминокислот; индексы б, э — содержание аминокислоты в изучаемом и эталонном белке, соответственно.
Помимо химических методов на практике широко применяют биологические методы с использованием микроорганизмов и животных. Основными показателями оценки при этом являются
привес (рост животных) за определенный период времени, расход белка и энергии на единицу
привеса, коэффициенты перевариваемости и отложения азота в теле, доступность аминокислот.
Показатель, определяемый отношением привеса животных (в г) к количеству потребляемого белка
(в г), разработан П. Осборном (Osborn, 1919) и носит название коэффициента эффективности
белка (КЭБ). Для сравнения при определении показателя используют контрольную группу
животных со стандартным
белком — казеином, в количестве, обеспечивающем в рационе 10% белка. В опытах на крысах
эффективность казеинового белка равна 2,5. Каждый из методов имеет как преимущества, так и
недостатки.
Животные и растительные белки заметно отличаются по биологической ценности.
Аминокислотный состав животных белков близок к аминокислотному составу белков человека.
Животные белки являются полноценными, тогда как растительные — из-за относительно низкого
содержания в них лизина, триптофана, треонина и других по сравнению с мясом, молоком и
яйцами — неполноценны. В табл. 2.2 приводится содержание незаменимых аминокислот, включая
лимитирующие, в наиболее распространенных пищевых продуктах. С помощью этих данных можно ориентировочно составлять пищевой рацион, комбинируя белки различного происхождения в
целях дополнения их по аминокислотному составу. Белки пшеницы, например, содержат
недостаточное количество лизина (первая лимитирующая кислота) и треонина (вторая
лимитирующая кислота), но эти аминокислоты в избытке присутствуют в казеине молока. С
другой стороны, нехватка в казеине серосодержащих аминокислот компенсируется содержанием
их в белках пшеницы. Важно помнить, что при избыточном потреблении животных белков в
организм поступает повышенное количество насыщенных жирных кислот и холестерина. Поэтому
целесообразнее составлять диету, содержащую достаточное количество растительного белка, но из
разных его источников. Например, смесь кукурузы с фасолью обеспечит комплементарный состав
белка и ликвидирует дефицит триптофана, лизина, метионина. Следует помнить, что сохранение
нормального веса и работоспособности человека обеспечивается не только количеством и
соотношением незаменимых аминокислот, но и содержанием общего азота. При его
недостаточном количестве биологическая ценность белков понижается.
Наряду с аминокислотным составом биологическая ценность белков определяется и степенью
их усвоения после переваривания. Степень переваривания, в свою очередь, зависит от
структурных особенностей, активности ферментов, глубины гидролиза в желудочно-кишечном
тракте и вида предварительной обработки белков в процессах приготовления пищи (тепловой,
гидротермической, в поле СВЧ и т. д.). Так, белки кожи и кератин волос из-за фибриллярной
структуры вообще не используются человеком, несмотря на их близкий аминокислотный состав к
составу белков тела. Тепловая обработка, разваривание, протирание и измельчение ускоряют
переваривание белка, особенно растительного, тогда как нагревание при очень высоких
температурах (свыше 100°С) затрудняет его.
Животные белки имеют более высокую усвояемость, чем растительные. Из животных белков в
кишечнике всасывается более 90% аминокислот, а из растительных — только 60—80%. В порядке
убывания скорости
усвоения белков в желудочно-кишечном тракте пищевые продукты располагаются следующим
образом: рыба > молочные продукты > мясо > > хлеб > крупы. Одной из причин более низкой
усвояемости растительных белков является их взаимодействие с полисахаридами (целлюлозой,
гемииеллюлозами), которые затрудняют доступ пищеварительных ферментов к полипептидам.
При недостатке в пище углеводов и жиров требования к белку (как носителю пищевой
ценности) особенно возрастают, так как наряду с биологической ролью он начинает выполнять и
энергетическую роль. С другой стороны, при избыточном содержании белков (на фоне
необходимого количества основных энергетических компонентов) возникает опасность синтеза
липидов и ожирения организма.