Механизмы белкового (азотистого) баланса
Обновлено: 16.05.2024
Белки являются основным пластическим материалом, из которого построены клетки и ткани организма. Они являются составной частью мышц, ферментов, гормонов, гемоглобина, антител т других жизненно важных образований. В состав белков входят различные аминокислоты, к вторые подразделяются на заменимые и незаменимые. Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в организме, а незаменимые (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, триптофан, треонин, фенилаланин, аргинин и гистидин) поступают только с пищей.
Поступившие в организм белки расщепляются в кишечнике до аминокислот и в таком виде всасываются в кровь и транспортируются в печень. Поступившие в печень аминокислоты подвергаются дезаминированию и переаминированию. Эти процессы обеспечивают синтез видоспецифичных аминокислот.. При избыточном поступлении белков с пищей, после отщепления от них аминогрупп, они превращаются в организме в углеводы и жиры. Белковых депо в организме человека нет.
Наряду с основной, пластической функцией, белки могут играть роль источников энергии. При окислении в организме 1 г белка выделяется 4.1 ккал энергии. Конечными продуктами расщепления белков в тканях являются мочевина, мочевая кислота, аммиак, креатин, креатинин и некоторые другие вещества. Они выводятся из организма почками и частично потовыми железами.
О состоянии белкового обмена в организме судят по азотистому балансу, т. е. по соотношению количества азота, поступившего в организм, и его количества, выведенного из организма
Регуляция обмена белков
Нейроэндокринная-регуляция обмена белков осуществляется группой гормонов.
Соматотропный гормон гипофиза во время роста организма стимулирует увеличение массы всех органов и тканей. У взрослого человека он обеспечивает процесс синтеза белка за счет повышения проницаемости клеточных мембран для аминокислот, усиления синтеза информационной РНК в ядре клетки и подавления синтеза катепсинов — внутриклеточных протеолитических ферментов.
Существенное влияние на белковый обмен оказывают гормоны щитовидной железы — тироксин и трийодтиронин. Они могут в определенных концентрациях стимулировать синтез белка и благодаря этому активировать рост, развитие и дифференциацию тканей и органов.
Гормоны коры надпочечников — глюкокортикоиды (гидрокортизон, кортикостерон) усиливают распад белков в тканях, особенно в мышечной и лимфоидной. В печени же глюкокортикоиды, наоборот, стимулируют синтез белка.
Состояние белкового обмена оценивается по азотистому балансу. Это соотношение количества азота поступающего с белками пищи и выделенного из организма с азотсодержащими продуктами обмена. В белке содержится около 16 г азота. Следовательно выделение 1 г азота свидетельствует о распаде в организме 6,25 г белка. Если количество выделяемого азота равно количеству поглощенного организмом имеет место азотистое равновесие. Если поступившего .азота больше, чем выделенного, это называется положительным .азотистым балансом. В организме происходит задержка или ретенция азота. Положительный азотистый баланс наблюдается при росте организма, при выздоровлении после тяжелых заболевания, сопровождавшихся похуданием и после длительного голодания. Когда количество азота, выделенного организмом больше, чем поступившего, имеет место отрицательный азотистый баланс. Его возникновение объясняется распадом собственных белков организма. Он возникает при голодании, отсутствии в пище незаменимых аминокислот, нарушениях переваривания и всасывания белка, тяжелых заболеваниях. Количество белка которое полностью обеспечивает потребности организма называется белковым оптимумом. Минимальное, обеспечивающее лишь сохранение азотистого баланса - белковым минимумом. ВОЗ рекомендует потребление белка не менее 0,75 г на кг веса в сутки. Энергетическая роль белков относительно небольшая
Механизмы белкового (азотистого) баланса
Обмен белков и аминокислот в организме
В последние десятилетия были предприняты значительные усилия, направленные на понимание регуляции белкового обмена у новорожденных. Эта область исследования является наиболее актуальной, поскольку на протяжении того же периода количество случаев преждевременного родоразрешения в США значительно увеличилось. В 2005 г. гестационный возраст 12,5% детей, родившихся в США, составлял менее 37 нед (повышение на 31% по сравнению с 1981 г.).
Повышенная частота преждевременных родов и очень низкая масса тела детей при рождении создают многочисленную популяцию новорожденных, которым необходима дополнительная нутритивная поддержка. Большинство неонатологов согласятся с тем, что, хотя усовершенствование процесса перинатальной помощи увеличило выживаемость, современные нормы питания для многих недоношенных детей и детей с ОНМТ не являются оптимальными.
Итак, существует необходимость в дальнейшем изучении проблемы, каким образом с помощью нутритивной поддержки можно обеспечить максимальный рост новорожденных.
Технологический прогресс, достигнутый благодаря использованию меченных изотопами аминокислот в качестве индикаторов и основным достижениям молекулярной биологии, начал проливать свет на механизм и клиническое воздействие аминокислот на интенсификацию роста и увеличение объема белков в растущем организме новорожденных.
Данные, полученные в результате этих исследований, показывают, что текущие рекомендации по употреблению в пищу белков и аминокислот могут быть неадекватными в плане обеспечения максимального роста и увеличения объема белков у младенцев, родившихся преждевременно.
В задачи дальнейших статей на сайте входит, во-первых, провести обзор основных представлений о белковом обмене, синтезе и кругообороте белка, уделяя больше внимания потребностям новорожденных, необходимым для их роста. Во-вторых, сделать обзор текущих рекомендаций по кормлению недоношенных детей, уделяя особое внимание потреблению белка.
Процесс, при котором белки организма непрерывно разрушаются и ресинтезируются, называют кругооборотом белка. Этот термин, используемый в собирательном значении, обозначает как синтез белка, так и его распад. В дополнение к обмену аминокислот, который происходит при образовании и распаде белков, аминокислоты также необратимо утрачиваются, распадаясь в процессе метаболизма. В организме, в котором сохраняется белковый баланс, количество аминокислот, утраченных в результате распада, эквивалентно количеству аминокислот, полученных с пищей.
Деградация белков заключается в удалении азота, главным образом в виде мочевины и аммиака, а также в расщеплении оставшихся углеродов, относящихся к углеродному скелету. Конечным результатом деградации углеродного скелета является обеспечение организма энергией либо непосредственно, либо через формирование простых соединений, например глюкозы и жирных кислот, которые затем могут быть сохранены или метаболизированы для получения энергии. Потребности организма регулируют интенсивность подачи (потока) аминокислот с помощью метаболических путей.
Энергетический баланс и баланс азота влияют на то, используются ли для синтеза аминокислот и/или углеводов аминокислоты и их углеродный скелет или же они окисляются для выработки энергии. Следует отметить, что, если бы продукты, образовавшиеся в результате распада содержащихся в организме белков, были на 100% утилизированы повторно для образования 20 классических аминокислот, необходимость потреблять белок в рационе сводилась бы к минимуму. Тем не менее отдельные аминокислоты не могут быть синтезированы в человеческом организме даже при наличии достаточного количества азота. Эти аминокислоты называют незаменимыми (основными) аминокислотами.
Аминокислоты в организме также преобразуются в конечные небелковые продукты. Небелковые производные включают в себя такие соединения, как пуриновые и пиримидиновые основания, медиаторы (например, серотонин), а также непептидные гормоны (например, катехоламины). Количество аминокислот, участвующих в этих небелковых путях превращения, гораздо меньше общего количества аминокислот, участвующих в синтезе белков и их распаде.
Поскольку аминокислот, необратимо используемых для синтеза небелковых соединений, как правило, гораздо меньше, чем тех аминокислот, которые были использованы либо для синтеза белков, либо для окисления аминокислот, при оценке кругооборота белка и баланса азота эти пути часто игнорируют. Тем не менее количество некоторых из этих синтезированных соединений может быть значительным (например, при образовании гема, нуклеиновых кислот), поэтому уменьшение числа этих соединений может стать значимым для некоторых аминокислот в продолжительные периоды недостаточного потребления белков.
Этапы синтеза белка в организме
В самом общем понимании термин «синтез белка» означает несколько процессов, необходимых для преобразования гена в функциональный белок. Каждый процесс состоит из нескольких этапов, а регулирование может происходить на одном или нескольких этапах в рамках каждого процесса.
За последние 30 лет были достигнуты определенные успехи в понимании регуляции синтеза белка на молекулярном уровне, и теперь благодаря сведениям о полной последовательности генома у все большего числа различных организмов, в том числе грызунов и человека, новая информация, проясняющая и расширяющая наше понимание регуляции синтеза белка, накапливается быстрее, чем когда бы то ни было в прежние времена.
Обнаружение того, что геном человека содержит около 35 000 генов — примерно в 2 раза больше, чем было выявлено у беспозвоночных, — заставило научное сообщество пересмотреть влияние генома на разнообразие и сложность строения животного мира. В настоящее время принято считать, что движущей силой клеточного разнообразия является более глобальная регуляция синтеза белка.
Несомненно, у недоношенных и доношенных новорожденных движущей силой роста и развития является интенсификация синтеза белка. Основной прогресс в понимании того, каким образом нутритивные вещества (в частности, аминокислоты и глюкоза) регулируют синтез белка у недоношенных детей в возрасте до 1 мес, был достигнут с развитием модели новорожденных поросят.
Инфузия меченых аминокислот-маркеров в сочетании с разработанными в молекулярной биологии методами предоставила научному и медицинскому сообществу возможность более глубокого осмысления факторов, контролирующих накопление белков организмом. Кроме того, эти технологические достижения позволили исследовать влияние получаемого с питанием белка на отдельные ткани и органы в естественных условиях.
В эукариотических клетках способность экспрессировать биологически активные, или функциональные, белки попадает под основное регулирование по нескольким пунктам: транскрипция ДНК, обработка РНК, стабильность мРНК, трансляция мРНК и посттрансляционная модификация белка и его сворачивание.
Если бы содержание белков в клетке определялось на уровне транскрипции, взаимозависимость между уровнями белка и мРНК была бы линейной. На самом же деле связь между уровнями мРНК и содержанием белка в одной клетке является слабой, подчеркивая тот факт, что в регуляции содержания белка в клетке доминируют посттранскрипционные процессы. По этой причине двум последним пунктам регулирования (трансляция мРНК и посттрансляционные модификации белков и их сворачивание) в следующих статьях на нашем сайте уделено особое внимание.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Для упрощения понимания процесса все тканевые и циркулирующие белки рассматривают вместе: более того, все свободные аминокислоты упрощают до единого однородного пула, а не рассматривают в сложных взаимодействиях в крови, тканях и внутриклеточных компартментах.
Это упрощение оказалось полезным при разработке концепции и совершенствовании методов измерения обмена аминокислот в свободном и связанном состояниях. Обмен свободных аминокислот с белками организма происходит в ходе процессов синтеза белка и его распада, а также на протяжении всего существования аминокислот от поступления их с пищей до исчезновения при окислении.
Незаменимые свободные аминокислоты поступают в пул организма после переваривания и всасывания белков пищи, а также в результате распада белков организма. Удаление свободных аминокислот из пула происходит либо при синтезе белка, либо посредством их экскреции путем окисления до СО2 и выделения сопутствующих метаболитов азота, преимущественно аммиака и мочевины.
Если количество свободных аминокислот в пуле постоянно, то сумма процессов, удаляющих аминокислоты (синтез белка плюс окисление) равна сумме процессов, посредством которых аминокислоты поступают в свободный пул (деградация белков плюс поступление аминокислот с пищей). Это можно выразить с помощью следующей формулы: S+E=D+I.
При азотистом равновесии потребление азота (I) эквивалентно экскреции азота (Е) и синтез белка (S) равен распаду белка (D). Чтобы происходил рост клеток, необходимо добиться положительного баланса азота, а следовательно, преобладания синтеза белков или их аккреции (S > D). Верно и обратное: для достижения отрицательного баланса азота должны иметь место преимущественный распад белка или его потеря (S < D).
Из описанных соотношений становится ясно, что белок удерживается в организме, когда синтез преобладает над распадом, и организм утрачивает белок, когда распад преобладает над синтезом. В отличие от метода оценки баланса азота, который измеряет только «результирующие» изменения в содержании белков организма, оценка синтеза белка и его распада показывает, что изменение баланса происходит различными путями. Например, потеря белка в организме возможна:
(1) из-за снижения интенсивности синтеза белка без изменения темпов его распада;
(2) из-за увеличения темпов распада без снижения интенсивности синтеза белка;
(3) вследствие изменений, происходящих в обоих процессах, в силу чего один из них доминирует над другим.
При некоторых патологических или стрессовых состояниях распад белка преобладает над синтезом, причем скорость как синтеза белка, так и его распада выше, чем у здоровых лиц. Положительный баланс белка может быть достигнут за счет интенсификации синтеза белка, уменьшения распада или изменений и в синтезе белка, и в его распаде, при которых синтез доминировал бы над распадом.
Например, у выздоравливающих от гипотрофии детей скорость синтеза и распада белка увеличивается, но интенсификация синтеза в большей степени, чем усиление распада, дает положительный баланс белка. Таким образом, измерения синтеза и распада белка обеспечивают информацией о том, какого рода изменения происходят в белковом балансе.
Стоит отметить, что, хотя упомянутое объяснение базируется на содержании белка во всем организме, концепция равновесия между процессами синтеза и распада также строится на уровне отдельных тканей или органов и для отдельных белков.
Азотистый баланс и нормы белка в питании.
Белки в организме человека выполняют множество функций:
Аминокислоты так же играют важную роль и в структурной организации и в метаболизме живых объектов. Они так же выполняют функции
энергетическую пластическую и др.
На белки приходится примерно 45% сухой массы тела, что указывает на важную роль белков в организме человека. В таких органах как мышцы, легкие, селезенка, печень на долю белков приходиться 80-85% их сухой массы, даже в костях на долю белков приходиться около 30% их сухой массы.
Белки органов и тканей находятся в состоянии постоянного обновления т.е. в состоянии динамического равновесия между процессами их синтеза и распада. Установлено, что в организме человека с массой тела 70 кг ежесуточно обновляется около 400 гр. белков.
Скорость ресинтеза белков принято характеризовать с помощью такого показателя как период полуобновления или период полураспада - промежуток времени в течении которого в том или ином органе обновляется половина белков. Период полуобновления белков для печени человека и плазмы крови составляет всего 10 суток. Для мышц - 180 дней.
Для обеспечения синтеза белков организм нуждается в сбалансированной смеси из 20 аминокислот входящих в состав подавляющего числа белков. В то же время растения и микроорганизмы способны синтезировать все необходимые им аминокислоты.
Незаменимые аминокислоты.
Вал, лей, иле, фен, три, мет, тре, лиз.
Две ам.к аргинин и гистидин частично синтезируются в организме человека, но этот синтез не покрывает потребности в них, поэтому они относятся к условно заменимым ам.к. Все остальные аминокислоты считаются заменимыми, однако необходимо отметить, что заменимость тирозина и цистеина достаточно условна , поскольку для их синтеза используются незаменимые фенилаланин и метионин. Поэтому при недостатке этих аминокислот автоматически увеличивается потребность в заменимых фенилаланине и метионине.
Азотистый баланс и нормы белка в питании.
Большая часть азота поступающая в организм человека с пищей (95%) представляет собой азот белков или аминокислот. В то же время основная часть азота выводимая из организма в составе конечных продуктов метаболизма представляет собой азот расщепленных в клетках аминокислот. Из этого следует вывод, что состояние белкового обмена в организме может оцениваться по соотношению поступающего с пищей азота и азота выводимого из организма - азотистый баланс.
Может быть положительным - в этом случае в организм поступает больше азота чем выводиться из организма т.е. наблюдается задержка азота в организме. Положительный азотистый баланс характерен для организма детей, а так же для людей выздоравливающих после тяжелой длительной болезни.
При отрицательном азотистом балансе выведение азота из организма превышает его поступление с пищей. Это свидетельствует о потере азота организмом и чаще всего является результатом усиленного распада белков в организме человека который не компенсируется синтезом. Такая ситуация встречается при длительном голодании или при тяжелых заболеваниях. Такая ситуация характерна для людей пожилого и старческого возраста.
Для здоровых взрослых людей характерно азотистое равновесие, т.е. такое состояние азотистого баланса при котором поступление азота с пищей эквивалентно выведению его из организма. Необходимо подчеркнуть, что состояние азотистого баланса следует несомненно оценивать применительно к каждому индивидууму.
Например положительный азотистый баланс для здорового ребенка является нормой, но в то же время положительный азотистый баланс при патологии почек свидетельствует о задержки азотистых шлаков. Положительный азотистый баланс в процессе выздоровления после тяжелой болезни несомненно является свидетельством улучшения состояния пациента. Полное исключение белка из пищи приводит к развитию отрицательного азотистого баланса.
Экспериментально установлено, что в условиях полного отсутствия белков в пищи и при компенсации энергозатрат организма достаточным количеством углеводов и жиров выведение азота стабилизируется и составляет 53 мг/кг веса. Для 70 кг человека это эквивалентно ежесуточному расщеплению 23,2 гр белков. Эта величина получила название коэффициента изнашивания. Отсюда понятно, что человек не может длительное время находиться на рационе лишенным белков и аминокислот. Поскольку из ежесуточного расщепления белков их количество снижается ниже критического уровня и приводит к смерти.
Каким же должно быть минимальное количество белков суточного рациона?
Минимальным можно считать то количество белка, которое обеспечивает состояние азотистого равновесия. Это минимальное количество белков пищевого рациона обеспечивающего азотистое равновесие получило название физиологический минимум белка. В условиях смешанной диеты физиологический минимум белка составляет величину порядка 35-40 гр в сутки, т.е. примерно в 2 раза выше коэффициента изнашивания. Но следует отметить, что величина физиологич. мин. белка в значительной степени зависит от полноценности белка потребленным данным индивидуумом.
Полноценность белка определяется:
во-первых способностью ферментов пищеварительного тракта расщеплять эти белки до аминокислот.
во-вторых полноценность определяется его аминокислотным составом
Ряд таких белков как например кератины, фиброин практически не расщепляются ферментами желудка и кишечника, поэтому не усваивается организмом. Мы не можем закусывать жареным копытом.
С другой стороны некоторые белки или вообще не содержат отдельных аминокислот или содержит их в явно недостаточном количестве. Типичным примером является коллаген, который не содержит триптофана. Белок кукурузы содержит мало лизина.
Несомненно, что наиболее полноценными белками будут те белки, аминокислотный состав которых наиболее близок к суммарному аминокислотному составу белков человеческого организма. С учетом этих показателей несомненно, что количество белков из различных пищевых продуктов, обеспечивающих у взрослых поддержание азотистого равновесия, колеблется в очень широких пределах. Например яйцо куриное : содержание здесь белков составляет около 20 гр., в треске 21,6 гр. Полноценными белками являются белки животного происхождения. ВОЗ считает, что оптимальное содержание белка в пищи является его количество определяемое из расчета 1 гр белка на 1кг веса. По отечественным нормам 1,5 гр. на кг.
В обычных условиях люди питаются смешанной пищей, поэтому недостаточность той или иной аминокислоты встречается редко. При обычном смешанном рационе количество пищи, обеспечивающая организм образованием примерно 1000 ккал содержит потребное количество всех незаменимым аминокислот.
Читайте также: