Белковый обмен занимает особое место в многообразных превращениях веществ, характерных для всех живых организмов. Выполняя ряд уникальных функций, свойственных живой материи, белки определяют не только микро- и макроструктуру отдельных субклеточных образований, специфику клеток, органов и целостного организма (пластическая функция), но и в значительной степени динамическое состояние между организмом и окружающей его внешней средой. Белковый обмен весьма строго специфичен, обеспечивая непрерывность воспроизводства и обновления белковых тел организма. В течение всей жизнедеятельности в организме постоянно и с высокой скоростью совершаются два противоположных процесса - распад, расщепление органических макромолекул и надмолекулярных структур и синтез этих соединений. Этими процессами обеспечиваются катаболические реакции и процессы синтеза строгой структурной организации живого из хаоса веществ окружающей среды, причем "тон" в последнем процессе задают именно белки. Все остальные виды обмена подчинены этой глобальной задаче живого - самовоспроизведению себе подобных путем программирования синтеза специфических белков, используя для этого энергию в виде липидов, строительный материал в виде углеродных остатков аминокислот при обмене углеводов и др.

Белки, как и углеводы и жиры, выполняют также важную энергетическую роль, в особенности при избыточном их поступлении с пищей или когда белки тела подвергаются распаду и используются в качестве пищи при голодании и патологии, например при сахарном диабете. Как известно, при сгорании 1 г белков освобождается энергия, равная 16,8 кДж. Однако эта энергия может быть полностью заменена энергией окисления углеводов и липидов. Следует подчеркнуть, что исключение на длительный срок углеводов и жиров из пищи у животных обычно не вызывает существенных поражений. Исключение белков из пищи даже на короткий срок приводит к серьезным нарушениям, а иногда и к необратимым патологическим явлениям. Если животных посадить на малобелковую диету, то у них очень быстро развивается белковая недостаточность - болезнь, характеризующаяся нарушением ряда важных физиологических функций организма. Аналогичные изменения наблюдаются и у людей при недостаточном потреблении белка. Следовательно, белки являются незаменимыми веществами для организма, выполняя прежде всего пластическую роль. Однако этим не ограничивается специфическая роль белков. В опытах на крысах было показано, что белковая недостаточность у животных проявляется не столько в уменьшении органов и тканей, сколько в снижении активности ферментов, являющемся следствием падения количества апофермента, а ферменты являются абсолютно необходимыми веществами для всех химических превращений в организме.

Таким образом, помимо пластической роли, белки выполняют уникальную функциональную, точнее каталитическую, роль. Этой функцией не наделены ни углеводы, ни жиры, ни какие-либо другие вещества органической природы. Следует указать также, что белки (соответственно и продукты их гидролиза - аминокислоты) принимают непосредственное участие и в биосинтезе ряда гормонов, регулирующих процессы обмена веществ в организме. Таким образом, именно белковый обмен координирует, регулирует и интегрирует многообразие химических превращений в целостном живом организме, подчиняя его сохранению вида, непрерывности жизни. Этим объясняется повышенный интерес исследователей к проблемам белкового обмена, открывающим путь к познаниям закономерностей синтеза белков и многих тайн природы.

Характерной особенностью белкового обмена является его чрезвычайная разветвленность. Достаточно указать, что в превращениях 20 с лишним аминокислот белковой молекулы в организме животных участвует несколько сотен промежуточных продуктов азотистого обмена, тесно связанных с промежуточными метаболитами обмена углеводов и липидов. Число ферментов, катализирующих химические реакции азотистого обмена, также исчисляется сотнями. Если к этому добавить, что блокирование одного какого-либо специфического пути обмена даже одной аминокислоты может привести к появлению совершенно неизвестных продуктов обмена, поскольку возникают условия для осуществления неспецифического пути окисления всех предшествующих компонентов в данной цепи реакции, то становятся понятными трудности исследования и интерпретации полученных данных о механизмах регуляции процессов азотистого обмена в норме и особенно при патологии. Все это свидетельствует об исключительной перспективности изучения обмена белков с целью выяснения особенностей метаболизма, синтеза полимерных молекул специфических белков, с которыми связаны нормальные рост и развитие организма. Овладение тонкими механизмами биосинтеза белка, несомненно, даст в руки исследователя ключ к целенаправленному воздействию на многие процессы жизни, как и на развитие и течение патологических процессов.

ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВ ТЕЛА

Кажущаяся стабильность химического состава целостного организма является результатом существования определенного равновесия между скоростями синтеза и распада его составляющих. В настоящее время в связи с внедрением в биохимическую и клиническую практику метода меченых атомов однозначно доказано, что белки нужны не только растущему, но и сформировавшемуся организму, когда его рост прекращается, т. е. имеются доказательства существования в организме механизма постоянного обновления химических составных частей тела. При нормальных физиологических условиях, как и при патологических состояниях, скорости синтеза и распада специфических веществ определяются, помимо нервно-гуморального влияния, химической природой вещества и внутриклеточной его локализацией. В растущем организме при образовании новых органов и тканей скорость синтеза многих его компонентов превалирует над скоростью распада. Тяжелые изнуряющие болезни, а также голодание, напротив, характеризуются преобладанием скорости катаболизма над скоростью синтеза. Почти все белки тела, включая "структурные", гемоглобин, белки плазмы и других биологических жидкостей организма, также подвергаются постоянному распаду и синтезу. Так, например, более половины белков печени и слизистой оболочки кишечника подвергается распаду и ресинтезу в течение 10 дней. Медленнее обновляются белки мышц кожи и мозга. Об исключительно высокой скорости обновления белков свидетельствуют данные, представленные в табл. 31.

Введенные в организм меченые аминокислоты быстро включаются в белки тканей. В период наиболее интенсивного роста в организме человека синтезируется около 100 г белков в сутки, из которых на долю белков печени приходится около 23 г, белков мышц - 32 г, гемоглобина - 8 г и т. д.

Активный ресинтез белков происходит даже в период длительного голодания, и в то же время отмечается интенсивный распад белков в состоянии азотистого равновесия, причем распад белков в какой-либо ткани часто сопровождается усиленным биосинтезом белка в других тканях. Индуцированные активной или пассивной иммунизацией белки антител - γ-глобулины также подвергаются постоянному распаду и синтезу. Полупериод распада антител, как и других белков сыворотки крови человека, составляет около 2 нед. У белков слизистой оболочки кишечника этот период составляет несколько дней, у ряда гормонов исчисляется часами и даже минутами (инсулин).

Высокая скорость обновления белков тела, доказанная при помощи метода меченых атомов, свидетельствует о том, что в организме происходит постоянное смешивание эндогенных белковых молекул и продуктов их гидролиза - аминокислот с молекулами белков и их производных, синтезированных из аминокислот белков пищи. Эта смесь эндогенного и экзогенного материала, которая может в принципе служить источником анаболических и катаболических реакций азотистого обмена, существует в качестве резервного материала, называемого метаболическим пулом. Например, глутамат, поступающий из кишечника после гидролиза белков пищи, и глутамат, освобождающийся при распаде эндогенных белков тела, смешиваются, образуя "пул глутамата". Аминогруппа глутамата вместе с аминогруппами всех других аминокислот образует путем реакций переноса метаболический пул лабильного азота, обеспечивая перераспределение азота в организме. Размер этого пула зависит от ряда условий. У взрослого человека со средней массой тела он составляет около 2 г и примерно соответствует количеству аминогрупп свободных аминокислот в тканях. Изотопными методами показано, что примерно 2/3 общего пула аминокислот приходится на эндогенные источники и только 1/3 имеет своим источником белки пищи. Эти данные указывают прежде всего на исключительную важность эндогенного источника аминокислот и, кроме того, свидетельствуют о высокой скорости обновления белков тела. В крови взрослого человека содержится около 5 мг свободных аминокислот на 1 л.

Необходимо подчеркнуть, что белковый обмен интегрирован также с обменом углеводов, липидов и нуклеиновых кислот через аминокислоты или α-кетокислоты (α-кетоглутаровую, щавелевоуксусную и пировиноградную кислоты), образуя свой собственный пул, метаболически связанный и уравновешивающийся с другими пулами. Так, например, аспарагиновая кислота или аланин путем трансаминирования обратимо превращаются соответственно в щавелевоуксусную и пировиноградную кислоты, которые непосредственно включаются в углеводный обмен. Эти данные, как и результаты опытов с введением животным меченых аминокислот и α-кетокислот, свидетельствуют о том, что в организме млекопитающих не существует, вопреки классической теории Рубнера и Фойта, обособленного и независимого эндогенного и экзогенного обмена вообще и белкового обмена в частности.

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВОГО ОБМЕНА

Направление и интенсивность белкового обмена в первую очередь определяются физиологическим состоянием организма и, несомненно, регулируются, как и все другие виды обмена, деятельностью ЦНС. Более интенсивно белковый обмен протекает в детском возрасте, при активной мышечной работе, при беременности и лактации. Во всех этих случаях резко повышаются потребности в белках. Существенное влияние на белковый обмен оказывает характер питания и, в частности, количественный и качественный белковый состав пиши. При недостаточном поступлении белков с пищей происходит распад белков ряда тканей (печени, плазмы крови, слизистой оболочки кишечника и др.) с образованием свободных аминокислот, обеспечивающих синтез абсолютно необходимых цитоплазматических белков, ферментов, гормонов и других биологически активных соединений. Таким образом, "в жертву" приносятся некоторые "строительные" белки тканей во имя обеспечения жизнедеятельности целостного организма. Введение с пищей повышенных количеств белка, напротив, не оказывает заметного влияния на состояние белкового обмена, поскольку избыток белка выводится с мочой в виде конечных продуктов азотистого обмена. Более существенное значение имеет, однако, качественный белковый состав пищи, поскольку отсутствие или недостаток хотя бы одной какой-либо незаменимой аминокислоты (см. ниже) может служить лимитирующим фактором биосинтеза белков в организме.

Как известно, синтез белка подчиняется закону "все или ничего" и осуществляется при условии наличия в клетке всего набора (20) аминокислот. Более того, клетка не в состоянии синтезировать необходимые белки, если всасывание какой-либо аминокислоты в кишечнике замедленно или если она разрушается в большей степени, чем в норме, под действием кишечной микрофлоры. В этих случаях будет происходить ограниченный синтез белка или организм будет компенсировать недостаток аминокислот для биосинтеза белка за счет распада собственных белков. Несомненно, играет роль также энзиматическая активность протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта, поскольку известно, что увеличение сроков переваривания замедляет скорость всасывания аминокислот. Это приводит к выделению части аминокислот с калом и к развитию отрицательного азотистого баланса.

Степень усвоения белков и аминокислот пищи зависит также от количественного и качественного состава углеводов и липидов, которые резко сокращают энергетические потребности организма за счет белков. Экспериментальный и клинический материал свидетельствует о том, что диета с недостаточным содержанием жиров и низкокалорийная пища способствуют повышению выделения аминокислот с мочой и калом и развитию отрицательного азотистого баланса.

Имеются экспериментальные доказательства прямой и опосредованной связи белкового обмена с обеспеченностью организма витаминами, в частности B₁, В₂, B₆, РР и др. Белковый обмен регулируется, кроме того, деятельностью желез внутренней секреции. Гормоны определяют в известной мере направление (в сторону синтеза или распада) и интенсивность белкового обмена. Например, после введения АКТГ и гормонов щитовидной железы наблюдается интенсивный распад тканевых белков. Ряд других гормонов, в частности гормон роста, андрогены и эстрогены, напротив, стимулируют анаболические реакции и способствуют включению аминокислот в белки тканей, хотя механизм этого действия гормонов в деталях еще не расшифрован. Введение некоторых гормонов коры надпочечников вызывает диспротеинемию и приводит к развитию отрицательного азотистого баланса, что некоторые авторы связывают со стимулированием глюконеогенеза из углеродных скелетов аминокислот после дезаминирования.

Таким образом, состояние белкового обмена определяется множеством факторов, как экзогенных (окружающая среда, характер питания и др.), так и эндогенных (физиологическое состояние организма, включающее нервно-гуморальный статус, ферментная оснащенность и др.). Любые отклонения от нормального физиологического состояния организма отражаются на азотистом обмене. Знание закономерностей изменений обмена белков при данном конкретном патологическом процессе - необходимая предпосылка для правильного выбора тактики терапевтических мероприятий по устранению нарушенного хода обмена. Эта задача очень трудна, но вполне выполнима с помощью современных методов исследования.

АЗОТИСТЫЙ БАЛАНС

Поскольку основная масса азота пищи представлена белками, как и большинство выделяемых конечных азотистых продуктов является следствием распада белка, принято считать, что для правильной оценки состояния обмена белков достаточно точным критерием может быть определение азотистого баланса. Этот термин означает количественную разницу между введением с пищей азота и выведением его в виде конечных продуктов азотистого обмена, выраженных в одинаковых единицах (в г/сут). Определение азотистого баланса часто используют в клинике для оценки обеспеченности больного белковой пищей. Следует указать, что количество пищевого азота (соответственно белка) может быть сравнительно легко и точно определено, в то время как количество теряемого организмом азота не всегда может быть точно вычислено, поскольку на практике учитывают только азотистые продукты, выделяемые с мочой и калом; между тем следует учитывать потерю азота также с молоком, слюной, эпителием кожи, волосами и др.

Различают положительный и отрицательный азотистый баланс, а также азотистое равновесие. Если количество выводимого из организма азота меньше количества азота, вводимого с пищей, то говорят о положительном азотистом балансе. В этом случае часть азота остается в организме и расходуется в первую очередь на биосинтез высокомолекулярных белковых веществ органов и тканей. Такое состояние характерно для молодого, растущего, организма, а также для женщин во время беременности. Оно свидетельствует о том, что синтетические процессы превалируют над процессами распада белков органов и тканей.

При отрицательном азотистом балансе количество выделяемого азота превышает количество азота, поступающего в течение суток. Это состояние встречается при голодании (частичном или полном), белковой недостаточности, при тяжелых заболеваниях, когда происходит интенсивный распад белков тела у больных, получающих даже полноценную в качественном и количественном отношении белковую пищу. У людей пожилого возраста даже без видимых патологических процессов часто отмечается отрицательный азотистый баланс, связанный с превышением скорости распада белков, хотя организм может получать достаточное количество белка.

В состоянии азотистого равновесия количество азота, теряемого из организма, равно количеству принимаемого с пищей азота. В этом случае азотистый баланс равен нулю. Состояние азотистого равновесия характерно для здорового взрослого человека, находящегося на полноценной диете с нормальным суточным содержанием белка.

Таким образом, организмы животных и человека нуждаются в постоянной доставке белковой пищи, поэтому недостаток белка или полное исключение его сопровождается развитием патологии, в конечном счете приводящей к гибели организма. С понятием азотистого баланса тесно связана проблема о нормах белка в питании.

Продолжение: Белковое питание