Химия и биология белков - Ф. Гауровитц 1953

Источники аминокислот для биосинтеза белка
Поступление белка с пищей. Заменимые и незаменимые аминокислоты

Аминокислоты служат исходным материалом для синтеза белка. Те из них, которые образуются в организме человека и высших животных из различных органических соединений, называются эндогенными или заменимыми аминокислотами. К ним относятся глицин, аланин, серин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, пролин, оксипролин, аргинин, цистин и цистеин. Другую группу представляют так называемые экзогенные или незаменимые аминокислоты, которые должны быть доставлены организму с пищей. Заменимые и незаменимые аминокислоты были изучены главным образом Роузом и его сотрудниками, доказавшими, что валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, фенилаланин и триптофан являются незаменимыми аминокислотами и не могут образовываться в организме высших животных [29—33]. Хотя гистидин, тирозин и аргинин могут медленно синтезироваться из других соединений, однако в период роста или при некоторых заболеваниях скорость этого синтеза становится недостаточной для поддержания нормального состояния организма; поэтому и эти аминокислоты также должны доставляться организму с пищей. Их часто называют полузаменимыми аминокислотами [34].

Потребность в отдельных аминокислотах у различных видов животных неодинакова. Так, собака может обходиться без аргинина [35], между тем как крыса нуждается и в гистидине, и в аргинине [32]. Любопытно, что потребность в некоторых аминокислотах у многих бактерий и плесеней более резко выражена, чем у человека и других позвоночных. В гл. III уже указывалось, что не только валин, лейцин, изолейцин и лизин, но и такие заменимые для организма высших животных аминокислоты, как глицин, пролин и глутаминовая кислота, могут быть определены микробиологическим методом, так как эти последние аминокислоты не могут быть синтезированы микробами, используемыми для их определения. Необходимо также отметить, что потребность в отдельных аминокислотах у некоторых грибов и плесеней, например у Neurospora crassa, может резко меняться под влиянием облучения или других воздействий [36].

На протяжении долгого времени белки, вводимые с пищей, рассматривались лишь как источник азота и аминокислот. Исходя из этого представления исследователи пытались определить белковый минимум, необходимый для сохранения нормального состояния организма. Вскоре, однако, выяснилось, что установление такого общего минимума невозможно, так как белки обладают различной биологической ценностью. Белки, например, молока, мяса и яиц обладают гораздо большей биологической ценностью, чем коллаген или белки растительного происхождения [37]. Причина этих различий наглядно демонстрируется табл. 1, которая показывает, что высокая биологическая ценность казеина, миозина или яичного альбумина зависит от высокого содержания в них незаменимых аминокислот. В некоторых растительных белках нехватает лизина, а в коллагене недостаточно аминокислот, содержащих серу, в связи с чем эти белки не могут обеспечить организм всеми необходимыми ему незаменимыми аминокислотами. Поэтому гораздо целесообразнее определить не общую потребность организма в белках, а количество необходимых организму отдельных аминокислот. Определение же белкового минимума имеет значение только в тех случаях, когда приходится рационировать потребление белков для больших групп населения и в связи с этим бывает необходимо установить биологическую ценность белков, включаемых в рацион. Полученные при соответствующих исследованиях данные варьируют в широких пределах. Большинство авторов полагает, что минимальная потребность в белках взрослого человека равна 60—70 г в день [39—40]. Людям, занятым тяжелой физической работой, необходимо более 100 г белка в день [41]. Если белки пищи богаты незаменимыми аминокислотами, то их содержание в пище может быть и меньше. Известен, например, случай, когда человек в течение 7 лет питался пищей, содержащей только 30 г белка в день, причем из пищи было исключено мясо и потребность в белках покрывалась за счет молока, сыра и растительных белков [43]. Этот случай, конечно, представляет собой исключение. Другую крайность представляют эскимосы, которые питаются жиром и мясом при почти полном отсутствии углеводов. Количество съедаемого ими белка достигает 300 г в день [44].

Из приведенных данных ясно, что определенного оптимума белка вообще не существует Пища должна доставлять минимально необходимое количество каждой незаменимой аминокислоты и минимальное количество азота, необходимого для эндогенного синтеза заменимых аминокислот. Если используются белки, богатые незаменимыми аминокислотами, то ежедневного введения 35—50 г белка, безусловно, достаточно (этот минимум был установлен Читтенденом в начале этого столетия). Если же пища содержит белки, бедные или совершенно лишенные некоторых аминокислот, то их недостаток должен быть восполнен добавлением к пище других белков, содержащих эти аминокислоты. В таких случаях потребность в белке будет значительно выше.

Так как аминокислотный состав различных белков варьирует (см. табл. 1) в широких пределах, то можно было ожидать значительных отличий в содержании аминокислот при различных рационах. Однако анализ важнейших продуктов питания показывает, что общее содержание аминокислот в смеси белков хорошо сбалансировано и колеблется в небольших пределах. Белки молока, сыворотки, яиц, мяса, рыбы, мозга, проростков зерна, соевых бобов и фибрина содержат 1—2% цистина и цистеина, 5—7% аргинина, 2—3% гистидина, 5—8% лизина, 3—5% тирозина, 1—2% триптофана, 4—6% треонина, 4—6% валина, 10—20% лейцина и 3—5% изолейцина [45]. Очевидно, белки всех этих пищевых продуктов могут заменять друг друга в питании без каких-либо серьезных осложнений для организма. В отличие от этих белков в гемоглобине, желатине, кератине и глутине нехватает тех или иных незаменимых аминокислот, и поэтому их нельзя считать равноценными перечисленным выше белкам [45].

Поскольку белки, вводимые с пищей, подвергаются гидролизу в желудочно-кишечном тракте и превращаются в аминокислоты, можно ожидать, что белки могут быть заменены их гидролизатами или смесью аминокислот того же состава. Действительно, было найдено, что смесь l-аминокислот, соответствующая по составу ß-лактоглобулину, обусловливает такую же скорость роста мышей, как и нативный ß-лактоглобулин [46].

Замещение белков аминокислотами имеет особое значение при тех заболеваниях, когда пищеварительный тракт настолько поврежден, что прием пищи становится невозможен. В таких случаях организм может получить необходимое количество аминокислот путем внутривенного введения их смесей [47].

Предположение о том, что искусственная смесь аминокислот, введенная парентерально, во всех отношениях эквивалентна соответствующему количеству принятого с пищей белка, полностью, однако, не оправдалось. Было показано, что у собак при инъекции смеси аминокислот, содержащей глутаминовую кислоту, возникает рвота [48] и что смесь аминокислот, содержащая более 10% глицина, вызывает признаки отравления и остановку роста у крыс [49]. Вредное действие глицина и глутаминовой кислоты оказалось весьма неожиданным, так как обе аминокислоты являются важными компонентами белков пищи и соматических белков, образующихся в организме. Следует, однако, вспомнить, что в нормальном организме они подвергаются очень быстрому обмену, в связи с чем концентрация их в тканевой жидкости остается все время очень низкой. Резкое же повышение их концентрации в сыворотке крови при введении per os или внутривенно свободных аминокислот может служить причиной указанных интоксикаций.

Второе отличие между белком, с одной стороны, и смесью аминокислот, с другой, заключается в том, что некоторые промежуточные продукты протеолиза, образующиеся в желудочно- кишечном тракте, имеют, повидимому, определенное биологическое значение. Пептоны, образующиеся при переваривании пепсином или трипсином инсулина, трипсина и некоторых других белков, содержат фактор, необходимый для роста различных штаммов молочнокислых бактерий [50]. Этот фактор, названный стрепогенином, вероятно, образуется в кишечнике и, быть может, имеет значение для роста кишечных бактерий. Строение стрепогенина еще не выяснено; в известных пределах он может быть замещен серилглицилглутаминовой кислотой [51], в связи с чем предполагается, что он имеет строение сходное с указанным трипептидом. Имеет ли стрепогенин какое-либо значение для организма млекопитающих, пока еще не известно. Однако эти новые данные представляют большой интерес, так как они дают объяснение тому факту, что биологическая ценность смеси аминокислот отличается от биологической ценности белка, содержащего эквивалентное количество тех же аминокислот.

Такой же вывод может быть сделан из опытов над культурами тканей: фибробласты не могут расти в среде, содержащей аминокислоты в качестве единственного источника азота [52].

Белки более эффективны при питании культур тканей, чем аминокислоты и полипептиды [53]. Повидимому, белки адсорбируются на поверхности клетки и перевариваются там клеточными ферментами. Это подтверждается тем, что при добавлении трипсина или папаина к культуре ткани наблюдается ускорение ее роста [54]. Сходные результаты были получены на целом организме: биологическая ценность гидролизата молочного или сывороточного альбумина оказалась на 50% ниже биологической ценности соответствующего белка [55]. Использование пептидов при их внутривенном введении происходит, повидимому, еще менее удовлетворительно, чем использование смесей аминокислот; большая часть пептидов переходит при этом без изменений в мочу [56]. Все эти данные доказывают, что лучшей формой использования белка у высших организмов является потребление его с пищей и что парентеральное введение белков, пептидов и аминокислот неравноценно введению белков с пищей, хотя оно и имеет огромное значение в тех случаях, когда невозможен нормальный прием пищи.

Белки тела сохраняют свою специфическую структуру и специфический аминокислотный состав даже при нарушении нормальных условий. Неоднократно делались попытки изменить состав этих белков, меняя характер питания. Результаты этих опытов показали, что аминокислотный состав яичного альбумина [57] и белков мышц в некоторой степени изменяется при голодании подопытных животных [58]; небольшие изменения в соотношении аргинин/лизин в сывороточных белках наблюдались также у людей при голодном отеке [59] Однако пока еще остается неясным, связаны ли эти изменения с образованием аномального белка или с изменением соотношения между отдельными нормальными белками, входящими в состав мышц, сыворотки крови и яичного альбумина.

¹ См. примечание к стр. 19. — Прим. ред.