ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΤΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΥ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ 10 Η ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ 1
Πρωτεΐνες Οι πρωτεΐνες σαν δομικό στοιχείο του ανθρώπινου σώματος αποτελούν το 1/5 περίπου του βάρους του. Οι πρωτεΐνες αποτελούν το πιο σημαντικό δομικό υλικό του ανθρώπινου σώματος. Μύες, δέρμα, τρίχες νύχια κ.λπ., τα ένζυμα και ορισμένες ορμόνες είναι πρωτεϊνικής φύσης. Ακόμα και η άμυνα του οργανισμού, ο σχηματισμός αντισωμάτων, η μεταφορά ουσιών όπως οξυγόνου και λιπαρών οξέων γίνεται στον ζωικό οργανισμό με τις πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες δομούνται από αμινοξέα που με την ακολουθία τους καθορίζουν τη λειτουργικότητα του μορίου. 2
Πρωτεΐνες Ο αριθμός των αμινοξέων που συμμετέχουν στη δομή της πρωτεΐνες είναι διαφορετικός και εξαρτάται από το είδος της πρωτεΐνης. Από τα 20 αμινοξέα που συμμετέχουν στη δομή των πρωτεϊνών τα 12 μπορούν να συντεθούν από τον ανθρώπινο οργανισμό ενώ τα 8 πρέπει να ληφθούν με την τροφή και λέγονται απαραίτητα αμινοξέα. Για τον άνθρωπο είναι τα: Ισολευκίνη Λευκίνη, Βαλίνη, Φαινυλαλανίνη, Τρυπτοφάνη, Μεθειονίνη, Θρεονίνη, Λυσίνη. Η Αργινίνη και η Ιστιδίνη παράγονται σε μικρές ποσότητες από τον οργανισμό και ονομάζονται ημι-απαραίτητα (απαραίτητα στα βρέφη). 3
Σύνοψη μεταβολισμού πρωτεΐνης Κυρίως ως ουρία 4
Πέψη πρωτεϊνών 5
Δράση πεψίνης 6
7
Η πρωτεολυτική δράση του παγκρεατικού υγρού ΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΑΣΩΝ ΤΡΥΨΙΝΗ ΚΑΙ ΧΥΜΟΤΡΥΨΙΝΗ 8
Δράση τρυψίνης 9
Εντερικές καρβοξυπεπτιδάσες και αμινοπεπτιδάσες ΠΡΩΤΕΟΛΥΣΗ ΣΤΟ ΑΜΙΝΟΤΕΛΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΡΒΟΞΥΤΕΛΙΚΟ ΑΚΡΟ ΕΝΟΣ ΠΕΠΤΙΔΙΟΥ 10
Απορρόφηση αμινοξέων ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ: ΑΜΙΝΟΞΕΑ, ΔΙΠΕΠΤΙΔΙΑ, ΤΡΙΠΕΠΤΙΔΙΑ, ΕΥΝΝΟΟΥΝΤΑΙ ΚΑΠΟΙΑ ΤΡΙΠΕΠΤΙΔΙΑ. 11
ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ Εκτός από την απορρόφηση? ανοσοσφαιρινών του πρωτογάλακτος στα νεογνά, αναφέρεται και απορρόφηση πεπτιδίων μικρής μοριακής μάζας (λίγων kda), με το μέγεθος αυτό να επηρεάζεται από τη δομή των πεπτιδίων 12
Μεταβολισμός αμινοξέων Υπό κανονικές συνθήκες, οι πρωτεΐνες και τα αμινοξέα δεν αποτελούν σημαντική πηγή ενέργειας και χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση νέων πρωτεϊνών. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις που χρησιμοποιούνται για άντληση ενέργειας όπως π.χ. σε περίσσεια αμινοξέων από κατανάλωση πρωτεϊνών ή από την αποικοδόμηση τους σε συνθήκες πείνας, μακράς άσκησης ή νόσων. Ο μεταβολισμός κάθε αμινοξέος διαφέρει, πλην όμως συναντάται σε όλα η απαμίνωση και η τρανσαμίνωση. Ο «σκελετός» ανθράκων που απομένει μετά την αφαίρεση της αμινομάδας διασπάται για παραγωγή ενέργειας. 13
Συνολικός μεταβολισμός αμινοξέων 1. ΠΡΩΤΕΪΝΗ 2. ΠΟΡΦΥΡΙΝΕΣ 3. ΠΟΥΡΙΝΕΣ-ΠΥΡΙΜΙΔΙΝΕΣ 4. ΑΛΥΣΙΔΕΣ ΑΝΘΡΑΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΔΕΙΤΕ ΣΤΗΝ ΕΠΟΜΕΝΗ ΔΙΑΦΑΝΕΙΑ 5. ΑΜΙΝΟΜΑΔΕΣ ΝΕΑ ΑΜΙΝΟΞΕΑ 6. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΑΖΩΤΟΥ 7. ΟΥΡΙΑ 14
Deamination 15
Τρανσαμίνωση και απαμίνωση Η ΤΡΑΝΣΑΜΙΝΩΣΗ ΟΔΗΓΕΙ ΣΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΝΕΑΣ ΑΜΙΝΟΕΝΩΣΗΣ, ΕΝΩ Η ΑΠΑΜΙΝΩΣΗ ΣΕ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΜΙΝΟΞΕΟΣ. ΚΑΙ ΟΙ ΔΥΟ ΓΙΝΟΝΤΑΙ ΚΥΡΙΩΣ ΣΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΩΝ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΩΝ. 16
Οι τρανσαμινάσες ή αμινοτρανσφεράσες Τα ένζυμα που λέγονται τρανσαμινάσες (ή αμινοτρανσφεράσες) επιτρέπουν την ανακατανομή των αμινομάδων μεταξύ των διαφόρων αμινοξέων και επομένως την μεταβολή του μίγματος των αμινοξέων μέσα στα κύτταρα. Η τρανσαμινάση της αλανίνης μαζί με την ασπαρτική τρανσαμινάση είναι από τα πλέον ευαίσθητα και ευρέως χρησιμοποιούμενα ένζυμα για αξιολόγηση. 17
Οι τρανσαμινάσες ή αμινοτρανσφεράσες ΟΙ ΤΡΑΝΣΑΜΙΝΑΣΕΣ ΔΙΑΚΙΝΟΥΝ ΜΙΑ ΑΜΙΝΟΜΑΔΑ ΑΠΟ ΕΝΑ ΜΟΡΙΟ ΣΕ ΕΝΑ ΑΛΛΟ. 18
Αλληλομετατροπές αμινοξέων Ο κύκλος γλυκόζης-αλανίνης 19
Τρανσαμινάσες στη διαγνωστική Οι τρανσαμινάσες (ALT και AST) είναι ένζυμα που απελευθερώνονται στην αιματική κυκλοφορία μετά από βλάβη ή νέκρωση κυττάρων. Τα αίτια που οδηγούν σε μεγάλη ( > από 15 φορές των ανώτερων φυσιολογικών τιμών στο αίμα) αύξηση των τρανσαμινασών περιλαμβάνουν κυρίως τις οξείες ιογενείς ηπατίτιδες, τη λήψη φαρμάκων και την ισχαιμική ηπατίτιδα κυρίως σε ασθενείς με αιμοδυναμική αστάθεια ή σοβαρή καρδιοπάθεια. Επίσης τις νεοπλασίες. 20
Η βιταμίνη Β6 στη διάσπαση των αμινοξέων 21
Η μεσολάβηση της βιταμίνης Β6 στην τρανσαμίνωση και την απαμίνωση 22
ΤΟΝΟΣ, ΨΑΡΙΑ, ΜΟΣΧΑΡΙ, ΜΠΑΝΑΝΕΣ, ΓΟΓΓΥΛΙΑ, ΔΗΜΗΤΡΙΑΚΑ 23
Η απαμίνωση των αμινοξέων Α). Γίνεται με οξειδωτικά ένζυμα R-CHNH2-COOH + ½ O2 RC=O-COOH + NH3 Β). Ή με υδρολυτικά ένζυμα COOH-CH(NH2)-CH2-CH2-COOH + H2O + NAD+ COOH-C=O-CH2-CH2-COOH + NH3 + NADH2 24
Απαμίνωση των αμινοξέων Η πρώτη αντίδραση για τη διάσπαση Ο ιδιαίτερος ρόλος του γλουταμικού 25
Αποφόρτιση του σώματος από την περίσσεια του αζώτου (ούρα, περιττώματα) Ουρία ούρων, από τη διάσπαση αμινοξέων και πυριμιδινών (θυμίνη, κυτοσίνη, ουρακίλη), NH4Cl ούρων, από τη γλουταμίνη κυρίως, Ουρικό οξύ ούρων, από διάσπαση πουρινών (αδενίνη και γουανίνη), Ουροχολίνη ούρων, από τη διάσπαση της αίμης, Κρεατινίνη ούρων, από τον καταβολισμό κρεατίνης μυών, Άζωτο περιττωμάτων, (από την τροφή, το τοίχωμα και τη χλωρίδα του παχέος εντέρου). 26
Το ήπαρ ο κύριος παραγωγός ουρίας 27
Κύκλος της ουρίας Η ουρία συντίθεται στο ήπαρ από διοξείδιο του άνθρακα και την αμμωνία που παράγεται από την απαμίνωση αμινοξέων διά μέσου του κύκλου της ορνιθίνης. Η ουρία αποτελεί το κύριο απεκκριτικό προϊόν του καταβολισμού πρωτεϊνών. Πάνω από το 90% της ουρίας απεκκρίνεται από τα νεφρά, το υπόλοιπο 10% απομακρύνεται από τον γαστρεντερικό σωλήνα και το δέρμα. 28
Ο κύκλος της ουρίας 29
30
Ουρία και νεφρική λειτουργία Η χρησιμότητα της ουρίας αίματος (πλάσματος ή συνηθέστερα ορού) ως δείκτη της νεφρικής λειτουργίας είναι σχετική δεδομένου ότι επηρεάζεται από το γεγονός ότι σημαντική αύξηση του επιπέδου στο αίμα παρατηρείται μετά καταστροφή του 70-80% του σπειράματος. Η συγκέντρωση της ουρίας στο πλάσμα είναι συνάρτηση της νεφρικής λειτουργίας, της διαιτητική πρόσληψη πρωτεϊνών και του επίπεδο του μεταβολισμού πρωτεϊνών. 31
Ουρία πλάσματος και ρυθμός σπειραματικής διήθησης (Glomerular Filtration Rate) 32
Ουρία και νεφρική λειτουργία Οι μετρήσεις ουρίας αίματος (συνήθως πλάσματος ή ορού) θα πρέπει να συνδυάζονται με μετρήσεις κρεατινίνης. Αφυδάτωση και αύξηση της ουρίας αίματος, συχνή κατανάλωση κρέατος. Σύσταση ούρου Συνήθεις τιμές ορού αίματος 10 35(50) mg/dl SI: 1,7-8,3 mmol/l. Ουραιμία και νεφροπάθεια. 33
Καταβολισμός αμινοξέων σε άλλα ζώα Στα ερπετά της ξηράς και τα πτηνά, η ουρία δεν είναι το τελικό προϊόν του καταβολισμού της αμινομάδας των αμινοξέων. Τα ζώα αυτά συνθέτουν πουρίνες από την περίσσεια αζώτου των αμινοξέων, και στη συνέχεια αποικοδομούν τις πουρίνες προς ουρικό. Αυτό εξυπηρετεί μία ζωτική λειτουργία: Tην διατήρηση του νερού στο σώμα. Το ουρικό γίνεται όχημα για την απέκκριση του αζώτου, λόγω της πολύ μικρής διαλυτότητάς του σε όξινο pη. Τα όξινα ούρα των ζώων αυτών συνίστανται από ένα πολτό κρυστάλλων ουρικού. Λίγο νερό συνοδεύει τους κρυστάλλους αυτούς. 34
35
Καταβολισμός πρωτεϊνών/αμινοξέων Οι πρωτεΐνες του σώματός μας συμμετέχουν σ ένα διαρκή κύκλο σύνθεσης/διάσπασης. Οι διεργασίες ονομάζονται αντίστοιχα πρωτεϊνοσύνθεση και πρωτεϊνόλυση. Σε έναν υγιή και σωστά τρεφόμενο ενήλικα, οι ρυθμοί πρωτεϊνοσύνθεσης και πρωτεϊνόλυσης είναι περίπου ίσοι, οπότε η μάζα των πρωτεϊνών παραμένει σταθερή. Αυτό το διαπιστώνουμε εργαστηριακά εξετάζοντας το ισοζύγιο αζώτου (nitrogen balance), που ορίζεται ως η διαφορά ανάμεσα στη μάζα του αζώτου που προσλαμβάνουμε με την τροφή και τη μάζα του αζώτου που αποβάλλουμε με τα ούρα τα κόπρανα και τον ιδρώτα. 36
Καταβολισμός πρωτεϊνών/αμινοξέων Επειδή η πλειοψηφία του αζώτου που προσλαμβάνουμε είναι πρωτεϊνικής προέλευσης, το ισοζύγιο αζώτου δείχνει τη διαφορά ανάμεσα στους ρυθμούς πρωτεϊνοσύνθεσης και πρωτεϊνόλυσης, και μπορεί να είναι θετικό, αρνητικό ή μηδενικό. Σε θετικό ισοζύγιο εμπίπτουν τα νεαρά άτομα, οι γυναίκες στην κύηση και οι περιπτώσεις ανάρρωσης από απισχναντική ασθένεια. Σε μηδενικό ισοζύγιο βρίσκονται οι σωστά διατρεφόμενοι ενήλικες. Αρνητικό ισοζύγιο έχουμε στο γήρας, στην ασιτία, σε σακχαρώδη διαβήτη, σε τραυματισμό και έλλειψη απαραίτητων αμινοξέων. Τότε, ο οργανισμός διασπά περισσότερη πρωτεΐνη από όση συνθέτει. 37
Ισοζύγιο αζώτου Ισοζύγιο Αζώτου (g/ημ.) = Προσλαμβανόμενη PRO // 6,25 - (Άζωτο Ουρίας ΟΥΡΩΝ 24 h + 4). Όπου το 4 της εξίσωσης = απώλεια Ν από το δέρμα, περιττώματα, κόψιμο νυχιών, τρίχες, ιδρώτας, απόπτωση επιφανειακών κυττάρων της επιδερμίδας, αίμα της εμμήνου ρύσεως κ.λπ. Φ.Τ. Oλικό Αζωτο Ουρίας Ούρων /24h = 12-20 gr Ιδανική Τιμή Θετικού Ισοζυγίου = + 4 έως + 6 38
Καταβολισμός πρωτεϊνών/αμινοξέων Ο ανθρακικός σκελετός των αμονοξέων καταλήγει σε ακέτυλο- CoA ή ενδιάμεσα του κύκλου Crebs. Από την άποψη αυτή τα αμινοξέα κατατάσσονται σε 3 κατηγορίες 1). Κετογονικά (Leu, Lys) που μεταβολίζονται σε ακέτυλο-coa ή ακετοακέτυλο-coa δηλ προϊόντα που δεν μεταβολίζονται σε γλυκόζη αλλά σε κετονοσώματα. 2). Ημικετογονικά (Phe, Ile, Tyr Trp) που εν μέρει παράγουν ακέτυλοcoa και ένα ενδιάμεσο προϊόν του κύκλου Crebs και 3). Γλυκογονικά (τα υπόλοιπα) που μεταβολίζονται σε ενδιάμεσα του κύκλου Crebs και άρα μπορούν εν δυνάμει να παράγουν γλυκόζη. 39
Τελικός καταβολισμός αμινοξέων 40
41
ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ Η έκταση και ο τρόπος ρύθμισης της βιοσύνθεσης των αμινοξέων ποικίλει ευρέως στα ζώα, τα φυτά, τα μικρόβια. Οι ανώτεροι οργανισμοί δεν είναι σε θέση να συνθέσουν και τα 20 αμινοξέα. Ο άνθρωπος, όπως προαναφέρθηκε, μπορεί να συνθέσει τα 12, ενώ τα υπόλοιπα 8 πρέπει να τα παραλάβει με την τροφή του. Τα απαραίτητα αμινοξέα για τον άνθρωπο είναι: Βαλίνη, λευκίνη, ισολευκίνη, λυσίνη, θρεονίνη, μεθειονίνη, τρυπτοφάνη και φαινυλαλανίνη. Ειδικά για τα βρέφη απαραίτητη θεωρείται η ιστιδίνη, ενώ από ορισμένους επιστήμονες και η αργινίνη. 42
43
Προέλευση μη-απαραίτητων αμινοξέων 44
Η βιοσύνθεση των αμινοξέων 45
Βιολογική αξία Τα αμινοξέα αποτελούν μικρές «ψηφίδες», που συνθέτουν μια πρωτεΐνη που μπορούμε να βρούμε στο κρέας, στο ψάρι, στο κοτόπουλο, στο αβγό, στο γάλα κ.λπ. Οι πρωτεΐνες αυτών των τροφών ονομάζονται υψηλής βιολογικής αξίας, έχουν δηλαδή στην σύνθεση τους όλα εκείνα τα αμινοξέα που ο οργανισμός δεν μπορεί από μόνος του να συνθέσει και συνεπώς πρέπει να προσλάβει από την τροφή. 46
Βιολογική αξία H B.A. της πρωτεΐνης μιας τροφής, όταν έχει μεγάλη τιμή, σημαίνει, ότι έχει το σύνολο των απαραίτητων αμινοξέων σε μια τέτοια αναλογία που επιτρέπει τη σύνθεση ανθρωπίνων πρωτεϊνών. Η Β.Α. της πρωτεΐνης των αυγών έχει τιμή 97 ενώ της ζελατίνης 63. Η έλλειψη έστω και ενός απαραίτητου αμινοξέως (συνήθως τρυπτοφάνη, λυσίνη, μεθειονίνη) από την τροφή εμποδίζει τη σύνθεση μιας πρωτεΐνης που το περιέχει. 47
Βιολογική αξία Οι πρωτεΐνες που βρίσκουμε σε φυτικές τροφές (δημητριακά, όσπρια) μπορεί να μην εμπεριέχουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα, τουλάχιστον σε ικανά ποσά ώστε να είναι υψηλής βιολογικής αξίας. Όμως, αν συνδυαστούν μεταξύ τους ή με κάποια ζωικά τρόφιμα, μπορεί να «καλύψουν» τα κενά τους και να μας δώσουν καλής «ποιότητας» πρωτεΐνες. 48
49
Συμπληρωματικές πρωτεΐνες Τα φασόλια για παράδειγμα δεν έχουν επαρκή ποσά θειούχων αμινοξέων, την ίδια στιγμή που το σταρένιο ψωμί δεν έχει την κατάλληλη ποσότητα του αμινοξέος λυσίνη. Όταν όμως συνδυαστούν μεταξύ τους (φασόλια με ψωμί) τότε προσδίδουν στον οργανισμό μας, τα αμινοξέα που χρειάζεται σε σωστές αναλογίες. 50
Η «αποθήκη» ελεύθερων αμινοξέων στο ανθρώπινο σώμα υπάρχει (συγκέντρωση μμ) 51
Η «αποθήκη» ελεύθερων αμινοξέων στο ανθρώπινο σώμα Περιορισμένη, αγνοούνταν παλαιότερα. Για ένα μέσο άνθρωπο η αποθήκη ελεύθερων αμινοξέων για ορισμένους ιστούς υπολογίζεται όπως παρακάτω: Πλάσμα αίματος 1γραμμάριο Ήπαρ 2 γραμμάρια Μυϊκές ίνες 40 γραμμάρια Η διαχείριση της ποσότητας αυτής σημαντική για τον μεταβολισμό και την επιβίωση, Πρωτεϊνοσύνθεση, καταβολισμός ασιτίας, ρόλος κορτιζόλης. 52
Η ροή των ελεύθερων αμινοξέων σε ασιτία 53
Οι τέσσερεις φάσεις της νηστείας, ασιτίας 54
Μαρασμός και Kwashiorkor 55