Гидролиз белков в желудочно-кишечном тракте

Процесс гидролиза (протеолиза) пищевых белков в ЖКТ до свободных аминокислот происходит с участием ферментов эндопептидаз (протеиназы) и экзопептидаз (пептидазы), образующихся и действующих в разных отделах ЖКТ. Начальные этапы протеолиза и подготовка белковых молекул для воздействия других протеолитических ферментов осуществляется в желудке. Белки, поступающие в желудок, стимулируют выделение фундальными железами слизистой желудка гормона гастрина, который в свою очередь вызывает секрецию Н⁺ и пепсиногена.

В желудке белки подвергаются денатурации с участием соляной кислоты, образующейся в обкладочных клетках по следующему механизму.

Рис. 1. Образование соляной кислоты в желудке.

Источником протонов для синтеза соляной кислоты служит угольная кислота. Она образуется из СО₂ (эндогенная и из крови) и Н₂О в реакции катализируемой карбоангидразой. Угольная кислота диссоциирует на анион бикарбоната и протон. Бикарбонат обменивается на анион хлора (из крови) с участием анионообменника локализованного в базальной мембране. Протон через апикальную мембрану выводится в просвет желудка в обмен на ион калия. Транспорт протона осуществляется H⁺/K⁺-АТФ-азой с использованием энергии гидролиза АТФ. Хлор из клетки в просвет желудка идет вслед за протонами через хлоридный канал. Это необходимо для сохранения ионного равновесия. Ещё одним источником протонов являются дегидрогеназные реакции. Протоны образуются при дегидрировании субстратов НАД⁺ и ФАД зависимыми дегидрогеназами. Концентрация протонов в желудке в 10⁶ раз выше, чем в клетке (рН желудочного сока равно 1,5 – 2,5). Изменение нативной конформации белков (денатурация) под действием протонов возникает вследствие изменения зарядов ионогенных радикалов аминокислот при их протонировании. При денатурации компактные структуры глобулярных белков разворачиваются и внутренние пептидные связи экспонируются наружу, становятся доступными для действия протеолитических ферментов.

Кроме денатурации пищевых белков протоны формируют активную конформацию пепсиногена, подготавливая его для аутокаталитического гидролиза и образования активного пепсина. Ещё одной функцией соляной кислоты является её участие в уничтожении микроорганизмов поступающих с пищей из ротовой полости.

В главных клетках слизистой желудка образуется пепсиноген – неактивная форма пепсина, которая активируется аутокаталитически, путем удаления с N-конца 42 аминокислотных остатков (в основном, положительно заряженных). В активном пепсине отрицательно заряженные остатки аспартата и глутамата преобладают над положительно заряженными радикалами. Для аутокаталитического процесса необходима кислая среда, которая создается соляной кислотой. Оптимум рН для пепсина равен 2,0, поэтому кислая среда желудка наиболее благоприятна для действия этого фермента. Пепсин, в основном, гидролитически расщепляет пептидные связи между гидрофобными аминокислотами такими как: лейцин, фенилаланин, изолейцин, триптофан. Однако может расщеплять связи образованные не гидрофобными аминокислотами, такими как глутаминовая кислота и тирозин. Под действием пепсина из белков образуется смесь пептидов и небольшого количества аминокислот. Наряду с основной формой пепсина образуется несколько пепсиноподобных белков, в том числе и гастриксин. У новорожденных в желудке присутствует ренин с оптимумом рН - 4,5. Не все пищевые белки гидролизуются пепсином, поэтому в кислом желудочном химусе будут содержаться и нативные белки.

Поступление кислого химуса из желудка в двенадцатиперстную кишку стимулирует секрецию секретина и холецистокинина (гормоны, вырабатываемые эпителиоцитами тонкого кишечника). Секретин стимулирует выделение панкреатического сока, а холецистокинин – выделение желчи. Панкреатический сок и желчь содержат бикарбонат, который нейтрализует желудочное содержимое, меняя его рН с 1,5-2,5 до 7,0-7,6. В реакции нейтрализации образуется углекислота, которая разрыхляет и перемешивает химус, способствуя его лучшему усвоению. Пепсин в кишечнике инактивируется (из-за неблагоприятного рН) и подвергается гидролизу протеазами кишечника.

В составе панкреатического сока имеется несколько протеиназ и пептидаз в зимогенной форме (трипсиноген, химотрипсиноген, проэластаза, прокарбоксипептидазы A и B). Активирование зимогенов осуществляется в двенадцатиперстной кишке, начиная с трипсиногена. Трипсиноген активируется избирательным протеолизом. Энтеропептидаза (кишечный фермент, локализованный на мембране энтероцита) гидролизует определенную пептидную связь в трипсиногене, удаляя с N-конца гексапептид, при этом С-концевая последовательность приобретает активную конформацию. Трипсин, в свою очередь, активирует другие панкреатические зимогены (избирательный протеолиз) в том числе и трипсиноген. Трипсин катализирует гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильной группой аргинина или лизина.

Химотрипсин присутствует в нескольких формах и действует на пептидные связи образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот (фенилаланин, тирозин, триптофан).

Карбоксипептидазы - цинксодержащие ферменты, расщепляют пептидные связи коротких пептидов с С-конца. Карбоксипептидаза A отщепляет преимущественно аминокислоты с гидрофобными и ароматическими радикалами, а карбоксипептидаза B остатки аргинина и лизина.

Эластаза имеет более широкий спектр действия, гидролизуя пептидные связи образованные аминокислотами с небольшими гидрофобными радикалами.

Окончательный гидролиз пептидов осуществляется аминопептидазами (расщепляют пептидные связи в коротких пептидах с N-конца), ди- и трипептидазами (расщепляют ди- и трипептиды). Это ферменты, вырабатываемые эпителиоцитами тонкого кишечника, локализованы на мембранах этих клеток со стороны просвета кишки.

Содержащиеся в составе сложных белков углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и другие соединения полимерной природы расщепляются до мономеров с участием специфических гидролаз поджелудочной железы и кишечника.

Защита стенок желудка и кишечника от протеаз осуществляется углеводами (полисахариды) слизи, на которые эти ферменты не оказывают действия. При язвенной болезни эта защита нарушается, идет переваривание белков эпителиоцитов. Клетки поджелудочной железы защищены от действия протеаз за счет их образования в неактивной форме (зимогены). Кроме того, в этих клетках синтезируется ингибитор трипсина, который образует с активным трипсином (при преждевременной активации трипсиногена) нерабочий комплекс.

Нарушения высвобождения Н⁺ или синтеза ферментов и белков ЖКТ приводят к патологии. Избыточное образование в желудке Н⁺ приводит к гиперацидному гастриту, сопровождающемуся изжогой. Отсутствие в желудке соляной кислоты и пепсина (желудочная ахилия) имеет место при атрофических гастритах. Уменьшение кислотности желудочного сока снижает его бактерицидное действие, следствием чего может быть развитие молочнокислых бактерий и появление в желудочном содержимом молочной кислоты (отсутствует в норме). Могут развиваться грибковые поражения желудка.

Нарушения гидролиза белков в ЖКТ можно скорректировать путем заместительной терапии с использованием ферментных препаратов животного и растительного происхождения (фестал, дигестал, мезим и другие).