Биохимия

Метаболизм белков

Белки: общие сведения и функции

Общие сведения о белках

Белки – высокомолекулярные природные полимеры, состоящие из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями (–CO–NH–).
Характеристики белков:
  • Имеют уникальную аминокислотную последовательность и пространственную структуру (конформацию).
  • Составляют ≥50% сухой массы клетки.
  • Участвуют во всех ключевых процессах жизнедеятельности.

Роль белков в организме

1.Ферменты (каталитическая функция) – ускоряют биохимические реакции (пищеварение, дыхание и др.).

2.Структурные белки – формируют:

  • Костную и соединительную ткань (коллаген, кератин).
  • Клеточный скелет (цитоскелет).
3.Сократительные белки (актин, миозин) – обеспечивают:
  • Мышечное сокращение.
  • Движение хромосом при делении клетки.
4.Регуляторные белки – контролируют:
  • Биосинтез ДНК/РНК.
  • Гормональную активность (инсулин, глюкагон).
5.Транспортные белки – переносят вещества:
  • Гемоглобин (O₂).
  • Альбумины (липиды, гормоны).
6.Защитные белки – обеспечивают иммунитет:
  • Антитела (иммуноглобулины).
  • Фибрин (свертывание крови).
  • Интерферон (противовирусная защита).
7.Запасные белки – резерв питательных веществ (казеин, овальбумин).
8.Рецепторные белки – воспринимают сигналы (гормоны, свет – родопсин).

Функция

Примеры белков

Значение

Каталитическая

Ферменты (амилаза, ДНК-полимераза)

Ускоряют реакции метаболизма.

Транспортная

Гемоглобин, альбумины

Переносят O₂, липиды, гормоны.

Защитная

Антитела, фибриноген, интерферон

Обеспечивают иммунитет, свертывание крови.

Сократительная

Актин, миозин

Мышечное сокращение, движение клеток.

Структурная

Коллаген, кератин, эластин

Формируют ткани, мембраны, волосы, ногти.

Гормональная

Инсулин, глюкагон

Регуляция обмена веществ.

Резервная

Казеин, овальбумин

Питание плода и ребенка.

Сигнальная

Рецепторы (родопсин)

Передача нервных импульсов, световосприятие.

Содержание белков в органах и тканях

Высокое содержание (72–84%):

  • Мышцы (поперечно-полосатые).
  • Легкие, селезенка, почки.
Умеренное (47–63%):
  • Кожа, мозг, сердце, органы ЖКТ.
Низкое (14–20%):
  • Кости, зубы, жировая ткань.
Общее содержание белков в организме: ~45% от сухой массы.

Краткое заключение

  1. Белки – основа жизни, выполняют каталитические, структурные, транспортные и защитные функции.
  2. Разнообразие функций обусловлено уникальной структурой каждого белка.
  3. Наибольшее количество белка содержится в мышцах, наименьшее – в костях и жире.

Формирование молекулы белка

  • Белок — это цепочка аминокислот, которые соединяются пептидными связями.
  1. Сначала появляется первичная структура (цепочка аминокислот), а затем она сворачивается в более сложные формы (вторичную, третичную и четвертичную структуры). Как длинная цепочка бусин, которая затем принимает сложные формы!
  2. Вторичная структура: Белок сворачивается в спираль (α-спираль) или складывается в "гармошку" (β-структура). Как пружина или складка ткани.
  3. Третичная структура: Это компактный клубок белка. Белок сворачивается, как клубок ниток.
  4. Четвертичная структура: Несколько цепей объединяются, как кусочки пазла, чтобы образовать функциональный агрегат (например, гемоглобин).

Физико-химические свойства белков

Белки обладают рядом физико-химических свойств, которые определяются их структурой и аминокислотным составом.

1. Амфотерность белков

Причина амфотерности. Белки содержат как кислые (–COOH → –COO⁻), так и основные (–NH₂ → –NH₃⁺) группы, поэтому могут вести себя как кислоты или основания в зависимости от pH среды.
Заряд белка
  • Зависит от соотношения кислых (аспартат, глутамат) и основных (лизин, аргинин) аминокислот.
  • Изоэлектрическая точка (pI) – значение pH, при котором суммарный заряд белка равен 0.
  • Если pH < pI → белок заряжен положительно.
  • Если pH > pI → белок заряжен отрицательно.
  • Для большинства белков pI = 4,8–5,4 (из-за преобладания глутамата и аспартата).
Значение амфотерности:
  • Буферные свойства – белки поддерживают pH крови (например, гемоглобин).
  • Методы разделения белков:
  • Электрофорез – разделение по заряду.
  • Высаливание – осаждение при изменении ионной силы.

2. Растворимость белков

Причины растворимости:
  1. Наличие заряженных групп → молекулы отталкиваются друг от друга.
  2. Гидратная оболочка – вода окружает полярные и заряженные участки белка.
  • Пример: альбумин связывает 30–50 г воды на 100 г белка.
Факторы, влияющие на растворимость:
  • pH среды – белки наименее растворимы в изоэлектрической точке (так как заряд = 0, нет электростатического отталкивания).
  • Ионная сила – высокая концентрация солей может вызывать высаливание (например, (NH₄)₂SO₄).

3. Коллоидные свойства белков

Белки образуют коллоидные растворы из-за большого размера молекул (1–100 нм).
Характерные свойства коллоидных растворов
  1. Опалесценция – рассеивание света (эффект Тиндаля).
  2. Медленная диффузия – из-за крупных размеров молекул.
  3. Непроницаемость через мембраны – используется в диализе (очистка белков, "искусственная почка").
  4. Онкотическое давление – способность притягивать воду (например, отеки при снижении альбумина в крови).
  5. Высокая вязкость – образование гелей (например, желатин).

4. Денатурация белков

  • Нарушение нативной конформации белка (разрыв водородных, ионных связей) без разрушения пептидных связей.
Причины:
  • Высокая температура (яичный белок при варке).
  • Изменение pH (кислоты/щелочи).
  • Действие органических растворителей (спирт).
Результат: Потеря функциональности (ферменты перестают работать).

Выводы

  1. Амфотерность позволяет белкам быть буферами и разделяться в электрическом поле.
  2. Растворимость зависит от заряда и гидратной оболочки.
  3. Коллоидные свойства объясняют их поведение в растворах (опалесценция, диализ).
  4. Денатурация приводит к потере функции, но не разрушает первичную структуру.
Мнемоника:
  1. "Белки – амфотерные коллоиды: заряжаются, растворяются, свет рассеивают!"

Как удалить белки из раствора?

Чтобы удалить белки, нужно убрать один или оба фактора, обеспечивающих их растворимость: заряд и гидратную оболочку.
При исчезновении этих факторов белки осаждаются.
  • Ренатурация — восстановление белков после осаждения. Если удаляется повреждающий агент, белки возвращают свою структуру.

Высаливание

Высаливание — это процесс добавления соли для осаждения белков.
Мнемоника: "Соль + белок = осаждение"
  • Соли взаимодействуют с белками, уменьшив их растворимость и способствуют осаждению.

Растворы белков — коллоидные растворы

Белки в растворе образуют коллоидные частицы, их большие размеры делают растворы белков особенными.

Свойства белковых растворов

  1. Опалесценция. Белковые растворы рассеивают свет, создавая эффект Тиндаля, когда виден светящийся конус.
  2. Малая скорость диффузии. Белковые растворы обладают низкой диффузией по сравнению с истинными растворами.
  3. Невозможность проходить через мембраны. Белки не могут проникать через мембраны с порами, меньшими, чем их размер, что используется в диализе для очистки.
  4. Высокая вязкость. Белковые растворы создают высокую вязкость, образуя гели и студни.
  5. Онкотическое давление. Белки создают давление, которое заставляет воду двигаться к более концентрированным областям, вызывая отеки.

Сложные белки: гликопротеины, фосфопротеины, липопротеины, металлопротеины, хромопротеины и протеогликаны

1. Гликопротеины

1.1. Общая характеристика

Состав: Белковая часть + ковалентно связанные углеводы (моносахариды, уроновые кислоты, аминосахара).
Типы связей:
  • O-гликозидная (с Ser/Thr)
  • N-гликозидная (с Asn/Gln/Lys/Arg)
Классификация:
  • Нейтральные (3-40% углеводов): овальбумин, трансферрин, тиреоглобулин.
  • Кислые (содержат уроновые кислоты): гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты.

1.2. Важнейшие представители

Гиалуроновая кислота
  • Повторяющийся дисахарид: глюкуроновая кислота + N-ацетилглюкозамин (β1→3 и β1→4 связи).
  • Функции: увлажнение, вязкость, структурная роль в хряще.
Хондроитинсульфаты
  • Состав: глюкуроновая кислота + N-ацетилгалактозамин-SO₄.
  • Типы: A, B, C (различаются по положению сульфата).
  • Локализация: хрящи (хондромукоид), кости (оссемукоид).
Муцины
  • Слизеобразные гликопротеины пищеварительного тракта.
  • Защита от механических/химических повреждений.
Протеогликаны
  • Углеводы >80% (по свойствам ближе к полисахаридам).
  • Примеры:
  • Агрекан (хрящ): «ершик» из 100 хондроитинсульфатов + 30 кератансульфатов.
  • Малые протеогликаны (декорин, бигликан) – регуляция коллагеновых фибрилл.

2. Фосфопротеины

Структура:

  • Простетическая группа: фосфат (эфирная связь с Ser/Thr).
  • Дополнительные связи: пирофосфатные, фосфодиэфирные (между пептидными цепями).

2.1.Функции и примеры

Питательные белки:
  • Казеин (молоко) – источник аминокислот и фосфата.
  • Овальбумин (яичный белок), вителленин (желток).
Ферменты:
  • Пепсин (1 фосфат на молекулу).
  • Фосфорилаза, фосфоглюкомутаза.

3. Липопротеины

Строение:
  • Ядро: гидрофобные липиды (ТАГ, эфиры холестерина).
  • Оболочка: амфифильные липиды (фосфолипиды, холестерин) + апопротеины.

Тип

Состав (% белка)

Основные липиды

Функция

Хиломикроны

2%

85% ТАГ

Транспорт пищевых липидов

ЛПОНП

10%

55% ТАГ

Транспорт липидов из печени

ЛПНП

22%

42% эфиры холестерина

Доставка холестерина в ткани

ЛПВП

50%

27% фосфолипиды

Удаление избытка холестерина

Апопротеины

  • ApoB-48: хиломикроны.
  • ApoB-100: ЛПОНП, ЛПНП (связывание с рецепторами).
  • ApoC-II: активатор липопротеинлипазы.
  • ApoE: взаимодействие с рецепторами ЛПНП.

4.Металлопротеины

Типы и функции

Металл

Примеры белков

Роль

Fe

Гемоглобин, цитохромы, ферритин

Кислородный транспорт, ЭТЦ

Cu

Церулоплазмин, цитохромоксидаза

Окислительно-восстановительные реакции

Zn

Карбоангидраза, алкогольдегидрогеназа

Катализ, стабилизация структуры ДНК

Se

Глутатионпероксидаза

Антиоксидантная защита

Железосодержащие белки

Трансферрин

  • Транспорт Fe³⁺ (в комплексе с CO₃²⁻).
  • Насыщение в норме: ~33%.
Ферритин
  • Депо Fe³⁺ (до 4500 ионов в полой сфере).
  • Локализация: печень, селезенка.
Fe-S-белки
  • Центры: FeS, Fe₂S₂, Fe₄S₄ (в ЭТЦ).
  • Функция: перенос электронов.

5.Хромопротеины

Хромопротеины — это сложные белки, содержащие окрашенные простетические группы (небелковые компоненты), которые придают им характерный цвет. Эти группы играют ключевую роль в биологических процессах, таких как транспорт кислорода, фотосинтез, клеточное дыхание и зрение.

5.1.Классификация хромопротеинов

Тип хромопротеина

Простетическая группа

Цвет

Примеры

Функции

Гемопротеины

Гем (Fe²⁺-порфирин)

Красный

Гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза

Транспорт O₂/CO₂, электронный транспорт, детоксикация H₂O₂

Флавопротеины

ФМН (флавинмононуклеотид) или ФАД (флавинадениндинуклеотид)

Жёлтый

Сукцинатдегидрогеназа, НАДН-дегидрогеназа

Окислительно-восстановительные реакции (дыхательная цепь, цикл Кребса)

Родопсин

11-цис-ретиналь (производное витамина А)

Оранжево-красный

Родопсин (в палочках сетчатки)

Фоторецепция (зрение в условиях слабого света)

Феофитин

Феофитин (Mg²⁺-замещённый хлорофилл)

Зелёный

Фотосистемы I и II (хлоропласты)

Участие в фотосинтезе (поглощение света)

Билипротеины

Билирубин, биливердин

Жёлто-зелёный

Ферредоксин, фикоцианин (у цианобактерий)

Перенос электронов, фотосинтетические процессы

5.2. Подробное описание групп хромопротеинов

Гемопротеины. Содержат гем — комплекс протопорфирина с железом (Fe²⁺ или Fe³⁺).

Примеры:
  • Гемоглобин (в эритроцитах) — перенос O₂ и CO₂.
  • Миоглобин (в мышцах) — запасает O₂.
  • Цитохромы (в митохондриях) — переносят электроны в дыхательной цепи.
  • Каталаза — разлагает H₂O₂ на воду и кислород.

Флавопротеины. Содержат ФАД (флавинадениндинуклеотид) или ФМН (флавинмононуклеотид) — производные витамина B₂ (рибофлавина).

Примеры:
  • Сукцинатдегидрогеназа (цикл Кребса) — окисляет сукцинат до фумарата.
  • НАДН-дегидрогеназа (комплекс I дыхательной цепи) — передаёт электроны на убихинон.

Родопсин. Содержит ретиналь (альдегид витамина А).

  • Находится в палочках сетчатки.
  • Под действием света 11-цис-ретиналь изомеризуется в транс-форму, что запускает зрительный сигнал.

Феофитин и билипротеины:

  • Феофитин — участвует в фотосинтезе, заменяет хлорофилл в некоторых реакциях.
  • Билипротеины (например, фикоцианин у цианобактерий) — поглощают свет в сине-зелёной области спектра.

5.3. Мнемоника для запоминания

"ХромоПротеины — Разноцветные Белки!"
  • Гем → красный (гемоглобин).
  • Флавины → жёлтые (ФАД/ФМН).
  • Ретиналь → оранжевый (родопсин).
  • Феофитин → зелёный (фотосинтез).

6.Протеогликаны

Протеогликаны – сложные гликопротеины, состоящие из:
  • Белкового ядра (корового белка)
  • Ковалентно присоединенных гликозаминогликанов (ГАГ) – длинные линейные полисахариды, построенные из повторяющихся дисахаридных единиц.

6.1.Отличие от гликопротеинов

  • В гликопротеинах углеводные компоненты (олигосахариды) составляют до 10-20%.
  • В протеогликанах ГАГ составляют 80-95% массы молекулы.

6.2. Структура протеогликанов

А) Основные компоненты:
  1. Коровый белок (например, аггрекан, декорин).
  2. Гликозаминогликаны (ГАГ) – сульфатированные углеводные цепи:
  • Хондроитинсульфат
  • Кератансульфат
  • Дерматансульфат
  • Гепарансульфат
  • Гиалуроновая кислота (не сульфатирована, но входит в состав комплексов).
Точки прикрепления ГАГ к белку:
  • О-гликозидная связь (через серин → серин-ксилоза-галактоза-галактоза-глюкуроновая кислота).
Б) Надмолекулярные комплексы:
  • Агрегаты протеогликанов (например, в хряще):
  • Гиалуроновая кислота (центральная нить).
  • Аггрекан (связан с гиалуронатом через линкерные белки).

6.3.Функции протеогликанов

Функция

Примеры

Механическая поддержка тканей

Хрящ (аггрекан + коллаген), роговица (кератансульфат)

Смазка и амортизация

Синовиальная жидкость (гиалуроновая кислота)

Регуляция роста и дифференцировки клеток

Гепарансульфат во внеклеточном матриксе

Фильтрация молекул

Базальные мембраны почек (гепарансульфат)

Участие в воспалении и иммунном ответе

Гепарин (антикоагулянт)


6.4.Классияикация протеогликанов

Тип протеогликана

Основной ГАГ

Локализация

Роль

Аггрекан

Хондроитинсульфат, кератансульфат

Хрящ, межпозвоночные диски

Амортизация, устойчивость к компрессии

Декорин

Дерматансульфат

Кожа, сухожилия, кости

Регуляция фибриллогенеза коллагена

Синдекан

Гепарансульфат

Клеточные мембраны

Клеточная адгезия, передача сигналов

Перлекан

Гепарансульфат

Базальные мембраны

Структурная поддержка, фильтрация

Глипикан

Гепарансульфат

Клеточная поверхность

Регуляция роста (Wnt, FGF)


5. Метаболизм протеогликанов
  • Синтез: Происходит в ЭПР и аппарате Гольджи (посттрансляционная модификация).
  • Распад: Под действием лизосомальных ферментов (например, гиалуронидазы).
Нарушения:
  • Мукополисахаридозы (болезни накопления ГАГ) – например, синдром Хантера (дефицит идуронатсульфатазы).

6.6. Сравнение протеогликанов и гликопротеинов

Характеристика

Протеогликаны

Гликопротеины

Углеводный компонент

Гликозаминогликаны (ГАГ)

Олигосахариды

Доля углеводов

80-95%

1-20%

Примеры

Аггрекан, декорин

Коллаген, иммуноглобулины

6.7. Мнемоника для запоминания

"ПРОТЕоГЛИКАНы – ГАГи в тканях":
  • П – поддержка (хрящ, кожа).
  • Р – регуляция (рост клеток).
  • О – огромные углеводные цепи.
  • Т – ткани (внеклеточный матрикс).
  • Е – единая структура (белок + ГАГ).
Ассоциации по ГАГ:
  • Хондроитинсульфат → "хрящ" (chondros – греч. "хрящ").
  • Гепарансульфат → "печень" (hepar – греч. "печень").

Выводы

  1. Гликопротеины участвуют в защите, рецепции, формировании матрикса.
  2. Фосфопротеины – резерв фосфата и аминокислот (казеин, пепсин).
  3. Липопротеины транспортируют липиды; дисбаланс → атеросклероз.
  4. Металлопротеины обеспечивают катализ, транспорт металлов и электронов.
  5. Хромопротеины играют важную роль в биохимических процессах благодаря своим простетическим группам, которые определяют их цвет и функцию.
  6. Протеогликаны – ключевые компоненты внеклеточного матрикса, обеспечивающие:
  • структурную целостность тканей,
  • регуляцию клеточных процессов,
  • защиту и фильтрацию.
  • Их дисфункция приводит к заболеваниям соединительной ткани (артриты, мукополисахаридозы).

Схема для запоминания:

Сложные белки = Апобелк + Простетическая группа:
- Гликопротеины → углеводы
- Фосфопротеины → фосфат
- Липопротеины → липиды
- Металлопротеины → ионы металлов
- Хромопротеины = Белок + Окрашенная простетическая группа
- Протеогликаны → гликозаминогликаны (ГАГ)

Метаболизм белков и аминокислот

1. Роль белков в питании

  • Белки — незаменимый компонент пищи, основной источник азота.
Нормы потребления:
  • Физиологический минимум: 40–50 г/сутки.
  • Рекомендуемая норма: 110–120 г/сутки.
Азотистый баланс:
  • Нулевой (равновесие): поступление = выведение.
  • Положительный (рост, восстановление): поступление > выведение.
  • Отрицательный (белковая недостаточность): поступление < выведение.
Мнемоника:
  • "Белки строят, жиры греют, углеводы дают энергию".

2. Переваривание белков

Ферменты:
  • Пепсин (желудок, pH 1–2) → расщепляет связи с фенилаланином и тирозином.
  • Трипсин (кишечник) → расщепляет связи с аргинином и лизином.
  • Химотрипсин → расщепляет гидрофобные аминокислоты (лейцин, валин).
  • Экзопептидазы (карбокси- и аминопептидазы) → отщепляют аминокислоты с концов цепи.
Схема:
Белки → (пепсин) → пептиды → (трипсин/химотрипсин) → олигопептиды → (экзопептидазы) → аминокислоты → всасывание.

3. Катаболизм аминокислот

Основные пути:
  1. Декарбоксилирование → образование биогенных аминов (ГАМК, гистамин, серотонин).
  2. Дезаминирование → удаление аминогруппы (NH₃ + кетокислота).
  3. Трансаминирование → перенос аминогруппы между аминокислотами и кетокислотами.
Ключевые ферменты:
  • Аланинаминотрансфераза (АлТ) → маркер поражения печени.
  • Аспартатаминотрансфераза (АсТ) → маркер поражения сердца.
Мнемоника:
  • "АлТ — печень, АсТ — сердце".

4. Обезвреживание аммиака

  • Мочевина синтезируется в печени (орнитиновый цикл).
  • Транспортные формы аммиака: глутамин и аспарагин.
Схема орнитинового цикла:

NH₃ + CO₂ → карбамоилфосфат → цитруллин → аргининосукцинат → аргинин → мочевина + орнитин.

5. Специфический обмен аминокислот

  • Глицин → синтез гема, креатина, пуринов.
  • Метионин → источник метильных групп (S-аденозилметионин).
  • Фенилаланин/тирозин → предшественники гормонов (адреналин, тироксин) и меланина.
Нарушения:
  • Фенилкетонурия → накопление фенилпирувата.
  • Альбинизм → дефект синтеза меланина.

Краткое содержание

  1. Белки — ключевой источник азота, их баланс важен для здоровья.
  2. Переваривание белков происходит в ЖКТ с участием специфических ферментов.
  3. Аминокислоты распадаются через декарбоксилирование, дезаминирование и трансаминирование.
  4. Аммиак обезвреживается в печени через синтез мочевины.
  5. Отдельные аминокислоты участвуют в синтезе гормонов, пигментов и других важных соединений.

Орнитиновый цикл мочевинообразования

Общие сведения

Мочевина – основной конечный продукт азотистого обмена (выводится с мочой).
Синтез происходит только в печени (доказано опытами И. П. Павлова).
Функции цикла:
  • Обезвреживание аммиака (токсичен для ЦНС).
  • Синтез аргинина (источник NO, креатина).

Этапы цикла (5 реакций)

1. Образование карбамоилфосфата
  • Фермент: Карбамоилфосфатсинтетаза I (митохондрия).
  • Реакция:
  • NH₃ + CO₂ + 2АТФ → карбамоилфосфат
  • Регуляция: Активируется N-ацетилглутаматом (NAG).
2. Синтез цитруллина
  • Фермент: Орнитинтранскарбамоилаза (митохондрия).
  • Реакция:
  • Орнитин + карбамоилфосфат → цитруллин
3. Образование аргининосукцината (цитозоль)
  • Фермент: Аргининосукцинатсинтетаза.
  • Реакция:
  • Цитруллин + аспартат + АТФ → аргининосукцинат + АМФ + PPi
4. Расщепление аргининосукцината
  • Фермент: Аргининосукцинатлиаза.
  • Реакция:
  • Аргининосукцинат → аргинин + фумарат
  • Фумарат включается в ЦТК → энергия (3 АТФ).
5. Гидролиз аргинина
  • Фермент: Аргиназа (цитозоль).
  • Реакция:
  • Аргинин → орнитин + мочевина
  • Орнитин возвращается в митохондрии → цикл повторяется.

Энергетика мочевинообразования

  • Расход: 3 АТФ (4 макроэргические связи).
  • Компенсация:
  • Фумарат → ЦТК → 3 АТФ.
  • Дезаминирование глутамата → 3 АТФ.

Регуляция мочевинообразования

  • Активация:
  • Высокобелковая диета.
  • Голодание, физические нагрузки.
  • Сахарный диабет (распад белков).
  • Ключевые ферменты:
  • Карбамоилфосфатсинтетаза I (главная регуляторная точка).
  • Аргиназа (контролирует выход мочевины).

Клиническое значение мочевины

Норма в крови: 2.5–8.3 ммоль/л.
Повышение (уремия):
  • Почечная недостаточность.
  • Обезвоживание, кровотечения.
Понижение:
  • Печеночная недостаточность.
  • Беременность, низкобелковая диета.
Биосинтез белка

1. Основные этапы биосинтеза белков

Транскрипция ДНК:

  • Информация с ДНК копируется на мРНК (матричная РНК) с помощью РНК-полимеразы.
  • Только одна цепь ДНК (транскрибируемая) служит матрицей.
  • В мРНК тимин (T) заменяется на урацил (U).

Процессинг мРНК:

  • Первичный транскрипт мРНК разрезается на экзоны (кодирующие участки) и интроны (некодирующие).
  • Сплайсинг: экзоны соединяются в зрелую мРНК.
  • Альтернативный сплайсинг: один ген → несколько вариантов белка.

Трансляция мРНК:

Инициация:

  • Рибосома собирается на стартовом кодоне AUG (метионин).

Элонгация:

  • Аминокислоты добавляются к растущей цепи.
  • А-сайт (аминоацильный) и Р-сайт (пептидильный) рибосомы.

Терминация:

  • Стоп-кодоны (UAA, UAG, UGA) останавливают синтез.

Мнемоника:

  • "Транскрипция → Процессинг → Трансляция" (ТПТ).
  • "AUG стартует, UAA стоп".

2. Генетический код

  • Кодон = 3 нуклеотида мРНК → 1 аминокислота.
  • Антикодон тРНК комплементарен кодону.
  • Вырожденность: одна аминокислота может кодироваться несколькими кодонами.
  • Универсальность: код одинаков у всех живых организмов.

Схема: ДНК (TAC) → мРНК (AUG) → тРНК (UAC) → метионин.

3. Регуляция экспрессии генов

Транскрипционный контроль:

  • Промоторы/энхансеры ускоряют транскрипцию.
  • Репрессоры блокируют синтез мРНК.

Посттранскрипционная регуляция:

  • Альтернативный сплайсинг → разные белки из одного гена.

Трансляционный контроль:

  • МикроРНК могут блокировать трансляцию.

Пример:

  • Лактозный оперон у бактерий:
  • Если нет лактозы → ген "выключен".
  • Если есть лактоза → ген "включен".

4. Модификация белков

  • Отрезание сигнальных пептидов.
  • Фосфорилирование (включение/выключение ферментов).
  • Гликозилирование (добавление углеводов → гликопротеины).

Пример:

  • Коллаген: пролин → гидроксипролин → укрепляет соединительную ткань.

5. Энергетика биосинтеза

  • 1 аминокислота = 1 АТФ (аминоацилирование) + 2 ГТФ (трансляция).
  • Энергозатратно: 90 кДж/моль (синтез) vs 2 кДж/моль (гидролиз).

Краткое содержание

  1. Биосинтез белка включает транскрипцию, процессинг и трансляцию.
  2. Генетический код — триплетный, универсальный и вырожденный.
  3. Регуляция происходит на уровне транскрипции, сплайсинга и трансляции.
  4. Готовые белки модифицируются для выполнения функций.
  5. Синтез требует много энергии (АТФ/ГТФ).
Регуляция синтеза белка и его ингибиторы

1. Регуляция синтеза белка

Основные принципы:

  • Клетки регулируют синтез белков в зависимости от потребностей (метаболизм, адаптация, дифференцировка).
  • Регуляция происходит на уровнях:
  1. Транскрипции (активация/подавление генов).
  2. Трансляции (контроль синтеза белка на рибосомах).

Теория Жакоба и Моно (оперонная модель):

  • Структурные гены → кодируют белки.
  • Ген-оператор → «включает/выключает» структурные гены.
  • Ген-регулятор → синтезирует репрессор, блокирующий оператор.

Механизмы регуляции:

  • Индукция:
  • Пример: Лактоза (индуктор) связывает репрессор → активирует синтез β-галактозидазы у E. coli.
  • Репрессия:
  • Пример: Конечный продукт метаболизма (корепрессор) активирует репрессор → подавляет синтез ферментов.

Мнемоника:

  • «Индуктор — ВКЛ, корепрессор — ВЫКЛ».

У эукариот:

  • Регуляция сложнее: участие гистонов, альтернативный сплайсинг, контроль трансляции.

2. Ингибиторы синтеза белка
Антибиотики и их мишени:

Антибиотик

Действие

Пример применения

Пуромицин

Замещает аминоацил-тРНК → обрывает синтез белка.

Исследования механизмов синтеза.

Актиномицин D

Связывает ДНК (дезоксигуанозин) → блокирует транскрипцию.

Противоопухолевая терапия.

Рифамицин

Ингибирует РНК-полимеразу бактерий.

Лечение туберкулеза, трахомы.

Хлорамфеникол

Блокирует пептидилтрансферазу в 70S рибосомах (бактерии).

Тифозные инфекции.

Стрептомицин

Нарушает трансляцию → ошибки в кодонах.

Туберкулез.

Тетрациклины

Мешают связыванию аминоацил-тРНК с рибосомой.

Широкий спектр инфекций.

Пенициллины

Нарушают синтез клеточной стенки (не белка!).

Бактериальные инфекции.

Ключевые эффекты:
  • Бактериостатические (останавливают рост) vs бактерицидные (убивают бактерии).
  • Селективность:
  • 70S рибосомы (бактерии) vs 80S (эукариоты).

Мнемоника:

  • «Хлорамфеникол — 70S, циклогексимид — 80S».

Схема регуляции оперона: Ген-регулятор → Репрессор → Оператор → Структурные гены → Белки ↑ (индуктор) ↓ (корепрессор) Активация Подавление

Краткое содержание

Регуляция синтеза белка:

  • У прокариот — через опероны (индукция/репрессия).
  • У эукариот — сложнее (гистоны, сплайсинг).

Ингибиторы:


  • Антибиотики нарушают транскрипцию (актиномицин), трансляцию (тетрациклины) или синтез клеточной стенки (пенициллины).
  • Избирательность по типу рибосом (70S vs 80S).

Декарбоксилирование аминокислот

Общие сведения

  • Реакция: Отщепление CO₂ от аминокислот → биогенные амины.
  • Ферменты: Декарбоксилазы (кофактор – пиридоксальфосфат, ПФ).
  • Необратимость: Регулируется только синтезом/распадом аминов.

Аминокислота

Амин

Функция

Гистидин

Гистамин

Аллергия, воспаление, секреция HCl.

Триптофан

Серотонин

Настроение, сон, аппетит.

Глутамат

ГАМК

Тормозной медиатор ЦНС.

Орнитин

Путресцин

Рост клеток (полиамины).

Обезвреживание аминов

Дезаминирование (разрушение):
  • МАО (моноаминоксидаза) → альдегиды + NH₃.
Метилирование:
  • Гистамин → метилгистамин (неактивен).
Клинические аспекты
  • Избыток гистамина → аллергия, анафилаксия.
  • Недостаток серотонина → депрессия.
  • Дефицит ГАМК → судороги, тревожность.

Переваривание белков начинается в желудке

Переваривание белков начинается в желудке, затем продолжается в двенадцатиперстной и тонкой кишке. В некоторых случаях процессы расщепления белков могут продолжаться и в толстом кишечнике под воздействием микрофлоры.
  • Мнемоника: "Белки расщепляются в желудке — это начало их путешествия!"
Протеолитические ферменты
Протеолитические ферменты, такие как экзопептидазы и эндопептидазы, расщепляют белки:
  • Экзопептидазы — отщепляют аминокислоты с концов пептидных цепей.
  • Эндопептидазы — разрывают внутренние пептидные связи.
Пример: Пепсин и гастриксин — ферменты желудка. У грудных детей основным ферментом является реннин.

Регуляция желудочного пищеварения

Регуляция пищеварения происходит с помощью нервных и гуморальных механизмов. Гастрин и гистамин являются основными гуморальными регуляторами желудочной секреции.
Мнемоника: "Гастрин и гистамин — как два волшебных ключа для желудка!"
Гастрин:
  • Секретируется в ответ на раздражение механорецепторов, хеморецепторов и влияние n.vagus.
  • Стимулирует выработку соляной кислоты и других компонентов желудочного сока.
Гистамин:
  • Вырабатывается энтерохромаффиноподобными клетками, увеличивает секрецию соляной кислоты.

Соляная кислота в желудочном соке

Соляная кислота играет ключевую роль в пищеварении. Она выделяется париетальными клетками желудка и активирует ферменты, помогает расщеплять белки.
Мнемоника: "Соляная кислота — кислотный супергерой для переваривания пищи!"
Механизм:
  • Секреция ионов Н+ происходит с помощью Н+,К+-АТФазы (протонной помпы).
  • Соляная кислота активирует пепсиногены в пепсин, расщепляющий белки.
Функции соляной кислоты
  1. Денатурация белков пищи — разрушает структуры белков.
  2. Бактерицидное действие — уничтожает микроорганизмы.
  3. Высвобождение железа — помогает всасыванию металлов, таких как железо.
  4. Превращение пепсиногена в пепсин — активирует ферменты для расщепления белков.
Гастрин и гистамин
Гастрин и гистамин увеличивают активность Н+,К+-АТФазы, что способствует выработке соляной кислоты и активации пищеварения.
Мнемоника: "Гастрин и гистамин — как маги, стимулирующие желудок!" 🧙‍♂️

Состояния кислотности желудка

  • Гипоацидное состояние — недостаток соляной кислоты, что приводит к плохому перевариванию пищи и недостаточному усвоению витаминов и минералов.
  • Гиперацидное состояние — избыток соляной кислоты, что может вызвать гастрит, язвы и другие заболевания.
Мнемоника: "Гипоацидное — слишком мало кислоты, гиперацидное — слишком много!"
  • Пепсин. Пепсин работает при низком pH (1,5-2,0) и расщепляет внутренние пептидные связи белков. Он активируется из неактивного пепсиногена.
Мнемоника: "Пепсин — расщепляет белки как нож для масла!"
Пример: Пепсин расщепляет пептидные связи ароматических аминокислот, таких как тирозин, фенилаланин, триптофан.
  • Гастриксин. Гастриксин — фермент, близкий по функциям к пепсину, действует при более высоком pH (3,2-3,5) и важен при переваривании молочно-растительной пищи.
Мнемоника: "Гастриксин — второй помощник пепсина!"

Переваривание белков в тонком кишечнике

После того как пища покидает желудок, она подвергается действию панкреатического сока, кишечного сока и желчи. Эти соки содержат необходимые ферменты для полного расщепления белков.
Мнемоника: "Белки в желудке начали путешествие, а в кишечнике они окончательно расщепляются!"

Ферменты поджелудочной железы

Поджелудочная железа выделяет проферменты, такие как трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбоксипептидазы, проэластазу. Эти ферменты активируются в тонком кишечнике и начинают расщеплять белки.
Мнемоника: "Проферменты — это как подготовленные солдаты, которые ждут активации!"
  • Трипсин — активирует другие ферменты.
  • Химотрипсин — расщепляет пептидные связи, особенно ароматических аминокислот.
  • Эластаза — действует на малые аминокислоты, такие как глицин и пролин.
  • Карбоксипептидазы и аминопептидазы — завершение переваривания белков.

Ферменты кишечника

Поджелудочная железа выделяет проферменты, такие как трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбоксипептидазы, проэластазу. Эти ферменты активируются в тонком кишечнике и начинают расщеплять белки.
Мнемоника: "Проферменты — это как подготовленные солдаты, которые ждут активации!"
  • Трипсин — активирует другие ферменты.
  • Химотрипсин — расщепляет пептидные связи, особенно ароматических аминокислот.
  • Эластаза — действует на малые аминокислоты, такие как глицин и пролин.
  • Карбоксипептидазы и аминопептидазы — завершение переваривания белков.
Трипсин
Трипсин активируется из трипсиногена под действием энтеропептидазы в двенадцатиперстной кишке. Этот фермент активирует остальные ферменты поджелудочной железы.
Мнемоника: "Трипсин — как ключ, который открывает все двери для переваривания!"
  • Трипсин действует на пептидные связи, особенно с участием аминокислот лизина и аргинина.
Химотрипсин
Химотрипсин активируется трипсином и расщепляет пептидные связи с участием ароматических аминокислот, таких как фенилаланин, тирозин и триптофан.
  • Мнемоника: "Химотрипсин — как мастера, которые специализируются на ароматных аминокислотах!"
Эластаза
Эластаза активируется трипсином и действует на пептидные связи с участием маленьких аминокислот — аланина, пролина и глицина.
  • Мнемоника: "Эластаза — как эластичная лента, которая расщепляет маленькие аминокислоты!"
Карбоксипептидазы
Карбоксипептидазы — экзопептидазы, которые отщепляют аминокислоты с С-конца пептидной цепи.
  • Мнемоника: "Карбоксипептидазы — как ножницы, которые отрезают концы белков!"
Аминопептидазы
Аминопептидазы — экзопептидазы, отщепляющие аминокислоты с N-конца пептидной цепи. Они широко специфичны и могут отщеплять даже ароматические аминокислоты.
  • Мнемоника: "Аминопептидазы — как мастера, которые начинают работу с первого аминокислотного звена!"
Дипептидазы
Дипептидазы гидролизуют дипептиды, которые образуются при переваривании белков в кишечнике.
  • Мнемоника: "Дипептидазы — как ласточки, которые очищают все оставшиеся дипептиды!" 🕊️
Лизосомы энтероцитов
Некоторые пептиды, не успев расщепиться, попадают в энтероциты, где они гидролизуются лизосомальными протеазами.
  • Мнемоника: "Лизосомы — как фабрики по переработке неразделенных пептидов!"

Особенности переваривания белков у детей в желудке

После рождения кислотность желудочного сока у новорожденных почти нейтральна (pH ~6), затем в течение 6-12 часов снижается до pH 1-2.
К концу первой недели рН повышается до 5-6, а к концу первого года жизни снова снижается до 3-4.
В грудном возрасте кислотность желудочного сока поддерживается в основном молочной кислотой, а не соляной.
Мнемоника: "Молочная кислота — как кислое молочко для маленьких желудков!"
Основной фермент грудных детей — реннин (химозин), активируется при рН < 5,0, и помогает переваривать молочный белок казеин.
Мнемоника: "Реннин — молочный супергерой для казеина!"

Особенности переваривания белков у детей в кишечнике

В раннем грудном возрасте активность поджелудочной железы низкая, но к концу первого года жизни секреция панкреатических ферментов увеличивается от 2 до 10 раз.
В результате к завершению грудного возраста всасывается до 98% поступивших аминокислот.
Мнемоника: "Поджелудочная железа — как тренер, который с каждым годом делает переваривание всё мощнее!"

Пассивный иммунитет у младенцев

  • Низкая кислотность желудка и слабая протеолитическая активность в первые дни жизни защищают младенцев, так как антитела молозива и грудного молока проходят в кровь без повреждения и не перевариваются.
  • Благодаря этому дети, находящиеся на грудном вскармливании, реже болеют детскими болезнями и инфекциями.
  • Мнемоника: "Молозиво — суперщит, защищающий маленькие тела!"

Проблемы ЖКТ у детей и последствия

  • Пищевые аллергии могут развиваться, если повышена проницаемость кишечной стенки, что позволяет пептидам из молока проникать в кровь.
  • Также проблемы с ЖКТ, такие как панкреатит или инфекции, могут нарушить переваривание и всасывание белков, влияя на здоровье всего организма.
  • Мнемоника: "Проблемы с ЖКТ — как дырки в стенке, через которые попадают плохие вещества!"

Риски при искусственном вскармливании

При искусственном вскармливании возрастает риск пищевых аллергий и аутоиммунных заболеваний, таких как инсулинозависимый сахарный диабет, из-за схожести пептидов молока с человеческим инсулином.
  • Мнемоника: "Ингибитор трипсина — как тормоз, который защищает от аллергий!"

Наследственные нарушения обмена аминокислот:

Фенилкетонурия, Алкаптонурия, Альбинизм

1. Фенилкетонурия (ФКУ)

Фенилкетонурия — наследственное заболевание, связанное с нарушением метаболизма фенилаланина из-за дефекта фермента фенилаланингидроксилазы или его кофермента тетрагидробиоптерина (Н4БП).

Биохимический дефект:

Классическая ФКУ (99% случаев):
  • Мутация в гене PAH → отсутствие/снижение активности фенилаланингидроксилазы.
  • Норма фенилаланина в крови: 1–2 мг/дл, при ФКУ: 20–60 мг/дл.
Вариантная ФКУ (1%):
  • Дефект синтеза/регенерации Н4БП → нарушение гидроксилирования фенилаланина, тирозина и триптофана.

Патогенез:

  • Накопление фенилаланина и его токсичных производных (фенилпируват, фениллактат):
  • Нарушают транспорт тирозина и триптофана через ГЭБ → дефицит нейромедиаторов (дофамин, серотонин).
  • Тормозят миелинизацию нервных волокон.

Клинические проявления:

Неврологические:
  • Умственная отсталость (IQ < 50 без лечения), судороги, гиперактивность.
Физические:
  • Светлая кожа, голубые глаза (из-за дефицита меланина), "мышиный" запах мочи (фенилацетат).
  • Без лечения: прогрессирующее поражение ЦНС, летальный исход до 30 лет.

Диагностика:

Неонатальный скрининг (на 3–5 день жизни):
  • Анализ крови на фенилаланин (метод Гутри).
Подтверждающие тесты:
  • HPLC (высокоэффективная жидкостная хроматография) крови/мочи.
  • Генетическое тестирование (выявление мутаций в гене PAH).
Пренатальная диагностика:
  • Анализ ДНК плода при риске ФКУ.

Лечение:

Основное:
  • Низкобелковая диета с исключением: мяса, рыбы, яиц, молока, орехов.
  • Специальные смеси (без фенилаланина): "Афенилак", "PKU Anamix".
Дополнительное:
  • Препараты тетрагидробиоптерина (Сапроптерин) при вариантной ФКУ.
Критерии эффективности:
  • Уровень фенилаланина в крови: 2–6 мг/дл (дети), 2–10 мг/дл (взрослые).

Прогноз:

  • При ранней диагностике и диете — нормальное развитие.
  • Нарушение диеты после 12 лет → снижение когнитивных функций.

2. Алкаптонурия ("болезнь чёрной мочи")

Алкаптонурия — редкое наследственное заболевание, вызванное дефицитом гомогентизинат-1,2-диоксигеназы, приводящее к накоплению гомогентизиновой кислоты.

Биохимический дефект:

  • Нарушение распада тирозина → накопление гомогентизиновой кислоты → окисление в алкаптон (чёрный пигмент).

Клинические проявления:

Ранние симптомы (с детства):
  • Потемнение мочи при стоянии на воздухе.
Поздние осложнения (после 30 лет):
  • Охроноз: отложение пигмента в хрящах (уши, нос), склерах, коже.
  • Артрит: поражение крупных суставов и позвоночника.
  • Почечные камни (из-за экскреции гомогентизиновой кислоты).

Диагностика:

Анализ мочи:
  • Добавление щелочи → быстрое потемнение (реакция на гомогентизиновую кислоту).
Генетический тест:
  • Выявление мутаций в гене HGD.

Лечение:

Симптоматическое:
  • НПВС (при артрите), витамин С (антиоксидант).
Экспериментальное:
  • Нитизинон (ингибитор тирозиназы) — снижает продукцию гомогентизиновой кислоты.
Прогноз:
  • Продолжительность жизни не снижена, но качество ухудшается из-за артрита.

3. Альбинизм

Альбинизм — группа наследственных заболеваний, характеризующихся нарушением синтеза меланина из-за дефектов ферментов тирозиназы или белков-переносчиков меланосом.

Типы:

1.Глазокожный альбинизм (ГКА):

  • Тип 1А (полный): мутация в гене TYR → отсутствие тирозиназы.
  • Тип 2 (частичный): дефект гена OCA2 → снижение синтеза меланина.

2.Глазной альбинизм (только поражение глаз).

Клинические проявления:

  • Кожа/волосы: молочно-белые или светло-жёлтые.
  • Глаза:
  • Голубые/прозрачные радужки, нистагм, светобоязнь.
  • Снижение остроты зрения из-за гипоплазии жёлтого пятна.

Осложнения:

  • Солнечные ожоги, рак кожи (меланома, плоскоклеточный рак).

Диагностика:

  • Осмотр: отсутствие пигментации.
  • Генетический тест: выявление мутаций в генах TYR, OCA2.

Лечение:

Защита от солнца:
  • SPF 50+, одежда, солнцезащитные очки.
Коррекция зрения: очки, хирургия нистагма.

Прогноз:

  • При соблюдении мер защиты — нормальная продолжительность жизни.

Заболевание

Дефектный фермент

Накопление вещества

Ключевой симптом

ФКУ

Фенилаланингидроксилаза

Фенилаланин

Умственная отсталость

Алкаптонурия

Гомогентизинат-диоксигеназа

Гомогентизиновая кислота

Чёрная моча, охроноз

Альбинизм

Тирозиназа

—

Отсутствие пигментации

Термины
  • Тирозин: аминокислота, предшественник меланина и катехоламинов.
  • Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ): защитный механизм, ограничивающий проникновение токсинов в мозг.
  • Охроноз: патологическое отложение пигмента в соединительной ткани.
Мнемоники:
  • ФКУ: "Фенилаланин Калечит Ум" (фермент отсутствует → фенилаланин копится → умственная отсталость).
  • Алкаптонурия: "Алкаптоны = Артрит + Антрацитовая моча".
  • Альбинизм: "Абсолютно Белый Индивид".
Заключение
  1. ФКУ, алкаптонурия и альбинизм — примеры наследственных болезней обмена аминокислот.
  2. Ранняя диагностика (особенно неонатальный скрининг при ФКУ) критически важна для предотвращения осложнений.
  3. Лечение включает диетотерапию (ФКУ), защиту от солнца (альбинизм) и симптоматическую помощь (алкаптонурия).
Схема для запоминания: Фенилаланин → (ФКУ) → Токсины → Мозг Тирозин → (Алкаптонурия) → Чёрная моча Тирозин → (Альбинизм) → Нет меланина

Катаболизм аминокислот в толстом кишечнике

При проблемах с перевариванием, аминокислоты и недопереваренные белки попадают в толстый кишечник, где они подвергаются гниению. Это приводит к образованию токсинов, таких как аммиак, сероводород и другие.
  • Мнемоника: "Гниение белков — как лавина токсинов, атакующих организм!"

Детоксикация продуктов гниения

Процесс гниения белков

Причина: Часть аминокислот (а/к) не всасывается в тонком кишечнике и поступает в толстый, где подвергается гниению под действием микрофлоры.
Токсичные продукты:
  • Серусодержащие а/к (цистеин, метионин) → H₂S, CH₃SH (метилмеркаптан).
  • Диаминокислоты (орнитин, лизин) → путресцин, кадаверин ("трупные яды").
  • Ароматические а/к (фенилаланин, тирозин, триптофан) → фенол, крезол, скатол, индол, бензол.

Опасность продуктов гниения

  • Гидрофобность: Легко проникают через мембраны клеток.
  • Токсичность: Повреждают печень, эритроциты, легкие.

Детоксикация в печени

Механизм: Конъюгация с серной или глюкуроновой кислотой.
Ферменты:
  • Арилсульфотрансфераза (перенос SO₄²⁻ от ФАФС).
  • УДФ-глюкуронилтрансфераза (перенос глюкуроната от УДФГК).
Результат: Образование нетоксичных парных кислот (например, фенолсерная кислота), которые выводятся с мочой.

Клиническое значение индикана

  • Индикан – продукт обмена триптофана (образуется в кишечнике).
Повышение уровня:
  • Запоры, кишечная непроходимость.
  • Почечная недостаточность (ранние стадии).

Эндогенный пул аминокислот: пути формирования и утилизации

1. Обмен белков в организме
Особенность: Белки постоянно обновляются (синтез + распад).
Регуляция:
  • Не зависит от гормонов (в отличие от липидов/углеводов).
  • Контролируется Ca²⁺-зависимыми протеазами:
  • При нарушении энергообмена → накопление Ca²⁺ → активация протеаз → усиленный распад белков.
2. Источники эндогенных аминокислот
  1. Гидролиз старых белков (основной путь).
  2. Частичный протеолиз (прогормоны, протоферменты).
  3. Дефектные/мутировавшие белки.
  4. Синтез заменимых а/к.
3. Метаболический пул аминокислот
Состав:
  • 2/3 – эндогенные а/к.
  • 1/3 – экзогенные (из пищи).
Баланс:
  • 500 г/сут (400 г – из распада собственных белков, 100 г – из пищи).
  • 400 г → синтез новых белков.
  • 100 г → распад до мочевины, CO₂ и других метаболитов (гормоны, медиаторы и т.д.).
4. Период полураспада белков
Быстрый оборот: Инсулин, α₂-макроглобулин (5 мин).
Медленный оборот:
  • Белки плазмы крови – 14 дней.
  • Белки печени – 10 дней.
  • Белки мышц – 80 дней.
5. Пути утилизации аминокислот
  1. Синтез белков (основной путь).
  2. Образование биогенных аминов (гистамин, серотонин).
  3. Синтез специализированных соединений:
  • Порфирины (гем).
  • Креатин, креатинфосфат.
  • Азотистые основания (ДНК/РНК).
  • Гормоны (адреналин, тироксин).
  • Желчные кислоты.

General Information and Functions

General Characteristics of Proteins

Proteins are high-molecular-weight natural polymers composed of amino acid residues linked by peptide bonds (–CO–NH–).
Key Features:
  • Possess unique amino acid sequences and spatial conformations
  • Constitute ≥50% of a cell's dry mass
  • Participate in all vital life processes

Biological Roles of Proteins

1.Enzymes (Catalytic Function)
  • Accelerate biochemical reactions (e.g., digestion, respiration)
2.Structural Proteins
Form:
  • Bone and connective tissue (collagen, keratin)
  • Cellular skeleton (cytoskeleton)
3.Contractile Proteins (Actin, Myosin)
Enable:
  • Muscle contraction
  • Chromosome movement during cell division
4.Regulatory Proteins
Control:
  • DNA/RNA biosynthesis
  • Hormonal activity (insulin, glucagon)
5.Transport Proteins
Carry substances:
  • Hemoglobin (O₂ transport)
  • Albumins (lipids, hormones)
6.Protective Proteins
Provide immunity:
  • Antibodies (immunoglobulins)
  • Fibrin (blood clotting)
  • Interferon (antiviral defense)
7.Storage Proteins
  • Nutrient reserves (casein, ovalbumin)
8.Receptor Proteins
  • Signal perception (e.g., hormone receptors, rhodopsin for light detection).
Protein Content in Organs and Tissues
High (72-84%):
  • Striated muscles
  • Lungs, spleen, kidneys
Moderate (47-63%):
  • Skin, brain, heart, GI organs
Low (14-20%):
  • Bones, teeth, adipose tissue
Total body protein content: ~45% of dry mass.

Protein Structure Formation

1.Primary Structure: Linear amino acid chain
2.Secondary Structure:
  • α-helices (coiled springs)
  • β-sheets (pleated folds)
3.Tertiary Structure: Compact 3D folding (like a tangled yarn)
4.Quaternary Structure: Multiple subunits assembling (e.g., hemoglobin)

Physicochemical Properties of Proteins

1. Amphoteric Nature of Proteins
Cause:
  • Contain both acidic (–COOH → –COO⁻) and basic (–NH₂ → –NH₃⁺) groups
  • Behavior depends on environmental pH
Key Concepts:
  • Net charge determined by acidic (Asp, Glu) vs. basic (Lys, Arg) AA ratio
  • Isoelectric point (pI):
  • pH where net charge = 0
  • Most proteins: pI 4.8–5.4 (due to Glu/Asp prevalence)
  • Charge dependence:
  • pH < pI → positive charge
  • pH > pI → negative charge
Biological Significance:
  • Blood pH buffering (e.g., hemoglobin)
  • Separation techniques:
  • Electrophoresis (charge-based)
  • Salting out (ionic strength)
2. Protein Solubility
Solubility Factors:
  1. Charge repulsion between molecules
  2. Hydration shell around polar/charged groups
  • Example: Albumin binds 30–50g water/100g protein
Influencing Conditions:
  • pH: Minimum solubility at pI (no charge repulsion)
  • Ionic strength: High salt → salting out (e.g., (NH₄)₂SO₄)
3. Colloidal Properties
Characteristics:
  • Particle size: 1–100 nm
  • Tyndall effect: Light scattering (opalescence)
  • Slow diffusion (large molecular size)
  • Membrane impermeability: Used in dialysis
  • Oncotic pressure: Water attraction (edema in hypoalbuminemia)
  • High viscosity: Gel formation (e.g., gelatin)
4. Protein Denaturation
Definition:
  • Loss of native conformation (H-bonds/ionic bonds broken)
  • Peptide bonds remain intact
Causes:
  • Heat (e.g., egg white cooking)
  • pH extremes
  • Organic solvents (alcohol)
Consequence: Functional loss (enzyme inactivation)
Key Takeaways (Mnemonic: "ACID")
Amphoterism - Charge/pH dependence
Colloidal - Light scattering, viscosity
Isoelectric point - Minimum solubility
Denaturation - Structure/function loss

Methods for Protein Removal from Solution

To remove proteins from a solution, two key factors maintaining their solubility must be disrupted:
  1. Charge (electrostatic repulsion)
  2. Hydration shell (water molecules surrounding the protein)
When these are eliminated, proteins precipitate (form insoluble aggregates).

1. Salting Out (Высаливание)
Principle:
  • High salt concentrations (NH₄)₂SO₄, NaCl) compete for water molecules, stripping the hydration shell.
  • Reduced solubility → protein precipitation.
Key Points:
  • "Salting in": Low salt concentrations increase solubility (shield charges).
  • "Salting out": High salt concentrations decrease solubility (remove hydration).
  • Mnemonic: "Salt crowds out proteins!"
Applications:
  • Fractional precipitation (e.g., albumin vs. globulins).
  • First step in protein purification.
2. Isoelectric Precipitation
Principle:
  • Adjust pH to the protein’s isoelectric point (pI) (net charge = 0).
  • Loss of charge repulsion → aggregation.
Example:
  • Casein precipitates at pH 4.6 (its pI).
3. Organic Solvents (e.g., Ethanol, Acetone)
Principle:
  • Disrupt hydrogen bonding → destroy hydration shell.
  • Low temperatures (0–4°C) prevent denaturation.
Use:
  • Plasma protein isolation (e.g., antibody purification).
4. Heat/Denaturation
Principle:
  • Heat disrupts weak bonds (H-bonds, hydrophobic interactions).
  • Irreversible for most proteins (e.g., cooked egg white).
Exceptions:
  • Some proteins (e.g., RNase A) can renature if cooled slowly.
5. Detergents (e.g., SDS)
Principle:
  • Bind hydrophobic regions → solubilize membranes.
  • Used in electrophoresis (SDS-PAGE).
6. Ultrafiltration/Dialysis
Principle:
  • Size-based separation (membranes exclude large proteins).
  • Dialysis: Removes small molecules (salts) while retaining proteins.
Renaturation (Ренатурация)
  • Possible if:
  • Primary structure is intact.
  • Denaturing agent (e.g., urea) is gradually removed.
  • Example: Ribonuclease A refolds spontaneously.

Protein solutions - Colloidal solutions

Unique Properties of Protein Colloids
(1) Opalescence (Tyndall Effect)
  • Cause: Light scattering by protein particles.
  • Visualization: Visible as a bright cone when a light beam passes through the solution.
  • Example: Glass of milk under light.
(2) Slow Diffusion
  • Cause: Large particle size (Stokes-Einstein equation: D ∝ 1/r).
  • Consequence:
  • Longer mixing times.
  • Used in density gradient centrifugation for separation.
(3) Membrane Impermeability
  • Cause: Proteins > membrane pore size (e.g., dialysis membranes).
  • Applications:
  • Dialysis: Removes small contaminants (salts) while retaining proteins.
  • Artificial kidneys: Filter blood while keeping plasma proteins.
(4) High Viscosity & Gel Formation
  • Mechanism:
  • Proteins form 3D networks (e.g., gelatin → jelly).
  • Enhanced by:
  • High concentration
  • Denaturation (unfolding exposes binding sites)
  • Examples:
  • Egg white coagulation (heat-induced gel).
  • Yogurt (casein gel).
(5) Oncotic Pressure (Colloid Osmotic Pressure)
  • Definition: Pressure drawing water into protein-rich areas.
  • Physiological Role:
  • Maintains blood volume (albumin retains water in vessels).
  • Edema: Low albumin → reduced oncotic pressure → fluid leaks into tissues.
  • Equation: π = iCRT (van’t Hoff law for colloids).

Complex Proteins: Classification and Characteristics

1. Glycoproteins
Structure:
  • Protein + covalently attached carbohydrates (monosaccharides, uronic acids, amino sugars)
  • Glycosidic bonds:
  • O-linked (to Ser/Thr)
  • N-linked (to Asn/Gln/Lys/Arg)
Classification:

Type

Carbohydrate Content

Examples

Neutral

3-40%

Ovalbumin, transferrin

Acidic

Uronic acids

Hyaluronic acid

Key Representatives:
  • Hyaluronic acid
  • Repeating disaccharide: Glucuronic acid + N-acetylglucosamine (β1→3/β1→4)
  • Functions: Hydration, viscosity, cartilage structure
  • Chondroitin sulfates
  • Types A/B/C (sulfate position varies)
  • Location: Cartilage (chondromucoid), bone (osseomucoid)
  • Mucins
  • Mucous glycoproteins in digestive tract
  • Protective function
2. Phosphoproteins
Structure:
  • Phosphate groups esterified to Ser/Thr
  • Additional bonds: Pyrophosphate, phosphodiester
Examples:
  • Nutritional: Casein (milk), ovalbumin
  • Enzymatic: Pepsin, phosphorylase
3. Lipoproteins
Structure:
  • Core: Hydrophobic lipids (TAG, cholesterol esters)
  • Shell: Amphipathic lipids + apoproteins
Apoproteins:
  • ApoB-48 (chylomicrons)
  • ApoB-100 (VLDL/LDL)
  • ApoC-II (lipoprotein lipase activator)
  • ApoE (LDL receptor interaction)
4. Metalloproteins
Iron-containing proteins:
  • Transferrin: Iron transport (33% saturation normally)
  • Ferritin: Iron storage (4500 Fe³⁺ ions)
  • Fe-S proteins: Electron transport (FeS clusters)
5. Chromoproteins
Definition: Proteins with colored prosthetic groups
Major Groups:

Type

Prosthetic Group

Color

Examples

Hemoproteins

Heme (Fe)

Red

Hemoglobin, cytochromes

Flavoproteins

FAD/FMN

Yellow

Succinate dehydrogenase

Rhodopsin

Retinal

Orange

Visual pigment

Phycobilins

Bilins

Blue-green

Phycocyanin

Mnemonic: "Chromoproteins are Rainbow Proteins"
  • Heme → Red
  • Flavins → Yellow
  • Retinal → Orange
  • Phycobilins → Blue-green
6. Proteoglycans
Structure:
  • Core protein + glycosaminoglycans (GAGs)
  • GAG content: 80-95% of mass
Key Differences from Glycoproteins:

Feature

Proteoglycans

Glycoproteins

Carbohydrate

GAGs (long chains)

Oligosaccharides

Content

80-95%

3-40%

Major Types:
  • Aggrecan: Cartilage (100 chondroitin + 30 keratan sulfates)
  • Small PGs: Decorin, biglycan (collagen regulation)
Mnemonic: "PROTEOGLYCANS":
P - Support (cartilage)
R - Regulation
O - Oversized carbs
T - Tissues
E - Entire structure (protein+GAGs)
Comparative Summary
Complex Proteins = Apo-protein + Prosthetic Group:
  • Glycoproteins → Carbohydrates
  • Phosphoproteins → Phosphate
  • Lipoproteins → Lipids
  • Metalloproteins → Metal ions
  • Chromoproteins → Colored groups
  • Proteoglycans → GAGs
Key Functions:
  1. Glycoproteins: Cell recognition, protection
  2. Phosphoproteins: Nutrient storage, signaling
  3. Lipoproteins: Lipid transport
  4. Metalloproteins: Catalysis, electron transfer
  5. Chromoproteins: Light absorption/energy conversion
  6. Proteoglycans: ECM structure, lubrication
Clinical Correlations:
  • Mucopolysaccharidoses: GAG accumulation disorders
  • Atherosclerosis: Lipoprotein metabolism defects
  • Anemia: Hemoprotein dysfunction
This structured format enhances memorization through:
  • Clear tables comparing protein types
  • Color-coded mnemonics
  • Functional classification
  • Clinical significance highlights

Urea (Ornithine) Cycle: Detoxification of Ammonia

1. Overview
  • Primary function: Convert toxic ammonia (NH₃) → urea (excreted in urine).
  • Location: Liver mitochondria + cytosol (only liver can fully perform this cycle).
  • Key importance:
  • Prevents hyperammonemia (neurotoxic).
  • Produces arginine (precursor for NO, creatine).

Step

Reaction

Enzyme

Location

Energy

1

NH₃ + CO₂ + 2ATP → Carbamoyl phosphate

CPS I (activated by NAG)

Mitochondria

-2 ATP

2

Ornithine + Carbamoyl phosphate → Citrulline

Ornithine transcarbamylase (OTC)

Mitochondria

–

3

Citrulline + Aspartate + ATP → Argininosuccinate

Argininosuccinate synthase

Cytosol

-1 ATP (→ AMP + PPi)

4

Argininosuccinate → Arginine + Fumarate

Argininosuccinate lyase

Cytosol

+ Fumarate (→ 3 ATP via TCA)

5

Arginine → Urea + Ornithine

Arginase

Cytosol

Ornithine recycled

Net ATP Cost: 3 ATP (4 high-energy bonds) per urea molecule.
3. Key FeaturesA) Regulation
  • Activators:
  • High-protein diet → ↑ amino acid catabolism → ↑ NH₃.
  • N-Acetylglutamate (NAG): Allosteric activator of CPS I.
  • Glucagon (fasting state).
  • Inhibitors: Low protein intake, arginine deficiency.
B) Energy Balance
  • Cost: 3 ATP (steps 1 + 3).
  • Compensation: Fumarate → TCA cycle → 3 ATP (net ~0 ATP).

Disorder

Cause

Effect

Hyperammonemia

CPS I/OTC deficiency

↑ NH₃ → neurological damage

Uremia

Kidney failure

↑ Blood urea (normal NH₃)

Liver failure

Impaired urea cycle

↓ Urea + ↑ NH₃

Normal blood urea: 2.5–8.3 mmol/L.
4. Mnemonics
Cycle Steps: "Oh Citrully, Argue About Urea!"
  • Ornithine → Citrulline → Argininosuccinate → Arginine → Urea
Regulation: "NAG the CPS"
  • N-Acetylglutamate activates CPS I.
Clinical: "High Ammonia → Hospital Admission" (for CPS I/OTC defects).
Mitochondria:
NH₃ + CO₂ + 2ATP → Carbamoyl phosphate → Citrulline
↑
N-Acetylglutamate

Cytosol:
Citrulline + Aspartate → Argininosuccinate → Arginine → Urea
↓
Fumarate (→ TCA cycle)
Protein and Amino Acid Metabolism

1. Role of Proteins in Nutrition

Proteins are essential for nitrogen supply.

Daily intake:

  • Physiological minimum: 40–50 g/day.
  • Recommended: 110–120 g/day.

Nitrogen balance:

  • Zero (equilibrium): intake = excretion.
  • Positive (growth, recovery): intake > excretion.
  • Negative (protein deficiency): intake < excretion.

Mnemonic:

  • "Proteins build, fats insulate, carbs energize".

2. Protein Digestion

Enzymes:

  • Pepsin (stomach, pH 1–2) → cleaves phenylalanine/tyrosine bonds.
  • Trypsin (intestine) → cleaves arginine/lysine bonds.
  • Chymotrypsin → cleaves hydrophobic amino acids (leucine, valine).
  • Exopeptidases (carboxy-/aminopeptidases) → remove amino acids from chain ends.

Scheme: Proteins → (pepsin) → peptides → (trypsin/chymotrypsin) → oligopeptides → (exopeptidases) → amino acids → absorption.

3. Amino Acid Catabolism

Key pathways:

  1. Decarboxylation → biogenic amines (GABA, histamine, serotonin).
  2. Deamination → removal of NH₃ (forms keto acids).
  3. Transamination → transfer of amino groups between molecules.

Key enzymes:

  • ALT (alanine aminotransferase) → liver damage marker.
  • AST (aspartate aminotransferase) → heart damage marker.

Mnemonic:

  • "ALT for liver, AST for heart".

4. Ammonia Detoxification

  • Urea is synthesized in the liver (ornithine cycle).
  • Ammonia transporters: glutamine and asparagine.

Ornithine cycle scheme: NH₃ + CO₂ → carbamoyl phosphate → citrulline → argininosuccinate → arginine → urea + ornithine.

5. Specific Amino Acid Metabolism

  • Glycine → heme, creatine, purine synthesis.
  • Methionine → methyl group donor (S-adenosylmethionine).
  • Phenylalanine/tyrosine → precursors for hormones (adrenaline, thyroxine) and melanin.

Disorders:

  • Phenylketonuria → phenylpyruvate accumulation.
  • Albinism → melanin synthesis defect.

Summary

  1. Proteins are a key nitrogen source; their balance is crucial for health.
  2. Protein digestion involves specific enzymes in the GI tract.
  3. Amino acids degrade via decarboxylation, deamination, and transamination.
  4. Ammonia is detoxified in the liver via urea synthesis.
  5. Specific amino acids participate in hormone, pigment, and other vital compound synthesis.

Visual Scheme: Proteins → Digestion (enzymes) → Amino Acids → Catabolism (NH₃, energy) → Urea (liver).

Protein Biosynthesis

1. Key Stages of Protein Synthesis

DNA Transcription:

  • DNA → mRNA (RNA polymerase).
  • Only one DNA strand is transcribed.
  • Thymine (T) → Uracil (U) in mRNA.

mRNA Processing:

  • Introns removed, exons spliced → mature mRNA.
  • Alternative splicing → multiple proteins from one gene.

Translation:

  • Initiation: Ribosome binds to AUG (methionine).
  • Elongation: Amino acids added via tRNA.
  • Termination: Stops at UAA/UAG/UGA.

Mnemonic:

  • "Transcription → Processing → Translation" (TPT).
  • "AUG starts, UAA stops".

2. Genetic Code

  • Codon = 3 mRNA nucleotides → 1 amino acid.
  • tRNA anticodon matches mRNA codon.
  • Redundancy: Multiple codons → same amino acid.

Scheme:

Copy

DNA (TAC) → mRNA (AUG) → tRNA (UAC) → methionine.

3. Gene Expression Regulation

Transcriptional control:

  • Promoters/enhancers speed up transcription.
  • Repressors block mRNA synthesis.

Post-transcriptional:

  • Alternative splicing → protein variants.

Translational control:

  • microRNAs can inhibit translation.

Example:

  • Lac operon in bacteria:
  • No lactose → gene OFF.
  • Lactose present → gene ON.

4. Protein Modifications

  • Signal peptide removal.
  • Phosphorylation (activates/deactivates enzymes).
  • Glycosylation (adds sugars → glycoproteins).

Example:

  • Collagen: Proline → hydroxyproline → stronger connective tissue.

5. Energy Cost

  • 1 amino acid = 1 ATP + 2 GTP.
  • High energy cost: 90 kJ/mol (synthesis) vs 2 kJ/mol (hydrolysis).

Summary

  1. Protein synthesis involves transcription, mRNA processing, and translation.
  2. Genetic code is triplet-based, universal, and redundant.
  3. Regulation occurs at transcription, splicing, and translation levels.
  4. Proteins are modified post-synthesis for functionality.
  5. Synthesis is energy-intensive (ATP/GTP).

Visual Scheme: DNA → Transcription → mRNA → Splicing → Translation → Protein → Modification.

Key:

  • Red = DNA/mRNA steps.
  • Blue = Protein steps.
  • Green = Regulation points.
Protein Synthesis Regulation and Inhibitors

1. Regulation of Protein Synthesis

Key Principles:

  • Cells adjust protein synthesis based on needs (metabolism, adaptation, differentiation).
  • Regulation occurs at:
  1. Transcription (gene activation/repression).
  2. Translation (ribosomal control).

Jacob-Monod Theory (Operon Model):

  • Structural genes → encode proteins.
  • Operator gene → switches structural genes ON/OFF.
  • Regulator gene → produces repressor blocking the operator.

Mechanisms:

  • Induction:
  • Example: Lactose (inducer) binds repressor → activates β-galactosidase in E. coli.
  • Repression:
  • Example: Metabolic end product (corepressor) activates repressor → inhibits enzyme synthesis.

Mnemonic:

  • "Inducer — ON, corepressor — OFF".

In Eukaryotes:

  • More complex: histones, alternative splicing, translational control.
2. Protein Synthesis Inhibitors
Antibiotics and Targets:

Antibiotic

Action

Application

Puromycin

Mimics aminoacyl-tRNA → terminates protein synthesis.

Research tool.

Actinomycin D

Binds DNA (deoxyguanosine) → blocks transcription.

Cancer therapy.

Rifamycin

Inhibits bacterial RNA polymerase.

Tuberculosis, trachoma.

Chloramphenicol

Blocks peptidyl transferase in 70S ribosomes (bacteria).

Typhoid infections.

Streptomycin

Causes codon misreading → faulty proteins.

Tuberculosis.

Tetracyclines

Prevent aminoacyl-tRNA binding to ribosomes.

Broad-spectrum infections.

Penicillins

Disrupt cell wall synthesis (not protein!).

Bacterial infections.

Key Effects:

  • Bacteriostatic (halt growth) vs bactericidal (kill bacteria).
  • Selectivity:
  • 70S ribosomes (bacteria) vs 80S (eukaryotes).

Mnemonic:

  • "Chloramphenicol — 70S, cycloheximide — 80S".

Operon Regulation Scheme: Regulator gene → Repressor → Operator → Structural genes → Proteins ↑ (inducer) ↓ (corepressor) Activation Repression

Summary

Regulation:

  • Prokaryotes use operons (induction/repression).
  • Eukaryotes — more complex (histones, splicing).

Inhibitors:

  • Antibiotics target transcription (actinomycin), translation (tetracyclines), or cell wall (penicillins).
  • Ribosome specificity (70S vs 80S).

Visual Scheme: DNA → Transcription → mRNA → Translation → Protein ↑ (regulators) ↓ (inhibitors)

Color Key:

  • Red: Regulation points.
  • Blue: Inhibition sites.

Amino Acid Decarboxylation: Production of Biogenic Amines

1. General Overview
  • Reaction: Removal of CO₂ from amino acids → biogenic amines.
  • Enzyme: Decarboxylases (require pyridoxal phosphate, PLP as cofactor).
  • Irreversible: Regulated only by synthesis/degradation of amines.

Amino Acid

Biogenic Amine

Biological Role

Clinical Relevance

Histidine

Histamine

Allergic response, gastric acid secretion

Excess → allergies, anaphylaxis

Tryptophan

Serotonin (5-HT)

Mood regulation, sleep

Deficiency → depression, anxiety

Glutamate

GABA (γ-aminobutyric acid)

Major inhibitory neurotransmitter

Deficiency → seizures, anxiety disorders

Tyrosine

Dopamine

Reward, motor control

Imbalance → Parkinson’s, schizophrenia

DOPA

Dopamine → Norepinephrine → Epinephrine

Stress response, blood pressure

Dysregulation → hypertension

3. Detoxification of Biogenic AminesA) Oxidative Deamination
  • Enzyme: Monoamine oxidase (MAO)
  • Converts amines → aldehydes + NH₃ (further metabolized to urea).
  • Example:
  • Dopamine → 3,4-Dihydroxyphenylacetaldehyde (by MAO-B).
B) Methylation
  • Enzyme: Histamine-N-methyltransferase (HNMT)
  • Inactivates histamine → methylhistamine.

Disorder

Cause

Symptoms

Treatment

Histamine excess

Mast cell activation

Allergies, anaphylaxis

Antihistamines (e.g., diphenhydramine)

Serotonin deficiency

Low tryptophan/5-HT synthesis

Depression, OCD

SSRIs (e.g., fluoxetine)

GABA deficiency

Glutamate decarboxylase defect

Seizures, anxiety

GABAergics (e.g., benzodiazepines)

MAO deficiency

Genetic mutation

Hypertensive crisis (tyramine intolerance)

MAO inhibitors (rarely used)

5. Mnemonics
  1. Amine Synthesis:
  • "His Story Gets Dramatic"
  • Histidine → Histamine
  • Serotonin → from Serine (actually tryptophan, but helps memory)
  • Glutamate → GABA
  • DOPA → Dopamine
  1. MAO Function:
  • "MAO breaks amines Off" (oxidative deamination).
  1. PLP Dependency:
  • "Pyridoxal Powers Peptide Logic" (all decarboxylases need PLP).
6. Summary Diagram
Copy
Amino Acid → **PLP-Decarboxylase** → Biogenic Amine → **MAO/HNMT** → Detox Products ↑ | | ↓ **Diet/Supplements** **Clinical Effects**
Key Points:
  • Biogenic amines act as neurotransmitters/hormones.
  • Their levels are tightly controlled by synthesis/degradation.
  • Imbalances lead to neurological/psychiatric disorders.
  • PLP (vitamin B6) is essential for decarboxylation reactions.
Example Pathway:
  • L-DOPA → Dopamine → Norepinephrine → Epinephrine (regulated by MAO/COMT).

Protein Digestion Begins in the Stomach

Protein digestion starts in the stomach, then continues in the duodenum and small intestine. In some cases, the breakdown of proteins may continue in the large intestine under the influence of gut microbiota.
Mnemonic: "Proteins break down in the stomach — the start of their journey!"
Proteolytic Enzymes
Proteolytic enzymes, such as exopeptidases and endopeptidases, break down proteins:
  • Exopeptidases — cleave amino acids from the ends of peptide chains.
  • Endopeptidases — break internal peptide bonds.
  • Example: Pepsin and gastric enzyme are enzymes of the stomach. In infants, the primary enzyme is rennin.

Regulation of Gastric Digestion

The regulation of digestion occurs through nervous and humoral mechanisms. Gastrin and histamine are the primary humoral regulators of gastric secretion.
Mnemonic: "Gastrin and histamine — like two magical keys for the stomach!"
Gastrin:
Secreted in response to the stimulation of mechanoreceptors, chemoreceptors, and the influence of the vagus nerve.
Stimulates the production of hydrochloric acid and other components of gastric juice.
Histamine:
  • Produced by enterochromaffin-like cells, it increases the secretion of hydrochloric acid.

Hydrochloric Acid in Gastric Juice

Hydrochloric acid plays a key role in digestion. It is secreted by parietal cells in the stomach and activates enzymes, helping to break down proteins.
Mnemonic: "Hydrochloric acid — the acid superhero for food digestion!"

Mechanism:
The secretion of H+ ions occurs through the H+,K+-ATPase (proton pump).
Hydrochloric acid activates pepsinogens into pepsin, which breaks down proteins.
Functions of Hydrochloric Acid:
  • Denaturation of food proteins — breaks down protein structures.
  • Bactericidal action — destroys microorganisms.
  • Iron release — aids in the absorption of metals like iron.
  • Conversion of pepsinogen into pepsin — activates enzymes for protein breakdown.
Gastrin and Histamine
Gastrin and histamine increase the activity of H+,K+-ATPase, which promotes the production of hydrochloric acid and stimulates digestion.
  • Mnemonic: "Gastrin and histamine — like wizards, stimulating the stomach!"

States of Stomach Acidity

  • Hypoacidic state — a lack of hydrochloric acid, leading to poor digestion and insufficient absorption of vitamins and minerals.
  • Hyperacidic state — an excess of hydrochloric acid, which can cause gastritis, ulcers, and other diseases.
Mnemonic: "Hypoacidic — too little acid, hyperacidic — too much!"

Pepsin
Pepsin works at a low pH (1.5-2.0) and breaks down internal peptide bonds in proteins. It is activated from the inactive form, pepsinogen.
Mnemonic: "Pepsin — breaks down proteins like a knife through butter!"
Example: Pepsin breaks peptide bonds in aromatic amino acids such as tyrosine, phenylalanine, and tryptophan.

Gastricsin
Gastricsin is an enzyme similar to pepsin in function but works at a higher pH (3.2-3.5) and is important for digesting dairy and plant-based foods.
  • Mnemonic: "Gastricsin — the second assistant to pepsin!"

Protein Digestion in the Small Intestine

After food leaves the stomach, it is acted upon by pancreatic juice, intestinal juice, and bile. These fluids contain the necessary enzymes for the complete breakdown of proteins.
  • Mnemonic: "Proteins started their journey in the stomach, and in the intestine, they are finally broken down!"

Pancreatic Enzymes

The pancreas secretes proenzymes such as trypsinogen, chymotrypsinogen, procarboxypeptidases, and proelastase. These enzymes are activated in the small intestine and begin breaking down proteins.
Mnemonic: "Proenzymes — like prepared soldiers, waiting for activation!"

  • Trypsin — activates other enzymes.
  • Chymotrypsin — breaks peptide bonds, especially in aromatic amino acids.
  • Elastase — acts on small amino acids like glycine and proline.
  • Carboxypeptidases and Aminopeptidases — complete protein digestion.

Intestinal Enzymes

The pancreas secretes proenzymes such as trypsinogen, chymotrypsinogen, procarboxypeptidases, and proelastase. These enzymes are activated in the small intestine and begin to break down proteins.
Mnemonic: "Proenzymes — like prepared soldiers, waiting for activation!"
  • Trypsin — activates other enzymes.
  • Chymotrypsin — breaks peptide bonds, especially those involving aromatic amino acids.
  • Elastase — acts on small amino acids, such as glycine and proline.
  • Carboxypeptidases and Aminopeptidases — complete protein digestion.
Trypsin
Trypsin is activated from trypsinogen by the action of enterokinase (enteropetidase) in the duodenum. This enzyme activates the other pancreatic enzymes.
Mnemonic: "Trypsin — like a key that opens all doors for digestion!"
Trypsin works on peptide bonds, particularly those involving amino acids like lysine and arginine.

Chymotrypsin
Chymotrypsin is activated by trypsin and breaks peptide bonds involving aromatic amino acids, such as phenylalanine, tyrosine, and tryptophan.
Mnemonic: "Chymotrypsin — like a specialist who works with aromatic amino acids!"

Elastase
Elastase is activated by trypsin and acts on peptide bonds involving small amino acids such as alanine, proline, and glycine.
Mnemonic: "Elastase — like an elastic band, breaking down small amino acids!"

Carboxypeptidases
Carboxypeptidases are exopeptidases that cleave amino acids from the C-terminal end of the peptide chain.
Mnemonic: "Carboxypeptidases — like scissors, cutting off the ends of proteins!"

Aminopeptidases
Aminopeptidases are exopeptidases that cleave amino acids from the N-terminal end of the peptide chain. They are broadly specific and can cleave even aromatic amino acids.
Mnemonic: "Aminopeptidases — like craftsmen, starting from the first amino acid link!"

Dipeptidases
Dipeptidases hydrolyze dipeptides that are formed during protein digestion in the intestine.
Mnemonic: "Dipeptidases — like swallows, cleaning up the remaining dipeptides!"

Lysosomes of Enterocytes
Some peptides that have not been fully broken down enter enterocytes, where they are hydrolyzed by lysosomal proteases.
  • Mnemonic: "Lysosomes — like factories recycling undigested peptides!"

Features of Protein Digestion in Children in the Stomach

After birth, the acidity of gastric juice in newborns is almost neutral (pH ~6), then within 6-12 hours, it drops to pH 1-2.
By the end of the first week, the pH rises to 5-6, and by the end of the first year of life, it drops again to 3-4.
In infancy, the acidity of gastric juice is mainly maintained by lactic acid, rather than hydrochloric acid.
Mnemonic: "Lactic acid — like sour milk for little stomachs!"
The main enzyme in infants is rennin (chymosin), which is activated at pH < 5.0 and helps digest the milk protein casein.
  • Mnemonic: "Rennin — the milk superhero for casein!"

Features of Protein Digestion in Children in the Intestine

In early infancy, pancreatic activity is low, but by the end of the first year of life, the secretion of pancreatic enzymes increases 2 to 10 times.
As a result, by the end of infancy, up to 98% of the incoming amino acids are absorbed.
  • Mnemonic: "The pancreas — like a coach, making digestion stronger with each passing year!"

Passive Immunity in Infants

The low acidity of the stomach and weak proteolytic activity during the first days of life protect infants, as the antibodies in colostrum and breast milk pass into the bloodstream undamaged and are not digested.
As a result, breastfed infants are less likely to get childhood illnesses and infections.
  • Mnemonic: "Colostrum — the super shield protecting little bodies!"

Gastrointestinal Problems in Children and Consequences

Food allergies can develop if intestinal permeability is increased, allowing peptides from milk to pass into the bloodstream.
Gastrointestinal issues, such as pancreatitis or infections, can disrupt the digestion and absorption of proteins, affecting the health of the entire body.
  • Mnemonic: "Gastrointestinal problems — like holes in the wall, through which harmful substances get through!"

Risks of Artificial Feeding

Artificial feeding increases the risk of food allergies and autoimmune diseases, such as insulin-dependent diabetes mellitus, due to the similarity of milk peptides to human insulin.
  • Mnemonic: "Trypsin inhibitor — like a brake that protects from allergies!"

Hereditary Disorders of Amino Acid Metabolism

1. Phenylketonuria (PKU)

Phenylketonuria is an inherited disorder caused by impaired metabolism of phenylalanine due to a defect in the enzyme phenylalanine hydroxylase or its cofactor tetrahydrobiopterin (BH4).

Biochemical Defect:

Classic PKU (99% of cases):
  • Mutation in the PAH gene → absent/reduced phenylalanine hydroxylase activity.
  • Normal blood phenylalanine: 1–2 mg/dL, in PKU: 20–60 mg/dL.
Variant PKU (1%):
  • Impaired BH4 synthesis/recycling → disrupted hydroxylation of phenylalanine, tyrosine, and tryptophan.

Pathogenesis:

  • Accumulation of phenylalanine and its toxic metabolites (phenylpyruvate, phenyllactate):
  • Disrupts transport of tyrosine and tryptophan across the blood-brain barrier → deficiency of neurotransmitters (dopamine, serotonin).
  • Inhibits myelination of nerve fibers.

Clinical Manifestations:

Neurological:
  • Intellectual disability (IQ < 50 without treatment), seizures, hyperactivity.
Physical:
  • Fair skin, blue eyes (due to melanin deficiency), "mousy" odor of urine (phenylacetate).
  • Untreated: Progressive CNS damage, fatal by age 30.

Diagnosis:

Newborn screening (days 3–5 of life):
  • Blood test for phenylalanine (Guthrie test).
Confirmatory tests:
  • HPLC of blood/urine.
  • Genetic testing (PAH gene mutations).
Prenatal diagnosis:
  • Fetal DNA analysis for at-risk pregnancies.

Treatment:

Primary:
Low-protein diet, excluding meat, fish, eggs, dairy, nuts.
  • Special phenylalanine-free formulas: "PKU Anamix", "Afénilac".
Adjuvant:
  • BH4 supplements (Sapropterin) for variant PKU.
Monitoring:
  • Target blood phenylalanine: 2–6 mg/dL (children), 2–10 mg/dL (adults).

Prognosis:

  • Early diagnosis and diet → normal development.
  • Dietary non-compliance after age 12 → cognitive decline.

2. Alkaptonuria ("Black Urine Disease")

Alkaptonuria is a rare inherited disorder caused by deficiency of homogentisate 1,2-dioxygenase, leading to accumulation of homogentisic acid.

Biochemical Defect:

  • Impaired tyrosine breakdown → homogentisic acid buildup → oxidation to alkapton (black pigment).

Clinical Manifestations:

Early signs (childhood):
  • Darkening of urine upon air exposure.
Late complications (after age 30):
  • Ochronosis: Pigment deposition in cartilage (ears, nose), sclera, skin.
  • Arthritis: Degenerative joint disease (spine, knees).
  • Kidney stones (homogentisic acid excretion).

Diagnosis:

Urine test:
  • Alkalinization → rapid darkening (homogentisic acid reaction).
Genetic testing:
  • HGD gene mutations.

Treatment:

Symptomatic:
  • NSAIDs (for arthritis), vitamin C (antioxidant).
Experimental:
  • Nitisinone (tyrosinase inhibitor) to reduce homogentisic acid production.

Prognosis:

  • Normal lifespan, but quality of life impaired by arthritis.

3. Albinism

Albinism comprises inherited disorders characterized by defective melanin synthesis due to mutations in tyrosinase or melanosome transport proteins.

Types:

1.Oculocutaneous albinism (OCA):
  • Type 1A: TYR gene mutation → absent tyrosinase.
  • Type 2: OCA2 gene defect → reduced melanin.
2.Ocular albinism (eye involvement only).

Clinical Manifestations:

Skin/hair: Milky white or pale yellow.
Eyes:
  • Blue/translucent irises, nystagmus, photophobia.
  • Reduced visual acuity (foveal hypoplasia).

Complications:

  • Sunburns, skin cancer (melanoma, squamous cell carcinoma).

Diagnosis:

  • Clinical exam: Absent pigmentation.
  • Genetic testing: TYR, OCA2 mutations.

Treatment:

Sun protection:
  • SPF 50+, protective clothing, UV-blocking sunglasses.
Vision correction: Glasses, nystagmus surgery.

Prognosis:

  • Normal lifespan with sun protection.

Disorder

Defective Enzyme

Accumulated Substance

Key Symptom

PKU

Phenylalanine hydroxylase

Phenylalanine

Intellectual disability

Alkaptonuria

Homogentisate dioxygenase

Homogentisic acid

Black urine, ochronosis

Albinism

Tyrosinase

—

Absent pigmentation

Key Terms

  • Tyrosine: Amino acid precursor of melanin and catecholamines.
  • Blood-brain barrier (BBB): Protective mechanism limiting toxin entry into the brain.
  • Ochronosis: Pathological pigment deposition in connective tissue.

Mnemonics:

  • PKU: "Phenylalanine Kills Understanding" (enzyme defect → phenylalanine buildup → brain damage).
  • Alkaptonuria: "Alkapton = Arthritis + Anthracite urine".
  • Albinism: "Absolutely Bleached Individual".

Summary

  1. PKU, alkaptonuria, and albinism are inherited amino acid metabolism disorders.
  2. Early diagnosis (especially newborn screening for PKU) is critical to prevent complications.
  3. Management includes dietary therapy (PKU), sun protection (albinism), and symptomatic care (alkaptonuria).

Memory Aid: Phenylalanine → (PKU) → Toxins → Brain Tyrosine → (Alkaptonuria) → Black urine Tyrosine → (Albinism) → No melanin

Catabolism of Amino Acids in the Large Intestine

In cases of digestion problems, amino acids and undigested proteins reach the large intestine, where they undergo putrefaction. This leads to the formation of toxins such as ammonia, hydrogen sulfide, and others.
  • Mnemonic: "Protein putrefaction — like an avalanche of toxins attacking the body!"

Detoxification of Putrefaction Products

1. Protein Putrefaction in the Gut
Cause: Undigested amino acids reach the colon, where gut microbiota metabolize them into toxic compounds.
Toxic Metabolites:

Amino Acid

Products

Characteristics

Sulfur-containing (Cys, Met)

H₂S, CH₃SH (methyl mercaptan)

Rotten egg smell, neurotoxic

Diamino acids (Orn, Lys)

Putrescine, Cadaverine

"Cadaveric alkaloids" (foul odor)

Aromatic (Phe, Tyr, Trp)

Phenol, Cresol, Skatole, Indole

Hydrophobic, membrane-permeable toxins

Key Danger:
  • These compounds easily cross cell membranes → systemic toxicity (liver, RBCs, lungs).
2. Hepatic Detoxification Pathways
Phase II Conjugation Reactions:
  1. Sulfation
  • Enzyme: Arylsulfotransferase
  • Donor: PAPS (3'-phosphoadenosine-5'-phosphosulfate)
  • Example: Phenol → Phenyl sulfate (water-soluble)
  1. Glucuronidation
  • Enzyme: UDP-glucuronosyltransferase (UGT)
  • Donor: UDP-glucuronic acid
  • Example: Indole → Indoxyl glucuronide
Outcome:
  • Neutralized compounds excreted in urine (e.g., indican from tryptophan).
3. Clinical Significance
A) Indican (Urinary Marker)
  • Derived from bacterial metabolism of tryptophan → indole → indican.
  • Elevated in:
  • Constipation/intestinal obstruction
  • Early renal insufficiency
B) Protein Turnover & Amino Acid Pool
  • Daily Flux: ~500 g proteins recycled (400 g endogenous, 100 g dietary).
  • Half-Lives:
  • Fast-turnover: Insulin (5 min)
  • Slow-turnover: Muscle proteins (80 days)

Pathway

Products

Significance

Protein synthesis

New proteins

Tissue repair/growth

Biogenic amines

Serotonin, histamine

Neurotransmission

Specialized molecules

Heme, creatine, thyroxine

Oxygen transport, energy, metabolism

Nucleic acids

Purines/pyrimidines

DNA/RNA synthesis

Urea cycle

NH₃ → Urea

Nitrogen excretion

5. Key Mnemonics
"Sulfur Stinks, Aromatics Absorb"
  • H₂S (rotten egg smell) and aromatic toxins are lipid-soluble.
"PAPS & UDP to the Rescue"
  • Sulfation (PAPS) and glucuronidation (UDP) detoxify toxins.
"Indican = Intestinal Cleanliness Indicator"
  • High urinary indican suggests gut dysbiosis/obstruction.
Summary Figure
Colon Microbiota
↓
Amino Acids → Putrefaction → Toxins (H₂S, phenols, putrescine)
↓
Liver Detox ├─ Sulfation (PAPS) → Sulfated metabolites
└─ Glucuronidation (UDPGA) → Glucuronides
↓
Renal Excretion
Take-Home Points:
  • Gut-derived toxins require hepatic conjugation for safe elimination.
  • Protein turnover is dynamic (400 g/day recycled even during fasting).
  • Urinary indican is a clinical marker of gut-liver axis health.
  • Phase II enzymes are crucial for neutralizing hydrophobic toxins.
  • Clinical Tip: Probiotics/fiber reduce putrefaction by promoting beneficial microbiota!