МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ТИХООКЕАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра инженерных дисциплин и ресурсосберегающих технологий 
 
 

РЕФЕРАТ 

По дисциплине: «Система управления химико-технологическими процессами» 

Тема: Протеолиз. Цикл мочевины. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

Студент гр -----ПБ

------ 
 

Проверил:

Преподаватель

Шлихт А. Г. 
 
 
 

г. Владивосток

2009

Содержание

1. Белковый обмен: общие сведения

    В количественном отношении белки  образуют самую важную группу макромолекул. В организме человека массой 70 кг содержится примерно 10 кг белка, причем большая его часть локализована в мышцах. По сравнению с белками доля других азотсодержащих веществ в организме незначительна. Поэтому баланс азота в организме определяется метаболизмом белков, который регулируется несколькими гормонами, прежде всего тестостероном и кортизолом.

    В организме взрослого человека метаболизм азота в целом сбалансирован, т. е. количества поступающего и выделяемого  белкового азота примерно равны. Если выделяется только часть вновь поступающего азота, баланс положителен. Это наблюдается, например, при росте организма. Отрицательный баланс встречается редко, главным образом как следствие заболеваний.

    Полученные  с пищей белки подвергаются полному  гидролизу в желудочно-кишечном тракте до аминокислот, которые всасываются и кровотоком распределяются в организме. 8 из 20 белковых аминокислот не могут синтезироваться в организме человека. Эти незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей.

    

    Через кишечник и в небольшом объеме также через почки организм постоянно теряет белок. В связи с этими неизбежными потерями ежедневно необходимо получать с пищей не менее 30 г белка. Эта минимальная норма едва ли соблюдается в некоторых странах, в то время как в индустриальных странах содержание белка в пище чаще всего значительно превышает норму. Аминокислоты не запасаются в организме, при избыточном поступлении аминокислот в печени окисляется или используется до 100 г аминокислот в сутки. Содержащийся в них азот превращается в мочевину и в этой форме выделяется с мочой, а углеродный скелет используется в синтезе углеводов, липидов или окисляется с образованием АТФ.

    Предполагается, что в организме взрослого  человека ежедневно разрушается  до аминокислот 300-400 г белка (протеолиз) В тоже время примерно тоже самое количество аминокислот включается во вновь образованные молекулы белков (белковый биосинтез). Высокий оборот белка в организме необходим потому, что многие белки относительно недолговечны: они начинают обновляться спустя несколько часов после синтеза, а биохимический полупериод составляет 2-8 дней. Еще более короткоживущими оказываются ключевые ферменты промежуточного обмена. Они обновляются спустя несколько часов после синтеза. Это постоянное разрушение и ресинтез позволяют клеткам быстро приводить в соответствие с метаболическими потребностями уровень и активность наиболее важных ферментов. В противоположность этому особенно долговечны структурные белки, гистоны, гемоглобин или компоненты цитоскелета.

    Внутриклеточное разрушение белков (протеолиз) происходит частично в липосомах. Кроме того, в цитоплазме имеются органеллы, так называемые протеасомы, в которых разрушаются неправильно свернутые или денатурированные белки. Такие молекулы узнаются с помощью специальных маркеров.

2. Протеолиз

    Белки, содержащиеся в различных пищевых  продуктах, подвергаются в пищеварительном тракте перевариванию (расщеплению под действием протеолитических ферментов — пепсина, трипсина, химотрипсина и др.) до аминокислот, которые всасываются в кровь и разносятся по органам и тканям.

    Процесс расщепления белков до свободных  аминокислот называется протеолиз. Для полного расщепления белков до свободных аминокислот необходимо несколько ферментов с различной специфичностью. Протеиназы и пептидазы имеются не только в желудочно-кишечном тракте, но и в клетках. По месту атаки молекулы субстрата протеолитические ферменты делятся на эндопептидазы и экзопептидазы. Эндопептидазы, или протеиназы, расщепляют пептидную связь внутри пептидной цепи. Они «узнают» и связывают короткие пептидные последовательности субстратов и относительно специфично гидролизуют связи между определенными аминокислотными остатками. Протеиназы классифицируются по механизму реакции. Сериновые протеиназы содержат в активном центре важный для каталитического действия этих ферментов остаток серина, в цистеиновых протеиназах таким является остаток цистеина и т.д. Экзопептидазы гидролизуют пептиды с конца цепи: аминопептидазы — с N-конца, карбоксипептидазы — с С-конца. Наконец, дипептидазы расщепляют только дипептиды.  

Протеасомы

    Поскольку функциональные белки клетки должны быть защищены от преждевременного протеолиза, часть протеолитических ферментов  клетки заключена в липосомы (см. с. 228). Другая хорошо регулируемая система  деградации белков локализована в цитоплазме. Она состоит из больших белковых комплексов (молекулярная масса 2ּ106 Да), протеасом. Протеасомы содержат бочковидное ядро из 28 субъединиц и имеют коэффициент седиментации 20S. Протеолитическая активность (на схеме показана в виде ножниц) локализована во внутреннем 20S-ядре. С торцов бочки запираются сложно устроенными 19S-частицами, контролирующими доступ в ядро.

      
 
 

    Белки, которым предстоит разрушение в  протеасоме (например, содержащие ошибки транскрипции или состарившиеся молекулы), метятся путем ковалентного связывания с небольшим белком убиквитином. Убиквитин активирован благодаря наличию тиолсложноэфирной связи. Меченые убиквитином («убиквитинированные») молекулы распознаются 19S-частицами с потреблением АТФ и попадают в ядро, где происходит их деградация. Убиквитин не разрушается и после активации используется вновь. 

Сериновые протеиназы

    Большая группа протеиназ содержит в активном центре серин. К сериновым протеиназам  принадлежат, например, ферменты пищеварения трипсин, химотрипсин и эластаза, многие факторы свертывания крови, а также фибринолитический фермент плазмин и его активаторы.

    Как показано на рисунке, панкреатические протеиназы секретируются в виде проферментов (зимогенов). Активация таких ферментов основана на протеолитическом расщеплении. Процесс активации показан на примере трипсиногена, предшественника трипсина (1). хуй начинается с отщепления N-концевого гексапептида энтеропептидазой («энтерокиназой»), специфической сериновой протеиназой, которая локализована в мембранах кишечного эпителия. Продукт расщепления (β-трипсин) ферментативно активен и расщепляет следующую молекулу трипсиногена в местах, отмеченных на рисунке красным цветом (аутокаталитическая активация). Проферменты химотрипсина, эластазы, карбоксипептидазы А и др. также активируются трипсином.

    Активный  центр трипсина показан на схеме 2. Остаток серина при участии  остатков гистидина и аспартата  нуклеофильно атакует расщепляемую связь (красная стрелка). Отщепляемая  часть пептидного субстрата расположена в С-концевой стороне от остатка лизина, боковая цепь которого во время катализа фиксируется в специальном «кармане» фермента.

3. Цикл мочевины

    Цикл мочевины, циклический ферментативный процесс, состоящий из последовательных превращений аминокислоты орнитина и приводящий к синтезу мочевины. Цикл мочевины. — важнейший путь ассимиляции аммиака (и тем самым его обезвреживания) у многих видов животных, а также у растений и микроорганизмов. Лучше всего реакции цикла мочевины. изучены у млекопитающих (Х. Кребс и К. Хензелейт, 1932, и др.), у которых они осуществляются преимущественно в печени. Цикл мочевины состоит из трёх основных реакций: превращение орнитина в цитруллин, цитруллина — в аргинин и расщепление аргинина на мочевину и орнитин.

    Цикл  мочевины обнаружен у млекопитающих, лягушек, черепах, дождевых червей, но отсутствует у змей, птиц, и у костистых рыб (у акуловых он функционирует). У растений и микроорганизмов цикл мочевины — важный путь связывания аммонийных солей и превращения их в органические азотистые соединения.  

    Расщепление аминокислот происходит преимущественно в печени. При этом непосредственно или косвенно освобождается аммиак. Значительные количества аммиака образуются при распаде пуринов и пиримидинов.

    Аммиак (на схеме наверху слева), основание  средней силы, является клеточным  ядом. При высоких концентрациях  он повреждает главным образом нервные  клетки. Поэтому аммиак должен быстро инактивироваться и выводиться из организма. В организме человека это осуществляется прежде всего за счет образования мочевины (на схеме в середине слева), часть NH₃ выводится непосредственно почками.

    У разных видов позвоночных инактивация  и выведение аммиака производятся различными способами. Живущие в воде животные выделяют аммиак непосредственно а воду; например, у рыб он выводится через жабры (аммониотелические организмы). Наземные позвоночные, в том числе человек, выделяют лишь небольшое количество аммиака, а основная его часть превращается в мочевину (уреотелические организмы). Птицы и рептилии, напротив, образуют мочевую кислоту, которая в связи с экономией воды выделяется преимущественно в твердом виде (урикотелические организмы). 
 

      
 
 
 

    Мочевина образуется в результате циклической последовательности реакций, протекающих в печени. Оба атома азота берутся из свободного аммиака и за счет дезаминирования аспартата, карбонильная группа — из гидрокарбоната. На первой стадии, реакция [1], из гидрокарбоната (НСО₃-) и аммиака с потреблением 2 молекул АТФ образуется карбамоилфосфат. Как ангидрид это соединение обладает высоким реакционным потенциалом. На следующей стадии, реакция [2], карбамоильный остаток переносится на орнитин с образованием цитруллина. Вторая аминогруппа молекулы мочевины поставляется за счет реакции аспартата (на схеме внизу справа) с цитруллином [3]. Для этой реакции вновь необходима энергия в форме АТФ, который при этом расщепляется на АМФ и дифосфат. Для обеспечения необратимости реакции дифосфат гидролизуется полностью (не показано). Отщепление фумарата от аргининосукцината приводит к аргинину [4], из которого в результате гидролиза образуется изомочевина [5], сразу же превращающаяся в результате перегруппировки в мочевину. Остающийся орнитин вновь включается в цикл мочевины.

    Фумарат, образующийся в цикле мочевины, может  в результате двух стадий цитратного цикла [6, 7] через малат переходить в оксалоацетат, который за счет трансаминирования [9] далее прекращается в аспартат. Последний также вновь вовлекается в цикл мочевины.

    Биосинтез мочевины требует больших затрат энергии. Необходимая энергия поставляется за счет расщепления четырех высокоэнергетических связей: двух при синтезе карбамоилфосфата и двух (!) при образовании аргининосукцината (АТФ → АМФ + PPi, РРi → 2Pi).

    Цикл  мочевины протекает исключительно  в печени. Он разделен на два компартмента, митохондрии и цитоплазму. Прохождение  через мембрану промежуточных соединений цитруллина и орнитина возможно только с помощью переносчиков. Обе аминокислоты небелкового происхождения.

    Скорость  синтеза мочевины определяется первой реакцией цикла [1]. Карбамоилфосфатсинтаза активна только в присутствии N-ацетилглутамата. Состояние обмена веществ (уровень  аргинина, энергоснабжение) сильно зависит от концентрации этого аллостерического эффектора. 

4. Мочевина

    Мочевина, карбамид, H2NCONH2, полный амид угольной кислоты, амид карбаминовой кислоты; бесцветные кристаллы (t_пл 132,7°C), легко растворимые в воде, спирте, жидком аммиаке, сернистом ангидриде. Открыта французским химиком И. Руэллем (1773) в моче, идентифицирована английским химиком У. Праутом (1818), впервые синтезирована Ф. Вёлером (1828) нагреванием циановокислого аммония NH4NCO. Именно это открытие нанесло первый удар идеалистическому виталистическому учению о так называемой жизненной силе. Мочевина — весьма реакционно-способное соединение; образует комплексные соединения с многими веществами, например с перекисью водорода CO (NH₂)₂·H₂O₂, с нормальными насыщенными углеводородами; последняя реакция используется в промышленности для депарафинизации нефтей (см. также Соединения включения). При нагревании до 150—160°C мочевина разлагается с образованием биурета H₂NCONHCONH₂, NH₃, CO₂ и др. продуктов; при нагревании водных растворов медленно гидролизуется до CO₂ и NH₃ (быстро в присутствии кислот и щелочей), с кислотами (HNO₃, HCl и др.) даёт соли, например CO (NH₂)₂·HNO₃. При алкилировании. образуются алкилмочевины RNHCONH₂, при ацилировании — уреиды RCONHCONH₂, при взаимодействии со спиртами — уретаны H₂NCOOR. М. легко конденсируется с формальдегидом. Атом водорода в группе NH₂ может быть замещен также на атомы галогена (F, Cl₂).