Metabolizm białek

Przemiany białek

 

Przemiany białek w organizmie dotyczą ciągłego współistnienia dwóch procesów: syntezy i rozpadu.

6_edited.jpg

Rycina 1. Schemat przemian białek w ustroju

Źródło: Ciborowska, H., Rudnicka, A., Ciborowski, A., & Wydawnictwo Lekarskie PZWL. (2019). Wydawnictwo Lekarskie PZWL.

Białka w ustroju są nieustannie odnawiane przez ciągły proces ich degradacji i resyntezę uwolnionych aminokwasów. Każde białko posiada indywidualny czas trwania, po którym ulega rozpadzie - tzw. termin wymiany (termin obrotu).

 

Pula aminokwasów, z których syntetyzowane są białka ma trzy różne źródła:

  • aminokwasy dostarczane wraz z pożywieniem

  • aminokwasy produkowane endogennie z produktów przemiany materii

  • aminokwasy powstałe z rozpadu białek organizmu

 

Degradacja jest proteolitycznym trawieniem białek endogennych, które zachodzi pod wpływem wewnątrzkomórkowych enzymów – proteaz i peptydaz. Stopień obrotu białka obrazuje jego tzw. okres półtrwania – czas, w którym białko ulegnie degradacji. Szybkość rozpadu białek jest odmienna dla różnych białek i uzależniona stanu fizjologicznego organizmu. Przykładowo, okres półtrwania albumin surowicy krwi wynosi 20 dni, transferryny - 8 dni, prealbuminy – 2 dni, białka wiążącego retinol 10-12 godzin, a dla fibronektyny – 4 godziny. Białka, które cechuje krótki okres półtrwania wykazują dużą wrażliwość na niedobory tego składnika, co przekłada się na ich stężenie w surowicy krwi. Właściwość ta jest wykorzystywana w ocenie stanu odżywienia – przykładowo, najlepszym wykładnikiem niedożywienia są prealbuminy. Proces rozpadu białek powodowany jest przez: głodzenie (zwiększony katabolizm, utratę białek z wydzielinami i moczem), hormony (kortyzol, progesteron, patologicznie wysokie wartości hormonów gruczołu tarczowego) oraz unieruchomienie, kwasicę, zasadowicę i hipokaliemię.

 

Aminokwasy, które ulegają absorpcji z jelit do krwi oraz te pochodzące z rozpadu białek organizmu, tworzą pulę wolnych aminokwasów, których nadmiar jest spalany do wody i dwutlenku węgla z wydzieleniem energii. Mogą one ulegać przemianom dotyczącym: deaminacji, dekarboksylacji lub transaminacji. Drogi przemian poszczególnych aminokwasów wyznacza ich podział na glukogenne lub ketogenne.

Synteza białek

 

Kluczową rolę w procesie biosyntezy białek odgrywają kwasy nukleinowe. Są one polinukleotydami, czyli łańcuchami złożonymi z nukleotydów.

 

Nukleotydy składają się z 3 elementów:

  • z zasad azotowych

    • purynowych – adeniny (A) lub guaniny (G) lub

    • pirymidonowych – cytozyny (C), tyminy (T), uracylu (U)

  • cukru – deoksyrybozy lub rybozy

  • reszty kwasu fosforowego

 

Składnik cukrowy występujący w nukoleotydach determinuje zasady, jakie może zawierać

  • kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) zawiera cukier deoksyrybozę i zasady – A, G, C, T

  • kwas rybonukleinowy (RNA) zawiera cukier rybozę i zasady – A, G, C, U

 

Wyróżnia się 3 rodzaje RNA:

  • transportujący (tRNA), który przenosi aminokwasy z cytoplazmy do rybosomów

  • rybosomalny (rRNA), obecny w rybosomach

  • informacyjny (mRNA), przenoszący informację genetyczną z jądra komórkowego do cytoplazmy

 

Kwasy nukleinowe (syntetyzowane w jądrze komórkowym) wraz z białkami tworzą nukleoproteiny, będące właściwym materiałem chromosomów.

DNA i RNA różnią się między sobą masą cząsteczkową. DNA występujące w jądrze komórkowym cechują duża wielkość cząsteczki, forma podwójnej spirali oraz wiązania wodorowe pomiędzy parami zasad. Kolejność zasad w jednym łańcuchu determinuje kolejność w łańcuchu drugim (adenina tworzy parę z tyminą, guanina z cytozyną). DNA posiada informację genetyczną w postaci trzech zasad (jednostką informacji jest kodon złożony z trzech sąsiednich nukleotydów). Idealna kopia DNA komórki macierzystej (pierwotnej) jest przekazywana komórce potomnej. Replikacja, czyli proces podwojenia nici DNA polega na rozdzieleniu struktury helisy DNA i użyciu każdej z nici jako matrycy.

Synteza białek

Rycina 2. Schemat biosyntezy białka

Źródło: Protein Synthesis. (2008). W G. P. Rédei, Encyclopedia of Genetics, Genomics, Proteomics and Informatics (s. 1580–1585). Springer Netherlands. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6754-9_13641

W biosyntezie białka DNA jest matrycą, na której odtwarzany jest łańcuch mRNA. Jest to nic innego, jak przepisanie informacji genetycznej z DNA na mRNA. Proces ten nosi nazwę transkrypcji i biorą w nim udział nukleotydy oraz enzym polimeraza RNA. Nowo utworzony mRNA przedostaje się z jądra komórkowego do cytoplazmy, gdzie łączy się z rybosomami. Tam odbywa się proces translacji, czyli odczytania kodonów i przetłumaczenia ich na analogiczny aminokwas (np. UUG koduje leucynę). Za rozpoznanie, wychwyt z cytoplazmy i przeniesienie do rybosomów aminokwasów tworzących nowe białko odpowiada tRNA. Początek produkcji białka ma miejsce od aminokwasu metioniny, koniec natomiast w momencie natrafienia na kodon STOP na mRNA (np. UAG). 

9_edited.jpg

Rycina 3. Uproszczony schemat biosyntezy białka 

 

Odpowiednie enzymy łączą ze sobą aminokwasy wiązaniami peptydowymi, co jest możliwe dzięki dostarczeniu energii przez GTP. Po zakończeniu procesu translacji, nowo powstały łańcuch peptydowy opuszcza rybosom. Biosynteza białek jest procesem regulowanym hormonalnie.

Bilans azotowy

 

Białka w organizmie ulegają ciągłym procesom degradacji i resyntezy. U zdrowego dorosłego człowieka, proces ten jest zrównoważony, jednak, nie zawsze taki stan rzeczy ma miejsce. Azot z białek, uwalniany jest na skutek ich utlenienia do CO2 i H2O. W wyniku licznych przemian, którym podlega białko w ustroju, dochodzi do wydalania azotu wraz z moczem w postaci mocznika (azot może też być usuwany z organizmu w niewielkich ilościach wraz z kałem i potem). Ilość białka dostarczanego wraz z pożywieniem jest równoważona przez ilość białka, które jest później wydalane. To właśnie stosunek ilości azotu spożytego w pożywieniu i azotu wydalonego z organizmu nosi miano bilansu azotowego.

3_edited.jpg

Rycina 4. Bilans azotowy w ustroju człowieka

Źródło: Ciborowska, H., Rudnicka, A., Ciborowski, A., & Wydawnictwo Lekarskie PZWL. (2019). Wydawnictwo Lekarskie PZWL.

 

Bilans może przyjmować trzy formy: dodatnią, ujemną lub zerową:

 

  • Bilans dodatni jest obecny w momencie, gdy więcej azotu zostało przyjęte wraz z pożywieniem niż zostało wydalone z ustroju. Stan ten powinien mieć miejsce w okresie wzrostu, regeneracji, podczas karmienia piersią niemowląt (jest wykorzystywany jako budulec białek ustrojowych)

  • Bilans ujemny ma miejsce, gdy mniej azotu jest dostarczanego wraz z pożywieniem niż wydalanego z organizmu. Pojawia się w momencie, gdy spożywane są niewystarczające ilości białka lub spożywane proteiny nie są pełnowartościowe. Jest to stan patologiczny, prowadzący do wyniszczenia organizmu

  • Bilans zerowy jest stanem równowagi azotowej – azot dostarczany wraz z pożywieniem równoważy się z azotem wydalanym – dotyczy osób dorosłych, zdrowych