24.4: استقلاب البروتين

Last updated
Save as PDF

Page ID: 203097

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

وصف كيفية هضم الجسم للبروتينات
اشرح كيف تمنع دورة اليوريا التركيزات السامة للنيتروجين
فرّق بين الأحماض الأمينية الجلوكوجينية والكيتونية
اشرح كيف يمكن استخدام البروتين للطاقة

يتكون جزء كبير من الجسم من البروتين، وتتخذ هذه البروتينات عددًا لا يحصى من الأشكال. وهي تمثل مستقبلات إشارات الخلية، وجزيئات الإشارة، والأعضاء الهيكلية، والإنزيمات، ومكونات الاتجار داخل الخلايا، وسقالات المصفوفة خارج الخلية، والمضخات الأيونية، والقنوات الأيونية، والأكسجين، وناقلات ثاني _أكسيد الكربون (الهيموجلوبين). هذه ليست حتى القائمة الكاملة! يوجد بروتين في العظام (الكولاجين) والعضلات والأوتار؛ والهيموجلوبين الذي ينقل الأكسجين؛ والإنزيمات التي تحفز جميع التفاعلات البيوكيميائية. يستخدم البروتين أيضًا للنمو والإصلاح. وسط كل هذه الوظائف الضرورية، تتمتع البروتينات أيضًا بالقدرة على العمل كمصدر للوقود الأيضي. لا يتم تخزين البروتينات لاستخدامها لاحقًا، لذلك يجب تحويل البروتينات الزائدة إلى جلوكوز أو دهون ثلاثية، واستخدامها لتوفير الطاقة أو بناء احتياطيات الطاقة. على الرغم من أن الجسم يمكنه تصنيع البروتينات من الأحماض الأمينية، إلا أن الطعام يعد مصدرًا مهمًا لتلك الأحماض الأمينية، خاصة لأن البشر لا يستطيعون تصنيع جميع الأحماض الأمينية العشرين المستخدمة في بناء البروتينات.

يبدأ هضم البروتينات في المعدة. عندما تدخل الأطعمة الغنية بالبروتين إلى المعدة، يتم استقبالها بمزيج من إنزيم البيبسين وحمض الهيدروكلوريك (HCl؛ 0.5 بالمائة). ينتج هذا الأخير درجة حموضة بيئية تتراوح من 1.5 إلى 3.5 تؤدي إلى تغيير طبيعة البروتينات داخل الطعام. يقطع البيبسين البروتينات إلى بولي ببتيدات أصغر وأحماض أمينية مكونة لها. عندما يدخل خليط عصير المعدة الغذائي (الكيموس) إلى الأمعاء الدقيقة، يطلق البنكرياس بيكربونات الصوديوم لتحييد حمض الهيدروكلوريك. هذا يساعد على حماية بطانة الأمعاء. تفرز الأمعاء الدقيقة أيضًا هرمونات الجهاز الهضمي، بما في ذلك السيكريتين و CCK، والتي تحفز العمليات الهضمية لتفكيك البروتينات بشكل أكبر. يحفز السيكريتين أيضًا البنكرياس على إطلاق بيكربونات الصوديوم. يطلق البنكرياس معظم الإنزيمات الهضمية، بما في ذلك البروتياز والتريبسين والكيموتريبسين والإيلاستاز، التي تساعد على هضم البروتين. تعمل كل هذه الإنزيمات معًا على تكسير البروتينات المعقدة إلى أحماض أمينية فردية أصغر (الشكل\(\PageIndex{1}\))، والتي يتم نقلها بعد ذلك عبر الغشاء المخاطي المعوي لاستخدامها في إنتاج بروتينات جديدة، أو لتحويلها إلى دهون أو أسيتيل CoA واستخدامها في دورة كريبس.

الشكل\(\PageIndex{1}\): الإنزيمات والهرمونات الهضمية. تعمل الإنزيمات الموجودة في المعدة والأمعاء الدقيقة على تقسيم البروتينات إلى أحماض أمينية. يساعد حمض الهيدروكلوريك الموجود في المعدة في التحلل البروتيني، والهرمونات التي تفرزها الخلايا المعوية توجه العمليات الهضمية.

من أجل تجنب تكسير البروتينات التي تشكل البنكرياس والأمعاء الدقيقة، يتم إطلاق إنزيمات البنكرياس كإنزيمات غير نشطة يتم تنشيطها فقط في الأمعاء الدقيقة. في البنكرياس، تخزن الحويصلات التربسين والكيموتريبسين في صورة تريبسينوجين وكيموتريبسينوجين. بمجرد إطلاقه في الأمعاء الدقيقة، يرتبط إنزيم موجود في جدار الأمعاء الدقيقة، يسمى إنتيروكيناز، بالتريبسينوجين ويحوله إلى شكله النشط، التربسين. ثم يرتبط التربسين بالكيموتريبسينوجين لتحويله إلى الكيموتريبسين النشط. يقوم التربسين والكيموتريبسين بتفكيك البروتينات الكبيرة إلى ببتيدات أصغر، وهي عملية تسمى التحلل البروتيني. يتم تقويض هذه الببتيدات الصغيرة وتحويلها إلى الأحماض الأمينية المكونة لها، والتي تنتقل عبر السطح القمي للغشاء المخاطي المعوي في عملية تتوسط فيها ناقلات الأحماض الأمينية الصوديوم. تقوم هذه الناقلات بربط الصوديوم ثم ربط الحمض الأميني لنقله عبر الغشاء. على السطح القاعدي للخلايا المخاطية، يتم إطلاق الصوديوم والأحماض الأمينية. يمكن إعادة استخدام الصوديوم في الناقل، بينما يتم نقل الأحماض الأمينية إلى مجرى الدم لنقلها إلى الكبد والخلايا في جميع أنحاء الجسم لتخليق البروتين.

يتم استخدام الأحماض الأمينية المتاحة مجانًا لإنشاء البروتينات. في حالة وجود فائض من الأحماض الأمينية، لا يمتلك الجسم أي قدرة أو آلية لتخزينها؛ وبالتالي، يتم تحويلها إلى جلوكوز أو كيتونات، أو تتحلل. ينتج عن تحلل الأحماض الأمينية الهيدروكربونات والنفايات النيتروجينية. ومع ذلك، فإن التركيزات العالية من النيتروجين سامة. تعالج دورة اليوريا النيتروجين وتسهل إفرازه من الجسم.

دورة اليوريا

دورة اليوريا عبارة عن مجموعة من التفاعلات البيوكيميائية التي تنتج اليوريا من أيونات الأمونيوم من أجل منع المستوى السام للأمونيوم في الجسم. يحدث بشكل أساسي في الكبد وبدرجة أقل في الكلى. قبل دورة اليوريا، يتم إنتاج أيونات الأمونيوم من تكسير الأحماض الأمينية. في هذه التفاعلات، يتم تبادل مجموعة أمين، أو أيون الأمونيوم، من الأحماض الأمينية مع مجموعة كيتو على جزيء آخر. ينتج حدث النقل هذا جزيئًا ضروريًا لدورة كريبس وأيون الأمونيوم الذي يدخل في دورة اليوريا ليتم التخلص منه.

في دورة اليوريا، يتم دمج الأمونيوم مع ثاني _أكسيد الكربون، مما ينتج عنه اليوريا والماء. يتم التخلص من اليوريا من خلال الكلى في البول (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

الشكل\(\PageIndex{2}\): دورة اليوريا. يتم نقل النيتروجين، مما ينتج عنه الأمونيا والمواد الوسيطة لدورة كريبس. تتم معالجة الأمونيا في دورة اليوريا لإنتاج اليوريا التي يتم التخلص منها من خلال الكلى.

يمكن أيضًا استخدام الأحماض الأمينية كمصدر للطاقة، خاصة في أوقات الجوع. نظرًا لأن معالجة الأحماض الأمينية تؤدي إلى تكوين مواد وسيطة أيضية، بما في ذلك البيروفات، والأسيتيل CoA، والأسيتواسيل CoA، والأوكسالوأسيتات، وألفا كيتوجلوتارات، يمكن أن تعمل الأحماض الأمينية كمصدر لإنتاج الطاقة من خلال دورة كريبس (الشكل\(\PageIndex{3}\)). \(\PageIndex{4}\)يلخص الشكل مسارات الهدم والتمثيل الغذائي للكربوهيدرات والدهون والبروتينات.

الشكل\(\PageIndex{4}\): المسارات التقويضية والابتنائية. تتبع العناصر الغذائية مسارًا معقدًا من الابتلاع من خلال الابتنائية والهدم إلى إنتاج الطاقة.

اضطرابات...

الأيض: نقص مركب بيروفات ديهيدروجينيز وفينيل كيتونوريا

يعد نقص مركب نازعة هيدروجين البيروفات (PDCD) وبينيل كيتونوريا (PKU) من الاضطرابات الوراثية. نازع هيدروجين البيروفات هو الإنزيم الذي يحول البيروفات إلى أسيتيل CoA، وهو الجزيء الضروري لبدء دورة كريبس لإنتاج ATP. مع انخفاض مستويات مركب نازعة هيدروجين البيروفات (PDC)، ينخفض معدل ركوب الدراجات خلال دورة كريبس بشكل كبير. ينتج عن هذا انخفاض في إجمالي كمية الطاقة التي تنتجها خلايا الجسم. يؤدي نقص PDC إلى مرض تنكسي عصبي يتراوح في شدته، اعتمادًا على مستويات إنزيم PDC. قد يسبب عيوب النمو وتشنجات العضلات والموت. يمكن أن تشمل العلاجات تعديل النظام الغذائي ومكملات الفيتامينات والعلاج الجيني؛ ومع ذلك، لا يمكن عادةً عكس الضرر الذي يلحق بالجهاز العصبي المركزي.

تؤثر PKU على حوالي 1 من كل 15000 ولادة في الولايات المتحدة. يفتقر الأشخاص المصابون بـ PKU إلى النشاط الكافي لإنزيم فينيل ألانين هيدروكسيلاز وبالتالي لا يستطيعون تكسير الفينيل ألانين إلى التيروزين بشكل مناسب. لهذا السبب، ترتفع مستويات الفينيل ألانين إلى مستويات سامة في الجسم، مما يؤدي إلى تلف الجهاز العصبي المركزي والدماغ. تشمل الأعراض تأخر النمو العصبي، وفرط النشاط، والتخلف العقلي، والنوبات، والطفح الجلدي، والرعشة، والحركات غير المنضبطة للذراعين والساقين. تتعرض النساء الحوامل المصابات ببيلة الفينيل كيتون لخطر كبير لتعريض الجنين للكثير من الفينيل ألانين، الذي يمكن أن يعبر المشيمة ويؤثر على نمو الجنين. قد يعاني الأطفال المعرضون لزيادة الفينيل ألانين في الرحم من عيوب في القلب وتخلف جسدي و/أو عقلي وصغر الرأس. يتم اختبار كل رضيع في الولايات المتحدة وكندا عند الولادة لتحديد ما إذا كان PKU موجودًا. كلما بدأ النظام الغذائي المعدل مبكرًا، كلما كانت الأعراض أقل حدة. يجب أن يتبع الشخص عن كثب نظامًا غذائيًا صارمًا يحتوي على نسبة منخفضة من الفينيل ألانين لتجنب الأعراض والأضرار. يوجد الفينيلالانين بتركيزات عالية في المحليات الصناعية، بما في ذلك الأسبارتام. لذلك، يجب تجنب هذه المحليات. تحتوي بعض المنتجات الحيوانية وبعض النشويات أيضًا على نسبة عالية من الفينيل ألانين، ويجب مراقبة تناول هذه الأطعمة بعناية.

مراجعة الفصل

يبدأ هضم البروتينات في المعدة، حيث يبدأ حمض الهيدروكلوريك والبيبسين عملية تكسير البروتينات إلى الأحماض الأمينية المكونة لها. عندما يدخل الكيموس الأمعاء الدقيقة، فإنه يمتزج مع البيكربونات والإنزيمات الهاضمة. يعمل البيكربونات على تحييد حمض الهيدروكلوريك الحمضي، وتقوم الإنزيمات الهضمية بتكسير البروتينات إلى ببتيدات أصغر وأحماض أمينية. يتم إطلاق هرمونات الجهاز الهضمي السيكريتين و CCK من الأمعاء الدقيقة للمساعدة في العمليات الهضمية، ويتم إطلاق الإنزيمات الهضمية من البنكرياس (التربسينوجين والكيموتريبسينوجين). يقوم إنتيروكيناز، وهو إنزيم موجود في جدار الأمعاء الدقيقة، بتنشيط التربسين، والذي بدوره ينشط الكيموتريبسين. تقوم هذه الإنزيمات بتحرير الأحماض الأمينية الفردية التي يتم نقلها بعد ذلك عبر ناقلات الأحماض الأمينية الصوديوم عبر جدار الأمعاء إلى الخلية. ثم يتم نقل الأحماض الأمينية إلى مجرى الدم لتشتتها إلى الكبد والخلايا في جميع أنحاء الجسم لاستخدامها في إنتاج بروتينات جديدة. عند الزيادة، تتم معالجة الأحماض الأمينية وتخزينها على شكل جلوكوز أو كيتونات. يتم تحويل نفايات النيتروجين التي يتم تحريرها في هذه العملية إلى اليوريا في دورة حمض اليوريا ويتم التخلص منها في البول. في أوقات الجوع، يمكن استخدام الأحماض الأمينية كمصدر للطاقة ومعالجتها من خلال دورة كريبس.

مراجعة الأسئلة

س: يبدأ هضم البروتينات في ________ حيث يختلط ________ و ________ مع الطعام لتفكيك البروتين إلى ________.

أ. المعدة؛ الأميليز؛ حمض الهيدروكلوريك؛ الأحماض الأمينية

B. الفم؛ البيبسين؛ حمض الهيدروكلوريك؛ الأحماض الدهنية

C. المعدة؛ الليباز؛ حمض الهيدروكلوريك؛ الأحماض الأمينية

د. المعدة؛ البيبسين؛ حمض الهيدروكلوريك؛ الأحماض الأمينية

الإجابة: د

س: الأحماض الأمينية ضرورية لـ ________.

أ. بناء بروتينات جديدة

B. بمثابة مخازن الدهون

C. توفير الطاقة للخلية

D. إنشاء خلايا الدم الحمراء

الإجابة: أ

س: إذا لم يتم استخدام الحمض الأميني لإنشاء بروتينات جديدة، فيمكن أن يكون ________.

A. تم تحويله إلى أسيتيل CoA

B. تحولت إلى جلوكوز أو كيتونات

C. تحولت إلى نيتروجين

D. تم تخزينها لاستخدامها لاحقًا

الإجابة: ب

أسئلة التفكير النقدي

س: لا يتم تخزين الأحماض الأمينية في الجسم. وصف كيفية معالجة الأحماض الأمينية الزائدة في الخلية.

ج: لا يتم تخزين الأحماض الأمينية في الجسم. يتم تقسيم الأحماض الأمينية الفردية إلى البيروفات أو الأسيتيل CoA أو المواد الوسيطة لدورة كريبس، وتستخدم للطاقة أو لتفاعلات تكوين الدهون ليتم تخزينها كدهون.

س: يمكن أن يؤدي إطلاق التربسين والكيموتريبسين بشكلهما النشط إلى هضم البنكرياس أو الأمعاء الدقيقة نفسها. ما هي الآلية التي يستخدمها الجسم لمنع تدميره الذاتي؟

أ. يتم إطلاق التربسين والكيموتريبسين كإنزيمات غير نشطة. يتم تنشيطها فقط في الأمعاء الدقيقة، حيث تعمل على البروتينات التي يتم تناولها في الطعام. يساعد هذا في تجنب الانهيار غير المقصود للبنكرياس أو الأمعاء الدقيقة.

مسرد المصطلحات

تشيموتريبسين: إنزيم البنكرياس الذي يهضم البروتين

كيموتريبسينوجين: بروأنزيم يتم تنشيطه بواسطة التربسين إلى كيموتريبسين

الإيلاستاز: إنزيم البنكرياس الذي يهضم البروتين

إنتيروكيناز: إنزيم موجود في جدار الأمعاء الدقيقة ينشط التربسين

الإنزيمات غير النشطة: الأشكال التي يتم فيها تخزين البروتياز وإطلاقه لمنع الهضم غير المناسب للبروتينات الأصلية للمعدة والبنكرياس والأمعاء الدقيقة

البيبسين: إنزيم يبدأ في تكسير البروتينات في المعدة

التحلل البروتيني: عملية تكسير البروتينات إلى ببتيدات أصغر

سيكريتين: هرمون يتم إطلاقه في الأمعاء الدقيقة للمساعدة في عملية الهضم

بيكربونات صوديوم: يتم إطلاق الأنيون في الأمعاء الدقيقة لتحييد درجة حموضة الطعام من المعدة

انتقال: نقل مجموعة أمين من جزيء إلى آخر كطريقة لتحويل نفايات النيتروجين إلى أمونيا حتى تتمكن من دخول دورة اليوريا

التربسين: إنزيم البنكرياس الذي ينشط الكيموتريبسين ويهضم البروتين

التريبسينوجين: شكل بروأنزيم التربسين

دورة اليوريا: عملية تحول نفايات النيتروجين السامة المحتملة إلى اليوريا التي يمكن التخلص منها من خلال الكلى