Lernziele
Am Ende dieses Abschnitts können Sie:
- Beschreiben, wie der Körper Proteine verdaut
- Erklären Sie, wie der Harnstoffzyklus toxische Stickstoffkonzentrationen verhindert
- Unterscheiden Sie zwischen glukogenen und ketogenen Aminosäuren
- Erklären Sie, wie Protein für Energie verwendet werden kann
Ein Großteil des Körpers besteht aus Protein, und diese Proteine nehmen eine Vielzahl von Formen an., Sie repräsentieren Zellsignalrezeptoren, Signalmoleküle, Strukturelemente, Enzyme, intrazelluläre Zellkomponenten, extrazelluläre Matrixgerüste, Ionenpumpen, Ionenkanäle, Sauerstoff-und CO2-Transporter (Hämoglobin). Das ist nicht einmal die komplette Liste! Es gibt Protein in Knochen (Kollagen), Muskeln und Sehnen; das Hämoglobin, das Sauerstoff transportiert; und Enzyme, die alle biochemischen Reaktionen katalysieren. Protein wird auch für Wachstum und Reparatur verwendet. Inmitten all dieser notwendigen Funktionen haben Proteine auch das Potenzial, als metabolische Brennstoffquelle zu dienen., Proteine werden nicht zur späteren Verwendung gelagert, daher müssen überschüssige Proteine in Glukose oder Triglyceride umgewandelt und zur Energieversorgung oder zum Aufbau von Energiereserven verwendet werden. Obwohl der Körper Proteine aus Aminosäuren synthetisieren kann, ist Nahrung eine wichtige Quelle für diese Aminosäuren, insbesondere weil der Mensch nicht alle 20 Aminosäuren synthetisieren kann, die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden.
Die Verdauung von Proteinen beginnt im Magen. Wenn proteinreiche Lebensmittel in den Magen gelangen, werden sie von einer Mischung aus dem Enzym Pepsin und Salzsäure (HCl; 0,5 Prozent) begrüßt. Letzteres erzeugt einen Umwelt-pH-Wert von 1.,5-3. 5, die Proteine in Lebensmitteln denaturiert. Pepsin schneidet Proteine in kleinere Polypeptide und ihre konstituierenden Aminosäuren. Wenn die Lebensmittel-Magensaftmischung (Chymus) in den Dünndarm gelangt, setzt die Bauchspeicheldrüse Natriumbicarbonat frei, um das HCl zu neutralisieren. Dies hilft, die Darmschleimhaut zu schützen. Der Dünndarm setzt auch Verdauungshormone frei, einschließlich Sekretin und CCK, die Verdauungsprozesse anregen, um die Proteine weiter abzubauen. Secretin stimuliert auch die Bauchspeicheldrüse, Natriumbicarbonat freizusetzen., Die Bauchspeicheldrüse setzt die meisten Verdauungsenzyme frei, einschließlich der Proteasen Trypsin, Chymotrypsin und Elastase, die die Proteinverdauung unterstützen. Zusammen brechen alle diese Enzyme komplexe Proteine in kleinere einzelne Aminosäuren auf, die dann über die Darmschleimhaut transportiert werden, um neue Proteine zu erzeugen oder in Fette oder Acetyl-CoA umgewandelt und im Krebs-Zyklus verwendet zu werden.
Abbildung 1. Enzyme im Magen und Dünndarm zerlegen Proteine in Aminosäuren., HCl im Magen hilft bei der Proteolyse,und Hormone, die von Darmzellen ausgeschieden werden, leiten die Verdauungsprozesse.
Um den Abbau der Proteine der Bauchspeicheldrüse und des Dünndarms zu vermeiden, werden Pankreasenzyme als inaktive Proenzyme freigesetzt, die nur im Dünndarm aktiviert werden. In der Bauchspeicheldrüse speichern Vesikel Trypsin und Chymotrypsin als Trypsinogen und Chymotrypsinogen. Einmal in den Dünndarm freigesetzt, bindet ein Enzym in der Wand des Dünndarms, Enterokinase genannt, an Trypsinogen und wandelt es in seine aktive Form, Trypsin, um., Trypsin bindet dann an Chymotrypsinogen, um es in das aktive Chymotrypsin umzuwandeln. Trypsin und Chymotrypsin zerlegen große Proteine in kleinere Peptide, einen Prozess namens Proteolyse. Diese kleineren Peptide werden in ihre konstituierenden Aminosäuren katabolisiert, die über die apikale Oberfläche der Darmschleimhaut in einem Prozess transportiert werden, der durch Natrium-Aminosäuretransporter vermittelt wird. Diese Transporter binden Natrium und binden dann die Aminosäure, um sie über die Membran zu transportieren. An der basalen Oberfläche der Schleimhautzellen werden Natrium und Aminosäure freigesetzt., Das Natrium kann im Transporter wiederverwendet werden, während die Aminosäuren in den Blutkreislauf übertragen werden, um zur Proteinsynthese zur Leber und zu den Zellen im ganzen Körper transportiert zu werden.
Zur Herstellung von Proteinen werden frei verfügbare Aminosäuren verwendet. Wenn Aminosäuren im Übermaß vorhanden sind, hat der Körper keine Kapazität oder Mechanismus für ihre Lagerung; So werden sie in Glukose oder Ketone umgewandelt oder sie werden zersetzt. Aminosäurezersetzung führt zu Kohlenwasserstoffen und stickstoffhaltigen Abfällen. Hohe Stickstoffkonzentrationen sind jedoch giftig., Der Harnstoffkreislauf verarbeitet Stickstoff und erleichtert seine Ausscheidung aus dem Körper.
Harnstoffzyklus
Der Harnstoffzyklus ist eine Reihe biochemischer Reaktionen, die Harnstoff aus Ammoniumionen produzieren, um einen toxischen Ammoniumspiegel im Körper zu verhindern. Es kommt hauptsächlich in der Leber und in geringerem Maße in der Niere vor. Vor dem Harnstoffzyklus werden Ammoniumionen aus dem Abbau von Aminosäuren hergestellt. Bei diesen Reaktionen wird eine Amingruppe oder ein Ammoniumion aus der Aminosäure mit einer Ketogruppe auf einem anderen Molekül ausgetauscht., Dieses Transaminierungsereignis erzeugt ein Molekül, das für den Krebs-Zyklus notwendig ist, und ein Ammoniumion, das in den Harnstoff-Zyklus eintritt, um eliminiert zu werden.
Im Harnstoffkreislauf wird Ammonium mit CO2 kombiniert, was zu Harnstoff und Wasser führt. Der Harnstoff wird über die Nieren im Urin ausgeschieden (Abbildung 2).
Abbildung 2. Stickstoff wird transaminiert, wodurch Ammoniak und Zwischenprodukte des Krebs-Zyklus entstehen. Ammoniak wird im Harnstoffkreislauf verarbeitet, um Harnstoff zu produzieren, der über die Nieren ausgeschieden wird.,
Aminosäuren können vor allem in Hungerzeiten auch als Energiequelle genutzt werden. Da die Verarbeitung von Aminosäuren zur Bildung metabolischer Zwischenprodukte führt, einschließlich Pyruvat, AcetylCoA, Acetoacylcoa, Oxaloacetat und α-Ketoglutarat, können Aminosäuren als Energiequelle dienen Produktion durch den Krebs-Zyklus (Abbildung 3).
Abbildung 3. Klicken Sie für ein größeres Bild. Aminosäuren können in Vorläufer für die Glykolyse oder den Krebs-Zyklus zerlegt werden., Aminosäuren (fett gedruckt) können über mehr als einen Weg in den Kreislauf gelangen.
Abbildung 4 fasst die Wege des Katabolismus und des Anabolismus für Kohlenhydrate, Lipide und Proteine zusammen.
Abbildung 4. Klicken Sie für ein größeres Bild. Nährstoffe folgen einem komplexen Weg von der Einnahme über Anabolismus und Katabolismus bis zur Energieproduktion.,
Stoffwechselstörungen: Pyruvatdehydrogenase-Komplex-Mangel und Phenylketonurie
Pyruvatdehydrogenase-Komplex-Mangel (PDCD) und Phenylketonurie (PKU) sind genetische Störungen. Pyruvatdehydrogenase ist das Enzym, das Pyruvat in Acetyl-CoA umwandelt, das Molekül, das notwendig ist, um den Krebs-Zyklus zu beginnen, um ATP zu produzieren. Bei niedrigen Konzentrationen des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes (PDC) wird die Geschwindigkeit des Radfahrens durch den Krebs-Zyklus dramatisch reduziert. Dies führt zu einer Abnahme der Gesamtmenge an Energie, die von den Körperzellen produziert wird., PDC-Mangel führt zu einer neurodegenerativen Erkrankung, deren Schweregrad je nach PDC-Enzymspiegel variiert. Es kann zu Entwicklungsstörungen, Muskelkrämpfen und zum Tod führen. Behandlungen können Diätmodifikation, Vitaminergänzung und Gentherapie umfassen; Schäden am Zentralnervensystem können jedoch normalerweise nicht rückgängig gemacht werden.
PKU betrifft etwa 1 von 15.000 Geburten in den USA. Menschen, die an PKU leiden, haben keine ausreichende Aktivität des Enzyms Phenylalaninhydroxylase und sind daher nicht in der Lage, Phenylalanin adäquat in Tyrosin abzubauen., Aus diesem Grund steigen die Phenylalaninspiegel im Körper auf toxische Werte an, was zu einer Schädigung des Zentralnervensystems und des Gehirns führt. Symptome sind verzögerte neurologische Entwicklung, Hyperaktivität, geistige Behinderung, Krampfanfälle, Hautausschlag, Zittern und unkontrollierte Bewegungen der Arme und Beine. Schwangere Frauen mit PKU haben ein hohes Risiko, den Fötus zu viel Phenylalanin auszusetzen, was die Plazenta überqueren und die Entwicklung des Fötus beeinträchtigen kann. Babys, die in utero überschüssigem Phenylalanin ausgesetzt sind, können Herzfehler, körperliche und/oder geistige Behinderung und Mikrozephalie aufweisen., Jedes Kind in den Vereinigten Staaten und Kanada wird bei der Geburt getestet, um festzustellen, ob PKU vorhanden ist. Je früher eine modifizierte Diät begonnen wird, desto weniger schwerwiegend sind die Symptome. Die Person muss eine strenge Diät einhalten, die wenig Phenylalanin enthält, um Symptome und Schäden zu vermeiden. Phenylalanin kommt in hohen Konzentrationen in künstlichen Süßungsmitteln, einschließlich Aspartam, vor. Daher müssen diese Süßstoffe vermieden werden. Einige tierische Produkte und bestimmte Stärken sind ebenfalls reich an Phenylalanin, und die Aufnahme dieser Lebensmittel sollte sorgfältig überwacht werden.,
Chapter Review
Die Verdauung von Proteinen beginnt im Magen, wo HCl und Pepsin den Prozess des Abbaus von Proteinen in ihre konstituierenden Aminosäuren beginnen. Wenn der Reim in den Dünndarm gelangt, vermischt er sich mit Bicarbonat und Verdauungsenzymen. Das Bicarbonat neutralisiert das saure HCl und die Verdauungsenzyme zerlegen die Proteine in kleinere Peptide und Aminosäuren., Verdauungshormone Sekretin und CCK werden aus dem Dünndarm freigesetzt, um Verdauungsprozesse zu unterstützen, und Verdauungsproenzyme werden aus der Bauchspeicheldrüse (Trypsinogen und Chymotrypsinogen) freigesetzt. Enterokinase, ein Enzym in der Dünndarmwand, aktiviert Trypsin, das wiederum Chymotrypsin aktiviert. Diese Enzyme setzen die einzelnen Aminosäuren frei, die dann über Natrium-Aminosäuretransporter über die Darmwand in die Zelle transportiert werden., Die Aminosäuren werden dann in den Blutkreislauf transportiert, um in die Leber und in die Zellen im ganzen Körper verteilt zu werden, um neue Proteine zu erzeugen. Im Übermaß werden die Aminosäuren verarbeitet und als Glukose oder Ketone gespeichert. Der dabei freigesetzte Stickstoffabfall wird im Harnstoffsäurekreislauf in Harnstoff umgewandelt und im Urin ausgeschieden. In Zeiten des Hungers können Aminosäuren als Energiequelle genutzt und durch den Krebs-Zyklus verarbeitet werden.
Selbstprüfung
Beantworten Sie die folgenden Fragen, um zu sehen, wie gut Sie die im vorherigen Abschnitt behandelten Themen verstehen.,
Kritische Denkfragen
- Aminosäuren werden nicht im Körper gespeichert. Beschreiben Sie, wie überschüssige Aminosäuren in der Zelle verarbeitet werden.
- Die Freisetzung von Trypsin und Chymotrypsin in ihrer aktiven Form kann zur Verdauung der Bauchspeicheldrüse oder des Dünndarms selbst führen. Welchen Mechanismus setzt der Körper ein, um seine Selbstzerstörung zu verhindern?