استقلاب بروتينات

Protein metabolism - Métabolisme des protéines

استقلاب البروتينات

رويدة أبو سمرة

هضم البروتينات وامتصاصها

تقلُّب (دوران) البروتينات

حلقة البولة urea cycle

اصطناع الحموض الأمينية

الاستقلاب metabolism هو التحولات الكيميائية التي تطرأ على المواد الغذائية داخل الخلايا. وبما أن البروتينات تمثل نحو 25 % من المادة الجافة للكائنات الحية؛ لذا فإنها تعدّ من أهم المواد التي يتوجب دراسة استقلابها، ومن ثَم التحولات التي تطرأ عليها في الجسم. إنها جزيئات ضخمة، تتألف من ارتباط الحموض الأمينية بعضها مع بعض بروابط ببتيدية، لكن حجمها الكبير يمنع امتصاصها في الأمعاء؛ لذا يتوجب تفكيكها قبل أن تستطيع الأمعاء امتصاصها؛ الأمر الذي يتم في المعدة والأمعاء.

هضم البروتينات وامتصاصها

يتم هضم البروتينات بحلمهتها إلى مكوناتها الأساسية، وهي الحموض الأمينية الصغيرة الحجم التي يمكن امتصاصها. ويتم ذلك بوساطة إنزيمات حالّة للبروتينات، تَنتُج عادة في ثلاثة أعضاء مختلفة في الجسم، هي المعدة والمعثكلة والأمعاء الدقيقة.

1- هضم البروتينات بمفرزات المعدة: يبدأ هضم البروتينات في المعدة بالعصارة المعدية، التي تحوي إنزيم مُوَلِّد الببسين pepsinogen غير الفعال، الذي يحتوي على حموض أمينية زائدة تمنعه من أن يكون فعالاً. ولا يتفعل هذا الإنزيم إلا بإزالة هذه الحموض، الأمر الذي يتم بوساطة حمض كلور الماء الذي تفرزه خلايا خاصة في جدار المعدة، فيتحول بذلك مولد الببسين إلى ببسين فعال، هو في الواقع بروتياز protease، إنه ببتيداز داخلي endopeptidase يفكك البروتينات إلى عديداتِ ببتيد polypeptides وحموض أمينية حرة قبل دخولها إلى الأمعاء.

2- هضم البروتينات بإنزيمات المعثكلة (البنكرياسية): عند دخولها إلى المعي الدقيق تتشطر عديدات الببتيد الكبيرة - التي نتجت في المعدة - إلى قليلات ببتيد oligopeptides وحموض أمينية بوساطة إنزيمات البروتياز البنكرياسية؛ ولاسيما التربسين trypsin.

تمتاز إنزيمات البنكرياس بالنوعية، وتُحررها غدد مفرزة بشكل مولداتٍ إنزيميةٍ أيضاً، فيكون التربسين بشكل مولد الترِبسين trypsinogen، يتواسط تفعيله هرمونَيْ الكوليسيستوكينين cholecystokinin والسِّكْرِيتين secretin، فيتحول مولد الترِبسين إلى ترِبسين فعال.

3- هضم قليلات الببتيد بإنزيمات المعي الدقيق: يُفرز السطح الداخلي للمعي إنزيمات، هي واقعياً أمينوببتيدازات وكربوكسي ببتيدازات، تقوم بتحرير ببتيداتٍ أصغر وحموض أمينية حرة من النهايات الحرة للببتيدات.

4- امتصاص الحموض الأمينية وثنائيات الببتيد: يتم امتصاص الحموض الأمينية وثنائيات الببتيد من قِبَل خلايا الظِّهارة المعوية، حيث تتم حلمهتها في السيتوزول إلى حموض أمينية قبل انطلاقها إلى الجملة البابية، لذلك لا يشاهد في الوريد البابي- بعد تناول وجبة غذائية محتوية على البروتين- إلا حموض أمينية حرة فقط، إما أن يتم استقلابها في الكبد وإما أن تُفرَغ في الدوران العام.

تقلُّب (دوران) البروتينات

بعد عمليات الهضم تتحرر الحموض الأمينية، كما ذُكِرَ سابقاً، وتشكل ما يسمى مُجَمَّع الحموض الأمينية amino acid pool. يطرأ على هذه الحموض تَقَلُّبٌ turn over، فهي تتدرك (تتقَوَّض) degraded و/أو يعاد استخدامها طلائعَ لتركيب بروتينات جديدة في النسج المختلفة. والواقع أن الكمية الكلية للبروتينات في الجسم تبقى ثابتة، مُجيزَةً بذلك التخلص من البروتينات الشاذة أو غير الضرورية. ويُنَظَّم هذا التقلب بحيث يبقى تركيز البروتينات في الخلية ثابتاً. ويكون معدل هذا التقلب عند البالغين الأصحاء بحيث تبقى الكمية الكلية للبروتينات في الجسم ثابتة بمعدل 300-400 غ من البروتين يومياً. وعموماً يقدر العمر النصفي لبروتينات الجسم كله بنحو 80 يوماً، ومع ذلك فإنه يختلف بحسب النسج، فهو 160 يوماً في الرئة والدماغ والعظام والعضلات، وهو في الكبد وبروتينات المصل serum نحو 10 أيام فقط.

يتم تدرك الحموض الأمينية إما بنزع زمرة الأمين deamination من الحموض لتحرير الطاقة بشكل ATP، وينطلق الآزوت الذي يجب أن يُطرَح بحسب الزمر الحيوانية: بشكل الأمونيا (النشادر) في الحيوانات المائية، أو بشكل بولة في البرمائيات والثدييات، أو بشكل حمض البول في الحشرات والزواحف والطيور (الشكل1) وإما بنزع زمرة الكربوكسيل decarboxylation.

الشكل (1): مصير الحموض الأمينية في الجسم

 

يتم نزع زمرة الأمين بآليتين: نقلها أو النزع التأكسدي لها، وكلتا العمليتين تؤديان إلى تشكل الأمونيا والأسبارتات، وهما مصدر آزوت البولة.

يتم نقل زمرة الأمين أولاً إلى ألفا كيتوغلوتارات (الشكل2- أ)، الذي يتحول بدوره إلى غلوتامات تُستَخدَم مانحاً لزمرة الأمين وناقلاً لها في أثناء اصطناع الحموض الأمينية غير الأساسية، أو بنزع هذه الزمرة منها تأكسدياً لتعطي ألفا كيتوغلوتارات من جديد.

هذا، وتتشارك جميع الحموض الأمينية - في لحظة ما من استقلابها- في هذه العملية، باستثناء الغلايسين والثرايونين، اللذين يتخلصان من زمرة الأمين بنزعها.

تتمتع ناقلات الأمين بالنوعية، فكل ناقلة تختص بركيزة واحدة، وغالباً بعدة مانحين لزمرة الأمين، لذلك تسمى هذه الناقلات تبعاً لمانح الزمرة الأمينية. وأكثر نواقل الأمين أهمية هما ناقل أمين الألانين alanine amino transferase (ALT)  وناقل أمين الأسبارتات  aspartate aminotransferase (.(AST

أما النزع التأكسدي للأمين فإنه يتم بوساطة إنزيم نازع هدروجين الغلوتامات glutamate dehydrogenase، ويؤدي ذلك إلى تحرير زمر الأمين بشكل أمونيا حرة (الشكل 2 - ب). وتحدث هذه التفاعلات - بصورة أساسية- في الكبد والكلية لتعطي الحموض الأمينية التي يمكن أن تدخل المسلك pathway الرئيسي لاستقلاب الطاقة والأمونيا. ويُستخدَم الـ NAD+ أو الـ NADP+ تميماً إنزيمياًcoenzyme من قِبَل أنزيم نازع هدروجين الغلوتامات، كما يُستخدَم الـ NAD+ بصورة رئيسية في نزع الأمين التأكسدي (خسارة الأمونيا التي تتزامن مع أكسدة الهيكل الكربوني) (الشكل 2- أ)، الذي يُستخدم أيضاً في الإضافة الإرجاعية لزمرة الأمين (كسب الأمونيا الذي يتزامن مع إرجاع الهيكل الكربوني) (الشكل 2- ب )، ويعتمد اتجاه التفاعل على التراكيز النسبية للغلوتامات وألفا كيتوغلوتارات والأمونيا، وعلى نسبة التمائم الإنزيمية المؤكسدة إلى المرجعة.

الشكل (2): الأفعال المشتركة لنقل الأمين وتفاعلات نزع هدروجين الغلوتامات.

 

ثم تُنقَل الأمونيا - بغية تحويلها إلى البولة - من النسج المحيطية إلى الكبد بآليتين: تتم الأولى في معظم النسج، وذلك بربط الأمونيا بالغلوتامات فيتشكل الغلوتامين، وهو ناقلٌ للأمونيا غير سام، ينقله الدم إلى الكبد حيث ينشطر بوساطة الغلوتاميناز إلى غلوتامات وأمونيا حرة. أما الآلية الثانية فتتم بصورة رئيسة في العضلات، حيث تُنقَل زمرة الأمين إلى البيروفات (المُنْتَج النهائي للتحلل السكري) ليتشكل الألانين الذي ينقله الدمُ إلى الكبد، حيث يتحول إلى بيروفات مرّة ثانية بنقل زمرة أمين. وهناك في الكبد يمكن أن تُستخدَم البيروفات ركيزةً في مسلك اصطناع الغلوكوز، الذي يعود إلى الدم ثم إلى العضلات لتستخدمه. ويدعى هذا المسلك حلقة الألانين-غلوكوز.

أما نزع الكربوكسيل فيؤدي إلى تشكل الأمينات amines، ويتوسط التفاعل إنزيم نازع الكربوكسيل الذي يعتمد البيرودوكسال، علماً أن هذا التفاعل يميز البكتيريا التي تهاجم الحموض الأمينية في عمليات التخمر التي تتم لدى تفسخ البروتينات التي تنتهي بتشكل البروتامينات.

حلقة البولة urea cycle

البولة هي الناتج النهائي الرئيسي لتقويض الآزوت عند الإنسان الذي يَستهلِك يومياً نحو 100 غ من البروتينات، ويَطرَح نحو 16.5غ من الآزوت: 95 % منها في البول و 5 % في البراز، وذلك بالنسبة إلى الأشخاص الذين يعتمدون في غذائهم على وجبة طعام غربية. وتُمَثِّل البولة المصنوعة في الكبد والمنقولة إلى الدم والمُفرَغَة عن طريق الكليتين ما يعادل 80- 90 % من الآزوت المُفرَغ.

إن الأمونيا سامة، لذلك صُمِّمَ مسلكٌ للتخلص من آزوت الحموض الأمينية؛ بحيث يتحول الآزوت الموجود بشكل الأمونيا السامة إلى بولة غير سامة لتُطرح مع البول. وهي تتشكل بدءاً من الأمونيا وثنائي أكسيد الكربون وحمض الأسبارتي، ويتم ذلك وفق المعادلة (1):

حيث يُشتَق الكربون والأكسجين من ثنائي أكسيد الكربون، وتُشتَق ذرة آزوت من الأمونيا وذرة أخرى من الأسبارتات، وتتطلب العملية طاقة تؤخذ من ثلاثة جزيئات من الـ ATP. ويتطلب تشكيل البولة عند الثدييات أيضاً الأورنيثين والسيترولين وأرجينينو حمض الكهرباء argininosuccinate ، حيث يعاد تشكيل الأورنيثين regenerated وتدويره recycled لتشكيل البولة باستمرار وفق المعادلة (2)؛ حيث يُحفَز ذلك بخمسة إنزيمات:

وتحدث أولى تفاعلات اصطناع البولة في المتقدرات mitochondria. ثم تتوالى في السيتوزول لأن إنزيمات الحلقة تتوضع فيه. وبعد تشكلها في الكبد، تُنقل البولة في الدم إلى الكلية لطرحها مع البول، علماً أن قسماً من الآزوت يطرح أيضاً بشكل الكرياتينين، وهو ناتج تقوض فسفات الكرياتين العضلي. كما ينتقل قسم من البولة إلى الأمعاء حيث يُشطَر إلى CO₂ و NH₃ بوساطة اليورياز الجرثومي، ويبقى جزء آخر في البراز ليعاد امتصاصه إلى الدم. والمخطط التالي يلخص تفاعلات تشكل البولة حيث ظُلِّلَت الأمينات المساهمة في اصطناع البولة، ووُضِعَت الإنزيمات المساهمة في الوساطة ضمن مستطيلات:

الشكل (3): مخطط دورة تشكل البولة مع الإنزيمات المشرفة على التفاعلات.

العيوب الوراثية التي تصيب إنزيمات حلقة البولة: يؤدي العوز في إنزيمات حلقة البولة إلى حدوث اضطرابات استقلابية، وتكون عادة وراثية، وتحدث بسبب إعاقة الاستقلاب، وتؤدي إلى أمراض خطرة، سُجِّل بعضها في الجدول (1). وبما أن تشكل البولة يُحَوِّل الأمونيا السامة إلى بولة غير سامة؛ فإن جميع حالات العجز في إنشاء هذه المادة يؤدي إلى الانسمام النشادري.  

 

الجدول (1) الإنزيم الناقص نمط الوراثة الصفات المميزة صانع كاربامويل فسفات جسمية متنحية فرط الأمونيا والحموض الأمينية في الدم من دون وجود بيلة حمضية أورونية أورنيتين كاربامويل ترانسفيراز مرتبطة بالجنس سائدة فرط أمونيا الدم وفرط حموض أمينية مع بيلة حمضية أورونية صانع أرجينو سوكسينات جسمية متنحية فرط سيترولين الدم وظهوره في البول أرجينو سوكسينات ليباز جسمية متنحية فرط حموضة لطيفة أرجينو سوكسينية مع بيلة حمضية أرجينوسوكسينية أرجيناز جسمية متنحية فرط أرجينين الدم (متغيرة تبعاً لنوع الطعام) وظهور الأرجينين في البول

اصطناع الحموض الأمينية

يُميَّز من الحموض الأمينية نوعان: حموض أساسية essential amino acids لا يستطيع الجسم صنعها، لذلك يجب تناولها مع الوجبات الغذائية، وتؤخذ عادة من المصادر الحيوانية، وحموض أمينية غير أساسية يستطيع الجسم تركيبها، وتؤخذ عادة من مصادر نباتية. والجدول (2) يمثل هاتين المجموعتين.

الجدول (2) مجموعتا الحموض الأمينية: الأساسية وغير الأساسية. حموض أمينية أساسية غذائياً حموض أمينية غير أساسية غذائياً أرجينين (شبه أساسي) Arginine ألانين Alanine هيستيدين Histidine أسبارجين Asparagine إيزولوسين Isoleucine أسبارتات Aspartate لوسين Leucine سيستين Cysteine لايزين Lysine غلوتامات Glutamate ميثونين Methionine غلوتامين Glutamine فينيل ألانين Phenylalanine غلايسين Glycine ثريونين Threonine هدروكسي برولين Hydroxyproline تريبتوفان Tryptophane هدروكسي لايزين Hydroxylysine فالين Valine برولين Proline     سيرين Sirine     تيروزين Tyrosine

 

علماً أن الحموض الأمينية تُصنَّف أيضاً تبعاً للمركّبات الوسط التي تنجم عن عملية استقلابها الهدمي؛ في حموضٍ مولدة للسكر glucogenic (glycogenic) وحموضٍ مولدة للكيتون ketogenic يبينها الجدول (3).

الجدول (3) تصنيف الحموض الأمينية بحسب منتَجاتها.   حموض أمينية مولدة للكيتون حموض أمينية مولدة للسكر والكيتون حموض أمينية مولدة للكيتون Leucine لوسين Isoleucine إيزولوسين Methionine ميثونين أساسية Lysine لايزين Phenylalanine فينيل ألانين Threonine ثريونين         Valine فالين     Tyrosine تيروزين Alanine ألانين غير أساسية         Arginine أرجينين         Asparagine أسبارجين         Aspartate أسبارتات         Cysteine سيستيئين         Glutamate غلوتامات         Glutamine غلوتامين         Glycine غلايسين         Histidine هيستيدين         Proline برولين         Sirine سيرين

 فالحموض الأمينية المولدة للسكر هي التي يؤدي استقلابها الهدمي إلى تشكل البيروفات أو إحدى المواد الوسط في حلقة كرِيبس، حيث تمثل هذه المواد ركائز لاستحداث الكربوهدرات، أي الغلوكوز والغلوكوجين في الكبد والعضلات. أما الحموض الأمينية المولدة للكيتون فهي التي يؤدي تفككها إلى الأسيتو أسيتات أو أحد طلائعه، وهو أسيتيل التميم A أو أسيتو أسيتيل التميم A. ويعدّ اللوسين واللايزين الحمضين الأمينيين الحصريين المولدين للكيتون.

اصطناع الحموض الأمينية غير الأساسية: يمكن اصطناع الحموض الأمينية غير الأساسية بكميات كافية من المواد الوسط الاستقلابية أو من الحموض الأمينية الأساسية، ولا يستطيع الجسم صنع الحموض الأمينية الأساسية، أو لا يمكنه صنعها بكميات كافية، ولهذا يجب الحصول عليها مع الغذاء، وذلك لضمان تطور عملية اصطناع البروتين على نحو طبيعي.

وتسلك الحموض الأمينية غير الأساسية غذائياً - في الاصطناع الحيوي- مسالكَ قصيرةً. وتُصْنَع 9 حموض أمينية من 12 اللاضرورية غذائياً بدءاً من مواد وسط أمفيبولية. أما الحموض الثلاثة الباقية (سيستيئين وتايروزين وهيدروكسي لايزين) فإنها تُصطَنع بدءاً من الحموض الأمينية الضرورية غذائياً. وللإنزيمات التالية أهمية كبيرة في عملية الاصطناع هذه، وهي نازع هدروجين حمض الغلوتامي glutamate dehydrogenase وصانع الغلوتامين glutamine synthetase وناقلات الأمين transaminases. والتأثير المشترك لها هو حفز تحويل إيون الأمونيوم اللاعضوي إلى الآزوت ألفا أمينو العضوي لمختلف الحموض الأمينية.

وهكذا يتشكل الغلوتامين من حمض الغلوتامي، والأسباراجين من حمض الأسبارتي، والألانين وحمض الأسبارتي وحمض الغلوتامي بنقل مجموعة الأمين إلى الحموض الكيتونية وهي البيروفات والأوكزالوأسيتات وألفا كيتوغلوتارات على الترتيب، ويتشكل البرولين من الغلوتامات، والسيرين من 3- فسفوغلسيرات (وهو مركّب وسط في التحلل السكري glycolysis)، والغلايسين من السيرين، والسيستيئين من الميثايونين (أساسي) والسيرين (غير أساسي)، والتيروزين من الفينيل ألانين.

تركيب البروتينات ابتداء من الحموض الأمينية

تعد الحموض الأمينية التي نجمت عن الاستقلاب الهدمي طليعةً لتركيب بروتينات جديدة في النسج المختلفة. ويعدّ الكبد العضو الرئيسي الذي يتم فيه هذا التركيب في الجسيمات الريبية (الريبوزومات) ribosomes في الخلية؛ في عمليات تعتمد الحمض الريبي النووي المرسال mRNA وعمليات النسخ transcription والترجمة translation.

تحول الحموض الأمينية إلى نواتج متخصصة

إضافة إلى دخولها وحداتٍ بنائيةٍ في البروتينات؛ تُعدّ الحموض الأمينية أسلافاً للكثير من مركّبات تحتوي على الآزوت، والتي تقوم بوظائف فيزيولوجية مهمة، وهي بروتينات البلازما الدموية ومولِّد الليفين fibrinogen، وهو أحد عوامل تكون الجلطة، وكذلك الأضداد antibodies والهرمونات والنواقل العصبية والببتيدات ذات الفعالية الحيوية. إضافة إلى هذا تحتوي كثيرٌ من البروتينات على حموضٍ أمينية كانت قد حُوِّرَت لتقوم بوظيفة هضمية كالحموض الأمينية الرابطة للكلسيوم.

هذا ويتم في الكبد تركيب نحو 50 غ من البروتينات العضلية، و12 غ من الألبومين، و3 غ من γ غلوبولين (وهو مضاد حيوي)، و8غ من الهيموغلوبين، و25 غ من الإنزيمات والمخاطين في الغدد اللعابية والمعدة والأمعاء والمعثكلة (البانكرياس).

أخيراً هناك بعض الببتيدات الصغيرة أو الجزيئات الشبيهة بالببتيدات تقوم بوظائف نوعية في الخلايا، منها الهيستامين وغاما أمينو حمض الزبدة والسيروتونين والدوبامين والنورإبينفرين والإبينفرين والغلوتاتيون وغيرها.

مراجع للاستزادة - C. P. Hickman Jr, L. S. Roberts & A. Larson. Integrated Principles of Zoolgy, McGraw - Hill, 2001. -J. W. Pelley, Elsevier’s Integrated Biochemistry, Mosby, Inc., an affiliate of Elsevier Inc. 2007. ترجمة: سحر الفاهوم، غادة الأخرس، مراجعة: محيي الدين جمعة، سلسلة الكتاب الطبي الجامعي- المركز العربي للتعريب والترجمة والنشر، دمشق 2000. -P.N.Campbell, Biochemistry Illustrated. Longman Group UK Limited. 1994. ترجمة: رويدة أبوسمرة و نزار شفيق حمود، المركز العربي للتعريب والترجمة والتأليف والنشر، دمشق 1996. - R. A. Harvey, P. C. Champe, Lippincott’s Illustrated Reviews, Biochemistry, Lippincott Williams, 2007. ترجمة وإعداد سمير الدالاتي. دار اللآلئ، دمشق. -R. K. Murray, Harper’s Biochemistry. McGraw-Hill, 1996. ترجمة وإشراف: رويدة أبوسمرة، نزار حمود، عماد أبو عسلي، دار المعاجم للنشر، دمشق 1997.

 

---

- التصنيف : الفيزيولوجيا - النوع : الفيزيولوجيا - المجلد : المجلد الثاني مشاركة :