background image

  Clinical biochemistry  second stage   lecture 1                        Dr.Thanaa Alsewedy    

                      

 

 

1

Digestion and Absorption of Proteins 
Proteins are large polypeptide molecules coiled by bonds in their tertiary 
structure,

 

Proteins are most important constituent of cell membranes and 

cytoplasm.  Muscle  and  blood  plasma  also  contain  certain  specific 
proteins.  protein  is  the  most  important  biological  molecules  in  building 
up and maintenances of the structure of body, giving as much energy as 
carbohydrates  in  the  course  of

 

metabolism  in  the  body

.  the  digestion  of 

proteins involves the gradual breakdown of this polypeptide by enzymatic 
hydrolysis  in  to  amino  acid  molecules  which  are  absorbed  in  the  blood 
stream.

 

The protein load received by the gut is derived from two sources 70-100g 
dietary protein which is required daily and 35 -200g endogenous protein 
(secreted enzymes and proteins in the gut or from intestinal epithelia cell 
turnover)Only 1-2g of nitrogen equivalent to 6-12g of proteins are lost in 
the feces on a daily basis. 
Proteolytic  enzymes responsible  for degrading proteins  are produced by 
three different organs: the stomach, the pancreas, and the small intestine 
(Figure 19.4). 

                                                                                   

  

 

  


background image

  Clinical biochemistry  second stage   lecture 1                        Dr.Thanaa Alsewedy    

                      

 

 

2

The process of protein digestion can be divided, depending on the sources 
of peptidases.  
A. Gastric Digestion 
The digestion of proteins begins in the stomach, which secretes gastric juice 
a  unique  solution  containing  hydrochloric  acid  and  the  proenzyme, 
pepsinogen: Entry of a protein in to stomach stimulates the gastric mucosa to 
secrete  a  hormone  gastrin  which  in  turn  stimulates  the  secretion  of  Hcl  by 
the parietal cells of the gastric glands and pepsinogen by the chief cells. 

 THE Gastric Digestion role are included the following;  

1.  Hydrochloric  acid:  Stomach  acid  is  too  dilute  pH  2  to  3)  to 
hydrolyze proteins. The acid functions instead to kill some bacteria and 
to denature proteins, thus making them more susceptible to subsequent 
hydrolysis by proteases.  

2.  Pepsin:  This  acid-stable  endopeptidase  is  secreted  by  the  serous 

cells of the stomach as an inactive zymogen (or proenzyme),  

pepsinogen.  In  general,  zymogens  contain  extra  amino  acids  in  their 
sequences,  which  prevent  them  from  being  catalytically  active.  [Note: 
Removal of these amino acids permits the proper folding required for an 
active  enzyme.]  Pepsinogen  is  activated  to  pepsin,  either  by  HCI  ,or 
autocatalytically  by  other  pepsin  molecules  that  have  already  been 
activated.  This  active  pepsin  cleaves  the  ingested  protein  at  their  amino 
terminus  of  aromatic  amino  acids  (Phe,  Tyr,  and  Trp.)  The  major 
products  of  pepsin  action  are  large  peptide  fragments  and  some  free 
amino acids. 
 
B. Pancreatic Digestion 
Pancreatic zymogens proceed digestion as the acidic stomach contents pass 
in  to  the  small  intestine,  A  low  pH  triggers  the  secretion  of  hormone 
Secretin  in  the  blood.  Secretin  stimulates  the  pancreas  to  secrete  HCO-3 
(bicarbonate), which in the small intestine neutralizes the gastric HCL and 
abruptly  change  the  pH  to  7.0.The  entry  of  large  peptide  fragments  and 
some free amino acids in the upper part of the small intestine (Duodenum), 
excites the release of a hormone cholecytokinin (CCK).CCK function
1) stimulates gall bladder contraction. 
2)  stimulate  secretion  of  several  pancreatic  enzymes  whose  activity  is 
between pH 7and 8 in proenzyme forms. 
Three  of  these  pro-enzyme  are  trypsinogen,  chymotrypsinogen  and 
procarboxy  peptidase,  localized  in  the  exocrine  cells.Synthesis  of  these 
enzymes as inactive precursors protects the exocrine cells from destructive 
proteolytic  attack.When  the  proenzyme  reach  the  lumen  of  the  small 
intestine,  initially  the  enteropeptidase  (oldname  Enterokinase)  a  protease 


background image

  Clinical biochemistry  second stage   lecture 1                        Dr.Thanaa Alsewedy    

                      

 

 

3

produced  by  duodenal  epithelial  cells,  activates  pancreatic  trypsinogen  to 
trypsin by the removal of a hexapeptide from NH2 – terminus Trypsin in 
turn  auto  catalytically  activates  more  trypsinogen  to  trypsin  and  other 
proenzymes and liberating chymotrypsin, elastas, and carboxypeptidase’s 

 

By the sequential action of these proteolytic enzymes and peptides 
ingested proteins are hydrolyzed to yield a mixture of free amino acids 
which can be transported across the epithelial lining of the small intestine

 

  

 
 
Table 5.4: Digestive enzymes and their specificity

 
 

C. Intestinal Digestion 
Since  pancreatic  juice  does  not  contain  appreciable  aminopeptidase 
activity  final  digestion  of  dia  and  oligopeptides  depends  on  the  small 
intestinal enzymes. 
The  lumenal  surface  of  epithelial  cells  is  rich  in  endopeptidase 
,dipeptidase    and  aminopeptidase  activity,  the  end  products  of  the  cell 
surface  digestion  are  free  amino  acids  and  di  and  tripeptides.These  are 


background image

  Clinical biochemistry  second stage   lecture 1                        Dr.Thanaa Alsewedy    

                      

 

 

4

passed  in  to  the  interior  of  the  epithelial  cell  where  other  specific 
peptidases  convert  almost  all  of  them  to  a  single  amino  acids  that  are 
transported to the blood stream by the opposite side of the cell membrane 
and  carried  to  liver  (primarily)  and  other  tissues  for  oxidative 
degradation.  This  process  complete  the  absorption  of  99%  of  digested 
proteins. The whole scheme is as shown in the figure below. 
 

 

 
 
II. Transport of Amino Acids in to Intestinal Epithelial cells
The absorption of amino acids occurs mainly in the small intestine. It is 
Active transport mechanism and energy requiring process. (For L-aas 
and  dipeptides): there are mainly two mechanism 
     1- Carrier protein transport system 
          ( sodium – amino acid carrier system ). 
      2-H- depend trasport system
 
The mechanism of active transport of amino acids are similar with that of 
glucose  uptake  at  the  brush  -  border  membrane  the 

Na+  -  depend 

symporters

 

a.as  are  absorbed  by  specific  carrier  protein    in  the  cell 

membrane of the small intestinal cells.This carrier protein has one site for 
the a.a. and another site for the Na+. It transports them from the intestinal 
lumen across the cell membrane  to the cytoplasm. Then the a.a. passes to 
the blood down its conc. Gradient, while the Na+ is pumped out from the 
cell to the intestinal lumen by Na/K+ pump utilizing ATP as a source of 


background image

  Clinical biochemistry  second stage   lecture 1                        Dr.Thanaa Alsewedy    

                      

 

 

5

energy 

derived 

from 

Na/K+ 

pump.

 

Carrier protein transport system

( sodium – amino acid carrier system )

a.a.

a.a.

Na+

Na+

K+

ATP

ADP+Pi

Na/K ATPase

Cell membrane

Cytoplasm

Intestinal cell

Portal blood

a.a.

K+

Na+

a.a.

Carrier

Intestinal lumen

  

 

A  similar  H+  dependent  symport

 is  present  on the  brush  border 

surface of di and tripeptides active transport in to the cell. 
There are at least six specific symporter systems have been identified for 
the uptake of L-amino acids from the intestinal lumen. 
1. Neutral amino acid symporters with short or polar side chains. 
Ser, Thr, Ala,

 

2. Neutral amino acid symporter for aromatic or hydrophobic side chains. 
Phe, Tyr, 
3. lmino acid symporter Pro,and OH – Pro 
4. Basic amino acid symporter Lys, Arg and Cys. 
5. Acidic amino acid symporter. Asp, Glu 
6. β amino acid symporter β-Ala,.

 

These transporter systems are also present in the renal tubules and defects 
in their constituent protein structure can lead to disease called Hartnup 
disease( Hartnup disease is an autosomal recessive disorder caused by the 
defective transport of amino acids in the small intestine and the kidneys).

 

Intracellular Protein Degradation

  

Protein degradation: 

All proteins in the body are constantly being 

degraded. Half life(t 1/2) of a protein is the time taken to lower its 
concentration to half of the initial value. There are two major enzyme 
systems responsible for degrading damaged or

 unneeded proteins: the  

1 -Energy-dependent ubiquitin-proteasome  mechanism,  
2-The non-energy-dependent degradative enzymes of the lysosomes. 
Proteasomes
 mainly degrade endogenous proteins, that is, proteins that 
were synthesized within the cell. 


background image

  Clinical biochemistry  second stage   lecture 1                        Dr.Thanaa Alsewedy    

                      

 

 

6

 Lysosomes primarily degrade extracellular proteins, such as plasma 
proteins that are taken into the cell by endocytosis, and cell-surface 
membrane proteins that are used in receptor-mediated endocytosis. 

 

1.  Ubiquitin-proteasome  proteolytic  pathway:  Proteins  destined  for 
degradation  by  the  ubiquitin-proteasome  mechanism  are  first  covalently 
attached  to  ubiquitin,  a  small,  globular  protein.  Ubiquitination  of  the 
target  substrate  occurs  through  linkage  of  the  α-carboxyl  glycine  of 
ubiquitin  to  a  lysine  e-amino  group  on  the  protein  substrate.  The 
consecutive  addition  of  ubiquitinmoieties  generates  a  polyubiquitin 
chain.  
Proteins  tagged  with  ubiquitin  are  then  recognized  by  a  large, 
barrel-shaped,proteolytic molecule called proteasome, a which functions 
like  a  garbage  disposal  (Figure  19.3).  The  proteosome  cuts  the  target 
protein  into  fragments  that  are  then  further  degraded  to  amino  acids, 
which  enter  the  amino  acid  pool.  Degradation  of  proteins  by  the 
ubiquitinproteosome 

complex 

(unlike 

simple 

hydrolysis 

by 

proteolyticenzymes) requires ATP, that is, it is energy-dependent. 

 

 
 
 


background image

  Clinical biochemistry  second stage   lecture 1                        Dr.Thanaa Alsewedy    

                      

 

 

7

b.  Chemical  signals  for  protein  degradation:  Because  proteins  have 
different half-lives, it is clear that protein degradation cannot be random, but 
rather  is  influenced  by  some  structural  aspect  of  the  protein.  For  example, 
some proteins that have been chemically altered by oxidation or tagged with 
ubiquitin are preferentially degraded. The half-life of a protein is influenced by 
the nature of the N-terminal  residue. For example ,proteins that have serine 
as  the  N-terminal  amino  acid  are  long-lived,  with  a  half-life  of  more  than 
twenty hours. contrast, proteins with aspartate as the N-terminal amino  acid 
have a half-life of only three minutes.

 

Nitrogen Balance: 
A healthy adult eating a varied and plentiful diet is generally in “Normal 
Nitrogen Balance” a state where the amount of nitrogen ingested each day 
is balanced by the amount excreted resulting no net change in the amount 
of  the  body  Nitrogn  and  this  occure  in    a  well  fed  condition,  excreted 
nitrogen comes from digestion of excess protein or from normal turnover 
Protein  turnover  (Synthesis  and  degradation)  .Under  some  conditions  the 
Nitrogen  imbalances  include

  is  either  in  negative  or  positive  nitrogen 

balance.  
In  negative  nitrogen  balance  more  nitrogen  is  excreted  than  ingested. 
This occurs in starvation and certain diseases.During starvation the carbon 
skeleton  of  most  amino  acids  from  proteins  fed  in  to  gluconeogenesis  to 
maintain the blood glucose level ; in this process ammonia is released and 
excreted mostly as urea and is not reincorporated in to protein. 
A  diet  deficient  in  an  essential  amino  acid  also  leads  to  a  negative 
nitrogen balance since body proteins are degraded to provide the deficient 
essential amino acid. 
 
Positive nitrogen balance occurs in pregnancy and during feeding after 
starvation and occurs in growing children who are increasing their body 
weight  

 

Amino acid pool

 

and protein turnover.  

Amino  acid  catabolism  is  part  of  the  larger  process  of  whole  body 
nitrogen metabolism. Nitrogen enters the body in a variety of compounds 
present  in  food,  the  most  important  being  amino  acids  contained  in 
dietary  protein.  Nitrogen  leaves  the  body  as  urea,  ammonia,  and  other 
products derived from amino acid metabolism. The role of body proteins 
in these transformations involves two important concepts: the amino acid   
pool and protein turnover. 
 

A. Amino acid pool 

The entire collection of free amino acids in the body called Amino 
acid pool.
Amino acids released by hydrolysis of dietary or tissue 
protein, or synthesized denova mix with other free amino acids 


background image

  Clinical biochemistry  second stage   lecture 1                        Dr.Thanaa Alsewedy    

                      

 

 

8

distributed throughout the body. Collectively, they constitute the 
amino acid pool (Figure 19.2). The amino acid pool, containing about 
100g of amino acids, is small in comparison with the amount of 
protein in the body (about 12kg in a 70 kg man).

 

 

 
B. Protein turnover  
Protein  turnover  is  the  balance  between 

protein  synthesis

  and 

protein 

degradation

.Most  proteins  in  the  body  are  constantly  being  synthesized 

and  then  degraded,  permitting  the  removal  of  abnormal  or  unneeded 
proteins.  For  many  proteins,  regulation  of  synthesis  determines  the 
concentration of protein in the cell .in healthy adults, the total amount of 
protein in the body remains constant, because the rate of protein synthesis 
is  just  sufficient  to  replace  the  protein  that  is  degraded.  The  process, 
protein turnover, leads to the hydrolysis and resynthesis of 300 to 400 g 
of body protein each day. The rate of protein turnover varies widely for 
individual  proteins.  Short-lived  proteins  (for  example,  many  regulatory 
proteins and misfolding proteins) are rapidly degraded, having half-lives 
measured  in  minutes  or  hours.  Long-lived  proteins,  with  half-lives  of 
days  to  weeks,  constitute  the  majority  of  proteins  in  the  cell.  Structural 
proteins, such as collagen 

 


background image

  Clinical biochemistry  second stage   lecture 1                        Dr.Thanaa Alsewedy    

                      

 

 

9

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 237 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل