Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 1
Особая роль белков в питании
В отличие от углеводов и жиров, белки являются незаменимым компонентом пищи. Пищевые белки - это главный источник азота для организма.
Впервые М.Рубнер определил, что 75% азота в организме находится в составе белков, и составил азотистый баланс (определил, сколько азота человек теряет за сутки и сколько азота прибавляется).
У взрослого здорового человека наблюдается азотистое равновесие - «нулевой азотистый баланс» (суточное количество выведенного из организма азота соответствует количеству усвоенного).
Положительный азотистый баланс (суточное количество выведенного из организма азота меньше, чем количество усвоенного). Наблюдается только в растущем организме или при восстановлении белковых структур (например, в периоде выздоровления при тяжелых заболеваниях или при наращивании мышечной массы).
Отрицательный азотистый баланс (суточное количество выведенного из организма азота выше, чем количество усвоенного). Наблюдается при белковой недостаточности в организме. Причины: недостаточное количество белков в пище; заболевания, сопровождающиеся повышенным разрушением белков.
Отсутствие в пищевых белках незаменимых аминокислот (даже одной) нарушает синтез белков, поскольку в состав практически всех белков входит полный набор аминокислот. Полноценность белкового питания зависит от аминокислотного состава белков и определяется наличием незаменимых аминокислот. Суточная потребность в каждой незаменимой аминокислоте - 1-1.5 гр., а всего организму необходимо 6-9 граммов незаменимых аминокислот в сутки.
ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ БЕЛКОВ В ЖЕЛУДОЧНО-KИШЕЧНОМ ТРАКТЕ
Каждые сутки в организм человека всасывается примерно 100 граммов аминокислот, которые поступают в кровь. Еще 400 граммов аминокислот поступает ежесуточно в кровь в результате распада собственных белков тела. Все эти 500 г аминокислот представляют собой метаболический пул аминокислот.
При переваривании происходит гидролиз пищевых белков до свободных аминокислот. Процесс переваривания начинается в желудке и продолжается в тонкой кишке под действием протеолитических ферментов, которые называются протеиназами или пептидазами. Существует много разных протеиназ. Они имеются не только в желудочно-кишечном тракте, но и в клетках.
Пути использования аминокислот изображены на рис. 1
Рисунок 1
Ферменты, участвующие в переваривании белков, обладают относительной субстратной специфичностью, которая обусловлена тем, что пептидазы быстрее гидролизуют пептидные связи между определенными аминокислотами, что позволяет за более короткое время расщепить белковую молекулу.
В зависимости от места расположения в пептиде гидролизуемой связи все пептидазы делятся на: эндопептидазы, которые действуют на пептидные связи, удаленные от концов пептидной цепи (пепсин, трипсин, химотрипсин, эластаза); экзопептидазы, которые действуют на пептидные связи, образованные N- и С-концевыми аминокислотами (аминопептидаза, карбоксипептидазы А и В).
Желудочные и панкреатические пептидазы вырабатываются в неактивной форме (проферменты), секретируются к месту действия, где активируются путем частичного протеолиза (отщепление пептида различной длины с N-конца молекулы про фермента).
Место синтеза проферментов (слизистая оболочка желудка, поджелудочная железа) и место их активации (полость желудка, тонкой кишки) про странственно разделены. Такой механизм образова ния активных ферментов необходим для защиты сек реторных клеток желудка и поджелудочной железы от самопереваривания.
Пепсин
Это фермент желудочного сока. Синтезируется в клетках слизистой оболочки желудка в форме неактивного предшественника - пепсиногена. Превращение неактивного пепсиногена в активный пепсин происходит в полости желудка. При активации отщепляется пептид, закрывающий активный центр фермента. Активация пепсина происходит под действием двух факторов: а) соляной кислоты (HCl); б) уже образовавшегося активного пепсина - это называется аутокатализом.
Пепсин является карбоксильной протеиназой и катализирует гидролиз связей, образованных аминокислотами фенилаланином или тирозином, а также связь Лей-Глу. pH-оптимум пепсина равен 1.0-2.0 рН, что соответствует рН желудочного сока.
Реннин
В желудочном соке грудных детей переваривание белков осуществляет фермент РЕННИН, который расщепляет белок молока казеин. Реннин похож по строению на пепсин, но его рН-оптимум соответствует рН среды желудка грудного ребенка (рН=4.5). Реннин отличается от пепсина также механизмом и специфичностью действия.
Химотрипсин.
Синтезируется в поджелудочной железе в форме неактивного предшественника - химотрипсиногена. Активируется химотрипсин активным трипсином и путем аутокатализа. Разрушает связи, образованные карбоксильной группой тирозина, фенилаланина или триптофана, либо крупными гидрофобными радикалами лейцина, изолейцина и валина.
Трипсин
Синтезируется в поджелудочной железе в форме неактивного предшественника - трипсиногена. Активируется в полости кишечника ферментом энтеропептидазой при участии ионов кальция, а также способен к аутокатализу. Гидролизует связи, образованные аргинином и лизином.
Эластаза.
Синтезируется в поджелудочной железе в виде неактивного предшественника - проэластазы. Активируется в полости кишечника трипсином. Гидролизует пептидные связи, образованные глицином, аланином и серином.
Под действием этих протеиназ полипептидная цепь белка расщепляется на крупные фрагменты. Затем на эти крупные фрагменты действуют ЭКЗОПЕПТИДАЗЫ, каждая из которых отщепляет одну аминокислоту от концов полипептидной цепи.
Карбоксипептидазы.
Синтезируются в поджелудочной железе. Активируются трипсином в кишечнике. Являются металлопротеинами. Гидролизуют пептидные связи на С-конце молекулы белка. Бывают 2-х видов: карбоксипептидаза А и карбоксипептидаза В. Карбоксипептидаза А отщепляет аминокислоты с ароматическими (циклическими) радикалами, а карбоксипептидаза В отщепляет лизин и аргинин.
Аминопептидазы.
Синтезируются в слизистой оболочке кишечника. Гидролизуют пептидные связи на N-конце молекулы белка. Существуют 2 таких фермента: аланинаминопептидаза и лейцинаминопептидаза. Аланинаминопептидаза отщепляет только аланин, а лейцинаминопептидаза - любые N-концевые аминокислоты.
Расщепляют пептидные связи только в дипептидах.
Все описанные ферменты относятся к МАЛОСПЕЦИФИЧНЫМ ПРОТЕИНАЗАМ. Они характерны для желудочно-кишечного тракта (рис.2).
Желудочный сок содержит соляную кислоту, ко торая вырабатывается обкладочными клетками же лудка и выполняет следующие функции: оказывает бактерицидное действие; денатурирует белки пищи; создает оптимум рН для пепсина; активирует пепсиноген путем частичного протеолиза. рН желудочного сока в норме 1,5-2,0.
НСl и пепсин способны разрушать клетки эпите лия желудка. В норме этого не происходит, так как существуют защитные факторы слизистой оболоч ки желудка, основными из которых являются: образование слизи на поверхности; секреция эпителиальными клетками ионов НСО-3, создающих в пристеночном слое среду с рН 5,0-6,0; наличие на наружной поверхности мембран кле ток слизистой оболочки гетерополисахаридов, ко торые не являются субстратами пептидаз; быстрая регенерация поврежденного эпителия.
Конечным результатом переваривания белков» является образование свободных аминокислот, поступающих в клетки слизистой оболочки кишечника путем активного транспорта за счет градиента концентрат натрия (симпорт).
Свободные аминокислоты в отличие от белков пищи лишены видовой специфичной и не обладают антигенными свойствами.
Аминокислоты попадают в портальный кровоток - в печень и в общий кровоток. Печень и почки поглощают аминокислоты интенсивно, мозг избирательно поглощает метионин, гистидин, глицин, аргинин, глутамин, тирозин.
В толстом отделе кишечника не всосавшиеся по каким-либо причинам (недостаток или низкая активность протеолитических фрементов, нарушение процессов транспорта аминокислот) пептиды и аминокислот подвергаются процессам гниения. При этом образуются такие продукты как: фенол, крезол, сероводород, меркаптоэтанол, индол, скатол, а также группа соединений под общим названием «трупные яды» - кадаверин и путресцин. Эти вещества всасываются в кровь и поступают в печень, где подвергаются конъюгации с глюкуроновой кислотой и другим процессам обезвреживания. Затем они выводятся из организма с мочой.
Тотальный протеолиз - один из общих биологических процессов, необходимый не только для внутриклеточного пищеварения, но и для обновления стареющих белков клетки, и организма в целом (рис.2). Но этот процесс находится под строгим контролем, который обеспечивают специальные механизмы, защищающие белки от избыточного действия протеаз.
МЕХАНИЗМЫ, ЗАЩИЩАЮЩИЕ БЕЛКИ ОТ ДЕЙСТВИЯ ПРОТЕИНАЗ:
1. Защита типа "клетки" - пространственная изоляция протеиназ от тех белков, на которые они могут подействовать. Внутриклеточные протеиназы сосредоточены внутри лизосом и отделены от белков, которые они могут гидролизовать.
2. Защита типа "намордника". Заключается в том, что протеиназы вырабатываются в виде неактивных предшественников (проферментов): например, пепсиноген (в желудке) трипсиноген и химотрипсиноген (в pancreas) Во всех этих предшественниках активный центр фермента прикрыт фрагментом полипептидной цепи. После гидролиза определенной связи эта цепочка отрывается и фермент становится активным.
3. Защита типа “кольчуги“. Защита белка-субстрата путем включения в его молекулу каких-либо химических структур (защитные группы, прикрывающие пептидные связи). Протекает следующими способами:
а) Гликозилирование белка.
б) Ацетилирование аминогрупп. Присоединение остатков уксусной кислоты к свободным аминогруппам в молекуле белка.
в) Амидирование карбоксильной группы. Защитный эффект аналогичен.
г) Фосфорилирование радикалов серина или тирозина
4. Защита типа “сторожа“. Это защита белков с помощью эндогенных ингибиторов протеиназ.
Эндогенные ингибиторы протеиназ - это особые белки или пептиды, которые могут взаимодействовать с протеиназой и блокируют ее. Хотя в связывании участвуют слабые типы связей, связывание протеиназы с эндогенным ингибитором прочное.
Обычно такие ингибиторы протеиназ являются специфическими по отношению к определенному классу протеиназ.
Самый активный ингибитор плазмы - альфа1-антитрипсин. Его концентрация в крови примерно 35 нмоль/л. Ингибирует в первую очередь эластазу, а при больших концентрациях ингибитора угнетает трипсин.
При дефиците альфа1-антитрипсина или при нарушении его процессинга этого белка. В результате не выделяется в активной форме в кровь. Это генетический дефект, и у гомозиготных по этому признаку больных могут развиться нарушения со стороны легких, а затем в печени (развиваются эмфизема и гепатит). У гетерозигот - склонность к развитию хронических воспалительных процессов.
В плазме крови есть и другие ингибиторы сериновых протеиназ: альфа1-антихимотрипсин, антитромбин, альфа2-антиплазмин.
Другим не менее важным ингибитором является альфа2- макроглобулин. альфа2 -макроглобулин - универсальный ингибитор (блокирует протеиназы разных типов). Он не блокирует активные центры ферментов, а лишь захватывает протеиназу в ловушку, которая есть на поверхности макроглобулина.
Как только альфа2-макроглобулин захватывает в ловушку протеиназу, то он сразу изменяется и в результате освобождается участок, для которого многие клетки (лейкоциты, макрофаги) обладают специфическими рецепторами. Поэтому они связываются с комплексом “альфа2-макроглобулин-фермент”, фагоцитируют его и в лизосомах поглощенные белки полностью гидролизуются до аминокислот.
ВЫСОКОСПЕЦИФИЧНЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ
Адсорбционный центр этих ферментов имеет сложное строение. Они способны распознавать структуру радикала не только одной из аминокислот, но целого участка полипептидной цепи, в составе которого находится пептидная связь, которую гидролизует фермент. Часто высокоспецифичная протеиназа может узнать и гидролизовать только одну связь из сотен других, имеющихся в белке-субстрате. Такое высокоспецифичное расщепление молекулы белка в одном строго определенном месте называется “ограниченный протеолиз”.
Высокоспецифичные протеиназы можно разделить на две группы:
1.Внутриклеточные высокоспецифичные протеиназы. Обеспечивают постсинтетическую модификацию белка. В результате реакций ограниченного протеолиза полипептидная цепь укорачивается и белок приобретает биологическую активность.
К внеклеточным протеиназам относится система свертывания крови, система комплемента и система регуляции сосудистого тонуса.
Общая характеристика протеосом
Другая хорошо регулируемая система деградации белков локализована в цитоплазме. Она состоит из больших белковых комплексов (молекулярная масса 2ּ106 Да), протеосом. Протеосомы содержат бочковидное ядро из 28 субъединиц. Протеолитическая активность (на рис.2 показана в виде ножниц) локализована во внутреннем 20S-ядре. С торцов бочки запираются сложно устроенными 19S-частицами, контролирующими доступ в ядро.
Белки, которым предстоит разрушение в протеасоме (например, содержащие ошибки транскрипции или состарившиеся молекулы), метятся путем ковалентного связывания с небольшим белком убиквитином. Убиквитин активирован благодаря наличию тиолсложноэфирной связи. Меченые убиквитином («убиквитинированные») молекулы распознаются 19S-частицами с потреблением АТФ и попадают в ядро, где происходит их деградация. Убиквитин не разрушается и после активации используется вновь.
КАТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ.
80% аминокислот, которые поступают в организм из желудочно-кишечного тракта, используются для синтеза белков. Остальные 20% вступают в метаболические процессы. Все эти процессы можно разделить на 2 группы:
1. Общие пути катаболизма аминокислот (для всех аминокислот они одинаковы). В них принимает участие общая часть молекулы аминокислоты.
2. Специфические пути метаболизма для каждой отдельной аминокислоты (разные для разных аминокислот) - участвуют радикалы аминокислот. Это - особенности обмена отдельных аминокислот.
ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА АМИНОКИСЛОТ
1. Декарбоксилирование
2. Дезаминирование
3. Трансаминирование (переаминирование)
ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ
В организме человека происходит только окислительное декарбоксилирование. Ферменты - декарбоксилазы. Их простетическая группа представлена пиридоксальфосфатом - это активная форма витамина В6. Продукты реакции – биогенные амины и углекислый газ.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕАКЦИЙ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ АМИНОКИСЛОТ
1. Реакции необратимы - приводят к необратимому распаду аминокислот.
2. Образуется значительное количество СО2 - конечного продукта метаболизма, который выводится из организма.
3. Образуются амины, которые обладают высокой биологической активностью. Поэтому такие амины называют биологически активными или биогенными аминами. Они являются медиаторами, с помощью которых сигнал передается от одной клетки к другой и от одной молекулы к другой.
Субстратная специфичность декарбоксилаз очень разная.
1. Глутаматдекарбоксилаза - высокоспецифичный фермент. Работает в клетках серого вещества головного мозга. Катализирует реакцию превращения глутаминовой кислоты в гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК).
ГАМК является медиатором тормозных импульсов в нервной системе. ГАМК и ее аналоги применяются в медицине как нейротропные средства для лечения эпилепсии и других заболеваний.
2. Орнитиндекарбоксилаза - высокоспецифичный фермент. Катализирует превращение орнитина в путресцин:
Образующийся путресцин (диаминобутан) является трупным ядом. В результате присоединения остатков пропиламина из путресцина могут образоваться спермин и спермидин, содержащие 3 (у спермина) или 4 (у спермидина) имино- или аминогруппы.
Полиамины принимают участие в процессах пролиферации клеток и роста тканей, а также в регуляции биосинтеза белка. Они являются ингибиторами некоторых ферментов, в том числе протеинкиназ. Спермин и спермидин относятся к группе биогенных полиаминов. Введение полиаминов в организм снижает температуру тела и кровяное давление.
При раковых заболеваниях обнаружено резкое увеличение секреции полиаминов и повышение их экскреции с мочой.
3. Гистидиндекарбоксилаза
Этот фермент имеет абсолютную субстратную специфичность - превращает гистидин в гистамин:
Гистамин является медиатором и содержится в нервных клетках и в тучных клетках. Обладают сильным сосудорасширяющим действием. Гистамин хранится в секреторных гранулах и секретируется в кровь при повреждении ткани (удар, ожог и т.д.). Особенно много его выделяется в очаге воспаления. Гистамин играет важную роль в проявлении аллергических реакций. Известно 2 типа рецепторов к гистамину:H1 и H2.
Эффекты гистамина:
- расширение капилляров и повышение сосудистой проницаемости;
- понижение артериального давления;
- повышение тонуса (спазм) гладких мышц - в том числе гладкой мускулатуры бронхов;
- усиление секреции желудочного сока;
Некоторые из этих эффектов позволяют гистамину принимать участие в формировании аллергических проявлений.
Антигистаминные препараты применяются с целью предотвратить образование гистамина и обладают противовоспалительным и антиаллергическим действием. По механизму действия некоторые из них являются ингибиторами гистидиндекарбоксилазы, а другие конкурируют с гистамином за взаимодействие с рецепторами клеток.
Блокаторы Н1-рецепторов используются в основном как противоаллергические средства - димедрол, супрастин и т.д.
4. Сериндекарбоксилаза. Катализирует первую реакцию синтеза ацетилхолина из серина. Ацетилхолин – возбуждающий медиатор вегетативной нервной системы.
5. Декарбоксилаза ароматических аминокислот
Имеет широкую субстратную специфичность. Превращает несколько разных аминокислот:
а) триптофан - в триптамин
б) 5-окситриптофан - в триптамин (серотонин)
в) 3,4-диоксифенилаланин - в дофамин
Серотонин вырабатывается в нервной ткани. Некоторые виды головных болей (мигрени) связаны с избыточной выработкой серотонина. Серотонин сужает сосуды, регулирует свертывание крови. Обладает антиаллергическим действием. Триптамин обладает сходным эффектом.
Аминокислота фенилаланин может в результате окисления присоединять две ОН-группы в кольце и превращаться в диоксифенилаланин (ДОФА). Из него под действием декарбоксилазы ароматических аминокислот образуется дофамин. Дофамин является предшественником катехоламинов - норадреналина и адреналина.
Кроме функции предшественника, ДОФАмин имеет свои специфические функции.
ИНАКТИВАЦИЯ БИОГЕННЫХ АМИНОВ
В организме имеются механизмы, позволяющие разрушать биогенные амины.
1. Метилирование по оксигруппам тех аминов, которые такие группы содержат, либо включают оксигруппы в свою молекулу после гидроксилирования. Источник метильного радикала: S-Аденозилметионин. Реакцию катализируют ферменты - О-метилтрансферазы. Они переносят метильную группу на кислород. После присоединения аденильного остатка АДФ к сере метионина, метильная группа метионина становится очень мобильной и легко переносится на разные вещества. В том числе и на кислород оксигрупп.
2. Окисление амина по аминогруппе с целью дезаминирования.
Главный путь инактивации биогенных аминов - их окисление под действием оксидаз с отщеплением аминогруппы. В результате исчезает биологическая активность амина.
Оксидазы биогенных аминов: моноаминооксидаза (МАО), диаминооксидаза (ДАО), полиаминооксидаза. Оксидазы отнимают два протона и два электрона и передают их сразу на кислород. Образуется перекись водорода, а амин превращается в ИМИН. Этот имин легко гидролизуется без участия фермента и превращается в альдегид. Простетической группой ферментов оксидаз является ФАД или ФМН, т.е. они являются флавопротеинами.
Вторая реакция (гидролиз) необратима. Образовавшийся в итоге альдегид легко окисляется до карбоновой кислоты, которая распадается до СО2 и H2O. МАО в клетке больше, чем ДАО.
Угнетение МАО приволит к замедлению распада биогенных аминов. Такие лекарства продлевают период существования биогенных аминов, что особенно важно при их недостатке. Эти вещества играют роль антидепрессантов и используются, в частности, при лечении шизофрении.
Аминокислоты декарбоксилируются в цитоплазме, а окисление аминов происходит в наружной мембране митохондрий. Поскольку реакция декарбоксилирования аминокислот и разрушение биогенных аминов происходят не одновременно, то биогенные амины могут некоторое время существовать и выполнять свою биологическую функцию.
ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ
У человека происходит в основном путем окислительного дезаминирования. Эти реакции протекают с помощью двух ферментов:
- оксидаза Д-аминокислот
- оксидаза L-аминокислот
Эти ферменты обладают групповой стереоспецифичностью. Оксидазы отнимают протоны и электроны от аминокислот с помощью такого же механизма, как и оксидазы, обеспечивающие дезаминирование биогенных аминов. Эти ферменты являются флавопротеинами и содержат в качестве простетической группы ФАД или ФМН:
На первой стадии образуется иминокислота, а затем, после спонтанного гидролиза образуется альфа-кетокислота.
Кроме оксидаз имеется еще один фермент, катализирующий окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты - глутамат-дегидрогеназа (глутаматДГ).
Этот фермент является НАД-зависимым и обладает высокой активностью (как и другие НАД-зависимые дегидрогеназы). В этом его отличие от оксидаз аминокислот, которые медленно превращают аминокислоты в физиологических условиях (поэтому в клетке сохраняется большинство аминокислот). Так как глутамат-ДГ является никотинамидной, то отнимаемые протоны и электроны не передаются сразу на кислород, а транспортируются по полной цепи МтО с образованием воды и параллельным образованием трех молекул АТФ.
Глутамат-ДГ обладает высокой активностью и этим отличается от МАО и ДАО. Глутамат-ДГ является регуляторным ферментом - он ингибируется избытком АТФ, и активируется избытком АДФ.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕАКЦИЙ ДЕЗАМИНИРОВАНИЯ
1. Реакции дезаминирования необратимы, как и реакции декарбоксилирования - дезаминирование тоже может играть роль первого этапа на путях распада аминокислот.
2. Один из непосредственных продуктов дезаминирования -конечный продукт метаболизма аммиак. Это токсическое вещество. Поэтому клетки должны затрачивать энергию, чтобы обезвредить аммиак до безвредных продуктов, которые выводятся из организма.
3. Другой продукт реакции дезаминирования - альфа-кетокислота.
Все образующиеся альфа-кетокислоты легко расщепляются дальше до СО2 и Н2О (например, аланин превращается в ПВК (путем дезаминирования; аспартат - в ЩУК; глутаминовая кислота - в альфа-кетоглутаровую). Большинство альфа-кетокислот тем или иным путем превращаются в кислоты, которые являются промежуточными метаболитами ЦТК:
- в альфа-кетоглутаровую;
- в янтарную;
- фумаровую;
-щавелево-уксусную. Все эти метаболиты могут в организме трансформироваться в углеводы, перед этим превращаясь в ПВК. Поэтому большинство аминокислот относится к группе, которая называется глюкогенными аминокислотами (их 17). Только 3 аминокислоты не могут превращаться в пируват, но превращаются в Ацетил-КоА – кетогенные аминокислоты: лейцин, лизин, триптофан). Они могут прямо трансформироваться в жирные кислоты или в кетоновые тела.
Метаболические пути, в которые вступают аминокслоты после дезаминирования, уже не являются собственно путями метаболизма аминокислот, а являются универсальными и для аминокислот, и для углеводов, и для жиров.
ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ
Эта реакция заключается в том, что аминокислота и кетокислота обмениваются друг с другом своими функциональными группами при альфа-углеродном атоме. В результате вступившая в реакцию аминокислота превращается в соответствующую альфа-кетокислоту, а кетокислота становится аминокислотой.
Эту реакцию катализируют ферменты под названием ТРАНСАМИНАЗЫ (АМИНОТРАНСФЕРАЗЫ). Коферментом всех трансаминаз является активная форма витамина В6 - пиридоксальфосфат (фосфопиридоксаль).
ГЛАВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИИ ТРАНСАМИНИРОВАНИЯ:
1. Это циклический процесс, все стадии которого катализируются одним и тем же ферментом - трансаминазой данной пары кислот. В этот цикл вступает одна аминокислота и кетокислота. Образуются другая альфа-кетокислота и аминокислота.
2. Все стадии этого процесса обратимы. Поэтому весь цикл в целом может протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Направление этого цикла зависит от соотношения концентраций участников реакции - всех четырех кислот. Резко повысив концентрацию какой-либо одной из кислот, можно направить реакцию по определенному направлению.
3. Каждая трансаминаза обычно специфична для одной пары субстратов и соответствующей ей пары продуктов и все стадии реакции катализируются только одним ферментом. По участникам процесса для данного фермента дают ему название:
Фермент, который катализирует приведенную реакцию, можно назвать: Аланинаминотрансфераза (АлТ) (глутаминово-пировиноградная трансаминаза (ГПТ)).
4. Трансаминазы обычно обладают высокой субстратной специфичностью и высокой активностью. Наиболее активными в клетках являются те трансаминазы, для которых хотя бы один из субстратов является дикарбоновой альфа-кетокислотой - это АлТ - аланинаминотрансфераза (ГПТ) и АсТ - аспартатаминотрансфераза (ГЩТ).
Определение активности этих ферментов в сыворотке крови имеет важное значение в ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКЕ таких заболеваний, как ВИРУСНЫЙ ГЕПАТИТ и ИНФАРКТ МИОКАРДА.
АсТ и АлТ являются внутриклеточными ферментами. Поэтому в норме их активность в крови очень мала. При вирусном гепатите или при инфаркте миокарда наблюдается разрушение клеток печени или миокарда соответственно. Поэтому в крови будет наблюдаться повышение активности и АлТ, и АсТ, но неодинаковое для каждого из ферментов.
В клетках сердечной мышцы (миокарда) содержится гораздо больше АсТ, чем АлТ, а в клетках печени - наоборот: АлТ намного больше, чем АсТ. Поэтому ПРИ ИНФАРКТЕ МИОКАРДА АКТИВНОСТЬ АСТ в крови БУДЕТ ЗНАЧИТЕЛЬНО ВЫШЕ, ЧЕМ АЛТ, А ПРИ ВИРУСНОМ ГЕПАТИТЕ АКТИВНОСТЬ АЛТ БУДЕТ ВЫШЕ, ЧЕМ АСТ.
Поэтому определение активности этих ферментов в крови помогает врачам в постановке правильного диагноза.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ РЕАКЦИЙ ТРАНСАМИНИРОВАНИЯ.
1. ОБЕСПЕЧИВАЮТ СИНТЕЗ НОВЫХ АМИНОКИСЛОТ ИЗ ЧИСЛА ЗАМЕНИМЫХ. Из заменимых аминокислот также могут образоваться необходимые клетке кетокислоты.
Эта функция позволяет ругулировать содержание различных аминокислот в клетках организма (корректировка аминокислотного состава клеток).
При избытке какой-либо из кислот соотношение быстро восстанавливается трансаминазой за счет другой пары. Недостающее количество какой-либо из кислот может быть взято клеткой из других метаболических путей (например, альфа-кетоглутарат может быть взят из ЦТК). Избыток какой-либо из кислот может быть ликвидирован другими ферментами (например, избыточное количество глутамата окисляется глутаматдегидрогеназой).
2. ОБЕСПЕЧИВАЮТ ПРОТЕКАНИЕ РЕАКЦИЙ КОСВЕННОГО ДЕЗАМИНИРОВАНИЯ.
3. ОБЕСПЕЧИВАЮТ СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ
Катаболизм аминокислот ускоряется при: поступлении с пищей больших количеств белка, гак как аминокислоты не могут запасаться в организме; голодании, так как распадаются белки тканей; сахарном диабете и других длительно протека ющих тяжелых заболеваниях.
Катаболизм аминокислот чаще всего начинается с ре акции дезаминирования - удаления a-аминогруппы. В отличие от трансаминирования при дезаминировании общее количество аминокислот уменьшается.
a-Аминогруппа отщепляется в виде аммиака. Ам миак - токсичное соединение, поэтому в клетках подвергается обезвреживанию.
Безазотистый остаток представляет собой a--кетокислоту, которая включается (рис.3):
• в реакции трансаминирования для синтеза заме нимых аминокислот;
• в анаплеротические реакции для восполнения убы ли метаболитов ОПК, используемых для синтеза других соединений;
• в глюконеогенез;
• в кетогенез;
• в реакции окисления до СО2, и Н20.
Рисунок 3
Дезаминированию подвергаются все аминокис лоты, кроме лизина.
Реакции дезаминирования:
а) окислительное - для Глу;
б) неокислительное - для Сер, Тре, Гис и Цис;
в) непрямое - для остальных аминокислот.
Окислительное дезаминирование глутамата про исходит в присутствии кофермента NAD+. Реакция происходит в митохондриях многих тканей, наибо лее активно в печени. Прямому окислительному дев минированию подвергается только глутамат. Фермент, катализирующий эту реакцию глутаматдегидрогеназа. Глутамат-ДГ является никотинамидной, то отнимаемые протоны и электроны не передаются сразу на кислород, а транспортируются по полной цепи МтО с образованием воды и параллельным образованием трех молекул АТФ.
Прямому неокислительному дезаминированию подвергаются:
• серии и треонин - дезаминирование происходит с отщеплением воды;
• гистидин дезаминируется внутримолекулярным способом;
• цистеин дезаминируется с выделением H2S и с использованием Н2О.
Большинство аминокислот подвергается в клетке непрямому дезаминированию, которое включает две стадии:
• трансаминирование с a--кетоглутаратом, образование Глу в цитозоле клетки;
• окислительное дезаминирование Глу в митохондриях.
Центральную роль в непрямом дезаминированини играют глутамат и a-кетоглутарат.
Основным источником аммиака является катаболизм аминокислот, однако аммиак может образовываться при распаде других азотсодержащих соединений(биогенных аминов, нуклеотидов) в тканях (рис.4).
Часть аммиака образуется в кишечнике в результате жизнедеятельности микрофлоры кишечника (гниение белков) и всасывается в кровь воротной вены. Концентрация аммиака в крови воротной вены существенно выше, чем в общем кровотоке.
Рисунок 4
Катаболизм аминокислот и, следовательно, об разование аммиака происходят во всех тканях. Концентрация аммиака в крови очень мала, так как он является токсичным веществом и быстро обезвреживается в клетках. Содержание аммиака в крови в норме 0.4 -0,7мг/л, или 25-40 мкмоль/л.
Токсичность аммиака связана с его действием на центральную нервную систему.
Образовавшийся в клетках аммиак связывается (обезвреживается) и выводится почками в виде ко нечных продуктов азотистого обмена:
• мочевины - синтезируется в печени;
• аммонийных солей - образуются в почках.
Существует несколько способов обезвреживания и выведения аммиака в разных тканях (рис.5).
Основной реакцией обезвреживания аммиака почти во всех тканях является синтез глутамина действием глутаминсинтетазы:
Глутаминсинтетаза обладает высоким сродством к аммиаку, и благодаря этой реакции в крови и тканях поддерживается низкая концентрация NH3.
Глутамин является транспортной формой аммиака, так как представляет собой нейтральную аминокислоту, способную легко проникать через клеточные мембраны путем облегченной диффузии (в отличие от глутаминовой кислоты, требующей механизмов активного транспорта). Из многих органов глутамин поступает в кровь, в наибольшем количестве - из мышц и мозга.
Образовавшийся в тканях глутамин транспортируется в почки и кишечник. В клетках кишечника Глн отщепляется амидная группа в виде NH3, образовавшийся глутамат трансаминируется с образованием аланина.
В энтероцитах амидная группа глутамина превращается в аммиак, а аминогруппа глутамина - в аминогруппу аланина.
В почках глутамин также подвергается действию глутаминазы и расщепляется на аммиак и глутамат, который реабсорбируется и аозвращается в клетки тканей. Глутаминаза почек активируется при ацидозе, когда полученный аммиак используется для нейтрализации кислых продуктов и образования аммонийных солей, которые экскретируются с мочой.
Эта реакция защищает организм от потери с мочой ионов натрия и калия, которые также могут быть использованы для выведения избытка анионов.
Еще одной реакцией обезвреживания аммиа ка в мозге и некоторых других органах является вос становительное аминирование a-кетоглутарата под действием глутаматдегидрогеназы, катализирующей обратимую реакцию. Однако этот путь обезврежи вания аммиака в тканях используется слабо, хотя, если учитывать последующее образование глутамина, является выгодным для клеток, так как способ ствует обезвреживанию сразу 2 молекул NH3
Из мышц и некоторых других тканей избыток аммиака выводится в виде аланина. Аминогруппы разных аминокислот посредством реакций трансаминирования переносятся на пируват, источником которого служат безазотистые остатки аминокислот, а также глюкоза. Особенно много аланина выделяют мышцы в силу их большой массы, а также потому, что работающие мышцы часть энер гии получают за счет распада аминокислот
Образовавшийся аланин поступает в печень, где подвергается непрямому дезаминированию.
Полученный аммиак обезвреживается, а пируват включается в глюконеогенез. Глюкоза из печени поступает в ткани и там в процессе гликолиза окисляется до пирувата. Образование аланина в мышцах, его перенос в печет перенос глюкозы, синтезированной в печени в обратном направлении составляют глюкозо-аланиновый цикл.
Рисунок 5
В печени аммиак обезвреживается путем образования с СО2 и образования карбамоилфосфата. Реакцию катализирует карбамоилфосфатсинтетаза I, которая использует 2 моль АТР. Фермент локализован в митохондриях гепатоцитов. Продукт реакции карбамоилфосфат - используется затем в орнитиновом цикле Кребса-Гензелейта для синтеза мочевины.
Основная часть аммиака для карбамоилфосфатсинтетазы I поставляется из кишечника. Кроме того, аммиак может образоваться и в самих гепатоцитах путем дезаминирования аминокислот, а также гидро лиза глутамина.
Мочевина - основной конечный продукт азотистого обмена, в составе которого из организма выводится избыток азота. Экскреция мочевины в норме составляет около 25 г/сут. Синтезируется только в печени.
Катаболизм аминокислот и образование аммиака происходят во многих тканях. Для транспорта азо та из тканей в печень используется 3 соединения: глутамин, аланин и аммиак.
Орнитиновый цикл в печени выполняет 2 фун кции:
• превращение азота аминокислот в мочевину, кото рая экскретируется и предотвращает накопление токсичных продуктов, главным образом аммиака;
• синтез аргинина и пополнение его фонда в орга низме.
Полный набор ферментов орнитинового цикла есть только в гепатоцитах (рис.6).
В последней реакции цикла, которая происходит только в печени, под действием аргиназы аргинин распадается на мочевину и орнитин. Орнитин вновь поступает в митохондрии и повторно включается в цикл синтеза мочевины.
Молекула мочевины содержит 2 атома азота:
• первый атом N* поступает в цикл в виде аммиака, образующегося в митохондриях. Реак ция катализируется митохондриальной карба-моилфосфатсинтетазой I.
• второй атом N** вводится в мочевину из аспарагиновой кислоты.
Аммиак, используемый карбамоилфосфатсинтетазой I, поставляется в печень главным образом из кишечника с кровью воротной вены. Роль других источников, в том числе окислительного дезаминирования глутаминовой кислоты, существенно меньше.
Аспарагиновая кислота, необходимая для синтеза аргининосукцината, образуется в печени с использованием аминогруппы аланина, который поступает главным образом из мышц и клеток кишечника. Oбразующийся в орнитиновом цикле фумарат в результате 2 реакций превращается в оксалоацетат, из которого путем трансаминирования образуется аспартат. Таким образом, с орнитиновым циклом сопряжен цикл регенерации аспартата из фумарата. Пируват, образующийся в этом цикле из аланина, используется для глюконеогенеза.
Еще один источник аспартата для орнитинови цикла - трансаминирование глутамата с оксалоацетатом.
Рисунок 6
В орнитиновом цикле расходуются 4 макроэргические связи 3 молекул АТР на каждый оборот цикла. Однако процесс превращения аминокислот в безазотистые остатки и мочевину обеспечивает сам себя энергией:
- при регенерации аспартата из фумарата на стадии дегидрирования малата образуется NADH, кото рый может обеспечить синтез 3 макроэргических связей (рис.7);
- при окислительном дезаминироваиии глутамата в разных органах также образуется NADH, который может обеспечить образование 3 макроэргичес-ких связей.
Затраты энергии происходят и при трансмембранном переносе веществ, связанном с синтезом и экскрецией мочевины. Первые 2 реакции орнитинового цикла исходят в митохондриях, а последующие 3 - в цитоплазме. Цитруллин, образующийся в митохондрии, должен бьпъ перенесен в цитозоль, а орнитин, образующийся цитозоле, должен быть перенесен в митохондрию. Кроме того, в почках перенос мочевины из крови в мочу происходит за счет градиента ионов натрия, создаваемого К+, Na+- АТРазой.
Рисунок 7
Отдельные ферменты орнитинового цикла об уживаются не только в печени, но и в других тканях. В энтероцитах, например, имеется 2 первых фермента и, следовательно, может синтезироваться цитруллин. В почках обнаружены 3-й и 4-й ферменты цикла. Цитруллин, образовавшийся в энгероцитах, может поступать в почки и превращаться там в аргинин, который переносится в печень и гидролизуется аргиназой. Активность этих водящихся в разных органах ферментов значи мо ниже, чем в печени.
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПУТИ ОБМЕНА ОТДЕЛЬНЫХ АМИНОКИСЛОТ.
Эти пути обмена определяются различиями в строении радикалов аминокислот, поэтому они разнообразны и многочисленны. Вступая в эти специфические реакции, аминокислоты принимают участие во многих важных процессах:
а) в синтезе гормонов и нейромедиаторов,
б) в синтезе простетических групп сложных белков - хромопротеинов и нуклеопротеинов,
в) в синтезе сложных липидов,
г) синтезе веществ, содержащих макроэргическую связь и являющихся источником энергии для клеток,
д) в обезвреживании токсических веществ.
Вступая в эти процессы, аминокислоты участвуют в них как всей своей молекулой, так и своими отдельными фрагментами (или группировками). Ими являются аминогруппа (NH2) и одноуглеродные фрагменты: -СН3, -CH2-, -С=О, -СН= , -СН2ОН.
Одноуглеродные фрагменты образуются из простейших аминокислот - глицина, серина, аланина и треонина под действием ферментов, коферментом которых является тетрагидрофолиевая кислота/ТГФК/. ТГФК - производное витамина Вс (фолиевой кислоты), она образуется из фолиевой кислоты в результате ее восстановления с помощью НАДФН2. Одноуглеродный фрагмент, соединенный с ТГФК называют активным одноуглеродным фрагментом или " активный С1.
ОБМЕН ГЛИЦИНА И СЕРИНА.
Это заменимые аинокислоты, которые превращаются друг в друга.
Основным путем распада глицина является его распад на СО2, Н2О и метилен-ТГФК (активный С1):
Из метилен-ТГФК могут образовываться все другие формы активного С1: формил-ТГФК, метил-ТГФК, метен-ТГФК, оксиметил-ТГФК в результате реакций окисления или восстановления метилен-ТГФК.
Активный С1, образовавшийся из глицина участвует в синтезе пуриновых азотистых оснований. Кроме того, глицин всей своей молекулой участвует в синтезе гема гемоглобина и других гемопротеинов, в синтезе пуриновых азотистых оснований, в синтезе парных желчных кислот (гликохолевая кислота), в синтезе креатина, в синтезе трипептида глютатиона. Также глицин в печени участвует в обезвреживании бензойной кислоты, которая превращается в гиппуровую кислоту:
Основным путем распада серина является его превращение в метилен-ТГФК и глицин:
Всей своей молекулой серин участвует в синтезе сложных липидов - фосфолипидов. Он участвует в синтезе фосфатидилсерина, который декарбоксилируется и превращается в фосфатидилэтаноламин, который после метилирования превращается в фосфатидилхолин. В реакции метилирования участвует активная форма метионина - S-аденозилметионин.
Серин в составе белков-ферментов участвует в формировании каталитического центра фермента, например, в сериновых протеазах: трипсине, химотрипсине и др. Также серин участвует в формировании гидратной оболочки белков, потому что является полярной аминокислотой.
ОБМЕН СЕРУСОДЕРЖАЩИХ АМИНОКИСЛОТ: МЕТИОНИНА И ЦИСТЕИНА.
Метионин - это незаменимая аминокислота, а цистеин - заменимая.
Главной особенностью обмена метионина является то, что из него тоже образуется активный С1 в виде СН3-группы, которая участвует в различных синтезах. Однако, этот активный С1 образуется без участия ТГФК. Чтобы стать источником СН3- группы, метионин подвергается активации с участием АТФ. В результате этой реакции от АТФ отщепляются все три остатка фосфорной кислоты, а аденозин присоединяется к атому серы метионина. Так образуется активная форма метионина - S- аденозил-метионин.
S-аденозил-метионин участвует в реакциях трансметилирования. Наиболее важный из них синтез фосфатидилхолина из фосфатидилэтаноламина, обезвреживание биогенных аминов с участием О-метилтрансфераз, синтез адреналина из норадреналина, синтез ацетилхолина из холина и Ацетил-КоА, синтез креатина, который в виде креатинфосфата является резервной формой макроэргических связей и участвует в обеспечении нервной ткани и работающей мышцы АТФ.
Синтез креатина.
В синтезе креатина участвуют и другие аминокислоты - аргинин и глицин. В почках из аргинина и глицина образуется гуанидинацетат, который метилируется в печени с участием S-аденозил-метионина и в результате образуется креатин:
Гомоцистеин участвует в синтезе амикислот - цистеина (гомоцистеин + серин). Креатин подвергается фосфорилированию с участием АТФ, в результате образуется соединение с макроэргической связью - креатинфосфат. Это обратимая реакция, которая катализируется ферментом креатинфосфокиназой (КФК).
Эта реакция интенсивно идет в мышцах, особенно, в сердечной мышце, и в ткани мозга. Креатинфосфат активно синтезируется в покое и распадается при мышечной работе. Это наиболее быстрый способ регенерации АТФ. Креатин, образовавшийся из креатинфосфата распадается до креатинина, который является конечным продуктом и выводится с мочой. В сутки выводится 1-2 грамма креатинина. Это количество креатинина прямо пропорционально мышечной массе, поэтому у мужчин креатинина в моче больше, чем у женщин. Креатинин не реабсорбируется из первичной мочи, поэтому его количество во вторичной моче характеризует объем клубочковой фильтрации.
При поражении мышечных клеток и нарушении ткани мозга креатинфосфокиназа появляется в крови, это является диагностическим признаком. Известно, что КФК имеет три изофермента - кардиальный, церебральный и мышечный, появление их в крови позволяет определить поражение соответствующего органа. Появление в крови кардиального изофермента является ранним диагностическим признаком инфаркта миокарда.
ОБМЕН ЦИСТЕИНА.
Это заменимая аминокислота, она синтезируется из серина, гидроксильная группа которого замещается SН-группой, которую поставляет гомоцистеин. Цистеин в составе белков-ферментов своей -SН группой участвует в образовании каталитического центра (тиоловые протеазы), а также участвует в образовании дисульфидных связей, которые принимают участие в формировании третичной и четвертичной структуры белков. Также цистеин необходим для синтеза трипептида глютатиона, который состоит из цистеина и глютаминовой кислоты. Молекула глутатиона условно обозначается как (Г-SН). Глютатион способен легко окисляться и восстанавливаться:
Окисляясь, глютатион предохраняет от окисления другие вещества, например, двухвалентное железо гемоглобина в эритроцитах:
Восстанавливается глютатион с помощью НАДФН2 с участием фермента глютатионредуктазы.
Цистеин подвергается и распаду, при этом он окисляется и декарбоксилируется, в результате образуется таурин, который участвует в образовании парных желчных кислот (таурохолевая и др.) в печени.
Серная кислота, которая образуется из таурина, участвует в обезвреживании токсических веществ в печени.
Так обезвреживаются продукты гниения белков в кишечнике - индол, скатол, фенол и крезол. В этих процессах серная кислота участвует в своей активной форме в виде 3’-фосфоаденозин-5’-фосфосульфата (ФАФC), которая образуется с участием АТФ.
ОБМЕН АРГИНИНА
Аргинин - частично незаменимая аминокислота. Она образуется в ходе синтеза мочевины в печени из карбомоилфосфата при участии аспарагиновой кислоты и орнитина. Аргинин участвует в синтезе креатина в почках, являясь донором гуанидиновой группы в образовании гуанидинацетата. В составе белков аргинин как полярная положительно заряженная аминокислота участвует в образовании ионных связей и в формировании гидратной оболочки белков.
ОБМЕН ДИКАРБОНОВЫХ АМИНОКИСЛОТ - ГЛУТАМИНОВОЙ И АСПАРАГИНОВОЙ
Эти аминокислоты вступают в многочисленные химические реакции, с которыми Вы уже знакомы и поэтому они играют главную роль в обмене аминокислот.
1. Они участвуют в реакциях синтеза заменимых аминокислот и следовательно в коррекции аминокислотного состава белков, а, значит, в коррекции аминокислотного состава клеток организма.
2. Участвуют в реакциях обезвреживания аммиака и других токсичных продуктов азотистого обмена.
3. Превращаясь в альфа-кетокислоты (альфакетоглутарат и ЩУК), они принимают участие во взаимосвязи обмена белков с обменом углеводов и жиров.
4. Дикарбоновые аминокислоты и их амиды (глутамин и аспарагин) участвуют в реакциях синтеза почти всех азотсодержащих соединений клеток (нуклеотидов, нуклеиновых кислот, аминосахаров и аминопроизводных липидов). В этих реакциях синтеза они являются донором азота в виде NН2-группы, или участвуют всей своей молекулой.
КОНКРЕТНАЯ РОЛЬ КАЖДОЙ АМИНОКИСЛОТЫ:
Глутаминовая кислота
а) подвергается прямому окислительному дезаминированиюс образованием альфа-кетоглутарата,
б) вступает в реакции трансаминирования, которые катализируют специфические трансаминазы,
в) является субстратом для синтеза глютамина, который является транспортной формой аммиака и участвует в синтезе мочевины в печени, также глютамин участвует в синтезе пуриновых оснований нуклеотидов и нуклеиновых кислот, аминосахаров и аминопроизводных липидов.
г) принимает участие в косвенном дезаминировании АК-т,
д) участвует в синтезе трипептида глютатиона,
е) является субстратом для образования гамма- аминомасляной кислоты.
Аспарагиновая кислота
а) участвует в реакциях трансаминирования,
б) в синтезе мочевины, как донор NН2-группы,
в) в синтезе пиримидиновых оснований (всей молекулой) и как донор NН2-группы - в синтезе пуриновых оснований,
г) в синтезе аспарагина.
Обе аминокислоты участвуют в формировании третичной и четвертичной структур белков, так как являются полярными заряженными аминокислотами и в образовании гидратной оболочки белков, а также эти аминокислоты принимают участие в формировании активных центров ферментов. Амидирование аспарагиновой и глутаминовой кислот приводит к образованию глутамина и аспарагина, необходимых для синтеза белков.
ОБМЕН ЦИКЛИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ ФЕНИЛАЛАНИНА И ТИРОЗИНА
Фенилаланин является незаменимой аминокислотой, а тирозин - заменимая аминокислота.
Фенилаланин вступает в незначительное количество превращений в тканях. Кроме включения этой аминокислоты в структуру молекул белка, единственным путем метаболизма фенилаланина у здорового человека является его окисление в тирозин с участием фермента микросомального окисления, специфической монооксигеназой - фенилаланингидроксилазой:
Тирозин вступает в многочисленные реакции в различных тканях. В результате этих превращений тирозин не только распадается до конечных продуктов, но и дает промежуточные метаболиты, из которых образуются ряд важных соединений, некоторые из которых являются биологически активными веществами.
Из тирозина образуются:
а) гормоны мозгового слоя надпочечников адреналин и норадреналин,
б) меланины - пигменты кожи, волос, радужной оболочки глаза,
в) йодсодержащие гормоны щитовидной железы - тироксин и трийодтиронин.
НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА ФЕНИЛАЛАНИНА И ТИРОЗИНА
Нарушения обмена этих АК связано с нарушением биосинтеза некоторых ферментов, которые катализируют метаболические превращения этих АК. Результатом нарушения синтеза ферментов является возникновение наследственных генетических заболеваний:
1) фенилкетонурия - нарушен синтез фенилаланин-гидроксилазы, поэтому фенилаланин превращается в фенилпируват, который оказывает токсическое воздействие на развитие некоторых отделов головного мозга.
2) альбинизм - нарушен синтез ферментов, превращающих ДОФА в ДОФА-хром, поэтому нарушается синтез меланинов.
3) алкаптонурия - нарушен синтез диоксигеназы гомогентизиновой кислоты, она выделяется с мочой, моча приобретает черный цвет.
4) кретинизм - нарушен синтез йодиназы, что приводит к нарушению синтеза йодсодержащих гормонов щитовидной железы.
5) может быть нарушен синтез фермента тирозиназы, который катализирует превращение тирозина в ДОФА, следовательно будет нарушаться синтез гормонов мозгового слоя надпочечников и меланина.
Из всех этих заболеваний в настоящее время удается лечить фенилкетонурию, для этого из рациона ребенка исключают фенилаланин и увеличивают в пище количество тирозина. Если ребенка держать на этой диете до 6-7 лет, тогда не возникает умственная отсталость, т.к. к 6-7 годам успевают развиться отделы головного мозга, развитие которых задерживается при избытке в ткани мозга фенилпирувата.
ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИНОВ
Нуклеопротеины - это сложные белки, небелковым компонентом которых являются нуклеиновые кислоты - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) или РНК (рибонуклеиновая кислота). В живом организме нуклеиновые кислоты находятся в диссоциированном состоянии. В составе белковых компонентов очень много положительно заряженных аминокислот - аргинина и лизина, поэтому их можно отнести к поликатионам (гистоны). Белковые компоненты подвергаются обмену, как простые белки.
ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Нуклеиновые кислоты в организме постоянно обновляются. В норме синтез и распад находятся в состоянии динамического равновесия.
КАТАБОЛИЗМ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Начинается с гидролиза 3',5'-фосфодиэфирной связи под действием ферментов нуклеаз:
- ДНКазы - расщепляют ДНК
- РНКазы - расщепляют РНК
Среди ДНКаз и РНКаз различают:
- экзонуклеазы (5' и 3');
эндонуклеазы - специфичны к мононуклеотидной последовательности, есть высокоспецифичные: рестриктазы - используются в генной инженерии.
Далее происходит отщепление фосфата от мононуклеотида с участием ферментов нуклеотидаз с образованием нуклеозидов.
Нуклеозид может расщепляться путем гидролиза под действием фермента нуклеозидазы на азотистое основание и пентозу, но чаще происходит фосфоролиз - при этом нуклеозид расщепляется на азотистое основание и фосфорибозу.
Нуклеазы очень многообразны. Различают ДНКазы и РНКазы. Отличаются друг от друга по месту действия. Бывают эндонуклеазы (расщепляют внутренние 3’5'-фосфодиэфирные связи) и экзонуклеазы (отщепляют концевые мононуклеотиды). Встречается 2 типа экзонуклеаз: 3'-экзонуклеазы - отщепляют мононуклеотид с 3'-конца молекулы, и 5'-экзонуклеазы - отщепляют 5'-концевой мононуклеотид.
Нуклеазы могут отличаться друг от друга и по специфичности. Пищеварительные нуклеазы и нуклеазы лизосомальные отличаются низкой специфичностью, у них упрощенное строение активного центра. У высокоспецифичных нуклеаз очень сложное строение активного центра. Они способны «узнавать» целую последовательность нуклеотидов из 4-10 пар и расщеплять одну-единственную связь в строго определенном месте (если «узнаваемый» участок содержит содержит 4 нуклеотидные пары, то расщепляется, в среднем, одна связь из 250 возможных). Такие высокоспецифичные ДНКазы называются рестриктазами. Участки ДНК, «узнаваемые» рестриктазами, называются полиндромными последовательностями. Рестриктазы широко применяются в генной инженерии.
Пентозы, образующиеся в ходе катаболизма нуклеиновых кислот, могут быть утилизированы во II-м этапе ГМФ-пути.
Азотистые основания также подвергаются дальнейшему катаболизму, но по-разному, в зависимости от их типа - пуриновых (аденина, гуанина) или пиримидиновых (тимина, цитозина и урацила).
Синтез и катаболизм пуриновых оснований
Последовательность реакций, которая ведет к образованию пуриновых нуклеотидов, начинается с синтеза 5-фосфорибозил-1-дифосфата — ФРДФ (он же пирофосфат — ФРПФ), являющегося общим предшественником фосфорибозы в синтезе пурино вых и пиримидиновых нуклеотидов (рис.8).
Перенос амидной группы глицина на ФРДФ с обра зованием 5-фосфорибозил-1-амина катализирует регуляторный фермент синтеза пуриновых нуклео тидов ФРДФ-амидотрансфераза.
В синтезе пуриновых нуклеотидов не образу ется свободное азотистое основание, а пуриновое кольцо формируется на остатке рибозо-5-фосфата при участии молекулы глицина, амидного азота глутамина, -NH2-группы аспарагина, СО2 и одноуглеродных производ ных: метенил- и формил-Н4-фолата .
Синтезируется первый пуриновый нуклеотид — инозиновая кислота (IMP), которая двумя последо вательными реакциями может превращаться в AMФ или в ГМФ.
Рисунок 8
Печень является основным местом образования пуриновых нуклеотидов. Она снабжает пуринами ткани, не способные к их синтезу: эритроциты, по лиморфно-ядерные лейкоциты и частично мозг.
Синтез нуклеозиддифосфатов (НДФ) и нуклеозидтрифосфатов (НТФ) происходит при участии АТР и ферментов: нуклеозидмонофосфат (НМФ)- и НДФ-киназ. Например, АМР-киназа (миокиназа) катализирует реакцию:
AMP+ATФ 2AДФ
ГМФ-киназа катализирует: ГМФ + АТР ГДФ +ADP
НДФ-киназа превращает НДФ в НТФ:
НДФ +ATФ НТФ +АДФ
AMФ, ГМФ и ИМФ ингибируют ключевые реак ции своего синтеза по механизму отрицательной об ратной связи. Первые 2 фермента от вечают за скорость синтеза пуриновых нуклеотидов по основному пути, и их ингибирование происхо дит лишь при одновременном повышении концент рации
AMФ, ГМФ
Скорость синтеза ФРДФ зависит от 2 факторов: доступности рибозо-5-фосфата и активности ФРДФ-синтетазы, регуляция активности которой имеет большее физиологическое значение, чем ре гуляция активности ФРДФ-амидотрансферазы.
Аденилосукцинатсинтетаза и IMP-дегидрогеназа являются регуляторными ферментами на пути превра щения IMP в AMФ и ГМФ. AMФ снижает превра щение IMP в аденилосукцинат, а ГМФ — превраще ние IMP в ксантозин –5 монофосфат, поэтому от них зависит сбалансированное содержание адениловых и гуаниловых нуклеотидов. Превращение IMP в аденило сукцинат в ходе синтеза AMФ требует ГТФ, а превра щение ксантозин –5 монофосфата в ГМФ - АТФ. Перекрестная регуляция между путями использования IMP служит для того, чтобы снизить синтез одного пуринового нуклеотида при дефиците другого.
Пуриновые нуклеотиды синтезируются «запасньм путем» из азотистых оснований и нуклеозидов. Этот путь имеет вспомогательное значение, давая от 10 до 20% общего количества нуклеотидов. При этом используются азотистые основания, образующиеся процессе катаболизма нуклеиновых кислот («путь спасения»). Два фермента катализируют эти реакции:
i) аденинфосфорибозилтрансфераза, отвечающая и образование AMФ из аденина и ФРДФ:
Аденин + ФРДФ AMP + Н4Р2О7
i) гипоксантингуанинфосфорибозилтрансфераза, которая использует в качестве субстратов гипоксантин и гуанин:
Гуанин + ФРДФ ГМФ
Гипоксантин + ФРДФ IMP
В результате совместного действия этих ферментов снижается выход конечного продукта обмена пуринов - мочевой кислоты.
Другой «запасной путь» включает фосфорилирование пуриновых нуклеозидов с помощью АТР. Так, аденозинкиназа катализирует фосфорилирование аденозина до AMФ или дезоксиаденозина до dAMФ:
Аденозин + АТФ AMФ + AДФ
Катаболизм пуриновых нуклеотидов приводит к образованию мочевой кислоты. Мононуклеотиды теряют фосфатный остаток гидролитически под действием фосфатаз или нуклеотидаз с образованием нуклеозидов.
Дальнейшие превращения аденозина и иозина в мочевую кислоту показаны на рисунке
Фермент аденозиндезаминаза иногда образуется в дефектной мутантной форме, что приводит к врожденному иммунодефициту, так как нуклеотиды являются регуляторами функций лейкоцитов.
Последним ферментом, участвующим в превращении азотистых оснований в мочевую кислоту, является ксантиноксидаза. Она окисляет гипоксантин в ксантин и ксантин в мочевую кислоту с участием молекулярного кислорода. У человека мочевая кислота является конечным продуктом обмена и вы водится из организма с мочой.
Мочевая кислота является одним из нормальных компонентов мочи. За сутки в организме образуется около 1 грамма мочевой кислоты. Мочевая кислота выводится из организма с мочой - это обычный ее компонент, но в почках организма человека происходит ее интенсивная реабсорбция. Концентрация мочевой кислоты в крови поддерживается на постоянном уровне 0.12-0.30 ммоль/л.
Функции мочевой кислоты: 1. Является мощным стимулятором центральной нервной системы, ингибируя фосфодиэстеразу, которая служит посредником действия гормонов адреналина и норадреналина. Мочевая кислота пролонгирует (продлевает) действие этих гормонов на ЦНС; 2. Обладает антиоксидантными свойствами - способна взаимодействовать со свободными радикалами.
Уровень мочевой кислоты в организме контролируется на генетическом уровне. Для людей с высоким уровнем мочевой кислоты характерен повышенный жизненный тонус
Полиморфизм ферментов, участвующих в синтезе пуриновых нуклеотидов de novo, сопровож дается образованием белков с низкой ферментатив ной активностью или нечувствительных к действию аллостерических эффекторов. При этом нарушает ся регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов по механизму отрицательной обратной связи. Избыточ но синтезирующиеся нуклеотиды подвергаются ка таболизму, и образование мочевой кислоты повыша ется. Тот же результат получается при снижении активности «путей спасения» пуринов. Аденин, гуа нин и гипоксантин не используются повторно, пре вращаются в мочевую кислоту, и возникает гипер-урикемия. Гиперурикемия – это состояние организма, при котором содер жание мочевой кислоты в сыворотке крови превышает уровень растворимости.
Сама мочевая кислота и, особенно, ее соли ураты (натриевые соли мочевой кислоты) плохо растворимы в воде. Даже при незначительном повышении концентрации они начинают начинают выпадать в осадок и кристаллизоваться, образуя камни. Кристаллы воспринимаются организмом как чужеродный объект. В суставах они фагоцитируются макрофагами, сами клетки при этом разрушаются, из них освобождаются гидролитические ферменты. Это приводит к воспалительной реакции, сопровождающейся сильнейшими болями в суставах. Такое заболевание называется подагра. Другое заболевание, при котором кристаллы уратов откладываются в почечной лоханке или в мочевом пузыре, известно как мочекаменная болезнь.
Наследственное нарушение пути реутилиза ции пуринов вызывает развитие у мальчиков синд рома Леша—Нихена, при котором отмечается резкое снижение активности гипоксантингуанинфосфорибо-зилтрансферазы или она полностью отсутствует. Эта патология сопровождается 3—6-кратной гиперпро дукцией уратов, образованием камней в почках, ум ственной отсталостью, агрессивным поведением и нанесением себе увечий.
Синтез и катаболизм пиримидиновых оснований (рис.9)
Синтез УМФ de novo, включающий 6 последовательных стадий, протекает главным образом в цитозоле клеток при участии 3 ферментов, 2 из которых полифункциональны:
- первый полифункциональный фермент содержит домены, имеющие активность карбамоилфосфат-синтетазы II (КФС II), аспартаттранскарбамоилазы (АТК) и дигидрооротазы и катализирующие 3 первые реакции этого метаболического пути;
Рисунок 9
- митохондриальная NAD-зависимая дегидрооротатдегидрогеназа окисляет дигидрооротат в оротат;
- превращение азотистого основания оротата в нуклеотид и его последующее декарбоксилирование до УМФ катализирует второй полифункциональный фермент, обнаруживающий оротатфосфорибозилтрансферазную и оротатдекарбоксилазную ак тивность.
НМФ- и НДФ-киназы катализируют превращение НМФ в полифосфорные производные за счет переноса фосфата АТФ на НМФ с образованием НДФ и НТФ.
СТР-синтаза (ЦТФ- синтаза) превращает УТФ в ЦТФ, используя амидную группу глутамина и энергию АТР для аминирования пиримидинового кольца.
Аллостерически регулируется активность 2 ферментов первого полифункционального комплекса:
КФС II ингибируется УТФ и пуриннуклеотидами, но ак тивируется ФРДФ, а АТК ингибируется ЦТФ, но акти вируется АТФ. Количество обоих поли функциональных ферментов регулируется также на генетическом уровне путем репрессии и дерепрессии.
Подобно пуринам, пиримидиновые азотистые основания и нуклеозиды могут превращаться в нук-леотиды «запасными путями» в реакциях, катализи руемых пиримидинфосфорибозилтрансферазой и ури-динцитидинкиназой.
Синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов строго координируется: ФРДФ активирует оба синтеза, а накопление пурин - и пиримидиннуклеотидов ингибирует образование ФРДФ по механиз му отрицательной обратной связи.
Описано редкое наследственное заболевание — оротацидурия, при котором в результате мутации в гене второго полифункционального фермента нару шается превращение оротата в УМФ. С мочой выде ляется до 1,5 г оротата (в 1000 раз больше, чем в нор ме), и развивается недостаточность пиримидиновых нуклеотидов.
Ферментные системы организма способны разрушать пиримидиновые основания с образованием продуктов. Цитозин распадается с образованием CO2, NH3 и b-аланина.
Тимин распадается подобно урацилу, но сохраняется CH3-группа, и вместо b-аланина образуется b-аминоизобутират, а также CO2 и NH3.
Поскольку тимин встречается только в ДНК, то по уровню b-аминоизобутирата в моче судят об интенсивности распада ДНК.
b-аланин хорошо растворим в воде, имеет физиологическое значение, содержится в плазме в свободном виде или включается в мышечные белки - карнозин и ансерин.
NH3 используется для синтеза мочевины.
Клетки, как правило, содержат в 5—10 раз больше РНК, чем ДНК. Пролиферирующие клетки для репликации генома нуждаются в дезоксинуклеозидтрифосфатах (dNTP), которые образуются путем прямого восстановления пуриновых и пиримидиновых НДФ в дезоксипроизводные и последующего фосфорилирования dNDP-киназами с использованием АТР.
Восстановление всех рибонуклеотидов катали-ует рибонуклеотидредуктазный комплекс, который включает собственно рибонуклеотидредуктазу (РНР), белковый кофактор тиоредоксии и систему его реге нерации: фермент флавиновой природы тиоредоксинредукгазу и НАДФН. Непосредствен ным восстановителем НАДФ является тиоредоксин, сульфгидрильные группы которого в ходе этой ре акции окисляются.
РНР — аллостерический фермент, и его актив ность зависит от концентрационных соотношений дезоксирибонуклеотидов: dATP является ингибито ром восстановления всех рибонуклеотидов.
Синтез dTMФ из dУМФ катализирует тимидилатсинтаза с участием N5N10-метилен-H4 -фолата, за счет которого:
а) включается одноуглеродный радикал в моле кулу dУМФ;
б) восстанавливается метиленовая группа в метильную.
Скорость синтеза dTMФ зависит от скорости вос становления продукта реакции дигидрофолата в H4-фолат с помощью дигидрофолатредуктазы.
Рисунок 10
Об разование dУМФ осуществляется двумя путями: дефосфорилированием dУДФ или дефосфорилированием dЦДФ и последующим гидролитическим дезаминированием dЦМФ с помощью dЦМФ-дезаминазы. В организме человека преобладает послед ний путь.
Количество ферментов РНР и тимидилатсинтанзы регулируется на генетическом уровне по меха низму индукции и зависит от скорости синтеза ДНК. Высокая активность РНР и тимидилатсинтазы на блюдается только тогда, когда клетки активно синтезируют ДНК и готовятся к делению.
Некоторое количество дезоксирибонуклеотидов может образовываться по «запасному пути» в ре акциях, катализируемых тимидинкиназой и дезокси-штидинкиназой.
Нарушения обмена белков
Нарушения переваривания и всасывания:
Дефицит пепсина может возникать при частичной резекции желудка за счет уменьшения секреции пепсиногена главными клетками слизистой (их количество сокращено), кроме того, при пониженной кислотности (низкое содержание соляной кислоты) пепсиноген плохо активируется до пепсина. В результате этого белки не полностью расщепляются до пептидов и вся нагрузка по их дальнейшему перевариванию ложится на тонкий отдел кишечника.
Дефицит трипсина, энтеропептидазы, карбоксипептидазы может быть как результат смещения рН в более кислую сторону, патологии панкреаса или нарушение секреции желудком гормона гастрина, который контролирует секрецию ферментов панкреаса. В результате негидролизованные белки и пептиды не могут всосаться в стенки кишечника и поступают в тонкий отдел, где подвергаются массовому гниению. При этом происходит аутоинтоксикация организма на фоне низкого содержания в крови аминокислот.
Обычно имеют наследственный характер, при этом аминокислоты и их метаболиты оказывают токсический эффект на организм. В первую очередь это выражается в виде расстройства деятельности центральной нервной системы (ЦНС).
Гипераминоацидемии - повышенное содержание в крови отдельных аминокислот и аминоацидурии - обнаружение в моче аминокислот обусловлены дефектом ферментов обмена аминокислот Типичный пример: фенилкетонурия связанные с нарушением канальциевого транспорта аминокислот в почках.
Нарушение биосинтеза мочевины
Может проявляться в виде недостаточности карбомоилфосфатсинтетазы, катализирующей включение аммиака в орнитиновый цикл. Кроме того, известны случае дефицита всех остальных ферментов цикла мочевины, а поскольку аммиак является ядовитым веществом, то нарушения синтеза мочевины проявляется в виде расстройств нервной системы или развития комы.
Литература: Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами /под редакцией Е. С. Северина и А.Я. Николаева – М.:ГЭОТАР-МЕД, 2001.- 448 с. 2. Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия: Пер. с англ. – М.:ГЭОТАР-МЕД, 2000.- 119 с.- («Экзамен на отлично»)