Предыдущая: Обезвреживание аммиака в организме

Помимо общих путей обмена аминокислот, характерных для всех аминокислот, в настоящее время в животных тканях выяснены довольно подробно индивидуальные пути превращения почти всех аминокислот белковой молекулы. Некоторые из этих превращений, хотя и имеют в количественном отношении второстепенное значение, но образующиеся продукты реакции могут играть важную, а иногда и решающую роль в обмене веществ и в физиологических процессах организма. Ниже будет рассмотрен выборочно обмен тех аминокислот, специфические, так называемые частные пути превращения которых в организме человека и животных определяют во многих отношениях физиологическое состояние.

Обмен глицина и серина

Глицин является уникальной аминокислотой белковой молекулы благодаря отсутствию асимметрического атома углерода. Тем не менее метаболически он связан с химическими компонентами организма в большей степени, чем любая другая аминокислота.

Из схемы видно, что глицин в ряде синтезов выполняет уникальные функции, в частности в образовании белков, пуриновых нуклеотидов, гема гемоглобина, парных желчных кислот, креатина, глутатиона и т. д.

Оксидаза L-аминокислот глицин не дезаминирует; в тканях открыт специфический флавопротеид - глициноксидаза, которая осуществляет эту реакцию:

Глиоксиловая кислота, которая может образоваться также путем трансаминирования (обратимая реакция) с глутаминовой кислотой или глутамином, далее в тканях окисляется до щавелевой кислоты или муравьиной кислоты и СO₂ по уравнению:

СОН-СООН -> НСООН + СO₂

Образовавшаяся муравьиная кислота подвергается далее восстановлению при участии НАДФН₂ и тетрагидрофолиевой кислоты (ТГФ) в формильное производное ТГФ (N⁵, N¹⁰-СН₂-ОН-ТГФ), которая служит донатором оксиметильной группы в реакциях взаимопревращения глицина и серина:

Эту реакцию катализирует пиридоксалевый фермент -сериноксиметилаза. Показано также взаимопревращение глицина и треонина благодаря треонинальдолазной реакции:

Ряд других уникальных функций глицина в образовании о-аминолевулиновой кислоты при синтезе порфиринов (гема) и пуриновых нуклеотидов будет освещен ниже (см. Обмен сложных белков).

Поскольку серин легко превращается в пируват (см. выше) под действием сериндегидратазы, в тканях имеются условия для превращения глицина (через серин) в пируват и этим путем для участия глицина в углеводном обмена. Исключительна роль серина в биосинтезе сложных белков - фосфопротеидов, а также фосфолипидов. Помимо фосфатидилсерина, углеродный скелет и азот серина используются для образования фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина (см. Обмен липидов).

Обмен серосодержащих аминокислот

В белковой молекуле обнаружены три серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин и цистин), метаболически тесно связанные друг с другом. Благодаря наличию высокореактивной SH-группы в составе цистеина в тканях легко осуществляется ферментативная окислительно-восстановительная реакция между цистеином и цистином:

Дисульфидная связь часто образуется между двумя остатками цистеина внутри одной полипептидной цепи или между двумя полипептидами, способствуя тем самым стабилизации белковой молекулы. Цистеин является, кроме того, составной частью трипептида глутатиона (см. Химия белков), сокращенно обозначаемой SH-глутатион (или Г-SH), что подчеркивает функциональную значимость его тиогруппы и возможность образования дисульфидной связи:

Как известно, некоторые ферменты содержат в активном центре SH-группы, абсолютно необходимые для каталитической реакции. При их окислении ферменты теряют свою активность. Предполагается, что одной из главных функций глутатиона является сохранение этих ферментов в активной восстановленной форме. Окисленный глутатион может вновь восстанавливаться под действием глутатионредуктазы, используя НАДФН₂ и служить донатором водорода. С другой стороны, глутатион может оказывать ингибирующее действие на некоторые белки: в частности, известна реакция инактивации инсулина под действием глутатионинсулинтрансдегидрогеназы, в которой SH-глутатион является донатором водородных атомов, разрывающих дисульфидные связи между двумя полипептидными цепями молекулы инсулина. Показана коферментная функция глутатиона для дегидрогеназы фосфоглицериновой кислоты и глиоксалазы.

Поскольку в процессе катаболизма сера метионина в тканях в основном переходит в серу цистеина и взаимопревращение цистина в цистеин легко осуществляется, проблема окисления серы всех аминокислот практически сводится к окислению цистеина. Главным путем оказался окислительный, включающий окисление цистеина в цистеинсульфиновую кислоту, трансаминирование последней с α-кетоглутаратом и образование пирувата и сульфита по схеме:

Сульфит затем быстро окисляется в тканях и выводится с мочой в виде нетоксичных сульфатов и эфиросерных кислот. Об использовании цистеина и продуктов его окисления - цистеинсульфиновой и цистеиновой кислот - в образовании таурина было указано выше (см. Декарбоксилирование аминокислот ).

Метионин вступает в печени в реакцию трансаминирования с α-кетоглутаратом и превращается в α-кето-β-метилтиомасляную кислоту. Однако этот путь обмена не является главным, а, как было указано выше, лежит через цистеин, поскольку меченая сера метионина включается в цистеин. Превращение метионина в цистеин оказалось необратимым процессом. Выяснилось также, что углеродный скелет цистеина имеет своим источником другую аминокислоту, а именно серин. Эти фактические данные, а также уникальное свойство донатора лабильных метильных групп подтвердили незаменимость метионина для животных и человека. Как оказалось позже, фактическим донатором метальных групп в реакциях трансметилирования является не свободный метионин, а так называемый активный метионин, точнее S-аденозилметионин, который образуется в процессе АТФ зависимой реакции:

Своеобразие данной ферментативной реакции заключается з том, что все три фосфатных остатка АТФ соединяются в комплекс с ферментом в виде триметафосфата, который затем распадается на неорганический фосфат и пирофосфат и свободный фермент. Образовавшийся S-аденозилметионин используется далее в реакциях трансметилирования: при синтезе адреналина, тимина, креатина, N-метилникотинамида, фосфатидилхолина и др. В простейшем виде все эти реакции можно представить следующим общим уравнением:

S-Аденозилметионин + Субстрат --> Аденозилгомоцистеин + Метилcубстрат
Аденозилгомоцистеин --> Гомоцистеин + Аденозин

В качестве примера ниже приводится биосинтез креатина. В образовании креатина принимают участие три аминокислоты: аргинин, глицин и метионин. Реакция синтеза протекает в две стадии. Первая стадия - образование гуанидинуксусной кислоты (гликоциамина) - осуществляется в почках при участии глицинтрансамидинaзы:

Вторая стадия синтеза креатина протекает в печени при участии гуанидинацетатметилтрансферазы:

Креатин подвергается фосфорилированию с образованием фосфокреатина, который после дефосфорилирования (необратимая реакция) превращается в креатинин, выделяющийся с мочой.

Что касается судьбы гомоцистеина (деметилированного продукта метионина), то он может вновь превратиться в метионин путем метилирования. При этом донатором метильной группы служит N⁵-метил-ТГФ. Однако основной путь дальнейшего превращения гомоцистеина связан с его использованием в синтезе цистеина, который может быть представлен в виде двух последовательных ферментативных реакций:

Ферменты, катализирующие синтез и распад цистатионина (цистатионинсинтаза и цистатионаза), оказались протеидами пиридоксальфосфата. Укажем также, что цистеин далее подвергается окислению по описанному выше пути, а гомосерин после трансаминирования с α-кетоглутаратом превращается в α-кетомасляную кислоту; последняя образуется, очевидно, из цистатионина непосредственно, минуя стадию гомосерина.

Обмен фенилаланина и тирозина

Фенилаланин относится к незаменимым аминокислотам, поскольку ткани животных не обладают способностью синтеза бензольного кольца его. В то же время тирозин полностью заменим при достаточном поступлении фенилаланина с пищей. Объясняется это тем, что основной путь превращения фенилаланина начинается с его окисления (точнее, гидроксилирования) в тирозин.

Эта реакция гидроксилирования катализируется специфической фенилаланингидроксилазой, которая в качестве кофермента содержит, как все другие гидроксилазы, тетрагидробиоптерин. Блокирование этой реакции, наблюдаемое при нарушении синтеза фенилаланингидроксилазы в печени, приводит к развитию тяжелой наследственной болезни - фенилкетонурии.

В процессе трансаминирования тирозин превращается в n-оксифенилпировиноградную кислоту, которая под действием специфической оксидазы подвергается окислению, декарбоксилированию, гидроксилированию и внутримолекулярному перемещению боковой цепи с образованием гомогентизиновой кислоты; эта реакция требует присутствия аскорбиновой кислоты, роль которой пока не ясна.

Дальнейшее превращение гомогентизиновой кислоты в малеилацетоуксусную кислоту катализируется оксидазой гомогентизиновой кислоты. Малеилацетат под действием специфической изомеразы, требующей наличия глутатиона, превращается в фумарилацетоуксусную кислоту, подвергающуюся гидролизу с образованием фумаровой и ацетоуксусной кислот, дальнейшие превращения которых уже известны. Об использовании молекулы тирозина в биосинтезе гормонов щитовидной железы и катехоламинов было указано выше. Фенилаланин и тирозин являются предшественниками меланинов.

В этом важном биологическом процессе, обеспечивающем пигментацию кожи, глаз, волос, активное участие принимает фермент тирозиназа.

Обмен триптофана

Триптофан считается незаменимой для человека и животных аминокислотой, поскольку он является предшественником ряда важных биологически активных веществ, в частности серотонина (см. выше) и никотиновой кислоты; кроме того, углеродный скелет его не синтезируется в тканях животных. Показано, что один из его метаболитов, в частности индолилуксусная кислота, обладет ростстимулнрующей активностью в отношении растений (ростовой фактор).

В нормальных физиологических условиях более 95% триптофана окисляется по кинурениновому пути и не более 1% - по серотониновому.

Серотонин в организме подвергается окислительному дезаминированию с образованием индолилуксусной кислоты, которая выделяется с мочой; содержание ее в моче резко повышено при поражении организма человека злокачественными карциномами, когда около 60% триптофана окисляется по серотониновому пути. Основной же путь обмена триптофана приводит к синтезу никотинамида, точнее НАД. Этот путь обеспечивает организм определенным, хотя и недостаточным, количеством витамина PP. Триптофан под действием гемсодержашего фермента триптофанпирролазы в присутствии молекулярного кислорода превращается в формилкинуренин, который распадается при участии формамидазы на муравьиную кислоту и кинуренин; последний окисляется в 3-оксикинуренин. Дальнейшие превращения 3-оксикинуренина связаны с пиридоксалевым ферментом - кинурениназой, которая гидролизует его на аланин и 3-оксиантраниловую кислоту. Последняя через ряд промежуточных продуктов, механизм образования которых до конца не раскрыт, превращается в хинолиновую кислоту, т. е. в непосредственный предшественник амида никотиновой кислоты.

Обмен дикарбоновых аминокислот

Классическими работами советских ученых А. Е. Браунштейна и С. Р. Мардашева и американского биохимика Майстера доказана выдающаяся роль дикарбоновых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой кислоты и их амидов - глутамина и аспарагина) в интеграции азотистого обмена в организме. Система дикарбоновых аминокислот, к которой относят также соответствующие α-кетокислоты, теснейшим образом связана не только с азотистым метаболизмом в целом, но и с обменом липидов и углеводов (см. ниже). Выше было указано на особую роль дикарбоновых аминокислот и ферментов, катализирующих их превращения, в перераспределении азота в организме, в дезаминировании и синтезе природных аминокислот (реакции трансдезаминирования и трансреаминирования) и в образовании конечных продуктов белкового обмена - синтезе мочевины.

Аспарагиновая кислота принимает непосредственное участие в орнитиновом цикле мочевинообразования, в реакции трансаминирования, в биосинтезе углеводов (глюкогенная аминокислота), карнозина и ансерина, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов (см. Обмен нуклеиновых кислот), а также в синтезе N-ацетиласпарагиновой кислоты в ткани мозга. Роль N-ацетил-аспартата, содержащегося в довольно высоких концентрациях в ткани мозга млекопитающих, пока не выяснена.

Глутаминовая кислота, являющаяся глюкогенной и, соответственно, заменимой аминокислотой для человека и животных, также включается в синтез ряда специфических метаболитов, в частности глутатиона и глутамина. Помимо своей роли в связывании и транспорте аммиака, участвуя тем самым в обезвреживании аммиака и в регуляции кислотно-щелочного состояния, глутамин выполняет уникальные функции в ряде синтезов, в частности в биосинтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, аминосахаров, в обезвреживании фенилуксусной кислоты (синтез фенилацетилглутамина) у человека и человекообразных обезьян, а также в синтезе витамина фолиевой кислоты (птероилглутаминовая кислота).

На схеме суммированы реакции синтеза ряда веществ, в которых амидный азот глутамина выполняет специфическую роль, незаменимую азотом других аминокислот.

Глутамин, как и аспарагин, оказались, кроме того, эссенциальными факторами для роста некоторых нормальных и опухолевых клеток в культуре ткани; глутамин и аспарагин не могли быть заменены ни друг другом, ни соответствующими дикарбоновыми аминокислотами. Это свидетельствует о том, что в условиях выращивания клеток в культуре ткани теряется способность клеток синтезировать эти амиды синтетазным или трансаминазным путем.

Для глутамина (обнаруженного впервые в животных тканях Д. Л. Фердманом) и аспарагина (открытого в белках тканей животных С.Р. Мардашевым) были уже известны пути синтеза в растениях благодаря классическим исследованиям Д.Н. Прянишникова.

Однако ферментные системы, катализирующие синтез этих амидов, были выделены из животных тканей и механизм их образования детально рассмотрен выше. Здесь же укажем, что глутамин и аспарагин в животных тканях подвергаются сочетанному трансаминированию и дезаминированию под влиянием специфических трансаминаз амидов (глутаминтрансаминазы и аспарагин-трансаминазы) и неспецифеской ω-амидазы (Майстер) в соответствии с уравнениями реакций:

Видно, что в реакции переноса участвует α-аминогруппа аспарагина (а не амидная группа, как предполагалось раньше), в то время как амидная группа промежуточного соединения α-кетосукцинамовой кислоты освобождается в процессе гидролиза в виде аммиака. Поскольку трансаминирование - обратимый процесс, лимитирующими в синтезе аспарагина (и глутамина) факторами являются ω-амиды щавелевоуксусной и α-кетоглутаровой кислот, синтез которых в животных тканях не доказан.

Глутаминовая кислота является одним из немногих соединений в дополнение к глюкозе, которые служат энергетическим материалом для ткани мозга. Выше было указано на высокую активность в ткани мозга глутаматдекарбоксилазы, которая превращает глутамат в γ-аминомасляную кислоту (ГАМК). Дальнейшее окисление ее включает трансаминирование с образованием полуальдегида янтарной кислоты, окисление в янтарную кислоту и, наконец, окисление через ЦТК.

В обеих реакциях (декарбоксилировании глутамата и трансаминировании ГАМК) участвует пиридоксальфосфат, который оказался более прочно связанным с ГАМК-трансаминазой. Поскольку ГАМК оказывает тормозящий эффект на синаптическую передачу в ЦНС, судорожные явления, наблюдаемые при недостаточности витамина В₆, могут быть связаны со снижением образования ГАМК в глутаматдекарбоксилазной реакции. У животных судороги могут быть вызваны также введением гидразида, который связывает альдегидную группу кофермента, или антивитаминов В₆, в частности метоксипиридоксина. Так как ГАМК служит естественно встречающимся "транквилизатором", одним из путей повышения ее концентрации в ЦНС является введение веществ, оказывающих тормозящее действие на ГАМК-трансаминазу, которая устраняет ГАМК эффективно.

В последние годы у бактерий и растений (но не в животных тканях) открыт совершенно новый путь синтеза глутаминовой кислоты из α-кетоглутаровой кислоты и глутамина, который является донатором аминогруппй. Реакцию катализирует глутаматсинтаза, требующая доставки энергии АТФ. Предполагается, что при синтезе глутаминовой кислоты главным является этот путь, а не путь синтеза через глутаматдегидрогеназу. В свете этих данных, очевидно, следует внести некоторые коррективы в наши представления о механизме синтеза аминокислот посредством трансреаминирования.

С глутаминовой кислотой метаболически связаны также пролин и аргинин через полуальдегид глутаминовой кислоты, хотя следует указать, что аргинин относится к незаменимым аминокислотам, в особенности в молодом возрасте, когда его синтез из глутамата не может обеспечить потребности быстрого роста организма. Кроме того, основным путем метаболизма аргинина является путь синтеза мочевины. Более специфичен и необратим путь превращения гистидина (также частично заменимая для животных аминокислота) в глутаминовую кислоту. В этом превращении участвуют два хорошо изученных фермента - гистидинаммиаклиаза (гистидаза), катализирующая внутримолекулярное дезаминирование гистидина, и уроканиназа, которая катализирует разрыв имизадольного кольца уроканиновой кислоты с образованием имидазолилпропионовой кислоты; последняя через формиминоглутаминовую кислоту превращается в глутаминовую кислоту. О других путях гистидина (образование гистамина и окисление его под действием диаминоксидазы) и об использовании гистамина в синтезе карнозина и ансерина было сказано выше.

Продолжение: Патология азотистого обмена