2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

Судьба α-кетокислот

Образовавшиеся в процессе дезаминирования и переамини- рования α-кетокислоты могут использоваться в тканях организма с

различными целями. Они могут подвергаться:

1)Восстановительному аминированию и переаминированию с образованием соответствующей аминокислоты.

2)Декарбоксилированию с превращением в жирные кислоты, при β-окислении которых образуется ацетил - КоА, сгорающий в

цикле трикарбоновых кислот с образованием энергии.

3)Превращению в углеводы, включаясь в процесс глюконеогенеза через пируват, α-кетоглутарат, щавелевоуксусную кислоту, сукцинил - КоА, при этом пируват является центральным

связующим звеном. В пируват превращаются аланин, серин, глицин, треонин, цистеин, в ЩУК - аспартат, аспарагин, в α-кетоглутарат - глутамин, в сукцинил- КоА - валин, изолейцин, метионин, треонин.

Эти аминокислоты называют гликогенными или гликопластическими. Глюконеогенез с участием аминокислот особенно активно происходит при голодании, при преимущественно белковом питании. Полагают, что примерно 50% аминокислот в организме могут служить источником для образования глюкозы.

4)Превращениям с образованием ацетоуксусной кислоты и ацетил-КоА (фенилаланин, тирозин, лейцин, лизин), из которых

образуются жирные кислоты и кетоновые тела. Поэтому их называют кетогенными или кетопластическими.

В то же время такие аминокислоты как тирозин, фенилаланин, триптофан и изолейцин являются одновременно и гликогенными и кетогенными, так как часть их молекул при катаболизме превращается

впируват, а другая часть включается в ацетил-КоА.

Лекция 24

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ АММИАКА В ОРГАНИЗМЕ

Обезвреживание аммиака в организме

Аминокислоты, не использованные для построения тканевых белков или биологически активных веществ, подвергаются распаду с образованием конечных продуктов – СО2, Н2О и NН3.

Образование NН3 происходит во всех тканях в результате:

1.Окислительного дезаминирования аминокислот.

2.Окислительного дезаминирования глутаминовой кислоты.

242

3.Дезаминирования аминов аминооксидазами.

4.Дезаминирования пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

5.Дезаминирования аминокислот ферментами бактерий в ки-

шечнике с последующим всасыванием этого NН3 в портальную вену.

В сутки в организме подвергаются распаду до 70 г аминокислот,

врезультате чего образуется большое количество NН3. Аммиак для

клеток является ядом, и его накопление в тканях представляло бы серьезную угрозу для организма. При попадании больших количеств аммиака в кровь (цирроз печени) развивается интоксикация, проявляющаяся, прежде всего, поражением центральной нервной системы (затруднение речи, тремор, потеря сознания, эпилептические припадки, кома). Несмотря на непрерывное образование его в тканях и по-

ступление в кровь, количество NН3 в крови очень мало и составляет

0,05 ммоль/л.

Это свидетельствует о существовании механизмов обезвре-

живания аммиака, которые могут нарушаться.

Различают механизмы местного и общего обезвреживания аммиака. Местное обезвреживание сводится к временному связыванию аммиака с образованием его транспортных форм, в составе которых он доставляется к органам, где происходит общее обезвреживание. Последнее заключается в образовании инертных, ненужных организму соединений, которые выводятся с мочой.

Местное обезвреживание аммиака

Осуществляется в тканях (мозг, мышцы, сетчатка и др.), где происходит непосредственное образование NН3, по нескольким меха-

низмам.

1. Главным путем обезвреживания аммиака является его связы-

вание с глутаминовой (у животных) и аспарагиновой (больше у растений) кислотами, т.е. их амидирование. Протекает в мышечной ткани, мозгу, печени, почках с затратой АТФ. Катализируется глутаминсинтетазой, локализованной в ЭПС.

Образуется глутамин, который легко проходит через мембраны (у растений – аспарагин).

Образовавшиеся глутамин и аспарагин являются главными транспортными формами аммиака, в виде которых он доставляется в печень и почки, где происходит общее обезвреживание.

Глутамин и аспарагин являются и главными резервными формами аммиака. Азот амидной группы глутамина и аспарагина используется при синтезе важных органических соединений: пуриновых, пиримидиновых нуклеотидов, триптофана, гистидина, глюкозаминфосфата, карбамоилфосфата. Глютаминсинтетаза - это регуляторный фермент,

243

ингибирующийся каждым из этих конечных продуктов метаболизма (типичный пример регуляции по типу обратной связи). Полагают, что в молекуле фермента имеются участки связывания для каждого из этих ингибиторов.

2.Обезвреживание аммиака в тканях происходит также путем амидирования остатков глутаминовой и аспарагиновой кислот в белках.

3.Восстановительное аминирование (ретрансаминирование) -

кетоглутарата. В мышечной ткани этот процесс приводит к образованию еще одной транспортной формы аммиака. При интенсивной мы-

шечной работе выделяющийся аммиак связывается с -

кетоглутаровой кислотой под действием глутаматдегидрогеназы. Образуется глутамат:

Глутаминовая кислота вступает в переаминирование с пируватом, образующимся при интенсивной мышечной работе в результате распада гликогена или глюкозы. Образующийся аланин является транспортной формой аммиака, доставляемой кровью в печень, где он вступает в переаминирование с -кетоглутаратом, в результате чего

получаются пируват и глутамат. Глутаминовая кислота через аспартат (переаминирование со щавелевоуксусной кислотой) включает свою NН2-группу в мочевину. Пируват используется в глюконеогенезе для

синтеза глюкозы, которая поставляется печенью мышцам. Этот механизм имеет важной значение для выведения аммиака из мышечной ткани и получил название глюкозо-аланинового цикла.

244

синтез мочевины

Общее обезвреживание аммиака

Происходит в печени и почках, где образуются безвредные для организма инертные соединения, которые выводятся с мочой. В печени синтезируется мочевина, в почках – аммонийные соли. У животных и человека азот выводится, в основном, в виде мочевины (около 85- 90%). На соли аммония приходится около 3-6% всего азота, выводи-

мого с мочой.

Синтез мочевины

Синтез мочевины представляет собой циклический процесс, открытый Г.Кребсом в 1932 году. В печень с кровотоком поступают транспортные формы аммиака глутамин и аланин, и, кроме того, по воротной вене аммиак, всосавшийся в кишечнике. Глутамин под действием глутаминазы распадается на глутаминовую кислоту и аммиак. В митохондриях гепатоцитов из аммиака, СО2 с затратой АТФ под действием карбамоилфосфатсинтетазы (1) синтезируется карбамоил-

фосфат.

(1)O

NH3+CO2+2АТФ+Н2О H2N C O ~ PO3H2+2АДФ+Н3РО4

карбамоилфосфат

245

Карбамоилфосфат взаимодействует с орнитином при участии орнитинкарбамоилтрансферазы (2) с образованием цитруллина, кето-

форма которого подвергается таутомерной перегруппировке, переходя в енольную.

+Н2О аргининсукцинат

2Н3РО4

Цитруллин вступает в конденсацию с аспарагиновой кислотой под действием аргининсукцинатсинтетазы (3) с затратой АТФ. Образуется аргининянтарная кислота, которая аргининсукцинатлиазой (4)

расщепляется на аргинин и фумаровую кислоту.

Аргинин расщепляется аргиназой (5) на орнитин и мочевину,

которая простой диффузией (по градиенту концентрации) выходит из клеток в кровь и выделяется с мочой. В сутки в норме выделяется от 20 до 40г мочевины.

Фумаровая кислота является промежуточным продуктом цикла трикарбоновых кислот и фумаратгидратазой превращается в малат, который окисляется малатдегидрогеназой в щавелевоуксусную кислоту. Оксалацетат вступает в реакцию переаминирования с глутаминовой кислотой и превращается в аспарагиновую, которая вновь используется в синтезе мочевины. Образовавшийся из глутамата α-

кетоглутарат вступает в реакцию переаминирования с любыми аминокислотами печени.

246

HC NH2 COOH COOH фумарат аргинин

+ Н2О (5)

NH2

NH2 (CH2)3 + C O

HC NH2

NH2

COOH

Таким образом, процесс синтеза мочевины – циклический и требует орнитина и затраты АТФ. Атомы азота мочевины имеют разное происхождение: один атом поступает в составе глутамина, образовавшегося в тканях, и принадлежит азотсодержащим соединениям периферических тканей. Второй атом включается аспарагиновой кислотой, образующейся при переаминировании щавелевоуксусной и глутаминовой кислот. Глутаминовая кислота забирает аминогруппы аминокислот печени (в том числе, поступившего аланина).

Синтез аммонийных солей

Глутамин, доставляемый кровотоком в почки, расщепляется глутаминазой, активируемой протонами и самим глутамином, на глутаминовую кислоту и аммиак. Аммиак взаимодействует с протонами, образуя ион аммония, который соединяется с анионами различных кислот: фосфорной, серной, угольной, соляной, щавелевой, мочевой.

NН3 + Н+ → NН4+

Образуются соли аммония – фосфаты, сульфаты, карбонаты, хлориды, оксалаты, ураты, которые выводятся с мочой. Всего в сутки у здорового человека выделяется 1-1,2 г таких солей.

Процесс имеет важное значение, т.к. является не только механизмом общего обезвреживания аммиака, но участвует в поддержании кислотно-щелочного равновесия в организме, а также сберегает от вы-

ведения с мочой катионы натрия и калия.

247

Лекция 25

ПРЕВРАЩЕНИЯ АМИНОКИСЛОТ ПО КАРБОКСИЛЬНОЙ ГРУППЕ Ã ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ

В тканях животных процесс декарбоксилирования аминокислот протекает под действием декарбоксилаз с образованием аминов.

R CH COOH R CH 2NH 2 + CO 2

NH 2

Декарбоксилазы аминокислот Ã сложные ферменты, кофер-

ментом которых является пиридоксальфосфат. Обнаружены процессы декарбоксилирования гистидина, триптофана, 5-

гидрокситриптофана, тирозина, глутаминовой, аспарагиновой, цистеиновой кислот с образованием соответствующего амина: гистамина, триптамина, серотонина, тирамина, γ-аминомасляной кислоты, β-

аланина, таурина. Их называют биогенными аминами, так как в малых дозах это биологически активные вещества с мощным фармакологическим действием, в больших дозах – фармакологические яды. Декарбоксилазы ароматических аминокислот, гистидина, глютаминовой кислоты и других не отличаются строгой специфичностью. Ферменты мало активны, и процесс протекает с малой скоростью.

При декарбоксилировании тирозина образуется тирамин, проявляющий сосудосуживающее действие.

тирозин тирамин

Декарбоксилирование триптофана сопровождается образованием триптамина, также обладающего сосудосуживающим действием.

248

При декарбоксилировании производного триптофана – 5- гидрокситриптофана образуется 5- гидрокситриптамин или серотонин.

5-гидрокситриптофан серотонин

Серотонин преимущественно образуется в нервной ткани и кишечнике. Обладает сильным сосудосуживающим действием, является нервным медиатором, поддерживает нормальную психическую деятельность, участвует в центральной регуляции артериального давления, температуры тела, дыхания, в почечной фильтрации, способствует развитию аллергической реакции, токсикоза беременности.

Декарбоксилирование гистидина приводит к образованию гиста-

мина.

Декарбоксилирование гистидина гистидиндекарбоксилазой происходит главным образом в тучных клетках, которые имеются в соединительной ткани (практически во всех органах). Гистамин накапливается и хранится в этих клетках в соединении с белками в специальных секреторных гранулах и может освобождаться и выделяться в кровь при разнообразных механических воздействиях (травма, ожог, электрическое раздражение), действии эндогенных веществ.

Физиологическое действие гистамина на сосуды отличается от действия других биогенных аминов: он расширяет сосуды и поэтому

249

снижает кровяное давление. В большом количестве гистамин образуется в месте травмы, в очаге воспалительного процесса, вызывает расширение сосудов, повышает проницаемость капилляров, способствует выходу лейкоцитов, развитию воспалительной реакции. Является медиатором нервных процессов, медиатором боли. Укусы насекомых (комары, клопы, осы и др.) вызывают зуд, боль, отечность, что связано с выделением гистамина. Гистамин стимулирует секрецию желудочного сока и слюны (поэтому его используют в клинике при исследовании секреторной функции желудка - гистаминовый завтрак). Если слизи-

стая желудка на введение гистамина не усиливает секрецию сока, то это свидетельствует о повреждении секреторных клеток - атрофиче-

ском гастрите. Гистамин сокращает гладкие мышцы легких, что проявляется приступом удушья. Гистамин способствует сенсибилизации организма и развитию аллергических реакций.

Обезвреживание гистамина происходит путем его метилирования с образованием 1-метилгистамина, который выводится с мочой.

При α-декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется γ-аминомасляная кислота.

ГАМК в большом количестве содержится в сером веществе мозга, в то время как в белом веществе мозга и периферической нервной системе ее почти нет. Является тормозным фактором в нервных клетках. В опытах с изолированной петлей кишечника показано, что ГАМК вызывает прекращение перистальтики даже в присутствии ацетилхолина, стимулирующего перистальтику. Используется в клинике при лечении заболеваний центральной нервной системы, связанных с резким возбуждением коры головного мозга (эпилепсия).

Цистеин окисляется в цистеиновую кислоту, которая в тканях животных декарбоксилируется с большой скоростью с образованием таурина.

250

Таурин используется в реакциях конъюгации с желчными кислотами для увеличения их гидрофильности. Непосредственное декарбоксилирование цистеина, протекающее в организме с небольшой скоростью, сопровождается образованием цистеамина.

Цистеамин оказывает защитное действие при лучевой болезни, однако его действие является непродолжительным, поэтому были синтезированы его производные, аналоги, которые нашли применение в терапии лучевых поражений.

В животных тканях с большой скоростью протекает декарбоксилирование 3,4-диоксифенилаланина - производного фенилаланина. При этом образуется ДОФ-амин, оказывающий мощное сосудосуживающее действие. ДОФ-амин является промежуточным продуктом в

синтезе катехоламинов норадреналина и адреналина.

Под действием декарбоксилаз из диаминокарбоновых кислот образуются диамины: из орнитина – путресцин, лизина – кадаверин.

251