n1

За кількістю індикану в сечі у людини роблять висновки про ін- тенсивність процесів гниття білків у кишечнику, а також про функці- ональний стан печінки. Істотний інтерес з точки зору оцінки цієї фу- нкції викликає механізм знешкодження бензойної кислоти, яка може бути як ендогенного, так і екзогенного походження.

Джерелом ендогенної бензойної кислоти може стати амінокис- лота фенілаланін. Під час її дезамінування утворюється фенілпіро- виноградна кислота, яка, декарбоксилюючись, перетворюється на фенілоцтову. Фенілоцтова кислота далі декарбоксилюється і пере- творюється на толуол, а останній окислюється в бензойну кислоту.

Джерелом екзогенної бензойної кислоти можуть бути харчові продукти, зокрема, багаті на неї зелені частини рослин (салат, шпі- нат тощо), а також деякі лікарські речовини.

Бензойна кислота є менш отруйною речовиною, ніж зазначені вище сполуки, але має певну токсичність і знешкоджується (голо- вним чином у печінці) шляхом сполучення з гліцином і утворення нетоксичної парної сполуки – гіпурової кислоти:

Реакція потребує доставки енергії і присутності КоА. За швидкі- стю утворення і виведення гіпурової кислоти із сечею після прийому бензойнокислого натрію (проба Квіка) звичайно роблять висновки

331

про функціональний стан печінки, зокрема її антитоксичну функцію або функцію «хімічного захисту». Цей тест успішно використовується в клініко-біохімічних дослідженнях. Таким чином, організм людини і тварин має низку захисних механізмів синтезу, біологічна роль яких полягає у знешкодженні токсичних продуктів, котрі надходять в ор- ганізм ззовні або утворюються в кишечнику із продуктів харчування завдяки життєдіяльності мікроорганізмів.

Перетворення амінокислот після всмоктування

Амінокислоти, які надходять у систему циркуляції крові в ре- зультаті всмоктування з кишечника, швидко видаляються з неї і по- трапляють у тканини й органи людини.

Найбільшу здатність поглинати циркулюючі амінокислоти має печінка, до якої вони надходять по системі ворітної вени. Печінка є головним органом метаболізму амінокислот. Її функціонування за- безпечує такі процеси: 1) синтез власних білків, а також білків плаз- ми крові; 2) синтез різних азотовмісних небілкових сполук – пуринів, піримідинів, сечової кислоти, нікотинової кислоти, креатину та ін.; 3) синтез замінних амінокислот; 4) забезпечення через кров інших органів збалансованою сумішшю амінокислот, необхідної для біоси- нтезу білків; 5) перерозподіл надлишкових кількостей одержаних з їжею амінокислот з використанням іх вуглецевих ланцюгів і азоту.

Рис. 70. Процеси, які впливають на фонд амінокислот у клітинах

Внутрішньоклітинне перетворення амінокислот

Фонд вільних амінокислот – амінокислотний пул – формується як за рахунок харчових амінокислот, так і внаслідок розпаду тканин- них білків, що є умовою поновлення останніх.

Гідроліз тканинних білків здійснюється за допомогою тканинних протеїназ, або катепсинів, які локалізуються переважно в лізосомах, проте знаходяться також і в інших частинах клітини: гіалоплазмі, мі-

332

тохондріях, ендоплазматичному ретикулумі. Лізосомальні катепсини мають найбільшу активність у кислому середовищі, тому їх називають кислими катепсинами. Катепсини цитоплазми та інших частин кліти- ни виявляють свою оптимальну дію у нейтральному або слабколуж- ному середовищі. Катепсини відрізняються не лише оптимумом рН, але й специфічністю щодо білкових субстратів та пептидних зв’язків. Серед катепсинів виділяють екзопептидази, які гідролізують кінцеві пептидні зв’язки з N- або С-кінця поліпептидного ланцюга, і ендопеп- тидази, які гідролізують внутрішні поліпептидні зв’язки. У залежності від каталітичних особливостей активного центру розрізняють тіолові катепсини (у каталітичному центрі міститься цистеїн), аспарагінові або карбоксикатепсини (у каталітичному центрі – аспарагінова кисло- та), і серинові (каталітичний центр містить серин).

За оптимумом дії при певному значенні рН та за характером пептидних зв’язків, які атакуються відповідними катепсинами, останні подібні до протеїназ, котрі впливають на харчові білки у про- цесі їх перетравлювання в шлунково-кишковому тракті.

Тканинний гідроліз білків є необхідною умовою їх поновлення, внаслідок чого утворюються вільні амінокислоти, які беруть участь у формуванні амінокислотного пула.

Основні закономірності використання амінокислот з амінокисло- тного пулу такі: використання амінокислот для біосинтезу специфіч- них для даного організму білків; перетворення амінокислот до кінце- вих продуктів зі звільненням до 15% енергії метаболізму; специфічні шляхи обміну окремих амінокислот та їх груп з утворенням різних біологічно активних речовин (біогенні аміни, гормони); використання продуктів обміну амінокислот (азотистих та безазотистих) для біоси- нтезу інших сполук – жирних кислот, кетонових «тіл», глюкози (рис.70). Таким чином, фонд вільних амінокислот у клітині відображає інтенсивність процесів надходження і використання амінокислот.

Це свідчить про те, що шляхи метаболізму амінокислот у кліти- нах характеризуються великою складністю та розгалуженістю.

Найважливішими реакціями, на яких грунтуються вищеназвані шляхи використання вільних амінокислот, є реакції трансамінування,

дезамінування та декарбоксилювання.

Трансамінування або переамінування

Для синтезу специфічних білків організму необхідна присутність повного «набору» усіх їхніх мономерів-амінокислот. Незамінні амі- нокислоти мають надходити з їжею, біосинтез замінних амінокислот здійснюється в тканинах. Вихідними речовинами за умов біосинтезу замінних амінокислот є проміжні продукти розщеплення вуглеводів, метаболіти циклу Кребса та незамінні амінокислоти.

Внаслідок тривалих досліджень О.О.Браунштейн та М.Г.Кріц- ман у 1937 р. встановили, що з піровиноградної і глутамінової кислот при їх взаємодії утворюються аланін і α-кетоглутарова кислота; при цьому вільний аміак не виділяється. Добавлення глутамінової кис- лоти до «переживаючих» тканин прискорює перетворення α-кето- кислот в амінокислоти з одночасним збільшенням кількості α-кето-

333

глутарової кислоти. α-Кетоглутарова кислота при добавленні її до екстрактів різних органів посилює окислення в них амінокислот у ке- токислоти. Цей процес не супроводжується збільшенням концентра- ції аміаку, а сприяє підвищенню кількості глутамінової кислоти:

Отже, між амінокислотами і кетокислотами відбувається оборотне перенесення аміногрупи. Механізм трансамінування (переамінування) вивчали О.О.Браунштейнзі співробітниками, Мецлер, Ікаваі Снел.

Важливу роль у цьому процесі відіграють моноамінодикарбоно- ві кислоти – глутамінова і аспарагінова, особливо перша.

Амінотрансферази присутні в усіх клітинах тварин і рослин, а також у мікроорганізмах. Вже відомо понад 50 амінотрансфераз. Бі- льшість вивчених амінотрансфераз виявляють групову специфіч- ність, використовуючи як субстрат декілька амінокислот.

Акцепторами аміногруп у реакціях трансамінування є три α-кето- кислоти: піровиноградна, щавлевооцтова та α-кетоглутарова. При переносі аміногруп на піруват або оксалоацетат утворюються, відпо- відно, аланін або аспарагінова кислота. Далі NH2-групи з аланіну і ас- парагінової кислоти переносяться на α-кетоглутарову кислоту з утво- ренням глутамінової кислоти. Цю реакцію каталізують високоактивні

аланінамінотрансфераза (АЛТ) і аспартатамінотрансфераза (АСТ),

для яких характерна субстратна специфічність. Сенс трансамінування полягає у його колекторній функції, іншими словами, у тому, що амі- ногрупи від різних амінокислот збираються в одній формі – у вигляді L-глутамінової кислоти.

Таким чином, катаболізм різних амінокислот призводить, на- решті, до утворення єдиного продукта. Останній є донором аміно- груп при утворенні замінних амінокислот з відповідних кетокислот, що також утворюються при метаболізмі вуглеводів та ліпідів.

У всіх трансаміназ простетична група міцно зв’язана з білковою частиною, і механізм їхньої дії однаковий. Простетичною групою трансаміназ виступає піридоксальфосфат – похідне піридоксину або вітаміну В6 у формі піридоксальфосфату (ПАЛФ):

334

Процес трансамінування відбувається у декілька етапів. Спочат- ку α-аміногрупа амінокислоти взаємодіє з альдегідною групою ко- ферменту піридоксальфосфату (ПАЛФ), в результаті чого утворю- ється проміжна нестійка сполука амінокислоти з коферментом. Цей проміжний продукт є ковалентною сполукою – шиффовою основою (І). Потім відбувається внутрішньомолекулярна перебудова, а саме:

глецевого скелету амінокислоти – донора аміногрупи. При цьому її аміногрупа залишається ковалентно зв’язаною з простетичною гру- пою у формі піридоксамінофосфату (ПАМФ).

Піридоксамінофосфат знову утворює шиффову основу (ІІ) з акце- птором аміногрупи α-кетокислотою, у даному випадку α-кетоглута- ратом, на який і переноситься аміногрупа. Внаслідок цього синтезу- ється нова амінокислота, у даному випадку глутамінова, а піридокса- амінфосфат-фермент перетворюється в піридоксальфосфат-фермент:

335

Утворена глутамінова кислота під впливом специфічної дезамі- нуючої дегідрогенази – глутаматдегідрогенази – дезамінується у α- кетоглутарову кислоту, яка знову може приєднати аміногрупу завдя- ки переамінуванню від амінокислоти, що важко дезамінується, на- приклад, від лізину, і перетворюватися у глутамінову; остання знову дезамінується і перетворюється в α-кетоглутарову кислоту.

Подібну функцію, тільки у меншому обсязі, здатні виконувати аспарагінова і щавлевооцтова кислоти. Процеси трансамінування активно протікають у цитоплазмі і в мітохондріях.

Таким чином, трансамінування є основним процесом в організ- мі, за допомогою якого відбувається не тільки перетворення аміно- кислот у кетокислоти, але і перетворення кетокислот, у тому числі й тих, які утворюються на шляхах метаболізму вуглеводів та ліпідів, в амінокислоти, що є важливою ланкою взаємозв’язку між реакціями розпаду і біосинтезу.

Дезамінування амінокислот

Дезамінування – це відщеплення аміногруп від амінокислот з утворенням аміаку. Можливі чотири типи дезамінування:

1)відновне, при якому утворюються насичена жирна кислота і

аміак:

2)гідролітичне – з утворенням оксикислоти і аміаку:

3)внутрішньомолекулярне, при якому внутрішньомолекулярна перебудова супроводжується утворенням ненасиченої жирної кисло- ти і аміаку:

;

336

4) окислювальне, котре має найбільше значення і є основним для вищих тварин і людини:

Ця реакція в різних тканинах протікає з різною інтенсивністю і каталізується різними ферментами – специфічними оксидазами L-амі-

нокислот або дезамінуючими дегідрогеназами. Під впливом цих фер-

ментів відбувається дегідрування амінокислот і перетворення їх у імінокислоти, які далі гідролізуються до кетокислот та аміаку.

Серед дезамінуючих дегідрогеназ найбільш активною є глутама- тдегідрогеназа, яка каталізує окислювальне дезамінування глутаміно- вої кислоти. Це мітохондріальний складний фермент, каталітична дія якого відбувається за участю кофермента НАД і НАДФ за схемою:

Найактивніше окислювальне дезамінування відбувається в печі- нці і в меншій мірі – у нирках та інших органах.

Відомі й інші форми окислювального дезамінування амінокислот під впливом оксидаз, котрі містять як кофермент ФМН. Вони каталі- зують дезамінування L-амінокислот і гідратацію з утворенням α-кето- кислот, аміаку і пероксиду водню. Останній розпадається на кисень і воду під дією каталази. Ці ферментилокалізуютьсяу пероксисомах.

Проте роль цього шляху у людини і тварин недостатньо з’ясована.

Цікавим є факт наявності оксидаз L-амінокислот у зміїній отру-

ті, плісневих грибках і бактеріях.

В організмі людини виявлені також оксидази D-амінокислот. Коферментом останніх є ФАД. Біологічне значення оксидаз D-аміно- кислот, можливо, полягає в тому, що вони виконують захисну функ- цію, дезамінуючи D-амінокислоти бактеріального походження.

Декарбоксилювання амінокислот

Декарбоксилювання – реакція, що лежить в основі перетворення ряду амінокислот у біологічно активні сполуки. Декарбоксилази аміно- кислот каталізують відщеплення карбоксильної групи у вигляді СО2. Коферментом декарбоксилаз є піридоксальфосфат. Механізм реакції

337

включає також, як і при трансамінуванні, утворення шиффової основи між піридоксальфосфатом і амінокислотою з наступним декарбокси- люванням. Рівновага дужезміщенаправоруч, як показано нижче:

R – CH2 – СHNH2 – СООН → R – СН2 – СН2NН2 + СО2

Продуктами декарбоксилювання є аміни, які мають високу біо- логічну активність, тому їх називають біогенними амінами.

Так, із фенілаланіну, тирозину і триптофану під дією декарбокси- лаз ароматичних амінокислот утворюються нейромедіатори і гормо- ни норадреналін і адреналін, тканинні гормони, у рослин – тканинний гормон росту ауксин, у тканинах тварин та людини – серотонін.

Із глутамінової кислоти внаслідок дії глутаматдекарбоксилази утворюється γ-аміномасляна кислота (ГАМК)

Ця реакція найактивніше протікає у гальмівних синапсах нерво- вої системи. ГАМК у найбільшій кількості міститься в підкоркових утвореннях головного мозку, особливо у гіпоталамусі.

Із амінокислоти гістидину під впливом специфічного ферменту гістидиндекарбоксилази утворюється гістамін. Особливо багато його утворюється в тканині легень, шкірі, спинному мозку і в підкіркових утвореннях головного мозку.

Велика кількість гістаміну утворюється і депонується у тучних клітинах сполучної тканини, де він знаходиться у вигляді білково- гепаринового комплексу. Вивільняється він з тучних клітин внаслі- док дії речовин – лібераторів гістаміну.

Гістамін є потужним судинорозширюючим агентом і за високих концентрацій навіть може викликати судинний колапс. Його утво- рення відбувається при травматичному шоку, а також у зоні запаль- ного процесу. Гістамін стимулює секрецію у шлунку як пепсину, так і соляної кислоти.

Знешкодження біогенних амінів відбувається шляхом окислюваль- ного дезамінування за участю ферментів амінооксидаз, які бувають двох типів – моноамінооксидази (МАО) і диамінооксидази (ДАО).

338

Коферментом МАО служить ФАД, а ДАО – піридоксальфосфат (для реакцій необхідні іони Cu2+). МАО зв’язаний з мітохондріями клітин, а ДАО знаходиться у цитоплазмі. Невелика кількість цих фер- ментів є у крові. МАО інактивує первинні, вторинні і третинні аміни, а ДАО – переважно гістамін і деякі інші аміни – похідні диаміномоно- карбонових амінокислот – орнітину (путресцин) та лізину (кадаверин).

Продукти дезамінування біогенних амінів – альдегіди – окис- люються за допомогою альдегіддегідрогеназ до органічних кислот.

Інактивація катехоламінів адреналіну й норадреналіну здійсню- ється двома шляхами: за допомогою моноамінооксидази і катехол-0- метилтрансферази, тобто шляхом дезамінування і метилювання.

Отже, безазотисті залишки більшості амінокислот у разі катабо- лізму проходять стадію утворення піровиноградної кислоти. При цьому деякі амінокислоти перетворюються у піруват безпосередньо (аланін, цистеїн, серин). Інші амінокислоти проходять більш трива- лий метаболічний шлях до пірувату: спочатку вони перетворюються у проміжні продукти цитратного циклу, а потім вуглець амінокислот залишає цитратний цикл у складі оксалоацетату, який перетворю- ється у фосфоєнолпіруват, а потім – у піруват. Після окислювального декарбоксилювання пірувату утворений ацетил-КоА знову потрап- ляє до цитратного циклу, де окислюється до СО2.

Попередниками глюкози у разі глюконеогенезу є саме піруват, оксалоацетат та фосфоєнолпіруват. Тому амінокислоти, які пере- творюються у ці сполуки, можуть бути використані для синтезу глю- кози (глюконеогенез з амінокислот); такі амінокислоти називають глікогенними. Глюконеогенез за участю амінокислот відбувається особливо активно при переважно білковому харчуванні, а також го- лодуванні. В останньому випадку використовуються амінокислоти власних білків тканин. Катаболізм лейцину й лізину не включає ста- дії утворення піровиноградної кислоти; вуглецева частина перетво- рюється безпосередньо в ацетооцтову кислоту й ацетил-КоА, з яких синтез вуглеводів неможливий: це кетогенні амінокислоти. Тирозин, фенілаланін, ізолейцин та триптофан є одночасно і глікогенними, і кетогенними. Частина вуглецевих атомів їх молекул при катаболізмі утворює ацетил-КоА, минаючи стадію пірувату.

Синтез амінокислот

Будь-яка із замінних амінокислот може синтезуватися в органі- змі у необхідних кількостях. При цьому вуглецева частина амінокис- лоти утворюється з глюкози, а аміногрупа вводиться з інших аміно- кислот шляхом трансамінування.

Центральне місце в біосинтезі амінокислот займають глутама-

тдегідрогеназа, глутамінсинтетаза та трансамінази. Завдяки суміс-

339

ній дії цих ферментів каталізується включення неорганічного іону амонію до амінокислоти.

Аланін, аспартат, глутамат утворюються із пірувату, оксалоаце- тату й α-кетоглутарату – відповідно.

Глутамін утворюється з глутамінової кислоти під час дії глута- мінсинтетази.

Глутамат + NН3 + АТФ → Глутамін + АДФ + Н3РО4.

При цьому фіксований неорганічний азот включається до амід- ної групи, а у випадку синтезу глутамату – до аміногрупи.

Аспарагін синтезується із аспарагінової кислоти й глутаміну, який служить донором амідної групи; реакцію каталізуєаспарагінсинтетаза:

Аспарагінсинтетаза ссавців як джерело азоту використовує не іон амонію, а глутамін і, таким чином, не фіксує неорганічний азот.

Серин утворюється з гліколітичного проміжного продукту 3-фосфогліцерату.

Синтез гліцину в тканинах здійснюється декількома шляхами. В цитозолі печінки міститься гліцинтрансаміназа, що каталізує синтез гліцину з гліоксилату й глутамату (або аланіну) шляхом переаміну- вання. На відміну від більшості реакцій переамінування рівновага ці- єї реакції дуже зсунута в напрямку синтезу гліцину.

Цистеїн утворюється з метіоніну (донор сірки) та серину (вугле- цевий ланцюг та аміногрупа). Як результат ряду реакцій відбуваєть- ся заміна ОН-групи серину на сульфгідрильну групу гомоцистеїну, який утворюється з метіоніну.

Тирозин утворюється з незамінного фенілаланіну за участю фе- рменту фенілаланінгідроксилази. Реакція необоротна, у зв’язку з чим тирозин не може замінити харчовий фенілаланін.

Пролін та гідроксипролін. У ссавців пролін утворюється з глу- тамату шляхом обертання реакції катаболізму проліну.

340