МЕТАБОЛИЗМ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ

Метаболизм аминокислот

Основным экзогенными источником аминокислот являются белки пищи. Белки переводятся в доступную для организма форму при переваривании под действием протеолитических ферментов, входящих в состав желудочно-кишечных секретов. Свободные аминокислоты всасываются и после транспорта кровью включаются в клетках в различные пути использования, главным из которых является синтез собственных белков. Кроме того, аминокислоты используются для синтеза других азотсодержащих соединений, например таких, как тироксин, адреналин, гистамин, выполняющих специфические функции. Аминокислоты используются также как источники энергии, включаясь в путь катаболизма. Пути использования аминокислот представлены на рисунке:

Пути использования аминокислот

Переваривание пищевых белков начинается в желудке и завершается в тонком кишечнике под действием протеолитических ферментов (пептидгидролазы, пептидазы, протеазы - названия синонимы). Эти ферменты соответственно механизму действия делятся на две группы: эндо - и экзопептидазы. Эндопептидазы: пепсин, трипсин и химотрипсин расщепляют пептидные связи, располагающиеся внутри полипептидной цепи. Причем эти ферменты гидролизуют с наибольшей скоростью пептидные связи, образованные определенными аминокислотами:

Протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта

Профермент

Место синтеза

Место активации и активатор

Расщепляемые пептидные связи

Пепсиноген

Слизистая желудка

Полость желудка. Отщепление N-концевого пептида (42 аминокислоты) от пепсиногена под влиянием HCl и самого пепсина (аутокатализ)

-x-Тир-

-x-Фен-

Трипсиноген

Поджелудочная железа

Полость тонкого кишечника. Отщепление N-концевого гексапептида от трипсиногена при участии энтеропептидазы, выделяемой клетками кишечника, с последующим аутокатализом под влиянием самого трипсина

-Арг-x-

-Лиз-x-

Химотрипсиноген

Поджелудочная железа

Полость тонкого кишечника. Под влиянием трипсина

-Тир-x-

-Фен-x-

-Три-x-

Эндопептидазы синтезируются в виде неактивных предшественников-проферментов. Таким способом секретирующие клетки защищают свои собственные белки от разрушения этими ферментами. После секреции проферменты активируются путем частичного избирательного протеолиза. Слизистая оболочка желудка и кишечника также защищены от действия протеаз слоем слизи. Кроме того, поверхностный полисахаридный слой плазматической мембраны так же предохраняет клетку от действия протеаз.

Экзопептидазы . Карбоксипептидазы и аминопептидазы гидролизуют пептиды, отщепляя аминокислоты соответственно от С и N конца пептида. Дипептидазы гидролизуют дипептиды. Карбоксипептидаза синтезируется в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидазы и активируется в кишечнике под действием трипсина. Амино - и дипептидазы синтезируются в клетках тонкого кишечника. Все экзопептидазы функционируют в основном внутриклеточно в кишечном эпителии, хотя могут в небольшом количестве выделяться в просвет кишечника. Эндопептидазы и экзопептидазы в совокупности доводят гидролиз белков до образования аминокислот:

Экзо - и эндопептидазы

Возникает вопрос: все ли 20 аминокислот необходимо получать в результате переваривания? Ответ на этот вопрос дает таблица, где указаны незаменимые аминокислоты , присутствие которых в белках пищи обязательно; частично заменимые аминокислоты , которые в небольших количествах синтезируются в организме; условно заменимые аминокислоты, для синтеза которых необходимы незаменимые аминокислоты и, наконец, заменимые аминокислоты , потребность в которых может быть восполнена синтезом из других веществ.

Незаменимые

Условно заменимые

Частично заменимые

Заменимые

Триптофан Фенилаланин Лизин Треонин Метионин Лейцин Изолейцин Валин

Тирозин Цистеин

Гистидин Аргинин

Глицин Аланин Серин Глутамат Глутамин Аспартат Аспарагин Пролин

Аминокислотный состав характеризует пищевую ценность белка . Чем выше содержание незаменимых аминокислот, тем больше пищевая ценность белка. Норма белков в питании составляет примерно 100 г в сутки .

Недостаток в течение длительного времени пищевых белков, богатых незаменимыми аминокислотами, приводит к заболеванию. Чтобы восполнить недостающие аминокислоты, ткани начинают гидролизовать свои собственные белки с помощью тканевых протеиназ. В результате у детей проявляется нарушение развития и функций организма. Белки тканей гидролизуются и в норме с целью их обновления, но процесс гидролиза и синтеза белков тканей в этом случае уравновешены.

Биосинтез аминокислот

Растения и многие виды бактерий содержат ферментные системы, необходимые для синтеза всех требуемых a -кетокислот. Животные утратили способность синтезировать некоторые a -кетокислоты. Эти a -кетокислоты соответствуют незаменимым аминокислотам. Другие a -кетокислоты (соответствующие заменимым аминокислотам) могут образовываться в результате метаболизма иных веществ, в основном из глюкозы.

Последней реакцией в синтезе аминокислот из a -кетокислот является реакция трансаминирования , в ходе которой аминогруппа переносится от донорной аминокислоты к акцепторной a-кетокислоте. В результате получается a-кетокислота из донорной аминокислоты и новая аминокислота. Реакцию катализируют ферменты аминотрансферазы (трансаминазы) с участием кофермента пиридоксальфосфата (производное витамина В6). Эта реакция легко обратима. Любые аминокислоты, которых в пище недостаточно, можно получить за счет имеющихся в избытке, при наличии соответствующих a -кетокислот:

Аминотрансферазы

Трансаминирование происходит практически во всех органах. Большинство промежуточных продуктов важных метаболических путей являются кетокислотами, которые могут включаться в трансаминирование:

Трансаминирование

Многие аминотрансферазы предпочтительно используют a-кетоглутарат как акцептор аминогруппы. При этом образуется глутамат, а в обратной реакции a -кетоглутарат. Пара a -кетоглутарат и глутамат широко участвуют в метаболическом потоке азота. Например, с помощью реакций трансаминирования осуществляется «переброска» аминного азота из мышц в печень. В работающей мышце происходит образование аланина из пировиноградной кислоты путем трансаминирования с глутаматом. Аланин поступает в кровь и затем поглощается печенью. В печени происходит обратная реакция, в результате которой образуется пируват, реализуемый в глюконеогенезе.

Глюкозо-аланиновый цикл

Глюкоза может поступать в работающую мышцу. Создается глюкозо-аланиновый цикл, который служит для переноса из мышц в печень пирувата и азота.

Катаболизм аминокислот

Катаболизм аминокислот включает два этапа:

  1. дезаминирование , заключающееся в отщеплении аминогруппы с образованием a -кетокислоты

  2. катаболизм углеродного скелета , то есть a -кетокислоты.

Катаболизм аминокислот в организме животных происходит в двух различных ситуация. В нормальных условиях , когда в диете присутствует избыточное количество белка, и, следовательно после переваривания и всасывания много аминокислот дезаминируются, а углеродный скелет ( a -кетокислота) или используется для конверсии в запасной жир, или для окисления и извлечения энергии. При голодании разрушаются белки тканей, и получившиеся после дезаминирования кетокислоты могут служить как для глюконеогенеза, так и для окисления.

Дезаминирование - это превращение аминокислот в соответствующие a -кетокислоты в результате отщепления аминогруппы в виде аммиака. Реакция сопровождается окислением, поэтому называется окислительным дезаминированием . Наиболее широко распространенной реакцией является окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты, катализируемое NAD-зависимой дегидрогеназой:

Обмен глутамата

Эта реакция обратима, но ее основная роль заключается в дезаминировании, хотя в некоторых органах она может протекать в сторону синтеза глутаминовой кислоты. В ходе дезаминирования глутамата аминогруппа сразу превращается в ион аммония, поэтому эта реакция называется прямое окислительное дезаминирование . Другие аминокислоты дезаминируются непрямым путем , включающим два этапа :

  1. трансаминирование с a -кетоглутаратом с образованием глутамата

  2. окислительное дезаминирование глутамата.

Непрямое дезаминирование. Судьба аминного азота и a -кетокислот

Катаболизм углеродных скелетов , полученных в результате дезаминирования аминокислот, приводит к образованию либо ацетил-СоА , а далее из него жиров или кетоновых тел ( кетогенные аминокислоты ), или образованию метаболитов, способных включаться в глюконеогенез ( гликогенные аминокислоты ) и поддерживать уровень глюкозы в крови при голодании.

Катаболизм углеродных скелетов аминокислот

Обезвреживание аммиака . Образующийся при дезаминировании аминокислот аммиак (при физиологических значениях рН аммиак находится в виде ионов аммония) токсичен и должен быть выведен из организма. Ион аммония может прямо включаться в биологические молекулы несколькими способами:

Биосинтез мочевины (орнитиновый цикл)

Синтез мочевины - циклический процесс состоит из пяти реакций, катализируемый пятью отдельными ферментами. Суммарное уравнение: СO2+NH3+2H2O+Аспарат → H2N-CO-NH2+Фумарат

Орнитиновый цикл

Из анализа процесса синтеза мочевины следует:

  1. включение азота происходит в двух точках . Один из атомов азота поступает в форме NH3 в реакции 1 и является продуктом дезаминирования аминокислот, а другой включается в составе аспартата (реакция 3). Этот второй азот может поступать в аспартат из любой аминокислоты путем трансаминирования с оксалоацетатом. Следовательно, атомы азота в мочевине имеют разное происхождение;

  2. орнитиновый цикл связан с цитратным циклом , так как оксалоацетат, необходимый для трансаминирования, образуется из фумарата в реакциях цитратного цикла;

  3. процесс эндергонический , требующий 3 моль АТР для синтеза одной молекулы мочевины.

При недостаточной активности ферментов орнитинового цикла возникают гипераммониемии - патологические состояния сопровождающиеся повышением концентрации аммиака в крови.

Декарбоксилирование аминокислот и метаболизм биогенных аминов

В результате отщепления a -карбоксильной группы аминокислот образуются амины. Реакция катализируется декарбоксилазами, коферментом которых является фосфопиридоксаль. Продукты декарбоксилирования обладают высокой биологической активностью и с этим связано их название - биогенные амины. Приведем некоторые примеры.

Образование и обезвреживание биогенных аминов

Гистамин образуется из гистидина в тучных клетках. Выделяется в ответ на присутствие аллергена. Кроме того, является сильным сосудорасширяющим фактором, вызывает сокращение гладкой мускулатуры, в клетках слизистой желудка стимулирует секрецию соляной кислоты.

g -аминомасляная кислота (ГАМК) образуется из глутамата в ткани головного мозга, выполняет функции тормозного нейромедиатора.

Серотонин образуется из триптофана в нейронах гипоталамуса. Функционирует как возможный нейромедиатор возбуждающего характера.

Дофамин образуется из тирозина в почках, надпочечниках, синаптических ганглиях, нервах. Является медиатором ингибирующего типа, функционирует в черной субстанции верхнего отдела ствола мозга. В других клетках является предшественником норадреналина и адреналина.

Норадреналин образуется в результате гидроксилирования дофамина в клетках нервной ткани, мозговом веществе надпочечников. Функционирует как медиатор в синаптической передаче нервных импульсов.

Адреналин - продукт метилирования норадреналина в клетках мозгового вещества надпочечников. Выполняет функции гормона.

Инактивация биогенных аминов происходит путем их дезаминирования и окисления. Реакцию катализирует FAD-зависимая моноаминооксидаза (МАО). Моноаминооксидаза может быть точкой воздействия некоторых лекарств, ингибирующих или активирующих этот фермент, так как изменение концентрации биогенных аминов является причиной ряда патологических состояний. Например, при паркинсонизме наблюдается уменьшение количества дофамина, и одним из способов лечения является снижение скорости инактивации дофамина под влиянием веществ-ингибиторов МАО.

Трансметилирование и метаболизм одноуглеродных фрагментов

В клетках осуществляются превращения, включающие перенос одноуглеродных групп , таких как -СН3, -СНОН, -СНО, -СН2- и т.д. Реакция, в которой переносится метильная группа (-СН3), называется реакцией метилирования и она происходит с участием метионина . Донором метильной группы служит S-аденозилметионин (SAM) :

Это соединение является активной формой метионина в реакциях метилирования. Его образование и участие в реакции показано на рисунке:

Обмен метионина

В ходе реакции метилирования SAM превращается в S-аденозил-гомоцистеин (SAG). Гомоцистеин может вновь превращаться в метионин, но для этого нужны доноры и переносчики одноуглеродного фрагмента. Все ферменты, катализирующие перенос одноуглеродных групп, нуждаются в коферменте, роль которого выполняет тетрагидрофолат (ТГФ, или Н4-фолат), образующийся из фолиевой кислоты – важного для человека витамина:

Производные тетрагидрофолиевой кислоты

Тетрагидрофолат способен связывать одноуглеродные группы с атомами азота в положении 5 и 10, образуя разные формы в зависимости от строения одноуглеродных фрагментов.

Донорами одноуглеродных фрагментов могут быть серин и глицин . В реакции превращения серина в глицин или катаболизма глицина до СО2 и Н2О группа -СН2- переносится на ТГФ.

Обмен одноуглеродных фрагментов

Дальнейшие метаболические превращения преобразуют группу -СН2- в другие группы и определяют пути их использования. Метильная группа необходима для превращения гомоцистеина в метионин, а метиленовые, метениловые и формильные участвуют в биосинтезе всех пуринов и одного из пиримидинов - тимина. Участие ТГФ в синтезе тимина и пуринов объясняет применение сульфаниламидных препаратов как бактериостатических средств . Эти препараты подавляют в клетках микроорганизмов образование фолиевой кислоты, которая не является для прокариот витамином, и может ими синтезироваться. Сульфаниламиды - это структурные аналоги p-аминобензоата (компонента фолиевой кислоты), поэтому действуют как конкурентные ингибиторы синтеза фолата и тем самым, препятствуют росту клеток микроорганизмов.

Метаболизм нуклеотидов

Биосинтез нуклеотидов . Все организмы способны синтезировать пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды из простых соединений, таких как СО2, NH3, аспартат, глицин, глутамат, рибоза.

Синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов

Путь синтеза пуринов завершается образованием инозин-5’-моно-фосфата - IMP, который затем превращается в АМР и GMP. Конечным продуктом нуклеотидной природы на пути синтеза пиримидинов является уридин-5’-монофосфат - UMP, который также служит предшественником других пиримидинов.

Строение UMP и IMP

В ходе синтеза нуклеотидов фосфорибозный компонент включается в виде 5’-фосфорибозил-1’-пирофосфата (PRPP). Это соединение получается из рибозо-5’-фосфата, который в свою очередь является продуктом пентозофосфатного пути глюкозы.Для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов характерно участие тетрагидрофолата, как переносчика одноуглеродных фрагментов. Сборка из мелких фрагментов не единственный путь синтеза нуклеотидов. Другой путь - это синтез пуриновых нуклеотидов из азотистых оснований путем фосфорибозилирования. Этот путь представляет собой реутилизацию свободных пуриновых оснований, образующихся при катаболизме нуклеотидов. Например: Аденин + фосфорибозилдифосфат → АМР + PPi

Для пиримидиновых нуклеотидов характерно повторное использование рибонуклеозидов: Уридин + АТР → UTP + ADP

АМР синтезируется из IMP путем аминирования в шестом положении пуринового кольца с участием аспарагиновой кислоты-донора аминогруппы. GMP синтезируется также после аминирования IMP в третьем положении пуринового кольца. Донором аминогруппы служит глутаминовая кислота. Синтез цитидиловых нуклеотидов происходит из UTP путем аминирования пиримидинового кольца в четвертом положении. Донором аминогруппы является глутамин.

Нуклеозидди- и трифосфаты образуются из соответствующих нуклеозидмонофосфатов путем фосфорилирования с участием специфических киназ и АТР, например:

UMP + АТР → UDP + ADP

UDP + АТР → UTP + ADP

Регуляция синтеза нуклеотидов осуществляется главным образом по механизму обратной связи. Ферменты, катализирующие одну из первых стадий синтеза IMP или UMP, контролируют весь процесс. Пример регуляции синтеза пуриновых нуклеотидов показан на рисунке:

Регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов

Кроме регуляции всего процесса на первой стадии возможна регуляция синтеза АМР и GMP на специфических стадиях (раздельная регуляция).

Синтез дезоксирибонуклеотидов происходит из рибонуклеозиддифосфатов путем восстановления рибозы в составе нуклеотида в дезоксирибозу. В этом процессе участвуют три белка:

  1. рибонуклеозидредуктаза - фермент, катализирующий восстановление рибозы в составе нуклеотида

  2. тиоредоксин - донор водорода для восстановления кислорода рибозы в положении С-2 до молекулы воды

  3. тиоредоксинредуктаза - фермент, восстанавливающий окисленный тиоредоксин за счет водорода NADFH

Синтез дезоксирибонуклеотидов

Дезоксинуклеозиддифосфаты затем превращаются в дезоксинуклеозидтрифосфаты и служат субстратами для синтеза DNA. Так синтезируются dATP, dGTP, dCTP. В результате метилирования dTTP синтезируется из dUMP. Донором одноуглеродной группы - СН3 служит метилен-ТГФ. Реакция катализируется тимидилатсинтазой.

Синтез тимидиловых нуклеотидов

В ходе превращения образуется дигидрофолат, который восстанавливается снова до тетрагидрофолата под действием фолатредуктазы и водорода NADFH. На ингибировании тимидилатсинтетазы и фолатредуктазы основано действие противоопухолевых препаратов. Эти препараты тормозят образование тимидина из dTTP, необходимых для синтеза DNA, а, следовательно, репликацию и деление клеток.

Катаболизм нуклеотидов

Катаболизм пуриновых нуклеотидов приводит к образованию ксантина, который в организме человека превращается в мочевую кислоту. Часть свободных пуриновых оснований используется повторно (реутилизация) под действием ферментов гипоксантин-гуанин-фосфорибозиттрансферазы и аденинфосфорибозилтрансферазы, которые превращают пуриновые основания в нуклеотиды. Донором фосфорибозильной группы служит 5’-фосфорибозил-1’-пирофосфат (PRPP).

Гиперурикемия - состояние, проявляющееся повышением содержания мочевой кислоты в крови. Причинами гиперурикемии может быть:

Подагра - заболевание, причиной которого является гиперурикемия. Так как мочевая кислота плохо растворимое соединение, то при повышении концентрации происходит ее кристаллизация и накопление в суставах под кожей или в виде почечных камней. Способом, снижающим синтез мочевой кислоты, является применение в качестве лекарства аллопуринола - конкурентного ингибитора ксантиноксидазы, фермента, катализирующего превращение гипоксантина в ксантин и ксантина в мочевую кислоту.

Обмен пуриновых нуклеотидов

В результате катаболизм нуклеотидов приводит к образованию гипоксантина, который является более растворимым веществом. Синдром Леша-Нихана - генетическое заболевание, связанное с повышением у детей синтеза мочевой кислоты и, как следствие этого, развитием различных нейрофизиологических нарушений: замедлению умственного развития, агрессивности и т.д. Причиной этого является дефект фермента гипоксантин-гуанин-фосфорибозил-трансферазы , который катализирует реутилизацию гуанина и гипоксантина. В этом случае образуется больше ксантина и, следовательно, мочевой кислоты. Кроме того, снижение синтеза GMP и IMP из свободных оснований ухудшает регуляцию скорости их синтеза из мелких фрагментов путем реутилизации.

Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов приводит к образованию пиримидиновых оснований, а затем протекает разными путями в зависимости от вида организма. У человека конечными продуктами распада являются СО2, NН3, b -аланин (из урацила) и g -иминомасляная кислота из тимина. Ферменты реутилизации свободных пиримидиновых оснований не были обнаружены, но клетки млекопитающих обладают способностью реутилизировать пиримидиновые рибонуклеозиды - уридин и цитидин, превращая их в соответствующие нуклеотиды.