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 В_с (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).