Загальні шляхи обміну амінокислот

Значення амінокислот для організму, в першу чергу, визначається тим, що вони використовуються для синтезу білків, метаболізм яких займає особливе місце у процесах обміну речовин між організмом та зовнішнім середовищем. Пояснюється це тим, що білки входять у всі основні структурні компоненти клітин, тканин і органів організму, виконують ферментативні функції, беруть участь у перенесенні речовин через мембрани тощо.

Амінокислоти безпосередньо беруть участь у біосинтезі не тільки білків, але й великої кількості інших біологічно активних сполук, що регулююють процеси обміну речовин в організмі, таких як нейромедіаторів та гормонів. Амінокислоти виступають донорами азоту при синтезі всіх азотовмісних небілкових сполук, в тому числі нуклеотидів, гему, креатину, холіну та інших речовин.

Катаболізм амінокислот може служити джерелом енергії для синтезу АТФ. Енергетична функція амінокислот має важливе значення при голодуванні, деяких патологічних станах (цукровий діабет тощо) і переавжно при білковому харчуванні. Обмін амінокислот здійснює взаємозв'язок різноманітних хімічних перетворень у живому організмі.

6.2.1. Шляхи утворення та підтримання пулу вільних амінокислот в організмі. Фонд вільних амінокислот організму становить приблизно 35 г. Вміст вільних амінокислот в крові у середньому дорівнює 35 – 65 мг%. Більша частина амінокислот входить у склад білків, кількість яких в організмі становить приблизно 15 кг.

Джерелом вільних амінокислот у клітині є білки їжі, власні білки тканин та синтез амінокислот із вуглеводів.

Клітини, за винятком високоспеціалізованих (наприклад, еритроцитів), використовують амінокислоти для синтезу білків, фосфоліпідів мембран, гему, пуринових та піримідинових нуклеотидів, біогенних амінів (катехоламінів, гістаміну) синтезу небілкових азотовмісних сполук тощо.

Резервом амінокислот можуть служити всі функціональні та структурні білки тканин, але переважно білки м'язів, оскільки їх більше, ніж всіх інших.

В організмі людини за добу розпадається на амінокислоти біля 400 г білків, приблизно стільки ж синтезується. Тому тканинні білки не можуть поповнювати затрати амінокислот при їх катаболізмі, використанні на синтез інших речовин. Джерелом амінокислот не можуть також служити і вуглеводи, так як з них синтезуються тільки вуглеводні частини більшості молекул амінокислот, а аміногрупа поступає від інших амінокислот. Відповідно, основним джерелом амінокислот організму служать білки їжі.

Внутрішньоклітинне перетворення амінокислот у тканинах і органах тварин відбувається завдяки наявності протеолітичних ферментів, які об'єднують під назвою тканинних протеїназ або катепсинів, що є сумішшю протеолітичних ферментів з оптимумом рН 4–5, які локалізуються переважно у лізосомах, проте знаходяться також у гіалоплазмі, мітохондріях, ендоплазматичному ретикулумі. Катепсини відрізняються не лише оптимумом рН, але й специфічністю щодо білкових субстратів та пептидних зв'язків. Серед катепсинів виділяють екзопептидази, що гідролізують кінцеві пептидні зв'язки з N- або C-кінця білка і ендокатепсини, що гідролізують внутрішні пептидні зв'язки.У залежності від каталітичних особливостей активного центру розрізняють тіолові катепсини (у активному центрі міститься цистеїн), аспарагінові (у активному центрі міститься аспарагінова кислота), серинові (каталітичний центр містить серин).

Катепсини за дією близькі до пепсину, трипсину, аміно - і карбоксипептидаз. Під впливом катепсинів білки гідролізують до амінокислот. Тканинний гідроліз білків є необхідною умовою їх поповнення, внаслідок чого утворюються вільні амінокислоти, які беруть участь у формуванні амінокислотного пулу.

Амінокислоти, які утворюються внаслідок травлення білків, надходять у кров і по системі ворітної вени потрапляють у печінку, де відбувається синтез власних білків, а також білків плазми крові, синтез різних азотовмісних небілкових сполук - пуринів, піримідинів, холіну, сечової кислоти, нікотинової кислоти, креатину, гормонів, ферментів, ліпідів, кетонових тіл, вуглеводів тощо (рис. 6.2). Деяка кількість амінокислот підлягає розпаду до кінцевих продуктів СО₂, NН₃ і Н₂О із звільненням до 15 % енергії. Печінка забезпечує, крім цього, збалансований пул вільних амінокислот організму шляхом синтезу замінних амінокислот та перерозподілу азоту в результаті трансамінування.

 

Амінокислоти, як і білки, не нагромаджуються в організмі і не відкладаються в тканинах про запас, а при забезпеченні білками їжі підтримується нормальний рівень амінокислот у крові.

6.2.2. Загальні шляхи перетворення вільних амінокислот. Амінокислоти, що надходять у тканини з кров'ю і утворюються при розпаді тканинних білків, зазнають перетворень (дезамінування, переамінування і відновного амінування, декарбоксилування).

6.2.2.1. Типи реакцій дезамінування амінокислот та їх кінцеві продукти. Дезамінування амінокислот– це процес відщеплення аміногрупи від амінокислоти з утворенням молекули аміаку. Розрізняють декілька типів дезамінування: відновне, окиснювальне, гідролітичне і внутрішньомолекулярне. Тип дезамінування амінокислот залежить від умов і виду організмів. В організмі людини відновного дезамінування зазнають амінокислоти в травному тракті під впливом мікрофлори кишечника. У тканинах людини відбувається тільки окиснювальне дезамінування. крім аміаку в цих реакціях можуть утворюватися безазотисті речовини: насичена або ненасичена жирна кислота, кето- або оксикислота, що залежить від виду дезамінування.

Відновне дезамінування амінокислот відбувається за схемою:

Внаслідок відновного дезамінування утворюються аміак і карбонова кислота.

Продуктами, які утворюються при гідролітичному дезамінуванні, є аміак і a–оксикислота:

При внутрішньомолекулярному дезамінуванні відбувається відщеплення аміаку за рахунок внутрішньомолекулярного перегрупування з утворенням ненасиченої кислоти за схемою:

Гідролітичне та внутрішньомолекулярне дезамінування характерні для деяких мікроорганізмів інижчих тварин.

У випадку окиснювального дезамінування амінокислот утворюються аміак і кетокислота:

Процес окиснювального дезамінування відбувається у два етапи, першим з яких є процес дегідрування з утворенням імінокислоти, на другому етапі утворюється кетокислота і вивільняється аміак. В організмі людини і тварин найбільш активно дезамінується глутамінова кислота:

Перший етап – утворення α-іміноглутарату - каталізується ферментом НАД-залежною глутаматдегідрогеназою, що локалізована у мітохондріях. Другий етап – утворення α–кетоглутарату відбувається без участі ферменту. Утворений α-кетоглутарат окиснюється у циклі трикарбонових кислот, а аміак поглинається ферментативною системою синтезу сечовини. Зворотній процес – відновне амінування α-кетоглутарату до глутамату може відбуватися в цитозолі при участі НАДФ-залежної глутаматдегідрогенази і бути одним із механізмів зв'язування аміаку.

Існує кілька ферментів в організмі людини, що каталізують такі реакції, їх називають оксидазами. Оксидази L-амінокислот можуть містити як ФМН, так і ФАД, а оксидази D-амінокислот тільки ФАД у ролі простетичної групи. У печінці та нирках міститься неспецифічна оксидаза L-амінокислот, яка за фізіологічних умов малоактивна, оскільки рН її дії = 10. Її простетичною групою є ФМН. Значно активніша в організмі людини оксидаза D-амінокислот, ФАД-залежний фермент, що виділений з нирок, печінки та мозку. Відновлені флавіннуклеотиди (ФМН Н₂ та ФАД Н₂) оксидаз L- і D-амінокислот можуть окиснюватися молекулярним киснем, утворюючи при цьому водню перксид, який під впливом каталази розщеплюється на воду та кисень.

Глутаматдегідрогеназа є єдиним високоефективним ферментом, що діє на амінокислоти L-ряду в організмі вищих тварин і людини. Це олімерний фермент (М.м. 312 000 Да), який складається із 6 субодиниць (М.м. кожної субодиниці приблизно 52 000 Да) і проявляє свою активність тільки у мультиферментній формі. Розрізняють три різних типи глутаматдегідрогенази: один з них використовує в якості коферменту як НАД, так і НАДФ (організми тварин); два інших використовують або НАД, або НАДФ (мікроорганізми, клітини рослин і грибів) і відповідно каталізують дезамінування або біосинтез глутамату.

При дисоціації цієї молекули на субодиниці, що відбувається у присутності НАДН АТФ, ГТФ та деяких стероїдних гормонів, фермент втрачає свою основну глутаматдегідрогеназну активність і набуває властивості дезамінувати низку інших амінокислот. Висока концентрація АДФ активує глутаматдегідрогеназу, завдяки якій амінокислоти перетворюються на кетокислоти, які згодом поступають у цитратний цикл як енергетичні субстрати. Глутаматдегідрогеназа може індукуватися стероїдними гормонами (кортизол), що свідчить про алостеричну природу цього ферменту.

Аміак, утворений при дезамінуванні амінокислот, є токсичною речовиною для організму, тому він знешкоджується і використовується для синтезу кінцевих продуктів азотистого обміну – сечовини, сечової кислоти або амонійних солей і виділяється з організму із сечею.

Безазотисті сполуки, зокрема a-кетокислоти, в організмі хребетних та інших тварин, де вони утворюються, окиснюються до СО₂ і Н₂О. Частина кетокислот використовується для синтезу амінокислот шляхом відновного амінування або переамінування.

6.2.2.2. Трансамінування (переамінування) амінокислот. Трансамінування – це процес перенесення аміногрупи з амінокислоти на α-кетокислоту без проміжного утворення аміаку, в результаті чого утворюється нова кетокислота і нова амінокислота.

Процес переамінування відкрили вчені О. Браунштейн і М. Кріцман (1937), які виявили, що з глутамату і пірувату можуть утворюватися a-кетоглутарат і аланін без проміжного утворення аміаку. Ця реакція зворотна. Вона може відбуватися між аланіном і a–кетоглутаратом:

У реакції трансамінування можуть вступати всі амінокислоти, за винятком лізину, треоніну та проліну.

У реакції переамінування донором аміногруп є амінокислота, а акцептором — кетокислота. Здебільшого буває, що одна з кислот є дикарбоновою.

Останнім часом установлено, що всі природні амінокислоти зазнають ферментативного переамінування, але з різною швидкістю. З найбільшою інтенсивністю реакція відбувається між глутаміновою кислотою й оксалоацетатом або аспарагіновою та a–кетоглутаратом.

Ферменти, які каталізують реакції трансамінування називають амінотрансферазами, або трансаміназами. Специфічність трансаміназ забезпечується білковою частиною фермента (апоферментом). Коферментом для них виступає піридоксальфосфат (віт. В₆), який у процесі реакції зворотно перетворюється на піридоксамінфосфат.

Процес переамінування за участю піридоксальфосфату(ПАЛФ, О=СН—ФП) з утворенням проміжного продукту фосфопіридоксаміну (ПАМФ, Н₂N—СН₂—ФП) можна подати за такими рівняннями:

 

Аміногрупа амінокислот на першій стадії взаємодіє з альдегідною групою фосфопіридоксаль О= СН – ФП з утворенням проміжної шифової основи І типу альдіміну, а потім його таутомерної форми кетіміну (шифова основа ІІ). Далі кетімін гідролізує з утворенням кетоаналога вихідної амінокислоти і ПАМФ.

На другій стадії ПАМФ взаємодіє з новою α-кетокислотою (акцептором аміногрупи) і все повторюється в зворотному порядку, тобто спочатку утворюється кетімін, потім альдімін. Останній гідролізує. У результаті утворюється нова амінокислота і ПАЛФ.

Таким чином, коферменти амінотрансфераз виконують функцію перенесення аміногруп шляхом переходу з альдегідної форми в аміновану і навпаки. При уточненні механізму трансамінування було підтверджено, що у вихідному стані альдегідна група піридоксальфосфату утворює шифову основу (альдімін) з ε-аміногрупою лізинового залишку апофермента з утворенням комплексу ПАЛФ-амінокислота.

У загальному вигляді процес трансамінування можна представити схематично:

Біологічне значення трансамінування. Трансамінування відіграє надзвичайно важливу роль при синтезі в тканинах одних амінокислот з інших, що дає можливість організму створювати потрібний для нього набір амінокислот. Особливе значення це має для рослинних організмів, де саме так відбувається синтез майже всіх амінокислот. Оскільки цей процес зворотній, то ферменти амінотрансферази функціонують як у процесах катаболізму, так і в біосинтезі амінокислот.

Трансамінування – заключний етап синтезу замінних амінокислоті з відповідних кетокислот, якщо вони потрібні клітині у даний момент. У результаті цього відбувається перерозподіл амінного азоту в організмі. Утворені при трансамінуванні кетокислоти окиснюються в циклі трикарбонових кислот або використовуються для синтезу глюкози і кетонових тіл.

У печінці роль трансамінування полягає в його колекторній функції, тобто збиранні аміногруп від різних амінокислот у вигляді глутамінової кислоти, оскільки глутамат є основним субстратом реакцій дезамінування, тобто постачальником аміногруп для синтезу сечовини – кінцевого продукту азотистого катаболізму.

У м'язахтрансамінування призводить до утворення значної кількості аланіну (переамінування амінокислот з піруватом), що виділяється у кров'яне русло і поглинається гепатоцитами, де знову перетворюється на піруват, який використовується в глюконеогенезі (глюкозо-аланіновий цикл).

У клітинах людини виявлено понад 10 амінотрансфераз, які відрізняються за субстратною специфічністю. Вони локалізуються як в цитозолі, так і в мітохондріях клітин еукаріот.

Найпоширенішим ферментом у більшості тканин організму є аланінамінотрансфераза (АлАТ), за зворотною реакцією глутамат-піруватамінотрансфераза (ГПТ) і аспартатамінотрансфераза (АсАТ).

АлАТ каталізує реакцію реакцію трансамінування між аланіном та α-кетоглутаратом. Локалізований цей фермент у цитозолі клітин багатьох органів, але найбільше його виявлено у клітинах печінки і серця. АсАт каталізує реакцію трансамінування між аспартатом і α-кетоглутаратом, знаходиться як в цитоплазмі, так і мітохондріях. Найвища активність цього ферменту в серці та печінці.

Клініко-діагностичне значення визначення трансаміназ. У нормі активність трансаміназ у крові низька. При пошкодженні клітин відповідних органів ферменти виходять у кров, де їх активність різко зростає. Оскільки активність АсАТ і АлАТ найвища у клітинах печінки, серця та скелетних м'язах, то визначення їх активності використовують для діагностики захворювань цих органів. У клітинах серцевого м'язу активність АсАТ значно перевищує АлАт, а а печінці – навпаки. Тому інформативним є визначення співідношення активностей цих ферментів АсАт/АлАт - коефіцієнт де Рітіса. У нормі він становить 1,33 ± 0,42.

Вже через 3 – 5 годин після виникнення інфарктуміокарда рівень АсАТ в крові різко зростає (у 20 – 30 разів), АлАТ – у 1,5-2,0 рази. Максимум активності обох трансаміназ крові припадає на кінець першої доби, а вже через 2 - 3 дні при сприятливому перебігу процесу вона повертається до норми. При інфаркті міокарда значення коефіцієнта де Рітіса різко зростає.

При гепатитах активність АлАт у сироватці крові збільшується у 8-10 разів порівняно з нормою, а АсАТ – в 2-4 рази. Коефіцієнт де Рітіса знижується до 0,6. Однак при цирозі печінки цей коефіцієнт збільшується, що свідчить про некроз клітин, при якому в кров виходять обидві форми АсАТ.

Підвищення рівня трансаміназ сироватки крові спостерігають також при деяких захворюваннях м'язів, зокрема при обширних травмах, гангрені кінцівок та прогресуючій м'язовій дистрофії.

6.2.2.3. Відновне амінування амінокислот (трансреамінування). Відновне амінування (поєднання відповідного амінування a-кетокислоти з трансамінуванням) - це процес, зворотній до окиснювального дезамінування, при якому в живих організмах здійснюється синтез амінокислот з α-кетокислот і аміаку, його називають ще трансреамінуванням.

Ресинтез амінокислот з аміаку і кетокислоти, подібно до процесу дезамінування амінокислот, відбувається спочатку з утворенням імінокислоти, яка відновлюється до амінокислоти.

Було встановлено, що при пропусканні через печінку розчину, який містить a-кетокислоти (наприклад, піруват) і аміак у вигляді амонійних солей, у рідині, що відтікала від печінки, можна виявити аланін:

Найчастіше відбувається відновне амінування α-кетоглутарової кислоти з утворенням глутамінової кислоти (реакцію каталізує НАДФ-залежна глутаматдегідрогеназа, що діє як синтаза) з наступним трасамінуванням глутамату з будь-якою α-кетокислотою. У результаті утворюється амінокислота і знову звільняється α-кетоглутарат, який може зв'язувати нову молекулу аміаку. Роль реакцій трансамінування як в дезамінуванні, так і в біосинтезі амінокислот, можна представити у вигляді схеми (рис. 6.3):