Общая характеристика источников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОЧНИКОВ

И ПУТЕЙ РАСХОДОВАНИЯ АМИНОКИСЛОТ В ТКАНЯХ

 

Совокупность свободных аминокислот в живых организмах образует так называемый аминокислотный фонд. У взрослого человека этот фонд составляет примерно 35 г. Обычно процессы расходования и пополнения аминокислотного фонда уравновешены, то есть он находится в состоянии динамического равновесия.

Пополнение аминокислотного фонда осуществляется за счет эндогенных и экзогенных источников. За счет эндогенных источников пополняется 2/3, а за счет экзогенных – 1/3 аминокислотного фонда.

Одним из эндогенных источников аминокислот в организме является синтез заменимых аминокислот. Из 20-ти входящих в состав белков аминокислот у человека могут синтезироваться 10 (табл.1). Остальные 10 аминокислот должны поступать с пищевым белком. Следует отметить, что такие аминокислоты, как аргинин и гистидин, являются частично заменимыми, поскольку они синтезируются в организме, однако со скоростью, не достаточной для того, чтобы обеспечить рост организма в детском возрасте.

Таблица 1

Аминокислоты
Заменимые	Незаменимые
Аланин Аспарагин Аспартат Глицин Глутамат Глутамин Пролин Серин Тирозин (условно заменимая) Цистеин	Фенилаланин Триптофан Треонин Метионин Лизин Лейцин Изолейцин Валин Аргинин (для детей) Гистидин (для детей)

 

Вторым эндогенным источником пополнения аминокислотного фонда является распад белков организма. У здорового человека обновление белков составляет 1–2% от общего количества белков тела, или 30–40 г в сутки. При этом примерно 75–80% высвободившихся аминокислот снова используется в синтезе белков. Оставшаяся часть подвергается катаболизму до конечных продуктов азотистого обмена, превращается в глюкозу, кетоновые тела или жирные кислоты.

Поступление аминокислот в составе пищевого белка является экзогенным источником пополнения амикислотного фонда. Для поддержания стационарного состояния аминокислотного фонда взрослый организм нуждается в потреблении примерно 60 г белка. При этом важным является качество пищевого белка, которое оценивается по наличию незаменимых аминокислот в пищевом белке и соответствию их соотношения в синтезируемых организмом белках. С учетом аминокислотного скора (наличия и соотношения незаменимых аминокислот), а также перевариваемости и усвояемости, пищевые белки можно расположить по ценности в следующем порядке: яичный белок, альбумин молока, белки рыбы, мяса, белки растительных продуктов. Недостаточное содержание в рационе полноценных белков приводит к развитию кахексии и квашиоркора (детская дистрофия).

Расходование аминокислотного фонда связано со следующими процессами:

1. Синтез белков и пептидов.

2. Синтез соединений других классов:

а) пуриновых и пиримидиновых оснований (Гли, Глн, Асп);

б) катехоламинов и йодтиронинов (Тир);

в) биогенных аминов (Глу, Гис, 5-гидрокситриптофан);

г) порфиринов (Гли);

д) глицерофосфолипидов (Сер, Мет);

е) креатина (Арг, Мет);

ж) меланинов (Тир, Цис);

з) витамина РР (Три).

3. Распад ради энергии. Около 10% от общего количества АТФ при смешанной диете образуется за счет окисления аминокислот.

4. Образование глюкозы (все аминокислоты, за исключением Лиз и Лей).

5. Образование кетоновых тел и жирных кислот (Лей, Йле, Лиз, Тир, Фен).

ПЕРЕВАРИВАНИЕ БЕЛКОВ

Поскольку белки организма отличаются видовой и тканевой специфичностью, живой организм способен использовать вводимый с пищей белок только после полного его расщепления в ЖКТ до аминокислот, из которых в клетках синтезируются специфические для данного вида белки.

Процесс высвобождения аминокислот из белков катализируется специальными ферментами, получившими название протеиназы.

Протеиназы – это ферменты, которые относятся к классу гидролаз. По характеру действия их разделяют на эндопептидазы и экзопептидазы.

Эндопептидазы разрывают пептидные связи внутри пептидной цепи. К ним относятся: пепсин и гастриксин желудка; трипсин, химотрипсин, эластаза поджелудочной железы.

Экзопептидазы катализируют разрыв концевой пептидной связи с отделением концевой аминокислоты. К ним относятся карбоксипептидазы А и В поджелудочной железы, аминопептидазы и дипептидазы тонкого кишечника (мембраносвязанные ферменты).

Ферменты, участвующие в переваривании белков, обладают относительной субстратной специфичностью, которая обусловлена тем, что пептидазы быстрее гидролизуют пептидные связи между определенными аминокислотами, что позволяет за более короткое время расщепить белковую молекулу (табл. 2).

Таблица 2

Характеристика протеолитических ферментов

Желудочно-кишечного тракта

 

Место синтеза	Место действия	рН-оптимум	Активация протеиназ	Специфичность действия
Профермент	Активатор	Активный фермент
Слизистая оболочка желудка	Полость желудка	1,5–2,0	Пепсиноген	НС1 – медленно; пепсин – быстро	Пепсин	- X -Тир- - X -Фен- -Лей-Глу-
Поджелу- дочная железа	Полость тонкой кишки	7,0–8,0	Трипсиноген	Энтеропептидаза	Трипсин	-Арг- X - -Лиз- X -
7,0–8,0	Химотрипсиноген	Трипсин	Химотрипсин	-Три- X - -Фен- X - -Тир- X -
7,0–8,0	Проэластаза	Трипсин	Эластаза	-Гли-Ала-
7,0–8,0	Прокарбоксипептидазы А, В	Трипсин	Карбоксипетидазы А, В	C-конце-вая аминокислота
Тонкая кишка	Присте- ночный слой	7,0–8,0	Аминопептидазы   Ди- и трипептидазы	N-конце-вая аминокислота, ди- и трипептиды

Примечание: Х – любая аминокислота.

 

Начальные стадии гидролиза белков осуществляются за счет полостного пищеварения эндопептидазами желудочного и поджелудочного соков. В результате полипептиды расщепляются до полипептидов меньшего размера.

Главным механизмом промежуточных и заключительных стадий гидролиза является мембранное пищеварение. Оно осуществляется адсорбированными ферментами поджелудочного сока и кишечными мембраносвязанными ферментами.

У детей грудного возраста в желудке находится фермент реннин, который отщепляет от основного белка молока казеина гликопротеин, в результате чего образуется параказеин. Параказеин присоединяет ионы кальция, что приводит к створаживанию молока и задержке его выхода из желудка в кишечник. Это создает условия для проявления протеолитической активности пепсина. У взрослых людей створаживание молока происходит под действием соляной кислоты и пепсина.

Роль соляной кислоты в переваривании белков

 

1. Вызывает денатурацию и набухание белков, способствуя тем самым лучшему их гидролизу.

2. Создает рН-оптимум для пепсина (1,5–2,5) и гастриксина (3,5).

3. Осуществляет частичный протеолиз пепсиногена и переводит его в пепсин, т.е. является активатором пепсина.

4. Способствует секреции секретина – гормона пищеварения.

5. Обладает антимикробным действием.

От денатурирующего влияния соляной кислоты и переваривающего действия пепсина собственные белки стенок желудка предохраняет слизистый секрет, содержащий гликопротеины.

 

 

НОРМАЛЬНЫЕ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ

ЖЕЛУДОЧНОГО СОКА

В состав нормального желудочного сока входят: вода, белки, пепсин, гастриксин, липаза, муцин, соляная кислота, хлорид натрия, кислые фосфаты, гликопротеин – так называемый внутренний фактор Кастла и другие вещества.

Кислотность желудочного сока формируется за счет следующих компонентов: свободная соляная кислота, связанная соляная кислота, кислореагирующие фосфаты, органические кислоты. Соляную кислоту, находящуюся в солеобразном соединении с белками и продуктами их гидролиза, называют связанной соляной кислотой. Несвязанную с белками кислоту называют свободной соляной кислотой. У здорового взрослого человека содержание свободной соляной кислоты составляет 20–40 ммоль/л. Сумма всех кислореагирующих веществ желудочного сока составляет общую кислотность желудочного сока, которая у здорового взрослого человека составляет 40–60 ммоль/л.

Одним из основных методов исследования желудочной секреции является зондовый, с его помощью производится отбор проб желудочного сока с последующим исследованием его компонентов и состояния кислотности. Этот метод является нефизиологичным и травматичным, в связи с чем противопоказан некоторым людям (сужение пищевода, нарушения психики). Существуют и беззондовые методы, основанные на использовании ионообменных смол, способных обменивать ионы в кислой среде. При применении этого метода кислотность желудочного сока оценивается по изменению цвета мочи.

Кроме того, используется десмоидная проба, которая основана на использовании резинового мешочка с метиленовым синим, перевязанного кетгутовой нитью № 3. Этот мешочек заглатывается. Если кислотность желудочного сока нормальная, кетгутовая нить перева-ривается под действием пепсина, метиленовый синий всасывается. Этот факт устанавливается по изменению цвета мочи. Если моча сохраняет обычный цвет, кислотность желудочного сока понижена или в нем отсутствует соляная кислота.

Определение кислотности желудочного сока важно для диагностики различных заболеваний желудка. Повышенная кислотность желудочного сока сопровождается изжогой, диареей и может быть симптомом язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, а также гиперацидного гастрита. Пониженная кислотность или полное отсутствие соляной кислоты наблюдается при атрофических гастритах и часто сопровождается анемией вследствие недостаточной выработки фактора Кастла. Анацидность, или ахлоргидрия, свидетельствует о значительной потере слизистой оболочкой обкладочных клеток, что может быть при раке желудка.

Желудочный сок ребенка до года характеризуется невысокой кислотностью (рН 3,0–4,0, в единицах кислотности). Причем до 4–5-месячного возраста кислотность обусловлена присутствием молочной кислоты, а позже и соляной. Интенсивность секреции желудочного сока возрастает примерно в два раза при смешанном вскармливании. Первые 2 месяца жизни главную роль в переваривании белков играет ренин, а затем гастриксин и пепсин. Однако первые два года активность протеиназ остается низкой и достигает максимального уровня к 3-м годам. Ферментативная активность слизистой кишечника высокая, преобладает мембранное пищеварение. Женское молоко в желудке находится 2–3 часа, питательная смесь с коровьим молоком – 3–4 часа. Белки женского молока перевариваются и всасываются лучше, чем коровьего, и усваиваются на 90–95%, а коровьего – на 60–70%.

Рис. 1. g-глутамильный цикл всасывания аминокислот

 

 

ГНИЕНИЕ БЕЛКОВ В КИШЕЧНИКЕ

Около 5% невсосавшихся аминокислот в нижних отделах тонкого и в толстом кишечнике подвергается действию энзимов гнилостной флоры – гниению. В основе гниения лежат реакции декарбоксилирования и дезаминирования с образованием множества продуктов гниения. Кадаверин и путресцин – трупные яды (рис. 2). Обнаруживаются в больших количествах при гастроэнтерите, холере.

 

Рис. 2. Схема гниения лизина и орнитина

 

В ходе гниения тирозина и триптофана исходная молекула утрачивает радикал целиком (рис. 3, 4).

 

Рис. 3. Схема гниения тирозина

 

 

 

Рис. 4. Схема гниения триптофана

Продукты гниения аминокислот являются токсичными. Они частично выводятся, а частично всасываются в толстом кишечнике, в последующем обезвреживаются в печени и выводятся с мочой. Для уменьшения количества образующихся продуктов гниения необходимо, чтобы потребление белков соответствовало физиологическому состоянию организма (физическая активность, возраст и т.д.). Кроме того, потребление пищевых волокон (целлюлоза, лигнин, пектин и т.д.) в составе растительных продуктов приводит к подкислению среды в результате их расщепления микрофлорой с образованием кислых продуктов. Кислая среда препятствует процессу гниения. Пищевые волокна улучшают также моторную функцию кишечника, что ускоряет опорожнение толстого кишечника и уменьшает всасывание продуктов гниения.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

КАТАБОЛИЗМА АМИНОКИСЛОТ

В процесс катаболизма (распада) вовлекаются только те амии-нокислоты, которые оказались не использованными в ходе реакций синтеза белка или образования других соединений.

Катаболизм аминокислот включает два этапа (рис. 5):

1. Дезаминирование, заключающееся в отщеплении аминогруппы в виде аммиака с образованием a-кетокислоты.

2. Катаболизм углеродного скелета аминокислоты, т.е. a-ке-токислоты.

 

Рис. 5. Схема катаболизма аминокислот

 

Обязательным этапом катаболизма аминокислот является удаление аминогруппы, т.е. их дезаминирование. Азот аминогруппы выводится у человека в виде мочевины и аммонийных солей. Эти вещества являются конечными продуктами азотистого обмена. Частично аммиак, образующийся при дезаминировании аминокислот, реутилизируется в ходе восстановительного аминирования кетокислот. Углеродные скелеты аминокислот в конечном итоге поступают в ЦТК, где они расщепляются до углекислого газа и воды. Например, при дезаминировании глутамата образуется 2-кетоглутарат, аспартата – оксалоацетат, они являются интермедиатами ЦТК. Катаболизм аланина связан с образованием пирувата, который подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-КоА, вовлекаемый в ЦТК.

Безазотистые углеродные скелеты практически всех протеиногенных аминокислот (за исключением лейцина и лизина) могут служить субстратами глюконеогенеза, т.е. катаболизм некоторой части аминокислот связан с превращением в глюкозу, которая окисляется ради образования энергии.

Часть аминокислот, метаболизм которых связан с образованием ацетил-КоА или ацетоацетил-КоА, катаболизируют путем превращения в кетоновые тела или жирные кислоты. К кетогенным аминокислотам относятся фенилаланин, лизин, тирозин, лейцин, изолейцин и триптофан.

 

ЗАНЯТИЕ 2.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПУТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АММИАКА

 

Пути образования аммиака

1) дезаминирование аминокислот

2) распад пуриновых и пиримидиновых оснований

3) гидролиз амидов

4) дезаминирование биогенных аминов

Аммиак является высокотоксичным соединением для животных и большинства растений. Особенно к нему чувствительна ЦНС высших животных и человека, на которую он действует как возбуждающий агент, а в повышенных концентрациях как судорожный яд.

Образование аммиака в тканях идет непрерывно, но тем не менее он не накапливается в них и его концентрация в крови удерживается на низком уровне (10-20 мкг/100 мл).

Аммиак в тканях подвергается связыванию с образованием нетоксичных продуктов, легко выделяемых с мочой. В процессе эволюции наш организм унаследовал 5 основных путей обезвреживания аммиака.

1.Орнитиновый цикл образования мочевины

2.Восстановительное аминирование кетокислот

3.Образование аммонийных солей

4.Синтез креатина (выделяется в виде креатинина с мочой)

5. Образование амидов

 

ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ.

Трансаминирование – обратимый перенос аминогруппы с аминокислоты на a-кетокислоту без промежуточного выделения аммиака, в результате чего образуется новая аминокислота и новая кетокислота. Трансаминирование осуществляется пиридоксальзависимыми ферментами – трансаминазами, локализованными как в митохондриях, так и в цитозоле клеток различных органов и тканей. Наиболее активно процесс трансаминирования идет в печени и мышцах. Трансаминированию подвергаются все аминокислоты за исключением пролина, треонина и лизина. В качестве кетокислот, акцептирующих аминогруппу, могут выступать 2-кетоглутарат, оксалоацетат и пируват. Трансаминазы проявляют специфичность по отношению к своей аминокислоте и своей кетокислоте. Ферменты относятся ко второму классу. Наибольшую активность проявляют аланинаминотрансфераза и аспартатаминотрансфераза.

Трансаминирование происходит в две стадии. На первой стадии аминокислота взаимодействует с пиридоксальфосфатом в составе фермента, образуя с ним Шиффово основание, отдает ему свою аминогруппу и в результате аминокислота превращается в соответствующую кетокислоту, а пиридоксальфосфат в пиридоксаминофосфат. На второй стадии пиридоксаминофосфат взаимодействует с одной из трех a-кетокислот и передает ей аминогруппу, в результате кетокислота превращается в аминокислоту (2-кетоглутарат в глутамат, оксалоацетат в аспартат, пируват в аланин), пиридоксаминофосфат в пиридоксальфосфат. Процесс является обратимым.

Значение трансаминирования:

1.Трансаминирование является первой фазой непрямого дезаминирования. При этом в роли акцептора аминогруппы выступает 2-кетоглутарат, который по ходу реакции превращается в глутамат. Глутамат является единственной аминокислотой, которая может вступать в реакцию окислительного дезаминирования. Таким образом, реакция трансаминирования выполняет функцию своеобразного коллектора, с помощью которого аминогруппы со всех аминокислот собираются на 2-кетоглутарат с образованием глутамата. Поскольку удаление аминогруппы является обязательным условием катаболизма аминокислот эта реакция обеспечивает вовлечение практически всех аминокислот на путь распада.

2.Трансаминирование - один из путей синтеза заменимых аминокислот.

3.Трансаминирование является важнейшим механизмом взаимосвязи обмена различных классов соединений (например, пируват – продукт обмена углеводов в реакции трансаминирования превращается в аланин).

 

АМИНИРОВАНИЕ КЕТОКИСЛОТ.

Основными типами дезаминирования аминокислот являются окислительное и непрямое дезаминирование.

Окислительное дезаминирование – процесс отщепления аминогруппы от аминокислоты в виде аммиака с образованием соответствующей кетокислоты. Окислительному дезаминированию подвергается лишь глутамат, поскольку только для этой аминокислоты имеется специфичная высокоактивная НАД(Ф)-зависимая глутаматдегидрогеназа. Этот фермент локализован как в митохондриях, так и в цитозоле клетки. Реакция протекает в две стадии. На первой стадии происходит ферментативное дегидрирование аминокислоты с образованием иминокислоты. Акцептором атомов водорода является НАД(Ф). На второй стадии иминокислота спонтанно, с участием воды, распадается на аммиак и альфа-кетоглутарат. Продукт реакции может включаться в реакции ЦТК либо использоваться в качестве акцептора аминогруппы в реакциях трансаминирования. Реакция имеет значение также для катаболизма таких аминокислот как пролин, глутамин, аргинин и гистидин, так как их метаболизм происходит через стадию образования глутамата.

Дезаминирование других аминокислот является непрямым и происходит в два этапа. На первом этапе аминокислоты подвергаются трансаминированию. Причем, в данном случае акцептором аминогруппы служит 2-кетоглутарат. В результате трансаминирования аминокислота лишается аминогруппы, а ее углеродный скелет подвергается катаболизму. В результате присоединения аминогруппы к 2-кетоглутарату образуется глутамат, который вступает во второй этап непрямого дезаминирования, который заключается в его окислительном дезаминировании. Непрямое дезаминирование является наиболее распространенным типом дезаминирования..

 

 

ОБМЕН АММИАКА

Основным источником аммиака является дезаминирование аминокислот. Аммиак образуется также в при распаде биогенных аминов и нуклеотидов, гидролизе глутамина и аспарагина. Существенная часть аммиака образуется в кишечнике в результате деятельности микрофлоры и поступает в кровь воротной вены. Образование аммиака происходит во всех тканях, однако его концентрация поддерживается на довольно низком уровне (25–40 мкмоль/л), так как он довольно быстро обезвреживается. Существование механизмов обезвреживания аммиака связано с его токсичностью.

Механизмы токсичности аммиака

1.Аммиак сдвигает реакцию восстановительного аминирования кетокислот в сторону образования глутамата

2-кетоглутарат + НАДН₂ + NH₃ = глутамат + НАД

Снижение концентрации a-кетоглутарата вызывает угнетение обмена аминокислот, так как снижается количество акцептора в реакциях трансаминирования, а также гипоэнергетическое состояние в связи со снижением скорости ЦТК.

2.Аммиак усиливает синтез глутамина из глутамата в нервной ткани

накопление глутамина в нервных клетках приводит к повышению осмотического давления и может вызвать отек мозга. Снижение концентрации глутамата нарушает образование ГАМК – основного тормозного медиатора

Существует несколько способов обезвреживания и выведения аммиака в разных тканях. Основной реакцией обезвреживания аммиака почти во всех тканях является синтез глутамина под действием глутаминсинтазы.

глутамат + NH₃ + АТФ = глутамин + АДФ + н. Фосфат

Глутамин является транспортной формой аммиака, так как представляет собой аминокислоту, способную легко проникать через клеточные мембраны. В наибольших количествах глутамин образуется в мышцах и мозге.

Образовавшийся в тканях глутамин транспортируется в печень и почки, где он подвергается действию глутаминазы и расщепляется с образованием глутамата и аммиака. Аммиак в печени вовлекается в реакции орнитинового цикла, в котором образуется мочевина, в почках он используется для образования аммонийных солей. Глутаминаза почек активируется при ацидозе, полученный аммиак используется для образования аммонийных солей, что позволяет нейтрализовать кислые продукты обмена. Экскреция солей аммония составляет 0,5 г/сут. Эта реакция защищает также организм от потери натрия и калия, которые могли бы использоваться в качестве катионов при образовании солей с анионами кислот.

Еще одной реакцией обезвреживания аммиака в мозге и некоторых других тканях является восстановительное аминирование 2-кетоглктарата под действием глутаматдегидрогеназы, катализирующей обратимую реакцию. Однако этот путь обезвреживания аммиака используется слабо хотя и представляется выгодным для клеток, так как способствует обезвреживанию сразу 2 молекул аммиака.

2-кетоглутарат +NH₃ = глутамат + NH₃ = глутамин

 

 

ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ МОЧЕВИНООБРАЗОВАНИЯ

 

Орнитиновый цикл мочевинообразования (цикл Кребса-Ген-зелейта) является главным механизмом обезвреживания аммиака в организме. Осуществляется только в клетках печени. Основная часть аммиака для орнитинового цикла поставляется из кишечника, а также при дезаминировании аминокислот в печени и гидролиза глутамина. В ходе этого цикла образуется мочевина – основной конечный продукт азотистого обмена. На долю мочевины приходится 80–85% всего азота, выводимого из организма. Мочевина – нейтральное, хорошо растворимое в воде соединение, легко удаляется из организма с мочой. В среднем за сутки с мочой взрослого человека выводится около 30 г мочевины.

Орнитиновый цикл – процесс ферментативный, энергозависимый. На образование одной молекулы мочевины расходуется 3 АТФ.

Начальные этапы цикла осуществляются в митохондриях, промежуточные и заключительные – в цитозоле клетки. Орнитиновый цикл начинается с взаимодействия свободного аммиака с углекислым газом, в результате которого образуется карбомоилфосфат. Реакция катализируется карбомоилфосфаттрансферазой и требует присутствия двух молекул АТФ. Одна из них используется в качестве донора фосфатной группы, включаемой в состав карбомоилфосфата. Карбомоилфосфат далее конденсируется с орнитином с образованием цитруллина. Орнитин в данной реакции выступает в качестве своеобразного катализатора, так как от его количества зависит скорость всего цикла. Цитруллин поступает в цитоплазму, где взаимодействует с аспартатом, в результате чего образуется аргининосукцинат. Аспартат приносит в состав мочевины еще одну аминогруппу. Аргининосукцинат в следующей реакции цикла расщепляется с образованием фумарата и аргинина. Аргинин под действием аргиназы расщепляется с образованием мочевины и орнитина. Мочевина выводится из организма с мочой, а орнитин вступает в новый цикл мочевинообразования. Фумарат, образовавшийся в предыдущей реакции, в реакциях ЦТК превращается до оксалоацетата, который в реакции трансаминирования акцептирует аминогруппу аминокислоты и превращается в аспартат и участвует в реакции с цитруллином.

Источником азота одной аминогруппы мочевины является свободный аммиак, источником второй – аспартат. Между орнитиновым циклом мочевинообразования и циклом трикарбоновых кислот существует тесная функциональная зависимость. ЦТК поставляет в орнитиновый цикл СО₂ и АТФ. При участии ферментов ЦТК происходит превращение фумарата в аспартат, необходимый для образования аргининосукцината. Последовательность реакций превращения фумарата в аспартат, который включается в орнитиновый цикл, выполняет роль своеобразного привода, обеспечивающего функционирование двух циклических процессов: ЦТК и орнитинового цикла.

 

ЗАНЯТИЕ № 3

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПУТИ ОБМЕНА АМИНОКИСЛОТ.

ОБМЕН НУКЛЕОТИДОВ. ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНОВ ВЕЩЕСТВ

 

БИОГЕННЫЕ АМИНЫ:

ОБРАЗОВАНИЕ И ИНАКТИВАЦИЯ

 

Биогенные амины являются продуктами декарбоксилирования ряда аминокислот (тирозина, триптофана, гистидина, глутамата) или их гидроксипроизводных (дигидроксифенилаланина – ДОФА, 5-гидрокситриптофана). К биогенным аминам относятся катехоламины (дофамин, норадреналин, адреналин), гистамин, серотонин, триптамин, тирамин, ГАМК (гамма-аминомасляная кислота).

Образование биогенных аминов происходит в специализированных клетках (например, катехоламины образуются в клетках мозгового слоя надпочечников, гистамин – в тучных клетках и т.д.) под влиянием специфических тканевых В₆-витаминозависимых декарбоксилаз. Синтезированные биогенные амины накапливаются в клетке в комплексе с белками или нуклеотидами. Под влиянием внешнего стимула происходит высвобождение биогенных аминов из связанных форм и активный выход из клетки путем экзоцитоза. Биогенные амины, обладая высокой физиологической активностью, могут выполнять следующие функции:

а) нейромедиаторов: дофамин, норадреналин, гистамин, серотонин, триптамин, ГАМК;

б) истинных гормонов: адреналин, норадреналин;

в) тканевых гормонов: гистамин, серотонин.

Накопление биогенных аминов могло бы отрицательно сказаться на течении физиологических процессов и привести к серьезным нарушениям регуляции обменных процессов в отдельных тканях и организме в целом. Однако органы и ткани организма обладают специальными механизмами инактивации биогенных аминов. Основным механизмом инактивации биогенных аминов является их окислительное дезаминирование под влиянием фермента – моноаминооксидазы. Образующиеся в результате окислительного дезаминирования альдегиды окисляются до соответствующих кислот. Моноаминооксидаза является ФАД-содержащим ферментом и локализуется преимущественно в митохондриях. Некоторые ингибиторы моноаминооксидазы используются в медицине для лечения гипертонической болезни, депрессии, шизофрении.

Гистамин образуется при декарбоксилировании гистидина, является нейромедиатором. Вызывает расширение кровеносных сосудов, понижает артериальное давление, способствует притоку лейкоцитов к местам воспаления (защитная реакция организма против инфекции). Участвует в процессах сенсибилизации организма (поэтому аллергические состояния лечат противогистаминными препаратами). Способствует отделению соляной кислоты в желудочном соке.

ГАМК образуется при декарбоксилировании глутамата. Реакция происходит под действием глутаматдекарбоксилазы, локализованной в сером веществе мозга. Является нейромедиатором, оказывает выраженное тормозное влияние на центральную нервную систему. Используется как компонент лекарственных средств, применяемых при эпилепсии, а также при заболеваниях с выраженным моторным компонентом.

Серотонин образуется при декарбоксилировании 5-гидрокситриптофана, является мощным сосудосуживающим агентом и стимулятором сокращения гладких мышц. Серотонин известен как важный нейромедиатор, участвующий в восприятии болевых раздражений (и в блокировке болевой чувствительности в экстремальных ситуациях), координации моторной активности, эмоциональном поведении, поддержании ритма сна и бодрствования (наряду с мелатонином, производным серотонина), терморегуляции, а также во многих других процессах. Серотонин регулирует кишечную перистальтику, вызывает сокращение мускулатуры матки, бронхов и других гладкомышечных органов у животных и человека.

Катехоламины образуются в мозговом слое надпочечников, а также в клетках мозга. Предшественником в синтезе является тирозин, который в первой реакции подвергается гидроксилированию с образованием ДОФА – дигидроксифенилаланина. В дальнейшем ДОФА декарбоксилируется и образуется дофамин. b-гидроксилирование дофамина приводит к образованию норадреналина, который в реакции трансметилирования (донором метильной группы выступает S-аденозилметионин) превращается в адреналин. В клетках мозга отсутствует фермент трансметилирования, поэтому образуется только норадреналин. Адреналин и норадреналин являются истинными гормонами. Они обладают сосудосуживающим эффектом, расширяют просвет бронхов, увеличивают частоту сердечных сокращений, способствуют мобилизации жира и гликогена из депо, усиливают гликогенолиз в мышцах.

 

ТРАНСМЕТИЛИРОВАНИЕ

Трансметилирование – это процесс переноса метильной группы (СН₃) от метионина, который содержит лабильную метильную группу. Метионин участвует в этом процессе в своей активной форме – в виде S-аденозилметионина, образующегося в реакции с АТФ. S-аденозилметионин под влиянием метилтрансферазы передает свою СН₃-группу на вещество, подлежащее метилированию, т.е. акцептору. Сам он при этом превращается в S-аденозилгомоцистеин, а акцептор становится метилированным. Далее S-аденозилгомоцистеин расщепляется на аденозин и гомоцистеин. Наиболее энергично процесс трансметилирования протекает в митохондриях клеток печени.

Биороль трансметилирования

 

Трансметилирование используется в процессе синтеза адреналина из норадреналина, образования креатина, фосфатидилхолина из фосфатидилэтаноламина, холина из этаноламина, посттрансляционной модификации полипептидных цепей белка, процессинга рибонуклеиновых кислот (расстановка метильных меток в РНК обеспечивает их защиту от собственных эндо- и экзонуклеаз). Трансметилирование является важнейшим механизмом обезвреживания ксенобиотиков путем конъюгации аминов, фенолов и тиоловых соединений с образованием метилпроизводных.

Образовавшийся в реакции трансметилирования гомоцистеин может повреждать эндотелий сосудов, в связи с чем повышенная концентрация рассматривается как этиологический фактор развития атеросклероза. Путями утилизации гомоцистеина в организме являются В_с- и В₁₂-зависимое метилирование с образованием метионина и В₆-зависимое образование цистеина. Донором метильной группы в первом случае выступает метил-ТГФК. Для успешного протекания реакции требуется присутствие кобаламина, который является коферментом метилтрансферазы. Метильная группа вначале переносится на кобаламин, а уже с метилкобаламина на гомоцистеин. Таким образом, в регенерации метионина задействованы два витамина. Функция фолиевой кислоты шире, чем участие только в реакциях трансметилирования. Она обеспечивает обмен и других одноуглеродных фрагментов – формильных, формимино, метинильных, оксиметильных и метиленовых. Основным источником одноуглеродных фрагментов является серин, который, взаимодействуя с активной формой фолиевой кислоты – тетрагидрофолиевой кислотой (FН₄), передает ей метиленовую группу (рис. 1). Метилен в составе FH4 либо восстанавливается до метил-FH4, который затем переносится на гомоцистеин с образованием метионина, либо используется в реакциях синтеза тимина. Другой возможный путь – превращение метилен-FH4 в метинил-FH4 или в формил-FH4, которые используются в реакциях синтеза пуриновых нуклеотидов.

 

 

Рис.1 Роль фолиевой кислоты в обмене одноуглеродных фрагментов

НАСЛЕДСТВЕННЫЕ НАРУШЕНИЯ

ОБМЕНА АМИНОКИСЛОТ

Наиболее часто встречаются четыре вида молекулярных болезней, связанных с обменом фенилаланина и тирозина. Их причиной являются метаболические блоки на разных этапах обмена этих аминокислот (рис. 2).

 

Рис. 2 Метаболические блоки

ТКАНЕВЫЕ НУКЛЕАЗЫ

Нуклеиновые кислоты поступают с пищей в составе нуклеопротеинов. Их расщепление на составные части – нуклеиновые кислоты и белковый компонент – осуществляется в желудке под действием соляной кислоты и пепсина. Белковая часть нуклеопротеинов расщепляется протеиназами пищеварительного тракта.

Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК расщепляются путем гидролиза межнуклеотидных 3^’, 5^’-фосфорнодиэфирных связей в тонком кишечнике под действием ДНК-азы (дезоксирибонуклеазы) и РНК-азы (рибонуклеазы) поджелудочного сока соответственно с образованием олигонуклеотидов. Последние под действием фосфодиэстераз поджелудочной железы расщепляются до мононуклеотидов. Нуклеотиды лишаются фосфатного остатка под действием нуклеотидаз и фосфатаз и превращаются в нуклеозиды, которые либо всасываются слизистой кишечника, либо расщепляются нуклеозидфосфорилазами кишечника до оснований и дезокси- или рибозо-1-фосфата.

Пищевые пурины и пиримидины не являются незаменимыми факторами пищи, так как практически не используются для синтеза нуклеиновых кислот. Это связано с высокой активностью ферментов, осуществляющих деградацию оснований до конечных продуктов обмена еще в энтероцитах.

Что касается тканевых нуклеаз, то они осуществляют расщепление нуклеиновых кислот аналогично нуклеазам поджелудочного сока. Существуют нуклеазы двух типов: сайт-неспецифические нуклеазы (ДНК-азы и РНК-азы) и сайт-специфические нуклеазы – ре-стриктазы. Отличаются они тем, что сайт-специфические рестриктазы гидролизуют фосфорнодиэфирные связи в строго определенных последовательностях из 6–8-ми нуклеотидов. Для каждой рестриктазы существует своя последовательность нуклеотидов.

Распад чужеродной (в основном фаговой) ДНК под действием рестриктаз также происходит в строго определенных зонах молекулы, имеющих структуру палиндромов.

Поскольку рестриктазы действуют на строго определенные участки молекулы, они используются для расшифровки последовательности нуклеотидных остатков в ДНК фагов и вирусов. Более того, это уникальное свойство рестриктаз находит все боль