Обмін амінокислот. Динамічний стан білків організму (біохімія)

Значення амінокислот для організму в першу чергу полягає в тому, що вони використовуються для синтезу білків, метаболізм яких займає особливе місце в процесах обміну речовин між організмом і зовнішнім середовищем. Амінокислоти безпосередньо беруть участь в біосинтезі великої кількості інших біологічно активних сполук, що регулюють процеси обміну речовин в організмі, таких як нейромедіатори і гормони. Амінокислоти служать донорами азоту при синтезі всіх азотовмісних небілкових сполук, в тому числі нуклеотидів, гема, креатину, холіну і ін.

Мал. 23.1. Загальна схема метаболізму амінокислот в організмі

Катаболізм амінокислот є джерелом енергії для синтезу АТФ. Енергетична функція амінокислот стає значущою при голодуванні, деяких патологічних станах (цукровий діабет). Саме обмін амінокислот здійснює взаємозв'язок різноманітних хімічних перетворень в живому організмі.

Велика частина амінокислот входить до складу білків, кількість яких в організмі дорослої людини становить приблизно 15 кг.

Якоїсь спеціальної форми депонування амінокислот і білків, подібно до глюкози або жирних кислот не існує. Тому резервом амінокислот можуть служити всі функціональні і структурні білки тканин, але переважно білки м'язів. В організмі людини в добу розпадається на амінокислоти близько 400 г білків, приблизно така ж кількість синтезується. Тому тканинні білки не можуть відшкодовувати витрати амінокислот при їх катаболизме і використанні на синтез інших речовин. Період напіврозпаду білків різний - від декількох хвилин до декількох діб. Первинними джерелами амінокислот не можуть служити і вуглеводи, так як з них синтезується тільки вуглецева частина молекули, а аміногрупа надходить від інших амінокислот. Отже, основним джерелом амінокислот організму служать білки їжі.

Показником, що відображає інтенсивність амінокислотного обміну, є азотистий баланс - різниця між кількістю азоту, що надходить з їжею, і кількістю виділяється азоту (переважно у вигляді сечовини і амонійних солей).

Перетравлення білків в шлунково-кишковому тракті

Перетравлення білків починається в шлунку під дією ферментів шлункового соку. За добу його виділяється до 2,5 літрів і він відрізняється від інших травних соків сильно кислою реакцією, завдяки присутності вільної соляної кислоти, секретируемой обкладочнимі клітинами слизової шлунка.

Секреція соляної кислоти являє активний транспорт, який здійснюється протонної АТФ-азой з витратою АТФ.

Роль соляної кислоти:

1. денатурує білки;

2. стерилізує їжу;

3. викликає набухання важкорозчинних білків;

4. активує пепсиноген;

5. створює рН-оптимум для дії пепсину;

6. сприяє всмоктуванню заліза;

7. викликає секрецію секретину в дванадцятипалій кишці.

У шлунковому соку містяться протеолітичні ферменти пепсин, гастриксин і реннін. Головним з них є пепсин. Він виробляється головними клітинами слизової шлунка у вигляді профермента пепсиногена. Активація його здійснюється соляною кислотою (повільна) і аутокаталітіческі пепсином (швидка) шляхом відщеплення фрагмента поліпептидного ланцюга з N-кінця (частковий протеоліз). При цьому відбувається зміна конформації молекули і формування активного центру. Пепсин діє при значеннях рН 1,5-2,5 і є ендопептідазу з відносною специфічністю дії, що розщеплює пептидні зв'язки всередині білкової молекули.

Крім пепсину в шлунковому соку міститься фермент гастриксин, що виявляє протеолітичну активність при рН 3,0-4,0. Мабуть, саме він починає переварювання білків.

У шлунковому соку грудних дітей міститься фермент реннін, який має велике значення для перетравлення білків у грудних дітей, тому що каталізує створаживание молока (перетворення розчинної ніжімунітет в нерозчинний казеїн), в результаті чого сповільнюється просування нерозчинного казеїну в дванадцятипалу кишку і він довше піддається дії протеаз.

Утворилися в результаті дії пепсину в шлунку поліпептиди надходять у дванадцятипалу кишку, куди виділяється сік підшлункової залози. Панкреатичний сік має лужну реакцію (рН 7,5-8,2), що обумовлено високим вмістом бікарбонатів. Кисле вміст, що надходить зі шлунка нейтралізується, і пепсин втрачає свою активність.

У панкреатическом соку містяться протеолітичні ферменти трипсин, хімотрипсин, карбоксипептидаза і еластаза, які виробляються також у вигляді проферментов. Трипсиноген активується Ентерокиназа (виробляється клітинами слизової дванадцятипалої кишки), переходить в активний трипсин, який активує всі інші ферменти підшлункового і кишкового соку. Клітини підшлункової залози захищені від дії протеаз тим, що ферменти шлункового соку утворюються у вигляді неактивних попередників, а в панкреас синтезується особливий білок-інгібітор трипсину. У порожнині шлунково-кишкового тракту протеази не контактують з білками клітин, оскільки слизова оболонка покрита шаром слизу, а кожна клітина містить на зовнішній поверхні плазматичної мембрани полісахариди, які не розщеплюються протеазами. Руйнування клітинних білків ферментами шлункового або кишкового соку відбувається при виразковій хворобі.

Переварювання продуктів протеолізу харчових білків в тонкому кишечнику здійснюється за допомогою амино-, ди-, і тріпептідаз, які функціонують переважно пристеночно.

Таким чином, кінцевими продуктами перетравлення білків в ШКТ є вільні амінокислоти, які всмоктуються.

Всмоктування амінокислот.

Відбувається шляхом активного транспорту за участю переносників. Максимальна концентрація амінокислот в крові досягається через 30-50 хв після прийому білкової їжі. Перенесення через щіткова облямівку здійснюється цілим рядом переносників, багато з яких діють за участю Na + -залежних механізмів симпорта. Причому амінокислоти конкурують один з одним за специфічні ділянки зв'язування. З'ясовано, що існують транспортні системи, які переносять амінокислоти певного будови: нейтральні з невеликим радикалом, нейтральні з об'ємним радикалом, кислі, основні і імінокіслоти.

В даний час, розшифрований механізм транспорту амінокислот в клітини кишечника, мозку, нирок, який отримав назву g-глутамільного циклу Майстера, ключовим ферментом якого є g-глутамілтрансферази.

Всосавшиеся амінокислоти потрапляють в портальний кровотік і, отже, в печінку, а потім в загальний кровотік. Звільняється кров від вільних амінокислот дуже швидко - вже через 5 хв 85-100% їх виявляється в тканинах. Особливо інтенсивно амінокислоти поглинаються печінкою і нирками.

Спадкові порушення транспорту амінокислот

Хвороба Хартнупа - порушення всмоктування триптофану в кишечнику і його реабсорбції в ниркових канальцях. Так як триптофан служить вихідним продуктом для синтезу вітаміну РР, то основні прояви хвороби Хартнупа - дерматити, діарея і деменція, характерні для пелагри.

Цистинурия - порушення реабсорбції цистину в нирках. Цистин погано розчинний у воді, тому випадає у вигляді кристалів, які призводять до утворення цистинових каменів в нирках і сечовивідних шляхах.

Розщеплення білків в тканинах

Здійснюється за допомогою протеолітичних лізосомальнихферментів катепсинов. За будовою активного центру виділяють цистеїнові, серинові, карбоксильні і металлопротеіновие катепсини.

Роль катепсинов:

1. створення біологічно активних пептидів шляхом обмеженого протеолізу білкових попередників;

2. руйнування постарілих і аномальних білків;

3. участь в фагоцитозі і діленні клітин;

4. участь в аутолизе (при ішемії);

5. участь в патогенезі захворювань, пов'язаних зі зміною функцій лізосом (лізосомальні хвороби накопичення).

Крім процесів протеолізу в лізосомах можливий процес руйнування ендогенних білків безпосередньо в цитоплазмі. При цьому відбувається з'єднання підлягають гідролізу білків зі спеціальним білком Убіквітин. Відбувається ковалентная модифікація білка, що може змінювати його функцію. До однієї молекулі може бути приєднано кілька молекул убіквітину і це служить сигналом для перенесення білка-мішені на велику високомолекулярну частку протеасому, що складається з протеаз.

Перетворення амінокислот мікрофлорою кишечника

Мікроорганізми кишечника розташовують набором ферментативних систем, відмінних від відповідних ферментів тканин організму людини і каталізують найрізноманітніші перетворення харчових амінокислот і непереварених білків, в тому числі і по невластивим людині метаболічним шляхам (гнильний розпад).

В результаті утворюються два типи речовин:

1. токсичні продукти: фенол, крезол, індол, скатол, сірководень, аміни, меркаптан;

2. нетоксичний продукти: кетокислот, оксикислоти, жирні кислоти, спирти.

Знешкодження токсичних речовин відбувається шляхом утворення парних нетоксичних продуктів при з'єднанні з 3-фосфоаденозін-5-фосфосульфатом (ФАФС, активована форма сірчаної кислоти), або з урідіндіфосфоглюкуроновой кислотою (УДФ-глюкуронати).

При кишкових інфекціях (дизентерія, черевний тиф, холера) утворюється у багато разів велику кількість продуктів гнильного розпаду амінокислот, які викликають загальну інтоксикацію організму, порушення проникності мембран слизової оболонки кишечника, що приводить до проносів, зневоднення тканин і підвищення температури тіла. Крім того, зростає активність декарбоксилаз патогенних бактерій, в результаті утворюються аміни, що створюють картину інфекційного захворювання.

Шляхи обміну амінокислот в тканинах

Амінокислоти - це біфункціональні сполуки, що містять амінну і карбоксильну групу. Реакції по цих групах є загальними для різних амінокислот.

До них відносять:

1. по аминной групі - реакції дезамінування і трансамінування;

2. по карбоксильної групі - реакції декарбоксилювання.

Крім цих загальних шляхів можливі реакції по вуглеводневому радикалу амінокислот, які є специфічними для кожної амінокислоти.

Катаболізм більшості амінокислот починається з відщеплення a-аміногрупи, яке можливо в реакціях трансамінування і дезамінування.

трансамінування амінокислот

Трансамінування - реакції перенесення a-аміногрупи з амінокислоти на a-кетокислоту, в результаті чого утворюються нова кетокислоту і нова амінонокіслота. Реакції каталізують ферменти амінотрансферази. Це складні ферменти, коферментом яких є похідне вітаміну В6 - піридоксальфосфат, який можна зупинити може переходити в пірідоксамінфосфат. Реакції трансамінування оборотні, і можуть проходити як в цитоплазмі, так і в мітохондріях клітин. У клітинах людини знайдено понад 10 амінотрансфераз, що відрізняються за субстратної специфічності. Вступати в реакції трансамінування можуть майже всі амінокислоти, за винятком лізину, треоніну і проліну.

Реакції трансамінування протікають в 2 стадії. На першій стадії до пиридоксальфосфатом в активному центрі ферменту приєднується аминогруппа від першого субстрату - амінокислоти. Утворюється комплекс фермент пірідоксамінфосфат і кетокислот - перший продукт реакції. Цей процес включає проміжне утворення 2 шіффово підстав (альдімін і кетімін).

На другій стадії пірідоксамінфосфат з'єднується з новою кетокислот (другий субстрат) і знову через проміжне утворення 2 шіффово підстав передає аміногрупу на кетокислоту. В результаті фермент повертається в свою нативну форму, і утворюється нова амінокислота - другий продукт реакції.

Найчастіше в реакціях трансамінування беруть участь амінокислоти, зміст яких в тканинах значно вище за інших - глутамат, аланін, аспартат. Найбільш поширеними в більшості тканин є аланінамінотрансфераза (АлАТ) і аспартатамінотрансфераза (АСТ).

Найбільша активність АсАТ виявляється в клітинах серцевого м'яза і печінки, в той час як в крові виявляється тільки фонова активність АлАТ і АсАТ. Тому можна говорити про органоспецифичность цих ферментів, що дозволяє їх широко прімененятьіх з діагностичною метою (при інфарктах міокарду і гепатитах).

Біологічне значення трансаминирования

Трансамінування - перша стадія дезаминирования більшості амінокислот, тобто початковий етап їх катаболізму. Утворені при цьому кетокислот окислюються в ЦТК або використовуються для синтезу глюкози і кетонових тіл. Оскільки цей процес звернемо, ферменти амінотрансферази функціонують як в процесах катаболізму, так і біосинтезу амінокислот. Трансамінування - заключний етап синтезу замінних амінокислот з відповідних кетокислот, якщо вони необхідні в даний момент клітинам. В результаті відбувається перерозподіл аміннного азоту в тканинах. При трансаминирования загальна кількість амінокислот в клітці не змінюється.

Оксидази D-амінокислот.

При фізіологічних значеннях рН в тканинах високо активні оксидази D-амінокислот. Вони також виявлені в нирках і печінці і знаходяться в мікросомах. Роль оксидаз D-амінокислот невелика і до кінця не зрозуміла, тому що в білки їжі і тканин людини входять тільки природні L-амінокислоти.

У печінці людини є спеціальні ферменти, що каталізують реакції дезамінування серину, треоніну, цистеїну і гістидину неокислювального шляхом.

дезамінування амінокислот

Дезамінування амінокислот - реакція відщеплення a-аміногрупи від амінокислоти з виділенням аміаку. Розрізняють два типи реакцій дезамінування: пряме і непряме.

Пряме дезаминирование - безпосереднє відщеплення аміногрупи від амінокислоти без проміжних посередників. У живій природі можливі такі типи прямого дезаминирования: окислительное, відновне, гидролитическое і шляхом внутрішньомолекулярної перебудови. Але у людини дезаминирование відбувається переважно окислювальним шляхом в результаті чого утворюється відповідна a-кетокислот і виділяється аміак. Процес йде за участю ферментів оксидаз. Виділено оксидази L-амінокислот, здатні перетворювати L-ізомери амінокислот, і D-оксидази.

Окислювальне дезамінування глутамату

Найбільш активно в тканинах відбувається дезамінування глутамінової кислоти. Реакцію каталізує фермент глутаматдегідрогеназа, який дещо відрізняється від типових оксидаз L-амінокислот:

1. як кофермент містить НАД + або НАДФ +;

2. володіє абсолютною специфічністю;

3. високоактивних;

4. локалізована в мітохондріях.

Реакція йде в 2 етапи. Спочатку відбувається дегидрирование глутамату і освіту a-іміноглутарата, потім - неферментативне гидролитическое відщеплення імміногруппи у вигляді аміаку, в результаті чого утворюється α-кетоглутарат. Окислювальне дезамінування глутамату - оборотна реакція і при підвищенні концентрації аміаку може протікати в зворотному напрямку, як відновлювальне амінування α-кетоглутарата.

Глутаматдегідрогеназа дуже активна в мітохондріях клітин практично всіх органах, крім м'язів. Вона є регуляторним ферментом амінокислотного обміну. Аллостерічеськіє інгібітори - АТФ, ГТФ, НАД (Ф) Н. Високі концентрації АДФ активують фермент. Таким чином, низький енергетичний рівень в клітці стимулює руйнування амінокислот і утворення α-кетоглутарату, що надходить в ЦТК як енергетичний субстрат.

Глутаматдегідрогеназа може індукувати стероїдними гормонами (кортізолом) і інгібуватися естрогенами і тироксином.

Непряме дезамінування амінокислот

Більшість амінокислот не здатна дезамініроваться в одну стадію, подібно глутамату. Аміногрупи таких амінокислот перноса на α-кетоглутарат з утворенням глутамінової кислоти, яка потім піддається прямому окислювальному дезамінування. Такий механізм дезаминирования амінокислот в 2 стадії отримав назву трансдезамінірованія або непрямого дезамінування. Він відбувається за участю 2 ферментів амінотрансферази і глутаматдегідрогенази. Значення цих реакцій в обміні амінокислот дуже велике, так як непряме дезамінування - основний спосіб дезаминирования більшості амінокислот. Обидві стадії непрямого дезамінування оборотні, що забезпечує як катаболізм амінокислот, так і можливість освіти практично будь-який амінокислоти з відповідною a-кетокислот. Зворотній послідовність реакцій, при якій відбувається синтез амінокислот з кетокислот, отримала назву трансреамінірованія.

У м'язової тканини Активність глутаматдегідрогеназі низька, тому в ціх клітінах при інтенсівному фізічному навантаженні функціонує ще один шлях непрямого дезамінування за участю циклу ІМФ-АМФ. Утворений при цьому аміак запобігає закислення середовища в клітинах, викликане утворенням лактату.

декарбоксилирование амінокислот

Деякі амінокислоти та їх похідні можуть піддаватися декарбоксилюванню. Реакції декарбоксилювання незворотні і катализируются ферментами декарбоксилаз, які потребують пиридоксальфосфатом як кофермент. Продуктами реакції є СО2 і аміни, які мають виражену біологіческре дію на організм, і тому названі біогенними амінами. Вони виконують функцію нейромедіаторів (серотонін, дофамін, ГАМК та ін.), Гормонів (норадреналін, адреналін), регуляторних факторів місцевого дії (гістамін, карнозин, спермін і ін.).

біогенні аміни

Гістамін утворюється при декарбоксилюванні гістидину в огрядних клітках сполучної тканини.

В організмі людини виконує наступні функції:

1. стимулює секрецію шлункового соку і слини;

2. підвищує проникність капілярів, викликає набряки, знижує артеріальний тиск, але збільшує внутрішньочерепний тиск, викликаючи головний біль;

3. скорочує гладку мускулатуру легких, викликає задуху;

4. бере участь у формуванні запальних реакцій - розширення судин, почервоніння, набряклість тканини;

5. викликає алергічну реакцію;

6. нейромедіатор;

7. медіатор болю.

Серотонін - утворюється при декарбоксилюванні і надалі окисленні триптофану.

Біологічні функції:

1. надає потужний судинозвужувальну дію;

2. підвищує кров'яний тиск;

3. бере участь в регуляції температури тіла, дихання;

4. медіатор нервових процесів в ЦНС (володіє антідепрессантним дією).

Дофамін утворюється при декарбоксилюванні диоксифенилаланина (ДОФА). При подальшому окисленні і метилировании чином адреналін і норадреналін. Дофамін є нейромедіатором, контролюючим довільні рухи, емоції і пам'ять. У високих концентраціях дофамін стимулює адренорецептори, збільшує силу серцевих скорочень, підвищує опір периферичних судин (з паралельним збільшенням ниркового і коронарного кровотоку). Крім того, дофамін гальмує секрецію пролактину і соматотропіну.

У нервових клітинах декарбоксилирование глутамату призводить до утворення g-аміномасляної кислоти (ГАМК), яка служить основним гальмівним медіатором вищих відділів мозку. Зміст ГАМК в головному мозку в десятки разів вище інших нейромедіаторів. Вона збільшує проникність постсинаптических мембран для іонів К +, що викликає гальмування нервового імпульсу.

Цикл перетворень ГАМК в мозку включає три пов'язаних реакції, які отримали назву ГАМК-шунта. Першу каталізує глутаматкарбоксілаза. Ця реакція є регуляторної та забезпечує швидкість утворення ГАМК в клітинах мозку. Наступні 2 дві реакції можна вважати реакціями катаболізму ГАМК. ГАМК-амінотрансфераза утворює бурштиновий напівальдегід, який потім піддається дегидрированию і перетворюється в янтарну кислоту. Сукцинат потім використовується в циклі Кребса. Інактивація ГАМК можлива і окислювальним шляхом під дією моноаміоноксідази.

При декарбоксилюванні орнитина утворюється путресцин, який є попередником біологічно активних речовин спермина і спермидина. Путресцин, спермін і спермидин мають великий позитивний заряд, легко зв'язуються з негативно зарядженими молекулами ДНК і РНК, входять до складу хроматину і беруть участь в реплікації РНК. Крім того ці речовини стабілізують структуру мембран клітин.

Етаноламін утворюється при декарбоксилюванні серина. В організмі використовується для синтезу холіну, ацетилхоліну, фосфатіділетаноламін, фосфатидилхолін.

При декарбоксилюванні лізину утворюється кадаверин, який є трупним отрутою.

Для здійснення біологічної функції в організмі потрібна певна концентрація біогенних амінів. Надмірне їх накопичення може викликати різні патологічні відхилення.

У зв'язку з цим великого значення набувають механізми їх інактивації:

1. окислення ферментами МАО (МАО) (кофермент ФАД). Таким шляхом найчастіше инактивируются дофамін, норадреналін, серотонін і ГАМК. При цьому відбувається окисне дезамінування біогенних амінів з утворенням альдегідів, а потім відповідних кислот, які виводяться нирками.

2. метилювання за участю S-аденозілметіонін. Таким шляхом найчастіше инактивируются катехоламіни - фермент катехол-орто-метилтрансфераза (КОМТ)

3. окислення за допомогою діамінооксідази - інактивація гістаміну, а також коротко аліфатичних диаминов (путресцина і кадаверина).

Шляхи катаболізму вуглецевого скелета амінокислот

Трансамінування і дезамінування амінокислот веде до утворення безазотистих вуглецевих скелетів амінокислот - α-кетокислот. До складу білків входять 20 амінокислот, що розрізняються за будовою вуглеводневого радикала, кожен з яких катаболізується за своїми специфічними метаболічним шляхам.

Катаболізм всіх амінокислот зводиться до утворення шести речовин, що вступають в загальний шлях катаболізму: піруват, ацетил-КоА, α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат, оксалоацетат.

Амінокислоти, які перетворюються в проміжні продукти ЦТК (a-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат), і утворюють в кінцевому підсумку оксалоацетат, можуть використовуватися в процесі глюконеогенезу. Такі амінокислоти називаються глікогену. До них відносяться: аланін, аргінін, аспартат, глутамат, гліцин, гістидин, метіонін, пролін, серин, треонін, валін, цистеїн.

Катаболізм лейцину і лізину не включає стадії утворення піровиноградної кислоти, їх вуглеводнева частина перетворюється безпосередньо в ацетоацетат (лейцин, лізин) або в ацетил-КоА (лейцин) і використовуються в синтезі кетонових тел.

Тирозин, фенілаланін, ізолейцин і триптофан є змішаними або одночасно глікогену і кетогенная. Частина вуглецевих атомів їх молекул при катаболизме утворює піруват, інша частина включається в ацетил-КоА, минаючи стадію пірувату.

Справжньою кетогенной амінокислотою є лейцин.

Зміст .. 1 0 11 12 13 14 15 16 17 18 ..

Обмін амінокислот. Динамічний стан білків організму (біохімія)

Глава 23.