Превращение углеродных скелетов аминокислот. Реакции декарбоксилирования

Углеродные скелеты белковых аминокислот после отщепления аминогрупп в конечном итоге превращаются в пять продуктов, которые вовлекаются в цикл Кребса. Глицин, аланин, лейцин, цистеин, серии, треонин, лизин, триптофан превращаются в ацетил-КоА; фенилаланин и тирозин - в ацетил-КоА и фумарат; изолейцин - в ацетил-КоА и сукцинил-КоА; аргинин, гистидин, глутамин, глутамат, пролин - в α-кетоглутарат; аспаргин и аспартат - в оксалоацетат. Сгорая до СО₂ и Н₂О, аминокислота дает значительное количество энергии, почти такое же, как при аэробном окислении глюкозы.

Частным случаем превращений углеродных скелетов аминокис­лот является их декарбоксилирование - процесс отщепления карбок­сильной группы в виде СО₂. Не все аминокислоты подвергаются декарбоксилированию, причем у микроорганизмов и растений этому превра­щению подвергается большее количество аминокислот, чем у животных и человека. Реакции декарбоксилирования являются необратимыми. Наиболее распространено α-декарбоксилирование, протекающее по схеме:

Аминокислота

Амин

Реакция катализируется декарбоксилазами аминокислот с коферментом - пиродоксальфосфатом. Продуктами реакции являются СО₂ и амины, названные биогенными вследствие их сильного фармако­логического действия на множество физиологических функций человека и животных.

13.4. Удаление аммиака из организма. Орнитиновый цикл

Аммиак очень токсичное соединение, особенно для нервных кле­ток. При накоплении его возникает возбуждение нервной системы. По­этому концентрация аммиака в организме должна сохраняться на низком уровне. Уровень аммиака в норме в крови не превышает 1-2 мг/л (это почти в 1000 раз меньше концентрации сахара в крови). На кроликах показано, что концентрация аммиака 50 мг/л является летальной. Таким образом, аммиак должен подвергаться связыванию в тканях с образова­нием нетоксичных соединений, легко выделяемых с мочой.

Аммиак образуется в ходе следующих процессов:

- дезаминирование аминокислот;

- дезаминирование биогенных аминов;

- дезаминирование пуриновых оснований (гуанина и аденина);

- дезаминирование глутамина и аспарагина;

- распад пиримидиновых оснований (урацила, тимина, цитозина). В тканях организма существуют следующие пути обезврежива­ния аммиака:

- образование мочевины (орнитиновый цикл);

- восстановительное аминирование кетокислот;

- образование амидов аминокислот - аспарагина и глутамина;

- образование аммонийных солей.

Главный путь обезвреживания аммиака - синтез мочевины, про­исходящий в печени.

В 1933 году Кребс и Гензелейт установили, что синтез мочевины представляет собой циклический процесс, в котором каталитическую роль играет орнитин. В последующие десятилетия были раскрыты все реакции этого процесса, и он получил название орнитинового цикла, или цикла Кребса-Гензелейта (рис. 39).

Рис. 39. Орнитиновый цикл мочевинобразования

Начальной реакцией этого цикла является синтез высокоэнерге­тического соединения - карбамоилфосфата под действием фермента - карбамоилфосфатсинтетазы:

Карбамоильная группа далее переносится на орнитин с образованием цитруллина; реакцию катализирует орнитин-карбамоилтрансфераза:

Орнитин

Карбамоилфосфат

Цитруллин

Затем цитруллин- реагирует с аспарагиновой кислотой, превра­щаясь в аргининянтарную кислоту при действии аргининосукцинатсинтетазы:

Цитруллин

Аспартат

Аргининосукцинат

Аргининосукцинат под действием аргининосукциназы распадается на аргинин и фумаровую кислоту:

Аргининосукцинат

Аргинин

Фумарат

Далее аргинин гидролизуется аргиназой с образованием моче­вины и орнитина:

Аргинин

Орнитин

Мочевина

Мочевина поступает с током крови а почки и уносится из орга­низма с мочой, а орнитин возвращается в цикл. Реакции орнитинового цикла до стадии образования цитруллина происходят в митохондриях, а последующие стадии - в цитозоле клеток. Если человек в сутки получает 80-100 г белков, то образуется 25-30 г мочевины.

Важным вспомогательным путем связывания аммиака является образование аспарагина и глутамина с участием аспарагинсинтетазы и глутаминсинтетазы соответственно:

аспартат + АТФ + NH₃ = аспарагин + АМФ + Н₄Р₂О₇;

глутамат + АТФ + NH₃ = глутамин + АДФ + H₃PО₄.

Эти процессы активны в нервной и мышечной тканях, в почках, в печени.

Часть аммиака легко связывается с α-кетоглутаровой кислотой, т.е. протекает реакция, обратная окислительному дезаминированию глу­таминовой кислоты:

α-кетоглутарат + NH₃ глутамат + Н₂О

Но вклад этой реакции в обезвреживание аммиака невелик, так как необходимы значительные количества α-кетоглутарата.

Глутамин и в меньшей степени аспарагин считают как бы транс­портной формой аммиака, так как, образуясь в тканях, они с кровью попадают в почки, где подвергаются гидролизу под действием специфиче­ских ферментов - глутаминазы и аспарагиназы:

аспарагин + Н₂О = аспартат + NH₃;

глутамин + H₂O = глутамат + NH₃.

Освободившийся в канальцах почек аммиак нейтрализует кис­лые продукты обмена при ацидозе, защищая тем самым организм от по­тери с мочой ионов Na⁺ и К*. При этом образуются соли аммония:

NH₃ + Н⁺ + СI¯ = NH₄CI,

которые выделяются с мочой.