Джефферсон - Сборник упражнений и задач - 2000 / Student Guide15

Глава 15: Метаболизм аминокислот

113

Глава 15

Метаболизм аминокислот

Резюме главы

В этой главе описывается обмен аминокислот. Особое внимание уделено их расщеплению для получения энергии, ракциям дезаминирования и трансаминирования, циклу мочевины и механизмам транспорта азота в крови.

Цели урока

♦Роль белков в питании.

♦Заменимые и незаменимые аминокислоты.

♦Понятие основного азотистого баланса.

♦Общая судьба аминокислот, которые усваиваются в избытке по сравнению с сиюминутными потребностями для синтеза белка.

♦Роль реакции дезаминирования в деградации аминокислот и значение обращения этого процесса для синтеза аминокислот.

♦Значение образования и распада Шиффова основания.

♦Важность окислительновосстановительных реакций, в которых претерпевают взаимное превращение аминогруппы и углеродо-азотистые соединения, содержащие двойные связи.

♦Важная роль глутаминовой кислоты в превращении аминогрупп других аминокислот в аммиак.

♦Значение обратимости цикла азота в связи с синтезом аминокислот.

♦Значение переноса аминогруппы кофактором пиридоксаль-5′-фосфатом (ПФ).

♦Различие между кетогенными и глюкогенными аминокислотами.

♦Катализируемая монооксигеназой реакция превращения фенилаланина в тирозин.

♦Наследственное заболевание фенилкетонурия (ФКУ).

♦Реакции, в которых участвует S- аденозилметионин (SAM).

♦Последовательность реакций в цикле мочевины.

♦Роль печени в обмене аминокислот.

114	Глава 15: Метаболизм аминокислот
♦ Два важных пути транспорта азота	♦ Важность обмена аминокислот в
кровью.	условиях голодания.

Прогулка по главе

Белки часто являются основным компонентом обычного пищевого рациона и после переваривания свободные ………………(1) переносятся ……………(2). Эти аминокислоты используются не только для синтеза белков, но и многих других важных биологических молекул. Всасывание аминокислот в кишечнике осуществляется специализированным транспортным механизмом. Аминокислоты не ……………..(3) в организме, однако ……………..(4) белки могут расщепляться в экстремальных ситуациях для высвобождения аминокислот. Из 20 основных аминокислот организм человека не синтезирует ……………(5) и поэтому зависит от их поступления с пищей. Среди некоторых популяций человека, получающих пищу, не содержащую одну или более из этих аминокислот, встречается заболевание ........................……………..(6). Дефицит лизина и

…………..(7) имеет особое значение. Поглощение и выведение организмом азота должно находиться в равновесии, при этом необходимо принимать во внимание то обстоятельство, что белки постоянно ……………..(8). Некоторые из 10 аминокислот, которые организм неспособен синтезировать, являются абсолютно незаменимыми, остальные же могут образовываться в результате реакций обмена из других ……………….(9). Избыток аминокислот, не нужных в данный момент для синтеза белка и других специфических целей, расщепляется для получения

…………..(10) или запасания ……………….(11). Дезаминирование аминокислот приводит к

Заполните следующее

Глава 15: Метаболизм аминокислот	115

накоплению кетокислот и аммиака, который поступает в ………….(12). Аминокислоты могут синтезироваться путем …………….(13) дезаминирования. Всестороннее обсуждение различных метаболических путей, приводящих к образованию 20 различных аминокислот, включает гораздо больше деталей, чем это необходимо для понимания данного учебного раздела биохимии.

Ответы: (1) аминокислоты; (2) кровью; (3) запасаются; (4) мышечные; (5) 10; (6) квашиоркор; (7) триптофана; (8) обновляются; (9) аминокислот; (10) энергия; (11) топлива; (12) цикл мочевины; (13) обращения.

Трансаминирование и дезаминирование

Образование Шиффова основания включает конденсацию карбонильного соединения с

………….(1) группой. Реакция является ……………..(2) в том смысле, что вода может быть либо

……………(3) при образовании Шиффова основания, либо ………(4) в реакции гидролиза. В результате ....................(5) двойная связь между углеродом и азотом может превращаться в одинарную, что и происходит при образовании аминокислот из кетокислот. В ходе

.............................(6) происходит обратная реакция. Глутаминовая кислота подвергается окислительному дезаминированию, которое катализирует глутамат…………..…………...(7). Образующийся ....................................(8) может быть далее .........…………..(9) в цикле лимонной кислоты. Глутаминовая кислота может быть также использована для синтеза

……………………..(10). Дезаминирование большинства аминокислот сопряжено с дезаминированием глутаминовой кислоты. Этот процесс протекает в два этапа. Первый этап состоит в трансаминировании между аминокислотой и α-кетоглутаратом; при этом образуются глутамат и α-кетокислота, участвующей в реакции аминокислоты. Второй этап заключается в

………………..(11) глутамата. Поскольку эти реакции являются обратимыми, то аминокислоты могут быть ……………(12) в результате трансаминирования между соответствующей α- кетокислотой и глутаматом. Кофактором в этих реакциях трансаминирования, является пиридоксаль-5′-фосфат (ПФP), который функционирует в качестве промежуточного продукта, принимающего аминогруппу от донора и переносящий ее к акцептору. Трехуглеродные аминокислоты серин и цистеин могут быть превращены в трехуглеродные α-кетокислоты и пируват. Углеродные скелеты дезаминированных аминокислот в виде α-кетокислот называется кетогенными, если они могут превращаться в ……………(13) или …………………..(14), - в случае превращения в глюкозу.

Ответы: (1) амино; (2) обратимой; (3) продуктом; (4) реагентом; (5) восстановления; (6) окисления;

(7) дегидрогеназы; (8) α-кетоглутарата; (9) окислен; (10) глюкозы; (11) дезаминировании; (12) синтезированы; (13) ацетил-СоА; (14) глюкогенными.

116 Глава 15: Метаболизм аминокислот

Монооксигеназы и SAM

Превращение фенилаланина в ....…………….(1) катализирует фермент фенилаланин…………….(2), который использует в качестве кофактора молекулу тетрагидробиоптерина (RH4). Этот фермент относится к классу ……….............…..(3) или оксигеназ со смешанной функцией. Существует заболевание фенилкетонурия (ФКУ), при котором нормальный путь превращения ……………(4) в ……………(5) блокирован, что приводит к накоплению в моче высоких концентраций ..........…………(6). Фенилкетонурия может иметь серьезные последствия, особенно у детей, но может быть корригирована при помощи специальной диеты. Другими генетическими болезнями, связанными с нарушением обмена аминокислот, являются болезнь кленового сиропа и алкаптонурия.

Метильная группа ……………(7) имеет важное значение в реакциях с участием S- аденозилметионина (SAM) В реакциях трансметилирования происходит перенос ………………(8)

группы с использованием энергии гидролиза АТР. При удалении метильной группы из молекулы метионина образуется ………….(9), который переносит серу на серин с образованием

…………….(10). К числу соединений, получающих метильную группу из SAM, относятся

………………(11), фосфатидилхолин и ………….(12). Метильные группы из SAM переносятся и на нуклеиновым кислоты РНК и ……..(13).

Ответы: (1) тирозин; (2) гидроксилаза; (3) монооксигеназ; (4) фенилаланина; (5) тирозин; (6) фенилпирувата; (7) метионина; (8) метильной; (9) гомоцистеин; (10) цистеина; (11) креатин; (12) адреналин; (13) ДНК.

Цикл мочевины

Аминный азот, образующийся при дезаминировании аминокислот, оказывается в составе водо-

……………(1), инертной, нетоксичной молекулы …………(2), в ходе протекающего в печени цикла мочевины, в котором участвует ……………(3). Последний образуется из …………….(4) в результате присоединения СО2 и двух атомов азота. Аммиак, СО2 и фосфат взаимодействуют с образованием небольшой молекулы ………….(5) фосфата. В этой реакции затрачивается две молекулы АТР. Взаимодействие карбамоилфосфата с орнитином приводит к образованию

…………….(6). Затем цитруллин конденсируется с аспартатом, превращаясь в

………........................…..(7), а тот расщепляется с образованием аргинина и фумарата.

Ответы: (1) растворимой; (2) мочевины; (3) аргинина; (4) орнитина; (5) карбамоил; (6) цитруллина;

(7) аргининосукцинат.

Глава 15: Метаболизм аминокислот

117

Заполните следующее

Транспорт

Мочевина синтезируется в печени. Атомы азота соединений из других тканей доставляются в этот орган при помощи двух механизмов. Во-первых, при участии фермента …………(1) синтетазы с использованием энергии АТР из глутамата синтезируется глутамин, который переносится кровью. В печень глутамин может гидролизоваться с образованием …………..(2) и высвобождением

Заполните следующее

118 Глава 15: Метаболизм аминокислот

аммиака. Во-вторых, азот переносится в составе ……….(3), который образуется путем реакции трансаминирования аминокислот с пируватом. В печени аланин высвобождает аммиак и превращается в пируват, который может быть использован для синтеза .......…………..(4). Полный цикл называется ……………(5) циклом, он играет важную роль при голодании, когда запасы гликогена истощены и печень синтезирует глюкозу через обмен белков для использования головным мозгом.

Ответы: (1) глутамин; (2) глутамата; (3) аланина; (4) глюкозы; (5) глюкозоаланиновый.

Обзор вопросов в конце главы 15

∙В органической химии реакции окисления часто включают присоединение атомов кислорода. Один из способов наблюдения за тем, прошла ли реакция окисления, заключается в подсчете количества связей, например, углерода каким-нибудь гетероатомом.

∙Глутаматдегидрогеназа осуществляет окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты.

∙Трансаминирование глутаминовой кислоты. Примечание. Глутамат и глутаминовая кислота представляют собой одно и то же соединение, но соответственно не содержащее или содержащее протон.

∙Пиридоксальфосфат переносит α-NH2-группу одной аминокислоты и обменивает ее на кислород карбонильной группы α-кетокислоты. К исходной α-кетокислоте присоединяется α- аминогруппа, а исходная аминокислота превращается в α-кетокислоту.

Важно понимать различия между R и R′.

∙Серин и цистеин подвергаются особым реакциям дезаминирования, возможно, потому, что их строение сходно со структурой важного метаболита пирувата. Общим промежуточным метаболитом является аминоакриловая кислота.

Глава 15: Метаболизм аминокислот

119

∙Аминокислоты превращаются в метаболиты цикла лимонной кислоты (глюкогенные) или в ацетил-СоА (кетогенные). Только лейцин и лизин вследствие особенностей строения их углеродного скелета являются слабыми кетогенными аминокислотами.

∙Фенилкетонурия обусловлена дефектом механизма превращения фенилаланина в тирозин, что

приводит к накоплению фенилпирувата.

∙ Тетрагидробиоптерин - редокс-кофактор, сходный с NAD+ èëè FAD: RH4→ RH2+2H++2e-.

Структурное различие между фенилаланином и тирозином состоит в присутствии -ОН-группы в ароматическом кольце.

Фермент фенилаланингидроксилаза относится к классу ферментов монооксигеназ (называемых также оксигеназами со смешанной функцией).

∙S-аденозилметионин (SAM) имеет положительно заряженный атом серы с тремя связями: одну с метильной группой, вторую с остатком метионина и третью с 5′-углеродом аденозина. Такая структура способствует легкому отщеплению метильной группы.

∙Составьте таблицу для запоминания следующих понятий.

Субстрат	Структура	Реакция (фермент)
Аргинин	?	Гидролиз Шиффова основания с
		освобождением мочевины,
		H2NCONH2 (аргиназа)
Орнитин	?	Присоединяется атом азота,
		активированный в виде
		карбамоилфосфата (орнитин-
		транскарбомоилаза)
Цитруллин	?	Сопряженная с сукцинатом
		реакция, использующая энергию
		АТР (аргининосукцинат)
Аргининосукцинат	?	Расщепляется с образованием
		фумарата и аргинина, так что цикл
		может быть продолжен
		(аргининосукцинатлиаза)

Глава 15: Метаболизм аминокислот

120

∙Цикл мочевины имеет важное значение при поступлении аминокислот в количествах, превышающих потребности синтеза белка. Такой метаболический путь активно функционирует и в условиях голодания: образующиеся из белков аминокислоты должны быть метаболизированы для выработки энергии и при этом возникает необходимость удаления аминогрупп и их фиксации в инертной и нетоксичной молекуле мочевины.

∙Цикл мочевины функционирует в печени. Аммиак связывается с глутаматом с образованием глутамина, который переносится с током крови в печень. В мышцах аминокислота аланин также служит переносчиком аминогрупп и участвует в глюкозо-аланиновом цикле.

Дополнительные вопросы по главе 15

1.Назовите три заболевания, связанные с нарушением нормального пути обмена аминокислот.

2.Как образуется гомоцистеин и какова связь между структурой этого соединения и строением аминокислоты цистеина?

3.Напишите три соединения, которые могут получать метильную группу от SAM.

4.Какая аминокислота образуется в реакции трансаминирования оксалоацетата с глутамином?

5.Назовите два класса биологически-активных молекул, которые могут образовываться из аминокислот.

6.Каково другое название кофактора пиридоксальфосфата?

7.Каким образом пиридоксальфосфат удерживается в активном центре фермента?

8.Какой тип реакций катализирует фермент дегидратаза?

9.Какая аминокислота участвует в превращении гомоцистеина в цистеин и какой продукт при этом образуется?

10.Какой кофермент участвует в синтезе глицина в качестве переносчика одноуглеродного фрагмента?

11.Какова структурная формула адреналина?

12.Какова структура карбамоилфосфата и почему это соединение имеет важное значение для организма?

13.Почему нельзя транспортировать азота кровью в виде аммиака?

14.Почему аланин выбран в качестве удобного переносчика азота кровью?