Пути обмена аминокислот

В основе различных путей обмена аминокислот лежит три типа реакций: по аминой и карбоксильной группам и по радикалу. Реакции по аминной группе включают процессы дезаминирования, переаминирования, по карбоксильной группе – декарбоксилирования., реакции по радикалу разнообразны и определяются характером радикала.

Катаболизм аминокислот у млекопитающих происходит в основном в печени и несколько слабее в почках.

Дезаминирование аминокислот

Суть дезаминирования заключается в расщеплении аминокислот по действием ферментов на аммиак и безазотистый остаток (жирные кислоты, оксикислоты, кетокислоты). Дезаминирование может идти в виде восстановительного, гидролитического, окислительного и внутримолекулярного процессов. Последние два типа преобладают у человека и животных.

Схематично дезаминирование можно представить следующим образом: а) восстановительное

R-СН-СООН + 2Н  R-СН-СООН + N Н₃

NН₃ Н

Аминокислота Насыщенная кислота

б) гидролитическое

R-СН-СООН + Н₂О  R-СН-СООН + N Н₃

NН₂ Аминокислота ОН Оксикислота

в) внутримолекулярное

R-СН-СООН  R-СНСН-СООН + NН₃

NН₂

Аминокислота Ненасыщенная кислота

г) окислительное

R-СН-СООН + 1/2 О₂  R-СН-СООН + NН₃

NН₂ О

Аминокислота Кетокислота

Окислительное дезаминирование подразделяется на две стадии.

R-СН-СООН ^{оксидаза} R-СН-СООН + 2Н

N Н₂ N

R-С-СООН + Н₂О  R-С-СООН + N Н₃

NН О

Первая стадия является ферментативной, она заканчивается образованием неустойчивого промежуточного продукта - иминокислоты, которая во второй стадии спонтанно в присутствии воды распадается на аммиак и -кетокислоту. Ферменты катализирующие этот процесс, содержат в качестве простетической группы НАД либо ФАД.

В организме человека наиболее активно протекает дезаминирование глутаминовой кислоты под действием фермента глутаматдегидрогеназы, находящегося в митохондрияхклеток всех тканей. В результате этогопроцесса образуется -кетоглутаровая кислота, принимающая участие во многих процессах обмена веществ.

НООС-СН-СН₂-СН₂-СООН ^{глутаматдегидрогеназа} НООС-С-СН₂-СН₂-СООН

N Н₂ NН

Глутаминовая кислота Иминоглутаминовая кислота

НООС-С-СН₂-СН₂-СООН + Н₂О НООС-С-СН₂-СН₂-СООН +NН₃

NН О

Иминоглутаминовая кислота -Кетоглутаровая кислота

Трансаминирование (переаминирование) аминокислот

Реакция превращения аминокислот без образования аммиака была открыта в 1938 году советскими академиками А.Е.Браунштейном и И.Г.Крицманом, которые разработали общую теорию механизма этого ферментативного процесса. Обязательным условием трансаминирования является участие дикарбоновых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой), которые в виде соответствующих им кетокислот - -кетоглутаровой и щавелевоуксусной могут взаимодействовать со всеми аминокислотами, за исключением лизина, треонина и аргинина.

При переаминировании происходит непосредственный перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту, а кетогруппы – с кетокислоты на аминокислоту без освобождения при этом аммиака.

Этот процесс протекает в несколько этапов. В общем виде реакция выглядит так:

R R

СН СН₃ аланинтрансаминаза СН₂ СН₃

СН-NН₂ + СО СО + СН-NН₂

СООН СООН СООН СООН

-Амино- Пировиноград- -Кето- Аланин

кислота ная кислота кислота

Реакцию катализируют ферменты, относящиеся к классу трансфераз, их простетической группой является фосфорпиридоксаль – фосфорный эфир витамина В_6.

Процесс переаминирования широко распространен в живой природе. Его особенность – легкая обратимость.

Реакции переаминирования играют большую роль в обмене веществ. От них зависят такие важнейшие процессы, как биосинтез многих заменимых аминокислот из соответствующих им кетокислот, праспад аминокислот, объединение путей углеводного и аминокислотного обмена, когда из продуктов распада глюкозы, например пировиноградной кислоты, может образовываться аминокислота аланин, и наоборот.

Декарбоксилирование аминокислот

Процесс декарбоксилирования катализируется декарбоксилазами, специфическими для каждой аминокислоты, простетической группой которых служит пиридоксальфосфат. Эти ферменты относятся к классу лиаз. Процесс декарбоксилирования, заключающийся в отщеплении от аминокислот СО₂, с образованием аминов, можно показать на следующей схеме:

R-СН- NН_{2 Декарбоксилаза} R + СО₂

СООН СН₂-NН₂

Механизм реации декарбоксилирования аминокислот в соответствии с общей теорией пиридоксалевого катализа сводится к образованию пиридоксальфосфат-субстратного комплекса в активном центре фермента.

Таким путем из триптофана образуется триптамин, из гидрокситрип­тофана – серотонин. Из аминокислоты гистидина образуется гистамин. Из глутаминовой кислоты при декарбоксилировании образуется -аминомасля­ная кислота (ГАМК).

Амины, образованные из аминокислот, называются биогенными аминами, так как они оказывают на организм мощный биологический эффект.

Биогенные амины проявляют физиологическое действие в очень малых концентрациях. Так, введение в организм гистамина приводит к расширению капилляров и повышению их проницаемости, сужению крупных сосудов, сокращению гладких мышц различных органов и тканей, повышению секреции соляной кислоты в желлудке. Кроме того, гистамин участвует в передаче нервного возбуждения.

Серотонин способствует повышению кровяного давления и сужению бронхов; его малые дозы подавляют активность центральной нервной системы, в больших дозах это вещество оказывает стимулирующее дествие. В различных тканях организма большие количества гистамина и серотонина находятся в связанной, неактивной форме. Биологическое действие проявляют только в свободной форме.

Гамма-аминокислота (ГАМК) накапливается в мозговой ткани и представляет собой нейрогуморальный ингибитор-медиатор торможения центральной нервной системы.

Большие концентрации этих соединений могут представлять угрозу для нормального функционирования организма. Однако в животных тканях имеется аминооксидаза, расщепляющая амины до соответствующих альдегидов. которые затем превращаются в жирные кислоты и распадаются до конечных продуктов.

5.5. Процессы обезвреживания аммиака

В процессе превращений аминокислот в тканях образуются их конечные продукты обмена – оксид углерода, вода и аммиак. Вода используется организмом для обеспечения биохимических процессов. Оксид углерода частично выводится из организма с выдыхаемым воздухом, остальная его часть утилизируется в процессах синтеза (например, при синтезе жирных кислот, пуриновых оснований и т.д.). Аммиак, образующийся в результате дезаминирования аминокислот, является токсическим веществом, увеличение ег концентрации в крови и других тканях оказывает неблагоприятное действие, особенно на нервную систему. Токсичность аммиака обусловлена тем, что он способствует восстановительному аминированию -кетоглутаровой кислоты в митохондриях. Это приводит к удалению ее из цикла Кребса и, как следствие, к падению тканевого дыхания и избыточному образованию кетоновых тел из ацетил-КоА.

Основные эффективные механизмы обезвреживания токсического действия аммиака в живых организмах следующие: образование аминов глутамина или аспарагина, восстановительное аминирование, нейтрализация кислот, синтез мочевины.

Синтез глутамина или аспарагина протекает в местах непосредственного образования аммиака (например, в печени, мозге) под действием фермента глутаматсинтетазы (класс лигаз). Реакция синтеза амида сопряжена с распадом АТФ.

В результате взаимодействия аммиака с глутаминовой м аспарагиновой кислотами происходит его связывание, и таким образом аммиак обезвреживается.

NН₂-СН-СООН Н₂N-СН-СООН

СН₂ СН₂

СН₂ +NН₃ + АТФ ^{глутаматсинтетаза} СН₂ + АДФ +Ф_н

СООН СОNН₂

Глутаминовая Глутамин

кислота

Аналогично образуется и аспарагин. Связанный аммиак может быть использован в качестве источника азота ( например для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований, мукополисахаридов (глюкозамин). Глутамин и аспарагин не только обезвреживают аммиак, но и выступают в качестве его транспортной формы. В связанном виде аммиак доставляется к месту окончательной утилизации – в печень, где из него синтезируется мочевина.