Особенности катаболизма циклических аминокислот

Несмотря на то, что на сходный способ распада циклических аминокислот приходится около 1%, он приобретает особое значение при генетической патологии, когда вследствие точечной мутации блокируется активность одного из физиологических ферментов и тогда накапливающийся субстрат подвергается преобразованиям, сходным с обычным распадом ПВК, но с образованием токсичных продуктов.

Все циклические аминокислоты (фен, тир, три, гис) отличаясь радикалами, в своей основе имеют аланин, который при переаминировании дает ПВК, где в качестве радикала могут служить индол, имидазол, фенол, бензол. Дальнейшие реакции можно изобразить в следующей схеме:

Если в клетке на данный момент гипоксия, при этом растет концентрация НАДН+Н⁺, чтобы не смещался рН, восстановленная форма НАД отдает свои водороды гомологам ПВК. Эта реакция (а) тупиковая - как только давление О₂ приходит в норму, полученные соединения вновь окисляются в исходные вещества, которые в митохондриях подвергаются преобразованиям, сходным с окислительным декарбоксилированием пирувата. Большая часть получившихся при этом метаболитов циклических аминокислот токсична, поэтому они отправляются в печень для обезвреживания. Для этих целей обычно используется глутамин, который взаимодействуя с конечным соединением, инактивирует его, и последний током крови доставляется в почки выделяется в составе мочи (см. Приложение, табл. 5).

Классическим примером опасности появления подобных продуктов в необычных количествах служит наследственное заболевание, получившее название по одному из них - фенилкетонурия (олигофрения фенилпирувика). Его причина – генетический блок фенилаланин -4 -гидроксилазы. В этих условиях сохраняющийся фенилаланин

Схема преобразований циклических аминокислот

подвергается вышеописанным изменениям и в крови появляются патологические продукты: фенил-ПВК, фенил-лактат, фенилацетат; легко преодолевая гематоэнцефалический барьер, они вызывают повреждения в ЦНС.

Судьба продуктов распада аминокислот

В отличие от углеводов и нейтральных жиров, при катаболизме которых образуются лишь СО₂ и Н₂О, при распаде аминокислот конечным продуктом, кроме вышеназванных веществ, является аммиак. Учитывая его вероятные токсические эффекты, следует остановиться на способах обезвреживания.

Пути обезвреживания NН₃

Свободный аммиак токсичен. Во-первых, он обладает хорошей растворимостью в воде, что сопровождается следующей реакцией:

Ее продукт - сильная щелочь, что грозит развитием алкалоза. Во-вторых, нарушается ЦТК, так как его метаболит – α-кетоглутарат – используется клеткой для нейтрализации гидроксида аммония. Образующаяся и накапливающаяся при этом глутаминовая кислота повреждает баланс аминокислот, в ЦНС ее гиперпродукция провоцирует декарбоксилирование, т.е. генез ГАМК, отсюда изменяется равновесие среди тормозных и возбуждающих медиаторов.

Клинически накопление аммония (гипераммониемия) проявляется рвотой, судорогами, спутанностью и помутнением сознания, вплоть до комы. Поэтому в клетках существуют следующие механизмы, предотвращающие развитие этого явления:

1) Восстановительное аминирование:

2) Во многих тканях (головном мозгу, печени, почках, мышцах) обезвреживание осуществляется путем синтеза глутамина (реже аспарагина) - нейтрального нетоксического вещества, способного диффундировать через мембраны (одна из форм транспорта NН₃).

Амидная группа глутамина часто используется в реакциях аминирования (в получении глюкозамина, галактозамина, заменимых аминокислот и т.д.)

3) Работа внутри- и внеклеточных буферных систем; с помощью которых нейтрализуется NН₄ОН до солей аммония.

Продукты обезвреживания аммиака (глн, асн, соли аммония) кровотоком доставляются в гепатоциты, где и происходит окончательная инактивация данного соединения:

4) Синтез мочевины.

Мочевина – полный амид угольной кислоты, значит субстратами в ее образовании служат различные формы углекислоты (НСО₃^– или карбоксибиотин) и аммиака (амидная группа глутамина или соль аммония): Первая реакция:

протекает в митохондриях, здесь карбамоилфосфат взаимодействует с орнитином, служащим своеобразным катализатором, вследствие чего данный процесс известен как орнитиновый цикл синтеза мочевины:

образовавшийся при этом цитруллин, выходя из митохондрий изомеризуется в енольную форму:

С

аргининосукцинат

помощью специфической лигазы - аргининосукцинатсинтазы взаимодействует с аспарагиновой кислотой:

Аргининосукцинат из-за наличия сильно поляризованных связей довольно легко разрушается с помощью аргининосукцинатлиазы:

Продукт данной реакции фумарат обычно отправляется в митохондрии, где включается в ЦТК, а аргинин гидролизуется до мочевины и орнитина.

Последний вновь связывается с молекулой карбамоилфосфата, начиная новый цикл.

Суммарно:

Подводя итог, следует заметить, что в целом мочевина собирает все атомы азота аминокислот: ее одна аминогруппа взята из аспартата, который может получиться путем переаминирования оксалоацетата с любой аминокислотой, другая же аминогруппа является производной аммиака, высвободившегося с помощью дезаминирования.

Двухколесный велосипед Кребса – так называют исследователи два цикла, описанные Г. Кребсом из–за их тесной связи между собой (Схема).

Цикл трикарбоновых кислот, тесно сопряженный с биологическим окислением и окислительным фосфорилированием, не только является поставщиком ОА для переаминирования в аспартат, но и дает СО₂, НОН, АТФ для запуска и течения орнитинового цикла, одним из продуктов которого и является фумарат, служащий метаболитом ЦТК.

Нормальное течение синтеза мочевины обеспечивает:

1. окончательное обезвреживание аммиака;

2. избавление организма от NH₃ и CO₂;

3. баланс рН, поддерживая гомеостаз бикарбонатной буферной системы.

Для контроля нормального течения метаболизма азотсодержащих соединений, и в основном, процессов обезвреживания аммиака в клинике

Схема. Взаимосвязь между ЦТК с орнитиновым циклом.

служит определение в крови следующего показателя - остаточного азота (Rest W) – т.е. оценивается суммарное содержание низкомолекулярных азотистых веществ, которые остаются фильтрате после осаждения белков. В их общем количестве около половины приходится на мочевину, 25% составляет доля аминокислот, величины креатина укладываются в 5%, ураты в 4% и т. д.

В норме значения остаточного азота колеблются в пределах 14–25 ммоль/л, у новорожденных они выше (42–71 ммоль/л). При различных патологических состояниях регистрируется гиперазотемия. В зависимости от механизмов возникновения выделяют продукционную и ретенционную гиперазотемии. Первый вариант может быть спровоцирован систематическим избыточным поступлением пищевых белков (у «мясоедов»), усиленный деструкцией тканей, сопровождающейся ускоренным распадом белков (при опухолях, лейкозах, ожоговой болезни и т.д.). Основной причиной ретенционной гиперазотемии служат обычно болезни почек при нарушении их выделительной способности, что обуславливает избыточное накопление в плазме крови мочевины. Кроме того, рост величин остаточного азота может наблюдаться при сердечно–сосудистой декомпенсации, при непроходимости кишечника (усилено всасывание продуктов гниения), сахарном диабете и т.д.

В последние годы стали проводить количественное определение отдельных компонентов остаточного азота – аминокислот (например, гипер-аминоацидемия при усиленном гидролизе тканевых белков распадающихся тканей) и мочевины (гиперкарбамидемия при болезнях почек). Гипокарбамидемия встречается довольно редко, обычно это следствие мутаций ферментов – участников орнитинового цикла (см. «Патохимия наследственных болезней» С. 57).