13.5. Метаболизм белков в тканях

Синтез заменимых аминокислот. Аминокислоты всасываются в кровь, доставляются в печень, где частично дезаминируются, декарбоксилируются или подвергаются трансаминированию. Кроме того, постоянно происходит обновление белков собственного тела — распад (в лизосомах) и синтез de novo. Обновление амино­кислот в белках ткани идет очень интенсивно. Так, белки печени обновляются наполовину за 8...12сут, плазмы крови — за 18...45сут. У крупного рогатого скота при выращивании на мясо за 1 сут синтезируется 120...200 г белка, у лактирующей коровы с молоком выделяется 600... 1200 г новых белков. Распад тканевых белков — аутолиз — происходит под действием ферментов (ткане­вых протеаз — катепсинов).

Помимо всасывания из кишечника и аутолиза источником сво­бодных аминокислот в клетках организма является их синтез. В растениях синтезируется очень большой набор аминокислот (свы­ше 20), а в животном организме образуются только заменимые аминокислоты путем восстановительного аминирования кетокис- лот и трансаминирования.

Восстановительное аминирование кетокислот представляет собой обратный процесс окислительного дезаминирования аминокислот (глутаминовая, аспарагиновая и др.). Ре- синтез происходит в два этапа:

Таким образом, в первую фазу реакции из кетокислоты и ам­миака образуются иминокислоты, во вторую иминокислота вос­станавливается за счет водорода восстановленной формы НАД или НАДФ, т. е. НАДН₂, НАДФН₂, в аминокислоту. Этот путь синтеза аминокислот в организме животных ограничен, он ярче выражен у растений и микробов (бактерий).

Наиболее выраженный путь биосинтеза аминокислот в орга­низме — путь переаминирования (трансаминиро­вания). Его открыли в 1937 г. А. Е. Браунштейн и М. Г. Крицман. Было установлено, что из глутаминовой и пировиноградной

кислот могут образоваться а-кетоглутаровая кислота и аланин без промежуточного выделения аммиака:

Эту реакцию называют трансаминированием, при этом проис­ходит перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. До­нором аминогруппы служит аминокислота, акцептором — кетокислота. Все природные аминокислоты подвержены фермента­тивному переаминированию. Наиболее активно эта реакция про­исходит между глутаминовой и щавелево-уксусной кислотами.

Между аспарагиновой и а-кетоглутаровой кислотами (в печени и мышечной ткани) реакция происходит с участием трансфераз (трансаминаз); коферментом является фосфопиридоксаль (вита­мин В₆).

Аминогруппа через основание Шиффа переходит на фосфопи­ридоксаль, в результате синтезируется фосфопиридоксамин и со­ответствующая кетокислота. Фосфопиридоксамин реагирует с но­вой кетокислотой, образуя новую аминокислоту с высвобождени­ем фосфопиридоксаля. Процесс образования промежуточного продукта можно представить следующим образом:

Переаминирование играет очень важную роль при синтезе в тканях необходимых аминокислот.

Таким образом, фонд свободных аминокислот клеток форми­руется за счет:

поступления из органов пищеварения; распада белков;

синтеза заменимых аминокислот в реакциях трансаминирова- ния, восстановительного аминирования кетокислот.

Распад аминокислот. Осуществляется тремя путями: прямым и непрямым дезаминированием и декарбоксилированием.

Прямое дезаминирование аминокислот. Различают четыре спо­соба дезаминирования аминокислот. Восстановительное дезаминирование:

В результате образуются органическая кислота и аммиак. Гидролитическое дезаминирование:

В результате реакции образуются оксикислота и аммиак.

Эти виды дезаминирования характерны для бактерий (предже- лудка жвачных, толстой кишки других животных).

Внутримолекулярное дезаминирование:

В результате образуются ненасыщенная органическая кислота и аммиак.

Такой вид дезаминирования характерен для бактерий, расте­ний, а в животном организме дезаминируется гистидин. Под дей­ствием фермента гистидиндезаминазы происходит образование аммиака и урокиноновой кислоты.

Окислительное дезаминирование:

Это наиболее распространенная форма дезаминирования. Ре­акция происходит с участием ферментов, где акцептором водоро­да, как правило, является НАД, реже — ФМН. Она проходит в две стадии. На первой стадии образуется неустойчивая иминокислота, во второй стадии с участием молекулы воды образуются аммиак и кетокислота:

В тканях организма важно дезаминирование D-аминокислот, так как в белках содержатся только L-аминокислоты. Поэтому в организме весьма активна дегидрогеназа а-глутаминовой кисло­ты, которая превращает ее в а-кетоглутаровую кислоту.

Реакция весьма распространена. Глутаматдегидрогеназа играет решающую роль в процессах окислительного дезаминирования большинства аминокислот путем непрямого дезаминирования.

Коферментом глутаматдегидрогеназы является НАД (НАДФ):

НАДН₂ в дыхательной цепи митохондрий обеспечивает синтез трех молекул АТФ (печень, мышца, почки, мозг и т. д.).

Трансаминирование — непрямой путь дезаминирования аминокис­лот. В метаболизме аминокислот трансаминирование занимает ключевое место. Так, глутаматдегидрогеназа весьма активно ведет к образованию а-кетоглутаровой кислоты, которая служит суб­стратом для трансаминирования с другими аминокислотами. На- поимео:

Глутаминовая кислота затем дезаминируется по схеме, пред­ставленной выше. Щавелево-уксусная кислота также может быть субстратом для переаминирования и дезаминирования:

Механизм непрямого дезаминирования обеспечивает дезами­нирование всех аминокислот в организме животных.

Декарбоксилирование аминокислот. В тканях животных декарб- оксилированию подвергаются аминокислоты: гистидин, тирозин, глутаминовая кислота, 5-окситриптофан, 3,4-диоксифенилаланин (ДОФА), цистеиновая кислота.

Первые три входят в состав белков, остальные — продукты об­мена тирозина, триптофана, цистеина.

В качестве кофактора декарбоксилаз выступает гшридоксин (витамин Bg); они декарбоксилируют только а-аминокислоты. Амины, образующиеся при этом, влияют на обмен веществ. При декарбоксилировании цистеина образуется таурин, необходимый для синтеза желчных кислот. При декарбоксилировании гисти- лина обоазуется гистамин:

Гистамин вызывает спазм гладких мышц (включая мышцы бронхов), снижает кровяное давление, расширяет капилляры, вы­зывает отек, усиливает в 8... 10 раз выделение желудочного сока.

При декарбоксилировании тирозина и ДОФА соответственно образуется тирамин и 3,4-диокситирамин:

При

Как тирамин, так и 3,4-диокситирамин оказывают мощное фармакологическое действие. ДОФА и дофамин содержатся в вы­сокой концентрации в двигательных центрах головного мозга и играют важную роль в управлении мышцами.

При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется у-аминомасляная кислота — природный фактор, тормозящий дея­тельность нервных клеток. Амины окисляются моноаминоксидазами до альдегидов и выводятся из организма.

Окислительное расщепление аминокислот. Большую часть (до 90 %) энергии организм получает в результате окисления углево­дов и нейтральных жиров; остальную часть (около 10 %) — за счет окисления аминокислот. Аминокислоты используются прежде всего для синтеза белка. Окисление их происходит:

если аминокислоты, образующиеся при обновлении белков, не используются для синтеза новых белков;

если в организм белок поступает в избытке; в период голодания или при сахарном диабете, когда нет угле­водов или их усвоение нарушено, в качестве источника энергии используются аминокислоты.

Во всех этих ситуациях аминокислоты теряют свои аминогруп­пы и превращаются в соответствующие а-кетокислоты, которые затем окисляются до СО₂ и Н₂О. Частично это окисление идет че­рез цикл трикарбоновых кислот. В результате дезаминирования и окисления образуются пировиноградная кислота, ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА, а-кетоглутаровая кислота, сукцинил-КоА, фумаровая кислота. Некоторые аминокислоты могут превращаться в глюкозу, а другие — в кетоновые тела.

Пути обезвреживания аммиака в тканях животных. Аммиак ток­сичен, и накопление его в организме может привести к смерти. Существуют следующие пути обезвреживания аммиака: синтез аммонийных солей; синтез амидов дикарбоновых аминокислот; синтез мочевины.

Аммонийные соли синтезируются ограниченно в почках, и этот процесс представляет собой дополнительное защитное при­способление организма при ацидозах. Аммиак и кетокислоты час­тично используются для ресинтеза аминокислот и для синтеза других азотистых веществ. Кроме того, в тканях почек аммиак участвует в процессе обезвреживания органических и неоргани­ческих кислот, обпазуя с ними нейтпальные и кислые соли:

Этим путем организм защищается от потери с мочой при выве­дении кислот значительного количества катионов (Na⁺, К⁺, отчас­ти Са⁺², Mg⁺²), что могло бы привести к резкому понижению ще­лочного резерва крови. Количество аммонийных солей, выводи­мых с мочой, заметно повышается при ацидозе, так как аммиак используется для нейтрализации кислоты.

Один из путей связывания и обезвреживания аммиака — ис­пользование его для образования амидной связи глутамина и аспарагина. При этом из глутаминовой кислоты под действием фер­мента глутаминсинтетазы синтезируется глутамин, из аспарагино- вой кислоты при участии аспарагинсинтетазы — аспарагин:

Этим путем происходит устранение аммиака во многих органах (мозг, сетчатка, почки, печень, мышцы). Амиды глутаминовой и аспарагиновой кислот могут образоваться и тогда, когда эти ами­нокислоты находятся в структуре белка, т. е. акцептором аммиака может быть не только свободная аминокислота, но и белки, в со­став которых они входят. Аспарагин и глутамин доставляются в печень и используются в синтезе мочевины. Аммиак переносится в печень и при помощи аланина (глюкозо-аланиновый цикл) (рис. 13.1). Этот цикл обеспечивает перенос аминогрупп из ске­летных мышц в печень, где они превращаются в мочевину, а рабо­тающие мышцы получают глюкозу. В печени глюкоза синтезиру­ется из углеродного скелета аланина. В работающей мышце из а-кетоглутаровой кислоты образуется глутаминовая кислота, ко­торая затем передает аминную группу —NH₂ пировиноградной кислоте, в результате синтезируется аланин — нейтральная амино­кислота. Схематически указанный цикл выглядит следующим об­разом:

Значение этого цикла состоит в следующем: осуществляется перенос аминогрупп из скелетных мышц в пе­чень, где они превращаются в мочевину;

работающие мышцы обеспечиваются глюкозой, поступающей с кровью из печени, где для ее образования используется углерод­ный скелет аланина.

Образование мочевины — основной путь обезвреживания ам­миака. Этот процесс изучали в лаборатории И. П. Павлова. Пока­зано, что мочевина синтезируется в печени из аммиака, С0₂ и воды.

Мочевина выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, а соответственно и аминокислотного обмена. На долю мочевины приходится до 80...85 % всего азота мочи. Главным местом синтеза мочевины в организме служит печень. Сейчас доказано, что синтез мочевины происходит в несколько стадий.

На следующей стадии с участием орнитина синтезируется цитруллин:

На первой стадии под действием фермента карбомоилфосфат- синтетазы образуется карбамоилфосфат:

Цитруллин переходит из митохондрий в цитозоль клеток пече­ни. После этого в цикл вводится вторая аминогруппа в форме аспарагиновой кислоты. Происходит конденсация молекул цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргинин-янтарной кислоты:

Под действием аргиназы аргинин гидролизуется, образуются мочевина и орнитин. В дальнейшем орнитин поступает в мито­хондрии и может включиться в новый цикл обезвреживания ам­миака, а мочевина выделяется с мочой:

Таким образом, в синтезе одной молекулы мочевины нейтра­лизуется две молекулы NH₃ и С0₂ (НС0₃), что также имеет значе­ние в поддержании рН. Для синтеза одной молекулы мочевины расходуется три молекулы АТФ, в том числе две при синтезе кар- бомоилфосфата, одна для образования аргинин-янтарной кисло­ты; фумаровая кислота может превращаться в яблочную и щавеле- во-уксусную кислоты (цикл Кребса), а последняя в результате трансаминирования или восстановительного аминирования — в аспарагиновую кислоту. Некоторая часть азота аминокислот выде­ляется из организма в виде креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата.

Из всего азота мочи на долю мочевины приходится до 80...90 %, аммонийных солей — 6 %. При избыточном кормлении белком доля азота мочевины возрастает, а при недостаточном белковом кормлении снижается до 60 %.

У птиц и рептилий аммиак нейтрализуется путем образования мочевой кислоты. Птичий помет на птицефабриках — это источ­ник азотсодержащего удобрения (мочевая кислота).