22.3 Біомолекули, що утворюються з амінокислот
Окрім того, що амінокислоти виконують роль основних структурних блоків у побудові молекул протеїнів, вони є також попередниками багатьох специфічних біомолекул, зокрема гормонів, коензимів, нуклеотидів, алкалоїдів, полімерів клітинних стінок, порфіринів, антибіотиків, пігментів та нейротрансмітерів. У цьому підрозділі ми опишемо шляхи синтезу цих похідних амінокислот.
Гліцин – попередник в синтезі порфіринів
Біосинтез порфіринів, головним попередником яких є гліцин, ми розглянемо першим у зв’язку з важливою роллю порфіринового ядра у гемовмісних протеїнах, зокрема гемоглобіні та цитохромах. Порфірини побудовані з чотирьох молекул похідного монопіролу порфобіліногену, який утворюється з двох молекул δ-амінолевулінату. Існують два основні шляхи синтезу δ-амінолевулінату. У вищих еукаріотів (Рис. 22-23а) гліцин на першому етапі синтезу взаємодіє з сукциніл-СоА з утворенням α-аміно-β-кетоадіпату, який декарбоксилюється до δ-амінолевулінату. У рослин, водоростей та більшості бактерій δ-амінолевулінат утворюється з глутамату (Рис. 22-23б). Спочатку глутамат етерифікується з утворенням глутаміл-тРНКGlu (див. Розділ 27, тема: транспортні РНК), а далі за участі NADH відновлюється до 1-напівальдегіду глутамату, який від’єднується від тРНК. Під дією ензиму амінотрансферази 1-напівальдегід глутамату перетворюється на δ-амінолевулінат.
Внаслідок конденсації двох молекул δ-амінолевулінату утворюється молекула порфобіліногену, ця реакція відбувається у клітинах усіх організмів. Далі впродовж серії складних ензиматичних перетворень чотири молекули порфобіліногена з’єднуються, утворюючи протопорфірин (Рис. 22-24). Після цього до складу молекули протопорфірину вводиться атом заліза, каталізує цей етап ензим ферохелатаза. У вищих еукаріотів біосинтез порфірину регулюється концентрацією утвореного продукту – гему, який за типом зворотного зв’язку інгібує перші етапи біосинтетичного шляху. У випадку генетичних порушень біосинтезу порфіринів може відбуватися накопичення проміжних метаболітів, що є причиною багатьох захворювань людини, відомих під загальною назвою порфірії (Додаток 22-1).
Розпад гему веде до утворення жовчних пігментів
Залізо-порфіринова (гемова) група гемоглобіну, що вивільняється при розпаді еритроцитів у селезінці, розщеплюється з утворенням вільного Fe3+ та кінцевого продукту білірубіну. Від інших біохімічних шляхів у організмі людини цей шлях відрізняється тим, що внаслідок відповідних реакцій утворюються забарвлені продукти.
Весь процес складається із двох етапів. На першому етапі гем перетворюється на лінійне (відкрите) тетрапірольне похідне білівердин (Рис. 22-25) у реакції, яку каталізує гемоксигеназа. Окрім білівердину продуктами реакції є також вільне залізо (Fe2+) та СО. Fe2+ швидко зв’язується з протеїном феритином, а монооксид вуглецю, який є отрутою, приєднується до гемоглобіну (див. Додаток 5-1). Оскільки утворення СО під дією гемоксигенази відбувається постійно, то загалом біля 1% гему людини перебуває в комплексі з СО, навіть якщо його немає у навколишньому середовищі.
На другоиу етапі білівердин під дією білівердинредуктази перетворюється на білірубін. В експерименті in situ ви можете на власному досвіді пересвідчитися, що ця реакція супроводжується зміною кольору. Так, внаслідок удару на вашому тілі виникає чорна чи темнофіолетова пляма (синець), спричинена вивільненням гемоглобіну зі зруйнованих еритроцитів. Через певний час колір плями стає зеленим ( колір білівердину), а згодом - жовтим (колір білірубіну). Білірубін – нерозчинна сполука і у кров’яному руслі переноситься у вигляді комплексу з альбуміном. У печінці білірубін перетворюється на жовчний пігмент – білірубіндиглюкуронід. Цей водорозчинний продукт разом з іншими компонентами жовчі секретується в тонку кишку, де під дією бактеріальних ензимів поступово перетворюється на інші продукти, переважно на уробіліноген. Певна кількість уробіліногену реабсорбується в кров, переноситься у нирки і перетворюється на уробілін - пігмент, що надає сечі жовтого забарвлення (Рис. 22-25, ліва частина). Решта уробіліногену в кишковику перетворюється (за допомогою інших мікроорганізмів) на стеркобілін (Рис. 22-25, права частина), який надає фекаліям червоно-коричневого забарвлення.
У разі порушення функції печінки чи гальмування секреції жовчі білірубін потрапляє з печінки у кров, внаслідок чого шкіра та очне яблуко набувають жовтого забарвлення. Такий патологічний стан отримав назву жовтяниця. Корисним показником для діагностування захворювання печінки у випадку жовтяниці є концентрація білірубіну в крові. Інколи жовтяниця розвивається у новонароджених, оскільки у їхньому організмі ще не синтезується у достатній кількості ензим глюкуроніл-білірубінтрансфераза, необхідний для перетворення білірубіну. Традиційним методом лікування з метою зниження надлишку білірубіну є опромінення світлом флуоресцентної лампи, під дією якого відбувається фотохімічне перетворення білірубіну на більш розчинні речовини, що легко виводяться з організму.
Проміжні сполуки, які утворюються на шляху розпаду гему, відіграють важливу роль у захисті клітин від оксидативного ушкодження та у регуляції певних клітинних функцій. Зокрема, утворюваний гемоксигеназою СО токсичний за високих концентрацій, але за дуже низьких концентрацій, які виникають при розпаді гему, він виконує регуляторні та/або сигнальні функції. Наприклад, СО діє як вазодилататор (тобто спричиняє розширення кровоносних судин) майже так само (хоча з дещо нижчою ефективністю), як оксид азоту (що обговорюватиметься нижче). Крім того, СО у низькій концентрації регулює передачу нервового імпульсу (нейротрансмісію). Білірубін - антиоксидант, вміст якого у тканинах тварин перевищує вміст інших антиоксидантів, саме його наявністю значною мірою зумовлена антиоксидантна активність сироватки крові. З’ясувалося, що захисний ефект білірубіну особливо важливий для нормального розвитку мозку новонароджених, а характерна для жовтяниці цитотоксичність може бути зумовлена тим, що вміст білірубіну перевищує вміст сироваткового альбуміну, який необхідний для його розчинення.
Враховуючи різноманітні функції продуктів розщеплення гему, можна передбачити, що метаболічний шлях його деградації регулюється, здебільшого, на першій стадії. Дійсно, у людському організмі існують принаймні три ізозими гемоксигенази (ГО). Активність ізозиму ГО-1 чітко регулюється, експресію його гену індукує вплив різних стресових умов (так званого “shear stress”, пов’язаного із напруженням, що виникає при зміщенні шарів клітин у культурі, ангіогенезу (неконтрольованого розвитку кровоносних судин), гіпоксії, гіпероксії, теплового шоку, ультрафіолетового опромінення, пероксиду водню та багатьох інших метаболічних уражень). Активність ГО-2 виявляється переважно у мозку та яєчках, експресується цей ізозим постійно. Функція третього ізозиму, ГО-3, на сьогодні з’ясована недостатньо.
Додаток 22-1 Медична біохімія
Порфірії – хвороби королів. Легенди про “вампірів”
Порфірії – це група генетичних захворювань, зумовлених дефектами певних ензимів біосинтетичного шляху, що веде від гліцину до порфірину, внаслідок чого у еритроцитах, рідинах організму та печінці накопичуються специфічні попередники порфірину. Найпоширенішою формою цих захворювань є гостра переміжна порфірія. Більшість хворих на порфірії людей є гетерозиготними і симптоми захворювання у них не проявляються, оскільки єдина копія нормального гену забезпечує достатній рівень ензиматичної активності. Однак під впливом певних факторів харчування чи середовища, природа яких залишається не встановленою, у таких людей можуть накопичуватись δ-амінолевулінат і порфобіліноген, що супроводжується гострим болем у животі та неврологічними порушеннями. Король Георг ІІІ, який правив Англією під час Американської Революції, переніс декілька нападів божевілля, що позначилося на записах, які вела ця освічена людина. Симптоми його захворювання дають підстави вважати, що Георг ІІІ страждав на гостру переміжну порфірію.
Причиною розвитку порфірії іншого типу, яка зустрічається не так часто, є накопичення уропорфіриногену І - аномального ізомеру одного з попередників протопорфірину. Ця сполука забарвлює сечу у червоний колір, зумовлює значну флюоресценцію зубів при опроміненні ультрафіолетом та підвищену чутливість шкіри до сонячних променів. Хворі на цю форму порфірії мають анемічний вигляд, що зумовлено недостатньою кількістю синтезованого гему. Саме такі генетичні порушення могли дати поштовх до створення персонажів вампірів у народних легендах.
Симптоми більшості форм порфірій тепер легко контролювати шляхом коригування дієти чи призначенням препаратів гему або його похідних.
δ –Амінолевулінат
↓ → Порфірія Досса
Порфобіліноген
↓ → Гостра переміжна порфірія – спадкова печінкова порфірія
Преуропорфіриноген
↓ → Вроджена еритропоезна порфірія
Уропорфіриноген ІІІ
↓ → Порфірія шкіри
Копропорфіриноген
↓ → Спадкова копропорфірія
Протопорфіриноген
↓ → Змішана форма порфірії – автономно домінантна печінкова порфірія
Протопорфірин
↓ → Еритропоезна протопорфірія
Гем
Амінокислоти - попередники у біосинтезі креатину та глутатіону
Фосфокреатин, похідне креатину, відіграє важливу роль у енергозабезпеченні скелетних м’язів (див. Рис. 13-5), синтезується ця сполука з амінокислот гліцину та аргініну (Рис. 22-26). а донором метильних груп слугує амінокислота метіонін у формі S-аденозилметіоніну.
У клітинах рослин, тварин та деяких бактерій, часто у високих концентраціях, міститься глутатіон (GSH), функція якого полягає у підтриманні окисно-відновної рівноваги. Глутатіон синтезується з гліцину, глутамату та цистеїну (Рис. 22-27). Спочатку γ-карбоксильна група глутамату активується за участі АТР з утворенням ацилфосфатного проміжного метаболіту, який атакує α-аміногрупа цистеїну. Далі відбувається реакція конденсації з гліцином, необхідною умовою її протікання є попередня активація α-карбоксильної групи цистеїну з утворенням ацилфосфату. Окиснена форма глутатіону (GSSG), яка утворюється внаслідок окисно-відновних реакцій, містить дві молекули глутатіону, з’єднані дисульфідним зв'язком.
Припускають, що глутатіон забезпечує відновлений стан сульфгідрильних груп протеїнів, та заліза у складі гему (Fe2+); він також виступає у ролі агента, що відновлює глютаредоксин при біосинтезі дезоксирибонуклеотидів (див. Рис. 22-39). Відновлювальна здатність глутатіону має важливе значення для нейтралізації токсичних пероксидів, що утворюються під час росту організму та у процесі метаболічних перетворень за аеробних умов:
2 GSH + R – O – O – H → GSSG + H2O + R – OH
Каталізує дану реакцію глутатіонпероксидаза. Цей ензим цікавий тим, що містить ковалентно зв’язаний атом селену (Se) у формі селеноцистеїну (див. Рис. 3-8а), необхідний для прояву ензиматичної активності.
D- амінокислоти переважно зустрічаються у клітинах бактерій
Хоча D-амінокислоти, як правило, не входять до складу протеїнів, вони виконують деякі специфічні функції у якості структурних елементів клітинних стінок бактерій та пептидних антибіотиків. Наприклад, до складу пептидогліканів бактерій (див. Рис. 20-23) входять D-аланін та D-глутамат. D-амінокислоти утворюються безпосередньо з L-ізомерів амінокислот під дією рацемаз, кофактором яких є піридоксальфосфат (див. Рис. 18-6). Рацемізація амінокислот – це процес, притаманний лише бактеріям і важливий для забезпечення їхнього метаболізму. Тому ензими, що каталізують цей процес, наприклад, аланінрацемаза, є головними мішенями дії фармацевтичних препаратів. Один з таких препаратів - L-фтораланін - використовується як антибактеріальний лікарський засіб, а інший – циклосерин - застосовується для лікування туберкульозу. Однак ці інгібітори впливають також на деякі ПФ-залежні ензими організму людини, тому вони можуть проявляти небажані побічні ефекти.
L- Фтораланін Циклосерин
Ароматичні амінокислоти є попередниками багатьох рослинних сполук
У рослинах амінокислоти фенілаланін, тирозин та триптофан перетворюються на різноманітні важливі сполуки. Так, з фенілаланіну та тирозину синтезується лігнін - полімер з жорсткою структурою. За вмістом у рослинних тканинах ця сполука поступається лише целюлозі. Структура полімеру лігніну складна і остаточно не з’ясована. Триптофан слугує також попередником рослинного гормону росту індол-3-ацетату, або ауксину (Рис. 22-28а), який регулює широке коло біологічних процесів в організмі рослини.
З фенілаланіну та тирозину синтезуються різноманітні природні сполуки, що знайшли широке практичне застосування. Це, зокрема, таніни, які пригнічують окисні процеси при дозріванні вин; алкалоїд морфін, що проявляє дуже високу фізіологічну дію; ароматичні компоненти таких приправ як коричної олії (Рис.22-28в), мускатного горіха, гвоздики, ванілі, червоного стручкового перцю тощо.
Біологічно активні аміни утворюються шляхом декарбоксилювання амінокислот
Багато важливих нейротрансмітерів є первинними або вторинними амінами, які утворюються з амінокислот достатньо простими шляхами. Окрім того, з амінокислоти орнітину, що бере участь у циклі сечовини, синтезуються деякі поліаміни, здатні утворювати комплекси з ДНК. Спільний етап багатьох із цих шляхів - реакція декарбоксилювання амінокислот, яка є ще одним прикладом ПФ-залежної реакції (див. Рис. 18-6) .
Схему синтезу деяких нейротрансмітерів наведено на Рис. 22-29. Тирозин дає початок цілій родині катехоламінів, до якої належать дофамін, норепінефрин та епінефрин. Від рівня катехоламінів залежить величина кров’яного тиску та багато інших фізіологічних показників. Наприклад, розвиток неврологічного захворювання - хвороби Паркінсона - пов'язаний з недостатнім утворенням дофаміну, а тому для її лікування використовують препарат L-допа (інша назва - леводопа). Підвищений вміст дофаміну у мозку може бути однією з причин психічних порушень, таких як шизофренія.
Шляхом декарбоксилювання глутамату утворюється γ-амінобутират (γ-аміномасляна кислота, або ГАМК) - нейротрансмітер гальмівної дії. У випадку надлишкової продукції цієї сполуки спостерігаються епілептичні напади, тому аналоги ГАМК застосовують для лікування епілепсії, а також гіпертензії. Вміст ГАМК можна підвищити, призначаючи хворим інгібітори ГАМК-амінотрансферази – ензиму, що розщеплює ГАМК. Інший важливий нейротрансмітер, серотонін, синтезується із триптофану впродовж двох етапів.
Внаслідок декарбоксилювання гістидину утворюється гістамін, сполука, яка проявляє сильний судинорозширювальний (вазодилаторний) ефект у тканинах тварин. Значна кількість гістаміну вивільняється у випадку алергічної реакції, він також стимулює секрецію кислоти у шлунку. Постійно зростає кількість різноманітних фармацевтичних препаратів, які розробляються з метою впливу на синтез або на дію гістаміну. Як приклад такого препарату можна навести антагоніст рецептора гістаміну циметидин (тагамет), який є структурним аналогом гістаміну:
Циметидин ( тагамет)
Цей препарат пригнічує секрецію кислоти у шлунку, що сприяє загоюванню виразок дванадцятипалої кишки.
Поліаміни спермін та спермідин, які беруть участь в упаковці ДНК, синтезуються з метіоніну та орнітину шляхом, зображеним на Рис. 22-30. Першим етапом цього шляху є декарбоксилювання орнітину, попередника аргініну (Рис. 22-10). ПФ-залежний ензим орнітиндекарбоксилаза, що каталізує цю реакцію, є мішенню дії декількох сильних інгібіторів, які застосовуються в якості лікарських препаратів (Додаток 22-2).
Аргінін – попередник у біосинтезі оксиду азота
Дивовижним відкриттям середини 1980-х років було встановлення того факту, що оксид азоту (NO), відомий раніше лише як компонент смогу (густого туману з димом і кіптявою), насправді виконує роль важливого біологічного месенджера. Ця проста газоподібна сполука легко проникає крізь клітинні мембрани, але через високу реакційну здатність може дифундувати лише у радіусі близько 1мм від місця синтезу. В організмі людини NO відіграє важливу роль у регуляції низки фізіологічних процесів, таких як передача нервових імпульсів, зсідання крові, контроль кров’яного тиску. Механізм дії NO описано у розділі 12 ( стр. ).
Оксид азоту синтезується з аргініну у NADPH-залежній реакції, яку каталізує синтаза оксиду азоту – димерний ензим, за структурою подібний до NADPН-цитохром-Р-450-редуктази (див. Додаток 21-1). У ході цієї реакції відбувається окиснення за участю п’яти електронів. Кожна субодиниця ензиму містить одну зв'язану молекулу кожного з чотирьох кофакторів: ФМН, ФАД, тетрагідробіоптерину та Fe3+-гему. Молекула NO нестійка і не може довго зберігатися. Її синтез стимулюється у випадку взаємодії синтази оксиду азоту з Са2+-кальмодуліном (див. Рис. 12-21).
Підсумок 22.3 Біомолекули, що утворюються з амінокислот
З амінокислот походять багато важливих біомолекул. Гліцин є попередником у синтезі порфіринів. Внаслідок розщеплення залізо-порфірину (гему) утворюється білірубін, який перетворюється на жовчні пігменти, що виконують важливі фізіологічні функції.
З гліцину та аргініну утворюються креатин та фосфокреатин, які відіграють роль енергетичного буфера. Із залученням трьох амінокислот синтезується важливий внутрішньоклітинний відновлювальний агент глутатіон.
Бактерії здатні синтезувати D-амінокислоти з L-амінокислот у реакціях рацемізації, які потребують наявності піридоксальфосфату. D-амінокислоти входять до складу клітинних стінок окремих видів бактерій та до складу деяких антибіотиків.
Ароматичні амінокислоти виступають попередниками в синтезі багатьох рослинних сполук. У ході ПФ-залежних реакцій декарбоксилювання певних амінокислот утворюються важливі біологічні аміни, у тому числі нейротрансмітери.
Аргінін є попередником у синтезі оксиду азоту, що виконує функцію біологічного месенджера.
Додаток 22-2 Медична біохімія
Лікування африканської сонної хвороби за допомогою біохімічного Троянського коня
Збудником африканської сонної хвороба, відомої також як африканський трипаносомоз, є представники найпростіших (одноклітинних еукаріотів) трипаносоми (Рис. 1). Ця хвороба (як і інші захворювання, спричинені трипаносомами) завдає значної шкоди здоров’ю населення та економіці багатьох країн, що розвиваються. Донедавна ця хвороба була практично невиліковною. Неефективним виявилося застосування вакцин, тому що паразит у певний, нез’ясований спосіб уникає дії імунної системи господаря.
До складу клітинної оболонки трипаносоми входить протеїн, що має антигенні властивості, на які реагує імунна система людини. Однак час від часу, внаслідок генетичної рекомбінації (див. Табл. 28-1) у деяких клітинах популяції трипаносом запускається синтез нового протеїну оболонки, який не розпізнається імунною системою господаря. Такий процес “ зміни оболонки “ може відбуватися сотні разів, внаслідок чого виникає хронічний цикл ураження: температура тіла господаря спочатку підвищується, але згодом по мірі того, як імунна система справляється з першою хвилею інфікування, нормалізується; після цього трипаносоми зі зміненою оболонкою спричиняють другу хвилю інфікування і температура тіла знову підвищується. Такий цикл може повторюватися упродовж багатьох тижнів і врешті решт уражена людина гине.
З урахуванням нових знань щодо метаболізму та ензимології трипаносом розроблено сучасні методи лікування африканської сонної хвороби. Один з таких методів грунтується на застосуванні фармацевтичного препарату, що належить до інактиваторів ензимів, дія яких ґрунтується на основі механізму реакції (самовбивчі інактиватори, стр. ). Уразливим місцем у метаболізмі трипаносоми є шлях біосинтезу поліамінів. Клітини, що швидко діляться, потребують значної кількості поліамінів сперміну та спермідину для упаковки ДНК. Перший етап біосинтезу поліамінів каталізує ПФ-залежний ензим орнітиндекарбоксилаза (див. Рис. 22-30). У клітинах ссавців відбувається швидкий обмін орнітиндекарбоксилази, тобто постійно функціонує цикл розщеплення та синтезу ензиму. Натомість у деяких трипаносом орнітиндекарбоксилаза з певних, ще недостатньо зрозумілих причин, стабільна і заміна молекул відбувається не так швидко. Тому інгібітор орнітиндекарбоксилази, що необоротно зв’язується з ензимом, слабо впливає на клітини людини (оскільки замість інактивованого ензиму там швидко синтезується нова його молекула), проте згубно діє на організм паразита.
Початкові етапи реакції, яку каталізує орнітиндекарбоксилаза, наведено на рис. 2. Як тільки відбувається вивільнення СО2, електрони починають рухатися у зворотному напрямку і синтезується путресцин (див. Рис. 22-30). З урахуванням цього механізму реакції було запропоновано декілька самовбивчих інактиваторів, одним з яких є дифторметилорнітин (ДФМО). У водному розчині ця сполука відносно інертна, проте зв’язування її з орнітиндекарбоксилазою спричиняє швидке інактивування ензиму. (Рис. 3). Інгібітор діє як альтернативний „перехоплювач” електронів, що зумовлено наявністю двох атомів фтору у складі його молекули, які займають стратегічне положення та можуть легко від’єднуватися. Оскільки електрони рухаються не до кільцевої структури ПФ, а до ДФМО, то реакція завершується заміщенням атома фтору. Атом S залишку Cys, розташованого в активному центрі ензиму, ковалентно зв’язується з високореактивним аддуктором - комплексом піридоксальфосфату та інгібітора, що робить реакцію практично необоротною. Так інгібітор, використовуючи механізм дії самого ензиму, інактивує його.
Клінічні випробування підтвердили високу ефективність ДФМО як засобу для лікування африканської сонної хвороби, тепер його використовують також для лікування іншої форми цієї хвороби, викликаної T. brucei gambiense. Описаний методичний підхід відкриває нові перспективи у лікуванні широкого кола захворювань. Розробка ліків з урахуванням структури ензиму та механізму його дії може доповнювати традиційні методи „проб і помилок” і сприяти удосконаленню фармацевтичних препаратів.
Рисунок 1. Trypanosoma brucei rhodesiense, один з видів трипаносом - збудника африканської сонної хвороби.
Рисунок 2. Механізм орнітиндекарбоксилазної реакції.
Орнітин
Піридоксальфосфат
Шифова основа
Путресцин
Рисунок 3. Механізм інгібування орнітиндекарбоксилази дифторметилорнітином.
ДФМО
Піридоксальфосфат
Шифова основа
Ензим
Ензим
наступні перегрупування
Інактивація!