Marri_i_dr_-_Biokhimia_cheloveka_tom_1

тезировать «легкие» аминокислоты и YTpё:lTa способ­

ности к синтезу <прудных» имеют определенные

биологические преимущества.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Медицинская значимость материала этой главы обусловлена серьезными последствиями дефицита

незаменимых аминокислот, возникающего из-за их

отсутствия в составе пищи или присутствия в недо­

статочных количествах. Некоторые злаки относите­ льно бедны триптофаном и лизином, и В тех райо­ нах, где основным источником пищевого белка ~лу­ жат именно эти растения, а другие источники белка

(молоко, рыба или мясо) в пище отсутствуют, у насе­ ления часто наблюдаются СJIучаи тяжелой недоста­

точности аминокислот. В ряде районов Западной

Африки широко распространены детская дистрофия

(квашиоркор) и кахексия. Квашиоркор развивается

в тех случаях, когда ребенок после отнятия от груди

переводится на обедненную белком крахмальную

диету. Кахексия является следствием малокалорий­

ной диеты, обедненной специфическими аминоки­

слотами.

БИОСИНТЕЗ ЗАМЕНИМЫХ АМИНОКИСЛОТ

а три (Cys, Tyr и Нуl)-из незаменимых аминоки­

слот.

Центральное место в биосинтезе аминокислот за­

нимают глутаматдегидрогеназа, глутаминсинтаза

и трансаминазы. Благодаря совместному действию

этих ферментов катализируется включение неорга­

нического иона аммония в а-аминогруппу аминоки­

слот.

Глутамат

Восстановительное аминирование а-кетоглутара­

та катализируется глутаматдегидрогеназой (рис.

29.1). Помимо того что эта реакция приводит к обра­

зованию L-глутамата из амфиболического метабо­

лита, а-кетоглутарата, она является ключевой ста­

дией биосинтеза многих других аминокислот.

Глутамин

Биосинтез глутамина из глутамата катализиру­

ется глутаминсинтетазой (рис. 29.2). Данная реакция

имеет как сходство с реакцией, катализируемой глу-

Рис. 29.3. Образование аланина путем переаминирования ПИРУВi.lта. Донором аминогруппы может быть глутамат

или i.lспартат. Другим продуктом реакции служит а-

кетоглутарат или оксалоацетат.

таматдегидрогеназой, так и отличия от нее. В обоих

случаях «фиксируется» неорганический азот, кото­

рый в одном ~лучае включается в аминогруппу, а

в другом-в амидную группу. Обе реакцци сопря­

жены с сильно экзергоническими реакциями: в слу­

чае глутаматдегидрогеназы с окислением NAD(P)H,

а в случае глутаминсинтетазы с гидролизом АТР.

Аланин и аспартат

L-аланин образуется из пирувата путем переами­

нирования с глутаматом, а L-аспартат-тем же пу­

тем из оксалоацетата (рис. 29.3). Перенос а-ами­ ногруппы глутамата на амфиболические метаболи­

ты иллюстрирует .участие трансаминаз в процессах

включения иона аммония в а-аминогруппы амино­ кислот.

Аспараrин

Образование аспарагина из acnapTaTa, катализи­

руемое аспарагинсинтетазоЙ. (рис. 29.4), сходно с синтезом глутамина (рис. 29.2). Аспарагинсинтета­

за млекопитающих в качестве источника азота испо­

льзует не ион аммония, а глутамин и, следовательно,

не «фиксирует» неорганического азота. Бактериаль­

ные же аспарагинсинтетазы используют ион аммо­

ния, следовательно, «фиксируют» неорганический азот. Как и в случае других реакций, сопровождаю­

шихся образованием PPj , последующий гидролиз PPj

ДО Pj с участием пирофосфатазы обеспечивает эне­

ргетически благоприятные условия для .протекания

реакции.

Серии

Серин образуется из гликолитического промежу­ точного продукта D-3-фосфоглицерата (рис. 29.5). а­

гидроксильная группа при участии NAD+ окис­

ляется в оксогруппу; далее в результате переамини­

рования образуется фосфосерин, который затем де­

фосфорилируется, образуя серин.

Глицин

Синтез глицина в тканях млекопитающих осу­ ществляется несколькими путями. В цитозоле печени

содержится глицинтрансаминаза, катализирующая

синтез глицина из глиоксилата и глутамата (или ала­

нина). В отличие от большинства реакций переами­

нирования равновесие этой реакций сильно смещено в направлении синтеза глицина. Два важных допол­

нительных пути, функцио~ирующие у млекопитаю­ щих, используют для образования глицина холин

(рис. 29.6) и серин; в последнем случае катализ осуществляется серингидроксиметилтрансферазой

(рис. 29.7).

Пролии

у млекопитающих и некоторых других ОРI:'аниз­ мов пролин образуется из глутамата путем обраще­ ния реакций катаболизма пролина (рис. 29.8).

Гидроксипролин

Поскольку пролин служит предшественником гидроксипролина, ТО'обе аминокислоты рассматри­

вают как принадлежащие к глутаматному семейству

аминокислот. Хотя в тканях млекопитающих встре­

чаются как 3-, так и 4-гидроксипролин, в последую­

щем изложении. речь будет идти исключительно

о mранс-4-гидроксипролине.

302 Глава 29

'..ОН

~o-

0-0 о

~З-ФосФоглицерат

KNAD+

NADH+H+

О

~o-

0-0 о

Фосфогидроксипируват

r:-аAK-КК

NНэ +

~o-

®-о о

Фосфо-L -серин

f:H'O

Pj

NНэ +

r'v0-

НО о

L-Серин

Рис. 29.5. Биосинтез серина. а-АК- а-аминокислота, а- КК- а-кетокислота.

Гидроксипролин, как и гидроксилизин, содержи­

тся в тканяХ практически только в составе коллагена,

на долю которого приходится большая часть белка

ворганизме млекопитающих. В коллагене одна

треть аминокислотных остатков приходится на гли­

цин и еще одна треть на пролин и гидроксипролин.

Гидроксипролин, представленный в коллагене весь­ ма большим числом остатков, стабилизирует трой­

ную спираль коллагена по отношению к действию протеаз. В отличие от гидроксилизина, гидроксиль­

ная группа которого служит местом присоединения остатков галактозы и глюкозы, гидроксильные груп­ пы гидроксипролина в коллагене остаются незаме­

щенными.

Уникальной особенностью метаболизма гидрок­

сипролина и гидроксиЛизина является то обстояте­

СНз

I

:~

РН)1""'хО_л_мн_О_К_сМА_.3I_.....

Нз~+/С~ t

H/t

')('0-

Дмметилглнчнн О

)СН,о)1......----,

Формаль.аегмд +

NИЗ

l 0-

Глицмн ')('"

О

l-Глутамат

NADH+H+

HzO

{: NAD+

О

~O­

~H ~H+

l -глутамат-,),-nолуальдегид

~H'O

О

~O­

~~H+

6.2- Пиррол"дин-5-карбоксилат

~NADH+H+

~NAD+

~o­

L ~H2' '

l-Пролин

Рис. 29.8. Биосинтез пролина из глутамата путем обраще­

ния реакций катаболизма пролина.

Рис. 29.9. Реакция, катализируемая пролил-гидроксилазоЙ. Субстратом служит богатый пролином пептид. В результа­

те реакции один атом молекулярного кислорода поступает

в сукцинат, а другой--в пролин (установлено с использо-

ванием 18О2).

Цистеии

Цистеин,"не относящийся к незаменимым амино­ кислотам, образуется из незаменимого метионина и заменимого серина. Сначала происходит превра­

щение метионина в гомоцистеин с образованием на

промежуточиых стадиях S-аденозилметионииа и s-

аденозилгомоцистеина (см. гл."ЗI). Превращение го­

моцистеина и серина в цистеин игомосерин показа­

но на рис. 29.10.

Тирозии

Тирозин образуется из фенилаланина в реакции, катализируемой фенилаланингидроксилазой (рис. 29.11), поэтому фенилаланин относится к незамени­

мым аминокислотам, а тирозин-- нет (при УС.i10ВИИ,

что диета содержит достаточное количество фенила­

ланина). Реакция необратима, и поэтому ТИРОЗИII не

может заменить пищевой фенилаланин. Феннлала­

иингндроксилазиый комплекс является оксигеназой

со смешанной функцией, она имеется в печени мле­ копитающих и отсутствует в других тканях. В резу-

L -Гомосерин

Рис_ 29.10. Превращсние гомоцистеина и серина в гомосс­ рин И цистеин. Атом серы поступает в цистеин от метиони­ на, углеродный скелет-от серина.

ЛЬТё:lТе реакции один атом молекулярного кислорода

вкЛючается в пара-положение фенилаланина, а другой

восстанавливается, образуя воду (рис. 29.11). Восста­

новительные эквиваленты, первоначально постав­

ляемые NADPH, затем передаются непосредственно

участвующему в реакции тетрагидробиоптерину­

птеридину, подобному по структуре фрагменту фо­

лиевой кислоты.

Гидроксилизии

Рис. 29.11. Реакция, катализируемая фенилаланин­

гидроксилазоЙ. Она осуществляется с участием двух типов

активности. Активность 11 катализирует восстановление дигидробиоптерина за счет NADPH, активность 1 - восстановление 02 в Н2О И превращение фенилаланина

в тирозин. Нарушения хода этой реакции лежат в основе

нарушений метаболизма фенилаланина, которые обсу-

ждаются в гл. 31.

БИОСИНТЕЗ НЕЗАМЕНИМЪIХ

АМИНОКИСЛОТ

Ниже кратко описан биосинтез незаменимых

аминокислот, осуществляемый в бактериях из глута­

мата, аспартата или других амфиболических мета­ болитов. В тканях млекопитающих эти реакции не

происходят.

Аргииии

Аргинин- незаменимая пищевая аминокислота

для человека в период его роста - может синтезиро­ ваться у крыс, но в таких количествах, которые не достаточны для нормального роста этих животных.

~етиоиии и треоиии

После превращения аспартат-Р-полуальдегида

в гомосерин пути биосинтеза метионина и треонина расходятся. Взаимопревращения гомосерина и ме­ тионина обсуждаются в гл. 31.

Лизии

Бактерии образуют лизин из аспартат­

Р-полуальдегида путем его конденсации с пирува­ том. Образующийся при этом дигидропиколинат

выполняет также определенную роль при образова­ нии спор у некоторых спорообразующих бактерий;

другое промежуточное соедИнение - диаминопиме­

лат участвует в образовании клеточной стенки бак.;. терий.

Биосинтез лизина в дрожжах начинается с а­ кетоглутарата и ацетил-СоА и проходит серию реак­

ций, аналогичных реакциям цикла лимонной кисло­

ты, катализируемых группой ферментов с несколько иной субстратной специфичностью.

Лейции, валия и изолейции

Хотя лейцин, валин и изолейцин являются неза­

менимыми аминокислотами для человека, а также

других высших животных, в тканях млекопитающих

имеются трансаминазы, катализирующие обрати­

мые взаимопревращения всех трех указанных ами­

нокислот и соответствующих Q-кетокислот (см. гл.

31). Этим объясняется способность соответствую­

щих кетокислот заменять рассматриваемые амино­

кислоты в диете.

Гистидин

Гистидин подобно аргинину может быть назван

полунезаменимым. Организм взрослого человека

и зрелой крысы в течение некоторого периода может поддерживать азотистый баланс и в отсутствие ги­ стидина. Растущий организм, однако, нуждается в ГИСТИдИне. Вполне вероятно, что если бы были про­ ведены испытания в течение более длительного пе­

риода времени, была бы выявлена потребность в

ГИСТИдИне и у взрослого человека.

Процесс биосинтеза начинается с S-фосфорибо­ зил-I-пирофосфата (PRPP), который конденсируется

с АТР с образованием N'-(S-фосфорибозил)-АТР.

Эта реакция, следовательно, сходна с начальной ста­

дИей биосинтеза пуринов.

ЛИТЕРАТУРА

Burnstein Р. ТЬе biosynthesis of collagen, Annu. Rev. Bioc- Ьет., 1974,43, 567. .

Calvo J. М., Fink G. R. Regulation of biosynthetic pathways in bacteria, Annu. Rev. Biochem., 1971, 40, 943.

Cardinale G. J., Udenfriend S. Prolyl hydroxylase, Adv. Ensi- то)., 1974, 41, 245.

Rosenberg L. Е., Scriver С. R. Disorders of amino acid metabolism, СЬар. ter 11. In: Metabolic Control and Disease, Bondy Р. К., Rosenberg L. Е. (eds), Saundcrs, 1980.

Tyler В. Regulation of the assimilation of nitrogen compounds, Annu. Rev. Biochem., 1978, 47, 1127.

Umbarger Н. Е. Amino acid biosynthesis and its regulation, Ап­ nu. Rev. Biochem., 1978, 47, 533.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Аммиак, образующийся главным образом из а­

аминогрупп аминокислот, потенциально токсичен

для человека. Механизм этой токсичности до конца не выяснен. Организм избавляется от аммиака, пре­ вращая его в нетоксичную мочевину. Нормальный ход метаболического превращения аммиака в моче­ вину (цикл мочевины) имеет важное значение для со­ хранения здоровья. При серьезных расстройствах в работе печени- например, при обширном циррозе

(замещении нормальных клеток печени фибробла­

стами и коллагеном) или тяжелом гепатите­

аммиак накапливается в крови, вызывая определен­

ные клинические симптомы. Лечение детей, стра­ дающих врожденной недостаточностью одного из

ферментов цикла мочевины, должно быть основано

на понимании биохимии образования мочевины.

Общая картина

у здорового взрослого человека обновление бел­ ков в норме составляет 1-2% от общего количества белков тела за сутки и связано преимущественно

с деградацией мы ечныыx белков до аминокислот.

При этом примерно 75-80% высвободившихся аминокислот снова используется в синтезе белков. Оставшаяся часть метаболизируется до конечных Iфо­ дуктов азотистого обмена, удаляемых из организ­

ма, а также превращается в глюкозу, кетоны и (или)

углекислый газ (рис. 30.1). Суточная деградация белков составляет 30-40 г. Поскольку примерно 16% массы белка приходится на азот, суточные по­

тери азота составляют 5-7 г. Дi'IЯ поддержания нор­ мального стационарного состояния взрослый орга-

I АминокислоТ.,' 1

К8Т8болизм

(5-7 r 83ОТ8 8 С!lТICИ ,

Рис. 30.1. Количественные соотношения при обновлении белков и аминокислот.

низм нуждается в потреблении в среднем 30-60 г белка или эквивалентного количества аминокислот; при этом важное значение имеет качество беJlКа. В данном случае речь идет о соответствии содержа­ ния незаменимых аминокислот в пищевом белке со­ держанию их в синтезируемых белках. Независимо

от источника аМИНОКИС.i'IОТ все те аминокислоты, ко­

торые сразу же не входят в состав нового белка, бы­

стро распадаются, т. е. избыток аминокислот не запа­ сается. Следовательно, излишнее потребление ами­ нокислот бесполезно: хотя избыточные аминокисло­ ты подвергаются катаболизму с выделением эне­ ргии, эту функцию более эффективно выполняют

углеводы и липиды.

Для описания метаболизма азота в диетологии

и медицине широко используется ряд терминов. Азо­

тистый баланс означает разность между общим ко­

личеством азота, поступившим в организм человека

(или другой организм), и общим количеством экскретируемого азота. Если азота поступает боль­

ше, чем экскреТИРу'ется, говорят, что данный инди­

видуум имеет положительный азотистый баланс. Ва­ жные примеры: период роста и беременности; азоти­ стый баланс положителен как у здорового растущего

тельного дезаминирования. а углеродный скелет переходит в состав амфиболических интермедиатов. у некоторых организмов (рыб) конечным продук­

том катаболизма азота является свободный аммиак;

такие организмы называют аммонотелическими.

Другие организмы (птицы и земноводные) выде­ ляют азот в виде мочевой кислоты, их называют ури­ котеJlllЧeСКIIМII. Организмы млекопитающих выде­

ляют азот в виде мочевины и называются уреотели­

ческами.

Аммиак токсичен для центральной нервной систе­

мы. Механизм токсического действия не совсем ясен,

но. по-видимому он связан с обращением реакции, катализируемой глутаматдегидрогеназой (см.

ниже), в результате уменьшается количество а­ кетоглутарата. Мочевая кислота и ее соли очень сла­

бо растворимы в воде и осаждаются в тканях

и меЖТICаневых жидкостях при концентрациях выше

нескольких миллиграммов на 100 мл. Следователь­

но, к этим конечным продуктам метаболизма азота

высшие организмы не являются достаточно толе­

рантными. Поэтому человек и другие млекопитаю­ щие превращают конечные продукты азотистого об­

мена в высокорастворвмое нетоксичное соедивеиие­

мочевиву.

о

11

Н2Н-С-НН2

Мочевина

Мочевина

Рис. 30.2. Поток азота в ходе катаболизма аминокислот. Хотя изображенные здесь реакции являются обратимыми,

они представлены как однонаправленные, чтобы подчер­

кнуть направление потока метаболитов в процессе катабо-

лизма аминокислот у млекопитающих.

и в процессах биосинтеза аминокислот (см. гл. 24), в данной главе мы будем их рассматривать с точки

зрения катаболизма аминокислот.

ПЕРЕАМИНИРОВАНИЕ

Переаминирование, катализируемое ферментами травсаминазама (аминотравсферазами), представляет

собой взаимопревращеmtе пары аминокислот и па­

ры кетокислот. Обычно это а-аминокислоты и а­ кетокислоты (рис. 30.3).

Пирид~>ксальфосфат является обязательным

компонентом активного центра трансаминаз и мно­

гих других ферментов, для которых субстратами служат аминокислоты. Во всех пиридоксальфосфат­ зависимых реакциях аминокислот начальной ста­

дией является образование связанного с ферментом

интермедиата- шиффова основания. Интермедиат стабилизируется путем взаимодействия скатионной областью активного центра; далее он перестраивае­

тся с освобождением кетокислоты и образованием

Рис. 30.3. Переаминирование. В реакции участвуют 1.ве а­

аминокислоты и две u-кетокислоты. В переаминировании могут участвовать не только а-амино- или а-карбонильные группы, но такие случаи относительно редки. Реакция легко

обратима. константа равновесия близка к единице.

равновесия для большинства реакций переаминиро­ вания близка к единице, переаминирование является легко обратимым процессом. Это позволяет транс­ аминазам функционировать и в процессах катабо­ лизма, и в процессах биосинтеза аминокислот.

лизин, треонин и циклические иминокислоты пролин

и гидроксипролин. Переаминирование не ограниче­ но только а-аминогруппами. Легко вступает в реак­ цию также Б-аминогруппа орнитина (но не Е­ аминогруппа лизина), при этом образуется глута­

мат-у-полуальдегид (см. рис. 31.3). При некоторых

заболеваниях наблюдается повышение концентра­ ции трансаминаз в сыворотке (см. Приложение).

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ

В печени и почках ~екопитающих происходит

окислительное превращение многих аминокислот

в соответствующие кетокислоты. Большая часть

активности в отношении L-а-аминокислот обусловле­

на сопряженным действием трансаминаз и L-

NНз

я/ 'с/

11

о

а-Аминокислота

NADP+, т. е. что оба кофермента могут быть использова­

ны в качестве косубстратов. Реакция обратима. н,? констан­

та равновесия ее благоприятна для образования глутамата.

a-КеТОКИСЛОТ8

Рис. 30.5. Окислительное дезаминирование, катализируе­

мое оксидазой L-аминокислот (L-а-аминокислота: кисло­ род-оксидоредуктаза)_ Заключенная в скобки а- иминокислота является нестабильным интермедиатом

активность весьма низка, а на глицин, L-изомеры ди­

карбоновых аминокислог и Р-гидрокси-а-ами­

нокислот она вообще не действует. Едва ли этот фермент играет существенную роль в катаболизме

правлять азот из глутамата для синтеза мочевины

(катаболизм), но также и в том, чтобы катализиро­

вать амииироваиие а-кетоглутарата свободным ам­

миаком (см. гл. 29).

ОБРАЗОВАНИЕ АММИАКА 1

Помимо аммиака, образующегося в тканях, зна­

чительное количество его образуется кишечными бактериями из пищевого белка, а также из мочеви­

ны, содержащейся в жидкостях, секретируемых в же­

лудочно-кишечный тракт. Из кишечника аммиак по­

аминокислот у млекопитающих.

Оксидаза D-аминокислот у млекопитающих представляет собой F АD-содержащий флавопро­ теин, обладающий широкой субстратной специфич­ ностью, фермент обнаружен в печени и почках боль­ шинства млекопитающих. D-аспарагин и о­ глутамин не окисляются этим ферментом, а глицин

и D-изомеры кислых и основных аминокислот

являются плохими субстратами. Физиологическое значение этого фермента у млекопитающих не­

ступает в кровь венозной воротной системы (для

этой крови характерно повышенное содержание ам­ миака), в нормальных условиях печень быстро изв­ лекает аммиак из крови воротной вены, так что кровь, выходящая из печени (как'и вся кровь общей системы кровообращения), практически не содержит

аммиака. Это весьма существенно, так как послед­ ний даже в небольших количествах токсичен для цен­

тральной нервной системы. Симптомами аммиачио­ го отравления являются своеобразный тремор, не­

L-Глутаматдеrцдроrеназа

Аминогруппы большинства аминокислот в ко­

нечном итоге путем переаминирования переносятся

на а-кетоглутарат с образованием глутаматаl (рис.

30.2). Освобождение азота аминогруппы глута­

мата в виде аммиака катализируется L-глута­

матдегидрогеиазой-ферментом с высокой ак­

тивностью, широко распространенным в тканях

млекопитающих (рис. 30.6). Глутаматдегидрогеназа

печени является регуляторным ферментом; ее актив­ ность ингибируется аллостерическими эффектами,

такими, как АТР, GTP и NADH, и стимулируется

АОР. На активность глутаматдегидрогеназы

влияют 'некоторые гормоны.

Глутаматдегидрогеназа может использовать в

качестве косубстрата как NAD+, так и NADP+. Реак­ ция обратима и функционирует в процессах как ката­

болизма, так и биосинтеза аминокислот. Поэтому ее функция заключается не только в том, чтобы на-

ный исход. Эти симптомы подобны тем, которые ха­

рактерны для синдрома печеночной комы, разви­ вающейся при повышении концентрации аммиака

в крови и, вероятно, в мозгу. Аммиачное отравле­

ние, по-видимому. является важным этиологическим

фактором печеночной комы. Поэтому лечение на­

правлено, в частности, на снижение уровня аммиака

в крови.

При тяжелых нарушениях функции печени, а так­

же при развитии коллатеральных путей между систе­

мой воротной вены и общей системой кровообраще­

ния (что нередко происходит при циррозе печени) кровь из воротной системы может миновать печень.

Тогда содержание аммиака в системе кровообраще­

ния может увеличиться до токсического уровня. Хи­

рургические операции по шунтированию воротной

I При физиологических значениях рН аммиак присут­

ствует почти исключительно в виде иона NH~.