Marri_i_dr_-_Biokhimia_cheloveka_tom_1

l50

Н:;>

+НзN~N~N~NН+

2.

Спермин

полиаМ~И02

оксидаза

О

Н2.02. ~NНз+

/J·Аминопропиональдегид

+Н2

HsN~N~NH;

СпермидИН

полиам~н.02

Глава 32

Образование серотонина значительно увеличи­

вается при злокачес),венном карциноиде (аргентаф­

финоме). Это заболевание характеризуется распро­

странением серотонин-образующих опухолевых кле­ ток в аргентаффинной ткани брюшной полости. При карциноиде наблюдается нарушение метаболизма триптофана, в результате которого значительно бб­

льшая, чем в норме, доля триптофана метаболизи­

рует по пути образования гидроксииндола. В норме

всеротонин превращается лишь 1% триптофана, а

упациентов с карциноидом 60%. Такое отклонение

метаболизма от основного пути значительно сни­ жает образование из триптофана никотиновой ки­

слоты; в результате могут наблюдаться симптомы

пеллагры, а также отрицательный азотистый баланс.

Другими метаболитами серотонина, идентифициро­

ванными в моче больных карциноидом, являются 5-

гидроксииндолацетурат (конъюгат глицина и 5-

+H"N~NH+

3

Путресцин

~

~

NH; + С02

Рис. 32.7. К~таБОJlИ·JМ· ПОЛlJaМИНОВ. Д.1Я Нi:lГJl~ЛНОСТИ

структуры приве/\ены в схематизироваНl-Ю"\1 DЮlе

лаланина в тирозин (рис. 29.11). причем печеночная фенилаланингидроксилаза катализирует также и

гидроксилирование триптофана. При декарбокси­ лировании 5-гидрокситриптофана образуется 5-

гидрокситриптамии (серотоиии) (рис. 32.8, реакция

1) - мощный сосудосуживающий агент и стиму­

лятор сокращения гладких мышц.

5-Гидрокситриптофан-декаР90ксилаза, образую­ щая серотонин из гидрокситриптофана,· находится в почках (свинья, морская свинка), печени и желудке. Однако декарбоксилирование 5-гидрокситрипто­ фана может осуществляться и более широко распро­ страненной декарбоксилазой ароматических L-

аминокислот.

Большая часть серотонина подвергается окисли­

тельному дезаминированию с образованием 5-

гидроксииндолацетата. Ферментом, катализирую­

щим эту реакцию, является моиоаминоксидаза (рис. 32.8, реакция 2). К числу ингибиторов этого фермен­ та относится ипрониазид. Предполагают, что психи­

ческая стимуляция, наступающая после приема это­

го лекарства, обусловлена его способностыо про­

лонгировать действие серотонина благодаря· инги­

бированию моноаминоксидазы. В моче здорового

человека в составе суточной порции экскретируется 2-8 мг 5-rидроксииндолацетата:

гидроксииндолацетата) и конъюгат N-ацетил­

серотонина с глюкуроновой кислотой.

Мелатоиии

Мелатонин образуется из серотонина путем N- ацетилирования (рис. 32.8, реакция 3) и последующе­

го метилирования 5-гидроксильной группы (рис. 32.8, реакция 4). Метилирование происходит в ткани

шишковидной.железы. Наряду с метилированием N-

ацетилсеротонина происходит также прямое мети­

лирование серотонина (рис. 32.8, реакция 5) и его ме­ таболита 5-гидроксииндолацетата (рис. 32.8, реак­

ция 6).

Серотонин и 5-метокситриптамин окисляются

в соответствующие кислоты моноаминоксидазоЙ.

Циркулирующий мелатонин захватывается всеми

тканями, включая мозг, однако быстро подвергается

гидроксилированию по положению 6 и затем конъю­ гирует с сульфатом (70%) и глюкуроновой кислотой

(6О/о); часть его превращается в продукты неиндоль­ пой природы.

Индольиые производиые в моче

Триптофан может превращаться в различные ин­

дольные производные (рис. 32.8). Конечными про­

дуктами этих превращений, экскретируемыми с мо­ чой, являются в основном 5-гидроксииндола­

цетат, главный продукт гидрокситриптофан­ серотонинового пути, и индол-3-ацетат, образую­ щийся путем декарбоксилирования и окисления ин­ долпирувата- кетокислоты. соответствующей триптофану.

Почки и печень млекопитающих, а также бакте­ рии фекалий человека декарбоксилируют триптофан с образованием триптамина, который затем оки­ сляется в индол-3-ацетат. Больные фенилкетонурией

экскретируют с мочой повышенные количества ин-

МЕЛАНИНЪI

Эумеланииы представляют собой нерастворимые

гетерогенные высокомолекулярные гетерополимеры

(черного или коричневого цвета) 5,6-ди­ гидроксииндола и некогорых его биосинтетиче­

ских предшественников. Феомеланины - это желтые или красновато-коричневые полимеры с высокой молекулярной массой, однако растворимые в раз­

бавленных щелочах. Низкомолекулярные трихохро­ ~ близки к феоме~анинам (оба вида соединений образуются из цистеина, и допахинона)_ Феомелани­

ны и трихохромы В основном находятся в составе

ром, обрывом пу:гей биосинтеза. сложным химиче­

ским строением меланиновых гетерополимеров и их

нерастворимостью. Эти же факторы затрудняют определение их структуры. Меланины синтезирую­

тся вмеланосомах - частицах, связанных с мембра­

ной и находящихся в меланоцитах - клетках, обра­

зующихся в эмбриогенезе из нервного валика_ Расту­ щий полимер эумеланина, как полагают, может

улавливать свободные радикалы; он может также частично деградировать под действием Н2О2, обра­

зующейся в ходе автоокислительных процессов.

Феомеланины и эумеланины вступают в комплексы с белками меланосомного матрикса, образуя мела­

руется тирозиназой- медьсодержащим ферментом.

Тирозиназная реакция нарушается при альбинизме

глаз и кожи, негативном по тирозиназе (см. ниже).

Принимая во внимание большое число реакций

в процессе биосинтеза меланинов, можно полагать, что метаБOJшческие нарушения биосmпеза мелаmrnов

MOгyr бьп:ъ обусловлены мутациями в различных генах.

Понятие «альбинизм» охватывает целый спектр

клинических синдромов, характеризующихся гиnо­

меланозом, который возникает вследствие наслед­ ственных нарушений в пигментных клетках (мелано­

цитах) r лаз и кожи. Известно несколько моделей альбинизма, полученных на грызунах.

Клиническим симптомом, общим для всех 1О форм альбинизма глаз и кожи у человека, является пониженная пигментация глаз и кожи. Различия ме­

жду формами устанавливаются на основе клиниче­

ских, биохимических, ультраструктурных и генетиче­ ских характеристик. За исключением доминантной

формы, остальные формы альбинизма наследуются

по аутосомно-рецессивному типу.

у пациеиrов С альбивозом, отрицательllым IЮ 11IpOзи­ назе, полностью отсутствует зрительный пигмент.

Волосяные луковицы этих .людеЙ не способны пре­

вращать in vitro тирозин в пигмент, а их меланоциты

содержат непигментированные меланосомы. У па­ циентов с альбинозом, положительным по тирозиназе,

имеется небольшое количество зрительного пигмен­

та, однако у детей блондинов пигмента может не быть. Волосы в этом случае могут принимать раз­

личные оттенки, от светло-желтого до светло­

коричневого, на коже могут быть·слабо пигментиро­

ванные родинки. Меланоциты волосяных луковиц могут содержать слабо пигментированные мелано­

сомы, способные превращать in vitro тирозин в чер­

ный эумеланин.

Альбинизм глаз наследуется по аутосомно­

рецессивному типу и как признак, сцепленный с х­

хромосомой. В последнем случае, а также у reTepQ-

зиrот (но не в случае аутосомно-рецессивного типа

наследования) меланоциты содержат макромелано­ сомы. у женщин, гетерозиготных по сцепленному

с Х-хромосомой альбинизму (форма Неттлшип), се­

тчатка глаз характеризуется мозаичным распределе­

нием пигмента из-за случайного характера инакти­

вации Х-хромосомы. Метаболические причины, при­ водящие к гипомеланозу при альбинизме глаз, не­

известны.

Альбиноидизм глаз и кожи наследуется как ауто­ сомно-рецессивный признак. У пациентов (за редким

исключением) утрачивается способность к сочетан­ ному нистагму, ДЛя них характерны светобоязнь

и пониженная острота зрения.

розин-гидроксилаза является медьнезависимым фер­

ментом, но, так же как и фенилаланин-гидроксилаза, функционирует при участии тетрагидробиоптерина;

она катализирует образование в нейронах и клетках

надпочечников ДОФА-интермедиата на пути к но­

радреналину и адреналину (рис. 32.10). ДОФА­

декарбоксилаза, пиридоксальфосфатзависимый

фермент, катализирует образование дофамина. По­

следний подвергается дальнейшему гидроксилиро­

ванию при участии дофамШI- Р-оксидазы, медьсо­

держащего фермента, который, как полагают, испо-

~СН....сН....с....О-

,11

l-Тирозин О

Тирозин- ~Н.- биоптерин

rИДРОКСИП8З8

~CH ....C!i

,С

н

норадренапин

Кs-дденозилметионин

Фенилэтаноламин-

N-метил-трансфераза

' -------- .... S-Аденозилгомоцистеин

ТИРОЗИН

Тирозин является предшественником адреналина и норадреналина, образующихся в клетках невраль­ ного происхождения. При образовании меланина

в меланоцитах и норадреналина в нервных клетках

промежуточным продуктом является ДОФА, однако

гидроксилирование тирозина в клетках различных

типов катализируется различными ферментами. Ти-

но";:'"

U/СН,...................СНз

Рис. 32.10. Прсвращснис тирозина в адреналин и норадре­ налин в нейронах и клетках надпочечника. PLP- пиридоксuльфосфат.

льзует витамин С в реакции образования норадрена­

лина. В мозrо_ом веществе И8ДПочеЧIIIIК8 фермент фе­

нилэтаноламин-N-метилтрансфераза использует s-

аденозилметионин ДЛЯ метилирования первичной

аминогруппы норадреналина, в результате образуе­ ТСЯ адреналин (рис. 32.1О).

Тирозин является таЮlCе предшественником гор­

монов щитовидной железы-трииоДотиронина

и тироксина (см. гл. 46).

Тирозин экскретируется с мочой как в свободном состоянии, так и в виде конъюгата с сульфатом; образование таких конъюгатов характерно ДЛЯ бо­ льшинства фенольных соединений, экскретируемых

с мочой.

КРЕАТИН И КРЕАТИНИН

Креатин находится в мышцах, мозгу и в крови

как в форме фосфокреатина, так и в свободном со­ стоянии. Следы креатина в норме обнаруживаются и в моче. Креатинин, ангидрид креатина, образуется главныM образом в мышцах в результате необрати­

мой неферментативной дегидратации и дефосфори­ пИрования креатинфосфата (рис. 32.11).

Суточное выделение креатинина с мочой у каж­

дого индивидуума поразительно постоянно и про­

порционально общей мышечной массе.

В синтезе креатина участвуют три аминокисло­ ты-гЛIIЦIIII, аprиввв и мет.овин. Первая реакция­ трансамидинирование (донор-арrинин, акцептор­

гЛИЦJiн) с образованием гуанидоацетата (ГЛИICоциа­

мина). Процесс происходнт в почках (но не в печени

и не в сердечной мышце). Синтез креатина завершае­

тся в печени путем метилирования гликоциамина

«активным метионином».

у-АМИНОБУТИРАТ

Биосинтез

у-Аминобутират образуется путем декарбокси­

лирования L-глутамата; реакция катализируется пи­

ридоксальфосфат-зависимым ферментом L- глутамат-декарбоксилазой (рис. 32.12). Эта декар­

боксилаза находится в тканях центральной нервной системы, преимущественно в сером веществе. Декар­ боксилирование L-глутамата является главным пу­

тем биосинтеза y-аМJtнобутирата, однако известно

два других пути, у которых исходным соединением

для образования у-аминобуmрата является путрес­

цин (рис. 32.5). Один из этих путей ВJ:ЛЮчает дезами­

Нирование путресцина с участием диаминоксидазы;

другой путь включает образование N- ацетилированных интермедиатов. Относительная значимость трех приведенных путей биосинтеза у­ аминобутирата различна в разных тканях и на раз­

ных стадиях развития организма. Например, пред­

шественник полиаминов орнитин (рис. 32.6) эффек­ тивно превращается в у-аминобутират в сетчатке ку­ риных эмбрионов, а также в нервных окончаниях

взрослого человека.

Катаболизм

Катаболизм у-аминобутирата (рис. 32.12) начи­

нается реакцией переаминирования, катализируемой

у-аминобутират-трансаминазой; в результате обра­

зуется сукцинат-полуальдегид. Последний может ли­

бо восстановиться с образованием у­

гидроксибутирата в результате реакции, катализи­

руемой L-лактатдегидрогеназой, либо окислиться

у-Аминобутират, как и другие анионы ф­

аминОКИСЛОТ, медленно транспортируется через

плазматические мембраны клеток. Содержание у­

аминобутирата в моче изменяется синхронно с его

содержанием в СЫВОРОТl(е. БиохимичеСl(ие наруше­ ния, приводящие к аминомасляной ацидемии, не

ЛИТЕРАТУРА

Stanbury J. В. et а/. (еш), Тhe Metabolic Basis of Inherited Disease, 5th ed., McGraw-Нill, 1983.

ТаЬот С. W., ТаЬот Н. Polyamines. Annu. Rev. Biochem., 1984, 53, 749.

ВВЕДЕНИЕ

Предметом этой главы является биохимия пор­ фиринов И желчных пигментов. Эти разделы биохи­ мии тесно связаны. так как из порфиринов и железа образуется гем, а продуктами деградации последне­

го являются желчные пигменты и железо.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Сведения по биохимии порфиринов И гема

являются основой, необходимой для понимания раз­

личных функций гемопротеинов в организме (тран­

спорт кислорода, транспорт электронов, метабо­ лизм лекарственных соединений и т. д.). Порфи­

рии- это группа заболеваний, обусловленных нару­

шениями биосинтеза различных порфиринов. Эти

заболевания встречаются сравнительно редко, но

практикующие врачи должны о них знать; больные

порфирией могут обратиться к дерматологам, гепа­

тологам и психиатрам; сравнительно часто встречае­

тся желтуха, обусловленная повышением содержа­ ния в плазме билирубина крови. Это повышение мо­ жет быть вызвано либо чрезмерным образованием билирубина, либо нарушением его экскреции; оно наблюдается при многих заболеваниях, от вирусно­

го гепатита до рака поджелудочной железы.

ПОРФИРИНЫ

Порфирины представляют собой циклические со­ единения, образованные четырьмя пиррольными ко­

ЛЬЦdМИ, связанными между собой метенильными

мостиками (рис. 33.1). Характерным свойством пор­

фиринов является их способность образовывать

комплексы с ионами металлов, связывающимися

играющие важную роль в биологических процессах. К ним относятся:

А. Гемоглобин-железопорфирины, связанные с белком глобином. Гемоглобины обладают способ­

ностью обратимо связывать кислород, они транс­ портируют этот газ в системе кровообращения (см. гл. 6). Структура гема показана на рис. 6.2.

Б. Эритрокруорины- железопорфиринопро-

теины, находящиеся в крови и тканевых жид­

костях некоторых беспозвоночных; выполняют та­ кую же функцию, как и гемоглобин.

В. Миоглобины- дыхательные пигменты, нахо­

дящиеся в мышечных клетках позвоночных и беспо­

звоночных. Примером служит миоглобин из сердеч­ ной мышuы лошали, закристаллизованный Теорел-

НН

с=с

С-=С

нн

лом в 1934 г. Молекула миоглобина сходна по струк­ туре с субъединицей гемоглобина.

Г. Цитохромы- соединения, функционирующие

как переносчики электронов в окислительно­

восстановительных реакциях. Важным примером

служит цитохром С, молекулярная масса которого

составляет около 13 000, содержащий 1 грамм-атом железа на моль белка.

Д. Каталазы- железопорфириновые ферменты;

несколько каталаз получено в кристаллическом ви­

де. В растениях каталазная активность незначитель­

на, сходные функции у них выполняет другой желе­ зопuрфириновый фермент- пероксидаза.

лей (рис. 33.2). Различные порфирины показаны на

рис. 33.2, 33.3 и 33.4; использованы следующие со­ кращения: А (ацетат) = - СН2СООН; Р (пропио­

нат) = - CH~CH2COOH; М(метил) = - CHJ ; V (ви­ нил) = - СН = СН2•

Расположение замещающих группы А и Р в уро­ порфирине асимметрично (в кольце IV по сравнени~

с другими кольцами порядок присоединения ацетат­

ных и пропионатных групп изменен на обратный).

Порфирин с такого типа асимметричным замещением

классифицируется как порфирин типа 111. Порфирин

сполностью симметричным расположением заме­

щающих групп классифицируется как порфирин ти­

па 1. В природе встречаются только порфирины типа 1 и 111, причем тип 111 встречается значительно чаще

(рис. 33.3).

Оба соединения, приведенные на ри;с. 33.4, отно­

сятся к порфиринам типа 111 (метильные группы ра­

сположены асимметрично, как в копропорфирине

типа 111). Однако иногда их классифицируют как

принадлежащие к типу IX, поскольку они оказались

на девятом месте в серии изомеров, постулирован­

Е. Триптофанпирролаза. Этот фермент катализи­

рует окисление триптофана в формилкинуренин. Он также является железопорфириновым белком.

Структура порфиринов

Встречающиеся в природе порфирины являются

соединениями, у которых 8 атомов водорода порфи­ ринового ядра замещены различными боковыми

группами, как показано на·рис. 33.1. Упрощенный способ изображения положения заместителей пред­ ложен Фишером: пиррольные кольца (без метениль­

ных мостиков) изображаются как выступы кресто­

образной структуры, пронумерованные вершины ко­

торой являются местами присоединения замес=rите-

ных Гансом Фишером, автором пионерских исследо­

ваний в области химии порфиринов.

Биосинтез порфиринов

Хлорофилл- растительный пигмент фотосинте­

зирующей" системы и гем- железопротопорфирин

гемоглобина животных синтезируются" в живых

клетках по общему метаболическому пути. Исход­

ным материалом являются «активный сукцинат»­ сукцинил-СоА, образующийся в митохондриях в ре­ акциях цикла лимонной кислоты, и аминокислота глицин. Необходима также «активация» глицина пи­

ридоксальфосфатом. Вероятно, глицин образует

с пиридоксалем шиффово основание; далее а­

углерод глицина присоединяется к карбониль­

ному углероду сукцината. Продуктом реакции кон­

денсации глицина с сукцинил-СоА является а-амино-~-кетоадипиновая кислота, она быстро де­

карбоксилируется с образованием Б-амино­

левулината (АЛК) (рис. 33.5). Эта стадия ката­

лизируется ферментом АЛК-синтазоЙ. Вероятно, именно этот фермент является скорость­ контролирующим при биосинтезе порфиринов в пече­ ни млекопитающих. Синтез аминолевулиновой ки­ слоты происходит в митохоидриях. В цитозоле фер­

мент АЛК-дегидратаза катализирует конденсацию

двух молекул АЛК с образованием двух молекул водЫ и одной молекулы порфобилиногена (рис. 33.5). АЛК-дегидратаза является Zп-содержащим фермен­ том и ингибируется ионами свинца.

Образование тетрапиррола (т. е. порфирина) осу­

ществляется путем конденсации четырех монопир­

ролов, образуioщихся из порфобилиногена (рис.

33.6). Несущий аминогруппу углерод молекулы пор­

фобилиногена (<<бывший» а-углерод глицина) стано­ вится углеродом метиленовой группы (а, ~, у, Б), со­

единяющей соседние пиррольные кольца в тетрапир­

рольную структуру. Хотя превращение порфибили­

ногена в порфирин может пронсходить просто при

нагревании в кислой среде (например, в кислой мо­

че), в тканях это превращение катализируется специ­ фическими ферментами.

Как уже было отмечено выше, в природе встре­ чаются только порфирины типов 1 и 111; то обстояте­ льство, что более широко представлены изомеры типа 111, можно объяснить тем, что биологически ва­

жные порфирины (гем и цитохромы) являются изо­ мерами типа 111.

В настоящее время детали образования уропорфи­

риногенов путем конденсации порфобилиногенов не

ясны. Образование из порфобилиногена уропорфи­ риногена 111, интермедиата при биосинтезе гема, ка­ тализируется комплексом двух ферментов. Урооор-

Четыре молекулы г----------.

,--______-.ПОрфобилиноrен8 Уропорфириноrен. ·1·

уропорФириноrуен ){ синтаза

Рис. 33.6. Превращение порфобилиногена в уропорфири­

ногены.

фириноген-I-синтаза, называемая также порфобили­ ноген-дезаминазой, катализирует in vitro конденса­ цию порфобилиногена в уропорфириноген 1 (рис.

33.6). Однако в присутствии второго фермента­

уропорфиривorев-IU-косвитазы в результате взаимо­ действия двух ферментов происходит образование уропорфириногена 111, а не его симметричного изо­ мера (уропорфириногена 1) (рис. 33.6). При нормаль­ ных условиях образуется почти исключительно изо­ мер типа 111, но при некоторых видах порфирии (рассматриваемых ниже) синтезируются в значите­ льном количестве изомеры типа 1.

Обратите внимание, что в этих уропорфириноге­

нах пиррольные кольца соединены метиJJеновыми

мостиками, Т.е. у них нет сопряженной системы.

Поэтому эти соединения (и вообще все порфириноге­

ны) бесцветны. Однако порфириногены легко под­

верга~тся автоокисле~ в соответству.ощие пор­

фирины. Окисление стимулируется светом и уже

образовавшимися порфиривами. Уропорфириноген 111 превращается в коПроПор­

фириноген 111 путем декарбоксилирования всех аце­ татных групп (А), вместо которых оста.отся метиль­ вые группы (М). Эта реакция катализируется уропор­

фиривогев-декарбоксвлазой, которая также способна

катализировать превращение уропорфириногена 1

в копропорфириноген 1 (рис. 33.7). Копропорфири­

ноген 111 далее поступает в митохондрии, где превра­

щается в протопорфириноген III, а затем в прото­

порфирин III. Это превращение, вероятно, вкл.очает несколыо стадий. Митохондриальный фермент ко­ пропорфириногевоксцдаза катализирует декарбокси-