Реакции окислительного и неокислительного дезаминирования.
Существует несколько способов дезаминирования аминокислот:
• окислительное;
• непрямое (трансдезаминирование);
• неокислительное;
• внутримолекулярное.
1. Окислительное дезаминирование
Наиболее активно в тканях происходит дезаминирование глутаминовой кислоты. Реакцию катализирует фермент глутаматдегидрогеназа1, коферментом глутаматдегидрогеназы является NAD+. Реакция идёт в 2 этапа. Вначале происходит ферментативное дегидрирование глутамата и образование α-иминоглутарата, затем - неферментативное гидролитическое отщепление иминогруппы в виде аммиака, в результате чего образуется α-кетоглутарат.
Окислительное дезаминирование глутамата - обратимая реакция и при повышении концентрации аммиака в клетке может протекать в обратном направлении, как восстановительное аминирование α-кетоглутарата.
Оксидаза L-аминокислот
В печени и почках обнаружен фермент оксидаза L-аминокислот, способный дезаминировать некоторые L-аминокислоты. Коферментом в данной реакции выступает ФМН (FMN). Однако вклад оксидазы L-аминокислот в дезаминирование, очевидно, незначителен, так как оптимум её действия лежит в щелочной среде (рН 10,0). В клетках, где рН среды близок к нейтральному, активность фермента очень низка.
2. Непрямое дезаминирование (трансдезаминирование)
Большинство аминокислот не способно дезаминироваться в одну стадию, подобно Глу. Аминогруппы таких аминокислот в результате трансаминирования переносятся на α-кетоглутарат с образованием глутаминовой кислоты, которая затем подвергается прямому окислительному дезаминированию. Такой механизм дезаминирования аминокислот в 2 стадии получил название трансдезаминирования, или непрямого дезаминирования:
Непрямое дезаминирование аминокислот происходит при участии 2 ферментов: амино-трансферазы (кофермент ПФ) и глутаматдегид-рогеназы (кофермент НАД+ (NAD+)).
Значение этих реакций в обмене аминокислот очень велико, так как непрямое деза-минирование - основной способ дезаминирования большинства аминокислот. Обе стадии непрямого дезаминирования обратимы, что обеспечивает, как катаболизм аминокислот, так и возможность образования практически любой аминокислоты из соответствующей α-кетокислоты.
3. Неокислительное дезаминирование
В печени человека присутствуют специфические ферменты, катализирующие реакции дезаминирования аминокислот серина, треонина и гистидина неокислительным путём.
Неокислительное дезаминирование серина катализирует сериндегидратаза.
Реакция начинается с отщепления молекулы воды и образования метиленовой группы, затем происходит неферментативная перестройка молекулы, в результате которой образуется иминогруппа, слабо связанная с а-углеродным атомом. Далее в результате неферментативного гидролиза отщепляется молекула аммиака и образуется пируват.
Неокислительное дезаминирование треонина катализирует фермент треониндегидратаза. Механизм реакции аналогичен дезаминированию серина.
Эти ферменты пиридоксальфосфатзависимые.
Неокислительное дезаминирование гистидина под действием фермента гистидазы является внутримолекулярным, так как образование молекулы аммиака происходит из атомов самой аминокислоты без участия молекулы воды. Эта реакция происходит только в печени и коже.
Неокислительное дезаминирование аспарагиновой кислоты:
6. Реакции декарбоксилирования, ведущие к образованию биогенных аминов и биорегуляторов (этаноламин, гистамин, триптамин, серотонин, дофамин, β-аланин, γ-аминомасляная кислота). Понятие о нейромедиаторах.
Некоторые аминокислоты и их производные подвергаются декарбоксилированию – отщеплению α-карбоксильной группы. В результате реакции образуются СO2 и амины, причем некоторые из них оказывают выраженное биологическое действие на организм (биогенные амины):
Реакции декарбоксилирования необратимы и катализируются ферментами декарбоксилазами, коферментом которых в клетках человека является пиридоксальфосфат (ПФ - производное витамина В6).
С помощью декарбоксилирования аминокислот синтезируются нейромедиаторы (серотонин, дофамин, ГАМК и др.), гормоны (норадреналин, адреналин), регуляторные факторы местного действия (гистамин и др.).
Синтез и биологическая роль серотонина
Триптофан – незаменимая аминокислота, в организме используется для синтеза белков, нейромедиатора серотонина, гормона мелатонина, способен превращаться в никотиновую кислоту и NAD+, уменьшая потребность организма в витамине PP.
Серотонин – нейромедиатор проводящих путей, образуется в надпочечниках, центральной нервной системе и в небольших количествах в слюнных железах из аминокислоты триптофан.
Серотонин – биологически активное вещество широкого спектра действия. Он стимулирует сокращение гладкой мускулатуры, перистальтику кишечника, оказывает сосудосуживающее действие, регулирует артериальное давление, температуру тела, дыхание, обладает антидепрессантным свойством («гормон удовольствия»), принимает участие в аллергической реакции, поскольку в небольших количествах синтезируется в тучных клетках.
В эпифизе (шишковидной железе) серотонин может превращаться в гормон мелатонин, регулирующий суточные и сезонные изменения метаболизма организма и участвующий в регуляции репродуктивной функции.
Синтез и биологическая роль γ -аминомасляной кислоты (ГАМК)
В нервных клетках декарбоксилирование глутамата в γ-положении приводит к образованию ГАМК, которая является основным тормозным медиатором высших отделов мозга (рис. 7.49).
Метаболизм ГАМК в головном мозге приводит к образованию сукцината, который используется в цитратном цикле. Инактивация ГАМК возможна и окислительным путем под действием МАО.
Содержание ГАМК в головном мозге в десятки раз выше других нейромедиаторов. Она увеличивает проницаемость постсинаптических мембран для ионов К+, что вызывает торможение нервного импульса; повышает дыхательную активность нервной ткани, улучшает кровоснабжение головного мозга.
Синтез и биологическая роль гистамина
Аминокислота гистидин в разных тканях подвергается действию различных ферментов и включается в разные метаболические пути: синтез белков, катаболизм до конечных продуктов, синтез гистамина, образование карнозина и анзерина.
В печени и коже гистидин подвергается дезаминированию под действием фермента гистидазы с образованием уроканиновой кислоты. Ферменты гистидаза и уроканиназа являются гепатоспецифическими, поэтому их определение используется для диагностики поражений печени и нервных клетках.
Гистамин образуется путем декарбоксилирования гистидина в тучных клетках соединительной ткани:
Гистамин образует комплекс с белками и сохраняется в секреторных гранулах тучных клеток. Секретируется в кровь при повреждении ткани (удар, ожог, воздействие эндо- и экзогенных веществ), развитии иммунных и аллергических реакций. Гистамин выполняет в организме человека следующие функции:
• стимулирует секрецию желудочного сока, слюны, т.е. является пищеварительным гормоном;
• повышает проницаемость капилляров, вызывает отеки, снижает артериальное давление (но увеличивает внутричерепное давление, вызывает головную боль);
• сокращает гладкую мускулатуру легких, вызывает удушье;
• участвует в формировании воспалительной реакции – вызывает расширение сосудов, покраснение кожи, отечность ткани;
• вызывает аллергическую реакцию;
• выполняет роль нейромедиатора;
• является медиатором боли.
Синтез β-аланина:
β-аланин входит в состав молекулы кофермента А.
Синтез этаноламинина
Декарбоксилирование серина дает этаноламин, который наряду с его метилированным производным холином играет важную роль в биосинтезе фосфолипидов (фосфатидилэтаноламина).
Синтез дофамина
Гидроксилирование ароматической аминокислоты тарозина дает 3,4-диоксифенилаланин (ДОФА), который, в свою очередь, образует при декарбоксилировании ароматический амин дофамин, предшественник в синтезе адреналина и норадреналина.
Синтез триптамина
Образующийся из триптофана под действием этого фермента продукт - триптамин - наделен сосудосуживающим действием.
Для осуществления биологической функции в нервных клетках требуется определенная концентрация биогенных аминов. Синтез и секреция их строго регулируются и происходят в ответ на определенные сигналы. Избыточное накопление может вызывать различные патологические состояния.
В связи с этим большое значение имеют механизмы инактивации биогенных аминов, которая осуществляется с большой скоростью преимущественно в печени.
Существует два способа инактивации биогенных аминов и некоторых гормонов.
• Метилирование с участием SAM под действием метилтрансфераз. Таким способом могут инактивироваться различные биогенные амины, но чаще всего гистамин и адреналин:
Метилированные производные биогенных аминов обычно теряют биологическую активность, в печени подвергаются конъюгации с глюкуроновой или серной кислотой и выводятся из организма или же окисляются МАО.
• Окисление ферментами МАО с коферментом FAD. Таким путем чаще происходит инактивация дофамина, норадреналина, серотонина, ГАМК. При этом происходит окислительное дезаминирование биогенных аминов с образованием альдегидов, а затем соответствующих кислот, которые выводятся почками.
Нейромедиаторы - низкомолекулярные вещества - поступают из синаптических пузырьков в синаптическую щель и связываются со своими рецепторами в постсинаптической мембране. Взаимодействие нейромедиатора с рецептором активирует лиганд-зависимые каналы или систему G-белка.
Нейромедиатор должен удовлетворять следующим критериям:
вещество выделяется из нейрона при его возбуждении;
в нейроне присутствуют ферменты для синтеза данного вещества;
постсинаптические клетки имеют рецепторы к этому веществу;
экзогенный аналог имитирует действие нейромедиатора.
Большинство нейромедиаторов - аминокислоты и их производные. Некоторые нейроны модифицируют аминокислоты с образованием аминов (норадреналин, серотонин, ацетилхолин). Другие нейромедиаторы (эндорфины, энкефалины) имеют пептидную природу. Каждый нейрон может синтезировать более одного нейромедиатора.
Известно более 50 химических веществ, выполняющих функции нейромедиаторов, их можно разделить на следующие группы.
Аминокислоты: нейтральные (глутамат и аспартат) и кислые (глицин, ГАМК).
Амины: моноамины (ацетилхолин, серотонин, гистамин) и катехоловые амины (адреналин, норадреналин, дофамин).
Нейропептиды: ТТГ-РГ, метионин- и лейцин-энкефалины, ангиотензин II, холецистокинин-подобный пептид, окситоцин, соматостатин, люлиберин, вещество Р, нейротензин, гастрин-рилизинг пептид, аргинин-вазопрессин, ?-эндорфин, АКТГ, VIP.
Пурины: АТФ и аденозин.
Газы не являются «классическими» медиаторами, поскольку не содержатся в синаптических пузырьках. Пример: оксид азота (NO).