Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

А

нуклеотИд

Предшественник тРНК Зрелая тРНК

..го:'!

----урУ ---- +

Зрелая рРНК

·рГрА_Уон + rfpA~

Рис. 88. Процессинг пре-РНК:

А-пре-тРНК при участии рибозима; Б-пре·рРНК: путем аУТОСlшайсинта (сплошная линии-функцио­ нальна. зона; волнистая- веинформативный фрагмент; рГоа-ryан()зии). Остальные пояснения в тексте

ниже, этот принцип имеет огромное значение при специфическом воспроиз­ ведении первичной структуры белковых молекул. Взаимодействие комплемен­ тарных структур, обеспечивающее воспроизведение специфического строения макромолекул при их биосинтезе,-ОДИН из важнейших законов, сформулиро­ ванных в биохимической науке за последние годы. Вместе с тем матричный,

комплементарный механизм биосинтеза макромолекул, с полным правом, мож­

но oTHecm к элементарным, фундаментальным свойствам живой материи. Матричный принцип биосинтеза-это специфика химизма живогО. Так, моле­

кулярная биология и биохимия пришли ~ крупнейшему обобщению, которое

конкретно характеризует специфику живого, отличие живого от неживого на

молекулярном уровне.

ГЛАВА УН

ОБМЕН БЕЛКОВ

ЗНАЧЕНИЕ БЕJШОВОГО ОБМЕНА

Белковый обмен-стержневой процесс среди многообразных превращений веществ, свойственных живой материи. С точки зрения м~териалистической

диалектики само явление жизни в определенной степени представляет собой «способ существования белковых тел», которые непрерывно самообновляют­

ся, непрерывно строят себя из веществ окружающей среды. Поэтому в живой

природе весь ход обмеиа веществ подчинеи главиой цели-воспроизведению белковых тел.

Все другие виды обмена-углеводный, липидный, нуклеиновый, минераль­

ный и пр.- обслуживают обмен белков, специфический биосинтез белка. Одни

группы процессов, как, например, углеводный обмен, являются в основном

источником углеродных цепей в биосинтезе аминокислот-исходных соедине­

ний д.tIя новообразования белков. Другие, как, например, обмен жиров, глав­ ным образом поставляют вещества, при окислении которых в макроэргических

связях АТФ запасается энергия, необходимая для образования пептидных

связей. Третьи (обмен нуклеиновых кислот) обеспечивают хранение и передачу

информации о расположении аминокислотных остаткОВ во вновь синтезируе­

мых белковых молекулах, обслуживая специфическое воспроизведение уни­

кальной структуры протеинов. Четвертые (минеральный обмен) способствуют

становлению или распаду ферментных систем, при посредстве которых идет

синтез белка, или созданию и разрушению субклеточных частиц и структур, на которых этот синтез осуществляется. Таким образом, многочисленные, разно­

образные и часто очень сложныIe процессы превращения веществ и трансформа­

ции энергии в живом веществе обслуживают главным образом обмен белковых

тел. Последний, в свою очередь, так регулирует упомянутые превращения, что

создает оптимальные условия для своего собственного осуществления. Важнейший вопрос при изучении белкового обмена -выяснение мехаиизма

специфического воспроизведения первичиой структуры белковых веществ в про­

цессе их биосинтеза. Как было отмечено ранее, первичная структура белка

предопределяет характер третичной структуры белковых молекул, с которой

связана та или иная функциональная их активность. ~eHHO эта сторона

белкового обмена имеет исключительное значение для жизнедеятельности

организмов; именно она создает специфику обмена веществ у организмов разной степени сложности или уровня развития, именно со специфичностью

белковых тел связана в первую очередь видовая специфичность организмов. Таким образом, специфическое воспроизведение белковых тел в природе пред­

ставляет основу, фундамент всего процесса обмена веществ, характерного ДЛЯ

того или иного растительного или животного вида.

Проникновение -в тончайшие детали белкового обмена, особенно выяс­

нение закономерностей новообразования специфических белков (ферменты,

261

гормоны белковой и пептидной природы и т. п.), дает в руки исследователя

ключ к разгадке многих тайн природы, позволяет наметить новые пути

управления обменом веществ, а следовательно, найти способы управления

развитием организмов, их наследственностью, патологическими процессами

вних и т. п. Все это свидетельствует о том, что нет в биохимии и биологии

вцелом более важной и более сложной проблемы, чем проблема обмена белков.

РАСПАД БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ

Пути распада белков. Главный, но возможно не единственный путь распада

белков в организме-гидролиз. Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма в основном в специальных субклеточных элемен­

тах-лизосомах, где сосредоточены гидролитические ферменты и где осуще­

ствляется деструкция высокомолекулярных веществ до низкомолекулярных

метаболитов. Вместе с тем определенная часть ферментов, ускоряющих рас­

пад белков, есть в цитозоле клетки, а некоторые из них секретируются,

обеспечивая внеклеточное переваривание белков. В ряде органов и тканей

(пищеварительная система животных, запасающие органы растений и т. п.)

гидролиз белков осуществляется с огромной интенсивностью и в большом

масштабе. Так, в печени крысы ежедневно распадается около 40% белков,

а время полужизни белков важнейших субклеточных структур (ядро, рибосо­ мы, митохондрии) и цитозоля составляет около 5 суток, хотя есть и более короткоживущие (сутки и менее) и более длительно существующие (до двух­ трех месяцев) белки и"ферментыI.

В последние годы выяснено, что время полужизни белка в клетке детер­

минировано природой его N-концевой аминокислоты. Если она легко соединя­ ется с небольшим (М = 8500 Да, 74 аминокислотных остатка, первичная струк­

тура установлена) белком-убиквитином по АТФ-зависимой реакции, то та­

кой убиквитинированный белок атакуется протеиназами и разрушается.

Наиболее подвержены убиквитинированию (перечислены в порядке убывания)

~~~,~~,~~,~~~~,~~~~~OO~

лоты, менее подверженные реакции с убиквитином (мет, сер, ала, тре, вал, г'!и, цис), относят к стабилизирующим гидролитический распад белков. Подсчи­ тано, например, что время полужизни цитоплазматических белков, имеющих в качестве N-концевой аминокислоты арг, составляет 2 мин, асn, лиз, лей

и фен-З мин, nро-7 мин, глн и mup-lО мин, глу и иле-ЗО мин, гли, ала,

сер, вал, тре и мет-20 ч.

Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до

аминокислот). При частичиом (неполном) гидролизе в белковой молекуле

распадаются лишь некоторые пептидные связи, как правило, по соседству со

cтporo определенными аминокислотными радикалами. Этот процесс ускоря­

ется специфическими ферментами-протеиназами (пептидил-пептидгидрола­ зами). В свою очередь, пептиды гидролизуются до аминокислот, что происхо­

дит при участии ряда пептидаз. И химизм процесса гидролиза белков, и соот­

ветствующие ферменты, его ускоряющие, охарактеризованы ранее (см. гл. 111).

Таким образом, в результате деятельности разнообразных пептидгидролаз

(протеиназы и пептидазы) из белков в процессе их гидролиза сначала образу­ ются сложные смеси различных пептидов, а затем смесь свободных белковых

аминокислот. Последние являются конечным продуктом гидролиза белков.

Механизм действия пеmидгидролаз в ряде случаев изучен детально. ЭТQ

касается, например, механизма действия химотрипсина," упрощенная схема которого представлена на рис. 89.

262

Роль протеиназ в организме не сводится лишь к фрагментированию белко­

вых молекул до пептидов для обеспечения дальнейшего гидролиза последних

до свободных аминокислот. В последнее время все большее значение придают

именно способности протеиназ селективно расщеплять полипептидные цепи, в результате чего из белковых предшественников возникают функционально

активные белки и многие биологически активные пептиды, в том числе гормо­

ны, рилизинг-факторы, психотропные пептиды и т. п. Это имеет огромное

значение для регуляции обмена веществ. Протеолиз выступает как особая форма биологического контроля, однонаправленно обеспечивающего иници­

ацию определенного физиологического процесса.

В последние годы привлекли внимание протеиназы, действие которых

активируется Са2 +. Их называют кальпаинамu (М= 11О кДа, 2 субъединицы:

каталитическая-80 кДа и регуляторная-ЗО кДа). Они расщепляют белки по границам их доменов, связывая минеральный обмен с регуляцией метаболиз­ ма. Их действие ингибируется кальпостатипом.

Активный транспорт аминокислот через биологические мембраны•. Свобод­

ные аминокислоты, возникающие в результате гидролитического распада

белков, используются в основном для ресинтеза белковых тел и лишь некото-

263

r nyтамИНОВ8JI

кислота

у-Глутамилтрансфераза встроеиа в клеточную мембрану н осуществляет транслокацяю аминоXI!CJJоТ НЗ Вllеклеточного пространства З8 счет реакции транспептидированИR остатка у-глутаминовой кислоты

с глутатиона или другого у-rлутамилпелтида на транспортируемую аминокислоту и переноса возпик­

Шего переНОСЧШ8, а и,.енно y-rлутаМИЛ8МИВОКИСЛОТНОГО производпого, во внyrриклеточное (или внут­ римембраНное) пространство. Здесь благодари действию у-глутамвлциклотрансферазы IJ!'POносчих рас­ падается на свободную аминОIIIСЛОТУ, которая таким образом оказывается перенесенной через мемб­ рану, и пироглутаминовую "ислоту, образованне "оторой практически нацело сдвигает реакцию распада

диnemида-перевосчика вправо. В результате рида ферментативных процессов (праваи часть рисунка)

происходит ресинтез rЛУТ81'иона (или другого у-rлутамилпептида, если ОН участвует в переносе аминоКИСЛот). н ЦИJШ может ПОВТОРИТLCJI снова

что обеспечивает их участие в обменных процессах, развертывающихся в ком­

партментах клетки.

Проблему активного переноса аминокислот через биологические мемб­ раны интенсивно разрабатывали многие исследователи. А. Майстер (1973)

предложил гипотезу переноса аминокислот через мембраны при посредстве у­

глутамилтрансферазного цикла, сущность которой ясна из рассмотрения

рис. 90. Согласно этой гипотезе, центральную роль в данном процессе играет фермент у-глутамилтрансфераза. Естественно, что транслокация аминокислот через биологические мембраны осуществляется также белками-переносчиками

264

(см. рис. 43). Такие системы переноса изучены для гистидина, лейцина, изолей­

цина ивалина.

Превращения аминокислот. Соотношения аминокислот в распадающихся белках и новообразуемых за их счет протеинах, как правило, различны.

Поэтому известная доля свободных аминокислот, возникших при гидролизе

белков и пеmидов, обязательно должна быть преобразована либо в другие

аминокислоты, либо в более простые соединения, выводимые из организма. Все это осуществляется в результате процессов, которые можно объединить

общим названиемпревращения аминокислот.

Известны три типа реакций аминокислот в организме: по а-аминогруппе, карбоксильной группе и радикалу аминокислоты.

Реакции по а-аминогруппе однотипны у всех аминокислот, это в основ­

ном реакции дезаминирования и переаминирования. Столь же однообразен

набор химических процессов по карбоксильной группе аминокислот: это

главным образом декарбоксилирование и образование аминоациладенила­

тов. В отличие ОТ первых двух типов превращений аминокислот преоб­ разования в радикалах аминокислот исключительно разнообразны, мНогочи­ сленны и, как правило, уникальны для каждой отдельной аминокислоты. Наконец, есть тип превращений аминокислот, который состоит в образова­ нии пептидной связи между а-аминогруппой одной аминокислоты и карбок­ сильной группой другой. Он осуществляется сложным путем и приводит

к синтезу пептидов и белков. Здесь рассматриваются лишь первые три типа превращений аминокислот, а синтез из них пептидов и белков - ниже, в этой

же главе.

Реакции по аминогруппе. Наиболее распространенной и важной реакцией

аминокислот по а-аминогруппе является дезаминирование. Оно может идти

четырьмя путями:

Н

I

Все перечисленные реакции действительно осуществляются в организмах

и каждая из них ускоряется специфическим ферментом; однако распростране­

ние их в природе совершенно различно: очень широко распространена l-я реакция, а остальные три встречаются крайне редко, лишь у отдельных групп

организмов.

, 265

Так как преобладающим является окис.лительное дезаминирование, рассмот­ рим его подробнее. Процесс этот осуществляется в две стадии. Сначала

аминокислота окисляется в иминокислоту при участии специфической дегид­

рогеназы с НАД+ или НАДФ+ в качестве кофермента и акцептора водорода.

Затем иминокислота спонтанно гидролизуется на кетокислоту и аммиак:

Обе реакции обратимы, и таким путем из а-кетоглутаровой кислоты

иаммиака в организме образуется глутамиповая кислота.

Внекоторых случаях дегидрогеназы аминокислот представлены флаво­ протеинами. Так, из грены шелкопряда выделена дегидрогеназа а-аминокис­ лот, отличающаяся очень высокой активностью и несущая флавиновую груп­

пировку в составе кофермента.

Полная эпимолекула глутаматдегидрогеназы (М = 336 000) составлена из 6 субъединиц С М=56000 (см. рис. 46). Каждый из протомеров имеет центры связывания субстрата, кофермента и эффекторов (АДф и ГДФ активируют, а АТФ, ГТФ и пирпдоксальфосфат пнгибируют фермент). Первичная структу­

ра субъединиц ряда глутаматдегидрогеназ, выделенных из разных объектов, отличается высокой степенью гомологии.

Дегидрогеназы L-аминокислот (в отличие от дегидрогеназ D-амино­ кислот) в тканях животных и растений представлены слабо,. и только де­

гидрогеназа L-глутаминовой кислоты проявляет себя исключительно ярко.

Поэтому допускают, что большинство L-аминокислот дезаминируется в

организме путем переаминирования с а-кетоглутаровой кислотой по урав­

нению:

Вслед за этим глутаминовая кислота претерпевает окислительное дезами­

нирование, а вьщеляющаяся при этом а-кетоглутаровая кислота снова вовле-'

кается в реакцию переаминирования с а-аминокислотами.

Выделены специфические траисаминазы, ускоряющие реакцию переамини­

рования между почти всеми белковыми аминокислотами и а-кетоглутаровой

266

кислотой. Механизм реакции переаминирования детально рассмотрен

в гл. 111. Реакция переаминирования между L-аминокислотами и Cl-кетоглута­

ровой кислотой обратима, поэтому при определенных условиях она служит для синтеза L-аминокислот из кетокислот и глутаминовой кислоты. Таким

образом, реакцию переаминирования нельзя сводить только :k дезаминирова­

нию аминокислот; ее роль в организме гораздо шире.

Главным продуктом дезаминирования аминокислот являются Cl-кетокис­

лоты. Лишь в некоторых, особых и мало распространенных случаях в качестве

конечных продуктов дезаминирования аминокислот отмечены предельные или

непредельные жирные кислоты, а также оксикислоты.

Дезаминирование некоторых аминокислот идет своеобразно. Так, серосо­ держащие аминокислоты (цистеин и метионин) дезаминируются путем отщеп­

ления аммиака и сероводорода или меТИЛ!vlеркаптана (СНзSН) соответствен­

но; оксиаминокислоты (серин·и треонин)-путем отщепления аммиака и во­

ды; гетероциклические аминокислоты - путем дегидрирования по кольцу

(пролин) С дальнейшим преобразованием ПРОдyICта дегидрирования и Т. д.

Однако и в этих случаях конечными продуктами дезаминирования остаются

кетокислоты и непредельные кислоты.

Реакции по карбоксилыюй группе. Превращения аминокислот по СООН­

группам сводятся в основном к декарбоксилированию и образованию амино­ ациладенилатов. Декарбоксилировавие аминокислот осуществляется сравни­ тельно легко в тканях животных и растений, но особенно широко оно пред­

ставлено у микроорганизмов. Во· всех случаях процесс идет по одной и той же

схеме:

ДекарБОI<C1lЛаза

R-CH-COOH-----·R-CH2 -NH2 +C02

I

NH2

Простетической группой декарбоксилаз L-ампноЮlСЛОТ служит пирИДОk­

сальфосфат, комплекс которого С различными специфическими белками дает

начало всем многообразным и высокоспецифичным декарбоксилазам L-ами­ нокислот. Выделены и изучены декарбоксилазы аспарагиновой и глутамино­

вой кислот, валина, лизина, аргинина, гистидина, тирозина, триптофана и ряда других аминокислот. Механизм действия их ясен из схемы, приведенной на

с. 127, и уравнений реакций на с. 133.

В подавляющем большинстве случаев продуктами декарбоксилирования

аминокислот являются амины. Так как они образуются в качестве продуктов жизнедеятельности и обладают высокой физиологической активностью, их

называют биогенными аминами. Приведем некоторые примеры.

При декарбоксилировании гистидина возникает гистамин:

АМ.. f10000,димер)

ОН вызывает усиление деятельности желез внутренней секреции и снижает

кровяное давление.

При декарбоксилировании тирозина и триптофана образуются соответст­

венно тирамин и триптамин:

267

Последний легко переходит в 5-0кситриптамин (серотонин)-соединение, обла­ дающее многогранным физиологическим действием, имеющее, в частности, оmошение к возникновению болевых ощущений при воспалительных процессах.

Декарбоксилирование лизина и аргинина сопровождается образованием

кадаверина и агматина:

H 2N - (CH2)s - NH2

Кадаверив

Arмamв

в последнее время важное значение придают тетраметилендиамину (пут­

ресцин), возникающему при декарбоксилировании аминокислоты-орнитина:

NH2

ОрНИ1llll

Тетраметилендиамин служит в организме исходным соединением для синтеза

спермидина и спермина (см. с. 211). Оба эти вещества-полиамины, обес­

печивающие наряду с диаминами определенные структурные особенности

и функциональную активность рибосом.

Не только амины и диамины являются продуктами декарбоксилирования аминокислот. При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется

у-аминомасляная кислота:

•

Она накапливается в мозговой ткани и представляет собой нейрогуморальный ингибитор. Аналогично этому из аспарагиновой кислоты получается Р-аланин:

Аспартат·

ноос-снI -СН2-COOH----H2N -СН2-СН2-СООН +СО2

дехарБОJ:силаза

NH2 II-Алавии

Аспараrиновая

кислота

ОН принимает участие в синтезе пантотеновой кислоты (см. с. 162).

Второй важной реакцией аминокислот по карбоксильной группе является

образование ими аминоациладенилатов. Эта реакция была отмечена ранее при

рассмотрении ферментов, относящиХСя к классу лигаз (см. с. 137), и будет

подробно освещена ниже, в этой главе.

268

Превращения аминокислот, связанные с реакциями по радикалу. Напомним

прежде всего, что радикалом аминокислоты принято называть ту часть ее

молекулы, которая не принимает участия в формировании хребта полипептид­ ной цепи. По своей химической природе радикалы аминокислот исключитель­

но разнообразны, что служит материальной основой для многообразия при­ сущих им химических реакций. Естественно, что многие из этих реакций

осуществляются в процессе обмена аминокислот.

Важнейшим типом превращений аминокислот, протекающих с видоизмене­

нием радикалов, ЯlJляется переход одних аминокислот в другие. Благодаря

этому в организме значительно усиливаются возможности для синтеза амино­

кислот. Приведем некоторые примеры.

При окислении фенилаланина образуется тирозии:

H 2N-CH-COOH

Фенилаланин

Гидролиз арrинина приводит к образованию аминокислоты- орнитина:

Из последнего, в свою очередь, возникает либо глутаминоваи кислота, либо

"ролин:

кисnоты

269