Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

()кислителъно-восстановителъ~е процеССLl легко протекаlOТ по серосодер­

жащим радикалам цис:rеива и цистина, благодаря чему эти две аминокислоты

переходят друг в друга; химизм этой реакции аналогичен окислению глутати­ она (см. с. 48), а ускоряется она цистеинредуктазоЙ.

При исчерпывающем окислении тиоловой группы цистеина последний переходит в цистеиновyFO кислоту, которая, декарбоксилируясь, дает начало

таурвну:

он

I

Последний, соединяясь с желчными кислотами, например холевой ·кисло­ той (см. с. 380), принимает участие во всасывании жиров.

Большое распространение имеет реакция диметилирования метионина. Она

осуществляется при каталитическом воздействии метилтрансферазLl. Мети­

онинуниверсальный поставщик метильных групп в реакциях трансме­

тилирования. При этом он переходит сначала в «активный метионин», со­

единяясь с АТФ:

АТФ:

VL-метионин­

S-аденозил­

трансфераза

Дденозинтрифосфориая Кислота

кнслота

270

Реакция ускоряется специфическим ферментом АТФ: L-метионин-S-адено­

зил трансферазой (М = 100000, оптимум рН 9,5). Далее метильная группа от

S-аденозилметионина передается соединению, которое подвергается метилиро­ ванию. В качестве примера приведем уравнение реакции метилирования глицина:

(~H2)2

Глицин H2N~H

СОО-

S-АJ1еиози,nметиоиии

соон

S-АJ1еиозиnrомоцис:теии

Интересная реакция осуществляется по радикалу треонина. Она состоит в отщеплении радикала в виде ацетальдегида. Эта реакция ускоряется специ­ фическим ферментом - треонинальдолазой, открытым А. Е. Браунштейном и Г. Я. ВилеlfКИНОЙ (1951). Простетической группой его явлsn:тся пирИДоксаль­

фосфат. В качестве второго продукта расщепления треонина идентифицирован

глицин:

Aerl\A

Кроме реакций, приводящих к синтезу одних аминокислот из других, по радикалам аминокислот известно много других превращений (окисление, ме­

тилирование и т. п.). Часто эти реакции сочетаются с процессами декарбок­

силирования и дезаминирования аминокислот. В результате (особенно из

циклических аминокислот) возникают разнообразные вещества, многие из которых обладают сильным физиологическим действием. Так, например, из

тирозина образуется гормон адреналин (см. гл. ХН). ТРШIТофан служит источ­

ником образования никотиновой кислоты (витамин РР) и Индолилуксусной

кислоты (ростовое вещество); цистени-меркаптуровых кислот (обезврежива­ ние ароматических соединений); apmHHH - арmнинфосфата и других гуанидин­

фосфатов (макроэргические соединения).

Таким образом, в процессе превращений аминокислот возникает серия соединений, принимающих учасmе в регуляции обмена веществ в организме.

271

Это обстоятельство еще раз подчеркивает ведущуЮ роль белкового обмена

в общем обмене веществ организма.

Коиечные ПРОДУКТЫ распада аминокислот. Как бьшо отмечено выше, в ре­

зультате распада аминокислот возникают СО2, NНз, амины, кетокислоты

и в ряде случаев еще достаточно сложные вещества, относящиеся к тем или

иным классам органических соединений. Все они, за исключением СО2 и NНз,

подвергаются в конце концов дальнейшей деструкции. Амины путем окис­ лительного дезаминирования превращаются в карбоновые кислоты:

Аналоmчно идет реакция окислительного дезаминирования диаминов при

посредстве диаминоксидазы.

Кетокислоты и карбоновые кислоты, возникающие в результате распада ами­ нокислот, постепенно окисляются, образуя СО2 и Н2О (см. с. 356). Точно так же

в СО2, NНз и Н2О превращаются все остальные органические вещества, являющи­

еся продуктами распада аминокислот в организме. Таким образом, конечными

продуктами распада аминокислот являются Н2О, СО2 И NНз. Вода поступает

в общий метаболический фонд, оксид углерода (IV) беспрепятственно выводится из организма и mппь судьба аммиака нуждается в специальном рассмотрении.

Только, у некоторых обитателей гидросферы (медицинская пиявка, крабы,

речной рак. беззубка, каракатица и др.) NНз непосредственно или в виде солей аммония выводится в окружающую среду. У подавляющего большинства растительных и животных видов аммиак, уже в небольших концентрациях

оказывающий вредное влияние на жизнедеятельность организмов, переводит­

ся в безвредные для биологических форм азотистые соединения. К их числу

относятся аспарагин, глутамин и мочевина. У многих животных, оеобенно позвоночных, последняя служит для выведения обезвреженного аммиака.

Полагают, что аспарагиновая и глутаминовая кислоты осуществляют первич­ вое связывание NНз в момент его образования в клетке. Взаимодействие аммиака

с этими кислотами, в результате чего возникают амидыIаспарагинH и глута­

МИН, ускоряется специфическими ферментами. Оба фермента-аспарагиисинте­

таза и глутаминсинтетазапринадлежат к классу лигаз, в частности к подклассу

лигаз, УСКОрЯЮIЦI{X реакции образования С-N-связей, и среди них-к подпод­

классу кислотоаммиачных лигаз (амидосинтетазы). Так как необходимым усло­ вием деятельности лигаз является сопряженный с реакцией синтеза процесс распада АТФ, то уравнение реакции биосинтеза аспарагина имеет такой вид:

272

\

Аналогично идет реакция биосинтеза глутамина при участии глутаминсин­

тетазы (L-глутамат:аммиак-лигаза).

Реакции образования аспарагина и глутамина особенно широко представ­ лены в растительном царстве. Однако и у животных эти амиды возникают не

столь редко: синтез аспарагина доказан в жировом теле насекомых. а синтез

глутамина-в мышцах, мозгу. печени и почках млекопитающих, а также

гемолимфе насекомых. В тканях млекопитающих синтез аспарагина идет из глутамина, амидная группа которого переносится на у-карбоксильную группу аспарагиновой кислоты при участии глутаминзависимой аспарагинсинтетазы

сопряженио с распадом АТФ на АМФ и пирофосфат.

Амидирование аспарагиновой и глутаминовой кисло.1 может происходить

и в том случае, если они находятся в связанном состояни1\, например, в составе

белковой молекулы. Как известно, радикалы аминокислот, входящих в поли­

пептидную цепь белка, свободны и по ним легко осуществляются те или иные

химические реакции. Одной из таких реакций является амидирование белков:

H'-NН1н-со-lх'-NН1н-со-Nн-<rн-со-NН1н-со-l;;-'-Nн-~н-сО-lуОН

НI-NH-УН-СО-JХ'-NН1Н-СО-NI--I--<j:Н-СО-NН1Н-СО-JiI'-NН-<fН-СО-lуОН

Амидированный белок

Следовательно, не только свободные аспараmновая и глутаминовая кисло­

ты, но и белки организма могут быть акцепторами NНз. Тем самым обеспечи­

вается немедленное связывание аммиака в лuoбой точке, где он возникает

в результате обмена веществ. Вместе с тем амидирование белков представляет процесс посттрансляционной (см. c.301) модификации белков, в результате

которой полностью завершается их синтез. Различная степень посттрансляцион­ ного амидирования является одним из источников микрогетерогениости белка.

Мочевинаосновной конечный продукт белкового обмена у MHomx жи­

вотных (дождевой червь, слизень, акула, лягушка, черепаха и все млекопита­

ющие). Ее биосинтез у высших животных происходит в печени, на что впервые

в конце прошлого столеmя обратили внимание М. В. Ненцкий и и. п. Пав­

лов. В печени найденыI все необходимые для этого ферменты. У животных, не способных синтезировать мочевину (рептилии, птицы), печень не обладает соответствующим ферментативным аппаратом. Новообразование мочевиныI идет также в растениях. Путь ее возникновения у животных и растений

одинаков и состоит в следующем. Из NНз, СО2 и АТФ при каталитическом воздействии фосфотрансферазы (карбаматкиназа) синтезируется карбамилфос­ форная кислота. Механизм этой реакции рассмотрен ранее (см. с. 235). При

участии другой трансферазы (орнитин-карбамилтрансфераза) карба~овая

•

273

группировка переносится от карбамилфосфата на б-аминогруппу орнитина, который всегда присутствует в организме, так как легко возникает при гид­ ролизе аргинина. В результате этой реакции синтезируется цитруллин:

Ьн-нн.

С!ООН

UIll'P,....

Далее в действие вступают еще два фермента, обеспечивающие введение

в lCарбаминовую (H2N-~-NH-) ГРУППИРОВlCу цитруллина еще ·одного атома

о

азота и превращение ее в гуанидиновую группировку (H2N4-NH-). т. е.

NH

переход цитруллииа в аpпrнин.

Донором аминогруппы в этом превращении служит аспараmновая кисло­

та, а промежуточным соединением на пути от цитруллина каргинину­

Заключительной реакцией в биосинтезе мочевины является гидролиз ар­

гинина и образование орнитина и мочевины. Получающийся при этом ор­

нитин вновь вступает во взаимодействие с карбамилфосфатом, и все перечис­

ленные выше реакции повторяются снова. Поэтому совокупность указанных реакций, приводящих к образованию мочевины в качестве одного из звеньев, включающих высвобождение и вовлечение снова в процесс орнитина. получи­

ла название орнитинового цикла (рис. 91).

274

АсnарагцноВая

нцслоmа

Рис. 91. Орнитиновый ЦИКЛ (пояснение в тексте)

Фумаровая кислота, как мы увидим ниже, легко превращается в щавелево­

уксусную кислоту, которая путем переаминирования либо аминирования пере­

ходит снова в аспарагиновую кислоту. Следовательно, с одной стороны, акцептируется молекула NНз, а с другой-возобновляются запасы аспараги­

новой кислоты, участвующей в функционировании орнитинового цикла. Са­

мое важное состоит в том, что в результате деятельности орнитинового цикла

из каждых двух молекул NНз и одной молекулы ~02' освобожденных в ре­

зультате распада аминокислот (или других соединений), строится одна моле­

кула мочевины.

Новообразование аминокислот. Выше уже было рассмотрено новообразова­

ние аминокислот в природе путем их переаминирования с кетокислотами, т. е.

превращение одних аминокислот в другие. Однако в обоих случаях исходным

продуктом служат уже готовые аминокислоты, которые лишь тем или иным

способом видоизменяются, т. е. получаются путем вторичного синтеза из

предсуществующих аминокислот. Значит. оба эти процесса не решают пробле­

му первичного синтеза аминокислот в организме. Он осуществляется восста­

новительным аминированием кетокислот и прямым аминированием непре­

дельных кислот.

Прямое амивирование иепредельиых КИСЛОТ представляет довольно редкую реакцию и свойственно в основном бактериям и растениям. Хорошо изучено прямое аминирование фумаровой кислоты; оно ускоряется специфическим ферментом-аспартат-аммиак-лиазой и идет в соответствии со следующим

уравнением:

Реакция обратима и в известных условиях служит для дезаминирования аспарагиновой кислоты. Иммобилизованная аспартат-аммиак-лиаза нашла (см. с. 144) применение для промышленного получения L-аспарагиновой кис­ лоты. Значительные количества аспарагиновой кислоты синтезируются также путем переаминирования щавелевоуксусной кислоты с глутаминовой ос­ лотой.

275

Восстановительное аминирование представляет главный путь новообразова­ ния аминокислот. Эта реакция есть обращение окислительного дезаминирова­ ния аминокислот. Ее уравнение приведено на с. 265. Если его прочесть справа

налево, то это и будет уравнение реакции восстановительного аминирования сх-кетоглутаровой кислоты.

Другой кетокислотой, подвергающейся активно восстановительному ами­

нированию, является пировиноградная кислота:

в принципе, возможно восстановительное аминирование любой кетокис­

лоты. Однако активность всех природных дегидрогеназ аминокислот, за ис­

ключением глутамат- и аланиндегидрогеназы, ничтожна, поэтому синтез всех остальных протеиногенных аминокислот путем восстановительного аминиро­

вания практического значения не имеет. Только аланин и глутаминовая кисло­

та возникают таким способом из пировиноградной и сх-кетоглутаровой кис­

лот, являющихся нормальными промежуточными продуктами распада угле-

Следовательно, к первичной аспарагиновой кислоте, синтезируемой путем прямого аминирования, добавляются еще две первичные аминокислоты­

аланин и глутаминовая кислота, образующиеся в результате восстановитель­

ного аминирования. Остальные аминокислоты образуются в результате реак-

•ций переаминирования перечисленных аминокислот с соответствующими ке­ токислотами, возникающими в процессе обмена веществ, а также путем превращения одних аминокислот в друmе (рис. 92). Поэтому аланин, ас­

парагиновую и глутаминовую кислоты называют первичными аминокислота­

ми, а все остальные-вторичными.

Расmтельные и животные организмы резко отличаются друг от друга по

,способности синтезировать аминокислоты. В растениях осуществляется бес­

препятственный синтез самых разнообразных аминокислот. Здесь создаются

не только все 18 аминокислот, постоянно встречающихся в белках, но и огром­

ное число так называемых «экзотических» аминокислот. Некоторые из них

иногда находят в составе белков. В растениях сейчас обнаружено несколько

сотен аминокислот, и список их возрастает с каждым годом. Часто та или

иная аминокислота присутствует в растениях строго определенного вида и ее

наличие может служить надежным 'rаксономическим признаком.

В отличие от этого животные синтезируют далеко не все аминокислоты. Из

18 постоянно встречающихся в белках аминокислот в животном организме

синтезируется в среднем только половина их, а остальные-не синтезируются.

Первые (синтезируемые) называются заменимыми аминокислотами, вторые

(несинтезируемые)-незаменимыми. Между различными видами животных

есть некоторые отличия в наборе заменимых и незаменимых аминокислот, но в большинстве случаев к незаменимым аминокислотам относятся валин,

лейцин, изолейцин, 'rpеонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан.

Любопытно, что у заменимых аминокислот, по подсчетам ю. А. Жданова

(1968), в большинстве случаев степень окисления атомов углерода отрицатель­ на, а у незаменимых-всегда положительна. Это свидетельствует о том, что заменимые аминокислоты эволюционно более молоды (возникли в окисли­

тельной атмосфере планеты) по сравнению снезаменимыми.

276

I вторичные:;~иоЮfCnОТЫ I

111.1

ПереамИНИРО8&Ние', и другие рeuции

,J)I~____----

",----------""":::"':..:---=----' ------, ------......-

Рис. 92. Взаимосвязь реакций, ле~ащих в основе биосинтеза первичных и вто­

ричных аминокислот:

1,2, 3-первичные ВМИВОПlслоты: rпутаминоваА кислота, маlПlН и аспараmвоВ3А кислота; а-rлуга­ матдeгвдporeнaзa, б-/IJIШlНЦIIеrnдрогсназа, II-аспартаза

Если в корме животных недостаточно содержание одной или нескольких

незаменимых аминокислот, то нормальное развитие животного нарушается,

так как биосинтез белка у него идет на низком уровне. Как правило, рас­

тительные белки содержат мало лизина, метионина и триптофана. Дефицит этих аминокислот в корме сельскохозяйственных животных встречается наи­ более часто. Рационы их неполноценны также по количеству треонина. Введе­

ние в рационы недостающих незаменимых амщюкислот позволяет нормализо­

вать рост организма. увеличивает привес на каждую израсходованную кормо­

вую единицу, улучшает использование белков основной диеты. резко ПОВЬШIает эффективность животноводства. Так, введение в рацион 0,2-0,5% лизина ПОВЬШIает продуктивность свиноводства и птицеводства на 10-13%

и сокращает расход кормового белка на 25%.

Вполне понятно, что в описанных ситуациях речь идет о незаменимых

аминокислотах L-ряда, поскольку они необходимы для синтеза белка. Однако

L-аминокислоты очень трудно создать путем химического синтеза, при кото­

ром получаются рацематы аминокислот, пуждающиеся в разделении на оп­

тические антиподы. Поэтому основная масса аминокислот для нужд животно­ водства производится путем микробиологического синтеза, т. е. использова­

ния определенных микроорганизмов - продуцентов аминокислот, которые

выделяют те или иные L-аминокислоты прямо в культуральную жидкость

в количестве нескольких граммов на 1 л. В частности, в Институте биохимии

им. А. Н. Баха под руководством ЧЛ.-кор. В. Н. Букина разработан экономич­

ный микробиологический метод получения L-лизина, а во Всесоюзном научно­

исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроор­

ганизмов его сотрудниками под руководством чл.-кор. В. Г. Дебабова мето­

дами генетической инженерии создан штамм киш~чной палочки, выделяющий

в культуральную среду до 30 г L-треонина. Ряд аминокислот полу'1ают также

при помощи иммобилизованных бактериальных клеток и ферментов

(см. гл. 111). Лишь метионин синтезируют заводским путем в виде рацемата, который столь же хорошо используется организмом, как и L-метионин.

277

В нашей стране путем микробиолоmчеС1ЮГО синтеза готовят лизин на ряде биохимических заводов с конечной целью довести его производство до 32 тыс.

т в год.

Проблема незаменимьiх аминокислот актуальна и в питании человека, которому необходимо ежедневно получать с пищей 1 г L-триптофана, 2-3 г

L-треонина, по 2-4 г L-лейцина, L-метионина и L-фенилаланина, 3-4 г L-изолейцина и 3-5 г L-лизина. По мнению aICaД. А. Н. Несмеянова, высказанно­ му в докладе на IX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии четверть века тому назад, индустриальный синтез восьми незаменимых аминокислот, способных заменить белок в питании человека, представляется вполне реальным

иэкономически оправданным. За прошедшие годы промышлеmюе производство как незаменимых, так и заменимых L-аминокислот продвинулось далеко вперед

исинтез некоторых из них занимает все более прочное место в ряду мероприятий, направленных на повышение полноценности белкового miтания человека.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ

Проблема биосинтеза белка-одна из двух наиболее важных и острых

проблем современного естествознания: если в неживой природе принципиаль­

но новые пути получения энергии будут найдены благодаря .успехам физики

элементарных частиц, то в живой природе решение кардинального вопроса

управления самой жизнью может быть получено в результате познания химии

ибиологии белковых тел.

Визучении строения и биосинтеза белка, как в фокусе, скрещиваются пути

решения важнейших вопросов биологической науки: выяснеlШе законов наслед­

ственности и изменчивости, управление ростом и развитием организмов,

иыявление причин возникновения и разработка методов лечения многих болез­

ней и т. п. Вполне закономерно поэтому, что хх в. физики называют иеком

атома, а биохимики-веком белка.

Биосинтез белков _в организме осуществляется весьма интенсивно. Средняя

скорость сборки полипептидных цепей и клетках бактерий составляет 16-17

аминокислотных остаткои в 1 с, дрожжей-7-10, млекопитающих-5-7.

Время синтеза (в с) молекулы глобина в ретикулоцитах кролика равно 20,

овальбумина в яйцеводах курицы-80; суммарных белков в печени крысы-

80. За 1 мин в ретикулоците кролика синтезируется 5 ·104 молекул глобина, в клетке яйцеводов lCурицы-6 ·105 молеlCУЛ овальбумина, И'гигантской ICлетке заднего отдела шелкоотделительной железы тутового шелкопряда-38 ·1011

молекул фиброина шелка.

Истории развития преДС1'аВJIевиl О механнзме биосинтеза белков. Путь,

пройденный при разработке одной из центральных проблем соиременной

биохимии- механизма биосинтеза белков, крайне поучителен и противоречив.

Первой по времени была гипотеза обращении протеОЛИЗ8. Она восходит к концу прошлого столетия. В 1886 г. А. я. Данилевский наблюдал образова­ ние белковоподобных веществ при действии ферментов желудочного сока на

концентрированный раствор пептонов, возникших в результате расщепления

белка пепсином. Позже был расширен ICруг ферментов, способных к обраще­

нию протеолиза (трипсин, пепсин, папанн, катепсины), и белков, снеполными mдролизатами которых такое обращение удавалось осуществить (альбуми­ ны, глобулины, фибрин, казеин и др.). Продукты, возникающие в результате

обращения реакции гидролиза белков, назвали пластеинами.

Хотя сейчас ясно, что реакции пластеинообразования не имеют отношения

J: природному биосинтезу белков, они вплоть до сегодняшнего дня привлека·

278

ют внимание исследователей, так как нашJЩ практическое применение при

переработке непищевых белков в пищевые и синтезе пептидов, в частности

аспартама (метиловый эфир L-сх-аспартил-L-фенилаланина), используемого как заменитель сахарозы (он в 100 раз слаще нее) в кондитерской промыш­

ленности (коммерческое название-.-сластилин):

H2N-CН-CO- NН-cн- со-оси]

N:napraM

Определенный вклад в развитие современных представлений о механизме биосинтеза белков внесли исследования биосинтеза квазипептидных связей (т. е.

не истинных пептидных связей, но близких к ним), осуществленные в 50-е годы в ряде лабораторий, в том числе у нас в лаборатории А. Е. Браунштейна.

Будучи проведены на таких соединениях, как глутамин, ацетанилид, глутатион и гиппуровая кислота, эти исследования доказали ферментативный характер

реакций их образования, необходимость энергообеспечения за счет окисли­

тельных процессов и, что самое важное, участие в биосинтезе квазипептИДНЫХ

связей АТФ.

. Столь же существенными оказались результаты разработки гипотезы

транспеmидирования в качестве возможного варианта механизма биосинтеза пептидных связей. В нашей стране исследования в этом направлении интенсив­ но проводились В 50-е годы В. Н. Ореховичем с сотр. При изучении реакций

транспептИДИРования впервые бьmо показано, что перенос аминоациальных

или пептидильных группировок на аминогруппу аминокислот может ПРQИС­

ходить не только с амидной или пептидной связи, но и со сложноэфирной связи. В дальнейшем оказалось, что именно этот механизм лежит в основе

реакции транспептидирования в рибосоме.

Гипотеза подстановки аминокислот, возникшая в тот же период в связи с внедрением в биохимию метода радиоактивных индикаторов, не оказал~ сколько-нибудь существенного влияния на развитие представлений о механиз­

ме биосинтеза белков.

Переломным моментом в развитии подходов к выяснению механизма

биосинтеза белковых тел было установление сцепленности его с биосинтезом РНК (ж. Браше, 1941; Т. Касперсон. 1941). Оно привело к созданию матричной схемы БИОСlIНтеза белков, являющейся фундаментом современных представле­

пий в этой области. Матричный механизм биосинтеза полимеров, обеспечи­

вающий безошибочное воспроизведение их первичной структуры, представля­

ет одну из наиболее специфических черт живого. Он является превосходным

примером тех припципиально новых закономерностей, которые сопровожда­

ют возникновение и развитие биологической формы движения материи: мало­ эффективный механизм обычного химического синтеза, основанного на беспо­

рядочном столкновении молекул, заменен здесь направленным, специфиче­ ским синтезом на шаблоне; скорость его в миллиарды раз превышает таковую

в неупорядоченных системах.

Принципиальное значение в разработке вопроса о механизме биосинтеза

белков имело выявление локализации его в рибосомальном аппарате клетки

исоздание бесклеточных систем, где единственной структурой, на которой протекал биосинтез белка, были рибосомы (см. с. 280). Выяснение их строения

ифункции принесло неоценимую информацию об этапах матричного биосин­ теза белка и тончайших молекулярных механизмах, которые ему сопутствуют.

279