Я.Мусил - Современная биохимия в схемах

РЕАКЦИИ СИНТЕЗА, НАЧИНАЮЩИЕСЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ ЦИКЛА

ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ И АЦЕТИЛ-СоА

Соединения, участвующие в цикле лимонной кислоты, образуют пул промежуточных веществ, дающих начало обратимым процессам в организме. Эти процессы метаболизма связывают в единое целое различные реакции распада и синтеза. С этой точки зрения отдельные реакции цикла лимонной кислоты занимают центральное место в метаболизме.

Наиболее важные пути метаболизма промежуточных соединений цикла лимонной кислоты представлены на схеме.

α-Кетоглутарат является самым важным акцептором аминогрупп в реакциях переаминирования. Этот процесс приводит к получению глутамата, из которого могут образоваться глутамин или γ-аминомасляная кислота (последняя может превратиться в полуальдегид яблочной кислоты, который далее окисляется в яблочную кислоту). Глутамин также может выступать в качестве предшественника в синтезе пролина, орнитина, цитруллина, аргинина и других метаболитов.

Оксалоацетат является ключевым соединением для процесса глюконеогенеэа. Из него последовательными реакциями (через фосфоенолпируват) получаются сахара. В зтом случае каждый второй атом углерода жирных кислот может входить в молекулу сахара. Полный синтез сахаров только из липидов в организме млекопитающих невозможен, так как при превращениях ацетил-СоА в цикле лимонной кислоты один атом углерода отщепляется в виде CO2. Млекопитающие не способны синтезировать сахара из ацетил-СоА.

Обратимое переаминирование оксалоацетата приводит к образованию аспарагиновой кислоты, способной служить исходным соединением для получения пиримидиновых нуклеотидов или некоторых аминокислот.

Сукцинил-СоА может образовывать с глицином δ-аминолевулиновую кислоту, которая конденсируется в порфобилиноген - основное соединение, используемое в синтезе порфириновых структур.

Фумарат является одним из продуктов разложения ароматических аминокислот, он также образуется из аспарагиновой кислоты в цикле мочевины.

Синтетические реакции, начинающиеся с ацетилСоА.

Ацетил-СоА является исходным соединением для синтеза жирных кислот и, следовательно, жиров.

Для синтеза жиров из соединений типа ацетилСоА необходим глицерофосфат, образующийся в процессе метаболизма сахаров. Важные синтетические реакции, начинающиеся с ацетил-СоА, приводят также к образованию изопреноидов (включая стероиды). Образование избыточного количества ацетил-СоА и его неполная утилизация в нарушенных процессах метаболизма приводит к накапливанию в организме кетосоединений. АцетилСоА также служит донором ацетильной группы в синтезе различных эфиров, например ацетилхолина, ацетилглюкозамина и т.д.

91

ОТДЕЛЬНЫЕ СТАДИИ ЦИКЛА ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ

Цикл лимонной кислоты начинается конденсацией оксалоацетата с ацетил-СоА, в результате чего образуется цитрат. Если концентрация оксалоацетата низка, он может дополнительно образовываться переаминированием аспартата или при карбоксилировании пирувата биотинсодержащим фер-

ментом.

Полученный цитрат при помощи специального фермента (цитрат-омыляющий фермент) в присутствии АТР может распадаться, образуя вновь оксалоацетат и ацетил-СоА.

Цитрат превращается в изоцитрат. Реакция проходит через образование промежуточного соединения (карбаниона), превращающегося в цис-аконито- вую кислоту. В условиях равновесия в смеси присутствует лимонная кислота (39%), цис-аконитовая кислота (3%) и изолимонная кислота (8%). Вторичная гидроксильная группа изоцитрата легко окисляется в присутствии NAD+-зависимого фермента в кетогруппу, а получающийся оксалосукцинат теряет α-карбоксильную группу. Образовавшийся таким образом α-кетоглутарат может подвергаться окислительному декарбоксилированию (механизм этой реакции аналогичен механизму окислительного декарбоксилирования пирувата, приводящему к образованию сукцинил-СоА). Сукцинил-СоА может использоваться в биосинтезе (синтез порфиринового скелета) или же превращаться в сукцинат.

Энергия макроэргической тиоэфирной связи сохраняется в форме GTP, находящегося в равновесии с АТР. Фумарат образуется дегидрированием сукцината (FAD). Гидратация фумарата приводит к получению малата. Равновесие этой реакции смещено в сторону образования малата (82%). На последней стадии происходит дегидрирование вторичной гидроксильной группы малата (NAD+ ) с получением исходного оксалоацетата. Все реакции этого цикла обратимы, за исключением аэробного декарбоксилирования.

92

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ПИРУВАТДЕГИДРОГЕНАЗНОГО КОМПЛЕКСА

Молекулы пирувата легко проникают из цитоплазмы в митохондрии, что обусловлено градиентом концентрации. Превращение пирувата в аце- тил-СоА катализируется пируватдегидрогеназным комплексом - полиферментной системой, состоящей

из трех различных ферментов и пяти коферментов, в которой пируват декарбоксилируется

и окисляется. Сначала происходит отщепление оксида углерода(IV) и образование «активного ацетальдегида». Он связывается с С2-атомом тиазольного кольца тиаминпирофосфата. Далее эта группа переносится к липоевой кислоте, в которой при этом происходит разрыв дисульфидной связи, и превращается в СН3СО и Н. Эта стадия дегидрирования приводит к образованию ацетила, который связан макроэргической связью с липоевой кислотой по тиольной группе. Этот ацетил легко отщепляется из полученного соединения и, реагируя с HS-CoA, образует ацетил-СоА. Восстановленный кофермент в дигидролипоилтрансацетилазе легко окисляется флавинсодержащим ферментом - дигидролипоилдегидрогеназой. Пируватдегидрогеназный комплекс существует в активной и неактивной формах. Образование активной формы стимулируется инсулином, недостаток кислорода (гипоксия) приводит к образованию неактивной формы. Таким образом, активность пируватдегидрогеназного комплекса строго регулируется. Кроме пируватдегидрогеназы за превращения пирувата в цитоплазме ответственны также пируваткарбоксилаза и лактатдегидрогеназа.

АЭРОБНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ α-КЕТОГЛУТАРАТА

Этот процесс подобен окислительному декарбоксилированию пирувата. Окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата приводит к образованию сукцината. Этот процесс необратим и катализируется полиферментной системой, состоящей из трех ферментов.

Е1. α-Кетоглутаратдекарбоксилаза (простетическая группа - тиаминпирофосфат) катализирует декарбоксилирование α-кетоглутарата до полуальдегида яблочной кислоты (связанного с тиазольным кольцом кофермента).

E2. Дигидролипоилтрансацетилаза (простетическая группа - липоевая кислота) катализирует перенос сукцинильного остатка к липоевой кислоте, в которой дисульфидная связь раскрывается, затем сукцинильный остаток перемещается к коферменту А.

Е3. Дигидролипоилдегидрогеназа окисляет дигидролипоевую кислоту в липоевую кислоту. Фермент содержит флавиновый кофермент, с помощью которого водород переносится к NAD+ , чей окис- лительно-восстановительный потенциал значительно более отрицателен, чем потенциал других известных флавопротеидов, поэтому он может переносить водород к NAD+ (образующийся при этом NADH окисляется в дыхательной цепи).

93

ЦИКЛ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ И МЕТАБОЛИЗМ

НЕКОТОРЫХ АМИНОКИСЛОТ

α-Кетоглутарат занимает самое важное место

среди промежуточных соединений цикла лимонной кислоты. В реакции переаминирования α-кетоглута-

рат переходит в глутамат с одновременным превращением другой аминокислоты в кетокислоту. Большинство реакций переаминирования протекает в цитоплазме (однако реакция 2 протекает также в митохондриях). Обратное превращение синтезированного глутамата в α-кетоглутарат, который является исходным соединением для последующих реакций переаминирования, протекает в митохондриях под действием глутаматдегидрогеназы. Глутаматдегидрогеназа является единственной специфической дегидрогеназой этой аминокислоты. Она занимает ключевое положение в метаболизме аминокислот, катализируя превращение аминното азота α-аминогруппы в аммонийный азот и наоборот;

Как NAD+ , так и NADP+ могут служить коферментами этого фермента. Когда в качестве кофермента используется NADP+ , образующийся NADPH служит донором водорода в дальнейших синтезах. Равновесие реакции, катализируемой ферментом, смещено скорее в сторону восстановительного синтеза глутамата, чем в сторону дезаминирования. Однако равновесие смешается в сторону образования аммиака в том случае, когда NADH удаляется в результате переноса электронов и протонов в дыхательной цепи. Для завершения цикла взаимных превращений глутамата и α-кетоглутара- та образующийся в цитоплазме глутамат должен попасть в митохондрии, а α-кетоглутарат, необходимый для удаления аминогрупп различных аминокислот в реакциях переаминирования,- в цитоплазму. Внутренняя мембрана митохондрии плохо проницаема для α-кетоглутарата. Он проходит через мембрану, обмениваясь с малатом, а глутамат - с фосфатом. Перенос малата может быть также сопряжен с переносом фосфата.

Пояснения к схеме

1.Глутамат-пируваттрансаминаза

2.Глутамат-оксалоацетаттрансаминаза

3.Глутамат-тирозинтрансаминаза

ОБРАЗОВАНИЕ КЕТОСОЕДИНЕНИЙ ИЗ АЦЕТИЛ-СоА

При конденсации двух молекул ацетил-СоА образуется ацетоацетил-СоА и затем β-окси-β-ме- тилглутарил-СоА, который гидролизуется до ацетоуксусной кислоты. Ацетоуксусная кислота в значительной степени подвергается гидрированию до β-оксимасляной кислоты и в меньшей степени - самопроизвольному декарбоксилированию, приводящему к образованию ацетона. Обе реакции протекают в печени.

94

VIII Порфирины

Порфирины состоят из четырех пиррольных колец, соединенных метановыми группами. Производные

порфиринов присутствуют в различных гемопротеидах (гемоглобин, миоглобин), гемсодержащих ферментах (цитохромы, пероксидаза, каталаза) и в хлорофилле зеленых растений. Порфирины подразделяются и обозначаются в соответствии с заместителями в боковых цепях, связанных с пиррольными кольцами; наибольшее распространение имеют протопорфирины. Молекула порфирина содержит систему сопряженных двойных связей, определяющую характерные свойства этого соединения. Растворы порфирина избирательно поглощают свет определенной длины волны в видимой области и имеют очень четкий и характерный максимум поглощения, который может служить для идентификации индивидуальных производных. Все производные порфиринов имеют один общий максимум поглощения при длине волны в области 400 нм.

Флуоресценция растворов является другим свойством, вызванным наличием сопряженных двойных связей; молекула порфирина может поглощать квант света и, таким образом, переносить электроны на более высокий энергетический уровень. При возвращении электронов на исходный уровень часть энергии излучается в виде фотонов, длина волны которых больше длины волны возбуждающего света.

Высокая температурная устойчивость молекул порфирина также вытекает из их структурных особенностей. Порфирин может образовывать хелаты с ионами металлов. Протопорфирин образует четырехвалентные комплексы с Fe2+, Fe3+, Mg2+, Zn2+, Ni2+, Co2+ и Cu2+. Хелатный комплекс протопорфирина с Fe2+ называется протогемом (или гемом), подобный комплекс с Fe3+ называется гемином или гематином. Порфирин в составе гема имеет плоское строение, две координационные связи железа перпендикулярны плоскости порфиринового кольца. Когда появляются группы в пятом и шестом координационных положениях комплекса железа, происходит образование гемохрома или гемохромогена.

Молекулы порфирина синтезируются конденсацией четырех молекул порфобилиногена, который образуется из двух молекул δ-аминолевулиновой кислоты, возникающей при конденсации сукцинил-СоА с глицином при одновременном декарбоксилировании. Боковые цепи пиррольных колец получаются в серии последовательных реакций декарбоксилирования и окисления, зависящих от структуры порфирина.

Вгемопротеидах (гемоглобин, миоглобин) пятое координационное положение Fe2+ занято имидазольной группой остатка гистидина белка. В гемах шестое положение либо не занято (восстановленная форма), либо занято кислородом (окисленная форма) или другими соединениями, способными к такому же взаимодействию (СО, CN-). Практически во всех цитохромах пятая и шестая связи Fe2+ и Fe3+ заняты аминокислотными остатками белка, поэтому цитохромы не могут связывать кислород.

Вгемоглобине и миоглобине Fe2+ не изменяет валентность в процессе связывания или отдачи кислорода. Оно всегда остается двухвалентным. Однако оно может быть окислено до Fe3+ действием окислителей, что

приводит к образованию гемина. Полученные таким образом соединения из гемоглобина и миоглобина называются метгемоглобином и метмиоглобином. Эти соединения не могут функционировать в качестве переносчиков кислорода. В процессе переноса электронов железо цитохромов переходит из двухвалентного состояния в трехвалентное - процесс, лежащий в основе функционирования цитохромов.

Гемоглобин - соединение глобина с гемом, Порфириновое кольцо ковалентно связано с белком по пятому координационному положению Fe2+. Гем может быть выделен экстракцией некоторыми растворителями подкисленного раствора гемоглобина. Молекулярная масса гемоглобина 67000, он состоит из четырех субъединиц, попарно идентичных, В организме гемоглобин находится в эритроцитах.

Миоглобин - красный пигмент мышц, сходный по составу с гемоглобином. Миоглобин состоит из одной полипептидной цепи, эквивалентной субъединице гемоглобина.

Цитохромы - прочно связаны с митохондриальной мембраной. За исключением цитохрома с, они не могут быть получены в гомогенном виде. Цитохромы переносят электроны.

В цитохроме с протопорфириновая группа ковалентно связана с белком через две винильные группы пиррольных колец с двумя SH-группами цистеина пептидной цепи. Пятое и шестое положение Fe2+ заняты остатками гистидина и метионина.

Деградация и превращения порфиринового кольца происходят в процессе распада гемоглобина, который вначале распадается до белка и гема. Дальнейшие превращения обоих компонентов протекают независимо. Разрушение гема начинается с распада тетрапиррольного кольца при окислении метиновой группы до альдегидной, с образованием линейного тетрапиррола, из которого получаются желчные пигменты.

95

СИНТЕЗ ГЕМА

Порфобилиноген- прямой предшественник порфиринов. Он синтезируется из δ-аминолевули- новой кислоты, образующейся при конденсации сукцинил-СоА с глицином, с одновременным декарбоксилированием. Фермент, катализирующий эту реакцию, ингибируется протогемином IX.

Пиррольное кольцо (порфобилиноген) образуется при конденсации 2 молекул δ-аминолевули-

новой кислоты. 4 молекулы порфобилиногена конденсируются, давая молекулу уропорфириногена III. Конденсация протекает в несколько стадий: сначала из четырех молекул порфобилиногена при помощи уропорфириногенсинтазы образуется линейный тетрапиррол с выделением ионов аммония. При действии косинтазы происходит отщепление иона аммония, одна пиррольная группа изомеризуется, и цикл замыкается с образованием уропорфирогена III. На следующей стадии происходит декарбоксилирование ацетатных групп боковых цепей с превращением их в метильные группы. Таким образом, образуется копропорфириноген III, который является субстратом для ряда последовательных процессов окисления и декарбоксилирования (декарбоксилирование остатков пропионовой кислоты, приводящее к образованию этильных групп, дегидрирование метиленовых мостиков между пирролами с образованием метиновых групп (—СН=), дегидрирование этильных групп в винильные группы). В результате этого образуется протопорфирин IX.

Согласно одним взглядам, железо включается в молекулу только после завершения синтеза протопорфирина реакцией, катализируемой феррохелатазой, согласно другим, включение происходит перед полным замыканием протопорфиринового цикла и также катализуется этим ферментом, локализованным в митохондриях. Протопорфирин IX является предшественником миоглобина (гемоглобина), цитохромов и хлорофилла.

96

97

СТРУКТУРА И ФУНКЦИЯ ГЕМОГЛОБИНА

Железо связано с четырьмя пиррольными циклами порфирнна четырьмя координационными связями. Пятое положение занято имидазольной группой гистидинового остатка молекулы белка. Шестое положение либо остается незамещенным (восстановленная форма, Нb), либо занято кислородом (окисленная форма, НbО2) или другими лигандами, которые могут быть связаны аналогично кислороду (СО, HCN). Пятая и шестая координационные связи железа расположены перпендикулярно плоскости порфиринового кольца.

Гемоглобин является переносчиком кислорода,

при этом валентность железа Fe2+ остается неизменной.

РЕГУЛИРОВАНИЕ БИОСИНТЕЗА ГЕМОГЛОБИНА

Ингибирование синтетазы δ-аминолевулиновой кислоты протогемином IX имеет особое значение в регуляции биосинтеза порфирина. Если отсутствует необходимое количество глобина, который должен связаться с протогемом IX для образования гемоглобина, то происходит самопроизвольное окисление протогемина IX, ингибирующее синтез порфирина. Считается, что ионы Fe3+ способствуют образованию глобина. Если количество ионов Fe3+ превышает количества, необходимые для связывания с протогемом IX, то остаются свободные ионы Fe3+. В этом случае стимулируется образование глобина. Вероятно, эта регуляция поддерживает равновесие между индивидуальными предшественниками гемоглобина, но не влияет на количество функционирующего гемоглобина.

98

ОБМЕН ГЕМОГЛОБИНА

Гемоглобин освобождается (около 8-9 г в день) при разрушении эритроцитов (время их жизни около 4 мес.). Оба компонента гемоглобина (белок и гем) превращаются далее независимо друг от друга. Глобин протеолитически гидролизуется до аминокислот, а гем превращается в пигменты желчи. Другие гемсодержащие белки (миоглобин, цитохромы, пероксидазы, каталазы и т.д.) разрушаются аналогичным образом.

Гемоглобин, освобождаемый из эритроцитов, сразу же связывается с гаптоглобином, белком плазмы крови (α2-глобулин), одна молекула которого может связывать две молекулы Нb. Образующийся комплекс адсорбируется ретикулоэндотелиальной системой из циркулирующей в печени

идругих органах крови.

Вкомплексе гаптоглобин-гемоглобин железо гема окисляется до Fe3+ (с образованием метгемоглобина), окисление α-метинового мостика гема до формила происходит после того, как отщепляется гаптоглобин. При открытии порфиринового цикла сродство Fe3+ и глобина к тетрапиррольному про-

изводному понижается и молекула распадается на линейное производное тетрапиррола биливердин, а также глобин и железо.

Биливердин восстанавливается NADPH по центральному метиновому мостику, давая билирубин.

Билирубин образует гликозидную связь с UDPглюкуроновой кислотой через два остатка пропионовой кислоты центральных пиррольных колец. Этот процесс протекает в эндоплазматическом ретикулуме и катализируется UDP-билирубин-глюку- ронидтрансферазой. Образуется водорастворимый глюкуронид билирубина. Будучи объемистым, он не может проходить обратно через мембрану клетки печени. Часть билирубина связывается с серной кислотой под действием PAPS, а также с глюкозой или ксилозой. Таким образом, его молекула становится водорастворимой, и в этой форме она переносится в желчные протоки печени. Вместе с желчью она попадает в кишечник, где превращается далее.

99

ВЫДЕЛЕНИЕ ЖЕЛЧНЫХ ПИГМЕНТОВ

Одна часть билирубина образуется непосредственно в печени, другая должна быть перенесена из РЭС-клеток в печень для его дальнейшего превращения. Однако, так как билирубин не растворим в воде, он переносится в связанном с альбумином состоянии (две молекулы билирубина на одну молекулу альбумина). Если концентрация билирубина в крови превышает определенную норму (30-35 мг/100 мл), альбумин оказывается насыщенным, а избыточный билирубин остается свободным и осаждается из раствора. Некоторые соединения (главным образом анионы), которые переносятся кровью в связанной с альбумином форме, конкурентно ингибируют транспорт били-

рубина.

Билирубин освобождается из комплекса с альбумином на клеточной мембране печени и активно переносится в клетку. Он попадает в кишечник через желчные протоки печени и восстанавливается только после гидролитического распада гликозидной связи или непосредственно под действием кишечных бактерий (частично также анаэробными гидрогеназами, присутствующими в кле-

и калом. Они окисляются до стеркобилина и уробилина кислородом воздуха.

Желчные пигменты частично всасываются в кишечнике и возвращаются в печень с венозной кровью (энтерогепатическая циркуляция). В этом случае билирубин может синтезироваться вновь.

Стеркобилин, уробилин и другие продукты распада гема (например, мезобилифуцин с двумя пиррольными кольцами) являются основными пигментами кала и мочи.

ЖЕЛЧНЫЕ ПИГМЕНТЫ

Линейный тетрапиррол биливердин, имеющий зеленый цвет, образуется при распаде тетрапир-

рольного кольца гема. При его восстановлении образуется красно-коричневый билирубин. Восстановление билирубина приводит к образованию бесцветного мезобилирубиногена (уробилиногена),

при последующем гидрировании которого образуется также бесцветный стеркобилиноген. Оранже- во-желтый уробилин образуется при окислении уробилиногена кислородом воздуха, а аналогичное окисление стеркобилиногена дает стеркобилин. Желчные пигменты переносятся в мочу энтерогепатической циркуляцией, и их восстановленные формы (в основном уробилиноген) там и могут быть обнаружены. Уробилин можно определить только после окисления.

Суффикс-оген в названии пигмента показывает, что все мостики между пиррольными кольцами образованы метиленовыми группами -СН3-.

Суффикс -ин показывает, что некоторые мостики дегидрированы до метиновых групп -СН=.

100