Metabolicheskaia_biokhimiia

121

ацетиласпарагиновой кислоты в ткани мозга. Роль последней, содержащейся в довольно высоких концентрациях в ткани мозга млекопитающих, пока не выяснена. Глутаминовая кислота, являющаяся гликогенной и заменимой аминокислотой для человека и животных, также включается в синтез ряда специфических метаболитов, в частности глутатиона и глутамина. Помимо участия в транспорте аммиака и регуляции кислотно-щелочного равновесия, глутамин – это незаменимый источник азота в ряде синтезов, в частности в биосинтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, аминосахаров, в обезвреживании фенилуксусной кислоты (синтез фенилацетилглутамина) у человека и человекообразных обезьян, а также в синтезе витамина фолиевой кислоты (птероилглутаминовая кислота). На рисунке 24 суммированы реакции синтеза ряда веществ, в которых амидный азот глутамина выполняет специфическую роль, незаменимую азотом других аминокислот. Глутамин и аспарагин оказались, кроме того, эссенциальными факторами для роста некоторых нормальных и опухолевых клеток в культуре ткани; они не могут быть заменены ни друг другом, ни соответствующими дикарбоновыми аминокислотами. Это свидетельствует о том, что в условиях выращивания клеток в культуре ткани некоторые клетки теряют способность синтезировать эти амиды синтетазным или трансаминазным путем.

Рисунок 24. – Использование амидного азота глутамина для синтеза различных соединений в живых организмах

121

122

В лаборатории Майстера получены доказательства, что глутамин и аспарагин в животных тканях подвергаются сочетанному трансаминированию и дезамидированию под влиянием специфических трансаминаз амидов (глутаминтрансаминазы и аспарагинтрансаминазы) и неспецифической ω-амидазы:

Таким образом, в реакции переноса участвует α-аминогруппа аспарагина, а не амидная группа, как предполагали раньше; в то же время амидная группа промежуточного соединения α-кетосукцинамовой кислоты в дальнейшем освобождается в процессе гидролиза в виде аммиака. Трансаминирование – обратимый процесс, поэтому лимитирующими факторами в синтезе аспарагина (и глутамина) являются ω-амиды оксалоацетата и α-кетоглутаровой кислоты, синтез которых в животных тканях пока не доказан. Глутаминовая кислота является одним из немногих соединений, помимо глюкозы, которые служат энергетическим материалом для ткани мозга. Ранее была отмечена высокая активность в ткани мозга глутаматдекарбоксилазы, катализирующей превращение глутамата в γ- аминомасляную кислоту (ГАМК). Дальнейшее последовательное окисление ГАМК включает трансаминирование с образованием полуальдегида янтарной кислоты, окисление в янтарную кислоту и, наконец, окисление через ЦТК. В обеих реакциях (декарбоксилирование глутамата и трансаминирование ГАМК) участвует пиридоксальфосфат, который оказался более прочно связанным с ГАМК-трансаминазой. ГАМК оказывает тормозящий эффект на синаптическую передачу в ЦНС, поэтому судорожные явления, наблюдаемые при недостаточности витамина В6, могут быть связаны со снижением образования ГАМК в глутаматдекарбоксилазной реакции. У животных судороги могут быть вызваны также введением изониазида, который связывает альдегидную группу кофермента или антивитаминов В6, в частности метоксипиридоксина. ГАМК – естественно встречающийся «транквилизатор», поэтому одним из путей повышения ее концентрации в ЦНС является введение веществ, оказывающих тормозящее действие на ГАМК-трансаминазу, которая эффективно устраняет ГАМК. В последние годы у бактерий и растений (но не в животных тканях) открыт совершенно новый путь синтеза глутаминовой кислоты из α-кетоглутаровой кислоты и глутамина. Этот путь, получивший название глутаматсинтазного цикла, включает две сопряженные с распадом АТФ необратимые реакции, ведущие к усвоению (ассимиляции) аммиака:

122

123

Первую стадию (а) катализирует глутаминсинтетаза, которая имеется в клетках животных, вторую (б) – глутаматсинтаза, открытая только у растений, грибов и микроорганизмов. Обе стадии могут быть представлены вместе с обратимо действующей глутаматдегидрогеназной реакцией (в) в виде следующей схемы:

Оказалось, что при низких концентрациях аммиака, характерных для растений и микроорганизмов, реакции протекают преимущественно по глутаматсинтазному циклу, а при высоких его концентрациях, свойственных тканям животных,– по глутаматдегидрогеназному пути; в обоих случаях синтезируется глутамат. В сводной схеме обобщены главные интегративные пути превращения глутамина и глутаминовой кислоты и приведены названия ферментов, катализирующих эти реакции в тканях.

С метаболизмом глутаминовой кислоты связаны также пути обмена пролина и аргинина смотри рисунок 25, хотя следует напомнить, что аргинин относится к частично незаменимым аминокислотам организма, особенно в молодом возрасте, когда его синтез из глутамата не может обеспечить потребности быстрого роста организма. Основным путем метаболизма аргинина является путь синтеза мочевины. Более специфичен и необратим путь превращения гистидина (также частично незаменимая для животных аминокислота) в глутаминовую кислоту. В этом превращении участвуют два хорошо изученных фермента – гистидинаммиаклиаза (гистидаза), катализирующая внутримолекулярное дезаминирование гистидина, и уроканиназа, которая катализирует разрыв имидазольного кольца уроканиновой кислоты с образованием имидазолилпропионовой кислоты; последняя через формиминоглутамат превращается в глутаминовую кислоту. Другие пути обмена гистидина (образование гистамина и окисление его под действием диаминоксидазы) были рассмотрены ранее.

123

124

Рисунок 25. – Метаболические превращения глутамата и глутамина в тканях животных (схема по Майстеру)

1 - реакции цикла лимонной кислоты; 2 - глутаматдегидрогеназа; 3 - глутаматтрансаминаза; 4 - глутаминсинтетаза; 5 - глутаминаза; 6 - глутаминтрансаминаза; 7 - карбамоилфосфатсинтетаза (печень); 8 - ω- амидаза; 9 - γ-глутамилцистеинсинтетаза; 10 - глутатионсинтетаза; 11 - γ- глутамилтрансфераза; 12 - γ-глутамилциклотрансфераза; 13 - 5- оксопролиназа; 14 - цистеинил-глициназа; 15 - глутаматдекарбоксилаза; 16 - глутамат-N-ацетилаза; 17 - ферменты, катализирующие распад этих аминокислот; 18 - амидотрансферазы глутамина; 19 - глутаминфенилацетилтрансфераза

3.3.5 Типы азотистого обмена

Пристальное внимание ученых привлекают некоторые наследственные заболевания человека, являющиеся следствием первичного дефекта обмена отдельных аминокислот. Возникновение и дальнейшее развитие специфического патологического синдрома при таких заболеваниях обусловлено полным или частичным отсутствием активности определенных ферментов: организм либо теряет способность синтезировать данный фермент, либо образуется недостаточное количество его, либо синтезируется аномальный фермент, отличающийся по структуре от нативного. Следствием такого врожденного дефекта обмена является накопление в тканях нормальных промежуточных или побочных (неспецифических) продуктов обмена, оказывающих токсическое влияние на организм и в первую очередь на ЦНС. Этим, пожалуй, объясняется тот факт, что в основном заболевают дети в раннем возрасте, у которых затем развиваются специфические расстройства психической деятельности. Весьма вероятно также, что отдельные аминокислоты и продукты их обмена в оптимальных

124

125

концентрациях являются эссенциальными для деятельности мозга. Поэтому задача биохимиков, физиологов и клиницистов состоит в том, чтобы выяснить зависимость между развитием патологического синдрома при врожденных пороках обмена и специфическими нарушениями обмена аминокислот. Приводим примеры подобных нарушений. Фенилкетонурия (фенилпировиноградная олигофрения) развивается как результат потери способности организма синтезировать фенилаланин-4- монооксигеназу, катализирующую превращение фенилаланина в тирозин. Характерные особенности болезни – резкое замедление умственного развития ребенка, а также экскреция с мочой больших количеств фенилпировиноградной кислоты (до 1–2 г/сут) и фенилацетилглутамина (до 2–3 г/сут). Решающим доказательством метаболического блока при фенилкетонурии являются данные о накоплении фенилаланина в тканях. Так, количество его в крови может достигать 600 мг/л (в норме 15 мг/л), в цереброспинальной жидкости – 80 мг/л (в норме 1,5 мг/л). Развитие болезни можно предотвратить, если значительно снизить прием фенилаланина с пищей с самого рождения ребенка. Алкаптонурия характеризуется экскрецией с мочой больших количеств (до 0,5 г/сут) гомогентизиновой кислоты, окисление которой кислородом воздуха придает моче темную окраску. В далеко зашедших случаях развиваются охроноз, наблюдаются отложение пигмента в тканях и потемнение носа, ушей и склеры. Эта болезнь известна с девнейших времен, однако только в 1962 г. были получены доказательства, что метаболический дефект при алкаптонурии связан с врожденным отсутствием в печени и почках оксидазы гомогентизиновой кислоты. Альбинизм – врожденное отсутствие пигментов в коже, волосах и сетчатке. Метаболический дефект связан с потерей меланоцитами способности синтезировать тирозиназу – фермент, катализирующий окисление тирозина в диоксифенилаланин и диоксифенилаланинхинон, являющихся предшественниками меланина. Предположение о блокировании процесса полимеризации меланина при альбинизме не подтвердилось. Болезнь Хартнупа характеризуется специфическими нарушениями обмена триптофана. Основным проявлением болезни, помимо пеллагроподобных кожных поражений, психических расстройств и атаксии, служит гипераминоацидурия. Поскольку с мочой выделяются в повышенных количествах индолилацетат, индолилацетилглутамин и индикан, но нормальное количество индолилмолочной кислоты, очевидно, метаболический блок связан с первой реакцией нормального пути обмена триптофана, и обмен преимущественно идет по пути декарбоксилирования. При другом наследственном пороке обмена аминокислот с разветвленной цепью – болезни кленового сиропа и при фенилкетонурии также экскретируется индолилацетат, но в этих случаях он имеет своим источником индолилпируват, так как параллельно с мочой выделяется в больших количествах индолилмолочная кислота, которая может образоваться только из фенилпирувата. Согласно новым данным, при болезни Хартнупа метаболический дефект связан с врожденным нарушением

125

126

всасывания триптофана в кишечнике и реабсорбции триптофана и продуктов его обмена в почках. Из этого следует, что по химическому составу индолилпроизводных в моче и крови можно судить о природе болезни (карциноидная опухоль, фенилкетонурия и др.) и о механизме нарушения обмена триптофана, что важно для постановки правильного диагноза и проведения адекватного лечения. В ряде случаев вследствие блокирования действия какого-либо фермента имеет место резкое отставание умственного развития. Вопрос о том, чем обусловлено это торможение психической деятельности: токсическим действием ненормально высоких концентраций аминокислот или их метаболитов на мозг, нарушением нормального соотношения аминокислот и, следовательно, биосинтеза белка либо вторичными нарушениями энергетического и других видов обмена – окончательно не решен. Таким образом, идентификация химической реакции или ферментативной системы, нарушение функции которой является первопричиной развития тяжелого наследственного заболевания, в наши дни не только представляет большой теоретический интерес, но в ряде случаев играет решающую роль в диагностике и терапии этих болезней. Всегда следует учитывать, что при блокировании нормального пути обмена какойлибо аминокислоты промежуточные метаболиты, следующие за местом блокирования, становятся незаменимыми при данном заболевании.

126

127

Раздел 4. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Тема 4.1 Расщепления олиго- и полисахаридов. Гликолиз и гликогенолиз

4.1.1 Переваривание и всасывание углеводов

Главными углеводами пищи являются гомополисахариды (крахмал, целлюлоза, иногда гликоген), дисахариды (лактоза, сахароза) и, в меньшей степени, моносахариды (глюкоза, фруктоза). Углеводы пищи, содержащие - (1→4)- и -(1→6)-гликозидные связи (крахмал), перевариваются ферментами пищеварительного тракта. Углеводы с -(1→4)-гликозидными связями (целлюлоза) ферментами человека не перевариваются, поскольку основным типом ферментов, переваривающих углеводы в ЖКТ, являются - гликозидазы.

1.Расщепление крахмала и гликогена у человека начинается в ротовой полости, где содержатся ферменты α-амилаза и мальтаза. α-Амилаза (S- амилаза) расщепляет в полисахаридах внутренние α-1→4-связи, т.е. является эндоамилазой. Фермент активен в нейтральной или слабощелочной среде и активируется ионами хлора. У высших растений имеется фермент β-амилаза, который отщепляет от крахмала дисахарид мальтозу и выполняет важную роль в мобилизации крахмала. γ-Амилаза клеток животных и человека отщепляет один за другим глюкозные остатки от конца полигликозидной цепочки. Различают кислые и нейтральные γ-амилазы в зависимости от того,

вкакой области рН они проявляют максимальную активность. В органах и тканях человека и млекопитающих кислая γ-амилаза локализована в лизосомах, а нейтральная – в эндоплазматическом ретикулуме и цитозоле.

В результате действия α-амилазы образуются декстрины (содержат около 8 остатков глюкозы с одной или более α-1→6-гликозидными связями), мальтотриоза и мальтоза. Мальтаза расщепляет мальтозу на 2 молекулы глюкозы и действует при длительном жевании пищи.

2.В желудке нет ферментов, расщепляющих углеводы. Действие α- амилазы слюны прекращается, так как желудочное содержимое имеет кислую реакцию. Переваривание углеводов происходит некоторое время в глубоких слоях пищевого комка под действием α-амилазы слюны.

3.В двенадцатиперстной кишке переваривание углеводов происходит под действием ферментов панкреатического сока: панкреатической α- амилазы (Р-амилаза), расщепляющей α-1→4-гликозидные связи в молекулах декстринов, и амило-1→6- и олиго-1→6-гликозидаз, расщепляющих α-1→6- гликозидные связи. При недостаточности этого фермента в кале находят зерна непереваренного крахмала.

4.В кишечном соке содержатся дисахаридазы, которые расщепляют дисахариды: мальтаза – мальтозу на 2 молекулы глюкозы, сахараза – сахарозу на глюкозу и фруктозу, лактаза – лактозу на глюкозу и галактозу, трегалаза – трегалозу – на 2 молекулы глюкозы, изомальтаза – изомальтозу (α-1→6-гликозидные связи) на 2 молекулы глюкозы. Эти ферменты действуют на щеточной кайме кишечного эпителия (пристеночное пищеварение).

127

128

Растительная пища богата пищевыми волокнами (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины, легнины), которые не перевариваются ферментами желудочно-кишечного тракта. Некоторые из них (целлюлоза) перевариваются ферментами бактерий толстого кишечника человека и рубца жвачных: целлюлаза расщепляет целлюлозу до целлобиозы; целлобиаза расщепляет целлобиозу на две молекулы β-D-глюкозы. β-D-Глюкоза затем превращается в органические кислоты: молочную, пировиноградную и др.

Пищевые волокна выполняют ряд важных функций в организме: 1) необходимы для нормальной перистальтики кишечника; 2) адсорбируют вещества, продуцируемые кишечными бактериями (например, токсины); 3) предупреждают развитие опухолевых процессов в кишечнике; 4) снижают всасывание холестерола из кишечника и способствуют выведению желчных кислот из организма.

Таким образом, в процессе переваривания углеводы пищи распадаются на моносахариды (преимущественно глюкоза, фруктоза и галактоза), которые всасываются кишечной стенкой и поступают в кровь. Глюкоза составляет около 80% образовавшихся моносахаридов.

Скорость всасывания отдельных моносахаридов различна и в сравнении с глюкозой составляет: глюкоза – 100%, галактоза – 110%, фруктоза – 43%, манноза – 20%, ксилоза – 15%, арабиноза – 9%. Видно, что глюкоза и галактоза всасываются быстрее, чем другие моносахариды. Всасывание маннозы, ксилозы и арабинозы осуществляется преимущественно путем простой диффузии; глюкоза и галактоза всасываются путем вторичного активного транспорта, сопряженного с переносом Na+; фруктоза всасывается путем облегченной диффузии. Только

вклетки печени и мозга транспорт глюкозы может осуществляться по механизмам пассивной диффузии и скорость поступления регулируется ее концентрацией в крови. Во всех других тканях транспорт глюкозы осуществляется по механизмам облегченной диффузии, который стимулируется инсулином.

Поступление глюкозы из крови в клетки у млекопитающих осуществляется с помощью специальных переносчиков глюкозы – GLUT1, GLUT2, GLUT3, GLUT4, GLUT5 (glucose transporter). Переносчики глюкозы представляют собой семейство структурно близких мембранных белков с различными функциями. Распределение этих белков-переносчиков в тканях отражает их роль и особенности метаболизма глюкозы. GLUT1 находятся в эритроцитах и почти во всех клетках. Km для глюкозы 1-2 ммоль/л, что обеспечивает захват глюкозы при небольших изменениях концентрации в крови. Величина Км для глюкозы значительно ниже содержания глюкозы в плазме крови (3,33-5,55 ммоль/л). Этот переносчик обеспечивает поступление глюкозы в клетки с относительно постоянной скоростью. GLUT2 имеет меньшее сродство к глюкозе (Km = 15-20 ммоль/л), находится

впечени, тонком кишечнике, почках, β-клетках поджелудочной железы, обеспечивает быстрый захват глюкозы печенью и стимулирует секрецию инсулина β-клетками поджелудочной железы. GLUT3 обнаружен в нейронах

128

129

и имеет относительно низкую Km для глюкозы (1-2 ммоль/л), что позволяет обеспечивать глюкозой мозг в условиях гипогликемии. GLUT4 (Км = 2-10 ммоль/л) является переносчиком глюкозы, который стимулируется инсулином и обеспечивает захват глюкозы мышечной и жировой тканями. Повышение скорости поступления глюкозы происходит в результате транслокации молекулы переносчика из внутриклеточных везикул к плазматической мембране. GLUT5 синтезируется клетками кишечного эпителия. Этот переносчик обеспечивает симпорт глюкозы с ионами Na+. По некоторым данным GLUT5, находящийся в тонком кишечнике, выполняет функцию транспортера фруктозы.

4.1.2 Биохимия гликолиза

Гликолиз (Greek glucose – сахар, lysis – разрушение) –

последовательность реакций превращения глюкозы до пирувата. В процессе гликолиза часть свободной энергии распада глюкозы превращается в АТФ и НАДН. Гликолиз – это анаэробный процесс, игравший ведущую роль в энергетическом обеспечении клеток до появления в атмосфере земли кислорода. Исследования гликолитического превращения глюкозы были суммированы в 1940 г. Г.Эмденом, О.Мейергофом и Я.Парнасом и эти метаболические превращения получили альтернативное название «путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса». Суммарная реакция гликолиза:

Глюкоза + 2Рн + 2АДФ + 2НАД+ → 2пируват + 2АТФ + 2НАДН + 2Н+ + 2Н2О

В анаэробных превращениях глюкозы до 2 молекул пирувата в стандартных условиях освобождается -79,9 кДж/моль энергии.

Основные признаки гликолиза:

1.Протекает во всех клетках организма. Ферменты локализованы в

цитозоле клеток.

2.В анаэробных условиях (в отсутствии кислорода) образующийся пируват превращается в лактат. В аэробных условиях (присутствие кислорода) пируват окисляется до ацетил-КоА, который затем вступает в

ЦТК, где его ацетильная группа окисляется до СО2 и Н2О. В клетках, лишенных митохондрий (эритроциты, роговая оболочка глаза, хрусталик глаза) гликолиз является главным источником образования АТФ. В клетках, имеющих митохондрии, гликолиз является этапом аэробного окисления углеводов.

3.Наиболее активно протекает в мозге, поскольку окисление глюкозы является основным источником энергии для нервной ткани. У взрослого человека около половины глюкозы используется мозгом.

4.В анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в

организме животных, растений и многих микроорганизмов, приводящий к образованию АТФ; в организме человека и животных гликолиз позволяет

поддерживать интенсивную работу скелетной мышцы в условиях

129

130

недостатка кислорода.

5. Промежуточные продукты гликолиза используются для биосинтеза заменимых аминокислот и глицерола.

Гликолиз как специфический путь катаболизма глюкозы включает 10 реакций и протекает в цитозоле одинаково в аэробных и анаэробных условиях, Смотри рисунок 26 и таблицу 5.

СН2ОРО32-

СO СН2ОН

Диоксиацетонфосфат

(ДАФ, 95%)

НС ОН СН2ОРО32-

Глицеральдегид-3-фосфат

(ГАФ, 5%)

Рисунок 26. – Последовательность реакций гликолиза

130