20. Реакции трансаминирования, Дезаминирование. Синтез мочевины.

Трансаминирование – реакции переноса -аминогруппы с аминокислоты на -кетокислоту, в результате чего образуются новая кетокислота и новая аминонокислота.

• Катализируют ферменты аминотрансферазы - сложные ферменты, коферментом которых является производное витамина В₆ – пиридоксальфосфат, который обратимо может переходить в пиридоксаминфосфат.

• Реакции трансаминирования обратимы, и могут проходить как в цитоплазме, так и в митохондриях клеток.

• В клетках человека найдено более 10 аминотрансфераз, отличающихся по субстратной специфичности.

• Вступать в реакции трансаминирования могут почти все аминокислоты, за исключением лизина, треонина и пролина.

Реакции трансаминирования протекают в 2 стадии.

На первой стадии: к пиридоксальфосфату в активном центре фермента присоединяется аминогруппа от первого субстрата – аминокислоты. Образуется комплекс фермент-пиридоксаминфосфат и кетокислота – первый продукт реакции. Этот процесс включает промежуточное образование 2 шиффовых оснований (альдимин и кетимин).

На второй стадии: пиридоксаминфосфат соединяется с новой кетокислотой (второй субстрат) и снова через промежуточное образование 2 шиффовых оснований передает аминогруппу на кетокислоту. В результате фермент возвращается в свою нативную форму, и образуется новая аминокислота – второй продукт реакции.

Чаще всего в реакциях трансаминирования участвуют аминокислоты, содержание которых в тканях значительно выше остальных – глутамат, аланин, аспартат. Наиболее распространенными в большинстве тканей являются аланинаминотрансфераза (АлАТ) и аспартатаминотрансфераза (АсАТ).

Н аибольшая активность АсАТ обнаруживается в клетках сердечной мышцы и печени, в то время как в крови обнаруживается только фоновая активность АлАТ и АсАТ. Поэтому можно говорить об органоспецифичности этих ферментов, что позволяет их широко примененятьих с диагностической целью (при инфарктах миокарда и гепатитах).

Дезаминирование аминокислот – реакция отщепления -аминогруппы от аминокислоты с выделением аммиака.

Различают два типа реакций дезаминирования:

• прямое

• непрямое.

Прямое дезаминирование – непосредственное отщепление аминогруппы от аминокислоты без промежуточных посредников.

В живой природе возможны следующие типы прямого дезаминирования:

• окислительное,

• восстановительное,

• гидролитическое

• путем внутримолекулярной перестройки.

Но у человека дезаминирование происходит преимущественно окислительным путем в результате чего образуется соответствующая -кетокислота и выделяется аммиак. Процесс идет с участием ферментов оксидаз. Выделены оксидазы L-аминокислот, превращающие L-изомеры аминокислот, и D-оксидазы.

Прямое дезаминирование катализируется одним ферментом, в результате образуется NH₃ и кетокислота. Прямое окислительное дезаминирование может идти в присутствии кислорода (аэробное) и не нуждаться в кислороде (анаэробное).

1. Аэробное прямое окислительное дезаминирование - катализируется оксидазами D-аминокислот (D-оксидазы) в качестве кофермента использующими ФАД, и оксидазами L-аминокислот (L-оксидазы) с коферментом ФМН. 

2. Анаэробное прямое окислительное дезаминирование - существует только для глутаминовой кислоты, катализируется только глутаматдегидрогеназой, превращающей глутамат в α-кетоглутарат.

Фермент глутаматдегидрогеназа имеется в митохондриях всех клеток организма (кроме мышечных). Этот тип дезаминирования теснейшим образом связан с трансаминированием аминокислот и формирует с ним процесс трансдезаминирования (см ниже).

В печени реакция используется для получения аммиака из его транспортной формы глутаминовой кислоты. Далее аммиак входит в реакции синтеза мочевины.

Непрямое окислительное дезаминирование (трансдезаминирование):

Непрямое окислительное дезаминирование включает 2 этапа и активно идет во всех клетках организма.

Первый этап: заключается в обратимом переносе NH₂-группы с аминокислоты на кетокислоту с образованием новой аминокислоты и новой кетокислоты при участии ферментов аминотрансфераз.

• Этот перенос - трансаминирование и его механизм довольно сложен.

В качестве конечной кетокислоты-акцептора ("кетокислота 2") в организме обычно используется α-кетоглутаровая кислота, которая превращается в глутамат ("аминокислота 2").

В результате трансаминирования свободные аминокислоты теряют α-NH₂-группы и превращаются в соответствующие кетокислоты. Далее их кетоскелет катаболизирует специфическими путями и вовлекается в цикл трикарбоновых кислот и тканевое дыхание, где сгорает до СО₂ и Н₂О.

В торой этап: состоит в отщеплении аминогруппы от аминокислоты 2 – дезаминирование.

Т.к. в организме коллектором всех аминокислотных аминогрупп является глутаминовая кислота, то только она подвергается окислительному дезаминированию с образованием аммиака и α-кетоглутаровой кислоты.

Этот этап осуществляется глутаматдегидрогеназой, которая имеется в митохондриях всех клеток организма, кроме мышечных.

Учитывая тесную связь обоих этапов, непрямое окислительное дезаминирование называют трансдезаминирование.

Если реакция прямого дезаминирования идет в митохондриях печени, аммиак используется для синтеза мочевины, которая в дальнейшем удаляется с мочой. В эпителии канальцев почек реакция необходима для удаления аммиака в процессе аммониегенеза.

Так как НАДН используется в дыхательной цепи и α-кетоглутарат вовлекается в реакции ЦТК, то реакция активируется при дефиците энергии и ингибируется избытком АТФ и НАДН.

Синтез мочевины. Орнитиновый цикл:

В печени выполняет две функции:

• превращение азота аминокислот в мочевину, которая выводится из организма, помогая избежать накопление токсичного аммиака;

• синтез аргинина, из которого образуется мочевина

Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является биосинтез мочевины. Последняя выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового (соответственно аминокислотного) обмена.

• На долю мочевины приходится до 80-85% от всего азота мочи.

• Впервые Г. Кребс и К. Гензелейт в 1932 г. вывели уравнение реакции синтеза мочевины, которые представлены в виде цикла -орнитинивого цикла мочевинообразоавния Кребса.

Весь цикл мочевинообразования может быть представлен следующим образом.

На 1-м этапе: синтезируется макроэргическое соединение карбомоилфосфат – это метаболически активная форма аммиака, используемая в качестве исходного продукта для синтеза пиримидиновых нуклеотидов. Фермент – аммиакзависимая карбамоилфосфатсинтетаза:

Пиримидин←карбамоилфосфат→аргинин→мочевина ↓ ↓ ↓ ДНК РНК белки

• Реакция требует затрату 2 АТФ,

• Происходит в митохондриях клеток печени.

• В качестве активного стимулирующего аллостерического эффектора действует N-ацетилглутамат.

На 2-м этапе: происходит кондесанция карбамоилфосфата и орнитина с образованием цитруллина; реакцию катализирует орнитин-карабамоилфосфатрансфераза.

На 3-м этапе: цитруллин превращается в аргинин в результате двух последовательно протекающих реакций.

• Первая из них – это энергозависимая конденсация цитуллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргининосукцината (эту реакцию катализирует аргининосукцинатсинтетаза).

• Вторая из них – аргининсукцинат распадается на аргинин и фумарат при участии другого фермента – аргининсукцинатлиазы.

На 4-м этапе: аргинин под действием аргиназы расщепляется на мочевину и орнитин, который вступает в новый оборот цикла, соединяясь с карбамоил-фосфатом, образуя цитруллин.

Суммарная реакция синтеза мочевины без учета всех промежуточных продуктов может быть в следующем виде:

CO₂+NH₃+2АТФ+2H₂O+аспартат→мочевина+2АДФ+АМФ+фумарат+

+2Н₃РО₄+Н₄P₂О₇­

­

• Данная реакция сопровождается снижением свободной энергии (ΔG=-40кДж), поэтому процесс всегда протекает в направлении синтеза мочевины.

• Синтез мочевины энергетически дорого обходится организму. На синтез одной молекулы мочевины затрачивается четыре высокоэнергетических фосфатных группы:

• две молекулы АТФ расходуются на синтез карабамоилфосфата

• одна – на образование аргининоянтарной кислоты, при этом АТФ расщепляется на АМФ и который при гидролизе также образует две молекулы Н₃РО₄.