Биоорганическая химия. Учебное пособие

Тема 4. Особенности белкового обмена

кислот, остальные 10 являются незаменимыми. Недостаток в пище одной незаменимой аминокислоты ведет к неполному усвоению других аминокислот. Белковые резервы — легко мобилизуемые при необходимости тканевые белки, которые после гидролиза под действием тканевых протеиназ служат поставщиками аминокис лот, необходимых для синтеза ферментов, гормонов и т. д. В качест ве резервных белков рассматриваются белки плазмы крови, пече ни, мышц.

2. Особенности переваривания белков, эндопептидазы. Главный источник белков — пищевые продукты животного и растительно го происхождения. Суть процесса переваривания пищевых бел ков — лишить белки пищи видовой и тканевой специфичности путем последовательного действия протеолитических ферментов и придать продуктам распада способность всасываться в кровь че рез стенку кишечника. 95–97% белков пищи всасывается в виде свободных аминокислот. В ЖКТ осуществляется поэтапное фер ментативное избирательное расщепление пептидных связей бел ковой молекулы до конечных продуктов гидролиза белков — сво бодных аминокислот. Гидролиз заключается в разрыве пептидных связей СО NH белковой молекулы. Протеинкиназы обладают широкой специфичностью, число их ограничено по сравнению с огромным разнообразием белков. Гидролазы часто называют пепJ тидазами:

1)экзопептидазы, катализирующие разрыв концевой пептид ной связи с освобождением одной какой либо концевой амино кислоты;

2)эндопептидазы, преимущественно гидролизирующие пеп тидные связи внутри полипептидной цепи.

Пепсин вырабатывается в клетках слизистой оболочки же лудка в неактивной форме — в виде пепсиногена, превращающе гося в активный пепсин под действием кислой среды желудочного сока. Гидролизует в белках пептидные связи, образованные карбок сильными группами ароматических аминокислот. Из за непро должительного нахождения пищи в желудке белки гидролизуют ся пепсином в основном до смеси полипептидов.

51

Тема 4. Особенности белкового обмена

3. Переваривание белков в желудке и кишечнике. Панкреатиче ский сок имеет слабощелочную реакцию, содержит неактивные пред шественники протеаз: трипсиноген, химотрипсиноген прокар боксипептидазы А, В и проэластазу. Слизистая кишечника вырабатывает энтеропептидазу, которая превращает трипсиноген в трипсин. Трипсин обеспечивает аутокатализ и активирует все не активные предшественники протеаз панкреатического сока.

Энтеропептидаза выделяется в виде предшественника кина зогена, который активируется протеазой желчи.

Активация трипсиногена происходит путем отщепления N концевого гексапептида, активация химотрипсина — путем рас щепления одной пептидной связи с последующей перестройкой молекулы и формированием в ней активного центра. Трипсин гид ролизует в полипептидах пептидные связи, образованные гидро ксильными группами аргинина и лизина, химотрипсин расщепляет пептидные связи, образованные карбоксильными группами фенил аланина, тирозина и триптофана. Пепсин усиливает действие, при водит к более глубокому расщеплению белков.

Экзопептидазы принимают активное участие в переварива нии белков в тонком кишечнике.

Карбоксипептидаза А быстро расщепляет С концевые амино кислоты с ароматическими или алифатическими боковыми цепя ми; карбоксипептидаза В действует только на пептиды, имеющие С концевые остатки аргинина и лизина.

Эластаза — эндопептидаза, синтезируется в поджелудочной же лезе, превращение профермента катализируется трипсином, преи мущественно гидролизует пептидные связи, образованные амино кислотами с небольшими гидрофобными радикалами, в частности глицином, аланином, серином.

Ферменты, гидролизующие пептиды, функционируют пре имущественно внутриклеточно, поэтому гидролиз небольших пеп тидов происходит после их поступления в клетку. Среди этих ферментов лейцинаминопептидаза, высвобождающая N конце вые аминокислоты, и дипептидазы, расщепляющие дипептиды.

52

Тема 4. Особенности белкового обмена

Конечный результат действия протеолитических ферментов желудка и кишечника — расщепление пищевых белков до свобод ных аминокислот.

4. Всасывание продуктов гидролиза белков. Всасывание свобод ных аминокислот из кишечника происходит достаточно быстро — максимальный прирост их содержания в крови происходит через 30–50 мин после приема в пищу белка. Всасывание происходит главным образом в тонком кишечнике, это активный процесс с потреблением энергии. Основной механизм транспорта аминокис лот через клеточные мембраны — γ глутамильный цикл с участием 6 ферментов (один из них — мембрано связанный, остальные на ходятся в цитозоле) и трипептид глутатион (γ глутамилцистеи нилглицин). Ключевой фермент процесса — γ глутамилтрансфе раза, катализирующая перенос глутамильного остатка глутатиона на транс портируемую кислоту:

Аминокислота + Глутамилцистеинилглицин (Глутатион) –

— Глутамиламинокислота + Цистеинилглицин.

Свободная аминокислота, участвующая в этой реакции, посту пает с наружной поверхности клетки, глутатион находится внутри. После реакции глутамиламинокислота оказывается в клетке вместе с цистеинилглицином. Далее эта кислота расщепляется фермен том цитозоля глутамиламинотрансферазой:

Глутамиламинокислота— Аминокислота + 5 оксопролин.

Одновременно происходит гидролиз цистеинилглицина на цис теин и глицин. В итоге молекула аминокислоты оказывается в ци тозоле. Поступление энергии, необходимой для переноса, обеспе чивается за счет гидролиза двух пептидных связей в глутатионе на первой и второй стадии процесса. Перенос 1 молекулы сопровож дается потреблением 1 молекулы глутатиона. Для продолжения про

53

Тема 4. Особенности белкового обмена

цесса глутатион регенерирует в ходе трех последовательных пре вращений:

5 оксопролин — Глутамат — Глутамилцистеин —

— Глутамилцистенилглицин (Глутатион).

Первую реакцию катализирует оксопролиназа, вторую — глу тамилцистеинсинтетаза, третью — глутатион синтетаза. В реак ции используются три молекулы АТФ.

Всасываемые аминокислоты попадают в портальный крово ток, печень, общий кровоток. Особо интенсивно поглощают ами нокислоты печень и почки, а мозг избирательно быстро — метио нин, цистидин, глицин, аргинин, глутамин, тирозин.

Микрофлора кишечника располагает набором ферментных систем, катализирующих разнообразные превращения пищевых аминокислот, несвойственных организму человека, благодаря чему создаются оптимальные условия для образования ядовитых про дуктов распада аминокислот — фенола, индола, крезола, скатола, сероводорода, метилмеркаптана. Все эти превращения аминокис лот называются гниением. Распад серосодержащих аминокислот (аминокислотцистеина, метионина) приводит к образованию се роводорода, метилмеркаптана. Диаминокислоты (орнитин, лизин) подвергаются декарбоксилированию с образованием аминов, соот ветственно путресцина и кадаверина. Из ароматических аминокис лот — фенилаланина, тирозина, триптофана — при бактериальном декарбоксилировании образуются амины: фенилэтиламин, тира мин, триптамин. Микробные ферменты кишечника разрушают бо ковые цепи циклических аминокислот, тирозина и триптофана с образованием ядовитых продуктов обмена, соответственно кре зола и фенола, скатола, индола. После всасывания эти продукты через воротную вену попадают в печень, где подвергаются обез вреживанию путем химического связывания с серной или глю уроновой кислотой с образованием нетоксичных кислот.

54

Тема 4. Особенности белкового обмена

5. Промежуточный обмен аминокислот. Расщепление амино кислот, не использующихся в процессе биосинтеза: дезаминиро вание, трансаминирование, декарбоксилирование.

Дезаминирование, или отщепление, аминогруппы катализи руется оксидазами аминокислот, эти ферменты катализируют дез аминирование, сопровождающееся окислением (окислительное дезаминирование):

Аминокислота — Аминокислота — Кетон — Аммиак (NH3).

Аминооксидазы специфичны и малоактивны, единственный высокоактивный фермент — глутаматдегидрогеназа, широко представленная в печени и мозге, катализирует превращение глу таминовой кислоты в α кетоглутаровую:

НООС–СН2–СН2–СН–СООН →

→ НООС–СН2–СН2–СО–СООН + NH3

|

NH2

Переаминирование аминокислот — реакция, в которой происхо дит обмен аминогруппы на кетогруппу между аминокислотой и кето кислотой. Так, глутаминовая кислота, взаимодействуя с пировиног радной без промежуточного образования аммиака, превращается в α кетоглутаровую, а пировиноградная — в аланин:

Ферменты, катализирующие эту реакцию, содержатся в мышцах, мозге, сердце, печени, они специфичны, главные из них — глута

55

Тема 4. Особенности белкового обмена

мат пируваттрансаминаза и аспартат пируваттрансаминаза. Ко фермент трансаминаз — производное пиридоксаля (витамина В6) — пиридоксальфосфат, который, взаимодействуя в составе транс аминазы с аминокислотой, принимает на себя аминогруппу. Затем он превращается в пиридоксаминфосфат, который передает амино группу α кетокислоте, превращая ее в аминокислоту и восстанав ливаясь в виде пиридоксальфосфата. Прореагировавшая аминокис лота, теряя аминогруппу, переходит в кетокислоту. Имеют значение две реакции переаминирования:

1)аминокислота + α кетоглутаровая кислота — α кетокисло та + глутаминовая кислота, которая активно вовлекается в деза минирование с преобразованием в кетоглутаровую кислоту, и вы свобождается аммиак;

2)аминокислота + щавелево уксусная кислота — α кетокис лота + аспарагиновая кислота, которая, как и аммиак, участвует

вобразовании мочевины.

Другие аминокислоты, взаимодействуя в процессе переами нирования с α кетоглутаровой или щавелево уксусной кислота ми, могут отдать аминогруппу на образование глутаминовой или аспарагиновой кислот, а через них — на мочевину.

Кетокислоты, образующиеся при переаминировании в зависи мости от структуры, служат предшественниками глюкозы и гликоге на или кетоновых тел. В результате переаминирования из аминокис лот образуются кетокислоты — углеродные скелеты аминокислот, которые вовлекаются в цикл трикарбоновых кислот: аланин, гли цин, лейцин, серин, треонин, лизин, триптофан — через ацетил КоА; фенилаланин и тирозин — через ацетил КоА и непосредст венно в фумарат; аргинин, гистидин, глутамин, глутаминовая кислота, пролин — в 2 оксоглутарат; аспарагин и аспарагиновая кис лота — в оксалоацетат, валин и метионин — в сукцинол КоА.

Расщепляясь в ЦТК до углекислоты и воды, аминокислоты высвобождают столько же энергии, сколько глюкоза. При интен сивном распаде аминокислот за счет усиленного образования аце тил КоА ускоряется синтез кетоновых тел в печени. Промежуточ ный продукт распада аминокислотных радикалов (оксалоацетат) может использоваться в процессе глюконеогенеза.

56

Тема 4. Особенности белкового обмена

Декарбоксилирование аминокислот — реакция, катализируе мая декарбоксилазами:

6. Амины. Амины (продукты декарбоксилирования) обладают высокой биологической активностью, к этой группе соединений относятся медиаторы:

γ аминомасляная кислота образуется в результате декарбокси лирования глутаминовой кислоты, катализируемого глутаматдекар боксилазой, кофермент которой (фосфопиридоксаль) в основном образуется в ткани головного мозга. Она является тормозным медиа тором в нервной системе, вызывает переход ионов хлора в пост синаптическую мембрану, что влечет гиперполяризацию постси наптической мембраны, и сигнал от возбуждающего нерва не достигает порогового уровня.

Устраняется γ аминомасляная кислота в реакции переамини рования с α кетоглутаратом, что ведет к образованию сукцината, включающегося в ЦТК.

Гистамин — продукт декарбоксилирования гистидина, ката лизируемого специфической декарбоксилазой, которая распро странена в тучных клетках, устраняется гистамин диаминоокси дазой, превращающей его в альдегид и аммиак.

В тучных клетках гистамин связан с белками, высвобождает ся под действием либераторов. В слизистой желудка гистамин ак тивирует секрецию пепсиногена и соляной кислоты, в больших количествах высвобождается из депо при шоке, в зоне воспале ния. Это сильный сосудорасширяющий агент, медиатор аллерги ческих реакций.

Серотонин (5 окситриптамин) образуется из триптофана в ре зультате его гидроксилирования триптофан 5 монооксигеназой (кофактор — тетрагидроптеридин) в 5 окситриптофан с последую щим декарбоксилированием под действием 5 окситриптофан де

57

Тема 4. Особенности белкового обмена

карбоксилазы. Образуется преимущественно нейронами гипотала муса и ствола мозга. Функционирует как медиатор этих нейронов, аксоны которых заканчиваются на нейронах многих других отделов головного и спинного мозга, на проводящих путях. Они имеют отно шение к процессам сна и сенсорного восприятия. Серотонин взаимо действует с α рецепторами пре и постсинаптической мембран. Его антагонист на уровне постсинаптичесой мембраны — диэтиламид лизергиновой кислоты — сильный галлюциноген. Серотонин — силь ный сосудосуживающий агент, повышает свертывание крови. Устра няется под действием моноаминооксидазы: происходит окисление до альдегида и далее до оксииндолуксусной кислоты.

Дофамин (3,4 диоксифенилэтиламин) — производное тиро зина. Под действием тирозиназы тирозин гидроксилируется в по ложении С 3, превращаясь в 3,4 диоксифенилаланин (ДОФА). Он декарбоксилируется декарбоксилазой ароматических амино кислот, превращаясь в дофамин — медиатор ингибирующего ти па одного из крупных проводящих путей (тела нейронов, обра зующих эти пути, находятся в черной субстанции верхнего отдела ствола мозга, а аксоны образуют густую сеть в полосатом теле). Дофамин — также медиатор нейронов, аксоны которых заканчи ваются в лимбических структурах переднего мозга и зонах, конт ролирующих высвобождение некоторых гипоталамических гор монов. Дофамин — предшественник меланина, норадреналина, адреналина.

Таурин — амин, образующийся из цистеина, участвует в обра зовании конъюгированных желчных кислот, возможно, выпол няет медиаторную функцию на уровне синапсов.

Норадреналин образуется из дофамина под действием дофа мин β монооксигеназы, катализирующей гидроксилирование β углеродного атома боковой цепи (в реакции участвуют аскорбино вая кислота и молекулярный кислород). Норадреналин выполняет роль медиатора в постганглионарных волокнах симпатической нервной системы, что приводит к накоплению цАМФ и актива ции киназы, катализирующей фосфорилирование белка в пост синаптической ткани, изменяя активность ферментов.

58

Тема 5. Химия нуклеиновых кислот

Адреналин — продукт N метилирования норадреналина фе нилэталонамин N метилтрансферазой. Как и норадреналин, ад реналин активирует аденилатциклазу, запуская расщепление гли когена и липолиз.

Трансметилирование — перенос одноуглеродного фрагмента

(–СН3).

Подвижная СН3 группа метионина, донором которой служит производное метионина (S аденозилметионин, образующийся из метионина и АТФ), который участвует в метилировании ряда суб стратов, обеспечивает синтез биологически активных соединений.

ХИМИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ. Тема 5. ОБМЕН ХРОМОПРОТЕИНОВ

1. Общие представления об обмене нуклеопротеидов. Перева ривание нуклеопротеидов начинается в желудке. Под влиянием соляной кислоты и пепсина разрушаются связи между белковым компонентом нуклеопротеидов и их простетической группой. Нук леиновые кислоты в кишечнике гидролизуются под действием ДНКазы и РНКазы панкреатического сока, продукты гидролиза — олиго и мононуклеотиды. Фосфатазы в кишечнике гидролизуют мононуклеотиды до нуклеозидов и фосфорной кислоты. В тканях нуклеотиды служат предшественниками и составными элементами нуклеиновых кислот, участвуют в кумуляции энергии и ее транспор те (АДФ—АТФ), являются структурными компонентами кофер ментов (НАД, НАДФ, ФАД, КоА, ГТФ, ЦТФ), посредниками при передаче гормональных сигналов (3,5 цАМФ, 3,5 цГМФ) на внутри клеточные системы.

Биосинтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов осу ществляется клетками большинства тканей. Пуриновый скелет образуется из фрагментов разных соединений: аспартата форми ла, глутамина, углекислоты и глицина.

Синтез начинается с образования 5 фосфорибозил 1 амина, далее к аминогруппе присоединяется остаток глицина. Затем в об разовании пуринового ядра участвуют метенил Н4 фолат, глута мин, диоксид углерода, аспарагиновая кислота, формильный ос

59

Тема 5. Химия нуклеиновых кислот

таток формил Н4 фолата. Эта совокупность реакций ведет к об разованию инозиновой кислоты (ИМФ), которая является пред шественником АМФ и ГМФ. Специфические киназы превращают нуклеозидмонофосфаты в нуклеозидди и трифосфаты. Высвобож дающиеся в процессе превращения нуклеотидов в тканях пурино вые основания (аденин и гуанин) могут использоваться повторно для синтеза нуклеотидов.

Пиримидиновое ядро пиримидиновых нуклеотидов синтези руется из диоксида углерода, амидной группы глутамина и аспа рагиновой кислоты.

Первый этап синтеза — образование карбамоилфосфата, по ставщиком аминогруппы для которого является глутаминовая кис лота, затем из него образуются карбамоиласпартат, дигидрооро тат, оротат, оротидиловая кислота, уридиловая кислота (УМФ).

Цитидиловые нуклеотиды образуются по следующему пути: УМФ + АТФ — УДФ + АДФ, затем УДФ + АТФ — УТФ +

+ АДФ. УТФ затем аминируется в ЦДФ за счет аминогруппы глу тамина.

Тимидиловые нуклеотиды происходят из дезоксиуридиловой кислоты (дУМФ), реакция катализируется тимидилатсинтетазой, донор одноуглеродистого фрагмента — метенил Н4 фолат.

Дезоксирибонуклеотиды образуются из рибонуклеотидов за счет восстановления остатка рибозы: донором водорода служит низкомолекулярный белок тиоредоксин, содержащий две тио группы. За счет водорода этих групп кислород рибозы в положе нии С 2 восстанавливается до молекулы воды, а другой фермент (тиредоксинредуктаза) восстанавливает окисленный тиоредок син за счет водорода НАДФ*Н.

Пути образования дезоксирибонуклеотидов:

АДФ → дАДФ → дАТФ; ГДФ → дГДФ → дГТФ; ЦДФ → дЦДФ → дЦТФ;

УДФ—дУДФ—дУТФ—дУМФ—дТМФ—дТДФ—дТТФ.

60