стоянии печени, обеспечивающим обезвреживание ядовитых веществ, что имеет большое клиническое значение.

При глубоком разрушении кишечными бактериями аминокислот цистина, цистеина и метионина образуется сероводород(Н2S), метилмеркаптан (СН3 SН) и другие содержащие серу соединения.

При нарушении переваривания белков усиливается гниение белков в толстом кишечнике под влиянием ферментов микроорганизмов.

Следует оказать, что число веществ, образующихся в кишечнике из аминокислот под влиянием микробов, далеко не исчерпывается упомянутыми выше соединениями, так же как и приведенные выше синтезы парных кислот не исчерпывают все защитные механизмы, направленные на обезвреживание образуемых в кишечнике ядовитых продуктов расщепления белковых веществ.

9.2. Катаболизм белков и аминокислот в тканях

Большая часть аминокислот, образовавшихся в результате гидролиза белков в пищеварительном канале, всасывается в кровь.

Аминокислоты, всосавшиеся кишечной стенкой, поступают в воротную вену, а затем попадают в печень. Значительная часть аминокислот задерживается в печени, где из них синтезируются различные белки(белки печени, крови и др.), а также ряд специфических азотсодержащих соединений (пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, креатина, мочевой кислоты и др.). Другая значительная часть аминокислот, не задерживаясь в печени, попадает в общий ток крови, затем в межклеточную жидкость, откуда транспортируются внутрь клеток для синтеза клеточных белков взамен изношенных или обновляемых. На-

конец, избыток аминокислот окисляется до конечных продуктов обмена - со вместно с аминокислотами, образовавшимися при расщеплении изношенных тканевых белков. Все эти превращения, равно как и расщепление тканевых белков, объединяются понятием промежуточного обмена белков.

Для оценки состояния обмена белков и обеспеченности организма белковой пищей введено понятие азотистый баланс. Этот термин означает количественную разницу между введением с пищей азота и выведениемего в виде конечных продуктов азотистого обмена (в г/сутки), поскольку основная масса как азота пищи, так и выделяемых продуктов имеет белковое происхождение.

Различают положительный азотистый баланс, когда часть азота пищи остается в организме и используется в основном на биосинтез белков тканей. Он свидетельствует о преобладания анаболизма над катаболизмом белков и -на блюдается у растущего организма и при беременности.

При отрицательном азотистом балансе количество выделяющегося в -су тки азота превышает его поступление с пищей, что свидетельствует о преоб-

244 9. Обмен белков

ладании катаболического процесса в белковом обмене. Это состояние встречается при голодании, тяжёлых заболеваниях, у людей пожилого возраста.

Наконец, состояние азотистого равновесия, наблюдаемое у здорового взрослого человека, находящегося на полноценной сбалансированной диете, характеризуется равным количеством теряемого и принимаемого с пищей азота. Подсчитано, что в состоянии азотистого равновесия организм взрослого человека потребляет и соответственно выделяет 15 г азота в сутки.

Межуточный обмен белков складывается из процессов катаболизма и анаболизма белков.

Процесс расщепления тканевых белков происходит под влиянием внутриклеточных пептидгидролаз, которые получили название катепсины. Различают различные виды катепсинов по оптимуму рН и специфичности к белкам. Так, обнаружены в различных животных тканях катепсины А, В, Д и др., отличающиеся друг от друга по субстратной специфичности и примерно соответствующие по действию трипсину и пепсину. Оптимальный рН действия многих катепсинов равен 5-6, однако описаны также катепсины с рН-оптимумом 3 и 7.

Катепсины обеспечивают главным образом разрушение дефектных молекул белка. Недостаток катепсинов снижает возможности обновления белков тканей. Катепсины обладают также ограниченным протеолизом, что рассматривается как их регуляторная функция – образование активных белков.

Следует отметить, что в норме обновление белков в организме происходит весьма интенсивно. За сутки в организме взрослого человека обновляется до 400 г белка. Скорость обновления белков разных тканей различна. К примеру, согласно результатам исследований с мечеными атомами, полупериод распада белковых гормонов (инсулин) исчисляется часами и даже минутами, а белки печени обновляются наполовину за10 суток, белки плазмы крови– за 20-40 суток, белки мышц – за 180 дней.

В организме происходит постоянное смешивание эндогенных белковых молекул и продуктов их гидролиза– аминокислот с молекулами белков и их производных, синтезированных из аминокислот белков пищи.

Соотношение аминокислот в распадающихся белках и новообразуемых за их счёт белках, как правило, различно. Поэтому часть свободных аминокислот, получившихся при гидролизе белков и пептидов, должна быть преобразована в другие аминокислоты, либо окислена до простых соединений, выводимых из организма. Эти аминокислоты образуют внутриклеточную динамическую совокупность свободных аминокислот– так называемый аминокислотный фонд или пул. Иначе говоря, существует внутриклеточный уровень запаса свободных аминокислот, который в значительной мере пополняется за счет процессов превращения одних аминокислот в другие(заменимых из незаменимых), а также за счет процессов гидролиза белков, синтеза заменимых аминокислот и поступления пищевых аминокислот из внеклеточной жидкости. С другой сто-

роны, благодаря синтезу белков и других веществ из аминокислот (углеводов, липидов, некоторых азотосодержащих соединений), а также окисления аминокислот до конечных продуктов обмена, происходит постоянное удаление из «пула» аминокислот.

Вклетках существуют системы активного транспорта аминокислот через мембраны, обеспечивающие их перенос как через клеточную мембрану, так и через внутриклеточные мембраны, что обеспечивает их участие в обменных процессах в определенных участках клетки, т.е. компартментарно. Необходимо подчеркнуть, что аминокислотный и белковый обмен интегрирован с другими видами обменов – углеводным, липидным, обменом нуклеиновых кислот

идр.

Воснове различных путей обмена аминокислот в организме лежат три типа общих реакций: реакции по α-аминогруппе, по карбоксильной группе и по радикалу аминокислоты.

Реакции по α-аминогруппе однотипны у всех аминокислот и заключаются в реакциях дезаминирования и переаминирования (трансаминирования).

Большой вклад в выявление механизмов переаминирования внесли советские ученые А.Е. Браунштейн, М.Г. Крицман, С.М. Бычков, М.М. Шемякин и американец Э. Снелл. Аминный азот, выделяющийся в этих реакциях в виде аммиака, обезвреживается в орнитиновом цикле и выводится из организма у большинства млекопитающихся в виде конечного продукта – мочевины.

Реакции по карбоксильной группе тоже однотипны для всех аминокислот

исводятся в основном к декарбоксилированию и образованию аминоациладенилатов.

Вотличие от этого преобразования в радикалахаминокислот исключительно разнообразны, и, как правило, уникальны для каждой отдельной аминокислоты.

Часть безазотистого углеродного скелета аминокислот, образовавшихся в результате дезаминирования, подвергается окислительному расщеплению на фрагменты, которые могут включаться затем в лимоннокислый цикл для дальнейшего окисления. При этом атомы углерода различных аминокислот поступают в лимоннокислый цикл пятью разными путями. Для десяти аминокислот этот путь связан с превращением их углеродных скелетов в ацетил-КоА, для пяти аминокислот – в α-кетоглутарат, для трёх – в сукцинил-КоА, для двух аминокислот – в оксалоацетат. Углеродные скелеты двух аминокислот(фенилаланина и тирозина) частично поступают в лимоннокислый цикл в виде аце- тил-КоА, а частично в виде фумарата.

Сдругой стороны, безазотистые углеродные скелеты аминокислот могут включаться в биосинтетические реакции. Многие аминокислоты (10 аминокислот) после утраты аминогруппы могут превращаться в углеводы. Их называют глюкопластическими (основные – аланин, аспарагиновая и глютаминовая

кислоты). Другие аминокислоты (три аминокислоты – лейцин, фенилаланин и тирозин) – включаются в метаболизм липидов и их именуют кетопластическими аминокислотами.

Пути катаболизма аминокислот сложны и переплетаются со многими другими метаболическими путями, благодаря чему многие промежуточные продукты катаболизма аминокислот служат необходимыми предшественниками для синтеза различных компонентов клетки и биологически активных веществ (гормонов, ферментов, глутатиона, алкалоидов, аминов, креатина, пуринов, пиримидинов, меланинов, порфиринов, холина и др.). Схематично это можно представить следующим образом:

Катаболизм аминокислот у млекопитающих происходит главным образом в печени и несколько слабее в почках.

Остановимся на вышеперечисленных общих реакциях поподробнее. В реакциях по α-аминогруппе, связанных с дезаминированием, различают четыре вида дезаминирования аминокислот:

1. Окислительное дезаминирование:

2. Восстановительное дезаминирование

3. Гидролитическое дезаминирование

4. Внутримолекулярное дезаминирование

Указанные реакции катализируются специфическими ферментами. Наиболее широко распространено окислительное дезаминирование, катализируемое оксидазами аминокислот (их еще называют дегидрогеназами), тогда как остальные виды дезаминирования встречаются редко (лишь у отдельных групп организмов).

Окислительное дезаминирование осуществляется в два этапа. Сначала на первом этапе аминокислота окисляется в имминокислоту при участии специфической оксидазы (дегидрогеназы), где в качестве простетической группы в случае с оксидазой глутаминовой кислоты(глутаматдегидрогеназой) выступает НАД, тогда как для дегидрогеназ (оксидаз) других аминокислот – ФМН (для L-аминокислот) или ФАД (для Д-аминокислот). При этом НАД, ФМН или

ФАД восстанавливаются. Следует заметить, что в отличие от НАД.Н, кото-

2

рый затем окисляется в дыхательной цепи ферментов, восстановленные ФМН и ФАД оксидаз L- и Д-аминокислот могут непосредственно окисляться молекулярным кислородом, образуя Н2О2, которая подвергается расщеплению под воздействием каталазы на воду и кислород. На втором этапе имминокислота спонтанно гидролизуется на кетокислоту и аммиак.

В животных тканях Эйлером выявлен высокоактивный при физиологических значениях рН (рH=7) фермент глутаматдегидрогеназа, катализирующая окислительное дезаминирование L-глутаминовой кислоты. Этот процесс можно представить в виде следующих уравнений:

Надо заметить, что обе реакции обратимы и такимпутем из α-кетоглута- ровой кислоты и аммиака в организме может образоваться глутаминовая -ки слота.

Благодаря обратимости этой реакции, обмен глутаминовой кислоты связан с центральным путем катаболизма субстратов – лимоннокислым циклом.

Дегидрогеназы (оксидазы L- и Д-аминокислот), присущие организму в тканях животных и растений, при физиологическом значении рН в общем малоактивны и только дегидрогеназа глутаминовой кислоты проявляет себя высокоактивным ферментом. Поэтому считают, что большинство аминокислот в организме дезаминируются непрямым дезаминированием, так называемым транс-дезаминированием, при котором аминокислоты предварительно переаминируются в основном с α-кетоглутаровой кислотой, а затем образовавшаяся в результате этого глутаминовая кислота подвергается окислительному дезаминированию.

Аминокислоты могут вступать в реакцию переаминирования также ещё с двумя α-кетокислотами: пировиноградной и щавелевоуксусной кислотами, и α-кетокислоты соответственно превращаются: пировиноградная – в аланин, а щавелево-уксусная в аспарагиновую кислоту. Реакция переаминирования (трансаминирования) катализируется специфическими аминотрансферазами.

Для клинических целей(при диагностике органических и функциональных поражений разных органов) наибольшее значение имеют две трансаминазы (аспартатаминотрансфераза и аланинаминотрансфераза), катализирующие соответственно следующие обратимые реакции:

При органических поражениях, при заболеваниях, сопровождающихся деструкцией клеток, происходит выход трансаминаз из очага поражения в кровь и развивается гипертрансаминаземия (например, при инфаркте миокарда), что

используют для клинико-лабораторной диагностики инфаркта миокарда и др. заболеваний.

Общий итог переаминирования различных аминокислот состоит в том, что все их аминогруппы собираются в общий фонд в виде одной аминокислоты, обычно в виде глутаминовой кислоты. У некоторых организмов первоначально такой аминокислотой может быть аланин или аспарагиновая кислота, однако, в дальнейшем, происходит перенос аминогрупп с этих аминокислот на α-кетоглутаровую кислоту с образованием глутаминовой кислоты. Следовательно, независимо от первого этапа переаминирования, конечным акцептором аминогрупп большинства аминокислот служит α-кетоглутаровая кислота, которая превращается в глутаминовую кислоту.

Реакция переаминирования многостадийна. В качестве кофермента (простетической группы) аминотрансфераз (трансаминаз), катализирующих эту реакцию, служит пиридоксальфосфат, являющийся производным витамина В6.

На первой стадии ферментативного катализа простетическая группа фермента взаимодействует с аминокислотой, подвергающейся переаминированию. Соединение идет по аминогруппе кислоты и альдегидной группе пиридоксальфермента.

COOH

фермент-субстратный комплекс

На второй стадии катализа идет таутомерная перегруппировка в образовавшемся комплексе:

шиффовы основания (альдемин и катемин)

В результате последующего гидролиза происходит образование и освобождение кетокислоты и пиридоксальаминофермента:

Далее пиридоксальаминофермент образует фермент-субстратный -ком плекс с α-кетоглутаровой кислотой:

Далее происходит в комплексе таутомерное превращение:

Полученное соединение гидролизуется и возникает глутаминовая кисло-

та:

Образовавшаяся глутаминовая кислота подвергается дезаминированию по вышеописанной схеме с превращением в α-кетоглутаровую кислоту и весь процесс может возобновиться снова. Полагают, что накопление аминогрупп в форме глутаминовой кислоты в результате процесса переаминирования происходит в цитоплазме клеток, после чего эта глутаминовая кислота с помощью особой системы переноса транспортируется через мембрану внутрь митохондрий. В матриксе митохондрий, с одной стороны с помощью специфической аспартат-глутамат-трансаминазы происходит перенос аминогруппы с глутаминовой кислоты на щавелево-уксусную кислоту с образованием аспарагиновой кислоты, включающейся в орнитиновый цикл, а с другой стороны, происходит окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты глутаматдегидрогеназой с включением выделившегося аммиака в орнитиновый цикл.

Реакция переаминирования между аминокислотами и α-кетоглутаровой кислотой обратима, поэтому при определенных условиях она служит для синтеза аминокислот из кетокислот и глутаминовой кислоты.

Следует вновь повторить, что в природе наиболее распространено окислительное дезаминирование, ведущее к образованию α-кетокислот. Лишь в малораспространенных случаях (у некоторых микроорганизмов) конечным продуктом дезаминирования могут служить предельные или непредельные жирные кислоты (соответственно при восстановительном и внутримолекулярном дезаминировании) или гидроксикислоты (при гидролитическом дезаминировании). Дезаминирование некоторых аминокислот (серусодержащих, гидроксиаминокислот, гетероциклических) идет своеобразно, однако, и в этом

случае в конечном итоге образуются кетокислоты и непредельные кислоты. Образовавшиеся в результате дезаминирования или переаминирования аминокислот карбоновые кислоты подвергаются либо окислительному распаду до СО2 и Н2О, включаясь пятью различными путями в лимоннокислый цикл, сопряженный с дыхательной цепью ферментов, либо используются в биосинтетических процессах обмена углеводов и липидов. Способность аминокислот включаться в реакции обмена углеводов и липидов была замечена в опытах на голодающих или больных диабетом животных: скармливание одних аминокислот приводило к глюконеогенезу и увеличению гликогена в печени, в то время как дача других вызывала или усиливала кетонемию и кетонурию. На основании этих наблюдений аминокислоты стали подразделять на глюкопластические и кетопластические.

Глюкопластическими аминокислотами являются:

Øиз I класса – аланин, валин, пролин;

Øиз II классаглицин, серин, треонин;

Øиз Ш класса - аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота;

Øиз IV класса - гистидин, аргинин.

Типичными глюкопластическими аминокислотами являются аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Путем переаминирования они поставляют пировиноградную, щавелево-уксусную и α-кетоглутаровую кислоты, из которых путем так называемого глюконеогенеза через щавелево-уксусную и фосфоенолпировиноградную кислоты и обращение части реакций гликолиза могут образоваться глюкоза и гликоген. К кетопластическим аминокислотам относятся лейцин, фенилаланин и тирозин. Типичной кетопластической аминокислотой является лейцин. Образовавшийся из него после переаминирования ацил-КоА подвергается затем β-окислению, что может сопровождаться образованием в повышенном количестве кетоновых тел.

Превращения аминокислот в организме, связанные с реакциямипо их карбоксильной группе, сводятся в основном к декарбоксилированию и образованию аминоациладенилатов.

Декарбоксилирование аминокислот имеет место в тканях животных и растений, а такие у микроорганизмов. Декарбоксилирование, как было сказано выше, служит причиной образования аминов при гниении белков в кишечнике. В тканях декарбоксилирование аминокислот также сопровождается выделением СО2 и образованием аминов. Во всех случаях процесс идёт по схеме:

амин

Поскольку амины обладают высокой физиологической активностью и образуются в качестве продуктов жизнедеятельности их называют биогенными аминами. Реакция декарбоксилирования аминокислот ускоряется специфическими для каждой индивидуальной аминокислоты декарбоксилазами, простетической группой которых служит пиридоксальфосфат. Эти ферменты относятся к классу лиаз. Приведем в качестве примера декарбоксилирование гистидина, тирозина, триптофана, 5-окситриптофана, цистеина, глутаминовой кислоты.

(серотонин)

Как уже говорилось, биогенные амины обладают выраженным физиологическим действием. В частности, γ-аминомасляная кислота (ГАМК) накапливается в мозговой ткани и представляет собой нейрогуморальный ингибитор– медиатор торможения центральной нервной системы. В клинике ГАМК используется при лечении некоторых заболеваний ЦНС, связанных с резким возбуждением головного мозга, нарушением мозгового кровообращения и др.

Гистамин вызывает расширениекровеносных сосудов, снижает артериальное давление, вызывает усиление деятельности желудочных желез, повышая кислотность желудочного сока, участвует в передаче нервного возбуждения. Он участвует в явлениях сенсибилизации и десенсибилизации, ему приписывают роль медиатора боли. При повышенной чувствительности больных к гистамину в клинике используют антигистаминные препарата(санорин, димедрол и др.). Сам гистамин используется в клинике при изучении секреторной деятельности желудка (гистаминовая проба).

Серотонин обладает многосторонним физиологическим действием, в частности, активирует процессы, связанные с возбуждением нервной системы, выступая как медиатор нервных процессов в ЦНС, оказывает сосудосуживающий эффект, участвует в регуляции артериального давления, температуры тела, дыхания, почечной фильтрации и др.

Все приведенные амины проявляют свое физиологическое воздействие при весьма малых концентрациях, поэтому их образование в большой концентрации могло бы представить угрозу для нормальной жизнедеятельности. Однако в животных тканях имеются активные аминоксидазы(моно- и диаминоксидазы), которые окисляют амины в соответствующие альдегиды. Последние окисляются в жирные кислоты и распадаются далее до конечных продуктов путем β-окисления. Схематично это можно представить следующим образом:

Образующиеся аммиак и перекись водорода обезвреживаются. Моноаминооксидаза – ФАД-зависимый фермент– преимущественно локализуется в митохондриях. Этот фермент играет большую роль в организме, регулируя образование и распад биогенных аминов. При патологических состояниях может наблюдаться как недостаточное образование аминов, так и чрезмерная их продукция. В медицинской практике в этой связи применяют ингибиторы моноаминоксидазы (ипраниазид, гармин, паргилин) в качестве лечебных средств при депрессивных состояниях, шизофрении и др., а для торможения образования чрезмерных количеств биогенных аминов используют ингибиторы декарбоксилаз ароматических аминокислот. В частности, применяют α-метилдофа (альдомет), введение которого способствует снижению кровяного давления.

Второй характерной реакцией по карбоксильной группеаминокислот является образование аминоациладенилатов при участии специфического фермента (аминоацил-тРНК-синтетазы) и АТФ. Значение этой реакции существенно в механизме биосинтеза белка. Образование аминоациладенилата активирует аминокислоту перед вступлением последней в пептидную связь при биосинтезе белка на рибосомах.

256 9. Обмен белков

С аминоациладенилатов аминокислоты передаются на транспортную РНК, образуя аминоацил-тРНК, которая уже непосредственно используется при синтезе полипептидных цепочек.

Помимо реакций по аминной и карбоксильной группе известны превращения аминокислот, связанные с реакциями по радикалу, т.е. по той части ее молекулы, которая не принимает участия в формировании хребта полипептидной цепи.

Важнейшими типами превращений аминокислот, протекающими с видоизменением радикалов, являются окислительно-восстановительные реакции, β-декарбоксилирование, деметилирование и переметилирование, комбинированные реакции, которые ведут к переходу одних аминокислот в другие, что усиливает возможности синтеза различных аминокислот.

В качестве примера окислительных реакций можно привести окисление фенилаланина в тирозин:

фенилаланин

OH

тирозин

Окислительно-восстановительные процессы легко протекают по серусодержащим радикалам цистеина и цистина, благодаря чему происходит их взаимопревращение:

цистин

При полном окислении тиоловой группы цистеина последний переходит в цистеиновую кислоту, которая декарбоксилируясь переходит в таурин.

Последний с желчными кислотами образует парные желчные кислоты (таурохолевую, тауродезоксихолевую), которые принимают участие в процессе всасывания жирных кислот.

При β-декарбоксилировании аспарагиновой кислоты возникает аланин.

Большое распространение в организме имеет реакция деметилирования аминокислоты метионина. Она осуществляется при каталитическом воздействии метилтрансферазы. Установлено, что метионин является универсальным поставщиком метальных групп в реакциях трансметилирования(переметилирования). Вначале происходит «активация метионина» за счет образования его соединения с АТФ, образуется S-аденозилметионин:

Реакция ускоряется специфическим ферментом– S-аденозилметионин- синтетазой. Далее метильная группаS-аденозилметионина передаётся соединению, которое подвергается метилированию, к примеру, диметиламиноэтанолу с образованием холина.

Образовавшийся S-аденозилгомоцистеин ферментативно превращается в аденозин и гомоцистеин. Последний, путем присоединения серина может давать в итоге гомосерин и цистеин. Возможен также перенос метильной группы с метилтетрагидрофолата на гомоцистеин с образованием метионина. В тканях

млекопитающих эта реакция катализируется В -зависимой метионинсинтета-

12

зой (N5-метилтетрагидрофолат: L – гомоцистеин – метил – трансферазой):

Врезультате реакций превращения радикала аминокислот, сочетающихся

сдекарбоксилированием и переаминированием, могут образоваться вещества, обладающие очень сильным физиологическим действием. К примеру, из тирозина в результате реакций окисления, декарбоксилирования и метилирования образуется гормон адреналин.