Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БХ учебник Николаев.pdf
Скачиваний:
580
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
15.53 Mб
Скачать

Глава 11. Обмен и функции аминокислот

345

CO, NH,

Карбамоилфосфат

Орнитин

-► Цитруллин

i>

>------- Аспартат

Мочевина

 

-Аргининосукцинат

 

T

 

Фумарат

Рис. 11.16. Орнитиновый цикл

Полный набор ферментов орнитинового цикла есть только в гепатоцитах. Ho отдельные из этих ферментов обнаруживаются и в других клетках. В энтероцитах, например, имеются два первых фермента, и, следовательно, может синтезиро­ ваться цитруллин. В почках имеются третий и четвертый ферменты цикла. Сле­ довательно, цитруллин, образовавшийся в энтероцитах, с кровью может перено­ ситься в почки и превращаться там в аргинин. Затем аргинин в печени гидроли­ зуется аргиназой. Однако надо отметить, что активность этих рассеянных по разным органам ферментов значительно ниже, чем в печени.

На I моль синтезирующейся мочевины расходуется 3 моль АТФ. Эта затрата АТФ компенсируется тем, что образование аммиака происходит в глутаматдегидрогеназной реакции, где восстанавливается I моль НАД+ (в расчете на I моль ам­ миака); последующий перенос водорода с НАД в дыхательной цепи обеспечивает синтез АТФ (до 3 моль).

Из суммарного уравнения видно, что на синтез I моля мочевины используется I моль аммиака и I моль аспарагиновой кислоты. При пересчете на весовые еди­ ницы получается, что для синтеза 25 г мочевины (среднесуточная величина у взрослого человека) необходимо 6,3 г аммиака и 50 г аспарагиновой кислоты. Орнитиновый цикл функционирует только в печени, а катаболизм аминокислот происходит и в других органах. Следовательно, должны существовать механизмы транспорта азота аминокислот в печень. Основными транспортными формами азота служат глутамин, аланин и аммиак.

Роль аланина

Значительная часть азота аминокислот переносится в печень из других органов в составе аланина. Многие органы выделяют в кровь аланин. Образование аланина в этих органах представлено на рис. 11.17. Аминогруппы разных аминокислот посредством реакций трансаминирования переносятся на пируват, источником которого служат глюкоза, а также безазотистые остатки аминокислот. Особенно много аланина содержится в крови, оттекающей от мышц и от кишечника. Из крови аланин извлекается в основном печенью и в гепатоцитах используется для синтеза аспарагиновой кислоты путем трансаминирования с оксалоацетатом.

3 4 6

Часть II. Обмен веществ и энергии

Рис. 11.17. Роль аланина в транспорте азота аминокислот для синтеза мочевины

Образование аланина в мышцах и его перенос в печень составляют часть глюко- зо-аланинового цикла (см. рис. 9.22): пируват, образующийся в этом цикле в пе­ чени из аланина, используется для глюконеогенеза. Другой продукт реакции трансаминирования — аспартат — используется в орнитиновом цикле как до­ нор аминогруппы и превращ ается в фумарат (см. рис. 11.17). Затем фумарат вновь превращается в аспартат с промежуточным образованием малата и оксалоацетата (две реакции цитратного цикла).

Таким путем аминогруппа любой аминокислоты (за исключением лизина и треонина) может включиться в мочевину. Если ввести в организм какую-либо ме­ ченную по азоту аминокислоту (15Ы-аминокислоту), то метка (изотоп 15N) очень скоро обнаруживается во всех аминокислотах, а также и в мочевине. Особенно активно метка включается в глутаминовую кислоту, аспарагиновую кислоту, ала­ нин и мочевину. Этот опыт указывает на постоянный обмен аминогруппами между разными аминокислотами и на постоянный поток азота аминокислот в мочевину.

Роль глутамина и аммиака в синтезе мочевины

В результате дезаминирования аминокислот в разных органах образуется аммиак, котрый включается в глутамин при действии глутаминсинтетазы:

Глутамат + N H 3 + А ТФ —* Глутамин + А ТФ + H 3P O 4.

Глутаминсинтетаза обладает высоким сродством к аммиаку, и благодаря имен­ но этой реакции в тканях поддерживается низкая концентрация аммиака. Концен­ трация аммиака в крови человека равна 0,05 ± 0,02 мг/дл, а концентрация глутами­ на — 7 ± 2 мг/дл, т. е. в 100 с лишним раз больше, чем аммиака. Поскольку аммиак токсичен для мозга, то синтез глутамина выступает как механизм обезвреживания аммиака. Ho, кроме того, глутамин служит еще и транспортной формой аммиака (рис. 11.18). Многие органы выделяют глутамин в кровь, и в наибольшем количе­ стве — мышцы. Глутамин из крови поглощается в основном клетками кишечника, в которых происходят следующие превращения:

Глава

11. Обмен и функции аминокислот

3 4 7

1)

Глутамин + H 2O -* Глутамат + N H 1

 

2)Глутамат + Пируват

а-Кетоглутарат + Алании

 

Глутамин + H 2O + Пируват -* а-Кетоглутарат + N H 3 + Алании

Первая реакция катализируется глутаминазой, вторая — аланинаминотрансферазой. Под чертой представлен суммарный результат реакций, который легко до­ казывается экспериментально путем измерения артериовенозной разницы кон­ центраций веществ: в артериальной крови, питающей кишечник, больше глутами­ на и меньше аммиака и аланина, чем в крови воротной вены. Таким образом, в энтероцитах амидная группа глутамина превращается в аммиак, а аминогруппа глутамина — в аминогруппу аланина. В этом процессе используется пируват, рас­ ход которого пополняется за счет образования пирувата из а-кетоглутарата. Кро­ ме того, окисление а-кетоглутарата служит основным источником энергии для синтеза АТФ в энтероцитах.

Рис. 11.18. Путь аммиака в мочевину

В кишечнике есть и другой источник аммиака — белки и аминокислоты люме­ на, из которых аммиак образуется в результате деятельности микрофлоры кишеч­ ника. Аммиак из люмена всасывается и тоже попадает в кровь воротной вены. Концентрация аммиака в крови воротной вены существенно больше, чем в общем кровотоке.

Аммиак и аланин извлекаются из крови воротной вены гепатоцитами и ис­ пользуются для синтеза мочевины. Основная часть аммиака для карбамоилфосфатсинтетазы поставляется именно из кишечника. Кроме того, аммиак может образоваться и в самих гепатоцитах путем дезаминирования аминокислот, а так­ же гидролиза глутамина.

Таким образом, в обезвреживании аммиака и выведении азота участвуют мно­ гие органы. Особую роль в обмене аммиака выполняет глутаминсинтетаза: высо­ кое сродство этого фермента к аммиаку обеспечивает поддержание концентрации аммиака в крови и тканях на низком, нетоксичном уровне.

3 4 8

Часть II. Обмен веществ и энергии

Как мы видели, в орнитиновом цикле расходуется четыре макроэргических связи на каждый оборот цикла. Однако если рассматривать в целом процесс пре­ вращения аминокислот в безазотистые остатки и мочевину, то он, возможно, обес­ печивает сам себя энергией. В самом деле, при регенерации аспартата из фумарата на стадии дегидрирования малата образуется НАДН, который может обеспе­ чить синтез трех макроэргических связей. При окислительном дезаминировании глутамата в разных органах также образуется НАДН, соответственно — три мак­ роэргических связи. Ho аммиак, образующийся в этой реакции, обезвреживается при участии глутаминсинтетазы, что сопряжено с расходованием одной макроэргической связи.

Отметим также, что синтез и экскреция мочевины связаны с трансмембранным переносом веществ, требующим энергии. Первые две реакции орнитинового цик­ ла происходят в митохондриях, а последующие три — в цитозоле. Это значит, что цитруллин, образующийся в митохондрии, должен быть перенесен в цитозоль, а орнитин, образующийся в цитозоле, должен быть перенесен в митохондрию. Кро­ ме того, в почках перенос мочевины из крови в мочу происходит за счет градиента ионов натрия, создаваемого К,№-АТФазой.

ОБМЕН АММИАКА

Главным источником аммиака в организме служит непрямое дезаминирование аминокислот с участием глутаматдегидрогеназы, а также дезаминирование в более сложном пути, включающем циклические превращения АМ Ф /И М Ф (см. рис. 11.6). Концентрация аммиака в жидкостях и тканях человека очень невели­ ка; в крови обнаруживается 25-40 мкмоль/л (0,4-0,7 м г/л). Как уже упоминалось, низкая концентрация аммиака в тканях обеспечивается действием глутаминсин­ тетазы. Синтез глутамина происходит во многих органах и тканях, но особенно активно в мышцах, мозге, печени. При более высоких концентрациях аммиак ток­ сичен: введение в кровь 50 мг аммиака (в форме соли аммония) убивает кролика.

Обезвреживание аммиака путем синтеза глутамина имеет и анаболическое значение, поскольку глутамин используется для синтеза ряда соединений. Преж­ де всего нужно отметить, что глутамин — одна из 20 аминокислот, входящих в бел­ ки. Кроме того, амидная группа глутамина используется для синтеза аспарагина, глюкозамина и других аминосахаридов, пуриновых и пиримидиновых нуклеоти­ дов. Таким образом, в этих реакциях азот аммиака включается в разнообразные структурно-функциональные компоненты клетки.

Образование аммиака в почках

Аммиак в почках образуется главным образом из глутамина при действии глутаминазы и глутаматдегидрогеназы (рис. 11.19). Другой продукт этих реакций — а-ке- тоглутарат — используется почками как источник энергии.

Экскреция аммиака с мочой

В тканях аммиак находится преимущественно в виде иона аммония в равновесии с небольшой концентрацией неионизированного аммиака: N H 4+ N H 3 + H +.

Глава 11. Обмен и функции аминокислот

3 4 9

Неионизированный аммиак проникает через клеточные мембраны путем простой диффузии, в то время как для иона аммония мембрана непроницаема.

В мембране почечных канальцев содержится белок, который по механизму антипорта перекачивает протоны из клетки в люмен канальца в обмен на ионы натрия, движущиеся в противоположном направлении (рис. 11.20). В люмене по­ чечного канальца (т. е. уже в моче) аммиак акцептирует протон, образуя аммо­ нийную соль. Поскольку гломерулярный фильтрат непрерывно течет в нисходя­ щем направлении почечных канальцев и уносит NH4+ (а также NH3 и H +) из сфе­ ры реакций, то все реакции идут именно в том направлении, которое указано на рисунке.

 

Клетка

Люмен канальца

Глутамин

почечного

(гломерулярный

 

канальца

фильтрат)

 

-NH,

 

 

 

NH;

NH,

--•►NHj

Глутамат

 

 

T

V -^ N H 4

 

 

 

 

 

 

 

-NH,

CO2, H2O1

 

H+

►Н+ '

а-Кетоглутарат

 

 

 

АТФ

 

 

 

 

 

Na+ -

"Na+

 

 

 

Рис. 11.19. Образование

Рис. 11.20. Экскреция аммиака в почках

аммиака в почках

 

Экскреция аммиака с мочой в норме невелика — около 0,5 г в сутки. Ho она в несколько раз повышается при ацидозе, т. е. при увеличении содержания кислот в организме — характерном симптоме ряда болезней. Кислоты, например уголь­ ная (H2CO3) или карбоновые кислоты (R-СООН), диссоциируют с образованием аниона и протона; повышение концентрации протонов и есть собственно ацидоз. А образование и экскреция аммиака почками представляют собой механизм экск­ реции протонов (в составе NH4+).

При ацидозе в почках включаются регуляторные механизмы (активация и индукция синтеза определенных ферментов, в частности глутаминазы, и др.), в результате которых увеличивается потребление глутамина клетками канальцев, ускоряется его катаболизм и, соответственно, повышается образование и выведе­ ние протонов в составе NH4+. Количество выводимого аммиака при ацидозе мо­ жет достигать 10 г в сутки, т. е. в 20 раз больше, чем в норме.

Экскреция аммиака почками служит для выведения именно кислот, а не азота, на что указывает значительная скорость экскреции при ацидозе, малая скорость — при нормальной кислотности межклеточной жидкости и крови и отсутствие экск­ реции аммиака при алкалозе. Одновременно этот процесс обеспечивает сбереже­ ние организмом ионов Na+, которые в отсутствие ионов аммония выводились бы с анионами кислот. Потеря таких количеств Na+, которые необходимы для выведе­ ния кислот при ацидозе, могла бы вызвать снижение осмотического давления меж­ клеточной жидкости и крови, а вследствие этого уменьшение объема межклеточ­ ной жидкости, т. е. обезвоживание тканей.

Образование и выведение солей аммония — не единственный механизм ре­ гуляции кислотно-щелочного и водно-солевого гомеостаза в организме (другие

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.