Фундаментальное значение белков для жизни заключается в их пластической и биокаталитической функциях, без которых невозможно само существование организмов.
При этом особенностью белкового обмена в организме высших животных и человека является
Участие в синтезе белков является главным предназначением аминокислот.
Способность клеток осуществлять эти синтетические процессы зависит от наличия:
Все это обусловливает необходимость систематического поступления белков в организм с пищей. Пищевые вещества являются незаменимыми факторами внешней среды, которые, в отличие от других внешних факторов, становятся собственными элементами организма, участвуя в обмене веществ и энергии.
Общая суточная потребность в белках взрослого человека составляет 80–100 г, из них половина должна быть животного происхождения.
Белки различных пищевых продуктов неравноценны по своему биологическому значению, что зависит, главным образом, от содержания в них незаменимых аминокислот.
Для нормального развития организма и построения тела незаменимые аминокислоты в пище должны быть сбалансированы, т.е. находиться в определенных соотношениях, в которых они используются для биосинтеза белков тканей.
Белки, содержащие все незаменимые для человека аминокислоты, характеризуются как полноценные, а белки, в которых представлены не все незаменимые аминокислоты, – как неполноценные.
Процесс обмена белков включает:
Под влиянием комплекса гидролитических ферментов молекулы белков пищи расщепляются до аминокислот,
Большая часть аминокислот всасывается через мембраны клеток тонкой кишки и попадают в кровь.
Простые белки расщепляются до аминокислот, а простетические группы, в свою очередь, под действием соответствующих ферментов распадаются на более простые соединения.
В ротовой полости белки пищи подвергаются только механическому измельчению, так как в слюне не содержится никаких протеолитических ферментов.
Процесс химического превращения белков начинается в желудке.
Все пищеварительные ферменты относятся к классу гидролаз. Они синтезируются и секретируются в форме неактивных проферментов или зимогенов, поэтому не повреждают секреторные клетки, в которых осуществляется их синтез.
При активации происходит специфический протеолиз в области N-концевой части зимогена, что и приводит к образованию активного фермента.
В желудке простые и сложные белки подвергаются физико-химическим и ферментативным превращениям.
Таким образом, желудочный сок содержит соляную кислоту и протеолитические ферменты, расщепляющие белки. Благодаря наличию соляной кислоты желудочный сок имеет кислую реакцию.
Точная природа механизма образования соляной кислоты пока остается неизвестной, но установлено, что источником иона Сl- является плазма.
Соляная кислота выполняет в процессе пищеварения ряд важных функций.
Субстратами пепсина в желудке являются либо нативные белки пищи, либо белки, денатурированные при варке пищевых продуктов.
Пепсин является эндопептидазой и быстро гидролизует в белках пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина), а также триптофана.
Несколько медленнее пепсин гидролизует пептидные связи, образованные некоторыми другими аминокислотами, например лейцином и дикарбоновыми аминокислотами.
Из слизистой желудка человека, наряду с пепсином, был выделен еще один протеолитический фермент гастриксин или пепсин С.
Пепсин и гастриксин проявляют максимальную каталитическую активность при различных значениях рН:
Соотношение между гастриксином и пепсином в желудочном соке здорового человека составляет приблизительно 1:5,5, но может меняться при патологических состояниях. Так, например, при гиперацидном гастрите оно составляет 1:3, а при язвенной болезни желудка – 1:4.
При продолжительном употреблении растительной пищи, небогатой белками,
И наоборот, при более богатой белками пище (мясные, рыбные продукты, а также бобовые)
Пепсин, подобно многим растительным и животным протеазам, вызывает свертывание молока, т.е. осуществляет первую стадию его переваривания. У жвачных животных свертывание молока происходит в результате действия специфического фермента химозина, который находится в сычуге (четвертом желудочке) молодых телят. Химозин, или сычужный фермент, довольно активен у детей. Он катализирует отщепление пептида от белка молока казеиногена, превращая его в казеин. Последний, взаимодействуя с солями кальция, всегда присутствующими в молоке, образует плохо растворимый казеинат кальция (творог). Творог более длительное время задерживается в желудке, что способствует его более полному расщеплению пепсином.
У взрослых людей, употребляющих обычно смешанную пищу, химозин, как правило, малоактивен или вовсе отсутствует, и превращение казеиногена в казеин происходит под влиянием пепсина.
При исследовании структуры гастриксина, химозина и пепсина получены данные, указывающие на происхождение всех трех ферментов от общего предшественника.
Содержимое желудка поступает в двенадцатиперстную кишку и другие отделы тонкого кишечника, где на него действует комплекс протеолитических ферментов, синтезируемых в поджелудочной железе и слизистой оболочке тонкого кишечника.
Поджелудочная железа синтезирует и секретирует щелочную жидкость, содержащую неактивные предшественники ряда протеаз, а именно
Под влиянием фермента кишечника энтеропептидазы трипсиноген специфично и быстро превращается в активный трипсин; скорость активации трипсиногена под действием энтеропептидазы в 2000 раз выше, чем скорость аутокаталитического превращения под действием трипсина. Функция энтеропептидазы является решающей, поскольку образующийся из трипсиногена трипсин осуществляет активацию всех остальных неактивных проферментов (зимогенов) в соответствующие активные формы.
Трипсиноген образован одной полипептидной цепью; в процессе активации происходит гидролиз одной пептидной связи, в результате чего отщепляется N-концевой гексапептид зимогена. Отщепление этого пептида сопровождается появлением ферментативной активности.
Химотрипсиногены в результате активации превращаются в химотрипсины.
Щелочной панкреатический сок нейтрализует поступающее кислое содержимое желудка и обеспечивает слабощелочную среду, оптимальную для гидролитического действия панкреатических ферментов, каждый из которых имеет свою специфичность.
Трипсин гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами
Химотрипсины наиболее активны по отношению к пептидным связям, образованным карбоксильными группами фенилаланина, тирозина и триптофана.
Таким образом, эти ферменты приводят к более глубокому гидролизу, по сравнению с гидролизом в желудке, белков до небольших пептидов.
Карбоксипептидаза А, цинксодержащий фермент, быстро отщепляет С-концевые аминокислотные остатки
Карбоксипептидаза В действует только на пептиды, имеющие на С-конце остатки
Слизистая оболочка кишечника также содержит ферменты, гидролизующие пептидные связи. Хотя эти ферменты могут секретироваться в кишечный сок, они функционируют преимущественно внутриклеточно.
Экстракты слизистой кишечника содержат группу ферментов – аминопептидаз. Эти ферменты при действии на полипептидные цепи поочередно освобождают N-концевые аминокислоты.
Лейцинаминопептидаза, Zn2+-содержащий фермент, обладает широкой специфичностью по отношению к N-концевым остаткам полипептида. Путем последовательного гидролиза N-концевых пептидных связей фермент расщепляет пептиды до свободных аминокислот.
Экстракты слизистой кишечника содержат также дипептидазы, например, активируемую Со2+ или Мn2+ – глицилглицин-дипептидазу, которая не действует на трипептид глицилглицилглицин, следовательно для действия этого фермента необходимо наличие около гидролизуемой связи свободных аминной и карбоксильной групп.
На заключительном этапе расщепления белков важную роль играют микроэлементы Zn, Mn, Mg, Со, повышающие активность пептидаз.
Переваривание белков, как и углеводов, происходит не только в полости кишечника, но и на поверхности клеток слизистой оболочки – так называемое контактное, или пристеночное пищеварение.
Таким образом, последовательное действие протеолитических ферментов в желудке и тонком кишечнике приводит к гидролизу большинства пищевых белков до аминокислот. Хотя трипсин и химотрипсин действуют более быстро и эффективно в случае предварительного действия на белок пепсина, однако при совместном действии этих панкреатических ферментов эффективный гидролиз белка может осуществляться и без предшествующего действия пепсина.
Поэтому больные с резецированным желудком сохраняют достаточную способность использовать пищевые белки. В то же время при повреждении ткани поджелудочной железы или при затруднении тока жидкости по панкреатическому протоку условия переваривания белков значительно ухудшаются;
В норме весь процесс переваривания белков в пищевом канале длится в среднем 8–12 ч после принятия пищи. Это время зависит от кулинарной обработки пищи, природы белка, динамики секреции пищеварительных соков и особенно от активности ферментов.
Всасывание аминокислот происходит главным образом в тонком кишечнике. Механизм всасывания аминокислот является сложным биологическим процессом, в котором сочетаются
Однако главным является трансмембранный перенос с помощью специальных белков-переносчиков, требующий затраты энергии. Это активный транспорт, протекающий против градиента концентрации аминокислот. Для осуществления такого транспорта используется энергия метаболических процессов, преимущественно резервированная в АТФ.
Установлено наличие пяти или более специфических транспортных систем, каждая из которых функционирует при переносе определенной группы близких по строению аминокислот:
Полагают, что белки-переносчики подобны ферментам не только своей специфичностью, но и наличием центров (контактных участков), которыми связываются с соответствующими аминокислотами, образуя с ними комплексы.
Аминокислоты конкурируют друг с другом за соответствующие участки связывания. Так, всасывание лейцина (если он присутствует в относительно высоких концентрациях) уменьшает всасывание изолейцина и валина. Эта система транспорта аминокислот функционирует в кишечнике, мозге и почках.
Следующий механизм получил название γ-глутамильного цикла; в нем участвует шесть ферментов, один из которых является мембранносвязанным, а остальные находятся в цитозоле. В цикле участвует трипептид глутатион – γ-глутаминилцистеилглицин.
При функционировании γ-глутамильного цикла ключевую роль играет мембранно-связанный фермент γ-глутамилтрансфераза, которая катализирует реакцию переноса глутамильного остатка глутатиона на транспортируемую аминокислоту.
Таким образом происходит перенос одной молекулы аминокислоты в клетку, при этом используется энергия гидролиза пептидных связей глутатиона. Для продолжения процесса глутатион регенерируется в результате трех последовательных реакций, каждая из которых протекает с затратой энергии АТФ.
Образовавшийся глутатион может участвовать в следующем цикле с другой аминокислотой.
Из кишечника в незначительном количестве могут всасываться небольшие пептиды.
Проницаемость слизистой кишечника у новорожденных выше, чем у взрослых, поэтому в кровь могут проходить антитела молозива. Этому благоприятствует наличие в молозиве ингибитора трипсина. Благодаря этому, а также низкой концентрации протеолитических ферментов в их кишечнике, может происходить всасывание некоторого количества нативных белков, обусловливающих сенсибилизацию организма.
Это, возможно, является причиной идиосинкразии к белкам пищи у детей.
В процессе переваривания в желудке и тонком кишечнике основная масса белков расщепляется и преимущественно в виде аминокислот всасывается.
При многих заболеваниях, особенно при кишечных инфекциях, переваривание и всасывание белков ухудшается, поэтому их больше попадает в толстый кишечник. В зависимости от количества пищевых продуктов и состояния аппарата пищеварения количество нерасщепившихся белков может составлять от 2–3 до 5–10%, а иногда и больше.
Толстый кишечник населен микроорганизмами, использующими пищевые аминокислоты для своего роста. Они располагают набором ферментных систем, катализирующих разнообразные превращения пищевых белков и свободных аминокислот (гидролиз, окисление, восстановление, дезаминирование, декарбоксилирование, деметилирование). Благодаря этому в толстом кишечнике создаются оптимальные условия для образования ядовитых продуктов распада аминокислот, в частности,
а также ряда других нетоксических для организма соединений –
Все эти превращения аминокислот, обусловленные деятельностью микроорганизмов кишечника, получили общее название гниения белков в кишечнике.
В процессе постепенного и глубокого распада серу-содержащих аминокислот
в кишечнике образуются
Диаминокислоты подвергаются процессу декарбоксилирования с образованием аминов.
Два из них –
давно известны из-за их неприятного запаха.
Путресцин (putrificatio – гниение, лат.) образуется при декарбоксилировании орнитина, а
Кадаверин (cadaver – труп, лат.) – при декарбоксилировании лизина.
Путресцин может образоваться и другим путем, а именно путем декарбоксилирования аргинина, с образованием агматина. Последний превращается в путресцин в ходе реакции, катализируемой агматинуреогидролазой, которую также содержит кишечная палочка.
Агматин – биологически активный диамин, способный вызывать понижение содержания сахара в крови.
Путресцин и кадаверин, вероятнее всего, обезвреживаются в клетках слизистой оболочки под влиянием специфических диаминооксидаз, после чего легко всасываются в кровь и выделяются с мочой.
Из циклических аминокислот тирозина и триптофана при последовательном разрушении их боковой цепи в результате реакций декарбоксилирования, дезаминирования, а затем и деметилирования образуются токсические продукты
из тирозина:
из триптофана:
После всасывания эти продукты через воротную вену попадают в печень, где подвергаются обезвреживанию путем образования нетоксических парных соединений с серной кислотой или с глюкуроновой кислотой. Последние способны к взаимодействию с вышеназванными токсическими продуктами, находясь в активной форме.
Активная форма серной кислоты представляет собой 3′-фосфоаденозин-5′-фосфосульфат (ФАФС), активная форма глюкуроновой кислоты находится в виде уридиндифосфоглюкуроновой кислоты (УДФГК).
Источниками ФАФС являются промежуточные продукты обмена пуриновых нуклеотидов и углеводов.
Предшественниками УДФГК в организме являются метаболиты глюкозы и УТФ.
В печени содержатся специфические ферменты
катализирующие соответственно, перенос остатка серной кислоты из ФАФС и остатка глюкуроновой кислоты из УДФГК на любой из указанных выше продуктов. Правда, в отличие от крезола и фенола, имеющих гидроксильную группу, скатол и индол предварительно окисляются в скатоксил и индоксил.
Таким образом, индол связывается в виде эфиросерной кислоты, калиевая или натриевая соль которой получила название животного индикана
По количеству индикана в моче у человека судят об
Существенный интерес с точки зрения оценки этой функции представляет механизм обезвреживания бензойной кислоты, которая может быть как эндогенного, так и экзогенного происхождения.
Источником эндогенной бензойной кислоты может явиться аминокислота фенилаланин. При ее дезаминировании образуется фенилпировиноградная кислота, которая, декарбоксилируясь, превращается в фенилуксусную. Фенилуксусная кислота далее декарбоксилируется и превращается в толуол, а последний окисляется в бензойную кислоту .
Источником экзогенной бензойной кислоты могут быть пищевые продукты, в частности, богаты ею зеленые части растений (салат, шпинат и др.), а также некоторые лекарственные вещества.
Бензойная кислота является менее ядовитым веществом, чем указанные выше соединения, но обладает определенной токсичностью и обезвреживается (главным образом в печени) путем соединения с глицином и образования нетоксического парного соединения – гиппуровой кислоты.
Реакция требует доставки энергии и присутствия КоА. По скорости образования и выведения гиппуровой кислоты с мочой после приема бензойнокислого натрия (проба Квика) обычно судят о функциональном состоянии печени, в частности ее антитоксической функции или «функции химической защиты».
Аминокислоты, поступающие в систему циркуляции крови в результате всасывания из кишечника, быстро удаляются из нее и оказываются во всех тканях и органах тела.
Наибольшей способностью поглощать циркулирующие аминокислоты обладает печень, в которую они попадают по системе воротной вены.
Процессы, влияющие на фонд аминокислот в клетках
Ее функционирование обеспечивает следующие процессы:
Фонд свободных аминокислот, называемый аминокислотным пулом, формируется как за счет
Гидролиз тканевых белков осуществляется с помощью тканевых протеиназ, или катепсинов.
Катепсины локализованы преимущественно в лизосомах, но присутствуют также и в других частях клетки: гиалоплазме, митохондриях, эндоплазматическом ретикулуме.
Лизосомальные катепсины наиболее активны в кислой среде, поэтому их называют кислыми катепсинами.
Катепсины цитоплазмы и других частей клетки проявляют свое оптимальное действие в нейтральной и слабощелочной среде.
Различные катепсины отличаются не только оптимумом рН, но и специфичностью по отношению к белковым субстратам и пептидным связям.
Все катепсины делятся на:
В зависимости от каталитических особенностей активного центра различают:
По оптимуму действия при определенном значении рН и характеру пептидных связей, атакуемых соответствующими катепсинами, последние сходны с протеиназами, действующими на пищевые белки в процессе их переваривания в желудочно-кишечном тракте.
В результате тканевого гидролиза белков, являющегося необходимым условием их обновления, образуются свободные аминокислоты, участвующие в формировании аминокислотного пула.
Главными закономерностями использования аминокислот из аминокислотного пула являются:
Таким образом, фонд свободных аминокислот в клетке отражает интенсивность процессов поступления и использования аминокислот.
Из сказанного следует, что пути метаболизма аминокислот в клетках характеризуются большой сложностью и разветвленностью.
Важнейшими реакциями, лежащими в основе вышеназванных путей использования свободных аминокислот, являются реакции:
Для синтеза специфических белков организма необходимо присутствие полного «набора» всех его мономеров-аминокислот.
Незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей, биосинтез заменимых аминокислот осуществляется в тканях.
Исходными веществами при биосинтезе заменимых аминокислот служат:
При взаимодействии пировиноградной и глутаминовой кислот образуется аланин и α-кетоглутаровая кислота; при этом свободный аммиак не выделяется. Этот процесс не сопровождается увеличением концентрации аммиака, а сопряжен с повышением количества глутаминовой кислоты.
Таким образом, между аминокислотами и кетокислотами происходит обратимый перенос аминогруппы.
Важную роль в этом процессе играют моноаминодикарбоновые кислоты – глутаминовая и аспарагиновая, особенно первая.
Аминотрасферазы имеются во всех животных и растительных клетках, а также микроорганизмах. Уже обнаружено свыше 50 аминотрансфераз. Большинство известных аминотрансфераз проявляют групповую специфичность, используя в качестве субстратов несколько аминокислот.
Акцепторами аминогрупп в реакциях трансаминирования являются три α-кетокислоты:
При переносе аминогрупп на пируват или оксалоацетат образуются аланин или аспарагиновая кислота.
Далее NH2-группы с аланина и аспарагиновой кислоты переносятся на α-кетоглутаровую с образованием глутаминовой кислоты.
Эту реакцию катализируют высокоактивные аланин-аминотрансфераза (АлТ) и аспартат-аминотрансфераза (АсТ), обладающие субстратной специфичностью.
Смысл трансаминирования состоит в его коллекторной функции, иными словами, в том, что аминогруппы от разных аминокислот собираются в одной форме – в виде L-глутаминовой кислоты.
У всех трансаминаз имеется прочно связанная простетическая группа, и механизм их действия одинаков. Простетической группой трансаминаз служит пиридоксальфосфат – производное пиридоксина, или витамина В6, в форме пиридоксальфосфата (ПАЛФ).
Подобную функцию, только в меньшем объеме, способны выполнять аспарагиновая и щавелевоуксусная кислоты. Процессы трансаминирования активно протекают в цитоплазме и митохондриях.
Таким образом, трансаминирование является основным процессом в организме, посредством которого происходит не только превращение аминокислот в кетокислоты, но и превращение кетокислот, в том числе образующихся на путях метаболизма углеводов и липидов, в аминокислоты, что является важным звеном взаимосвязи между реакциями распада и биосинтеза.
Дезаминирование – это отщепление аминогрупп от аминокислот с образованием аммиака.
Возможны четыре типа дезаминирования:
Эта реакция в различных тканях протекает с различной интенсивностью и катализируется различными ферментами – специфическими оксидазами L-аминокислот или дезаминирующими дегидрогеназами.
Под влиянием этих ферментов происходит дегидрирование аминокислот и превращение их в иминокислоты, которые далее гидролизуются до кетокислот и аммиака.
Среди дезаминирующих дегидрогеназ наиболее активной является глутаматдегидрогеназа, катализирующая окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты.
Это митохондриальный сложный фермент, каталитическое действие которого происходит при участии кофермента НАД и НАДФ.
Наиболее активно окислительное дезаминирование осуществляется в печени и в меньшей степени в почках и других органах.
Известны иные формы окислительного дезаминирования аминокислот под влиянием оксидаз, содержащих в качестве кофермента ФМН.
Они катализируют дезаминирование L-аминокислот и гидратацию с образованием
Последний распадается на кислород и воду под действием каталазы. Эти ферменты локализованы в пероксисомах.
Однако роль этого пути у человека и животных недостаточно выяснена.
Представляет интерес наличие оксидаз L-аминокислот в змеином яде, плесневых грибах и у бактерий.
В организме человека обнаружены также оксидазы D-аминокислот.
Коферментом последних является ФАД.
Биологическое значение оксидаз D-аминокислот, вероятно, состоит в том, что они выполняют защитную функцию, дезаминируя D-аминокислоты бактериального происхождения.
Декарбоксилирование – реакция, лежащая в основе превращения ряда аминокислот в биологически активные соединения.
Декарбоксилазы аминокислот катализируют отщепление карбоксильной группы в виде СО2. В качестве кофермента декарбоксилаз функционирует пиридоксальфосфат.
Продуктами декарбоксилирования являются амины, обладающие высокой биологической активностью, поэтому их называют биогенными аминами.
Так из фенилаланина, тирозина и триптофана под влиянием декарбоксилаз ароматических аминокислот образуются нейромедиаторы и гормоны норадреналин и адреналин, тканевые гормоны, в растениях – тканевой гормон роста ауксин, в тканях животных и человека – серотонин.
Из глутаминовой кислоты в результате действия глутаматдекарбоксилазы образуется γ-аминомасляная кислота (ГАМК)
Эта реакция наиболее активно протекает в тормозных синапсах нервной системы. ГАМК в наибольшем количестве содержится в подкорковых образованиях головного мозга, особенно в гипоталамусе.
Из аминокислоты гистидина под влиянием специфического фермента гистидиндекарбоксилазы образуется гистамин. Особенно много его образуется в тканях легких, коже, спинном мозге и подкорковых образованиях головного мозга.
Большое количество гистамина образуется и депонируется в тучных клетках соединительной ткани, в которых он представлен в виде белково-гепаринового комплекса.
Гистамин является мощным сосудорасширяющим агентом и при высоких концентрациях даже может вызвать сосудистый коллапс. Образование его происходит при травматическом шоке, а также в зоне воспалительного процесса. Гистамин стимулирует секрецию в желудке как пепсина, так и соляной кислоты.
Обезвреживание биогенных аминов осуществляется путем окислительного дезаминирования с участием ферментов аминооксидаз, которые бывают двух типов:
Коферментом МАО служит ФАД, а ДАО – пиридоксальфосфат (для реакции необходимы ионы Cu2+).
МАО связан с митохондриями клеток, а ДАО находится в цитоплазме.
Небольшие количества этих ферментов присутствуют в крови.
Продукты дезаминирования биогенных аминов – альдегиды – окисляются с помощью альдегиддегидрогеназ до органических кислот.
Инактивация катехоламинов адреналина и норадреналина осуществляется двумя путями:
Итак, безазотистые остатки большинства аминокислот при катаболизме проходят стадию образования пировиноградной кислоты.
При этом некоторые аминокислоты превращаются в пируват непосредственно (аланин, цистеин, серин).
Другие аминокислоты проходят более длинный метаболический путь к пирувату: вначале они превращаются в промежуточные продукты цитратного цикла, а затем углерод аминокислот покидает цитратный цикл в составе оксалоацетата, который превращается в фосфоенолпируват, а затем в пируват.
После окислительного декарбоксилирования пирувата оставшиеся углеродные атомы аминокислот, т.е. ацетил-КоА, вновь попадают в цитратный цикл, где и окисляются до СО2.
Предшественниками глюкозы при глюконеогенезе являются именно пируват, оксалоацетат и фосфоенолпируват.
Поэтому аминокислоты, которые превращаются в эти соединения, могут быть использованы для синтеза глюкозы (глюконеогенез из аминокислот); такие аминокислоты называют гликогенными.
Глюконеогенез с участием аминокислот происходит особенно активно при преимущественно белковом питании, а также при голодании. В последнем случае используются аминокислоты собственных белков тканей.
Катаболизм лейцина и лизина не включает стадии образования пировиноградной кислоты; углеродная часть превращается непосредственно в ацетоуксусную кислоту и ацетил-КоА, из которых синтез углеводов невозможен – это кетогенные аминокислоты.
Тирозин, фенилаланин, изолейцин и триптофан являются одновременно и гликогенными и кетогенными. Часть углеродных атомов их молекул при катаболизме образует ацетил-КоА, минуя стадию пирувата.
В результате трансаминирования и дезаминирования из большинства аминокислот образуются α-кетокислоты и аммиак. Дальнейшие пути метаболизма образовавшихся безазотистых компонентов аминокислот и аммиака расходятся.
Возникшая при дезаминировании аланина, серина и некоторых их производных пировиноградная кислота подвергается сложному окислительному декарбоксилированию и превращается в ацетил-КоА, который далее метаболизируется до СО2 и Н2О в цикле Кребса.
Щавелевоуксусная кислота, образовавшаяся при дезаминировании аспарагиновой кислоты, после декарбоксилирования также преобразуется в пировиноградную.
Подвергаясь также сложному окислительному декарбоксилированию, α-кетоглутаровая кислота превращается в активную форму янтарной кислоты – сукцинилКоА, которая через ряд промежуточных продуктов окисляется до щавелевоуксусной, а последняя, декарбоксилируясь, преобразуется до пировиноградной и далее до ацетилКоА, метаболическая судьба которой описана выше.
Образовавшийся как продукт интеграции обмена α-кетокислот, ацетил-КоА, наряду с окислением в цикле трикарбоновых кислот до СО2 и Н2О, может использоваться для биосинтеза
Аммиак частично используется для биосинтеза необходимых организму азотистых соединений, таких как пуриновые и пиримидиновые основания нуклеотидов-мономеров нуклеиновых кислот и ряда других структур.
Однако большая часть аммиака как токсического вещества подвергается дальнейшему превращению до мочевины, являющейся нетоксическим конечным продуктом белкового обмена, которая выводится из организма с мочой.
Аммиак является токсическим веществом, и его увеличение в крови и других тканях особенно опасно для мозга. Одно из объяснений высокой чувствительности мозга к свободному аммиаку состоит в следующем.
Свободный аммиак легко проходит сквозь мембраны и проникает в клетки мозга и их митохондрии.
Здесь он взаимодействует с α-кетоглутаровой кислотой, образуя глутамат.
Это приводит к уменьшению количества α-кетоглутарата как промежуточного продукта цикла лимонной кислоты, что сопровождается снижением скорости окисления глюкозы, играющей главную роль в энергетическом обеспечении клеток мозга.
Однако в норме этого не происходит. В процессе эволюции в организме высших животных и человека сформировались механизмы связывания аммиака в месте его образования, его обезвреживания и выведения из организма.
Аммиак, образующийся в различных тканях и органах, в месте его освобождения связывается с аминодикарбоновыми кислотами, преимущественно глутаминовой и в меньшей мере аспарагиновой, образуя амиды – глутамин и аспарагин.
Аммиак может также связываться с белками, содержащими эти аминокислоты. Фиксируясь в форме амидов, аммиак временно обезвреживается и переносится кровью к месту их окончательного обезвреживания – в печень.
Особую роль в переносе аммиака в печень в нетоксической форме играет аминокислота аланин. Большое значение этот механизм имеет для работающей мышцы.
Последовательность реакций при этом следующая:
Интересно, что использование именно аланина для переноса аммиака из интенсивно работающих скелетных мышц в печень может служить наглядным примером принципа экономии, действующего в живых организмах.
При тяжелой работе в сокращающихся скелетных мышцах образуется не только аммиак, но и большие количества пировиноградной кислоты – пирувата, являющегося продуктом гликолиза.
Оба этих продукта должны быть доставлены в печень, где аммиак превращается в мочевину и в такой форме выводится из организма, а из пирувата ресинтезируется глюкоза, которая через кровь возвращается в мышцы.
Итак, образовавшийся при дезаминировании аминокислот аммиак доставляется в печень, где превращается в нетоксический продукт – мочевину. Это превращение совершается в форме цикла, который был назван циклом мочевины. Его открыли Ганс Кребс вместе со студентом-медиком Куртом Хенселайтом в 1932 г.
Ими было установлено, что синтез мочевины усиливается при добавлении к срезам печени диаминомонокарбоновых кислот – аргинина и орнитина, причем при введении орнитина, меченного дейтерием, синтезируется аргинин, содержащий этот дейтерий, что является прямым доказательством образования аргинина из орнитина.
При добавлении к срезам печени солей угольной кислоты, меченых по углероду, последний был обнаружен в молекуле мочевины. Это доказывало, что для синтеза мочевины используется углекислый газ.
Последний является нормальным продуктом обмена и освобождается в органах и тканях при декарбоксилировании α-кетокислот и аминокислот.
Кроме того в печени был обнаружен фермент аргиназа, расщепляющий аргинин на мочевину и орнитин.
Наконец, было установлено, что мочевина синтезируется в аэробных условиях, когда в наибольших количествах образуется АТФ.
Все эти данные позволили описать следующий циклический процесс, состоящий из двух основных этапов: синтеза аргинина и гидролиза аргинина на мочевину и орнитин.
На первом этапе из аммиака, углекислого газа и фосфорной кислоты под влиянием фермента карбамоилфосфатсинтетазы синтезируется карбамоилфосфорная кислота (карбамоилфосфат). Для синтеза этого соединения используется энергия двух молекул АТФ. Для реакции также необходима N-ацетилглутаминовая кислота, которая вероятно играет роль активатора.
Аммиак принимает участие в реакции в виде транспортных форм, главным образом в составе глутамина.
Затем происходит конденсация карбамоилфосфорной кислоты с орнитином, в результате которой синтезируется цитруллин и освобождается неорганическая фосфорная кислота. Этот процесс катализируется ферментом орнитинкарбамоилтрансферазой.
Синтез цитруллина обеспечивается за счет энергии, аккумулированной в карбамоилфосфатной связи.
Далее цитруллин реагирует с аспарагиновой кислотой. При этом образуется промежуточное соединение – аргининоянтарная кислота (аргининосукцинат). Реакция катализируется ферментом аргининосукцинатсинтетазой. В этом процессе используется энергия еще одной молекулы АТФ.
Далее аргининоянтарная кислота под влиянием фермента аргининосукцинатлиазы расщепляется на аргинин и фумаровую кислоту.
Образованием аргинина заканчивается первый этап синтеза мочевины.
Второй этап заключается в расщеплении аргинина под влиянием аргиназы на мочевину и орнитин.
Орнитин может снова вступать в реакцию с карбамоилфосфатом, и весь процесс многократно повторяется.
Фумаровая кислота гидратируется, превращаясь в яблочную, а последняя путем дегидрирования – в щавелевоуксусную. ЩУК может присоединять к себе аммиак и превращаться в аспарагиновую или может подвергнуться декарбоксилированию и превратиться в пировиноградную, а затем в ацетилкоэнзим А, который используется в различных реакциях биосинтеза или окисляется до CO2 и H2O в цикле трикарбоновых кислот (Кребса).
В результате белкового обмена у человека за сутки выделяется в среднем 30 г мочевины, что составляет около 90% всего азота мочи.
Около 6% всего азота мочи выделяется из организма в виде солей аммония, образующихся в почках, их образование и экскреция обеспечивают удаление избыточных протонов, т.е. являются функцией кислотно-основного баланса.
Количество мочевины может уменьшаться при повышении кислотности в организме, что наблюдается при некоторых заболеваниях, например при диабете. При этом аммиак будет использоваться для нейтрализации кислот и в большем количестве выделяться в виде солей аммония.
При положительном азотистом балансе экскреция мочевины уменьшается.
Если происходит увеличение экскреции азота вследствие повышения распада белков организма, повышение азота мочи происходит за счет мочевины.
Таким образом, образование и экскреция мочевины является тем регулирующим механизмом, с помощью которого поддерживается азотистое равновесие.
https://biochem.nuph.edu.ua/