Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

230

ние хоризмата, которое происходит от греческого слова, означающего «вил-

ка»).

Фенилаланин образуется в ходе трех последовательных реакций: изоме-

ризации хоризмата в префенат, дегидратирования и декарбоксилирования

префената в фенилпируват и трансаминирования фенилпирувата с участием

глутамата.

Заменимая кислота тирозин может синтезироваться из фенилаланина пу-

тем его гидроксилирования с участием фенилаланин-4-моноокси-геназы, а

также из префеновой кислоты после ее декарбоксилирования и аминирова-

ния.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

231

Изомеризация, меж

молекулярные пере

стройки в пентозо

фосфатных путях

АТР

АМР

Рибозофосфат

пирофосфокиназа

P P

H OH

O P

OHH

Гистидин

Хоризмат

Фенилаланин

Тирозин

Триптофан

COO

из глу

тамина

из АТР

COOCH

Эритрозо-4-фосфат

5-Фосфорибозил-

-1-пирофосфат

+ Фосфоенол-

пируват

COO

Рис. 16.10. Общая схема биосинтеза гистидина, триптофана, фенилаланина и

тирозина. Пунктирные стрелки обозначают многоэтапные процессы

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

232

H OH

O P

OHH

COO

Фосфоенолпируват

COO

H OH

O P

OHH

COO

Шикимовая кислота

COO

Хоризмовая кислота

Антранилат

синтаза

COO

Антранилат

Пиру

ват

Фосфорибозил

антранилат

трансфераза

P O

OOC

Фосфорибозил

антранилат

изомераза

COO

CH C CH CH CH

O P

OH OH OH

OHOH

COO

CHCH

Триптофан

Триптофансинтаза

Фосфорибо

зилпиро

фосфат

Серин

O P

Эритрозо-4-фосфат

7-Фосфо-2-кето-

-3-дезокси-D-ара-

биногептулозонат-

синтаза

7-Фосфо-2-кето-

-3-дезокси-D-ара-

биногептулозонат

5-Фосфорибозил-

антранилат

1(О-карбоксифениламино)-1-

дезоксирибулозо-5-фосфат

Индол-3-глицерофосфат

Индол-3-глицерофосфат-

синтаза

Глицеральде-

гид-3-фосфат

COO

Рис. 16.11. Путь биосинтеза триптофана. Пунктирные стрелки обозна-

чают многоэтапные процессы

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

233

Закономерности биосинтеза аминокислот. Обзор путей биосинтеза

протеиногенных аминокислот позволяет выявить следующие основные зако-

номерности этих процессов: 1) углеродные скелеты аминокислот берут свое

начало от промежуточных продуктов гликолиза (3-фосфоглицерат, фосфое-

нолпируват, пируват), пентозофосфатных путей (рибозо-5-фосфат и эритрозо-

4-фосфат), ЦТК (оксалоацетат и a-кетоглутарат); 2) донором аминогрупп для

большинства протеиногенных аминокислот служит глутамат, реже —

глутамин; реакции, в которых аминогруппа аминокислоты переносится на

кетокислоту, называются «реакции трансаминирования»; 3) биосинтез мно-

гих аминокислот осуществляется «семействами», для которых используются

общие предшественники; многие аминокислоты сами служат субстратами для

синтеза других аминокислот; 4) многие стадии биосинтеза аминокислот тре-

буют притока энергии и сопровождаются гидролизом АТР (стадии синтеза

гистидина, пролина, метионина, аспарагина, глутамина, аргинина); кроме

этого, используется энергия активированных молекул, участвующих в синте-

зе; наконец, из катаболических и амфиболических процессов изымаются

промежуточные продукты, которые могли бы обеспечить клетке запасание

энергии; 5) многие этапы биосинтеза аминокислот требуют участия восстано-

вительных эквивалентов (NADH и NADPH), которые могли бы быть окисле-

ны в дыхательной цепи и обусловить энергетический выигрыш.

Таким образом, биосинтез аминокислот обходится клетке достаточно до-

рого. Неудивительно поэтому, что данный процесс в каждом организме

(клетке) подвержен очень сложной регуляции (глава 19), которая, с одной

стороны, определяется сложностью и разветвленностью самого биосинтеза

протеиногенных аминокислот, а с другой стороны, должна обеспечить стро-

гую экономию клеточных ресурсов (энергии, восстановительных эквивален-

тов, строительных блоков). Закономерным представляется и тот факт, что при

наличии экзогенных аминокислот, клетки микроорганизмов, в частности, не

осуществляют их синтез самостоятельно, а используют готовые формы.

16.5. Расщепление аминокислот

В первом разделе данной главы уже охарактеризована необходимость и

основная стратегия расщепления аминокислот. Она объясняется невозможно-

стью запасания аминокислот впрок и невозможностью их выведения из кле-

ток целиком. Избыточные аминокислоты используются организмами как ме-

таболическое топливо: их углеродные скелеты при перестройках определен-

ного рода могут вовлекаться в биосинтез жирных кислот, глюкозы, кетоно-

вых тел, изопреноидов и др., а также окисляться в ЦТК, обеспечивая клетку

энергией. Следует отметить, что многие микроорганизмы, в частности аэроб-

ные бактерии, способны использовать отдельные аминокислоты в качестве

единственного источника энергии и углерода. У анаэробных микроорганиз-

мов, при отсутствии в клетках цикла трикарбоновых кислот, выработался

другой механизм: катаболизм аминокислот в парах, когда одна из них служит

донором электронов, а вторая — акцептором. Важно, что в таком процессе

происходит образование АТР.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

234

Кроме углеродных скелетов, при деградации аминокислот образуется

аминный азот, который в отличие от углерода не пригоден для получения

энергии за счет окисления, и более того, является токсичным для клеток. По-

этому те аминогруппы, которые не могут повторно использоваться в биосин-

тезе, превращаются в мочевину (или другие вещества) и выводятся из орга-

низма.

Ниже будут рассмотрены основные типы реакций, в которые могут всту-

пать аминокислоты: реакции по a-аминогруппе, карбоксильной группе и бо-

ковой цепи.

Расщепление аминокислот по аминогруппе. Эти процессы представле-

ны в основном реакциями трансаминирования и дезаминирования по a-

аминогруппе. Реакции трансаминирования уже были рассмотрены в разделе,

касающемся биосинтеза аминокислот. Они катализируются трансаминазами

(аминотрансферазами), отличительной особенностью которых является ис-

пользование пиридоксальфосфата (производное витамина В

) в качестве про-

стетической группы. Наибольшее значение в процессах деградации амино-

кислот имеют глутамат-трансаминаза и аланин-трансаминаза. Эти ферменты

выполняют роль «воронок», собирающих аминогруппы от разных аминокис-

лот и включающих их в состав глутамата и аланина. У животных эти две

аминокислоты служат переносчиками накапливающегося аминного азота из

тканей в печень. В печени аминогруппа аланина переносится аланин-

трансаминазой на a-кетоглутарат с образованием глутамата:

Аланин + a-Кетоглутарат ® Пируват + Глутамат

Таким образом, большинство аминогрупп различных аминокислот оказы-

вается в составе глутамата, который легко подвергается дезаминированию.

Реакции дезаминирования аминокислот приводят к освобождению NH

группы в виде аммиака и осуществляются тремя разными путями. Различают

окислительное, гидролитическое и прямое дезаминирование (рис. 16.12).

Наиболее распространенным типом является окислительное дезаминирова-

ние, которое осуществляется по a-аминогруппе и катализируется в основном

глутаматдегидрогеназой — типичным для печени ферментом. Необычным

свойством этого фермента является способность использовать как NAD, так и

NADP в качестве коферментов. Активность глутаматдегидрогеназы регули-

руется аллостерическими активаторами (ADP, GDP) и ингибиторами (ATP,

GTP).

Окислительное дезаминирование осуществляется в две стадии с образова-

нием иминокислоты в качестве промежуточного продукта, который спонтан-

но гидролизуется, превращаясь в кетокислоту и аммиак (рис. 16.12). Обе ре-

акции обратимы, и их константы равновесия близки к единице. Ранее

(рис. 16.3) было показано, как в ходе обратной реакции аммиак включается в

состав глутамата. Можно считать, что реакция образования и дезаминирова-

ния глутамата является центральной реакцией в процессе метаболизма ам-

миака.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

235

COO

N H

NAD

NADH

Глутамат

дегидрогеназа

COO

Аминокислота

Иминокислота

(NADP

)

(NADPH)

COO

Кетокислота

COO

Глутаминаза, аспарагиназа

COO

Аминокислота

COO

Гистидин аммиак

лиаза

Непредельная кислота

CONH

( )

COOH

Глутамин,

аспарагин

Глутамат,

аспартат

1. Окислительное дезаминирование

2. Гидролитическое дезаминирование

3. Прямое (внутримолекулярное) дезаминирование

Рис. 16.12. Различные типы реакций аминокислот по аминогруппе

У многих организмов окислительное дезаминирование осуществляется с

помощью дегидрогеназ, использующих флавиновые кофакторы (FMN, FAD).

Эти ферменты называют оксидазами аминокислот. Они характеризуются ши-

рокой субстратной специфичностью: одни специфичны к L-аминокислотам,

другие — к их D-аналогам. Считается, что эти ферменты вносят небольшой

вклад в обмен аминогрупп.

Гидролитическому дезаминированию подвержены немногие амино-

кислоты, из протеиногенных — аспарагин и глутамин. При их дезаминирова-

нии образуются соответственно аспартат и глутамат. Этот процесс правиль-

нее называть дезамидированием, поскольку он осуществляется за счет амид-

ной группы (рис. 16.12). В редких случаях таким путем отщепляется и a-

аминогруппа аминокислоты, тогда образуются аммиак и оксикислота.

В результате прямого (внутримолекулярного) дезаминирования воз-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

236

никают ненасыщенные соединения. Прямому дезаминированию обычно под-

вергается гистидин, а также серин. Однако первичная ферментативная атака

серина приводит к отщеплению молекулы воды (фермент —серингидратаза),

и в этом превращении участвует боковая гидроксильная группа серина. Спон-

танному дезаминированию в данном случае подвергается нестабильное про-

межуточное соединение — аминоакрилат. Продуктом суммарной реакции

является пируват, и этот тип дезаминирования вызывается перестройкой в

боковой цепи аминокислоты.

Реакции аминокислот по карбоксильной группе. Превращения по кар-

боксильной группе аминокислот могут использоваться организмами для де-

градации этих молекул, а также для превращения в другие, необходимые

клетке соединения, в первую очередь аминоациладенилаты и биогенные

амины. Образование аминоациладенилатов на подготовительной стадии син-

теза белка уже было описано в главе 3. Биогенные амины возникают в реак-

циях, катализируемых декарбоксилазами аминокислот. Эти ферменты широ-

ко распространены у животных, растений и особенно у микроорганизмов,

причем известно, что у патогенных микроорганизмов декарбоксилазы могут

служить факторами агрессии, с помощью которых возбудитель проникает в

соответствующие ткани. Декарбоксилазы L-аминокислот, так же как транса-

миназы, используют в качестве простетической группы пиридоксальфосфат.

Моноамины (биогенные амины) выполняют в организмах разнообразные

функции. Например, этаноламин, образующийся при декарбоксилировании

серина, является составной частью полярных липидов. При декарбоксилиро-

вании цистеина и аспартата образуются соответственно цистеамин и b-

аланин, которые входят в состав такого важного для клеток кофермента, как

коэнзим А. Декарбоксилирование гистидина приводит к образованию гиста-

мина — медиатора, участвующего в регуляции скорости метаболических

процессов, деятельности желез внутренней секреции, регуляции кровяного

давления у животных. Многие другие биогенные амины выполняют функции

сигнальных веществ, в частности широко распространенных у животных и

человека нейромедиаторов.

Реакции аминокислот по боковой цепи. Насколько разнообразна струк-

тура радикалов аминокислот, настолько разнообразны и химические превра-

щения, которым они могут подвергаться. Среди этих многообразных реакций

можно выделить те, которые позволяют клетке получать из одних аминокис-

лот другие. Например, тирозин образуется при окислении ароматического

кольца фенилаланина; гидролиз аргинина приводит к формированию орни-

тина (см. цикл мочевины); расщепление треонина сопровождается образова-

нием глицина и т. п.

Кроме этих реакций, важное значение имеют превращения боковых

групп, связанные с возникновением физиологически активных веществ. Так,

из тирозина образуется гормон адреналин, из триптофана образуются нико-

тиновая кислота (витамин РР, входящий в состав никотинамидных кофер-

ментов) и индолилуксусная кислота (ростовое вещество), из цистеина —

меркаптуровые кислоты (участвуют в обезвреживании ароматических соеди-

нений). Уже отмечалась возможность превращения серина в пируват при де-

гидратации его боковой цепи и дезаминировании.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

237

Таким образом, разнообразные химические превращения аминокислот

могут приводить к образованию биологически активных веществ с широким

спектром действия и, кроме того, к отщеплению аминогрупп в виде аммиака

с формированием углеродных скелетов. В следующем разделе будет рассмот-

рена судьба аммиака и углеродных атомов расщепленных аминокислот.

16.6. Выведение аммиака из организма

При деградации аминокислот, которая у млекопитающих осуществляется

в печени, высвобождается аммиак. Кроме этого, значительные количества

аммиака образуются при распаде пуринов и пиримидинов. Часть аммиака

сразу расходуется на синтез других аминокислот и азотистых оснований, а

оставшаяся часть должна быстро инактивироваться или выводиться из орга-

низма, поскольку это соединение является сильным клеточным ядом.

У организмов, стоящих на низших ступенях развития, а также у обитаю-

щих в воде животных аммиак выделяется непосредственно из клеток, а у рыб,

например, через жабры. Такие животные носят название аммониотеличе-

ские. У большинства наземных позвоночных животных, в том числе у мле-

копитающих и у человека, аммиак превращается в мочевину. Организмы,

удаляющие аммиак (основную его часть) в виде мочевины называются урео-

телические. Наконец, существуют урикотелические организмы (птицы и

рептилии), которые превращают аммиак в мочевую кислоту и выводят ее из

организма в твердом виде.

Свойства мочевины как вещества, в составе которого аммиачный азот

выводится из уреотелических организмов, заключаются в том, что это ней-

тральное, нетоксичное, низкомолекулярное соединение, способное легко (в

ходе пассивной диффузии) преодолевать мембранные барьеры, растворимое в

воде. Мочевина легко переносится кровью и выводится с мочой.

Образуется мочевина в клетках печени в замкнутой последовательности

реакций, которые носят название цикл мочевины.

Цикл мочевины. Один из атомов азота в составе молекулы мочевины

происходит из аммиака, второй — из аспартата. Углеродный атом мочевины

берет происхождение из молекулы СО

На первой стадии свободный аммиак и углекислота образуют в АТР-

зависимой реакции молекулу карбамоилфосфата, которая содержит ангид-

ридную связь и характеризуется высоким потенциалом переноса карбамоиль-

ной группы. Карбамоильный остаток переносится на орнитин с помощью ор-

нитин-карбамоилтрансферазы и образуется цитруллин (рис. 16.13).

На следующей стадии при участии аргининосукцинат-синтазы в цикл

включается вторая аминогруппа, которая присутствует в составе аспартата.

Конденсация цитруллина с аспартатом также сопряжена с гидролизом АТР и

приводит к образованию аргининосукцината.

На последнем этапе с участием аргининосукциназы происходит расщеп-

ление ее субстрата на аргинин и фумарат. Аргинин гидролизуется ар-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

238

Карбамоил

фосфат

COO

Орнитин

COO

Аргининосукцинат

COO

Аргинин

Фумарат

Мочевина

Фумарат

Реакции ЦТК

Оксалоацетат

Аспартат

Аспартаттранс

аминаза

Glu

КГ

М и т о х о н д р и я

(м а т р и к с )

Ц и т о з о л ь

Цитруллин

ATP

+ CO

+ 2ATP

2ADP + P

AMP + PP

Карбамоилфос-

фат-синтаза

OOC

COO

Рис. 16.13. Цикл мочевины. В кружках под стрелками — названия ферментов:

1 — орнитин-карбамоилтрансфераза; 2 — аргининосукцинат-синтаза; 3 —

аргининосукцинат-лиаза; 4 — аргиназа. Обозначения: Glu — глута-мат;

КГ — a-кетоглутарат

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

239

гиназой на мочевину и орнитин, который вновь может акцептировать карба-

моильный остаток. Фумарат может превращаться в оксалоацетат (реакции

ЦТК), который в ходе трансаминирования с участием глутамата преобразует-

ся в аспартат. Аспартат снова может поступать в цикл мочевины, конденси-

руясь с цитруллином (рис. 16.13).

Компартментализация цикла мочевины охватывает митохондрии и цито-

золь: в матриксе протекают реакции образования карбамоилфосфата, его

включение в состав цитруллина и преобразование фумарата в аспартат. Ос-

тальные три реакции (образование аргининосукцината, аргинина и фумарата,

орнитина и мочевины) осуществляются в цитозоле.

На образование одной молекулы мочевины расходуется четыре макроэр-

гических связи АТР, т. е. процесс инактивации аммиака стоит клетке боль-

ших затрат энергии.

Регуляция скорости цикла мочевины определяется первой реакцией. Ка-

тализирующая ее карбамоилфосфат-синтаза аллостерически активируется N-

ацетилглутаматом, предшественником орнитина, и в его отсутствие практи-

чески неактивна.

Цикл мочевины — основной процесс, в котором происходит обезврежи-

вание аммиака. Однако даже уреотелические организмы способны выделять

небольшую долю аммиака непосредственно при гидролитическом дезамиди-

ровании глутамина и окислительном дезаминировании глутамата в клетках

почек. Высвободившийся аммиак диффундирует через клеточные мембраны

почечных трубочек в почечные канальцы (мочу), где соединяется с протона-

ми, образуя ионы аммония. В такой форме аммиак уже не может преодолеть

мембранный барьер и возвратиться в клетку, поэтому полностью выводится в

составе мочи.

Известны наследственные заболевания, связанные с нарушением цикла

мочевины из-за дефектов в его ферментной системе. Это всегда связано с

увеличением концентрации аммиака в тканях и крови (гиперам-монемия),

что может приводить даже к летальному исходу. При подобных заболеваниях

страдают в первую очередь наиболее чувствительные к снижению содержа-

ния АТР системы — нервные клетки и мозг. Это можно объяснить тем, что

высокая концентрация аммиака сдвигает равновесие обратимой реакции, ка-

тализируемой глутаматдегидрогеназой, в сторону образования глутамата, что

неизбежно вызывает истощение запасов a-кетоглутарата. Но a-кетоглутарат

является промежуточным продуктом ЦТК, и его чрезмерное потребление

приводит к замедлению скорости цикла лимонной кислоты — основного по-

ставщика восстановительных эквивалентов для дыхательной цепи. В резуль-

тате уменьшается скорость образования АТР.

16.7. Судьба углеродных скелетов аминокислот

Стратегия разрушения углеродных скелетов, которые образуются при де-

заминировании аминокислот, состоит в том, чтобы в клетке сформировались

ключевые промежуточные продукты, пригодные как для биосинтеза клеточ-

ных соединений, так и для дальнейшего окисления, связанного с запасанием

энергии. Углеродные скелеты 20 протеиногенных аминокислот в ходе много-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)