Обмен белков и аминокислот в тканях

Для обмена белков в организме человека характерна одна важная особенность — ни белки, ни аминокислоты не могут запасаться впрок, как, например, липиды в жировой ткани или углеводы в виде гликогена.

Заменимые аминокислоты могут синтезироваться в организме человека. Для этого есть несколько путей: аминирование непредельной кислоты, восстановительное аминирование и переаминирование.

Алитированием непредельной кислоты образуется Асп из фумаровой кислоты под действием аспартат:аммиак-лиазы (см. рис. 6.40). Реакция обратима и поэтому Асп, превращаясь в фумаровую кислоту, может полностью окисляться в цикле Кребса.

Восстановительное аминирование — процесс, обратный окислительному дезаминированию (см. рис. 3.14 и 12.1). Но таким путем образуются только Ала и Глу, так как активность их дегидрогеназ существенна.

Таким образом, Ала, Асп и Глу считают первичными, а все остальные заменимые аминокислоты образуются в реакциях переаминироваиия (см. рис. 3.15).

Пищевые аминокислоты (образующиеся при переваривании белков) с кровыо разносятся к разным органам и тканям, где используются для синтеза белков. Подсчитано, что в организме взрослого человека ежесуточно синтезируется 1,3 г белка на 1 кг массы (в среднем 90—100 г). При этом с помощью изотопных методов установлено, что пищевые аминокислоты составляют лишь ¼ часть. Это свидетельствует о том, что в тканях организма белки подвергаются постоянному обновлению. Разные белки обновляются с разной скоростью. Например, сроки функционирования инсулина составляют 20—30 мин, белков слизистой кишечника — 2—4 сут, гемоглобина — 100—120 сут, коллагена — 6—8 мес.

Отслужившие свой срок молекулы белков подвергаются действию тканевых пептидгидролаз и разрушаются до свободных аминокислот по схеме Белок —? Высокомолекулярные —? Низкомолекулярные —? Аминокислоты, полипептиды полипептиды Аналогично протекает распад белков и вне организма, в различных биологических тканях, жидкостях и пищевых системах. Например, при созревании сыров в готовом продукте всегда присутствуют все компоненты, представленные на данной схеме. Соотношение продуктов распада: пептидов, аминокислот, аминов существенно влияет на вкус и аромат. Среднеи низкомолекулярные пептиды, обладающие горьким вкусом, придают некоторым сырам характерный горьковатый привкус.

Процессы обмена белков в организме человека регулируются при участии ряда гормонов (табл. 12.4).

Таблица 12.4

Регуляция обмена белков и аминокислот

В результате обмена белков часть аминокислот подвергается распаду. Обязательной стадией при этом является дезаминирование или переамииироваиие (см. параграф 3.2).Наиболее распространенный вариант — окислительное дезаминирование. На рис. 3.14 показано суммарное уравнение. В действительности реакция протекает в две стадии: дегидрирование и гидролиз (см. рис. 12.1). При окислении по действием специфической НАД-дегидрогепазы образуется иминокислота. Во время гидролиза двойная связь в иминогруппе расщепляется и выделяется NH₃.

Это превращение имеет большое значение для обмена белков, так как обе его стадии обратимы и таким образом из кетокислоты может образоваться аминокислота.

По направлению использования безазотистого остатка аминокислоты делят на две группы: кетогенные и гликогенные (табл. 12.5).

Одновременно кетогенные и гликогенные — Иле, Лиз, Фен, Тир, Три.

В настоящее время известны пути распада всех протеиногенных аминокислот.

Примеры кетогенных и гликогенных аминокислот.

Обмен отдельных аминокислот.

Глицин — простейшая аминокислота. Синтезируется, главным образом, из Сер, оксиметильная группа которого удаляется ферментом, содержащим витамин By. Подобно ГАМК, Гли является тормозным нейромедиатором [4]. Гли включается в синтез пуриновых азотистых оснований (см. рис. 13.9) и пиррольных циклов. Участвует в обезвреживании токсичных соединений ароматического ряда, которые образуются из растительных продуктов, если те преобладают в рационе. Гли образует с бензойной, фснилуксусной кислотами и фенолами растворимые в воде соединения, которые выводятся через почки. Например, комплекс Гли с бензойной кислотой называется гиинуровая кислота (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Обезвреживание бензойной кислоты

С холевой кислотой Гли образует гликохолевую кислоту (рис. 12.3), обладающую свойствами ПАВ и участвующую в эмульгировании жиров при переваривании.

Дезаминирование Гли осуществляется по окислительному типу НАД-зависимой дегидрогеназой с образованием глиоксиловой кислоты (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Дезаминирование глицина

Серин — заменимая оксиаминокислота. Скелет ее образуется из 3-ФГК, источником которой является глюкоза, a NH₂-rpynna вводится путем переаминирования. Сер необходим для синтеза фосфолипидов (см. рис. 11.42 и 11.43), является предшественником аминоэтанола (рис. 12.5), холина.

Рис. 12.5. Образование аминоэтанола при декарбоксилировании Сер.

Оксигруппа Сер входит в состав активных центров многих ферментов, таких, как трипсин, химотрипсип, эстеразы, фосфорилазы, фосфатазы.

При распаде Сер сначала освобождается от спиртового гидроксила, а затем гидролитическим путем — от аминогруппы (рис. 12.6). В результате образуется ПВК, которая легко вовлекается в ЦТК и окисляется там до Н₂0 и С0₂.

Рис. 12.6. Дезаминирование серина

Метионин — незаменимая серосодержащая аминокислота. Передает метальную группу на другие соединения. В результате образуются холин, креатин, адреналин, азотистые основания.

После освобождения от метальной группы сера Мет в основном переходит в серу Цис.

В действительности все превращения протекают, когда Мет находится в активной форме — в виде 8⁺-аденозилметионина (см. рис. 6.31).

Хотя Мет — незаменимая аминокислота, она может регенерироваться из гомоцистеина в обратимой реакции, показанной на рис. 12.7. Катализируется превращение ферментами, в составе которых есть витамины В₉ и В₁₂. По;

Рис. 12.7. Деструкция метионина.

скольку единственным источником гомоцистеина служит Мет, то обеспечение организма данной аминокислотой зависит исключительно от ее содержания в продуктах питания [4].

Цистеин — заменимая серосодержащая аминокислота, так как может синтезироваться из двух аминокислот: Сер и Мет (см. рис. 12.7). Цис содержит высокоактивную сульфгидрильную группу, которая может легко окисляться с образованием дисульфидной связи. Такое превращение происходит между разными полипептидными цепями или в пределах одной полипептидной цепи при формировании третичной структуры белка и называется посттрансляционная модификация белка. Именно таким образом стабилизированы молекулы инсулина, химотрипсина и других белков в третичной структуре.

Активность сульфгидрильной группы проявляется в ферментативном катализе. Например, многие ферменты содержат в активном центре SHгруппы, необходимые для каталитической реакции. Известно, что активность таких ферментов утрачивается при окислении SH-rpynn.

В экспериментах с животными доказано, что цистеин трансформируется в трипептид глутатион, обладающий окислительно-восстановительными свойствами. Предполагают, что глутатион поддерживает активную восстановленную форму ферментов, за счет собственного окисления. Положительный антиоксидантный эффект глутатиона доказан:

• • в улучшении процессов нейтрализации тяжелых металлов, токсинов;
• • снижении нежелательных последствий радиации и химиотерапии при лечении онкологических заболеваний;
• • в замедлении процессов старения.

В тканях цистеин может декарбоксилироваться с образованием аминоэтантиола (рис. 12.8), который необходим для синтеза Ко, А или окисляется до таурина (рис. 12.9).

Таким образом, цистеин — это предшественник таурина, который играет роль нейромедиатора, обладает противосудорожной активностью. Таурин способствует улучшению энергетического обмена, стимулирует восстановительные процессы, например, в тканях глаза.

В печени таурин образует таурохолевую кислоту подобную гликохолевой (см. рис. 12.3), чем способствуют эмульгированию жиров в кишечнике.

Рис. 12.9. Образование таурина

Часто комплексы желчных кислот с таурином и глицином называют конъюгаты или парные соединения.

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты играют большую роль в обмене белков, осуществляют транси дезаминирование аминокислот. Могут акцептировать NH₃ не только в свободном виде, но и в составе белков. В результате образуются соответствующие амиды: аспрагин (Аси) и глутамин (Глн). Тем самым Аси и Глу участвуют в обезвреживании NH₃.

Обмен большинства аминокислот проходит через стадию образования аспарагиновой и глутаминовой кислот в реакциях переаминирования.

Обе аминокислоты участвуют в синтезе азотистых оснований (см. рис. 13.8 и 13.9).

Декарбоксилирование аспарагиновой кислоты приводит к образованию аили (3-алапина (рис. 12.10). Последний может включаться в синтез пантотеповой кислоты (см. рис. 6.47).

Рис. 12.10. Пути дскарбоксилирования Асп

При а-декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется у-аминомасляная кислота (рис. 12.11), которая тормозит процессы возбуждения в сером веществе коры головного мозга и используется как лекарственное средство при некоторых заболеваниях ЦНС.

Фенилаланин — незаменимая ароматическая аминокислота. Окисляется до тирозина, который далее превращается в хинон (рис. 12.12). Хиноны входят в состав меланонротеинов — сложных белков, придающих окраску коже, волосам, шерсти.

Рис. 12.12. Превращения фенилаланина и тирозина:

1 — реакция катализируется фенилаланингидроксилазой; 2 — реакция катализируется

тирозиназой

В обмене Фен может наблюдаться наследственный сбой — синтез ряда дефектных ферментов. Например, при дефекте синтеза фенилаланингидроксилазы наблюдается заболевание феншкетонурия. В этом случае образуется не Тир, а фениллактат, фенилпируват и фенилацетат, которые накапливаются в крови и выводятся с мочой. Эти продукты токсичны для мозга и вызывают у детей тяжелое отставание в умственном развитии (фенилпировиноградная олигофрения), предупредить развитие которого можно, соблюдая диету, не содержащую Фен. В частности, гликомакропептид, отщепляющийся при ферментативном гидролизе казеина и переходящий в сыворотку, не содержит Фен, а значит, может использоваться в питании таких детей.

Другое нарушение возникает при дефекте тирозиназы и называется альбинизм (от лат. albus — белый). Из-за сбоя в синтезе пигмента меланина кожа и волосы у человека слабо пигментированы, а зрачки глаз красного цвета, так как просвечивают сосуды глазного дна из-за отсутствия пигментов в радужной оболочке.

Тирозин является заменимой аминокислотой, так как синтезируется из Фен (см. рис. 12.12). Однако окисление Фен в Тир, катализируемое фенилаланингидроксилазой — необратимый процесс, поэтому при недостатке Фен в продуктах Тир не может заменить его.

Тир — предшественник ряда важных соединений. Во-первых, из Тир синтезируются гормоны щитовидной железы: тетраиодтиронин (Т,) и трииодтиронин (Т₃).

Во-вторых, Тир при участии тирозиназы окисляется до диоксифенилаланина (ДОФА), а затем до ДОФА-хинона, который необходим для синтеза окрашенных белков — меланонротеинов.

Наконец, диоксифенилаланин может подвергаться декарбоксилированию с образованием дофамина (диоксифенилэтиламина), который является предшественником катехоламинов (нейромедиаторов) — норадреналина и адреналина (см. рис. 8.3).

Рис. 12.13. Образование дофамина.

Триптофан — незаменимая для человека и животных аминокислота. Из нее синтезируются такие биологически активные соединения, как серотонин (рис. 12.14) и рибонуклеотид никотиновой кислоты. Серотонин — высокоактивный биогенный амин сосудосуживающего действия. Он регулирует артериальное давление, температуру тела, дыхание, почечную фильтрацию и является медиатором нервных процессов в ЦНС.

Рис. 12.14. Образование серотонина при декарбоксилировании Три.

В норме не более 1% Три превращается в серотонин. Более 95% Три окисляется по пути, который приводит к образованию НАД, уменьшая потребность организма в витамине В₅.

Пролил — заменимая аминокислота, поэтому в животном организме существует возможность ее синтеза: либо из у-полуальдегида глутаминовой кислоты (а-амино-у-оксопентановая кислота), либо из орнитина, который образуется при гидролизе Apr (рис. 12.15).

Рис. 12.15. Синтез пролина.

При распаде Про сначала окисляется той же НЛД-дегидрогеназой до 5-пирролин-2-карбоновой кислоты, у которой гидролитическим путем разрушается цикл по месту двойной связи. В результате образуется у-полуальдегид. Его альдегидная группа окисляется до карбоксильной. Так возникает Глу, пути использования которой зависят от потребности клетки.