Пути образования пула аминокислот в крови и его использование в организме

Б…

Механизм переаминирования

Вначале, АК передает свою аминогруппу на пиродоксальфосфат. АК при этом превращается в кетокислоту, а пиродоксальфосфат — в пиридоксаминфосфат. Затем, реакции идут в обратную сторону: но уже другая кетокислота, принимает аминогруппу от пиридоксаминфосфата и превращается в новую АК, а пиридоксаминфосфат в пиродоксальфосфат.

Органоспецифичные аминотрансферазы АЛТ и АСТ.

Чаще всего в трансаминировании участвуют АК и кетокислоты, которых много в организме — глу, ала, асп, б-КГ, ПВК и ЩУК. Основным донором аминогруппы служит глу, а кетогруппы — б-КГ.

Наиболее распространёнными аминотрансферазами в большинстве тканей млекопитающих являются аланинаминотрансфераза (АЛТ) и аспартатаминотрансфераза (ACT).

АЛТ катализирует реакцию трансаминирования между ала и б-КГ: ала+б-КГ-ПВК+глу АЛТ локализуется в цитозоле клеток многих органов, больше всего ее в клетках печени и миокарде.

ACT катализирует реакцию трансаминирования между асп и б-КГ: асп+б-КГ-ЩУК+глу.

ACT имеет как цитоплазматическую, так и митохондриальную формы. Наибольшее ее количество обнаружено в миокарде и печени.

АСТ и АЛТ являются органоспецифичными ферментами, их определяют в крови для диагностики заболеваний печени, сердца и, в меньшей степени, скелетных мышц. Соотношение активностей АСТ/АЛТ называют «коэффициент де Ритиса». В норме он равен 1,33±0,42.

При инфаркте миокарда активность ACT в крови увеличивается в 8—10 раз, а АЛТ — в 1,5—2,0 раза, коэффициент де Ритиса резко возрастает.

При гепатитах активность АЛТ в сыворотке крови увеличивается в — 8—10 раз по сравнению с нормой, a ACT — в 2—4 раза. Коэффициент де Ритиса снижается до 0,6.

Биологическое значение трансаминирования

Реакции трансаминирования обеспечивают синтез и распад аминои кетокислот, перераспределение аминного азота в тканях организма.

ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ

Дезаминирование АК — реакция отщепления б-аминогруппы от АК, в результате чего образуется соответствующая б-кетокислота и выделяется молекула аммиака.

Дезаминирование бывает прямым и непрямым.

Прямое дезаминирование АК

Прямое дезаминирование — это дезаминирование, которое происходит в 1 стадию с участием одного фермента. Прямому дезаминированию повергаются глу, гис, сер, тре, цис.

Существует 5 видов прямого дезаминирования АК:

• 1. окислительное;
• 2. неокислительное;
• 3. внутримолекулярное;
• 4. восстановительное;
• 5. гидролитическое.

Окислительное дезаминирование — самый активный вид прямого дезаминирования АК.

1. Глутаматдегидрогеназа (глу-ДГ) — олигомер, состоящий из 6 субъединиц (молекулярная масса 312 кД), содержит кофермент НАД⁺. Глу-ДГ катализирует обратимое дезаминирование глу, очень активна в митохондриях клеток практически всех органов, кроме мышц. Глу-ДГ аллостерически ингибируют АТФ, ГТФ, НАДH₂, активирует избыток АДФ. Индуцируется Глу-ДГ стероидными гормонами (кортизолом).

Реакция идёт в 2 этапа. Вначале происходит ферментативное дегидрирование глутамата и образование б-иминоглутарата, затем — неферментативное гидролитическое отщепление иминогруппы в виде аммиака, в результате чего образуется б-кетоглутарат. При избытке аммиака реакция протекает в обратном направлении (как восстановительное аминирование б-кетоглутарата).

Глу + НАД⁺ + Н₂О — б-КГ + НАДН₂ + NH₃

2. Оксидаза L-аминокислот

В печени и почках есть оксидаза L-АК, способная дезаминировать некоторые L-аминокислоты:

Оксидаза L-АК имеет кофермент ФМН. Т.к. оптимум рН оксидазы L-АК равен 10,0, активность фермента очень низка и вклад ее в дезаминирование незначителен.

3. Оксидаза D-аминокислот

Оксидаза D-аминокислот также обнаружена в почках и печени. Это ФАД-зависимый фермент, с оптимумом рН в нейтральной среде. Оксидаза D-аминокислот превращает, спонтанно образующиеся из L-аминокислот, D-аминокислоты в кетокислоты.

Неокислительное дезаминирование.

В печени человека присутствуют специфические пиридоксальфосфатзависимые ферменты сериндегидратаза, треониндегидратаза, катализирующие реакции неокислительного дезаминирования аминокислот серина и треонина.

Внутримолекулярное дезаминирование.

Внутримолекулярное дезаминирование характерно для гистидина. Реакцию катализирует гистидаза (гистидин-аммиаклиаза). Эта реакция происходит только в печени и коже.

Непрямое дезаминирование (трансдезаминирование) АК.

Непрямое дезаминирование — это дезаминирование, которое происходит в 2 стадий с участием нескольких ферментов. Оно характерно для большинства АК, так как они не способны к прямому дезаминированию (нет ферментов).

На первой стадии происходит одна и несколько реакций переаминирования с участием аминотрансфераз, в результате аминогруппа АК переходит на кетосоединение (б-КГ, ИМФ).

На второй стадии происходит реакция дезаминирования аминосоединения (глу, АМФ), в результате чего образуется аммиак.

Последовательность реакций непрямого дезаминирования зависит от набора ферментов в тканях.

Непрямое дезаминирование в печени

Непрямое дезаминирование АК происходит при участии 2 ферментов: аминотрансферазы и глу-ДГ. Аминогруппы АК в результате трансаминирования переносятся на б-КГ с образованием глутамата, который затем подвергается прямому окислительному дезаминированию.

Обе стадии непрямого дезаминирования обратимы, что обеспечивает как катаболизм АК, так и возможность образования практически любой АК из соответствующей б-кетокислоты.

При энергодефиците АДФ активирует Глу-ДГ, что усиливает катаболизм АК и образование а-кетоглутарата, поступающего в ЦТК как энергетический субстрат.

Таким образом, Глу-ДГ играет ключевую роль в регуляции обмена АК и энергии.

Непрямое дезаминирование в мышцах (и нервной ткани)

В мышечной ткани активность глу-ДГ низка, поэтому при интенсивной физической нагрузке функционирует ещё один путь непрямого дезаминирования с участием цикла ИМФ-АМФ.

Можно выделить 4 стадии этого процесса:

• 1. трансаминирование с а-кетоглутаратом, образование глутамата (аминотрансфераза);
• 2. трансаминирование глутамата с ЩУК, образование аспартата (АСТ);
• 3. реакция переноса аминогруппы от аспартата на ИМФ (инозинмонофосфат), образование АМФ и фумарата (аденилосукцинасинтаза и аденилосукцинатлиаза);
• 4. гидролитическое дезаминирование АМФ (АМФ-дезаминаза).

Этот путь дезаминирования преобладает в мышцах при интенсивной работе, в результате которой накапливается молочная кислота. Выделяющийся аммиак предотвращает закисление среды в клетках, вызванное образованием лактата.

Пути обмена безазотистого остатка аминокислот

За сутки у человека распадаются примерно 100 г АК. Катаболизм всех АК сводится к образованию шести веществ, вступающих в общий путь катаболизма: ПВК, ацетил-КоА, б-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат и ЩУК. Эти вещества окисляются в ЦТК для образования АТФ или используются для синтеза глюкозы и кетоновых тел.

Гликогенные аминокислоты — АК, которые превращаются в ПВК и промежуточные продукты ЦТК (а-КГ, сукцинил-КоА, фумарат, ЩУК). Они через ЩУК, используются в глюконеогенезе (ала, асн, асп, гли, глу, глн, про, сер, цис, арг, гис, вал, мет, тре).

Кетогенные аминокислоты — АК, которые в процессе катаболизма превращаются в ацетоацетат (Лиз, Лей) или ацетил-КоА (Лей) и могут использоваться в синтезе кетоновых тел.

Смешанные (глико-кетогенными) аминокислоты — АК, при катаболизме которых образуются метаболит цитратного цикла и ацетоацетат (Три, Фен, Тир) или ацетил-КоА (Иле). Эти АК используются для синтеза глюкозы и кетоновых тел.

ОБМЕН АММИАКА.

Аммиак в организме образуется:

• · при дезаминировании АК во всех тканях (много);
• · при дезаминировании биогенных аминов и нуклеотидов во всех тканях (мало);
• · при дезаминировании АМФ в интенсивно работающей мышце;
• · при гниении белков в кишечнике.

Концентрация аммиака

Концентрация аммиака в сыворотке крови в норме 11—35 мкмоль/л. В крови и цитозоле клеток при физиологических значениях рН аммиак переходит в ион аммония — NH₄⁺, количество неионизированного NH₃ невелико (~ 1%).

Токсичность аммиака

Аммиак — токсичное соединение. Даже небольшое повышение его концентрации оказывает неблагоприятное действие на организм, и, прежде всего на ЦНС.

Механизм токсического действия аммиака:

1. Аммиак легко проникает через мембраны в клетки и в митохондриях сдвигает реакцию, катализируемую глу-ДГ, в сторону образования глу:

б-Кетоглутарат + НАДH₂ + NH₃ > глу + НАД⁺.

Уменьшение концентрации б-кетоглутарата вызывает:

• · угнетение реакции трансаминирования АК и снижение синтеза из них нейромедиаторов (ацетилхолина, дофамина и др.);
• · снижения скорости ЦТК и развитие энергодефицита.

Недостаточность б-кетоглутарата ускоряет реакции синтеза ЩУК из ПВК, сопровождающейся интенсивным потреблением СО₂ (особенно характерны для клеток головного мозга).

• 2. Повышение концентрации аммиака в крови сдвигает рН в щелочную сторону, вызывает алкалоз. Алкалоз увеличивает сродство гемоглобина к кислороду, что препятствует отдачи им кислорода. В результате развивается гипоксия тканей, энергодефицит, от которого главным образом страдает головной мозг.
• 3. Высокие концентрации аммиака, при участии глутаминсинтетазы, стимулируют синтез глутамина из глутамата в нервной ткани:
• 4. Глу + NH₃ + АТФ > Глн + АДФ + Н₃РО₄. Накопление глн в клетках нейроглии приводит к повышению в них осмотического давления, набуханию астроцитов и в больших концентрациях вызвает отёк мозга. Снижение концентрации глу нарушает обмен АК и нейромедиаторов, в частности синтез г-аминомасляной кислоты (ГАМК), основного тормозного медиатора. При недостатке ГАМК и других медиаторов нарушается проведение нервного импульса, возникают судороги.
• 5. Ион NH₄⁺ практически не проникает через цитоплазматические и митохондриальные мембраны. Избыток NH₄⁺ в крови нарушает трансмембранный перенос одновалентных катионов Na⁺ и К⁺, конкурируя с ними за ионные каналы, что также влияет на проведение нервных импульсов.
• 6. Низкие концентрации аммиака стимулируют дыхательный центр, а высокие — угнетают.

Связывание (обезвреживание) аммиака В связи с токсичностью аммиака в тканях происходит его связывание с образованием нетоксичных соединений — АК и мочевины. Процесс образования и обезвреживания аммиака регулируют в основном ферменты глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза.

Обмен глутамата В мозге и некоторых других органах может протекать восстановительное аминирование б-кетоглутарата под действием глутаматдегидрогеназы, катализирующей обратимую реакцию.

Однако этот путь обезвреживания аммиака в тканях используется слабо, так как глутаматдегидрогеназа катализирует преимущественно реакцию дезаминирования глутамата. Хотя, если учитывать последующее образование глутамина, реакция выгодна для клеток, так как способствует связыванию сразу 2 молекул NH₃.

Обмен глутамина Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма (основные поставщики мышцы, мозг и печень), является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы:

Глутаминсинтетаза находиться в митохондриях клеток, содержит кофактор — ионы Mg²⁺, является одним из основных регуляторных ферментов обмена АК. Она аллостерически ингибируется АМФ, глюкозо-6ф, гли, ала и гис.

Глутамин, путём облегчённой диффузии, легко проходит клеточные мембраны (для глутамата возможен только активный транспорт), поступает из тканей в кровь и транспортируется в кишечник и почки.

В почках происходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием аммиака:

Аммиак с протонами и анионами образует соли аммония (0,5 г/сут), которые выделяются с мочой. Этот процесс используется для регуляции КОС и сохранения в организме важнейших катионов Na⁺ и К⁺. Глутаминаза почек значительно индуцируется при ацидозе, ингибируется при алкалозе.

В клетках кишечника также под действием глутаминазы происходит гидролитическое освобождение амидного азота в виде аммиака:

Образовавшийся аммиак поступает через воротную вену в печень или удаляется из организма с фекалиями.

Высокий уровень глутамина в крови и лёгкость его поступления в клетки обусловливают использование глутамина во многих анаболических процессах. Глутамин — основной донор азота в организме. Амидный азот глутамина используется для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, аспарагина, аминосахаров и других соединений.

Обмен аспарагина Обезвреживание аммиака в тканях происходит незначительно при синтезе аспарагина под действием глутаминзависимой и аммиакзависимой аспарагинсинтетазы.

Первая функционирует в животных клетках, вторая преобладает в бактериальных клетках, но присутствует и у животных.

Обмен аланина Из мышц и кишечника избыток аминого азота выводится преимущественно в виде аланина.

В кишечнике:

Глутамат подвергается трансаминированию с ПВК с образованием аланина и б-кетоглутарата. Аланин поступает из кишечника в кровь воротной вены и поглощается печенью.

В мышцах:

Образование аланина в мышцах, его перенос в печень связан с обратным переносом в мышцы синтезированной в печени глюкозы. Этот процесс называется глюкозо-аланиновый цикл:

Он необходим, так как активность глу-ДГ в мышцах невелика и непрямое дезаминирование АК малоэффективно.

Мышцы выделяют особенно много аланина в силу их большой массы, активного потребления глюкозы при физической работе, а также потому, что часть энергии они получают за счёт распада АК. Образовавшийся аланин поступает в печень, где подвергается непрямому дезаминированию. Выделившийся аммиак идет на синтез мочевины, а ПВК включается в глюконеогенез. Глюкоза из печени поступает в ткани и там, в процессе гликолиза, опять окисляется до ПВК.