Обмен аспарагиновой кислоты и аспарагина

 

 Аспарагиновая кислота (ионизированная форма – аспартат) и её амид аспарагин являются заменимыми гликогенными аминокислотами.

 

L-Аспартат                             L-Аспарагин

 

Остаток аспартата в белках заряжен отрицательно. Наряду с глутаматом, аспартат формирует отрицательный заряд белков крови и ряда других белков. Остатки аспартата в белках могут входить в состав каталитического участка активного центра фермента, участвуя в кислотно-основном катализе.

 

Рис. 31. Метаболические превращения аспартата и аспарагина.

 

Остатки аспартата в белках могут фосфорилироваться и дефосфорилироваться. Через эту химическую модификацию регулируется работа некоторых белков (Na⁺/K⁺-АТФ-аза). Радикалы аспарагина в белках могут гликозилироваться, образуя N-гликозидную связь. Таким образом, идет формирование гликопротеинов.

 Аспартат участвует во временном и постоянном обезвреживании аммиака. Временное обезвреживание аммиака осуществляется через образование аспарагина в реакции катализируемой аспарагинсинтетазой. Аспартат участвует в окончательном обезвреживании аммиака в орнитиновом цикле, в реакции катализируемой аргининосукцинатсинтетазой.

 

Рис. 32. Катаболизм аспарагина и аспартата.

 

Окисление щавелевоуксусной кислоты в цикле Кребса сопровождается образованием 6 молекул НАДН; 6 Н⁺; 2 ФАДН₂; 2 ГТФ, что в совокупности составит 20 молекул АТФ. С учетом затрат на обезвреживание аммиака в орнитиновом цикле суммарная биоэнергетика окисления аспартата составит 16 молекул АТФ, а для аспарагина – 12 молекул АТФ.

 Декарбоксилирование аспартата приводит к образованию a-аланина или b-аланина. a-Аланин может трансаминироваться с a-кетоглутаровой кислотой с образованием пирувата и глутамата. В свою очередь пируват в митохондриях с участием пируватдегидрогеназного комплекса окисляется в ацетил-КоА. Через ацетил-КоА углеродные атомы аспарагина и аспартата могут вступать в синтез жирных кислот, холестерола и их производных (триацилглицеролы, глицерофосфолипиды, холестерин, стероидные гормоны, желчные кислоты). b-Аланин используется организмом на синтез КоА и биологически активных дипептидов карнозина и ансерина.

Аспартат участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов, а в головном мозге, предположительно, выполняет функцию нейромедиатора.

 Аспарагин участвует в синтезе пуриновых нуклеотидов как донор аминогрупп.

 Диагностически ценным является определение активности аспартатаминотрансферазы в крови. Фермент катализируют обратимую реакцию. Активность этого фермента в сыворотке крови возрастает при инфаркте миокар-

 

 

да, гепатитах и другой патологии связанной с некрозом тканей и гибелью клеток. При некрозе внутриклеточные ферменты поступают в кровь, где их активность вырастает многократно. Активность аспартатаминотрансферазы в сыворотке при инфаркте миокарда выше, чем активность аланинаминотрансферазы, а при гепатите наоборот.

 

Задания к разделу «Обмен аспарагиновой кислоты

 и аспарагина»

 

Задание 1

Остаток аспарагина может подвергаться химической модификации.

1. Назовите два типа химической модификации остатков аспарагина.

2. Как называются сложные белки, возникающие в результате химической модификации остатков аспарагина?

Задание 2

Превращение одних заменимых аминокислот в другие осуществляются через реакции трансаминирования (в том числе). В одной из таких реакций образуется аспартат.

1. Напишите эту реакцию, назовите фермент и кофермент участвующие в ней.

2. Какая патология сопровождается высокой активностью фермента в крови?

 

Задание 3

Имеется несколько путей образования аспартата в организме человека.

1. Назовите пути образования аспартата.

2. Напишите реакцию образования аспартата из кетокислоты.

 

Задание 4

Один из атомов азота мочевины поступает в неё из аспартата, при этом образуется соединение, распад которого приводит к образованию аргинина и фумаровой кислоты.

1. Напишите реакцию орнитинового цикла с участием аспартата.

2. Напишите реакции ресинтеза аспартата из фумаровой кислоты.

 

Задание 5

Напишите реакции катаболизма аспартата и подсчитайте биоэнергетику этого процесса.

 

Задание 6

В процессе катаболизма аспартата образуется промежуточный продукт, используемый в гликогенезе.

1. Назовите этот промежуточный продукт.

2. Напишите реакции синтеза гликогена из этого продукта.

3. Сколько молекул этого продукта необходимо для удлинения цепи гликогена на 1 единицу?

 

Задание 7

При физиологических значениях рН остатки аспартата в белках заряжены отрицательно.

1. Назовите белки с высоким содержанием аспартата.

2. Какого типа взаимодействия возникают между остатком аспартата и остатками других аминокислот при формировании третичной структуры белка?

3. Какие специфические функции белков обеспечиваются радикалом аспартата.

 

Задание 8

Напишите реакции синтеза аспартата из углеродных атомов и аминогруппы a-аланина. Подсчитайте биоэнергетику.

 

Обмен аргинина

 

Аргинин – частично заменимая для человека аминокислота (может синтезироваться в орнитиновом цикле), гликогенная, с положительно заряженным радикалом.

 

L-аргинин

 

В организм человека эта аминокислота поступает с пищей, образуется при протеолизе эндогенных белков и в орнитиновом цикле. Наряду с лизином, аргинин в большом количестве входит в состав ядерных белков – гистонов. Остатки аргинина и лизина придают этим белкам положительный заряд, что дает им возможность взаимодействовать с отрицательно заряженными полинуклеотидными цепями ДНК и формировать хроматин с высокой плотностью упаковки. В ряде ферментов остатки аргинина участвуют в формировании и функционировании их активного центра.

Превращения аргинина в организме представлены на следующей схеме.

 

 

Рис. 33. Метаболические превращения аргинина.

 

 Одной из очень важных для организма реакций с участием аргинина является реакция образования оксида азота, которая катализируется сложным ферментным комплексом NO-синтазой.

 

Рис. 34. Катаболизм аргинина.

 

Оксид азота первичный мессенджер. Он взаимодействует с гемом растворимой гуанилатциклазы, что приводит к образованию цГМФ (вторичный мессенджер) – расширяет сосуды, снижает частоту сердечных сокращений. Кроме того, оксид азота регулирует апоптоз, предотвращает агрегацию тромбоцитов, выполняет функцию нейромедиатора, препятствует развитию опухолей.

Молекула аргинина у человека используется в синтезе биогенных аминов (путресцина, спермина и спермидина), креатинфосфата. У микроорганизмов аргинин используется в синтезе макроэргического фосфата (аргининфосфат). При декарбоксилировании аргинина образуется агматин.

Катаболизм аргинина идет через последнюю реакцию орнитинового цикла как показано на рисунке 34.

a-Кетоглутарат окисляется через 2,5 оборота цикла Кребса. Биоэнергетика окисления аргинина составит 22 молекулы АТФ (с учетом нейтрализации 2 аминогрупп в орнитиновом цикле).

 Углеродный остов молекулы аргинина может участвовать в синтезе углеводов, липидов, аминокислот и других соединений, как это показано на схеме.

Гипераргинемия – заболевание, связанное с нарушением реабсорбции аргинина и некоторых аминокислот в нефроне. При данной патологии увеличивается концентрация аргинина и ряда аминокислот в крови.

Задания к разделу «Обмен аргинина»

 

Задание 1

Синтезируйте спермидин с участием аргинина. Объясните биологическую функцию спермидина.

 

Задание 2

Одним из промежуточных производных катаболизма аргинина является a-кетоглутарат. Объясните коллекторную функцию этого соединения в сборе аминогрупп от разных аминокислот для последующей передачи в синтез мочевины.

 

Задание 3

Получите пролин из аргинина. Используйте для этого не только углеродные атомы аргинина, но и его аминогруппу. Подсчитайте биоэнергетику этого биосинтеза.

 

Задание 4

Одним из направлений метаболизма аргинина является его участие в синтезе макроэргического фосфата используемого для поддержания мышечного сокращения. Получите это соединение, подсчитайте биоэнергетику процесса.

Обмен гистидина

Гистидин частично заменимая, гликогенная аминокислота. По свойствам радикала относится к группе аминокислот с положительно заряженными радикалами.

L-Гистидин

 

Гистидин относят к полунезаменимым аминокислотам, поскольку организм взрослого человека может продолжительное время существовать без поступления этой аминокислоты с пищей, однако растущий организм в ней нуждается. Радикалы гистидина участвуют в формировании третичной структуры белков. Некоторые ферменты содержат радикалы гистидина в каталитическом участке активного центра, где они участвуют в кислотно-основном катализе.

Очень многообразны функции остатков гистидина в гемоглобине. В этом олигомерном белке каждая из четырех полипептидных цепей присоединена к молекуле гема через координационную связь между азотом имидазола гистидина протомера и железом гема. Ряд остатков гистидина гемоглобина участвует

Рис. 35. Метаболические превращения гистидина.

 

в транспорте протонов от периферических тканей к легким, поскольку легко присоединяют протоны, и легко их отдают (pK имидазола гистидина – 6,0). Кроме того, другие гистидиновые остатки гемоглобина участвуют в связывании                           2,3-дифосфоглицерата, соединения регулирующего сродство гемоглобина к кислороду. Такое связывание обеспечивается за счет электростатических взаимодействий между положительно заряженными остатками гистидина и отрицательно заряженной молекулой 2,3-дифосфоглицерата. Взаимодействие этого соединения с гемоглобином приводит к снижению его сродство к кислороду, что позволяет организму приспосабливаться к низкому парциальному давлению этого газа, и адекватно обеспечивать потребности организма в кислороде.

 Декарбоксилирование гистидина приводит к образованию гистамина.

 

 

Реакция катализируется декарбоксилазой ароматических    L-аминокислот, не специфическим по отношению к гистидину ферменту (катализирует декарбоксилирование диоксифенилаланина, 5-гидрокситриптофана, фенилаланина, тирозина и триптофана).

Гистамин выполняет функцию нейромедиатора в нервной ткани и медиатора в других тканях, депонируется в тучных клетках соединительной ткани и базофильных гранулоцитах крови, участвует в развитии аллергических и воспалительных реакций. Высвобождение гистамина из его депо стимулируют тканевые гормоны, некоторые лекарственные препараты и аллергены. Гистамин (через Н₁ рецептор) стимулирует сокращение гладких мышц бронхов, расширяет капилляры и повышает их проницаемость. Через H₂ рецептор стимулирует образование соляной кислоты в желудке и замедляет сердечный ритм, а через Н₃ рецептор активирует ЦНС. В организме человека гистамин быстро разрушается, превращаясь в имидазолацеториботид, который удаляется с мочой.

Гистидин используется в синтезе дипептидов карнозина и ансерина.

Примечание: SAM – S-аденозилметионин, SАГ –                        S-аденозилгомоцистеин.

 

Карнозин и ансерин полифункциональные молекулы. Известно, что эти пептиды выполняют буферную функцию, защищают клетки от действия активных форм кислорода, образуют хелаты с ионами двухвалентных металлов, активируют гуанилатциклазу, замедляют старение организма.

 В головном мозге человека присутствует гомокарнозин, который синтезируется из гистидина и g-аминомасляной кислоты (функция гомокарнозина неизвестна).

Существует два пути катаболизма гистидина. В одном из них (преобладает у человека, приматов и крысы) гистидин преобразуется до гидантоин-5-пропионовой кислоты, в виде которой поступает в мочу. По другому пути гистидин трансформируется до a-кетоглутаровой кислоты, дальнейшее окисление которой происходит в цикле Кребса и цепи переноса электронов. Начальные стадии обоих путей совпадают. Эти метаболические пути осуществляются следующим образом.

Рис. 36. Катаболизм гистидина

 

Превращение глутамата в a-кетоглутарат может протекать с использованием аланинаминотрансферазы и глутаматдегидрогеназы, а не только аспартатаминотрансферазы, как это приведено на рисунке. Биоэнергетика окисления гистидина через цикл Кребса и цепь переноса электронов составит 23,5 молекулы АТФ (с учетом обезвреживания аммиака в орнитиновом цикле и трансаминазной реакции) или 26 молекул АТФ (с учетом обезвреживания аммиака в орнитиновом цикле и глутаматдегидрогеназной реакции).

Из гистидина образуется a-кетоглутарат, который может вступить на путь синтеза углеводов или липидов, как это показано на рисунке 35.

Известно генетическое нарушение обмена гистидина – гистидинемия. Заболевание обусловлено недостатком фермента гистидазы. При данном заболевании повышается уровень гистидина в крови. В крови и моче появляется имидазолпируват, образующийся из гистидина в результате блока превращения его в урокановую кислоту. Имидазолпируват дает положительную реакцию с хлоридом железа, что может привести к постановке неправильного диагноза, в виду того, что положительная реакция с хлоридом железа бывает при фенилкетонурии. Кроме имидазолпирувата в моче больных появляются продукты его превращения – имидазолацетат и имидазоллактат. Более половины больных гистидинемией страдают умственной отсталостью и дефектами речи.

 

Задания к разделу «Обмен гистидина»

 

Задание 1

Напишите реакции катаболизма гистидина до гидантоин-5-пропионовой кислоты. Подсчитайте биоэнергетику процесса.

 

Задание 2

Получите из гистидина гистамин. Объясните роль гистамина в организме человека. Как осуществляется дальнейший метаболизм гистамина (схема)?

 

Задание 4

На основе углеродных атомов гистидина возможен синтез нескольких аминокислот. Напишите подробную схему синтеза аспарагина из гистидина. Обе аминогруппы аспарагина также должны принадлежать исходному гистидину. Подсчитайте биоэнергетику процесса.

Обмен пролина

 

Пролин – заменимая, гликогенная иминокислота с гидрофобным радикалом.

 L-пролин

Обмен иминокислоты можно представить следующей схемой.

 

 

Рис. 37. Метаболические превращения пролина.

 

Высокое содержание пролина в коллагене, где на эту иминокислоту и её гидроксилированные формы приходится более 20 % от общего количества аминокислот. Гидроксилирование остатков пролина пролилгидроксилазой осуществляется в процессе синтеза цепей проколлагена, когда полипептидная цепь ещё связана с рибосомой. Это пептидилгидроксилаза – оксигеназа со смешанной функцией, для действия которой необходим О₂, Fе²⁺, аскорбиновая кислота и a-кетоглутарат. Один атом кислорода из его молекулы связывается с остатком пролина, а другой поступает в состав сукцината.

 

Остатки гидроксипролина стабилизируют тройную спираль тропоколлагена, повышают его устойчивость к действию протеаз. В отличие от гидроксилизина остатки гидроксипролина не гликозилируются. Аскорбат участвующий в этой реакции участвует также в гидроксилировании остатков лизина в проколлагене.

Превращение глутамата в a-кетоглутарат (рис. 38) катализируется трансаминазами или глутаматдегидрогеназой. Дальнейшее окисление a-кетоглутарата осуществляется в цикле Кребса и ЦПЭ. Биоэнергетика окисления пролина составит 28,5 молекул АТФ в случае использования трансаминазной реакции или 31 молекулу АТФ при окислении через глутаматдегидрогеназную реакцию (с учетом затрат на нейтрализацию аммиака через орнитиновый цикл).

a-Кетоглутарат может метаболизировать в углеводы, липиды, аминокислоты и другие метаболиты, как это представлено на рисунке 37.

При недостаточности в организме человека витамина C у него развивается цинга, в числе симптомов которой увеличение проницаемости сосудов, расшатывание и выпадение зубов. Эти симптомы легко объясняются нарушением гидроксилирования остатков пролина и лизина в проколлагене. Молекулы коллагена

 

 

Рис. 38. Катаболизм пролина.

 

участвующие в прикреплении зуба к челюсти и коллаген, входящий в стенки сосудов подвергаются действию протеаз и разрушаются. Нарушается гликозилирование остатков гидроксилизина и образования коллагеновых фибрилл. Всё это в совокупности и вызывает соответствующую симптоматику.

Протеолиз эндогенного коллагена приводит к образованию свободного гидроксипролина. В отличие от пролина окисление гидроксипролина идет с образованием таких промежуточных продуктов как пируват и глиоксилат. При генетическом дефекте в гене, кодирующем первичную структуру фермента                   4-гидроксипролиндегидрогеназы, развивается гипергидроксипролинемия. Это заболевание характеризуется повышенным содержанием 4-гидроксипролина в крови, однако, значимой патологической картины не отмечается.

Кроме гипергидроксипролинемии известны и другие генетические нарушения метаболизма пролина. Гиперпролинемия типа 1 связана с дефектом фермента пролиндегидрогеназы, а гиперпролинемия типа 2 с дефектом фермента глутаматполуальдегиддегидрогеназы. В половине зарегистрированных случаев у больных отмечается умственная отсталость. Тем не менее, оба заболевания считаются не опасными для жизни.

 

Задания к разделу «Обмен пролина»

 

Задание 1

Синтезируйте пролин из углеродных атомов аргинина. Подсчитайте биоэнергетику процесса.

 

Задание 2

Напишите реакцию, блок которой при цинге приводит к повышению проницаемости капилляров и как следствие к повышенной кровоточивости десен, расшатыванию и выпадению зубов. Объясните наблюдаемые симптомы, через молекулярные изменения, возникающие при этом заболевании.

 

Задание 3

Протеолиз эндогенного коллагена приводит к образованию 4-гидроксипролина. Напишите реакции катаболизма                  4-гидроксипролина до пирувата и глиоксилевой кислоты. Получите из пирувата аспартат.

 

Обмен метионина

 

 Метионин – гликогенная, незаменимая аминокислота. По свойствам своего радикала относится к группе аминокислот с неполярным радикалом.

 

 L-метионин

 

В обменный пул метионин поступает в результате гидролиза пищевых белков или собственных белков организма.

Превращения этой аминокислоты в организме можно представить в виде следующей схемы.

 

 

Рис. 39. Метаболические превращения метионина.

 

Активная форма метионина – S-аденозилметионин, участвует в реакциях метилирования. Она образуется в реакции метионина с АТФ. Метилированию подвергаются нуклеиновые кислоты, белки, гормоны и другие соединения. Метилирование нуклеиновых кислот по азотистым основаниям, предположительно защищает их от действия нуклеаз, ферментов гидролизующих нуклеиновые кислоты. Участвуя в реакциях метилирования, S-аденозилметионин преобразуется до сукцинил-КоА.

Окисление сукцинил-КоА в лимоннокислом цикле дает 26 молекул АТФ, однако с учетом предыдущих этапов и затрат на нейтрализацию аммиака энергетический баланс окисления метионина составит 19,5 молекул АТФ.

 Преобразование S-аденозилметионина в сукцинил-КоА тормозится при недостатке метионина в организме (метионин – незаменимая аминокислота). В этом случае происходит регенерация метионина из гомоцистеина (промежуточный продукт катаболизма S-аденозилметионина).

 

 

Гомоцистеин метилируется ферментом гомоцистеинметилтрансферазой. Промежуточным переносчиком метильной группы для этой реакции служит метилкобаламин (коферментная форма витамина В₁₂).

Метионин (эукариоты) участвует в биосинтезе белка, а конкретно в образовании инициирующего комплекса, где присутствует в форме метионил-тРНК. Хотя синтез белка и начинается с метионина, однако, в зрелом белке с N-конца он, как правило, отсутствует, удаляясь из него с сигнальной последовательностью во время посттрансляционной модификации белка. Естественно, что метионин участвует и в построении молекул белка.  

 

 

Рис. 40. Катаболизм метионина.

 

Прокариоты в образовании инициирующего комплекса используют формил-метионил-тРНК – производное метионина.

Один из ферментов катаболизма метионина метилмалонил-КоА-мутаза нуждается в дезоксиаденозилкобаламине – коферментной форме витамина В₁₂, поэтому при недостаточности этого витамина развивается метилмалонатная ацидурия. Через преобразование L-метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА идет катаболизм жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов, изолейцина и валина, поэтому и эти соединения осуществляют свой вклад в развитие метималонатной ацидурии при недостаточности витамина В₁₂.

 Углеродный скелет метионина может участвовать в реакциях анаболизма, в частности, в синтезе глюкозы и гликогена. В синтез углеводов поступает сукцинил-КоА, который сначала через цикл Кребса преобразуется до малата. Малат выводится из митохондрий дикарбоксилатной транспортной системой в цитозоль и через малатдегидрогеназную реакцию превращается в оксалоацетат, последний, в зависимости от типа клетки, вступает или в глюконеогенез или гликогенез. В свою очередь глюкоза может преобразовываться в рибозо-5-фосфат, а через него вступать в нуклеиновый обмен. Глюкоза используется на синтез других углеводов, гликопротеидов, гликолипидов и ряда других соединений.

Метионин может участвовать и в липидном обмене. Для этого углеродный скелет метионина преобразуется до ацетил-КоА, из которого синтезируются жирные кислоты и холестерол. Из жирных кислот и холестерола образуется множество их производных используемых для построения клеточных структур (биомембраны), сигнальных молекул первого порядка (гормоны), сигнальных молекул второго порядка (вторичные мессенджеры).

 

 

 

Задания к разделу «Обмен метионина»

 

Задание 1

Одной из важных функций метионина является его участие в реакциях метилирования. В этих реакциях участвует активная форма метионина – S-аденозилметионин. Напишите структуру этого соединения и его реакцию с фосфатидилэтаноламином.

 

Задание 2

Введите серу метионина в молекулу цистеина. Подсчитайте биоэнергетику процесса.

 

Задание 3

 Напишите реакцию катализируемую цистатионин-g-лиазой. Введите один из продуктов этой реакции в орнитиновый цикл и синтезируйте мочевину. Подсчитайте биоэнергетику процесса.

 

Задание 4

Метилмалонатная ацидурия возникает вследствие недостаточности в организме одного из водорастворимых витаминов. Назовите этот витамин и его коферментную форму. Какое отношение к обмену метионина имеет этот витамин?