Источники и пути использования аминокислот в клетках

Фонд свободных аминокислот организма составляет примерно 35 г. Содержание свободных аминокислот в крови в среднем равно 35-65 мг/дл. Большая часть аминокислот входит в состав белков, количество которых в организме взрослого человека нормального телосложения составляет примерно 15 кг.

Источники свободных аминокислот в клетках - белки пищи, собственные белки тканей и синтез аминокислот из углеводов. Многие клетки, за исключением высокоспециализированных (например, эритроцитов), используют аминокислоты для синтеза белков, а также большого количества других веществ: фосфолипидов мембран, гема, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, биогенных аминов (катехоламинов, гистамина) и других соединений (рис. 9-1).

Какой-либо специальной формы депонирования аминокислот, подобно глюкозе (в виде гликогена) или жирных кислот (в виде триацилглицеролов), не существует. Поэтому резервом аминокислот могут служить все функциональные и структурные белки тканей, но преимущественно белки мышц, поскольку их больше, чем всех остальных.

В организме человека в сутки распадается на аминокислоты около 400 г белков, примерно такое же количество синтезируется. Поэтому тканевые белки не могут восполнять затраты аминокислот при их катаболизме и использовании на синтез других веществ. Первичными источниками аминокислот не могут служить и углеводы, так как из них синтезируются только углеродная часть молекулы большинства аминокислот, а аминогруппа поступает от других аминокислот. Следовательно, основным источником аминокислот организма служат белки пищи.

Рис. 9-1. Источники и пути использования аминокислот.

 

Билет 50

 

 

Протеолитическне ферменты, участвующие в переваривании белков и пепти­дов, синтезируются и выделяются в полость пищеварительного тракта в виде проферментов, или зимогенов. Зимогены неактивны и не могут переваривать собственные белки клеток. Активируются протеолитические ферменты в про­свете кишечника, где действуют на пищевые белки.

В желудочном соке человека имеются два протеолитических фермента — пепсин и гастрнксин, которые очень близки по строению, что указывает на образование их нз общего предшественника.

Пепсин образуется в виде профермента — пепсиногена — в главных клет­ках слизистой желудка. Выделено несколько близких по строению пепсино-генов, из которых образуется несколько разновидностей пепсина: пепсин I, II (Па, Пб), III. Пепсиногены активируются с помощью соляной кислоты, вы­деляющейся обкладочными клетками желудка, и аутокаталитически, т. е. с по­мощью образовавшихся молекул пепсина.

Ингибитор пепсина обладает резко основными свойствами, так как состоит из 8 остатков лизина и 4 остатков аргинина. Активация заключа­ется в отщеплении от N-конца пепсиногена 42 аминокислотных остатков; сна­чала отщепляется остаточный полипептид, а затем ингибитор пепсина.

Пепсин относится к карбоксипротеиназам, содержащим остатки дикарбоновых аминокислот в активном центре с оптимумом рН 1,5—2,5.

Субстратом пепсина являются белки — либо нативные, либо денатуриро­ванные. Последние легче поддаются гидролизу. Денатурацию белков пищи обеспечивает кулинарная обработка или действие соляной кислоты. Следует отметить следующие биологические функции соляной кислоты: 1) активация пепсиногена; 2) создание оптимума рН для действия пепсина и гастриксина в желудочном соке; 3) денатурация пищевых "белков; 4) антимикробное действие.

От денатурирующего влияния соляной кислоты и переваривающего дей­ствия пепсина собственные белки стенок желудка предохраняет слизистый секрет, содержащий глнкопротеиды.

Пепсин, являясь эндопептидаэой, быстро расщепляет в белках внутренние пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот — фенилаланина, тирозина и триптофана. Медленнее гидроли-зует фермент пептидные связи, образованные алифатическими и дикарбоновыми аминокислотами в полипептидной цепи. Гастрнксин близок к пепсину по молекулярной массе (31 500). Оптимум рН у него около 3,5. Гастриксин гидролизует пептидные связи, образуемые дикарбоновыми аминокислотами. Соотношение пепсин/гастриксин в желудоч­ном соке 4:1. При язвенной болезни соотношение меняется в пользу гастриксина.

Присутствие в желудке двух протеиназ, из которых пепсин действует в сильнокислой среде, а гастриксин в среднекислой, позволяет организму легче приспосабливаться к особенностям питания. Например, растительно-молочное питание частично нейтрализует кислую среду желудочного сока, и рН благо­приятствует переваривающему действию не пепсина, а гастриксина. Послед­ний расщепляет связи в пищевом белке.

Пепсин и гастриксин гидролизуют белки до смеси полипептидов (называе­мых также альбумозами и пептонами). Глубина переваривания белков в же­лудке зависит от длительности нахождения в нем пищи. Обычно это неболь­шой период, поэтому основная масса белков расщепляется в кишечнике.

Протеолитическне ферменты кишечника. В кишечник протеолитические ферменты поступают из поджелудочной железы в виде проферментов: трипси-ногена, химотрипсиногена, прокарбоксипептидаз А и В, проэластазы. Активи­рование этих ферментов происходит путем частичного протеолиза их полипеп­тидной цепи, т. е. того фрагмента, который маскирует активный цектр проте­иназ. Ключевым процессом активирования всех проферментов является об­разование трипсина (рис. 31). Трипсиноген, поступающий из поджелудочной железы, активируется с помощью кишечной энтерокиназы, или энтеропептидазы, Кроме того, образующийся трипсин аутокэталитически способствует превращению трипсиногена я трипсин, Механизм активирования трипсиноге-на заключается в гидролизе одной пептидной связи, в результате чего осво­бождается N-концевой гексапептид, называемый ингибитором трипсина. Далее трипсин, разрывая пептидные связи в остальных проферментах, вызы­вает образование активных ферментов. При этом образуются три разновидно­сти химотрипсина, карбоксипептидазы А и В, эластаза.

Кишечные протеиназы гидролизуют пептидные связи пищевых белков и полипептидов, образовавшихся после действия желудочных ферментов,, до свободных аминокислот. Трипсин, химотрипсины, эластаза, будучи эндопепти-дазами, способствуют разрыву внутренних пептидных связей, дробя белки и по­липептиды на более мелкие фрагменты. Трипсин гидролизует пептидные связи, образованные главным образом карбоксильными группами лизина и аргинина, менее активен ои в отношении пептидных связей, образованных изолейцином.

Химотрипсины наиболее активны в отношении пептидных связей, в обра­зовании которых принимает участие тирозин, феннлаланин, триптофан. По специфичности действия химотрипсин похож на пепсин. Эластаза гидроли­зует те пептидные связи в полипептидах, где находится пролин.

Карбоксипептидаза А относится к цинксодержащим.ферментам. Она от­щепляет от подипептндов С-концевые ароматические и алифатические амино­кислоты, а карбоксипептидаза В — только С-кониевые остатки лизина и аргинина.

N-концевые аминокислоты полипептидов отщепляет аминополипептидаза кишечника, которая активируется цинком или марганцем, а также цнетеином. В слизистой кишечника присутствуют дипептидазы, гидролизующие днпептиды на две аминокислоты. Дипептидазы активируются ионами кобальта, марганца и цистеином.

Разнообразие протеолитических ферментов приводит к полному расщепле­нию белков до свободных аминокислот даже в том случае, если белки пред­варительно не подвергались действию пепсина в желудке. Поэтому больныепосле операции частичного или полного удаления желудка сохраняют способ­ность усваивать белки пищи.

 

Билет 50-другой вариант

 

Белки, поступающие с пищей, подвергаются в желудочно-кишечном тракте распаду при участии протеолитических ферментов или пептидгидролаз, которые ускоряют гидролитическое расщепление пептидных связей между аминокислотами. Различные пептидгидролазы обладают относительной специфичностью, они способны катализировать расщепление пептидных связей между определенными аминокислотами. Пептидгидролазы выделяются в неактивной форме (это предохраняет стенки пищеварительной системы от самопереваривания). Активируются они при поступлении пищи в соответствующий отдел желудочно-кишечного тракта или при виде и запахе пищи по механизму условного рефлекса. Активация пепсина и трипсина происходит по механизму автокатализа, другие пептидгидролазы активируются трипсином.

Во рту белки пищи только механически измельчаются, но не подвергаются химическим изменениям, так как в слюне нет пептидгидролаз. Химическое изменение белков начинается в желудке при участии пепсина и соляной кислоты. Под действием соляной кислоты белки набухают, и фермент получает доступ во внутренние зоны их молекул. Пепсин ускоряет гидролиз внутренних (расположенных далеко от концов молекул) пептидных связей. В результате из белковой молекулы образуются высокомолекулярные пептиды. Если в желудок поступают сложные белки, пепсин и соляная кислота способны катализировать отделение их простетической (небелковой) группы.

Высокомолекулярные пептиды в кишечнике подвергаются дальнейшим превращениям в слабощелочной среде под действием трипсина, химотрипсина и пептидаз. Трипсин ускоряет гидролиз пептидных связей, в образовании которых принимают участие карбоксильные группы аргинина и лизина; химотрипсин расщепляет пептидные связи, образованные с участием карбоксильных групп триптофана, тирозина и фенилаланина. В результате действия этих ферментов высокомолекулярные пептиды превращаются в низкомолекулярные и некоторое количество свободных аминокислот. Низкомолекулярные пептиды в тонком кишечнике подвергаются действию карбоксипептидаз А и В, отщепляющих концевые аминокислоты со стороны свободной аминогруппы, и аминопептидаз, делающих то же самое со стороны свободной аминогруппы. В результате образуются дипептиды, которые гидролизуются до свободных аминокислот под действием дипептидаз. Аминокислоты и некоторое количество низкомолекулярных пептидов всасываются кишечными ворсинками. Этот процесс требует затрат энергии. Часть аминокислот уже в стенках кишечника включаются в синтез специфических белков, большая же часть продуктов пищеварения поступает в кровь (95%) и в лимфу.

Часть аминокислот, образовавшаяся в процессе пищеварения, и непереваренные белки нижних отделов кишечника подвергаются гниению под действием кишечных бактерий. Из некоторых аминокислот образуются ядовитые продукты: фенолы, амины, меркаптаны. Они частично выводятся из организма с калом, частично всасываются в кровь, переносятся ею в печень, где происходит их обезвреживание. Этот процесс требует значительных затрат энергии.

Сложный белок в пищеварительной системе распадается на белок и простетическую группу. Простые белки подвергаются гидролизу до аминокислот. Превращения простетических групп происходят в соответствии с их химической природой. Гем хромопротеидов окисляется в гематин, который почти не всасывается в кровь, а выделяется с калом. Нуклеиновые кислоты в кишечнике гидролизуются при участии эндонуклеаз, экзонуклеаз и нуклеотидаз. Под действием эндонуклеаз из молекул нуклеиновых кислот образуются крупные осколки - олигонуклеотиды. Экзонуклеазы от концов молекул нуклеиновых кислот и олигонуклеотидов отщепляют мономеры - отдельные мононуклеотиды, которые под действием нуклеотидаз могут распадаться на фосфорную кислоту и нуклеозид. Мононуклеотиды и нуклеозиды всасываются в кровь и переносятся к тканям., где мононуклеотиды используются для синтеза специфических нуклеиновых кислот, а нуклеозиды подвергаются дальнейшему распаду.

 

Билет 51

 

Механизм реакции трансаминирования непрост и протекает по типу "пинг-понг". Катализируют реакцию ферменты аминотрансферазы, Они являются сложными ферментами, в качестве кофермента имеют пиридоксальфосфат (активная формавитамина В₆).

В тканях насчитывают около 10 аминотрансфераз, обладающие групповой специфичностью и вовлекающие в реакции все аминокислоты, кроме пролина, лизина, треонина, которые не подвергаются трансаминированию.

Весь перенос аминогруппы совершается в две стадии:

• к пиридоксальфосфату сначала присоединяется первая аминокислота, отдает аминогруппу, превращается в кетокислоту и отделяется. Аминогруппа при этом переходит на кофермент и образуется пиридоксаминфосфат.
• на второй стадии к пиридоксаминфосфату присоединяется другая кетокислота, получает аминогруппу, образуется новая аминокислота и пиридоксальфосфат регенерирует.

Схема реакции трансаминирования

Роль и превращение пиридоксальфосфата сводится к образованию промежуточных соединений – шиффовых оснований (альдимин и кетимин). В первой реакции после отщепления воды образуется иминовая связь между остатком аминокислоты и пиридоксальфосфатом. Полученное соединение называется альдимин. Перемещение двойной связи приводит к образованию кетимина, который гидролизуется водой по месту двойной связи. От фермента отщепляется готовый продукт – кетокислота.

Механизм реакции трансаминирования

После отщепления кетокислоты к комплексу пиридоксамин-фермент присоединяется новая кетокислота и процесс идет в обратном порядке: образуется кетимин, затем альдимин, после чего отделяется новая аминокислота.

Реакции полного цикла трансаминирования

Чаще всего аминокислоты взаимодействуют со следующими кетокислотами:

• пировиноградной с образованием аланина,
• щавелевоуксусной с образованием аспартата,
• α-кетоглутаровой с образованием глутамата.

Однако аланин и аспартат в дальнейшем все равно передают свою аминогруппу на α-кетоглутаровую кислоту. Таким образом, в тканях осуществляется поток избыточных аминогрупп на один общий акцептор – α-кетоглутаровую кислоту. В итоге образуется большое количество глутаминовой кислоты.

Далее глутаминовая кислота может вовлекается в процессы связывания аммиака (синтез глутамина) либо в прямое окислительное дезаминирование.

Пиридоксальфосфат катализирует реакции трансаминирования и декарбоксилирования аминокислот,

 

Трансаминирование играет важную роль в процессах мочевинообразования, глюконеогенеза, путях образования новых аминокислот.

Реакции трансаминирования имеют чрезвычайно важное биологическое значение, так как они являются весьма вероятным способом, обеспечивающим связь между углеводами и белками. [ 3 ]

В обмене веществ реакция трансаминирования играет важную и разнообразную роль. От нее зависят такие процессы, как 1) биосинтез аминокислот (трансаминированием завершается синтез не менее чем одиннадцати аминокислот); 2) распад аминокислот (см. ниже); 3) объединение путей углеводного и аминокислотного обмена и 4) синтез некоторых специфических соединений, в том числе мочевины и у-аминомасляной кислоты. [ 6 ]

 

Билет 51-другой вариант

 

Трансдезаминироваине — основной путь дезаминирования аминокислот. Оно происходит в два этапа. Первый — трансаминирование, т. е. перенос аминогруппы с любой аминокислоты на а-кетокислоту без промежуточного образования аммиака; второй — собственно окислительное дезаминирование аминокислоты. Поскольку в результате первого этапа аминогруппы «собира­ются» в составе глутаминовой кислоты, то второй этап связан с ее окислитель­ным дезаминированием. Рассмотрим каждый из этапов процесса трансдезаминирования.

 

Реакция трансаминирования обратима, она катализируется ферментами — аминотрансферазами, или трансаминазами. Источником аминогрупп в реакции трансаминирования служат не толь­ко природные а-аминокислоты, но и многие р-, у-, б- н s-амннокнслоты, а также амиды аминокислот — глутамин и аспарагин.

Большинство известных аминотрансфераз проявляют групповую специ­фичность,, используя в качестве субстратов несколько аминокислот. Акцеп­тором аминогрупп в реакциях трансаминирования являются три а-кетокислоты: пируват, оксалоацетат и 2-оксоглутарат. Наиболее часто акцептором NH₂-rpynn служит 2-оксоглутарат; при этом из него образуется глутаминовая кислота. При переносе аминогрупп на пируват или оксалоацетат образуются соответственно аланин или аспарагиновая кислота по уравнению

Далее NН₂-группы с вланина и аспарагнновой кислоты переносятся на 2-оксоглутарат. Эту реакцию катализируют высокоактивные аминотрансфе­разы: аланикаминотрансфераза (АЛТ) и аспаргатаминотрансфераза (ACT), обладающие субстратной специфичностью:

 

Аминотрансферазы состоят из апофермента и кофермента. Коферментамн аминотрансфераз являются производные пиридоксина (витамина В₆) — пи-ридоксаль-5-фосфат (ПАЛФ) и пиридоксамин-5-фосфат (ПАМФ). Оба ко­фермента (см. строение их в гл. «Ферменты») обратимо переходят друг в друга в ходе реакции трансаминирования. Следует заметить, что аминотран­сферазы для катализа требуют оба кофермента в отличие от других фермен­тов, которые нуждаются в одном из них н бывают либо пиридоксальфосфат-зависимыми, либо пиридоксаминфосфатзависимыми.

Механизм реакций ферментативного трансаминирования аминокислот был предложен советскими биохимиками (А. Е. Браунштейн и М. М. Шемя­кин) и зарубежными (Метцлер, Икава и Снелл). Согласно этому механизму NH₂-rpynna аминокислот на первой стадии взаимодействует с альдегидной группой пирндоксальфосфата О—СН—ПАЛФ с образованием промежуточных шиффовых оснований типа альдимина и затем его таутомерной формы ке-тимана H₃N—СН_г—ПАМФ (шиффово основание пиридоксаминофосфата):

 

Далее кетнмин гидролизуется с образованием кетоаналога исходной амино­кислоты и ПАМФ. На второй стадии ПАМФ взаимодействует с а-кетокисло-той (акцептором аминогрупп) и 'все повторяется в обратном порядке, т. е. образуется сначала кетимин, затем альдимин. Последний гидролизуется. В результате образуются новая аминокислота и ПАЛФ. Таким образом, коферменты аминотрансфераз выполняют функцию переносчика аминогрупп путем" перехода из альдегидной формы в аминированную и обратно.

 

 

Биологический смысл реакций трансаминирования состоит в том, чтобы собрать аминогруппы всех распадающихся аминокислот в соста­ве молекул всего одного типа аминокислоты, а именно глутаминовой.

 

 

Реакции трансаминирования:

• активируются в печени, мышцах и других органах при поступлении в клетку избыточного количества тех или иных аминокислот – с целью оптимизации их соотношения,
• обеспечивают синтез заменимых аминокислот в клетке при наличии их углеродного скелета (кетоаналога),
• начинаются при прекращении использования аминокислот на синтез азотсодержащих соединений (белков, креатина, фосфолипидов, пуриновых и пиримидиновых оснований) – с целью дальнейшего катаболизма их безазотистого остатка и выработки энергии,
• необходимы при внутриклеточном голодании, например, при гипогликемиях различного генеза – для использования безазотистого остатка аминокислот в печени для кетогенеза и глюконеогенеза, в других органах – для его прямого вовлечения в реакции цикла трикарбоновых кислот.
• при патологиях (сахарный диабет, гиперкортицизм) обуславливают наличие субстратов для глюконеогенеза и способствуют патологической гипергликемии.

Продукт трансаминирования глутаминовая кислота:

• является одной из транспортных форм аминного азота в гепатоциты,
• способна реагировать со свободным аммиаком, обезвреживая его.

Билет 52