Обмен аминокислот

К настоящему времени обстоятельно изучены промежуточные продукты метаболизма аминокислот и выяснена природа специфических ферментных систем, участвующих в реакциях. Экспериментальные данные об обмене аминокислот в организме обобщены в монографиях и обзорах, поэтому мы кратко изложим лишь общие закономерности обмена аминокислот.

В основе путей обмена аминокислот лежат реакции трех типов — переаминирование, дезаминирование и декарбоксилирование.

Переаминирование

Переаминирование распространено в природе. Оно важно в обмене аминогрупп. Переход аминогруппы от аминокислоты к кетокислоте катализируется аминотрансферазами. Эта ферментная система впервые описана Браунштейном, Крицман в 1937 г.

Следовательно, для процесса переаминирования необходима аминокислота, играющая роль донатора аминогруппы, и а-кетокислота как акцептор аминогруппы. При этом происходит обмен аминогруппой, вследствие которого из аминокислоты образуется а-кетокислота, а из последней — аминокислота.

В переаминировании участвует много аминокислот (кроме лизина, треонина, а-аминогруппы аргинина), наиболее активными являются глутаминовая, аспарагиновая кислоты, что связывают с высоким содержанием в тканях животных двух специфических аминотрансфераз — аспартат-аминотрансферазы и аланин-аминотрансферазы.

Дезаминирование

Первые данные о дезаминировании аминокислот получил Krebs (1970), который на препаратах печени наблюдал окисление L- и D-аминокислот в кетокислоты и обнаружил, что в этих реакциях участвуют две ферментные системы. По специфичности последние можно разделить на оксидазы L- и D-аминокислот. Они представляют собой преимущественно флавиновые ферменты. Дезаминирование происходит в две стадии, только первая является ферментативной. Наиболее важный дезаминирующий фермент — L-глутаматдегидрогеназа. Она присутствует в различных органах животных: в печени, сердце, почках. Несмотря на митохондриальную локализацию, ее можно легко экстрагировать и получить в кристаллическом виде. Глутаматдегидрогеиазная реакция нуждается в присутствии НАД+ и НАДФ+. Промежуточным продуктом является а-аминоглутаровая кислота.

Значение L-глутаматдегидрогеназной реакции заключается в ее обратимости. Вследствие чего обмен глутаминовой кислоты связывается с основным путем катаболизма субстратов — лимоннокислым циклом, становится возможным образование свободного аммиака.

В печени, почках животных обнаружена специфичная ФАД+-зависимая глициноксидаза, превращающая глицин в аммиак и глиоксиловую кислоту.

Считают, что данный фермент играет роль в образовании аммиака в почечных канальцах.

Представляют интерес дезаминирующие ферментные системы, существующие для определенных аминокислот, таких как цистеин, серии, треонин, гомоцистеин, гомосерин, гистидин, аспарагиновая кислота и триптофан, дезаминирование которых протекает неокислительным путем.

Низкая активность ферментов окислительного и неокислительного дезаминирования а-аминокислот позволяет сделать вывод об их незначительной роли в обмене аминокислот. Обмен аминогрупп происходит, вероятно, преимущественно путем переаминирования.

Декарбоксилирование

Хотя первичное декарбоксилирование в тканях представляет собой не основной путь обмена, многие образовавшиеся в процессе его амины оказывают фармакологическое действие и являются предшественниками гормонов или составными частями коферментов. Их называют биогенными аминами.

Декарбоксилирование — энзиматический процесс. Декарбоксилазы аминокислот обладают выраженной субстратной специфичностью. Простетической группой декарбоксилаз аминокислот, как и аминотрансфераз, является пиридоксальфосфат.

Распад аминокислот происходит с отделением аминогруппы от углеродного скелета, затем путем переаминирования или дезаминирования из аминокислот образуются моно- и дикарбоновые кислоты. Эти метаболиты используются в биосинтетических процессах либо подвергаются окислительному распаду до СО2 и Н2О.

Аланин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты поставляют пировиноградную, щавелевоуксусную и а-кето- глутаровую кислоты, из которых через щавелевоуксусную и фосфоэнолпировиноградную кислоты могут образовываться глюкоза и гликоген. После переаминирования соответствующая а-кетокислота активируется и подвергается окислительному декарбоксилированию. Полученный таким образом ацил-КоА подвергается затем окислительному распаду как и обычные жирные кислоты.

Важнейшими конечными продуктами обмена азота аминокислот являются мочевина, мочевая кислота и аммиак.

Превращение азота большинства аминокислот идет в основном двумя путями: переаминированием в глутаминовую кислоту и аспарагиновую кислоту. Глутаматоксалатаминотрансфераза поставляет аспартат для синтеза аргинина, глутаматдегидрогеназа — аммиак для синтеза карбамилфосфата. Синтез мочевины происходит в серии циклических превращений (цикл Кребса—Гензелейта), промежуточными продуктами которых являются орнитин, цитруллин и аргинин. У человека мочевина синтезируется в основном в митохондриях клеток печени.

Синтез аммиака происходит преимущественно в почках. Это подтверждается тем, что концентрация аммония в почечной вене может быть в 2 раза, а в моче в сотни раз больше, чем в артериях. Аминогруппы, происходящие из различных аминокислот, переаминируются с образованием глутаминовой кислоты, которая под действием глутаматдегидрогеназы подвергается окислительному дезаминированию. Дальнейший процесс образования глутамина из глутаминовой кислоты катализируется глутаминсинтетазой. Около 60% аммиака синтезируется в почках из глутамина, остальное количество — из аспарагина, аланина и гистидина. Меньшее значение в образовании аммиака имеют глицин, лейцин, аспарагиновая кислота, метионин.

Однако в литературе приведены и другие сведения. Основываясь на данных о влиянии внутривенных введений аминокислот на здоровых людей и больных циррозом печени, биохимики сделали заключение, что в зависимости от способности аминокислот продуцировать аммиак в процессе обмена веществ их следует распределить на три группы:

образующие при обмене относительно много аммиака (серии, глицин, треонин, глутамин, лизин, гистидин, аспарагин);

с нерезко выраженной способностью синтезировать аммиак (орнитин, тирозин, аланин);

не образующие аммиак в процессе метаболизма (аспарагиновая, глутаминовая кислоты, пролин, аргинин, триптофан). Такие сведения чрезвычайно важны при лечении аминокислотами заболеваний, в патогенезе которых большое значение имеет гипераминемия (циррозы печени).

Методом микропункции установлено, что аммиак синтезируется в дистальных и проксимальных канальцах почки млекопитающих.

Часть аммиака образуется в почке в реакции трансаминирования глутамина и а-кетокислоты с последующим дезаминированием.

Скорость синтеза аммиака в почке зависит от накопления в клетках продукта дезаминирования глутамина — глутамата, выделение аммиака с мочой — от состояния кислотно-щелочного равновесия: во время ацидоза экскреция его может значительно возрастать, а в условиях алкалоза — снижаться.

Белки пищи, прежде чем включиться в процессы катаболизма, подвергаются полному ферментативному гидролизу до аминокислот. Процесс начинается в желудке под действием желудочного сока, pH которого составляет 1—1,5. Активным началом при этом являются протеолитические ферменты — пепсин, выделяемый клетками слизистой желудка в форме неактивного предшественника пепсиногена, и гастриксин. Образующиеся в желудке полипептиды попадают в тонкую кишку, где под влиянием ряда ферментов (трипсина, лейцин- аминопептидазы) гидролизуются до аминокислот. Свободные аминокислоты всасываются эпителиальными клетками, выстилающими внутреннюю поверхность тонкой кишки, поступают в кровь и доставляются всем тканям, в клетках которых подвергаются метаболическим превращениям.

Незаменимые аминокислоты у человека не синтезируются. Потребность в них обеспечивается за счет пищевых продуктов. К незаменимым аминокислотам относят триптофан, лизин, метионин, лейцин, валин, изолейцин, аргинин, треонин, гистидин.

Заменимые аминокислоты синтезируются в организме из других аминокислот или соответствующих а-кетокислот. К этой группе относят цистин, пролин, тирозин, оксипролин, серин, глицин, аланин, глутаминовую, аспарагиновую кислоты.

Синтез большинства аминокислот происходит в печени. Она занимает ключевые позиции в снабжении организма аминокислотами и их катаболизме.

Исследования взаимоотношения концентраций отдельных аминокислот в крови воротной вены, печеночной вены и артерии позволили установить две фазы процесса — фиксацию и освобождение аминокислот, протекание которых связано со временем приема пищи. Большая часть аминокислот задерживается в гепатоцитах, участвуя в биосинтезе белка или подвергаясь катаболическим реакциям (переаминирование, окислительное дезаминирование, синтез мочевины). В печени происходит дезаминирование аминокислот до аммиака и мочевины. Большая часть образовавшихся кетокислот превращается в углеводы (глюконеогенез) — гликоген печени и глюкозу крови, меньшая — в жирные кислоты, кетоновые тела.

В печени осуществляется обезвреживание токсического аммиака, освобождающегося при дезаминировании аминокислот. Главный путь детоксикации аммиака — образование мочевины. Снижение интенсивности обезвреживания приводит к резкому нарастанию содержания аминокислот и аммонийных солей в крови и развитию тяжелой интоксикации. Нормально функционирующая печень имеет высокую (примерно десятикратную) степень надежности обеспечения дезаминирования аминокислот и образования мочевины.

Реакции аминокислотного обмена в скелетных мышцах не столь разнообразны, как в печени, но благодаря своей массе скелетная мускулатура занимает значительное место в аминокислотном обмене.

В скелетных мышцах происходит синтез, распад белков, обмен креатина и некоторых аминокислот. Мышцы содержат ферментные системы, катализирующие распад незаменимых аминокислот. В отличие от печени и почек в этих органах не происходит превращения кето- кислот, образовавшихся при дезаминировании аминокислот в углеводы, т. е. им не характерны процессы гликонеогенеза. В мышцах находятся в больших концентрациях таурин и карнозин, а также креатин, играющий главную роль в энергообеспечении мышечного сокращения.

Почки играют основную роль в выведении мочевины. Образовавшаяся мочевина поступает в почки с кровотоком, затем отфильтровывается в почечных клубочках, частично реабсорбируется в канальцах и выводится с мочой. Креатинин экскретируется, не реабсорбируясь в канальцах. Аминокислоты в свободной форме фильтруются в почечных клубочках и почти полностью реабсорбируются в канальцах.

У здоровых людей с аминокислотами выводится 1— 2% общего азота мочи. Увеличенное выведение аминокислот с мочой (гипераминоацидурия) может быть обусловлено внепочечными и почечными факторами.