3семЗАНЯТИЕ № 1 тема: переваривание белков и всасывание продуктов переваривания. общие пути обмена аминокислот. дезаминирование. обезвреживание аммиака в организме человека. Аминокислоты - основная составляющая часть белков, которые занимают особое место в организации структур организма, его метаболизме. Аминокислоты участвуют не только в построении белков, но их производные являются биологически активными веществами, компонентами сложных белков. Метаболизм аимнокислот служит источником энергии, особенно при голодании, сахарном диабете и т.д. При распаде аминокислот (единственном источнике азота для живой клетки) выделяется токсичное вещество-аммиак, который утилизируется различными способами. При нарушении путей выведения аммиака из организма развиваются патологические состояния гипераммониемии. 1. Роль белков в питании человека. Азотистый баланс и его виды. Заменимые и незаменимые аминокислоты. Норма потребления белка, коэффициент изнашивания, физиологический белковый минимум. Пул -фонд Значение аминокислот для организма в первую очередь определяется тем, что они используются для синтеза белков, метаболизм которых занимает особое место в процессах обмена веществ между организмом и внешней средой. Объясняется это тем, что белки входят во все основные структурные компоненты клеток, тканей и органов тела человека и животных, выполняют ферментативные функции, участвуют в переносе веществ через мембраны и т.д. Важную роль в координации работы всех систем клеток играют белковые гормоны. Аминокислоты непосредственно участвуют в биосинтезе не только белков, но и большого количества других биологически активных соединений, регулирующих процессы обмена веществ в организме, таких как нейромедиаторы и гормоны — производные аминокислот. Аминокислоты служат донорами азота при синтезе всех азотсодержащих небелковых соединений, в том числе нуклеотидов, гема, креатина, холина и других веществ. Катаболизм аминокислот может служить источником энергии для синтеза АТФ. Энергетическая функция аминокислот становится значимой при голодании, некоторых патологических состояниях (сахарный диабет и др.) и преимущественно белковом питании. Именно обмен аминокислот осуществляет взаимосвязь многообразных химических превращений в живом организме. . Аминокислоты (свободные и в составе белков) содержат почти 95% всего азота, поэтому именно они поддерживают азотистый баланс организма. Азотистый баланс — разница между количеством азота, поступающего с пищей, и количеством выделяемого азота (преимущественно в виде мочевины и аммонийных солей). Если количество поступающего азота равно количеству выделяемого, то наступает азотистое равновесие. Такое состояние бывает у здорового человека при нормальном питании. Азотистый баланс может быть положительным (азота поступает больше, чем выводится) у детей, а также у пациентов, выздоравливающих после тяжёлых болезней. Отрицательный азотистый баланс (выделение азота преобладает над его поступлением) наблюдают при старении, голодании и во время тяжёлых заболеваний. При безбелковой диете азотистый баланс становится отрицательным. Соблюдение подобной диеты в течение недели приводит к тому, что количество выделяемого азота перестаёт увеличиваться и стабилизируется примерно на величине 4 г/сут. Такое количество азота содержится в 25 г белка. Значит, при белковом голодании в сутки в организме расходуется около 25 г собственных белков тканей. Минимальное количество белков в пище, необходимое для поддержания азотистого равновесия, соответствует 30 — 50 г/сут, оптимальное же количество при средней физической нагрузке составляет -100 — 120 г/сут. Б. Полноценность белкового питания В ходе эволюции человек утратил способность синтезировать почти половину из двадцати аминокислот, входящих в состав белков. К их числу относят те аминокислоты, синтез которых включает много стадий и требует большого количества ферментов, кодируемых многими генами. Следовательно, те аминокислоты, синтез которых сложен и неэкономичен для организма, очевидно, выгоднее получать с пищей. Такие аминокислоты называют незаменимыми. К ним относят фенилаланин, метионин, треонин, триптофан, валин, лизин, лейцин, изолейцин. Две аминокислоты — аргинин и гистидин — у взрослых образуются в достаточных количествах, однако детям для нормального роста организма необходимо дополнительное поступление этих аминокислот с пищей. Поэтому их называют частично заменимыми. Две другие аминокислоты — тирозин и цистеин — условно заменимые, так как для их синтеза необходимы незаменимые аминокислоты. Тирозин синтезируется из фенилаланина, а для образования цистеина необходим атом серы метионина. АГТЦ Остальные аминокислоты легко синтезируются в клетках и называются заменимыми. К ним относят глицин, аспарагиновую кислоту, аспарагин, глутаминовую кислоту, глутамин, серин, пролин, аланин. Как было показано выше, основным источником аминокислот для клеток организма являются белки пищи. В различных пищевых продуктах содержание белка колеблется в широких пределах (табл. 9-1). Из таблицы видно, что распространённые продукты растительного происхождения содержат мало белка (кроме гороха и сои). Наиболее богаты белками продукты животного происхождения (мясо, рыба, сыр). Белки не являются незаменимыми пищевыми факторами, они являются источниками содержащихся в них незаменимых аминокислот, необходимых для нормального питания. Питательная ценность белка зависит от его аминокислотного состава и способности усваиваться организмом. Белки значительно различаются по аминокислотному составу. Некоторые их них содержат полный набор незаменимых аминокислот в оптимальных соотношениях, другие не содержат одной или нескольких незаменимых аминокислот. Растительные белки, особенно пшеницы и других злаковых, полностью не перевариваются, так как защищены оболочкой, состоящей из целлюлозы и других полисахаридов, которые не гидролизуются пищеварительными ферментами. Некоторые белки по аминокислотному составу близки к белкам тела человека, но не используются в качестве пищевых, так как имеют фибриллярное строение, малорастворимы и не расщепляются протеазами ЖКТ. К ним относят белки волос, шерсти, перьев и другие. Если белок содержит все незаменимые аминокислоты в необходимых пропорциях и легко подвергается действию протеаз, то биологическая ценность такого белка условно принимается за 100, и он считается полноценным. К таким относят белки яиц и молока. Белки мяса говядины имеют биологическую ценность 98. Растительные белки по биологической ценности уступают животным, так как труднее перевариваются и бедны лизином, метионином и триптофаном. Однако при определённой комбинации растительных белков организм можно обеспечить полной и сбалансированной смесью аминокислот. Так, белки кукурузы (биологическая ценность — 36) содержат мало лизина, но достаточное количество триптофана. А белки бобов богаты лизином, но содержат мало триптофана. Каждый из этих белков в отдельности является неполноценным. Однако смесь бобов и кукурузы содержит необходимое человеку количество незаменимых аминокислот. В. Нормы белка в питании Для поддержания азотистого равновесия достаточно употреблять 30 — 50 г белков в сутки. Однако такое количество не обеспечивает сохранения работоспособности и здоровья человека. Принятые нормы белкового питания для взрослых и детей учитывают климатические условия, профессию, условия труда и другие факторы. Взрослый человек при средней физической нагрузке должен получать 100 — 120 г белков в сутки. При тяжёлой физической работе эта норма увеличивается до 130 — 150 г. Детям до 12 лет достаточно 50 — 70 г белков в сутки. При этом подразумевается, что в пищу входят разнообразные белки животного и растительного происхождения. Однако безбелковое питание заканчивается гибелью организма. Исключение даже одной незаменимой аминокислоты из рациона ведёт к неполному усвоению других аминокислот и сопровождается развитием отрицательного азотистого баланса, истощением, остановкой роста и нарушениями функций нервной системы. При безбелковой диете в сутки выделяется 4гр азота,что составляет 25гр белка (КОЭФ-Т ИЗНАШИВАНИЯ). коэффициент изнашивания показатель интенсивности процессов распада белка в организме при отсутствии белко в в пище, определяемый как количество выделяемого за сутки азота, приходящееся на 1 кг веса. Физиологический белковый минимум- минимальное количество белков в пище необходимое для поддержания азотистого равновесия- 30-50 г/сут. 2. Ферменты, переваривающие белки в желудке (оптимум рН-действия, специфичность действия, результат действия). Механизм образования соляной кислоты и ее физиологическая роль. Ферменты-пептидазы тонкого кишечника (оптимум рН-действия, специфичность действия, результат действия). В пищевых продуктах содержание свободных аминокислот очень мало. Подавляющее их количество входит в состав белков, которые гидролизуются в ЖКТ под действием ферментов протеаз (пептидгидролаз). Субстратная специфичность этих ферментов заключается в том, что каждый из них с наибольшей скоростью расщепляет пептидные связи, образованные определёнными аминокислотами. Протеазы, гидролизующие пептидные связи внутри белковой молекулы, относят к группе эндопептидаз. Ферменты, относящиеся к группе экзопептидаз, гидролизуют пептидную связь, образованную концевыми аминокислотами. Под действием всех протеаз ЖКТ белки пищи распадаются на отдельные аминокислоты, которые затем поступают в клетки тканей. А. Переваривание белков в желудке Желудочный сок — продукт нескольких типов клеток. Обкладочные (париетальные) клетки стенок желудка образуют соляную кислоту, главные клетки секретируют пепсиноген. Добавочные и другие клетки эпителия желудка выделяют муцинсодержащую слизь. Париетальные клетки секретируют в полость желудка также гликопротеин, который называют «внутренним фактором» (фактором Касла). Этот белок связывает «внешний фактор» — витамин В12, предотвращает его разрушение и способствует всасыванию. 1. Образование и роль соляной кислоты. Основная пищеварительная функция желудка заключается в том, что в нём начинается переваривание белка. Существенную роль в этом процессе играет соляная кислота. Белки, поступающие в желудок, стимулируют выделение гистамина и группы белковых гормонов — гастринов (см. раздел 11), которые, в свою очередь, вызывают секрецию НСl и профермента — пепсиногена. НСl образуется в обкладочных клетках желудочных желёз в ходе реакций, представленных на рис. 9-2. Рис. 9-2. Секреция соляной кислоты в желудке. 1 — карбоангидраза; 2 — Н+/К+- АТФаза; 3 — белки-переносчики анионов; 4 — хлоридный канал. Источником Н+ является Н2СO3, которая образуется в обкладочных клетках желудка из СО2, диффундирующего из крови, и Н2O под действием фермента карбоангидразы (карбонатдегидратазы): H2O + CO2 —> Н2СO3 —> НСO3- + H+. Диссоциация Н2СO3 приводит к образованию бикарбоната, который с участием специальных белков выделяется в плазму в обмен на Сl -, и ионов Н+, которые поступают в просвет желудка путём активного транспорта, катализируемого мембранной Н+/К+-АТФ-азой. При этом концентрация протонов в просвете желудка увеличивается в 106 раз. Ионы Сl- поступают в просвет желудка через хлоридный канал. Концентрация НСl в желудочном соке может достигать 0,16 М, за счёт чего значение pH снижается до 1,0 — 2,0. Приём белковой пищи часто сопровождается выделением щелочной мочи за счёт секреции большого количества бикарбоната в процессе образования НСl. Под действием HCl происходит денатурация белков пищи, не подвергшихся термической обработке, что увеличивает доступность пептидных связей для протеаз. НСl обладает бактерицидным действием и препятствует попаданию патогенных бактерий в кишечник. Кроме того, соляная кислота активирует пепсиноген и создаёт оптимум pH для действия пепсина. 2. Механизм активации пепсина Под действием гастринов в главных клетках желудочных желёз стимулируются синтез и секреция пепсиногена — неактивной формы пепсина. Пепсиноген — белок, состоящий из одной полипептидной цепи с молекулярной массой 40 кД. Под действием НСl он превращается в активный пепсин (молекулярная масса 32,7 кД) с оптимумом pH 1,0 — 2,5. В процессе активации в результате частичного протеолиза от N-конца молекулы пепсиногена отщепляются 42 аминокислотных остатка, которые содержат почти все положительно заряженные аминокислоты, имеющиеся в пепсиногене. Таким образом, в активном пепсине преобладающими оказываются отрицательно заряженные аминокислоты, которые участвуют в конформационных перестройках молекулы и формировании активного центра. Образовавшиеся под действием НСl активные молекулы пепсина быстро активируют остальные молекулы пепсиногена (аутокатализ). Пепсин в первую очередь гидролизует пептидные связи в белках, образованные ароматическими аминокислотами (фенилаланин, триптофан, тирозин) и несколько медленнее — образованные лейцином и дикарбоновыми аминокислотами. Пепсин — эндопептидаза, поэтому в результате его действия в желудке образуются более короткие пептиды, но не свободные аминокислоты. Общая кислотность желудочного сока — совокупность всех кислотореагирующих веществ желудочного сока, представляет собой секрет желудка, собираемый в течение 1 ч. Значения общей кислотности в норме составляют 40 — 60 ТЕ. Связанная соляная кислота — НСl, связанная с белками и продуктами их переваривания. Значения связанной НСl у здоровых людей — 20-30 ТЕ. Свободная НСl — соляная кислота, не связанная с компонентами желудочного сока. Значения свободной НСl в норме — 20 — 40 ТЕ. pH желудочного сока в норме — 1,5 — 2,0. Б. Переваривание белков в кишечнике Желудочное содержимое (химус) в процессе переваривания поступает в двенадцатиперстную кишку. Низкое значение pH химуса вызывает в кишечнике выделение белкового гормона секретина, поступающего в кровь. Этот гормон в свою очередь стимулирует выделение из поджелудочной железы в тонкий кишечник панкреатического сока, содержащего НСO3, что приводит к нейтрализации НСl желудочного сока и ингибированию пепсина. В результате pH резко возрастает от 1,5 — 2,0 до ~7,0. Поступление пептидов в тонкий кишечник вызывает секрецию другого белкового гормона — холецистокинина (см. раздел 11), который стимулирует выделение панкреатических ферментов с оптимумом pH 7,5 — 8,0. Под действием ферментов поджелудочной железы и клеток кишечника завершается переваривание белков. 3. Протеолиз эндогенных белков. Факторы, ускоряющие их деградацию: денатурация, активация лизосом. Протеосомы, убиквитин – зависимая система деградации белков. 1. Активация панкреатических ферментов Гормон белковой природы – секретинвыделяется в кишечнике и поступает в кровь. Под его действием из двенадцатиперстной кишки выделяется панкреатический сок, содержащий HCO3 - (это нейтрализует HCL и ингибирует пепсин) • рН в двенадцатиперстной кишке возрастает до 7,0. • Поступление пептидов в тонкий кишечник вызывает секрецию белкового гормона холецистокинина, который стимулирует выделение панкреатических ферментов с оптимумом рН действия 7,5-8,0 • Активированные панкреатические ферменты и ферменты клеток кишечника завершают переваривание белков. • В поджелудочной железе синтезируются ферменты ряда протеаз: трипсиноген, химотрипсиноген, проэластаза, прокарбоксипептидазы А и В. В кишечнике они активируются путем частичного протеолиза. • Активация трипсиногена происходит под действием фермента эпителия кишечника энтеропептидазы. При этом отщепляется с N – конца гексапептид. • Специфичность трипсина - разрыв пептидных связей, образованных карбоксильными группами аргинина и лизина. 2. Специфичность действия протеаз Трипсин преимущественно гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина. Химотрипсины наиболее активны в отношении пептидных связей, образованных карбоксильными группами ароматических аминокислот (Фен, Тир, Три). Карбоксипептидазы А и В — цинксодержащие ферменты, отщепляют С-концевые остатки аминокислот. Причём карбоксипептидаза А отщепляет преимущественно аминокислоты, содержащие ароматические или гидрофобные радикалы, а карбоксипептидаза В — остатки аргинина и лизина. Последний этап переваривания — гидролиз небольших пептидов, происходит под действием ферментов аминопептидаз и дипептидаз, которые синтезируются клетками тонкого кишечника в активной форме. Аминопептидазы последовательно отщепляют N-концевые аминокислоты пептидной цепи. Наиболее известна лейцинаминопептидаза — Zn2+- или Мn2+-содержащий фермент, несмотря на название, обладающий широкой специфичностью по отношению к N-концевым аминокислотам. Дипептидазы расщепляют дипептиды на аминокислоты, но не действуют на трипептиды В результате последовательного действия всех пищеварительных протеаз большинство пищевых белков расщепляется до свободных аминокислот. В. Защита клеток от действия протеаз Клетки поджелудочной железы защищены от действия пищеварительных ферментов тем, что: • эти ферменты образуются в виде неактивных предшественников в клетках поджелудочной железы и активируются только после секреции в просвет кишечника. Таким образом, место синтеза и место действия этих ферментов пространственно разделены. • в клетках поджелудочной железы присутствует белок-ингибитор трипсина, образующий с активной формой фермента (в случае преждевременной активации) прочный комплекс. В полости желудка и кишечника протеазы не контактируют с белками клеток, поскольку слизистая оболочка покрыта слоем слизи, а каждая клетка содержит на наружной поверхности плазматической мембраны полисахариды, которые не расщепляются протеазами и тем самым защищают клетку от их действия. Разрушение клеточных белков протеазами происходит при язвенной болезни желудка или двенадцатиперстной кишки. Однако начальные механизмы возникновения язвы ещё мало изучены. 4. Механизмы всасывания аминокислот в кишечнике. Транспорт аминокислот через клеточные мембраны: транспортные системы для аминокислот с разными радикалами, гамма-глутамильный цикл. Г. Транспорт аминокислот в клетки Аминокислоты, образовавшиеся при переваривании белков, быстро всасываются в кишечнике. Транспорт их осуществляется двумя путями: через воротную систему печени, ведущую прямо в печень, и по лимфатическим сосудам, сообщающимся с кровью через грудной лимфатический проток. Максимальная концентрация аминокислот в крови достигается через 30 — 50 мин после приёма белковой пищи (углеводы и жиры замедляют всасывание аминокислот). Всасывание L-аминокислот (но не D-изомеров) — активный процесс, требующий затраты энергии. Аминокислоты переносятся через кишечную стенку от слизистой её поверхности в кровь (рис. 9-4). Перенос через щёточную кайму осуществляется целым радом переносчиков, многие из которых действуют при участии Na+-зависимых механизмов симпорта, подобно переносу глюкозы (см. раздел 7). Рис. 9-4. Механизм всасывания аминокислот в кишечнике. L-аминокислота поступает в энтероцит путём симпорта с ионом Nа +. Далее специфическая транслоказа переносит аминокислоту через мембрану в кровь. Обмен ионов натрия между клетками осуществляется путём первично-активного транспорта с помощью Na+, К+-АТФ-азы. Различная скорость проникновения аминокислот через мембраны клеток указывает на наличие транспортных систем, обеспечивающих перенос аминокислот как через внешнюю плазматическую мембрану, так и через внутриклеточные мембраны. В настоящее время известно по крайней мере пять специфических транспортных систем, каждая из которых функционирует для переноса определённой группы близких по строению аминокислот: • нейтральных, с короткой боковой цепью (аланин, серин, треонин); • нейтральных, с длинной или разветвлённой боковой цепью (валин, лейцин, изолейцин); • с катионными радикалами (лизин, аргинин); • с анионными радикалами (глутаминовая и аспарагиновая кислоты); • иминокислот (пролин, оксипролин). Специфические транспортные системы для определенных групп близких по строению аминокислот: • Для нейтральных с короткой боковой цепью (ала, сер, тре), Na+- зависимые переносчики • Для нейтральных с длиной или разветвленной боковой цепью (вал, лей, илей). • Для положительно заряженных аминокислот (лиз, арг) • Для отрицательно заряженных (глу, асп). • Для иминокислот (про, оксипро), Na+- зависимые переносчики • Специфическая система переноса аминокислот: γ –глутамильный цикл Причём к числу Na+-зависимых относятся переносчики аминокислот, входящих в первую и пятую группы, а также переносчик метионина. Независимые от Na+ переносчики специфичны для некоторых нейтральных аминокислот (фенилаланин, лейцин) и аминокислот с катионными радикалами (лизин). Аминокислоты конкурируют друг с другом за специфические участки связывания. Например, всасывание лейцина (если концентрация его достаточно высока) уменьшает всасывание изолейцина и валина. Одна из специфических транспортных систем для некоторых нейтральных аминокислот функционирует в кишечнике, почках и, повидимому, мозге. Она получила название y-глутамильного цикла (рис. 9-5). Рис. 9-5. y-Глутамильный цикл. Система состоит из одного мембранного и пяти цитоплазматических ферментов. Перенос аминокислоты внутрь клетки осуществляется в комплексе с глутамильным остатком глутатиона под действием y-глутамилтранс- феразы. Затем аминокислота освобождается, а yглутамильный остаток в несколько стадий превращается в глутатион, который способен присоединять следующую молекулу аминокислоты. Е1 — углутамилтрансфераза; Е2 — у-глутамилциклотрансфераза; Е3 — пептидаза; Е4 — оксопролиназа; Е5 — y-глутамилцистеинсинтетаза; Е6 — глутатионсинтетаза. В этой системе участвуют 6 ферментов, один из которых находится в клеточной мембране, а остальные — в цитозоле. Ключевую роль в транспорте аминокислоты играет мембранно-связанный фермент y-глутамилтрансфераза. Этот фермент является гликопротеином и катализирует перенос y-глутамильной группы от глутатиона (иногда другого y-глутамильного пептида) на транспортируемую аминокислоту и последующий перенос комплекса в клетку. Глутатион представляет собой трипептид — y-глутамилцистеинилглицин, который находится во всех тканях животных. Реакция протекает следующим образом. Аминокислота, связанная с y-глутамильным остатком, оказывается внутри клетки. В следующей реакции происходит отщепление у-глутамильного остатка под действием фермента y-глутамилциклотрансферазы. Дипептид цистеинилглицин расщепляется под действием пептидазы на 2 аминокислоты — цистеин и глицин. В результате этих 3 реакций происходит перенос одной молекулы аминокислоты в клетку (или внутриклеточную структуру). Следующие 3 реакции обеспечивают регенерацию глутатиона, благодаря чему цикл повторяется многократно. Для транспорта в клетку одной молекулы аминокислоты с участием y-глутамильного цикла затрачиваются 3 молекулы АТФ. 5. Общая схема путей поступления аминокислот в клетку и пути их использования 6. Общие пути катаболизма аминокислот (схема, общий вид реакций). 7. Прямое окислительное дезаминирование аминокислот: условия протекания, субстраты, ферменты, кофактор, общее уравнение реакции, продукты. • Прямое дезаминирование – отщепление аминогруппы в виде аммиака. Аммиак выделяется в кровь и очень токсичен (этому виду дезаминирования подвергаются все аминокислоты, кроме лизина). Это не главный путь дезаминирования . • Виды прямого дезаминирования: • окислительное • восстановительное • гидролитическое • внутримолекулярное Характеристика L-оксидазы • Обнаружена в почках и печени • Кофактор ФМН • Стереоспецифичность – действуют на Lоксидазы • Оптимум рН действия – 10,0 • Связь кофактора и белковой части – ковалентная Характеристика D – оксидазы • Обнаружена в почках и печени • Кофактор –ФАД • Стереоспецифичность – действует на D – оксидазы • Оптимум рН~7,0 • Биороль – вероятно D – оксидаза превращает D- аминокислоты в соответствующие L-изомеры Дезаминирование аминокислот — реакция отщепления α-аминогруппы от аминокислоты, в результате чего образуется соответствующая α-кетокислота (безазотистый остаток) и выделяется молекула аммиака. Дальнейшие превращения продуктов дезаминирования аминокислот представлены на рис. 9-7. Рис. 9-7. Судьба продуктов дезаминирования аминокислот. Аммиак токсичен для ЦНС, поэтому в организме человека и млекопитающих он превращается в нетоксичное хорошо растворимое соединение — мочевину. В виде мочевины, а также в виде солей аммония аммиак выводится из организма. Безазотистый остаток используется для образования аминокислот в реакциях трансаминирования, в процессах глюконеогенеза, кетогенеза, в анаплеротических реакциях для восполнения убыли метаболитов ОПК, в реакциях окисления до СO2 и Н2O. Существует несколько способов дезаминирования аминокислот: • окислительное; • непрямое (трансдезаминирование); • неокислительное; • внутримолекулярное. 1. Окислительное дезаминирование Наиболее активно в тканях происходит дезаминирование глутаминовой кислоты. Реакцию катализирует фермент глутаматдегидрогеназа, коферментом + глутаматдегидрогеназы является NАD . Реакция идёт в 2 этапа. Вначале происходит ферментативное дегидрирование глутамата и образование α-иминоглутарата, затем — неферментативное гидролитическое отщепление иминогруппы в виде аммиака, в результате чего образуется α-кетоглутарат (см. схему ниже). Окислительное дезаминирование глутамата — обратимая реакция и при повышении концентрации аммиака в клетке может протекать в обратном направлении, как восстановительное аминирование α-кетоглутарата. Глутаматдегидрогеназа очень активна в митохондриях клеток практически всех органов, кроме мышц. Этот фермент — олигомер, состоящий из 6 субъединиц (молекулярная масса 312 кД). Глутаматдегидрогеназа играет важную роль, так как является регуляторным ферментом аминокислотного обмена. Аллостерические ингибиторы глутаматдегидрогеназы (АТФ, ГТФ, NADH) вызывают диссоциацию фермента и потерю глутаматдегидрогеназной активности. Высокие концентрации АДФ активируют фермент. Таким образом, низкий энергетический уровень в клетках стимулирует разрушение аминокислот и образование α-кетоглутарата, поступающего в ЦТК как энергетический субстрат. Глутаматдегидрогеназа может индуцироваться стероидными гормонами (кортизолом). Оксидаза L-аминокислот В печени и почках обнаружен фермент оксидаза L-аминокислот, способный дезаминировать некоторые L-аминокислоты (см. схему в конце стр.). Коферментом в данной реакции выступает FМN. Однако вклад оксидазы Lаминокислот в дезаминирование, очевидно, незначителен, так как оптимум её действия лежит в щелочной среде (pH 10,0). В клетках, где pH среды близок к нейтральному, активность фермента очень низка. Оксидаза D-аминокислот также обнаружена в почках и печени. Это FАD-зависимый фермент. Оптимум pH этой оксидазы лежит в нейтральной среде, поэтому фермент более активен, чем оксидаза L-аминокислот. Роль оксидазы D-аминокислот невелика, так как количество D-изомеров в организме крайне мало, потому что в белки пищи и белки тканей человека и животных входят только природные L-аминокислоты. Вероятно, оксидаза D-аминокислот способствует их превращению в соответствующие L-изомеры. 8. Глутаматдегидрогеназа: строение фермента, кофактор, уравнение реакции, регуляция фермента соотношением концентраций НАДН, АТФ+ГТФ/АДФ+ГДФ. Физиологическая роль глутаматдегидрогеназы в обмене азота аминокислот. Характеристика глутаматдегидрогеназы (ГДГ). • ГДГ- единственная L-оксидаза, работающая при физиологическом оптимуме рН и имеющая кофактор НАД+ (НАДФ+). • Механизм реакции осуществляется в два этапа: ферментное дегидрирование глутамата и образование α-иминоглутарата, затем неферментативное гидролитическое отщепление иминогруппы в виде NH3, в результате чего образуется α-кетоглутарат Окислительное дезаминирование глутамата – обратимая реакция и при повышении концентрации NH3 может протекать как восстановительное аминирование αкетоглутарата. • ГДГ активна практически во всех тканях, кроме мышц. • ГДГ- олигомер, состоит из 6 субъединиц. • Аллостерические ингибиторы ГДГ, АТФ, ГТФ, НАДН. Вызывают диссоциацию фермента и его инактивацию • Аллостерические активаторы ГДГ – АДФ • ГДГ- индуцибельный фермент, может индуцироваться стероидными гормонами (кортизолом). • Биологический смысл активности ГДГ – сбор аминогрупп распадающихся аминокислот в составе глутамата с последующим его дезаминированием в митохондриях для протекания процесса синтеза мочевины. 9. Трансаминирование аминокислот. Общее уравнение процесса, субстраты, кофактор и механизм протекания процесса через образование шиффовых оснований. Биологическая роль трансаминаз, клиническое значение определения трансаминаз. Аминотрансферазы обнаружены как в цитоплазме, так и в митохондриях клеток эукариот, более 10 видов. • В трансаминирование вступают почти все аминокислоты, кроме лизина, треонина и пролина. Биологическое значение трансаминаз заключается в синтезе аминокислот, нейтрализации аммиака как начальной стадии в катаболизме аминокислот. • Диагностическое значение определения аминотрансфераз в клинической практике • В норме активность АлАТ и АсАТ очень мала и составляет 5-40 Е/л. (0,06-0,14 мкат/л) • При повреждении клеток АсАТ и АлАТ выходят в кровь, где их активность резко повышается. • В клетках сердечной мышцы количество АсАТ значительно превышает количество АлАТ, а в печени наоборот. Соотношение активности АсАТ /АлАТ называется «коэффициент де Ритиса» и в норме он равен 1,33±0,42. • При инфаркте миокарда активность АсАТ в крови увеличивается в 8-10 раз, а АлАТ в 1,5- 2 раза, коэффициент де Ритиса резко возрастает • При гепатитах коэффициент де Ритиса снижается до 0,6. Однако при циррозе печени этот коэффициент увеличивается, что свидетельствует о некрозе клеток при котором в кровь выходят обе формы АсАТ А. Трансаминирование Трансаминирование — реакция переноса α-аминогруппы с аминокислоты на αкетокислоту, в результате чего образуются новая кетокислота и новая аминокислота. Константа равновесия для большинства таких реакций близка к единице (К р ~ 1,0), поэтому процесс трансаминирования легко обратим (см. схему А). Реакции катализируют ферменты аминотрансферазы, коферментом которых служит пиридоксальфосфат (ПФ) — производное витамина В6 Аминотрансферазы обнаружены как в цитоплазме, так и в митохондриях клеток эукариот. Причём митохондриальные и цитоплазматические формы ферментов различаются по физикохимическим свойствам. В клетках человека найдено более 10 аминотрансфераз, отличающихся по субстратной специфичности. Вступать в реакции трансаминирования могут почти все аминокислоты, за исключением лизина, треонина и пролина. 2. Органоспецифичные аминотрансферазы АЛТ и АСТ Чаще всего в реакциях трансаминирования участвуют аминокислоты, содержание которых в тканях значительно выше остальных — глутамат, аланин, аспартат и соответствующие им кетокислоты — α-кетоглутарат, пируват и оксалоацетат. Основным донором аминогруппы служит глутамат. Суммарно эти реакции можно представить в виде схемы: Акцептором аминогруппы любой аминокислоты, подвергающейся трансаминированию (аминокислота 1), служит α-кетоглутарат. Принимая аминогруппу, он превращается в глутамат, который способен передавать эту группу любой α-кетокислоте с образованием другой аминокислоты (аминокислота 2). Аминотрансферазы обладают субстратной специфичностью к разным аминокислотам. В тканях человека обнаружено более 10 разных аминотрансфераз. Наиболее распространёнными ферментами в большинстве тканей млекопитающих являются аланинаминотрансфераза (АЛТ), по обратной реакции — глутаматпируватами- нотрансфераза (ГПТ) и аспартатаминотрансфераза (ACT), по обратной реакции — глутамат- оксалоацетатаминотрансфераза (ГОТ). АЛТ (АлАТ) катализирует реакцию транса- минирования между аланином и αкетоглутаратом (см. схему А). Локализован этот фермент в цитозоле клеток многих органов, но наибольшее его количество обнаружено в клетках печени и сердечной мышцы. ACT (АсАТ) катализирует реакцию трансаминирования между аспартатом и αкетоглутаратом аналогично предыдущей (см. схему Б). Схема А, Б В результате образуются оксалоацетат и глутамат. ACT имеет как цитоплазматическую, так и митохондриальную формы. Наибольшее его количество обнаружено в клетках сердечной мышцы и печени. Так как наибольшее количество АЛТ и ACT сосредоточено в печени и миокарде, а содержание в крови очень низкое, можно говорить об органоспецифичности этих ферментов. В результате работы аминотрансфераз аминный азот многих аминокислот переходит в состав глутамата. Есть основания считать, что накопление аминогрупп в форме глутаминовой кислоты происходит в цитозоле. Затем глутамат с помощью транслоказ попадает в митохондрии, где активна специфическая ACT. В результате действия этого фермента глутамат снова превращается в α-кетоглутарат. Последний используется для непрямого дезаминирования аминокислот, содержащихся в митохондриях. Это очень важно, так, как только глутамат в тканях млекопитающих наиболее быстро может подвергаться окислительному дезаминированию (см. ниже). 3. Биологическое значение трансаминирования Реакции трансаминирования играют большую роль в обмене аминокислот. Поскольку этот процесс обратим, ферменты аминотрансферазы функционируют как в процессах катаболизма, так и биосинтеза аминокислот. Трансаминирование — заключительный этап синтеза заменимых аминокислот из соответствующих α-кетокислот, если они в данный момент необходимы клеткам. В результате происходит перераспределение аминного азота в тканях организма. Трансаминирование — первая стадия дезаминирования большинства аминокислот, т. е. начальный этап их катаболизма. Образующиеся при этом кетокислоты окисляются в ЦТК или используются для синтеза глюкозы и кетоновых тел. При трансаминировании общее количество аминокислот в клетке не меняется. 10. Непрямое дезаминирование аминокислот: общая схема процесса, ферменты, субстраты, кофакторы, роль глутамата. Биологическая роль непрямого дезаминирования заключается в: А) передаче аминогрупп аминокислотами на αкетоглутарат который превращается в глутамат. Затем глутамат подвергается прямому окислительному дезаминированию под действием ГДГ, в результате чего образется α-кетоглутарат и аммиак. Б) при синтезе аминокислот и наличии необходимых α-кетокислот обе стадии непрямого дезаминирования протекают в обратном направлении. В данном процессе глутамат играет главную роль. В мышечной ткани и мозге активность ГДГ не очень велика, поэтому в этих тканях при интенсивной физической нагрузке функционирует другой путь непрямого дезаминирования участием цикла ИМФ-АМФ. 11. Токсичность аммиака, пути его образования и способы утилизации. А. Источники аммиака в клетках Катаболизм аминокислот в тканях происходит постоянно со скоростью -100 г/сут. При этом в результате дезаминирования аминокислот освобождается большое количество аммиака. Значительно меньшие количества его образуются при дезаминировании биогенных аминов и нуклеотидов. Основные источники аммиака Источник Процесс Ферменты Локализация процесса Аминокислоты Непрямое дезаминирование Аминотрансферазы, Все ткани (основной путь ПФ дезаминирования Глутаматдегидрогеназа, аминокислот) NАD+ Окислительное Глутаматдегидрогеназа, Все ткани дезаминирование глутамата NАD+ Неокислительное Гистидаза-Серин, Преимущественно дезаминирование Гис, Сер, треониндегидратазы, печень Тре ПФ Окислительное Оксидаза L- Печень и почки дезаминирование аминокислот, FМN аминокислот (малозначимый путь дезаминирования) Биогенные Окислительное Аминооксидазы, FАD Все ткани амины дезаминирование (путь инактивации биогенных аминов) АМФ Гидролитическое АМФ-дезаминаза Интенсивно дезаминирование работающая мышца Часть аммиака образуется в кишечнике в результате действия бактерий на пищевые белки (гниение белков в кишечнике) и поступает в кровь воротной вены. Концентрация аммиака в крови воротной вены существенно больше, чем в общем кровотоке. В печени задерживается большое количество аммиака, что поддерживает низкое содержание его в крови. Концентрация аммиака в крови в норме редко превышает 0,4 — 0,7 мг/л (или 25 — 40 мкмоль/л). В крови и цитозоле клеток при физиологических значениях pH аммиак переходит в ион аммония — NН4+, количество неионизированного NН3 невелико (~ 1%). Аммиак — токсичное соединение. Даже небольшое повышение его концентрации оказывает неблагоприятное действие на организм, и прежде всего на ЦНС. Так, повышение концентрации аммиака в мозге до 0,6 ммоль вызывает судороги. К симптомам гипераммониемии относят тремор, нечленораздельную речь, тошноту, рвоту, головокружение, судорожные припадки, потерю сознания. В тяжёлых случаях развивается кома с летальным исходом. Механизм токсического действия NH3 • аммиак легко проникает через мембраны клеток и в митохондриях сдвигает реакцию: α-кетоглутарат+НАДН2+NH3глутамат + НАД+ • уменьшение концентрации α-КТГ вызывает: • угнетение обмена аминокислот (реакции трансаминирования и синтеза из них нейромедиаоров: ацетилхолина, дофамина и др.) • гипоэнергетическиое состояние в результате снижения скорости ЦТК • повышение концентрации аммиака в крови сдвигает рН в щелочную сторону (вызывает алкалоз). Это увеличивает сродство гемоглобина к кислороду что приводит к гипоксии тканей, накоплению СО2 и гипоэнергетическому состоянию. • высокие концентрации аммиака увеличивают синтез глутамина в нерной ткани. Накопление глутамина в клетках нейроглии приводит к повышению осмотического давления в них, набуханию эритроцитов и в больших концентрациях может вызвать отек легких. Снижение концентрации глутамата нарушает обмен амнокислот и нейромедаторов (ГАМК). При недостатке ГАМК нарушается проведение нервного импульса, возникают судороги. • ион NH4 + способен нарушать трансмембранный перенос катионов К+ и Na+ , что также влияет на проведение нервных импульсов. Глутамат + NH3 + АТФ Глутамин + АДФ +Н3РО4 Способы обезвреживания аммиака: • основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма, является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы . Она локализованна в митохондриях клеток и является Mg+2 – зависимым ферментом. Глутаминсинтетазааллостерический фермент и он ингибируется АМФ, глюкозо-6фосфат, гли, ала, гис. • Глутамин - основная транспортная форма аммиака из мышц, мозга и печени. С током крови глутамин транспортируется в кишечник и почки. • В клетках кишечника под действием глутаминазы происходит высвобождение амидного азота в виде аммиака. Образовавшийся глутамат подвергается трансаминированию с ПВК, образуется аланин. Большие количества аланина, выходят в кровь и через воротную вену поглощаются печенью. Около 5% NH3 удаляется в составе фекалий, небольшая часть через воротную вену попадает в печень, а около 90% выделяются почками. Содержание глутаминазы при ацидозе увеличивается, при алкалозе уменьшается. • Использование глутамина происходит во многих анаболических процессах. Он основной донор азота в организме. Второй путь обезвреживания аммиака заключается в функционировании глюкозоаланинового цикла, который протекает в мышцах и печени и сопряжен с работой глюкозо-лактатного цикла. Образование аланина в мышцах, его перенос в печень и перенос глюкозы, синтезированной в печени, обратно в мышцы составляют глюкозо- аланиновый цикл, работа которого сопряжена с работой глюкозо-лактатного цикла (см. раздел 7). Рис. 9-13. Глюкозо-аланиновый цикл. Механизм токсического действия аммиака на мозг и организм в целом, очевидно, связан с действием его на несколько функциональных систем. • Аммиак легко проникает через мембраны в клетки и в митохондриях сдвигает реакцию, катализируемую глутаматдегидрогеназой, в сторону образования глутамата: α-Кетоглутарат + NADH + Н+ + NН3 —> Глутамат + NAD+. Уменьшение концентрации α-кетоглутарата вызывает: угнетение обмена аминокислот (реакции транса- минирования) и, следовательно, синтеза из них нейромедиаторов (ацетилхолина, дофамина и др.); гипоэнергетическое состояние в результате снижения скорости ЦТК. Недостаточность α-кетоглутарата приводит к снижению концентрации метаболитов ЦТК, что вызывает ускорение реакции синтеза оксалоацетата из пирувата, сопровождающейся интенсивным потреблением СO 2. Усиленное образование и потребление диоксида углерода при гипераммониемии особенно характерны для клеток головного мозга. • Повышение концентрации аммиака в крови сдвигает pH в щелочную сторону (вызывает алкалоз). Это, в свою очередь, увеличивает сродство гемоглобина к кислороду, что приводит к гипоксии тканей, накоплению СO 2 и гипоэнергетическому состоянию, от которого главным образом страдает головной мозг. Б. Связывание (обезжиривание) аммиака Высокая интенсивность процессов дезаминирования аминокислот в тканях и очень низкий уровень аммиака в крови свидетельствуют о том, что в клетках активно происходит связывание аммиака с образованием нетоксичных соединений, которые выводятся из организма с мочой. Эти реакции можно считать реакциями обезвреживания аммиака. В разных тканях и органах обнаружено несколько типов таких реакций. Совокупность основных процессов обмена аммиака в организме представлена на рис. 9-14. Доминирующими ферментами в обмене аммиака служат глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза. Рис. 9-14. Обмен аммиака. Основной источник аммиака — аминокислоты. Большая часть образовавшегося аммиака обезвреживается в орнитиновом цикле в печени и выделяется в виде мочевины. Основной реакцией обезвреживания аммиака в тканях является синтез глутамина, который затем используется в анаболических процессах и для обезвреживания веществ в печени. Ферменты глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза являются регуляторными и обусловливают скорость процессов образования и обезвреживания аммиака. Г. Обмен аммиака и аминокислот между органами и тканями В катаболизме аминокислот и образовании аммиака участвуют многие ткани. В клетках происходит связывание аммиака. Из организма азот выводится почками в виде двух конечных продуктов азотистого обмена — аммонийных солей (~0,5 г/сут), которые образуются в почках, и мочевины (~25 г/сут), которая содержит до 90% выводимого азота. Синтез мочевины происходит в печени в орнитиновом цикле, причём на образование 1 моля мочевины используется 1 моль аммиака и 1 моль аспарагиновой кислоты. Таким образом, для синтеза 25 г мочевины в сутки затрачивается 6,3 г аммиака и 50 г аспартата. Для доставки азота в печень должны интенсивно функционировать специальные механизмы. Транспорт азота из тканей в печень происходит, в основном, в составе 3 соединений: глутамина, аланина, аммиака (небольшое количество в несвязанном виде). Кроме глутамина и аланина, в крови присутствуют и другие свободные аминокислоты, причём содержание их и направление транспорта зависят от приёма пищи и использования эндогенных белков. Наибольшее количество свободных аминокислот поступает из мышц и кишечника, причём до 50% составляют аланин и глутамин. Существует направленный поток аминокислот из этих тканей в печень, который усиливается в абсорбтивный период при белковом питании. Основное количество глутамина поставляют в кровь мышцы и мозг. Из кровеносного русла его поглощают печень и почки, где он подвергается действию глутаминазы. Почки —основной источник серина и частично аланина, которые сорбируются из плазмы печенью. Головной мозг, в отличие от всех других тканей, способен поглощать и окислять большие количества аминокислот с разветвлённой боковой цепью (валин, лейцин, изолейцин). После приёма пищи из кишечника в плазму крови поступает много аминокислот, причём преобладают аминокислоты с разветвлённой боковой цепью (до 20% от общего количества), которые затем поглощаются, в основном, печенью, мышцами и мозгом (рис. 9-20). В мышцах происходит усиленный катаболизм этих аминокислот, причём они выступают основными донорами аминогруппы в синтезе аланина из пирувата (см. выше «глюкозо-аланиновый цикл»). Рис. 9-20. Обмен аминокислот между тканями и органами в абсорбтивном периоде. В абсорбтивный период основным источником свободных аминокислот служит кишечник. Большую часть поступивших аминокислот составляют гидрофобные аминокислоты с разветвлённой цепью. Экзогенные полярные аминокислоты из воротной вены сорбируются и используются в основном печенью. Разветвлённые аминокислоты поглощаются из кровотока клетками мозга или мышц. В постабсорбтивном периоде основными источниками свободных аминокислот служат мышцы. Они поставляют в основном аланин и глутамин (рис. 9-21). Аланин поглощается печенью, глутамин — кишечником и почками. В кишечнике азот глутамина переносится в аланин или серин и в их составе транспортируется в печень, где активируется процесс глюконеогенеза. Интенсивность глюконеогенеза из этих аминокислот намного выше, чем из всех других. Таким образом, аланин и серин — основные гликогенные аминокислоты. Аминокислоты с разветвлённой боковой цепью (валин, лейцин, изолейцин и др.), которые освобождаются из мышц, направляются в мозг, где окисляются и служат важным источником энергии. Рис. 9-21. Обмен аминокислот между тканями и органами в постабсорбтивном периоде. В постабсорбтивный период свободные аминокислоты поступают преимущественно из мышц, в которых усиливается катаболизм белков. Аминокислоты используются в глюконеогенезе в печени. В крови повышен уровень аланина, серина и глутамина. 12. Синтез и распад глутамина – основной путь утилизации аммиака. Использование амидной группы глутамина в синтезе мочевины, солей аммония, пуриновых нуклеотидов и т.д. Высокие концентрации аммиака стимулируют синтез глутамина из глутамата в нервной ткани (при участии глутаминсинтетазы): Глутамат + NН3 + АТФ —> Глутамин + АДФ + Н3РO4. Накопление глутамина в клетках нейроглии приводит к повышению осмотического давления в них, набуханию астроцитов и в больших концентрациях может вызвать отёк мозга. Снижение концентрации глутамата нарушает обмен аминокислот и нейромедиаторов, в частности синтез y-аминомасляной кислоты (ГАМК), основного тормозного медиатора. При недостатке ГАМК и других медиаторов нарушается проведение нервного импульса, возникают судороги. • Ион NН4+ практически не проникает через цитоплазматические и митохондриальные мембраны. Избыток иона аммония в крови способен нарушать трансмембранный перенос одновалентных катионов Na+ и К+, конкурируя с ними за ионные каналы, что также влияет на проведение нервных импульсов. Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма, является синтез глутамина под действием глутамин- синтетазы: Глутаминсинтетаза локализована в митохондриях клеток, для работы фермента необходим кофактор — ионы Мg2+. Глутаминсинтетаза — один из основных регуляторных ферментов обмена аминокислот и аллостерически ингибируется АМФ, глюкозо-6-фосфатом, а также Гли, Ала и Гис. Глутамин легко транспортируется через клеточные мембраны путём облегчённой диффузии (для глутамата возможен только активный транспорт) и поступает из тканей в кровь. Основными тканями-поставщиками глутамина служат мышцы, мозг и печень. С током крови глутамин транспортируется в кишечник и почки. В клетках кишечника под действием фермента глутаминазы гидролитическое освобождение амидного азота в виде аммиака: происходит Образовавшийся в реакции глутамат подвергается трансаминированию с пируватом. α-Аминогруппа глутаминовой кислоты переносится в состав аланина (рис. 9-10). Большие количества аланина поступают из кишечника в кровь воротной вены и поглощаются печенью. Около 5% образовавшегося аммиака удаляется в составе фекалий, небольшая часть через воротную вену попадает в печень, остальные ~90% выводятся почками. Рис. 9-10. Метаболизм азота глутамина в кишечнике. В почках также происходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием аммиака. Этот процесс является одним из механизмов регуляции кислотно-щелочного равновесия в организме и сохранения важнейших катионов для поддержания осмотического давления. Глутаминаза почек значительно индуцируется при ацидозе, образующийся аммиак нейтрализует кислые продукты обмена и в виде аммонийных солей экскретируется с мочой (рис. 9-11). Эта реакция защищает организм от излишней потери ионов Na+ и К+, которые также могут использоваться для выведения анионов и утрачиваться. При алкалозе количество глутаминазы в почках снижается. Рис. 9-11. Метаболизм амидного азота глутамина в почках. В почках образуется и выводится около 0,5 г солей аммония в сутки. 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 (рис. 9-12). Рис. 9-12. Пути использования глутамина в организме. Ещё одной реакцией обезвреживания аммиака в тканях можно считать синтез аспарагина под действием аспарагинсинтетазы. Существуют 2 изоформы этого фермента — глутаминзависимая и аммиакзависимая, которые используют разные доноры амидных групп. Первая функционирует в животных клетках, вторая преобладает в бактериальных клетках, но присутствует и у животных. Однако такой путь обезвреживания аммиака в клетках человека используется редко и к тому же требует больших энергетических затрат (энергию двух макроэргических связей), чем синтез глутамина. Наиболее значительные количества аммиака обезвреживаются в печени путём синтеза мочевины. В первой реакции процесса аммиак связывается с диоксидом углерода с образованием карбамоилфосфата, при этом затрачиваются 2 молекулы АТФ. Реакция происходит в митохондриях гепатоцитов под действием фермента карбамоилфосфатсинтетазы I. Карбамоилфосфатсинтетаза II локализована в цитозоле клеток всех тканей и участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов (см. раздел 10). Карбамоилфосфат затем включается в орнитиновый цикл и используется для синтеза мочевины. В мозге и некоторых других органах может протекать восстановительное аминирование α-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. Из мышц и кишечника избыток аммиака выводится преимущественно в виде аланина. Этот механизм необходим, так как активность глутаматдегидрогеназы в мышцах невелика и непрямое дезаминирование аминокислот малоэффективно. Поэтому в мышцах существует ещё один путь выведения азота. Образование аланина в этих органах можно представить следующей схемой (см. схему ниже). Аминогруппы разных аминокислот посредством реакций трансаминирования переносятся на пируват, основным источником которого служит процесс окисления глюкозы. 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 аминокислот. Образовавшийся аланин поступает в печень, где подвергается непрямому дезаминированию. Выделившийся аммиак обезвреживается, а пируват включается в глюконеогенез. Глюкоза из печени поступает в ткани и там, в процессе гликолиза, опять окисляется до пирувата (рис. 913). 13. Утилизация аммиака в орнитиновом цикле мочевинообразования (химизм процесса, локализация различных этапов, регуляция, количество выводимой мочевины в сутки, энергетические затраты). Наиболее значительные количества аммиака обезвреживается в печени путем синтеза мочевины – орнитиновый цикл мочевинообразования. • Мочевина – основной конечный продукт азотистого обмена, в составе которого из организма выделяется до 90% всего выводимого азота. • Экскреция мочевины в норме – 25 г/сут. • Мочевина синтезируется только в печени. • Первые две реакции синтеза мочевины протекают в митохондриях, остальные три – в цитоплазме Источники азота для синтеза мочевины - Один атом азота из глутамина, второй – из аспартата. Энергетический баланс процесса: • Энергетические затраты синтеза одной молекулы мочевины – за 1 оборот цикла расходуется 4 макроэргические связи, которые компенсируются при дезаминировании глутамата и регенерации аспартата с образованием НАДН2 • Кроме того, энергетические затраты происходят и при трансмембранном переносе цитруллина и орнитина и при переносе мочевины из крови в почки за счет градиента Na+, создаваемого К+ , Na+ - АТФазы. Суммарное уравнение синтеза мочевины. СО2 + NH3 + Аспартат + 3АТФ + 2Н2О Мочевина + Фумарат + 2 (АДФ + Н3РО4 ) + + АМФ + Н3РО4 Полный набор ферментов орнитинового цикла есть только в гепатоцитах. •Регуляция цикла осуществляется активированием карбамоилфосфатсинтетазы 1 N – ацетилглутаматом. Биологическая роль цикла • Превращение азота аминокислот в мочевину и предотвращение накопления токсических продуктов, в том числе NH3. • Синтез оргинина и пополнение его фонда в организме В. Орнитиновый цикл Мочевина — основной конечный продукт азотистого обмена, в составе которого из организма выделяется до 90% всего выводимого азота (рис. 9-15). Экскреция мочевины в норме составляет ~25 г/сут. Рис. 9-15. Количество азотсодержащих веществ в моче (%) при нормальном белковом питании. При повышении количества потребляемых с пищей белков экскреция мочевины увеличивается. Мочевина синтезируется только в печени, что было установлено ещё в опытах И. П. Павлова. Поражение печени и нарушение синтеза мочевины приводят к повышению содержания в крови и тканях аммиака и аминокислот (в первую очередь, глутамина и аланина). В 40-х годах XX века немецкие биохимики Г. Кребс и К. Гензелейт установили, что синтез мочевины представляет собой циклический процесс, состоящий из нескольких стадий, ключевым соединением которого, замыкающим цикл, является орнитин. Поэтому процесс синтеза мочевины получил название «орнитиновый цикл», или «цикл Кребса—Гензелейта». 1. Реакции синтеза мочевины Мочевина (карбамид) — полный амид угольной кислоты — содержит 2 атома азота. Источником одного из них является аммиак, который в печени связывается с диоксидом углерода с образованием карбамоилфосфата под действием карбамоилфосфатсинтетазы I (см. схему А). Далее под действием орнитин-карбамоил- трансферазы карбамоильная группа карбамоилфосфата переносится на α-аминокислоту орнитин, и образуется другая αаминокислота — цитруллин (см. схему Б). В следующей реакции аргининосукцинатсин- тетаза связывает цитруллин с аспартатом и образует аргининосукцинат (аргининоянтарную кислоту). Этот фермент нуждается в ионах Мg2+. В реакции затрачивается 1 моль АТФ, но используется энергия двух макроэргических связей. Аспартат — источник второго атома азота мочевины (см. схему А). Далее фермент аргининосукцинатлиаза (аргининосукциназа) расщепляет аргининосукцинат на аргинин и фумарат, при этом аминогруппа аспартата оказывается в молекуле аргинина (см. схему Б ниже). Аргинин подвергается гидролизу под действием аргиназы, при этом образуются орнитин и мочевина. Кофакторами аргиназы являются ионы Са 2+ или Мn2+. Высокие концентрации орнитина и лизина, являющихся структурными аналогами аргинина, подавляют активность этого фермента: Образующийся орнитин взаимодействует с новой молекулой карбамоилфосфата, и цикл замыкается. Первые две реакции процесса происходят в митохондриях гепатоцитов. Затем цитруллин, являющийся продуктом этих реакций, транспортируется в цитозоль, где и осуществляются дальнейшие превращения (рис. 9-16). Рис. 9-16. Орнитиновый цикл Кребса-Гензелейта. Окислительное дезаминирование глутамата происходит в митохондриях. Ферменты орнитинового цикла распределены между митохондриями и цитозолем. Поэтому необходим трансмембранный перенос глутамата, цитруллина и орнитина с помощью специфических транслоказ. На схеме показаны пути включения азота двух разных аминокислот (аминокислота 1 и аминокислота 2) в молекулу мочевины: • одна аминогруппа — в виде аммиака в матриксе митохондрии; • вторую аминогруппу поставляет аспартат цитозоля. Суммарное уравнение синтеза мочевины: СO2 + NH3 + Аспартат + 3 АТФ + 2 Н2O —> Мочевина + Фумарат + 2 (АДФ + Н3РO4) + АМФ + Н4Р2O7. Аммиак, используемый карбамоилфосфатсинтетазой I, поставляется в печень с кровью воротной вены. Роль других источников, в том числе окислительного дезаминирования глутаминовой кислоты в печени, существенно меньше. Аспартат, необходимый для синтеза аргининосукцината, образуется в печени путём транс-аминирования аланина с оксалоацетатом. Аланин поступает главным образом из мышц и клеток кишечника. Источником оксалоацетата, необходимого для этой реакции, можно считать превращение фумарата, образующегося в реакциях орнитинового цикла. Фумарат в результате двух реакций цитратного цикла превращается в оксалоацетат, из которого путём трансаминирования образуется аспартат (рис. 9-17). Таким образом, с орнитиновым циклом сопряжён цикл регенерации аспартата из фумарата. Пируват, образующийся в этом цикле из аланина, используется для глюконеогенеза. Рис. 9-17. Цикл регенерации аспартата, сопряжённый с орнитиновым циклом. Ещё одним источником аспартата для орнитинового цикла является трансаминирование глутамата с оксалоацетатом. 2. Энергетический баланс процесса В реакциях орнитинового цикла расходуются четыре макроэргических связи трёх молекул АТФ на каждый оборот цикла. Однако процесс превращения аминокислот в безазотистые остатки и мочевину имеет пути компенсации энергозатрат: • при включении фумарата в ЦТК на стадии дегидрирования малата образуется NАDН, который обеспечивает синтез 3 молекул АТФ (рис. 9-18); • при окислительном дезаминировании глутамата в разных органах также образуется NАDН, соответственно — ещё 3 молекулы АТФ. Затраты энергии происходят также и при трансмембранном переносе веществ, связанном с синтезом и экскрецией мочевины (рис. 9-18). Первые две реакции орнитинового цикла происходят в митохондриях, а последующие три — в цитозоле. Цитруллин, образующийся в митохондрии, должен быть перенесён в цитозоль, а орнитин, образующийся в цитозоле, необходимо транспортировать в митохондрию. Кроме того, в почках перенос мочевины из крови в мочу происходит путём активного транспорта за счёт градиента ионов натрия, создаваемого К +, Na+-АТФ-азой, что тоже сопряжено с энергозатратами. Рис. 9-18. Взаимосвязь орнитинового цикла и общего пути катаболизма. Фумарат, образующийся в результате расщепления аргининосукцината, превращается в малат, который затем переносится в митохондрии, включается в ЦТК и дегидрируется с образованием оксалоацетата. Эта реакция сопровождается выделением 3 молекул АТФ, которые и компенсируют затраты энергии на синтез одной молекулы мочевины. Полный набор ферментов орнитинового цикла есть только в гепатоцитах. Отдельные же ферменты орнитинового цикла обнаруживаются не только в печени, но и в других клетках. В энтероцитах, например, имеется карбамоилфосфат- синтетаза I и орнитинкарбамоилтрансфераза, следовательно, может синтезироваться цитрул лин. В почках обнаружены аргининосукцинат- синтетаза и аргининосукцинатлиаза. Цитруллин, образовавшийся в энтероцитах, может поступать в почки и превращаться там в аргинин, который переносится в печень и гидролизуется аргиназой. Активность этих рассеянных по разным органам ферментов значительно ниже, чем в печени. 3. Биологическая роль орнитинового цикла Кребса—Гензелейта Орнитиновый цикл в печени выполняет 2 функции: • превращение азота аминокислот в мочевину, которая экскретируется и предотвращает накопление токсичных продуктов, главным образом аммиака; • синтез аргинина и пополнение его фонда в организме. Регуляторные стадии процесса — синтез карбамоилфосфата, синтез цитруллина и заключительная стадия, катализируемая аргиназой. Эффективность работы орнитинового цикла при нормальном питании человека и умеренных физических нагрузках составляет примерно 60% его мощности. Запас мощности необходим для избежания гипераммониемии при изменениях количества белка в пище. Увеличение скорости синтеза мочевины происходит при длительной физической работе или длительном голодании, которое сопровождается распадом тканевых белков. Некоторые патологические состояния, характеризующиеся интенсивным распадом белков тканей (сахарный диабет и др.), также сопровождаются активацией орнитинового цикла. При избыточном белковом питании количество ферментов орнитинового цикла в печени увеличивается, что приводит к интенсификации синтеза мочевины. 14. Наследственные нарушения орнитинового цикла – гипераммониемии, их основные причины и проявления. 4. Типераммониемия Нарушение реакций обезвреживания аммиака может вызвать повышение содержания аммиака в крови — гипераммониемию, что оказывает токсическое действие на организм. Причинами гипераммониемии могут выступать как генетический дефект ферментов орнитинового цикла в печени, так и вторичное поражение печени в результате цирроза, гепатита и других заболеваний. Известны пять наследственных заболеваний, обусловленных дефектом пяти ферментов орнитинового цйкла. Заболевание Дефект фермента Гипераммониемия, тип I Гипераммониемия, тип II Цитруллинемия Аргининосукцинатурия Гипераргининемия Карбамоил- фосфат- синтетаза I Орнитин-карбамоилтрансфераза Аргинино-сукцинат-синтетаза Аргинино-сукцинат-лиаза Аргиназа
