Единица 1 Роль белков в питании. Азотистый баланс Переваривание белков в желудке и кишечнике, всасывание аминокислот Трансаминирование и дезаминирование аминокислот Модульная единица 2
![]()
|
ТЕМА 9.3. ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ И ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ 1. Промежуточный обмен аминокислот чаще всего начинается с отщепления α-аминогруппы от аминокислоты. Это происходит с помощью двух типов реакций: • трансаминирования; • дезаминирования. Трансаминирование - реакция переноса аминогруппы с аминокислоты (донора) на α-кетокислоту (акцептор), в результате чего образуются новая кетокислота и новая аминокислота. Реакция обратима. ![]() Аминотрансферазы обладают субстратной специфичностью к разным аминокислотам. В тканях человека обнаружено более 10 различных аминотрансфераз. Наиболее распространенными являются: • аспартатаминотрансфераза (АСТ), по обратной реакции - глутаматоксалоацетаттрансаминаза; • аланинаминотрансфераза (АЛТ), по обратной реакции - глутаматпируваттрансаминаза. Название каждой аминотрансферазы включает названия субстратов: • донора аминогруппы (аминокислоты); • акцептора аминогруппы (α-кетокислоты). Например, фермент, катализирующий реакцию ![]() Основными донорами аминогрупп в реакциях трансаминирования являются глутамат, аспартат и аланин. Реакции трансаминирования играют большую роль в обмене аминокислот.
• Путем трансаминирования из соответствующих α-кетокислот синтезируются заменимые аминокислоты, если их в данный момент в ткани недостаточно. Таким образом происходит перераспределение аминного азота в тканях и органах. • ![]() Трансаминирование происходит во многих тканях, но наиболее активно - в печени. 2. В клинике широко используется определение активности некоторых аминотрансфераз в сыворотке крови, особенно часто - АСТ и АЛТ. Эти ферменты являются органоспецифическими, наиболее активны в клетках печени и сердца. В норме их активность в крови мала - 5-40 ЕД/л. Существуют изоферменты АСТ: цитозольная форма (ц-АСТ) и митохондриальная (м-АСТ). В печени, миокарде и большинстве других органов м-АСТ представляет 80% массы фермента, но в сыворотке - лишь менее 12% как у здоровых людей, так и у больных. Повышение активности м-АСТ в сыворотке крови имеет место при острых поражениях печени, инфаркте миокарда, сопровождающихся некрозом тканей и разрушением клеточных мембран, при этом повышение активности м-АСТ отражает тяжесть болезни, поражение органа и прогноз. Определение активности АЛТ и АСТ применяется для диагностики заболеваний миокарда и печени, в том числе при отравлении хлорорганическими соединениями, используемыми на химических производствах (CCl4, хлороформ и др.). В этом случае активность ферментов в сыворотке крови увеличивается до 400 ед. и больше. • Особенно важное значение для диагностики имеет увеличение активности АЛТ при безжелтушных формах вирусного гепатита. • Для определения степени поражения печени и сердца определяют соотношение активностей АСТ-АЛТ в сыворотке крови - коэффициент де Ритиса, который в норме составляет 1,33+0,42.
• При гепатитах активность АЛТ увеличивается в 6-8 раз по сравнению с нормой, а АСТ - в 2-4 раза (рис. 9.4). Коэффициент де Ритиса уменьшается до -0,6. Однако при циррозе печени коэффициент де Ритиса приближается к 1,0 вследствие развивающегося некроза тканей и выхода в кровь митохондриальной фракции АСТ. • При инфаркте миокарда активность АСТ увеличивается в 8-10 раз, а активность АЛТ - в 1,5-2 раза (рис. 9.5). Коэффициент де Ритиса значительно увеличивается. При стенокардии, пороках сердца, инфаркте легкого активность аминотрансфераз в крови не увеличивается, что дает возможность дифференциальной диагностики заболеваний сердца. ![]() ![]() Особую важность имеет возможность дифференциальной диагностики тяжести заболеваний печени и сердца, а также анализ динамики течения заболевания. 3. Катаболизм аминокислот начинается с реакции дезаминирования - удаления α-аминогруппы, которая выделяется в виде аммиака и образования безазотистого остатка (α-кетокислоты). При дезаминировании в отличие от трансаминирования общее количество аминокислот уменьшается. Продукт дезаминирования аммиак - токсичное соединение, в клетках подвергается обезвреживанию. Безазотистый остаток представляет собой α-кетокислоту, которая включается: • в реакции окисления до СО2 и Н2О; • в реакции трансаминирования для синтеза заменимых аминокислот; • в анаплеротические реакции для восполнения убыли метаболитов ОПК или для синтеза других соединений; • в глюконеогенез; • в кетогенез. Дезаминированию подвергаются все аминокислоты кроме лизина и пролина (табл. 9.3). Существует несколько типов реакций дезаминирования:
• окислительное - характерно только для Глу; • неокислительное - характерно для Сер, Тре и Гис; • непрямое - для остальных аминокислот. Прямому окислительному дезаминированию подвергается только глутамат. Окислительное дезаминирование глутамата происходит под действием фермента глутаматдегидрогеназы, коферментом которого является NAD+. Реакция идет в митохондриях многих тканей, наиболее активно - в печени. В реакцию неокислительного дезаминирования вступают: • серин и треонин - с отщеплением воды; • гистидин - внутримолекулярным способом. Большинство аминокислот подвергается в клетке непрямому дезаминированию, которое включает две стадии: А. Трансаминирование с α-кетоглутаратом и образование Глу в цитозоле клетки; Б. Окислительное дезаминирование Глу в митохондриях. Центральную роль в непрямом дезаминировании играют глутамат и α-кетоглутарат. Другой тип дезаминирования аминокислот - непрямое неокислительное - происходит с участием цикла ИМФ-АМФ и характерен для мышечной ткани и мозга, в которых глутаматдегидрогеназа малоактивна: ![]() Таблица 9.3. Реакции дезаминирования аминокислот ![]() • голодании в результате ускорения распада белков тканей; • поступлении с пищей больших количеств белка; • сахарном диабете и других длительно протекающих тяжелых заболеваниях, также сопровождающихся распадом тканевых белков. ТЕМА 9.4. ОБМЕН АММИАКА: ИСТОЧНИКИ, ПРЕВРАЩЕНИЕ В ТКАНЯХ 1. Основным источником аммиака является катаболизм аминокислот в тканях. Небольшая часть аммиака образуется в клетках при распаде азотсодержащих соединений (биогенных аминов, нуклеотидов и др.) (рис. 9.7), а также при гниении белков в кишечнике в результате деятельности микрофлоры, откуда он частично всасывается и поступает в воротную вену. Концентрация аммиака в крови воротной вены существенно выше, чем в общем кровотоке.
Катаболизм аминокислот и образование аммиака происходит во всех тканях организма. Однако концентрация аммиака в крови очень мала, так как он быстро связывается в клетках с образованием нетоксичных продуктов. Содержание аммиака в крови в норме составляет всего 0,4-0,7 мг/л (25-40 мкмоль/л). Из организма аммиак выводится почками в виде конечных продуктов азотистого обмена: • мочевины - синтезируется в печени; • аммонийных солей - образуются в почках. ![]() 2. В разных тканях существует несколько способов связывания и выведения аммиака (рис. 9.8). Основной реакцией обезвреживания аммиака почти во всех тканях является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы: ![]() Глутамин можно считать транспортной формой аммиака, он является нейтральной аминокислотой и способен легко проникать через клеточные мембраны путем облегченной диффузии (в отличие от глутамата, требующего механизмов активного транспорта). Глутамин поступает в кровь из многих органов, в наибольшем количестве - из мышц и мозга (см. рис. 9.8). 3. Из тканей глутамин транспортируется в почки и кишечник. В клетках кишечника под действием фермента глутаминазы происходит отщепление амидной группы в виде NH3 а образовавшийся глутамат с помощью АЛТ превращается в аланин. ![]() 4. В почках глутамин также подвергается действию фермента глутаминазы и расщепляется на глутамат, который реабсорбируется и возвращается в клетки тканей, и аммиак (см. рис. 9.8, В).
![]() А - выведение азота из мышц и кишечника в составе аланина и глутамина; Б - выведение азота из мозга и мышц в виде глутамина; В - экскреция аммиака из почек в виде аммонийных солей; Г - включение азота аминокислот в мочевину в печени Глутаминаза почек активируется при ацидозе; образовавшийся аммиак используется для нейтрализации кислых продуктов и образования аммонийных солей [в основном, NH4Cl, (NH4)2SO4], которые экскретируются с мочой (рис. 9.9). Экскреция солей аммония в норме составляет -0,5 г/сут, при ацидозе выведение аммонийных солей может увеличиться до 10 г/сут. Этот путь выведения аммиака: • поддерживает кислотно-щелочной баланс в норме; • защищает организм от потери с мочой ионов Na+ и К+, которые также могут использоваться для выведения избытка анионов. ![]() 5. В мозге и некоторых других органах для обезвреживания аммиака используется реакция восстановительного аминирования α-кетоглутаратапод действием глутаматдегидрогеназы, которая катализирует реакцию, обратную окислительному дезаминированию глутамата. Однако этот путь в тканях используется слабо. Хотя, если учитывать возможность последующего образования глутамина, он является выгодным для клеток, так как способствует обезвреживанию сразу двух молекул NH3: ![]() ![]()
где подвергается непрямому дезаминированию. Выделившийся аммиак обезвреживается в процессе синтеза мочевины, а пируват включается в глюконеогенез или ОПК. Глюкоза из печени поступает в ткани и в процессе гликолиза окисляется до пирувата. Образование аланина в мышцах, его перенос в печень и перенос глюкозы в обратном направлении составляют глюкозоаланиновый цикл (см. рис. 9.8, А, Г). 7. В печени аммиак обезвреживается путем связывания с СО2 и образования карбамоилфосфата (см. рис. 9.8, Г). Реакцию катализируеткарбамоилфосфатсинтетаза I, которая использует 2 моль АТФ. Фермент локализован в митохондриях гепатоцитов. Продукт реакции -карбамоилфосфат - включается затем в орнитиновый цикл Кребса-Гензелейта для синтеза мочевины. ТЕМА 9.5. ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ И ЕГО БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ 1. Мочевина - конечный продукт азотистого обмена, в составе которого из организма выводится избыток аммиака. Экскреция мочевины в норме составляет -25 г/сут. Синтез мочевины происходит только в печени (рис. 9.10). Содержание мочевины в сыворотке крови в норме составляет 2,5-8,4 мМ/л (15-50 мг/дл). Катаболизм аминокислот и образование аммиака происходит во многих тканях. Азот из тканей транспортируется в печень в составе трех соединений: глутамина, аланина и аммиака. Полный набор ферментов цикла синтеза мочевины есть только в гепатоцитах. Первые две реакции протекают в митохондриях, а последующие три - в цитозоле. Молекула мочевины (карбамида, двойного амида угольной кислоты) содержит два атома азота: • первая аминогруппа (ем. рис. 9.10) включается в цикл в виде аммиака, образующегося в митохондриях гепатоцитов при дезаминировании аминокислот или поступающего из крови. Реакцию катализирует митохондриальная карбамоилфосфатсинтетаза I (цитоплазматическая карбамоилфосфатсинтетаза II участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов);
• вторая аминогруппа (см. рис. 9.10) вводится в молекулу мочевины из аспартата. 2. Аммиак, используемый карбамоилфосфатсинтетазой I, поставляется в печень, главным образом, из кишечника с кровью воротной вены.Роль других источников, в том числе окислительного дезаминирования глутамата и гидролиза глутамина в печени, существенно меньше. ![]() Ферменты орнитинового цикла локализованы в митохондриях и цитозоле гепатоцитов. В цикле происходит трансмембранный перенос цитруллина и орнитина. На схеме показаны пути включения двух атомов азота из разных аминокислот в молекулу мочевины: - азот одной аминогруппы - в виде аммиака в матриксе митохондрии (*N); - азот второй аминогруппы поставляется в составе аспартата в цитозоле (**N) Аспартат, необходимый для синтеза аргининосукцината, образуется в печени: • преимущественно с использованием аминогруппы аланина, который поступает из мышц и клеток кишечника (рис. 9.11); • путем трансаминирования глутамата с оксалоацетатом. Образующийся в орнитиновом цикле фумарат включается в реакции цитратного цикла и превращается в оксалоацетат, который путем трансаминирования снова образует аспартат (см. рис. 9.11). Таким образом, с орнитиновым циклом сопряжен цикл регенерации аспартата из фумарата. Пируват, образующийся в этом цикле, используется в ОПК или для глюконеогенеза. ![]() Ферменты, катализирующие реакции: 1 - аминотрансфераза; 2 - глутаматдегидрогеназа; 3 - фумараза; 4 - малатдегидрогеназа; 5 - аминотрансфераза 3. В орнитиновом цикле расходуется энергия четырех макроэргических связей трех молекул АТФ на синтез одной молекулы мочевины. Затраты энергии происходят также при трансмембранном переносе компонентов цикла (цитруллина, орнитина, мочевины) (см. рис. 9.10). В почках перенос мочевины из крови в мочу происходит за счет градиента ионов натрия, создаваемого К, Na-АТФазой, которая потребляет АТФ.
Процесс синтеза мочевины имеет возможность компенсации энергозатрат (см. рис. 9.11): • при регенерации аспартата из фумарата на стадии дегидрирования малата образуется NADH, который может обеспечить синтез трех молекул АТФ; • при окислительном дезаминировании глутамата в разных органах также образуется NADH, соответственно - еще три молекулы АТФ. 4. Орнитиновый цикл в печени выполняет две функции: • превращение азота аминокислот в мочевину, которая экскретируется и помогает избежать накопления аммиака в организме; • синтез аргинина и пополнение его фонда в организме. Эффективность работы орнитинового цикла при нормальном питании человека и умеренных физических нагрузках составляет примерно 60% его мощности. Такой запас мощности необходим для предотвращения гипераммониемии при изменениях количества белка в пище. 5. Регуляторными реакциями являются синтез карбамоилфосфата, цитруллина и заключительная реакция, катализируемая аргиназой. Основным регуляторным фактором является содержание субстратов, прежде всего аммиака. Высокий уровень NH3 вызывает повышение уровня образования мочевины. Кроме того, скорость орнитинового цикла регулируется с помощью двух механизмов: • аллостерическая активация карбамоилфосфатсинтетазы I N-ацетил- глутаматом (N-АГ); • индукция синтеза ферментов карбамоилфосфатсинтетазы I, орнитинкарбамоилтрансферазы и аргиназы кортизолом. N-ацетилглутамат является активатором карбамоилфосфатсинтетазы I. Образуется в матриксе митохондрий гепатоцитов из глутамата и ацетил-КоА специфической синтазой (рис. 9.12), которая активируется при повышении содержания аргинина в печени. ![]() Индукция синтеза ферментов орнитинового цикла происходит в ответ на повышение скорости распада белков при голодании, длительной физической работе и при высокобелковой диете. В этих случаях углерод аминокислот превращается в глюкозу, а азот включается в молекулу мочевины. Индукция синтеза ферментов орнитинового цикла происходит параллельно с индукцией ферментов глюконеогенеза, АЛТ и глутаматдегидрогеназы. Заболевания, характеризующиеся интенсивным распадом белков тканей (сахарный диабет и др.), также сопровождаются активацией орнитинового цикла. |