Метаболизм белков
 Скачать 237.5 Kb.
|
|
ВЫСОКОСПЕЦИФИЧНЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ Адсорбционный центр этих ферментов имеет сложное строение. Они способны распознавать структуру радикала не только одной из аминокислот, но целого участка полипептидной цепи, в составе которого находится пептидная связь, которую гидролизует фермент. Часто высокоспецифичная протеиназа может узнать и гидролизовать только одну связь из сотен других, имеющихся в белке-субстрате. Такое высокоспецифичное расщепление молекулы белка в одном строго определенном месте называется “ограниченный протеолиз”. Высокоспецифичные протеиназы можно разделить на две группы: 1. Внутриклеточные высокоспецифичные протеиназы. Обеспечивают постсинтетическую модификацию белка. Молекулы белка синтезируется в рибосомах в виде единственного полипептида, в составе которого гораздо больше аминокислот, чем в том белке, который затем из него образуется. Постсинтетическая модификация белка включает в себя множество разнообразных процессов, которые различны для каждого отдельного белка. Например, может происходить химическая модификация некоторых аминокислотных радикалов (так, пролин в составе коллагена превращается в оксипролин). После синтеза белка к нему присоединяются углеводные фрагменты. Так образуются гликозилированнные белки. Постсинтетические превращения, которые сопровождают ограниченный протеолиз, называются "ПРОЦЕССИНГ БЕЛКА". Все реакции процессинга можно разделить на две фазы: а) отщепление "сигнального" пептида; б) последующая постсинтетическая модификация. Обычно белки синтезируются так, что на N-конце такого белка имеется последовательность от 15 до 30 аминокислотных фрагментов, которые не входят в состав окончательного белка. Оказалось, что в такой СИГНАЛЬНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ (или сигнальном пептиде очень много аминокислот с гидрофобными радикалами. Поэтому сигнальная последовательность очень устойчива к действию протеолитических ферментов. Гидрофобность сигнальной последовательности обеспечивает молекуле белка проникновение через мембраны. Выделяют три главные функции сигнальных пептидов: а) обеспечивают устойчивость синтезированного белка к протеолизу на всем пути этого белка от рибосом до места, где белок выполняет свою функцию в клетке; б) создают условия для переноса белка через мембраны. Таким образом, сигнальные пептиды обеспечивают транспорт белка от места синтеза к месту назначения - обеспечивают адресную функцию. Даже после отщепления сигнального пептида формирование окончательного белка еще на закончено: остается длинная полипептидная цепь, которая еще должна быть укорочена. Опять протекает серия реакций ограниченного протеолиза, в результате которых полипептидная цепь укорачивается по-разному: иногда происходит укорочение путем гидролиза со стороны С-конца; иногда гидролиз происходит со стороны N-конца; в некоторых случаях расщепление полипептида происходит в середине цепи в результате гидролиза в двух местах. ПРИМЕРЫ РАБОТЫ ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ВЫСОКОСПЕЦИФИЧНЫХ ПРОТЕИНАЗ Пример 1: СОЗРЕВАНИЕ МОЛЕКУЛЫ ГОРМОНА ИНСУЛИНА:  Созревшая молекула состоит из двух полипептидных цепей, которые соединены двумя дисульфидными связями. В одной цепи (А-цепь) содержится 21 аминокислотный остаток, а во второй (В-цепь) - 30 аминокислотных остатков. Оказалось, что этот белок синтезируется в виде единственной полипептидной цепи (ПРЕПРОИНСУЛИН), в которой содержится 100 аминокислотных остатков. После гидролиза со стороны N-конца от молекулы отрывается сигнальный пептид (16 аминокислот) и образуется ПРОИНСУЛИН. Наличие сигнальной последовательности в препроинсулине позволяет ему проникать через мембраны трубочек эндоплазматического ретикулума. А превращение препроинсулина в проинсулин происходит внутри трубочек под действием высокоспецифичной протеиназы. Затем, в аппарате Гольджи начинается и в секреторных гранулах завершается вторая группа реакций процессинга. В ходе этих реакций образуется В-цепь, а затем со стороны С-конца на расстоянии в 20 аминокислотных фрагментов от конца происходит гидролиз связи между арг79 и гли80. В конечном счете от молекулы проинсулина отделяется 33-членный срединный пептид. В результате образуется ИНСУЛИН. Пример 2. СОЗРЕВАНИЕ МОЛЕКУЛЫ АДРЕНОКОРТИКОТРОПНОГО ГОРМОНА ГИПОФИЗА (АКТГ). Белок кортикотропин синтезируется в составе более крупной молекулы, которая содержит 264 аминокислотных фрагмента и называется ПРООПИОКОРТИН.  Сам АКТГ состоит из аминокислот от 131-й до 170-й в составе этого белка, а остальные участки содержат сигнальную последовательность и в составе этой же молекулы содержится полипептид, из которого образуется меланоцитстимулирующий гормон (МСГ). В ходе процессинга от проопиокортина вначале отщепляется сигнальная последовательность и затем после двух реакций протеолиза со стороны N-конца и С-конца отделяется пептид гамма2-МСГ (меланоцитстимулирующий гормон). АКТГ освобождается с N-конца. КЛИП - кортикотропинподобный пептид промежуточной доли гипофиза. На С-концевой части этого пептида содержатся последовательности, из которых образуются ЭНДОРФИНЫ (эндогенные морфины). По структуре они являются пептидами. Например, пептид скотофобин вызывает у животных боязнь темноты (даже если животным, ведущим ночной образ жизни, его ввести, то они начинают бояться темноты). Внутриклеточные протеиназы, которые обеспечивают реакции процессинга, обладают высокой субстратной специфичностью. Каждая такая протеиназа действует на один определенный белок, а следующая протеиназа действует только на продукт первой реакции. Совсем по другому организованы системы внеклеточных протеиназ. ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ПРОТЕИНАЗЫ Примером может служить система свертывания крови. Это совокупность более чем десяти разных белков. Многие из этих белков являются неактивными формами протеиназ (т.е. проферментами). Например, среди белков системы свертывания крови имеется фактор XII. Он вступает в контакт с чужеродной поверхностью (например, со стеклом при повреждении стенки сосуда) и при этом происходят конформационные изменения. На поверхность молекулы выступает ее активный центр, который был раньше спрятан. Этот белок уже становится активным и может разрушать одну пептидную связь в другом белке, который тоже в результате этого воздействия из профермента превращается в активный фермент. Для этого активного фермента субстратом является следующий белок плазмы, который превращается под действием второго звена из профермента в активный фермент, пока процесс не дойдет до фибриногена. Очередной протеолитический фермент действует на фибриноген, превращая его в фибрин. Фибрин - не является ферментом, он плохо растворим в воде, образует нити, которые выпадают в осадок. В этом осадке запутываются форменные элементы крови. Так образуется кровяной сгусток. Именно высокая субстратная специфичность позволяет протеиназам плазмы образовать в крови систему, звенья которой работают строго последовательно. Эта система - система свертывания крови работает по принципу каскадности. Происходит постепенное усиление первоначально слабого сигнала. Свертывание крови происходит постоянно, но оно уравновешивается процессом фибринолиза. Это обеспечивается наличием в плазме крови фермента плазмина, который образуется из плазминогена и не является звеном каскада свертывания. Плазмина, который содержится в крови, достаточно, чтобы обеспечить гидролиз фибрина внутри сосудов. При нарушениях фибринолиза наблюдается ДВС-синдром (синдром диссеминированного внутрисосудистого свертывания). К протеолитическим системам плазмы крови относятся также СИСТЕМА КОМПЛЕМЕНТА и СИСТЕМА РЕГУЛЯЦИИ СОСУДИСТОГО ТОНУСА (с помощью вазоактивных пептидов). Подробно об этих системах, а также о работе системы свертывания крови изложено в лекции “ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КРОВИ”. КАТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ. 80% аминокислот, которые поступают в организм из желудочно-кишечного тракта, используются для синтеза белков. Остальные 20% вступают в метаболические процессы. Все эти процессы можно разделить на 2 группы: 1. Общие пути катаболизма аминокислот (для всех аминокислот они одинаковы). В них принимает участие общая часть молекулы аминокислоты. 2. Специфические пути метаболизма для каждой отдельной аминокислоты (разные для разных аминокислот) - участвуют радикалы аминокислот. Это - особенности обмена отдельных аминокислот. ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА АМИНОКИСЛОТ 1. Декарбоксилирование 2. Дезаминирование 3. Трансаминирование (переаминирование) ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ В природе встречаются разные типы декарбоксилирования аминокислот. В организме человека происходит только окислительное декарбоксилирование. Ферменты - декарбоксилазы. Их простетическая группа представлена пиридоксальфосфатом - это активная форма витамина В6: В реакциях декарбоксилирования участвует альдегидная группа пиридоксальфосфата:  Аминокислота соединяется с активным центром фермента, в состав которого входит альдегидная группа ПФ. Образуются Шиффовы основания (альдимины и кетимины). В результате СООН-группа становится лабильной и отщепляется в виде СО2. Далее происходит гидролиз до соответствующего амина. Эта реакция необратима. Отнятие СО2 происходит без окисления. Субстратная специфичность декарбоксилаз очень разная.  1. ГЛУТАМАТДЕКАРБОКСИЛАЗА - высокоспецифичный фермент. Работает в клетках серого вещества головного мозга. Катализирует реакцию превращения глутаминовой кислоты в гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК). ГАМК является медиатором тормозных импульсов в нервной системе. ГАМК и ее аналоги применяются в медицине как нейротропные средства для лечения эпилепсии и других заболеваний. 2. ОРНИТИН-ДЕКАРБОКСИЛАЗА - высокоспецифичный фермент. Катализирует превращение орнитина в путресцин:  Образующийся ПУТРЕСЦИН (диаминобутан) является трупным ядом. В результате присоединения остатков пропиламина из путресцина могут образоваться СПЕРМИН и СПЕРМИДИН, содержащие 3 (у спермина) или 4 (у спермидина) имино- или аминогруппы.  Спермин и спермидин относятся к группе биогенных полиаминов. Введение полиаминов в организм снижает температуру тела и кровяное давление. Полиамины принимают участие в процессах пролиферации клеток и роста тканей, а также в регуляции биосинтеза белка. Они являются ингибиторами некоторых ферментов, в том числе протеинкиназ. Орнитиндекарбоксилаза - это первый фермент на пути образования путресцина и остальных полиаминов, это регуляторный фермент процесса. В культуре клеток добавление некоторых гормонов ускоряет биосинтез орнитиндекарбоксилазы в 10-200 раз. Период полужизни орнитиндекарбоксилазы - 10 минут. Добавление в культуру клеток самих полиаминов приводит к индукции биосинтеза другого белка - ингибитора орнитиндекарбоксилазы. При раковых заболеваниях обнаружено резкое увеличение секреции полиаминов и повышение их экскреции с мочой. 3. ГИСТИДИНДЕКАРБОКСИЛАЗА Этот фермент имеет абсолютную субстратную специфичность - превращает гистидин в гистамин:  Гистамин является медиатором и содержится в нервных клетках и в тучных клетках. Обладают сильным сосудорасширяющим действием. Особенно много его выделяется в очаге воспаления. Гистамин играет важную роль в проявлении аллергических реакций. Известно 2 типа рецепторов к гистамину:H1 и H2. Эффекты гистамина: - расширение капилляров и повышение сосудистой проницаемости; - понижение артериального давления; - повышение тонуса (спазм) гладких мышц - в том числе гладкой мускулатуры бронхов; - усиление секреции желудочного сока; Некоторые из этих эффектов позволяют гистамину принимать участие в формировании аллергических проявлений. Антигистаминные препараты применяются с целью предотвратить образование гистамина и обладают противовоспалительным и антиаллергическим действием. По механизму действия некоторые из них являются ингибиторами гистидин-декарбоксилазы, а другие конкурируют с гистамином за взаимодействие с рецепторами клеток. Например, лекарственный препарат циметидин и его аналоги блокируют Н2-рецепторы и таким образом понижают секрецию желудочного сока. Применяются при лечении язвенной болезни желудка. Блокаторы Н1-рецепторов используются в основном как противоаллергические средства - димедрол, тавегил, супрастин, пипольфен, грандаксин. Некоторые из этих препаратов вызывают сонливость. 4. ДЕКАРБОКСИЛАЗА АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ Имеет широкую субстратную специфичность. Превращает несколько разных аминокислот: а) триптофан - в триптамин б) 5-окситриптофан - в триптамин (серотонин) в) 3,4-диоксифенилаланин - в дофамин г) гистидин - в гистамин  Серотонин вырабатывается в нервной ткани. Некоторые виды головных болей (мигрени) связаны с избыточной выработкой серотонина. Серотонин сужает сосуды, регулирует свертывание крови. Обладает антиаллергическим действием. Триптамин обладает сходным эффектом. Аминокислота фенилаланин может в результате окисления присоединять две ОН-группы в кольце и превращаться в диоксифенилаланин (ДОФА). Из него под действием ДЕКАРБОКСИЛАЗЫ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ образуется дофамин. Дофамин является предшественником катехоламинов - норадреналина и адреналина.  Кроме функции предшественника, ДОФАмин имеет свои специфические функции. Если ДОФА метилируется, то образуется a-метил-ДОФА. Это соединение является сильным ингибитором декарбоксилазы ароматических аминокислот. Применяется как лекарственный препарат для понижения артериального давления (называется - альдомет). БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕАКЦИЙ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ АМИНОКИСЛОТ 1. Реакции необратимы - приводят к необратимому распаду аминокислот. 2. Образуется значительное количество СО2 - конечного продукта метаболизма, который выводится из организма. 3. Образуются амины, которые обладают высокой биологической активностью. Поэтому такие амины называют биологически активными или биогенными аминами. Они являются медиаторами, с помощью которых сигнал передается от одной клетки к другой и от одной молекулы к другой. ИНАКТИВАЦИЯ БИОГЕННЫХ АМИНОВ Если биогенные амины обладают высокой биологической активностью, то они должны быстро разрушаться после выполнения своей функции. В организме имеются механизмы, позволяющие разрушать биогенные амины. МЕХАНИЗМЫ ИНАКТИВАЦИИ:  1. Метилирование по оксигруппам тех аминов, которые такие группы содержат, либо включают оксигруппы в свою молекулу после гидроксилирования. Ферменты - О-МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ. Они переносят метильную группу на кислород. Источник метильного радикала: S-Аденозилметионин. После присоединения аденильного остатка АДФ к сере метионина, метильная группа метионина становится очень мобильной и легко переносится на разные вещества. В том числе и на кислород оксигрупп. 2. Окисление амина по аминогруппе с целью дезаминирования. Главный путь инактивации биогенных аминов - их окисление под действием оксидаз с отщеплением аминогруппы. В результате исчезает биологическая активность амина.  Оксидазы биогенных аминов: моноаминооксидаза (МАО), диаминооксидаза (ДАО), полиаминооксидаза. Оксидазы отнимают два протона и два электрона и передают их сразу на кислород. Образуется перекись водорода, а амин превращается в ИМИН. Этот имин легко гидролизуется без участия фермента и превращается в альдегид. Простетической группой ферментов оксидаз является ФАД или ФМН, т.е. они являются флавопротеинами. Вторая реакция (гидролиз) необратима. Образовавшийся в итоге альдегид легко окисляется до карбоновой кислоты, которая распадается до СО2 и H2O. МАО в клетке больше, чем ДАО. Угнетение МАО приволит к замедлению распада биогенных аминов. Такие лекарства продлевают период существования биогенных аминов, что особенно важно при их недостатке. Эти вещества играют роль антидепрессантов и используются, в частности, при лечении шизофрении. Аминокислоты декарбоксилируются в цитоплазме, а окисление аминов происходит в наружной мембране митохондрий. Поскольку реакция декарбоксилирования аминокислот и разрушение биогенных аминов происходят не одновременно, то биогенные амины могут некоторое время существовать и выполнять свою биологическую функцию. ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ У человека происходит в основном путем окислительного дезаминирования. Эти реакции протекают с помощью двух ферментов: - оксидаза Д-аминокислот - оксидаза L-аминокислот  Эти ферменты обладают групповой стереоспецифичностью. Оксидазы отнимают протоны и электроны от аминокислот с помощью такого же механизма, как и оксидазы, обеспечивающие дезаминирование биогенных аминов. Эти ферменты являются флавопротеинами и содержат в качестве простетической группы ФАД или ФМН: На первой стадии образуется иминокислота, а затем, после спонтанного гидролиза образуется альфа-кетокислота. Кроме оксидаз имеется еще один фермент, катализирующий окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты - глутамат-дегидрогеназа (глутаматДГ). Этот фермент является НАД-зависимым и обладает высокой активностью (как и другие НАД-зависимые дегидрогеназы). В этом его отличие от оксидаз аминокислот, которые медленно превращают аминокислоты в физиологических условиях (поэтому в клетке сохраняется большинство аминокислот). Так как глутамат-ДГ является никотинамидной, то отнимаемые протоны и электроны не передаются сразу на кислород, а транспортируются по полной цепи МтО с образованием воды и параллельным образованием трех молекул АТФ.  Глутамат-ДГ обладает высокой активностью и этим отличается от МАО и ДАО. Глутамат-ДГ является регуляторным ферментом - он ингибируется избытком АТФ, и активируется избытком АДФ. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕАКЦИЙ ДЕЗАМИНИРОВАНИЯ 1. Реакции дезаминирования необратимы, как и реакции декарбоксилирования - дезаминирование тоже может играть роль первого этапа на путях распада аминокислот. 2. Один из непосредственных продуктов дезаминирования -конечный продукт метаболизма аммиак. Это токсическое вещество. Поэтому клетки должны затрачивать энергию, чтобы обезвредить аммиак до безвредных продуктов, которые выводятся из организма. 3. Другой продукт реакции дезаминирования - альфа-кетокислота. Все образующиеся альфа-кетокислоты легко расщепляются дальше до СО2 и Н2О (например, аланин превращается в ПВК (путем дезаминирования; аспартат - в ЩУК; глутаминовая кислота - в альфа-кетоглутаровую). Большинство альфа-кетокислот тем или иным путем превращаются в кислоты, которые являются промежуточными метаболитами ЦТК: - в альфа-кетоглутаровую; - в янтарную; - фумаровую; - щавелево-уксусную. Все эти метаболиты могут в организме трансформироваться в углеводы, перед этим превращаясь в ПВК. Поэтому большинство аминокислот относится к группе, которая называется ГЛЮКОГЕННЫМИ АМИНОКИСЛОТАМИ (их 17). Только 3 аминокислоты не могут превращаться в ПВК, но превращаются в Ац-КоА - КЕТОГЕННЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ: лейцин, лизин, триптофан). Они могут прямо трансформироваться в жирные кислоты или в кетоновые тела.  Метаболические пути, в которые вступают аминокслоты после дезаминирования, уже не являются собственно путями метаболизма аминокислот, а являются универсальными и для аминокислот, и для углеводов, и для жиров.ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ Эта реакция заключается в том, что аминокислота и кетокислота обмениваются друг с другом своими функциональными группами при альфа-углеродном атоме. В результате вступившая в реакцию аминокислота превращается в соответствующую альфа-кетокислоту, а кетокислота становится аминокислотой. Эту реакцию катализируют ферменты под названием ТРАНСАМИНАЗЫ (АМИНОТРАНСФЕРАЗЫ). Коферментом всех трансаминаз является активная форма витамина В6 - пиридоксальфосфат (фосфопиридоксаль). ГЛАВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИИ ТРАНСАМИНИРОВАНИЯ: 1. Это циклический процесс, все стадии которого катализируются одним и тем же ферментом - трансаминазой данной пары кислот. В этот цикл вступает одна аминокислота и кетокислота (в приведенном примере - это глутамат и ПВК). Образуются другая альфа-кетокислота и аминокислота (в приведенном примере - альфа-кетоглутарат и аланин). 2. Все стадии этого процесса обратимы. Поэтому весь цикл в целом может протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Направление этого цикла зависит от соотношения концентраций участников реакции - всех четырех кислот. Резко повысив концентрацию какой-либо одной из кислот, можно направить реакцию по определенному направлению. 3. Каждая трансаминаза обычно специфична для одной пары субстратов и соответствующей ей пары продуктов и все стадии реакции катализируются только одним ферментом. По участникам процесса для данного фермента дают ему название: Фермент, который катализирует приведенную реакцию, можно назвать: Аланинаминотрансфераза (АлТ) (глутаминово-пировиноградная трансаминаза (ГПТ)). 4. Трансаминазы обычно обладают высокой субстратной специфичностью и высокой активностью. Наиболее активными в клетках являются те трансаминазы, для которых хотя бы один из субстратов является дикарбоновой альфа-кетокислотой - это АлТ - аланинаминотрансфераза (ГПТ) и АсТ - аспартатаминотрансфераза (ГЩТ). Определение активности этих ферментов в сыворотке крови имеет важное значение в ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКЕ таких заболеваний, как ВИРУСНЫЙ ГЕПАТИТ и ИНФАРКТ МИОКАРДА. АсТ и АлТ являются внутриклеточными ферментами. Поэтому в норме их активность в крови очень мала. При вирусном гепатите или при инфаркте миокарда наблюдается разрушение клеток печени или миокарда соответственно. Поэтому в крови будет наблюдаться повышение активности и АлТ, и АсТ, но неодинаковое для каждого из ферментов. В клетках сердечной мышцы (миокарда) содержится гораздо больше АсТ, чем АлТ, а в клетках печени - наоборот: АлТ намного больше, чем АсТ. Поэтому ПРИ ИНФАРКТЕ МИОКАРДА АКТИВНОСТЬ |