Биохимия. Полный набор лекций. Нейромедиаторов
 Скачать 18.11 Mb.
|
|
Реакции трансаминирования: активируются в печени, мышцах и других органах при поступлении в клетку избыточного количества тех или иных аминокислот – с целью оптимизации их соотношения, обеспечивают синтез заменимых аминокислот в клетке при наличии их углеродного скелета (кетоаналога), при прекращении использования аминокислот на синтез азотсодержащих соединений белков, креатина, фосфолипидов, пуриновых и пиримидиновых оснований) – с целью дальнейшего катаболизма их безазотистого остатка и выработки энергии, Обмен аминокислот и белков 114 o необходимы при внутриклеточном голодании, те. при гипогликемиях различного генеза, при сахарном диабете – для использования безазотистого остатка аминокислот для кетогенеза и глюконеогенеза. Продукт трансаминирования – глутаминовая кислота 1) является одной из транспортных форм аминного азота в гепатоциты, 2) способна реагировать со свободным аммиаком, обезвреживая его (см "Связывание аммиака. Процесс трансдезаминирования идет в организме непрерывно сопряженные реакции трансаминирования и дезаминирования создают поток аминно- го азота из периферических клеток в печень для синтеза мочевины ив почки для синтеза аммонийных солей. НЕПРЯМОЕ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ bbВ МЫШЦЕ bВ мышечных клетках при интенсивной работе, когда идет распад мышечных белков, активируется альтернативный способ дезаминирования аминокислот. Образовавшийся при трансаминировании глутамат при участии АСТ реагирует с окса- лоацетатом и образуется аспарагиновая кислота. Аспартат далее передает свою аминогруппу на ИМФ (инозинмонофосфат) с образованием АМФ, который в свою очередь подвергается дезаминированию с образованием свободного аммиака. Процесс носит защитный характер, т.к. при работе выделяется молочная кислота и аммиак, связывая ионы Н, предотвращает закисление цитозоля миоцитов. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии ОБМЕН И РОЛЬ КРЕАТИНА bКреатин – вещество скелетных мышц, миокарда, нервной ткани. В виде креатинфос- фата креатин является "депо" макроэргических связей, используется для быстрого ресинтеза АТФ вовремя работы клетки. Особенно показательна роль креатина в мышечной ткани. Креатинфосфат обеспечивает ресинтез АТФ впервые секунды работы (5-10 сек, когда ни анаэробный гликолиз, ни аэробное окисление глюкозы и жирных кислот еще не активировано, и кровоснабжение мышцы не увеличено. В клетках нервной ткани креатинфосфат поддерживает жизнеспособность клеток при отсутствии кислорода. При мышечной работе ионы Са 2+ , высвободившиеся из саркоплазматического ре- тикулума, являются активаторами креатин- киназы. Реакция еще интересна тем, что на ее примере можно наблюдать обратную положительную связь — активацию фермента продуктом реакции креатином. Это позволяет избежать снижения скорости реакции походу работы, которое должно было бы произойти по закону действующих масс из-за снижения концентрации креатинфосфата в работающих мышцах. Около 3% креатинфосфата постоянно в реакции неферментативного дефосфорили- рования превращается в креатинин. Количество креатинина, выделяемое здоровым человеком в сутки, всегда почти одинаково и зависит только от объема мышечной массы. Синтез креатина идет последовательно в почках и печени в двух трансферазных реакциях. По окончании синтеза креатин стоком крови доставляется в мышцы или мозг. Здесь при наличии энергии АТФ (вовремя покоя или отдыха) он фосфорилируется с образованием креатинфосфата. Если синтез креатина опережает возможности его фиксации в мышечной ткани, то развивается креатинурия – появление креатина в моче. Физиологическая креатинурия наблюдается впервые годы жизни ребенка. Иногда к физиологической относят и креатинурию стариков, которая возникает как следствие атрофии мышц и неполного использования образующегося в печени креатина. При заболеваниях мышечной системы (при миопатии или прогрессирующей мышечной дистрофии) в моче наблюдаются наибольшие концентрации креатина – патологическая креатинурия. Обмен аминокислот и белков 116 ОБРАЗОВАНИЕ И УБОРКА АММИАКА ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ АММИАКА ВОР ГА НИЗ М Е Аммиак непрерывно образуется во всех органах и тканях организма. Наиболее активными его продуцентами в кровь являются органы с высоким обменом аминокислот и биогенных аминов – нервная ткань, печень, кишечник, мышцы. Основными источниками аммиака являются следующие реакции o неокислительное дезаминирование некоторых аминокислот (серина, треонина, гистидина в печени, окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты во всех тканях (кроме мышечной, особенно в печении почках, дезаминирование амидов глутаминовой и аспарагиновой кислот – в печении почках, катаболизм биогенных аминов – во всех тканях, в наибольшей степени в нервной ткани, жизнедеятельность бактерий толстого кишечника, распад пуриновых и пиримидиновых оснований – во всех тканях. СВЯЗЫВАНИЕ АММИАКА В тканях существуют несколько реакций обезвреживания аммиака – синтез глутаминовой кислоты и глутамина, синтез аспарагина, синтез карбамоилфосфата: синтез глутаминовой кислоты (восстановительное аминирование) – реакция по сути обратна реакции окислительного дезаминирования, однако в качестве кофермента используется НАДФН. Происходит практически во всех тканях, кроме мышечной, но имеет небольшое значение, т.к. для глутаматдегидрогеназы предпочтительным субстратом является глутаминовая кислота и равновесие реакции сдвинуто в сторону α-кетоглутарата, синтез глутамина – главный способ уборки аммиака. Наиболее активно происходит в нервной и мышечной тканях, в почках, сетчатке глаза, печени. Реакция протекает в митохондриях, Образование и уборка аммиака Образование большого количества глутамина при обезвреживании аммиака обеспечивает высокие концентрации этого вещества в крови (0,5-0,7 ммоль/л). Так как глутамин проникает через клеточные мембраны путем облегченной диффузии, то он легко попадает не только в гепатоциты , но ив другие клетки, где есть потребность в аминогруппах. Азот, переносимый глутамином, используется клетками для синтеза пуринового и пиримидинового колец, гуанозинмонофосфата (ГМФ), аспарагина, глюкозамино-6-фосфата (предшественник всех остальных аминосахаров). синтез аспарагина – является второстепенным способом уборки аммиака, энергетически невыгоден, т.к. при этом тратятся 2 макроэргические связи, синтез карбамоилфосфата в митохондриях печени – реакция является первой в процессе синтеза мочевины (см ниже. ТРАНСПОРТА ММ И А КА Транспортными формами аммиака из тканей в печень являются глутамин, аланин, в меньшей степени аспарагин и глутамат, некоторое количество аммиака находится в крови в свободном виде. Глутамин и аланин являются наиболее представленными, их доля среди всех аминокислот крови составляет до 50%. Большая часть глутамина поступает от мышц и нервной ткани, аланин переносит аммиак от мышц и стенки кишечника. Целевыми органами для транспорта аммиака являются печень, почки и кишечник. в печени а) аспарагин и глутамин дезаминируются соответственно аспарагиназой и глутаминазой, образующийся аммиак используется для синтеза мочевины (см ниже, б) аланин вступает в реакции трансаминирования с α-кетоглутаратом, в) глутаминовая кислота подвергается окислительному дезаминированию, в кишечнике часть глутамина дезаминируется глутаминазой. После этого образованный аммиак выделяется в просвет кишечника (не более 5%) или в кровь воротной вены, а глутамат вступает в трансаминирование с пируватом, в результате чего амино- азот переходит на аланин и с ним поступает в печень, www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 119 o в почках идет образование аммонийных солей с использованием глутамата, глутамина и аспарагина (см ниже. Г ЛЮКОЗО - АЛАНИНОВЫЙ ЦИКЛ В мышцах основным акцептором лишнего аминного азота является пируват. При катаболизме белков в мышцах происходят реакции трансаминирования аминокислот, образуется глутамат, который далее передает аминоазот на пируват и образуется аланин. Из мышц с кровью аланин переносится в печень, где в обратной реакции передает свою аминогруппу на глутамат. Образующийся пируват используется как субстрат в реакциях синтеза глюкозы, а глутаминовая кислота дезаминируется и аммиак используется в синтезе мочевины. УДАЛЕНИЕ АММИАКА ИЗО Р ГА НИЗ МА Практически весь аммиак удаляется из организма через почки в виде мочевины, которая синтезируется в печении в виде образующихся в эпителии канальцев почек аммонийных солей В клетки аммиак попадает в составе глутамина и аспарагина, глутаминовой кислоты, аланина ив свободном виде. Кроме этого, при метаболизме он образуется в большом количестве ив самих гепатоцитах. Образование и уборка аммиака СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ bВ печени весь улаляемый аммиак используется для синтеза мочевины. Увеличение синтеза мочевины наблюдается при распаде тканевых белков и азотистых соединений (голодание, воспалительные процессы, сахарный диабет) или при избыточном белковом питании. У младенцев синтез мочевины может быть снижен по двум причинам незрелость печении активный синтез белков и нуклеиновых кислот приросте организма. Реакции синтеза мочевины являются циклическим процессом и получили название орнитиновый цикл. Синтез мочевины начинается в митохондриях (первая и вторая реакции, оставшиеся три реакции идут в цитозоле. Для переноса цитруллина и орнитина через мито- хондриальную мембрану существуют специальные переносчики. В образовании одной молекулы мочевины участвует 1 молекула NH 4 + , 1 молекула CO 2 , аминогруппа 1 молекулы аспарагиновой кислоты, затрачивается 4 макроэргических связи трех молекул АТФ. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии СИНТЕЗАМ М ОНИ Й Н Ы Х СОЛЕЙ Непосредственный синтез аммонийных солей или аммониегенез происходит в просвете канальцев почек из секретируемых сюда аммиака и ионов водорода и фильтрующихся органических и неорганических анионов первичной мочи. Около 10% всего аммиака выводится почками в виде аммонийных солей. Часть глутамина крови, не задержавшаяся в печени, достигает почек. В клетках почечных канальцев, в основном в дистальных канальцах, имеется фермент глутаминаза, гидролизующая амидную группу с образованием глутамата. Глутамат, в свою очередь, дезамини- руется глутаматдегидрогеназой. Выделяемый аммиак диффундирует в просвет канальца, где соединяется с ионом Н, образуя ионы аммония NH 4 + . Они связываются с неорганическими (фосфаты, хлориды, сульфаты) или с органическими анионами (уксусной, щавелевой, молочной кислот. Образование и уборка аммиака Г И ПЕРА ММ ОНИ ЕМ И И Аммиак является токсичным соединением, находящимся в крови в относительно небольших концентрациях (11,0-32,0 мкмоль/л). Симптомы аммиачного отравления проявляются при превышении этих пределов всего в 2-3 раза. Предельно допустимый уровень аммиака в крови 60 мкмоль/л. При повышении концентрации аммиака (гипераммониемия) до предельных величин может наступить кома и смерть. При хронической гипераммониемии развивается умственная отсталость. Выделяют наследственные и приобретенные (вторичные) формы гипераммониемий. НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ФОРМЫ Наследственныеформы гипераммониемии вызваны генетическим дефектом любого из пяти ферментов синтеза мочевины. Соответственно ферменту заболевание делится на пять типов. Первичными признаками гипераммониемий являются сонливость, отказ от пищи, рвота, беспокойство, судороги, нарушение координации движений, тахипноэ, дыхательный алкалоз. Могут развиться печеночная недостаточность, легочные и внутричерепные кровоизлияния. Наиболее частой является гипераммониемия типа ΙΙ, связанная с недостатком орни- тин-карбамоилтрансферазы. Заболевание рецессивно, сцеплено с Х-хромосомой. У матери также наблюдается гипераммониемия и отвращение к белковым продуктам. При полном дефекте фермента наследственные гипераммониемии имеют раннее начало (в период до 48 часов после рождения. Лабораторным критерием заболевания является накопление глутамина (в 20 и более рази аммиака в крови, ликворе и моче. Принцип лечения гипераммониемий сводится к ограничению белка в диете, уже это позволяет предотвратить многие нарушения мозговой деятельности. ПРИОБРЕТЕННЫЕ ФОРМЫ Приобретенная гипераммониемия развивается вследствие заболеваний печении вирусных инфекций. В тяжелых случаях она проявляется как тошнота, рвота, судороги, нечленораздельная речь, затуманивание зрения, тремор, нарушение координации движений. ГИПОТЕЗЫ ТОКСИЧНОСТИ АММИАКА Токсичность аммиака обусловлена 1. При синтезе глутамата происходит отток α-кетоглутарата из ЦТК, при этом понижается образование энергии АТФ и ухудшается деятельность клеток. 2. Ионы аммония NH 4 + вызывают защелачивание плазмы крови. При этом повышается сродство гемоглобина к кислороду (эффект Бора, гемоглобин не отдает кислород в капиллярах, в результате наступает гипоксия клеток. 3. Накопление свободного иона NH 4 + в цитозоле конкурентно влияет на работу внутриклеточных ферментов ион конкурирует с ионными каналами для Na + и K + 4. Глутамин, являясь осмотически активным веществом, приводит к задержке воды в клетках и их набуханию, что вызывает отек тканей. В случае нервной ткани это может вызвать отек мозга, кому и смерть. 5. Использование α-кетоглутарата и глутамата для нейтрализации аммиака вызывает снижение синтеза ГАМК, тормозного медиатора нервной системы. ЧАСТНЫЕ ПУТИ ОБМЕНА АМИНОКИСЛОТ И ИХ НАРУШЕНИЯ ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЛУТАМИНОВОЙ И АСПАРАГИНОВОЙ КИСЛОТ В организме аспартат и глутамат используются всеми клетками для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований. Амидные производные этих аминокислот являются транспортными формами аммиака из тканей в почки и печень. Кроме этого, глутаминовая кислота входит в состав глутатиона – вещества, выполняющего две различные функции – перенос аминокислот через мембрану и ключевое звено в антиоксидантной системе клетки. Также глутамат и его производное аминомасляная кислота являются медиаторами в ЦНС. ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИСТЕИНА Цистеин является чрезвычайно важной аминокислотой в связи стем, что это единственный источник органической серы для клеток организма. В результате реакций метаболизма эта сера переходит в состав других серусодержащих веществ – фосфоаде- нозинфосфосерная кислота (ФАФС), коэнзим А, глутатион, сульфированные производные углеводов (хондроитинсульфат, кератансульфат, дерматан- сульфат) или выводится почками в виде сульфатов. Одним из производных цистеина является таурин, обладающий следующими функциями является обязательным компонентом желчных кислот и играет роль внутриклеточного антиоксиданта. Есть данные о функции таурина как тормозного нейромедиатора. Частные пути обмена аминокислот и их нарушения 124 • Ц ИСТИНОЗ Этиология .Аутосомно-рецессивная болезнь лизосомального накопления, обусловленная нарушением белка цистинозина, обеспечивающего транспорт цистина из лизосом. Возможно, имеется энзиматический блок на пути превращения цистина, результатом которого является накопление в организме его кристаллов. Частота – 1:100000 (в Англии и Франции – до 1:25000). Патогенез .Происходит отложение цистиновых кристаллов в ретикулярных клетках костного мозга, в клетках печени, почек, селезёнки, слизистой оболочки прямой кишки, в лимфатических узлах и лейкоцитах, в клетках роговицы и конъюнктивы, в островковых клетках поджелудочной железы, аорте, атрофических яичниках и мозге. Диагноз. Первыми симптомами являются полиурия, полидипсия, лихорадка неизвестного происхождения. При исследовании мочи выявляется щелочной рН, глюкозурия и про- теинурия, что свидетельствует о синдроме нарушения функции почечных канальцев – синдроме Фанкони На втором году жизни ухудшается функция почек и развивается аминоацидурия, с повышенным выведением цистина с мочой, обнаруживаются кристаллы цистина в моче (цис- тинурия ). Клиническая картина. Различают 3 клинические формы (проявляющиеся в раннем детстве, в юношеском возрасте и у взрослых. Цистиноз ранний нефропатический Заболевание развивается нам году жизни. Отмечаются отставание массы тела, психического развития, часто развиваются анорексия, гипотрофия и потеря аппетита, отставание в росте, миопатия, общая мышечная слабость, расстройства памяти, атрофия мозга, часто возникает метаболический ацидоз, рвота, запоры, полиурия и полидипсия. Могут наблюдаться подъемы температуры тела, несвязанные с инфекцией. Изменяется функция почек, появляются признаки, указывающие на канальцевые повреждения. К концу первого года жизни нарушение почек вызывает развитие рахита и остеопороза. Увеличены в размерах печень и селезенка. В роговице можно обнаружить кристаллические отложения и ретинопатию по типу соли с перцем. Прогрессивно нарастает фотофобия. Кроме указанных отмечаются гипотиреоз, гипофункция яичников, эндокринная и экзокринная недостаточность поджелудочной железы. Цистиноз нефропатический поздний Отличается от раннего варианта нормальным ростом и началом в подростковом возрасте. Прогрессирует более медленно, однако прогноз также неблагоприятный. www.biokhimija.ru Тимин О.А. Лекции по биологической химии 125 Цистиноз доброкачественный взрослых Начинается во взрослом возрасте. Характерно отсутствие аминоацидурии и нарушений функций почечных канальцев. Болезнь проявляется фотофобией, головными болями и слезотечением. Основы лечения Если больного не лечить, то наблюдается ранняя терминальная почечная недостаточность, тиреоидная недостаточность и мультиорганная дисфункция. Введение цистеамина – каждая его молекула может связывать сульфгидрильные группы и комбинироваться с половиной молекулы цистина (цистеином. Это облегчает выход цистина из лизосом и значительно улучшает течение заболевания. Постоянное применение цистеамина замедляет повреждение почек и других органов. Трансплантация почки – имеет относительную эффективность, т.к. не устраняет причину, продолжается дегенерация внутренних органов вследствие накопления цистина. Также применяют высокие дозы витамина D (100 000 ME в сутки, анаболические гормоны. Диетотерапия с ограничением белков, содержащих значимое количество серосодержащих аминокислот метионина, цистеина и цистина. ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЛИЦИНА И СЕРИНА Роль реакции превращения серина в глицин состоит в образовании активной формы тетрагидрофолиевой кислоты – |