Декарбоксилирование аминокислот

Процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде СО₂ получил название декарбоксилирования. Несмотря на ограниченный круг субстратов (амино­кислот и их производных), подвергающихся декарбоксилированию в животных тка­нях, образующиеся продукты реакции, названные биогенными аминами, оказывают сильное фармакологическое действие на множество физиологических функций человека и животных. В животных тканях показано декарбоксилирование следующих аминокислот и их производных: тирозина, триптофана, 5-окситриптофа-на, валина, серина, гистидина, глутаминовой и у-оксиглутаминовой кислот, 3,4-диок-сифенилаланина, цистеина, аргинина, орнитина, S-аденозилметионина и а-аминомало-новой кислоты. Помимо этого, у микроорганизмов и растений открыто декарбокси­лирование ряда других аминокислот.

В живых организмах открыты четыре типа декарбоксилирования аминокислот.

1. а-Декарбоксилирование, характерное для тканей животных, при котором от аминокислот отщепляется карбоксильная группа, стоящая по соседству с а-углерод-ным атомом. Продуктами реакции являются СО₂ и биогенные амины:

R-CH(NH₂)-£T6OjH—^R-CH₂-NH₂ +CO₂

2. ю-Декарбоксилирование, свойственное микроорганизмам. Например, из аспара-гиновой кислоты этим путем образуется ое-аланин: •

^H6P.Gr-CH₂-CH(NH₂)-COOH—^CH₃-CH(NH₂)-COOH + COj 3. Декарбоксилирование, связанное с реакцией трансаминирования:

В этой реакции образуется альдегид и новая аминокислота, соответствующая исходной кетокислоте.

4. Декарбоксилирование, связанное с реакцией конденсации двух молекул:

Эта реакция в тканях животных осуществляется при синтезе 5-аминолевулино-вой кислоты из глицина и сукцинил-КоА (см. главу 12) и при синтезе сфигнолипи-дов, а также у растений при синтезе биотина.

Реакции декарбоксилирования в отличие от других процессов промежуточного обмена аминокислот являются необратимыми. Они катализируются специфическими

ферментами — декарбоксилазами аминокислот, отличающимися от декарбоксилаз а-кетокислот (см. главу 9) как белковым компонентом, так и природой кофермента. Декарбоксилазы аминокислот состоят из белковой части, обеспечивающей специфич­ность действия, и простетической группы, представленной пиридоксальфосфатом (ПФ), как и у трансаминаз. Таким образом, в двух совершенно различных процессах обмена аминокислот участвует один и тот же кофермент. Исключение составляют две декарбоксилазы — гистидиндекарбоксилаза Micrococcus и Lactobacillus и аденозил-метиониндекарбоксилаза Е. coli, содержащие (как показали С. Р. Мардашев и Э. Снелл) вместо ПФ остаток пировиноградной кислоты¹.

Механизм реакции декарбоксилирования аминокислот в соответствии с общей теорией пиридоксалевого катализа (см. рис. 11.2) сводится к образованию ПФ-суб-стратного комплекса, представленного как и в реакциях трансаминирования шиф-фовым основанием ПФ и аминокислоты.

Образование подобного комплекса в сочетании с некоторым оттягиванием электронов белковой частью молекулы фермента сопровождается лабилизацией одной из трех связей при tx-углеродном атоме, благодаря чему аминокислота спо­собна вступать в реакции: трансаминирования (о), декарбоксилирования (в) и альдоль-ного расщепления (с).

Ниже будут представлены отдельные примеры декарбоксилирования аминокис­лот, в частности тех, продукты реакции которых оказывают сильное фармакологи­ческое действие. Одним из хорошо изученных ферментов является декарбокси-лаза ароматических аминокислот; она не обладает строгой субстратной специфичностью и катализирует декарбоксиЛирование L-изомеров триптофана, 5-окситриптофана и 3,4-диоксифенилаланина (ДОФА); продуктами реакций, помимо СО₂, являются соответственно триптамин, серотонин и диоксифенилэтиламин (до­фамин):

Декарбоксилаза ароматических аминокислот получена в чистом виде (молекуляр­ная масса 112 000 Да); кофермент - ПФ. В больших количествах она содержится в надпочечниках и ЦНС; играет важную роль в регуляции содержания биогенных аминов. Образующийся из 5-окситриптофана серотонин оказался высокоактивным биогенным амином, наделенным сосудосуживающим действием. Он участвует также в регуляции артериального давления, температуры тела, дыхания, в почечной фильт­рации, является медиатором нервных процессов в ЦНС. Некоторые авторы считают серотонин причастным к развитию аллергии, демпинг-синдрома, токсикоза беремен­ности, карциноидного синдрома и геморрагических диатезов.

Относительно продукта декарбоксилазной реакции — дофамина — следует прежде всего указать, что он является предшественником катехоламинов (норадреналина и адреналина). Источником ДОФА в организме является тирозин, который под действием специфической гидроксилазы превращается в 3,4-диоксифенилаланин. Ти-розин-3-монооксигеназа открыта в надпочечниках, ткани мозга и периферической нервной системы. Простетической группой тирозин-монооксигеназы, как и дофамин-монооксигеназы (последняя катализирует превращение дофамина в норадреналин) является тетрагидробиоптерин, имеющий следующее строение:

Физиологическая роль тирозин-3-монооксигеназы очень высока, поскольку ката­лизируемая этим ферментом реакция определяет скорость биосинтеза катехоламинов, регулирующих деятельность сердечно-сосудистой системы. В медицинской практике широко используются ингибиторы декарбоксилазы ароматических аминокислот, в частности а-метилдофа (альдомет), вызывающий снижение кровяного давления.

В животных тканях с высокой скоростью протекает декарбоксилирование гисти-дина под действием специфической декарбоксилазы.

Гистамин обладает широким спектром биологического действия. По сосудо­расширяющему действию на кровеносные сосуды он резко отличается от других биогенных аминов, оказывающих сосудосуживающее действие. Большое количество гистамина образуется в области воспаления, что имеет определенный биологический смысл. Вызывая расширение сосудов в очаге воспаления, гистамин тем самым ускоряет приток лейкоцитов, способствуя активации защитных сил организма. Гистамин, кроме того, участвует в секреции соляной кислоты в желудке, что широко используется в клинике при изучении секреторной деятельности желудка (гистамино-вая проба). Он имеет прямое отношение к явлениям сенсибилизации и десенсиби­лизации. При повышенной чувствительности к гистамину в клинике используются антигистаминные препараты (санорин, димедрол и др.), оказывающие влияние на рецепторы сосудов. Гистамину приписывают, кроме того, роль медиатора боли. Болевой синдром - сложный процесс, детали которого пока не выяснены, но участие в нем гистамина не подлежит сомнению.

В клинической практике широко используется, кроме того, продукт ot-декарбокси-лирования глутаминовой кислоты — у-аминомасляная кислота (ГАМК). Фермент, катализирующий эту реакцию (глутаматдекарбоксидаза), является высокоспецифич­ным:

H:trO"C')-CH(NH₂)-CH2-CH₂-COOH---- —

----*-CH₂(NH₂)-CH₂-CH₂-COOH + COa

Интерес к ГАМК связан с тормозящим ее действием на деятельность ЦНС. Больше всего ГАМК и глутаматдекарбоксилазы обнаружено в сером веществе коры большого мозга, в то время как белое вещество мозга и периферическая нервная система их почти не содержат. Введение ГАМК в организм вызывает разлитой тормозной процесс в коре (центральное торможение) и у животных приводит к утра­те условных рефлексов. ГАМК используется в клинике при лечении некоторых заболеваний ЦНС, связанных с резким возбуждением коры большого мозга. Так, в практике лечения эпилепсии хороший эффект (резкое сокращение частоты эпилеп­тических припадков) дает введение глутаминовой кислоты. Как оказалось, лечебный эффект обусловлен не самой глутаминовой кислотой, а продуктом ее декарбокси-лирования — ГАМК.

В животных тканях с высокой скоростью декарбоксилируются также два про­изводных цистеина — цистеиновая и цистеинсульфиновая кислоты. В процессе этих специфических ферментативных реакций образуется таурин, который используется в организме для синтеза парных желчных кислот (см. главу 10):

Следует отметить еще два недавно открытых в тканях животных фермента, катализирующих декарбоксилирование орнитина и S-аденозилметионина с образова­нием соответственно путресцина и S-метиладенозилгомоцистеамина:

Значение этих реакций, катализируемых орнитиндекарбоксилазой и аденозил-метиониндекарбоксилазой тканей животных, огромно, если учесть, что путресцин и аминопропильная часть S-метиладенозилгомоцистеамина используются для синтеза полиаминов — спермидина и спермина.

Полиамины, к которым относят также диамин — путресцин, играют важную роль в процессах пролиферации клеток, регуляции синтеза полимерных молекул (нуклеи­новых кислот и белков), хотя конкретный механизм участия их в указанных про­цессах не всегда ясен.

Таким образом, биогенные амины являются сильными фармакологически актив­ными веществами, оказывающими разностороннее влияние на физиологические функции организма. Некоторые биогенные амины нашли широкое применение в качестве лекарственных препаратов.

Распад биогенных аминов. Накопление биогенных аминов может отрицательно сказаться на физиологическом статусе и вызывать ряд серьезных нарушений в ор­ганизме. Однако органы и ткани как и целостный организм располагают специаль­ными механизмами обезвреживания биогенных аминов, которые в общем виде сво­дятся к их окислительному дезаминированию с образованием соответствующих альдегидов и освобождением аммиака:

+Oj R-CH2-NH2 ^{+ Н}2О-------- R-CHO ⁺ NH₃ ⁺ Н2О₂

Ферменты, катализирующие эти реакции, получили названия моноамин- и диамин-оксидаз. Более подробно изучен механизм окислительного дезаминирования моно­аминов. Этот ферментативный процесс является необратимым и протекает в две стадии:

R - СН₂ - NH₂ + Е-ФАД + Н₂О -* R - СНО + NH₃ + Е-ФАДН₂ (1)

Е-ФАДН₂ + О₂ -+ Е-ФАД + Н₂О₂ (2)

Первая, анаэробная, стадия характеризуется образованием альдегида, аммиака и восстановленного фермента. Последний в аэробной фазе окисляется молекулярным кислородом. Образовавшаяся перекись водорода далее распадается на воду и кисло­род. Моноаминоксидаза (МАО), ФАД-содержащий фермент, преимущественно локализуется в митохондриях, играет исключительно важную роль в организме, ре­гулируя скорость биосинтеза и распада биогенных аминов. Некоторые ингибиторы моноаминоксидазы (ипраниазид, гармин, паргилин) нашли применение при лечении гипертонической болезни, депрессивных состояний, шизофрении и др.

Обезвреживание аммиака в организме

В организме человека подвергается распаду около 70 г аминокислот в сутки; при этом в результате реакций дезаминирования и окисления биогенных аминов освобождается большое количество аммиака, являющегося высокотоксичным соедине­нием. Поэтому концентрация аммиака в организме должна сохраняться, на низком уровне. Действительно, уровень аммиака в норме в крови не превышает 6 0 мкм оль/л (это почти в 100 раз меньше концентрации глюкозы в крови). В опытах на кроли­ках показано, что концентрация аммиака 3 ммоль/л является летальной. Таким образом, аммиак__должен подвергаться связыванию, в тканях с образованием неток­сичных соединений легко выделяемых с мочой.

Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме, в частности в мозге, сетчатке, почках, печени и мышцах, являетс*У|вдо.£интез глутамина (и, воз­можно, аспарагина). Поскольку глутамин и аспарагин с мочой выделяются в неболь­шом количестве, было высказано предположение, что они выполняют скорее транс­портную функцию переноса аммиака в нетоксичной форме. Ниже приводится урав­нение реакции синтеза глутамина, катализируемого глутаминсинтетазой:

Механизм этой синтетазной реакции, подробно изученный А. Майстером, вклю­чает ряд стадий. Если фермент обозначить Е и принять сокращенные буквенные обозначения аминокислот, то механизм синтеза глутамина в присутствии глутамин-синтетазы может быть представлен в следующем виде:

(а) Глу + Е + АТФ -> Е-АДФ-Глу + Ф„

(б) Е-АДФ-Глу + NH₃ -> Глн + Е-АДФ

(в)Е-АДФ -> Е + АДФ _______________________

а + б + в: Глу + АТФ + NH₃ ->• Глн + АДФ + Ф„

Биосинтез аспарагина протекает несколько отлично и зависит от природы ферментов и донора аммиака. Так, у микроорганизмов и в животных тканях открыта специфическая аммиак-зависимая аспарагинсинтетаза, которая катализирует синтез аспарагина в две стадии:

а) Асп + Е + АТФ-+Е-Аспартил~АМФ + ФФ_н

б) Е-Аспартил~АМФ + ЫН₃-»Асн + Е + АМФ

В животных тканях содержится, кроме того, глутаминзависимая аспарагинсинтетаза, которая для синтеза во второй стадии использует амидную группу глутамина:

б) Е-Аспартил ~АМФ + Глн->Асн + Е + АМФ + Глу

Суммарная ферментативная реакция синтеза аспарагина может быть представлена в сле­дующем виде:

Асп + АТФ + NHj(mh Глн)-*Асн + АМФ + ФФ„ + (Глу)

Видно, что энергетически синтез аспарагина обходится организму дороже, поскольку образовавшийся ФФ_Н далее распадается на ортофосфат.

Часть аммиака легко связывается с ос-кетоглутаровой кислотой благодаря обра­тимости глутаматдегидрогеназной реакции; если еще учесть связывание одной моле­кулы аммиака при синтезе глутамина, то нетрудно видеть, что в организме имеется хорошо функционирующая система, связывающая две молекулы аммиака: