Обмен триптофана

Триптофан считается незаменимой для человека и животных аминокислотой, кроме того, он является предшественником ряда важных биологически активных веществ, в частности серотонина и рибонуклеотйда никотиновой кислоты. Один из его мета­болитов, в частности индолилуксусная кислота, обладает ростстимулирую-щей активностью в отношении растений (ростовой фактор). В физиологических условиях более 95 % триптофана окисляется по кинурениновому пути и не более 1 % - по серотониновому (рис. 11.5). Серотонин в организме подвергается окисли­тельному дезаминированию с образованием индолилуксусной кислоты, которая вы­деляется с мочой; содержание ее в моче повышено при поражениях кишечника злокачественными карциноидами, когда около 60% триптофана окисляется по серо­тониновому пути. Основной же путь обмена триптофана приводит к синтезу НАД, уменьшая потребность организма в витамине PP. Триптофан под действием гем-содержащего фермента, триптофан-2,3-диоксигеназы, в присутствии кисло­рода превращается в формилкинуренин, который распадается при участии форма-мидазы на муравьиную кислоту и кинуренин; последний окисляется в 3-оксикину-ренин. Дальнейшие превращения 3-оксикинуренина связаны с пиридоксалевым фермен­том — кинурениназой, гидролизующей его на аланин и 3-оксиантраниловую кислоту, которая через ряд промежуточных продуктов (механизм образования которых до конца не раскрыт) превращается в хинолиновую кислоту, т. е. в непосредственный предшественник рибонуклеотйда никотиновой кислоты.

Обмен дикарбоновых аминокислот

Классическими работами советских ученых А. Е. Браунштейна и С. Р. Марда-шева и американского биохимика А. Майстера доказана выдающаяся роль дикар­боновых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой кислоты и их амидов — глу-тамина и аспарагина) в интеграции азотистого обмена в организме. Система дикарбоновых аминокислот, к которой относят также соответствующие а-кетокисло-ты, теснейшим образом связана не только с азотистым метаболизмом в целом, но и с обменом липидов и углеводов. Выше отмечалась особая роль дикарбоновых аминокислот и ферментов, катализирующих их превращения, в перераспределении азота в организме, дезаминировании и синтезе природных аминокислот (реакции трансдезаминирования и трансреаминирования) и образовании конечных продуктов белкового обмена — синтезе мочевины.

Аспарагиновая кислота принимает непосредственное участие в орнитиновом

цикле мочевинообразования, реакции трансаминирования, биосинтезе углеводов (гликогенная аминокислота), карнозина и ансерина, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов (см. главу 12), а также в синтезе N-ацетиласпарагиновой кислоты в ткани мозга. Роль последней, содержащейся в довольно высоких концентрациях в ткани мозга млекопитающих, пока не выяснена.

Глутаминовая кислота, являющаяся гликогенной и заменимой аминокислотой для человека и животных, также включается в синтез ряда специфических метабо­литов, в частности глутатиона и глутамина. Помимо участия в транспорте аммиака и регуляции кислотно-щелочного равновесия, глутамин является незаменимым ис­точником азота в ряде синтезов, в частности в биосинтезе пуриновых и пирими­диновых нуклеотидов, аминосахаров, обезвреживании фенилуксусной кислоты (синтез фенилацетилглутамина) у человека и человекообразных обезьян, а также в синтезе витамина фолиевой кислоты (птероилглутаминовая кислота). На рис. 11.6 суммиро­ваны реакции синтеза ряда веществ, в которых амидный азот глутамина выполняет специфическую роль, незаменимую азотом других аминокислот.

Глутамин и аспарагин оказались, кроме того, эссенциальными факторами для роста некоторых нормальных и опухолевых клеток в культуре ткани; глутамин и аспарагин не могли быть заменены ни друг другом, ни соответствующими дикар-боновыми аминокислотами. Это свидетельствует о том, что в условиях выращивания

клеток в культуре ткани некоторые клетки теряют способность синтезировать эти амиды синтетазным или трансаминазным путем.

Получены доказательства, что глутамин и аспарагин в животных тканях подвер­гаются сочетанному трансаминированию и дезаминированию под влиянием специфических трансаминаз амидов (глутаминтрансаминазы и аспа-рагинтрансаминазы) и неспецифической со-амидазы:

1. ос-Кетокислота + L-аспарагин z± L-аминокислота + а-Кетосукцинамовая кислота 2. а-Кетосукцинамовая кислота ------> Оксалоацетат + Аммиак

В реакции переноса участвует сх-аминогруппа аспарагина (а не амидная группа, как предполагалось раньше), в то время как амидная группа промежуточного соединения ос-кетосукцинамовой кислоты освобождается в процессе гидролиза в виде аммиака. Трансаминирование — обратимый процесс, поэтому лимитирующими факто­рами в синтезе аспарагина (и глутамина) являются ю-амиды щавелевоуксусной и ot-кетоглутаровой кислот, синтез которых в животных тканях не доказан.

Глутаминовая кислота является одним из немногих соединений в дополнение к глюкозе, которые служат энергетическим материалом для ткани мозга. Выше было указано на высокую активность в ткани мозга глутаматдекарбоксилазы, ко­торая превращает глутамат в ГАМК. Дальнейшее окисление ее включает трансами-

нирование с образованием полуальдегида янтарной кислоты, окисление в янтарную кислоту и, наконец, окисление через ЦТК.

В обеих реакциях (декарбоксилировании глутамата и трансаминировании ГАМК) участвует пиридоксальфосфат, который оказался более прочно связанным с ГАМК-трансаминазой. ГАМК оказывает тормозящий эффект на синаптическую передачу в ЦНС, поэтому судорожные явления, наблюдаемые при недостаточности витамина В₆, могут быть связаны со снижением образования ГАМК в глутаматдекарбоксилаз-ной реакции. У животных судороги могут быть вызваны также введением изониази-да, который связывает альдегидную группу кофермента, или антивитаминов В₆, в частности метоксипиридоксина. Так как ГАМК служит естественно встречающимся «транквилизатором», одним из путей повышения ее концентрации в ЦНС является введение веществ, оказывающих тормозящее действие на ГАМК-трансаминазу, ко­торая эффективно устраняет ГАМК.

В последние годы у бактерий и растений (но не в животных тканях) открыт совершенно новый путь синтеза глутаминовой кислоты из ot-кетоглутаровой кислоты и глутамина. Этот путь, получивший название глутаматсинтазного цикла, включа­ет две сопряженные с распадом АТФ необратимые реакции, ведущие к усвоению (ассимиляции) аммиака:

а. NH₃ + Глутамат + АТФ->Глутамин + АДФ + Ф_н

б.Глутамин + ct-Кетоглутарат + НАД Ф Н₂->2Глутамат + НАДФ ⁺ ________________

NH₃ + а-Кетоглутарат + НАДФН₂ + АТФ -> Глутамат + НАДФ⁺ + АДФ + Ф_н

Первую стадию (а) катализирует глутаминсинтетаза, которая свойственна и для клеток животных, вторую (б) — глутаматсинтаза, открытая только у растений, грибов и микроорганизмов. Обе стадии могут быть представлены вместе с обратимой глутаматдегидрогеназной реакцией (в) в виде следующей схемы:

Оказалось, что при низких концентрациях аммиака, характерных для растений и микроорганизмов, реакции протекают преимущественно по глутаматсинтазному циклу, а при высоких его концентрациях, свойственных тканям животных, - по глутаматдегидрогеназному пути; в обоих случаях синтезируется глутамат.

С метаболизмом глутаминовой кислоты связаны также пути обмена пролина и аргинина (рис. 11.7), хотя следует напомнить, что аргинин относится к частично незаменимым аминокислотам, особенно в молодом возрасте, когда его синтез из глутамата не может обеспечить потребности быстрого роста организма. Кроме того, основным путем метаболизма аргинина является путь синтеза мочевины. Более спе­цифичен и необратим путь превращения гистидина (также частично незаменимая для животных аминокислота) в глутаминовую кислоту. В этом превращении участвуют два хорошо изученных фермента — гистидинаммиаклиаза (гистидаза), катализирующая внутримолекулярное дезаминирование гистидина, и уроканиназа, которая катализиру­ет разрыв имидазольного кольца уроканиновой кислоты с образованием имидазо-лилпропионовой кислоты; последняя через формиминоглутаминовую кислоту превра­щается в глутаминовую кислоту. О других путях обмена гистидина (образование гистамина и окисление его под действием диаминоксидазы) было сказано выше.

Патология азотистого обмена

Азотистый обмен связан преимущественно с обменом белков, структурными единицами которого являются аминокислоты, поэтому ниже будут представлены накопленные к настоящему времени данные о нарушениях обмена отдельных амино­кислот при патологии. Повышенный интерес биохимиков, физиологов и клиницистов к проблемам патологии обмена аминокислот объясняется рядом обстоятельств. Во-первых, имеются экспериментальные доказательства и клинические наблюдения о развитии патологического синдрома, в основе которого лежат нарушения нормаль­ного пути обмена отдельных аминокислот в организме. Во-вторых, в последнее время аминокислоты и их производные нашли широкое применение в клинической практике, например: метионин — в лечении ряда болезней печени, глутаминовая кис­лота - в лечении некоторых поражений мозга, глутамин - в лечении кетонурии и т. д. Наконец, ряд аминокислот и продукты их декарбоксилирования (биогенные амины) оказывают регулирующее влияние на многие физиологические функции ор­ганизма. Из сказанного можно сделать вывод, что знание закономерностей обмена отдельных аминокислот в норме и особенно при патологии представляет исключи­тельный научно-теоретический и практический интерес.

О нарушении обмена аминокислот в целостном организме судят не только по количественному и качественному составу продуктов их обмена в крови и моче, но и по уровню самих свободных аминокислот в биологических жидкостях организма. Большинство тканей характеризуется своеобразным аминокислотным «спектром». В плазме крови он примерно соответствует аминокислотному составу свободных аминокислот в органах и тканях, за исключением более низкого содержания глу­тамата и аспартата и более высокого уровня глутамина, на долю которого при-

ходится до 25 % от общего количества аминокислот. Спинномозговая жидкость отличается меньшим содержанием почти всех аминокислот, кроме глутамина. Амино­кислотный состав мочи резко отличается от аминокислотного состава плазмы крови. Оказывается, у человека, получающего полноценное питание, аминокислотный состав мочи более или менее постоянен изо дня в день, но у разных людей с почти одинаковым аминокислотным составом плазмы состав аминокислот в моче может оказаться совершенно различным.

Природу нарушений процессов обмена при недостаточности какой-либо аминокислоты трудно установить экспериментально, поскольку при этом страдает весь процесс биосинтеза белка, подчиняющийся закону «все или ничего». Специфические проявления недостаточности аминокислот могу! развиваться у человека только в условиях патологии при повышенном использовании данной аминокислоты. Выше было указано, что у больных с карциноидной опухолью более 60% триптофана окисляется по серотониновому пути (в норме он составляет 1 %) — это, естественно, приводит к относительной недостаточности указанной аминокислоты. У больных со злокачественной мелономой тирозин и, возможно, фенилаланин расходуются преимущественно на биосинтез меланина. Этим, вероятно, можно объяснить специфическое истощение организма, наблюдаемое при меланомах. В связи с возможностью приготовления искусственных рационов (исключение из рациона человека и животных какой-либо амино­кислоты) можно описать синдром, характерный для недостаточности данной аминокислоты. Так, недостаток триптофана у человека ведет к уменьшению массы тела, а у новорожденного даже 10-дневный дефицит триптофана приводит к анорексии и к гипопротеинемии. У крыс отмечено выпадение зубов, шерсти, помутнение роговицы и развитие катаракты, а у цыплят — увеличение потребности в витамине PP. Недостаток лизина у человека вызывает головокру­жение, тошноту, повышенную чувствительность к шуму; недостаток гистидина сопровождается снижением концентрации гемоглобина. При недостаточности аргинина у крыс наблюдается атрофия семенников, а у человека — гипоспермия. При исключении из пищи метионина отме­чается жировое перерождение печени и почек, обусловленное недостатком лабильных метиль-ных групп, необходимых для синтеза фосфатидилхолинов.

Некоторые заменимые аминокислоты становятся незаменимыми, если они не поступают с пищей, так как клетки организма не справляются с быстрым их синтезом. По данным Р. Фишера, недостаток цистеина ведет к почти полному торможению роста клеток in vitro даже при наличии всех остальных аминокислот в среде. Доказано, кроме того, что достаточ­ное количество цисгеина в пище значительно снижает потребности в метионине (см. табл. 11.2). Напротив, полное исключение цистеина из рациона может настолько резко повысить потреб­ности в метионине, что обычно адекватное питание оказывается недостаточным. Таким об­разом, заменимые аминокислоты могут оказаться лимитирующими факторами анаболических процессов в организме, поскольку поступление одних только независимых аминокислот не обеспечивает нормальное протекание биосинтетических реакций, обычно наблюдаемое при полноценном белковом питании.

Одним из характерных нарушений азотистого обмена является белковая недоста­точность, являющаяся следствием не только дефицита белка, но и ряда тяжелых заболеваний даже при достаточном поступлении белка с пищей. Белковая недоста­точность у человека развивается как при полном и частичном голодании, так и при приеме однообразного белкового питания, когда в диете преобладают белки растительного происхождения, биологическая ценность которых значительно ниже ценности белков животного происхождения. Результатом этих состояний являются развитие отрицательного азотистого баланса, гипопротеинемии (снижение концентра­ции белков в сыворотке крови до 50 — 30 г/л; в норме 65 — 85 г/л) и нарушения коллоидно-осмотического и водно-солевого обмена (развитие отеков). При тяжелых формах пищевых дистрофий, например при квашиоркоре — заболевании, до­вольно распространенном среди детей в развивающихся странах, наблюдаются тяжелые поражения печени, остановка роста, резкое снижение сопротивляемости организма инфекциям, отечность, атония мышц. Болезнь часто заканчивается ле­тальным исходом.

Количественному учету при белковой недостаточности в основном поддаются нарушения, связанные с обменом аминокислот. Одним из наиболее ранних наруше-

ний азотистого обмена при белковой недостаточности является резкое сниженй интенсивности процессов дезаминирования, трансаминирования и биосинтеза амино­кислот, а также синтеза мочевины в печени. Оказалось, что эти нарушения обуслов­лены недостаточным синтезом и разрушением белковой части ферментов, катали­зирующих эти реакции; исключение составляет аргиназа, активность которой при этом почти не нарушена. Следствием указанных нарушений являются накопление значительных количеств аминокислот в крови, экскреция с мочой свободных амино­кислот (до 10-20 г/сут, в норме около 1 r/сут) и резкое снижение образования и выделения мочевины с мочой.

При белковой недостаточности, помимо нарушений общих процессов аминокислотного, обмена, отмечены специфические изменения обмена отдельных аминокислот. Так, нарушения обмена триптофана выражаются как в снижении синтеза никотинамида, так и в накоплении в организме 3-оксиантраниловой и ксантуреновой кислот. Последняя, по некоторым данным, оказывает токсическое действие на (3-клетки панкреатических островков, являясь тем самым одним из патогенетических факторов диабета. Нарушения в обмене гистидина сводятся к снижению активности гистидин — аммиак-лиазы и гистаминазы и, напротив, к повышению активности гистидиндекарбоксилазы. Все это способствует накоплению гистамина в тканях со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. С другой стороны, при бел­ковой недостаточности обмен метионина практически не нарушен. Все эти данные свидетель­ствуют о дискоординации ферментных систем обмена аминокислот, что в значительной сте­пени затрудняет терапевтические подходы к устранению последствий белковой недостаточности.

Аминоацидурия. Качественный и количественный состав аминокислот мочи человека имеет прежде всего диагностическое значение, поскольку ряд болезней человека возникает на почве первичного нарушения обмена отдельной аминокислоты или группы аминокислот. Кроме того, для ряда органических поражений органов и тканей человека, а также аномалий обмена характерен свой аминокислотный спектр мочи. Ввиду этого, а также благодаря легкой доступности объекта исследования анализ мочи на аминокислоты приобретает большое клиническое значение. На экскре­цию аминокислот большое влияние оказывают возраст, характер питания, пол, гормоны и другие факторы. Установлено, что у младенцев с мочой выделяется больше аминокислот, чем у взрослых людей. Обычно различают повышенную и пониженную экскрецию аминокислот. В свою очередь гипераминоацидурия делится на почечную, связанную с приобретенными или врожденными дефектами реабсорб-ции аминокислот в почках, и внепочечную, связанную с увеличением концентрации всех или отдельных аминокислот в крови (см. главу 17).

Как известно, обратное всасывание аминокислот (реабсорбция) в почках проис­ходит против градиента концентрации; в своей основе этот процесс, вероятнее всего, является ферментативным, однако детально он пока не выяснен. При хронических нефритах часто с мочой выделяется больше лизина, аргинина, пролина и цитруллина, хотя их уровень в крови может оставаться в пределах нормы. При нефрозах почти всегда выделяется больше этаноламина, таурина и Р-аминомасляной кислоты, и эта гипераминоацидурия считается неблагоприятным прогностическим признаком бо­лезни.

Значительно чаще встречаются наследственные дефекты всасывания аминокислот в почках. Одним из хорошо известных заболеваний считается цистиноз, который рядом авторов отождествляется с синдромом Абдергальдена — Фанкони как по кли­ническим и биохимическим проявлениям, так и по характеру наследственной передачи болезни. Основной метаболический дефект в обоих случаях связан с врожденным нарушением реабсорбции почти всех аминокислот (за исключением циклических) в ка­нальцах почек; следствием этого являются увеличение в 5—10 раз экскреции амино­кислот, в 20 — 30 раз — цистина и цистеина, и избирательное отложение цистина в ретикулярных клетках костного мозга, селезенке, печени и клетках роговицы глаза. Интересно, что при цистинозе образования камней почти не происходит в от-

личие от другого врожденного нарушения обмена — цистинурии, при которой всегда образуются цистиновые камни. Сущность дефекта реабсорбции аминокислот при цистинозе не выяснена.

Цистинурия относится к довольно распространенным наследственным забо­леваниям: метаболический дефект выражается в выделении с мочой в 50 раз больше нормы количества четырех аминокислот: цистина, лизина, аргинина и орнитина. Уровень цистина в крови обычно не выше нормальных величин. Люди, страдающие цистинурией, вполне здоровы, за исключением тенденции к образованию в организме камней. Эта врожденная аномалия обмена связана с полным блокированием реаб­сорбции цистина и частичным нарушением всасывания трех других аминокислот в почках; нарушений в промежуточном обмене этих аминокислот при этом не выяв­лено.

При другом наследственном «пороке» обмена — гепатоцеребральной дистрофии (болезни Вильсона), помимо генерализованной (общей) гипераминоаци-дурии, отмечается снижение концентрации медьсодержащего белка — церулоплаз-мина — в сыворотке крови и отложение меди в мозге, печени, почках. Генетический дефект связан с нарушением синтеза церулоплазмина. Возможно, что свободная медь образует комплексы с аминокислотами, которые не всасываются в канальцах.

Аналогичная гипераминоацидурия наблюдается при галактоземии, синдроме Лоу и других наследственных заболеваниях. Пониженная экскреция аминокислот описана при квашиоркоре.

Врожденные нарушения обмена отдельных аминокислот. Пристальное внимание ученых привлекают некоторые наследственные заболевания человека, являющиеся следствием первичного дефекта обмена отдельных аминокислот. Возникновение и дальнейшее развитие специфического патологического синдрома при этих наблюдениях обусловлено полным или частичным отсутствием определенных ферментативных активностей: организм либо теряет способность синтезировать дан­ный фермент, либо образуется недостаточное количество, либо синтезируется ано­мальный фермент, отличающийся по структуре от нативного фермента. Следствием такого врожденного дефекта обмена является накопление в тканях повышенного со­держания нормальных промежуточных или побочных (неспецифических) продуктов обмена, оказывающих токсическое влияние на организм и в первую очередь на ЦНС. Этим, пожалуй, объясняется тот факт, что в основном заболевают дети в раннем возрасте, у которых затем развиваются специфические расстройства психической дея­тельности. Весьма вероятно также, что отдельные аминокислоты и продукты их об­мена в оптимальных концентрациях являются эссенциальными для некоторых сторон деятельности мозга. Поэтому задача биохимиков, физиологов и клиницистов со­стоит в том, чтобы выяснить зависимость между развитием патологического синд­рома при врожденных «пороках» обмена и специфическими нарушениями обмена аминокислот. Ниже приведены некоторые примеры подобных нарушений.

Фенилкетонурия (фенилпировиноградная олигофрения) развивается как ре­зультат потери способности организма синтезировать фенилаланин-4-монооксигеназу, катализирующую превращение фенилаланина в тирозин. Характерной особенностью болезни является резкое замедление умственного развития ребенка, а также экскре­ция с мочой больших количеств фенилпировиноградной кислоты (до 1—2 г/сут) и фенилацетилглутамина (до 2 — 3 г/сут). Решающим доказательством метаболического блока при фенилкетонурии являются данные о накоплении фенилаланина в тканях. Так, количество его в крови может доходить до 600 мг/л (в норме 15 мг/л), в спинномозговой жидкости — до 80 мг/л (в норме 1,5 мг/л). Развитие болезни можно предотвратить, если значительно снизить или исключить прием фенилаланина с пищей с самого рождения ребенка.

Алкаптонурия характеризуется экскрецией с мочой больших количеств (до 0,5 г/сут) гомогентизиновой кислоты, окисление которой кислородом воздуха придает моче темную окраску. В далеко зашедших случаях развиваются охроноз, отложение

пигмента в тканях и потемнение носа, ушей и склеры. Эта болезнь известна с древ нейших времен, однако только в 1962 г. были получены доказательства, что метабо­лический дефект при алкаптонурии связан с врожденным отсутствием в печени и по* ках оксидазы гомогентизиновой кислоты.

Альбинизм характеризуется врожденным отсутствием пигментов в коже, всь лосах и сетчатке. Метаболический дефект связан с потерей меланоцитами способ--ности синтезировать тирозиназу — фермент, катализирующий окисление тирозина в диоксифенилаланин и диоксифенилаланинхинон, являющихся предшественниками меланина. Предположение о блокировании процесса полимеризации меланина при альбинизме не подтвердилось.

Болезнь Хартнупа характеризуется специфическими нарушениями обмена триптофана. Основным проявлением болезни, помимо пеллагроподобных кожных по­ражений, психических расстройств и атаксии, служит гипераминоацидурия. Поскольку с мочой выделяются в повышенных количествах индолилацетат, индолилацетилглу-тамин и индикан, но нормальные количества индолилмолочной кислоты, очевидно, метаболический блок связан с первой реакцией нормального пути обмена трипто­фана, и обмен преимущественно идет по пути декарбоксилирования. При другом наследственном «пороке» обмена триптофана — болезни «м оча с запахом кле­нового сиропа» и при фенилкетонурии также экскретируется индолилацетат, но в этих случаях он имеет своим источником индолилпируват, так как параллельно с мочой выделяется в больших количествах индолилмолочная кислота, которая мо­жет образоваться только из фенилпирувата. Согласно новым данным, при болезни Хартнупа метаболический дефект связан с врожденным нарушением всасывания трип­тофана в кишечнике и реабсорбции триптофана и продуктов его обмена в почках. Из этого следует, что по химическому составу индолилпроизводных в моче и крови можно судить как о природе болезни (карциноидная опухоль, фенилкетонурия, бо­лезнь Хартнупа и др.), так и о механизме нарушения обмена триптофана, что важно для постановки правильного диагноза и проведения адекватного лечения.

Таким образом, первичные нарушения обмена отдельных аминокислот обычно наступают вследствие блокирования действия какого-либо фермента. В ряде случаев имеет место резкое отставание умственного развития. Однако вопрос о том, чем обусловлено это торможение психической деятельности — токсическим действием не­нормально высоких концентраций аминокислот или их метаболитов на мозг, наруше­нием нормального соотношения аминокислот и, следовательно, биосинтеза белка или вторичными нарушениями энергетического и других видов обмена, окончательно не решен. Поэтому идентификация химической реакции или ферментативной системы, нарушение функции которой является первопричиной развития тяжелого наследствен­ного заболевания, в наши дни не только представляет большой теоретический инте­рес, но и играет в ряде случаев решающую роль в диагностике и терапии этих болезней. Следует всегда учитывать, что при блокировании нормального пути об­мена какой-либо аминокислоты промежуточные метаболиты, следующие за местом блокирования, становятся незаменимыми при данном заболевании.