Промежуточный обмен аминокислот в тканях

Промежуточный метаболизм аминокислот белковых молекул, как и других пита­тельных веществ в живых организмах, включает катаболические (распад до конечных продуктов обмена), анаболические (биосинтез аминокислот) процессы, а также ряд других специфических превращений, сопровождающихся образованием биологически активных соединений. Условно промежуточный метаболизм аминокислот можно раз­делить на общие пути обмена и индивидуальные превращения отдельных аминокислот.

Общие пути обмена аминокислот

Общие пути превращения аминокислот включают реакции дезаминирования, трансаминирования, декарбоксилирования, биосинтеза и рацемизации. Рассмотрим подробно первые четыре реакции, имеющие значение для всех живых организмов. Реакции рацемизации характерны только для микроорганизмов; открыты ферменты, катализирующие рацемизацию ряда аминокислот (Ала, Глу, Про, Мет, Лиз, Сер) и эпимеризацию оксипролина и а,е-диаминопимелиновой кислоты. Физиологическая роль рапемаз микроорганизмов сводится к синтезу D-изомеров аминокислот для построения клеточной оболочки.

Дезаминирование аминокислот

Доказано существование четырех типов дезаминирования аминокислот (отщепле­ние аминогруппы). Выделены соответствующие ферментные системы, катализирую­щие эти реакции, и идентифицированы продукты реакции. Во всех случаях NH₂-группа аминокислоты освобождается в виде аммиака:

Помимо аммиака, продуктами дезаминирования являются жирные кислоты, оксикислоты и кетокислоты. Для животных тканей, растений и большинства аэроб­ных микроорганизмов преобладающим типом реакций является окислительное деза-минирование аминокислот, за исключением гистидина, подвергающегося внутри­молекулярному дезаминированию.

Рассмотрим более подробно механизм окислительного дезаминирования амино­кислот, протекающего в две стадии:

Первая стадия является ферментативной и завершается образованием неустой­чивого промежуточного продукта (иминокислота), который на второй стадии спон­танно без участия фермента, но в присутствии воды распадается на аммиак и ос-кетокислоту. Следует указать, что оксидазы аминокислот (L- и D-изомеров) яв­ляются сложными флавопротеинами, содержащими в качестве кофермента ФМН или ФАД, которые выполняют в этой реакции роль акцепторов двух электронов и про­тонов, отщепляющихся от аминокислоты. Оксидазы L-аминокислот могут содержать как ФМН, так и ФАД, а оксидазы D-аминокислот только ФАД в качестве просте-тической группы. Схематически реакции окислительного дезаминирования амино­кислот с участием коферментов могут быть представлены в следующем виде:

Восстановленные флавиннуклеотиды оксидаз L- и D-аминокислот могут не­посредственно окисляться молекулярным кислородом, образуя перекись водорода, которая подвергается расщеплению под действием каталазы на воду и кислород:

Е-ФАД Иг + Оэ ------*- Е-ФАД + Н₂Оа i НаОа-*НзО+1/2Оэ

Впервые в лаборатории Д. Грина из ткани печени и почек крыс была выделена оксидаза, катализирующая дезаминирование 12 природных (L-изомеров) аминокислот. Оказалось, однако, что этот фермент имеет оптимум рН действия в щелочной среде (рН 10,0) и что при физиологических значениях рН ее активность на порядок ниже, чем при рН 10,0. В тканях животных и человека отсутствует подобная среда, поэтому оксидазе L-аминокислот принадлежит ограниченная роль в процессе окисли­тельного дезаминирования природных аминокислот. В животных тканях оксидазным путем со значительно большей скоростью дезаминируются D-изомеры аминокислот. Эти данные подтвердились после того, как из животных тканей был выделен спе­цифический фермент оксидаза D-аминокислот, который в отличие от оксидазы L-аминокислот оказался высокоактивным при физиологических значениях рН среды. Не до конца ясным остается вопрос о том, каково назначение столь активной оксидазы D-аминокислот в тканях, если поступающие с пищей белки и белки тела животных и человека состоят исключительно из природных (L-изомеров) аминокислот.

В животных тканях Г. Эйлером открыт высокоактивный при физиологических значениях рН специфический фермент (глутаматдегидрогеназа), катализирующий окислительное дезаминирование L-глутаминовой кислоты. Он является анаэробным ферментом и чрезвычайно широко распространен во всех живых объектах. В ка­честве кофермента глутаматдегидрогеназа содержит НАД (или НАДФ). Реакция включает анаэробную фазу дегидрирования глутаминовой кислоты с образованием

промежуточного продукта - иминоглутаровой кислоты - и спонтанный гидролиз последней на аммиак и а-кетоглутаровую кислоту в соответствии со следующей схемой:

Первая стадия окисления глутаминовой кислоты аналогична реакции окисли­тельного дезаминирования; восстановленный НАД(Ф)Н₂ далее окисляется при участии флавиновых ферментов и цитохромной системы (см. главу 8) с образованием ко­нечного продукта — воды. Образовавшийся аммиак благодаря обратимости фермен­тативной реакции в присутствии НАДФН₂ может участвовать в восстановительном аминировании а-кетоглутаровой кислоты с образованием глутаминовой кислоты. Различают три разных типа глутаматдегидрогеназ: один из них используют в ка­честве кофермента как НАД, так и НАДФ (клетки животных); два других исполь­зуют или НАД, или НАДФ (микроорганизмы, клетки растений и грибов), соответ­ственно катализируя дезаминирование или биосинтез глутамата.

Глутаматдегидрогеназа животных тканей является одним из наиболее изученных фермен­тов азотистого обмена. Это олигомерный фермент (молекулярная масса 312 000 Да), состоя­щий из 6 субъединиц (молекулярная масса каждой около 52 000 Да), проявляющий свою основную активность только в мультимерной форме. При диссоцисции этой молекулы на субъединицы, наступающей легко в присутствии НАДН₂, ГТФ и некоторых стероидных гормонов, фермент теряет свою главную глутаматдегидрогеназную функцию, но приобретает способность дезаминировать ряд других аминокислот. Это свидетельствует об аллостерической природе глутаматдегидрогеназы, действующей как регуляторный фермент в аминокислотном обмене.

Помимо перечисленных выше четырех типов дезаминирования аминокислот и ферментов, катализирующих эти превращения, в животных тканях и печени человека открыты также три специфических фермента (серии- и треониндегидратазы и циста-тионин-у-лиаза), катализирующих неокислительное дезаминирование серина, треонина и цистеина:

Конечными продуктами реакции являются пируват и ос-кетобутират, аммиак и сероводород. Поскольку указанные ферменты требуют присутствия пиридоксаль-фосфата в качестве кофермента, реакция неокислительного дезаминирования, веро­ятнее всего, протекает с образованием шиффовых оснований как промежуточных метаболитов.

Наиболее изученным ферментом является треониндегидратаза, которая оказалась не только аллостерическим ферментом, но и наряду с триптофан-2,3-диоксигеназой, тирозинами-нотрансферазой, индуцибельным ферментом в животных тканях (индукция синтеза ферментов de novo является общим свойством микроорганизмов). Так, при скармливании крысам гидро-лизата казеина активность треониндегидратазы печени повышается почти в 300 раз. Этот синтез тормозится ингибитором белкового синтеза — пуромицином. Поскольку индукция почти полностью тормозится также глюкозой пищи, треонингидратаза, по-видимому, является от­ветственной за глюконеогенез, так как ос-кетобутират легко превращается в пируват и соот­ветственно в глюкозу.