Кафедра биологической химии ОБМЕН БЕЛКОВ ОБЩИЕ ПУТИ ОБМЕНА

Кафедра биологической химии ОБМЕН БЕЛКОВ. ОБЩИЕ ПУТИ ОБМЕНА АМИНОКИСЛОТ

Значение знаний путей обмена аминокислот 1. 2. 3. 4. 5. Из аминокислот построены белки; Из аминокислот синтезируются многие биологически активные соединения; Нарушение обмена аминокислот лежат в основе патогенеза многих приобретенных и врожденных заболеваний; Широкое использование определения содержания аминокислот, промежуточных и конечных продуктов в биологических жидкостях для диагностических целей; Используются как лекарственные препараты.

Источники и пути использования аминокислот в организме Экскреция Мочевина Белки пищи – 100 г/сутки Белки тканей Синтез 500 г/сут Глюкоза NH 3 Фонд свободных аминокислот 35 г αкетокислоты Н 2 О ЦТК СО 2 АТФ Синтез заменимых аминокислот Азотсодержащие белковые соединения Полиамины Карнитин СО 2 Гем Нуклеотиды и т. п. Креатин Гормоны Биогенные амины

Показателем состояния белкового и аминокислотного обмена является азотистый баланс Азотистый баланс – разница между количеством азота, поступающим с пищей, и количеством азота выделяемого почками в виде мочевины и аммонийных солей.

Виды азотистого баланса Положительный (количество выделяемого азота меньше поступающего) – у детей, выздоравливающих больных после тяжелой болезни, лактация, при обильном белковом питании, начальная стадия новообразования; Отрицательный (количество выделяемого азота больше поступающего) – при тяжелых заболеваниях, голодании, старении, распаде опухоли, малобелковое или неполноценное питание; Равный нулю (азотистое равновесие) – здоровых взрослых людей при нормальном питании. у

Полноценный белок: 1. набор незаменимых аминокислот; 2. соотношение аминокислот должно быть близким к их соотношению в белках человека. 1. Заменимые – Ала, Асп, Асн, Глу, Глн, Про, Гли, Сер – синтезируются в необходимых количествах в организме; 2. Незаменимые – Вал, Лей, Иле, Мет, Фен, Три, Лиз, Тре – не синтезируются в организме; 3. Частично заменимые – Гис, Арг – синтезируются в организме очень медленно, в количествах не покрывающих потребностей организма, особенно в детском возрасте; 4. Условно заменимые – Цис, Тир – синтезируются из незаменимых аминокислот Мет и Фен (соответственно).

Переваривание белков (желудок) Пепсиноген Желудок р. Н 1, 5 – 2, 0 Пептид ПЕПСИН HCI (медленно) Глу Асп Тир Фен R H 2 N Белок СH Пепсин (быстро) С NH СH O Олигопептиды С O СООН

Переваривание белков (тонкий кишечник) Трипсиноген Энтеропептидаза (медленно) Трипсин (быстро) Пептид ТРИПСИН Прокарбоксипептидаза А, В Химотрипсиноген Пептид ХИМОТРИПСИН ЭЛАСТАЗ А Пептид Проэластаза КАРБОКСИПЕПТИДАЗА А, В

Переваривание белков в кишечнике Карбоксипептидаза А, В Тонкая кишка р. Н 8, 0 Трипсин H 2 О R H 2 N H 2 О Фен Тир Три Лиз Арг Эластаза H 2 О Ала Гли А Лиз Арг Химотрипсин Ала Вал Лей Иле В CH – C – NH – CH – C – NH – COOH O O O Белок Аминокислоты Дипептиды Трипептиды Аминопептидаза Дипептидаза Трипептидаза Аминокислоты Всасывание O O

Мембранный транспорт аминокислот Осуществляется 5 транспортными системами (белки-переносчики) с затратой энергии: 1. 2. 3. 4. 5. Аминокислоты с нейтральными радикалами. С нейтральными разветвленными радикалами (лей, илей, вал). С катионным радикалом (лиз, арг). С анионным радикалом (глу, асп); Иминокислоты (про, опро). Переносчики аминокислот 1 -й, 5 -й групп и мет являются натрий-зависимыми

Пути обмена АМК общие индивидуальные декарбоксилирование дезаминирование трансаминирование

Основные этапы катаболизма аминокислот Дезаминирование – отщепление α-аминогруппы в виде молекулы аммиака (кроме лизина и пролина) H 2 N-CH-COOH аминокислота R аммиак NH 3 О=С-СООН R α-кетокислота Аммонийные соли Мочевина ОПК Глюкоза (глюконеогенез ) Экскреция Окисление до СО 2 и Н 2 О Кетоновые тела (кетогенез) Синтез аминокислот

Виды реакции дезаминирования 1. Прямое: 1. 1. Окислительное (ГЛУ); 1. 2. Неокислительное (СЕР, ТРЕ, ГИС, ЦИС); 2. Непрямое (все остальные аминокислоты) 2. 1. Окислительное (трансдезаминирование) 2. 2. Неокислительное

Прямое окислительное дезаминирование Вид реакции Аминокислота Окислительное дезаминирование Глу COOH (CH 2) 2 CH-NH 2 COOH Глутамат Ферменты, коферменты Глутаматдегидрогеназа, НАD+ Глутаматдегидрогеназа COOH НАD+ НАDH+Н+ (CH 2) 2 H 2 О (CH 2)2 C=O C=NH COOH + NH 3 COOH H 2 О α-кетоглутарат Реакция идет в митохондриях клеток многих тканей, р. РРРРРРр наиболее активно – в печени.

Прямое неокислительное дезаминирование Вид реакции Неокислительное дезаминирование Аминокислота Цистеин CH 2 -SH CH-NH 2 COOH L - Цистеин Ферменты, коферменты Цистатионин-γ-лиаза, ПФ H 2 O H 2 S CH 3 C=O NH 3 COOH Пируват

Прямое неокислительное дезаминирование Вид реакции Неокислительное дезаминирование Аминокислота Гис Ферменты, коферменты Гистидаза -CH 2 -CH-COOH NH 2 гистидаза N NH Гистидин -CH=CH-COOH N NH NH 3 Уроканиновая кислота

Прямое неокислительное дезаминирование Вид реакции Неокислительное дезаминирование Аминокислота Ферменты, коферменты Сериндегидратаза, ПФ Тре CH 2 -OH Сер Треониндегидратаза, ПФ H 2 O CH-NH 2 COOH CH 2 C-NH 2 O CH 3 C=NH COOH Треонин + NH 3 COOH H 2 O CH 3 CН CН 2 C-NH 2 C=NH C=О COOH CН-OH CH-NH 2 C=O ПФ Серин CH 3 ПФ COOH Пируват H 2 O CH 3 + NH 3 α - кетобутират

Непрямое окислительное дезаминирование Аминокислота NH 3 α - кетоглутарат НАDH+Н+ аминотрансфераз 1 а 2 глутаматдегидрогеназа НАD+ α - кетокислота глутамат

Непрямое неокислительное дезаминирование (для мышечной ткани и мозга) Аминокислота α-кетокислота α-КГ Глу Инозинмонофосфат Асп NH 3 АМФ Фумарат Оксалоацетат Малат

Реакция трансаминирования аминокислот Трансаминирование – реакция переноса аминогруппы с аминокислоты (донор) на α-кетокислоту (акцептор) с образованием новой α-кетокислоты и аминокислоты Вид реакции Аминокислота Ферменты, коферменты Трансаминирование с αкетоглутаратом, образование Глу Большинство аминокислота, кроме лиз, тре, про Трансаминаза, фосфопиридоксаль R 1 R 2 CH-NH 2 COOH Аминокислота Асп + Ала + + C=O Аминтрансфераза R 1 C=O R 2 + CH-NH 2 Пиридоксаль. COOH фосфат (В 6) COOH α-кетокислота Аминокислота Аст α-кетоглутарат Оксалоацетат + Глу Алт α-кетоглутарат Пируват + Глу

Реакции трансаминирования выполняют важные физиологические функции: • из α-кетокислот синтезируются аминокислоты, необходимые для жизнедеятельности клеток; • происходит перераспределение аминного азота в тканях и органах; • начинается катаболизм большинства аминокислот – первая стадия непрямого дезаминирования.

Декарбоксилирование – отщепление α-карбоксильной группы, с образованием СО 2 и биогенных аминов. R R H C NH 2 COOH Аминокислота Декарбоксилаза ПФ CO 2 CН 2 NH 2 Биогенный амин В процессе декарбоксилирования аминокислот синтезируются нейромедиаторы ( серотонин, дофамин, ГАМК), гормоны (норадреналин, адреналин), регуляторные факторы местного действия (гистамин).

Биологическая роль и предшественники некоторых биогенных аминов Аминокислоты Серин Продукты декарбоксилиров ания Этаноламин Триптамин Биологически активные вещества Ацетилхолин Серотонин Формулы Н 3 С – С = О O СН 2 Триптофан НO Тирозин Возбуждающий медиатор вегетативной нервной системы Гистидин γ-Аминомасляная кислота Дофамин NН 2 (СН 2)2 СН 2 NН 2 Возбуждающий медиатор средних отделов мозга Гистамин ГАМК Гистамин СOOН НO НO Медиатор средних отделов мозга СН 2 (СН 3)3 Физическая роль Глутаминовая кислота СН 2 НN N СН 2 NН 2 Тормозный медиатор высших отделов мозга Медиатор воспаления, аллергических реакций, пищеварительный гормон

Обезвреживание аммиака в тканях

Источники и способы обезвреживания аммиака в разных тканях Биогенные амины Аминокислоты Нуклеотиды Гниение белков Аммиак Синтез мочевины (~25 гсут) Печень Образование Синтез аланина глутаминаамидирование Образование аммонийных солей Мышцы, (~ 0, 5 гсут) кишечник мозг и другие Почки ткани Образование глутамата – восстановительное аминирование Мозг

Обезвреживание аммиака – реакция амидирования COOH NH 3 (CH 2)2 Глутаминсинтетаза CH – NH 2 COOH Глутамат CO – NH 2 АТ Ф АДФ + Р 1 (CH 2)2 CH – NH 2 COOH Глутамин Происходит во всех тканях организма, фермент обладает высоким сродством к аммиаку. Глутамин- нейтральная аминокислота, поступает из тканей в кровь в больших количествах. Основные поставщики глутамина мышцы и мозг. Из крови глутамин поглощается почками и клетками кишечника.

Восстановительное аминирование α-кетоглутарата (происходит в основном в мозге) NH 3 α-Кетоглутарат Глутамат глутаматдегидрогеназа Эта реакция идет с незначительной скоростью , фермент используется для непрямого дезаминирования аминокислот.

Образование аланина (глюкозо-аланиновый цикл) Мышцы и другие ткани Кровь Печень Аланин Кетокислоты Глутамат Пируват Глюкоза Глюконеогенез Гликолиз Аминокислоты α-Кетоглутарат Глюкоза Оксалоацетат α-Кетоглутарат Глутамат Аспартат Малат NH 3 Орнитиновый цикл МОЧЕВИНА Фумарат

Образование аммонийных солей Почки H+ H+ + Глутаминаза Глутамат дегидрогеназа α-Кетоглутарат ОПК H 2 О NH 3 H+ 2 -, SO ) Анионы (Cl 4 А- NH 4 A Аммонийные соли Экскреция Эта реакция важна как механизм регуляции кислотно-щелочного баланса в организме. Синтез глутаминазы почек индуцируется при ацидозе, образующийся аммиак

Биосинтез мочевины - орнитиновый цикл CO 2 NH 3 1 H 2 O Печень 2 АТФ Карбамоилфоcфат – синтетаза I 2 Pi + 2 АДФ NH 2 C=O NH 2 Митохондрия (матрикс) C=O NH (СН 2)3 НС NH 2 O P Карбамоилфоcфат Pi NH 2 СООН Орнитин 2 Орнитинкарбамоилтранфераза (СН 2)3 НС NH 2 СООН Цитруллин

Биосинтез мочевины - орнитиновый цикл СООН NH 2 Мочевина РP + АДФ H 2 O Аргининсукцинатлиаза Почки 4 NH 2 СООН Аргинин Аспартат СООН CН C=N (СН 2)3 НС СООН NH 2 C=NH NH CН 2 3 Аргининосукцинатсинтетаза NH 2 Кровь NH 2 CН АТФ 5 Аргиназа C=O СООН (СН 2)3 СООН НС CН NH 2 СООН CН СООН Фумарат CН 2 NH Аргининосукцинат ЦТК

Гипераммониемия Заболевания печени (гепатит, цирроз) или наследственный дефект ферментов обезвреживания аммиака могут вызвать повышение содержания аммиака в крови – гипераммониемию Известно 5 наследственных заболеваний, обусловленных дефектом 5 ферментов орнитинового цикла: Ø Гипераммониемия I и II типа Ø Цитруллинемия Ø Аргиносукцинатурия Ø Гипераргининемия

Гипераммониемия При увеличении концентрации аммиака в 8 – 10 раз (до 0, 6 ммоль/л) проявляется его токсическое действие. Ø Ø Наблюдаются: Головокружение; Тошнота; Рвота; Судорожные припадки с потерей сознания. Наследственные формы гипераммониемии приводят к отставанию в умственном развитии детей

Токсичность аммиака Образование большого количества NH 4+ может привести к сдвигу р. Н крови в щелочную сторону (алкалозу). Алкалоз отрицательно сказывается на транспорте О 2 в ткани гемоглобином, в результате чего возникают гипоксические явления и низкоэнергетическое состояние в клетках, прежде всего головного мозга. v Высокое содержание NH 3 в тканях снижает количество α-кетоглутарата, так как он связывает избыток аммиака и превращается в глутамат. Это вызывает угнетение обмена аминокислот (трансаминирования) и ЦТК (гипоэнергетическое состояние) v

Токсичность аммиака Гипераммониемия усиливает синтез глутамина из глутамата в нервной ткани. Содержание глутамата снижается, что приводит к подавлению синтеза основного тормозного медиатора γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) под действием глутаматдекарбоксилазы: v Глутамат ГАМК + СО 2 В результате происходит повышение нервномышечной возбудимости и возникают судороги.

Токсичность аммиака Судорожные припадки могут быть также следствием подавления работы Na+, K+-АТФаз, нарушения трансмембранного переноса ионов Na+ и K+ и проведения нервных импульсов. v Для снижения концентрации NH 3 в крови и облегчения состояния больных рекомендуется малобелковая диета и введение метаболитов орнитинового цикла (аргинин, цитруллин, глутамат).

Цикл регенерации аспартата, сопряженный с орнитиновым циклом α-Кетоглутарат Кровь СО 2 2 АТФ NH 3 2 NADH 2 АДФ Карбамоилфосфат 1 Глутамат Кетокислота 1 NAD+ Орнитин МОЧЕВИНА Аминокислота 1 Цитруллин АТФ ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ Аргинин АМФ Аспартат Аргининсукцинат 5 ЦТК Фумарат 3 Малат 4 Пируват α-КГ Глутамат Аланин Оксалоацетат NAD+ NADH АМК Кеток-та

Биосинтез заменимых аминокислот Глюкоза Фосфоглицерат Пируват СО 2 Метионин Аспарагин Цитрат Оксалоацетат Малат Сукцинат Аланин Глицин S Ацетил Ко. А Аспартат Фумарат Серин Цистеин Изоцитрат ЦТК α – Кетоглутарат Сукцинат – Ко. А Глутамат Глутамин Аргинин Пролин