Заболевания, связанные с нарушениями метаболизма аминокислот и их биохимическая сущность

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени Н.Э. БАУМАНА

Факультет Биомедицинская техника

Кафедра Медико-технические информационные технологии

Самостоятельная работа

Заболевания, связанные с нарушениями метаболизма аминокислот и их биохимическая сущность

Студент: Пирожкова А.А. Группа:БМТ2-32

Руководитель: Ершов Ю.А.

Москва 2014

Содержание

Понятие аминокислоты

Метаболизм аминокислот

Основные направления метаболизма аминокислот

Дезаминирование/Трансдезаминирование/Декарбоксилирование

Заболевания, связанные с нарушением метаболизма аминокислот

Заключение

Список литературы

Понятие аминокислоты

аминокислота метаболизм дезаминирование

Аминoкиcлоты -- важнейшие, а некоторые из них жизненно важные органические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные и аминные группы.

В живых организмах аминокислоты выполняют множество функций. Они являются стpуктуpными элементами пептидов и белков, а так же других природных соединений. Для построения всех белков, будь то белки из самых древних линий бактерий или из высших организмов, используется один и тот же набор из 20 различных аминокислот, ковалентно связанных друг с другом в определенной, характерной только для данного белка последовательности. Поистине замечательное свойство клеток - это их способность соединять 20 аминокислот в различных комбинациях и последовательностях, в результате чего образуются пептиды и белки, обладающие совершенно разными свойствами и биологической активностью. Из одних и тех же строительных блоков разные организмы способны вырабатывать такие разнообразные продукты, как ферменты, гормоны, белок хрусталика глаза, перья, паутина, белки молока, антибиотики, ядовитые вещества грибов и многие другие соединения, наделенные специфической активностью. Также некоторые из aминoкиcлoт являются нейромедиаторами или предшественниками нейромедиаторов, медиаторов или гормонов.

Метаболизм аминокислот

Важнейшую и незаменимую роль в жизни организмов играет обмен аминокислот. Непротеиногенные aминoкиcлoты oбpaзyютcя в качестве прoмeжyточныx продуктов при биоcинтeзе и деградации протеиногенных аминокислот или в цикле мочевины. Кроме того, для животных и человека аминокислоты - строительные блоки белковых молекул - являются главными источниками органического азота, который используется, в первую очередь, для синтеза специфических организму белков и пептидов, а из них - азотсодержащих веществ небелковой природы (пуриновые и пиримидиновые основания, порфирины, гормоны и др.).

При необходимости аминокислоты могут служить источником энергии для организма, главным образом, за счет окисления их углеродного скелета.

Основные направления метаболизма аминокислот

Кажущееся постоянство химического состава живого организма поддерживается за счет равновесия между процессами синтеза и разрушения составляющих его компонентов, т.е. равновесия между катаболизмом и анаболизмом. В растущем организме такое равновесие смещено в сторону синтеза белков, т.е. анаболическая функция преобладает над катаболической. В организме взрослого человека в результате биосинтеза ежесуточно обновляется до 400 г белка. Причем, разные белки обновляются с различной скоростью - от нескольких минут до 10 и более суток, а такой белок, как коллаген, практически не обновляется за все время жизни организма. В целом период полураспада всех белков в организме человека составляет около 80 суток. Из них необратимо распадается примерно четвертая часть протеиногенных аминокислот (около 100 г.), которая должна возобновляться за счет белков пищи, остальные аминокислоты частично синтезируются организм.

При недостаточном поступлении белков с пищей организм использует белки одних тканей (печени, мышц, плазмы и др.) для направленного синтеза белков других жизненно важных органов и тканей: сердечной мышцы и т.д. Биосинтез белков осуществляется лишь при наличии в качестве исходных мономеров всех 20 природных аминокислот, причем каждой в нужном количестве. Длительное отсутствие и недостаточное поступление даже одной из 20 аминокислот приводит к необратимым изменениям в организме.

Белки и аминокислоты - это самые главные азотсодержащие соединения животных организмов - на их долю приходится более 95% биогенного азота. С обменом белков и аминокислот неразрывно связано понятие азотистого баланса (АБ), под которым понимают разницу между количеством азота, введенного в организм с пищей (Nввед) и количеством азота, выведенного из организма (Nвывед) в виде конечных продуктов азотистого обмена, преимущественно мочевины:

АБ = N_введ - N_вывед, [г·сутки^-1]

При положительном азотистом балансе биосинтез белков преобладает над процессами их распада, т.е. из организма выводится меньше азота, чем поступает. Положительный азотистый баланс наблюдается в период роста организма, а также при выздоровлении после истощающих заболеваний. При отрицательном азотистом балансе распад белков преобладает над их синтезом, и азота из организма выводится больше, нежели поступает. Такое состояние возможно при старении организма, голодании и различных истощающих заболеваниях. В норме у практически здорового взрослого человека наблюдается азотистое равновесие, т.е. количество азота, введенного в организм, равно количеству выделенного. Нормы белка в питании при достижении азотистого равновесия составляют в среднем 100-120 г·сутки^-1.

Всасывание свободных аминокислот, образовавшихся в результате гидролиза белков, происходит, в основном, в тонком разделе кишечника. Данный процесс представляет собой активный транспорт молекул аминокислот, требующий энергии и зависящий от концентрации ионов Na+. Обнаружено более пяти специфических транспортных систем, каждая из которых переносит наиболее близкие по химическому строению аминокислоты. Разные аминокислоты могут конкурировать друг с другом за участки связывания на встроенных в мембрану транспортных белках (см. главу 15 настоящего Раздела). Таким образом, всосавшиеся аминокислоты в кишечнике попадают через портальную систему в печень, а затем поступают в кровь.

Дальнейший катаболизм аминокислот до конечных продуктов представляет собой совокупность реакций дезаминирования, трансаминирования и декарбоксилирования. При этом каждой индивидуальной аминокислоте соответствует свой специфический метаболический путь.

Дезаминирование/Трансдезаминирование/Декарбоксилирование

Дезаминирование - это отщепление аминогрупп от аминокислот с образованием аммиака. Именно с реакций дезаминирования чаще всего начинается катаболизм аминокислот. В живых организмах возможно четыре типа дезаминирования аминокислот.

Общим продуктом всех четырех типов дезаминирования является аммиак - довольно токсичное для клеток и тканей соединение, поэтому он подвергается обезвреживанию в организме (см. далее). В результате дезаминирования за счет «потерянных» в форме аммиака аминогрупп уменьшается суммарное количество аминокислот. Для большинства живых организмов, в том числе и человека, характерно окислительное дезаминирование аминокислот, в то время как другие типы дезаминирования встречаются только у некоторых микроорганизмов.

Окислительное дезаминирование L-аминокислот осуществляется оксидазами, присутствующими в печени и почках. Распространенным коферментом оксидазы L-аминокислот является ФМН, выполняющий роль переносчика водорода с аминокислоты на кислород. Суммарная реакция окислительного дезаминирования выглядит следующим образом:

R-CH(NH₂)-COOH + ФМН + H₂O >

> R-CO-COOH + ФМНН₂ + NH₃ + Н₂О₂

В ходе реакции образуется промежуточное соединение - иминокислота, которая затем гидратируется с образованием кетокислоты. Кроме кетокислоты и аммиака - как основных продуктов дезаминирования, в данной реакции образуется еще и пероксид водорода, который затем разлагается на воду и кислород при участии каталазы:

Н₂О₂ > Н₂О + ЅО₂

Окислительное дезаминирование, как самостоятельный процесс, играет незначительную роль в превращении аминогрупп аминокислот; с большой скоростью дезаминируется только глутаминовая кислота. Данную реакцию катализирует фермент глутаматдегидрогеназа, коферментом которой выступает NAD или NADH. Активность глутаматдегидрогеназы регулируется аллостерическими модификаторами, в роли ингибиторов выступают ГТФ и АТФ, а в роли активаторов - ГДФ и АДФ. Окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты можно представить следующей схемой:

НООС-CH₂-CH₂-CH(NH₂)-COOH + NAD >

> НООС-CH₂-CН₂-СО-СOOH + NH3 + (NADH + Н+)

Данная реакция обратима, но в условиях живой клетки равновесие реакции смещено в сторону образования аммиака. Другие, не окислительные типы дезаминирования характерны для cерина, цистеина, треонина и гистидина. Остальные аминокислоты подвергаются трансдезаминированию.

Трансдезаминирование - это основной путь катаболического распада аминокислот. По названию процесса нетрудно догадаться, что он протекает в два этапа. Первый - трансаминирование, а второй - собственно окислительное дезаминирование аминокислоты. Трансаминирование катализируется ферментами аминотрансферазами, называемыми также просто трансаминазами. В качестве кофермента аминотрансферазы выступает пиридоксальфосфат (витамин В6). Суть трансаминирования состоит в переносе аминогруппы с б-aминокислоты на б-кетокислоту. Таким образом, реакция трансаминирования является межмолекулярным окислительно-восстановительным процессом, в котором участвуют атомы углерода не только взаимодействующих аминокислот, но и пиридоксальфосфата.

Декарбоксилирование - это процесс отщепления карбоксильной группы от аминокислоты в форме СО2. Декарбоксилированию в условиях живого организма могут подвергаться некоторые аминокислоты и их производные. Декарбоксилирование катализируется специальными ферментами - декарбоксилазами, коферментом которых (за исключением гистидиндекарбоксилазы) служит пиридоксальфосфат. Продуктами декарбоксилирования являются амины, обладающие биологической активностью - биогенные амины. К этой группе соединений принадлежат большинство нейромедиаторов и регуляторных факторов местного действия (тканевые медиаторы, регулирующие обмен веществ). Реакцию декарбоксилирования произвольной аминокислоты можно представить в следующем виде:

ДекарбоксилазаБиогенный амин

Образование биологически активных аминов

ГАМК - медиатор нервной системы (гамма-аминомасляная кислота).

Глутамат

Гистамин - медиатор воспаления, аллергических реакций.

ГистидинГистамин

Табл. Предшественники, химическое строение, биологическая роль биогенных аминов

Заболевания, связанные с нарушениями обмена аминокислот

Обмен веществ в организме - очень важный процесс. Любое отклонение от нормы может привести к ухудшению состояния здоровья человека. Различают наследственные и приобретенные нарушения обмена аминокислот. Наибольшая скорость обмена аминокислот наблюдается в нервной ткани. По этой причине в психоневрологической практике различные наследственные аминоацидопатии считаются одной из причин слабоумия.

Нарушение обмена тирозина.

Тирозин, помимо участи в синтезе белков, является предшественииком гормонов надпочечников адреналина, норадреналина, медиатора дофамина, гормонов щитовидной железы тироксины трийодтиронина, пигментов. Нарушение обмена тирозина многочисленны и называются тирозинемии.

Тирозинемия I типа.

Этиология.

Болезнь возникает при недостаточности фумарилацетоацетат-гидролазы. При этом накапливается фумарилацетоацетат и его метаболиты, поражающие печень и почки.

Фумарилацето-гидролаза

Клиническая картина.

Острая форма составляет большинство случаев заболевания с началом в возрасте 2-7 мес. и смертью 90% больных в возрасте 1-2 года из-за недостаточности печени.

При хронической форме болезнь развивается позднее, медленнее прогрессирует. Продолжительность жизни около 10 лет.

Основы лечения.

Лечение малоэффективно. Используется диета со снижением количества белка, фенилаланина и тирозина, инъекции глутатиона. Необходима трансплантации печени.

Тирозинемия 2 типа.

Гораздо более редкое заболевание.

Этиология.

Болезнь возникает при недостаточности тирозин-аминотрансферазы.

Клиническая картина.

Задержка умственного и физического развития, микроцефалия, катаракты и кератоз роговицы (псевдогерпетический кератит), гиперкератоз кожи, членовредительство, нарушение тонкой координации движений.

Эффективна диета с низким содержанием тирозина, при этом поражения кожи и роговицы быстро исчезают.

Тирозинемия новорожденных.

Этиология.

Тирозинемия новорожденных (тип 3) - результат недостаточности гидроксифенилпируват-гидроксилазы. Чаще наблюдается у недоношенных детей.

Клиническая картина.

Сниженная активность и летаргия. Аномалия считается безвредной. Дефицит аскорбиновой кислоты усиливает клиническую картину.

Основы лечения.

Диета со снижением количества белка, фенилаланина, тирозина и высокие дозы аскорбиновой кислоты.

Алкаптонурия.

Этиология.

Генетическая аутосомно-рецессивная энзимопатия. В основе заболевания лежит снижение активности печеночного фермента гомогентизат-оксидазы, в результате в организме накапливается гомогентизиновая кислота.

Клиническая картина.

Так гомогентизат на воздухе полимеризуется в меланиноподобное соединение, то наиболее частым и постоянным симптомом является темная моча, на пеленке и нажнем белье остаются темно-коричневые пятна. Другим образом в детском возрасте болезнь не проявляется.

С возрастом гомогентизиновая к-та накапливается в соединительно-тканных образованиях, склерах и коже, вызывает шиферно-глубокий оттенок ушного и носового хрящей, окрашивание участков одежды, потеющими участками тела (подмышки).

Одновременно гомогентизиновая к-та ингибирует лизилгидроксилазу, препятствуя синтезу коллагена, что делает хрупкими хрящевые образования. К пожилому возрасту наступает дегенеративный артроз позвоночника и крупных суставов, межпозвонковые пространства сужены.

Основы лечения.

Хотя эффективные способы неизвестны, по аналогии с другими аминокислотными нарушениями рекомендуется с раннего возраста ограничить потребление фенилаланина и тирозина, что должно препятствовать развитию охроноза и суставных нарушений. Назначают большие дозы аскорбиновой к-ты для защиты активности лизилоксидазы.

Альбинизм.

Этиология. Заболевание обусловлено полным или частичным дефектом синтеза фермента тирозиназы (частота 1:20000), необходимой для синтеза диоксифенилаланина в пигментных клетках.

Клиническая картина. При полном отсутствии фермента-тотальная делигментация кожи, волос, глаз, причем окраска одинакова для всех расовых групп и не меняется с возрастом. Кожа не загорает, совершенно отсутствуют невусы, пигментные пятна, развиваются фотодерматиты. Сильно выражены нистагм, светобоязнь, дневная слепота, красный зрачковый рефлекс. При частичной недостаточности отмечаются светло-желтые волосы, слабопигментированные родинки, очень светлая кожа.

Основы лечения. Рекомендуется использовать различные средства для защиты от ультрафиолетовых лучей.

Паркинсонизм.

Этиология. Причинной паркинсонизма (частота после 60 лет 1:200) является низкая активность тирозин-гидроксилазы или ДОФА-декабоксилазы в нервной ткани, при этом развивается дефицит нейромедиатора дофамина и накопление тирамина.

Клиническая картина.

Наиболее распространенными симптомами являются ригидность мышц, скованность движений, тремор и самопроизвольные движения.

Основы лечения.

Требуется систематическое введение лекарственных аналогов дофамина и применение ингибиторов моноаминоксидазы.

Фумарат Ацетоацетат

Фумарат ацетоацетат

Фенилкетонурия

Этиология. Дефицит фенилаланингидроксилазы. Фенилаланин превращается в фенилпируват.

Клиническая картина.

§ Нарушение миелинирования нервов

§ Маса мозку ниже нормы.

§ Умственное и физическое отставание.

Диагностические критерии:

§ уровень фенилаланина в крови.

§ FeCl3 тест.

§ пробы ДНК (пренатально).

Заключение

Значение аминокислот для организма в первую очередь определяется тем, что они используются для синтеза белков, метаболизм которых занимает особое место в процессах обмена веществ между организмом и внешней средой. Важную роль в координации работы всех систем клеток играют белковые гормоны. Обмен белков и аминокислот играет важнейшую и незаменимую роль в жизни организмов.

Список литературы

1. Ершов ЮА, Зайцева НИ. Основы биохимия для иженеров. МГТУ 2010

2. Ершов ЮА..соавт. Общая химия. М. 2011.

3. Белоусова Е.Д., Никанорова М.Ю., Николаева Е.А. Наследственные болезни обмена веществ, проявляющиеся в периоде новорожденности// Российский вестник перинатологии и педиатрии, N6-2000, с.12-19

4. Ленинджер А. Основы биохимии. М. Мир. 1985. 1055 с.

5. Blau N, Duran M, Blascovich ME, Gibson KM (eds) Physician`s Guide to the Laboratory Diagnosis of Metabolic Diseases (second edition). New York: Springer, 1996

6. Николаев А. Я., Биологическая химия, М. «Медицинское информационное агентство», 2004 г.

7. Флорентьев В. Л., Биохимия. - М., 2004. - 464 с.

8. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф., Биологическая химия. М, Медицина,1998

9. Ершов Ю.А. и др. Общая химия. 8-е изд. М. ВШ. 2009. 560 с.

10. Ершов Ю.А. и др. Кинетика и термодинамика биохимических и физиологических процессов. М. Медицина. 1990. 208 с.

11. Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М., Мир, 2004. 269 с.

12. http://biomed.science.ulster.ac.uk/bmsri/-Metabolomics-and-Proteomics-Unit-.html

13. http://biokhimija.ru/lekcii-po-biohimii/21-matrichnye-biosintezy.html

14. Биохимия: Учеб. для вузов, Под ред. Е.С. Северина., 2003. 779 с. ISBN 5-9231-0254-4

15. Вельтищев Ю. Е., Казанцева Л. З., Семячкина А. Н. Наследственные болезни обмена веществ. В кн Наследственная патология человека П/ред. Вельтищев Ю. Е., Бочков Н. П. М. 1992, т. 1, с. 41-101.

16. Мусил Я., Новикова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах: Пер. с англ.- 2-е изд., исправл.-М.: Мир, 1984.-216 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...