Биохимический анализ белков и аминокислот

У человека найдено более 10 аминотрансфераз, которые локализуются в цитоплазме и митохондриях клеток. В реакции трансаминирования вступают почти все АК, за исключением лизина, треонина и пролина.

Механизм переаминирования

Вначале, АК передает свою аминогруппу на пиродоксальфосфат. АК при этом превращается в кетокислоту, а пиродоксальфосфат - в пиридоксаминфосфат.

Затем, реакции идут в обратную сторону: но уже другая кетокислота, принимает аминогруппу от пиридоксаминфосфата и превращается в новую АК, а пиридоксаминфосфат в пиродоксальфосфат.

Органоспецифичные аминотрансферазы АЛТ и АСТ

Чаще всего в трансаминировании участвуют АК и кетокислоты, которых много в организме -- глу, ала, асп, б-КГ, ПВК и ЩУК. Основным донором аминогруппы служит глу, а кетогруппы - б-КГ.

Наиболее распространёнными аминотрансферазами в большинстве тканей млекопитающих являются аланинаминотрансфераза (АЛТ) и аспартатаминотрансфераза (ACT).

АЛТ катализирует реакцию трансаминирования между ала и б-КГ: ала+б-КГ-ПВК+глу АЛТ локализуется в цитозоле клеток многих органов, больше всего ее в клетках печени и миокарде.

ACT катализирует реакцию трансаминирования между асп и б-КГ: асп+б-КГ-ЩУК+глу

ACT имеет как цитоплазматическую, так и митохондриальную формы. Наибольшее ее количество обнаружено в миокарде и печени.

АСТ и АЛТ являются органоспецифичными ферментами, их определяют в крови для диагностики заболеваний печени, сердца и, в меньшей степени, скелетных мышц. Соотношение активностей АСТ/АЛТ называют «коэффициент де Ритиса». В норме он равен 1,33±0,42.

При инфаркте миокарда активность ACT в крови увеличивается в 8--10 раз, а АЛТ -- в 1,5--2,0 раза, коэффициент де Ритиса резко возрастает.

При гепатитах активность АЛТ в сыворотке крови увеличивается в - 8--10 раз по сравнению с нормой, a ACT -- в 2--4 раза. Коэффициент де Ритиса снижается до 0,6.

Биологическое значение трансаминирования

Реакции трансаминирования обеспечивают синтез и распад амино- и кетокислот, перераспределение аминного азота в тканях организма.

ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ

Дезаминирование АК -- реакция отщепления б-аминогруппы от АК, в результате чего образуется соответствующая б-кетокислота и выделяется молекула аммиака.

Дезаминирование бывает прямым и непрямым.

Прямое дезаминирование АК

Прямое дезаминирование - это дезаминирование, которое происходит в 1 стадию с участием одного фермента. Прямому дезаминированию повергаются глу, гис, сер, тре, цис.

Существует 5 видов прямого дезаминирования АК:

1. окислительное;

2. неокислительное;

3. внутримолекулярное;

4. восстановительное;

5. гидролитическое.

Окислительное дезаминирование - самый активный вид прямого дезаминирования АК.

1. Глутаматдегидрогеназа (глу-ДГ) - олигомер, состоящий из 6 субъединиц (молекулярная масса 312 кД), содержит кофермент НАД⁺. Глу-ДГ катализирует обратимое дезаминирование глу, очень активна в митохондриях клеток практически всех органов, кроме мышц. Глу-ДГ аллостерически ингибируют АТФ, ГТФ, НАДH₂, активирует избыток АДФ. Индуцируется Глу-ДГ стероидными гормонами (кортизолом).

Реакция идёт в 2 этапа. Вначале происходит ферментативное дегидрирование глутамата и образование б-иминоглутарата, затем -- неферментативное гидролитическое отщепление иминогруппы в виде аммиака, в результате чего образуется б-кетоглутарат. При избытке аммиака реакция протекает в обратном направлении (как восстановительное аминирование б-кетоглутарата).

Глу + НАД⁺ + Н₂О - б-КГ + НАДН₂ + NH₃

2. Оксидаза L-аминокислот

В печени и почках есть оксидаза L-АК, способная дезаминировать некоторые L-аминокислоты:

Оксидаза L-АК имеет кофермент ФМН. Т.к. оптимум рН оксидазы L-АК равен 10,0, активность фермента очень низка и вклад ее в дезаминирование незначителен.

3. Оксидаза D-аминокислот

Оксидаза D-аминокислот также обнаружена в почках и печени. Это ФАД-зависимый фермент, с оптимумом рН в нейтральной среде. Оксидаза D-аминокислот превращает, спонтанно образующиеся из L-аминокислот, D-аминокислоты в кетокислоты.

Неокислительное дезаминирование

В печени человека присутствуют специфические пиридоксальфосфатзависимые ферменты сериндегидратаза, треониндегидратаза, катализирующие реакции неокислительного дезаминирования аминокислот серина и треонина.

Внутримолекулярное дезаминирование

Внутримолекулярное дезаминирование характерно для гистидина. Реакцию катализирует гистидаза (гистидин-аммиаклиаза). Эта реакция происходит только в печени и коже.

Непрямое дезаминирование (трансдезаминирование) АК

Непрямое дезаминирование - это дезаминирование, которое происходит в 2 стадий с участием нескольких ферментов. Оно характерно для большинства АК, так как они не способны к прямому дезаминированию (нет ферментов).

На первой стадии происходит одна и несколько реакций переаминирования с участием аминотрансфераз, в результате аминогруппа АК переходит на кетосоединение (б-КГ, ИМФ).

На второй стадии происходит реакция дезаминирования аминосоединения (глу, АМФ), в результате чего образуется аммиак.

Последовательность реакций непрямого дезаминирования зависит от набора ферментов в тканях.

Непрямое дезаминирование в печени

Непрямое дезаминирование АК происходит при участии 2 ферментов: аминотрансферазы и глу-ДГ. Аминогруппы АК в результате трансаминирования переносятся на б-КГ с образованием глутамата, который затем подвергается прямому окислительному дезаминированию.

Обе стадии непрямого дезаминирования обратимы, что обеспечивает как катаболизм АК, так и возможность образования практически любой АК из соответствующей б-кетокислоты.

При энергодефиците АДФ активирует Глу-ДГ, что усиливает катаболизм АК и образование а-кетоглутарата, поступающего в ЦТК как энергетический субстрат.

Таким образом, Глу-ДГ играет ключевую роль в регуляции обмена АК и энергии.

Непрямое дезаминирование в мышцах (и нервной ткани)

В мышечной ткани активность глу-ДГ низка, поэтому при интенсивной физической нагрузке функционирует ещё один путь непрямого дезаминирования с участием цикла ИМФ-АМФ.

Можно выделить 4 стадии этого процесса:

1. трансаминирование с а-кетоглутаратом, образование глутамата (аминотрансфераза);

2. трансаминирование глутамата с ЩУК, образование аспартата (АСТ);

3. реакция переноса аминогруппы от аспартата на ИМФ (инозинмонофосфат), образование АМФ и фумарата (аденилосукцинасинтаза и аденилосукцинатлиаза);

4. гидролитическое дезаминирование АМФ (АМФ-дезаминаза).

Этот путь дезаминирования преобладает в мышцах при интенсивной работе, в результате которой накапливается молочная кислота. Выделяющийся аммиак предотвращает закисление среды в клетках, вызванное образованием лактата.

Пути обмена безазотистого остатка аминокислот

За сутки у человека распадаются примерно 100г АК. Катаболизм всех АК сводится к образованию шести веществ, вступающих в общий путь катаболизма: ПВК, ацетил-КоА, б-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат и ЩУК. Эти вещества окисляются в ЦТК для образования АТФ или используются для синтеза глюкозы и кетоновых тел.

Гликогенные аминокислоты - АК, которые превращаются в ПВК и промежуточные продукты ЦТК (а-КГ, сукцинил-КоА, фумарат, ЩУК). Они через ЩУК, используются в глюконеогенезе (ала, асн, асп, гли, глу, глн, про, сер, цис, арг, гис, вал, мет, тре).

Кетогенные аминокислоты - АК, которые в процессе катаболизма превращаются в ацетоацетат (Лиз, Лей) или ацетил-КоА (Лей) и могут использоваться в синтезе кетоновых тел.

Смешанные (глико-кетогенными) аминокислоты - АК, при катаболизме которых образуются метаболит цитратного цикла и ацетоацетат (Три, Фен, Тир) или ацетил-КоА (Иле). Эти АК используются для синтеза глюкозы и кетоновых тел.

ОБМЕН АММИАКА

Аммиак в организме образуется:

· при дезаминировании АК во всех тканях (много);

· при дезаминировании биогенных аминов и нуклеотидов во всех тканях (мало);

· при дезаминировании АМФ в интенсивно работающей мышце;

· при гниении белков в кишечнике.

Концентрация аммиака

Концентрация аммиака в сыворотке крови в норме 11--35 мкмоль/л. В крови и цитозоле клеток при физиологических значениях рН аммиак переходит в ион аммония -- NH₄⁺, количество неионизированного NH₃ невелико (~ 1%).

Токсичность аммиака

Аммиак -- токсичное соединение. Даже небольшое повышение его концентрации оказывает неблагоприятное действие на организм, и, прежде всего на ЦНС.

Механизм токсического действия аммиака:

1. Аммиак легко проникает через мембраны в клетки и в митохондриях сдвигает реакцию, катализируемую глу-ДГ, в сторону образования глу:

б-Кетоглутарат + НАДH₂ + NH₃ > глу + НАД⁺.

Уменьшение концентрации б-кетоглутарата вызывает:

· угнетение реакции трансаминирования АК и снижение синтеза из них нейромедиаторов (ацетилхолина, дофамина и др.);

· снижения скорости ЦТК и развитие энергодефицита.

Недостаточность б-кетоглутарата ускоряет реакции синтеза ЩУК из ПВК, сопровождающейся интенсивным потреблением СО₂ (особенно характерны для клеток головного мозга).

2. Повышение концентрации аммиака в крови сдвигает рН в щелочную сторону, вызывает алкалоз. Алкалоз увеличивает сродство гемоглобина к кислороду, что препятствует отдачи им кислорода. В результате развивается гипоксия тканей, энергодефицит, от которого главным образом страдает головной мозг.

3. Высокие концентрации аммиака, при участии глутаминсинтетазы, стимулируют синтез глутамина из глутамата в нервной ткани:

4. Глу + NH₃ + АТФ > Глн + АДФ + Н₃РО₄. Накопление глн в клетках нейроглии приводит к повышению в них осмотического давления, набуханию астроцитов и в больших концентрациях вызвает отёк мозга. Снижение концентрации глу нарушает обмен АК и нейромедиаторов, в частности синтез г-аминомасляной кислоты (ГАМК), основного тормозного медиатора. При недостатке ГАМК и других медиаторов нарушается проведение нервного импульса, возникают судороги.

5. Ион NH₄⁺ практически не проникает через цитоплазматические и митохондриальные мембраны. Избыток NH₄⁺ в крови нарушает трансмембранный перенос одновалентных катионов Na⁺ и К⁺, конкурируя с ними за ионные каналы, что также влияет на проведение нервных импульсов.

6. Низкие концентрации аммиака стимулируют дыхательный центр, а высокие - угнетают.

Связывание (обезвреживание) аммиака

В связи с токсичностью аммиака в тканях происходит его связывание с образованием нетоксичных соединений - АК и мочевины. Процесс образования и обезвреживания аммиака регулируют в основном ферменты глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза.

Обмен глутамата

В мозге и некоторых других органах может протекать восстановительное аминирование б-кетоглутарата под действием глутаматдегидрогеназы, катализирующей обратимую реакцию.



Однако этот путь обезвреживания аммиака в тканях используется слабо, так как глутаматдегидрогеназа катализирует преимущественно реакцию дезаминирования глутамата. Хотя, если учитывать последующее образование глутамина, реакция выгодна для клеток, так как способствует связыванию сразу 2 молекул NH₃.

Обмен глутамина

Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма (основные поставщики мышцы, мозг и печень), является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы:

Глутаминсинтетаза находиться в митохондриях клеток, содержит кофактор -- ионы Mg²⁺, является одним из основных регуляторных ферментов обмена АК. Она аллостерически ингибируется АМФ, глюкозо-6ф, гли, ала и гис.

Глутамин, путём облегчённой диффузии, легко проходит клеточные мембраны (для глутамата возможен только активный транспорт), поступает из тканей в кровь и транспортируется в кишечник и почки.

В почках происходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием аммиака:



Аммиак с протонами и анионами образует соли аммония (0,5 г/сут), которые выделяются с мочой. Этот процесс используется для регуляции КОС и сохранения в организме важнейших катионов Na⁺ и К⁺. Глутаминаза почек значительно индуцируется при ацидозе, ингибируется при алкалозе.

В клетках кишечника также под действием глутаминазы происходит гидролитическое освобождение амидного азота в виде аммиака:

Образовавшийся аммиак поступает через воротную вену в печень или удаляется из организма с фекалиями.

Высокий уровень глутамина в крови и лёгкость его поступления в клетки обусловливают использование глутамина во многих анаболических процессах. Глутамин -- основной донор азота в организме. Амидный азот глутамина используется для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, аспарагина, аминосахаров и других соединений.

Обмен аспарагина

Обезвреживание аммиака в тканях происходит незначительно при синтезе аспарагина под действием глутаминзависимой и аммиакзависимой аспарагинсинтетазы.



Первая функционирует в животных клетках, вторая преобладает в бактериальных клетках, но присутствует и у животных.

Обмен аланина

Из мышц и кишечника избыток аминого азота выводится преимущественно в виде аланина.

В кишечнике:

Глутамат подвергается трансаминированию с ПВК с образованием аланина и б-кетоглутарата. Аланин поступает из кишечника в кровь воротной вены и поглощается печенью.

В мышцах:

Образование аланина в мышцах, его перенос в печень связан с обратным переносом в мышцы синтезированной в печени глюкозы. Этот процесс называется глюкозо-аланиновый цикл:

Он необходим, так как активность глу-ДГ в мышцах невелика и непрямое дезаминирование АК малоэффективно.

Мышцы выделяют особенно много аланина в силу их большой массы, активного потребления глюкозы при физической работе, а также потому, что часть энергии они получают за счёт распада АК. Образовавшийся аланин поступает в печень, где подвергается непрямому дезаминированию. Выделившийся аммиак идет на синтез мочевины, а ПВК включается в глюконеогенез. Глюкоза из печени поступает в ткани и там, в процессе гликолиза, опять окисляется до ПВК.

ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ

Большая часть свободного аммиака, а также аминного азота в составе АК (в основном глутамин, аланин) поступают в печень, где из них синтезируется нетоксичное и хорошо растворимое в воде соединение -- мочевина. Мочевина является основной формой выведения азота из организма человека.

Синтез мочевины происходит в цикле, который замыкается орнитином. Цикл открыли в 40-х годах XX века немецкие биохимики Г. Кребс и К. Гензелейт.

Мочевина (карбамид) -- полный амид угольной кислоты -- содержит 2 атома азота, один из аммиака, другой - из асп.

Реакции орнитинового цикла

Предварительно в митохондриях под действием карбамоилфосфатсинтетазы I с затратой 2 АТФ аммиак связывается с СО₂ с образованием карбамоилфосфата:

(Карбамоилфосфатсинтетаза II локализована в цитозоле клеток всех тканей и участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов).

1. В митохондриях орнитинкарбамоилтрансфераза переносит карбамоильную группу карбамоилфосфата на орнитин и образуется -- цитруллин:

2. В цитозоле аргининосукцинатсинтетаза с затратой 1 АТФ (двух макроэргических связей) связывает цитруллин с аспартатом и образует аргининосукцинат (аргининоянтарная кислота). Фермент нуждается в Mg²⁺. Аспартат -- источник второго атома азота мочевины.

3. В цитозоле аргининосукцинатлиаза (аргининсукциназа) расщепляет аргининосукцинат на аргинин и фумарат (аминогруппа аспартата оказывается в аргинине).



4. В цитозоле аргиназа гидролизует аргинин на орнитин и мочевину. У аргиназы кофакторы ионы Са²⁺ или Мn²⁺, ингибиторы - высокие концентрации орнитина и лизина.

Образующийся орнитин взаимодействует с новой молекулой карбамоилфосфата, и цикл замыкается.

Регенерация аспартата из фумарата

Фумарат, образующийся в орнитиновом цикле, в цитозоле превращается в ЩУК, который переаминируется с аланином или глутаматом с образованием аспартата. Аланин поступает главным образом из мышц и клеток кишечника:

Малат может направиться в митохондрии и включиться в ЦТК.

Пируват, образующийся в этих реакциях из аланина, используется для глюконеогенеза.

Общее уравнение синтеза мочевины:

CO₂ + NH₃ + асп + 3 АТФ + 2 Н₂О > мочевина + фумарат + 2АДФ + АМФ + 2Фн + ФФн

Энергетический баланс орнитинового цикла

На синтез 1 мочевины расходуются 4 макроэргических связи 3 АТФ. Дополнительные затраты энергии связаны с трансмембранным переносом веществ и экскрецией мочевины. Энергозатраты при этом частично компенсируются:

· при окислительном дезаминировании глутамата образуется 1 молекула НАДН₂, которая обеспечивает синтез 3 АТФ;

· в ЦТК, при превращении малата в ЩУК образуется еще 1 молекула НАДН₂, которая также обеспечивает синтез 3 АТФ;

Орнитиновый цикл в печени выполняет 2 функции:

1. превращение азота АК в мочевину, которая экскретируется и предотвращает накопление токсичных продуктов, главным образом аммиака;

2. синтез аргинина и пополнение его фонда в организме.

Полный набор ферментов орнитинового цикла есть только в гепатоцитах. Отдельные же ферменты орнитинового цикла обнаруживаются в разных тканях. В энтероцитах, есть карбамоилфосфатсинтетаза I и орнитинкарбамоилтрансфераза, следовательно, может синтезироваться цитруллин. В почках есть аргининосукцинатсинтетаза и аргининосукцинатлиаза. Цитруллин, образовавшийся в энтероцитах, может поступать в почки и превращаться там в аргинин, который переносится в печень и гидролизуется аргиназой. Активность этих рассеянных по разным органам ферментов значительно ниже, чем в печени.

Выделение азота из организма

Азот выводиться из организма с мочой, калом, потом и с выдыхаемым воздухом в виде различных соединений. Основная масса азота выделяется из организма с мочой в виде мочевины (до 90%). В норме соотношение азотсодержащих веществ в моче составляет: мочевина 86%, креатинин 5%, аммиак 3%, мочевая кислота 1,5% и другие вещества 4,5%. Экскреция мочевины в норме составляет 25 г/сут, солей аммония 0,5 г/сут.

ГИПЕРАММОНИЕМИЯ

Нарушение реакций обезвреживания аммиака может вызвать повышение содержания аммиака в крови -- гипераммониемию, что оказывает токсическое действие на организм.

Причинами гипераммониемии могут быть:

1. генетические дефекты ферментов орнитинового цикла в печени;

2. вторичное поражение печени в результате цирроза, гепатита или других заболеваний.

Известны пять наследственных заболеваний, обусловленные дефектом пяти ферментов орнитинового цикла.

Наследственные нарушения орнитинового цикла и их основные проявления

Заболевание	Дефект фермента	Тип наследования	Клинические проявления	Метаболиты
				кровь	моча
Гиперам-мониемия, тип I	Карбамоил-фосфат-синтетаза I	Аутосомно-рецессивный	В течение 24-48 ч после рождения кома, смерть	Глн Ала NH3	Оротат
Гиперам-мониемия, тип II	Орнитин-карбамоил-трансфераза	Сцепленный с Х-хромосомой	Гипотония, снижение толерантности к белкам	Глн Ала NH3	Оротат
Цитрул-линемия	Аргинино-сукцинат-синтетаза	Аутосомно-рецессивный	Гипераммониемия тяжёлая у новорождённых. У взрослых -- после белковой нагрузки	Цитруллин NH3	Цитруллин
Аргинино-сукцина-турия	Аргинино-сукцинатлиаза	Аутосомно-рецессивный	Гипераммониемия, атаксия, судороги, выпадение волос	Аргини-носукцинат NH3	Аргини-носукци-нат, Глн, Ала, Лиз
Гиперар-гининемия	Аргиназа	Аутосомно-рецессивный	Гипераргининемия	Apг NH3	Apг Лиз Орнитин

Снижение активности какого-либо фермента синтеза мочевины приводит к накоплению в крови субстрата данного фермента и его предшественников.

При гипераммониемиях I и II типа происходит накопление карбамоилфосфата в митохондриях и выход его в цитозоль. Это вызывает увеличение скорости синтеза пиримидиновых нуклеотидов (вследствие активации карбамоилфосфатсинтетазы II), что приводит к накоплению оротата, уридина и урацила и выведению их с мочой.

Тяжесть течения заболевания зависит также от степени снижения активности ферментов.

Все нарушения орнитинового цикла приводят к значительному повышению в крови концентрации аммиака (до 6000 мкмоль/л), глутамина и аланина.

Гипераммониемия сопровождается появлением следующих симптомов:

· тошнота, повторяющаяся рвота;

· головокружение, тремор, судорожные припадки;

· нечленораздельная речь;

· потеря сознания, отёк мозга (в тяжёлых случаях);

· отставание умственного развития (при хронической врождённой форме).

· В тяжёлых случаях развивается кома с летальным исходом.

Все симптомы гипераммониемии -- проявление действия аммиака на ЦНС.

Для диагностики различных типов гипераммониемии производят определение содержания аммиака в крови, метаболитов орнитинового цикла в крови и моче, активности фермента в биоптатах печени.

Лечение больных с различными дефектами орнитинового цикла в основном направлено на снижение концентрации аммиака в крови за счёт малобелковой диеты, введения кетоаналогов АК в рацион и стимуляцию выведения аммиака в обход нарушенных реакций:

· путём связывания и выведения NH₃ в составе фенилацетилглутамина и гиппуровой кислоты. Пищевой фенилацетат при конъюгации с глутамином образует фенилацетилглутамин, а пищевой бензоат при конъюгации с глицином образует гиппуровую кислоту, которые потом выводится с мочой;

· повышением концентрации промежуточных метаболитов цикла (аргинина, цитруллина, глутамата), образующихся вне блокируемых реакций. Введение больших доз цитруллина стимулирует синтез мочевины из аспартата. Большие дозы аргинина стимулируют регенерацию орнитина и выведение азота в составе цитруллина и аргининосукцината.

Обмен аминокислот и аммиака между тканями

Печень

В печень азот поступает в основном в виде аммиака, глутамина, аланина, а меньше в виде других АК в основном из мышц и кишечника. Поглощает АК с разветвленной цепью (вал, лей, иле). Синтезирует глюкозу в основном из аланина и серина.

Мышцы

Поглощают АК с разветвленной цепью (вал, лей, иле). Выделяют много аланина и глутамина меньше других АК.

Кишечник

Поглощает глутамин. Выделяет много аланина. С пищей из кишечника поступают все аминокислоты.

Мозг

Поглощает много АК с разветвленной цепью (вал, лей, иле). Выделяет много глутамина.

Почки

Поглощают глутамин. Выделяют много серина и немного аланина.

ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ

Некоторые АК и их производные могут подвергаться декарбоксилированию - отщеплению б-карбоксильной группы. У млекопитающих декарбоксилируются: три, тир, вал, гис, глу, цис, арг, орнитин, SAM, ДОФА, 5-окситриптофан и т.д. Реакцию необратимо катализируют декарбоксилазы, которые содержат в активном центре пиридоксальфосфат. Механизм реакции похож на реакцию переаминирования.

Продуктами реакции являются СО₂ и биогенные амины, выполняющие регуляторные функции (гормоны, тканевые гормоны, нейромедиаторы).

Серотонин

Серотонин образуется из три в надпочечниках, ЦНС и тучных клетках.

Серотонин - возбуждающий нейромедиатор средних отделов мозга (проводящих путей) и гормон. Стимулирует сокращение гладкой мускулатуры, вазоконстриктор, регулирует АД, температуру тела, дыхание, антидепрессант.

ГАМК

ГАМК образуется и разрушается в ГАМК-шунте ЦТК в высших отдела мозга. Он имеет очень высокую концентрацию.

ГАМК - тормозной нейромедиатор (повышает проницаемость постсинаптических мембран для К⁺), повышает дыхательную активность нервной ткани, улучшает кровоснабжение головного мозга.

Гистамин

Гистамин образуется в тучных клетках. Секретируется в кровь при повреждении ткани, развитии иммунных и аллергических реакций.

Гистамин - медиатор воспаления, аллергических реакций, пищеварительный гормон:

1. стимулирует секрецию желудочного сока, слюны;

2. повышает проницаемость капилляров, расширение сосудов, покраснение кожи, вызывает отеки, снижает АД (но увеличивает внутричерепное давление, вызывает головную боль);

3. сокращает гладкую мускулатуру легких, вызывает удушье;

4. вызывает аллергическую реакцию;

5. нейромедиатор;

6. медиатор боли.

Дофамин

Дофамин образуется (фен > тир > ДОФА > дофамин) в мозге и мозговом веществе надпочечников.

Дофамин - нейромедиатор среднего отдела мозга.

Тема Белки III. Специфические пути обмена аминокислот

ФОЛИЕВАЯ КИСЛОТА

Значительную роль в обмене ряда АК, синтезе некоторых сложных липидов, нейромедиаторов, гормонов и ряда других веществ играют производные фолиевой кислоты.

Фолиевая кислота широко распространёна в продуктах животного и растительного происхождения, синтезируется микрофлорой кишечника.

Активная форма фолиевой кислоты - ТГФК. Она образуется в печени при восстановлении фолиевой кислоты с участием фолатредуктазы и дигидрофолатредуктазы, коферментом которых служит НАДФН₂.

Образование одноуглеродных фрагментов, их взаимопревращения

ТГФК принимает от АК одноуглеродные фрагменты: серин и глицин дают метиленовый фрагмент (-СН₂-), гистидин - формимино- и формильный фрагменты.

В составе ТГФК одноуглеродные фрагменты могут подвергаться взаимопревращениям: метиленовая группа превращаться в метенильную (-СН=), формильную (-НС=О), метильную (-СН₃) и формиминогруппу (-CH=NH).

Затем ТГФК отдает одноуглеродные фрагменты на:

· синтез пуриновых оснований

· синтез тимидиловой кислоты

· регенерацию метионина

· превращение дУМФ в дТМФ;

· превращение глицина в серина и т.д.

Недостаточность фолиевой кислоты

Гиповитаминоз фолиевой кислоты возникает редко, его вызывает использование сульфаниламидных препаратов. Сульфаниламиды -- структурные аналоги парааминобензойной кислоты, они ингибируют синтез фолиевой кислоты у микроорганизмов, вызывая их гибель. Некоторые производные птеридина (аминоптерин и метотрексат) тормозят рост почти всех организмов, нуждающихся в фолиевой кислоте, их используют для подавления опухолевого роста у онкологических больных.

Гиповитаминоз фолиевой кислоты приводит к:

1. мегалобластической (макроцитарной) анемии. Она характеризуется уменьшением количества эритроцитов, снижением содержания в них гемоглобина, что вызывает увеличение размера эритроцитов. Причина -- нарушение синтеза ДНК и РНК из-за недостатка тимидиловой кислоты и пуриновых нуклеотидов.

2. лейкопении;

3. задержке роста.

4. нарушению регенерации эпителия, особенно в ЖКТ (связано с недостатком нуклеотидов для синтеза ДНК в постоянно делящихся клетках слизистой оболочки).

КОБАЛАМИН (В₁₂)

В₁₂ синтезируется только микроорганизмами, им богаты печень, почки. Активные формы кобаламина - метилкобаламин (цитоплазма) и дезоксиаденозилкобаламин (митохондрии).

Кобаламин участвует:

1. в передачи метила с метил-ТГФК на гомоцистеин при регенерации метионина.

2. в превращениях одноуглеродных фрагментов в составе ТГФК.

3. в метаболизме жирных кислот с нечетным числом атомов С и аминокислот с разветвленной цепью. Перенос протонов в реакциях изомеризации.

Недостаточность В₁₂

Гиповитаминоз возникает при нарушении всасывании В₁₂ (дефицит фактора Касла при пониженной кислотности желудочного сока).

Гиповитаминоз В₁₂ сопровождается:

1. макроцитарной (мегалобластической) анемией: снижение числа эритроцитов, гемоглобина, увеличение размера эритроцитов. Причина -- нарушение синтеза ДНК.

2. расстройствами деятельности нервной системы. При распаде жирных кислот с нечетным количеством атомов С и разветвленных АК из-за дефицита В₁₂ накапливается нейротоксичная метилмалоновая кислота.

ОБМЕН СЕРИНА И ГЛИЦИНА

Серин и глицин - заменимые аминокислоты.

Синтез серина:

белок аминокислота кровь обмен

Обмен глицина:

Основной путь синтеза

Основной путь катаболизма (в митохондриях печени)

Путь образования оксалатов из глицина

Схема путей обмена серина и глицина

Серии и глицин выполняют в организме человека разнообразные и очень важные функции.

Глицин -- важнейший (после ГАМК) тормозной нейромедиатор в спинном мозге, промежуточном мозге и некоторых отделах головного мозга.

Наследственные нарушения обмена глицина

Известно несколько заболеваний, связанных с нарушениями обмена глицина. В их основе лежит недостаточность ферментов или дефект системы транспорта этой АК.

Гиперглицинемия возникает при дефекте глицинрасщепляющей системы. Проявляется повреждением мозга, судорогами, гипотонией, нарушением дыхания.

Глицинурия характеризуется повышенным выделением глицина с мочой (до 1 г/сут) при нормальном содержании его в крови. Причиной является нарушение реабсорбции глицина в почках.

Первичная гипероксалатурия характеризуется постоянно высоким выделением оксалата с мочой, независимо от поступления его с пищей. Дефект глицинаминотрансферазы блокирует превращение глиоксилата снова в глицин. Глицин > глиоксилат > оксалат

Прогрессирует двустороннее образование оксалатных камней в мочевыводящих путях, развиваются нефрокальциноз и инфекция мочевыводящих путей. Больные погибают в детском возрасте от почечной недостаточности или гипертонии.

В состав белков человека входят 2 АК, содержащие серу, -- метионин и цистеин. Эти аминокислоты метаболически тесно связаны между собой.

МЕТИОНИН

Метионин -- незаменимая аминокислота, может регенерировать из гомоцистеина с участием серина и глицина. Метионин:

1. участвует в синтезе белков организма;

2. является источником метильной группы, используемой в реакциях трансметилирования;

3. является источником атома серы, необходимого для синтеза цистеина;

4. участвует в реакциях дезаминирования;

5. Метионил-тРНК участвует в инициации процесса трансляции.

Образование S-аденозилметионина

Метильная группа в метионине прочно связана с серой, поэтому донором этого одноуглеродного фрагмента служит активная форма метионина - S-аденозилметионин (SAM). (SAM -- нестабилен т.к. сера при валентности 2 имеет 3 связи). SAM образуется при присоединении метионина к аденозину с участием метионинаденозилтрансферазы (есть во всех типах клеток). Аденозин образуется при гидролизе АТФ.

Ресинтез метионина, роль ТГФК и витамина В₁₂.

Связь обменов метионина и цистеина



Реакции трансметилирования с участием S-аденозилметионина

Отщепление метильной группы от SAM и перенос её на соединение-акцептор катализируют ферменты метилтрансферазы. SAM в ходе реакции превращается в S-аденозилгомоцистеин (SAT).

Синтез холина

Синтез лецитина



Аналогично синтезируются:

1. из ГАМК > карнитин;

2. из гуанидинацетата > креатин;

3. из норадреналина > адреналин;

4. из карнозина > анзерин;

5. Реакции трансметилирования используются также в синтезе азотистых оснований, инактивации гормонов, нейромедиаторов и обезвреживании ксенобиотиков.

ЦИСТЕИН

Цистеин - серосодержащая условнозаменимая АК. Синтезируется из незаменимого метионина и заменимого серина.

Нарушение синтеза цистеина возникает при гиповитаминозе фолиевой кислоты, В₆, В₁₂ или наследственных дефектах цистатионинсинтазы и цистатионинлиазы. Гомоцистеин превращается в гомоцистин, который накапливается в крови, тканях и выделяется с мочой.

Обмен цистеина: схема путей, их значение.

Цистеин:

1. используется в белках для формирования третичной структуры (дисульфидные мостики);

2. SH группы цистеина формируют активный центр многих ферментов;

3. идет на синтез глутатиона, таурина (парные желчные кислоты), НS-КоА, ПВК (глюкоза);

4. Является источником сульфатов, которые идут на синтез ФАФС или выделяются с мочой.

Образование сульфат-иона, его утилизация (образование ФАФС).

ФАФС используется:

1. В обезвреживании ксенобиотиков:

2. В синтезе гликозаминогликанов (сульфирование ОН групп производных глюкозы, галактозы сульфотрансферазой).

ФЕНИЛАЛАНИН

Фенилаланин -- незаменимая АК, которая содержится в достаточных количествах в пищевых продуктах. Фенилаланин идет в основном на синтез белков и тирозина.

Превращение фенилаланина в тирозин необратимо катализирует фенилаланингидроксилаза (монооксигеназа), коферментом которой служит тетрагидробиоптерин (Н₄БП), кофактором - Fe²⁺. Н₄БП в результате реакции окисляется в дигидробиоптерин (Н₂БП). Регенерация последнего происходит при участии дигидроптеридинредуктазы с использованием НАДФH₂.

Реакция необходима для удаления избытка фенилаланина, так как высокие концентрации его токсичны для клеток. Образование тирозина не имеет большого значения, так как недостатка этой аминокислоты в клетках практически не бывает.

Фенилкетонурия

В печени здоровых людей небольшая часть фенилаланина (10%) превращается в фениллактат и фенилацетилглутамин. При дефекте фенилаланингидроксилазы этот путь катаболизма фенилаланина становится главным, что способствует развитию фенилкетонурии (ФКУ).

Классическая ФКУ -- наследственное заболевание, связанное с мутациями в гене фенилаланингидроксилазы (частота 1:10000 новорождённых), которые приводят к снижению активности фермента или полной его инактивации.

При ФКУ концентрация фен повышается в крови в 20--30 раз, в моче -- в 100--300 раз по сравнению с нормой. В крови и моче повышается содержание метаболитов альтернативного пути: фенилпирувата, фенилацетата, фениллактата и фенилацетилглутамина.

Проявления ФКУ:

1. нарушение умственного и физического развития;

2. судорожный синдром;

3. нарушение пигментации.

Проявления ФКУ связаны с токсическим действием на клетки мозга высоких концентраций фенилаланина, фенилпирувата, фениллактата. Большие концентрации фенилаланина ограничивают транспорт тирозина и триптофана через гематоэнцефалический барьер и тормозят синтез нейромедиаторов (дофамина, норадреналина, серотонина).

Прогрессирующее нарушение умственного и физического развития у детей, больных ФКУ, можно предотвратить диетой с очень низким содержанием или полным исключением фенилаланина. Если такое лечение начато сразу после рождения ребёнка, то повреждение мозга предотвращается. Считается, что ограничения в питании могут быть ослаблены после 10-летнего возраста (окончание процессов миелинизации мозга), однако в настоящее время многие педиатры склоняются в сторону «пожизненной диеты». При отсутствии лечения больные не доживают до 30 лет.

Для диагностики ФКУ используют качественные и количественные методы обнаружения патологических метаболитов в моче, определение концентрации фенилаланина в крови и моче.

Дефектный ген, ответственный за фенилкетонурию, можно обнаружить у фенотипически нормальных гетерозиготных носителей с помощью теста толерантности к фенилаланину.



ТИРОЗИН

Тирозин -- условно заменимая АК, образуется из незаменимого фенилаланина. Содержание тир в пищевых белках достаточно велико.

Тирозин используется в синтезе белков, катехоламинов, тиреоидных гормонов и меланинов. Обмен тирозина зависит от типа тканей.

1. Обмен тирозина в надпочечниках и нервной ткани

В мозговом веществе надпочечников и нервной ткани тирозин метаболизирует по катехоламиновому пути с образованием дофамина, норадреналина и адреналина (только в надпочечниках).



Тирозингидроксилаза (тирозинмонооксигеназа) Fe²⁺ -зависимый фермент, в качестве кофермента использующий Н₄БП. Ее ингибирует норадреналин.

Дофамин и норадреналин служат медиаторами в синаптической передаче нервных импульсов, а адреналин -- гормон широкого спектра действия, регулирующий энергетический обмен. Одна из функций катехоламинов -- регуляция деятельности ССС.

Нарушение синтеза катехоламинов может вызывать различные нервно-психические заболевания, причём патологические отклонения наблюдаются как при снижении, так и при увеличении их количества. Снижение в нервных клетках содержания дофамина и норадреналина часто приводит к депрессивным состояниям. При шизофрении в височной доле мозга наблюдается гиперсекреция дофамина.

Болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона развивается при снижении активности тирозинмонооксигеназы и ДОФА-декарбоксилазы, что приводит к недостаточности дофамина в чёрной субстанции мозга. Это одно из самых распространённых неврологических заболеваний (частота 1:200 среди людей старше 60 лет). Заболевание сопровождается акинезией (скованность движений), ригидностью (напряжение мышц) и тремором (непроизвольное дрожание).

Дофамин не проникает через гематоэнцефалический барьер и как лекарственный препарат не используется. Для лечения паркинсонизма используют заместительную терапию препаратами-предшественниками дофамина (производными ДОФА) -- леводопа, мадопар, наком и др. Также подавляют инактивацию дофамина ингибиторами МАО (депренил, ниаламид, пиразидол и др.).

2. Обмен тирозина в меланоцитах

В пигментных клетках (меланоцитах) обмен тирозин идет по меланиновому пути. Из тирозина синтезируются пигменты -- меланины 2 типов: эумеланины и феомеланины. Эумеланины (чёрного и коричневого цвета) -- нерастворимые высокомолекулярные полимеры 5,6-дигидроксииндола. Феомеланины -- жёлтые или красновато-коричневые полимеры, растворимые в разбавленных щелочах.

Меланины присутствуют в сетчатке глаз, в составе волос, в коже. Цвет кожи зависит от распределения меланоцитов и количества в них разных типов меланинов.

Альбинизм

При наследственном дефекте тирозиназы (1:20000) в меланоцитах нарушается синтез меланинов и развивается альбинизм.

Клиническое проявление альбинизма (от лат. albus -- белый) -- отсутствие пигментации кожи, сетчатки глаз и волос. У больных часто снижена острота зрения, возникает светобоязнь. Длительное пребывание таких больных под открытым солнцем приводит к раку кожи.

3. Превращение тирозина в щитовидной железе

В щитовидной железе из тирозина синтезируются и выделяются гормоны йодтиронины: тироксин (тетрайодтиронин) и трийодтиронин.

5. Катаболизм тирозина в печени

Катаболизм тирозина происходит в печени по гомогентизиновому пути (схема).

Фумарат может окисляться до СО₂ и Н₂О или использоваться для глюконеогенеза. Ацетоацетат -- кетоновое тело, окисляемое до СО₂ и Н₂О с выделением энергии.

Алкаптонурия («чёрная моча»)

При наследственном дефекте диоксигеназы гомогентизиновой кислоты (2--5 случаев на 1 млн новорождённых) развивается алкаптонурия. При алкаптонурии происходит накопление в организме гомогентизиновой кислоты, избытки которой выделяются с мочой. На воздухе гомогентизиновая кислота окисляется с образованием тёмных пигментов - алкаптонов.

Клиническими проявлениями болезни, кроме потемнения мочи на воздухе, являются пигментация соединительной ткани (охроноз) и артрит.

Тирозинемии

Некоторые нарушения катаболизма тирозина в печени приводят к тирозинемии и тирозинурии. Различают 3 типа тирозинемии.

1. Тирозинемия типа 1 (тирозиноз). Причиной заболевания является дефект фумарилацетоацетатгидролазы. Накапливающиеся метаболиты снижают активность некоторых ферментов и транспортных систем аминокислот. Патофизиология этого нарушения достаточно сложна. Острая форма тирозиноза характерна для новорождённых. Клинические проявления -- диарея, рвота, задержка в развитии. Без лечения дети погибают в возрасте 6--8 мес из-за развивающейся недостаточности печени. Хроническая форма характеризуется сходными, но менее выраженными симптомами. Гибель наступает в возрасте 10 лет. Содержание тирозина в крови у больных в несколько раз превышает норму. Для лечения используют диету с пониженным содержанием тирозина и фенилаланина.

2. Тирозинемия типа II (синдром Рихнера--Ханхорта). Причина -- дефект тирозинаминотрансферазы. Концентрация тирозина в крови больных повышена. Для заболевания характерны поражения глаз и кожи, умеренная умственная отсталость, нарушение координации движений.

3. Тирозинемия новорождённых (кратковременная). Заболевание возникает в результате снижения активности фермента п-гидроксифенилпируватдиоксигеназы. В результате в крови больных повышается концентрация п-гидроксифенилацетата, тирозина и фенилаланина. При лечении назначают бедную белком диету и витамин С.

ТРИПТОФАН

Триптофан - незаменимая АК. В физиологических условиях >95% триптофана метаболизирует по кинурениновому пути и 1% по серотониновому пути.

Схема кинуренинового пути

Синтез НАД⁺ уменьшает потребность организма в витамине РР.

Серотониновый путь

Серотонин образуется в надпочечниках, ЦНС и тучных клетках.

Серотонин - возбуждающий нейромедиатор средних отделов мозга (проводящих путей) и гормон. Стимулирует сокращение гладкой мускулатуры, вазоконстриктор, регулирует АД, температуру тела, дыхание, антидепрессант.

Образование и использование в организме ГАМК и ГОМК. Антиоксидантные, антигипоксические и адаптогенные свойства Глу, Асп, их клиническое применение.

ГЛУТАМАТ

Синтез глутамата

Глутамат образуется:

1). при восстановительном аминировании б-кетоглутарата глутаматдегидрогеназой:

2). В реакция переаминирования с участием аминотрансфераз:

Использование глутамата

1. Используется в синтезе белков, липидов, углеводов;

2. Ведущая роль в интеграции азотистого обмена. Обеспечивает реакции переаминирования АК: глутамат универсальный донор аминогруппы для синтеза заменимых АК (Ала, Асп, Асн, Сер, Гли, Глн, Про). Обеспечивает непрямое дезаминирование большинства АК. Участвует в обезвреживании аммиака с образованием глутамина;

3. Является источником б-КГ, необходимого для ЦТК и синтеза АТФ;

4. Входит в состав глутатиона;

Глутамат содержится в больших количествах в головном мозге, где выполняет разнообразные функции:

1. один из основных возбуждающих нейромедиаторов в коре, гиппокампе, полосатом теле и гипоталамусе;

2. используется для синтеза тормозного нейромедиатора ГАМК;

3. В виде пироглутамата (циклическая форма) входит в состав нейропептидов -- люлиберина, тиролиберина, нейротензина, бомбезина и др.;

4. участвует в регуляции процессов памяти;

5. глутамат служит источником янтарной кислоты (сукцинат), которая может окисляться при гипоксии, давая АТФ (антигипоксант);

6. участвует в обезвреживании аммиака с образованием глутамина

Нарушение обмена глутамата приводит к целому ряду патологических нарушений ЦНС: эпилепсии, расстройствах вестибулярной системы, ишемии и др. Глутамат и его аналоги используют как лекарственные средства при хронической недостаточности аминокислотного обмена, вегетососудистой дистонии, эпилепсии (в качестве предшественника ГАМК -- тормозного медиатора).

ГЛУТАМИН

Синтез глутамина



Использование глутамина

1. Используется в синтезе белков, углеводов;

2. Источник азота в синтезе пуриновых и пиримидиновых оснований, аспарагина, аминосахаров;

3. Обеспечивает транспорт азота из тканей;

АСПАРТАТ

Синтез аспартата

Использование аспартата

1. Используется в синтезе белков, липидов, углеводов;

2. Участвует в орнитиновом цикле при синтезе мочевины;

3. Участвует в синтезе карнозина, анзерина, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, N-ацетиласпарагиновой кислоты.

АСПАРАГИН

Синтез аспарагина

Использование аспарагина

1. Используется в синтезе белков, липидов, углеводов;

Размещено на Allbest.ru

...