Гистидин и аргинин. Биосинтез, основные пути обмена, их биологическая роль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство здравоохранения Республики Беларусь

Учреждение образования

Гомельский государственный медицинский университет

Кафедра общей, биоорганической и биологической химии

Самостоятельная работа

по теме: Гистидин и аргинин. Биосинтез, основные пути обмена, их биологическая роль

Выполнила студентка группы Л-231

Повчиник Дарья Анатольевна

Проверил преподаватель

Скрыпникова Любовь Петровна

Гомель 2018

Содержание

Введение

1. Биосинез гистидина

2. Пути обмена гистидина

3. Использование гистидина как радиопротектора и антиоксиданта

3.1 Использование гистидина как радиопротектора

3.2 Использование гистидина как антиоксиданта

4. Биосинтез аргинина

5. Основные пути обмена аргинина. Биологическое значение

Заключение

Литература

Введение

Гистидин (L-б-амино-в-имидазолилпропионовая кислота) -- гетероциклическая альфа-аминокислота, одна из 20 протеиногенных аминокислот. По современным представлениям также является незаменимой кислотой как для детей, так и для взрослых.

Остаток гистидина входит в состав активных центров множества ферментов. Гистидин является предшественником в биосинтезе гистамина. Одна из незаменимых аминокислот, способствует росту и восстановлению тканей. В большом количестве содержится в гемоглобине; используется при лечении ревматоидных артритов, язв и анемии. Недостаток гистидина может вызвать ослабление слуха.

Гистидином богаты такие продукты как тунец, лосось, свиная вырезка, говяжье филе, куриные грудки, соевые бобы, арахис, чечевица. Кроме того, гистидин включается в состав многих витаминных комплексов и некоторых иных медикаментов.

Аргинин (2-амино-5-гуанидинпентановая кислота) -- алифатическая основная б-аминокислота. Оптически активна, существует в виде L- и D- изомеров. L-Аргинин входит в состав пептидов и белков, особенно высоко содержание аргинина в основных белках -- гистонах и протаминах (до 85 %). Новое исследование позволяет предположить, что чрезмерное потребление аргинина иммунными клетками, которые обычно защищают мозг, является причиной возникновения болезни Альцгеймера

Аргинин -- частично-заменимая аминокислота. У взрослого и здорового человека аргинин вырабатывается организмом в достаточном количестве. В то же время, у детей и подростков, у пожилых и больных людей уровень синтеза аргинина часто недостаточен. Биосинтез аргинина осуществляется из цитруллина под действием аргининсукцинатсинтазы и аргининсукцинатлиазы.

Аргинин является одним из ключевых метаболитов в процессах азотистого обмена (орнитиновом цикле млекопитающих и рыб).

Аргинин является субстратом NO-синтаз в синтезе оксида азота NO, являющегося локальным тканевым гормоном с множественными эффектами -- от противоспалительного до сосудистых эффектов и стимуляции ангиогенеза.

гистидин аргинин биосинтез

1. Биосинез гистидина

Все сведения о биосинтезе гистидина почерпнуты из опытов на микроорганизмах. Броквист и Снелл доказали, что различные бактерии могут превращать р-имидазолпировиноградную кислоту в гистидин при наличии в среде пиридоксальфосфата. Эти данные показывают, что имидазолпировиноградная кислота является предшественником гистидина, но в настоящее время при истолковании этих наблюдений следует учитывать и другие возможности.

Биосинтез гистидина очень сложен, это каскад из 9 реакций.

Начальными соединениями для синтеза гистамина выступают: аденозин-трифосфорная кислота (АТФ) и 5-фосфорибозил-1-пирофосфат (ФРПФ).

К молекуле 5-фосфорибозил -1- пирофосфата (ФРПФ) присоединяется молекула АТФ.

При этом от молекулы ФРПФ отрывается пирофосфатный хвост, а пуриновое ядро азотистого основания АТФ присоединяется к углероду пятичленного сахара рибозы в молекуле ФРПФ.

2. На втором этапе от образовавшегося соединения отщепляются еще два фосфорных остатка, которые на начальном этапе принадлежали АТФ. Образуется соединение фосфорибозилАМФ.

3. Третий этап. Гидролиз, т.е. присоединение воды к пуриновому ядру, принадлежащему изначально молекуле АТФ. Углеродное кольцо разрывается, кислород воды присоединяется к углероду, а пара водородов отходит к соседним азотам.

4. Четвертый этап. Кольцо пятичленного сахара рибозы размыкается, при этом отщепляется молекула воды.

5. На пятом этапе происходит метаморфоза. В реакцию вступает глутамин, который отдает азотистый остаток, а забирает гидроксильный остаток -- ОН, превращаясь в глутаминовую кислоту (глутамат).

Глутаминовая кислота и глутамин - два соединения, постоянно обменивающиеся азотными головами. Аммиак, образующийся при работе, захватывается глутаминовой кислотой, которая превращается в глутамин - транспортную форму переноса азотистой группы. Глутамин используется в разнообразных реакциях синтеза, вот и для образования имидазольного кольца гистидина пригодился.

Реакция обмена азотистой головой глутамина с глутаминовой кислотой выглядят так:

Соединение, идущее на синтез гистидина, перегруппировывается, от него отщепляется рибонуклеотид -- 5-аминоимидазол-4-карбоксамид - промежуточный продукт синтеза АТФ. На синтез АТФ оно и направится.

Другой продукт расщепления содержит пять атомов углерода из первоначального скелета сахара рибозы, один атом углерода и один атом азота, отщепленные от первоначально вступившей в реакцию молекулы АТФ, и один атом азота, принесенный глутамином. Одновременно замыкается имидазольное кольцо.

6. На шестом этапе отщепляется еще одна молекула воды

7. На седьмом этапе глутамат превращается в а-кетоглутарат, отдав аминную часть, которая приращивается к предыдущему соединению.

8. Дальше идет потеря фосфорного остатка, который заменяется на водород. Образуется спирт.

На заключительном этапе образовавшийся спирт окисляется молекулой НАД, и спирт превращается в аминокислоту.

2. Пути обмена гистидина

А - катаболизм гистидина в печени; Б - синтез и инактивация гистамина.

Обмен гистидина включает синтез гистамина в соединительной ткани, а также путь катаболизма, который происходит в печени и, частично, в коже человека.

В печени и коже дезаминирование гистидина катализирует фермент гистидаза. Образующийся уроканат только в печени способен превращаться через ряд стадий в глутамат. Наследственный дефект гистидазы вызывает накопление гистидина в организме и развитие гистидинемии, которая проявляется задержкой в умственном и физическом развитии детей. Ферменты гистидаза и уроканиназа являются гепатоспецифическими, поэтому их определение используется в клинике для диагностики поражений печени.

Основные функции гистамина

1.Защитная: как медиатор воспаления защищает организм от воздействия агрессивных факторов внешней среды.

2. Является пищеварительным гормоном: стимулирует выделение слюны и желудочного сока

3.Является нейромедиатором, ответственным за регуляцию сна и бодрствования: активирует нервные клетки, противодействует сну.

Дипептиды карнозин и ансерин образуются в мышцах и головном мозге, причем их содержание в скелетных мышцах особенно велико и достигает 100-200 мг\на 100 г. мышечной ткани.

Карнозин был впервые обнаружен русским ученым В.С.Гулевичем в 1900 г., в последующем физиологическое действие гистидиновых дипептидов изучалось российским биохимиком С.Е. Севериным в 60-х годах и исследуется до настоящего времени многими учёными.

Карнозин увеличивает амплитуду сокращения скелетных мышц и активирует работу ионных насосов мышечных клеток, стимулирует АТФ-азную активность миозина. Содержание гистидиновых пептидов в гладкой и сердечной мускулатуре во много раз ниже, чем в скелетной. Они создают до 40% буферной ёмкости быстрых мышц и позволяют накапливать много лактата. Избыток лактата в отсутствие гистидиновых пептидов приводит к ацидозу и контрактуре. Карнозин и анзерин обладают антиоксидантной активностью, ингибируют NO-зависимую гуанилатциклазу, замедляют процессы старения человека, влияя на скорость апоптоза.

3. Использование гистидина как радиопротектора и антиоксиданта

3.1 Использование гистидина как радиопротектора

РАДИОПРОТЕКТОРЫ -- вещества преимущественно синтетического происхождения, введение которых перед облучением в среду с биологическими объектами или в организм животных и человека снижает поражающее действие ионизирующего излучения.

Наиболее распространенные фармпрепараты - радиопротекторы - синтезированы на основе биологических веществ - серосодержащих аминокислот, биогенных аминов (серотонин, гистамин) или комплексонов. Эти биологически активные вещества или их предшественники.

Установлено, что усиленное образование в организме некоторых биогенных аминов (серотонин, гистамин) повышает его радиоустойчивость. На их основе созданы специальные препараты - радиопротекторы, которые рекомендуются для фармакотерапии и фармакопрофилактики радиационных поражений. Предшественниками образования в организме этих биогенных аминов являются аминокислоты - триптофан и гистидин, - повышенное потребление которых может сопровождаться большей радиоустойчивостью.

Средства длительного повышения радиорезистентности организма целесообразно разделить на две основные группы:

1. Средства защиты от «поражающих» доз облучения, куда относятся препараты, обладающие достаточно выраженным противолучевым действием, т. е. способные предупреждать или ослаблять ближайшие последст-вия внешнего облучения в дозах, вызывающих ОЛБ. Если эти средства используются до облучения, т. е. профилактически, то в литературе их часто обозначают как «радиопротекторы длительного (или пролонгированного) действия».

2.Средства защиты от «субклинических» доз облучения. В эту группу входят препараты, имеющие относительно низкую противолучевую активность, но способные снижать выраженность неблагоприятых (в том числе и отдаленных) последствий облучения в дозах, не вызывающих развития клинических проявлений лучевой патологии.

Для предупреждения неблагоприятных последствий действия «субклинических» доз облучения используются витамины и витамино-аминокислотные комплексы, например, амитетравит и тетрафолевит.

Амитетравит -- это препарат, состоящий из аскорбиновой кислоты, рутина, тиамина, пиридоксина, а также аминокислот триптофана и гистидина. Прием амитетравита начинают за 5-7 сут до входа на радиоактивно зараженную местность по 3 табл. 2 раза в день после еды. Курс терапии составляет 2 нед. В перерывах между курсами амитетравита или при его отсутствии применяют тетрафолевит (по 1 табл. 3 раза в сутки после еды в течение 2 нед), который представляет собой поливитаминный препарат, в состав которого входят тиамин, рибофлавин, фолиевая кислота и никотинамид. Прием этих препаратов должен осуществляться в течение всего периода пребывания в условиях повышенного радиационного фона.

3.2 Использование гистидина как антиоксиданта

Потенциально перспективным для клинического использования эндогенным антиоксидантом является карнозин (дипептид в-аланил-гистидин). В организме карнозин образуется из в-аланина и гистидина под действием карнозинсинтетазы, а в дальнейшем под влиянием N-метилтрансферазы и в присутствии S-аденозилметиони- на он может превращаться в анзерин.

Карнозин и анзерин участвуют в формировании буферной системы организма, способны нейтрализовать активные формы кисло- рода и сахаров, являются буфером протонов и металлов переменной валентности. Карнозин способен защищать белки от неэнзиматического гликозилирования (гликирования), поскольку представляет более удобную мишень для атаки альдегидами. Высокие концентрации карнозина могут эффективно защищать белки от альдосахаров. Более того, карнозин способен связываться с карбонильными группами окисленных белков, а образующееся при этом карнозилированное производное белка быстрее подвергается протеолизу и выключатся из клеточного метаболизма. Клиническое применение карнозина в качестве лекарственного средства пока ограничивается офтальмологией

4. Биосинтез аргинина

Большая часть необходимого аргинина поступает вместе с пищей. Источники поступления аргинина в организм: шоколад, орехи (кокос, арахис, грецкие орехи), семечки подсолнуха и кунжута, молочные продукты, желатин, мясо, овсяная крупа, соевые бобы, пшеничная мука, пшеница, зародыши пшеницы, хлеб из непросеянной муки и все продукты, богатые белком. В протаминах (простейших белках) аргинин содержится в количестве до 90%, однако аргинин - это аминокислота, принимающая участие в регулировании двух циклов (цикл мочевины и цикл оксида азота).

Следовательно возможными способами биосинтеза являются ЦСМ и ЦОА

1.Цикл синтеза мочевины.

Аргинин образуется путем распада аргининсукцината, синтезированного из цитрулина и аспартата.

2.Цикл оксида азота

Аргинин является основным источником для синтеза NO во многих типах клеток, фермент NO-синтаза (iNOS) превращает его в азот (II) оксид и цитруллин. Последний может снова превращаться в аргинин, в пути известном как цитруллин / NO цикл (или цитруллин / аргинин-цикл), основными ферментами которого является АСС и АСЛ. Однако интенсивность этого пути значительно ниже, чем цикла мочевины в печени, в результате чего в клетках может накапливаться цитруллин. Причиной этого может быть снижена активность АСС по сравнению с iNOS и / и нехваткой каналирования субстратов между ферментами.

5. Основные пути обмена аргинина. Биологическое значение

Основным путем обмена аргинина так же является ЦСМ.

Под действием фермента аргиназы аргинин гидролизуется до орнитина и мочевины.

Во-первых, эта реакция обеспечивает орнитиновый цикл орнитином, т.е. является необходимой для обезвреживания токсичного аммиака.

Во-вторых, орнитин под действием орнитиндекарбоксилазы превращается в путресцин. Путресцин является предшественником для синтеза полиаминов - спермидина и спермина. Донором аминопропана является производное S-аденозилметионина - S-аденозилметилтиопропиламин.

Значительные количества аргинина расходуются на синтез креатина, который является субстратом креатинкиназной ферментативной системы, ответственной в клетке за депонирование и транспорт энергии в виде креатинфосфата от источников ее образования к местам использования. Взрослый организм в результате спонтанного, без участия ферментов,расщепления ежедневнотеряет 1-2 г креатина, на синтез которого требуется 1,75-3,5 г аргинина . Поэтому для восполнения клеточного фонда креатина, необходимо дополнительное поступление его или аргинина из экзогенных источников.

Постоянный и довольно значительный расход аргинина в организме идет на синтез NO, который усиливается в условиях индукции соответствующей NO-синтазы при воспалительных процессах, сепсисе и др. патологиях.

Аргинин используется в организме как строительный и энергетический материал, а также функционирует как сигнальная молекула. Он содержит положительно заряженную R-группу и в больших количествах входит в состав основных белков. Среди них ядерные белки протамины и гистоны, играющие исключительную роль в формировании структуры и регуляции функции генов, а также пептиды, такие как тафцин -- тетрапептид с выраженным иммуномодуляторным действием.

Из аргинина, как глюкогенной аминокислоты, образуется D-глюкоза и гликоген.

Аргинин стимулирует образование ряда цитокинов, а также высвобождение из гипофиза гормона роста и пролактина, а из поджелудочной железы глюкагона и инсулина; активирует углеводный и липидный обмен.

Разностороннее участие аргинина в метаболизме, определяет широкий спектр его терапевтического действия и эффективность использования в составе диетических добавок. Он увеличивает мышечную массу, уменьшает объем жировой ткани, способствует нормализации состояния соединительной ткани. Аргинин, а также богатые им пептиды и белки, снижают рост патогенной микрофлоры. Являясь предшественником важных компонентов соединительной ткани: пролина и оксипролина, аргинин способствует заживлению ран, в том числе гнойных. Участвует в регенерации печени.

Аргинин способен усиливать синтез оксида азота. Этот феномен, известный как «аргининовый парадокс», осуществляется при наличии в клетках определенных концентраций свободного асимметричного диметиларгинина (ADMA), который в условиях in vivo конкурирует с аргинином на уровне транспортера Y+ и/или NOсинтаз. При высоких уровнях ADMA, угнетающих эндотелиальную NO-синтазу, введение аргинина восстанавливает ее активность, нормализует функцию эндотелия и сосудистый тонус. С другой стороны, направленность действия аргинина, опосредуемая через ускорение эндогенного синтеза NO, может быть различной в зависимости от состояния организма. Так, при выраженных воспалительных процессах, которые сопутствуют тяжело протекающим заболеваниям, таким как синдром \системной воспалительной реакции и органной недостаточности, сепсис, атеросклероз, а также сопровождаются индукцией соответствующей формы NO-синтазы и развитием оксидативного стресса, введение аргинина может не только не оказать терапевтического действия на больного, но даже ухудшить его состояние за счет гиперпродукции пероксинитрита и других токсичных реактивных форм азота.

Заключение

В заключение хотелось бы привести таблицы с содержанием аргинина и гистидина в различных продуктах питания.

Литература

Основная.

1. Биохимия: Учебник для вузов / Под ред. Е.С. Северина. - 4-е изд., испр. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2011. - 624 с.

2. Таганович, А.Д. Биологическая химия / А.Д. Таганович, Э.И. Олецкий, Н.Ю. Коневалова, В.В. Лелевич. Минск: Вышэйшая школа, 2016.- 671 с.

Дополнительная.

1. Кухта, В.К и др. Биологическая химия: учебник / В.К. Кухта, Т.С. Морозкина, Э.И. Олецкий, А.Д. Таганович; под ред. А.Д. Тагановича. - Минск: Асар, М.: Издательство БИНОМ, 2008.

Размещено на Allbest.ru