Общие пути катаболизма аминокислот в тканях

Общие пути катаболизма аминокислот: токсичность и обезвреживание аммиака

Источники аминокислот в организме человека. Пути использования аминокислот в тканях. Общие пути катаболизма аминокислот.

Организм может получить аминокислоты из двух источников.

Из внешней среды (экзогенные источники).

Это белки и аминокислоты пищи.

Или из эндогенных источников. Гидролаз собственных белков различных органов и тканей под влиянием тканевых гидролаз. Либо путем биосинтеза заменимых аминокислот.

Пути использования:

  • 1. Главным образом для биосинтеза простых и сложных белков, общее содержания которых в организме около 15 кг. Например: для биосинтеза гема, ДНК, РНК, глутиона и др. ;
  • 2. Для биосинтеза БАА (биологически активных аминов).
  • 3. Биосинтез углеводов. Глюконеогенез – это как бы альтернативный источник энергии.
  • 4. Биосинтез ВЖК и липидов.

Общие пути катаболизма аминокислот в тканях идут в три этапа:

  • 1. Декарбоксилирование и образование БАА.
  • 2. Дезаминирования и трансаминирование.
  • 3. Окисление углеводородного скелета до СО2 и Н2О и другие превращения.

Декарбоксилирование аминокислот

Декарбоксилирование аминокислот: ферменты, коферменты, продукты. Биогенные амины (гистамин, триптамин, серотонин, ГАМК, катехоламины, холин и проч.).

Декарбоксилирование аминокислот – это процесс окислительного декарбоксилирования (удаление СО2) из аминокислот. Ферменты — декарбоксилазы. Их простетическая группа представлена пиридоксальфосфатом – это активная форма витамина В6.

В реакциях декарбоксилирования участвует альдегидная группа пиридоксальфосфата

Аминокислота соединяется с активным центром фосфата, в состав которого входит альдегидная группа ПФ. Образуются Шиффовы основания (альдимины и кетимины).

В результате СООН- группа становиться лабильной и отщепляется в виде СО2. Далее происходит гидролиз до соответствующего амина (БАА). Эта реакция необратима. Отнятие СО2 происходит без окисления.

Каждый фермент имеет свое название, в зависимости от реакции в которой он участвует (субстратная специфичность декарбоксилаз).

Триптофан (фермент – триптафандекарбоксилаза) à триптамин. Повышает тонус сосудов;

5-окситриптофан (фермент – 5-окситриптафандекарбоксилаза) à серотонин (нейромедиатор) – участвует в регуляции АД, температуры тела, дыхания, почечной фильтрации, перистальтики кишечник и др.

Тирозин à катехоламины (адреналин, дофамин, норадреналин). Участвуют в реакциях мобилизации из депо гликогена и липидов, повышают тонус сосудов периферических сосудов, являются медиаторами проведения нервных импульсов в пре-и постсинаптическую мембрану.

Гистидин (фермент – гистидиндекарбоксилаза) à гистамин. Нейромедиатор, стимулирует выделение желудочного сока, повышает проницаемость капилляров, увеличивая их проницаемость (при этом будут наблюдаться отёки), снижает АД, сокращает гладкую мускулатуру легких (вызывая удушье), участвует в развитии реакции воспаления, играет важную роль в развитии аллергических реакций и т.д.

Глутаминовая кислота (фермент – глутаматдекарбоксилаза) à гамма-аминомасляная кислота. Является медиатором тормозным импульсов в нервной системе. ГАМК и её аналоги применяются в медицине как нейротропные вещества для лечения эпилепсии и других заболеваний. Понижает активность ЦНС.

Серин à коламин à холин – участвует в биосинтезе фосфолипидов и ацетилхолина.

Инактивация биогенных аминов

Если биогенные амины обладают высокой биологической функцией, то они должны быстро разрушаться после выполнения своей функции.

В организме имеются механизмы, позволяющие разрушать БАА.

Механизмы инактивации – окисление под действием оксидаз с отщеплением аминогруппы. Метилирование аминов. В результате исчезает биологическая активность амина.

Оксидазы отнимают два протона и два электрона и передают их сразу на кислород. Образуется перекись водорода, а амин превращается в имин. Этот имин легко гидролизуется без участия фермента и превращается в альдегид. Простетической группой ферментов оксидаз является ФАД или ФМН, т.е. они являются флавопротеинами.

*Биогенные амины инактивируютсяпод действием окислительных ФАД–зависимых ферментов — моноамино–оксидаз (МАО). Происходит окислительное дезаминирование аминов до альдегидов.

Вторая реакция (гидролиз) необратима. Образовавшийся в итоге альдегид легко окисляется до карбоновой кислоты, которая распадается до СО2 и H2O. МАО в клетке больше, чем ДАО.

Аминокислоты декарбоксилируются в цитоплазме, а окисление аминов происходит в наружной мембране митохондрий. Поскольку реакция декарбоксилирования аминокислот и разрушение биогенных аминов происходят не одновременно, то биогенные амины могут некоторое время существовать и выполнять свою биологическую функцию.

Общие пути катаболизма аминокислот в тканях

Для большинства аминокислот характерны общие реакции, связанные с превращениями их амино- и карбоксильных групп — реакции трансаминирования, дезаминирования и декарбоксилирования.

Роль этих превращений в организме велика, так как перечисленные типы реакций обеспечивают интеграцию аминокислотного обмена с метаболизмом углеводов и липидов, способствуют перераспределению азота в организме, участвуют в образовании биомолекул, способных регулировать обмен веществ и ряд физиологических процессов.

Аммиак, образующийся в организме человека в реакциях катаболизма азотсодержащих соединений, чрезвычайно токсичен и должен быть обезврежен путём превращения его в мочевину.

Поэтому согласованное протекание метаболического превращения аммиака в мочевину имеет важное значение для сохранения здоровья. Понимание патогенеза расстройств, возникающих при заболеваниях печени (гепатит, цирроз) и врождённых дефектах ферментов цикла мочевинообразования, лечение больных, страдающих этими заболеваниями, требуют знания механизмов обезвреживания аммиака в тканях.

Цель занятия. После изучения данной темы студент должен знать общие пути катаболизма аминокислот в тканях и их биологическую роль, основные источники образования аммиака и пути его обезвреживания в организме, их регуляцию, возможные причины нарушений, уметь применять приобретённые знания для решения теоретических и практических задач.

Исходный уровень знаний.

  • Строение аминокислот (аланин, аспартат, аспарагин, аргинин, глутамат, глутамин, гистидин, тирозин, триптофан, цистеин).
  • Кислотно-основные свойства органических соединений.
  • Высокоэнергетические фосфатные соединения: роль в организме.
  • Цикл трикарбоновых кислот: реакции, роль в организме.
  • Принципы диагностики врождённых дефектов ферментов.

Общие пути катаболизма аминокислот в тканях.

К общим путям катаболизма аминокислот относятся реакции трансаминирования, дезаминирования и декарбоксилирования.

Трансаминирование аминокислот – перенос аминогруппы (NН2-) от аминокислоты на α-кетокислоту без промежуточного образования аммиака.

Реакции трансаминирования катализируют ферменты – аминотрансферазы (или трансаминазы). Кофермент аминотрансфераз – пиридоксальфосфат (производное витамина В6). В реакции принимает участие альдегидная группа кофермента.

Реакция легко обратима. Механизм реакции трансаминирования

Механизм переноса аминогруппы с аминокислоты на α-кетокислоту в реакции трансаминирования.

Роль реакций трансаминирования в организме:

  • участие в непрямом дезаминировании аминокислот;
  • путь синтеза заменимых аминокислот;
  • образующиеся в реакции α-кетокислоты могут включаться в общий путь катаболизма и глюконеогенез.

Дезаминирование аминокислот – отщепление аминогруппы от аминокислоты с образованием аммиака (NН3). В тканях человека преобладает окислительное дезаминирование, то есть сопряжённое с переносом водорода.

Большинство ферментов, участвующих в окислительном дезаминировании аминокислот, при физиологических значениях рН малоактивны.

Поэтому основная роль в окислительном дезаминировании принадлежит глутаматдегидрогеназе, которая катализирует прямое окислительное дезаминирование глутамата. В качестве кофермента используются НАД+ или НАДФ+ (производные витамина РР).

Реакция обратима.

Глутаматдегидрогеназа – аллостерический фермент, его аллостерическими активаторами являются АДФ и ГДФ, аллостерическими ингибиторами – АТФ, ГТФ и НАДН.

Непрямое дезаминирование характерно для большинства аминокислот.

Оно называется непрямым, потому что происходит в 2 этапа:

  1. на первом этапе аминокислота подвергается трансаминированию с образованием глутамата;
  2. на втором этапе происходит окислительное дезаминирование глутамата.

Схема непрямого дезаминирования аминокислот.

Участие аминотрансфераз в этом процессе позволяет собрать аминогруппы различных аминокислот в составе одной аминокислоты – глутамата, который затем подвергается окислению с образованием аммиака и α-кетоглутарата.

Декарбоксилирование аминокислот – отщепление карбоксильной группы от аминокислоты с образованием СО2.

Продуктами реакций декарбоксилирования аминокислот являются биогенные амины, участвующие в регуляции обмена веществ и физиологических процессов в организме (см. таблицу 2.1).

Таблица 2.1 Биогенные амины и их предшественники.

Аминокислота Биогенный амин
Гистидин Гистамин
Глутамат γ-аминомасляная кислота (ГАМК)
Тирозин Дофамин
Триптофан Триптамин
Серотонин
Цистеин Тиоэтиламин
Таурин

Реакции декарбоксилирования аминокислот и их производных катализируют декарбоксилазы аминокислот.

Кофермент – пиридоксальфосфат (производное витамина В6). Реакции являются необратимыми.

Примеры реакций декарбоксилирования. Некоторые аминокислоты непосредственно подвергаются декарбоксилированию:

Гистамин обладает мощным сосудорасширяющим действием, особенно капилляров в очаге воспаления; стимулирует желудочную секрецию как пепсина, так и соляной кислоты, и используется для исследования секреторной функции желудка.

ГАМК – тормозный медиатор в центральной нервной системе.

Ряд аминокислот подвергается декарбоксилированию после предварительного окисления.

Серотонин образуется главным образом в клетках центральной нервной системы, обладает сосудосуживающим действием.

Участвует в регуляции артериального давления, температуры тела, дыхания, почечной фильтрации.

Дофамин служит предшественником катехоламинов; является медиатором ингибирующего типа в центральной нервной системе.

Таурин образуется главным образом в печени; участвует в синтезе парных желчных кислот (таурохолевой кислоты).

Катаболизм биогенных аминов. В органах и тканях существуют специальные механизмы, предупреждающие накопление биогенных аминов. Основной путь инактивации биогенных аминов – окислительное дезаминирование с образованием аммиака – катализируется моно- и диаминооксидазами.

Моноаминооксидаза (МАО) — ФАД-содержащий фермент – осуществляет реакцию:

В клинике используются ингибиторы МАО (ниаламид, пиразидол) для лечения депрессивных состояний.

Катаболизм аминокислот начинается с дезаминирования

Ами́ны — органические соединения, являющиеся производными аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены на углеводородные радикалы.

По числу замещённых атомов водорода различают соответственно первичные (замещен один атом водорода), вторичные (замещены два атома водорода из трех) и третичные (замещены три атома водорода из трех) амины.

Четвертичное аммониевое соединение вида [R4N]+Cl— является органическим аналогом аммониевой соли.

По характеру органической группы, связанной с азотом, различают алифатические CH3-N<, ароматические C6H5-N< и жирно-ароматические (содержат ароматический и алифатический радикалы) амины.

По числу NH2-групп в молекуле амины делят на моноамины, диамины, триамины и так далее.

Адреналин вырабатывается хромаффинными клетками мозгового вещества надпочечников и участвует в реализацииреакций типа «бей или беги».

Его секреция резко повышается при стрессовых состояниях, пограничных ситуациях, ощущении опасности, при тревоге, страхе, при травмах, ожогах и шоковых состояниях.Он вызывает сужение сосудов органов брюшной полости, кожи и слизистых оболочек; в меньшей степени сужает сосуды скелетной мускулатуры, но расширяет сосуды головного мозга

Триптамин является промежуточным звеном при биосинтезе большинства индольных алкалоидов и алкалоидов группыхинина.

Также предполагается, что триптамин играет роль нейромедиатора и нейротрансмитера в головном мозге млекопитающих

Физиологические функции серотонина чрезвычайно многообразны.

Серотонин «руководит» очень многими функциями в организме. При снижении серотонина повышается чувствительность болевой системы организма, то есть даже самое слабое раздражение отзывается сильной болью.

Гистамин является одним из эндогенных факторов (медиаторов), участвующих в регуляции жизненно важных функций организма и играющих важную роль в патогенезе ряда болезненных состояний.

При различных патологических процессах (анафилактический шок, ожоги, обморожения, сенная лихорадка, крапивница и аллергические заболевания), а также при поступлении в организм некоторых химических веществ количество свободного гистамина увеличивается.

Кадаверин содержится в продуктах гнилостного распада белков; образуется из лизина при его ферментативном декарбоксилировании.

Ранее кадаверин относили к т. н. трупным ядам (птомаинам), однако ядовитость кадаверина относительно невелика.

Путресцин — исходное соединение для синтеза двух физиологически активных полиаминов — спермидина и спермина. Эти вещества наряду с путресцином, кадаверином и другими диаминами входят в состав рибосом, участвуя в поддержании их структуры.

Биогенные полиамины: спермин и спермидин

В результате исследований, проведенных в разных странах (Австрия – Университет Грац, Израиль – институт Вейцмана), накапливается все больше данных о важной роли в поддержании здоровья и увеличении продолжительности жизни биогенных полиаминов – спермина и спермидина.

Эти вещества входят в состав структуры клеток животных и человека и принимают непосредственное участие в процессах метаболизма. Ученые считают, что спермин способствует освобождению тканей от отходов и продуктов жизнедеятельности, помогая клеткам обновляться, молодеть.

Выявлено, что концентрация спермина в клетках уменьшается по мере старения организма.

Когда же ученые вводили исследуемым насекомым и животным спермидин (который в организме превращается в спермин), продолжительность их жизни значительно увеличивалась, улучшалась способность к запоминанию новой информации, повышалась двигательная активность.

Положительные изменения отмечались и при работе с культурой человеческих клеток.

Впереди – клинические испытания, которые должны подтвердить эффективность спермидина в плане продления жизни, улучшения памяти и борьбы с болезнями человеческого организма.

В этом случае в арсенале врачей появится мощное средство в борьбе со старческими недугами – атеросклерозом, раком, болезнью Альцгеймера и Паркинсона, да и самой старостью.

Где содержится спермидин?

  • В сперме самцов животных и мужской сперме (есть и спермин, и спермидин).
  • В продуктах питания – грейпфрутах, зеленом горошке и соевых бобах, кукурузе и пророщенной пшенице, а также в голубом сыре с плесенью.

Какой вывод можно сделать из этой информации?

Пока исследования ученых будут продолжаться (а этот процесс может занять 5-10 лет и больше), все, что мы можем сделать – не забывать о сексе и правильно питаться. Включайте в свой рацион грейпфрут и бобовые, проростки пшеницы и сыр с плесенью – это и вкусно, и полезно. И будем ждать, когда создадут эликсир бессмертия на основе биогенных полиаминов – спермина и спермидина.

cyber
Оцените автора
CyberLesson | Быстро освоить программирование Pascal и C++. Решение задач Pascal и C++
Добавить комментарий