Общи пътища на катаболизъм и биосинтеза на аминокиселини. Основите на метаболизма на аминокиселините в организма

предговор

Протеините формират основата на живота на всички организми, познати на нашата планета. Това са сложно организирани органични молекули, които имат голямо молекулно тегло и са биополимери, състоящи се от аминокиселини. Клетъчните биополимери включват също нуклеинови киселини - ДНК и РНК, които са резултат от полимеризация на нуклеотиди.

Метаболизмът на протеини и нуклеинови киселини включва техния синтез от структурните компоненти съответно на аминокиселини и нуклеотиди и разграждането им до тези мономери, последвано от разграждането им до крайните продукти на катаболизма - СО2, Н 2 О, НН 3, пикочна киселина и други.

Тези процеси са химически сложни и практически няма алтернативни решения, които биха могли да функционират нормално при метаболитни нарушения. Известни наследствени и придобити заболявания, молекулната основа на които са промени в обмена на аминокиселини и нуклеотиди. Някои от тях имат тежки клинични прояви, но за съжаление в момента няма ефективни методи за тяхното лечение. Говорим за заболявания като подагра, синдром на Леш-Нихан и ензимопатия за метаболизма на аминокиселините. В тази връзка, подробно проучване на метаболизма на аминокиселини и нуклеотиди в нормата и техните възможни нарушения е от голямо значение за формирането на арсенал от теоретични знания, необходими в практиката на лекар.

Когато пишеха бележките от лекцията „Метаболизмът на аминокиселини и нуклеотиди“, авторите не си поставиха за задача да опишат подробно всички химически процеси и трансформации на аминокиселини и нуклеотиди, които любознателният ученик може да намери във всеки учебник по биохимия. Основната задача беше да се представи материалът, така че сложните биохимични реакции да се възприемат лесно, достъпно, разбираемо, с акцента на основното. За „силните“ студенти лекционните материали могат да станат отправна точка в последващото, задълбочено изучаване на биохимичните трансформации. За тези, за които биохимията не е станала любима тема, лекциите ще помогнат да формират основата на биохимичните знания, необходими при изучаването на клиничните дисциплини. Авторите се надяват, че предложените бележки за лекции ще станат добър помощник за студентите по пътя към бъдещата им професия.

Тема. Метаболизъм на аминокиселини: общи метаболитни пътища. Синтез на урея
план

1 Начини на конверсия на аминокиселини в тъканите.

2 Трансаминация на аминокиселини.

3 дезаминиране на аминокиселини. Косвено дезаминиране.

5 Обмяна на амоняк. Биосинтеза на урея. Някои клинични аспекти.
1 Начини за превръщане на аминокиселини в тъкани

Аминокиселините са основният източник на азот за бозайниците. Те са връзка между процесите на синтез и разлагане на азотсъдържащи вещества, предимно протеини. До 400 g протеин се обновява на ден в човешкото тяло. Като цяло периодът на гниене на всички протеини в човешкото тяло е 80 дни. Четвъртата част от протеиновите аминокиселини (около 100 g) необратимо се разгражда. Тази част се подновява чрез хранителни аминокиселини и ендогенен синтез - синтез на несъществени аминокиселини.

В клетките постоянно се поддържа определено стационарно ниво на аминокиселини - пулът (пулът) от свободни аминокиселини. Този фонд се актуализира поради доставката на аминокиселини и се използва за синтезиране на биологично важни химични компоненти на клетката, т.е. може да се разграничи начини за получаване и използване басейн с аминокиселини.

Начини за влизане свободни аминокиселини, образуващи аминокиселинния фонд в клетката:

1 Извънклетъчен транспорт на течности на аминокиселини - транспортират се аминокиселини, които се абсорбират в червата след хидролиза на хранителни протеини.

2 Синтез на есенциални аминокиселини - аминокиселините могат да бъдат синтезирани в клетка от междинни продукти на глюкозно окисление и цикъла на лимонената киселина. Заменяемите аминокиселини включват: аланин, аспарагинова киселина, аспарагин, глутаминова киселина, глутамин, пролин, глицин, серин.

Вътреклетъчна протеинова хидролиза - Това е основният път на прием на аминокиселини. Хидролитичното разцепване на тъканните протеини катализира лизозомните протеази. С глад, рак и инфекциозни заболявания този процес се засилва.

Начини за използване фонд за аминокиселини:

1) Синтез на протеини и пептиди - това е основният начин за консумация на аминокиселини - 75-80% от аминокиселините на клетката отиват за техния синтез.

2) Синтез на белтъчни съединения, съдържащи азот:

Пуринови и пиримидинови нуклеотиди;

порфирина;

креатин;

меланин;

Някои витамини и коензими (NAD, CoA, фолиева киселина);

Биогенни амини (хистамин, серотонин);

Хормони (адреналин, тироксин, трийодтиронин);

Медиатори (норепинефрин, ацетилхолин, GABA).

3) Синтез на глюкоза използване на въглеродни скелети на гликогенни аминокиселини (глюконеогенеза).

4) С липидни лихви използване на ацетилни остатъци от въглеродни скелети на кетогенни аминокиселини.

5) Окисляване до крайни продукти на метаболизма (СО 2 , Н 2 О, NH 3) - това е един от начините за осигуряване на клетките с енергия - до 10% от общите енергийни нужди. Всички аминокиселини, които не се използват в синтеза на протеини и други физиологично важни съединения, се подлагат на разцепване.

Има общи и специфични пътища на метаболизма на аминокиселините. Общите пътища на катаболизма на аминокиселините включват:

1) трансаминиране;

2) дезаминиране;

декарбоксилиране.

2 Трансаминация на аминокиселини
трансаминиране аминокиселини - основният начин за дезаминиране на аминокиселини, който протича без образуването на свободен NH3. Това е обратим процес на прехвърляне на NH2 група от аминокиселина в  - кетокиселина. Процесът беше открит от A.E. Браунщайн и М.Б. Крицман (1937).

Всички аминокиселини с изключение на треонин, лизин, пролин и хидроксипролин могат да участват в трансаминация.

Реакцията на трансаминиране като цяло е следната:
COOH COOH COOH COOH

НС - NH2 + С \u003d О  С \u003d О + НС - NH2

R 1 R 2 R 1 R 2

аминокиселина  кетокиселина
Наричат \u200b\u200bсе ензими, които катализират реакции от този тип аминотрансферази (трансаминаза - ми). Аминотрансферазите на L - аминокиселините функционират в човешкото тяло. Приематели на аминогрупата в реакцията са are-кетокиселините - пируват, оксалоацетат, -кето-глутарат. Най-често срещаните аминотрансферази са AlAT (аланин аминотрансфераза), AcAT (аспартат аминотрансфераза) и тирозин аминотрансфераза.

Реакцията, катализирана от ензима AlAT, е представена по-долу:
COOH COOH COOH COOH

│ │ ALT│ │

HCNH2 + C \u003d 0  С \u003d О + HCNH2

│ │ │ │

CH3CH2CH3CH2

Ala │ PVK │

- кетоглутарат glu

Реакцията, катализирана от ензима AsAT, може да бъде изобразена схематично, както следва:
Asp + -кетоглутарат  Оксалоацетат + Glu.
Коензимна трансаминаза - пиридоксалфосфат (В 6) - е част от активния център на ензима. В процеса на трансаминация коензимът действа като носител на аминогрупата, а двата коензима образуват PALF (пиридоксал - 5 - f) и PAMP (пиридоксамин - 5 - f), преобразуващи:

NH2 група

PALF  PAMF.

NH2 група
Трансаминацията е активна в черния дроб. Това ви позволява да регулирате концентрацията на всякакви аминокиселини в кръвта, включително получените с храна (с изключение на tre, lys, pro). Поради това оптималната смес от аминокиселини се пренася с кръв във всички органи.

В някои случаи може да възникне трансаминация на аминокиселини:

1) с хиповитаминоза В 6;

2) при лечение на туберкулоза с антагонисти транзамаз-активазид и неговите аналози;

3) по време на гладуване, цироза и стеатоза на черния дроб, липсва синтез на протеиновата част на трансами-naz.

За диагнозата е важно определянето на активността на аминотрансферазите в кръвната плазма. При патологични състояния се наблюдава увеличаване на цитолизата в един или друг орган, което е придружено от повишаване на активността на тези ензими в кръвта.

Отделните трансаминази се намират в различни тъкани в различни количества. AcAT е по-голям в кардиомиоцитите, черния дроб, скелетните мускули, бъбреците, панкреаса. ALAT - в рекордно количество в черния дроб, в по-малка степен - в панкреаса, миокарда, скелетния мускул. Следователно увеличаването на активността на AcAT в кръвта е по-характерно за инфаркт на миокарда (MI), а увеличението на активността на AlAT може да показва цитолиза в хепатоцитите. И така, при остър инфекциозен хепатит в кръвта, активността на АЛАТ\u003e АсАТ; но с цироза - сАСАТ\u003e АЛАТ. Леко увеличение на активността на AlAT се наблюдава и при MI. Следователно определянето на активността на две трансаминази наведнъж е важен диагностичен тест. Обикновено съотношението на активност на AcAT / AlAT (коефициент de Ritis) е 1.330.42. При MI стойността на този коефициент рязко се увеличава, при пациенти с инфекциозен хепатит, напротив, този показател намалява.
3 дезаминиране на аминокиселини. Косвено дезаминиране

Процесът е тясно свързан с трансаминацията. окислително дезаминиранекоето води до разцепване на NH2 групата с образуването на NH3, H20 и -кетокиселина. Деаминирането с аминокиселина най-активно се случва в черния дроб и бъбреците.

Ензимите катализират процеса оксидаза, които са флавопротеин. Има оксидази на L- и D-аминокиселини. L-аминокиселинните оксидази са зависими от FMN, D-аминокиселините са FAD-зависими.

Окислителното дезаминиране на L-аминокиселините може да бъде представено схематично, както следва:
FMD FMN · N + H 2 O NH 3

L-авL–Минова киселина  -кетокиселини.

В човешкото тяло активността на аминокиселинните оксидази е изключително ниска.

Най-активното окислително дезаминиране на L-глутаминовата киселина се случва в клетките:

НАД NADH · N + H 2 O

L - глутамат L - иминоглутарат -KG + NH3.

1 2
1 - Глутамат дехидрогеназа (може да използва както NAD +, така и NADF +);

2 - Този етап протича неензимно.

Схематично общото уравнение на реакцията (тази реакция е обратима):
L-Glu + NAD + H2O  -KG + NADH · N + + NH3

LГлутамат дехидрогеназа - Ензим, който катализира тази реакция, който е силно активен и широко разпространен в тъканите на бозайниците.

Чернодробната глутаматдехидрогеназа е регулаторен ензим, който се локализира в митохондриите. Активността на този ензим зависи от енергийния статус на клетката. При недостиг на енергия реакцията протича в посока на образуването на -кетоглутарат и NADH. Н +, които са насочени съответно към CLK и окислителното фосфорилиране. В резултат на това има увеличение на синтеза на АТФ в клетката. Следователно, за глутаматдехидрогеназа, инхибиторите са ATP, GTP, NADH, а активаторът е ADP.

Повечето аминокиселини са дезаминирани от не директно дезаминиране - това е процесът на сдвояване на 2 дяла:

1 ) трансаминация с образуването на глутамат;

2 ) реакция на глутамат дехидрогеназа.
аминокиселина -KG NADH · N +

NH3 1 2 NH3
-кетокиселинен глутамат NAD
В този случай биологичното значение на трансаминацията ( 1 ) се състои в събиране на аминогрупите на всички разлагащи се аминокиселини под формата на аминокиселина от един вид - глутамат. Освен това глутаминовата киселина се транспортира до митохондриите, където претърпява окислително дезаминиране под действието на глутаматдехидрогеназа ( 2 ).

Най-активното косвено дезаминиране се случва в черния дроб. Тук полученият NH3 влиза в цикъла на уреята за неутрализация.

Посоката на равновесните процеси на трансаминация, косвено дезаминиране до голяма степен зависи от наличието и концентрацията на аминокиселини и -кетокиселини. С излишък на аминен азот, превръщането на аминокиселини в съответните кетокиселини се увеличава с последващото им използване на енергия и пластмаса.
4 Декарбоксилиране на аминокиселини

Това е процесът на разцепване на карбоксилната група, която е в позиция  на аминокиселината, с образуването на амини и СО2. В резултат на декарбоксилирането на аминокиселини се образуват:

биогенни амини (хистамин, допамин, тирамин,  - аминомаслена киселина - GABA и др.).

Например:

COOH CH2NH2

CHNH 2 CO 2 СН2

CH2 COOH

Glu GABA

Декарбоксилирането на аминокиселини с образуването на биогенни амини най-активно се случва в черния дроб, мозъка и хромафиновата тъкан.

2) продукти на "гниещи протеини в червата", които са резултат от декарбоксилиране на аминокиселини под действието на чревната микрофлора. Аминокиселините образуват токсични продукти, например:

-CO 2
лизин кадаверин

-CO 2

орнитин путресцин
Общо над 40 различни амина се образуват в човешкото тяло. Засилването на синтеза на амини се наблюдава при хипоксия и глад. Локалното увеличение на синтеза, освобождаването и инактивирането на катехоламини, хистамин и серотонин е характерно за огнища на възпаление.

Злокачествените тумори с апудоцитен произход, разположени в червата, бронхите, панкреаса, могат да синтезират голямо количество серотонин (използвайки за тази цел до 60% от дневната нужда от триптофан).

Биогенните амини са инактивиранипод влияние на окислителни FAD-зависими ензими - моноаминооксидази (МАО). Настъпва окислителното дезаминиране на амини до алдехиди.

R - CH2 –NH2 + FAD + Н 2 О  R - CH + NH3 + FADN 2
Продукти за деаминиране на биогенни амини - алдехиди - се окисляват до органични киселинис помощта алдехидни дехидрогенази. Тези киселини се екскретират с урината или се подлагат на допълнително окислително разграждане. В допълнение, катехол - О - метилтрансферазата участва в разграждането на катехоламините.
Някои клинични аспекти

При условията на блокада на МАО (по време на терапия с антидепресанти) способността за унищожаване на амини намалява. В този случай тялото може да стане чувствително към действието на амини. Например, ядене на сирене и консумиране на някои сортове червено вино, които са богати тирамин, по време на терапия с МАО инхибитори води до хипертония.

Намаление на активността на МАО се наблюдава при излишък на хормони на щитовидната жлеза.

Увеличаване на активността на МАО може да настъпи при дефицит на витамин В 1, защото един от метаболитните продукти В1 е МАО инхибитор.
5 Обмяна на амоняк. Биосинтез на урея. Някои клинични аспекти

Амонякът е един от крайните продукти на обмена на азотсъдържащи вещества. Това е компонент на остатъчната азотна фракция на кръвния серум (заедно с урея, пикочна киселина, креатинин, индикан). В кръвта концентрацията на амоняк е ниска - 25-40 микромола / л. В по-високи концентрации има токсичен ефект върху организма.

Амонякът е токсичен, предимно за централната нервна система. Токсичността на амоняка е свързана с способността му да нарушава функционирането на CLK, защото NH 3 премахва Ц-кетоглутарат от CLK:
 - KG + NH3 + NADH. H +  Glu + OVER + + H 2 O.
В крайна сметка редуктивно аминиране - кето-глутарат, има намаляване на активността на CLK в клетките на централната нервна система, което от своя страна инхибира активността на аеробно окисляване на глюкозата. В резултат на това производството на енергия е нарушено и се развива хипоенергетично състояние, защото глюкозата е основният източник на енергия за мозъка.
NH 3 образувани по време на следните процеси :

1) окислително дезаминиране на аминокиселини - това е основният път на производство на NH 3;

дезаминиране на биогенни амини;
дезаминиране на пуринови основи (аденин, гуанин);
катаболизъм на пиримидинови нуклеотиди.

В мозъка основният източник на образуване на NH3 е дезаминирането на AMP до инозин монофосфат (IMP):

AMP + H2O  IMP + NH3.

Ензимът, който катализира тази реакция е аденозин дезаминаза.

Амонякът се транспортира с кръв до черния дроб и бъбреците за неутрализиране в състава на аминокиселини, сред които основните са глутамин, аспарагин, аланин.

Неутрализацията на NH 3 става почти веднага след образуването му, защото в тъканите, той веднага се включва в състава на аминокиселини, главно глутамин. За по-нататъшна детоксикация и елиминиране на амоняка обаче съществуват биохимични процеси в черния дроб и бъбреците, които са основните начини за неутрализиране на NH3.

Разпределете следното механизми за обеззаразяване NH 3 :

1 ) редуктивно аминиране на -кетоглутарат;

2 ) образуването на амиди на аминокиселини - аспарагин и глутамин;

3 ) образуването на амониеви соли в бъбреците;

4 ) синтез на урея.

В тъканите амонякът подлежи на незабавна неутрализация. Това се постига чрез комбинация от процеси ( 1 ) и ( 2 ).

Редуктивно аминиране кетоглутарат:

NH 3 +  –KG + NADN . Н +  Glu + NAD + N 2 О.

Ензимът - глутаматдехидрогеназа
Този процес изисква значителни концентрации на  - KG. За да се избегне натоварването на  - KG и работата на CLK да не се нарушава,  - KG се попълва поради преобразуването на PVC К OA   - KG.

2 ) Образуване на амиди - Това е важен спомагателен механизъм за неутрализиране на NH 3 в тъканите чрез свързването му с Glu или Asp.

Asp + ATP +NH 3  ASN + AMP + FF нн

Ензимът - аспарагинова синтаза

Glu + ATP +NH 3  Gln + AMP + FF нн

Ензим - глутамин синтаза
Този процес е най-активен в централната нервна система, мускулите, бъбреците и черния дроб (за поддържане на вътрешната концентрация на NH 3). главно glnе транспортна форма на нетоксичен NH3 от мозъка, мускулите и други тъкани. Глутаминът лесно прониква в мембраната, защото при физиологично pH няма заряд. По време на тренировка аланинът активно транспортира NH3 от мускулите до черния дроб. В допълнение, голямо количество аланин съдържа кръв, която тече от червата. Този аланин също се изпраща в черния дроб за глюконеогенеза.

3 ) Gln и ASN с кръвен поток навлизат в бъбреците, където се подлагат на хидролиза, като се използват специални ензими - глутаминамиза и аспарагиназа, които също се намират в черния дроб:

Asn + H 2 O сп Asp + NH3.

Gln + H20O Gl + NH3.

Освободен в тубулите на бъбреците NH3 се неутрализира с образуването на амониеви соли,които се отделят с урината:

NH3 + H + + Cl -  NH4Cl.

4 ) Синтез на урея - Това е основният начин за неутрализиране на амоняка. Уреята представлява 80% от отделения азот.

Процесът на образуване на урея протича в черния дроб и е цикличен процес, наречен „ цикъл на орнитин " (Цикъл на Кребс - Hanselight).

Две аминокиселини, които не са част от протеините, орнитин и цитрулин, и две протеиногенни аминокиселини, аргинин и аспарагин, участват в цикъла.

Процесът включва пет реакции: първите две протичат в митохондриите, останалите в цитозола на хепатоцитите. Някои ензими, образуващи урея, се намират в мозъка, червените кръвни клетки и сърдечния мускул, но целият набор от ензими се намира само в черния дроб.

І реакция Синтезът на карбамоил фосфат:

СО2 + NH3 + 2ATP  NH2 –CO - Ф + 2ADP + Ф n.

Ензим - карбамоилфосфатна синтазаІ (Митохондриите-можно). Съществува и карбамоилфосфат синтаза II (в цитозола), който участва в синтеза на пиримидинови нуклеотиди.

Карбамоилфосфат синтаза I е регулаторен ензим, за който активатор е N-atsetilglutamat.

ІІ реакция - включване на карбамоил фосфат в цикличния процес. При тази реакция той се кондензира с орнитин), което води до образуването на цитрулин (реакцията се проявява и в митохондриите).

III реакция - образуването на аргинин сукцинат. Това е втората реакция, която използва ATP енергия.

IV реакция- разцепване на аргинин сукцинат с образуването на аргинин и фумарат. Последният може да влезе в Централната контролна комисия, подобрявайки работата си. така Това е анаплеротична (попълваща) реакция за CLK.

V реакция -регенерация на орнитин с образуването на урея.
Схема за синтез на урея

CO 2 + NH3 + 2ATP  карбамоил фосфат + 2ADP + F n

1
NH2 –CO - NH2

(Карбамид) орнитин

5 2

аргинин цитрулин

4 3 ATP

Фумарат AMF

Аргинин сукцинат Ff n

ензими:

1 - карбамоилфосфатна синтаза;

2 - ornitinkarbamoiltransferaza;

3 - аргининосукцинатна синтаза;

4 - аргининосукцинатна лиаза;

5 - аргиназата(силни инхибитори на ензима са орнитин и лизин, конкуриращи се с аргинин, активатори - Ca 2+ и Mn 2+).

Орнитинът, който се възстановява по време на цикъла, може да предизвика нов цикъл на урея. По своята роля орнитинът е подобен на оксалоацетат в CLK. За завършване на един цикъл са необходими 3 АТФ, които се използват в 1-ва и 3-та реакция.

Орнитовият цикъл е тясно свързан с CLK.

Схематично връзката може да бъде представена по следния начин:
2 ATP

Orniti- CO 2

нов ЦЛК

цикълът

Фумарат ATP

аспартат

Това е "двуколесното колело" на Кребс - нито едно колело не е в състояние да се върти без правилното функциониране на второто.

Екскрецията на синтезирана урея се осигурява от бъбреците. На ден се отделя 20-35 g урея. Когато променяте количеството на протеин в храната, за да поддържате азотния баланс, скоростта на синтеза на урея в организма се променя:

 протеин с храна   синтез на циклични ензими  synthesis синтез на урея,

ако  протеин катаболизъм синтез на урея  количество

екскретирания азот.

Повишен белтъчен катаболизъм и съответно повишена екскреция на урея се наблюдават по време на гладуване и захарен диабет.

При заболявания на черния дроб, които са придружени от нарушен синтез на урея, концентрацията на амоняк в кръвта (хиперамонемия) се увеличава и в резултат на това се развива чернодробна кома.

генетичен дефекти в ензимите за синтез на урея

Вродени метаболитни нарушения са известни поради дефицит на всеки един от петте ензима в цикъла.

В случай на нарушение на синтеза на урея се наблюдава повишаване на концентрацията на амоняк в кръвта - хиперамонемия, която е най-изразена с дефект на 1-ви и 2-ри ензими.

Клинични симптоми - общи за всички нарушения на орнитиновия цикъл: повръщане (при деца), отвращение към храни, богати на протеини, нарушена координация на движенията, раздразнителност, сънливост и умствена изостаналост. В някои случаи смъртта може да настъпи през първите месеци от живота.

диагностика нарушенията се извършват:

1) чрез определяне на концентрацията на амоняк и междинни продукти от цикъла на орнитин в кръвта и урината;

2) чрез определяне на активността на ензимите в проби от чернодробна биопсия.

Наследствените ензими от орнитиновия цикъл включват:

ammoniemiaІ от тип – липса на карбамоил фосфат синтаза I (малко случаи, тежка хиперамонемия);
ammoniemiaІІ от тип – липса на орнитин - карбамоилтрансфераза (многобройни случаи). В кръвта, цереброспиналната течност и урината концентрацията на амоняк и глутамин се повишава.Повишаването на концентрацията на амоняк води до повишаване на активността на глутаминовата синтаза;
tsitrullinemiya - дефект аргининосукцинатна синтаза (рядко заболяване). Голямо количество цитрулин се отделя с урината, концентрацията на цитрулин в плазмата и цереброспиналната течност се увеличава;

аргинин сукцинат ацидурия– аргинин - дефект на сукцинатиаза (рядко заболяване). Концентрацията на аргининосукцинат в кръвта, цереброспиналната течност и урината се увеличава. Заболяването, като правило, се развива рано и води до фатален изход в ранна възраст. За да диагностицирате това заболяване, използвайте определянето на наличието на аргининосукцинат в урината (хроматография на хартия) и червени кръвни клетки (по избор). Ранната диагноза се извършва чрез амниоцентеза;
argininemiya - дефект на аргиназа. Наблюдава се повишаване на концентрацията на аргинин в кръвта и цереброспиналната течност (ниска активност на аргиназа в червените кръвни клетки). Ако пациентът се прехвърли на диета с ниско съдържание на протеин, тогава концентрацията на амоняк в кръвта намалява.

Лекция 2

Тема. Специализирани метаболитни пътища

аминокиселини и циклични аминокиселини.

Наследствени ензимопатии

метаболизъм на аминокиселини
план

1 Начини на метаболизъм на скелет без азот от аминокиселина. Гликогенни и кетогенни аминокиселини.

2 Метаболизъм на глицин и серин.

3 Метаболизъм на аминокиселини, съдържащи сяра. Синтезът на креатин.

4 Обмен на аминокиселини с разклонена верига.

5. Метаболизъм на цикличните аминокиселини (фенилаланин, тирозин, триптофан и хистидин).

6 Наследени нарушения на метаболизма на аминокиселини.
1 Начини на метаболизъм на скелет без азот от аминокиселина. Гликогенни и кетогенни аминокиселини

Скитоните без азот на аминокиселини ( - кетокиселини) се образуват в резултат на реакции на трансаминиране и дезаминиране.

Въглеродните скелети на протеиногенни аминокиселини след разцепването на NH2 групата в крайна сметка се превръщат в 5 продукта, които участват в CLK: ацетил-КоА, фумарат, сукцинил-КоА, –Кетоглутарат, оксало-ацетат.

В CLK въглеродните скелети на аминокиселини са напълно окислени с освобождаването на значително количество енергия, което е сравнимо с количеството енергия, освободено при аеробно окисляване на 1 глюкозна молекула.

Схематично пътищата за въвеждане на -кетокиселини в CLK са показани по-долу:

Ала, Сис, Тре

Гли, Сер,

PVK

Ацетил-СоА

Ацетоацетил-CoA

Asn, Asp

ОА

Стрелба, сешоар, Trp
ICC

фумарат

–KG

Gln, Glu, Arg, Gis, Pro

Succinyl CoA

Ил, Вал, Мето

Гликогенни и кетогенни аминокиселини

Гликогенни аминокиселини Аминокиселини, които могат да бъдат субстрати за синтеза на глюкоза, като могат да бъдат превърнати в пируват, оксалоацетат, фосфоенол - пируват - това са прекурсори на глюкоза по време на глюконеогенеза. Такива аминокиселини включват всички протеиногенни аминокиселини с изключение на Lei, Liz.

Кетогенни аминокиселини Той е субстрат за кетогенеза и синтез на липиди. Те включват Lei, Liz, Ile, Tyr, Trp, Fen. Лей и Лиз са наистина кетогенни аминокиселини, както Ile, Trp, Fen могат да бъдат едновременно гликогенни.
2 Метаболизъм на глицин и серин
Глицинът се превръща в серин с участието на коензимната форма на фолиева киселина (Bc) - тетрахидрофолатна киселина или THFK (H4 фолат).
3 Метаболизъм на аминокиселини, съдържащи сяра. Синтез на креатин

метионин Е основна аминокиселина, която е основният донор на метилови групи в реакции на метилиране.

Активната форма е S-аденозилметионин (SAM), реакцията на образуване на която е показана по-долу:
Met + ATP  S-аденозилметионин + FFn + Fn.

Ензим - метионин аденозилтрансфераза.

SAM участва в реакциите на метилиране в синтеза на: холин, креатин, адреналин, меланин, нуклеотиди, растителни алкалоиди. След прехвърлянето на СНЗ групата SAM се превръща в S-аденозил хомоцистеин, който в резултат на реакционната последователност се редуцира до метионин:
S-аденозилметионин S-аденозил хомоцистеин

аденозин

метионинова храна
метионин хомоцистеин.

сукцинил - CoA

Този цикличен процес не може да функционира без постоянното подаване на Met, защото Meth се консумира при реакции на катаболизъм.

Мет като донор на метилови групи участва в синтеза на креатин.
Синтез на креатин

Креатинът е основният субстрат за образуването на креатинфосфат в мускулите и нервната тъкан. Синтезът на креатин протича последователно в бъбреците и черния дроб (част от него може да се синтезира в панкреаса).

Различават се два етапа на синтез:

1 възниква в бъбрека:

Arg + Gln Орнитин + гликоциамин.

(Гуанидин ацетат)

Ензимът - глицин амидотрансфераза (трансами - насе).
2 Възниква в черния дроб след транспортиране от бъбреците на гликокамин:
S - аденозилметионин S - аденозил хомоцистеин

Гликоциамин креатин

Ензим - гуанидин ацетат метил трансфераза.
Тогава креатинът се фосфорилира и образува макроергичен фосфат - креатинфосфат, който е форма на отлагане на енергия в мускулите и нервната система. Ензимът, катализиращ тази реакция, е креатинфосфокиназа(СК)

Креатин + ATP Креатин-f + ADP

неензимно

креатинин с урина.
Cis -тя е основна аминокиселина, чиято основна роля е следната:

1) участва в стабилизиране на структурата на протеини и пептиди - образува дисулфидни връзки;

е структурен компонент на глутатион трипептид (глюцис-гли), който като коензим участва в работата на антиоксидантната система на организма, транспортирането на определени аминокиселини през мембрани, възстановяването на аскорбинова киселина от дехидроаскорбинова киселина и др.

Глутатионът е коензим на оксидоредуктаза като глутатион пероксидаза. Този ензим, съдържащ селен, катализира реакцията детоксикация на органични пероксиди.Това е важен механизъм за предотвратяване на липидната пероксидация, който може да се стимулира от радиация или ксенобиотици. по този начин глутатионът е вътреклетъчен антиоксидант;

3) с цис катаболизъм се образува пируват, който се използва като субстрат за глюконеогенеза, т.е. цис е гликогенна аминокиселина;

участва в синтеза на таурин - физиологично важно съединение, необходимо за образуването на сдвоени жлъчни киселини, може да служи като медиатор в централната нервна система и е важно за функционирането на миокарда.

Тауринът се образува в реакцията:

-CO 2

Cis  Цистеинова киселина Таурин

СН2 - СН - СООН СН2 - СН2

HO 3 S NH 2 SH NH 2
Тауринът помага за понижаване на холестерола при атеросклероза, както участва в синтеза на жлъчни киселини.

Аминокиселини с разклонена верига (ACC) - валин, левцин, изолевцин - по време на катаболизъм се превръщат в -кетокиселини (хидрокси киселини с разклонена верига - OCRC). - NH 3

BCAA  OKRTS

Етапи на окисляване на AKRC:

1) трансаминиране:

ACRC +  - KG  OKRC + Glu.

Ензим - AKRC - аминотрансфераза.

Най-високата активност на този ензим се наблюдава в сърцето, бъбреците, по-малко в скелетните мускули, най-ниската в черния дроб;

2) дехидратация на OCC до междинни продукти на CLK, Ензим - дехидрогеназа OCD - локализирана във вътрешната мембрана на митохондриите и катализира реакцията на окислително декарбоксилиране, в резултат на което се образуват междинни продукти на CLA:

Leu  ацетил-CoA и ацетоацетат.

Val, Ile  Succinyl - CoA.
Катаболизмът на Val и Ile (като Met) до сукцинил-CoA е придружен от образуването на пропионил-CoA и метилмалонил-CoA:

предговор

Когато пишеха бележките на лекцията „Метаболизмът на аминокиселини и нуклеотиди“, авторите не си поставиха за задача да опишат подробно всички химически процеси и трансформации на аминокиселини и нуклеотиди, които любознателният ученик може да намери във всеки учебник по биохимия. Основната задача беше да се представи материалът, така че сложните биохимични реакции да се възприемат лесно, достъпно, разбираемо, с акцента на основното. За „силните“ студенти лекционните материали могат да станат отправна точка в последващото, задълбочено изучаване на биохимичните трансформации. За тези, за които биохимията не е станала любима тема, лекциите ще помогнат да формират основата на биохимичните знания, необходими при изучаването на клиничните дисциплини. Авторите се надяват, че предложените бележки за лекции ще се превърнат в добър помощник за студентите по пътя към бъдещата им професия.

Тема. Метаболизъм на аминокиселини: общи метаболитни пътища. Синтез на урея

план

1 Начини на конверсия на аминокиселини в тъканите.

2 Трансаминация на аминокиселини.

3 дезаминиране на аминокиселини. Косвено дезаминиране.

5 Обмяна на амоняк. Биосинтез на урея. Някои клинични аспекти.

1 Начини за превръщане на аминокиселини в тъкани

Начини за влизане свободни аминокиселини, образуващи аминокиселинния фонд в клетката:

1 Транспорт на извънклетъчна течност с аминокиселини - транспортират се аминокиселини, които се абсорбират в червата след хидролиза на хранителни протеини.

Вътреклетъчна протеинова хидролиза - Това е основният път на прием на аминокиселини. Хидролитичното разцепване на тъканните протеини катализира лизозомните протеази. С глад, рак и инфекциозни заболявания този процес се засилва.

Начини за използване фонд за аминокиселини:

2) Синтез на белтъчни съединения, съдържащи азот:

Пуринови и пиримидинови нуклеотиди;

порфирина;

креатин;

меланин;

Някои витамини и коензими (NAD, CoA, фолиева киселина);

Биогенни амини (хистамин, серотонин);

Хормони (адреналин, тироксин, трийодтиронин);

Медиатори (норепинефрин, ацетилхолин, GABA).

3) Синтез на глюкоза използване на въглеродни скелети на гликогенни аминокиселини (глюконеогенеза).

4) С липидни лихви използване на ацетилни остатъци от въглеродни скелети на кетогенни аминокиселини.

1) трансаминиране;

2) дезаминиране;

декарбоксилиране.

2 Трансаминация на аминокиселини

трансаминиране аминокиселини - основният начин за дезаминиране на аминокиселини, който протича без образуването на свободен NH3. Това е обратим процес на прехвърляне на NH2 група от аминокиселина в  - кетокиселина. Процесът беше открит от A.E. Браунщайн и М.Б. Крицман (1937).

Реакцията на трансаминиране като цяло е следната:

COOH COOH COOH COOH

НС - NH2 + С \u003d О  С \u003d О + НС - NH2

R 1 R 2 R 1 R 2

аминокиселина  кетокиселина

Наричат \u200b\u200bсе ензими, които катализират реакции от този тип аминотрансферази (трансаминаза - ми). Аминотрансферазите на L - аминокиселините функционират в човешкото тяло. Приематели на аминогрупата в реакцията са are-кетокиселините - пируват, оксалоацетат, -кето-глутарат. Най-често срещаните аминотрансферази са AlAT (аланин аминотрансфераза), AcAT (аспартат аминотрансфераза) и тирозин аминотрансфераза.

Реакцията, катализирана от ензима AlAT, е представена по-долу:

COOH COOH COOH COOH

│ │ ALT│ │

HCNH2 + C \u003d 0  С \u003d О + HCNH2

│ │ │ │

CH3CH2CH3CH2

Ala │ PVK │

- кетоглутарат glu

Реакцията, катализирана от ензима AsAT, може да бъде изобразена схематично, както следва:

Asp + кетоглутарат Оксалоацетат + глю.

Коензимна трансаминаза - пиридоксалфосфат (В 6) - е част от активния център на ензима. В процеса на трансаминация коензимът действа като носител на аминогрупата, а двата коензима образуват PALF (пиридоксал - 5 - f) и PAMP (пиридоксамин - 5 - f), преобразуващи:

NH2 група

Palf  pamph.

NH2 група

Трансаминацията е активна в черния дроб. Това ви позволява да регулирате концентрацията на всякакви аминокиселини в кръвта, включително получените с храна (с изключение на tre, lys, pro). Поради това оптималната смес от аминокиселини се пренася с кръв във всички органи.

Някои клинични аспекти

В някои случаи може да възникне трансаминация на аминокиселини:

1) с хиповитаминоза В 6;

2) при лечение на туберкулоза с антагонисти транзамаз-активазид и неговите аналози;

3) по време на гладуване, цироза и стеатоза на черния дроб, липсва синтез на протеиновата част на трансами-naz.

Отделните трансаминази се намират в различни тъкани в различни количества. AcAT е по-голям в кардиомиоцитите, черния дроб, скелетните мускули, бъбреците, панкреаса. ALAT - в рекордно количество в черния дроб, в по-малка степен - в панкреаса, миокарда, скелетния мускул. Следователно увеличаването на активността на AcAT в кръвта е по-характерно за инфаркт на миокарда (MI), а увеличението на активността на AlAT може да показва цитолиза в хепатоцитите. И така, при остър инфекциозен хепатит в кръвта, активността на АЛАТ\u003e АсАТ; но с цироза на черния дроб - АСАТ\u003e АТАЛАТ. Леко увеличение на активността на AlAT се наблюдава и при MI. Следователно определянето на активността на две трансаминази наведнъж е важен диагностичен тест. Обикновено съотношението на активност на AcAT / AlAT (коефициент de Ritis) е 1.330.42. При MI стойността на този коефициент рязко се увеличава, при пациенти с инфекциозен хепатит, напротив, този показател намалява.

Метаболизмът като преобразуване на енергия

От молекулярна гледна точка животът на многоклетъчен организъм представлява сложно организирани генетични и биохимични реакции, които протичат подредени на клетъчно, междуклетъчно, тъканно, органно и системно ниво на организацията и отразяват метаболизма или взаимодействието между молекулите и атомите на различни химични съединения (биологични материали).

Наричат \u200b\u200bсе метаболитни реакции метаболизъмили метаболитни реакции. Както беше посочено в предишната глава, основните химични съединения на клетката са: вода (70-90% от обема), което определя свойствата на биологичните материали; соли на Na, Ca, K, Mg, Cl и други микроелементи, разтворени във вода; органични съединения (10-30% от обема), които са ценен вид биогориво. Разнообразие от органични молекули се създава чрез комбиниране на въглеродни атоми с атоми на други химични елементи.

Всеки химичен елемент се характеризира с валентност или способността да образува определен брой ковалентни връзки. Ето как те се формират прости молекули:алкохоли (алкохол), включително въглеродна верига и хидроксилна група (HO), амини (амино група - NH2), киселини (карбоксилна група - COOH) и др. От различни комбинации от прости молекули се образуват сложни молекуливключително най-важните за тялото молекули нуклеинова киселина, протеини, мазнини и въглехидрати. Всички тези молекули се образуват в резултат на метаболитни реакции. Известни са два вида метаболитни реакции: анаболенили синтез на нужни за живота молекули (анаболизъм) и катаболенили разпадането на молекулите (катаболизъм). Участникът в метаболитната реакция е метаболитрезултатът от метаболитна реакция е продукт.Ако продуктът на метаболитната реакция служи като изходен материал за следващата реакция, това субстрата.

Веригата от такива последователни реакции е метаболитен път.Метаболитните пътища са сложни и взаимосвързани. Всеки начин

трябва незабавно да се адаптира към текущата ситуация в отделна клетка и в цялото тяло въз основа на информация, идваща от други пътища или различни връзки на същия път. Всеки метаболитен път се основава на енергийни трансформации, които определят кой път е възможен и кой не.

Преобразуване на енергия(неговите трансформации) е от една странапривеждане в съответствие на производството на биогорива с постоянно променящите се нужди от него; от друга странатова е подчиняването на скоростта и посоките на преобразуване на енергията в отделните клетки на нуждите и жизнения ритъм на целия организъм, който периодично яде и гладува, работи и почива, подхранва, храни, отглежда и обучава потомството си на опита на взаимодействие с околната среда. Освен това по време на своето функциониране всеки организъм кратко или дълго време, рядко или често боледува, изразходва през периода на болестта запаси от налична енергия.

По този начин енергийните трансформации в клетки, тъкани, органи и телесни системи протичат непрекъснато през целия живот на индивида. Въпреки това можем условно да предположим, че те започват с приема на храна, когато молекулите на хранителните вещества се „разглобяват“ от клетките, за да произвеждат енергия (биологично гориво), която след това се използва за метаболизъм и синтез на вещества, необходими за организма.

Координирането и интегрирането на всички енергийни трансформации се осигурява от основните регулаторни системи на организма: нервната и ендокринната, както и имунната система, която упражнява регулаторния си ефект или индиректно чрез невроендокринната регулация, или чрез лимфоидните му органи с ендокринна функция (вж. Глава 14). Като цяло контролът на енергийните преобразувания в организма се осигурява от комбинираното действие на невротрансмитери, хормони, регулаторни фактори на растежа, както и различни сигнални молекули, които медиират енергийния метаболизъм (виж Глава 8).

Говорейки за ролята на отделните клетки и тъкани в разпределението и потреблението на енергия, постъпваща в тялото под формата на храна, както и за ролята на водата (вж. Глава 6), трябва да се разграничат най-енергоемките и енергоемки клетки на черния дроб, мускулите, мозъка, мастните клетки и червените кръвни клетки , Например чернодробните клетки с нормално хранене съхраняват глюкозата под формата на гликоген и по време на гладно я отделят, докато не се изчерпи цялото й снабдяване. Ако са налични

гликогенът е пресъхнал, черният дроб превръща аминокиселини в глюкоза (глюконеогенеза), а мазнините (мастни киселини) първо се превръщат в кетонови тела, а след това (чрез окисляване) синтезира триглицериди от тях, които са носители на енергия. Триглицеридите навлизат в кръвта и се разпространяват във всички тъкани и органи, включително в мозъка, който няма собствени енергийни резерви. Следователно транспортирането на глюкоза в неврони е пасивно по своя характер, което не изисква външна енергия. Регулаторните пори, каналите на междуклетъчните връзки и клетъчните мембрани участват в пасивната транспортна система (виж глава 6). Тези канали контролират преминаването на различни молекули и йонни потоци и тяхната пропускателна способност (например за йони Са 2+, К + и Na +) зависи от сигналите, които са външни за клетката и пристигат в портата на каналите, където се намират рецепторите, които ги разпознават.

От своя страна, транспортът на глюкоза в червените кръвни клетки е активен, тъй като се случва поради градиента на концентрацията или улеснена дифузия поради двупосочното противодействие на Cl - и HCO - анионите през плазмената мембрана на червената кръвна клетка. В този случай активният транспорт се осъществява поради външен източник на енергия, освободен по време на хидролизата на АТФ, и протича (поради такова движение) срещу градиента на концентрацията.

Разнообразни източници на енергия за мускулите са глюкоза и гликоген, мастни киселини, кетонови тела и аминокиселини. Специално място във вътреклетъчния енергиен метаболизъм заемат митохондриите, отговорни за „тъканното дишане” или енергийния метаболизъм поради процесите на окисляване и фосфорилиране, както и синтеза на АТФ за „критично зависими” тъкани и органи, чието функциониране зависи изцяло от навременното попълване на резервите на АТФ. Сред такива „критично зависими“ морфофункционални структури са клетките и тъканите на мозъка, миокарда, скелетните мускули, ретината, островчетата на Лангерханс в панкреаса и пр. Нарушенията в енергийния метаболизъм, които възникват в тях, дават значителен принос за спектъра и обема на наследствената патология на човека.

Освен това самите митохондрии често „страдат”. И така, към днешна дата е установен голям клас митохондриални заболявания (над 200 нозологии), което се проявява с увреждане на пациентите поради тежки невродегенеративни симптоми на фона на значително намаляване на енергийните резерви (виж глава 26).

По-специално, нарушенията в структурата и функциите на митохондриите са установени при болести на Алцхаймер и Паркинсон (виж глава 28), кардиомиопатичен синдром, захарен диабет и други патологии.

Трофична поддръжка

Трофична поддръжкаили трофичен, е съвкупност от метаболитни реакции, които определят запазването на структурата и функционирането на клетките, тъканите, органите и системите на организма, увеличаването им в процеса на прекомерно функционално натоварване (състояние на хипертрофия) или намаляване на процеса на функционална бездействие (състояние на хипотрофия). Трофичната поддръжка на всички структури на тялото се осъществява с помощта на нервни влакна и сигнални молекули, влизащи в рецепторите на клетъчните мембрани в целевите клетки. Последните не само информират невроните за тяхното състояние, но и имат стимулиращ ефект върху тях, инициирайки адекватни функционални промени в невроните и следователно медиирайки обратния ефект върху целевите клетки. В този случай самата нервна система осигурява собствена трофика единствено благодарение на сигнални молекули, влизащи в невроните от клетките-мишени, които те инервират. Всички метаболитни реакции, протичащи в многоклетъчен организъм, се катализират от регулаторните ензимни протеини и възникват поради свързването на ензимите със субстратите. Подобни реакции се наричат ензимна.

Ензими и ензимни реакции

Ензимната (ензимна) молекула е способна да образува активен център или „джоб“, в който влиза субстратната молекула и в която е „атакувана“ от различни функционално активни групи.

Според законите на класическата генетика, една биохимична реакция се катализира от един ензим. Тя се основава на формулата, предложена през 1941 г. от Дж. Бийдъл и Е. Татем: „Един ген - един ензим“, която след това се трансформира във формулата: „Един ген - една полипептидна верига“, която отдавна се смята за централна догма на молекулярната биология (виж глава 1).

Трябва да се отбележи, че този принцип, често срещан за ензимологията, се наблюдава доста често при многофункционалните ензими и многоензимните системи (комплекси).

Ензимните реакции, протичащи в организма, се основават на модели на Michaelis-Menten,която отчита всички известни формули за генна експресия:

където Е е ензим; S е субстратът; ES IEP - комплекси на ензима със субстрата S и ензима с продукта P.

По този начин, за единична ензимна реакция са необходими поне субстрат и ензим. В този случай субстратът може да бъде ДНК, РНК, протеин или други молекули, а ензимът - регулаторни протеинови молекули. Ензиматичните реакции съпътстват всички алтернативни процеси в клетката и организма: прогрес и регресия, синтез и разпад, развитие и инволюция (стареене), възбуждане и инхибиране, сън и будност и като цяло всякакви други молекулярни процеси (физикохимични, генетични и биохимични, морфологични, физиологични и патофизиологични), свързани с онтогенезата (виж глава 12).

Ензимни функции на клетките и тялото

Както знаете, ензимите осигуряват многобройни функции на клетката и тялото. Ние изброяваме най-важните от ензимните реакции. Това е:

Експресия на гени, които произвеждат структурни и функционални протеини за клетки, тъкани, органи и телесни системи (ДНК-мРНК-протеинови реакции);

Защитни реакции на организма: вроден и придобит имунитет, коагулация на кръвта, действието на цитохром Р 450 и други (ензимно-протеинови реакции, ензим-субстрат);

Разпознаване на молекули по време на трансмембранния им трансфер (включително контрол на йонните потоци), взаимодействието на хормони и други сигнални молекули с рецептори, генерирането и провеждането на нервни импулси и др. (Същите реакции);

Умствена активност, работа на мускулни клетки и др. (Същите реакции). Освен това това са и ензимни реакции, които протичат между нуклеиновите киселини, започвайки от етапа на оплождане на гамети. Например, ензимите на цитоплазмата на яйцеклетката и факторите на ядрената транскрипция, съдържащи се в яйцеклетката и спермата, участват в реакцията на ДНК-ДНК. Други примери са DNA-mRNA реакции по време на транскрипция, mRNA-rRNA реакции, mRNA-tRNAs по време на транслацията и реакции

място-специфично свързване между аминокиселинни остатъци от ензими и нуклеотидни последователности на ДНК.

КЛЮЧОВИ СЪБИТИЯ НА ВЪНШНИТЕ

метаболизъм

Сред многото събития на вътреклетъчния метаболизъм, които са различни по биологично значение, трябва да се имат предвид преди всичко основните „технологични“ процеси, протичащи на молекулярно ниво - това е метаболизмът на пуринови и пиримидинови нуклеотиди, взаимозаменяеми и незаменими аминокиселини и разграждането на ДНК и протеини.

Нуклеотиден метаболизъм

Нуклеотидът е съединение от три елемента: фосфатно-захарна основа. В това съединение фосфатът е свързан да образува енергия. В същото време основният енергиен субстрат, ATP, играе централна роля, въпреки че участват и други енергийни съединения (GTP, CTP, UTP). Въглехидратните компоненти на нуклеотида са представени от дезоксирибоза или рибоза. Азотните основи са свързани с тях чрез азотния (N) атом в деветата позиция на пурина и първата позиция на пиримидин, които осигуряват предаване на наследствена информация.

Азотните основи на нуклеотида са пурини A и G и пиримидини C, T и U.

ДНК нуклеотидите (дезоксирибонуклеотиди) включват: аденин (dAMP), гуанин (dGMP), цитозин (dCMP) и тимин (dTMP).

РНК нуклеотидите (рибонуклеотиди) включват: аденилова (AMP), гуанилна (GMP), цидилна (CMP) и уридилова (UMP) киселини.

Синтез на пуринови нуклеотиди

Повечето клетки синтезират de novo пурини от прекурсори с ниско молекулно тегло. Източници на свободни пурини са нуклеиновите киселини, които се разлагат в лизозомите на клетката по време на разграждането на молекулата на ДНК, а мястото на синтеза им е черният дроб.

Пуринов цикъле реакция на риботилиране или добавяне на фрагменти от компоненти към рибоза-5-фосфат. Този

механизмът е типичен за синтеза на de novo пурини, свободни пурини и пиримидинови нуклеотиди с участието на 5-фосфорибозил-1-пируват (активната форма на рибоза-5-фосфат) или фосфорибозил-1-пирофосфат (FRPF). Образуването на FRPF става по пътя на пентозофосфата по време на прехвърлянето на пирофосфатната група (PP) от АТФ на глутамин, катализиран от FRPP синтетаза. Продуктът на тази реакция е 5-фосфорибозиламин. След неговото образуване се провеждат поредица от последователни реакции (има общо 9), кулминиращи в сглобяването на първия пуринов нуклеотид, включително хипоксантин, който е инозинова киселина(IMP).

Образуването на IMP служи като вид метаболитен кръстопът: от тази киселина се образуват аденин или гуанин.

В хода на тези трансформации формилова група (FH) също се образува от NH10 формил тетрахидрофолат или тетрахидрофолат (FH4) - това е реакция на формилиране. Участникът в реакцията на формилиране - тетрахидрофолат (FH 4) е коензим от витамин F или фолиева (птероилглутаминова) киселина. FH4 се редуцира от хидрофосфат редуктаза (FH2) с участието на NADPH и формил трансфераза.

Формилната група също идва от серин, който в присъствието на серин хидроксиметилаза прехвърля хидроксиметил групата (СН2ОН) към FH4, което води до глицин, вода и N5N10-метилен-FH4. Последното съединение обаче все още не е готово да участва във формилирането, тъй като метиленовата група (СН2) е по-редуцирана от формилната група (FH). Следователно СН2 се окислява от ензима NADP + до метилово производно, което след хидролиза се превръща в N10 -формил-FH4, или донор на формилна група, необходим за синтеза на пуринови нуклеотиди. Подходящо е тук да се отбележи, че синтезът на пурин де ново не произвежда свободни пурини, тъй като новите пурини веднага се превръщат в пуринови нуклеотиди. Известен е също методът за синтез на пуринови нуклеотиди, по време на който свободните пурини се превръщат в тях, получени при разпадането на нуклеотиди и се запазват след взаимодействие с FRPF. В този път участват две фосфорибозилтрансферази: едната катализира образуването на пуринови нуклеотиди от аденин, другата от хипоксантин и гуанин. Освен това във втория случай (синтез на пуринови нуклеотиди от хипоксантин или AMP рибонуклеотид и синтез на гуанин от GMP рибонуклеотид) участва хипоксантин-гуанин фосфорибозилтрансфераза

(GGFRT), който, взаимодействайки с FGFR, образува IMP и неорганичен фосфор (P). За човешките клетки запазването на аденина изглежда по-малко важно от опазването на хипоксантин и гуанин. Свободният хипоксантин се образува от AMP чрез отстраняване на фосфатната група (PH) с помощта на 5-нуклеотидаза и в същото време се превръща в аденозин, от който NH2 групата се отстранява от ензима аденозин дезаминаза (ADA). В резултат на това аденозинът се превръща в инозин, от който се образуват хипоксантин и рибоза-1-фосфат, като се използва друг ензим - нуклеозидна фосфорилаза.

Трябва също да се отбележи, че при липса на ADA по този метаболитен път се развива автозомно рецесивно заболяване на лимфоцитите (20q13.11), което се проявява в тежко комбинирано имунодефицит (TKID). Методът на лечение на TCID, предложен в САЩ през 1990 г., беше първият случай на използване на метода на генната терапия в медицината, чиято същност беше въвеждането на костен мозък в стволови клетки ин витронормален ADA ген и последваща автотрансплантация на тези клетки in vivo(виж глава 20).

В заключение трябва да се подчертае, че синтезът на пуринови нуклеотиди изисква голям разход на енергия от клетката и следователно механизмът на повторно използване на свободни пурини е по-благоприятен за него, тъй като позволява на клетката да ограничи синтеза на de novo.

Освен това тялото има уникални клетки (червени кръвни клетки), които не са в състояние да синтезират de novo пурини и затова използват само готови пуринови основи. Значението на механизма на повторно пуриново повторно използване може да бъде демонстрирано чрез примера на свързания с X рецесивен синдром на Леш-Ниян (Xq26-27), свързан с умствена изостаналост, нарушена координация и автоагресия (поради липсата на GGFRT). При такива пациенти синтезът на ново пуринови нуклеозиди в чернодробните клетки рязко се увеличава (има захар и основа, но няма фосфат), което води до повишаване на нивото на PFRF, образуване на голямо количество пикочна киселина (в черния дроб) и отлагане на уратни кристали (в бъбреците).

Подобна симптоматика се наблюдава при подагра, но в този случай пациентите нямат неврологични нарушения (по неизвестни досега причини). Подаграта изглежда фенокопия на синдрома на Lesch-Nyan. Важно е да се отбележи, че пикочната киселина, която се образува в черния дроб от хипоксантин и гуанин, се инхибира от алопурин. Това лекарство се използва за лечение на подагра, предизвиква преобладаващото натрупване не на урати, а на гуанин

и хипоксантин, които са разтворими във вода и поради това лесно се екскретират от тялото.

Пътят за синтез на пуринов нуклеотид de novo е пример за алостерично инхибиране на обратната връзка с обратна връзка. В този случай първата (обратима) реакция на пуриновия синтез служи като място за контролиране на инхибирането. Той се катализира от синтезата на FRPF, която се инхибира от рибонуклеотидите AMP, ADP, GMP и GDP.

Синтез на пиримидинови нуклеотиди

Повечето клетки синтезират de novo пиримидинови нуклеотиди. В същото време има известен начин за рециклиране на свободни пиримидини, който е по-малко ярък от този на пурините.

Синтезът на свободни пиримидини започва с аспарагинова киселина и води до образуването на оротова киселина (съединение с циклична структура), която се превръща в урацил (UMP) в присъствието на PFRP и под действието на кинази.

По време на балансираното производство на дезоксинуклеотидни трифосфати (като пурини), алостеричната регулация се извършва в съответствие с принципа за обратна връзка (виж глава 8). Възстановяването им става на ниво дифосфат, използвайки NADPH (прехвърля електрони в редуктаза). Едва след това те се превръщат в трифосфати на няколко етапа (в резултат на фосфорилиране от кинази, включващи АТФ). Първоначално dUTP, който не участва в синтеза (съдържа тимин), се хидролизира в dUMP до образуване на PP. Тогава dUMP се метилира в dTMP.

метилиранее прехвърлянето на метилова група (СНз), имаща висока активност от донор на метионин към молекули на други съединения, включително ДНК (виж по-долу). В този случай нуклеозид-тимидин се синтезира до TMP под действието на тимидин киназа.

Метилирането на dUMP също се осъществява под въздействието на ензима тимидилат синтетаза, коензимът на който е N 5 N 10 метилен FH4 или метилентетрахидрофолат (FH 4). След това, dTMP се фосфорилира до dTTP (метилиран урацил), който се преобразува в dTTP.

В случай на синтез на пурин, метиленовата група (СН2) се окислява до образуване на формилна група (виж по-горе), а в случай на синтез на тимидилат се редуцира и се прехвърля в тиминова метилова група (СНЗ) в присъствието на тимидилат синтетаза. В този случай FH 4 се превръща в FH 2. За обратната реакция на възстановяване е необходим ензим дехидрофолат редуктаза, чийто дефицит е свързан с появата на една от феноцетонурийните генокопии (виж по-долу).

Друг метаболитен път е превръщането на FH4 в метилен-FH4 в реакция със серин, но за това FH2 се редуцира до FH 4 чрез дехидрофолат редуктаза.

Доказано е, че антифолатните или структурни аналози на фолат, инхибиращи FH2 редуктаза, са антилевкемични лекарства: аметоптерин и аминоптерин, които инхибират образуването на dTMP, което е от съществено значение за клетките на левкемия. Освен това, образуването на dTMP следва пътя на инхибиране на FH2 редуктаза и инхибиране на превръщането на FH2 във FH4. На следващо място, ензимът серин хидроксиметилаза насърчава образуването на метилен FH (от фолиева киселина) и след това dTMP се образува в присъствието на dUMP.

В допълнение към тези реакции е известна реакция, при която N5N10 - метилен-FH4 е редуциран до N5-метилен-FH4, който доставя метилови групи за превръщането на хомоцистеин в метионин в присъствието на метионин синтетаза.

Метионинсинтетазата изисква кофактор - витамин В 12, при пълното отсъствие на който се развива автозомно рецесивна пернициозна анемия (6p12-p21.2). При това заболяване стомахът не образува стомашен гликопротеин, който е необходим за възстановяването на витамин В 12 в червата, въпреки че много от него идва от храната. В тази връзка резервите на FH 4 стават недостъпни за пуриновия синтез и тетрахидрофолатът се превръща в метил FH 4, причинявайки неврологични нарушения, свързани с метил малонова ацидоза при пациенти. При недостиг на витамин B 12 се развива автозомно-рецесивна вродена малабсорбция на фолат (мегалобластна анемия). Един от нейните кандидат гени е картографиран на 11q13.3-q14.1.

Известни са две реакции, зависими от витамин В 12. Те се катализират от различни ензими: метилмалонил-КоА-мутаза (6p12-p21.2) и метионин синтаза (ген не е картографиран). С дефицит на първия ензим се развива фатална ацидоза, докато дефицитът на втория ензим причинява само ранно забавяне на психомоторното развитие, придружено от неврологични симптоми поради токсичния ефект на хомоцистеина.

Метилиране на ДНК последователност

Метилирането на ДНК последователности (например цитозинови остатъци в позиция 5) се случва с образуването на 5-метилцитозин (5-mC) под действието на редица ензими, които се наричат \u200b\u200bцитозин ДНК метилтрансферази или М-таза.

М-таза- Това е „поддържащ“ ензим, който разпознава и метилира само половината метилирани ДНК последователности, които се образуват по време на репликация, когато новосинтезираната дъщерна верига все още не е метилирана. Известни са четири такива ензими (Dnmt 1, Dnmt 2, Dnmt 3a и Dnmt 3b). Най-проучваният Dnmt 1 или протеин с молекулно тегло около 190 kDa, имащ 2 домена: каталитичен(разположен в С-крайната част на ензима), структурно подобен на бактериалния цитозин М-басейни, и регулаторен(разположена в N-крайната част), съдържаща сигнална последователност, насочваща ензима към активни репликативни комплекси в делящите се клетки.

Ензимната активност на Dnmt 1 се увеличава драстично с началото на синтеза на ДНК. Възможно е генният промотор на този ензим да се активира от H-ras генния продукт, участващ в прехвърлянето на митогенен сигнал.

Показано е, че цитозиновите остатъци са главно метилирани като част от CpG динуклеотидите или CpG островите (виж глави 1 и 25). Общо около 70% от CpG островите и 6-7% от цитозиновите остатъци са метилирани в еукариотния геном. Такова поддържащо метилиране е показано на фиг. 32: в резултат на репликация метилираните CpG динуклеотиди присъстват в майчината ДНК верига. ДНК метилтрансфераза разпознава метилиран CpG в нея и пресъздава същия модел на метилиране в дъщерната верига. Трябва да се отбележи, че М-потазите имат само ограничена способност да метилират de novo ДНК последователности в напълно неметилирани участъци и да метилират олигонуклеотиди, съдържащи погрешно сдвоени бази (вж. Глава 10).

Понастоящем се клонират гени, чиито продукти проявяват висока способност за ново метилиране на ДНК и вероятно са отговорни за този процес.

Метилирането на цитозиновите остатъци влияе върху структурните характеристики на ДНК, което се проявява в улесняване на прехода на неговите метилирани участъци от B форма към Z форма, увеличаване на стъпката на ДНК спиралата и промяна на кинетиката на образуването на кръстообразни структури. В този случай метил групата от 5 mC действа върху повърхността на големия жлеб на ДНК във В-образна форма, което повишава хидрофобността му и в някои случаи се превръща в решаващ фактор във взаимодействието на ензимите със съответните участъци на молекулата на ДНК. В допълнение, метилирането на други ДНК последователности, например CpNpG, както и

Фиг. 32.Подпомагане на метилирането в генома (според: Herman et al., 1999; http // www.kletca.ru / стволови клетки / речник /)

механизмът на метилиране на аденин и гуанин е метилирането, като се използва сулфониевият катион S-аденилилметионин или SAM. По-специално, механизмът на метилиране на гуанин в позиция 7 (N 7-метилгуанинова група), както и в позиция 2 (OH група на втория, а понякога и трети нуклеотид) играе важна роля при затваряне на иРНК с помощта на РНК полимераза II или модификация на иРНК с 5 "- На този етап първият нуклеотид съдържа трифосфатна група и крайният му фосфат се отстранява, замества се с остатъка от GMP.След това затворената иРНК се разширява до функционално активна иРНК.В допълнение към метилирането на аденин и гуанин, метилирането на аминокиселини и други вещества: креатин, PF и адреналин (отнася се до катехоламините).

Разграждане на ДНК

Разграждането на ДНК е универсален заместител за повечето клетки по време на репликацията на стари молекули към нови. Разграждането на ДНК се счита за необратим терминален стадий на апоптоза, който се контролира от семейства В протеини. с1-2 (виж глава 11).

Деградация на МРНК

Бяха идентифицирани 2 механизма на деградация на тРНК (NMD и SMD процеси), свързани с механизмите за възстановяване на клетките (виж глава 10).

На фиг. 33 е диаграма на механизма на NMD при бозайници: процесът на NMD възниква по време на транслацията и съдържаща мРНК преждевременни стоп кодони(UCS), който прекъсва транслацията на разстояние 50-55 нуклеотида при четене напред на последователността на екзон-екзон в резултат на сплайсинг.

Прекурсорът на мРНК (pre-mRNA) в ядрото се свързва с хетеродимер CBP80 - CBP20 на основния протеин, свързващ ядрената капачка (CBP).

След като се формира 3 "краят, пре-тРНК се свързва с ядрения поли (А) свързващ протеин Upf3a или PABPa протеин (PABP). Тогава пре-иРНК се сплитира и се превръща в мРНК, т.е.

Фиг. 33.NMD модел при бозайници (според Maquat L., 2005)

който се свързва с комплекс, включващ CBP80-CBP20, PABPN1 и цитоплазмен протеин PABPC, и след това се свързва с протеините от комплекса на екзон-екзон или EJC, разположен на разстояние 20-24 нуклеотида отпред. Редица протеини са компоненти на EJC, включително:

Пре-мРНК сплайсинг протеини (Pnn / DRS, RNPS1, SRm160, UAP56);

Протеини, участващи в износа на тРНК (REF / Aly, Y14, Magoh);

Протеини, чиито функции не са напълно разбрани (PYM, eIF4AIII и Barentsz / MLN512).

Към комплекса EJC могат да се прикачат и допълнителни протеини:

NMD фактори (Upf3 или Upf3a, Upf3X или Upf3b, Upf2);

Протеин Upf1 (прикачва, очевидно, преходно).

Смята се, че Upf3 / Upf3X протеини, които са предимно ядрено локализирани, са в състояние да се преместят в цитоплазмата и да взаимодействат с протеин Upf2, който е концентриран по протежение на цитоплазмения ръб на ядрената мембрана. При движение се образува първичен комплекс за иницииране на преводили mRNP. Този комплекс преминава през първичния цикъл на транслация, или във връзка с ядрото, или с цитоплазмата, тъй като тРНК служи като субстрат, свързан с тях за NMD.

Процесът на NMD възниква след UCS разпознаване по време на първия цикъл на превод. Ако транслацията е прекъсната в UCS, който е разположен над 50-55 нуклеотида по-високо от съединението екзон-екзон, Upf1 инициира NMD процеса чрез взаимодействие с Upf2 протеина, свързан с EJC.

Незабавното разграждане на безсмислени стенограми в клетките на бозайниците се случва както в посоките 5 "-3", така и в 3 "-5", включително обезглавяване и действие на 5 "-3" екзонуклеотични фактори или Deadenylation и действие на 3 "-5" екзозомни фактори, съответно ,

Участието на EJC комплекси в процеса на NMD се потвърждава от данните, че мРНК, съдържащи PSC и mRNAs, получени от гени, които не съдържат интрони, не се подлагат на NMD. Само новосинтезирани мРНК служат като мишена за NMD, докато стабилните мРНК не търпят разграждане.

За NMD е показано унищожаването на редица безсмислени стенограми, включително:

MRNA, свързани с алтернативни сплайс продукти;

MRNA, необходима за селенопротеини;

MRNA с отворена рамка за четене;

дали NMD в комплекс с белтъчини, превеждащи рибозоми, или цитоплазмени екстрарибозомни места на разграждане на тРНК.

Ефективността на NMD, като правило, не зависи от локализацията на UCS и увеличаването на броя на EJC комплекси. Ефективността на NMD обаче може да бъде подобрена чрез други механизми, например чрез моделиране (заместване) на различни генетични последователности.

Ролята на NMD в други клетъчни процеси продължава да се изучава. Например, един от неговите фактори, SMG1, участва в разпознаването и / или поправянето на увреждане на ДНК, друг фактор, Upfl, участва в безсмислено медиирано алтернативно сплайсинг, както и в наскоро открития нов път за разграждане на тРНК - т. Нар. Медиирана иРНК или SMD разграждане , В случай на SMD механизма на разграждане, RNA-свързващият протеин взаимодейства директно с Upfl протеина, причинявайки разграждане на тРНК на достатъчно отдалечено разстояние от UCS, включително нормалния стоп кодон.

За механизма SMD обаче функционалната цел на тези фактори не е окончателно определена.

Метаболизъм на аминокиселините и нейните нарушения

Аминокиселините се образуват от кетокиселини и амоняк (амино група). Те се използват за синтеза на различни протеини, включително компоненти на клетъчни мембрани, невротрансмитери (например 5-хидрокситриптамин и гама-аминобутират или GABA), хормони (например тироксин), хема и други вещества. Източници на аминокиселини са храни и продукти на клетъчния метаболизъм.

Основните аминокиселини са разделени на:

Незаменими (пристигат изключително отвън), има 10 от тях;

Заменяеми (идват отвън и се синтезират в тялото), има и 10 от тях.

Само една аминокиселина - аргинин - е необходима на организма за ограничен период на развитие (изключително по време на растежа му), докато останалите 19 аминокиселини винаги са необходими.

Абсолютно съществени са лизин, фенилаланин и триптофан. Цистеинът може да бъде получен от фенилаланин, а тирозинът от метионин. Основните аминокиселини са или кетогенни (образуват ацетил-КоА, който се превръща в кетонови тела), или гликоген (повишават нивото на глюкоза в кръвта, а при диабетици в урината). В същото време левцинът и лизинът са свързани и с двете (кетогенни и гликогенни).

На фиг. 34 показва общата схема на метаболизма на аминокиселини. Както е показано на диаграмата, излишъкът на аминокиселини се образува поради аминокиселинни остатъци, които не се използват в биосинтезата на протеини или за други клетъчни нужди.

Образуваният излишък на аминокиселини под формата на метаболитен фонд се използва (когато те се разграждат) за производство на енергия и създаване на енергийни резерви (мазнини и гликоген), а аминовият азот се отделя с урината под формата на урея.

Ако е необходимо, функционалните мускулни протеини (повечето от тях в тялото) могат да се превърнат в резерви за производството на аминокиселини. При хората са установени редица наследствени заболявания, свързани с нарушен метаболизъм на аминокиселини (вж. Глава 21). За пациентите с такива нарушения е характерен или дефицит, или излишък от определена аминокиселина, което води до

Фиг. 34.Общата схема на метаболизма на аминокиселини (според Elliot V., Elliot D., 2002)

храносмилане и усвояване на храната, изтощение, забавено психомоторно и физическо развитие, оток на тъканите, неврологични и други симптоми, основани на синтеза на дефектни протеини.

Най-типичният пример за тези заболявания е автозомно-рецесивна фенилкетонурия (ПКУ), която се развива в резултат на дефицит на ензима фенилаланин-4-хидроксилаза.

PKU има редица генокопии (най-често злокачествени), които се развиват в резултат на дефицит на 6-пирувоил тетрахидропертин синтаза (11q22.3-q23.3), цитозолна дихидропертеридин редуктаза (4p15.31), цитозолна гуанозин циклохидролаза (генът не е картографиран или гена не е картографиран) BH 4 хидролаза на ароматни аминокиселини: фенилаланин, тирозин и триптофан (генът също не е картографиран).

Това включва и PKU генокопия поради дефицит на дехидрофолат редуктаза.

Преди да разгледаме механизмите на патогенезата на генокопията на феноцетонурия, отбелязваме, че в нормално функциониращо тяло фенилаланинът не се подлага на дезаминиране, а се преобразува в тирозин (под действието на фенилаланин-4-хидроксилаза).

В PKU синтезата на тирозин е трудна или напълно блокирана, а фенилаланинът е „принудително“ подложен на дезаминиране във фенилпируват (кетокиселина), който се отделя с урината.

Във връзка с тези особености на фенилаланиновия метаболизъм в организма и наличието на PKU генокопии беше направен анализ на състава на свободни аминокиселини и резултатите от метаболизма на фенилаланин в кръвната плазма на бременни и бременни жени носители на гена PKU (Василиева О. В., 1999). Състав на свободни аминокиселини в серума при небременни (първа група)характеризира се със съотношение на взаимозаменяеми и незаменими аминокиселини съответно 38 и 62%, както и съотношение на хидрофобна и неутрална към други аминокиселини, включващо 71 до 29%. Отбелязани са най-високите концентрации на аланин, треонин, лизин и аргинин; най-малките - аспарагинова и глутаминова киселини.

При анализиране на връзката между количествените характеристики на аминокиселинния спектър, три степени на конюгиране на количествени показатели на взаимно

лизируеми системи: високи, средни и ниски нива на комбинация от аминокиселини.

Съответно, високи нива са лизин, фенилаланин и тирозин; средните нива са хистидин, цистеин и валин; ниски нива са левцин, изолевцин, метионин, аланин и аспарагинова киселина. В допълнение към тези три нива бяха изолирани нивата на корелационни връзки, характерни за аргинин и глутаминова киселина, както и за серин и треонин. Получените данни бяха обяснени от автора на структурните и функционални характеристики на аминокиселините:

Фенилаланинът е прекурсор на тирозин;

Фенилаланин, тирозин и лизин участват в синтеза на ацетил-КоА без междинното образуване на пируват;

Аргинин, хистидин и валин могат да участват в синтеза на глутаминова киселина;

Левцинът, изолевцинът и метионинът са хидрофобни аминокиселини;

Аланинът се образува чрез трансаминиране на пируват, който може да се превърне в основа за синтеза на глицин; аминогрупата е дарена аспартат.

Физиологичната бременност доведе до промени в запаса на свободни аминокиселини поради намаляване на съдържанието на глицин, валин, левцин през първия триместър; във втория триместъррегистидин, фенилаланин и цистеин. Ако според масовия (пилотен) скрининг на бременни жени нивото на фенилаланин в кръвната плазма съответства на 1,2 mg%, тогава това се оценява като критерий за селекция на жени от групата на „потенциалните хетерозиготи“ според гена на PKU.

Ако експресията на PKU гена, скрита в тялото на майката, доведе през първия триместър на бременността до повишаване на нивото на фенилаланин в кръвната плазма над 10 mg%, тогава това беше оценено като причина за нарушения в развитието на плода.

Задължително хетерозиготно превозване на гена PKU при майки, които са родили деца с PKU (втора група)в сравнение с жени без PKU ген (трета група)проявява се с нарушения на метаболитния запас на аминокиселини под формата на висока концентрация на глутаминова и аспарагинова киселина, треонин и глицин.

Отбелязвайки голямото теоретично и практическо значение на работата на О.В. Василиева, можем да заключим, че настоящото разбиране за спектъра и механизмите на проявление на различни генокопии

PKU (и вероятно генокопия за други наследствени метаболитни заболявания - NBO аминокиселини) трябва да бъде значително разширен. Това може да се направи не само чрез анализ на запасите от всички аминокиселини, комбинирани в отделни групи в зависимост от степента на конюгиране с техните структурни и функционални характеристики, но и чрез анализ на ролята на протеиновите ензими, участващи в метаболизма на тези аминокиселини. Този извод се подкрепя и от примера на автозомно-рецесивна левкиноза или „кленов сироп” пикочно заболяване, при което се определят три генокопии поради ензимен дефицит: алфа-кетокиселинни дехидрогенази с различни странични вериги, тип IA (19q13.1-13.2), тип IB (6p21-p22) и тип II (1p31). Левцинозата се развива в резултат на нарушение на окислителното декарбоксилиране на алфа-кетокиселини, свързано с образуването на алифатни аминокиселини: левцин, изолевцин и валин.

В заключение на прегледа на данните за стойността на метаболизма на отделните аминокиселини е важно да се отбележи, че наред с дефицит може да се наблюдава и техният излишък, след което пациентите се диагностицират например със заболявания като:

homogentisuria(3q2) - резултат от нарушено разцепване на тирозин поради излишък на хомогентизинова киселина, която е негов продукт, дифенол; в този случай дифенолът се комбинира с атмосферен кислород и образува пигмент, поради което урината потъмнява;

tsistationuriya(16q) е излишъкът от цистация (виж по-долу).

Синтез на аминокиселини

Предшествениците на основни аминокиселини са 5 химични съединения: алфа-кетоглутарат, 3-фосфоглицерат, оксалоацетат (R \u003d СН2СОО), фосфоенол-пируват, пируват (R \u003d СНз) и два пентоза фосфатни монозахариди. Помислете за механизмите на тяхното превръщане в аминокиселини.

Аминокиселини като продукти на метилиране

Аминокиселините могат да бъдат продукти на метилиране или прехвърляне на метилова група от донор на метионин към различни съединения (виж по-горе). Когато метионинът реагира с АТФ, неговата NH3 + група се активира, като образува сулфониев катион, или S-аденилилметионин (SAM). Метилният трансфер се катализира от трансметилази.

По време на тази реакция трите фосфатни групи от АТФ се превръщат в пирофосфат (РР) и неорганичен фосфор (Р), след което РР се разделя на две П.

Първо, SAM се превръща в S-аденозил хомоцистеин, който се превръща в хомоцистеин-метионин (има SH-група или тиолова група вместо S-CH3 група). След това тиоловата група от хомоцистеин се прехвърля в серин с образуването на цистеин. Междинно съединение в тази реакция е цистацията, излишъкът от която се отделя с урината.

Продуктите за метилиране на SAM включват също: креатин, фосфолипид - РХ и катехоламин - адреналин.

Аминокиселини като трансаминационни продукти

Аминокиселините могат да бъдат продукти за трансаминиране или дезаминиране. Например глутаминовата киселина се синтезира с помощта на глутаматдехидрогеназа, чиито кофактори са NAD + и NADP +. Тази реакция е обратима.

Аспарагиновата киселина и аланинът, образувани по време на трансаминацията на оксалоацетат и пируват, са донори на глутаминова киселина. Глутаминовата киселина се дезаминира чрез отстраняване на два водородни атома в присъствието на глутаматдехидрогеназа, като се използва NAD + или NADP + като окислител. Този ензим е алостерично инхибиран от ATP и GTP (те показват големи запаси от енергия), но ADP и БВП се активират (те показват липса на енергия).

След дезаминиране на глутаминовата киселина се образува алфа-кетоглутарат, в който участва цикъл на Кребс(цикъл на лимонена киселина), което прави възможно окисляването на глутаминовата киселина

до Н20 и СО2.

Тъй като алфа кетоглутарат се превръща в оксалоацетат, той може да участва в синтеза на глюкоза, т.е. глутаминовата киселина е гликогенна аминокиселина.

За други аминокиселини (с изключение на глутаминовите) няма съответни дехидрогенази. Следователно дезаминирането им не преминава в един, а на два етапа: първият етап - дезаминиране, вторият етап - обезпаразитяване. Най-общо се нарича този метаболитен път, общ за всички аминокиселини трансаминиранеили дезаминиране

Трансаминацията се катализира от аминотрансферази (трансаминази), които са специфични за различни аминокиселини.

В активните центрове на трансаминазите е коензим пиридоксал-5-фосфат (PF), който действа като електрофилен междинен продукт, който първо приема аминогрупата

(служи като негов акцептор), а след това (като донор) го прехвърля в кетокиселина.

Работната група на PF е алдехидната група (CHO).

PF включва три производни на витамин B 6: пиридоксал, пиридоксин и пиридоксамин.

Механизмът на трансаминиране може да бъде демонстриран с примера на аланин, който е транспортна форма на аминов азот в кръвта.

Аланинът съдържа около 30% от аминовия азот, който влиза в черния дроб след разграждането на мускулните протеини и се образува от пируват по време на трансаминация на други аминокиселини.

При взаимодействието на аланин и алфа-кетоглутарат се получава пируват, който реагира с глутамат, т.е. първият етап. Във втория етапглутаматът свързва NAD + и водата, образувайки кетоглутарат, който взаимодейства с NaPH + и NH4. В черния дроб аланинът се дезаминира. Амонякът, образуван в този процес, се използва за синтеза на урея, а пируватът се използва за синтеза на глюкоза, която се връща с кръв към мускулите, затваряйки цикъла на трансфера на глюкоза-аланин. Този цикъл придобива особено значение по време на гладуване, когато аминокиселините, образувани по време на разграждането на мускулните протеини, се използват в хода на глюконеогенезата в черния дроб.

Синтез на серин и глицин

Серинът се синтезира на три етапа от гликозил-3-фосфат глицерол, който първо се окислява до кетокиселина (трифосфат хидроксипируват); той се трансаминира с глутаминова киселина и се превръща в 3-фосфат-серин, хидролизира се до серин и неорганичен фосфор.

Глицинът се синтезира чрез отстраняване на хидроксиметилова група от серин (виж по-горе). Реакцията протича с участието на тетрахидрофолова киселина, която е носител на монокарбонови групи.

Този вид трансфер е важен за нуклеотидния синтез.

Синтез на други аминокиселини

Глутаминът (като аланин) служи като транспортна форма на амоняк в кръвта, която се образува чрез дезаминиране на аминокиселини.

Амонякът е токсичен и следователно навлиза в черния дроб не в свободна форма, а в комбинация с глутаминова киселина, образувайки се с участието на ензима глутаминова синтетаза, амид на глутаминова киселина или

глутамин. Гама-глутамилфосфатът (анхидрит на глутаминова и фосфорна киселини) се образува като междинен продукт - това е макроергично съединение, способно да взаимодейства с амониеви йони с участието на синтетаза (виж глава 8).

Източникът на глутамин е алфа-кетоглутарат от цикъла на Кребс, който претърпява трансаминация с други аминокиселини.

Глутаминът се транспортира от кръвта до черния дроб, където се хидролизира от глутаминаза, а амонякът, освободен при този процес, се използва за синтезиране на урея.

Фенилаланинът е ароматна аминокиселина, излишъкът от която в нормално функциониращ организъм се превръща в тирозин с участието на фенилаланин-4-хидроксилаза, която доставя 2 водородни атома от коензим тетрахидробиоптерин (виж по-горе).

Левцинът, изолевцинът и валинът са алифатни аминокиселини, междинните продукти на които се натрупват под формата на кетокиселини по време на левциноза (виж по-горе).

Метаболизмът на други съединения от аминокиселини

В допълнение към протеините, от аминокиселини се образуват: амини (в резултат на декарбоксилиране); катехоламини или хормони, подобни по структура на катехол (например 1,2-дехидроксибензен), включително допамин, адреналин и норадреналин; невротрансмитери (GABA и 5-хидрокситриптамин), както и хормона - тироксин.

Аминогрупите след отстраняването им от аминокиселини се отделят с урината под формата на урея - това е инертно водоразтворимо нетоксично съединение.

Уреята се образува в черния дроб чрез разцепване на групата гуанидин от аргинин. В същото време по пътя се образува аминокиселина - орнитин, който не е част от основните протеини на организма.

За преобразуване на орнитин обратно в аргинин се използва въглероден атом, получен от въглероден диоксид и аминов азот, освободен по време на метаболизма на която и да е от основните аминокиселини.

Образуването на аргинин от орнитин протича на няколко етапа. Като междинен продукт се образува аминокиселина - цитрулин, която също не е част от основните протеини на организма; стимулира синтеза на урея в черния дроб (като орнитин и аргинин).

Разграждане на протеини

Разграждането на протеини е заместване на стари протеинови молекули с нови молекули. Той се среща във всички клетки и тъкани на тялото по време на метаболизма. Протеините имат различен живот. Дълготрайните протеини включват структурни протеини и хемоглобин. Чернодробните протеини живеят няколко дни.

Много протеини имат живот не повече от 20 часа, а някои от тях живеят не повече от десет или дори две минути.

Поради различния живот на протеините, тяхното разграждане се характеризира с висока селективност.

По време на синтеза на аминокиселини и последващото производство на структурни и регулаторни протеини от тях, тяхната абсолютна структурна (и функционална) точност не винаги се наблюдава. Следователно в клетките неизбежно се образуват погрешни аминокиселини, което води до неправилно сгъване на протеини (вж. Глава 3) и такива протеини се унищожават от клетката, т.е. претърпяват процес на унищожаване. За селективно унищожаване е важен протеин - убиквитин. Това е малък протеин, участващ в ATP-зависимата реакция, при който неговата терминална карбоксилна група се свързва с аминогрупата на страничната верига на целевия протеин (лизинови остатъци), която трябва да претърпи унищожаване, т.е. той сякаш се „маркира“ за нея.

Метаболизъм на аминокиселините

Протеините са най-често срещаните органични вещества в организма, които съставляват по-голямата част от постната телесна маса (10-12 кг). Протеиновият метаболизъм се счита за метаболизъм на аминокиселини.

Храносмилането на протеини

Подлагайте се на храносмилането и усвояването храна и ендогенен протеини. Ендогенните протеини (30-100 g / ден) са представени от храносмилателни ензими и протеини от дескваминиращ чревен епител. Храносмилането и усвояването на протеините е много ефективно и затова само около 5-10 g протеин се губи с чревно съдържание. Диетичните протеини претърпяват денатурация, което улеснява храносмилането им.

Ензими за усвояване на протеини ( хидролаза) специално разцепват пептидни връзки в протеини и затова се наричат пептидаза, Те са разделени на 2 групи: 1) ендопептидаза - разцепват вътрешните пептидни връзки и образуват фрагменти от протеини (пепсин, трипсин); 2) екзопептидази действат върху пептидната връзка на крайните аминокиселини. Екзопептидазите са разделени на карбоксипептидаза(С-крайните аминокиселини се разцепват) и аминопептидаза (N-крайните аминокиселини се разцепват).

Протеолитичните ензими за усвояване на протеини се произвеждат в стомаха, панкреас и тънки черва, В устната кухина протеините не се усвояват поради липсата на ензими в слюнката.

Стомахът, Храносмилането на протеини започва в стомаха. Когато протеините навлизат в лигавицата на стомаха, се образува хормоноподобно вещество. гастринкоето активира секрецията на HCl париетални клетки стомах и пепсиноген - основни клетки стомаха.

Солната киселина (pH на стомашния сок 1,0-2,5) изпълнява 2 от най-важните функции: причинява денатурация на протеини и смърт на микроорганизми. При възрастен човек ензимите на стомашния сок са пепсини gastriksinпри кърмачета ренин.

1. Пепсинът се произвежда в главнотоклетки на стомашната лигавица в неактивна форма под формата pepsinogen (m.m. 40 000 Да). Пепсиногенът се превръща в активен пепсин в присъствието на HClи autocatalytically под въздействието на други пепсинови молекули: 42 аминокиселинни остатъка се разцепват от N-края на молекулата под формата на 5 неутрални пептиди (mm около 1000 Da) и един алкален пептид (mm 3200 Da). MM пепсин 32700 Да, оптимално pH 1,0-2,0 , Пепсинът катализира хидролизата на образуваните пептидни връзки ароматни амино групи (сешоар, стрелбище), както и аспарагинови, глутаминови киселини, левцин и пара ала-ала, ала-сер.

2. Друг пепсиноподобен ензим се образува от пепсиноген - gastriksin (m.m. 31500 Да), оптималното рН е 3,0-5,0. В нормалния стомашен сок съотношението пепсин / стомашен е 4: 1.

3. сирище съдържа се в стомашния сок на кърмачетата; оптимално pH 4,5. Ензимното извара мляко, т.е. в присъствието на калциеви йони превежда разтворим kazeinogen в неразтворим казеин, Неговият напредък по храносмилателния тракт се забавя, което увеличава продължителността на действието на протеиназите.

В резултат на действието на ензимите в стомаха се образуват пептиди и малко количество свободни аминокиселини, които стимулират освобождаването на холецистокинин в дванадесетопръстника.

Язва на дванадесетопръстника, Съдържанието на стомаха навлиза в дванадесетопръстника и стимулира секрецията секретиновитев кръвта. Secretin активира секрецията на бикарбонати в панкреаса, които неутрализират солната киселина и повишават pH до 7,0. Под действието на образуваните свободни аминокиселини в горната част на дванадесетопръстника 12 се получават холецистокинин, което стимулира секрецията на панкреатичните ензими и свиването на жлъчния мехур.

Храносмилането на протеини се извършва от група серинови (в активния център OH-група на серин) протеинази от панкреатичен произход: трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза, еластаза.

1. Ензимите се получават като неактивни предшественици - проензими. Синтезът на протеолитични ензими под формата на неактивни прекурсори предпазва екзокринните клетки на панкреаса от унищожаване. Синтезира се и в панкреаса трипсинов инхибитор на панкреаса, което предотвратява синтеза на активни ензими вътре в панкреаса.

2. Ключовият ензим за активиране на проензимите е enteropeptidase(ентерокиназно) секретира се от клетките на чревната лигавица.

3. Ентерокиназата разцепва хексапептида от N-края трипсиногенен и активен трипсинкойто след това активира останалите протеинази.

4. Трипсинът катализира хидролизата на пептидните връзки, в образуването на които участват карбоксилни групи незаменими аминокиселини (лизин, аргинин).

5.химотрипсин - ендопептидаза, произведена в панкреаса под формата на химотрипсиноген. В тънките черва с участието на трипсина се образуват активни форми на химотрипсин - a, d и p. Химотрипсинът катализира хидролизата на образуваните пептидни връзки карбокси групи от ароматни аминокиселини.

6. Специализираните протеини на съединителната тъкан - еластин и колаген - се усвояват с панкреатични ендопептидази - еластаза и колагеназа.

7. Панкреатичните карбоксипептидази (А и В) са метални ензими съдържащи Zn 2+ йони. Те имат специфичност на субстрата и разцепват С-крайните аминокиселини. В резултат на храносмилането в дванадесетопръстника се образуват малки пептиди (2-8 аминокиселини) и свободни аминокиселини.

В тънките черванастъпва окончателното храносмилане на късите пептиди и усвояването на аминокиселини. Действайте тук аминопептидазачревен произход, разцепване на N-крайни аминокиселини, както и три - и дипептидаза.

Абсорбция на аминокиселина

Свободните аминокиселини, дипептиди и малко количество трипептиди се абсорбират в тънките черва. След абсорбцията ди- и трипептидите се хидролизират до свободни аминокиселини в цитозола на епителните клетки. След ядене само на протеин свободни аминокиселини намерени в портална вена. Достига се максималната концентрация на аминокиселини в кръвта през 30-50 мин. след ядене.

Свободните L-аминокиселини се транспортират през клетъчните мембрани вторичен активен транспорт, свързани с функционирането на Na +, K + -ATPase. Прехвърлянето на аминокиселини в клетки най-често се извършва като симпорт на аминокиселини и натриеви йони. Смята се, че има най-малко шест транспортни системи (транслока), всяка от които е конфигурирана да прехвърля сходни по структура аминокиселини: 1) неутрални аминокиселини с малък радикал (ала, сер, три); 2) неутрални аминокиселини с обемисти радикални и ароматни аминокиселини (вал, лей, тил, мет, фен, тире); 3) киселинни аминокиселини (асп, глю), 4) основни аминокиселини (lys, arg), 5) пролин, 6) β-аминокиселини (таурин, β-аланин). Тези системи чрез свързване на натриеви йони индуцират прехода на протеина-носител до състояние със силно повишен афинитет към аминокиселината; Na + има тенденция да се транспортира в клетката според градиента на концентрация и в същото време пренася молекули на аминокиселини в клетката. Колкото по-висок е Na + градиентът, толкова по-висока е скоростта на абсорбция на аминокиселини, които се конкурират помежду си за съответните места на свързване в транслока.

Известни са и други механизми на активния транспорт на аминокиселини през плазмената мембрана. А. Майстер предложи схема за трансмембранен трансфер на аминокиселини през плазмени мембрани, наречена g-глутаминил цикъл.

В съответствие с хипотезата на γ-глутамиловия цикъл на транспорт на аминокиселини през клетъчните мембрани, ролята на транспортиращия аминокиселина принадлежи на трипептида, широко използван в биологичните системи глутатион.

1. Ензимът играе основна роля в този процес. g-глутаминил трансфераза (транспептидаза), която е локализирана в плазмената мембрана. Този ензим пренася g-глутамил групата на вътреклетъчния глутатион трипептид (g-glucis-gli) към извънклетъчната аминокиселина.

2. Полученият комплекс g-глутамил аминокиселина прониква в цитозола на клетката, където се освобождава аминокиселината.

3. g-глутамилова група под формата на 5-оксопролин чрез серия от ензимни етапи и участието на ATP е свързано с цис-Gly, което води до възстановяване на молекулата глутатион. Когато следващата молекула на аминокиселината се пренесе през мембраната, цикълът на трансформациите се повтаря. За транспортиране на една аминокиселина се използва 3 ATP молекули.

Всички ензими от γ-глутамиловия цикъл се намират във високи концентрации в различни тъкани - бъбреци, епител на ворсините на тънките черва, слюнчените жлези на жлъчния канал и др. След абсорбция в червата аминокиселините навлизат в черния дроб през порталната вена и след това се пренасят с кръв към всички тъкани на тялото.

Абсорбция на непокътнати протеини и пептиди: за кратък период след раждането интактните пептиди и протеини могат да бъдат абсорбирани в червата чрез ендоцитоза или пиноцитоза. Този механизъм е важен за прехвърлянето на майчините имуноглобулини в тялото на детето. При възрастни не се наблюдава абсорбция на непокътнати протеини и пептиди. Независимо от това, при някои хора този процес се наблюдава, което причинява образуването на антитела и развитието на хранителни алергии. През последните години се изрази мнение за възможността за прехвърляне на фрагменти от полимерни молекули в лимфните съдове в областта на плаките на Пейер на лигавицата на дисталния тънко черво.

Фонд за аминокиселини

В тялото на възрастен човек има около 100 g свободни аминокиселини, които съставляват аминокиселинния пул (пул). Глутаматът и глутаминът съставляват 50% от аминокиселините, основните (незаменимите) аминокиселини - около 10%. концентрация вътреклетъчни аминокиселини винаги по-висока от извънклетъчен, Запасът на аминокиселините се определя от приема на аминокиселини и метаболитни пътища за тяхното използване.

Източници на аминокиселина

Обменът на телесни протеини, приемът на протеини с храната и синтезът на незаменими аминокиселини са източници на аминокиселини в организма.

1. Протеините са вътре динамично състояние, т.е. обмен. В човешкото тяло, приблизително дневно 300-400 g протеини. Полуживотът на протеините е различен - от минути (плазмени протеини) до много дни (обикновено 5-15 дни) и дори месеци и години (например колаген). Ненормални, дефектни и повредени протеини се унищожават, защото не могат да бъдат използвани от тялото и инхибират процеси, които изискват функционални протеини. Факторите, влияещи върху скоростта на разграждане на протеина, включват: а) денатурация (т.е. загуба на естествена конформация) ускорява протеолизата; б) активиране на лизозомни ензими; в) глюкокортикоиди, излишъкът на хормоните на щитовидната жлеза повишава протеолизата; г) инсулинът намалява протеолизата и засилва синтеза на протеини.

2.Хранителни протеини. Около 25% от обменните протеини, т.е. 100 г аминокиселини се разлагат и тези загуби грим за храна, Тъй като аминокиселините са основният източник на азот за съдържащите азот съединения, те определят състоянието на азотния баланс в организма. Азотен баланс - Това е разликата между азота, който влиза в тялото и азота, отделен от тялото. Азотен баланс наблюдава се, ако количеството азот, постъпващо в тялото, е равно на количеството азот, отделено от тялото (при здрави възрастни). Положителен азотен баланснаблюдава се, ако количеството азот, постъпващо в тялото, е по-голямо от количеството азот, отстранено от тялото (растеж, прилагане на анаболни лекарства, развитие на плода). Отрицателен азотен баланс наблюдава се, ако количеството на азота, постъпващо в тялото, е по-малко от количеството азот, отстранено от тялото (стареене, протеинов глад, хипокинезия, хронични заболявания, изгаряния). Съотношение на износване на Rubner - при 8-10 дни протеин глад, в тъканите се разгражда приблизително постоянно количество протеини - 23,2 g, или 53 mg азот на ден на 1 kg телесно тегло (0,053 × 6,25 × 70 \u003d 23,2, където 6,25 - коефициент, показващ, че протеините съдържат около 16% азот; 70 кг - телесно тегло на човека). Ако храната съдържа 23,2 г протеин на ден, тогава се развива отрицателен азотен баланс. Физиологичният минимум на протеините (около 30-45 g на ден) води до азотен баланс (но за кратко време). При средно физическо натоварване човек се нуждае от 100-120 г протеин на ден.

Тема 1. РОЛЯ НА ПРОТЕИНИТЕ В ХРАНАТА. Храносмилане на протеини

Практическото значение на темата. Основният и основен източник на аминокиселини за човека са хранителните протеини. За осигуряването на нужните нужди на организма от аминокиселини е важно не само състоянието на стомашно-чревния тракт и количеството протеин в храната, но и качествените характеристики на хранителните протеини. Колкото по-близо е аминокиселинният състав на хранителния протеин до аминокиселинния състав на телесните протеини, толкова по-висока е степента на усвояването му в храносмилателния тракт. В допълнение, тъканните протеини на тялото, които постоянно се метаболизират с освобождаването на техните мономери, могат да служат като източници на аминокиселини.

Целта на урока. След като изучи тази тема, студентът трябва да знае условията, необходими за ефективното храносмилане на протеини и усвояването на аминокиселини в стомашно-чревния тракт, факторите, допринасящи за разпадането на аминокиселините в червата, и механизмите за неутрализиране на гниещите продукти и тяхната биологична роля, и да може да приложи придобитите знания за решаване на теоретични и практически проблеми ,

Основни знания

Структурата на аминокиселини (аланин, аспартат, глутамат, хистидин, тирозин, триптофан, цистеин).
Коензимни функции на витамини (пиридоксин, никотинамид).
Хидрофилни и хидрофобни свойства на органичните съединения.
Свойствата на ензимите, поради тяхната химическа природа.
Механизми за регулиране на активността на каталитичните протеини.
Редокс реакции, реакции на прехвърляне и разцепване на функционални групи в биологичните системи.

Фонд на аминокиселината на тялото.

1.1.1. Човешкото тяло съдържа около 100 g свободни аминокиселини, които формират неговия аминокиселинен фонд. Този фонд постоянно се попълва поради пристигането на нови молекули на аминокиселини, които да заменят тези, използвани в метаболитните процеси. Източниците и начините за използване на свободни аминокиселини в тялото са представени на Фигура 1.1.

Фигура 1.1.Образуването и използването на свободни аминокиселини в организма.

1.1.2. Проучвания, използващи радиоактивни етикети, показват, че при здрав възрастен човек, общата скорост на синтеза на протеини в организма е около 400 - 500 g на ден, а с 3/4 този синтез се осигурява поради ендогенни ресурси. Това обяснява факта, че дори по време на гладуване, синтезът на определени протеини протича с доста висока скорост.

Азотен баланс.

1.2.1. За правилна оценка на съотношението на процесите на биосинтеза и разграждането на протеини в организма, доста точен параметър е азотният баланс. Азотен баланс - разликата между количеството азот, което се поглъща с храната, и количеството азот, отделено от организма с урина, изпражнения, слюнка и пот.

1.2.2. Ако количеството доставен азот надвишава количеството освободен азот, тогава положителен азотен баланс , Характерно е за всички състояния, при които скоростта на синтеза на протеини в организма е по-висока от скоростта на разграждането му, например:

при жени по време на бременност;
в детска възраст с добро хранене;
при пациенти по време на периода на възстановяване;
спортисти по време на тренировки;
с въвеждането на анаболни хормони.

1.2.3. Ако количеството азот, отделено от организма, надвишава количеството азот, получено от храната, тогава отрицателен азотен баланс , Тя се среща във всички случаи, когато разграждането на протеините в организма преобладава над техния синтез, например.

КАТЕГОРИИ

ПОПУЛЯРНИ СТАТИИ

	Генетичен код за тест за биология
	Настоящ групов повторен тест
	Министерство на образованието на Руската федерация
	Диагностични материали за идентифициране на професионалните трудности на младите учители
	План на събития, посветени на честването на „Ден на града

2019 “unistomlg.ru” - Портал на готовите домашни работи