ТЕМА ЛЕКЦИИ СТОМАТОЛОГАМ: Обезвреживание аммиака в тканях. Орнитиновый цикл

ТЕМА ЛЕКЦИИ СТОМАТОЛОГАМ:

Обмен аминокислот. Транс- и дезаминирование аминокислот. Обезвреживание аммиака в тканях. Орнитиновый цикл. Синтез заменимых аминокислот. Обмен отдельных аминокислот. Обмен нуклеотидов.

Метаболизм аминокислот

Транс- и дезаменирование аминокислот

Обезвреживание аммиака в тканях. Орнитиновый цикл.

Обмен отдельных аминокислот

Метаболизм аминокислот

Существуют три источника аминокислот в клетке – поступление из крови, распад собственных внутриклеточных белков и синтез заменимых аминокислот.

Путь дальнейшего превращения аминокислот зависит от вида и функции клетки, условий ее существования и гормональных влияний. Спектр веществ, получаемых клеткой из аминокислот, чрезвычайно широк.

 

Возможные пути превращений аминокислот

Реакции превращения аминокислот в клетке условно разделяют на три части, в зависимости от реагирующей группы:

• по боковой цепи (радикалу)

• по карбоксильной группе

• с участием аминогруппы

Аминокислоты надо переносить через мембраны

Перенос аминокислот через мембраны клеток, как при всасывании из полости кишечника в энтероциты, так и при переходе из крови в клетки различных тканей, осуществляется при помощи двух механизмов: вторичный активный транспорт и глутатионовая транспортная система.

Транспорт аминокислот через мембраны

Вторичный активный транспорт

Вторичный активный транспорт – это перенос веществ, в данном случае аминокислот, с использованием градиента концентрации натрия между внутренней и наружной сторонами клеточной мембраны.

Вторичный активный транспорт основан на использовании низкой концентрации ионов натрия внутри клеток, создаваемой мембранным ферментом Na+,K+-АТФазой. Специфический белок-транспортер связывает на апикальной поверхности энтероцитоваминокислоту и ион натрия.

Важно то, что в отсутствие натрия аминокислота не в состоянии связаться с белком-переносчиком.

Затем, изменив свое положение в мембране, белок отдает ион натрия в цитозоль по градиенту концентрации. Сразу после этого аминокислота теряет связь с белком и остается в цитоплазме.

 

Вторичный активный транспорт аминокислот через мембраны

 

В настоящее время выделяют 5 транспортных систем:

1. для крупных нейтральных, в том числе алифатических и ароматических аминокислот,

2. для малых нейтральных – аланина, серина, треонина,

3. для основных аминокислот – аргинина и лизина,

4. для кислых аминокислот – аспартата и глутамата,

5. для малых аминокислот – глицина, пролина и оксипролина.

 

Глутатионовая система транспорта

Второй способ переноса аминокислот внутрь клетки происходит в комплексе с глутатионом при помощи фермента γ-глутамилтрансферазы.

Транспорт аминокислот при участии глутатиона

Переносчиком некоторых аминокислот (обычно нейтральных) по этой схеме является трипептид глутатион (γ-глутамилцистеилглицин). При взаимодействии глутатиона с аминокислотой на внешней стороне клеточной мембраны при участии глутамилтрансферазы. γ-Глутамильный остаток связывает аминокислоту и происходит ее перемещение внутрь клетки. Глутатион при этом распадается на составляющие. После отделения аминокислоты происходит ресинтез глутатиона.

Аминокислоты могут давать энергию

Поскольку в организме присутствует 20 протеиногенных и еще больше непротеиногенных аминокислот, которые отличаются друг от друга строением бокового радикала, то существует аналогичное количество специфических путей для их катаболизма их боковой группы. Но, тем не менее, все эти пути сливаются и сходятся к шести продуктам, которые вступают в ЦТК и здесь полностью окисляются до углекислого газа и воды с выделением энергии. Из общего количества энергии, образующейся в организме, на долю аминокислот приходится около 10%.

 

Пути превращений аминокислот по боковой цепи

 

При определенных условиях углеродный скелет аминокислот не распадается, а участвует в синтезе углеводов (глюкогенные аминокислоты) и липидов (кетогенные аминокислоты).

К глюкогенным относятся аминокислоты (их большинство), при распаде которых образуются пируват и метаболиты ЦТК, например, оксалоацетат или α-кетоглутарат.

Строго кетогенными являются лизин и лейцин, при их окислении образуется исключительно ацетил-S-КоА. Он принимает участие в синтезе кетоновых тел, жирных кислот и холестерола.

 

Также выделяют небольшую группу смешанных аминокислот, из них образуется пируват, метаболиты ЦТК и ацетил-S-КоА (фенилаланин, тирозин, изолейцин, триптофан).

Нейромедиаторы образуются из аминокислот

Синтез нейромедиаторов из аминокислот в первую очередь связан с вовлечением в метаболизм α-карбоксильной группы аминокислот или, проще говоря, ее удалением.

Гистамин

Реакция образования гистамина наиболее активно идет в тучных клетках легких, кожи, печени, базофилах и эозинофилах. В них гистамин синтезируется и накапливается в секреторных гранулах.

Реакция синтеза гистамина

 

В кровь гистамин выделяется при повреждении ткани, при ударе, при электрическом раздражении. В клинической практике секреция гистамина обычно связана с аллергиями – при повторном попадании антигена в ранее сенсибилизированный организм развивается аллергическая реакция.

Физиологические эффекты

расширение артериол и капилляров и, как следствие, покраснение кожи, снижение артериального давления;

повышение проницаемости стенки капилляров и, как следствие, выход жидкости в межклеточное пространство (отечность), снижение артериального давления;

если предыдущие пункты имеют место в головном мозге – повышение внутричерепного давления;

увеличивает тонус гладких мышц бронхов, как следствие – спазм и удушье;

слабо повышает тонус мышц желудочно-кишечного тракта;

стимулирует секрецию слюны и желудочного сока.

 

Серотонин

Серотонин активно синтезируется в тучных клетках кожи, легких, печени, в селезенке, ЦНС.

 

Реакции синтеза серотонина

 

Физиологические эффекты

стимулирует сокращение гладких мышц желудочно-кишечного тракта и, как следствие, повышение перистальтики ЖКТ;

выражено стимулирует сокращение гладких мышц сосудов, кроме сосудов миокарда и скелетных мышц и, как следствие, повышение артериального давления;

слабо увеличивает тонус гладких мышц бронхов;

в центральной нервной системе является тормозным медиатором;

в периферических нервных окончаниях обуславливает возникновение боли и зуда (например, при укусе насекомых).

 

Гамма-аминомасляная кислота

Синтез γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) происходит исключительно в центральной нервной системе – в подкорковых образованиях головного мозга.

 

Реакция синтеза ГАМК

 

Физиологические эффекты

В центральной нервной системе ГАМК (наряду с глутаминовой кислотой) является тормозным медиатором. Наиболее высока ее роль в височной и лобной коре, гиппокампе, миндалевидных и гипоталамических ядрах, черной субстанции, ядрах мозжечка.

Дофамин

Синтез дофамина происходит в основном в нейронах промежуточного и среднего мозга.

 

Реакции синтеза дофамина

 

Физиологические эффекты

Является медиатором дофаминовых рецепторов в подкорковых образованиях ЦНС, в больших дозах расширяет сосуды сердца, стимулирует частоту и силу сердечных сокращений, расширяет сосуды почек, увеличивая диурез.

 

Обезвреживание биогенных аминов

Существуют два типа реакций инактивация биогенных аминов – дезаминирование и метилирование.

Дезаминирование протекает с образованием свободного аммиака и с участием ФАД. Катализирует реакцию моноаминоксидаза, она обнаружена во многих тканях, но наиболее активна в печени, желудке, почках, кишечнике, нервной ткани.

 

Реакция с участием моноаминоксидазы

 

Метилирование биогенного амина происходит при наличии у него гидроксильной группы (дофамин, серотонин). В реакции принимает участие активная форма метионина – S-аденозилметионин (SAM), образуется метилированная форма амина и S-аденозилгомоцистеин (SАГ).

 

 

Реакция метилирования

Существуют 4 типа дезаминирования

Превращение аминокислот с участием NH2-группы сводится к ее отщеплению от углеродного скелета – реакции дезаминирования.

Типы дезаминирования

· внутримолекулярное –с образованием ненасыщенной жирной кислоты:

 

· восстановительное– с образованием насыщенной жирной кислоты:

 

· гидролитическое – с образованием карбоновой гидроксикислоты:

 

· окислительное – с образованием кетокислот:

 

У человека окислительное дезаминирование является основным путем катаболизма аминокислот. Однако такие аминокислоты как серин и гистидин могут терять аминогруппу с использованием других типов дезаминирования, а треонин сразу подвергается прямому расщеплению до глицина и ацетальдегида.

Катаболизм аминокислот начинается с удаления аминогруппы

У человека основным способом дезаминирования является окислительное дезаминирование.

Выделяют два варианта окислительного дезаминирования: прямое и непрямое.

Прямое окислительное дезаминирование

Прямое дезаминирование катализируется одним ферментом, в результате образуется NH₃ и кетокислота. Прямое окислительное дезаминирование может идти в присутствии кислорода (аэробное) и не нуждаться в кислороде (анаэробное).

 

1. Аэробное прямое окислительное дезаминирование катализируется оксидазами D-аминокислот (D-оксидазы) в качестве кофермента использующими ФАД, и оксидазами L-аминокислот (L-оксидазы) с коферментом ФМН. В организме человека эти ферменты присутствуют, но практически неактивны.

 

Реакция, катализируемая оксидазами D- и L-аминокислот

 

2. Анаэробное прямое окислительное дезаминирование существует только для глутаминовой кислоты, катализируется только глутаматдегидрогеназой, превращающей глутамат в α-кетоглутарат. Фермент глутаматдегидрогеназа имеется в митохондриях всех клеток организма (кроме мышечных). Этот тип дезаминирования теснейшим образом связан с трансаминированием аминокислот и формирует с ним процесс трансдезаминирования.

 

Реакция прямого окислительного дезаминирования

Глутаминовой кислоты

Непрямое окислительное дезаминирование (трансдезаминирование)

Непрямое окислительное дезаминирование включает 2 этапа и активно идет во всех клетках организма.

Первый этап заключается в обратимом переносе NH₂-группы с аминокислоты на кетокислоту с образованием новой аминокислоты и новой кетокислоты – этот перенос называется трансаминирование и его механизм довольно сложен.

В качестве кетокислоты-акцептора ("кетокислота 2") в организме обычно используется α-кетоглутаровая кислота, которая превращается в глутамат ("аминокислота 2").

 

Схема реакции трансаминирования

В результате трансаминирования свободные аминокислоты теряют α-NH₂-группы и превращаются в соответствующие кетокислоты. Далее их кетоскелет катаболизирует специфическими путями и вовлекается в цикл трикарбоновых кислот и тканевое дыхание, где сгорает до СО₂ и Н₂О. При необходимости (например, голодание) углеродный скелет глюкогенных аминокислот может использоваться для синтеза глюкозы в глюконеогенезе.

Второй этап состоит в отщеплении аминогруппы от аминокислоты 2 – дезаминирование. В организме человека дезаминированию подвергается только глутаминовая кислота. Второй этап осуществляется глутаматдегидрогеназой.

В организме коллектором всех аминокислотных аминогрупп является глутаминовая кислота, и только она подвергается окислительному дезаминированию с образованием аммиака и α-кетоглутаровой кислоты. Фермент глутаматдегидрогеназа имеется в митохондриях всех клеток организма, кроме мышечных.

Учитывая тесную связь обоих этапов, непрямое окислительное дезаминирование называют трансдезаминирование.

 

Схема обоих этапов трансдезаминирования

 

Если реакция идет в митохондриях печени, аммиак используется для синтеза мочевины, которая в дальнейшем удаляется с мочой. В эпителии канальцев почек реакция необходима для удаления аммиака в процессе аммониегенеза.

Так как НАДН используется в дыхательной цепи и α-кетоглутарат вовлекается в реакции ЦТК, то реакция активируется при дефиците энергии и ингибируется избытком АТФ и НАДН.

 

Роль трансаминирования и трансдезаминирования

· активируются в печени, мышцах и других органах при поступлении в клетку избыточного количества тех или иных аминокислот – с целью оптимизации их… · обеспечивают синтез заменимых аминокислот в клетке при наличии их… · начинаются при прекращении использования аминокислот на синтез азотсодержащих соединений (белков, креатина,…

В мышце дезаминирование аминокислот идет особым образом

Так как в скелетных мышцах нет глутаматдегидрогеназы и нет возможности производить прямое дезаминирование аминокислот, то для этого существует особый путь.

 

В мышечных клетках при интенсивной работе, когда идет распад мышечных белков, активируется альтернативный способ дезаминирования аминокислот – цикл АМФ-ИМФ. Образовавшийся при трансаминировании глутамат при участии аспартатаминотрансферазы реагирует с оксалоацетатом и образуется аспарагиновая кислота. Аспартат далее передает свою аминогруппу на инозинмонофосфат (ИМФ) с образованием АМФ, который в свою очередь подвергается дезаминированию с образованием свободного аммиака.

 

Реакции непрямого дезаминирования аминокислот в мышечной ткани

 

Процесс носит защитный характер, т.к. при мышечной работе выделяется молочная кислота. Аммиак, связывая ионы Н+, предотвращает закисление цитозоля миоцитов.

 

 

В клетках постоянно образуется аммиак

Аммиак непрерывно образуется во всех органах и тканях организма. Наиболее активными его продуцентами в кровь являются органы с высоким обменом аминокислот и биогенных аминов – нервная ткань, печень, кишечник, мышцы.

 

Основные источники аммиака

Основными источниками аммиака являются следующие реакции:

· неокислительное дезаминирование некоторых аминокислот (серина, треонина, гистидина) – в печени,

· окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты во всех тканях (кроме мышечной), особенно в печени и почках,

· дезаминирование амидов глутаминовой и аспарагиновой кислот – в печени и почках,

· катаболизм биогенных аминов – во всех тканях, в наибольшей степени в нервной ткани,

· жизнедеятельность бактерий толстого кишечника,

· распад пуриновых и пиримидиновых оснований – во всех тканях.

 

Обезвреживание аммиака в тканях

 

Так как аммиак является чрезвычайно токсичным соединением, то в тканях существуют несколько реакций связывания (обезвреживания) аммиака – синтез глутаминовой кислоты и глутамина, синтез аспарагина, синтез карбамоилфосфата:

синтез глутаминовой кислоты (восстановительное аминирование) – взаимодействие α-кетоглутарата с аммиаком. Реакция по сути обратна реакции окислительного дезаминирования, однако в качестве кофермента используется НАДФН. Происходит практически во всех тканях, кроме мышечной, но имеет небольшое значение, т.к. для глутаматдегидрогеназы предпочтительным субстратом является глутаминовая кислота и равновесие реакции сдвинуто в сторону α-кетоглутарата,

 

 

 

Реакция синтеза глутаминовой кислоты

синтез глутамина – взаимодействие глутамата с аммиаком. Является главным способом уборки аммиака, наиболее активно происходит в нервной и мышечной тканях, в почках, сетчатке глаза, печени. Реакция протекает в митохондриях.

 

Реакция синтеза глутамина

 

Образование большого количества глутамина обеспечивает высокие концентрации его в крови (0,5-0,7 ммоль/л).

 

Так как глутамин проникает через клеточные мембраны путем облегченной диффузии, то он легко попадает не только в гепатоциты, но и в другие клетки, где есть потребность в аминогруппах. Азот, переносимый глутамином, используется клетками для синтеза пуринового и пиримидинового колец, гуанозинмонофосфата (ГМФ), аспарагина, глюкозамино-6-фосфата (предшественник всех остальных аминосахаров).

 

синтез аспарагина – взаимодействие аспартата с аммиаком. Является второстепенным способом уборки аммиака, энергетически невыгоден, т.к. при этом тратятся 2 макроэргические связи,

 

синтез карбамоилфосфата в митохондриях печени – реакция является первой в процессе синтеза мочевины, средства для удаления аммиака из организма.

Транспорт аммиака

 

Транспортными формами аммиака из тканей в печень являются глутамин и аланин, в меньшей степени аспарагин и глутамат, некоторое количество аммиака находится в крови в свободном виде. Глутамин и аланин являются наиболее представленными, их доля среди всех аминокислот крови составляет до 50%. Большая часть глутамина поступает от мышц и нервной ткани, аланин переносит аммиак от мышц и стенки кишечника.

 

Глюкозо-аланиновый цикл

  Реакции, связанные с транспортными формами аммиака  

Накопление аммиака представляет проблему

Аммиак является токсичным соединением, находящимся в крови в относительно небольших концентрациях (11,0-32,0 мкмоль/л). Симптомы аммиачного отравления проявляются при превышении этих пределов всего в 2-3 раза. Предельно допустимый уровень аммиака в крови 60 мкмоль/л. При повышении концентрации аммиака (гипераммониемия) до предельных величин может наступить кома и смерть. При хронической гипераммониемии развивается умственная отсталость.

 

Гипотезы токсичности аммиака

Токсичность аммиака обусловлена следующими обстоятельствами:   1. Связывание аммиака при синтезе глутамата вызывает отток α-кетоглутарата из цикла трикарбоновых кислот, при…

Для удаления аммиака есть два способа

 

Практически весь аммиак удаляется из организма через почки в виде мочевины, которая синтезируется в печени, и в виде образующися в эпителии канальцев почек солей иона аммония.

 

В клетки печени и почек аммиак попадает в составе глутамина и аспарагина, глутаминовой кислоты, аланина и в свободном виде. Кроме этого, при метаболизме он образуется в большом количестве и в самих гепатоцитах.

 

В клетке глутамин и аспарагин дезаминируются соответственно глутаминазой и аспарагиназой с образованием аммиака (точнее, иона аммония).

 

 

 

Реакция дезаминирования глутамина

 

Аланин вступает в реакцию трансаминирования. Образованный в результате реакции пируват идет в глюконеогенез или энергетический обмен. Параллельно образуется глутаминовая кислота.

 

В целом глутаминовая кислота в гепатоците может появляться тремя путями: 1) из крови, 2) при дезаминировании глутамина, 3) при трансаминировании α-кетоглутарата с аспартатом или аланином. Происхождение и дальнейшая ее судьба зависит от конкретных концентраций всех задействованных веществ. Обычно далее глутамат дезаминируется глутаматдегидрогеназой с образованием аммиака.

 

 

Синтез мочевины

В печени весь удаляемый аммиак используется для синтеза мочевины. Увеличение синтеза мочевины наблюдается при распаде тканевых белков и азотистых…   Реакции синтеза мочевины являются циклическим процессом и получили название орнитиновый цикл. Синтез мочевины…

Реакция синтеза карбамоилфосфата и орнитиновый цикл

 

 

Синтез аммонийных солей

Непосредственный синтез аммонийных солей или аммониегенез происходит в просвете канальцев почек из секретируемых сюда аммиака и ионов водорода и…   Часть глутамина крови, не задержавшаяся в печени, достигает почек. В эпителиальных клетках почечных канальцев, в…

Пути использования аспартата и глутамата

 

В организме аспартат и глутамат используются всеми клетками для синтеза пуриновых и пиримидиновых оснований. Амидные производные этих аминокислот являются транспортными формами аммиака из тканей в почки и печень. Кроме этого, глутаминовая кислота входит в состав глутатиона – вещества, выполняющего две различные функции – перенос аминокислот через мембрану и ключевое звено в антиоксидантной системе клетки. Также глутамат и его производное γ-аминомасляная кислота являются медиаторами в ЦНС.

 

Пути использования глутамата

 

 

Пути использования аспартата

Обмен фенилаланина и тирозина

 

В организме фенилаланин используется только в синтезе белков. Весь неиспользованный запас аминокислоты превращается в тирозин.

В этом непосредственно участвует фермент фенилаланин-4-монооксигеназа, обеспечивающий окисление ароматического кольца. Кофермент тетрагидробиоптерин в реакции окисляется до дигидроформы. Восстановление кофермента осуществляет дигидробиоптерин-редуктаза с своим коферментом НАДФН.

 

 

Реакция превращения фенилаланина в тирозин

 

Тирозин, помимо участия в синтезе белков, является предшественником гормона надпочечников адреналина, медиаторов норадреналина и дофамина, гормонов щитовидной железы тироксина и трийодтиронина и пигментов.

 

 

Пути превращения тирозина

Пути использования цистеина

Цистеин является чрезвычайно важной аминокислотой в связи с тем, что это единственный источник органической серы для клеток организма. В результате реакций метаболизма эта сера переходит в состав других серусодержащих веществ – фосфоаденозинфосфосерная кислота (ФАФС), коэнзим А, глутатион, сульфированные производные углеводов (хондроитинсульфат, кератансульфат, дерматансульфат) или выводится почками в виде сульфатов.

 

Пути использования цистеина

 

Одним из производных цистеина является таурин, обладающий следующими функциями:

· является обязательным компонентом желчных кислот

· играет роль внутриклеточного антиоксиданта,

· есть данные о функции таурина как тормозного нейромедиатора.

 

 

Реакции синтеза таурина