Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

пептидази, що гідролізують пептидні зв’язки від N- або С-кінця поліпептидного ланцюга, і ендопептидази, що гідролізують внутрішні пептидні зв’язки. Залежно від особливостей каталітичних груп активного центру, розрізняють тіолові катепсини (у каталітичному центрі міститься цистеїн — катепсини В, С, Н, L, N — це ендопептидази), аспаргінові або карбоксикатепсинові (у каталітичному центрі — аспарагінова кислота

— катепсин D — це ендопептидаза), і серинові (каталітична ділянка представлена серином — катепсин А — це екзопептидаза).

Біологічне значення катепсинів

Тканинний гідроліз білків необхідний для їх оновлення, усунення дефектних молекул білка, мобілізації ендогенного білка, з енергетичною метою (особливо при голодуванні). Дефіцит катепсинів знижує можливості оновлення білків тканин, що приводить до нагромадження в них пошкоджених білків, які мають слабку функціональну активність. Катепсини відіграють не тільки руйнівну, але й реконструктивну роль. Вони здатні до обмеженого протеолізу, тобто відщеплення якого-небудь фрагмента поліпептидного ланцюга. Обмежений протеоліз у спеціалізованих нейросекреторних клітинах вивільняє нейропептиди, що виконують медіаторні й гормональні функції. За аналогічним механізмом прогормони, що утворюються в ендокринних залозах, переходять в активні білкові гормони.

Висока швидкість метаболічних процесів у організмі людини є причиною досить швидкого «зношування» самих клітин і особливо субклітинних структур, основу яких становлять білки. Крім того, білки як біологічні каталізатори забезпечують перебіг хімічних реакцій із швидкістю кілька тисяч обертів за секунду. Звідси стає зрозумілим, що час функціонування білків в організмі дуже невеликий (10–12 днів), потім вони піддаються деструкції. Однак для підтримки структурно-функціональної активності клітин на певному стабільному рівні їхнє місце повинні зайняти нові молекули білка. Тому

ворганізмі людини щодня розпадається й знову синтезується близько 400 г білка.

Частина амінокислот, що вивільнилася в результаті розпаду білків, використовується для синтезу нових молекул білка, а частина — метаболізується до кінцевих продуктів або виводиться з організму з сечею (до 1 г за добу). Оскільки організм людини і вищих тварин не здатний утилізувати азот повітря, але цю здатність мають рослини (бобові культури) і мікроорганізми, то ми одержуємо азотовмісні сполуки, споживаючи

вїжу рослини або тканини тварин, які поїдали рослини. За добу доросла людина споживає з їжею 100–120 г білка. Велике значення має біологічна цінність білків і їхня засвоюваність (тобто перетравлювання в ШКТ). Харчові продукти є постачальниками незамінних амінокислот, причому одні амінокислоти містяться переважно в продуктах рослинного, а інші — у продуктах тваринного походження, звідки стає зрозумілою

необхідність споживання як рослинної, так і тваринної їжі.

Транспорт амінокислот через плазматичну мембрану

Особливий інтерес являє механізм проникнення амінокислот через плазматичну мембрану всередину клітини після перетравлювання білків у ШКТ і всмоктування амінокислот через слизову оболонку кишечнику в кров (рис. 11.1).

R

CH—NH2

COOH

Глу-SH

Плазматична мембрана

Глутатіон γ -ГТФ

Оксипролін + амінокислота

Метаболізм

Рис. 11.1. Механізм транспорту амінокислот через мембрану клітин

Транспорт амінокислот через плазматичну мембрану здійснюється за допомогою мембранозв’язувального ферменту — γ -глутамілтрансфе- рази (γ ГТФ), що використовує для цього трипептид глутатіон (γ -глутаміл-цистеїніл-гліцин). Глутатіон у момент взаємодії з амінокислотою розпадається на глутамат, що утворює комплекс γ - глутаміл-аміноацил, і цистеїніл-гліцин, який під дією пептидази розпадається на цистеїн і гліцин. Відбувається транслокація γ -глутаміл-аміно- ацильного комплексу всередину клітини, де він розпадається під дією γ -глутаміл-циклотрансфе- рази на вільну амінокислоту і 5-оксипролін, що утворюється в результаті циклізації глутамату.

Для переносу наступної молекули амінокислоти через плазматичну мембрану відбувається «складання» глутатіону: 5-оксипролін перетво-

Дезамінування амінокислот

Щоб використати амінокислоти для біосинтезу вуглеводів, ліпідів або піддати окисненню, вони мають бути дезаміновані. У живих організмах існує кілька шляхів дезамінування амінокислот. Наведемо їх у схематичному зображенні:

1) Окисне:

O

Імінокислота

Амінокислота Кетокислота

У результаті утворюються кетокислота й аміак.

2) Відновне:

У результаті утворюються насичена жирна кислота й аміак.

3) Гідролітичне:

Амінокислота Оксикислота

У результаті утворюються оксикислота й аміак.

Каталізують цей процес оксидази амінокислот, які використовують як кофермент ФМН або ФАД, тобто флавінові коферменти. Відновлені флавінові коферменти можуть окиснюватися киснем з утворенням пероксиду гідрогену, що під дією каталази розщеплюється на воду і молекулярний кисень (див. перекисне окиснення). Однак оксидаза амінокислот, що має значну специфічність, при фізіологічних умовах не активна, істотної ролі в окисному дезамінуванні амінокислот вона не відіграє. У тканинах високою є активність лише ферменту, що каталізує окисне дезамінування глутамінової кислоти (глутаматдегідрогенази), коферментом якої є НАД+ (або НАДФ+).

Так, мітохондріальна АСТ каталізує амінування оксалоацетату і перетворення його на аспартат, що виходить із мітохондрій у цитоплазму, де під дією цитоплазматичної АСТ дезамінується до оксалоацетату, а останній відновлюється в малат, що переходить із цитоплазми в мітохондрії й окиснюється до оксалоацетату. Так здійснюється перенос відновлених еквівалентів через мітохондріальну мембрану, який дістав назву малатаспартатного човникового механізму.

У різних тканинах активність трансаміназ різна. Так, у печінці переважає активність АЛТ, тоді як у м’язовій тканині — АСТ, однак слід підкреслити, що у клітинах тканин активність цих ферментів у тисячі разів вища, ніж у сироватці крові. Підвищення активності амінотрансфераз у сироватці крові в кілька разів свідчить про порушення проникності плазматичних мембран тих чи інших органів і вихід тканинних ферментів у кров. Так, при інфаркті міокарда в крові різко збільшується активність АСТ, а при гепатитах у крові зростає активність АЛТ. Співвідношення активностей АЛТ і АСТ у сироватці крові (індекс де Ритиса) дає змогу виявити переважне збільшення активності однієї з трансаміназ (його використовують для диференціальної діагностики захворювань печінки й м’язової системи).

Декарбоксилювання амінокислот

Загальним шляхом метаболізму амінокислот, крім трансамінування, є декарбоксилювання. Продуктами декарбоксилювання амінокислот є біогенні аміни та інші біологічно активні сполуки. Відомо 4 типи декарбоксилювання:

1. α -Декарбоксилювання, у результаті в тканинах утворюються біогенні аміни і СО2:

2. ω -Декарбоксилювання, якому піддаються дикарбонові амінокислоти з утворенням нової амінокислоти і СО2:

α-Амінокислота α -Амінокислота

3.Декарбоксилювання, пов’язане з трансамінуванням, у результаті чого утворюються альдегід і амінокислота, що відповідає кетокислоті:

4. Декарбоксилювання, пов’язане з конденсацією двох молекул. Відбувається при синтезі

δ -амінолевулінової кислоти, яка є субстратом для синтезу гему, із гліцину і сукциніл-КоА:

Гліцин Сукциніл-КоА δ -Амінолевулінова кислота

Для тканин тварин характерне, головним чином, α -декарбоксилювання, яке, на відміну від трансамінування, є необоротним. Каталізують даний процес декарбоксилази, у яких коферментом, як і в амінотрансфераз, є піридоксальфосфат. Початковий етап декарбоксилювання повторює аналогічний етап трансамінування, тобто піридоксальфосфат зв’язується з аміногрупою амінокислоти з утворенням ферментсубстратного комплексу, що потім декарбоксилюється. Внаслідок декарбоксилювання багато монокарбонових амінокислот перетворюються на біогенні аміни, а дикарбонові амінокислоти — на амінокислоти, які не входять у структуру білків органів і тканин, але виконують низку важливих біологічних функцій.

Відомо, що декарбоксилаза циклічних амінокислот не має високої специфічності й каталізує декарбоксилювання триптофану, окситриптофану і ДОФА з утворенням відповідно триптаміну, серотоніну й дофаміну.

Серотонін є медіатором центральної нервової системи, справляє вазопресорний ефект, бере участь у терморегуляції, нирковій фільтрації, регуляції дихання. Дофамін — попередник норадреналіну й адреналіну, медіатор нервової системи. Інгібітором декарбоксилази циклічних амінокислот є α -метилдофа, що має гіпотензивну дію.

Урезультаті декарбоксилювання гістидину утворюється гістамін. Він чинить вазодилататорну дію, нагромаджується у вогнищі запалення, прискорюючи приплив лейкоцитів, є медіатором алергії та болю, підсилює секреторну функцію шлунка, що використовується в клініці. Широко застосовують антигістамінні препарати, які знижують виразність алергічної реакції. Декарбок-

силювання глутамінової кислоти приводить до утворення γ -аміномасляної кислоти (ГАМК) — гальмівного медіатора нервової системи. Декар-

боксилювання аспарагінової кислоти приводить до утворення β -аланіну — складової частини пантотенової кислоти, коензиму А, карнозину і ансерину.

Урезультаті декарбоксилювання діаміномонокарбонових амінокислот лізину, орнітину й

аргініну утворюються біогенні аміни — кадаверин, путресцин, агматин:

Процес декарбоксилювання амінокислот може відбуватися в кишечнику за участю ферментів його мікрофлори, тоді біогенні аміни, всмоктуючись із кишечнику в кров, токсично впливають на організм, що є одним із патогенетичних механізмів розвитку кишкової непрохідності.

Розпад біогенних амінів відбувається шляхом їх окисного дезамінування з утворенням відповідного альдегіду й аміаку:

Каталізує цю реакцію ФАДзалежна моноаміноксидаза, що відіграє важливу роль у регуляції синтезу і розпаду біогенних амінів.

11.3. ДЕТОКСИКАЦІЯ АМІАКУ, БІОСИНТЕЗ СЕЧОВИНИ

Після прямого й непрямого дезамінування амінокислот виділяється аміак. Протягом доби в організмі людини дезамінується до 70 г амінокислот. Також невелика кількість NH3 утворюється при дезамінуванні азотистих основ, що входять до складу нуклеотидів, при дезамінуванні біогенних амінів, при розпаді глутаміну й аспарагіну до глутамінової й аспарагінової амінокислот й інших сполук, що становить 16–19,5 г азо-

ту (або 18–24 г NH3).

Аміак є високотоксичною сполукою для організму, тому концентрація його в крові становить лише 50–60 мкмоль/л. У крові аміак існує майже цілком у вигляді іона амонію (NH4+). Ці іони дуже погано проходять через цитоплазматичну і мітохондріальну мембрани. На відміну від них, молекули вільного аміаку (NH3) легко проходять через ці мембрани. У крові при pН=7,4 частка вільного NH3 становить лише 1 % від загальної його кількості, але цей аміак вільно проникає крізь мембрани і потрапляє в клітини. Токсичність NH3 виявляється в тому, що нагромадження його призводить до відновного амінування α -кетоглутарової кислоти до глутамату, внаслідок цього — до видалення α -кетоглутаро- вої кислоти з ЦТК, що пригнічує ЦТК, сприяє нагромадженню кетонових тіл.

Тому аміак повинен знешкоджуватися в тканинах (там, де він утворюється) з перетворенням

на нетоксичні сполуки. Знешкодження NH3 в організмі відбувається кількома шляхами:

1-й шлях — використання NH3 на біосинтез сечовини. Це основний шлях знешкодження NH

ворганізмі. Сечовина виділяється з організму з3 сечею у вигляді головного кінцевого продукту білкового обміну.

2-й шлях — використання NH3 на біосинтез глутаміну й аспарагіну. NH3 утворюється в різних тканинах і органах, а біосинтез сечовини відбувається в печінці. Тому NH3, що утворився

врізних органах і тканинах за місцем його вивільнення, використовується на біосинтез глутаміну й аспарагіну.

3-й шлях — використання NH3 для біосинтезу необхідних для організму сполук — у процесі відновного амінування α -кетоглутарату з утворенням глутамінової кислоти, для біосинтезу азотистих основ та інших сполук.

Утворення глутаміну й аспарагіну

Утворення глутаміну з глутамінової кислоти і NH3 відбувається за участю АТФ і ферменту глутамінсинтетази за такою схемою: