Медицина

Катаболізм простих білків

Катаболізм простих білків. Травлення, хімічний склад травних секретів, засвоєння. Загальні шляхи перетворення амінокислот. Процеси детоксикації аміаку та біосинтез сечовини. Спеціалізовані шляхи метаболізму амінокислот. Механізми гормональної регуляції обміну білків.

 

Норми білка в харчуванні. Повноцінні та неповноцінні білки.

 

Білки складають 18-20 % від загальної маси і близько 50 % сухої маси тіла людини. В організмі масою 70 кг є 12-15 кг білків. На відміну від вуглеводів і жирів, в організмі немає резервних білків. У той же час білки відіграють надзвичайно важливі функції в організмі (пластична, каталітична, енергетична, деякі білки проявляють властивості гормонів, виконують захисну функцію і т.п.). Це означає, що білки дуже динамічні структури, в організм вони постійно надходять із харчовими продуктами, синтезуються, розкладаються, перетворюються в інші речовини.

Організм може тривалий час обходитись без жирів або вуглеводів, але виключення із раціону білків навіть на короткий час призводить до значних порушень, а іноді – до незворотних патологічних змін. За добу в організмі людини оновлюється близько 400 г білків, тобто стільки розпадається до амінокислот і стільки ж синтезується. Частина амінокислот, утворених при розпаді білків, використовується для біосинтезу нових білків із поповненням енергії у вигляді АТФ або перетворюється в непептидні речовини (аміни, гем, тироксин, холін, таурин тощо). Це означає, що для поповнення втрачених під час метаболізму амінокислот організм повинен постійно одержувати білки з продуктами харчування. Під час травлення в шлунково-кишковому тракті білки розпадаються до амінокислот. Утворені амінокислоти використовуються для синтезу білків організму, а також небілкових азотових речовин.

Оскільки на частку білків і вільних амінокислот припадає більше 95% всього азоту в організмі, то за азотовим балансом, тобто різницею між кількістю азоту, що надходить з їжею, і кількістю азоту, що виводиться з організму (переважно у вигляді сечовини), можна оцінювати загальний білковий обмін. Розрізняють три види азотового балансу. В дорослої здорової людини при нормальному харчуванні спостерігається азотова рівновага (нульовий азотовий баланс), тобто кількість азоту, що надходить, дорівнює кількості, що виділяється з організму.

Позитивний азотовий баланс буває під час росту організму, вагітності, одужання після виснажливих захворювань. За цих умов кількість азоту, що надходить в організм, більша за кількість азоту, що виводиться з організму, тобто загальна білкова маса в організмі збільшується.

Негативний азотовий баланс вказує на збільшення кількості ­азоту, що виводиться з організму, порівняно з надходженням. Він спостерігається в похилому віці, при виснажливих захворюваннях, білковому або повному голодуванні. В цих випадках загальна маса білків в організмі зменшується.

Повне виключення білка з їжі призводить до швидкого розвитку негативного азотового балансу, що виражається щоденною втратою близько 4 г азоту, тобто 25 г білка. Це означає, що за умов виключення білка з їжі та при достатньому надходженні всіх інших харчових продуктів за добу організм тратить близько 25 г тканинних білків. У разі повного голодування втрата білків ще більша, оскільки в такому випадку амінокислоти, що утворюються при розпаді тканинних білків, будуть використовуватися і для забезпечення енергетичних потреб організму. Максимальна кількість азоту, що екскретується за цих умов, складає близько 20 г на день, тобто розкладається близько 125 г білка. Тривале голодування, як і повне голодування, неодмінно призводить до смерті. Наслідки білкового голодування: порушення фізичної і психічної активності, зниження вмісту білків плазми, що спричиняє порушення колоїдно-осмотичної рівноваги, набряки, зниження синтезу білків м'язів, недокрів'я, ослаблення діяльності серця, порушення імунітету.

Як було сказано вище, у дорослої людини при нормальному харчуванні має місце азотова рівновага. Якщо в умовах азотової рівноваги підвищити кількість білка в їжі, то азотова рівновага незабаром відновиться, але вже на вищому рівні. Таким чином, азотова рівновага може встановлюватись при значних коливаннях вмісту білка в їжі. Мінімальна кількість білка в раціоні, достатньому за калорійністю, при якій підтримується азотова рівновага, складає 30-50 г. Оптимальним для підтримання нормального стану дорослого організму є споживання 80-100 г повноцінного білка (при важкій фізичній роботі – 100-150 г). У США потреба білка вираховується з розрахунку 1 г на кілограм маси людини.

Висока швидкість синтезу білка точно зрівноважується швидкістю його розпаду. Регуляція обміну білків здійснюється групою гормонів. Зокрема, інсулін, соматотропін, тироксин, чоловічі й жіночі статеві гормони у фізіологічних умовах стимулюють біосинтез білків. Глюкокортикоїди гальмують синтез білків у більшості тканин, за винятком печінки, і стимулюють використання амінокислот для глюконеогенезу.

Наукове обґрунтування фізіологічної потреби у білку відбувається за азотистим балансом. Якщо людина знаходиться на безбілковому харчовому раціоні, то втрати азоту з сечею, калом та потом становлять 85 мг на 1 кг маси тіла. Тоді мінімальна норма споживання білка буде: (85 мг o 6,25) = 0,5 г на 1 кг маси тіла. Така кількість білків забезпечить рівновагу між процесами синтезу та розпаду їх в організмі людини. Враховуючи рівень засвоюваності білків, стресові ситуації, фізичні навантаження, безпечний рівень споживання білків становить 0,75 г на 1 кг маси тіла, а максимальний - 1,1 г.

Потреба у білках залежить від енерговитрат і становить при енерговитратах більше 3000 ккал - 11 %, 2500-3000 ккал - 12 %, 2000-2500 ккал - 13 % від енергоцінності раціону.

Біологічна цінність білків характеризує здатність їх забезпечити пластичні процеси та синтез метаболічно-активних субстанцій. Біологічну цінність білків оцінюють хімічними, біохімічними та біологічними методами. Біологічна цінність білків визначається їх амінокислотним складом і ступенем засвоєння (ефективністю розщеплення у шлунково-кишковому тракті і рівнем всмоктування амінокислот). В організмі людини із 20 амінокислот, що входять до складу білків, синтезуються 10 (замінні амінокислоти), не синтезуються 8 (незамінні амінокислоти), дві амінокислоти (гістидин і аргінін) синтезуються, але швидкість їх синтезу недостатня для забезпечення потреб організму, зокрема дітей під час інтенсивного росту (частково замінні). До незамінних амінокислот відносяться лізин, лейцин, ізолейцин, валін, треонін, метіонін, фенілаланін, триптофан. Добова потреба в них – від 0,5 г (для триптофану) до 2,0 г (для лейцину, фенілала­ніну). Замінні амінокислоти утворюються із проміжних продуктів вуглеводного обміну. Виключення із дієти навіть однієї з незамінних амінокислот швидко призводить до порушення синтезу білка, негативного азотового балансу.

Вміст незамінних амінокислот визначає харчову цінність того чи іншого білка. Біологічна цінність білка тим більша, чим ближче його амінокислотний склад до середнього амінокислотного складу білків тіла людини. До білків з біологічною цінністю, що містять усі незамінні амінокислоти в оптимальних співвідношеннях і легко перетравлюються, відносяться білки курячого яйця, м'яса, риби, молока.

 

http://s0.tchkcdn.com/g2-QziaJI1f7q_XSQaJemswCw/lady/640x0/w/0/1-4-4-3-20443/131942_tvorog.jpg

 

Рослинні білки містять недостатню кількість незамінних амінокислот, зокрема лізину, метіоніну, триптофану і тому є менш цінними. Але із неповноцінних білків можна скласти повноцінну суміш, що буде містити збалансований набір незамінних амінокислот, в якій білки будуть доповнювати один одного, і нестача окремих амінокислот компенсуватиметься. Неповноцінні білки, що разом складають повноцінну суміш, повинні надходити в організм одночасно. Ступінь засвоєння білків їжі залежить від ефективності їх розпаду під впливом ферментів шлунково-кишкового тракту. Ряд білків, наприклад, шерсті, волосся, не гідролізуються ферментами кишечника. Рослинні білки злакових не можуть повністю перетворюватись, оскільки білкова частина зерен захищена оболонкою із целюлози й інших полісахаридів, які не гідролізуються травними ферментами. В цілому, тваринні білки засвоюються краще, ніж рослинні, і тому потрібно споживати щоденно не менше 30 % білків тваринного походження.

В організм людини білки надходять з рослинною і тваринною їжею, яка містить неоднаковий вміст білка. Так, в м'ясі білка міститься в середньому 18-22 %, в рибі – 17-20 %, в молоці – 3-3,5 %. Сир містить 20-36 % білка, хліб – 7-8 %, яйця – 13 %, горох, соя, квасоля – 26-36 %; овочі, фрукти – 0,5-1,5 %. Отже, з рослинних продуктів тільки горох, соя та квасоля займають провідне місце за вмістом білка.

 

Травлення білків у шлунку

Травлення білків відбувається в шлунку і кишечнику. В шлунку розщепленню білків сприяють два чинники:

1) протеолітичні ферменти;

2) кисле середовище.

 

 

Основним ферментом шлунка є пепсин, оптимальне значення рН якого знаходиться в межах 1,5-2,5. При зростанні рН дія пепсину слабшає, а при рН 5-6 – він просто не діє. Кисле рН у шлунку створюється завдяки соляній кислоті. Вона утворюється в обкладкових клітинах шлункових залоз і секретується в порожнину шлунка, де її концентрація сягає 0,16 М. За рахунок цього шлунковий вміст має значення рН у межах 1,5-2,5. Соляна кислота в шлунку стимулює перетворення неактивного пепсиногену в активний пепсин, створює оптимальне рН для його дії, викликає набухання білків. Крім того, вона запобігає розвитку в шлунку мікрофлори, стимулює вироблення секретину та прискорює всмоктування заліза. При гастритах і зменшенні кислотності шлункового соку гнилісні процеси в шлунку можуть бути причиною неприємного запаху з рота у хворих.

Пепсин виділяється основними клітинами залоз шлунка в неактивній формі, у вигляді проферменту (попередника пепсину) – пепсиногену. Останній під впливом соляної кислоти перетворюється в активний протеолітичний фермент – пепсин. Перетворення пепсиногену в пепсин може відбуватися і під впливом самого пепсину, тобто автокаталітично:

 

 

 За допомогою НСl перетворення здійснюється повільно, тоді як автокаталітичний процес – дуже швидко. Таким чином, соляна кислота ініціює утворення активного пепсину, який швидко за автокаталітичним механізмом спричинює утворення решти пепсину із пепсиногену. Активний пепсин утворюється за рахунок відщеплення від пепсиногену пептидного ланцюга із 42 амінокислотних залишків.

У залишеній частині молекули відбувається конформаційне перетворення і утворюється активна форма пепсину. Пепсин частково всмоктується в кров і через нирки виділяється в сечу (уропепсин), активність його іноді визначається в клініці, особливо в педіатрії, для оцінки секреторної діяльності слизової шлунка. Зменшення секреції шлункових залоз супроводжується зниженням активності уропепсину, і, навпаки, гіперсекреція, зокрема виразкова хвороба шлунка, призводить до підвищення активності уропепсину.

Іноді в клініці визначають активність пепсину в шлунковому соці. Це дозволяє відрізнити анацидний стан (відсутність НСl при наявності пепсину) від справжньої ахілії, коли слизова шлунка не виробляє ні соляної кислоти, ні пепсину. Визначення концентрації соляної кислоти в шлунковому соку також використовується для діагностики деяких захворювань шлунка. Для дослідження секреції соляної кислоти спершу відкачують вміст шлунка за допомогою зонда, після цього підшкірно вводять гістамін, який стимулює секрецію соляної кислоти. Наступні проби шлункового соку, взяті кожні 15 хв з часу введення гістаміну, дають змогу виключити або підтвердити діагноз ахілії чи анацидного гастриту. Висока кислотність буває при виразці шлунка і дванадцятипалої кишки. Низька кислотність характерна для гіпоацидних гастритів. Повна відсутність кислоти (анацидітас) спостерігається при атрофічних гастритах. За цих умов, як правило, відсутній і пепсин, тобто не утворюється шлунковий сік (ахілія). Через відсутність внутрішнього фактора Кастла, що є необхідним для всмоктування вітаміну В12, ахілія нерідко супроводжується анемією.

Різні білки розщеплюються пепсином з неоднаковою швидкістю. Зовсім не перетравлюються пепсином кератин, колаген. Легко розщеплюються м'язові білки (міоген, міозин), а також альбуміни і глобуліни. Пепсин гідролізує пептидні зв'язки, утворені аміногрупами ароматичних амінокислот (фенілаланін, тирозин), а також лейцину і глутамінової кислоти. Білки їжі в шлунку розщеплюються до поліпептидів і коротких пептидів.

У шлунку діють пепсини А, В, С (гастриксин), які утворюються з пепсиногену I та II і проявляють оптимальну активність при різних значеннях рН – від 1,0 до 3,0.

У дітей грудного віку залозами слизової шлунка виробляється фермент хімозин (ренін). Синтезується він у вигляді прохімозину, який при рН 5,0 перетворюється в активну форму. Хімозин перетворює казеїноген молока у нерозчинну кальцієву сіль казеїну за рахунок відщеплення пептиду. Такий комплекс затримується довше у шлунку, що сприяє його розщепленню ферментом; рН-оптимум хімозину лежить в межах 3,5-5,0. Він активується іонами кальцію.

Шлунковий сікбезбарвна, прозора, слабоопалесціювальна рідина з питомою густиною 1,002 – 1,007 г/см3 та сильнокислою реакцією (рН 1,5 – 2,5), до складу якої входить вода  (99 – 99,5%), ферменти (пепсин, гастриксин тощо), муцин, гідрохлоридна кислота  та інші речовини.

Надзвичайно важливе клінічне значення має вивчення кислотоутворювальної функції шлунка, яке складається з двох аспектів: а) визначення концентрації вільної  гідрохлоридної кислоти і загальної кислотності; б) отримання інформації про дебіт-годину гідрохлоридної кислоти.

Кисла  реакція шлункового соку зумовлена наявністю гідрохлоридної кислоти (НСl), кислореагуючих фосфатів, а при патологічних процесах – молочної кислоти і летких жирних кислот. Сукупність усіх кислореагуючих речовин шлункового соку називають загальною кислотністю.

Загальну кислотність шлункового соку чисельно виражають у мілілітрах 0,1 н. Розчину натрію гідроксиду, необхідного для нейтралізації 100 мл шлункового соку в присутності індикатора фенолфталеїну (інтервал переходу рН 8,2 – 10).

Вільну гідрохлоридну кислоту  в шлунковому соку вимірюють у мілілітрах  0,1 н. розчину натрію гідроксиду, затраченого на нейтралізацію шлункового соку в присутності індикатора 2,4-диметиламіноазобензолу (рН переходу 2,9 – 4).

Підвищення вмісту гідрохлоридної кислоти та загальної кислотності (гіперхлоргідрія) спостерігають при виразковій хворобі шлунка, гіперацидному гастриті.

Зниження вмісту вільної гідрохлоридної кислоти та загальної кислотності (гіпохлоргідрія) спостерігають при гіпоацидному гастриті, раку шлунка.

Значне зниження загальної кислотності та повна відсутність гідрохлоридної кислоти (ахлоргідрія) вказують на рак шлунка, хронічний гастрит.

Відсутність гідрохлоридної кислоти та пепсину (ахілія) виявляють при злоякісній анемії, раку шлунка.

 

Вивчення показників ферментної активності шлункового соку має важливе діагностичне значення і дозволяє достовірно оцінити ефективність лікування. Протеолітична активність шлункового соку забезпечується в основному (до 95% і вище) пепсином і гастриксином.

Шлунковий сік має в собі групу протеолітичних ферментів – пепсин, гастрін, ренін, котрі розщеплюють білки. Пепсин виділяється в неактивному стані у вигляді пепсиногену головними клітинами слизової оболонки шлунку і активується соляною кислотою. Гастрин, крім гідролізу білків, стимулює кислоутворюючу функцію шлунку, секрецію підшлункової залози та жовчі.

 

Патологічними складовими частинами шлункового соку, які найчастіше зустрічаються, є молочна кислота, кров і жовч.

Молочна кислота утворюється паличками молочнокислого бродіння в застійному вмісті при відсутності вільної соляної кислоти, а також як продукт метаболізму ракових клітин. На наявність молочної кислоти досліджують порції шлункового вмісту, отримані натще, використовуючи якісну реакцію Уффельмана. Кров може попадати в шлунковий сік при кровотечі із стінок шлунка, з варикозно розширених вен стравоходу, при легеневих кровотечах, а також із їжею. Жовчні пігменти (білірубін, білівердин) можуть потрапляти в шлунковий вміст внаслідок антиперистальтики кишечника. Наявність жовчних пігментів зумовлює характерний трав’янисто-зелений або жовтий колір шлункового вмісту.

 

Травлення білків у кишечнику

Травні соки кишечника містять протеолітичні ферменти підшлункової залози і власне кишечника. Підшлункова залоза секретує проферменти: трипсиноген, хімотрипсиноген, проеластазу. Сік підшлункової залози являє собою слабколужну рідину (рН 7,2-7,8) завдяки вмісту гідрокарбонату натрію.

 

Під впливом ферменту кишечника ентерокінази (ентеропептидази) трипсиноген перетворюється в трипсин. Це відбувається за рахунок гідролітичного відщеплення від трипсиногену гексапептиду. Перетворення три­псиногену в трипсин здійснюється автокаталітичним шляхом. Всі інші проферменти переходять в активну форму під впливом трипсину.

Трипсин і хімотрипсин – подібні за структурою та функцією ферменти, що каталізують розщеплення поліпептидних молекул у ділянці пептидних зв’язків: трипсин – у ділянці лізину та аргініну, хімотрипсин – карбоксильних груп тирозину та фенілаланіну, ендопептидази.

 

Всмоктування продуктів розщеплення білків

 

Амінокислоти швидко всмоктуються в мікроворсинках тонкого кишечника. Але при наявності фруктози і галактози всмоктування їх сповільнюється. Всмоктування амінокислот – активний процес і вимагає енергії АТФ, за механізмом подібне до всмоктування глюкози і тому залежить від транспорту в клітини натрію.

 

 

Всмоктування амінокислот здійснюється за допомогою спеціальних транспортних систем. Транспорт амінокислот, подібно до транспорту моносахаридів, є вторинним активним і для його здійснення необхідний градієнт іонів Na+, що створюється Na+, К+-АТФ-азою мембрани епітелію кишечника. Існує декілька переносників для амінокислот: 1)нейтральних з коротким вуглецевим ланцюгом; 2) нейтральних з довгим ланцюгом; 3) основних; 4) кислих; 5) проліну. Амінокислоти кожної групи конкурують між собою за зв'язування з відповідним переносником. Під час транспорту амінокислот через мембрану ентероцитів іон Na+ входить разом з амінокислотами всередину клітини. Звідси натрій відкачується за допомогою Na+, К+-АТФази, а амінокислоти залишаються всередині клітини.

Гальмують транспорт амінокислот через мембрани ентероцитів галактоза та фруктоза.

Травлення білків регулюється системою гормоноподібних речовин, які виробляються в клітинах травного тракту. Більшість із цих речовин відноситься до пептидів. Тільки гістамін є аміном гістидину. Гормоноїди виділяються під впливом їжі і через кров проявляють свою регуляторну дію. Так, надходження їжі в шлунок стимулює виділення гістаміну і гастрину, які зумовлюють секрецію пепсину і соляної кислоти, необхідних для травлення білків у шлунку. Надходження їжі в дванадцятипалу кишку служить стимулом для виділення ентерогастрину, який гальмує секрецію шлункового соку.

Слизова тонкої кишки у відповідь на надходження сюди їжі відповідає виділенням цілої групи регуляторів (секретин, холецистокінін-панкреозимін, хімоденін, ентерокінін), які проникають у кров і забезпечують швидке виділення травних соків підшунковою залозою та слизовою кишки. Порушення секреції регуляторів супроводжується змінами процесів травлення їжі.

В основі патології травлення білків знаходяться нестача травних ферментів і відповідних їм коферментів та порушення процесів всмоктування в кишечнику. Нестача соляної кислоти і пепсину в шлунку істотно не відбивається на травленні білків, оскільки в кишечнику є достатньо протеолітичних ферментів, що компенсують її. Однак дефіцит соляної кислоти призводить до розвитку мікробної флори та гниття у шлунку. При нестачі протеаз підшлункової залози спостерігаються неперетравлення білків, виділення їх з калом та відносне білкове голодування. Непере­травлені білки зазнають змін під дією мікрофлори товстого кишечника– гниття, що супроводжується утворенням отруйних речовин.

 

Перетворення амінокислот під дією мікрофлори товстого кишечника (гниття білків у кишечнику)

 

Неперетравлені білки та АК, які не всмокталися, надходять у товстий кишечник, де під впливом ферментів мікрофлори утворюють продукти, не характерні для обміну амінокислот в організмі людини і навіть отруйні. Інтенсивність процесу в нормі невелика, але може значно зростати при порушенні діяльності кишечника. Цей процес називається гниттям білків.

Майже нетоксичними продуктами є аміни, кето- і оксикислоти, спирти. Зокрема, аміни утворюються при декарбоксилюванні ароматичних амінокислот (фенілетиламін із фенілаланіну, тирамін із тирозину, триптамін із триптофану), діамінокислот (кадаверин із лізину, путресцин із орнітину, агматин із аргініну). У слизовій кишечника аміни піддаються окиснювальному дезамінуванню із звільненням аміаку. Кадаверин, путресцин і агматин переважно утворюються при гнитті трупа (трупні отрути). При розпаді сірковмісних амінокислот метіоніну і цистеїну в кишечнику утворюються гази, сірководень (Н2S) і метилмеркаптан (СН3SH).

Ферменти мікроорганізмів каталізують також розпад бокових ланцюгів триптофану і тирозину з утворенням токсичних продуктів – крезолу і фенолу, скатолу й індолу:

Неприємний запах вмісту товстої кишки зумовлений частково скатолом та індолом. Невеликі кількості цих речовин всмоктуються у товсту кишку, потрапляють у печінку, де знешкоджуються, перетворюючись у нетоксичні водорозчинні сполуки, які виводяться із сечею. Індол і скатол піддаються у печінці гідроксилюванню і наступній кон'югації з сірчаною чи глюкуроновою кислотами. Фенол і крезол відразу знешкоджуються в реакції кон'югації.

Донором залишку сірчаної кислоти служить 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат (ФАФС), а донором глюкуронової кислоти – уридиндифосфоглюкуронова кислота (УДФГК). Ферменти глюкуронілтрансферази і сульфотрансферази каталізують перенесення залишків глюкуронової та сірчаної кислоти на індоксил, скатоксил, фенол, крезол. Утворені парні сполуки (ефіросірчані кислоти та глюкуроніди) виводяться із сечею. Калієва сіль індоксилсірчаної кислоти має назву індикан. Рівень індикану в сечі розглядається як показник інтенсивності процесів гниття в кишечнику і швидкості реакцій знешкодження у печінці. В нормальній сечі індикан міститься у незначній кількості, що не виявляється звичайними якісними реакціями. Індиканурія спостерігається при інтенсивному гнитті білкових речовин у кишечнику (коліт, закрепи, непрохідність кишечника, рак, абсцес, перитоніт).

Із фенілаланіну в товстій кишці в невеликій кількості утворюється бензойна кислота. У печінці при взаємодії бензойної кислоти з гліцином утворюється гіпурова кислота, яка виводиться з сечею. Для оцінки зне­шкоджувальної функції печінки застосовують пробу на синтез гіпурової кислоти (пробу Квіка). Суть проби полягає в пероральному прийомі бензоату натрію і визначенні в сечі кількості гіпурової кислоти. При перенхіматозних ураженнях печінки синтез гіпурової кислоти знижений. Та обставина, що гіпурова кислота може синтезуватись із бензойної, утвореної в товстій кишці під дією ферментів мікроорганізмів, робить пробу Квіка у діагностичному плані недостатньо надійною і рідковикористовуваною.

 

ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ АМІНОКИСЛОТ

 

В органах і тканинах знаходиться невелика кількість вільних АК. Після всмоктування амінокислоти потрапляють через портальну систему в печінку, яка є головним органом обміну амінокислот в організмі. Периферичні тканини з різною ефективністю поглинають циркулюючі в крові амінокислоти. Крім амінокислот їжі, фонд вільних амінокислот в організмі поповнюється за рахунок розпаду тканинних білків і синтезу замінних амінокислот.

 

Тканинні білки гідролізуються протеолітичними ферментами-катепсинами (пептидгідролазами), які локалізовані, головним чином, у лізосомах клітин.

 

ВИКОРИСТАННЯ АМІНОКИСЛОТ

1.           Синтез білків

2.           Синтез пептидів

3.           Утворення різноманітних низькомолекулярних азотовмісних речовин-біогенних амінів

4.           Утворення різноманітних низькомолекулярних азотовмісних речовин- холіну

5.           Утворення різноманітних низькомолекулярних азотовмісних речовин- таурину

6.           Утворення різноманітних низькомолекулярних азотовмісних речовин-  тироксину

7.           Утворення різноманітних низькомолекулярних азотовмісних речовин-біогенних  пуринів

8.           Утворення різноманітних низькомолекулярних азотовмісних речовин-  порфіринів

9.           Утворення різноманітних низькомолекулярних азотовмісних речовин-біогенних піримідинів

10.  Розщеплення до кінцевих продуктів

11.   Утворення різноманітних низькомолекулярних азотовмісних речовин-біогенних креатину

12.  Перетворення у вуглеводи чи ліпіди

 

Синтез і розпад білків в організмі дорослої людини відбуваються з різною швидкістю. Так, у дорослої людини масою 70 кг за добу синтезується і розпадається близько 400 г білка. Ці дані свідчать про високу швидкість оновлення білків тіла. Очевидно, що збільшення сумарної кількості білків при рості організму чи в процесі виздоровлення відбувається за рахунок білків їжі. Катаболізм амінокислот до кінцевих продуктів (СО2, Н2О, NH3) супроводжується звільненням енергії. Однак енергетична роль амінокислот при звичайному раціоні невелика. За рахунок окиснення амінокислот покривається 10-15 % потреби організму в енергії. Окиснювальне розщеплення амінокислот зростає при переважно білковому харчуванні, голодуванні та цукровому діабеті. На початковій стадії окиснювального розпаду амінокислоти втрачають свої аміногрупи у формі аміаку, який в організмі людини йде на синтез сечовини, що виводиться з сечею. Відщеплення аміногрупи від амінокислот призводить до утворення альфа-кетокислот, які потім окиснюються до СО2 і Н2О. Альфа-кетокислоти також можуть перетворюватись у вуглеводи чи ліпіди.

 

Дезамінування амінокислот, його види. Роль ферментів і коферментів.

Процес відщеплення аміногрупи від амінокислоти з утворенням вільного аміаку називається дезамінуванням і може здійснюватись різними шляхами, характерними для різних видів живих організмів. У вищих тварин основним шляхом є окиснювальне дезамінування, при якому, крім аміаку, утворюється альфа-кетокислота.

 

 

Непряме дезамінування. Доля амінного азоту та альфа-кетокислот

 

Розрізняють кілька типів дезамінування. Окисне дезамінування амінокислот є основним шляхом їх розкладу в організмі, особливо тварин.

Приводить до утворення відповідних кетокислот, процес проходить за участю ферментів — оксидаз амінокислот. Окисним шляхом дезамінуються й аміни, шо утворюються в організмі при декарбоксилюванні амінокислот. Значна частина цих амінів токсична, тому дезамінування має важливе значення для їх знешкодження. Дезамінування амінів каталізується амінооксидазами. Оксидази природних амінокислот, крім глутаматдегідрогенази, що дезамінує L-глутамінову кислоту, в тваринних тканинах мало активні. Тому більшість L-амінокислот підлягає непрямому дезамінуванню шляхом попереднього перезмінування з утворенням глутамінової кислоти, яка потім підлягає окислювальному дезамінуванню або іншим перетворенням.

Іншими типами дезамінування є відновне, гідролітичне та внутрішньомолекулярне.

Відновне дезамінування відбувається шляхом окислювально-відновних реакцій між двома амінокислотами, внаслідок чого обидві амінокислоти дезамінуються (реакція між аланіном і гліцином). При внутрішньомолекулярному дезамінуванні утворюються ненасичені кислоти. Ці реакції мають місце при дезамінуванні ряду амінокислот (наприклад, аспарагінової кислоти у рослин і деяких бактерій; гістидину в печінці людини). При гідролітичному дезамінуванні утворюються D-оксикислоти. Цим шляхом дезамінуються також пуринові основи й піримідинові основи у плісеневих грибів, деяких бактерій і тканинах тварин.

В організмі людини є декілька ферментів, що каталізують такі реакції, різної специфічності й біологічного значення. В печінці і нирках є неспецифічна оксидаза L-амінокислот, яка у фізіологічних умовах малоактивна, оскільки оптимум рН для неї дорівнює 10. Простетичною групою оксидази L-амінокислот служить ФМН. Значно активніша в організмі людини оксидаза D-амінокислот, ФАД-залежний фермент, що виділений із нирок, печінки й мозку. Фермент каталізує окиснювальне дезамінування тільки D-ізомерів амінокислот, що не входять до складу білків, і тому біологічна роль його є загадковою. Він міг би окиснювати D-амінокислоти клітинних стінок бактерій, якщо б вони всмоктувались.

Єдиним високоефективним ферментом, що діє на амінокислоту L‑ряду в організмі вищих тварин і людини, є глутаматдегідрогеназа. Вона каталізує реакцію:

 

Обмін глутамату

 

Окиснювальне дезамінування глутамінової кислоти відбувається в мітохондріях печінки (а також інших органів) з утворенням аміаку, НАДН+Н+ і альфа-кетоглутарової кислоти, яка може бути використана у циклі лимонної кислоти. Ця реакція є основним джерелом аміаку в організмі людини.

Глутаматдегідрогеназа – олігомерний фермент, складається із 6 субодиниць. Активатором ферменту є АДФ, інгібітором – ГДФ. Таким чином, коли клітинам печінки потрібно більше палива у циклі лимонної кислоти для синтезу АТФ, активність реакції окиснювального дезамінування глутамату підвищується.

Глутаматдегідрогеназа каталізує й зворотний процес, тобто відновне амінування a-кетоглутарату з утворенням глутамату. У зворотній реакції замість НАД бере участь НАДФ, що забезпечує незалежний перебіг цих двох процесів – окиснювального дезамінування глутамату і відновного амінування альфа-кетоглутарату. Обидва ці процеси тісно пов'язані з трансамінуванням амінокислот, що розглядається нижче.

Дезамінування декількох амінокислот може відбуватися неокиснювальним шляхом. Серин- і треоніндегідратази каталізують неокиснювальне дезамінування відповідно серину і треоніну за таким механізмом (на прикладі серину):

Ферментативно відбувається тільки перша реакція під впливом дегідратази. Як і при окиснювальному дезамінуванні, утворюються аміак і альфа-кетокислота (у даному випадку – піруват). Для гістидину  властиве  внутрішньомолекулярне дезамінування.

Таким чином, в організмі людини з належною ефективністю відбувається пряме дезамінування глутамінової кислоти, а з меншою ефективністю – серину, треоніну, цистеїну і гістидину. Відщеплення аміногрупи від більшості  альфа-амінокислот відбувається в процесі трансамінування.

 

Трансамінування амінокислот, механізм, роль ферментів і коферментів.

У ході реакції трансамінування аміногрупа від альфа-амінокислоти переноситься на альфа-кетокислоту, що призводить до утворення нової альфа-кетокислоти (утворюється із вихідної альфа-амінокислоти) і нової альфа-амінокислоти ­(утворюється із вихідної альфа-кетокислоти). Ця реакція є зворотною, і напрямок перетворення залежить від концентрації субстратів. Майже у всіх реакціях трансамінування приймають участь глутамат і відповідний йому альфа-кетоглутарат:

 

альфа-амінокислота + альфа-кетоглутарат  альфа-кетокислота + глутамат

 

Ферменти, що каталізують процес трансамінування, називаються амі­но­трансферазами, або трансаміназами.

У назву ферменту включають ­назву амінокислоти, що, крім глутамату, є субстратом чи продуктом реакції. За винятком лізину і треоніну, всі амінокислоти можуть брати участь у переамінуванні. Найбільш активними є аланін- і аспартатамінотрансфераза.

Механізм дії всіх амінотрансфераз однаковий. Всі вони містять міцно зв'язану простетичну групу, якою служить похідне вітаміну В6 – піридоксальфосфат.

Реального дезамінування (відщеплення аміаку) в реакціях трансамінування не відбувається, оскільки дезамінування альфа-амінокислоти супроводжується амінуванням альфа-кетоглутарової кислоти. Таким чином, аміно­групи від різних кислот збираються у формі глутамату. Під дією високоактивної глутаматдегідрогенази відбувається реальне дезамінування глутамату із виділенням аміаку. Поєднання трансамінування з окиснювальним дезамінуванням глутамату називають непрямим дезамінуванням амінокислот (трансдезамінуванням). Таким шляхом різні амінокислоти вступають у реакцію катаболізму з утворенням альфа-кетокислоти, відновленого НАД і аміаку. Доля альфа-кетокислоти й аміаку розглядається далі.

 

Трансамінування і окиснювальне дезамінування глутамату, як за­значалось вище, є зворотними процесами. Це забезпечує можливість синтезу амінокислот із відповідних альфа-кетокислот і аміаку. Поєднання відновного амінування альфа-кетоглутарату з трансамінуванням називають трансреамінуванням. В організмі людини цим шляхом синтезуються замінні амінокислоти, відповідні яким альфа-кетокислоти утворюються із вуглеводів.

Глутамінова кислота виконує основні функції в обміні амінокислот. Вона приймає аміногрупи від тих амінокислот, що знаходяться в організмі людини в надлишку, і віддає на утворення тих замінних амінокислот, яких недостатньо. Наприклад, ­якщо їжа містить багато аспартату, але мало аланіну, то дві поєднані реакції трансамінування забезпечують перерозподіл аміногруп/

При катаболізмі амінокислот глутаматдегідрогеназа виконує головну роль, каталізуючи звільнення у вигляді аміаку аміногруп, що надходять від інших амінокислот. Крім того, з глутамінової кислоти синтезується ряд замінних амінокислот.

Послаблення процесів транс- і дезамінування амінокислот відбувається при гіповітамінозах (РР, В2, В6), гіпоксії, ураженнях печінки. Це спричиняє зростання вмісту амінокислот у плазмі (гіпераміноацидемія) і при перевищенні реабсорбційної здатності  клітин ниркових канальців – екс­крецію амінокислот із сечею (аміноацидурія). Порушення оптимального співвідношення амінокислот в організмі гальмує білковий синтез.

 

Катаболізм вуглецевого скелета амінокислот.

У результаті прямого й непрямого дезамінування амінокислот утворюються, як показано вище, альфа-кетокислоти. Окиснення останніх іде через цикл лимонної кислоти. Для кожної амінокислоти існує специфічний шлях розщеплення вуглецевого скелета. І хоч для 20 амінокислот є 20 різних катаболічних шляхів, в остаточному підсумку вони зливаються й утворюють п'ять продуктів (ацетил-КоА, альфа-кетоглутарат, сукциніл-КоА, оксалоацетат і фумарат), що включаються в цикл лимонної кислоти і згоряють там до СО2 і Н2О. Таким чином амінокислоти вносять свій вклад у загальне забезпечення організму енергією. На рис. показано місця включення вуглецевих скелетів різних амінокислот у цикл Кребса.

 

Тільки для декількох амінокислот втрата аміногрупи відразу дає проміжні продукти циклу (глутамат-альфа-кетоглутарат, аспартат-оксало­ацетат, аланін і серин-піруват). Для інших амінокислот шляхи деградації вуглецевого скелета включають декілька ферментативних реакцій, а в ряді випадків катаболічний шлях досить складний.

Вуглецеві скелети амінокислот можуть також перетворюватися у вуглеводи, жирні кислоти, кетонові тіла. Розрізняють глікогенні й кетогенні амінокислоти. До глікогенних амінокислот відносять ті, з яких утворюються піруват, оксалоацетат, альфа-кетоглутарат, сукциніл-КоА і фумарат, оскільки піруват і оксалоацетат є вихідними субстратами глюконеогенезу, а альфа-кетоглутарат, сукциніл-КоА і фумарат у ході циклу дають оксалоацетат. Із шести амінокислот, які розпадаються до ацетоацетил-КоА і ацетил-КоА, можуть утворюватись кетонові тіла, тому їх виділяють у групу кетогенних. Серед них виключно кетогенними амінокислотами є лейцин і лізин, а інші одночасно належать до обох груп, оскільки частина вуглецевих атомів їх молекули переходить у попередники глюкози, а друга частина – в ацетил-КоА. Зазначимо, що глікогенні амінокислоти можуть перетворюватись у піруват, який при окиснювальному декарбоксилюванні дасть ацетил-КоА. Таким чином, глікогенні амінокислоти можуть перетворюватись як у вуглеводи, так і в жирні кислоти й кетонові тіла.

 

Декарбоксилювання L-амінокислот в організмі людини, роль ферментів і коферментів. Фізіологічне значення утворених продуктів. Окиснення біогенних амінів.

 

В організмі людини і тварин під дією ферментів декарбоксилаз від деяких амінокислот відщеплюється карбоксильна група у вигляді СО2. У результаті реакції утворюються аміни з важливими біологічними функціями.

 

Прикладами біогенних амінів є гістамін (із гістидину), гама-аміномасляна кислота (із глутамату), дофамін (із 3,4-діоксифенілаланіну), серотонін (із 5-окситриптофану). Біогенні аміни інактивуються в реакціях окиснювального дезамінування під дією моноамінооксидаз (МAO), коферментом яких є ФАД.

 

Утворюються альдегід, аміак і пероксид водню. Альдегіди окиснюються до кислот, які використовуються організмом, під дією альдегіддегідрогеназ. Н2О2 розкладається на воду й кисень за участю каталази або пероксидаз. МАО локалізується переважно в мітохондріях, містить у своєму складі ФАД, відіграє важливу роль в організмі, регулюючи швидкість біосинтезу та розпаду біогенних амінів. Деякі інгібітори МАО (гармін, паргілін) застосовуються для лікування депресивних станів, шизофренії тощо.

Діамінооксидази (ДАО) знаходяться в цитоплазмі, коферментом їх є піридоксальфосфат (для реакції необхідна Сu2+). ДАО інактивують переважно гістамін, путресцин, кадаверин і меншою мірою діють на аліфатичні аміни, які розщеплюються за допомогою МАО.

ПРОЦЕСИ ДЕТОКСИКАЦІЇ АМІАКУ

Аміак – високотоксичний продукт білкового метаболізму. Основним джерелом утворення аміаку є метаболізм амінокислот, їх трансамінування з наступним окисним дезамінуванням глутамінової кислоти ферментом глутаматдегідрогеназою. Аміак також утворюється при дезамінуванні амідів, амінів, азотистих основ нуклеотидів (рис. 1).

 

Рис. 1. Джерела аміаку.

У головному мозку значна кількість аміаку утворюється при дезамінуванні АМФ ферментом аденозиндезаміназою, при цьому утворюється інозинмонофосфат (ІМФ). Певна кількість аміаку всмоктується в кров з кишечника, де він утворюється з азотвмісних сполук під впливом ферментів мікрофлори.

Аміак є особливо токсичним для мозку, інші тканини є менш чутливими або нечутливими до аміаку.

Існує декілька гіпотез, які пояснюють механізм нейротоксичності аміаку. В мітохондріях мозку надлишок аміаку стимулює відновлювальне амінування a-кетоглутарату глутаматдегідрогеназою:

NH3 + a-кетоглутарат + НАДФН+Н+ ® Глутамат + НАДФ+ + Н2О.

Ця реакція виснажує пул  ключового метаболіту циклу трикарбонових кислот - a-кетоглутарату і, як наслідок, призводить до пригнічення процесів окисного фосфорилювання та зниження рівня АТФ в мозку. Проте, ця гіпотеза не пояснює, чому такий механізм не працює в інших тканинах, які є менш чутливими до аміаку. Більш ймовірною є гіпотеза, що пояснює токсичність аміаку зниженням вмісту в мозку глутамату, який є збудливим нейромедіатором. Глутамін, що синтезується і зберігається в гліальних клітинах, транспортується в нейрони, де гідролізується до глутамату. Аміак інгібує глутаміназу і знижує рівень глутамату в нейронах. Згідно ще однієї гіпотези, нейротоксичність аміаку можна пояснити дисфункцією нейрональних мембран, оскільки підвищений рівень аміаку призводить до підвищеної проникності мембран для іонів К+ і СІ-.

З органів і тканин аміак транспортується в основному в печінку, а також в нирки, за допомогою двох основних механізмів:

1. Під впливом ферменту глутамінсинтетази в органах, де аміак утворюється, він взаємодіє з глутаміновою кислотою, в результаті чого синтезується глутамін:

 

 

Найбільше глутаміну утворюється в мозку і м’язах. З цих та інших органів він легко проходить через клітинні мембрани в кров, звідки захоплюється печінкою та нирками (рис. 2). У печінці під впливом ферменту глутамінази відбувається гідроліз глутаміну до глутамату і вільного аміаку:

 

 

Аміак знешкоджується у печінці шляхом синтезу сечовини.

 

Рис. 2. Схема метаболізму аміаку.

 

Глутамін, який захоплюється нирками, також розщеплюється в глутаміназній реакції. Аміак, що утворюється при цьому, екскретується з сечею у формі іону амонію (NH4+). Це один із механізмів, за допомогою якого нирки підтримують сталість рН в організмі і запобігають розвитку ацидозу.

2. При інтенсивній м’язовій роботі частина амінокислот може використовуватися як паливо, при цьому в процесі метаболізму вони втрачають аміногрупу в реакціях трансамінування з a-кетоглутаровою кислотою. Утворюється глутамінова кислота, яка дальше передає аміноазот на піруват і утворюється аланіну:

Глутамат + Піруват « a-кетоглутарат + аланін.

Деградація білків і, відповідно, катаболізм амінокислот у м’язах також посилюються при голодуванні, травмах, опіках, септицемії.

Аланін легко дифундує з м’язів в кров, переноситься в печінку, де піддається зворотньому трансамінуванню з утворенням глутамату і пірувату. Піруват використовується у процесі глюконеогенезу, синтезується глюкоза, яка транспортується назад у м’язи, а глутамат піддається окисному дезамінуванню під впливом глутаматдегідрогенази з утворенням аміаку, який знешкоджується у циклі сечовини (рис. 2).

 

БІОСИНТЕЗ СЕЧОВИНИ

Сечовина синтезується у циклічному біохімічному шляху, який вперше був описаний у 1932 р. Г.Кребсом і К.Хенселайтом. Одна аміногрупа у молекулі сечовини походять від вільного аміаку, який утворюється при гідролізі глутаміну чи окисному дезамінуванні глутамату, а інша - від амінокислоти аспартату.

Цикл сечовини починається і закінчується орнітином, складається з п’яти реакцій і вимагає 5 ферментів (рис. 3).

 

Описание: http://intranet.tdmu.edu.ua/www/tables/0922.jpg

Рис. 3. Біосинтез сечовини.

У першій реакції, яка каталізується ферментом карбамоїлфосфатсинтетазою І, аміак конденсується з бікарбонатом за участю двох молекул АТФ, в результаті чого утворюється карбамоїлфосфат:

Одна молекула АТФ у цій реакції активує бікарбонат, а інша служить донором фосфатної групи карбамоїлфосфату. Карбамоїлфосфатсинтетаза І знаходиться в матриксі мітохондрій, вона використовує аміак як донор азоту і її активність залежить від N-ацетилглутамату. Останній є позитивним ефектором карбамоїлфосфатсинтетази І.

Існує також карбамоїлфосфатсинтетаза ІІ, яка локалізується в цитоплазмі, використовує для синтезу карбамаїлфосфату амідну групу глутаміну, її активність не залежить від N-ацетилглутамату, а утворений нею карбамаїлфосфат іде на синтез піримідинів.

У другій реакції карбамоїльна група переноситься ферментом орнітинкарбамаїлтрансферазою на амінокислоту орнітин, в резуль­таті утворюється цитрулін:

 

Цитрулін транспортується з матриксу мітохондрій в цитоплазму, де під впливом ферменту аргініносукцинатсинтетази конденсується з аспартатом з утворенням аргініносукцинату:

 

 

У цій реакції молекула АТФ розпадається до АМФ і пірофосфату, що еквівалентно гідролізу двох молекул АТФ.

У четвертій реакції аргініносукцинат розщеплюється ферментом аргініносукцинатліазою до аргініну і фумарату:

 

В останній реакції аргінін розщеплюється аргіназою до орнітину і сечовини:

 

 

Аргіназа знаходиться тільки в гепатоцитах, тобто розщеплення аргініну і утворення сечовини можливе тільки в печінці. Орнітин повертається в матрикс мітохондрій і запускає новий цикл синтезу сечовини. У внутрішній мембрані мітохондрій знаходиться спеціальний орнітин/цитрулін білок-переносник.

Фумарат, який утворюється в аргініносукцинатліазній реакції, є проміжним метаболітом циклу трикарбонових кислот, в якому він перетворюється до малату, а потім до оксалоацетату. Одним із шляхів метаболізму оксалоацетату є його трансамінування з утворенням аспартату. Останній може знову вступати в цикл сечовини.

Через фумарат існує тісний взаємозв’язок між циклом лимонної кислоти і циклом утворення сечовини (рис. 4). Крім того в циклі трикарбонових кислот утворюються СО2 і АТФ, які також необхідні для утворення сечовини.

 

 

Рис. 4. Взаємозв’язок між циклом трикарбонових кислот і циклом утворення сечовини.

 

Регуляція циклу сечовини

N-Ацетилглутамат є необхідним активатором для карбамаїлфосфатсинтетази І – ферменту який лімітує швидкість синтезу сечовини. N-Ацетилглутамат синтезується з ацетил-КоА і глутамату, аллостеричним активатором цієї реакції є аргінін.

Тому концентрація N-ацетилглутамату в печінці підвищується після білкової дієти, яка забезпечує поступлення і субстрату для його синтезу – глутамату, і регулятора синтезу – аргініну.

Білкова дієта прискорює синтез сечовини також внаслідок збільшення кількості аміаку, що утворюється при дезамінуванні амінокислот. Отже, при вживанні великої кількості білка або при розпаді білків організму (травма, опіки) вміст сечовини в крові і її екскреція з сечею зростають, і, навпаки, при зменшенні надходження білка з їжею чи при порушенні всмоктування амінокислот в кишечнику рівень сечовини в крові і сечі знижується.

Сечовина є основним продуктом знешкодження аміаку у людей і ссавців (такі організми називаються уреотелічні), птахи і наземні рептилії виводять аміак у формі сечової кислоти (урикотелічні організми), більшість організмів, які живуть у воді, виводять аміак у вигляді іонів амонію.

Сечовина – нейтральна, водорозчинна сполука, з печінки вона переходить в кров, транспортується до нирок, де фільтрується і екскретується з сечею. Частина сечовини реабсорбується в ниркових канальцях назад в кров. За добу доросла людина виділяє з сечею близько 20-35 г сечовини.

З крові невелика кількість сечовини також дифундує в кишечник, де розщеплюється до СО2 і NH3 уреазою кишечних бактерій. Частково аміак, що утворюється в кишечнику, всмоктується в кров і через ворітну вену попадає в печінку, де знову знешкоджується у циклі синтезу сечовини. У пацієнтів з нирковою недостатністю фільтрація сечовини в нирках сповільнюється, її вміст в сечі знижується, а в крові зростає. У цьому випадку більше сечовини попадає з крові в кишечник. Дія інтестінальної уреази на цю сечовину стає клінічно важливим джерелом розвитку гіперамоніємії у таких пацієнтів.

Гіперамоніємія. Концентрація аміаку в плазмі крові в нормі становить 25-40 мкмоль/л. Крім ниркової недостатності причиною гіперамоніємії є хвороби печінки (алкогольне чи інфекційне ураження гепатоцитів, цироз, рак) та генетичні дефекти ферментів синтезу сечовини. При цирозі печінки гіперамоніємія різко наростає внаслідок шунтування портальної крові, що несе аміак з кишечника, в системну циркуляцію. Може розвинутися печінкова енцефалопатія. У таких випадках корисним є призначення хворим антибіотиків, які пригнічують мікрофлору кишечника і, як наслідок, утворення в кишечнику аміаку (наприклад, неоміцину), а також застосування дисахариду лактулози. Кишечні бактерії катаболізують лактулозу в органічні кислоти, які, в свою чергу, перетворюють NH3 в NH4+, таким чином знижується всмоктування NH3 в систему ворітної вени.

Описані генетичні дефекти всіх п’яти ферментів циклу синтезу сечовини, а також ферменту синтезу N-ацетилглутамату. Найбільш частим є дефіцит карбамаїлфосфатсинтетази і орнітинкарбамаїлтрансферази.

 

СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ АМІНОКИСЛОТ

Двадцять основних амінокислот організму людини, які присутні в тканинах або в складі білків, або у вільному стані, метаболізуються у специфічних біохімічних шляхах. У процесі катаболізму від амінокислот видаляється аміногрупа у реакціях дезамінування або трансамінування, в результаті чого утворюється вуглецевий скелет, який трансформується в метаболіти, що можуть перетворюватися в глюкозу, жирні кислоти, кетонові тіла або окислюватися в циклі трикарбонових кислот. Вуглецевий скелет 20 основних амінокислот перетворюється всього в сім молекул (рис. 5):  

§                    піруват,

§                    ацетил CoA,

§                    ацетоацетил CoA,

§                    a-кетоглутарат,

§                    сукциніл CoA,

§                    фумарат,

§                    оксалоацетат.

Для деяких амінокислот шляхи їх катаболізму до вищенаведених молекул є дуже простими і складаються з однієї або двох реакцій, для інших – надзвичайно складними (понад 10 реакцій).

Амінокислоти, які метаболізуються до ацетил-КоА або ацетоацетил-КоА називаються кетогенними, тому що вони є попередниками кетонових тіл і жирних кислот. Амінокислоти, які деградують до пірувату, a-кетоглутарату,  сукциніл-КoA, фумарату чи оксалоацетату називаються глюкогенними амінокислотами, оскільки дані метаболіти циклу трикарбонових кислот і піруват можуть перетворюватися до фосфоенолпірувату і далі до глюкози. В організмі людини і тварин відсутні біохімічні шляхи синтезу глюкози з ацетил-КоА або ацетоацетил-КоА.

З 20 амінокислот тільки лейцин і лізин є чисто кетогенними амінокислотами. Ізолейцин, фенілаланін, триптофан і тирозин є одночасно і кетогенними, і глюкогенними. Решту 14 амінокислот є глюкогенними.

 

 

Рис. 5. Схема включення вуглецевих скелетів амінокислот у цикл Кребса.

 

Обмін аланіну

Аланін належить до замінних глюкогенних амінокислот. В організмі синтезується шляхом трансамінування з піровиноградної кислоти (фермент – аланінамінотрансфераза):

 

Катаболізується аланін у зворотній реакції, перетворюючись у піруват, який декарбоксилюється до ацетил-КоА і розпадається в циклі трикарбонових кислот, або перетворюється до оксалоацетату і використовується для глюконеогенезу.

 

Обмін глутамінової кислоти і глутаміну

 

Глутамінова кислота і глутамін є замінними глюкогенними амінокислотами. Глутамінова кислота утворюється з a-кетоглутарової кислоти  у реакціях трансамінування або у реакції відновного амінування a-кетоглутарату (фермент – глутаматдегідрогеназа) (рис. 6).

 

Рис. 6. Схема синтезу і розпаду глутамату і глутаміну.

Катаболізм глутамату відбувається у зворотніх реакціях трансамінування і окисного дезамінування. В обох випадках утворюється a-кетоглутарат, який або розкладається в циклі трикарбонових кислот, або через оксалоацетат використовується для синтезу вуглеводів (рис. 6).

Глутамін синтезується з глутамату шляхом приєднання аміаку під дією глутамінсинтетази.

У нирках і печінці глутамін гідролізується ферментом глутаміназою до глутамінової кислоти і аміаку (рис. 6). Такі перетворення забезпечують функцію глутаміну, як переносника аміаку в організмі.

Важливим метаболітом глутамінової кислоти є g-аміномасляна кислота (ГАМК). ГАМК утворюється в мозку при декарбоксилюванні глутамату ферментом глутаматдекарбоксилазою:

 

 

ГАМК є основним гальмівним нейромедіатором центральної нервової системи людини і тварин.

Функція ГАМК полягає в зниженні нейронної активності і пригніченні збудження в нервових клітинах, попередженні поступлення в рухові центри мозку сигналів, пов’язаних зі станом тривоги, страху або стресу. ГАМК покращує покращує обмінні процеси в мозку, пам’ять і увагу, її дефіцит виявлено у хворих на епілепсію і шизофренію.

Крім ГАМК, глутамінова кислота є попередником для синтезу трипептиду глутатіону (див. нижче), аміноксислот проліну, орнітину та аргініну.

 

Обмін аспарагінової кислоти і аспарагіну

 

Аспарагінова кислота і аспарагін належать до замінних глюкогенних амінокислот. Синтезується аспарагінова кислота у реакції трансамінування (фермент – аспартатамінотрансфераза) з метаболіту циклу трикарбонових кислот оксалоацетату. Катаболізм аспартату також починається реакцією його трансамінування з a-кетоглутаровою кислотою:

 

 

Аспарагінова кислота бере участь в утворенні піримідинових основ, є донором азоту для біосинтезу сечовини, пурину, виконує роль нейромедіатора в центральній нервовій системі.

Аспарагін є важливим продуктом азотистого обміну, резервом азоту; знешкоджує аміак, що утворюється в процесі перетворення білків.

Під впливом аспарагінсинтетази до аспартату приєднується аміак і утворюється аспарагін. Гідроліз аспарагіну назад до аспартату і аміаку каталізується ферментом аспарагіназою:

 

 

Обмін гліцину

 

Гліцин – замінна глюкогенна амінокислота, бере участь в численних синтетичних шляхах, а також може окислюватися з виділенням енергії. Найважливішими фізіологічно-активними сполуками, які утворюються з гліцину, є глутатіон, холін, креатин, порфірини, пурин, гіпурова кислота, кон’югати жовчних кислот, білки (рис. 7).

 

Рис. 7. Схема синтезу гліцину і шляхи його використання.

 

Синтезується гліцин за допомогою ферменту серингідроксіметилтрансферази з іншої замінної амінокислоти – серину:

 

Безымянный

 

Дана реакція є зворотньою, тобто катаболізм гліцину може відбуватися шляхом його перетворення в серин, який в подальшому конвертується в піруват, а останній деградує в циклі лимонної кислоти.

Іншим шляхом розпаду гліцину є його окислення до аміаку і діоксиду вуглецю ферментом гліцинсинтазою.

У цьому випадку один атом вуглецю гліцину виділяється у формі СО2, а інший у вигляді метиленової групи зв’язується з тетрагідрофолатом і в подальшому використовується для синтетичних процесів.

Реакція окислення гліцину гліцинсинтазою є зворотньою, тобто гліцин може частково відновлюватися з аміаку і діоксиду вуглецю, використовуючи відновлювальні еквіваленти НАДН + Н+ і метилентетрагідрофолат як донор атому вуглецю.

У механізмах перетворення гліцину важливе значення має коферментна форма фолієвої кислоти – тетрагідрофолієва кислота (FH4), яка забезпечує міжмолекулярне транспортування одновуглецевих радикалів.

Ще одним шляхом катаболізму гліцину є його окислення ФАД-залежною гліциноксидазою з утворенням гліоксилової кислоти.

Гліоксилова кислота може трансамінуатися до гліцину, відновлюватися до гліколату або окислюватися до оксалату. Оксалат виводиться з сечею. Зустрічається генетично детерміноване захворювання гіпероксалурія, при якому утворюється велика кількість оксалату. Оскільки кальцієва сіль оксалату погано розчинна у воді, її кристали відкладаються в нирках, викликаючи нефролітіаз і нефрокальциноз.

 

Обмін серину

 

Серин належить до глюкогенних замінних амінокислот.

Синтез серину з 3-фосфогліцерату, який є проміжним метаболітом гліколізу, вимагає окислення 3-фосфогліцерату до 3-фосфогідроксіпірувату, трансамінування останнього глутаматом з утворенням 3-фосфосерину і гідролізу останнього до серину:

 

 

Серин перетворюється до пірувату цитозольною сериндегід­ра­тазою. Із серину може також утворюватися гліцин, який в подальшому окислюється до аміаку і діоксиду вуглецю або до гліоксилової кислоти (див. обмін гліцину).

Реакція перетворення серину на гліцин є зворотньою, тобто за певних умов серин може синтезуватися з гліцину ферментом серингідроксіметилтрансферазою, при цьому як донор вуглецевого залишку використовується метилентетрагідрофолат (N5,N10-СН2-FH4).

Важливою функцією серину є його участь у синтезі фосфоліпідів – фосфатидилсерину і фосфатидилетаноламіну.

Загальна схема метаболізму серину і його взаємозв’язок з обміном гліцину наведена на рис. 8.

 

Рис. 8. Схема метаболізму серину і гліцину.

 

Обмін треоніну

 

Треонін – незамінна глюкогенна амінокислота. Треонін зазвичай метаболізується до пірувату, проте проміжний метаболіт у цьому шляху може піддаватися тіолізу коензимом А з утворенням ацетил-КоА і гліцину.

У іншому метаболічному шляху треоніндегідратаза перетворює треонін до a-кетобутирату. Комплекс, подібний до піруватдегідрогенази, метаболізує a-кетобутират до пропіоніл-КоА (рис. 9). 

 

 

Рис. 9. Схема метаболізму треоніну.

 

Обмін лізину

 

Лізин – незамінна кетогенна амінокислота. В процесі метаболізму лізин перетворюється до ацетоацетил-КоА.

На першому етапі лізин взаємодіє з a-кетоглутаратом з утворенням сахаропіну, який розпадається на семіальдегідну сполуку і глутамат (фермент a-аміноадіпіксеміальдегідсинтаза). Семіальдегід окислюється до дикарбонової a-аміноадіпової кислоти, яка в подальших шести реакціях перетворюється на ацетоацетил-КоА (рис. 10).

 

Рис. 10. Схема метаболізму лізину.

 

Зрідка зустрічається вроджений дефіцит a-аміноадіпіксеміальдегідсинтази, при якому лізин і сахаропін виділяються з сечею. Дане захворювання, як правило, не проявляється ніякими клінічними симптомами.

Більш серйозним є генетично детерміноване захворювання, що характеризується порушенням всмоктування в кишечнику і реабсорбції в ниркових канальцях лужних амінокислот (лізину, аргініну і орнітину). Концентрація лізину, аргініну і орнітину в плазмі крові знижується. У таких пацієнтів розвивається виражена гіперамонійемія після вживання білкової їжі. Іншими симптомами є втрата м’язової маси і остеопороз.

Вважається, що лізину притаманна противірусна дія, особливо щодо вірусів, які викликають герпес і гострі респіраторні інфекції. Лізин бере участь у формуванні колагену, його використовують у відновлювальний період після операцій і травм. Лізин покращує засвоєння кальцію з крові і його транспорт в кісткову тканину, підвищує імунну відповідь організму, зокрема, активність нейтрофілів, знижує рівень тригліцеридів в плазмі крові.

Лізин є попередником для синтезу карнітину – сполуки, яка транспортує жирні кислоти в матрикс мітохондрій, де вони окислюються з утворенням енергії, тобто лізин підтримує рівень АТФ в клітині.

 

Обмін аргініну

 

Аргінін синтезується в циклі сечовини з амінокислоти орнітину і також поступає в організм з білками їжі. Під час росту у молодому віці та при деяких патологічних станах (наприклад, ендотеліальній дисфункції) ендогенної продукції аргініну для організму недостатньо, тому він належить до частково замінних амінокислот.

З аргініну утворюються такі важливі метаболіти як оксид азоту, креатинфосфат, спермін. Гідролізується аргінін під дією аргінази до орнітину і сечовини.

Описаний спадковий дефект аргінази, який характеризується аргінінемією, високим рівнем аміаку в крові, затримкою психомоторного розвитку, м'язовою гіпертонією, парезами й паралічами, гепатомегалією, пригніченням ЦНС.

 

 

Обмін сірковмісних амінокислот (метіоніну і цистеїну)

 

Обмін метіоніну

Метіонін належить до незамінних глюкогенних амінокислот. В клітинах метіонін використовується для синтезу білків, а також є основним донором метильних (-СН3) груп у реакціях метилування. При надлишку метіоніну його вуглецевий скелет трансформується до сукциніл-КоА, який піддається катаболізму в циклі трикарбонових кислот з утворенням енергії або використовується для глюконеогенезу.

У реакціях метилування безпосереднім донором метильних груп є не метіонін, а його похідне – S-аденозилметіонін, який утворюється при взаємодії метіоніну з АТФ під впливом ферменту метіонін-аденозилтрансферази:

 

 

Сульфонієвий іон у складі S-аденозилметіоніну є високореактивним і тому метильна група під дією специфічних метилтрансфераз може легко переноситися на ряд субстратів, тобто відбувається метилування останніх.

Зокрема, метилування етаноламіну призводить до утворення холіну, норадреналіну – до утворення адреналіну, глікоціаміну – креатину.

Шляхом метилування за участю S-аденозилметіоніну утворюються також такі біологічно активні сполуки як карнітин, ансерин, саркозин, мелатонін, тимідин тощо.  

S-аденозилметіонін, втрачаючи метильну групу, перетворюється на S-аденозилгомоцистеїн, який під впливом ферменту S-аденозилгомоцистеїнгідролази розщеплюється на аденозин і гомоцистеїн (рис 11).

Рис. 11. Роль метіоніну в реакціях трансметилювання і його регенерація.

 

У свою чергу гомоцистеїн може знову перетворюватися назад до метіоніну або ферментом бетаїнгомоцистеїнметилтрансферазою, яка як донор метильних груп використовує бетаїн, або ферментом гомоцистеїнметилтрансферазою (метіонінсинтетазою), донором метильних груп для якої є N5-метилтетрагідрофолієва кислота, а коферментом - похідне вітаміну В12 метилкобаламін. В результаті цикл метилування замикається.

Утворений метіонін може повторно використовуватися в реакціях метилування, проте частина його втрачається в катаболічних шляхах (утворення сукциніл-КоА), тому він повинен постійно надходити з їжею.  Інший механізм утилізації гомоцистеїну - шлях транссульфування.

Дефіцит метіонін-аденозилтрансферази призводить до гіперметіонінемії, а цистатіонін-g-ліази – до цистатіонінурії, при цьому клінічні симптоми для для даних патологій не описані. Недостатність цистатіонін-b-синтази супроводжується гіпергомоцистеїнемією і гомоцистинурією.

Клінічні прояви, зумовлені гіпергомоцистеїнемією, включа­ють аномалії скелету, сповільнення розумового розвитку, ектопію кришталика, розвиток атеросклерозу і схильність до артеріальних та венозних тромбоемболій. Гіпергомоцистеїнемія є незалежним фактором ризику оклюзивних захворювань судин.

Приблизно в чверті пацієнтів з атеросклерозом виявлено дефіцит цистатіонін-b-синтази і, як наслідок, гіпергомоцистеїнемію. Оскільки для процесів реметилування гомоцистеїну необхідна N5-метилтетрагідрофолієва кислота і метилкобаламін, а у його транссульфуванні бере участь піридоксальфосфат, то недостатнє надходження фолату і вітамінів В12 та В6 з їжею чи порушення утворення їх активних коферментних форм також призводить до гіпергомоцистеїнемії (рис. 12).

Насичення організму фолатом, вітамінами В12 і В6 запобігає підвищенню рівня гомоцистеїну в крові і може знизити частоту захворюваності і смертності від атеросклеротичних уражень судин, зумовлених гіпергомоцистеїнемією.

 

Рис. 12. Обмін метіоніну

 

Синтез креатину. Метіонін, а точніше його активне похідне S-аденозилметіонін, бере участь у синтезі креатину – сполуки, яка у вигляді креатинфосфату відіграє важливу роль у енергозабезпеченні м’язового скорочення. Для синтезу креатину також необхідні амінокислоти гліцин і аргінін.

На першому етапі, який відбувається в нирках, гуанідинова група аргініну переноситься на гліцин з утворенням гуанідиноацетату (глікоціаміну) і орнітину (фермент: аргінін-гліцин амідинотрансфераза):

 

 

З нирок глікоціамін з кров’ю поступає в печінку, де під впливом ферменту гуанідинацетатметилтрансферази метилюється за участю S-аденозилметіоніну до креатину:

 

 

З печінки креатин транспортується у м’язи і мозок, де фосфорилується ферментом креатинкіназою до креатинфосфату:

 

 

Креатинфосфат є формою зберігання енергії у м’язах і нервовій тканині. Під час м’язового скорочення, коли необхідне швидке забезпечення енергією, фосфатна група з креатинфосфату під дією креатинкінази терміново передається на АДФ і, таким чином, відбувається регенерація АТФ.

У м’язах і нервовій тканині також відбувається повільне неферментативне дефосфорилування і дегідратація креатинфосфату з наступною циклізацією молекули і утворенням креатиніну:

 

 

Креатинін не виконує ніякої корисної функції і елімінується з організму шляхом ниркової фільтрації і частково за допомогою канальцевої секреції. Визначення вмісту креатиніну в крові і сечі є чутливим тестом фільтраційної здатності нирок. Виділення креатиніну з сечею пропорційне масі м’язової тканини і залежить від віку і статі.

Креатинурія – це посилене виділення креатину з сечею, зустрічається при лихоманці, голодуванні, цукровому діабеті, травматичних пошкодженнях м’язів, м’язовій дистрофії і гіпертиреоїдизмі.

 

Обмін цистеїну

Як було показано вище, цистеїн синтезується з амінокислоти метіоніну, яка постачає –SH групу, і амінокислоти серину, яка надає для синтезу вуглецевий скелет і аміногрупу. Цистеїн належить до замінних глюкогенних амінокислот.

Метаболізується цистеїн кількома шляхами залежно від потреб клітини. Основним метаболітом є цистеїнсульфінова кислота, яка в подальшому трансамінується до неорганічного сульфіту і піровиноградної кислоти або перетворюється до гіпотаурину і таурину (рис. 13):

 

Рис. 13. Обмін цистеїну.

 

Цистинурія – це спадкове захворювання, що характеризується порушенням реабсорбції в ниркових канальцях цистину, лізину, орнітину і аргініну (ці чотири амінокислоти мають одинаковий механізм транспорту). Оскільки цистин нерозчинний у воді, клінічно цистинурія проявляється утворенням цистинових каменів в сечовивідних шляхах, тобто сечокам’яною хворобою.

 

Обмін амінокислот з розгалуженими ланцюгами

(валіну, лейцину та ізолейцину)

 

Валін, лейцин та ізолейциннезамінні амінокислоти. На першому етапі катаболізму один і той же фермент каталізує трансамінування всіх трьох амінокислот з утворенням відповідних розгалужених α-кетокислот, які в подальшому піддаються окисному декарбоксилюванню, в результаті чого утворюються ацил-КоА тіоефіри. Реакція окисного декарбксилювання каталізується ферментним комплексом мітохондрій – дегідрогеназою розгалуженого ланцюга. Ацил-КоА тіоефіри дегідрогенуються і утворюються відповідні  ненасичені ацил-КоА тіоефіри. З цього моменту катаболізм кожної амінокислоти іде своїм специфічним шляхом. Лейцин перетворюється на ацетоацетат і ацетил-КоА, ізолейцин – на сукциніл-КоА (попередник у глюкогенному шляху) і ацетил-КоА, катаболізм валіну призводить до утворення сукциніл-КоА (рис. 14). Таким чином, лейцин є кетогенною амінокислотою, ізолейцин – глюкогенною і кетогенною, а валін – чисто глюкогенною амінокислотою.

 

 

Рис. 14. Схема катаболізму амінокислот з розгалуженим ланцюгом.

 

Хвороба кленового сиропу – спадкове захворювання, зумовлене порушенням окисного декарбоксилювання розгалужених a-кетокислот, що виникає внаслідок дефекту гену, який відповідає за синтез дегідрогенази розгалуженого ланцюга. В крові і внутрішніх органах збільшується вміст валіну, лейцину та ізолейцину і відповідних розгалужених a-кетокислот. Сеча таких хворих має характерний запах кленового сиропу. Хвороба проявляється в немовлят, розвивається кетоацидоз, затримується фізичний і розумовий розвиток дитини, можлива летаргія (рис. 15). Невчасне розпізнавання хвороби призводить до втрати свідомості,  коми і смерті. Немовлята з дефектом дегідрогенази розгалуженого ланцюга мають бути переведені на спеціальну дієту з низьким вмістом валіну, лейцину та ізолейцину.

 

Описание: 0303_DADI_WILLSB

 

Рис. 15. Дитина з хворобою кленового сиропу

 

Обмін фенілаланіну і тирозину

 

Фенілаланін належить до незамінних амінокислот. Приблизно три чверті фенілаланіну, що поступає в організм, гідроксилюється ферментом фенілаланінгідроксилазою з утворенням тирозину, тому останній є замінною амінокислотою.

 Гідроксилювання фенілаланіну відбувається в основному в печінці, а також в нирках, ця реакція є незворотньою і вимагає коферменту тетрагідробіоптерину. Утворений тирозин трансамінується ферментом тирозинамінотрансферазою, в результаті чого утворюється р-гідроксіфенілпіруват, який під впливом 4-гідроксіфенілпіруватоксидази у складній реакції, що включає окислення, декарбоксилювання, переміщення бокового ланцюга і гідроксилювання, перетворюється до гомогентизинової кислоти. Аскорбінова кислота є необхідною для нормального перебігу цієї реакції.

Ароматичне кільце гомогентизинової кислоти розщеплюється гомогентизатоксидазою з утворенням фумарилацетоацетату, який, у свою чергу розпадається до фумарату і ацетоацетату (фермент фумарилацетоацетатгідролаза).

Фумарат утилізується в циклі трикарбонових кислот, або використовується для глюконеогенезу, а ацетоацетат іде на синтез ліпідів чи кетонових тіл. Тому фенілаланін і тирозин є одночасно і кетогенними, і глюкогенними амінокислотами.       

Фенілкетонурія. Недостатність фенілаланінгідроксилази або тетрагідробіоптерину призводить до фенілкетонурії – найбільш поширеного спадкового захворювання, зумовленого генетично детермінованим дефіцитом ферменту амінокислотного обміну (рис. 16).

 

Описание: http://intranet.tdmu.edu.ua/www/tables/0906.jpg

 

Рис. 16. Порушення обміну фенілаланіну і тирозину.

 

Всі три кислоти (фенілпіровиноградна, фенілмолочна, фенілоцтова) накопичуються в крові і виділяються з сечею.

Найбільш характериними клінічними симптомами при фенілкетонурії є неврологічні і психічні розлади, розумова відсталість, підвищена збудливість, судоми, мікроцефалія, гіпопігментація волосся і райдужки, катаракта (рис. 17).

Дієта з різким обмеженням вмісту фенілаланіну вводиться з моменту підтвердження діагнозу класичної фенілкетонурії. Повністю виключають продукти тваринного походження, вміст рослинного білка ретельно нормують з урахуванням маси тіла та віку дитини.

 

Описание: 1155

Рис. 17. Фенілкетонурія у новонародженого.

 

Дефіцит харчового білка і мікроелементів, що виникає внаслідок тривалого застосування обмежувальної дієти, компенсують призначенням спеціальних продуктів харчування - сумішей амінокислот або білкових гідролізатів з низьким вмістом фенілаланіну.

 

Тирозиноз. Відсутність або дефіцит тирозинамінотрансферази призводить до розвитку тирозинемії ІІ типу, яка характеризується гіпертирозинемією і тирозинурією (рис. 18).

Клінічні прояви можуть включати ерозії і бляшки рогівки, ураження шкіри, сповільнення розумового розвитку. Серйознішим захворюванням є тирозинемія І типу, яка викликається дефіцитом фумарилацетоацетатгідролази.

У цьому випадку мають місце ураження печінки, дисфункція ниркових канальців, явища рахіту, полінейропатія. Накопичення фумарилацетоацетату, який є алкілуючим агентом, призводить до алкілування ДНК і туморогенезу. Дієта дітей з такими вадами повинна містити мінімальну кількість тирозину і фенілаланіну.

 

Рис. 18. Обмін фенілаланіну.

 

Алкаптонурія – рідкісне спадкове метаболічне захворювання, що розвивається внаслідок генетичного дефекту гомогентизатоксидази.

Вміст гомогентизинової кислоти збільшується в крові і вона виділяється з сечею.

На повітрі гомогентизинова кислота аутоокислюється до відповідного хінону, який полімеризується з утворенням пігменту чорного кольору (рис. 19).

Темна сеча – це єдиний симптом на ранніх етапах розвитку хвороби.

 

Описание: http://trialx.com/curetalk/wp-content/blogs.dir/7/files/2011/05/diseases/Alkaptonuria-3.jpg

 

Рис. 19. Колір сечі при алкаптонурії: А – норма; В – алкаптонурія.

 

При тривалій хворобі гомогентизинова кислота в крові і тканинах повільно окислюється до темного пігменту, який відкладається в хрящах, кістках та інших сполучнотканинних структурах (охроноз) (рис. 20).

 

Описание: http://www2.bjui.org/BJUI_IMAGES/cute_editor/case_reports/case%202%20image%204.jpgОписание: ojos271202Описание: ojos271202

 

Рис. 20. Охроноз.

 

Більшість тирозину, який не інкорпорується в білки, метаболізується до ацетоацетату і фумарату, як описано вище. Проте, певна його кількість використовується для синтезу катехоламінів (дофаміну, норадреналіну, адреналіну), гормонів щитовидної залози (тироксину і трийодтироніну) і пігменту меланіну.

Синтез катехоламінів починається з окислення тирозину ферментом тирозингідроксилазою, яка, як і фенілаланінгідроксилаза, потребує кофактора тетрагідробіоптерину. Утворюється дигідроксіфенілаланін (ДОФА), який декарбоксилюється піридоксальзалежною ДОФА-декарбоксилазою до дофаміну. Дофамін є активним нейротрансміттером. В деяких частинах мозку метаболічний шлях перетворення тирозину на цьому закінчується. В мозковій речовині надниркових залоз дофамін перетворюється до гормонів норадреналіну і адреналіну.

Перетворення тирозину до меланіну вимагає фермента тирозинази  (мідьвмісна оксидаза), яка у пігментних клітинах (меланоцитах) окислює тирозин у двохступеневій реакції до ДОФА і ДОФА-хінону. Всі наступні реакції очевидно відбуваються шляхом неферментативного автоокислення у присутності атомів цинку з утворенням пігментів меланінів коричнево-чорного (еумеланін) або жовто-коричневого (феомеланін) кольору.

Альбінізм. Генетично детермінована відсутність або недостатність фермента тирозинази призводить до зниження продукції або відсутності меланіну в шкірі, волоссі, очах (рис. 21).

Зниження вмісту пігменту в шкірі зумовлює високу чутливість альбіносів до сонячного світла, підвищується ризик розвитку раку шкіри і сонячних опіків. Відсутність пігменту в райдужці ока призводить до фотофобії, знижується гострота зору, може розвинутися косоокість і ністагм.

 

Описание: http://24.media.tumblr.com/tumblr_lixotwvdNs1qitj5zo1_400.jpgОписание: http://drugline.org/img/ail/131_132_3.jpg

Рис. 21. Симптоми альбінізму.

 

Обмін триптофану

 

Триптофан є незамінною амінокислотою і попередником у синтезі таких фізіологічно активних сполук, як серотонін і нікотинамід (вітамін РР). З триптофану утворюється приблизно 50 % необхідного для організму нікотинаміду, решту надходить з їжею.

Катаболізм триптофану відбувається двома біохімічними шляхами. Основний, або окисний шлях, яким метаболізується близько 95 % амінокислоти, починається з його окислення ферментом триптофандиоксигеназою (піролазою) до формілкінуреніну. Від останнього відщеплюється мурашина кислота і утворюється кінуренін, який гідроксилюється до 3-гідроксикінуреніну.

Під впливом ПАЛФ-залежного ферменту кінуренінази 3-гідроксикінуренін розщеплюється на аланін і 3-гідроксиантранілову кислоту. 3-гідроксиантранілат потім перетворюється у серії реакцій до нікотинаміду у складі коферменту НАД.

Інша гілка перетворення 3-гідроксиантранілату призводить до утворення глутарил-КоА і в кінці до ацетил-КоА (рис. 22).

Рис. 22. Схема катаболізму триптофану.

 

Серотоніновий шлях метаболізму триптофану починається з його гідроксилювання до 5-гідрокситриптофану ферментом триптофангідроксилазою. Коферментом у цій реакції є тетрагідробіоптерин.

Декарбоксилювання 5-гідрокситриптофану ПАЛФ-залежною декарбоксилазою призводить до утворення серотоніну (5-гідокситриптаміну). Серотонін виконує функції нейротрансміттера в мозку, його дефіцит є одним з факторів формування депресивних станів і тяжких форм мігрені.

Продукція мелатоніну стимулюється у темноті, він  є універсальним регулятором біологічних ритмів, впливає на процеси адаптації при зміні часових поясів, сповільнює процеси старіння, регулює кров’яний тиск і стимулює функціонування імунної системи.

Деградація серотоніну відбувається під впливом моноамінооксидази і альдегіддегідрогенази з утворенням кінцевого продукту 5-гідроксиіндолоцтової кислоти, яка виділяється з сечею. Екскреція 5-гідроксиіндолоцтової кислоти різко підвищується у хворих із карциноїдною пухлиною (найчастіше знаходиться в кишечнику і легенях), оскільки у таких пацієнтів більша половина триптофану, що поступає в організм, перетворюється в

Обмін гістидину

 

Гістидин належить до незамінних глюкогенних амінокислот. Фермент гістидаза відщеплює вільний аміак від гістидину, в результаті чого утворюється урокаїнова кислота. Дві наступні реакції ведуть до утворення іміноглутамінової кислоти. Потім формімінова група від іміноглутамату переноситься на тетрагідрофолієву кислоту і утворюється глутамінова кислота (рис. 23).

Гістидинемія - спадкове захворювання, зумовлене дефіцитом гістидази.

Частота захворювання становить приблизно 1 на 10000 новонароджених. В крові і сечі підвищується вміст гістидину, зрідка можуть спостерігатися порушення розумового розвитку. Обмеження гістидину в дієті нормалізує біохімічні аномалії.

 

Рис. 23. Катаболізм гістидину.

 

При декарбоксилюванні гістидину ферментом гістидиндекарбоксилазою утворюється фізіологічно активна сполука гістамін:

 

Гістамін відіграє важливу роль у розвитку алергічних реакцій і запалення, розширює судини, знижує кров’яний тиск, викликає спазм гладеньких м’язів бронхів, посилює секрецію соляної кислоти і пепсину в шлунку, пригнічує звільнення нейромедіаторів (ГАМК, ацетилхоліну, серотоніну, норадреналіну) в ЦНС.

Відкрито важливі природні дипептиди, що містять гістидин - карнозин  і ансерин.  Карнозин (b-аланілгістидин) знаходиться у великих кількостях у м’язах і тканинах мозку, має властивості антиоксиданта, знешкоджує активні форми кисню, а також ненасичені альдегіди. Ансерин (b-аланілметилгістидин) забезпечує спряженість процесів окислення і фосфорилювання у м’язовій тканині.

 

Обмін проліну

 

Пролін і гідроксипролін (утворюється в результаті посттрансляційної модифікації) є основними амінокислотами колагену. Пролін утворюється з глутамату і перетворюється на глутамат, тому належить до замінних глюкогенних амінокислот.

На першому етапі глутамінова кислота відновлюється до глутаматсеміальдегіду у реакції, що вимагає НАДФН+Н+ і АТФ. Глутаматсеміальдегід спонтанно циклізується до D-пірролін-5-карбоксилату, який надалі відновлюється НАДФН+Н+ до проліну. Пролін конвертується проліноксидазою назад до D-пірролін-5-карбоксилату, який знаходиться у рівновазі з глутаматсеміальдегідом. Останній або окислюється до глутамату, або трансамінується до орнітину (рис. 24). Орнітин може декарбоксилюватися орнітиндекарбоксилазою до путресцину, який служить джерелом для синтезу фізіологічно активних поліамінів спермідину і сперміну.

 

Рис. 24. Схема метаболізму проліну.