Особенности обмена отдельных аминокислот

Глицин – легко синтезируется в организме животных, лишь для птиц может быть лимитирующей аминокислотой.

Дезаминируется в тканях под влиянием глициноксидазы с образованием глиоксалевого альдегида. При этом НАД восстанавливается в НАДН₂, который в дыхательной цепи митохондрий дает три молекулы АТФ. Глицин используется для синтеза парных желчных кислот, глутатиона, креатина, серина, коламина, пуринов, порфиринов. Идет на обезвреживание бензойной и фенилуксусной кислот.

Серин – при дезаминировании его образуется пировиноградная кислота и аммиак.

Серин входит в состав серинсодержащих фосфолипидов, является исходным продуктом образования этаноламина и холина, цистеина.

Общую схему катаболизма и глюконеогенез можно представить в следующем виде (рис.10.2., по Николаеву А.Я.):

Рис. 10.2. Введение аминокислот в общий путь катаболизма и глюконеогенез.

Треонин - незаменимая аминокислота для всех видов животных. Под действием альдолазы превращается в глицин и уксусный альдегид.

Цистеин и цистин. К недостатку серосодержащих аминокислот чувствителен крупный рогатый скот и овцы. Цистеин и цистин легко превращаются друг в друга путем окислительно-восстановительных реакций:

Наличие –SH, -S-S- группировок определяет высокую реактивность ферментов и гормонов. Часть цистеина превращается в таурин, который используется в синтезе парных желчных кислот.

При декарбоксилировании цистеина образцется тиоэтаноламин – кофактор фермента активирования кислот HS-KoA.

Цистеин входит в состав глутатиона – трипептида, широко представленного в эритроцитах, печени, который может быть в восстановленной (HS-глутатион) и окисленной (-S-S-) формах. Глутатион является кофактором дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида и глиоксилазы.

Метионин – незаменимая аминокислота, принимает участие в синтезе цистеина. Метионин имеет CH₃ метильную группу активную в трансметилировании. Это универсальный донор метальных групп (для этаноламина, карнозина, гуанидинуксусной кислоты, норадреналина, пиримидиновых оснований).

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Их много в белках растений. Играют роль в трансаминировании, дезаминировании других аминокислот. Синтезируются из кетокислот. Глутамин используется в синтезе пуриновых оснований мононуклеотидов. При декарбоксилировании аспарагиновой кислоты может образоваться β и α-аланин:

β-аланин идет на синтез пантотеновой кислоты. При декарбоксилировании глутаминовой кислоты образуется у-аминомасляная кислота.

Лизин – незаменимая аминокислота. Биологический распад лизина проходит по сложному пути с образованием α-аминоадипиновой, α- кетоадипиновой и глутаровой кислот.

Фенилаланин и тирозин являются субстратами для синтеза тироксина, адреналина, норадреналина. Валин, лейцин, изолейцин – превращения их направлены на синтез жирных кислот и кетоновых тел. Остальные аминокислоты и два амида могут служить субстратами для синтеза глюкозы и гликогена. Глюконеогенез из аминокислот (синтез глюкозы) происходит интенсивно из гликогенных аминокислот при преимущественно белковом кормлении животных или голодании. При голодании используются белки собственных тканей.

Катаболизм лейцина и лизина не включает стадии образования пировиноградной кислоты.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

Биосинтез белка является сложным процессом, происходящим во всех клетках, органах и тканях организма. Наибольшее количество белка синтезируется в печени. Белоксинтезирующая система включает около 300 соединений, в том числе:

• набор всех 20 аминокислот, из которых синтезируется белок;
• минимум 20 различных т-РНК;
• минимум 20 различных ферментов – аминоцил-тРНК-синтетаз, обладающих специфичностью к определенной аминокислоте;
• рибосомы, АТФ и АТФ-генерирующую систему ферментов; ГТФ, ионы Mg²⁺, и-РНК, несущую информацию о синтезируемом белке;
• белковые факторы, принимающие участие на различных этапах синтеза белка.

Рибосомы – рибонуклеопротеиды, состоящие на 50-65 % из рибосомальной РНК и белка – 35-50 %. Известно, что рибосомы животных клеток (эукариотов) в 2 раза крупнее (80 S) рибосом бактерий (70 S) (прокариот). Рибосомы состоят из двух частиц, 60 S и 40 S (рибосомы животных клеток – 80 S) и 50 S и 30 S (рибосомы бактерий – 70 S). Количество рибосом в одной клетке составляет приблизительно 100000. В присутствии ионов Mg²⁺ рибосомы распадаются на две части (60 и 40 S). Рибосома животных клеток содержит 3 вида РНК – 28, 18 и 5S и свыше 70 различных белков.

Общую схему строения рибосом животных клеток можно представить в следующем виде:

РНК рибосом синтезируется на матрице ДНК в ядре. Рибосомные белки имеют цитоплазматическое происхождение, затем они транспортируются в ядрышки, где происходит формирование рибосомных субчастиц. После этого субчастицы переходят в цитоплазму и несколько рибосом (до 50-80 рибосом) вместе с информационной РНК образуют полисомы или полирибосомы - место синтеза белка:

Аминоацил-тРНК-синтетазы– это ферменты с молекулярной массой (≈) 100000 Да, обеспечивающие активирование аминокислот и связывание их с т-РНК. Эти ферменты абсолютно специфичны, то есть узнают только одну какую-либо аминокислоту (а) и т-РНК. Считают, что этот фермент имеет три активных центра связывания: для аминокислоты, т-РНК и АТФ. Количество этих ферментов должно быть не менее 20 – для каждой аминокислоты отдельно.

Транспортные РНК. На долю т-РНК приходится 10-15 % из общего количества РНК, для каждой аминокислоты имеется своя т-РНК, а для некоторых аминокислот по несколько т-РНК, например для серина – 5, лизина и глицина по 4 разных т-РНК. Молекулярная масса большинства т-РНК колеблется в пределах 24000-29000 Да, они содержат от 75 до 85 нуклеотидов. т-РНК имеют сходную структуру, с тремя участками связывания: на 3'-гидроксильном конце у всех т-РНК имеется триплет ЦЦА- ОН, к которому через 3'-OH присоединяется специфическая аминокислота. Следующий связывающий участок – антикодон из трех нуклеотидов. Антикодон комплементарен кодону и-РНК. Например,

5'- концевой нуклеотид во всех т-РНК это ГМФ со свободной 5'-фосфатной группой (рис. 11.1.).

Основание

Рис.11.1. Обобщенная схема вторичной структуры т-РНК, представленной в форме клеверного листа. Черные кружки соответствуют основаниям в спаренных областях, связанным водородными связями; светлые кружки соответствуют неспаренным основаниям. R - пуриновый нуклеозид; Y - пиримидиновый нуклеозид.

Функция т-РНК – специфическое связывание каждой т-РНК со своей аминокислотой.

и-РНК (информационная РНК) – переносит информацию для синтеза белка от ДНК к рибосоме, служит матрицей, на которой происходит синтез белка. и-РНК синтезируется на ДНК по правилу комплементарности, является копией участка ДНК (гена, цистрона). Размер молекулы зависит от размера белка. Молекула и-РНК образуется в виде предшественника, затем происходит созревание, то есть удаление участков интронов, не входящих в состав зрелой молекулы:

Участки экзонов сшиваются в процессе созревания и-РНК. Полиадениловый хвост на 3'-конце обеспечивает стабильность иРНК. и-РНК комплементарна определенному участку молекулы ДНК, например:

Генетический код.Генетическая информация закодирована в ДНК в виде последовательности нуклеотидов и эта последовательность переводится в нуклеотидную потельность и-РНК. Код является триплетным, то есть информация для каждой аминокислоты состоит из трех нуклеотидов. Например, для включения в белковую молекулу фенилаланина код содержит УУУ- триплет из молекул уридиловой кислоты (таблица 11.1.). Генетический код является вырожденным, то есть для кодирования одной аминокислоты имеется несколько кодонов. Код является непрерывным, то есть отсутствуют знаки, сигналы, обозначающие начало и конец кода. Например: АЦЦЦТГААЦ и т.д. Код является универсальным – для всех живых систем от E.Coli до человека. Из мыслимых 64 кодонов 61 имеет смысл, то есть кодируют определенную аминокислоту, а кодоны УАГ, УАА, УГА кодируют терминацию.

Таблица 11.1.

Генетический код

Второй нуклеотид кодона

Этапы синтеза белка

В процесс синтеза белка включается около 300 типов макромолекул – белков и нуклеиновых кислот, из них около 100 участвуют в активировании аминокислот и переносе их на рибосомы, свыше 60 – в составе рибосом, свыше 10 белковых факторов участвуют в процессах трансляции. Синтез идет в направлении от свободного аминного конца к свободному карбоксильному концу: NH₂ → СООН (Рис. 11.2).

Рис.11.2. Принципиальная схема биосинтеза белка (по А.С. Спирину).

Активирование аминокислот происходит в цитоплазме при помощи ферментов аминоацил-т-РНК-синтетаз с участием АТФ, в результате образуется аминоацил-т-РНК:

Активированная аминокислота переносится к месту синтеза белка – к полирибосомному комплексу. Следующий этап биосинтеза белка – трансляция – происходит в рибосоме и имеет 3 стадии: инициацию, элонгацию, терминацию.

Инициация трансляции обеспечивается специальными белками, их около 10, начальный участок содержит метионин, то есть начало синтеза обусловлено кодоном формил-метионина (начальный метионин). При этом антикодон (мет-т-РНК) ЦАЦ соединяется с кодоном АУГ и-РНК, образуется инициативный комплекс – к 40 S рибосомной части присоединяется мет-тРНК, затем 60 S субчастица рибосомы(рис.11.3.).

Рис.11.3. Схематическое изображение взаимодействия формилметионил-т-РНК и иРНК с 40S субчастицей рибосомы (а) и транслирующей 80 S рибосомы (б).

После образования комплекса 80 S рибосома + и-РНК, начинается элонгация, то есть удлинение полипептидной цепи. В рибосоме образуется пептидная связь между аминокислотами за счет энергии ГТФ. После присоединения очередной аминокислоты происходит движение рибосомы вдоль цепи и-РНК с 5' к 3' концу на 3 нуклеотида (один ко дон) для каждой аминокислоты.

Терминация трансляции осуществляется с участием трех белковых факторов. Последний терминирующий кодон обуславливает отделение и-РНК от 80S и 80S рибосома распадается на составные субчастицы 60 и 40 S, которые поступают в клеточный пул и используются для образования и-РНК – рибосомного комплекса. Одна и-РНК транслируется не одной рибосомой, а одновременно многими рибосомами (полирибосомы, полисомы), что значительно ускоряет синтез белка (рис. 11.2.).

Постсинтетическая модификация белков происходит в несколько этапов: в начале удаляется сигнальный пептид (из 15-30 аминокислотных остатков) – специфическая протеаза отщепляет начальный N - концевой метионин. Таким образом, отщепляется часть молекулы у проферментов (пепсиноген, проинсулин и т.д.). Затем происходит химическая модификация ферментных белков -ковалентное присоединение простетической группы к молекуле белка, например, присоединение пиридоксальсульфата к белковой части аминотрансфераз; гликозилирование – присоединение олигосахаридных остатков в гликопротеинах; гидроксилирование пролина, лизина, метилирование лизина и глутамата, ацетилирование N-концевых аминокислот, фосфорилирование серина, треонина, тирозина и т.д. Укладка белковой молекулы -образование вторичной, третичной и четвертичной структур так же происходит после синтеза – образования первичной структуры белковой молекулы.