Аэробное окисление углеводов.

Распад углеводов в аэробных условиях может идти прямым (aпотомическим или пентозным) путем и непрямым (дихотомическим) путем.

Дихотомическое (греч. dicha - на две части, tome-сечение)окисление углеводов идет по уравнению:

C₆H₁₂O₆+6O₂ ® 6 СО₂+б Н₂О+686 ккал

Этот путь является основным в образовании энергии. Первые этапы этого пути совпадают с анаэробным окислением глюкозы. Расхождение путей начинается на стадии образования пировиноградной кислоты, которая в животных тканях декарбоксилируется окислительным путем.

Первоначально предполагали, что пировиноградная кислота подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием уксусной кислоты по уравнению: СН₃—СО—СООН + ¹/₂ O₂ СН₃СООН+СО₂. Потом было установлено, что уксусная кислота не является промежуточным продуктом при .декарбоксилировании пировиноградной кислоты, и возникло представление, что уксусная кислота существует в «активной» форме. Вскоре было показано, что для утилизации пирувата необходим коэнизм А (КоА). В химическом отношении КоА представляет нуклеотид, в состав которого входит аденозин-3¹, 5¹-дифосфат, фосфат, пантотеновая кислота и тиоэтиламин. Коэнзим А участвует в переносе остатка уксусной кислоты — ацетильного радикала (CH₃CO-) также и других кислотных (ацильных) радикалов.

Окислительное декарбоксилирование пирувата — процеcc многоступенчатый, осуществляется сложной ферментативной системой, в состав которой помимо пируватдекарбоксилазы, тиаминдифосфата и коэнзима А входят дегидрогеназы с коферментом НАД⁺, и ФАД, липоевая кислота и ионы магния. В результате окисления пировиноградной кислоты образуются молекула aцетил-КоА («активной» формы уксусной кислоты), два атома водорода (в виде НАДН+Н⁺ ) и молекула СО₂.

O
÷½

СН₃-СО-СООН+НS-КоА+НАД+®СН₃--С~S-~КоА+С0₂+НАДН+ H

Ацетил-КоА

Следующий этап непрямого аэробного окисления глюкозы характеризуется полным окислением ацетил-КоА в цикле Кребса до СО₂ и Н₂О.

ЦИКЛ ДИ- и ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ (КРЕБСА).

Исследования показали, что дальнейшее окисление ацетил-КоА возможно лишь в присутствии небольших количеств какой-либо ди-карбоновой кислоты. Оказалось, что в начале ацетил-коэнзима А конденсируется с щавелевоуксусной кислотой (СООН—СН₂— СО—СООН) с образованием лимонной (трикарбоновой) кислоты. Лимонная кислота является первым продуктом цикла Кребса, поэтому этот цикл иногда называют лимоннокислым.

Образовавшаяся лимонная кислота подвергается далее ряду сложных превращений. И прежде всего, дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты. Последняя присоединяет молекулу воды и переходит в изолимонную кислоту. Изолимонная кислота подвергается дегидрированию и превращается в щавелево-янтарную, которая декарбоксилируется с образованием µ-кетоглютаровой. µ-Кетоглютаровая кислота подвергается окислительному декарбоксилированию и одновременно дегидрируется, переходя в сукцинил-КоА. Затем сукцинил-КоА превращается в янтарную кислоту. Янтарная кислота дегидрируется, превращаясь в фумаровую. Фумаровая переходит в яблочную, а из яблочной при ее дегидрировании образуется щавелевоуксусная. На этом цикл замыкается. Многие реакции цикла Кребса легко обратимы. Ферменты, катализирующие реакции цикла Кребса

сосредоточены в митохондриях. Последовательность реакций цикла Кребса последовательно изображена на суммарной схеме (рис. 7.3) .

Из приведенной схемы видно, что в цикле Кребса в результате реакций дегидрирования образуется 4 пары водородных атомов и 2 молекулы СО₂. Освободившийся в ходе процесса окисления водород поступает в цепь биологического окисления и в конечном итоге окисляется молекулярным кислородом с образованием воды и выделением энергии.

При окислении в цикле ди- и трикарбоновых кислот одной молекулы ацетил-КоА образуется 12 молекул АТФ, из которых одиннадцать возникает путем окислительного фосфорилирования, а одна при субстратном фосфорилировании (при превращении сукцинил-КоА в янтарную кислоту).При окислении большинства субстратов в цепи биологического окисления происходит образование 3-х молекул АТФ, тогда как окисление некоторых из них (например, в случае янтарной кислоты) дает 2 молекулы АТФ. Энергетический баланс анаэробного и аэробного окисления глюкозы представляет следующую картину.

1. Две молекулы АТФ — это чистый прирост АТФ при превращениях глюкозы до пировиноградной кислоты в анаэробной фазе.

Глюкоза+2 НАД⁺ +2 АДФ+2 Фн-® 2 Пируват+2 НАДН+2 АТФ

2. Четыре молекулы АТФ образуются в результате окисления двух молекул НАДН, возникших при дегидрировании двух молекул 3-фосфоглицеринового альдегида (рис. 13). В связи с тем, что эти две молекулы НАДН являются цитоплазматическими, то отдаваемые ими электроны могут включиться в митохондриальную цепь биологического окисления не прямым путем, а с помощью так называемого челночного механизма. Суть этого механизма состоит в том, что сначала цитоплазматический НАДН реагирует с фосфодиоксиацетоном и образует глицерол-3-фосфат.

Фосфодиоксиацетон+НАДН _¾ Глицерол-3-фосфат+НАД⁺

^¾®

Г'лицерол-3-фосфат легко проникает через митохондриальную мембрану и окисляется с участием флавинзависимой дегидрогеназы в фосфодиоксиацетон, причем простетическая флавиновая группа восстанавливается.

Глицерол-3-фосфат+Фл. пр. ¾¾® Фосфодиоксиацетон+

4-фл. пр. Н₂. Фосфодиоксиацетон выходит из митохондрий, а восстановленный флавопротеид (Фл. пр. Н2) передает приобретенные электроны в цепь биологического окисления, обеспечивая окислительное фосфорилирование только двух молекул АДФ.

3. Шесть молекул АТФ возникают в процессе окислительного де-карбоксилирования двух молекул пировиноградной кислоты, образовавшихся в анаэробной .фазе из одной молекулы глюкозы.

4. При полном окислении двух молекул ацетил-КоА в цикле Кребса возникает 24 молекулы АТФ. В итоге полного аэробного окисления одной молекулы глюкозы синтезируется 36 молекул ЛТФ. При анаэробном гликолизе (брожении) на одну молекулу глюкозы образуется всего 2 молекулы АТФ. Таким образом, «выход» энергии, запасаемой в виде АТФ при кислородном распаде глюкозы, в 18 раз больше, чем при анаэробном.

ПЕНТОЗО-ФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОВ.

Существует еще один путь аэробного окисления углеводов, который имеет значение лишь в некоторых органах и тканях (жи­ровой ткани, печени, эритроцитах, молочной железе, коре надпочечников, половых железах). Этот путь называется пентозофосфатным (пентозным, прямым или гексозомонофосфатным).

В отличие от непрямого (гексозодифосфатного) пути окисления углеводов в пентозном цикле не проходит стадии образования фруктозе-16-дифосфата, фосфотриоз и т. д., т. е. не происходит фосфорилирования глюкозомонофосфата. Последний в пентозном цикле подвергается прямому окислению с образованием в конечном итоге СО₂ и пентозофосфата.

Значение пентозного цикла состоит, во-первых, в том, что является основным поставщиком восстановленного НАДФ + (НАДФН), необходимого для разнообразных синтетических процессов. Во-вторых, этот цикл обеспечивает организм пентозами. В третьих, энергетическая ценность цикла весьма велика — равна 36 мол АТФ.

7.5. ФОТОСИНТЕЗ

Фотосинтез - это синтез органических веществ (прежде всего углеводов) из углекислого газа и воды, происходящий за счет энергии света. Фотосинтез является основным источником образования органических веществ на Земле и единственным источником кислорода.

Процесс фотосинтеза в растениях можно выразить следующим

свет

суммарным уравнением: 6С0₂+6Н₂0 ¾® С₆ Н ₁₂О₆+6 O₂

хлорофилл

фотосинтез происходит внутри специализированных органелл- пластидах (хлоропластах), которые содержат в себе хлорофилл.

Хлорофилл — сложное гетероциклическое соединение, содержащее четыре перрольных кольца, образующих порфириновое ядро. Перрольные кольца связаны двумя основными и двумя дополнительными валентностями с атомом магния. Хлорофилл благодаря наличию в его структуре сопряжённых двойных связей способен поглощать световую энергию, переходя в активное состояние. Аккумулирование солнечной энергии хлорофиллом является начальным этапом фотосинтеза, который можно изобразить следующим образом:

Хл + hv —® Хл⁺

Хлоро- Квант Хлорофилл

филл света возбужденный

На втором этапе фотосинтеза возбужденный хлорофилл, обогащенный энергией за счет поглощения светового фотона, отдаёт энергию на разложение воды (фотолиз воды). В результате образуются активные радикалы Н и ОН. Радикалы ОН дают перекись (ОН)₂, распад которой приводит к образованию кислорода.

Хл⁺ +Н₂0 —® Хл+Н+ОН

ОН ¾® (ОН)₂ ——® H₂O+¹/₂O₂

Следующий (третий) этап состоит в переносе водорода воды

через цепь переносчиков на НАДФ с образованием НАДФН. Одновременно происходит за счет переноса электронов, индуцируемого светом, синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата, т. е так называемое фотосинтетическое фосфорилирование.

Разобранные выше этапы являются световой фазой фотосинтеза. В реакциях этой фазы принимает участие поглощенная хлорофиллом световая энергия. Световая фаза приводит к образованию молекулярного кислорода, НАДФН и АТФ.

Следующая фаза фотосинтеза — темновая. Реакции в этой фазе происходят без участия света. В темновой фазе фотосинтеза НАДФН и АТФ используются для восстановления углекислого газа до углевода.

ГЛАВА 8. ОБМЕН ЛИПИДОВ

8.1. РОЛЬ ЛИПИДОВ В ПИТАНИИ

Жиры, так же, как и углеводы, являются важным источником энергии. Кроме того, они выполняют специфические функции благодаря содержащимся в них незаменимым ненасыщенным кислотам: линолевой, линоленовой, арахидоновой, называемых витамином F. Содержатся эти кислоты в основном в растительных маслах. Поэтому растительные масла являются незаменимой составной частью пищи. В жирах содержатся жирорастворимые витамины — А, Д, К, Е, необходимые для нормального развития организма. Богаты витаминами коровье масло, особенно из молока летнего периода, рыбий жир, жир внутренних органов.

Вышесказанное дает основание заключить, что жиры являются неотъемлемой составной частью пищи. Жиры не могут быть заменены другими веществами, хотя и равноценными по калорийности. Суточная потребность человека в жирах составляет в среднем 90 г. При тяжелой физической работе содержание жира в суточном рационе должно быть увеличено. Однако чрезмерное потребление жира ведет к нарушению жирового обмена, к заболеваниям печени.

8.2. ПЕРЕВАРИВАНИЕ ЖИРОВ В ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОМ ТРАКТЕ

Расщепление жира на глицерин и высшие жирные кислоты осуществляется под влиянием фермента липазы. Для воздействия липазы на жир необходимо его предварительное эмульгирование, достигаемое путем перемешивания в кишечнике пищевой кашицы с желчью.

В ротовой полости жиры не подвергаются химическим изменениям. В желудке присутствует липаза, однако ее активность невелика из-за отсутствия условий, необходимых для эмульгирования жира. В желудке гидролизуются только эмульгированные жиры — жиры молока и яичного желтка. В основном переваривание жира происходит в кишечнике и в первую очередь в двенадцатиперстной кишке, куда по протокам попадают вместе с желчью соли желчных кислот, обладающие мощным эмульгирующим действием.

Желчные кислоты образуют тончайшую пленку на жировых каплях, которая препятствует слиянию отдельных капелекжира вболее крупные капли. Это приводит к резкому увеличению поверхности соприкосновения жира с ферментом липазой и, следовательно, скорости гидролитического распада жира. К желчным кислотам относятся холевая, дезоксихолевая и другие. По своему строению они близки к холестерину. В желчи эти кислоты образуют с глицином (гликоколлом) или таурином парные соединения — глико- или таурохолевую, глико- или тауродезоксихолевую и другие желчные кислоты, присутствующие в виде натриевых солей.

В клетках кишечного эпителия из продуктов гидролиза пищевых жиров вновь ресинтезируются жиры, или липоиды, специфичные для данного вида животных. Синтезированные липиды транспортируются в жировые депо. При необходимости из жировых депо жиры могут переходить в кровь и использоваться тканями в качестве энергетического материала.

МЕХАНИЗМ ОКИСЛЕНИЯ НЕЙТРАЛЬНОГО ЖИРА В ТКАНЯХ

Поступивший в клетки нейтральный жир под действием тканевых липаз расщепляется на глицерин и высшие жирные кислоты. В дальнейшем жирные кислоты и глицерин окисляются в тканях на СО₂ и H₂O, при этом освобождающаяся энергия накапливается в макроэргических связях АТФ.

ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ В ТКАНЯХ. В основе современных представлений о распаде жирных кислот в тканях лежит теория b-окисления, выдвинутая впервые Кноопом в 1904 г. Согласно этой теории, окисление жирных кислот происходит у углеродного атома, находящегося в b-положении по отношению к карбоксильной группе, с последующим разрывом углеродной цепочки жирной кислоты между a- и b-углеродными атомами. В дальнейшем эта теория была уточнена и дополнена.

В настоящее время установлено, что окислению жирных кислот в тканях предшествует их активация при участии коэнзима А и АТФ. Этот процесс катализируется ферментом тиокиназой.

R—СН₂—СООН-+НS—КоА+АТФ

О

÷÷

—>R-СН₂—С~S—КоА+АМФ+пирофосфат

Ацилкофермента А

Активированная жирная кислота (ацилкофермента А) подвергается дегидрированию, в результате чего возникает двойная связь между a- и b-атомами углерода. Этот процесс протекает с участием ацилдегидрогеназ, которые в качестве простетической группы содержат ФАД. Затем к ненасыщенной кислоте (a, b-не насыщенному производному ацил-КоА) присоединяется молекула воды и образуется b-гидроксикислота (b-гидроксиацил-КоА) . Далее снова происходит процесс дегидрирования с образованием b-кетокислоты (b-кетоацил-КоА). Этот процесс катализируется ацилдегидрогеназами, коферментом которых является НАД+.И на последнем этапе b-кетоацил-КоА, взаимодействуя со свободным КоА, расщепляется на ацетил-КоА и ацил-КоА. Последний укорочен по сравнению с первоначальным на два углерода.

Образовавшийся на последнем этапе ацетил-КоА сгорает в лимоннокислом цикле до СО₂ и H₂O. Оставшийся ацил-КоА подвергается далее аналогичному превращению до полного окисления. Полное окисление насыщенной жирной кислоты приводит к высвобождению значительного количества энергии. Например, при полном окислении пальмитиновой кислоты образуется 131 молекула АТФ.

На основании современных представлений весь ход процесса b-окисления насыщенных жирных кислот можно изобразить следующим образом:

O

÷÷

R-СН₂— СН₂— СН₂—С~S—КоА

½-2H, ФАД

½ O

¯ úú

R-СН₂— СН= СН—С~SKоА+ФАДН₂

½ +HOH

½ O

¯ ÷÷

R-СН₂— СН— СН₂—С~S—КоА

÷

OH

÷ -2H, НАД⁺

÷ O

¯ ÷÷

R-СН₂— С— СН₂—С~S—КоА+ НАД⁺+H⁺

÷÷

O ÷ + HSКоА

O ÷ O

÷÷ ¯ ÷÷

R-СН₂— С ~S—КоA+ СН₃— С ~S—КоА

Ацилкофермента А Ацетилкофермента А

Окисление ненасыщенных жирных кислот в принципе может происходить так же, как и окисление насыщенных жирных кислот. Однако их окисление требует специального дополнительного набора ферментов. Процесс b-окисления жирных кислот происходит в митохондриях.

ОКИСЛЕНИЕ ГЛИЦЕРИНА. Началом окисления глицерина является его фосфорилирование с участием фосфотрансферазы. Донором фосфатного остатка является АТФ. В результате этой реакции образуется глицерофосфат.

CH₂OH CH₂OH

÷ фосфотранс- ÷

CHOH + АТФ ¾¾¾® CHOH +АДФ

÷ фераза ÷ OH

CH₂OH ÷ ÷

CH₂O-Р.=O

÷

OH

Глицерин Глицерофосфат

Затем глицерофосфат подвергается окислению с образованием фосфоглицеринового альдегида.

H

÷

CH₂OH C=O

÷ -2 H ÷

CHOH ¾¾® CHOH +H₂O

÷ OH +¹/₂ O₂ ÷ OH

÷ ÷ ÷ ÷

CH₂O ¾Р.=O CH₂O ¾Р.=O

÷ ÷

OH OH

Фосфоглицериновый

альдегид

Дальнейшее окисление фосфоглицеринового альдегида осуществляется так же, как и при распаде углеводов.

ГЛАВА 9. ОБМЕН БЕЛКОВ

9.1. РОЛЬ БЕЛКОВ В ПИТАНИИ

Белки имеют особое значение в питании человека и животных. С белками связано осуществление основных проявлений жизни. Одной из важных функций белков является их пластическая рольвоспроизводства основных структурных элементов клетки. Эта функция белка незаменима и превосходит их значение как источника энергии. В организме почти нет белковых резервов, поэтому белки являются совершенно незаменимыми в ежедневном питании. Белковое голодание приводит к тяжелым расстройствам в организме. Особенно чувствителен к недостатку белка растущий организм. Для возмещения ежедневных потерь организм человека требует 11—13 граммов белка на килограмм веса

.

9.2. БАЛАНС АЗОТА И АЗОТИСТОЕ РАВНОВЕСИЕ

В связи с тем, что белки представляют собой азотосодержащие вещества, то для изучения белкового обмена большое значение имеет определение азотистого баланса, т. е. разницы между количеством азота, поступившего в организм с пищей, и количеством азота, выведенного из организма. Обычно в здоровом организме устанавливается азотистое равновесие, при котором азота выводится ровно столько, сколько его поступает с пищей.

При положительном азотистом балансе происходит задержка азота в организме, т. е. выводится азота меньше, чем его вводится. Положительный азотистый баланс характерен для молодого, интенсивно растущего организма, а также в случае беременности. При отрицательном азотистом балансе азота выводится больше, чем поступает. Это наблюдается при белковом голодании, при различных заболеваниях, связанных с усиленным распадом белка в организме.

9.3. РАСПАД БЕЛКОВ В ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОМ ТРАКТЕ

Распад белков происходит при участии протеолитических ферментов, расщепляющих пептидные связи. Переваривание белков начинается в желудке под влиянием ферментов желудочного сока. Основным ферментом желудочного сока является пепсин, который выделяется в неактивной форме в виде пепсиногена. Пепсиноген активируется соляной кислотой. Оптимум рН для пепсина лежит в пределах 1,5—2. В результате каталитического действия пепсина в желудке образуются пептоны, построенные из достаточно длинных полипептидов. Расщепление под влиянием пепсина может сопровождаться также появлением свободных аминокислот.

Пептоны и нерасщепленные белки поступают в кишечник, где подвергаются действию ферментов поджелудочной железы (трипсина и химотрипсина), относящихся, как и пепсин, к протеиназам. Трипсин выделяется соком поджелудочной железы в неактивной форме, в виде трипсиногена. Последний активируется ферментом эктерокиназой кишечного сока. Оптимум рН для трипсина равен 7—8. Неактивной формой химотрипсина является химотрипсиноген, который активируется трипсином.

Полипептиды, три- и дипептиды, образовавшиеся в результате действия на белки пепсина, трипсина, химотрипсина, подвергаются дальнейшему расщеплению в кишечнике под влиянием ферментов кишечного сока — пептидаз (карбоксипептидазы, аминопептидазы, дипептидаз). В результате последовательного действия всех вышеперечисленных ферментов пищеварительного тракта белковые вещества распадаются до аминокислот, которые всасываются в кровь через стенку кишечника.

9.4. КАТАБОЛИЗМ БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ В ТКАНЯХ

Наряду с синтезом в клетках тканей идет постоянный гидролитический распад белков, который осуществляется с участием протеолитических ферментов тканей – катепсинов. Катепсины относятся к классу гидролаз. По своему действию сходны с пепсином, трипсином и пептидазами. Внутриклеточный распад аминокислот не использованных для синтеза белка, в основном происходит путем дезаминирования и декарбоксилирования.

ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ.

Этот процесс заключается в отщеплении аминогруппы от аминокислоты в виде аммиака. Существует несколько путей дезаминирования: восстановительное, окислительное, гидролитическое и внутримолекулярное.

Основным путём дезаминирования является окислительное дезаминирование, суммарное уравнение которого выглядит так:

¹/ ₂ O₂

R—CH—СOOH + _¾¾® R¾C¾- СOOH +NH₃

_{ô ôô}

NH₂ O

Аминокислота Кетокислота

Окислительное дезаминирование осуществляется в две стадии. Сначала аминокислота при участии дегидрогеназ окисляется в иминокислоту.

R R

÷ НАД⁺(ФМН) дегидро- ÷

CH¾ NH₂ ¾¾¾¾¾¾¾¾¾® C=NH+НАДН (ФМНН₂)

÷ геназа, -2 H ÷

СOOH СOOH

Аминокислота Иминокислота

Водород НАДН (или ФМНН₂) через переносчики перейдет на кислород, образуя воду. Вторым этапом является гидролитический распад иминокислоты на кетокислоту и аммиак.

R R

÷ ÷

C= NH + H₂O ¾¾® C=O + NH₃

÷ ÷

СOOH СOOH

Иминокислота Кетокислота

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ АММИАКА, СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ.Аммиак является ядовитым веществом для живых клеток. Основной путь обезвреживания аммиака в организме связан с синтезом мочевины. Теория синтеза мочевины окончательно была сформулирована Кребсом. Однако М. В. Ненцкий и И. П. Павлов впервые обратили внимание на важнейшую роль печени в этом процессе. Сейчас доказано, что синтез мочевины в основном происходит митохондриях клеток печени в результате кругового процесса, требующего небольшого количества орнитина, получившего название орнитинового цикла.

Промежуточным продуктом этого цикла является карбамилфосфат, на синтез которого требуется две молекулы АТФ. Затем карбаминовая

ОН

карбамилфос- ½

NH₃+CO₂+Н₂O+2АТФ——¾¾®NH₂¾CO¾O~P=O+2АДФ+ НзРО₄

фатсинтетаза ½

OH

Карбамилфосфат

группировка переносится с карбамилфосфата на орнитин, в результате образуется цитруллин. Последний вступает в реакцию с аспарагиновой кислотой и образует аргинин. Аргинин гидролизуется ферментом аргиназой с образованием мочевины и орнитина. Немаловажное значение в нейтрализации аммиака отводится образованию амидов - прежде всего, глютамина из глютаминовой кислоты, а также аспарагина из аспарагиновой кислоты. Синтез амидов сопряжен с распадом АТФ.

COOH CO¾NH₂

÷ ÷

(CH₂)₂ (CH₂)₂

÷ Глютамин ÷

CH¾ NH₂ + NH₃+АТФ ¾¾® CH¾ NH₂ +АДФ+H₃PO₄

÷ синтетаза ÷

COOH COOH

Глютаминовая Глютамин

кислота

ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ. Декарбоксилирование является весьма важным процессом диссимиляции аминокислот. Этот процесс сопровождается образованием углекислого газа и соответствующего амина.

R—CH—COOH ¾¾¾® R—CH₂ + CO₂

÷ ÷

NH₂ NH₂

Аминокислота Амин

При декарбоксилировании некоторых аминокислот образуется ряд физиологически активных веществ. Так, декарбоксилирование глютаминовой кислоты приводит к образованию g-аминомасляной кислоты, играющей большую роль в процессах торможения функции нервных клеток.

НООС—СН₂—СН₂—СН—СООН®НООС—СН₂—СН₂—СН₂ +СО₂

÷ ÷

NH₂ NH₂

Глютаминовая кислота g -Аминомасляная кислота

С.Р.Мардашев показал, что при декарбоксилировании аспарагиновой кислоты некоторыми бактериями наряду с углекислым газом образуется новая аминокислота — a-аланин.

Некоторые амины, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот под действием микрофлоры кишечника, известны как продукты гнилостного разложения белка. Например, при декабоксилировании лизина образуется кадаверин. Аналогичным образом из диаминокислоты орнитина

-СО₂

CH₂—CH₂—CH₂—CH₂—CH—COOH-® СН₂—СН₂—СН₂-СН₂-СН₂

ô ô ô ô

NH₂ NН₂ NH₂ NH₂ Лизин Кадаверин

получается амин-путресцин. При декарбоксилировании триптофана образуется индолэтиламин, который при дальнейшем гнилостном распаде дает скатол и индол. Из тирозина образуется фенол и крезол.

Скатол, индол, фенол, крезол являются ядовитыми вещества. Их обезвреживание происходит в печени путем образования неядовитых парных соединений с серной кислотой или с глюкуроновой кислотой. Ядовитость путресцина и кадаверина незначительна. Эти соединения выводятся с мочой в неизменном виде.

9.5. БИОХИМИЯ СИНТЕЗА АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ

СИНТЕЗ АМИНОКИСЛОТ. Синтез аминокислот в организме может осуществляться путем восстановительного аминирования

кетокислот и в результате процесса переаминирования между кето- и аминокислотами.

Восстановительное аминирование кетокислот является главным путем синтеза аминокислот и представляет собой реакцию, обратную реакции окислительного дезаминирования. Восстановительное аминирование включает в себя две стадии. Первая стадия состоит в присоединении аммиака к кетокислоте с образованием иминокислоты. Затем иминокислота восстанавливается НАДН в аминокислоту. Например:

CH₃—CO—COOH+NН₃+2H-®СН₃—СН— COOH +Н₂O

÷

NН₂

Пировиноградная кислота a-Аланин

1. CH₃—CO—COOH+NН₃-®СН₃—С— COOH +Н

ôê

NH

Иминокислота

2. CH₃—C—COOH+2 Н-®СН₃—СH— COOH

ôê ô

NH NH₂

Особенно легко аммиак реагирует с a-кетоглютаровой кислотой, в результате чего образуется глютаминовая кислота.

Реакция переаминирования (трансаминирования) была открыта в 1937 г. отечественными учеными А.Е.Браунштейном и М.Г. Крицман. Эта реакция заключается в переносе аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту и осуществляется с участием ферментов — аминотрансфераз, коферментом которых является фосфопиридоксаль (фосфорное производное пиридоксина — витамина B₆).

На первом этапе процесса переаминирования происходит

CH₃ COOH CH₃ COOH

_{ô ô аминотранс-} ÷ ÷

CH- NН₂ + CH₂ С =О + CH₂

ô ô ^фераза ÷ ÷

COOH CH₂ COOH CH₂

ô ô

С=O CH- NН₂

ô ô

COOH COOH

Аланин -Кетоглютаровая Пировино- Глютами-

кислота градная новая

кислота кислота

перенос аминогруппы на кофермент. Второй этап состоит в переносе

аминогруппы с кофермента на соответствующую кетокислоту. Реакция протекает без промежуточного образования аммиака. Вышесказанное можно иллюстрировать примером образования глютаминовой кислоты путем реакции переаминирования.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА И РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ В ЭТОМ ПРОЦЕССЕ.

Белки различаются между собой природой и последовательностью чередования аминокислот, входящих в их состав. Последовательность включения определенного числа аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь осуществляется в соответствии с информацией, заложенной в ДНК. Установлена прямая связь между интенсивностью синтеза белка в клетках и тканях с содержанием в них ДНК и РНК. Экспериментально доказано, что ферментативное расщепление РНК рибонуклеазой и ДНК-дезоксирибонуклеазой подавляет или вовсе прекращает биосинтез белка.

Процесс биосинтеза белка происходит в мельчайших субклеточных структурах- рибосомах. Его можно условно разделить на три этапа. На первом этапе происходит синтез информационной РНК на ДНК и перенос ее к рибосомам (процесс транскрипции -«переписывания»). На этом этапе происходит передача информации о строении синтезируемого белка. Второй этап включает в себя активацию аминокислот, присоединение их к специфическим транспортным РНК и перенос к рибосомам (рекогниция - «узнавание»). Третий этап - собственно рибосомальный синтез белка (трансляция), который состоит в переводе нуклеотидной последовательности и-РНК в аминокислотную последовательность полипептидной цепи.

I этап. Синтез и-РНК происходит в ядре на молекуле ДНК при участии фермента РНК-полимеразы. В определенный момент нити ДНК расходятся и к одной из нитей присоединяются свободные рибонуклеозидфосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ) к соответствующим основаниям в цепочке ДНК по принципу комплементарности. В результате молекула и-РНК в точности повторяет чередование азотистых оснований ДНК и является переносчиком генетической информации. Синтезированная и-РНК выходит из ядра в цитоплазму клетки, где соединяется с рибосомальной РНК (р-рнк).

Установлено, что одна аминокислота закодирована в и-РНК сочетанием трех нуклеотидов -триплетом (кодоном). Так, триплет УУУ (три урацила) определяет включение в полипептидную цепь фенилаланина, а ГАУ (гуанин-аденин-урацил) соответствует аспарагиновой кислоте и т. д.

II этап. Вначале происходит активация аминокислот при участии АТФ и специфического фермента. В результате образуется аминоациладенилат.

АТФ + COOH—CH—R фермент АМФ~СО—СН—R+ H₄ P₂O₇

÷ ¾¾¾¾® ÷

NH₂ NH₂

Аминокислота Аминоациладенилат Пирофосфат

Затем аминоацильная группа с АМФ переносится на транспорт-

тную РНК.

АМФ~СО—СН—R + т-РНК т-phk~co—ch—r + АМФ

÷ ÷

NH₂ . - NH₂

Аминоацил т-РНК

Такой комплекс т-РНК с аминокислотой переносится к рибосомам. Для каждой аминокислоты имеется своя т-РНК. В молекуле т-РНК, имеющей конформацию клеверного листа, содержится два важнейших участка. Один из них является акцептором аминоацильной группы, переносимой от аминоациладенилата. Другой участок представляет собой триплет, который выполняет функцию антикодона, т. е. является специфическим кодоном комплементарным соответствующему кодону и-РНК.

III этап - рибосомный этап синтеза белка. Молекулы т-РНК с соответствующими аминокислотами подходят к рибосоме и присоединяются своими антикодонами к соответствующим кодонам и-РНК. Образование пептидной связи происходит при участии фермента пептид-синтетазы. После каждого образования пептидной связи происходит перемещение на один триплет. По мере продвижения рибосомы вдоль и-РНК «считывается» заключенная в ней информация и синтезируются соответствующие полипептидные цепи. В дальнейшем полипептидные цепи приобретают дисульфидные и водородные мостики, что приводит к формированию вторичной и третичной структуры белка.

Синтез белка схематически изображен на рис. 16.

ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИД0В

Нуклеопротеиды в пищеварительном тракте под действием пепсина и соляной кислоты, а также трипсина, распадаются на простой белок и нуклеиновые кислоты. В ддальнейшем белок подвергается обычным превращениям. Расщепление нуклеиновых кислот происходит в тонком кишечнике под влиянием нуклеазы и дезоксирибонуклеазы. В результате действия нуклеаз нуклеиновые кислоты, распадаются на мононуклеотиды. В свою очередь нуклеотиды под действием нуклеотидаз распадаются на нуклеозид и фосфорную кислоту. В виде нуклеотидов и нуклеозидов и происходит всасывание продуктов гидролиза нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты могут также распадаться в клетках тканей под действием тканевых нуклеаз и тканевых нуклеотидаз. Присутствующие в тканях специфические нуклеозидазы подвергают дальнейшему гидролитическому распаду нуклеозиды до пентоз и азотистых оснований.

Конечные продукты превращений пуриновых оснований у раз личных видов животных неодинаковы. У человека и человекообразных обезьян конечным продуктом обмена пуринов является мочевая кислота. Мочевая кислота поступает в кровоток и выводится почками. У большинства млекопитающих мочевая кислота d превращается в аллантоин. Пуриновые основания прежде всего подвергаются дезаминированию. При дезаминировании аденина образуется гипоксантин, который окисляется в ксантин. Гуанин превращается сразу в ксантин. Далее ксантин окисляется в мочевую кислоту, а последняя - в аллантоин. При таком распаде сохраняется пуриновое ядро.

+ H₂O Гипосантин

Аденин ¾¾¾® ÷

- NH₃ ÷

÷ + H₂O Мочевая

+ H₂O ¯ ^¾¾® кислота ^¾¾®Аллантоин

Гуанин ¾¾® Ксантин -2H

- NH₃

Отличительной чертой распада пиримидиновых оснований в тканях многих животных является разрыв в конечном итоге пири-мидинового кольца. Конечными продуктами распада цитозина и урацила является аминокислота b-аланин и углекислый газ, а тимина - b-аминоизомасляная кислота, аммиак и углекислый газ. Продукты распада пиримидиновых оснований выводятся с мочой.

Синтез пуринового кольца сложен, хотя и идет из весьма простых веществ –CO₂, глицина, аспарагиновой кислоты, муравьиной кислоты и глютамина. Наряду с этими веществами в его построение вовлекается рибозо-5-фосфат. В результате образуются не свободные пуриновые основания, а мононуклеотиды.

Исходным веществом для синтеза пиримидиновых нуклеотидов является карбамилфосфат. Последний образуется из NH₃ и СО₂ при участии АТФ. Далее карбамил переносится на аминогрyппу аспарагиновой кислоты, в результате чего образуется кар-бамиласпарагиновая кислота и Н₃Р0₄. Сближение аминной и карбоксильной групп в молекуле карбамиласпарагиновой кислоты приводит к замыканию кольца с образованием дигидрооротовой кислоты. Последняя окисляется с участием флавинзависимых дегидрогеназ в оротовую кислоту.

OH

÷ -Н₃РО₄ -H₂O

NH₂-CO -O~Р.=O + Аспарагиновая _¾¾® Карбамиласпара- _¾®

÷ кислота гиновая кислота

OH

(Карбамилфосфат)

O

÷÷

C

HN CH

Дигидрооротовая -2H ÷ ÷÷

¾® кислота ¾® O=C C-COOH

NH

Оротовая кислота

Оротовая кислота является предшественником всех пиримидиновых оснований. Оротовая кислота вступает в соединение с рибозо-5-фосфатом, и образуется пиримидиновый нуклеотид оротидин-5-фосфат. Его декарбоксилирование приводит к возникновению уриди-ловой кислоты.

В основе синтеза нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) лежат два принципа: матричный принцип и принцип комплементарности .

ГЛАВА 10. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ОБМЕНОМ БЕЛКОВ ЖИРОВ И УГЛЕВОДОВ