Пути обмена безазотистого остатка аминокислот

За сутки у человека распадаются примерно 100г АК. Катаболизм всех АК сводится к образованию шести веществ, вступающих в общий путь катаболизма: ПВК, ацетил-КоА, α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат и ЩУК. Эти вещества окисляются в ЦТК для образования АТФ или используются для синтеза глюкозы и кетоновых тел.

Гликогенные аминокислоты - АК, которые превращаются в ПВК и промежуточные продукты ЦТК (а-КГ, сукцинил-КоА, фумарат, ЩУК). Они через ЩУК, используются в глюконеогенезе (ала, асн, асп, гли, глу, глн, про, сер, цис, арг, гис, вал, мет, тре).

Кетогенные аминокислоты – АК, которые в процессе катаболизма превращаются в ацетоацетат (Лиз, Лей) или ацетил-КоА (Лей) и могут использоваться в синтезе кетоновых тел.

Смешанные (глико-кетогенными) аминокислоты – АК, при катаболизме которых образуются метаболит цитратного цикла и ацетоацетат (Три, Фен, Тир) или ацетил-КоА (Иле). Эти АК используются для синтеза глюкозы и кетоновых тел.

ОБМЕН АММИАКА

Аммиак в организме образуется:

• при дезаминировании АК во всех тканях (много);
• при дезаминировании биогенных аминов и нуклеотидов во всех тканях (мало);
• при дезаминировании АМФ в интенсивно работающей мышце;
• при гниении белков в кишечнике.

Концентрация аммиака

Концентрация аммиака в сыворотке крови в норме 11—35 мкмоль/л. В крови и цитозоле клеток при физиологических значениях рН аммиак переходит в ион аммония — NH₄⁺, количество неионизированного NH₃ невелико (~ 1%).

Токсичность аммиака

Аммиак — токсичное соединение. Даже небольшое повышение его концентрации оказывает неблагоприятное действие на организм, и, прежде всего на ЦНС.

Механизм токсического действия аммиака:

1. Аммиак легко проникает через мембраны в клетки и в митохондриях сдвигает реакцию, катализируемую глу-ДГ, в сторону образования глу:

α-Кетоглутарат + НАДH₂ + NH₃ → глу + НАД⁺.

Уменьшение концентрации α-кетоглутарата вызывает:

• угнетение реакции трансаминирования АК и снижение синтеза из них нейромедиаторов (ацетилхолина, дофамина и др.);
• снижения скорости ЦТК и развитие энергодефицита.

Недостаточность α-кетоглутарата ускоряет реакции синтеза ЩУК из ПВК, сопровождающейся интенсивным потреблением СО₂ (особенно характерны для клеток головного мозга).

1. Повышение концентрации аммиака в крови сдвигает рН в щелочную сторону, вызывает алкалоз. Алкалоз увеличивает сродство гемоглобина к кислороду, что препятствует отдачи им кислорода. В результате развивается гипоксия тканей, энергодефицит, от которого главным образом страдает головной мозг.
2. Высокие концентрации аммиака, при участии глутаминсинтетазы, стимулируют синтез глутамина из глутамата в нервной ткани:
3. Глу + NH₃ + АТФ → Глн + АДФ + Н₃РО₄. Накопление глн в клетках нейроглии приводит к повышению в них осмотического давления, набуханию астроцитов и в больших концентрациях вызвает отёк мозга. Снижение концентрации глу нарушает обмен АК и нейромедиаторов, в частности синтез γ-аминомасляной кислоты (ГАМК), основного тормозного медиатора. При недостатке ГАМК и других медиаторов нарушается проведение нервного импульса, возникают судороги.
4. Ион NH₄⁺ практически не проникает через цитоплазматические и митохондриальные мембраны. Избыток NH₄⁺ в крови нарушает трансмембранный перенос одновалентных катионов Na⁺ и К⁺, конкурируя с ними за ионные каналы, что также влияет на проведение нервных импульсов.
5. Низкие концентрации аммиака стимулируют дыхательный центр, а высокие – угнетают.

Связывание (обезвреживание) аммиака

В связи с токсичностью аммиака в тканях происходит его связывание с образованием нетоксичных соединений – АК и мочевины. Процесс образования и обезвреживания аммиака регулируют в основном ферменты глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза.

Обмен глутамата

В мозге и некоторых других органах может протекать восстановительное аминирование α-кетоглутарата под действием глутаматдегидрогеназы, катализирующей обратимую реакцию.

Однако этот путь обезвреживания аммиака в тканях используется слабо, так как глутаматдегидрогеназа катализирует преимущественно реакцию дезаминирования глутамата. Хотя, если учитывать последующее образование глутамина, реакция выгодна для клеток, так как способствует связыванию сразу 2 молекул NH₃.

Обмен глутамина

Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма (основные поставщики мышцы, мозг и печень), является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы:

Глутаминсинтетаза находиться в митохондриях клеток, содержит кофактор — ионы Mg²⁺, является одним из основных регуляторных ферментов обмена АК. Она аллостерически ингибируется АМФ, глюкозо-6ф, гли, ала и гис.

Глутамин, путём облегчённой диффузии, легко проходит клеточные мембраны (для глутамата возможен только активный транспорт), поступает из тканей в кровь и транспортируется в кишечник и почки.

В почках происходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием аммиака:

Аммиак с протонами и анионами образует соли аммония (0,5 г/сут), которые выделяются с мочой. Этот процесс используется для регуляции КОС и сохранения в организме важнейших катионов Na⁺ и К⁺. Глутаминаза почек значительно индуцируется при ацидозе, ингибируется при алкалозе.

В клетках кишечника также под действием глутаминазы происходит гидролитическое освобождение амидного азота в виде аммиака:

Образовавшийся аммиак поступает через воротную вену в печень или удаляется из организма с фекалиями.

Высокий уровень глутамина в крови и лёгкость его поступления в клетки обусловливают использование глутамина во многих анаболических процессах. Глутамин — основной донор азота в организме. Амидный азот глутамина используется для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, аспарагина, аминосахаров и других соединений.

Обмен аспарагина

Обезвреживание аммиака в тканях происходит незначительно при синтезе аспарагина под действием глутаминзависимой и аммиакзависимой аспарагинсинтетазы.

Первая функционирует в животных клетках, вторая преобладает в бактериальных клетках, но присутствует и у животных.

Обмен аланина

Из мышц и кишечника избыток аминого азота выводится преимущественно в виде аланина.

В кишечнике:

Глутамат подвергается трансаминированию с ПВК с образованием аланина и α-кетоглутарата. Аланин поступает из кишечника в кровь воротной вены и поглощается печенью.

В мышцах:

Образование аланина в мышцах, его перенос в печень связан с обратным переносом в мышцы синтезированной в печени глюкозы. Этот процесс называется глюкозо-аланиновый цикл:

Он необходим, так как активность глу-ДГ в мышцах невелика и непрямое дезаминирование АК малоэффективно.

Мышцы выделяют особенно много аланина в силу их большой массы, активного потребления глюкозы при физической работе, а также потому, что часть энергии они получают за счёт распада АК. Образовавшийся аланин поступает в печень, где подвергается непрямому дезаминированию. Выделившийся аммиак идет на синтез мочевины, а ПВК включается в глюконеогенез. Глюкоза из печени поступает в ткани и там, в процессе гликолиза, опять окисляется до ПВК.

ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ

Большая часть свободного аммиака, а также аминного азота в составе АК (в основном глутамин, аланин) поступают в печень, где из них синтезируется нетоксичное и хорошо растворимое в воде соединение — мочевина. Мочевина является основной формой выведения азота из организма человека.

Синтез мочевины происходит в цикле, который замыкается орнитином. Цикл открыли в 40-х годах XX века немецкие биохимики Г. Кребс и К. Гензелейт.

Мочевина (карбамид) — полный амид угольной кислоты — содержит 2 атома азота, один из аммиака, другой – из асп.

Реакции орнитинового цикла

Предварительно в митохондриях под действием карбамоилфосфатсинтетазы I с затратой 2 АТФ аммиак связывается с СО₂ с образованием карбамоилфосфата:

(Карбамоилфосфатсинтетаза II локализована в цитозоле клеток всех тканей и участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов).

1. В митохондриях орнитинкарбамоилтрансфераза переносит карбамоильную группу карбамоилфосфата на орнитин и образуется — цитруллин:

2. В цитозоле аргининосукцинатсинтетаза с затратой 1 АТФ (двух макроэргических связей) связывает цитруллин с аспартатом и образует аргининосукцинат (аргининоянтарная кислота). Фермент нуждается в Mg²⁺. Аспартат — источник второго атома азота мочевины.

3. В цитозоле аргининосукцинатлиаза (аргининсукциназа) расщепляет аргининосукцинат на аргинин и фумарат (аминогруппа аспартата оказывается в аргинине).

4. В цитозоле аргиназа гидролизует аргинин на орнитин и мочевину. У аргиназы кофакторы ионы Са²⁺ или Мn²⁺, ингибиторы - высокие концентрации орнитина и лизина.

Образующийся орнитин взаимодействует с новой молекулой карбамоилфосфата, и цикл замыкается.