Обмяна на аминокиселини Цели Цели на преподавателя

2. Да се покаже как въглеродните скелети на аминокиселините се използват за получаване на енергия или за глюконеогенеза и синтеза на мастни киселини;

3. Да се дадат примери за заболявания вследствие генетични дефекти в аминокиселинния метаболизъм.

След работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни цели:

А. Знания

1. Да дадат определение и примери за значението на следните пътища в аминокиселинната обмяна: окислително дезаминиране, трансаминиране, трансдезаминиране, декарбоксилиране;

2. За всеки от споменатите пътища да пишат с формули химичните реакции и да посочат ензимите, които ги катализират;

3. Да представят с формули обезвреждането на амоняк чрез синтеза на глутамин, редуктивно аминиране на -кетоглутарат и уреен цикъл;

4. Да дадат определение и примери за гликогенни, кетогенни и смесени аминокиселини;

5. Да дефинират що е азотен баланс;

6. Да изброят ензимните дефекти в обмяната на ароматните аминокиселини, водещи до заболявания;

7. Да изброят С1-отломките, да посочат произхода им и значението им за обмяната;

8. Да представят формулите на S-аденозил метионин, фолиева киселина и производни;

9. Да представят с формули синтезата на катехоламини, ацетилхолин, креатинфосфат;

1. Да обяснят ролята на урейния цикъл;

2. Да сравнят в енергетично отношение обезвреждането на амоняк чрез синтеза на глутамин и чрез урейния цикъл;

3. Да илюстрират ролята на глутамат като възлов метаболит в аминокиселинната обмяна;

4. Да демонстрират връзките и взаимоотношенията между цитратния и урейния цикли;

5. Да обяснят разликата между незаменими и заменими аминокиселини;

6. Да илюстрират с примери ролята на S-аденозил-метионин за метаболизма;

7. Да илюстрират с примери ролята на тетрафидрофолиева киселина и нейните производни за метаболизма;

8. Да обяснят значението на катехоламини, ацетилхолин, креатинфосфат за метаболизма;

В. Умения

1. Да приложат познанията си върху трансаминази и да могат да обсъждат тяхната употреба за диагностика и проследяване състоянието на болни с миокарден инфаркт и хепатит;

2. Да приложат познанията си върху аминокиселинна обмяна и да обяснят механизма на заболявания като фенилкетонурия, тирозинемия, амонячна кома, пелагра, метилмалонилемия, квашиоркор, маразмус и др.;

3. Да решават клинични случаи, свързани с нарушения в аминокиселинната обмяна, например фенилкетонурия, болест на Паркинсон и др.

8.1 Общи реакции на разграждане на аминокиселините

8.1.1 Резюме

Аминокиселините започват своето разграждане с отделяне на амино групата. Това може да стане чрез окислително дезаминиране, трансаминиране и трансдезаминиране.

Окислителното дезаминиране на глутамат се катализира от високо активната глутамат дехидрогеназа, която действа съвместно с НАД⁺ като кофактор. При дехидрогенирането на аминокиселината, съчетано с отделяне на амоняк, се получава -кетоглутарат. Водородът, отделен от аминокиселината под форма на НАДН, се използва в дихателната верига с енергетични печалба (3 молекули АТФ за всеки мол НАДН). Тази реакция е важна и за обмяната на останалите аминокиселини, тъй е като е част от процеса на трансдезаминиране.

L-аминоацидо оксидазите, които катализират окислителното дезаминиране на останалите аминокиселини до -кетокиселини и амоняк, са слабо активни. Те са флавопротеини - действат съвместно с ФМН. Полученият при дехидрогенирането ФМН.Н₂ предава водорода не в дихателната верига, а директно на кислорода. При това се получава Н₂О₂, който е токсичен и се обезврежда под действие на ензима каталаза.

Трансаминирането е обратим процес, при който взаимодействат аминокиселина (като донор на амино-група) и - кето-киселина (като акцептор на тази група). Изходната аминокиселина се превръща в - кето-киселина, а изходната - кето-киселина се превръща в аминокиселина. Този процес се катализира от трансаминази или аминотрансферази с кофактора пиридоксалфосфат. Този кофактор и получаващият се при трансаминирането пиридоксамин фосфат са производни на пиридоксол или витамин В₆.

Трансдезаминирането е комбинация от трансаминиране на коя да е аминокиселина с - кето-глутарат като акцептор на амино-групата и последващо окислително дезаминиране на получаващия се глутамат под действие на високо активната глутамат дехидрогеназа. По този път, не само глутамат, но и останалите аминокиселини се разграждат с енергетична печалба, тъй като отделеният водород се отправя към дихателните вериги. В еукариоти това е главният път за отделяне на азота от аминокиселините.

Декарбоксилирането при човека е слабо застъпен път, но получаващите се при него биогенни амини са важни и високо активни вещества. Някои от тях са хормони и невротрансмитери, други са част от по-сложни коензими, витамини, фосфолипиди, полиамини. Обезвреждат се от моноаминооксидази (МАО) и диаминооксидази (ДАО). Амините се окисляват през алдехиди до карбоксилови киселини без енергетична печалба, тъй като водородът се предава директно на кислорода.

8.1.2 Окислително дезаминиране

8.1.2.1 Окислително дезаминиране на глутамат

Окислителното дезаминиране на глутамат е процес, при който едновременно с дехидрогениране на -въглеродния атом, се отделя и амино-групата като амониев йон. Катализира се от глутамат дехидрогеназа в матрикса на митохондриите. Този ензим има висока активност. Активира се алостерично от АДФ и това води до повишаване концентрацията на -кетоглутарат и увеличаване интензитета на цитратния цикъл. Ензимът се инхибира алостерично от ГТФ и АТФ.

Окислителното дезаминиране на глутамат е част от по-сложния процес на трансдезаминиране (т. 8.1.4.) и така улеснява разграждането на останалите аминокиселини.

Окислителното дезаминиране е обратим процес (виж т. 8.2.3.)

8.1.2.2 Окислително дезаминиране на аминокиселини (без глутамат)

Ензимите, катализиращи окислителното дезаминиране на останалите аминокиселини (фиг. 8-2), се наричат аминоацидо оксидази. Те са флавопротеини (ФП), спадащи към аеробните дехидрогенази. L-аминоацидо оксидазите действат съвместно с ФМН, а D-аминоацидо оксидазите - с ФАД. Междинно се получава нестабилна иминокиселина.

Фиг. 8-2. Окислително дезаминиране на L-аминокиселини (без глутамат) под действие на аминоацидо оксидази, действащи съвместно с ФМН.

Водородът, отделен от аминокиселината, не попада в дихателната верига, а се предава директно на кислород без енергетична печалба. При това вместо вода се получава водороден пероксид, който като силен окислител е токсичен и уврежда белтъци, нуклеинови киселини и мембранни липиди. Съществува специален ензим каталаза за обезвреждането на Н₂О₂.

L-аминоацидо оксидазите са слабо активни, което показва че окислителното дезаминиране на L-аминокиселините (без глутамат) не е главният път за тяхното разграждане. Интересно е, че D-аминоацидо оксидазите са високо активни. Вероятно това е със защитна цел - за бързо разграждане на евентуално попаднали или ендогенно синтезирани в организма D-аминокиселини, които не участват в синтезата на белтъците.

8.1.3 Трансаминиране. Роля на производните на витамин В₆

Трансаминирането е обратим процес, при който взаимодействат аминокиселина (като донор на амино-група) и - кето-киселина (като акцептор на тази група) (фиг. 8-3). Изходната аминокиселина се превръща в - кето-киселина, а изходната - кето-киселина се превръща в аминокиселина. Този процес се катализира от трансаминази или аминотрансферази с кофактора пиридоксалфосфат. Този кофактор и получаващият се при трансаминирането пиридоксамин фосфат са производни на пиридоксол или витамин В₆ (фиг. 8-4). Алдехидната група на пиридоксал фосфат поема амино-групата и се превръща в пиридоксамин фосфат. От него ензимът прехвърля амино-групата върху -кето-киселината като краен акцептор.

Фиг. 8-3.Трансаминиране между аминокиселина и - кето-киселина под действие на трансаминази с кофактори пиридоксал фосфат и пиридоксаминфосфат.

Фиг. 8-4. Активни форми на витамин В6 (пиридоксол).

Разгледан като изолиран процес, не проличава значението на трансаминирането за разграждане на аминокиселините и отделяне на азота като амоняк. Броят на аминогрупите при трансаминиране остава един и същ, тъй като една аминокиселина се превръща в кето-киселина, но едновременно друга кето-киселина се превръща в аминокиселина. Значението на трансаминирането проличава по-ясно, ако то се разглежда като част от трансдезаминирането (т.8.1.4.)

На фиг. 8-5 са дадени две конкретни реакции на трансаминиране между глутамат и пируват под действие на глутамат-пируват трансаминаза и между глутамат и оксалацетат под действие на глутамат-оксалацетат трансаминаза. Тези названия на ензимите са дадени като се изхожда от правата реакция. Другите названия на ензимите: аланин аминотрансфераза и аспартат аминотрансфераза, съответно, са дадени като се има предвид обратната реакция. Клиничното приложение на тези ензими е обсъдено в т. 8.5.1.




Фиг. 8-5. Действие на глутамат-пируват трансаминаза (аланин амино трансфераза) и на глутамат-оксалацетат трансаминаза (аспартат амино трансфераза). Дадени са често използваните съкращения на тези ензими. За клиничното им приложение виж т. 8.5.1.

8.1.4 Трансдезаминиране - главен път за отделяне на амино-групи от аминокиселините

Трансдезаминирането е комбинация от трансаминиране на коя да е аминокиселина с - кето-глутарат като акцептор на амино-групата и последващо окислително дезаминиране на получаващия се глутамат под действие на високо активната глутамат дехидрогеназа. По този път, не само глутамат, но и останалите аминокиселини се разграждат с енергетична печалба, тъй като отделеният водород се отправя към дихателните вериги. В еукариоти това е главният път за отделяне на азота от аминокиселините.

Фиг. 8-6. Схема на трансдезаминиране.

8.1.5 Декарбоксилиране на аминокиселини. Обезвреждане на биогенни амини

Фиг. 8-7. Декарбоксилиране на аминокиселини до биогенни амини под действие на декарбоксилази и обезвреждане на биогенните амини чрез окислително дезаминиране под действие на аминооксидази.

8.2 Обезвреждане на амоняка

8.2.1 Резюме

Амонякът, получен при трансдезаминирането на аминокиселините, е силно токсичен за животните и човека. В извънчернодробни тъкани обезвреждането му става чрез редуктивно аминиране на -кетоглутарат с НАДФН до глутамат, синтеза на глутамин (напр. в мозък) и трансаминиране на пируват до аланин (в мускули). Глутамин и аланин по кръвен път се отнасят в черния дроб, където в урейния цикъл се извършва крайното обезвреждане на амоняк до урея. Уреята е краен продукт на азотния катаболизъм в човека. По кръвен път уреята се отнася в бъбреците и изхвърля с урината. Хората не притежават ензима уреаза.

В бъбреците амонякът, отделен от глутамат или глутамин, под форма на амониев йон напуска организма с урината (амониогенеза).

В урейния цикъл уреята се синтезира от амоняк, СО₂ и амидния азот на аспартат. Необходими са следните пет ензими:

Първите два ензима са митохондрийни, а останалите са в цитозола. Орнитин и цитрулин се пренасят през мембраната чрез специфични транспортьори. Карбамилфосфат синтетазата е скорост-определящият ензим за урейния цикъл.

Значението на урейния цикъл за превръщането на токсичния амоняк в урея проличава от факта, че при сериозни увреждания на черния дроб (остър хепатит, цироза и др.) амонякът се натрупва и може да доведе до отравяне, кома и смърт. От тази гледна точка оправдани са по-високите енергетични разходи (3 мола АТФ за мол синтезирана урея) в сравнение със 1 мол АТФ за синтеза на глутамин.

Урейният и цитратният цикли са свързвани чрез обмен на метаболити и енергия.

Глутамат и глутамат дехидрогеназата имат централна роля за обмяната на останалите аминокиселини.

8.2.2 Токсичност на амоняк

Получаването на амоняк при разграждането на аминокиселините представлява сериозен биохимичен проблем, тъй като амонякът е силно токсичен, без да са изяснени съвсем ясно причините за това. Протонираната форма на амоняка (амониев йон) е слаба киселина, а непротонираната - силна основа.


Увеличаването на концентрацията на амоняк повишава вътреклетъчното рН със сложни последствия върху метаболизма. Освен това се предполага, че амонякът оказва силно и директно въздействие върху мозъка. Отдавна е известен фактът, че само едно помирисване на шишенце с амоняк (ниска доза) свестява припаднали. Надвесване над съд с концентриран амоняк (висока доза) е като удар от електрически ток. При дефицит на кой да е от петте ензими на урейния цикъл се наблюдават различни степени на увреждане - от умствено изоставане и летаргия до летален изход. При остри и хронични чернодробни увреждания в черния дроб не се синтезират ензимите на урейния цикъл и това води до хиперамонемия, кома и дори смърт.

Обезвреждането на амоняк става чрез свързването му в използваема и нетоксична форма (редуктивно аминиране на -кетоглутарат, синтеза на глутамин) или чрез превръщане в урея, която се изхвърля от организма (крайно обезвреждане).

8.2.3 Редуктивно аминиране на -кетоглутарат

Една от възможностите за бързо, макар и временно обезвреждане на амоняк е редуктивното му аминиране под действие на глутамат дехидрогеназата (фиг. 8-8). Това е реакция, обратна на окислителното дезаминиране на глутамат. Ензимът катализира и правата и обратната реакция. При редуктивното аминиране обикновено редукторът е НАДФН, а при окислителното дезаминиране - окислен НАД.

Фиг. 8-8. Редуктивно аминиране на -кетоглутарат - обратен процес на окислителното дезаминиране на глутамат.

8.2.4 Синтеза на глутамин. Роля на глутамин като депо на нетоксичен и използваем азот в организма

Амонякът може да се обезврежда и чрез превръщане на глутамат в глутамин (фиг. 8-9). Това е ендергонична реакция, изискваща АТФ. Катализира се от ензима глутамин синтетаза, който също както глутамат дехидрогеназата има високо ниво в мозъка. Смята се, че синтезата на глутамин е по-важен път за отстраняване на амоняка отколкото редуктивното аминиране на -глутарат.

Докато при редуктивното аминиране се намалява концентрацията на -кетоглутарат и възможността за синтеза на АТФ, при синтезата на глутамин направо се намалява вътреклетъчният АТФ.

Фиг. 8-9. Синтеза на глутамин под действие на глутамин синтетаза.

Освен в мозък, глутамин се синтезира и в други тъкани. Глутаминът е нетоксичен. Като незаредено съединение лесно преминава през мембрани, за разлика от заредения глутамат. Той е транспортна форма на включения в него амоняк. Глутаминът се пренася по кръвен път до черния дроб, бъбреци и други тъкани. Той е депо на безвреден използваем амоняк, който може да се използва за различни синтези, напр. синтеза на карбамилфосфат в цитозола (предшественик на пиримидинови нуклеотиди), синтеза на ЦТФ от УТФ и синтеза на пуринови нуклеотиди (доставя N³ и N⁹). Глутаминът също доставя азотния атом при синтеза на ГМФ от КсМФ, при синтеза на аминозахари и при синтеза на триптофан и хистидин (в растения и други автотрофни организми).

В бъбреците и черния дроб глутаминът се разгражда хидролитно под действие на глутаминаза до глутамат и амониев йон.

В бъбреците амониевите йони се изхвърлят с урината, а в черния дроб се използват за синтеза на урея.

8.2.5 Роля на аланин за транспорт на амино-групи към черния дроб чрез глюкозо-аланинов цикъл

Аланин също има важна роля за пренасяне на амино-групи към черния дроб в нетоксична форма чрез глюкозо-аланиновия цикъл. Етапите на този цикъл са представени на фиг. 8-10.

В мускулите в резултат на гликолизата се получава пируват. Аминокиселините отдават аминогрупите си чрез трансаминиране на -кетоглутарат. Полученият глутамат, може да се превърне в глутамин, но може да прехвърли своята аминогрупа върху пируват под действие на аланин аминотрансфераза. Полученият аланин не е зареден при физиологично рН, минава в кръвта и се пренася до черния дроб. Там се извършва обратната трансферазна реакция между аланин и -кетоглутарат. Получава се пируват и глутамат. Аминогрупата на глутамат може да даде амоняк в митохондриите за урейния цикъл. Пируват се използва за глюконеогенеза. Синтезираната глюкоза по кръвен път се транспортира до мускулите.

Въглеродните атоми на 2 молекули аланин са необходими за синтеза на една молекула глюкоза, а азотните атоми от тези две молекули аланин осигуряват синтезата на 1 молекула урея.

8.2.6 Уреен цикъл - крайно обезвреждане на амоняк

8.2.6.1 Химични реакции, ензими и енергетична равносметка за обезвреждане на амоняк

В урейния цикъл (фиг. 8-11) се извършва крайно обезвреждане и превръщане на амоняка в урея. Уреята се образува от амоняк, СО₂ и амидния азот на аспартат. Цикълът се състои от пет реакции, катализирани от следните ензими:

Първите два ензима са митохондрийни, а останалите са в цитозола. Освен това за два от метаболитите (орнитин и цитрулин) в митохондрийната мембрана има транспортьори.

Урейният цикъл превръща две аминогрупи (едната от амоняк, другата от аспартат) и въглероден атом от бикарбонатнияя йон в урея с цената на четири макроергични връзки. За сравнение при обезвреждане на една молекула амоняк чрез синтеза на глутамин, се изразходва една макроергична връзка.

8.2.6.2 Значение на урейния цикъл

Значението на урейния цикъл за превръщането на токсичния амоняк в урея проличава от факта, че при сериозни увреждания на черния дроб (остър хепатит, цироза и др.), които затрудняват или дори спират синтезата на ензимите на урейния цикъл, амонякът се натрупва и може да доведе до отравяне, кома и смърт.

От тази гледна точка оправдани са по-високите енергетични разходи (4 макроергични връзки за мол синтезирана урея) в сравнение със 1 мол АТФ за синтеза на глутамин.

По време на гладуване аминокиселините от мускулните белтъци са главният източник на въглерод за глюконеогенеза в черния дроб. Едновременно с това азотните атоми на аминокиселините се превръщат в урея. Затова съдържанието на урея в урината по време на гладуване е високо. При продължително гладуване обаче, мозъкът започва да използва кетонови тела, което намалява изискванията за глюкоза и води до намалено разграждане на белтъци в мускулите. Намалената глюконеогенеза от аминокиселини се съпровожда от намалена продукция на урея в урейния цикъл.

8.2.6.3 Връзки между урейния и цитратния цикли. "Велосипед на Кребс"

Урейният цикъл е първият описан метаболитен цикъл (през 1932 г.). Заслуга за това имат Hans Krebs и Kurt Henseleit. През 1937 Krebs открива и цитратния цикъл. Освен че имат общ откривател, урейният и цитратният цикли са свързвани чрез обмен на метаболити и енергия. В урейния цикъл се изразходват четири макроергични връзки. Цитратният цикъл чрез свързаните с него дихателни вериги осигурява АТФ. Декарбоксилиранията на метаболити от цитратния цикъл осигуряват СО₂, необходим за синтезата на карбамилфосфат.

В т. 8.2.6.1 бе показано, че фумарат се получава в урейния цикъл, но той е и метаболит от цитратния цикъл. Фумарат може да влезе в митохондриите, където под действие на фумараза и малатдехидрогеназа от цитратния цикъл се получава оксалацетат. Това може да стане и в цитозола, където също са открити изоензими на фумаразата и малатдехидрогеназата. Полученият оксалацетат може да се трансаминира до аспартат, необходим за урейния цикъл. Комбинацията от урейния цикъл и аспартат-аргининосукцинатния шънт на цитратния цикъл (фиг. 8-12) е известна като "велосипед на Кребс".



Фиг. 8-12. "Велосипед на Кребс". Той се състои от урейния цикъл (вдясно) и аспартат-аргининосукцинатния шънт на цитратния цикъл (вляво).
Фумарат, получен в цитозола под действие на аргининосукциназа, влиза в митохондриите, превръща се в оксалацетат, който приема аминогрупа от глутамат. Полученият аспартат излиза от митохондриите и отдава аминогрупата си за синтеза на аргининосукцинат. По-късно е установено, че превръщането на фумарат в аспартата може да стане и в цитозола под действие на цитозолни фумараза, малатдехидрогеназа и трансаминаза.

8.2.7 Централна роля на глутамат за аминокиселинната обмяна

Глутамат заема ключова позиция в аминокиселинната обмяна (фиг. 8-13).

Фиг. 8-13. Централна роля на глутамат за аминокиселинната обмяна.

1) Глутамат отделя азотния атом под форма на амониев йон, който е краен продукт в бъбреците или се използва за синтеза на урея в урейния цикъл в черния дроб.

2) Глутамат е изходен метаболит за синтеза на глутамин, като по този начин в глутамин се съхранява азотния атом на амоняк в използваема, лесно преносима и нетоксична форма.

3) Глутамат участва в преразпределянето на аминогрупите в процеса на трансаминиране, като осъществява връзка между аминокиселинна и въглехидратна обмяна. Особено важна е реакцията, катализирана от аланин аминотрансферазата: в мускулите трансаминирането между глутамат и пируват води до получаване на -глутарат и аланин. В черния дроб протича обратната реакция: от -глутарат и аланин се получава глутамат и пируват, използван за глюконеогенеза.

4) Глутамат е в основата на трансдезаминирането, главния път за разграждане на аминокиселините, благодарение на високоактивната глутамат дехидрогеназа.

5) Глутамат доставя водород за дихателните вериги.

6) Глутамат участва в синтезата на метаболити, необходими за урейния цикъл: аспартат, орнитин, N-ацетилглутамат (алостеричен активатор на карбамилфосфат синтетаза І).

7) Глутамат, както и получавания от него биогенен амин -аминомаслена киселина, действат като невротрансмитери в централната нервна система.

8) Глутамат участва в образуването на глутатион (-глутамил-цистеил-глицин), важна редокс-система, необходима за обезвреждане на токсични свободни радикали и за поддържане -SH групите на много ензими в редуцирано състояние.

9) Глутамат и глутатион участват и в т.н. -глутамилов цикъл, чрез който аминокиселините преминават клетъчната мебрана и постъпват в клетките.

8.3 Разграждане въглеродния скелет на аминокиселините

8.4 Синтези на аминокиселини и техни производни биологически активни вещества

8.5 Приложение на познанията върху обмяна на аминокиселини в медицината: Метилмалонилемия

В рамките на този курс не влиза подробното разглеждане на катаболизма на всяка от двадесетте аминокиселини. Обмяната на аминокиселините обаче изобилства с примери за ползата от тези познания за разбиране и справяне с различни генетично обусловени заболявания. В т. 2.5.3. е разгледана фенилкетонурия (фиг. 2-24). В т. 8.6 една от препоръчваните симулации е посветена на фенилкетонурия.

Метилмалонилемия

По-долу е представено резюме от статията на M. Hoffman "Научни детективи решават случай с две мистериозни убийства" в научното списание Science, 253, 1991, 931. В нея е описан случай, в който майка е обвинена в убийство на двете си деца. Благодарение намесата на учени биохимици случаят е разгадан и майката оправдана. В същност децата умират от рядък генетичен дефект метилмалонилемия. Този дефект се дължи на недостатъчност на ензима метилмалонил-КоА мутаза. Действието на този ензим е разгледано при разграждане на мастни киселини с нечетен брой въглеродни атоми (т. 7.1.2.5 и фиг. 7-4). Но метилмалонилКоА се получава и при разграждане на аминокиселините валин, изолевцин и метионин. Превръщането на метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА се катализира от малонил-КоА мутазата.