Окисление аминокислот реакция. Аминокислоты — номенклатура, получение, химические свойства

Основная часть аминокислот, которые образуются в кишечнике из белков, поступает в кровь (95%) и небольшая часть — в лимфу. По воротной вене аминокислоты попадают в печень, где расходуются на биосинтез различных специфических белков (альбуминов, глобулинов, фибриногена). Другие аминокислоты током крови разносятся ко всем органам и тканям, транспортируются внутрь клеток, где они используются для биосинтеза белков.

Неиспользованные аминокислоты окисляются до конечных продуктов обмена. Процесс расщепления тканевых белков катализируется тканевыми ферментами – протеиназами — катепсинами (часто их называют тканевыми протеазами).

Соотношение между аминокислотами в белках, которые распадаются и синтезируются, разное, поэтому часть свободных аминокислот должна быть преобразована в другие аминокислоты или окислена до простых соединений и выведена из организма.

Итак, в организме существует внутриклеточный запас аминокислот, которые в значительной мере пополняется за счет процессов взаимопревращения аминокислот, гидролиза белков, синтеза аминокислот и поступления их из внеклеточной жидкости. В то же время благодаря синтезу белков и другим реакцям (образование мочевины, пуринов и т.п.) постоянно происходит удаление свободных аминокислот из внеклеточной жидкости.

Пути обмена аминокислот в тканях.

В основе различных путей обмена аминокислот лежат три типа реакций: по аминной и карбоксильной группам и по боковой цепи. Реакции по аминной группе включают процессы дезаминирования, переаминирования, аминирования , по карбоксильной группе — декарбоксилирование. Безазотистая часть углеродного скелета аминокислот подвергается различным превращениям с образованием соединений, которые затем могут включаться в цикл Кребса для дальнейшего окисления.

Пути внутриклеточного превращения аминокислот сложны и перекрещиваются со многими другими реакциями обмена, в результате чего промежуточные продукты обмена аминокислот могут служить необходимыми предшественниками для синтеза различных компонентов клеток и быть биологически активными веществами.

Катаболизм аминокислот у млекопитающих (и у человека) происходит, в основном, в печени и немного слабее в почках.

Дезаминирование аминокислот.

Суть дезаминирования заключается в расщеплении аминокислот под действием ферментов на аммиак и безазотистый остаток (жирные кислоты, оксикислоты, кетокислоты). Дезаминирование может идти в виде восстановительного, гидролитического, окислительного и внутримолекулярного процессов. Последние два типа превалируют у человека и животных.

Окислительное дезаминирование подразделяется на две стадии. Первая стадия является ферментативной, она заканчивается образованием неустойчивого промежуточного продукта – иминокислоты (карбоновые кислоты, содержащие иминогруппу (=NH), которая во второй стадии спонтанно в присутствии воды распадается на аммиак и aльфа-кетокислоту. Ферменты, которые катализируют этот процесс, содержат в качестве простетической группы (органические соединение небелковой природы) НАД (никотинамидадениндинуклеотид) или ФАД (флавинадениндинуклеотид).

В организме человека наиболее активно протекает дезаминирование глутаминовой кислоты под действием фермента глутаматдегидрогеназы , которая находится в митохондриях клеток всех тканей. В результате этого процесса образует альфа-кетоглутаровая кислота, которая участвует во многих процессах обмена веществ.

Трансаминирование (переаминирование) аминокислот.

Обязательным условием трансаминирования является участие дикарбоновых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой), которые в виде соответствующих им кетокислот — альфа-кетоглутаровой и щавелевоуксусной могут взаимодействовать со всеми аминокислотами, за исключением лизина, треонина и аргинина.

При переаминировании происходит непосредственный перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту, а кетогруппы — с кетокислоты на аминокислоту без освобождения при этом аммиака. Этот процесс протекает в несколько этапов. Реакцию катализируют ферменты, относящиеся к классу трансфераз, их простетической группой является фосфорпиридоксаль-фосфорный эфир витамина В 6 . Процесс переаминирования широко распространен в живой природе. Его особенность — легкая обратимость.

Реакции переаминирования играют большую роль в обмене веществ. От них зависят такие важнейшие процессы, как биосинтез многих заменимых аминокислот из соответствующих им кетокислот, распад аминокислот, объединение путей углеводного и аминокислотного обмена, когда из продуктов распада глюкозы, например, пировиноградной кислоты, может образоваться аминокислота аланин и наоборот.

Восстановительное аминирование.

Этот процесс противоположен дезаминированию. Он обеспечивает связывание аммиака кетокислотами с образованием соответствующих аминокислот. Восстановительное аминирование катализируется хорошо функционирующей ферментной системой, обеспечивающей аминирование aльфа-кетоглутаровой или щавелевоуксусной кислоты с образованием глутаминовой или аспарагиновой кислоты.

При обезвреживании аммиака неорганическими и органическими кислотами происходит образование аммонийных солей. Этот процесс осуществляется в почках. Образовавшиеся аммонийные соли выводятся из организма с мочой и потом.

Декарбоксилирование аминокислот.

Процесс декарбоксилирования катализируется декарбоксилазами, специфическими для каждой аминокислоты, простетической группой которых служит пиридоксальфосфат. Эти ферменты относятся к классу лиаз. Процесс декарбоксилирования, который заключается в отщеплении от аминокислот СО 2 с образованием аминов, можно показать на следующей схеме:

Механизм реакции декарбоксилирования аминокислот согласно общей теории пиридоксалевого катализа сводится к образованию пиридоксальфосфат-субстратного комплекса в активном центре фермента.

Таким путем из триптофана образуется триптамин, из гидрокситриптофана — серотонин. Из аминокислоты гистидина образуется гистамин . Из глутаминовой кислоты при декарбоксилировании образуется гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) .

Амины, образованные из аминокислот, называют биогенными аминами, так как они оказывают на организм мощный биологический эффект. Биогенные амины проявляют физиологическое действие в очень малых концентрациях. Так, введение в организм гистамина приводит к расширению капилляров и повышению их проницаемости, сужению крупных сосудов, сокращению гладких мышц различных органов и тканей, повышению секреции соляной кислоты в желудке. Кроме того, гистамин участвует в передаче нервного возбуждения.

Серотонин способствует повышению кровяного давления и сужению бронхов; его малые дозы подавляют активность центральной нервной системы, в больших дозах это вещество оказывает стимулирующее действие. В различных тканях организма большие количества гистамина и серотонина находятся в связанной, неактивной форме. Биологическое действие они проявляют только в свободной форме.

Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) накапливается в мозговой ткани и представляет собой нейрогуморальный ингибитор-медиатор торможения центральной нервной системы.

Большие концентрации этих соединений могут представлять угрозу для нормального функционирования организма. Однако в животных тканях имеется аминоксидаза , расщепляющая амины до соответствующих альдегидов, которые потом превращаются в жирные кислоты и распадаются до конечных продуктов.

«Обмен аминокислот в тканях» — это третья статья из цикла «Обмен белков в организме человека». Первая статья – «Расщепление белков в пищеварительном тракте ». Вторая статья «

В первом разделе данной главы уже охарактеризована необходимость и основная стратегия расщепления аминокислот. Она объясняется невозможностью запасания аминокислот впрок и невозможностью их выведения из клеток целиком. Избыточные аминокислоты используются организмами как метаболическое топливо : их углеродные скелеты при перестройках определенного рода могут вовлекаться в биосинтез жирных кислот, глюкозы, кетоновых тел, изопреноидов и др., а также окисляться в ЦТК, обеспечивая клетку энергией. Следует отметить, что многие микроорганизмы, в частности аэробные бактерии, способны использовать отдельные аминокислоты в качестве единственного источника энергии и углерода. У анаэробных микроорганизмов, при отсутствии в клетках цикла трикарбоновых кислот, выработался другой механизм: катаболизм аминокислот в парах, когда одна из них служит донором электронов, а вторая-акцептором. Важно, что в таком процессе происходит образование АТР.

Кроме углеродных скелетов, при деградации аминокислот образуется аминный азот, который в отличие от углерода не пригоден для получения энергии за счет окисления, и более того, является токсичным для клеток. Поэтому те аминогруппы, которые не могут повторно использоваться в биосинтезе, превращаются в мочевину (или другие вещества) и выводятся из организма.

Ниже будут рассмотрены основные типы реакций, в которые могут вступать аминокислоты: реакции по a-аминогруппе, карбоксильной группе и боковой цепи.

Расщепление аминокислот по аминогруппе . Эти процессы представлены в основном реакциями трансаминирования и дезаминирования по a-аминогруппе. Реакции трансаминирования уже были рассмотрены в разделе, касающемся биосинтеза аминокислот. Они катализируются трансаминазами (аминотрансферазами), отличительной особенностью которых является использование пиридоксальфосфата (производное витамина В 6) в качестве простетической группы. Наибольшее значение в процессах деградации аминокислот имеют глутамат-трансаминаза и аланин-трансаминаза. Эти ферменты выполняют роль «воронок», собирающих аминогруппы от разных аминокислот и включающих их в состав глутамата и аланина. У животных эти две аминокислоты служат переносчиками накапливающегося аминного азота из тканей в печень. В печени аминогруппа аланина переносится аланинтрансаминазой на a-кетоглутарат с образованием глутамата:

Таким образом, большинство аминогрупп различных аминокислот оказывается в составе глутамата, который легко подвергается дезаминированию.

Реакции дезаминирования аминокислот приводят к освобождению NH 2 -группы в виде аммиака и осуществляются тремя разными путями. Различают окислительное, гидролитическое и прямое дезаминирование (рис. 16.12). Наиболее распространенным типом является окислительное дезаминирование , которое осуществляется по a-аминогруппе и катализируется в основном глутаматдегидрогеназой - типичным для печени ферментом. Необычным свойством этого фермента является способность использовать как NAD, так и NADP в качестве коферментов. Активность глутаматдегидрогеназы регулируется аллостерическими активаторами (ADP, GDP) и ингибиторами (ATP, GTP).

Окислительное дезаминирование осуществляется в две стадии с образованием иминокислоты в качестве промежуточного продукта, который спонтанно гидролизуется, превращаясь в кетокислоту и аммиак (рис. 16.12). Обе реакции обратимы, и их константы равновесия близки к единице. Ранее (рис. 16.3) было показано, как в ходе обратной реакции аммиак включается в состав глутамата. Можно считать, что реакция образования и дезаминирования глутамата является центральной реакцией в процессе метаболизма аммиака.

У многих организмов окислительное дезаминирование осуществляется с помощью дегидрогеназ, использующих флавиновые кофакторы (FMN, FAD). Эти ферменты называют оксидазами аминокислот. Они характеризуются широкой субстратной специфичностью: одни специфичны к L-аминокислотам, другие - к их D-аналогам. Считается, что эти ферменты вносят небольшой вклад в обмен аминогрупп.

Гидролитическому дезаминированию подвержены немногие аминокислоты, из протеиногенных - аспарагин и глутамин. При их дезаминировании образуются соответственно аспартат и глутамат. Этот процесс правильнее называть дезамидированием, поскольку он осуществляется за счет амидной группы (рис. 16.12). В редких случаях таким путем отщепляется и aаминогруппа аминокислоты, тогда образуются аммиак и оксикислота.

В результате прямого (внутримолекулярного) дезаминирования возникают ненасыщенные соединения. Прямому дезаминированию обычно подвергается гистидин, а также серин. Однако первичная ферментативная атака серина приводит к отщеплению молекулы воды (фермент-серингидратаза), и в этом превращении участвует боковая гидроксильная группа серина. Спонтанному дезаминированию в данном случае подвергается нестабильное промежуточное соединение - аминоакрилат. Продуктом суммарной реакции является пируват, и этот тип дезаминирования вызывается перестройкой в боковой цепи аминокислоты.

Реакции аминокислот по карбоксильной группе . Превращения по карбоксильной группе аминокислот могут использоваться организмами для деградации этих молекул, а также для превращения в другие, необходимые клетке соединения, в первую очередь аминоациладенилаты и биогенные амины. Образование аминоациладенилатов на подготовительной стадии синтеза белка уже было описано в главе 3. Биогенные амины возникают в реакциях, катализируемых декарбоксилазами аминокислот. Эти ферменты широко распространены у животных, растений и особенно у микроорганизмов, причем известно, что у патогенных микроорганизмов декарбоксилазы могут служить факторами агрессии , с помощью которых возбудитель проникает в соответствующие ткани. Декарбоксилазы L-аминокислот, так же как трансаминазы, используют в качестве простетической группы пиридоксальфосфат.

Моноамины (биогенные амины) выполняют в организмах разнообразные функции. Например, этаноламин, образующийся при декарбоксилировании серина, является составной частью полярных липидов. При декарбоксилировании цистеина и аспартата образуются соответственно цистеамин и b-аланин, которые входят в состав такого важного для клеток кофермента, как коэнзим А. Декарбоксилирование гистидина приводит к образованию гистамина - медиатора, участвующего в регуляции скорости метаболических процессов, деятельности желез внутренней секреции, регуляции кровяного давления у животных. Многие другие биогенные амины выполняют функции сигнальных веществ, в частности широко распространенных у животных и человека нейромедиаторов.

Реакции аминокислот по боковой цепи . Насколько разнообразна структура радикалов аминокислот, настолько разнообразны и химические превращения, которым они могут подвергаться. Среди этих многообразных реакций можно выделить те, которые позволяют клетке получать из одних аминокислот другие. Например, тирозин образуется при окислении ароматического кольца фенилаланина; гидролиз аргинина приводит к формированию орнитина (см. цикл мочевины); расщепление треонина сопровождается образованием глицина и т. п.

Кроме этих реакций, важное значение имеют превращения боковых групп, связанные с возникновением физиологически активных веществ. Так, из тирозина образуется гормон адреналин, из триптофана образуются никотиновая кислота (витамин РР, входящий в состав никотинамидных коферментов) и индолилуксусная кислота (ростовое вещество), из цистеина-меркаптуровые кислоты (участвуют в обезвреживании ароматических соединений). Уже отмечалась возможность превращения серина в пируват при дегидратации его боковой цепи и дезаминировании.

Таким образом, разнообразные химические превращения аминокислот могут приводить к образованию биологически активных веществ с широким спектром действия и, кроме того, к отщеплению аминогрупп в виде аммиака с формированием углеродных скелетов. В следующем разделе будет рассмотрена судьба аммиака и углеродных атомов расщепленных аминокислот.

Аминокислоты - гетерофункциональные соеди­нения, которые обязательно содержат две функцио­нальные группы: аминогруппу - NH 2 и карбоксиль­ную группу -СООН, связанные с углеводородным радикалом.Общую формулу простей­ших аминокислот можно за­писать так:

Так как аминокислоты со­держат две различные функ­циональные группы, которые оказывают влияние друг на друга, характерные реакции отличают­ся от характерных реакций карбоновых кислот и аминов.

Свойства аминокислот

Аминогруппа - NH 2 определяет основные свой­ства аминокислот, т. к. способна присоединять к себе катион водорода по донорно-акцепторному механизму за счет наличия свободной электронной пары у атома азота.

Группа -СООН (карбоксильная группа) опреде­ляет кислотные свойства этих соединений. Следовательно, аминокислоты - это амфотерные орга­нические соединения. Со щелочами они реагируют как кислоты:

С сильными кислотами- как основания-амины:

Кроме того, аминогруппа в аминокислоте всту­пает во взаимодействие с входящей в ее состав кар­боксильной группой, образуя внутреннюю соль:

Ионизация молекул аминокислот зависит от кислотного или щелочного характера среды:

Так как аминокислоты в водных растворах ве­дут себя как типичные амфотерные соединения, то в живых организмах они играют роль буферных веществ, поддерживающих определенную концен­трацию ионов водорода.

Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разло­жением при температуре выше 200 °С. Они растворимы в воде и нерастворимы в эфире. В зависи­мости от радикала R- они могут быть сладкими, горькими или безвкусными.

Аминокислоты подразделяют на природные (обнаруженные в живых организмах) и синтети­ческие. Среди природных аминокислот (около 150) выделяют протеиногенные аминокислоты (около 20), которые входят в состав белков. Они представляют собой L-формы. Примерно полови­на из этих аминокислот относятся к незамени­мым , т. к. они не синтезируются в организме че­ловека. Незаменимыми являются такие кислоты, как валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, ли­зин, треонин, цистеин, мети­онин, гистидин, триптофан. В организм человека данные вещества поступают с пи­щей. Если их количество в пище будет недостаточ­ным, нормальное развитие и функционирование орга­низма человека нарушаются. При отдельных заболеваниях организм не в состоянии син­тезировать и некоторые другие аминокислоты. Так, при фенилкетонурии не синтезируется тирозин. Важнейшим свойством аминокислот является способность вступать в молекулярную конденса­цию с выделением воды и образованием амидной группировки -NH-СО-, например:

Получаемые в результате такой реакции высокомолекулярные соединения содержат большое число амидных фрагментов и поэтому получили название полимамидов.

К ним, кроме названного выше синтетического волок­на капрона, относят, напри­мер, и энант, образующийся при поликонденсации аминоэнантовой кислоты. Для получения синтетических во­локон пригодны аминокис­лоты с расположением амино- и карбоксильной групп на концах молекул.

Полиамиды альфа-аминокислот называются пепти­дами . В зависимости от числа остатков аминокислот различают дипептиды, трипептиды, полипепти­ды . В таких соединениях группы -NH-СО- на­зывают пептидными.

Часть аминокислот подвергается распаду и превращается в конеч­ные продукты: С0 2 , Н 2 0 и NH 3 .

Распад начинается с реакций, общих для большинства аминокислот. К ним относятся:

а) декарбоксилирование - отщепление от аминокислот карбок­сильной группы в виде углекислого газа:

Это превращение аминокислот обычно протекает с очень низкой скоростью и аминов образуется мало. Но некоторые амины, находясь в очень низкой концентрации, обладают высокой биологической активностью и влияют на различные функции организма. Примером такого амина является гистамин, образующийся из аминокислоты гистидина.

б) дезаминирование - отщепление аминогруппы в виде NH 3 . У че­ловека дезаминирование аминокислот идет окислительным путем:

Дезаминирование аминокислот также протекает с низкой скоростью. И только одна аминокислота – глутаминовая – дезаминируется с высокой скоростьювследствие наличияв организме активного фермента, вызывающего дезаминирование только этой аминокислоты.

в) трансаминирование (переамииирование) - реакция между аминокислотами и а-кетокислотами. В ходе этой реакции ее участники обмениваются функциональными группами, в результате чего амино­кислота превращается в а-кетокислоту, а кетокислота становится ами­нокислотой:

Трансаминированию подвергаются все аминокислоты. В этой реак­ции участвует кофермент - фосфопиридоксаль, для образования кото­рого необходим витамин В 6 - пиридоксин.

Трансаминирование - это главное превращение аминокислот в ор­ганизме, так как его скорость значительно выше, чем у реакций декарбоксилирования и дезаминирования.

Трансаминирование выполняет две основные функции:

а) за счет трансаминирования одни аминокислоты могут превра­щаться в другие. При этом общее количество аминокислот не меняется, но изменяется соотношение между ними. С пищей в организм посту­пают чужеродные белки, у которых аминокислоты находятся в иных пропорциях по сравнению с белками организма. Путем трансаминирования происходит корректировка аминокислотного состава организма.

б) является составной частью косвенного (непрямого) дезаминирования аминокислот - процесса, с которого начинается распад боль­шинства аминокислот. На первой стадии этого процесса аминокислоты вступают в реакцию трансаминирования с а-кетоглутаровой кислотой (а-кетокислота). Аминокислоты при этом превращаются в а- кетокислоты, а а-кетоглутаровая кислота переходит в глутаминовую кислоту (аминокислота). На второй стадии появившаяся глутаминовая кислота подвергается дезаминированию, от нее отщепляется NH 3 и снова образуется а-кетоглутаровая кислота.

Итоговое уравнение косвенного дезаминирования совпадает с уравнением прямого дезаминирования. Однако у косвенного дезаминирования скорость значительно выше прямого, что обусловлено высокой активностью ферментов, катализирующих обе стадии этого процесса.

Отсюда следует, что реакцией, с которой начинается распад аминокислот, является трансаминирование.

Образовавшиеся а-кетокислоты далее подвергаются глубокому рас­паду и превращаются в конечные продукты С0 2 и Н 2 0. Для каждой из 20 кетокислот (их образуется столько же, сколько имеется видов ами­нокислот) имеются свои специфические пути распада. Однако при рас­паде некоторых аминокислот в качестве промежуточного продукта об­разуется пировиноградная кислота, из которой возможен синтез глюко­зы. Поэтому аминокислоты, из которых возникают такие кетокислоты, получили название глюкогенные. Другие же кетокислоты при своем распаде не образуют пирувата. Промежуточным продуктом у них явля­ется ацетилкофермент А, из которого невозможно получить глюкозу, но зато могут синтезироваться кетоновые тела. Аминокислоты, соот­ветствующие таким кетокислотам, называются кетогенные.

Второй продукт косвенного дезаминирования аминокислот - амми­ак. Для организма аммиак является высокотоксичным. Поэтому в ор­ганизме имеются молекулярные механизмы его обезвреживания.

Вопрос49. Обезвреживание аммиака. синтез глутаминовой кислоты (восстановительное аминирование) – взаимодействие α-кетоглутарата с аммиаком. Реакция по сути обратна реакции окислительного дезаминирования, однако в качестве кофермента используется НАДФН. Происходит практически во всех тканях, кроме мышечной, но имеет небольшое значение, т.к. для глутаматдегидрогеназы предпочтительным субстратом является глутаминовая кислота и равновесие реакции сдвинуто в сторону α-кетоглутарата,

Реакция синтеза глутаминовой кислоты

синтез глутамина – взаимодействие глутамата с аммиаком. Является главным способом уборки аммиака, наиболее активно происходит в нервной и мышечной тканях, в почках, сетчатке глаза, печени. Реакция протекает в митохондриях.

Реакция синтеза глутамина

Образование большого количества глутамина обеспечивает высокие концентрации его в крови (0,5-0,7 ммоль/л).

Так как глутамин проникает через клеточные мембраны путем облегченной диффузии, то он легко попадает не только в гепатоциты, но и в другие клетки, где есть потребность в аминогруппах . Азот, переносимый глутамином, используется клетками для синтеза пуринового и пиримидинового колец, гуанозинмонофосфата (ГМФ), аспарагина, глюкозамино-6-фосфата (предшественник всех остальных аминосахаров).

синтез аспарагина – взаимодействие аспартата с аммиаком. Является второстепенным способом уборки аммиака, энергетически невыгоден, т.к. при этом тратятся 2 макроэргические связи,

Реакция синтеза аспарагина

синтез карбамоилфосфата в митохондриях печени – реакция является первой в процессе синтеза мочевины , средства для удаления аммиака из организма.

Вопрос: 49 Обезвреживание аммиака.

Высокая интенсивность процессов дезаминирования аминокислот в тканях и очень низкий уровень аммиака в крови свидетельствуют о том, что в клетках активно происходит связывание аммиака с образованием нетоксичных соединений, которые выводятся из организма с мочой. Эти реакции можно считать реакциями обезвреживания аммиака. В разных тканях и органах обнаружено несколько типов таких реакций.

Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма, является

синтез глутамина под действием глутамин-синтетазы:

Глутаминсинтетаза локализована в митохондриях клеток, для работы фермента необходим кофактор - ионы Mg 2+ . Глутаминсинтетаза - один из основных регуляторных ферментов обмена аминокислот и аллостерически ингибируется АМФ, глюкозо-6-фосфатом, а также Гли, Ала и Гис.

Глутамин легко транспортируется через клеточные мембраны путём облегчённой диффузии (для глутамата возможен только активный транспорт) и поступает из тканей в кровь. Основными тканями-поставщикам:и глутамина служат мышцы, мозг и печень. С током крови глутамин транспортируется в кишечник и почки.

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

Образовавшийся в реакции глутамат подвергается трансаминированию с пируватом. ос-Аминогруппа глутаминовой кислоты переносится в состав аланина (рис. 9-10). Большие количества аланина поступают из кишечника в кровь воротной вены и поглощаются печенью. Около 5% образовавшегося аммиака удаляется в составе фекалий, небольшая часть через воротную вену попадает в печень, остальные ~90% выводятся почками.

Рис. 9-10. Метаболизм азота глутамина в кишечнике.

В почках также происходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием аммиака. Этот процесс является одним из механизмов регуляции кислотно щелочного равновесия в организме и сохранения важнейших катионов для поддержания осмотического давления. Глутаминаза почек значительно индуцируется при ацидозе, образующийся аммиак нейтрализует кислые продукты обмена и в виде аммонийных солей экскретируется с мочой (рис. 9-11). Эта реакция защищает организм от излишней потери ионов Na + и К + , которые также могут использоваться для выведения анионов и утрачиваться. При алкалозе количество глутаминазы в почках снижается.

В почках образуется и выводится около 0,5 г солей аммония в сутки.

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

Рис. 9-11. Метаболизм амидного азота глутамина в почках.

нуклеотидов, аспарагина, аминосахаров и других соединений (рис. 9-12).

Рис. 9-12. Пути использования глутамина в организме.

Ещё одной реакцией обезвреживания аммиака в тканях можно считать синтез аспарагина под действием аспарагинсинтетазы.

Существуют 2 изоформы этого фермента - глутаминзависимая и аммиакзависимая, которые используют разные доноры амидных групп. Первая функционирует в животных клетках, вторая преобладает в бактериальных клетках, но присутствует и у животных. Однако такой путь обезвреживания аммиака в клетках человека используется редко и к тому же требует больших энергетических затрат (энергию двух макроэргических связей), чем синтез глутамина.

Наиболее значительные количества аммиака обезвреживаются в печени путём синтеза мочевины. В первой реакции процесса аммиак связывается с диоксидом углерода с образованием карбамоилфосфата, при этом затрачиваются 2 молекулы АТФ. Реакция происходит в митохондриях гепатоцитов под действием фермента карбамоилфос-фатсинтетазы I. Карбамоилфосфатсинтетаза II локализована в цитозоле клеток всех тканей и участвует в синтезе гшримидиновых нуклеотидов (см. раздел 10). Карбамоилфосфат затем включается в орнитиновый цикл и используется для синтеза мочевины.

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 NH 3 .

Из мышц и кишечника избыток аммиака выводится преимущественно в виде аланина. Этот механизм необходим, так как активность глутаматдегидрогеназы в мышцах невелика и непрямое дезаминирование аминокислот малоэффективно. Поэтому в мышцах существует ещё один путь выведения азота. Образование аланина в этих органах можно представить следующей схемой (см. схему ниже).

Аминогруппы разных аминокислот посредством реакций трансаминирования переносятся на пируват, основным источником которого служит процесс окисления глюкозы.

Мышцы выделяют особенно много аланина в силу их большой массы, активного потребления

Схема

глюкозы при физической работе, а также потому, что часть энергии они получают за счёт распада аминокислот. Образовавшийся аланин поступает в печень, где подвергается непрямому дезаминированию. Выделившийся аммиак обезвреживается, а пируват включается в глюконеогенез. Глюкоза из печени поступает в ткани и там, в процессе гликолиза, опять окисляется до пирувата (рис. 9-13).

Образование аланина в мышцах, его перенос в печень и перенос глюкозы, синтезированной в печени, обратно в мышцы составляют глюкозо-аланиновый цикл, работа которого сопряжена с работой глюкозо-лактатного цикла (см. раздел 7).

Совокупность основных процессов обмена аммиака в организме представлена на рис. 9-14. Доминирующими ферментами в обмене аммиака служат глутаматдегидрогеиаза и глутаминсинтетаза.

Вопрос 50. Биологическая роль витаминов. Основные причины гиповитаминозов.Биологическая роль- они входят в состав коферментов и простетических групп ферментов, и следовательно используются организмом как строительный материал при синтезе соответствующих небелковых частей ферментов.Гиповитаминоз- специфическое заболевание протекающие в более легкой форме по сравнению в авитаминозами, вызываемым недостаточным содержанием отдельных витаминов в организме.Причины: Экзогенные(связанные с питанием)неправильное приготовление пищи, приготовление пищи с малым кол-вом витаминов, однообразное питание. Эндогенные (связанные с состоянием организма)заболевание ЖКТ и печени, угнетение микрофлоры кишечника, повышенная потребность в витаминах(напр: беременность)

50. Биологическая роль витаминов, основные причины гиповитаминоза.

Биологическая роль витаминов.

Витамины – это органические соединения с низкомолекулярной структурой. Поступают в организм, в основном, с пищей, так как организм их синтезирует в крайне ограниченных количествах.

Виды витаминов:

· Водорастворимые витамины (витамины группы В: В 1 , В 2 ,В 6 , В 12 , ВС; С; РР; Р; Н). Эти витамины участвуют в образовании различных коферментов.

· Жирорастворимые витамины (A 1 , D 2 , D 3 ,К и Е) участвуют в определении и поддержании функциональности субклеточных структур и клеточных мембран.

При значительном дефиците витаминов все процессы в организме не могут протекать в нормальном режиме, что вызывает нарушения в деятельности органов и их систем.

Витамин А (ретинол) нужен для поддержания красивой кожи, волос и всех слизистых, нормальной работы зрительной системы. Без него невозможно гармоничное формирование организма в период отрочества.

· Витамин В 1 (тиамин) координирует углеводный обмен, поставляющий в организм энергию, поддерживает работу нервной, пищеварительной, дыхательной системы.

· Витамин В 2 (рибофлавин) отвечает за способность клеток к восстановлению, поэтому при его недостатке даже маленькие кожные трещинки заживают с трудом. Незаменима его функция в процессах окисления и синтеза в организме, а также в поддержании функциональности вегетативного отдела нервной системы.

· Витамин В 6 (пиридоксин) – участник обмена белков и жиров, стимулирующий использование организмом природных антиоксидантов в виде ненасыщенных жирных кислот. Определенная доля этого витамина образуется микрофлорой кишечника.

· Витамин В 12 (цианокобаламин) принимает важное участие в процессах кроветворения и белковом обмене. Благодаря этому витамину каротин усваивается организмом, переходя в витамин А. Образуется в толстом кишечнике.

· Витамины группы D участвуют в кальциево-фосфорном обмене, поддержке здоровья эндокринных желез. При недостатке - происходит нарушение образования зубов и костей, поражаются мышцы, ухудшается работа пищеварительной, ССС и НС.

· Витамин С является важным компонентом окислительно-восстановительных процессов, препятствующим образованию опухолей. Без него не обходятся процессы кроветворения, усвоения железа. Он нужен для поддержки иммунитета.

· Витамин Е (токоферола ацетат) – природный антиоксидант, поддерживающий репродуктивные функции.

· Витамин РР – один из основных регуляторов обмена веществ, при недостатке которого большинство тканей и органов подвергаются патологическим изменениям.

Причины гиповитаминова.

· Нехватка витамина в рационе, несбалансированное питание

· Разрушение питательных веществ в содержащей их пище вследствие нарушений условий хранения или в результате температурной или иной кулинарной обработки

· Действие веществ-антагонистов, которые содержатся в тех или иных продуктах и приводят к разрушению витаминов, нарушению их усвоения (в частности, белок яйца затрудняет усвоение биотина).

Гиповитаминоз также может быть обусловлен эндогенными (внутренними причинами):

Генетически обусловленные дефекты ферментных систем, транспортных функций, обеспечивающих всасывание и распределение витаминов.

Прием некоторых лекарственных препаратов также может вызвать гиповитаминоз.

Увеличение потребности человека в витаминах(беременность и кормление, периоды повышенной физической и психической нагрузки, интенсивный рост в подростковом и детском возрасте).

51. В1, В2, В6, РР . Витамин В1.(Тиамин). Используется для синтеза кофермента тиаминдифосфата, необходимого для аэробного распада углеродов. Суточная потребность 2-3мг.Витамин В2.(Рибофлавин). Используется для синтеза коферментов тканевого дыхания-ФАД и ФМН, участвующих в переносе атомов водорода в дыхательной цепи митохондрий. ФАД (флавинадениндинуклеотид) - кофермент, состоящий из двух нуклеотидов соединенных между собой остатками фосфорной кислоты. В состав одного из нуклеотидов входит витамин В2. Совместно в флавиновыми ферментами участвует в переносе атомов водорода в дыхательной цепи митохондрий. ФМН (флавинмононуклеотид) - кофермент, являющийся по строению нуклеотидом, содержащим витамин В2. Совместно с флавиновыми ферментами участвует в переносе атомов водорода в дыхательной цепи митохондрий. Витамин В6. (Пиридоксин). Используется для синтеза кофермента фосфопиридоксаля, участвующего в трансаминировании аминокислот. Суточная потребность 2-3мг. Витамин РР. (Никотинамид). Используется для синтеза коферментов НАД (Никотинамидадениндинуклеотид): необходимого для переноса атомов водорода в дыхательной цепи митохондрий, и НАДФ участвующего в пентозном цикле. Суточная потребность 15-25мг.

Витамины С и Р.

Витамин С (Аскорбиновая кислота).

Биологическая роль. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях. Особенно велика роль витамина С в гидроксировании аминокислот пролина и лизина соответственно в оксипролин и оксилизин при синтезе белка коллагена, а также в синтезе гармона надпочечников.

Цинга.

Пищевые источники- Цитрусовые, красный перец, смородина, рябина клюква, квашенная капуста, хвоя.

Суточная потребность- 50-100 мг.

Витамин Р.

Витамин проницаемости (рутин)

Биологическая роль. Совместно в витамином С учувствует в окислительно-восстановительных реакциях, снижает проницаемость стенок кровеносных сосудов, обладает антиоксидантными свойствами.

Проявление авитаминоза или гиповитаминоза-кровоизлияния

Пищевые источники- Цитрусовые, гречиха, красный перец, черноплодная рябина, черная смородина

Суточная потребность- Не установлена.

Витамины В12 и В6.

Витамин В12 (Цианокобаламин).

Биологическая роль-используется для синтеза коферментов,участвующих в переносе метильной группы(-СН3),с последующим включением ее в синтезируемые вещества.

Проявление авитаминоза или гиповитаминоза- Анемия

Пищевые источники- Печень, почки, мясо, яйца,сыр. Синтезируется микрофлорой кишечника при условии поступления с пищей кобальта.

Суточная потребность - 2-3 мкг.

Витамин В6.

Пиридоксин

Биологическая рольиспользуется для синтеза кофермента фосфопиридоксаля, участвующего в трансаминировании аминокислот.

Проявление авитаминоза или гиповитаминоза - Дерматид

Пищевые источники- печень, почки, мясо, яичный желток. Синтезируется микрофлорой кишечника.

Суточная потребность- 2-3 мг.

Жирорастворимые витамины.

Витамин А(ретинол)

Биологическая роль– участвует в восприятии света сетчаткой глаза. Оказывает влияние на барьерную функцию кожи, слизистых оболочек и на проницаемость клеточных мембран.

Проявление авитаминоза или гиповитаминоза- Ксерофтальмия (сухость роговой оболочки глаза), кератомаляция (разрушение роговой оболочки),сумеречная или «куриная слепота»

Пищевые источники-Жир печени морских рыб, говяжья и свиная печень, яичный желток, морковь.

Суточная потребность -2-3 мг.

Витамин D (Кальциферол)

Биологическая роль - участвует во всасывании в кишечнике ионов Са, их транспорте кровью и во включении их в состав костной ткани и в процессе окостенения

Проявление авитаминоза или гиповитаминоза - рахит.

Пищевые источники: Жир печени морских рыб, сливочное масло, растительные масла,яйца, молоко.

Суточная потребность - 13-25 мкг для детей и для беременных, 7-12 мкг для взрослых.

Витамин Е.(токоферол).

Биологическая роль-является главным антиоксидантом организма, предохраняющим от окисления полиненасыщенные жирные кислоты, входящие в биологические мембраны.

Проявление авитаминоза или гиповитаминоза: У экспериментальных животных- бесплодие, мышечная дистрофия.

Пищевые источники- злаки, растительные масла, мясо сливочное масло.

Суточная потребность-5-10мг.

Витамин К (Филлюхинон).

Биологическая роль - участвует в синтезе некоторых факторов свертывания крови(в том числе протромбина)

Проявление авитаминоза или гиповитаминоза - повышенная кровоточивость

Пищевые источники- Печень, шпинат, морковь, капуста. Синтезируется микрофлорой кишечника

Суточная потребность -100 мкг.

55. Общие механизмы действия гормонов.
Гормоны – органические вещества, вырабатываются в железах внутренней секреции, поступают с кровью в различные органы и оказывают в них регулирующие влияние на метаболизм и физиологические функции. Синтезируются гормоны в ничтожно малых концентрациях.
В клетках гормонов, в которых реализуется действия гормонов (органы – мишени), имеются особые белки, называемые рецепторами гормонов. Эти белки обладают способностью специфические связывается только с определёнными гормонами, и поэтому органы – мишени избирательно извлекают из протекающей крови лишь те гормоны, которые необходимы данному органу. Такой механизм позволяет гормонам строго избирательно воздействовать на определённые органы. Рецепторные белки находится либо внутри клеток, либо встроены в клеточную мембрану.
Для некоторых гормонов (например, для адреналина и глюкагона) таким рецепторам является мембраносвязанный (встроенные в клеточную мембрану) фермент аденилатциклаза. Присоединение гормона к этому ферменту приводит к повышению его каталитической активности. Под действием активированной аденилатциклазы внутри клеток имеющиеся там АТФ превращается циклическую форму АМФ (цАМФ). Образовавшиеся цАМФ непосредственно участвует в регуляция клеточного метаболизма.
В клетках органов – мишеней содержится ферменты, разрушающие поступающие в них гормоны, а также цАМФ, что ограничивает действие гормонов во времени и предупреждает их накопление.
Чувствительность рецепторов и активность ферментов, расщепляющих гормоны, может меняться при нарушение метаболизма, изменениях физико-химических параметров организма (температура, кислотность, осмотическое давление) и концентрации важнейших субстратов, возникающих при заболеваниях, а также при выполнение мышечной работы. Следствием этого является усиление или ослабления влияние гормонов на соответствующие органы.
Внутриклеточные механизмы действия гормонов разнообразны. Но все же можно выделить три главных механизма, присущих большинству гормонов:
1. Влияют на скорость синтеза ферментов, ускоряя или замедляя его. В результате такого воздействия в органах – мишенях повышается или снижается концентрация определённых ферментов (изменение скорости ферментативных реакций).
2. Влияют на активность ферментов в органах: в одних случаях они являются активаторами ферментов и повышают скорость ферментативных реакций, в других оказывают ингибирующее свойство и снижают скорость ферментативного процесса.

3. Влияют на проницаемость клеточных мембран по отношению к определенным химическим соединениям. В результате этого в клетки поступает больше или меньше субстратов для ферментативных реакций, что сказывается на скорости химических процессов.

По химическому строению делятся на:

1. Гормоны белковой природы (белки и полипептиды): гормоны гипоталамуса, гормоны гипофиза, кальцитонин щитовидной железы, гормон паращитовидных желез, гормоны поджелудочной железы;

2. Гормоны - производные аминокислоты тирозина: йодсодержащие гормоны щитовидной железы, гормоны мозгового слоя надпочечников;

3. Гормоны стероидного строения: гормоны коры надпочечников, гормоны половых желез.
Синтез и выделение гормонов в кровь находится под контролем НС. При воздействии на организм каких-либо внешних факторов или при возникновении изменений в крови и в различных органах соответствующая информация передаётся по афферентным (чувствительным) нервам в ЦНС. В ответ на полученную информацию в гипоталамусе вырабатываются биологически активные вещества (гормоны гипоталамуса), которые затем поступают в гипофиз и стимулируют или тормозят в нём секрецию так называемых тропных гормонов (гормоны передней доли). Тропные гормоны выделяются из гипофиза в кровь, переносится в железы внутренней секреции и вызывают в них синтез и секрецию соответствующих гормонов, которые далее воздействуют на органы-мишени. Таким образом, в организме имеется единая нервно-гуморальная регуляция.
Все железы внутренней секреции оказывают друг на друга взаимное влияние. Введение в организм гормонов не только сказывается на функции железы, вырабатывающий вводимый гормон, ну и может оказать негативное воздействие на состояние всей нервной регуляция в целом.

56. Гормоны гипоталамуса и гипофиза .

Гипоталамус.

Либерины (рилизинг факторы)– Химическая природа гормона - белок

Стимулирует выделение в кровь гормонов передней доли гипофиза.

Статины (ингибирующие факторы)– Химическая природа гормона- белок

Тормозят выделения в кровь гормонов передней доли гипофиза.

Большую часть энергии организм получает в результате окисления углеводов и нейтральных жиров (до 90 %). Остальную часть ~ 10% за счет окисления аминокислот. Аминокислоты, прежде всего, используются для синтеза белка. Окисление их происходит:

1) если аминокислоты, образующиеся при обновлении белков не используются для синтеза новых белков;

2) если в организм поступает избыток белка;

3) в период голодания или при сахарном диабете, когда нет углеводов или их усвоение нарушено, в качестве источника энергии используются аминокислоты.

Во всех этих ситуациях аминокислоты теряют свои аминогруппы и превращаются в соответствующие α-кетокислоты, которые затем окисляются до СО 2 и H 2 O. Частично это окисление идет через цикл трикарбоновых кислот. В результате дезаминирования и окисления образуются пировиноградная кислота, ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА, α-кетоглутаровая кислота, сукцинил-КоА, фумаровая кислота. Некоторые аминокислоты могут превращаться в глюкозу, а другие – в кетоновые тела.

Пути обезвреживания аммиака в тканях животных

Аммиак токсичен, и накопление его в организме может привести к смерти. Существуют следующие пути обезвреживания аммиака:

1. Синтез аммонийных солей.

2. Синтез амидов дикарбоновых аминокислот.

3. Синтез мочевины.

Синтез аммонийных солей происходит ограниченно в почках, это как дополнительное защитное приспособление организма при ацидозах. Аммиак и кетокислоты частично используются для ресинтеза аминокислот и для синтеза других азотистых веществ. Кроме того, в тканях почек аммиак участвует в процессе обезвреживания оргинических и неорганических кислот, образуя с ними нейтральные и кислые соли:

R – COOH + NH 3 → R – COONH 4 ;

H 2 SO 4 + 2 NH 3 → (NH 4) 2 SO 4 ;

H 3 PO 4 + NH 3 → NH 4 H 2 PO 4

Этим путем организм защищается от потери с мочой при выведениикислот знпачительного количества катионов (Na, K, отчасти Са, Mg), что могло бы привести к резкому снижению щелочного резерва крови. Количество аммонийных солей, выводимых с мочой, заметно повышается при ацидозе, так как аммиак используется для нейтрализации кислоты. Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака является использование его для образования амидной связи глутамина и аспарагина. При этом из глутаминовой кислоты под действием фермента глутаминсинтетазы синтезируется глутамин, из аспарагиновой кислоты при участии аспарагинсинтетазы – аспарагин:

Этим путем происходит устранение аммиака во многих органах (мозг, сетчатка, почки, печень, мышцы). Амиды глутаминовой и аспарагиновой кислот могут образоваться и тогда, когда эти аминокислоты находятся в структуре белка, то есть акцептором аммиака может быть не только свободная аминокислота, но и белки, в состав которых они входят. Аспарагин и глутамин доставляются в печень и используются в синтезе мочевины. Аммиак переносится в печень и с помощью аланина (глюкозо-аланиновый цикл). Этот цикл обеспечивает перенос аминогрупп из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину, а работающие мышцы получают глюкозу. В печени глюкоза синтезируется из углеродного скелета аланина. В работающей мышце из α-кетоглутаровой кислоты образуется глутаминовая кислота, которая затем передает аминную группу - NH 2 пировиноградной кислоте, в результате синтезируется аланин – нейтральная аминокислота. Схематически указанный цикл выглядит следующим образом:

Глутаминовая кислота + пировиноградная кислота ↔

↔ α-кетоглутаровая кислота + аланин

Рис. 10.1. Глюкозо-аланиновый цикл.

Этот цикл выполняет две функции: 1) переносит аминогруппы из скелетных мышц в печень, где они превращаются в мочевину;

2) обеспечивает работающие мышцы глюкозой, поступающей с кровью из печени, где для ее образования используется углеродный скелет аланина.

Образование мочевины – основной путь обезвреживания аммиака. Этот процесс изучали в лаборатории И.П.Павлова. Показано, что мочевина синтезируется в печени из аммиака, CO 2 и воды.

Мочевина выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Главным местом синтеза мочевины в организме является печень. Сейчас доказано, что синтез мочевины происходит в несколько этапов.

1 стадия – образование карбамоилфосфата происходит в митохондриях под действием фермента карбомоилфосфат-синтетазы:

На следующей стадии с участием орнитина синтезируется цитруллин:

Цитруллин переходит из митохондрий в цитозоль клеток печени. После этого в цикл вводится вторая аминогруппа в форме аспарагиновой кислоты. Происходит конденсация молекул цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргинин-янтарной кислоты.

Цитруллин аспарагиновая аргинин-янтарная

кислота кислота

Аргинин-янтарная кислота расщепляется на аргинин и фумаровую кислоты.

Под действием аргиназы аргинин гидролизуется, образуется мочевина и орнитин. В дальнейшем орнитин поступает в митохондрии и может включиться в новый цикл обезвреживания аммиака, а мочевина выделяется с мочой.

Таким образом, в синтезе одной молекулы мочевины нейтрализуется две молекулы NH 3 и CO 2 (HCO 3), что также имеет значение в поддержании рН. Для синтеза одной молекулы мочевины расходуется 3 молекулы АТФ, в том числе две при синтезе карбомоилфосфата, одна для образования аргинин-янтарной кислоты; фумаровая кислота может превращаться в яблочную и щавелевоуксусную кислоты (цикл Кребса), а последняя в результате трансаминирования или восстановительного аминирования может превратиться в аспарагиновую кислоту. Некоторая часть азота аминокислот выделяется из организма в виде креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата.

Из всего азота мочи на долю мочевины приходится до 80-90%, аммонийных солей – 6 %. При избыточном кормлении белком доля азота мочевины возрастает, а при недостаточном белковом кормлении снижается до 60 %.

У птиц и рептилий – нейтрализация аммиака происходит путем образования мочевой кислоты. Птичий помет на птицефабриках - это источник азотсодержащего удобрения (мочевая кислота).