Белковый обмен и динамическое состояние белков тела
advertisement
Белковый обмен и динамическое состояние белков тела Белковый обмен занимает особое место в многообразных превращениях веществ, характерных для всех живых организмов. Выполняя ряд уникальных функций, свойственных живой материи, белки определяют не только микро- и макроструктуру отдельных субклеточных образований, специфику клеток, органов и целостного организма (пластическая функция), но и в значительной степени динамическое состояние между организмом и окружающей его внешней средой. Белковый обмен весьма строго специфичен, обеспечивая непрерывность воспроизводства и обновления белковых тел организма. В течение всей жизнедеятельности в организме постоянно и с высокой скоростью совершаются два противоположных процесса - распад, расщепление органических макромолекул и надмолекулярных структур и синтез этих соединений. Этими процессами обеспечиваются катаболические реакции и процессы синтеза строгой структурной организации живого из хаоса веществ окружающей среды, причем "тон" в последнем процессе задают именно белки. Все остальные виды обмена подчинены этой глобальной задаче живого - самовоспроизведению себе подобных путем программирования синтеза специфических белков, используя для этого энергию в виде липидов, строительный материал в виде углеродных остатков аминокислот при обмене углеводов и др. Белки, как и углеводы и жиры, выполняют также важную энергетическую роль, в особенности при избыточном их поступлении с пищей или когда белки тела подвергаются распаду и используются в качестве пищи при голодании и патологии, например при сахарном диабете. Как известно, при сгорании 1 г белков освобождается энергия, равная 16,8 кДж. Однако эта энергия может быть полностью заменена энергией окисления углеводов и липидов. Следует подчеркнуть, что исключение на длительный срок углеводов и жиров из пищи у животных обычно не вызывает существенных поражений. Исключение белков из пищи даже на короткий срок приводит к серьезным нарушениям, а иногда и к необратимым патологическим явлениям. Если животных посадить на малобелковую диету, то у них очень быстро развивается белковая недостаточность - болезнь, характеризующаяся нарушением ряда важных физиологических функций организма. Аналогичные изменения наблюдаются и у людей при недостаточном потреблении белка. Следовательно, белки являются незаменимыми веществами для организма, выполняя прежде всего пластическую роль. Однако этим не ограничивается специфическая роль белков. В опытах на крысах было показано, что белковая недостаточность у животных проявляется не столько в уменьшении органов и тканей, сколько в снижении активности ферментов, являющемся следствием падения количества апофермента, а ферменты являются абсолютно необходимыми веществами для всех химических превращений в организме. Таким образом, помимо пластической роли, белки выполняют уникальную функциональную, точнее каталитическую, роль. Этой функцией не наделены ни углеводы, ни жиры, ни какие-либо другие вещества органической природы. Следует указать также, что белки (соответственно и продукты их гидролиза аминокислоты) принимают непосредственное участие и в биосинтезе ряда гормонов, регулирующих процессы обмена веществ в организме. Таким образом, именно белковый обмен координирует, регулирует и интегрирует многообразие химических превращений в целостном живом организме, подчиняя его сохранению вида, непрерывности жизни. Этим объясняется повышенный интерес исследователей к проблемам белкового обмена, открывающим путь к познаниям закономерностей синтеза белков и многих тайн природы. Характерной особенностью белкового обмена является его чрезвычайная разветвленность. Достаточно указать, что в превращениях 20 с лишним аминокислот белковой молекулы в организме животных участвует несколько сотен промежуточных продуктов азотистого обмена, тесно связанных с промежуточными метаболитами обмена углеводов и липидов. Число ферментов, катализирующих химические реакции азотистого обмена, также исчисляется сотнями. Если к этому добавить, что блокирование одного какого-либо специфического пути обмена даже одной аминокислоты может привести к появлению совершенно неизвестных продуктов обмена, поскольку возникают условия для осуществления неспецифического пути окисления всех предшествующих компонентов в данной цепи реакции, то становятся понятными трудности исследования и интерпретации полученных данных о механизмах регуляции процессов азотистого обмена в норме и особенно при патологии. Все это свидетельствует об исключительной перспективности изучения обмена белков с целью выяснения особенностей метаболизма, синтеза полимерных молекул специфических белков, с которыми связаны нормальные рост и развитие организма. Овладение тонкими механизмами биосинтеза белка, несомненно, даст в руки исследователя ключ к целенаправленному воздействию на многие процессы жизни, как и на развитие и течение патологических процессов. ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВ ТЕЛА Кажущаяся стабильность химического состава целостного организма является результатом существования определенного равновесия между скоростями синтеза и распада его составляющих. В настоящее время в связи с внедрением в биохимическую и клиническую практику метода меченых атомов однозначно доказано, что белки нужны не только растущему, но и сформировавшемуся организму, когда его рост прекращается, т. е. имеются доказательства существования в организме механизма постоянного обновления химических составных частей тела. При нормальных физиологических условиях, как и при патологических состояниях, скорости синтеза и распада специфических веществ определяются, помимо нервно-гуморального влияния, химической природой вещества и внутриклеточной его локализацией. В растущем организме при образовании новых органов и тканей скорость синтеза многих его компонентов превалирует над скоростью распада. Тяжелые изнуряющие болезни, а также голодание, напротив, характеризуются преобладанием скорости катаболизма над скоростью синтеза. Почти все белки тела, включая "структурные", гемоглобин, белки плазмы и других биологических жидкостей организма, также подвергаются постоянному распаду и синтезу. Так, например, более половины белков печени и слизистой оболочки кишечника подвергается распаду и ресинтезу в течение 10 дней. Медленнее обновляются белки мышц кожи и мозга. Об исключительно высокой скорости обновления белков свидетельствуют данные, представленные в табл. 31. Таблица 31. Скорость обновления белков тела Объект исследования Человек Крыса Ткани или белки Полупериод распада, дни Все тело 80 Белки сыворотки крови и печени 10 Мышцы 180 Все тело 17 Печень, плазма, внутренние органы 6 Мышцы 24-30 Введенные в организм меченые аминокислоты быстро включаются в белки тканей. В период наиболее интенсивного роста в организме человека синтезируется около 100 г белков в сутки, из которых на долю белков печени приходится около 23 г, белков мышц - 32 г, гемоглобина - 8 г и т. д. Активный ресинтез белков происходит даже в период длительного голодания, и в то же время отмечается интенсивный распад белков в состоянии азотистого равновесия, причем распад белков в какой-либо ткани часто сопровождается усиленным биосинтезом белка в других тканях. Индуцированные активной или пассивной иммунизацией белки антител - γ-глобулины также подвергаются постоянному распаду и синтезу. Полупериод распада антител, как и других белков сыворотки крови человека, составляет около 2 нед. У белков слизистой оболочки кишечника этот период составляет несколько дней, у ряда гормонов исчисляется часами и даже минутами (инсулин). Высокая скорость обновления белков тела, доказанная при помощи метода меченых атомов, свидетельствует о том, что в организме происходит постоянное смешивание эндогенных белковых молекул и продуктов их гидролиза - аминокислот с молекулами белков и их производных, синтезированных из аминокислот белков пищи. Эта смесь эндогенного и экзогенного материала, которая может в принципе служить источником анаболических и катаболических реакций азотистого обмена, существует в качестве резервного материала, называемого метаболическим пулом. Например, глутамат, поступающий из кишечника после гидролиза белков пищи, и глутамат, освобождающийся при распаде эндогенных белков тела, смешиваются, образуя "пул глутамата". Аминогруппа глутамата вместе с аминогруппами всех других аминокислот образует путем реакций переноса метаболический пул лабильного азота, обеспечивая перераспределение азота в организме. Размер этого пула зависит от ряда условий. У взрослого человека со средней массой тела он составляет около 2 г и примерно соответствует количеству аминогрупп свободных аминокислот в тканях. Изотопными методами показано, что примерно 2/3 общего пула аминокислот приходится на эндогенные источники и только 1/3 имеет своим источником белки пищи. Эти данные указывают прежде всего на исключительную важность эндогенного источника аминокислот и, кроме того, свидетельствуют о высокой скорости обновления белков тела. В крови взрослого человека содержится около 5 мг свободных аминокислот на 1 л. Необходимо подчеркнуть, что белковый обмен интегрирован также с обменом углеводов, липидов и нуклеиновых кислот через аминокислоты или α-кетокислоты (α-кетоглутаровую, щавелевоуксусную и пировиноградную кислоты), образуя свой собственный пул, метаболически связанный и уравновешивающийся с другими пулами. Так, например, аспарагиновая кислота или аланин путем трансаминирования обратимо превращаются соответственно в щавелевоуксусную и пировиноградную кислоты, которые непосредственно включаются в углеводный обмен. Эти данные, как и результаты опытов с введением животным меченых аминокислот и α-кетокислот, свидетельствуют о том, что в организме млекопитающих не существует, вопреки классической теории Рубнера и Фойта, обособленного и независимого эндогенного и экзогенного обмена вообще и белкового обмена в частности. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СОСТОЯНИЕ БЕЛКОВОГО ОБМЕНА Направление и интенсивность белкового обмена в первую очередь определяются физиологическим состоянием организма и, несомненно, регулируются, как и все другие виды обмена, деятельностью ЦНС. Более интенсивно белковый обмен протекает в детском возрасте, при активной мышечной работе, при беременности и лактации. Во всех этих случаях резко повышаются потребности в белках. Существенное влияние на белковый обмен оказывает характер питания и, в частности, количественный и качественный белковый состав пиши. При недостаточном поступлении белков с пищей происходит распад белков ряда тканей (печени, плазмы крови, слизистой оболочки кишечника и др.) с образованием свободных аминокислот, обеспечивающих синтез абсолютно необходимых цитоплазматических белков, ферментов, гормонов и других биологически активных соединений. Таким образом, "в жертву" приносятся некоторые "строительные" белки тканей во имя обеспечения жизнедеятельности целостного организма. Введение с пищей повышенных количеств белка, напротив, не оказывает заметного влияния на состояние белкового обмена, поскольку избыток белка выводится с мочой в виде конечных продуктов азотистого обмена. Более существенное значение имеет, однако, качественный белковый состав пищи, поскольку отсутствие или недостаток хотя бы одной какой-либо незаменимой аминокислоты (см. ниже) может служить лимитирующим фактором биосинтеза белков в организме. Как известно, синтез белка подчиняется закону "все или ничего" и осуществляется при условии наличия в клетке всего набора (20) аминокислот. Более того, клетка не в состоянии синтезировать необходимые белки, если всасывание какой-либо аминокислоты в кишечнике замедленно или если она разрушается в большей степени, чем в норме, под действием кишечной микрофлоры. В этих случаях будет происходить ограниченный синтез белка или организм будет компенсировать недостаток аминокислот для биосинтеза белка за счет распада собственных белков. Несомненно, играет роль также энзиматическая активность протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта, поскольку известно, что увеличение сроков переваривания замедляет скорость всасывания аминокислот. Это приводит к выделению части аминокислот с калом и к развитию отрицательного азотистого баланса. Степень усвоения белков и аминокислот пищи зависит также от количественного и качественного состава углеводов и липидов, которые резко сокращают энергетические потребности организма за счет белков. Экспериментальный и клинический материал свидетельствует о том, что диета с недостаточным содержанием жиров и низкокалорийная пища способствуют повышению выделения аминокислот с мочой и калом и развитию отрицательного азотистого баланса. Имеются экспериментальные доказательства прямой и опосредованной связи белкового обмена с обеспеченностью организма витаминами, в частности B 1, В2, B6, РР и др. Белковый обмен регулируется, кроме того, деятельностью желез внутренней секреции. Гормоны определяют в известной мере направление (в сторону синтеза или распада) и интенсивность белкового обмена. Например, после введения АКТГ и гормонов щитовидной железы наблюдается интенсивный распад тканевых белков. Ряд других гормонов, в частности гормон роста, андрогены и эстрогены, напротив, стимулируют анаболические реакции и способствуют включению аминокислот в белки тканей, хотя механизм этого действия гормонов в деталях еще не расшифрован. Введение некоторых гормонов коры надпочечников вызывает диспротеинемию и приводит к развитию отрицательного азотистого баланса, что некоторые авторы связывают со стимулированием глюконеогенеза из углеродных скелетов аминокислот после дезаминирования. Таким образом, состояние белкового обмена определяется множеством факторов, как экзогенных (окружающая среда, характер питания и др.), так и эндогенных (физиологическое состояние организма, включающее нервно-гуморальный статус, ферментная оснащенность и др.). Любые отклонения от нормального физиологического состояния организма отражаются на азотистом обмене. Знание закономерностей изменений обмена белков при данном конкретном патологическом процессе - необходимая предпосылка для правильного выбора тактики терапевтических мероприятий по устранению нарушенного хода обмена. Эта задача очень трудна, но вполне выполнима с помощью современных методов исследования. АЗОТИСТЫЙ БАЛАНС Поскольку основная масса азота пищи представлена белками, как и большинство выделяемых конечных азотистых продуктов является следствием распада белка, принято считать, что для правильной оценки состояния обмена белков достаточно точным критерием может быть определение азотистого баланса. Этот термин означает количественную разницу между введением с пищей азота и выведением его в виде конечных продуктов азотистого обмена, выраженных в одинаковых единицах (в г/сут). Определение азотистого баланса часто используют в клинике для оценки обеспеченности больного белковой пищей. Следует указать, что количество пищевого азота (соответственно белка) может быть сравнительно легко и точно определено, в то время как количество теряемого организмом азота не всегда может быть точно вычислено, поскольку на практике учитывают только азотистые продукты, выделяемые с мочой и калом; между тем следует учитывать потерю азота также с молоком, слюной, эпителием кожи, волосами и др. Различают положительный и отрицательный азотистый баланс, а также азотистое равновесие. Если количество выводимого из организма азота меньше количества азота, вводимого с пищей, то говорят о положительном азотистом балансе. В этом случае часть азота остается в организме и расходуется в первую очередь на биосинтез высокомолекулярных белковых веществ органов и тканей. Такое состояние характерно для молодого, растущего, организма, а также для женщин во время беременности. Оно свидетельствует о том, что синтетические процессы превалируют над процессами распада белков органов и тканей. При отрицательном азотистом балансе количество выделяемого азота превышает количество азота, поступающего в течение суток. Это состояние встречается при голодании (частичном или полном), белковой недостаточности, при тяжелых заболеваниях, когда происходит интенсивный распад белков тела у больных, получающих даже полноценную в качественном и количественном отношении белковую пищу. У людей пожилого возраста даже без видимых патологических процессов часто отмечается отрицательный азотистый баланс, связанный с превышением скорости распада белков, хотя организм может получать достаточное количество белка. В состоянии азотистого равновесия количество азота, теряемого из организма, равно количеству принимаемого с пищей азота. В этом случае азотистый баланс равен нулю. Состояние азотистого равновесия характерно для здорового взрослого человека, находящегося на полноценной диете с нормальным суточным содержанием белка. Таким образом, организмы животных и человека нуждаются в постоянной доставке белковой пищи, поэтому недостаток белка или полное исключение его сопровождается развитием патологии, в конечном счете приводящей к гибели организма. С понятием азотистого баланса тесно связана проблема о нормах белка в питании. Белковое питание Начало: Белковый обмен и динамическое состояние белков тела НОРМЫ БЕЛКА В ПИТАНИИ Для достижения азотистого равновесия, сохранения здоровья человека и обеспечения работоспособности необходимо точно знать нормы белка в питании. Изучение этого вопроса имеет, кроме чисто академического интереса, большое социальное значение и свою предысторию. В самом деле, как определить количественные потребности в белках для взрослого человека или ребенка, каковы пределы возможного уменьшения или увеличения количества белка в пище для обеспечения состояния азотистого равновесия? Первые эксперименты по этому вопросу были выполнены в 70-80-х годах 19 столетия. В частности, первое научное исследование по определению норм белка в питании человека было выполнено Фойтом, который применил статистический метод, основанный на анкетных данных определения количественного и качественного состава суточной диеты одного человека во многих семьях средней обеспеченности. На основании полученных данных Фойт рассчитал суточное потребление питательных веществ одним человеком и рекомендовал для взрослого человека, имеющего средние рост и массу, следующие нормы: белков 118 г, углеводов 500 г и жиров 56 г. Эти "нормы" Фойта встретили резкое возражение со стороны ряда ученых-социологов, которые считали этот метод недостаточно точным для решения столь важной для человека проблемы. Вслед за этим в литературе появились данные работ, выполненных как на животных, так и на людяхдобровольцах, в которых были сделаны попытки определить минимальное количество белка в диете, полноценной в отношении энергетических потребностей, при котором достигалось состояние азотистого равновесия, а также установить суточное выделение азотистых веществ добровольцами, находившимися в течение 8-10 дней на безбелковой, но полностью обеспечивающей энергетические потребности организма диете. Оказалось, что в последних условиях взрослый человек начинает выделять довольно постоянное количество азота, равное 53 мг в сутки на 1 кг массы тела. Это количество азота умножают на среднюю массу (70 кг) и 6,25 (исходя из 16% содержания азота в белках) и получают количество белка, равное 23,2 г. Такое количество белка постоянно расщепляется в организме человека при безбелковой диете. Эту величину белка - 23,2 г - Рубнер назвал "коэффициентом изнашивания". После опубликования этих данных высказывалось мнение, что организм взрослого человека вполне может обходиться суточным потреблением всего 23 г, белка для покрытия своих пластических потребностей. Однако прием такого количества белка приводил к развитию резко отрицательного баланса. Тогда стали повышать количество белка в суточной диете, при котором сохранялось и поддерживалось азотистое равновесие. Полученные в разных лабораториях данные по этому вопросу суммированы в табл. 32. Они свидетельствуют о том, что суточное количество белка, требующегося для поддержания азотистого равновесия, значительно колеблется в зависимости от источника белка. Однако в среднем азотистое равнoвесие у человека устанавливается уже при приеме в сутки 30-45 г белка. Это минимальное количество белка, позволяющее поддерживать азотистое равновесие при диете, полностью покрывающей энергетические потребности организма человека, было названо "физиологическим минимумом белка". Таблица 32. Содержание белка в пищевом рационе взрослого человека (масса 70 кг), необходимое для поддержания азотистого равновесия (в г/сут) Источник белка Потребность, г Яичный белок 19,9 Говядина 26,0 Молоко 27,6 Картофель 30,0 Хлеб из пшеничной муки 67,0 Следует, однако, подчеркнуть, что прием даже 50 г белка (в опытах Читтендена группе студентов в течение 200 дней давали это количество белка), хотя и поддерживал азотистое равновесие, однако не предотвращал частичного истощения. Дело в тoм, что во многих наблюдениях на людях не учитывались, как правило, потери белка эпидермиса, пота, слез, волос, ногтей и др., поэтому вывод о том, что для взрослого человека вполне достаточно 50 г белка в сутки, нельзя считать научно обоснованным. Этот вывод находится, кроме того, в противоречии с тем обстоятельством, что 200 дней составляют примерно 1/100 средней продолжительности жизни человека. Между тем в опытах на животных со средней продолжительностью жизни 1-2 года скармливание в течение 200 дней пищи с низким содержанием белка приводило к развитию отрицательного баланса и глубокой белковой недостаточности, накладывающей отрицательный отпечаток, кроме того, и на развитие потомства. В нашей стране проблеме питания вообще и белкового в частности уделяется исключительное внимание. Принятые у нас нормы белка для взрослого человека и для детей разного возраста основаны на результатах многочисленных научных исследований советских ученых, учитывают разные климатические условия, условия труда, профессию, возраст и другие факторы. Эти нормы исходят из оптимального содержания белка в пищевом рационе. Так, взрослый человек, занимающийся умственным трудом и подвергающийся средней физической нагрузке (полностью механизированный труд), должен получать 100-120 г белка в сутки при трате общего количества энергии 10467 кДж. При изменении условий труда (недостаточно механизированный труд) и расходовании большего количества энергии эта норма белка увеличивается на 10 г на каждые 2093 кДж. Рабочие, выполняющие тяжелую физическую работу, должны получать 130-150 г белка в сутки. Для сравнения укажем, что официально принятые в США, например, суточные нормы белка составляют для женщин со средней массой тела (58 кг) и среднего роста (163 см) всего 58 г и для мужчин со средней массой (70 кг) и среднего роста (175 см) 70 г белка. Потребности белка в детском возрасте определяются в первую очередь возрастом и массой. О. П. Молчановой были рекомендованы следующие нормы белка в суточном рационе детей (табл. 33). Таблица 33. Нормы белка в питании для детей разного возраста Возраст, годы Количество белка, г 1-3 55 4-6 72 7-9 89 10-12 100 13-15 106 Из табл. 33 видно, что даже дети раннего детского возраста нуждаются в доставке 55-72 г белка в сутки. С возрастом (от 12 до 15 лет) эта норма белка увеличивается до суточной нормы взрослого человека. Суточные потребности в белках резко возрастают при беременности и лактации, а также при некоторых патологических состояниях, когда организм теряет белок с мочой или асцитной жидкостью, экссудатами (например, при нефритах, тяжелых инфекционных заболеваниях, ожогах, травмах и т. д.). БЕЛКОВЫЕ РЕЗЕРВЫ Под термином "резервные" белки понимают не особые отложения белков, а легкомобилизуемые при необходимости тканевые белки, которые после гидролиза под действием тканевых протеиназ служат поставщиками аминокислот, абсолютно необходимых для синтеза ферментов, гормонов и др. Опыты на животных показали, что при голодании, например, наблюдается неравномерное изменение массы отдельных органов и тканей; в значительно большей степени снижается масса печени. Многочисленные наблюдения над больными в клинике также свидетельствуют о том, что при голодании, при тяжелых инфекционных заболеваниях, когда наблюдается интенсивный распад органов, в первую очередь снижается масса печени и мышц, без существенного изменения массы мозга и сердца. Организм как бы жертвует белками печени и мышц для обеспечения нормальной деятельности жизненно важных органов. На основании этих данных принято считать, что белки плазмы крови, печени и мышц могут служить в качестве "резервных", хотя эти резервы по своему существу резко отличаются от резервов углеводов (отложение гликогена в печени и мышцах) и липидов (отложение жиров в жировых депо). Следует, однако, подчеркнуть, что существование в организме механизма срочной мобилизации белковых ресурсов в экстремальных условиях (голодание, тяжелая интоксикация, потеря крови и др.), несомненно, имеет важное физиологическое значение. ПАРЕНТЕРАЛЬНОЕ БЕЛКОВОЕ ПИТАНИЕ Весьма важной для практического здравоохранения является проблема парентерального белкового питания. Как известно, белки пищи могут быть использованы организмом человека только после предварительного переваривания и расщепления их в желудочно-кишечном тракте до стадии свободных аминокислот. Введение белков парентерально, т. е. минуя кишечный тракт, приводит к развитию сенсибилизации (повышенной чувствительности организма к чужеродному белку), а повторное введение белков может привести к анафилаксии - шоковому состоянию организма. Между тем к такому методу введения белка иногда вынуждены прибегать клиницисты, в частности в хирургической практике при непроходимости пищевода на почве ожогов и отравлений, тяжелых раковых поражениях пищевода и желудка, после операции на желудке и кишечнике и др. Для предотвращения ряда тяжелых осложнений, возникающих после парентерального введения белковых растворов, в настоящее время для белкового питания используют гидролизаты белков (смесь аминокислот). В Советском Союзе белковые гидролизаты впервые были приготовлены Б. И. Збарским. Следует указать, что введение аминокислотной смеси не вызывает аллергических реакций, поскольку свободные аминокислоты не обладают в отличие от белков ни видовой, ни тканевой специфичностью. Длительные наблюдения над больными в клинике свидетельствуют о том, что потребности организма в белках могут быть полностью компенсированы введением смеси аминокислот. Нельзя не указать, однако, и на ряд побочных реакций организма в ответ на введение гидролизатов белков. Биологическая ценность белков Предыдущая: Белковое питание Состояние белкового обмена целостного организма зависит не только от количества принимаемого с пищей белка, но и от качественного его состава. В опытах на животных было показано, что дача одинакового количества разных пищевых белков сопровождается в ряде случаев развитием отрицательного азотистого баланса. Так, скармливание равного количества казеина и желатины у крыс приводило к положительному азотистому балансу в первом случае и к отрицательному азотистому балансу во втором. Причина здесь кроется в аминокислотном составе белков, послужившем причиной возникновения первоначально неправильного представления о существовании в природе якобы "неполноценных" белков. Оказывается, из 20 аминокислот белковой молекулы в желатине почти нет или мало валина, тирозина и метионина с цистином, и, кроме того, он характеризуется другим, отличным от казеина, процентным содержанием отдельных аминокислот. Этим можно объяснить тот факт, что замена в питании крыс казеина на желатину приводит к развитию отрицательного азотистого баланса. Эти данные свидетельствуют также о том, что даже природные белки обладают неодинаковой пищевой ценностью. Поэтому для удовлетворения пластических потребностей организма требуются различные количества разных белков пищи. По-видимому, справедливо положение, что чем ближе аминокислотный состав принимаемого пищевого белка к аминокислотному составу белков тела, тем выше его биологическая ценность. Следует, однако, указать, что степень усвоения пищевого белка зависит также от степени гидролиза, распада его под влиянием ферментов желудочно-кишечного тракта. Ряд белковых веществ, как, например, шерсть, волосы, перья и др., несмотря на их близкий аминокислотный состав к белкам тела, почти не используются в качестве пищевого белка, поскольку они не гидролизуются протеиназами кишечника человека и большинства животных. С понятием биологической ценности белков тесно связан вопрос об эссенциальных, незаменимых аминокислотах. Живые организмы существенно различаются в зависимости от их способности синтезировать аминокислоты и формы азота, который они могут использовать для биосинтеза аминокислот. Высшие растения, например, могут синтезировать все необходимые для белкового синтеза аминокислоты, причем могут использовать для этого аммиак или нитраты в качестве источника азота. Микроорганизмы в свою очередь значительно различаются по способности синтезировать аминокислоты; в частности, если Е. coli синтезирует все аминокислоты, используя нитриты и нитраты или аммиак, то молочнокислые бактерии, напротив, не обладают этой способностью и получают аминокислоты в готовом виде из молока. Таблица 34. Заменимые и незаменимые аминокислоты Заменимые Незаменимые Аланин Аргинин Аспарагин Валин Аспарагиновая кислота Гистидин Глицин Изолейцин Глутамин Лейцин Глутаминовая кислота Лизин Пролин Метионин Серин Треонин Тирозин Триптофан Цистеин (цистин) Фенилаланин Высшие позвоночные животные не синтезируют всех необходимых для синтетических целей аминокислот. В организме человека и белых крыс синтезируется только 10 из 20 аминокислот белковой молекулы; это так называемые заменимые аминокислоты (табл. 34). Они могут быть синтезированы из продуктов обмена углеводов и липидов. Остальные 10 аминокислот не синтезируются в организме, поэтому они были названы жизненно необходимыми, или незаменимыми, аминокислотами (см. табл. 34). В результате тщательно проведенных в разных лабораториях мира исследований было установлено, что незаменимость указанных аминокислот для роста и развития организма животных и человека связана с отсутствием способности тканей синтезировать углеродные скелеты незаменимых аминокислот, поскольку процесс аминирования кетопроизводных осуществляется сравнительно легко посредством реакций трансаминирования (см. ниже). Следовательно, для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека и животных все эти 10 аминокислот должны поступать с пищей. Следует указать, однако, что для взрослого человека аргинин и гистидин оказались частично заменимыми. В наблюдениях Роуза на людях, получавших искусственную пищу, в которой белок был полностью заменен смесью 20 аминокислот, установлено, что для сохранения нормальной массы тела и работоспособности имеет значение не только определенное количество каждой аминокислоты и соотношение незаменимых аминокислот в подобной диете, но и содержание в ней общего азота (табл. 35). Исключение какой-либо незаменимой аминокислоты из пищевой смеси сопровождалось развитием отрицательного азотистого баланса, слабости, нарушений со стороны нервной системы и др. В опытах на крысах были установлены следующие пропорциональные величины незаменимых аминокислот, необходимых для оптимального роста, относительно триптофана, принятого за единицу: лизина 5, лейцина 4, валина 3,5, фенилаланина 3,5, метионина 3, изолейцина 2,5, треонина 2,5, гистидина 2, аргинина 1 и триптофана 1. Имеются доказательства, что примерно такое же соотношение незаменимых аминокислот требуется для человека. Таблица 35. Потребность взрослого человека в незаменимых аминокислотах (в г/сут) [по Роузу, 1955] Наименьшее количество, при котором достигалось азотистое равновесие Рекомендованное количество, надежно обеспечивающее азотистое равновесие Фактическое содержание в полноценном рационе (70 г белка, по Гринбергу, 1951) L-Триптофан 0,15-0,25 0,50 1,1 L-Фенилаланин1 0,80-1,10 2,20 4,4 L-Лизин 0,40-0,80 1,60 5,2 L-Треонин 0,30-0,50 1,00 3,5 L-Метионин2 0,80-1,10 2,20 (+цис) 3,8 L-Лейцин 0,50-1,10 2,20 9,1 L-Изолейцин 0,65-0,70 1,40 3,3 L-Валин 0,40-0,80 1,60 3,8 Недифференцированный азот (глицин) ≤ 2,55 - - Общий азот ≤ 3,50 7,0 10,5 Аминокислота 1. 2. Тирозин (0,9-1 г) снижает потребность в фенилаланине на 70-75% Цистин (0,8 г) снижает потребность в метионине на 80-89% Последствия недостаточности какой-либо незаменимой аминокислоты в пище более подробно изучены на животных (рис. 99, 100). Как видно из рисунков, отсутствие или недостаток валина и лизина приводит к остановке роста и к развитию тяжелой клинической картины, напоминающей авитаминоз у животных. Следует особо подчеркнуть, что недостаток какой-либо одной незаменимой аминокислоты ведет к неполному усвоению и других аминокислот. В этих случаях вступает в силу закон минимума Либиха, т. е. рост и развитие живых организмов определяются тем незаменимым веществом, которое поступает с пищей в наименьшем количестве. Вместе с тем в опытах на животных было показано, что потребности в незаменимом фенилаланине могут быть частично компенсированы заменимой аминокислотой - тирозином. Точно так же потребности в метионине могут быть частично замещены гомоцистеином с добавлением необходимого количества доноров метальных групп. Глутаминовая кислота снижает потребности в аргинине. Следует также учитывать видовые различия незаменимости отдельных аминокислот. Для цыплят, например, глицин оказался незаменимым фактором роста. Для оценки биологической ценности пищевого белка важное значение имеет знание его аминокислотного состава. Об этом свидетельствуют следующие данные: крысам скармливали казеин (белок молока) и выделенный из кукурузы белок зеин, который не содержит в своем составе лизина и триптофана. При даче казеина рост животных не нарушался. Замена казеина зеином приводила к постепенному отставанию в росте и снижению массы животных. Добавление к зеину одного триптофана предотвращало снижение массы, но не увеличивало рост; при добавлении к рациону еще и лизина масса прогрессивно нарастала. Таким образом, скармливание искусственно выделенного из кукурузного зерна белка зеина, не содержащего двух незаменимых аминокислот, приводит к остановке роста, уменьшению массы животных и к развитию отрицательного азотистого баланса. Однако человек и животные питаются не искусственно выделенными, а натуральными белками, входящими в состав смешанной пищи, в которой содержится набор незаменимых аминокислот. Так, например, цельное кукурузное зерно содержит 2,5% лизина, 0,7% триптофана, в то время как зеин не содержит лизина вообще, а триптофана всего 0,1%. Этот пример лишний раз свидетельствует о том, что в природе неполноценных белков почти нет и что следует, очевидно, лишь различать биологически более ценные и менее ценные белки. Биологическая ценность пищевого белка целиком зависит, как было указано выше, от степени его усвоения организмом, что в свою очередь определяется соответствием между аминокислотным составом (соотношением) потребляемого белка и аминокислотным составом белков тела. Такой белок пищи лучше используется огранизмом для синтеза белков тканей. Для человека, например, белки мяса, молока, яиц биологически более ценны, поскольку их аминокислотный состав ближе к аминокислотному составу органов и тканей человека. Сказанное вовсе не исключает приема растительных белков, в которых также содержится весь необходимый набор аминокислот, но в другом соотношении. Поэтому для оптимального удовлетворения всех потребностей организма в белках человеку нужно значительно больше растительных белков, чем животных. Таким образом, для нормального роста и гармоничного развития организма человека исключительно большое значение имеют аминокислотный состав. составление и подбор пищевых продуктов, содержащих оптимальный В последние годы в Институте питания АМН СССР А. А. Покровским и соавт. на основании аминокислотного состава различных пищевых продуктов разработаны научные основы приготовления для человека пищевых рационов, оптимальных в отношении состава и соотношения аминокислот и обеспечивающих физиологически полноценное питание для разных возрастных групп населения нашей страны, причем учитываются не только возраст и пол, но и различные климатические условия, характер труда, сезон года и т. д. Переваривание белков Предыдущая: Биологическая ценность белков Главными источниками белков для человека являются пищевые продукты животного и растительного происхождения. В табл. 36 представлены средние данные о содержании белка в основных пищевых продуктах. Таблица 36. Содержание белка в некоторых пищевых продуктах Название продукта Содержание белка, % Название продукта Содержание белка, % Мясо 18-22 Гречневая крупа 11 Рыба 17-22 Пшено 10 Сыр 20-36 Орехи лесные 12 Яйца 13 Орехи кедровые 4 Молоко 3,5 Картофель 1,5-2 Хлеб ржаной 7,8 Капуста 1,1-1,6 Рис 8 Морковь 0,8-1 Горох 26 Свекла 1,6 Соя 35 Яблоки 0,3-0,4 9-13 Вишня 1-1,1 Макароны Видно, что главным образом животные продукты (мясо, рыба, сыр) и только некоторые растительные продукты (горох, соя) богаты белками, в то время как наиболее распространенные растительные пищевые продукты содержат мало белка. Белки пищи, за весьма редким исключением, не усваиваются организмом, если они не будут расщеплены в процессе переваривания пищи до стадии свободных аминокислот. Этот факт был подтвержден в многочисленных экспериментах с парентеральным введением чужеродных белков. Поскольку белки тела отличаются строгой видовой и тканевой специфичностью, живой организм обладает способностью использовать вводимый с пищей белок только после его полного гидролиза в желудочно-кишечном тракте до аминокислот, из которых затем в клетках организма строятся свойственные для данного вида специфические белки. Весь сложный процесс гидролиза пищевых белков, начиная от желудка и кончая тонким кишечником, "настроен" таким образом, чтобы путем последовательного действия протеолитических ферментов лишить белки пищи видовой и тканевой специфичности и придать продуктам гидролиза способность всасываться в кровь через стенку кишечника. Показано, что примерно 95-97% белков пищи всасывается в виде свободных аминокислот. Следовательно, ферментный аппарат желудочно-кишечного тракта осуществляет поэтапное, строго избирательное расщепление пептидных связей белковой молекулы вплоть до конечных продуктов гидролиза белков - свободных аминокислот. Гидролиз химически сводится к разрыву пептидной связи -СОNH-белковой молекулы с присоединением элементов воды к продуктам распада по следующей схеме: Термодинамические условия способствуют подобному расщеплению, поскольку при этом имеет место снижение свободной энергии, приблизительно равное 16,8 кДж на одну гидролизуемую связь. Поэтому одного фермента, специфичного в отношении пептидной связи, теоретически должно быть достаточно для переваривания пищевых белков. Однако в действительности положение более сложное, так как протеолитические ферменты являются до некоторой степени более специфичными и могут быть чувствительными к размеру полипептида, локализации места или точки приложения гидролиза и к природе аминокислоты, участвующей в образовании пептидной связи, а точнее, к структуре радикала аминокислоты. Прежде чем приступить к рассмотрению вопросов, связанных с особенностями переваривания белков в различных отделах желудочно-кишечного тракта, следует остановиться на характеристике тех главных ферментов пищеварения, которые щсуществляют гидролитический распад пищевых белков до стадии свободных аминокислот. В табл. 37 приводится список этих ферментов. Следует подчеркнуть, что, хотя с пищей человек получает огромное разнообразие белков, все они подвергаются воздействию ограниченного числа протеолитических ферментов, катализирующих гидролиз пептидных связей. Эти ферменты относятся к классу гидролаз (см. Ферменты) и часто называются также пептидазами. К настоящему времени известны две группы пептидаз: экзопептидазы, катализирующие разрыв концевой пептидной связи с освобождением одной какой-либо концевой аминокислоты, и эндопептидазы, преимущественно гидролизующие пептидные связи внутри пептидной цепи, а также, в зависимости от природы аминокислот, и некоторые концевые пептидные связи. Таблица 37. Протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта Источник Желудочный сок Панкреатический сок Фермент Примечание Пепсин Протеиназа (найден также в желудочном соке птиц, рептилий и рыб) Реннин Вызывает свертывание молока (присутствует в соке четвертого отдела желудка животных) Гастриксин Пепсиноподобный фермент Трипсин Протеиназа Химотрипсин Протеиназа Коллагензза Протеиназа Карбоксипептидаза Пептидаза Эластаза Пептидаза Аминопептидаза Пептидаза Лейцинаминопептидаза Пептидаза Аланинаминопептидаза Пептидаза Энтерокиназа Гликопротеид (синтезируется в двенадцатиперстной кишке) Трипептидазы Пептидазы Дипептидазы Пептидазы Кишечный сок Пролиназа Пептидазы Пролидаза Пептидазы Поскольку эндопептидазы обладают разной субстратной специфичностью действия, всецело определяемой природой радикалов аминокислот по соседству с разрываемой пептидной связью, белковая молекула распадается под действием разных эндопептидаз на строго определенное число пептидов, сравнительно легко идентифицируемых методами хроматографии и электрофореза. Это свойство эндопептидаз нашло широкое применение в исследовательской работе при выяснении первичной структуры индивидуальных белков (Сама "монотонная" пептидная связь белковой молекулы в специфичности действия этих ферментов не принимает существенного участия.). Эндопептидазы Пепсин [показать] Реннин [показать] Три другие важные эндопептидазы - трипсин, химотрипсин и эластаза, участвующие в дальнейшем после действия пепсина переваривании белков, синтезируются в поджелудочной железе. Все они вырабатываются в неактивной форме, в виде зимогенов, и их превращение в активные ферменты осуществляется в тонком кишечнике, куда они поступают через панкреатический проток. Трипсин [показать] Химотрипсин [показать] Эластаза [показать] Экзопептидазы В переваривании как нативных белков, так и продуктов их гидролиза в тонком кишечнике активное участие принимает семейство экзопептидаз. Одни из них, карбоксипептидазы, синтезируются в недеятельном состоянии в поджелудочной железе и активируются трипсином в кишечнике. Другие, аминопептидазы, вырабатываются в клетках слизистой оболочки кишечника и также активируются трипсином. Карбоксипептидазы [показать] Аминопептидазы [показать] Дипептидазы [показать] Еще сравнительно недавно протеиназы традиционно связывали только с процессами переваривания. Однако в настоящее время накапливается все больше данных о более широкой биологической роли протеолитических ферментов тканей в регуляции ряда внеклеточных и внутриклеточных процессов. Некоторые из них выполняют защитную функцию (свертывание крови, система комплемента, или лизис клеток), другие генерируют гормоны, токсины, вазоактивные агенты (ангиотензин, кинины). Ряд протеиназ регулирует образование пищеварительных ферментов и субклеточных частиц, взаимодействие между клетками и клеточными поверхностями, или развитие фортилизации (хитинсинтетаза) и дифференциации. Регуляция включает в большинстве случаев превращение неактивного предшественника в активный белок, что в свою очередь связано с разрывом ограниченного числа пептидных связей в молекуле белка. Специфичность определяется окружением пептидной связи и конформацией предшественника. Этот процесс, впервые описанный Линдерстром-Лангом еще в 50-е годы, в последнее время получил наименование ограниченного протеолиза, Значение этого процесса огромно как для понимания сущности и биологического значения синтеза в клетках неактивных пре-, пробелков, так и для широкого его практического применения. Следует указать, что в регуляции синтеза протеолитических ферментов (помимо ограниченного протеолиза) активное участие принимает также процесс ингибирования активных протеиназ. Ингибиторы протеиназ белковой природы открыты не только в поджелудочной железе, но и в плазме крови, курином яйце и т. д. Отделение панкретического и кишечного сока регулируется нейрогуморальными факторами. Эти вопросы подробно излагаются в курсе физиологии. Здесь мы рассмотрим только известные и достоверные данные литературы о гормональной регуляции секреции пищеварительных соков. Имеются бесспорные доказательства роли НСl в качестве пускового механизма выработки в кишечнике особых гормонов. В частности, НС1, попадая в двенадцатиперстную кишку, действует на слизистую оболочку и стимулирует секрецию секретина (вероятнее всего, из его предшественника просекретина), поступающего в кровь. С током крови секретин приносится в поджелудочную железу, стимулируя выработку и отделение щелочного панкреатического сока. Этот гормон способствует, кроме того, оттоку желчи. Показано, что секретин быстро исчезает из кровотока, а новые порции его не вырабатываются, поскольку НС1 нейтрализуется щелочным поджелудочным соком. Таким образом, благодаря существованию тонкого механизма по типу обратной связи осуществляется регуляция секреции и отделения поджелудочного сока. Секретин с химической точки зрения представляет собой полипептид известной структуры с 27 остатками аминокислот. Он синтезирован химически. Поджелудочный сок, полученный при действии секретина, оказывается весьма бедным ферментами, но богатым бикарбонатами, создающими слабощелочную среду (pH 7,5-8,5), оптимальную для действия пищеварительных ферментов в кишечнике. Вторым гормоном, также синтезирующимся в двенадцатиперстной кишке и регулирующим секрецию поджелудочного сока, является панкреозимин. Сок, полученный после его введения, напротив, богат ферментами и беден бикарбонатами. Известно, кроме того, семейство так называемых местных тканевых гормонов, оказывающих свой биологический эффект непосредственно в тканях, где они синтезируются. К таким гормонам относится и ряд "пищеварительных гормонов", синтез которых осуществляется в клетках слизистой оболочки кишечника. Переваривание белков в желудке В желудке имеются все условия для переваривания белков. Во-первых, в желудочном соке содержится активный фермент пепсин. Во-вторых, благодаря наличию в желудочном соке свободной соляной кислоты для действия пепсина создается оптимальная pH среды. Чистый желудочный сок имеет кислую среду (pH 0,91,6), а оптимум pH действия пепсина равен 1,5-2,5. Следует особо указать на существенную роль соляной кислоты в переваривании белков: она переводит неактивный пепсиноген в активный пепсин, создает оптимальную среду для действия пепсина, в присутствии свободной НС1 происходят набухание белков (увеличение поверхности соприкосновения фермента с субстратом), частичная денатурация и, возможно, гидролиз пищевых белков. Кроме того, НС1 стимулирует выработку секретина или, что более вероятно, активирует просекретин в кишечнике, ускоряет всасывание железа и оказывает бактерицидное действие. В виду исключительной роли НС1 в переваривании белков были предприняты попытки объяснить механизм ее секреции в желудке. Хотя в деталях этот механизм до сих пор не расшифрован, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что образующиеся при диссоциации NaCl в крови ионы хлора диффундируют через клеточную мембрану и соединяются с ионами водорода, которые в свою очередь освобождаются при диссоциации Н 2СО3, образующейся в обкладочных клетках из конечных продуктов обмена - Н20 и СO2. Образовавшаяся НС1 затем секретируется обкладочными клетками в полость желудка. Равновесие ионов между кровью и обкладочными клетками достигается поступлением отрицательно заряженных ионов НСO3- из клеток в кровь взамен ионов хлора (Cl-), поступающих из крови в клетки. Предполагается участие АТФ, поскольку синтез НС1 требует доставки энергии. Укажем также, что при некоторых поражениях желудка (чаще всего при воспалительных процессах) имеет место нарушение секреции НС1 и соответственно переваривания белков. Пепсин, как было указано выше, гидролизует преимущественно пептидные связи, образованные аминогруппами ароматических аминокислот (фенилаланин, тирозин). Он расщепляет практически все природные белки. Исключение составляют некоторые кератины, протамины, гистоны и мукопротеиды. Наибольший гидролитический эффект пепсин оказывает на денатурированные белки, содержащие свободные SH-группы. В зависимости от природы перевариваемого белка, pH среды и скорости опорожнения желудка белки пищи в желудке подвергаются пептическому перевариванию с образованием полипептидов меньшего размера (их иногда называют альбумозами и пептонами) или коротких пептидов и, возможно, небольшого числа свободных аминокислот. Подтвердилось мнение И. П. Павлова о том, что свертывание молока обусловлено действием самого пепсина, а не влияния гипотетического "сычужного фермента". Данные по этому вопросу свидетельствуют о том, что в желудочном соке взрослых особей, включая человека, действительно отсутствует фермент реннин, основное назначение которого сводится к превращению казеиногена в казеин. Эту функцию выполняет пепсин желудочного сока. Однако в желудочном соке грудных детей, а также в секрете четвертого желудочка телят и других молодых жвачных животных содержится весьма активный фермент реннин, отличающийся от пепсина (см. выше). Реннин катализирует свертывание (створаживание) молока, т. е. превращение растворимого казеиногена в нерастворимый казеин. Механизм этого процесса, несмотря на кажущуюся простоту, в деталях пока не раскрыт. Предложен следующий механизм этого процесса: Предполагается, что реннин превращает растворимый казеиноген молока в параказеин, кальциевая соль которого нерастворима, и он выпадает в осадок в виде творога. Интересно отметить, что после удаления ионов кальция из молока образования осадка не происходит. Наличие активного реннина в желудочном соке грудных детей имеет, по-видимому, важное физиологическое значение, поскольку при свертывании молока, являющегося основным пищевым продуктом в этом возрасте, резко замедляется продвижение выпавшего казеина через пищеварительный канал и соответственно увеличивается время действия протеиназ на казеин. Переваривание белков в кишечнике Дальнейшее превращение белков пищи осуществляется в тонком кишечнике, где на белки действуют ферменты панкреатического и кишечного соков. В поджелудочной железе вырабатываются три белковых фермента: трипсин, химотрипсин и карбоксипептидаза. Первые два фермента действуют на белки аналогично пепсину, но в отличие от него они разрывают другие внутренние пептидные связи. Кроме того, они активны в слабощелочной среде (оптимум pH действия их составляет 7,2-7,8). Благодаря гидролитическому действию всех трех эндопептидаз (пепсина, трипсина, химотрипсина) на белки образуются различной длины пептиды и некоторое количество свободных аминокислот. Дальнейший гидролиз пептидов до свободных аминокислот осуществляется под влиянием группы ферментов - пептидаз. Помимо панкреатической карбоксипептидазы, на пептиды действуют кишечная аминопептидаза и разнообразные дипептидазы. Всю эту группу ферментов относят к экзопептидазам, поскольку они катализируют гидролиз концевой пептидной связи в соответствии со следующей схемой: Точкой приложения аминопептидазы является пептидная связь с N-конца пептида. Карбоксипептидаза разрывает пептидную связь с противоположного С-конца пептида.(Эти ферменты отщепляют по одной аминокислоте от полипептида и в конечном итоге остаются дипептиды (состоящие из двух аминокислот), на которые действуют специфические дипептидазы. При этом образуются свободные аминокислоты, которые затем подвергаются всасыванию. Из других ферментов протеолиза следует упомянуть об эластазе и коллагеназе поджелудочной железы, гидролизующих соответственно эластин и коллаген. Топографически основные процессы гидролиза белков, как и углеводов и жиров, протекают на поверхности слизистой оболочки кишечника (так называемое пристеночное пищеварение по А. М. Уголеву). ВСАСЫВАНИЕ ПРОДУКТОВ РАСПАДА БЕЛКОВ Продукты гидролиза белков всасываются в желудочно-кишечном тракте в основном в виде свободных аминокислот. Кинетика всасывания аминокислот в кишечнике в опытах in vivo и in vitro свидетельствует о том, что аминокислоты, подобно глюкозе, всасываются свободно с ионами натрия. Для лизина, цистина, глицина и пролина, очевидно, существует более одной системы транспорта через стенку кишечника. Некоторые аминокислоты обладают способностью конкурентно тормозить всасывание других аминокислот, что свидетельствует о вероятном существовании одной общей переносящей системы или общего механизма. Так, в присутствии лизина тормозится всасывание аргинина, но не изменяется всасывание аланина, лейцина и глутаминовой кислоты. Современные представления о проблеме транспорта веществ через мембраны (включая мембраны эпителиальных клеток кишечника) не позволяют точно охарактеризовать молекулярный механизм транспорта аминокислот. Существует два представления, по-видимому дополняющих друг друга, о том, что требуемая для активного транспорта энергия поставляется за счет биохимических реакций (это так называемый направляемый метаболизмом транспорт) или за счет энергии переноса другого транспортируемого вещества, в частности, за счет энергии движения ионов Na+ (или других ионов) в клетку. Много информации о специфичности транспорта было получено при анализе наследственных дефектов всасывания аминокислот в кишечнике и в почках. Классическим примером является цистинурия, при которой резко повышено содержание в моче цистина, аргинина, орнитина и лизина, обусловленное наследственным дефектом механизма почечной реабсорбции. Поскольку из указанных аминокислот цистин относительно нерастворим в воде, он легко выпадает в осадок в мочеточнике или мочевом пузыре, приводя к образованию цистиновых камней со всеми вытекающими нежелательными последствиями (закупорка мочевыводящего тракта, развитие инфекции и др.). Аналогичное нарушение всасывания аминокислот, в частности нейтральных аминокислот, наблюдается при болезни Хартнупа (наследственная иминоглицинурия), когда в почках нарушена реабсорбция пролина, оксипролина и глицина. Следует указать, что многие из этих дефектов, хотя первоначально связаны с недостаточностью почечной реабсорбции, проявляются также в недостаточности всасывания аминокислот в кишечнике. В этих случаях в кишечнике, очевидно, создаются условия для всасывания небольших пептидов. Об этом свидетельствуют наблюдения над больными с наследственными дефектами транспорта аминокислот. Так, при болезни Хартнупа, например, фенилаланин практически не всасывается в кишечнике. В то же время после введения с пищей дипептида фенилаланил-фенилаланина в портальной крови повышается содержание фенилаланина. Аналогично при цистинурии, несмотря на наследственный дефект всасываний основных аминокислот, соответствующие аминокислоты появляются в крови воротной вены при поступлении с пищей ди- и трипептидов этих аминокислот. Доказано всасывание небольших пептидов, в особенности при патологии, опыты in vitro и in vivo, когда свободный глицин всасывался значительно медленнее, чем дипептид глицилглицил или даже трипептид, образованный из трех остатков глицина. Следует подчеркнуть, что в этих случаях введения олигопептидов с пищей в портальной крови обнаруживаются свободнце аминокислоты. Очевидно, олигопептиды подвергаются гидролизу после всасывания. Большие пептиды, очевидно, вообще не всасываются без предварительного гидролиза, поскольку они не проникают через двойной липидный слой. В некоторых, может быть исключительных, случаях всасывание больших пептидов все же отмечается. Например, некоторые растительные токсины, в частности абрин и рицин, а также токсины ботулизма, холеры и дифтерии всасываются непосредственно в кровь. Дифтерийный токсин (молекулярная масса 63 000), наиболее изученный из этих токсинов, состоит из двух функциональных полипептидов: первого, связывающегося со специфическим рецептором на поверхности чувствительной (восприимчивой) клетки, и второго, проникающего внутрь клетки и оказывающего эффект, который чаще всего сводится к торможению внутриклеточного синтеза белка всего организма. Транспорт этих двух полипептидов или целого токсина через двойной липидный слой биомембран до сих пор считается уникальным и загадочным процессом. Ряд вопросов, однако, до сих пор остается нерешенным, в частности вопрос об относительном количестве всасывания небольших пептидов, вопрос о месте их гидролиза (на клеточной поверхности или внутриклеточно), а также основная проблема: выяснение молекулярных механизмов работы транспортной системы. Отсюда возникает необходимость дальнейших исследований для установления истинной природы механизма всасывания аминокислот, как и других продуктов переваривания питательных веществ в кишечнике. Использование аминокислот организмом Предыдущая: Переваривание и всасывание белков ПРОЦЕССЫ ГНИЕНИЯ БЕЛКОВ В КИШЕЧНИКЕ Строго говоря, речь идет о разнообразных превращениях свободных аминокислот, а не белков пищи, под действием микрофлоры нижнего отдела кишечника. Известно, что микроорганизмы кишечника для своего роста также нуждаются в доставке с пищей определенных аминокислот. Кроме того, микрофлора кишечника располагает набором ферментных систем, отличных от соответствующих ферментов животных тканей и катализирующих разнообразные превращения пищевых аминокислот (окисление, восстановление, дезаминирование, декарбоксилирование, распад). Благодаря этому в кишечнике создаются оптимальные условия для образования ядовитых продуктов распада аминокислот, в частности фенола, индола, крезола, скатола, сероводорода, метилмеркаптана, а также нетоксичных для организма ряда других соединений спиртов, аминов, жирных кислот, кетокислот, гидроксикислот и др. Все эти превращения аминокислот, вызванные деятельностью микроорганизмов кишечника, получили общее название гниения белков в кишечнике. Так, в процессе постепенного и глубокого распада серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина и метионина) в кишечнике образуются сероводород (H 2S) и метилмеркаптан (CH3SH). Диаминокислоты, в частности орнитин и лизин, подвергаются процессу декарбоксилирования с образованием протеиногенных аминов (их иногда называют птомаинами, или трупными ядами, поскольку они образуются также при гнилостном разложении трупов). Из орнитина образуется путресцин, а из лизина кадаверин [показать] . Оба амина легко всасываются в кровь и выделяются с мочой; следует указать, что в моче они открываются в редких случаях, в частности при холере, гастроэнтеритах, а также при наследственной цистинурии. Вероятнее всего, оба этих амина обезвреживаются уже в клетках слизистой оболочки кишечника под влиянием специфической диаминоксидазы (см. ниже). Из ароматических аминокислот фенилаланина, тирозина и триптофана при аналогичном бактериальном декарбоксилировании образуются соответствующие биогенные амины: фенилэтиламин, парагидроксифенилэтиламин (или триптамин) и индолилэтиламин (триптамин). Помимо этого процесса, микробные ферменты кишечника вызывают постепенное разрушение боковых цепей циклических аминокислот, в частности тирозина и триптофана, с образованием ядовитых продуктов обмена: соответственно крезола и фенола, скатола и индола [показать] . После всасывания эти продукты через воротную вену попадают в печень, где они подвергаются обезвреживанию путем химического связывания с серной или глюкуроновой кислотой с образованием нетоксичных, так называемых парных, кислот (например, фенолсерная кислота или скатоксилсерная кислота). Последние выделяются с мочой. Механизм обезвреживания этих продуктов расшифрован в деталях. В печени содержатся специфические ферменты - арилсульфотрансфераза и УДФ-глюкуронилтрансфераза, катализирующие соответственно перенос остатка серной кислоты из ее связанной формы - 3'фосфоаденозин-5'-фосфосульфата (ФАФС) и остатка глюкуроновой кислоты также из ее связанной формы уридиндифосфоглюкуроновой кислоты (УДФГК) на любой из указанных выше продуктов. Источником ФАФС являются промежуточные продукты обмена пуриновых нуклеотидов и углеводов; не исключено возможное участие рибозо-5-фосфата, который образуется в процессе пентозо-фосфатного пути окисления глюкозы. Предшественниками УДФГК в организме являются метаболиты глюкозы и УТФ. Cм. химическое строение ФАФС и УДФГК и в качестве примера механизм обезвреживания индола: Индол (как и скатол) предварительно подвергается окислению в индоксил (соответственно скатоксил), который взаимодействует непосредственно в ферментативной реакции с ФАФС: Индол связывается в виде эфиросерной кислоты, калиевая или натриевая соль которой получила название животного индикана, который выводится с мочой. По количеству индикана в моче у человека судят о скорости процессов гниений белков в кишечнике и о функциональном состоянии печени. Таким образом, определение индикана имеет большое клиническое значение. Ряд других аминокислот также подвергается распаду под действием ферментов микроорганизмов кишечника (фенилаланин, лизин, орнитин и др.), однако образующиеся из них продукты гниения не представляют большой опасности для организма, поскольку они менее токсичны, чем указанные выше соединения. Существенный интерес с точки зрения клиники представляет механизм обезвреживания бензойной кислоты, которая после всасывания из кишечника связывается в печени с глицином согласно уравнению: Реакция требует доставки энергии и присутствия КоА. По скорости образования и выделения гиппуровой кислоты с мочой после приема бензойной кислоты (проба Квика) обычно судят о функциональном состоянии печени; этот тест с успехом используется в клинической практике. Таким образом, организм человека и животных обладает рядом защитных механизмов синтеза, биологическая роль которых заключается в обезвреживании токсических продуктов, поступающих в организм извне или образующихся в кишечнике из продуктов питания благодаря жизнедеятельности микроорганизмов. СУДЬБА ВСОСАВШИХСЯ АМИНОКИСЛОТ Приведенная ниже схема дает представление о многообразии каналов, по которым используются аминокислоты после всасывания в кишечнике. Поступив через воротную вену в печень, они прежде всего подвергаются ряду превращений в этом органе, хотя значительная часть аминокислот разносится кровью по всему организму и используется для физиологических целей. В печени аминокислоты используются не только для синтеза собственных белков и белков плазмы крови, но также для синтеза ряда специфических азотсодержащих соединений - пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, креатина, мочевой кислоты, НАД и др. Печень обеспечивает, кроме того, сбалансированный пул свободных аминокислот организма путем синтеза незаменимых аминокислот и перераспределения азота в результате реакций трансаминирования Как видно из представленной схемы, всосавшиеся аминокислоты в первую очередь используются в качестве строительного материала для синтеза специфических тканевых белков, ферментов, гормонов и других биологически активных соединений. Некоторое количество аминокислот подвергается распаду с образованием конечных продуктов белкового обмена (СО2, Н2О и NH3) и освобождением энергии. Подсчитано, что в организме взрослого человека, находящегося на полноценной диете, освобождается примерно 1200 кДж в сутки за счет окисления около 70 г аминокислот (помимо пищевых, также эндогенных аминокислот, образующихся при гидролизе тканевых белков или синтезированных de novo из углеводов и липидов). Это количество составляет около 10% суточной потребности организма человека в энергии. Количество аминокислот, подвергающихся распаду, зависит как от характера питания, так и от физиологического состояния организма. Например, даже при полном голодании или при частичном белковом голодании с мочой выделяется небольшое, но определенное количество азотистых веществ, что свидетельствует о постоянстве процесса распада белков тела. Аминокислоты, как и белки, не накапливаются и не откладываются в тканях (наподобие жиров и гликогена) и у взрослого человека при нормальной обеспеченности пищевым белком поддерживается довольно постоянная концентрация аминокислот в крови (0,5 г/л или около 2,5 г во всем объеме крови). Использованию аминокислот в синтезе белка и роли в этом исключительно важном для всех живых существ процессе нуклеиновых кислот будет посвящена отдельная глава (см. Биосинтез белка). Прежде чем перейти к рассмотрению основных путей обмена аминокислот, следует остановиться вкратце на проблеме транспорта аминокислот внутрь клетки. ТРАНСПОРТ АМИНОКИСЛОТ ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАНЫ Различная скорость проникновения аминокислот через биомембраны клеток, установленная при помощи метода меченых атомов, свидетельствует о существовании в организме активной транспортной системы, обеспечивающей перенос аминокислот как через внешнюю клеточную мембрану, так и через систему внутриклеточных мембран. Несмотря на тщательные исследования, проведенные в разных лабораториях, тонкие механизмы функционирования активной системы транспорта аминокислот пока не расшифрованы. А. Майстером предложена новая схема транспорта аминокислот через биомембраны, которая, по-видимому, активно функционирует в почечных канальцах, слизистой кишечника и в ряде других тканей, в частности в ткани мозга. Сущность этой гипотезы можно понять из схемы[показать] . Предполагается, что главную роль в этом процессе играет мембранно-связанный гликопротеид - фермент γглутамил-транспептидаза, которая катализирует перенос γ-глутамильной группы от глутатиона или другого γглутамильного пептида на транспортируемую аминокислоту. Комплекс γ-глутамил - аминокислота после переноса (транслокации) через биомембрану распадается внутри клетки (или внутри субклеточного образования) под действием глутамилциклотрансферазы на свободную аминокислоту и 5-оксопролин (пироглутаминовая кислота), образование которого почти целиком сдвигает реакцию расщепления комплекса вправо. Специфичность связывания (центр узнавания) аминокислоты обусловлена молекулой самой γглутамилтранспептидазы благодаря существованию изоферментов. С другой стороны, предполагается, что имеются особые белки, связывающие аминокислоты, - эти белки обеспечивают доставку своих субстратов к транспептидазе. Укажем также, что благодаря легкой возможности ресинтеза глутатиона, требующего только затраты энергии АТФ, цикл может повторяться многократно. Однако, несмотря на свою оригинальность и привлекательность, схема не отвечает на ряд вопросов (включая значение Na + в активном транспорте аминокислот). ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ В ТКАНЯХ Ранее было отмечено широкое участие природных аминокислот (точнее углеродных скелетов, колец и различных функциональных групп) в синтезе биологически активных соединений. О многообразии таких синтезов свидетельствует приведенная ниже схема: ОБЩИЕ ПУТИ ОБМЕНА АМИНОКИСЛОТ Несмотря на то, что почти для каждой аминокислоты выяснены индивидуальные пути обмена (см. ниже), известен ряд превращений, общих почти для всех аминокислот. К этим превращениям относятся реакции дезаминирования, трансаминирования, декарбоксилирования и рацемизации. Рассмотрим подробно три первые реакции, имеющие значение для всех живых организмов. В то же время реакции рацемизации характерны только для микроорганизмов, в которых открыты ферменты, катализнрующие рацемизацию ряда аминокислот (Ала, Глу, Про, Мет, Лиз, Сер) и эпимеризацию оксипролина и α,ε-диаминопимелиновой кислоты. Физиологическая роль рацемаз микроорганизмов сводится к синтезу ряда D-изомеров аминокислот, которые затем используются для построения клеточной оболочки. Дезаминирование аминокислот Трансаминирование аминокислот Судьба α-кетокислот Образовавшиеся в процессе дезаминирования и трансдезаминирования α-кетокислоты подвергаются в тканях животных различным превращениям. Прежде всего α-кетокислоты могут подвергаться восстановительному аминированию с образованием соответствующей аминокислоты. Это так называемый синтетический путь превращения. Опыты с перфузией растворов α-кетокислот и аммиака через изолированную печень показали, что в оттекающей из печени жидкости действительно открываются соответствующие исходным кетокислотам L-аминокислоты. Этот синтез протекает преимущественно по механизму трансреаминирования, т. е. при участии трансаминирования (см. выше). Доказаны, кроме того, глюкогенные, кетогенные и окислительные пути, ведущие к образованию глюкозы, жирных кислот, ацетоновых тел и компонентов цикла трикарбоновых кислот (рис.) Углеродные скелеты аминокислот могут включаться в ЦТК через следующие соединения: ацетил-КоА (опосредованно через пируват), ЩУК, α-КГ и сукцинил-КоА непосредственно. Пять аминокислот (Фен, Лиз, Лей, Три и Тир) считаются "кетогенными", поскольку они являются предшественниками ацетоновых тел, в частности ацетоуксусной кислоты, в то время как большинство других аминокислот, обозначаемых как "глюкогенные", служат в организме источником углеводов, в частности глюкозы. Подобный синтез углеводов de novo наблюдается при некоторых патологических состояниях, например при сахарном диабете, а также при гиперфункции коры надпочечников и при введении глюкокортикоидов (см. Гормоны). Такое разделение аминокислот на кетогенные и глюкогенные имеет, однако, условный характер, поскольку из 9 углеродных атомов тирозина, например, четыре используются при синтезе ацетоуксусной кислоты, а три - при синтезе глюкозы через пируват. Декарбоксилирование аминокислот Судьба биогенных аминов. Накопление биогенных аминов может отрицательно сказаться на физиологическом статусе и вызывать ряд серьезных нарушений в организме. Однако органы и ткани как и целостный организм располагают специальными механизмами обезвреживания биогенных аминов, которые в общем виде сводятся к их окислительному дезаминированию с образованием соответствующих альдегидов и освобождением аммиака: Ферменты, катализирующие эти реакции, получили названия моноамин- и диаминоксидаз. Более подробно изучен механизм окислительного дезаминирования моноаминов. Этот ферментативный процесс является необратимым и протекает в две стадии: 1. 2. R-CH2-NH2 + E · ФАД + Н2О --> R-CHO + NH2 + E · ФАДH2 ФАДH2 + O2 --> E · ФАД + Н2О2 Видно, что в первой, анаэробной, стадии образуются альдегид, аммиак и восстановленный фермент. Последний в аэробной фазе окисляется молекулярным кислородом. Образовавшаяся перекись водорода далее распадается на воду и кислород. Моноаминоксидаза - ФАД-содержащий фермент преимущественно локализуется в митохондриях, играет исключительно важную роль в организме, регулируя скорость биосинтеза и распада биогенных аминов. Укажем также, что некоторые ингибиторы моноаминоксидазы (ипраниазид, гармин, паргилин) нашли применение при лечении гипертонической болезни, депрессивных состояний, шизофрении и др. Дезаминирование аминокислот Опыты, проведенные со срезами тканей или переживающими органами, показали, что при добавлении аминокислоты к тканям (или при пропускании раствора аминокислоты через переживающий орган) образуются аммиак и соответствующая α-кетокислота. Аналогичные данные были получены в опытах с растениями и с микроорганизмами. Доказано существование четырех типов дезаминирования аминокислот (отщепление аминогруппы). Выделены соответствующие ферментные системы, катализирующие эти реакции, и идентифицированы продукты распада. Во всех случаях NH2-группа аминокислоты освобождается в виде аммиака: Помимо аммиака, продуктами дезаминирования являются жирные кислоты, оксикислоты и кетокислоты. Для животных тканей, растений и большинства аэробных микроорганизмов преобладающим типом реакции является окислительное дезаминирование аминокислот, хотя исключением является гистидин, подвергающийся внутримолекулярному дезаминированию даже в животных тканях (точнее, в печени и коже, где открыт специфический фермент гистидинаммиаклиаза, катализирующий эту реакцию). Рассмотрим подробно механизм окислительного дезаминирования аминокислот, протекающего в две стадии: Первая стадия является ферментативной с образованием неустойчивого промежуточного продукта (иминокислота), который во второй стадии спонтанно без участия фермента, но в присутствии воды распадается на аммиак и α-кетокислоту. Следует указать, что оксидазы аминокислот (L- и D-изомеров), иногда называемых дегидрогеназами, являются сложными флавопротеидами, содержащими в качестве кофермента флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД) (см. Тканевое дыхание), выполняющие в этой реакции роль акцепторов двух водородных ионов, отщепляющихся от аминокислоты. Показано, что оксидаза L-аминокислот содержит ФМН, а оксидаза D-аминокислот - ФАД в качестве простетической группы. Схематически реакции окислительного дезаминирования аминокислот с участием коферментов могут быть представлены в следующем виде: Укажем также, что восстановленные флавиннуклеотиды оксидаз L- и D-аминокислот могут непосредственно окисляться молекулярным кислородом, образуя перекись водорода, которая подвергается расщеплению под действием каталазы на воду и кислород: Е-ФАДН2 (Е-ФМНН2) + 02 --> Е-ФАД (Е-ФМН) + Н202; Н202 --> Н20 + 1/2 O2 Впервые в лаборатории Грина из ткани печени и почек крыс была выделена оксидаза, катализирующая дезаминирование 12 природных (L-изомеров) аминокислот. Позже было показано, что этот фермент имеет оптимум pH действия в щелочной среде (pH 10,0) и что при физиологических значениях pH среды ее активность в 10 раз ниже, чем при pH 10,0. Поскольку в тканях животных и человека нет подобной среды, было высказано предположение, что оксидазе L-аминокислот, вероятнее всего, принадлежит ограниченная роль в процессе окислительного дезаминирования природных аминокислот. Это предположение полностью подтвердилось, как будет показано ниже. В животных тканях со значительно большей скоростью дезаминируются неприродные (D-изомеры) аминокислоты. Эти данные подтвердились после того, как из животных тканей был выделен специфический фермент оксидаза D-аминокислот, который в отличие от оксидазы L-аминокислот оказался высокоактивным при физиологических значениях pH среды. Непонятным до сих пор остается вопрос о том, каково назначение активной дегидрогеназы D-аминокислот в тканях, если поступающие с пищей белки и белки тела животных и человека состоят исключительно из природных (Lизомеров) аминокислот. Было высказано предположение, что часть L-изомеров аминокислот под действием рацемаз микрофлоры кишечника превращается в рацемические смеси (DL-изомеры) и после их всасывания в кишечнике D-изомер будет, по-видимому, расщепляться активной оксидазой в тканях. Однако такой путь рацемизации доказан для небольшого числа аминокислот, в частности для глутаминовой кислоты и аланина. В животных тканях Эйлером открыт высокоактивный при физиологических значениях pH и специфический фермент глутаматдегидрогеназа, катализирующий окислительное дезаминирование L-глутаминовой кислоты. Он является анаэробным ферментом и чрезвычайно широко распространен во всех живых объектах. В качестве кофермента глутаматдегидрогеназа содержит НАД и катализирует обратимую реакцию дезаминирования L-глутамата. Реакция включает анаэробную фазу дегидрирования глутаминовой кислоты с образованием промежуточного продукта - иминоглутаровой кислоты и спонтанный гидролиз последней на аммиак и α-кетоглутаровую кислоту в соответствии со следующей схемой: Первая стадия окисления глутаминовой кислоты аналогична реакции окислительного дезаминирования; восстановленный НАД (НАДН2) далее окисляется при участии флавиновых ферментов и цнтохромной системы (см. Тканевое дыхание) с образованием конечного продукта - воды. Образовавшийся аммиак благодаря обратимости ферментативной реакции в присутствии НАДН 2 (более активным донором водорода в синтетической реакции оказался НАДФН2) может участвовать в восстановительном аминировании αкетоглутаровой кислоты с образованием глутаминовой кислоты. В последней реакции глутаматдегидрогеназа работает как бы в режиме синтеза и при физиологических значениях pH реакция больше сдвинута в сторону синтеза глутаминовой кислоты. Глутаматдегидрогеназа является также одним из наиболее изученных ферментов азотистого обмена. Это олигомерный фермент (молекулярная масса 312 000), состоящий из 6 субъединиц (каждая из которых имеет молекулярную массу около 52 000), проявляющий свою основную активность только в мультимерной форме. При диссоциации этой молекулы на субъединицы, наступающей легко в присутствии НАДН2, ГТФ и некоторых стероидных гормонов, фермент теряет свою главную глутаматдегидрогеназную функцию, но приобретает способность дезаминировать ряд других аминокислот, в частности аланин. Эти данные по изменению активности и специфичности действия свидетельствуют об аллостерической природе глутаматдегидрогеназы, действующей как регуляторный фермент в аминокислотном обмене. Помимо перечисленных выше четырех типов дезаминирования аминокислот и ферментов, катализирующих эти превращения, в животных тканях и в печени человека открыты также три специфических фермента, катализирующих неокислительное дезаминирование серина, треонина и цистеина: Конечными продуктами реакции являются пировиноградная и α-кетомасляная кислоты, аммиак и сероводород. Поскольку все три фермента требуют присутствия пиридоксальфосфата в качестве кофермента, реакция неокислительного дезаминирования, вероятнее всего, протекает с образованием шиффовых оснований как промежущчных метаболитов (см. ниже). Наиболее изученный фермент треониндегидратаза, которая является не только аллоcтерическим ферментом, но и, наряду с триптофанлирролазой и тирозинтрансаминазой, индуцибельным ферментом в животных тканях (индукция синтеза ферментов de novo является общим свойством микроорганизмов). Так, при скармливании крысам гидролизата казеина активность треониндегид-ратазы печени повышается почти в 300 раз. Этот синтез тормозится ингибитором белкового синтеза - пуромицином. Поскольку эта индукция почти полностью тормозится глюкозой пищи, треониндегидратаза, по-видимому, является ответственной за глюконеогенез, так как α-кетомасляная кислота легко превращается в пируват и соответственно в глюкозу. Трансаминирование аминокислот Под трансаминированием подразумевают реакции межмолекулярного переноса аминогруппы (NH 2) от аминокислоты на α-кетокислоту без промежуточного образования аммиака. Впервые реакции трансаминирования (прежнее наименование переаминирования) были открыты в 1937 г. советскими учеными А. Е. Браунштейном и М. Г. Крицман при изучении дезаминирования глутаминовой кислоты в мышечной ткани. Было замечено, что при добавлении к гомогенату мышц глутаминовой и пировиноградной кислот образуются α-кетоглутаровая кислота и аланин без промежуточного образования аммиака; добавление аланина и α-кетоглутаровой кислоты соответственно приводило к образованию пировиноградной и глутаминовой кислот: Реакции трансаминирования являются обратимыми, и, как выяснилось позже, универсальными для всех живых организмов. Эти реакции протекают при участии специфических ферментову названных А. Е. Браунштейном аминоферазами (или, по совремменной классификации, аминотрансферазами либо трансаминазами). Теоретически реакции трансаминирования возможны между любой амино- и кетокислотой, однако наиболее интенсивно они протекают в том случае, когда один из партнеров представлен дикарбоновой амино- или кетокислотой. Следует отметить, что в тканях животных и у микроорганизмов доказано существование реакций трансаминирования также между одними монокарбоновыми амино- и кетокислотами. Донаторами NH2-группы могут также служить не только α-, но и β-, γ-, δ- и ω-аминогруппы ряда аминокислот. В лаборатории А. Майстера доказано, кроме того, трансаминирование глутамина и аспарагина с кетокислотами в тканях животных. В переносе аминогруппы активное участие принимает кофермент трансаминаз - пиридоксальфосфат (производное витамина В6, см. Витамины), который в процессе реакции обратимо превращается в пиридоксаминфосфат. Окисление пиридоксина (пищевого витамина В 6) в пиридоксаль и превращение последнего в кофермент (пиридоксальфосфат, соответственно пиридоксаминфосфат) катализируется специфическими ферментами, в частности оксидазой, пиридоксаль- и пиридоксаминкиназами. Последние требуют присутствия АТФ в качестве субстрата, донатора фосфатной группы. Механизм реакции трансаминирования. Общую теорию механизма ферментативного трансаминирования разработали советские ученые А. Е. Браунштейн и М. М. Шемякин. Одновременно подобный механизм был предложен американским биохимиком Э. Снеллом. Все трансаминазы (как и декарбоксилазы аминокислот, см. ниже) содержат один и тот же кофермент - пиридоксальфосфат. Для катализируемых этими ферментами реакций трансаминирования характерен общий механизм. Специфичность трансаминаз обеспечивается белковым компонентом. Обозначив пирифоксальфосфат 0=СН-ПФ (соответственно пиридоксаминфосфатH2N-СН2-ПФ), поскольку именно альдегидная группа играет ключевую роль в переносе NH2-rpynnu аминокислот, механизм реакции трансаминирования можно представить в виде двух последовательных стадий: Опуская промежуточные стадии образования шиффовых оснований, обе стадии реакции трансаминирования можно представить в виде обшей схемы: Пиридоксальфосфат в первой стадии принимает NН2-группу от аминокислоты с образованием пиридоксаминофосфата и соответствующей кетокислоты. Этот процесс протекает через промежуточное образование шиффовых оснований (альдимина и кетимина). Во второй стадии образовавшийся пиридоксаминфосфат реагирует с какой-либо α-кетокислотой, причем образуется промежуточное соединение, которое также подвергается внутримолекулярным превращениям (перераспределение энергии двойной связи, лабйлизация а-водородного атома) и распадается гидролитически на аминокислоту, соответствующую исходной кетокислоте, и пиридоксальфосфат. Таким образом, пиридоксальфосфат в реакциях трансаминирования действительно выполняет роль промежуточного переносчика аминогруппы и в конечной стадии освобождается и может вновь вступить в ферментативный процесс. Наличие подобного механизма реакции трансаминирования доказано методами спектрального анализа по идентификации промежуточных продуктов, а существенность для реакции альдегидной группы пиридоксальфосфата показана в опытах с блокированием ее реагентами на карбонильную группу, в частности фенилгидразином, гидразидом изоникотиновой кислоты и др. Так, например, при взаимодействии пиридоксальфосфата с фенилгидразином образуется весьма прочный комплекс, не гидролизуемый водой, и кофермент выводится из сферы химической реакции: В последнее время получены новые доказательства существования в живых организмах приведенного выше механизма трансаминирования и выяснены некоторые новые детали механизма действия трансаминаз и других пиридоксалевых (содержащих в качеству кофермента пиридоксальфосфат) ферментов. Методами спектрального анализа показано, что во всех пиридоксалевых ферментах карбонильная группа кофермента (СНО) не свободна, а соединена иминной связью с ε-аминогруппой лизина белковой части фермента. В этом случае, по представлениям А. Е. Браунштейна и Снелла, взаимодействие между субстратом, т. е. аминокислотой, и пиридоксальфосфатом происходит не путем конденсации с выделением молекулы воды, а путем реакции замещения, при которой аминогруппа субстата вытесняет ε-аминогруппу остатка лизина в молекуле ферментного белка, что приводит к формированию пиридоксальфосфатсубстратного комплекса. Роль трансаминаз (соответственно реакций трансаминирования) в обмене аминокислот. Чрезвычайно широкое распространение трансаминаз в животных тканях, у микроорганизмов и растений, их высокая резистентность к физическим, химическим и биологическим воздействиям (факторам), абсолютная стереохимическая специфичность по отношению к L- и D-аминокислотам, а также их высокая каталитическая активность в процессах трансаминирования послужили предметом детального исследования роли этих ферментов в обмене аминокислот. Выше было указано, что при физиологических значениях pH среды активность оксидазы L-аминокислот резко снижена. Учитывая эти обстоятельства, а также высокую скорость протекания реакции трансаминирования, А. Е. Браунштейн выдвинул гипотезу о возможности существования в животных тканях непрямого пути дезаминирования аминокислот через реакции трансаминирования, названного им трансдезаминированием. Основой для выдвижения этой гипотезы послужили также данные Г. Эйлера о том, что в животных тканях из всех природных аминокислот с высокой скоростью дезаминируется только L-глутаминовая кислота, катализируемое высокоактивной и специфической глутаматдегидрогеназой. По этой теории все или почти все природные аминокислоты сначала реагируют с а-кетоглутаровой кислотой в реакции трансаминирования с образованием глутаминовой кислоты и соответствующей кетокислоты. Образовавшаяся глутаминовая дезаминированию (см. выше) кислота затем под действием подвергается непосредственному окислительному глутаматдегидрогеназы. Схематический механизм трансдезаминирования можно представить в следующем виде: Суммарная реакция при этом сводится к следующей: R1-CH(NH2)-СООН + НАД + Н10 --> R1-->CO-COOH + НАДН2 + NH2 Поскольку обе реакции (трансаминирование и дезаминирование глутаминовой кислоты) являются обратимыми, создаются условия для синтеза по существу любой аминокислоты, если в организме имеются соответствующие α-кетокислоты. Известно, что организм животных и человека не наделен способностью синтеза углеводных скелетов (α-кетокислот) так называемых незаменимых аминокислот (см. выше); этой способностью обладают только растения и многие микроорганизмы. Механизм, при помощи которого в живых организмах осуществляется синтез природных аминокислот из αкетокислот и аммиака, был назван А. Е. Браунштейном трансреаминированием. Сущность его сводится к восстановительному аминированию α-кетоглутаровой кислоты с образованием глутаминовой кислоты (реакцию катализирует НАДФ-зависимая глутаматдегидрогеназа, работающая в режиме синтеза, и к последующему трансаминированию глутамата с любой α-кетокислотой. В результате образуется Lаминокислота, соответствующая исходной кетокислоте, и вновь освобождается α-кетоглутаровая кислота, которая может акцептировать новую молекулу аммиака. Схематически роль реакций трансаминирования как в дезаминировании, так и биосинтезе аминокислот может быть представлена в следующем виде: Видно, что трансаминазы катализируют опосредованное через глутаматдегидрогеназу как дезаминирование природных аминокислот (стрелки вниз), так и биосинтез аминокислот (стрелки вверх). Получены доказательства существования в организме теплокровных животных еще одного механизма непрямого дезаминирования α-аминокислот, при котором Глу, Асп и аденозинмонофосфат (АМФ) выполняют роль системы переноса NH2-группы; гидролитическое дезаминирование АМФ приводит к образованию инозинмонофосфаа (ИМФ) и аммиака. Возможно, что в аналогичной системе в качестве промежуточного переносчика NH 2-группы участвует вместо АМФ (и ИМФ) НАД (и дезамидо-НАД). Клиническое значение определения активности трансаминаз. Ввиду широкого распространения и высокой активности трансаминаз в органах и тканях человка, а также сравнительно низких величин активности этих ферментов в крови были предприняты попытки определения уровня ряда трансаминаз в сыворотке крови человека при органических и функциональных поражениях разных органов. Для клинических целей наибольшее значение имеют две трансаминазы аспартатаминотрансфераза аланинаминотрансфераза, катализирующие соответственно следующие обратимые реакции: и Аспартат + α-Кетоглутарат <--> ЩУК + Глутамат Аланин + α-Кетоглутарат <--> ПВ + Глутамат Табл. 38 дает представление об уровнях аспартат- и аланин-аминотрансфераз в сыворотке крови и некоторых других тканях здорового взрослого человека. Таблица 38. Активность трансаминаз в органах и тканях здорового человека в условных единицах Боданского Активность, уcл. ед. Объект исследования аспартатамино- трансфераза аланинамино- транcфераза Сердечная мышца 150 000 7 000 Печень 140 000 44 000 Скелетные мышцы 100 000 5 000 Почки 90 000 12 000 Поджелудочная железа 30 000 20 000 5-40 (20) 4-35 (15) Сыворотка крови Видно, что в сыворотке крови здоровых людей активность этих трансаминаз в среднем составляет 15 и 20 единиц по сравнению с десятками и сотнями тысяч единиц в других органах и тканях. Поэтому органические поражения при острых и хронических заболеваниях, сопровождающихся деструкцией клеток, приводят к выходу трансаминаз из очага поражения в кровь. Так, при инфаркте миокарда уровень аспартатаминотрансферазы сыворотки крови уже через 3-5 ч после наступления инфаркта резко повышается, достигая 300-500 единиц. Максимум активности обеих трансаминаз крови приходится на конец первых суток, а уже через 2-3 дня при благоприятном исходе болезни уровень сывороточных трансаминаз возвращается к норме. Напротив, при затяжном процессе или при наступлении повторного инфаркта миокарда наблюдается новый пик повышения активности этих ферментов в крови. Этим объясняется тот факт, что в клинике трансаминазный тест используется не только для постановки диагноза заболевания, но и для прогноза и проверки эффективности метода лечения. При гепатитах также наблюдается гипертрансаминаземия (за счет преимущественного повышения уровня аланинаминотрансферазы, см. табл. 38), но она имеет только более умеренный и затяжной характер, и повышение активности ферментов осуществляется медленно. При различного рода коронарной недостаточности (стенокардия, пороки сердца и др., кроме инфаркта миокарда) гипертрансаминаземия или не наблюдается или она имеет умеренный характер. Определение трансаминаз сыворотки крови при заболеваниях сердца следует отнести к дифференциально-диагностическим лабораторным тестам. В настоящее время с диагностической целью в клинике внутренних болезней широко используются наборы химических реактивов для быстрого (экспрессного) определения активности трансаминаз, креатинкиназы и лактатдегидрогеназы. Гипертрансаминаземия может иметь место при заболеваниях других органов (печени, почек, поджелудочной железы, скелетной мускулатуры) и при острых отравлениях (например, четыреххлористым углеродом). Для некоторых болезней печени наиболее характерным является более резкое повышение, уровня аланинаминотрансферазы, в связи с чем значительно снижается величина коэффициента К, отражающего отношение аспартат- к уровню аланинаминотрансферазы. У здоровых людей К равен 1,33±0,42, а у больных вирусным гепатитом К составляет примерно 0,65. Показано также, что при вирусных гепатитах существует прямая зависимость между тяжестью заболевания, распространенностью патологического процесса и гипертрансаминаземией. Другие заболевания печени (холангиты, холециститы, механическая желтуха и , др.) обычно не сопровождаются гипертрансаминаземией. Учитывая эти данные, трансаминазный тест рассматривают как вспомогательный диагностический тест при острых инфекционных поражениях печени. Укажем также, что опухоли печени или метастазы опухолей, органов в печень характеризуются умеренным повышением трансаминазной активности сыворотки крови. Однако этот тест не является абсолютно специфичным для опухолей, поскольку при циррозах печени наблюдается аналогичная гипертрансаминаземия. Повышение уровня трансаминаз сыворотки крови отмечено, кроме того, при некоторых заболеваниях мышц, в частности при обширных травмах, гангрене конечностей, прогрессивной мышечной дистрофии и т. д. Интересно, что инфаркт легкого и кровоизлияния в мозг не сопровождаются повышением уровня трансаминаз в крови. Ряд исследователей на основании аспартатаминотрансферазы сыворотки крови этих данных в качестве склонны рассматривать определение основного теста при проведении дифференциального диагноза между инфарктом миокарда и инфарктом легких. Таким образом, трансаминазный тест сыворотки крови, несомненно, является весьма перспективным лабораторным методом, оказывая врачу большую помощь при постановке диагноза болезней сердца, печени, скелетной мускулатуры и других органов. Декарбоксилирование аминокислот Процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде СO 2 получил название декарбоксилирования. Несмотря на ограниченный круг субстратов (аминокислот и их производных), подвергающихся декарбоксилированию в животных тканях, образующиеся продукты реакции (названные биогенными аминами) обладают сильным фармакологическим действием на множество физиологических функций человека и животных. В животных тканях показано декарбоксилирование следующих аминокислот и их производных: тирозина, триптофана, 5-окситриптофана, валина, серина, гистидина, глутаминовой и γоксиглутаминовой кислот, 3, 4-диоксифенилаланина, цистеина и цистеин-сульфиновой кислоты, аргинина, орнитина, S-аденозилметионина и α-аминомалоновой кислоты. Помимо этого, у микроорганизмов и растений открыто декарбоксилирование этих и ряда других аминокислот. Сведения о декарбоксилировании аминокислот в живых организмах суммированы в табл. 39[показать] . Общая схема процесса декарбоксилирования аминокислот может быть представлена в следующем виде: R-CH(NH2)-COOH --> R-CH2-NH2 + CO2 В живых организмах открыто четыре типа декарбоксилирования аминокислот. 1. α-Декарбоксилирование, характерное для большинства природных аминокислот и их производных, при котором отщепляется карбоксильная группа, стоящая по соседству с α-углеродным атомом. Продуктами реакции являются СО2 и биогенные амины: R-CH(NH2)-COOH --> R-CH2-NH2 + CO2 2. ω-Декарбоксилированне, характерное для микроорганизмов. Например, из аспарагиновой кислоты этим путем образуется α-аланин: НООС-СН2-CH(NH2)-СООН --> СН3-CH(NH2)-СООН + СО2 3. Декарбоксилирование, связанное с реакцией трансаминирования: В этой реакции образуются альдегид и новая аминокислота, соответствующая исходной кетокислоте. 4. Декарбоксилирование, связанное с реакцией конденсации двух молекул: Эта реакция в тканях животных осуществляется при синтезе δ-аминолевулиновой кислоты из глицина и сукцинил-КоА (см. Синтез гемоглобина) и при синтезе 3-кетосфинганина (сфинголипидов), а также у растений при синтезе биотина. Помимо этих реакций, у Peptococcus glycinophilus открыта еще одна реакция декарбоксилирования, сопряженная с генерацией энергии (синтезом АТФ). Этот анаэробный организм утилизирует глицин в качестве единственного источника углерода, превращая его в ацетат: 2CH2(NH2)COOH + 2НАД + АДФ + Фн + Н2О --> 2 СO2 + 2NH3 + СН3-СООН + 2НАДН2 + АТФ В этом уравнении реакции участвует множество ферментов, а также тетрагидрофолиевая кислота (ТГФ); первая часть уравнения включает декарбоксилирование одной молекулы глицина: CH2(NH2)COOH + НАД + ТГФ --> СO2 + NH3+ Метилен-ТГФ Эта последняя реакция также катализируется комплексом ферментов, одним из которых является пиридоксальфосфатзависимая глициндекарбоксилаза. Аналогичный путь катаболизма глицина доказан (без генерации энергии) в митохондриях печени крыс; таким образом, открыт еще один путь образования одноуглеродных фрагментов, используемых организмом для множества синтетических реакций. Реакции декарбоксилирования в отличие от других процессов промежуточного обмена аминокислот являются необратимыми. Они катализируются специфическими ферментами - декарбоксилазами аминокислот, отличающимися от декарбоксилаз α-кетокислот как по белковому компоненту, так и по природе кофермента. Декарбоксилазы аминокислот состоят из белковой части, обеспечивающей специфичность действия, и простетической группы, представленной пиридоксальфосфатом, как и у трансаминаз. Таким образом, в двух совершенно различных процессах аминокислот участвует один и тот же коферментпиридоксальфосфат. Исключение составляют две декарбоксилазы - гистидиндекарбоксилаза Micrococcus и Lactobacillus и S-аденозилметиониндекарбоксилаза Е. coli, содержащие вместо пиридоксальфосфата остаток пировиноградной кислоты (С. Р. Мардашев, Снелл). Соответствующие декарбоксилазы животных тканей содержат пиридоксальфосфат. Механизм реакции декарбоксилирования аминокислот в соответствии с общей теорией пиридоксалевого катализа сводится к образованию пиридоксальфосфат-субстратного комплекса в активном центре фермента (представленного, как и в реакциях трансаминирования, шиффовым основанием пиридоксальфосфата и аминокислоты, см. формулу). Образование подобного комплекса в сочетании с некоторым оттягиванием электронов белковой частью молекулы декарбоксилазы сопровождается лабилизацией связей "а", "б" и "в", благодаря которой аминокислота приобретает способность к различного рода превращениям (декарбоксилирование, трансаминирование, дегидратация и т. д.). Ниже будут представлены отдельные примеры декарбоксилирования аминокислот (и соответствующих декарбоксилаз), в частности тех аминокислот, продукты реакции которых обладают мощным фармакологическим действием. Одним из хорошо изученных ферментов является декарбоксилаза ароматических аминокислот, не обладающая строгой субстратной специфичностью и катализирующая декарбоксилирование L-изомеров триптофана, 5-гидрокситриптофана и 3,4-диоксифенилаланина (ДОФА); продуктами реакций, помимо СO2, являются соответственно триптамин, серотонин и диоксифенилэтиламин (дофамин): Декарбоксилаза ароматических аминокислот получена в чистом виде (мол. м. 112 000); коферментпиридоксальфосфат. В больших количествах она содержится в надпочечниках и ЦНС. Она играет важную роль в регуляции синтеза биогенных аминов. Образующийся из триптофана под действием этого фермента продукт - триптамин - наделен сосудосуживающим действием. Другим, более изученным, биогенным амином, образующимся из 5-гидрокситриптофана, является 5гидрокситриптамин, или серотонин. Помимо сосудосуживающего действия, серотонин участвует в центральной регуляции артериального давления, температуры тела, дыхания и почечной фильтрации. Он является медиатором нервных процессов в ЦНС. Некоторые авторы считают серотонин причастным к развитию аллергии, демпинг-синдрома, токсикоза беременности, карциноидного синдрома и геморрагических диатезов. Относительно третьего продукта декарбоксилазной реакции - дофамина - следует прежде всего указать на ферментные системы и промежуточные продукты, ведущие к его образованию. Это важно, так как дофамин является предшественником катехоламинов (норадреналина и адреналина). Источником ДОФА в организме является тирозин, который под действием специфической гидроксилазы превращается в 3,4диоксифенилаланин. Тирозингидроксилаза открыта в надпочечниках, в ткани мозга и периферической нервной системы. Простетической группой тирозингидроксилазы, как и дофамингидроксилазы (последняя катализирует превращение дофамина в норадреналин) является тетрагидробиоптерин (рис.) Физиологическая роль тирозингидроксилазы чрезвычайно высока, поскольку катализируемая этим ферментом реакция определяет скорость биосинтеза дофамина и катехоламинов, регулирующих в известной степени деятельность сердечно-сосудистой системы. В медицинской практике широко используются, кроме того, ингибиторы декарбоксилазы ароматических аминокислот, в частности α-метилдофа (альдомет), введение которого способствует снижению кровяного давления. В животных тканях с высокой скоростью протекает реакция декарбоксилирования гистидина, катализируемая специфической гистидиндекарбоксилазой (рис.). Продукт реакции - гистамин - обладает широким спектром биологического действия. По сосудорасширяющему эффекту на кровеносные сосуды он резко отличается от других биогенных аминов, оказывающих сосудосуживающее действие. Много гистамина образуется в области воспаления, что имеет определенный биологический смысл. Вызывая расширение сосудов в очаге воспаления, гистамин тем самым ускоряет приток лейкоцитов, способствуя борьбе защитных сил организма с инфекцией. Гистамин, кроме того, участвует в секреции НС1 в желудке, что широко используется в клинике при изучении секреторной деятельности желудка (гистаминовая проба). Он имеет прямое отношение к явлениям сенсибилизации и десенсибилизации. При повышенной чувствительности к гистамину в клинике используются антигистаминные препараты (санорин, димедрол и др.), оказывающие влияние на рецепторы сосудов. Гистамину приписывают, кроме того, роль медиатора боли. Болевой синдром, несомненно, является весьма сложным процессом, детали которого пока не выяснены, но участие в нем гистамина не подлежит сомнению. В клинике широко используются, кроме того, продукт α-декарбоксилирования глутаминовой кислоты - γаминомасляная кислота (ГАМК). Фермент, катализирующий эту реакцию (глутаматдекарбоксилаза), является высокоспецифичным: НООС-CH(NH2)-СН2-СН2-СООН --> CH2(NH2)-СН2-СН2-COOH + СО2 Интерес к γ-аминомасляной кислоте связан с ее тормозящим действием на деятельность ЦНС. Больше всего γ-аминомасляной кислоты и глутаматдекарбоксилазы обнаружено в сером веществе коры головного мозга, в тo время как белое вещество мозга и периферическая нервная система их почти не содержат. Введение γаминомасляной кислоты вызывает разлитой тормозной процесс в коре (центральное торможение) и у животных приводит к утрате условных рефлексов. γ-Аминомасляная кислота используется в клинике при лечении некоторых заболеваний ЦНС, связанных с резким возбуждением коры головного мозга. Так, в практике лечения эпилепсии хороший эффект (резкое сокращение частоты эпилептических припадков) давало введение глутаминовой кислоты. Как оказалось, лечебный эффект был обусловлен не глутаминовой кислотой, а продуктом ее декарбоксилирования γ-аминомаслянной кислотой. В животных тканях с высокой скоростью декарбоксилируются также два производных цистеина - цистеиновая и цистеинсульфиновая кислоты; в процессе этих специфических ферментативных реакций образуется таурин, который используется в организме для синтеза парных желчных кислот (см. Обмен липидов). Следует указать еще на два недавно открытых в тканях животных фермента, катализирующих декарбоксилирование орнитина и S-аденозилметионина с образованием путресцина и Sметиладенозилгомоцистеамина: Значение этих реакций, катализирующихся специфическими орнитиндекарбоксилазой и Sаденозилметиониндекарбоксилазой тканей животных, огромно, если учесть, что путресцин и аминопропильная часть спермидина и спермина: S-метиладенозилгомоцистеамина используются для синтеза H2N-СН2-СН2-СН2-СН2-NH-СН2-СН2-СН2-NH2 Спермидин H2N-CH2-CH2-CH2-HN-CH2-CH2-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-CH2-NH2 Спермин полиаминов - Полиамины, к которым относят также путресцин, оказались необходимыми для регуляции биосинтеза внутриклеточных полимерных молекул (нуклеиновых кислот и белков), хотя конкретная их роль в этом процессе не всегда ясна. Таким образом, биогенные амины являются сильными фармакологически активными веществами, оказывающими разносторонее влияние на физиологические функции организма. Некоторые биогенные амины нашли широкое применение в качестве лекарственных средств. Обезвреживание аммиака в организме Предыдущая: Использование аминокислот организмом В организме человека подвергается распаду около 70 г аминокислот в сутки; при этом в результате дезаминирования, трансаминирования и окисления биогенных аминов освобождается большое количество аммиака, являющегося высокотоксичным соединением. Поэтому концентрация аммиака в организме должна сохраняться на низком уровне. И, действительно, уровень аммиака в норме в крови не превышает 1-2 мг/л (это почти в 1000 раз меньше концентрации сахара в крови). На кроликах показано, что концентрация аммиака 50 мг/л является летальной. Таким образом, аммиак должен подвергаться связыванию в тканях с образованием нетоксичных соединений, легко выделяемых с мочой. Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме, в частности в мозге, сетчатке, почках, печени и мышцах, является биосинтез глутамина (и, возможно, аспарагина). Поскольку глутамин и аспарагин с мочой выделяются в небольшом количестве, было высказано предположение, что они выполняют скорее транспортную функцию. Позже в тканях, в основном в почках, были открыты специфические ферменты глутаминаза и аспарагиназа, катализирующие гидролиз соответствующих амидов на аммиак и дикарбоновые аминокислоты. Синтез амидов требует доставки энергии в виде АТФ и присутствия глутаминовой или аспарагиновой кислоты, свободного аммиака и катализируется специфическими глутамин- и аспарагинсинтетазами в соответствии с уравнением реакций: Механизм этих синтетазных реакций, подробно изученный Майстером, включает ряд стадий. Если фермент обозначить Е и принять сокращенные буквенные обозначения аминокислот, то механизм синтеза глутамина в присутствии глутаминсинтетазы может быть представлен в следующем виде: a. b. Глу + Е + АТФ --> Е~АДФ-Глу + Фн Е~АДФ-Глу + NH3 --> Глн + Е-АДФ c. Е-АДФ -> Е + АДФ --------------------------------------------а + b + c: Глу + АТФ + NH3 --> Глн + АДФ + Фн Биосинтез аспарагина протекает несколько отлично и зависит от природы ферментов и донатора аммиака. Так, у микроорганизмов и в животных тканях открыта специфическая аммиакзависимая аспарагинсинтетаза, которая катализирует синтез аспарагина в две стадии: a. b. Асп + Е + АТФ --> Е-Аспартил~АМФ + ФФн Е-Аспартил~АМФ + NH3 --> Асн + Е + АМФ В животных тканях содержится, кроме того, глутаминзависимая аспарагинсинтетаза, которая для синтеза во второй стадии использует амидную группу глутамина: 1. Е-Аспартил~АМФ + Глн --> Асн + Е + АМФ + Глу Суммарная ферментативная реакция синтеза аспарагина может быть представлена в следующем виде: Асп + АТФ + NH* + (Глн) -> Асн + АМФ + ФФн + (Глу) Часть аммиака легко связывается с α-кетоглутаровой кислотой благодаря обратимости глутаматдегидрогеназной реакции; если еще учесть синтез глутамина, то нетрудно видеть, что в организме имеется хорошо функционирующая система, связывающая две молекулы аммиака: Глутамин, кроме того, используется почками в качестве резервного источника аммиака, необходимого для нейтрализации кислых продуктов обмена при ацидозе, защищая тем самым организм от потери с мочой ионов Na+, которые в противном случае использовались бы для поддержания физиологического значения pH крови и мочи при ацидозе. Орнитиновый цикл мочевинообразования Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является биосинтез мочевины. Последняя выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного, обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Долгое время решалась проблема, связанная с локализацией сиитеза мочевины. Однозначно эта проблема была решена в лаборатории И. П. Павлова, в которой были получены убедительные доказательства роли печени в этом процессе. Оказалось, что при наложении фистулы Экка - Павлова, выключающей печень из кровотока, наблюдается резкое повышение количества свободных аминокислот в крови и падение количества мочевины в крови и моче. Эти данные, а также клинические наблюдения над больными с органическими поражениями печени (гепатиты, острые некрозы и др.), у которых также было отмечено увеличение концентрации аминокислот в крови и снижение содержания мочевины в крови и моче, позволили считать, что печень является главным, если не единственным, местом биосинтеза мочевины в организме. Нерешенным оставался вопрос о механизме синтеза мочевины. Для объяснения механизма образования мочевины было предложено множество теорий. Одной из них является разработанная М. В. Ненцким схема синтеза мочевины, основанная на допущении, что непосредственными источниками углерода и азота в молекуле мочевины являются аммиак и углекислота (в форме угольной кислоты). Это положение подтвердилось позже, хотя в связи с открытием аргиназы механизм синтеза мочевины оказался другим. Кребс и Гензелейт в 1932 г. в опытах со срезами печени измеряли образование мочевины при добавлении в среду различных аминокислот и аммонийных солей. Было показано, что добавление к срезам печени аммонийных солей и каталитических количеств орнитина (но не какой-либо другой аминокислоты) приводило к образованию значительно большего количества мочевины, чем стехиометрическое его количество (одна молекула орнитина способствовала синтезу 20 молекул мочевины; поскольку источником азота мочевины были ионы аммония, орнитин действительно оказывал каталитическое действие). К этому времени уже была открыта в печени аргиназа, которая катализировала распад аргинина на орнитин и мочевину: аргининoрнитин + мочевина. Кребс полагал, что каталитическую роль орнитина можно было бы объяснить, если бы существовал некий механизм для регенерации аргинина из орнитина, согласно уравнению: Орнитин + СO2 + 2NH3 --> Аргинин + 2H2O Это предположение стимулировало поиск возможных промежуточных продуктов между орнитином и аргинином и в качестве кандидата была теоретически предсказана аминокислота цитруллин, который до этого был изолирован из столового арбуза (Citrullus). И действительно, в опытах на срезах печени цитруллин оказывал такой же каталитический эффект в присутствии аммонийных солей на выход мочевины, как и орнитин. На основании этих данных. Кребс вывел уравнения реакций синтеза мочевины, которые представлены ниже в виде цикла, получившего в литературе название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса (рис. 102). Следует указать, что в биохимии это была первая циклическая система метаболизма, почти на 5 лет опередившая открытие Кребсом другого метаболического цикла трикарбоновых кислот. Дальнейшие исследования в основном подтвердили циклический механизм биосинтеза мочевины в печени, однако благодаря исследованиям Коена и Ратнер были уточнены промежуточные этапы, природа других участников и ферментные системы, катализирующие образование мочевины. Таким образом, весь цикл мочевинообразования может быть более детально представлен следующими уравнениями реакций. На первом этапе синтезируется высокоэртическое соединение карбамоилфосфат из СO2 и NH3 (или глутамина в качестве донатора аммиака); этот синтез требует участия двух молекул АТФ: Фермент содержит биотин в качестве кофермента и сначала реагирует с одной молекулой АТФ, образуя комплекс активная СO2-Е, который затем реагирует с молекулой аммиака (или амидной группой глутамина) и со второй молекулой АТФ (в качестве донатора фосфата). N-Ацетилглутамат является специфическим активатором реакции и его роль сводится, очевидно, к стабилизации активной формы фермента. На втором этапе имеет место конденсация карбамоилфосфата и орнитина с образованием цитруллина реакцию катализирует орнитинкарбамоилтрансфераза (карбамоилфосфат: L-орнитинкарбамоилтрансфераза): В следующей стадии цитруллин превращается в аргинин в результате двух последовательно протекающих реакций. Первая из них, энергозависимая, сводится к конденсации цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргининоянтарной кислоты (эту реакцию катализирует аргининосукцинатсинтетаза). Аргининоянтарная кислота распадается в следующей реакции на аргинин и фумаровую кислоту при участии другого фермента - аргининосукцинатлиазы. На последнем этапе аргинин расщепляется на мочевину и орнитин под действием аргиназы. Необходимо учесть, что аргиназа содержится в печени тех животных, которые экскретируют мочевину как основной и конечный продукт азотистого обмена с мочой; в печени птиц, например, аргиназа отсутствует, поскольку птицы выделяют мочевую кислоту вместо мочевины. Таким образом, орнитиновый цикл мочевинообразования с учетом новых данных может быть представлен в следующем виде (рис. 103). Ниже приведена, кроме того, суммарная реакция синтеза мочевины без учета промежуточных продуктов: СО2 + NH3 + 3АТФ + 2Н20 + Аспартат --> Мочевина + 2 АДФ + + АМФ + Фумарат + 2 Фн + ФФн ΔG° = - 40 кДж Поскольку имеет место снижение свободной энергии, процесс всегда протекает в направлении синтеза мочевины. Из представленных выше уравнений нетрудно видеть, что один из атомов мочевины имеет своим источником свободный аммиак или амидную группу глутамина (через карбамоилфосфат); второй атом азота мочевины имеет своим источником аспарагиновую кислоту, а не свободный аммиак, образующийся главным образом в процессе глутаматдегидрогеназной реакции. Что касается пополнения запасов аспарагиновой кислоты, то в этом процессе участвуют три сопряженные реакции: сначала фумаровая кислота под действием фумаразы, катализирующая присоединение молекулы Н2O, превращается в яблочную кислоту, которая подвергается окислению при участии специфической малатдегидрогеназы с образованием щавелевоуксусной кислоты; последняя трансаминируется с глутаминовой кислотой, давая аспарагиновую кислоту. Суммируя известные фактические данные о механизмах обезвреживания аммиака в организме, можно прийти к следующему заключению. Часть аммиака используется на биосинтез аминокислот путем восстановительного аминирования α-кетокислот или реакции трансреаминирования. Аммиак используется в биосинтезе глутамина и аспарагина. Некоторое количество аммиака выводится с мочой в виде аммонийных солей. В форме креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата (см. ниже), выделяется из организма значительная часть азота аминокислот. Однако наибольшее количество аммиака идет на синтез мочевины, которая выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового обмена в организме человека и животных. Подсчитано, что в состоянии азотистого равновесия организм взрослого здорового человека потребляет и соответственно выделяет 15 г азота; из экскретируемого с мочой количества азота на долю мочевины приходится около 85%, креатинина - около 5% (строго постоянная величина), аммонийных солей - 3%, мочевой кислоты - 1% и на другие формы - около 6%. В процессе эволюции живые организмы выработали различные типы азотистого обмена. Аммонийтелический тип, когда главным конечным продуктом азотистого обмена служит аммиак, свойственен преимущественно рыбам. Уротелический тип обмена, когда основным конечным продуктом обмена белков является мочевина, характерен для человека и животных. И, наконец, урикотелический тип, когда главным конечным продуктом обмена является мочевая кислота, имеет место у птиц и рептилий. Специфические пути обмена некоторых аминокислот Предыдущая: Обезвреживание аммиака в организме Помимо общих путей обмена аминокислот, характерных для всех аминокислот, в настоящее время в животных тканях выяснены довольно подробно индивидуальные пути превращения почти всех аминокислот белковой молекулы. Некоторые из этих превращений, хотя и имеют в количественном отношении второстепенное значение, но образующиеся продукты реакции могут играть важную, а иногда и решающую роль в обмене веществ и в физиологических процессах организма. Ниже будет рассмотрен выборочно обмен тех аминокислот, специфические, так называемые частные пути превращения которых в организме человека и животных определяют во многих отношениях физиологическое состояние. Обмен глицина и серина Глицин является уникальной аминокислотой белковой молекулы благодаря отсутствию асимметрического атома углерода. Тем не менее метаболически он связан с химическими компонентами организма в большей степени, чем любая другая аминокислота. Из схемы видно, что глицин в ряде синтезов выполняет уникальные функции, в частности в образовании белков, пуриновых нуклеотидов, гема гемоглобина, парных желчных кислот, креатина, глутатиона и т. д. Оксидаза L-аминокислот глицин не дезаминирует; в тканях открыт специфический флавопротеид глициноксидаза, которая осуществляет эту реакцию: Глиоксиловая кислота, которая может образоваться также путем трансаминирования (обратимая реакция) с глутаминовой кислотой или глутамином, далее в тканях окисляется до щавелевой кислоты или муравьиной кислоты и СO2 по уравнению: СОН-СООН -> НСООН + СO2 Образовавшаяся муравьиная кислота подвергается далее восстановлению при участии НАДФН2 и тетрагидрофолиевой кислоты (ТГФ) в формильное производное ТГФ (N 5, N10-СН2-ОН-ТГФ), которая служит донатором оксиметильной группы в реакциях взаимопревращения глицина и серина: Эту реакцию катализирует пиридоксалевый фермент -сериноксиметилаза. Показано также взаимопревращение глицина и треонина благодаря треонинальдолазной реакции: Ряд других уникальных функций глицина в образовании о-аминолевулиновой кислоты при синтезе порфиринов (гема) и пуриновых нуклеотидов будет освещен ниже (см. Обмен сложных белков). Поскольку серин легко превращается в пируват (см. выше) под действием сериндегидратазы, в тканях имеются условия для превращения глицина (через серин) в пируват и этим путем для участия глицина в углеводном обмена. Исключительна роль серина в биосинтезе сложных белков - фосфопротеидов, а также фосфолипидов. Помимо фосфатидилсерина, углеродный скелет и азот серина используются для образования фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина (см. Обмен липидов). Обмен серосодержащих аминокислот В белковой молекуле обнаружены три серосодержащие аминокислоты (метионин, цистеин и цистин), метаболически тесно связанные друг с другом. Благодаря наличию высокореактивной SH-группы в составе цистеина в тканях легко осуществляется ферментативная окислительно-восстановительная реакция между цистеином и цистином: Дисульфидная связь часто образуется между двумя остатками цистеина внутри одной полипептидной цепи или между двумя полипептидами, способствуя тем самым стабилизации белковой молекулы. Цистеин является, кроме того, составной частью трипептида глутатиона (см. Химия белков), сокращенно обозначаемой SH-глутатион (или Г-SH), что подчеркивает функциональную значимость его тиогруппы и возможность образования дисульфидной связи: Как известно, некоторые ферменты содержат в активном центре SH-группы, абсолютно необходимые для каталитической реакции. При их окислении ферменты теряют свою активность. Предполагается, что одной из главных функций глутатиона является сохранение этих ферментов в активной восстановленной форме. Окисленный глутатион может вновь восстанавливаться под действием глутатионредуктазы, используя НАДФН2 и служить донатором водорода. С другой стороны, глутатион может оказывать ингибирующее действие на некоторые белки: в частности, известна реакция инактивации инсулина под действием глутатионинсулинтрансдегидрогеназы, в которой SH-глутатион является донатором водородных атомов, разрывающих дисульфидные связи между двумя полипептидными цепями молекулы инсулина. Показана коферментная функция глутатиона для дегидрогеназы фосфоглицериновой кислоты и глиоксалазы. Поскольку в процессе катаболизма сера метионина в тканях в основном переходит в серу цистеина и взаимопревращение цистина в цистеин легко осуществляется, проблема окисления серы всех аминокислот практически сводится к окислению цистеина. Главным путем оказался окислительный, включающий окисление цистеина в цистеинсульфиновую кислоту, трансаминирование последней с α-кетоглутаратом и образование пирувата и сульфита по схеме: Сульфит затем быстро окисляется в тканях и выводится с мочой в виде нетоксичных сульфатов и эфиросерных кислот. Об использовании цистеина и продуктов его окисления - цистеинсульфиновой и цистеиновой кислот - в образовании таурина было указано выше (см. Декарбоксилирование аминокислот). Метионин вступает в печени в реакцию трансаминирования с α-кетоглутаратом и превращается в α-кето-βметилтиомасляную кислоту. Однако этот путь обмена не является главным, а, как было указано выше, лежит через цистеин, поскольку меченая сера метионина включается в цистеин. Превращение метионина в цистеин оказалось необратимым процессом. Выяснилось также, что углеродный скелет цистеина имеет своим источником другую аминокислоту, а именно серин. Эти фактические данные, а также уникальное свойство донатора лабильных метильных групп подтвердили незаменимость метионина для животных и человека. Как оказалось позже, фактическим донатором метальных групп в реакциях трансметилирования является не свободный метионин, а так называемый активный метионин, точнее S-аденозилметионин, который образуется в процессе АТФ зависимой реакции: Своеобразие данной ферментативной реакции заключается з том, что все три фосфатных остатка АТФ соединяются в комплекс с ферментом в виде триметафосфата, который затем распадается на неорганический фосфат и пирофосфат и свободный фермент. Образовавшийся S-аденозилметионин используется далее в реакциях трансметилирования: при синтезе адреналина, тимина, креатина, Nметилникотинамида, фосфатидилхолина и др. В простейшем виде все эти реакции можно представить следующим общим уравнением: S-Аденозилметионин + Субстрат --> Аденозилгомоцистеин + Метилcубстрат Аденозилгомоцистеин --> Гомоцистеин + Аденозин В качестве примера ниже приводится биосинтез креатина. В образовании креатина принимают участие три аминокислоты: аргинин, глицин и метионин. Реакция синтеза протекает в две стадии. Первая стадия образование гуанидинуксусной кислоты (гликоциамина) - осуществляется в почках при участии глицинтрансамидинaзы: Вторая стадия синтеза креатина протекает в печени при участии гуанидинацетатметилтрансферазы: Креатин подвергается фосфорилированию с образованием фосфокреатина, который дефосфорилирования (необратимая реакция) превращается в креатинин, выделяющийся с мочой. после Что касается судьбы гомоцистеина (деметилированного продукта метионина), то он может вновь превратиться в метионин путем метилирования. При этом донатором метильной группы служит N 5-метилТГФ. Однако основной путь дальнейшего превращения гомоцистеина связан с его использованием в синтезе цистеина, который может быть представлен в виде двух последовательных ферментативных реакций: Ферменты, катализирующие синтез и распад цистатионина (цистатионинсинтаза и цистатионаза), оказались протеидами пиридоксальфосфата. Укажем также, что цистеин далее подвергается окислению по описанному выше пути, а гомосерин после трансаминирования с α-кетоглутаратом превращается в α-кетомасляную кислоту; последняя образуется, очевидно, из цистатионина непосредственно, минуя стадию гомосерина. Обмен фенилаланина и тирозина Фенилаланин относится к незаменимым аминокислотам, поскольку ткани животных не обладают способностью синтеза бензольного кольца его. В то же время тирозин полностью заменим при достаточном поступлении фенилаланина с пищей. Объясняется это тем, что основной путь превращения фенилаланина начинается с его окисления (точнее, гидроксилирования) в тирозин. Эта реакция гидроксилирования катализируется специфической фенилаланингидроксилазой, которая в качестве кофермента содержит, как все другие гидроксилазы, тетрагидробиоптерин. Блокирование этой реакции, наблюдаемое при нарушении синтеза фенилаланингидроксилазы в печени, приводит к развитию тяжелой наследственной болезни - фенилкетонурии. В процессе трансаминирования тирозин превращается в n-оксифенилпировиноградную кислоту, которая под действием специфической оксидазы подвергается окислению, декарбоксилированию, гидроксилированию и внутримолекулярному перемещению боковой цепи с образованием гомогентизиновой кислоты; эта реакция требует присутствия аскорбиновой кислоты, роль которой пока не ясна. Дальнейшее превращение гомогентизиновой кислоты в малеилацетоуксусную кислоту катализируется оксидазой гомогентизиновой кислоты. Малеилацетат под действием специфической изомеразы, требующей наличия глутатиона, превращается в фумарилацетоуксусную кислоту, подвергающуюся гидролизу с образованием фумаровой и ацетоуксусной кислот, дальнейшие превращения которых уже известны. Об использовании молекулы тирозина в биосинтезе гормонов щитовидной железы и катехоламинов было указано выше. Фенилаланин и тирозин являются предшественниками меланинов. В этом важном биологическом процессе, обеспечивающем пигментацию кожи, глаз, волос, активное участие принимает фермент тирозиназа. Обмен триптофана Триптофан считается незаменимой для человека и животных аминокислотой, поскольку он является предшественником ряда важных биологически активных веществ, в частности серотонина (см. выше) и никотиновой кислоты; кроме того, углеродный скелет его не синтезируется в тканях животных. Показано, что один из его метаболитов, в частности индолилуксусная кислота, обладет ростстимулнрующей активностью в отношении растений (ростовой фактор). В нормальных физиологических условиях более 95% триптофана окисляется по кинурениновому пути и не более 1% - по серотониновому. Серотонин в организме подвергается окислительному дезаминированию с образованием индолилуксусной кислоты, которая выделяется с мочой; содержание ее в моче резко повышено при поражении организма человека злокачественными карциномами, когда около 60% триптофана окисляется по серотониновому пути. Основной же путь обмена триптофана приводит к синтезу никотинамида, точнее НАД. Этот путь обеспечивает организм определенным, хотя и недостаточным, количеством витамина PP. Триптофан под действием гемсодержашего фермента триптофанпирролазы в присутствии молекулярного кислорода превращается в формилкинуренин, который распадается при участии формамидазы на муравьиную кислоту и кинуренин; последний окисляется в 3-оксикинуренин. Дальнейшие превращения 3-оксикинуренина связаны с пиридоксалевым ферментом - кинурениназой, которая гидролизует его на аланин и 3-оксиантраниловую кислоту. Последняя через ряд промежуточных продуктов, механизм образования которых до конца не раскрыт, превращается в хинолиновую кислоту, т. е. в непосредственный предшественник амида никотиновой кислоты. Обмен дикарбоновых аминокислот Классическими работами советских ученых А. Е. Браунштейна и С. Р. Мардашева и американского биохимика Майстера доказана выдающаяся роль дикарбоновых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой кислоты и их амидов - глутамина и аспарагина) в интеграции азотистого обмена в организме. Система дикарбоновых аминокислот, к которой относят также соответствующие α-кетокислоты, теснейшим образом связана не только с азотистым метаболизмом в целом, но и с обменом липидов и углеводов (см. ниже). Выше было указано на особую роль дикарбоновых аминокислот и ферментов, катализирующих их превращения, в перераспределении азота в организме, в дезаминировании и синтезе природных аминокислот (реакции трансдезаминирования и трансреаминирования) и в образовании конечных продуктов белкового обмена синтезе мочевины. Аспарагиновая кислота принимает непосредственное участие в орнитиновом цикле мочевинообразования, в реакции трансаминирования, в биосинтезе углеводов (глюкогенная аминокислота), карнозина и ансерина, пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов (см. Обмен нуклеиновых кислот), а также в синтезе Nацетиласпарагиновой кислоты в ткани мозга. Роль N-ацетил-аспартата, содержащегося в довольно высоких концентрациях в ткани мозга млекопитающих, пока не выяснена. Глутаминовая кислота, являющаяся глюкогенной и, соответственно, заменимой аминокислотой для человека и животных, также включается в синтез ряда специфических метаболитов, в частности глутатиона и глутамина. Помимо своей роли в связывании и транспорте аммиака, участвуя тем самым в обезвреживании аммиака и в регуляции кислотно-щелочного состояния, глутамин выполняет уникальные функции в ряде синтезов, в частности в биосинтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, аминосахаров, в обезвреживании фенилуксусной кислоты (синтез фенилацетилглутамина) у человека и человекообразных обезьян, а также в синтезе витамина фолиевой кислоты (птероилглутаминовая кислота). На схеме суммированы реакции синтеза ряда веществ, в которых амидный азот глутамина выполняет специфическую роль, незаменимую азотом других аминокислот. Глутамин, как и аспарагин, оказались, кроме того, эссенциальными факторами для роста некоторых нормальных и опухолевых клеток в культуре ткани; глутамин и аспарагин не могли быть заменены ни друг другом, ни соответствующими дикарбоновыми аминокислотами. Это свидетельствует о том, что в условиях выращивания клеток в культуре ткани теряется способность клеток синтезировать эти амиды синтетазным или трансаминазным путем. Для глутамина (обнаруженного впервые в животных тканях Д. Л. Фердманом) и аспарагина (открытого в белках тканей животных С.Р. Мардашевым) были уже известны пути синтеза в растениях благодаря классическим исследованиям Д.Н. Прянишникова. Однако ферментные системы, катализирующие синтез этих амидов, были выделены из животных тканей и механизм их образования детально рассмотрен выше. Здесь же укажем, что глутамин и аспарагин в животных тканях подвергаются сочетанному трансаминированию и дезаминированию под влиянием специфических трансаминаз амидов (глутаминтрансаминазы и аспарагин-трансаминазы) и неспецифеской ωамидазы (Майстер) в соответствии с уравнениями реакций: Видно, что в реакции переноса участвует α-аминогруппа аспарагина (а не амидная группа, как предполагалось раньше), в то время как амидная группа промежуточного соединения α-кетосукцинамовой кислоты освобождается в процессе гидролиза в виде аммиака. Поскольку трансаминирование - обратимый процесс, лимитирующими в синтезе аспарагина (и глутамина) факторами являются щавелевоуксусной и α-кетоглутаровой кислот, синтез которых в животных тканях не доказан. ω-амиды Глутаминовая кислота является одним из немногих соединений в дополнение к глюкозе, которые служат энергетическим материалом для ткани мозга. Выше было указано на высокую активность в ткани мозга глутаматдекарбоксилазы, которая превращает глутамат в γ-аминомасляную кислоту (ГАМК). Дальнейшее окисление ее включает трансаминирование с образованием полуальдегида янтарной кислоты, окисление в янтарную кислоту и, наконец, окисление через ЦТК. В обеих реакциях (декарбоксилировании глутамата и трансаминировании ГАМК) участвует пиридоксальфосфат, который оказался более прочно связанным с ГАМК-трансаминазой. Поскольку ГАМК оказывает тормозящий эффект на синаптическую передачу в ЦНС, судорожные явления, наблюдаемые при недостаточности витамина В6, могут быть связаны со снижением образования ГАМК в глутаматдекарбоксилазной реакции. У животных судороги могут быть вызваны также введением гидразида, который связывает альдегидную группу кофермента, или антивитаминов В 6, в частности метоксипиридоксина. Так как ГАМК служит естественно встречающимся "транквилизатором", одним из путей повышения ее концентрации в ЦНС является введение веществ, оказывающих тормозящее действие на ГАМКтрансаминазу, которая устраняет ГАМК эффективно. В последние годы у бактерий и растений (но не в животных тканях) открыт совершенно новый путь синтеза глутаминовой кислоты из α-кетоглутаровой кислоты и глутамина, который является донатором аминогруппй. Реакцию катализирует глутаматсинтаза, требующая доставки энергии АТФ. Предполагается, что при синтезе глутаминовой кислоты главным является этот путь, а не путь синтеза через глутаматдегидрогеназу. В свете этих данных, очевидно, следует внести некоторые коррективы в наши представления о механизме синтеза аминокислот посредством трансреаминирования. С глутаминовой кислотой метаболически связаны также пролин и аргинин через полуальдегид глутаминовой кислоты, хотя следует указать, что аргинин относится к незаменимым аминокислотам, в особенности в молодом возрасте, когда его синтез из глутамата не может обеспечить потребности быстрого роста организма. Кроме того, основным путем метаболизма аргинина является путь синтеза мочевины. Более специфичен и необратим путь превращения гистидина (также частично заменимая для животных аминокислота) в глутаминовую кислоту. В этом превращении участвуют два хорошо изученных фермента гистидинаммиаклиаза (гистидаза), катализирующая внутримолекулярное дезаминирование гистидина, и уроканиназа, которая катализирует разрыв имизадольного кольца уроканиновой кислоты с образованием имидазолилпропионовой кислоты; последняя через формиминоглутаминовую кислоту превращается в глутаминовую кислоту. О других путях гистидина (образование гистамина и окисление его под действием диаминоксидазы) и об использовании гистамина в синтезе карнозина и ансерина было сказано выше. Патология азотистого обмена Предыдущая: Специфические пути обмена некоторых аминокислот Поскольку азотистый обмен объединяет преимущественно обмен белков, структурными единицами которого являются аминокислоты, ниже будут представлены накопленные к настоящему времени данные о нарушениях обмена отдельных аминокислот при патологии. Повышенный интерес биохимиков, физиологов и клиницистов к проблемам патологии аминокислотного обмена объясняется рядом обстоятельств. Во-первых, имеются экспериментальные доказательства и клинические наблюдения развития патологического синдрома, в основе которого лежат нарушения нормального пути обмена отдельных аминокислот в организме. Во-вторых, в последнее время аминокислоты и их производные нашли широкое применение в лечебной практике, например метионин - в лечении ряда болезней печени, глутаминовая кислота - в лечении некоторых поражений мозга, глутамин - в лечении фенилпировиноградной олигофрении и т. д. Наконец, ряд аминокислот и продукты их декарбоксилирования (биогенные амины) оказывают регулирующее влияние на многие физиологические функции организма. Из сказанного можно сделать вывод, что знание закономерностей обмена отдельных аминокислот в норме и в особенности при патологии представляет исключительный научно-теоретический и практический интерес. О нарушении обмена аминокислот в целостном организме судят не только по количественному и качественному составу продуктов их обмена в крови и моче, но и по уровню свободных аминокислот в биологических жидкостях организма. Данные по этому вопросу суммированы в табл. 40. Таблица 40. Содержание свободных аминокислот и их производных в некоторых биологических жидкостях человека Спинно- мозговая жидкость Молоко Плазма крови Моча Аминокислоты в мг на 1 л Аланин в мг/сут 2,9 6,2-11,9 24-76 5-71 β-Аланин - - - 2-9 α-Аминоадипиновая кислота - - - 0-13 0,1 0,5-23,0 1,0-3,0 - α-Аминоизомасляная кислота - 0 - 0-52 γ-Аминомасляная кислота - - - - Ансерин - - - - Аргинин 1,7 1,3-1,7 12-30 0-21 Аспарагин 3,0 6,9-67 6-44 34-92 Аспарагиновая кислота 0,4 3,0-7,3 0,1-3,0 2-29 Валин 1,7 2,0-5,3 19-42 0-30 Гистидин 2,0 0,8-3,7 8-38 20-320 Глицин 1,1 2,4-8,6 8-54 53-737 - - - - Глутамин 32,5 6,9-67 46-97 40-103 Глутаминовая кислота 1,1 1,4-18 5,0-44 0-61 Глутатион 2,87 - следы - Изолейцин 0,6 0,6-1,3 7,0-42 4-30 - - - - α-Аминомасляная кислота Глицерофосфоэтаноламин Карнозин Креатинин - - 10-20 1,3-2,0г Лейцин 1,3 1-3,6 10-52 2-25 Лизин 2,5 1,8-3,3 14-58 0-48 N1-Метилгистидин - 0 1,0 9-210 N1-Meтилгистидин - 0 0,8-1,0 30-384 Метионин 0,4 0,4-0,7 2,0-10 3-14 Мочевина - - 200-300 25-30 г Оксипролин - 0,1-1,3 - - Орнитин 0,5 0,3 6,0-8,0 0-11 Пролин 0,1 1,8-2,9 15-57 7-15 Серин 5,3 3,7-12 3-20 21-75 Таурин 0,7 24-41 2,0-8,0 27-30,0 Тирозин 1,2 1,4-2,3 8-25 7-50 Треонин 5,7 3,6-11 9-36 Триптофан 0,3 - 4,0-30 - Фенилаланин 1,5 0,8-1,6 7,0-40 3-41 - 1,4-9,5 - - Цистеин (цистин) следы 1,5-5,7 8,0-50 0-108 Цитруллин следы 0 5,0 - 0,8 4,6-5,3 - - Фосфоэтаноламин Этаноламин Большинство тканей характеризуется своеобразным аминокислотным "спектром". В плазме крови он примерно соответствует аминокислотному "спектру" свободных аминокислот в органах и тканях, за исключением более низкого содержания глутамата и аспартата и более высокого уровня глутамина, на долю которого приходится до 25% от общего количества аминокислот. Спинномозговая жидкость отличается меньшим содержанием почти всех аминокислот, кроме глутамина. Аминокислотный состав мочи резко отличается от состава в плазме крови. Оказывается, у человека, получающего полноценное питание, аминокислотный состав мочи более или менее постоянен изо дня в день, но у разных людей, у которых может быть почти одинаковый аминокислотный "спектр" плазмы, состав аминокислот в моче может оказаться совершенно различным. Природу нарушений процессов обмена при недостаточности какой-либо одной аминокислоты трудно установить экспериментально, поскольку при этом страдает весь процесс синтеза белка, подчиняющегося закону "все или ничего". Специфические проявления недостаточности аминокислот могут развиваться у человека только в условиях патологии, когда имеет место повышенное использование данной аминокислоты. Выше было указано, что у больных с карциноидной опухолью более 60% триптофана окисляется по серотониновому пути (в норме он составляет 1 %), что, естественно, ведет к относительной недостаточности этой аминокислоты. У больных со злокачественной меланомой тирозин и, возможно, фенилаланин расходуется преимущественно на биосинтез меланина. Этим, вероятно, можно объяснить специфическое истощение организма, наблюдаемое при меланомах. В связи с возможностью приготовления искусственных рационов (исключение из рациона человека и животных какой-либо аминокислоты) можно описать симптомокомплекс, характерный для недостаточности данной аминокислоты. Так, недостаток триптофана у человека ведет к уменьшению массы тела, а у новорожденного даже 10-дневный дефицит триптофана приводит к анорексии и к гипопротеинемии. У крыс отмечно выпадение зубов, шерсти, помутнение роговицы и развитие катаракты, а у цыплят - увеличение потребности в витамине PP. Недостаток лизина у человека вызывает головокружение, тошноту, повышенную чувствительность к шуму; недостаток гистидина сопровождается снижением концентрации гемоглобина. При недостаточности аргинина у крыс наблюдается атрофия семенников, а у человека - гипоспермия. При исключении из пищи метионина отмечается жировое перерождение печени и почек, обусловленное недостатком лабильных метильных групп. Некоторые заменимые аминокислоты, становятся незаменимыми, если они не поступают с пищей, поскольку клетки организма не справляются с быстрым их синтезом. По данным Фишера, недостаток цистина ведет к почти полному торможению роста клеток in vitro, даже при наличии всех остальных аминокислот в среде. Доказано, кроме того, что достаточное количество цистина в пище снижает потребности в метионине почти на 15%. Напротив, полное исключение цистина из рациона может настолько резко повысить потребности в метионине, что обычно адекватное питание оказывается недостаточным. Таким образом, заменимые аминокислоты могут оказаться лимитирующими факторами анаболических процессов в организме, поскольку поступление одних только незаменимых аминокислот не обеспечивает нормальное протекание биосинтетических реакций, обычно наблюдаемое при полноценном белковом питании. Одно из характерных нарушений азотистого обмена - белковая недостаточность, являющаяся следствием не только дефицита белка, но и ряда тяжелых заболеваний даже при достаточном поступлении белка с пищей. Белковая недостаточность у человека развивается как при полном и частичном голодании, так и при приеме однообразного белкового питания, когда в диете преобладают белки растительного происхождения, биологическая ценность которых (соотношение отдельных аминокислот) значительно ниже ценности белков животного происхождения. Результатом этих состояний являются развитие отрицательного азотистого баланса, гипопротеинемии (снижение концентрации белков до 5-3%; в норме 6,5-8,5%) и нарушения коллоидно-осмотического и водно-солевого обмена (развитие отеков). При тяжелых формах пищевых дистрофий, например при квашиоркоре - заболевании, довольно распространенном среди детей в развивающихся странах, наблюдаются тяжелые поражения печени, остановка роста, резкое снижение сопротивляемости организма инфекциям, отечность, атония мышц (рис. 104). Болезнь часто заканчивается летально. Количественному учету при белковой недостаточности в основном поддаются нарушения, связанные с обменом аминокислот. По данным С. Я. Капланского, одним из наиболее ранних нарушений азотистого обмена при белковой недостаточности является резкое снижение интенсивности процессов дезаминирования, трансаминирования и биосинтеза аминокислот, а также синтеза мочевины в печени. Оказалось, что эти нарушения обусловлены недостаточным синтезом и разрушением белковой части ферментов, катализирующих эти реакции; исключение составляет аргиназа, активность которой при этом почти не нарушена. Следствием этих нарушений являются накопление значительных количеств аминокислот в крови, экскреция с мочой свободных аминокислот (до 10-25%, в норме-1-2%) и резкое снижение образования и выделения мочевины с мочой. При белковой недостаточности, помимо нарушений общих процессов аминокислотного обмена, отмечены специфические изменения обмена отдельных аминокислот. Так, нарушения обмена триптофана выражаются как в снижении синтеза никотинамида, так и в накоплении в организме 3-оксиантраниловой и ксантуреновой кислот. Последняя, по некоторым данным, оказывает токсическое действие на β-клетки островков Лангерганса, являясь тем самым одним из патогенетических факторов диабета. Нарушения в обмене гистидина сводятся к снижению активности гистидинаммиаклиазы и гистаминазы и, напротив, к повышению активности гистидиндекарбоксилазы. Все это способствует накоплению гистамина в тканях со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. С другой стороны, при белковой недостаточности обмен метионина практически не нарушен. Все эти данные свидетельствуют о дискоординации ферментных систем аминокислотного обмена, что в значительной степени затрудняет терапевтические подходы к устранению последствий белковой недостаточности. Аминоацидурия. Качественный и количественный состав аминокислот мочи человека имеет прежде всего большое диагностическое значение, поскольку ряд болезней человека возникает на почве первичного нарушения обмена отдельной аминокислоты или группы аминокислот. Кроме того, для ряда органических поражений органов и тканей человека, а также аномалий обмена характерен свой аминокислотный спектр мочи. Ввиду этого, а также легкой доступности объекта исследования анализ мочи на аминокислоты приобретает большое клиническое значение. На экскрецию аминокислот большое влияние оказывают возраст, характер питания, пол, гормоны и другие факторы. Установлено, что у младенцев с мочой выделяется больше аминокислот, чем у взрослых людей. Обычно различают повышенную и пониженную экскрецию аминокислот. В свою очередь гипераминоацидурия делится на почечную, связанную с приобретенными или врожденными дефектами реабсорбции аминокислот в почках, и внепочечную, связанную с увеличением концентрации всех или отдельных аминокислот в крови. Как известно, обратное всасывание аминокислот (реабсорбция) в почках происходит против градиента концентрации; в своей основе этот процесс, вероятнее всего, является ферментативным, в деталях пока не выясненным. При хронических нефритах часто с мочой выделяется больше лизина, аргинина, пролина и цитруллина, хотя их уровень в крови может оставаться в пределах нормы. При нефрозах почти всегда выделяется больше этаноламина, таурина и β-аминомасляной кислоты, и эта гипераминоацидурия считается плохим прогностическим признаком болезни. Значительно чаще встречаются наследственные дефекты всасывания аминокислот в почках. Одним из хорошо известных заболеваний считается цистиноз, который рядом авторов отождествляется с синдромом Фанкони как по клиническим и биохимическим проявлениям, так и по характеру наследственной передачи болезни. Основной метаболический дефект в обоих случаях связан с врожденным нарушением реабсорбции почти всех аминокислот (за исключением циклических) в канальцах почек; следствием этого являются увеличение в 5-10 раз экскреции аминокислот, в 20-30 раз - цистина и цистеина, и избирательное отложение цистина в селезенке, почках и коже. Интересно, что при цистинозе образования камней почти не происходит в отличие от другого врожденного нарушения обмена - цистинурии, при котором всегда образуются цистиновые камни. Сущность дефекта реабсорбции аминокислот при цистинозе не выяснена. Цистинурия относится к довольно распространенным наследственным заболеваниям, метаболический дефект которой выражается в выделении с мочой в 50 раз больше нормы количества четырех аминокислот: цистина, лизина, аргинина и орнитина. Уровень цистина в крови обычно не выше нормальных величин. Люди с цистинурией вполне здоровы, за исключением тенденции к образованию в организме камней. Эта врожденная аномалия обмена связана с полным блокированием реабсорбции цистина и частичным нарушением всасывания трех других аминокислот в почках; нарушений в промежуточном обмене этих аминокислот при этом не выявлено. Болезнь Вильсона. При другом наследственном "пороке" обмена - болезни Вильсона, помимо генерализованной (общей) гипераминоацидурии, отмечается снижение концентрации медьсодержащего белка - церулоплазмина - в сыворотке крови и отложение меди в мозге, печени, почках. Генетический дефект связан с нарушением синтеза церулоплазмина. Возможно, что свободная медь образует комплексы с аминокислотами, которые не всасываются в канальцах. Аналогичная гипераминоацидурия наблюдается при галактоземии, при синдроме Лоуве и других наследственных заболеваниях. Пониженная экскреция аминокислот описана при квашиоркоре. Врожденные нарушения обмена отдельных аминокислот.Пристальное внимание ученых привлекают некоторые наследственные заболевания человека, являющиеся следствием первичного дефекта обмена отдельных аминокислот. Возникновение и дальнейшее развитие специфического патологического синдрома при этих заболеваниях обусловлено полным или частичным выключением определенных ферментативных активностей: организм либо теряет способность синтезировать данный фермент, либо его образуется недостаточное количество, либо синтезируется аномальный фермент, отличающийся по структуре от нативного фермента. Следствием такого врожденного дефекта обмена является накопление в тканях повышенного содержания нормальных промежуточных или побочных (неспецифических) продуктов обмена, оказывающих токсическое влияние на организм и в первую очередь на ЦНС. Этим, пожалуй, объясняется тот факт, что в основном поражаются дети раннего возраста с последующими специфическими расстройствами психической деятельности. Весьма вероятно также, что отдельные аминокислоты и продукты их обмена в оптимальных концентрациях являются эссенциальными для некоторых сторон деятельности мозга. Поэтому задача биохимиков, физиологов и клиницистов состоит в том, чтобы выяснить зависимость между развитием патологического синдрома при врожденных "пороках" обмена и специфическими нарушениями обмена аминокислот. Ниже приведены некоторые примеры подобных нарушений. Фенилкетонурия (правильнее, фенилпировиноградная олигофрения) развивается как результат потери способности организма синтезировать фенилаланингидроксилазу, катализирующую превращение фенилаланина в тирозин. Характерной особенностью болезни является резкое замедление умственного развития ребенка, а также экскреция с мочой больших количеств фенилпировиноградной кислоты (до 1-2 г в сутки) и фенилацетилглутамина (до 2-3 г). Решающим доказательством метаболического блока при фенилкетонурии являются данные о накоплении фенилаланина в тканях. Так, количество его в крови может доходить до 600 мг/л (в норме 15 мг/л), в спинномозговой жидкости - до 80 мг/л (в норме 1,5 мг/л). Развитие болезни можно предотвратить, если значительно снизить или исключить прием фенилаланина с пищей с самого рождения ребенка. Алкаптонурия характеризуется экскрецией с мочой больших количеств (до 0,5 г в сутки) гомогентизиновой кислоты, окисление которой кислородом воздуха придает моче темную окраску. В далеко зашедших случаях развиваются охроноз, отложение пигмента в тканях и потемнение носа, ушей и склеры. Несмотря на то что эта болезнь известна с древнейших времен, только в 1962 г. были получены доказательства, что метаболический дефект при алкаптонурии связан с врожденным отсутствием в печени и почках оксидазы гомогентизиновой кислоты. Альбинизм характеризуется врожденным отсутствием пигментов в коже, волосах и сетчатке. Метаболический дефект связан с потерей меланоцитами способности синтезировать тирозиназу фермент, катализирующий окисление тирозина в диоксифенилаланин и диоксифенилаланинхинон, которые являются предшественниками меланина. Предположение о блокировании процесса полимеризации меланина при альбинизме не подтвердилось. Болезнь Хартнупа характеризуется специфическими нарушениями обмена триптофана. Основным проявлением болезни, помимо пеллагроподобных кожных поражений, психических расстройств и атаксии, служит гипераминоацидурия. Поскольку с мочой выделяются в повышенных количествах индолилацетат, индолилацетилглутамин и индикан и нормальное количество индолилмолочной кислоты, очевидно, метаболический блок связан с первой реакцией нормального пути обмена триптофана, и обмен его идет преимущественно через реакцию декарбоксилирования. При другом наследственном "пороке" обмена триптофана - болезни "моча с запахом кленового сиропа" и при фенилкетонурии также экскретируется индолилацетат, но в этих случаях он имеет своим источником индолилпируват, так как параллельно с мочой выделяется в больших количествах индолилмолочная кислота, которая может образоваться только из фенилпирувата. Согласно последним данным, при болезни Хартнупа метаболический дефект связан с врожденным нарушением всасывания триптофана в кишечнике и реабсорбции триптофана и продуктов его обмена в почках. Из приведенных данных видно, что по химическому составу индолилпроизводных в моче и крови можно судить как о природе болезни (карциноидная опухоль, фенилкетонурия, болезнь Хартнупа и др.), так и о механизме нарушения обмена триптофана, что важно для постановки правильного диагноза и проведения соответствующего лечения. Таким образом, изложенный выше материал свидетельствует о том, что первичные нарушения обмена отдельных аминокислот обычно наступают вследствие блокирования действия какого-либо фермента. В ряде случаев имеет место резкое отставание умственного развития. Однако вопрос о том, чем обусловлено это торможение психической деятельности - токсическим действием ненормально высоких концентраций аминокислот или их метаболитов на мозг, нарушением нормального соотношения аминокислот и, следовательно, синтеза белка или вторичными нарушениями энергетического и других видов обмена, окончательно не решен. Поэтому идентификация химической реакции или ферментативной системы, нарушение функции которой является первопричиной развития тяжелого наследственного заболевания, в наши дни не только представляет большой теоретический интерес, но и играет в ряде случаев решающую роль в диагностике и терапии этих болезней. Следует всегда учитывать, что при блокировании нормального пути обмена какой-либо аминокислоты промежуточные метаболиты, лежащие ниже блока, становятся незаменимыми при данном заболевании. Взаимосвязь обмена белков, жиров и углеводов Как известно, живой организм и условия его существования находятся в постоянной зависимости от условий окружающей среды. «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». (Маркс К, Энгельс Ф. Соч. — 2-е изд., т. 20, с. 82.) Выше было указано, что обмен веществ в организме человека протекает не хаотично, а «тонко Настроен». Все превращения органических веществ, процессы анаболизма и катаболизма тесно связаны друг с другом. В частности, процессы синтеза и распада взаимосвязаны, координированы и регулируются нейрогуморальными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. В организме человека, как и в живой природе вообще, не существует самостоятельного обмена белков; жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все они объединены в единый процесс метаболизма, подчиняющийся диалектическим закономерностям взаимозависимости и взаимообусловленности, допускающими также взаимопревращения между отдельными классами органических веществ. Однако, помимо взаимных переходов между разными классами веществ в организме, доказано существование более сложных форм связи. В частности, интенсивность, направление любой химической реакции определяются ферментами, т. е. белками, которые оказывают прямое влияние на обмен липидов, углеводов и нуклеиновых кислот. В свою очередь синтез любого фермента — белка — требует участия ДНК и почти всех трех типов рибонуклеиновых кислот — тРНК, мРНК и рРНК. Если к этому добавить влияние гормонов, продуктов распада какого-либо одного класса веществ (например, биогенных аминов) на обмен других классов органических веществ, то становятся понятными удивительная согласованность и координированность огромного разнообразия химических процессов, совершающихся в организме. Многие из этих процессов были освещены выше раздельно при описании обмена отдельных классов веществ; здесь же будут представлены вкратце примеры взаимных переходов отдельных структурных элементов белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот после соответствующей химической перестройки. Основные пути взаимопревращения белков, жиров и углеводов схематически представлены ниже. Помимо прямых переходов метаболитов этих классов веществ друг в друга, существует тесная энергетическая связь, когда энергетические потребности организма могут обеспечиваться окислением какоголибо одного класса органических веществ при недостаточном поступлении с пищей других. Существенность белков (в частности, ферментов, гормонов и др.) в обмене всех типов химических соединений слишком очевидна и не требует доказательств. Выше также было указано на важность белков и аминокислот для синтеза ряда специализированных соединений (пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, порфиринов, биогенных аминов и др.). Кетогенные аминокислоты, образующие в процессе обмена ацетоуксусную кислоту (ацетоацетил-КоА), могут непосредственно участвовать в синтезе жирных кислот и стеринов. Аналогично могут использоваться глюкогенные аминокислоты через ацётил-КоА, но после предварительного превращения в пировиноградную кислоту или другую кетокислоту, переходящую в пируват. Некоторые структурные компоненты специализированых липоидов, в частности фосфолипидов, имеют своим источником аминокислоты и их производные, например серии, этаноламин, сфингозин и холин. Необходимо подчеркнуть, что путь превращения углеродных скелетов кетогенных или глюкогенных аминокислот в жирные кислоты является необратимым процессом, хотя нельзя исключить возможность частичного синтеза глутамата и опосредованно других аминокислот из продуктов распада жирных кислот — ацетил-КоА, через цикл трикарбоновых кислот, включая α-кетоглутарат. В то же время из глицерина нейтральных жиров через пируват полностью осуществляется синтез глюкогенных аминокислот. Получены доказательства синтеза глюкозы из большинства аминокислот. В некоторых случаях (аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты) эта связь является непосредственной, в других — она осуществляется через побочные каналы. Следует особо подчеркнуть, что три α-кетокислоты (пируват, оксалоацетат и кетоглутарат), образующиеся соответственно из аланина, аспартата и глутамата, не только служат исходным материалом для синтеза глюкозы, но и являются своеобразными катализаторами в превращении ацетильных остатков от всех классов пищевых веществ в цикле Кребса для образования энергии. Синтез незаменимых аминокислот из продуктов обмена углеводов и жиров в организме не происходит. Этим объясняется незаменимость белков для человека и животных. В то же время организм может нормально развиваться при одностороннем белковом питании, что также свидетельствует о возможности синтеза углеводов из белков. Процесс синтеза углеводов из аминокислот получил название глюконеогенеза, который доказан прямыми опытами в опытах на животных с экспериментальным диабетом, когда более 50% введенного белка превращается в глюкозу. Как известно, при диабете организм теряет способность утилизировать глюкозу и энергетические потребности покрываются за счет окисления аминокислот и жирных кислот. Доказано также, что исходными субстратами для глюконеогенеза являются те аминокислоты, распад которых сопровождается образованием прямо или опосредованно пировиноградной кислоты. Энергетическая ценность пищи оказывает определенное влияние на белковый обмен, контролируемый азотистым балансом. Так, если потребляемая энергия пищи находится ниже минимального уровня, то наблюдается увеличение экскреции азота, и, наоборот, при увеличении калорийности пищи экскреция азота с мочой снижается. Калорийность пищи, следовательно, является лимитирующим фактором в утилизации пищевых белков. Из приведенной выше схемы видно также, что имеются различные пути взаимопревращений жиров и углеводов. Практика откорма сельскохозяйственных животных давно подтвердила возможность синтеза жиров из углеводов лищи. С энергетической точки зрения превращение углеводов в жиры следует рассматривать как депонирование энергии, хотя синтез жира сопровождается затратой энергии, которая вновь освобождается при окислении жиров в организме. Глицерин, входящий в состав триглицеридов и фосфолипидов, может легко образоваться из промежуточных метаболитов гликолиза, в частности из 3фосфоглицеринового альдегида. Следует, однако, подчеркнуть, что основным путем превращения углеводов в жиры является путь образования высших жирных кислот из ацетил-КоА, который образуется при окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты. Поскольку эта последняя реакция является необратимой, образования углеводов из высших жирных кислот практически не происходит. Таким образом, синтез углеводов из жиров в принципе может происходить только из глицерина, хотя в обычных условиях реакция протекает в обратную сторону, т. е. в сторону синтеза жиров из глицерина, образующегося при окислении углеводов. Укажем также, что ацетил-КоА, образующийся в процессе обмена углеводов, жиров и ряда аминокислот, служит пусковым субстратом как для синтеза жирных кислот и холестерина (а следовательно, и липидов вообще), так и для цикла трикарбоновых кислот. Для окисления ацетил-КоА в этом цикле требуется щавелевоуксусная кислота, которая является вторым ключевым субстратом в цикле Кребса. Щавелевоуксусная кислота может синтезироваться из пировиноградной кислоты и СO2 благодаря реакции карбоксилирования или образоваться из аспарагиновой кислоты в процессе трансаминирования. Две молекулы ацетил-КоА, конденсируясь, образуют ацетоуксусную кислоту, которая является источником других ацетоновых тел в организме. Следует упомянуть также об использовании галактозы и частично глюкозы для биосинтеза цереброзидов и гликолипидов. Таким образом, преобладание распада одних питательных веществ и биосинтеза других прежде всего определяется физиологическим состоянием и потребностями организма в энергии и метаболитах. Этими факторами в значительной степени может быть объяснено существование постоянного динамического состояния химических составных компонентов организма как единого целого.
