Метаболизм белков

              В реакциях декарбоксилирования  участвует альдегидная группа пиридоксальфосфата:

              Аминокислота соединяется с активным центром фермента, в состав которого входит альдегидная группа ПФ. Образуются Шиффовы основания (альдимины и кетимины). В результате СООН-группа становится лабильной и отщепляется в виде СО2. Далее происходит гидролиз до соответствующего амина. Эта реакция необратима. Отнятие СО2 происходит без окисления.

              Субстратная специфичность декарбоксилаз очень разная.

1. ГЛУТАМАТДЕКАРБОКСИЛАЗА - высокоспецифичный фермент. Работает в клетках серого вещества головного мозга. Катализирует реакцию превращения глутаминовой кислоты в гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК).

              ГАМК является медиатором тормозных импульсов в нервной системе. ГАМК и ее аналоги применяются в медицине как нейротропные средства для лечения эпилепсии и других заболеваний.

              2. ОРНИТИН-ДЕКАРБОКСИЛАЗА - высокоспецифичный фермент. Катализирует превращение орнитина в путресцин:

Образующийся ПУТРЕСЦИН (диаминобутан) является трупным ядом. В результате присоединения остатков пропиламина из путресцина могут образоваться СПЕРМИН и СПЕРМИДИН, содержащие 3 (у спермина) или 4 (у спермидина) имино- или аминогруппы.

              Спермин и спермидин относятся к группе биогенных полиаминов. Введение полиаминов в организм снижает температуру тела и кровяное давление. Полиамины принимают участие в процессах пролиферации клеток и роста тканей, а также в регуляции биосинтеза белка. Они являются ингибиторами некоторых ферментов, в том числе протеинкиназ.

              Орнитиндекарбоксилаза - это первый фермент на пути образования путресцина и остальных полиаминов, это регуляторный фермент процесса.

              В культуре клеток добавление некоторых гормонов ускоряет биосинтез орнитиндекарбоксилазы в 10-200 раз.

              Период полужизни орнитиндекарбоксилазы - 10 минут.

              Добавление в культуру клеток самих полиаминов приводит к индукции биосинтеза другого белка - ингибитора орнитиндекарбоксилазы. При раковых заболеваниях обнаружено резкое увеличение секреции полиаминов и повышение их экскреции с мочой.

3. ГИСТИДИНДЕКАРБОКСИЛАЗА

              Этот фермент имеет абсолютную субстратную специфичность - превращает гистидин в гистамин:

              Гистамин является медиатором и содержится в нервных клетках и в тучных клетках. Обладают сильным сосудорасширяющим действием. Особенно много его выделяется в очаге воспаления. Гистамин играет важную роль в проявлении аллергических реакций.

              Известно 2 типа рецепторов к гистамину:H1 и H2.

              Эффекты гистамина:

- расширение капилляров и повышение сосудистой проницаемости;

- понижение артериального давления;

- повышение тонуса (спазм) гладких мышц - в том числе гладкой  мускулатуры бронхов;

- усиление секреции желудочного сока;

              Некоторые из этих эффектов позволяют гистамину принимать участие в формировании аллергических проявлений.

              Антигистаминные препараты применяются с целью предотвратить образование гистамина и обладают противовоспалительным и антиаллергическим действием.  По механизму действия некоторые из них являются ингибиторами гистидин-декарбоксилазы, а другие конкурируют с гистамином за взаимодействие с рецепторами клеток.

              Например, лекарственный препарат циметидин и его аналоги блокируют Н2-рецепторы и таким образом понижают секрецию желудочного сока. Применяются при лечении язвенной болезни желудка.

              Блокаторы Н1-рецепторов используются в основном как противоаллергические средства - димедрол, тавегил, супрастин, пипольфен, грандаксин. Некоторые из этих препаратов вызывают сонливость.

                            4. ДЕКАРБОКСИЛАЗА АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ

              Имеет широкую субстратную специфичность. Превращает несколько разных аминокислот:

              а) триптофан - в триптамин

              б) 5-окситриптофан - в триптамин (серотонин)

              в) 3,4-диоксифенилаланин - в дофамин

              г) гистидин - в гистамин

              Серотонин вырабатывается в нервной ткани. Некоторые виды головных болей (мигрени) связаны с избыточной выработкой серотонина. Серотонин сужает сосуды, регулирует свертывание крови. Обладает антиаллергическим действием. Триптамин обладает сходным эффектом.

              Аминокислота фенилаланин может в результате окисления присоединять две ОН-группы в кольце  и превращаться в диоксифенилаланин (ДОФА). Из него под действием ДЕКАРБОКСИЛАЗЫ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ образуется дофамин. Дофамин является предшественником катехоламинов - норадреналина и адреналина.

              Кроме функции предшественника, ДОФАмин имеет свои специфические функции.  Если ДОФА метилируется, то образуется a-метил-ДОФА.  Это соединение является сильным ингибитором декарбоксилазы ароматических аминокислот.  Применяется как лекарственный препарат для понижения артериального давления (называется - альдомет).

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕАКЦИЙ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ АМИНОКИСЛОТ

              1. Реакции необратимы - приводят к необратимому распаду аминокислот.

              2. Образуется значительное количество СО2 - конечного продукта метаболизма, который выводится из организма.

              3. Образуются амины,  которые обладают высокой биологической активностью. Поэтому такие амины называют биологически активными или биогенными аминами. Они являются медиаторами, с помощью которых сигнал передается от одной клетки  к другой и от одной молекулы к другой.

ИНАКТИВАЦИЯ БИОГЕННЫХ АМИНОВ

              Если биогенные амины обладают высокой биологической активностью, то они должны быстро разрушаться после выполнения своей функции.

   В организме имеются механизмы, позволяющие разрушать биогенные амины.

                                          МЕХАНИЗМЫ ИНАКТИВАЦИИ:

              1. Метилирование по оксигруппам тех аминов, которые такие группы содержат, либо включают оксигруппы в свою молекулу после гидроксилирования.

              Ферменты - О-МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ. Они переносят метильную группу на кислород. Источник метильного радикала: S-Аденозилметионин.

              После присоединения аденильного остатка АДФ к сере метионина,  метильная группа метионина становится очень мобильной и легко переносится на разные вещества. В том числе и на кислород оксигрупп.

              2. Окисление амина по аминогруппе с целью дезаминирования.

Главный путь инактивации биогенных аминов - их окисление под действием оксидаз с отщеплением аминогруппы. В результате исчезает биологическая активность амина.

Оксидазы биогенных аминов: моноаминооксидаза (МАО), диаминооксидаза (ДАО), полиаминооксидаза.

Оксидазы отнимают два протона и два электрона и передают их сразу на кислород. Образуется перекись водорода, а амин превращается в ИМИН. Этот имин  легко гидролизуется без участия фермента и превращается в альдегид.  Простетической группой ферментов оксидаз является ФАД или ФМН, т.е. они являются флавопротеинами.

              Вторая реакция (гидролиз) необратима. Образовавшийся в итоге альдегид легко окисляется до карбоновой кислоты,  которая распадается до СО2 и H2O. МАО в клетке больше, чем ДАО.

              Угнетение МАО приволит к замедлению распада биогенных аминов. Такие лекарства продлевают период существования биогенных  аминов, что особенно важно при  их недостатке.

   Эти вещества играют роль антидепрессантов и используются, в частности, при лечении шизофрении.

              Аминокислоты декарбоксилируются в цитоплазме, а окисление аминов происходит в наружной мембране митохондрий. Поскольку реакция декарбоксилирования аминокислот и разрушение биогенных аминов происходят не одновременно, то биогенные амины могут некоторое время существовать и выполнять свою биологическую функцию.

ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ АМИНОКИСЛОТ

              У человека происходит в основном путем окислительного дезаминирования. Эти реакции протекают с помощью двух ферментов:

              - оксидаза Д-аминокислот

              - оксидаза L-аминокислот

              Эти ферменты обладают групповой стереоспецифичностью. Оксидазы отнимают протоны и электроны от аминокислот с помощью такого же механизма,  как и оксидазы,  обеспечивающие дезаминирование биогенных аминов. Эти ферменты являются флавопротеинами и содержат в качестве простетической группы ФАД или ФМН:

На первой стадии образуется иминокислота, а затем, после спонтанного гидролиза образуется альфа-кетокислота.

              Кроме оксидаз имеется еще один фермент, катализирующий окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты - глутамат-дегидрогеназа (глутаматДГ).

              Этот фермент является НАД-зависимым и обладает высокой активностью (как и другие НАД-зависимые дегидрогеназы).  В этом его отличие от оксидаз аминокислот,  которые медленно превращают аминокислоты в физиологических условиях (поэтому в клетке  сохраняется  большинство аминокислот). Так как глутамат-ДГ является никотинамидной, то отнимаемые протоны и электроны не передаются сразу на кислород, а транспортируются по полной цепи МтО с образованием воды и параллельным образованием трех молекул АТФ.

              Глутамат-ДГ обладает высокой активностью и этим отличается от МАО и ДАО. Глутамат-ДГ является регуляторным ферментом - он ингибируется избытком АТФ, и активируется избытком АДФ.   

    БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕАКЦИЙ ДЕЗАМИНИРОВАНИЯ

              1. Реакции дезаминирования необратимы, как и реакции декарбоксилирования - дезаминирование тоже может играть роль первого этапа на путях распада аминокислот.

    2. Один из непосредственных продуктов дезаминирования -конечный продукт метаболизма аммиак.  Это токсическое вещество.  Поэтому клетки должны  затрачивать энергию, чтобы обезвредить аммиак до безвредных продуктов, которые выводятся из организма.

              3. Другой продукт реакции дезаминирования - альфа-кетокислота.

    Все образующиеся альфа-кетокислоты легко расщепляются дальше до СО2 и Н2О (например, аланин превращается в ПВК (путем дезаминирования; аспартат - в ЩУК; глутаминовая кислота - в альфа-кетоглутаровую). Большинство альфа-кетокислот тем или иным путем превращаются в кислоты, которые являются промежуточными метаболитами ЦТК:

    - в альфа-кетоглутаровую;

    - в янтарную;

    - фумаровую;

    - щавелево-уксусную. Все эти метаболиты могут в организме трансформироваться в углеводы, перед этим превращаясь в ПВК.     Поэтому большинство аминокислот относится к группе,  которая называется ГЛЮКОГЕННЫМИ АМИНОКИСЛОТАМИ (их 17). Только 3 аминокислоты не могут превращаться в ПВК, но превращаются в Ац-КоА - КЕТОГЕННЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ: лейцин, лизин, триптофан). Они могут прямо трансформироваться в жирные кислоты или в кетоновые тела.

              Метаболические пути,  в которые вступают аминокслоты после дезаминирования, уже не являются собственно путями метаболизма аминокислот,  а являются универсальными и для аминокислот,  и для углеводов, и для жиров.

ТРАНСАМИНИРОВАНИЕ

    Эта реакция заключается в том, что аминокислота и кетокислота обмениваются друг с другом своими функциональными группами при альфа-углеродном атоме.  В результате вступившая в реакцию аминокислота превращается в соответствующую альфа-кетокислоту, а кетокислота становится аминокислотой.

              Эту реакцию катализируют ферменты под названием ТРАНСАМИНАЗЫ (АМИНОТРАНСФЕРАЗЫ). Коферментом всех трансаминаз является активная форма витамина В6 - пиридоксальфосфат (фосфопиридоксаль).

                            ГЛАВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИИ ТРАНСАМИНИРОВАНИЯ:

              1. Это циклический процесс,  все стадии которого катализируются одним и тем же ферментом - трансаминазой данной пары кислот. В этот  цикл  вступает одна аминокислота и кетокислота (в приведенном примере - это глутамат и ПВК).  Образуются другая альфа-кетокислота и аминокислота (в приведенном примере -  альфа-кетоглутарат и аланин).

              2. Все стадии этого процесса обратимы.  Поэтому весь цикл в целом может протекать как в прямом,  так и в обратном направлении. Направление этого цикла зависит от соотношения концентраций участников реакции - всех четырех кислот.  Резко повысив концентрацию какой-либо одной из кислот, можно направить реакцию по определенному направлению.