Биологическая химия - часть 107

Е-ФАДН

2

 +

 О

2

 —>

 Е-ФАД +

 Н

2

О

2

 Н

2

О

2

 —>

 Н

2

О + 1/2О

2

Впервые в лаборатории Д. Грина из ткани печени и почек крыс была

выделена оксидаза, катализирующая дезаминирование 12 природных

(L-изомеров) аминокислот. Оказалось, однако, что этот фермент имеет

оптимум действия в щелочной среде (рН 10,0) и при физиологических

значениях рН его активность на порядок ниже, чем при рН 10,0. В тканях

животных и человека отсутствует подобная среда, поэтому оксидазе L-ами-

нокислот принадлежит, вероятнее всего, ограниченная роль в процессе

окислительного дезаминирования природных аминокислот. В животных

тканях оксидазным путем со значительно большей скоростью дезами-

нируются D-изомеры аминокислот. 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 рН среды. Не до конца

ясным остается вопрос о том, каково значение столь активной оксидазы

D-аминокислот в тканях, если поступающие с пищей белки и белки тела

животных и человека состоят исключительно из природных (L-изомеров)

аминокислот.

В животных тканях Г. Эйлером открыт высокоактивный при физиоло-

гических значениях рН специфический фермент (глутаматдегидрогеназа),

катализирующий окислительное дезаминирование L-глутаминовой кисло-

ты. Он является анаэробным ферментом и чрезвычайно широко рас-

пространен во всех живых объектах. В качестве кофермента глутамат-

дегидрогеназа содержит НАД (или НАДФ). Реакция включает анаэробную

фазу дегидрирования глутаминовой кислоты с образованием промежу-

точного продукта – иминоглутаровой кислоты и спонтанный гидролиз по-

следней на аммиак и α-кетоглутаровую кислоту в соответствии со сле-

дующей схемой:

Первая стадия окисления глутаминовой кислоты аналогична реакции

окислительного дезаминирования. Восстановленный НАДН далее окисля-

ется при участии флавиновых ферментов и цитохромной системы (см. главу

9) с образованием конечного продукта воды. Образовавшийся аммиак

благодаря обратимости ферментативной реакции, но обязательно в при-

сутствии восстановленного НАДФН может участвовать в синтезе глу-

тамата из α-кетоглутаровой кислоты. Различают три разных типа глу-

433

Глутаматдегидрогеназа

Глутамат

Иминоглутарат

α-Кетоглутарат

Спонтанно

2Н

Н

2

О

Н

2

О

NH

3

таматдегидрогеназ: один из них использует в качестве кофермента как

НАД, так и НАДФ (клетки животных); два других используют или НАД,

или НАДФ (микроорганизмы, клетки растений и грибов), соответственно

катализируя дезаминирование или биосинтез глутамата.

Глутаматдегидрогеназа животных тканей является одним из наиболее

изученных ферментов азотистого обмена. Это олигомерный фермент (мол.

масса 312000), состоящий из 6 субъединиц (мол. масса каждой около 52000)

и проявляющий свою основную активность только в мультимерной форме.

При диссоциации этой молекулы на субъединицы, наступающей легко

в присутствии НАДН, ГТФ и некоторых стероидных гормонов, фермент

теряет свою главную глутаматдегидрогеназную функцию, но приобретает

способность дезаминировать ряд других аминокислот. Это свидетельствует

об аллостерической природе глутаматдегидрогеназы, действующей как

регуляторный фермент в аминокислотном обмене.

Помимо перечисленных 4 типов дезаминирования аминокислот и фер-

ментов, катализирующих эти превращения, в животных тканях и печени

человека открыты также три специфических фермента (серин- и треонин-

дегидратазы и цистатионин-γ-лиаза), катализирующих неокислительное

дезаминирование соответственно серина, треонина и цистеина.

Конечными продуктами реакции являются пируват и α-кетобутират,

аммиак и сероводород. Поскольку указанные ферменты требуют при-

сутствия пиридоксальфосфата в качестве кофермента, реакция неокисли-

тельного дезаминирования, вероятнее всего, протекает с образованием

шиффовых оснований как промежуточных метаболитов.

Наиболее изучен фермент треониндегидратаза, которая оказалась не

только аллостерическим ферментом, но наряду с триптофан-2,3-диокси-

геназой и тирозинаминотрансферазой индуцибельным ферментом в жи-

вотных тканях (индукция синтеза ферментов de novo является общим

свойством микроорганизмов). Так, при скармливании крысам гидролизата

казеина активность треониндегидратазы печени повышается почти в 300

раз. Этот синтез тормозится ингибитором белкового синтеза пуромицином.

Поскольку индукция почти полностью тормозится также глюкозой пищи,

треонингидратаза, по-видимому, является ответственной за глюконеогенез,

так как α-кетобутират легко превращается в пируват и соответственно

в глюкозу.

434

L-серин

Пируват

L-треонин

α-Кетобутират

L-цистеин

Пируват

Н

2

О

Н

2

О

NH

3

Н

2

О

Н

2

О

NH

3

Н

2

О

H

2

S

NH

3

Трансаминирование аминокислот

Под трансаминированием подразумевают реакции межмолекулярного пе-

реноса аминогруппы (NH

2

—) от аминокислоты на α-кетокислоту без

промежуточного образования аммиака. Впервые реакции трансаминиро-

вания (прежнее название «переаминирование») были открыты в 1937 г.

советскими учеными А.Е. Браунштейном и М.Г. Крицман при изучении

дезаминирования глутаминовой кислоты в мышечной ткани. Было за-

мечено, что при добавлении к гомогенату мышц глутаминовой и пиро-

виноградной кислот образуются α-кетоглутаровая кислота и аланин без

промежуточного свободного аммиака; добавление аланина и α-кетоглу-

таровой кислоты приводило к образованию соответственно пировиноград-

ной и глутаминовой кислот.

Реакции трансаминирования являются обратимыми и, как выяснилось

позже, универсальными для всех живых организмов. Эти реакции про-

текают при участии специфических ферментов, названных А.Е. Браун-

штейном аминоферазами (по современной классификации,  а м и н о т р а н с -

феразы, или  т р а н с а м и н а з ы ) . Теоретически реакции трансаминиро-

вания возможны между любой амино- и кетокислотой, однако наиболее

интенсивно они протекают в том случае, когда один из партнеров пред-

ставлен дикарбоновой амино- или кетокислотой. В тканях животных

и у микроорганизмов доказано существование реакций трансаминирования

между монокарбоновыми амино- и кетокислотами. Донорами NН

2

-группы

могут также служить не только α-, но и β-, γ- и ω-аминогруппы ряда

аминокислот. В лаборатории А. Майстера доказано, кроме того, трансами-

нирование глутамина и аспарагина с кетокислотами в тканях животных.

В переносе аминогруппы активное участие принимает кофермент транс-

аминаз пиридоксальфосфат (производное витамина В

6

; см. главу 5), ко-

торый в процессе реакции обратимо превращается в пиридоксаминфосфат.

Механизм реакции трансаминирования. Общую теорию механизма фер-

ментативного трансаминирования разработали советские ученые А.Е. Браун-

штейн и М.М. Шемякин. Одновременно подобный механизм был пред-

ложен американскими биохимиками Э. Снеллом и Д. Метцлером. Все

трансаминазы (как и декарбоксилазы аминокислот) содержат один и тот же

кофермент – пиридоксальфосфат. Для реакций трансаминирования харак-

терен общий механизм. Специфичность трансаминаз обеспечивается бел-

ковым компонентом. Ферменты трансаминирования катализируют перенос

NH

2

-группы не на α-кетокислоту, а сначала на кофермент пиридоксаль-

фосфат. Образовавшееся промежуточное соединение (шиффово основание)

подвергается внутримолекулярным превращениям (лабилизация α-водо-

родного атома, перераспределение энергии связи), приводящим к осво-

бождению α-кетокислоты и пиридоксаминфосфата; последний на второй

435

Глутамат

Пируват

α-Кетоглутарат

Аланин

стадии реакции реагирует с любой другой α-кетокислотой, что через те же

стадии образования промежуточных соединений (идущих в обратном на-

правлении) приводит к синтезу новой аминокислоты и освобождению

пиридоксальфосфата. Опуская промежуточные стадии образования шиф-

фовых оснований, обе стадии реакции трансаминирования можно пред-

ставить в виде общей схемы:

Более подробно механизм действия трансаминаз представлен на

рис. 12.3.

В связи с тем что во всех пиридоксалевых ферментах (включая транс-

аминазы) карбонильная группа кофермента (—СНО) оказалась связанной

с ε-аминогруппой лизина белковой части, в классический механизм реакции

трансаминирования А.Е. Браунштейн и Э. Снелл внесли следующее до-

полнение. Оказалось, что взаимодействие между субстратом, т.е. L-амино-

кислотой (на рисунке – аспартат), и пиридоксальфосфатом происходит не

путем конденсации с выделением молекулы воды, а путем реакции за-

мещения, при которой NH

2

-группа субстрата вытесняет ε-NН

2

-группу

Рис. 12.3. Механизм действия пиридоксальфосфата в аспартатаминотрансферазе.

436

Белок-Лиз 258

Фермент:

аспартатаминотрансфераза

Кофермент:

пиридоксальфосфат

Аспартат

Белок

Белок

Шиффовы

основания

Белок

Белок

Оксалоацетат

Пиридоксаминфосфат

Н

2

O