Биологическая химия - часть 111

Реакция требует затраты двух молекул АТФ, открыта в митохондриях

клеток печени и используется преимущественно для синтеза аргинина

и мочевины. В этой реакции в качестве активного стимулирующего ал-

лостерического эффектора действует N-ацетилглутамат.

Вторую, также необратимую, реакцию катализирует глутаминзависимая

карбамоилфосфатсинтетаза (КФ 6.3.5.5):

Данная реакция открыта в цитозоле клеток животных и требует наличия

ионов Mg

2 +

. Следует указать, что благодаря включению гидролитической

стадии она используется преимущественно для синтеза пиримидиновых

нуклеотидов (см. далее). Фермент широко распространен в клетках жи-

вотных.

Третью обратимую реакцию катализирует карбаматкиназа (КФ 2.7.2.2):

Реакция открыта у разных микроорганизмов и, возможно, используется

скорее для ресинтеза АТФ, чем для синтеза карбамоилфосфата.

На втором этапе цикла мочевинообразования происходит конденсация

карбамоилфосфата и орнитина с образованием цитруллина; реакцию ка-

тализирует орнитин-карбамоилтрансфераза (КФ 2.1.3.3).

На следующей стадии цитруллин превращается в аргинин в результате

двух последовательно протекающих реакций. Первая из них, энергозави-

симая,– это конденсация цитруллина и аспарагиновой кислоты с обра-

зованием аргининосукцината (эту реакцию катализирует аргининосукцинат-

синтетаза). Аргининосукцинат распадается в следующей реакции на ар-

гинин и фумарат при участии другого фермента – аргининосукцинатлиазы.

На последнем этапе аргинин расщепляется на мочевину и орнитин под

действием аргиназы.

Необходимо подчеркнуть, что аргиназа содержится в печени тех жи-

вотных, которые экскретируют с мочой мочевину как основной и конечный

продукт азотистого обмена. В печени птиц, например, аргиназа отсутствует,

поскольку птицы вместо мочевины выделяют мочевую кислоту. Орни-

тиновый цикл мочевинообразования с учетом новых данных представлен на

рис. 12.5.

Суммарная реакция синтеза мочевины без учета всех промежуточных

продуктов может быть представлена в следующем виде:

СO

2

 + NH

3

 + ЗАТФ + 2Н

2

O + Аспартат –> Мочевина + 2АДФ + АМФ +

+ Фумарат + 2Р

i

 + РР

i

.

Данная реакция сопровождается снижением свободной энергии

(ΔG

0

 = –40 кДж), поэтому процесс всегда протекает в направлении син-

теза мочевины. Следует указать, что синтез мочевины энергетически дорого

обходится организму. На синтез одной молекулы мочевины требуется

449

NH

3

 + CO

2

 + 2АТФ + H

2

O

N-ацетилглу-

тамат

+ 2АДФ + P

i

CO

2

 + L-Глу-NН

2

 + АТФ + H

2

O

+ L-Глу + АДФ

NH

3

 + CO

2

 + АТФ

+ АДФ

Рис. 12.5. Орнитиновый цикл синтеза мочевины в печени.

затрата четырех высокоэнергетических фосфатных групп: две молекулы

АТФ расходуются на синтез карбамоилфосфата и одна – на образование

аргининоянтарной кислоты, при этом АТФ расщепляется на АМФ и РР

i

,

который при гидролизе также образует две молекулы Р

i

.

Из приведенной схемы процесса мочевинообразования нетрудно видеть,

что один из атомов азота мочевины имеет своим источником свободный

аммиак (через карбамоилфосфат); второй атом азота поступает из ас-

партата. Аммиак образуется главным образом в процессе глутаматде-

гидрогеназной реакции. В процессе пополнения запасов аспартата участ-

вуют три сопряженные реакции: сначала фумарат под действием фумаразы

присоединяет воду и превращается в малат, который окисляется при

участии малатдегидрогеназы с образованием оксалоацетата; последний

в реакции трансаминирования с глутаматом вновь образует аспартат.

Учитывая известные фактические данные о механизмах обезвреживания

аммиака в организме, можно сделать следующее заключение. Часть ам-

миака используется на биосинтез аминокислот путем восстановительного

аминирования α-кетокислот по механизму реакции трансаминирования.

Аммиак связывается при биосинтезе глутамина и аспарагина. Некоторое

количество аммиака выводится с мочой в виде аммонийных солей. В форме

креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата, выделяется

из организма значительная часть азота аминокислот. Наибольшее ко-

личество аммиака расходуется на синтез мочевины, которая выводится

450

Мочевина

Орнитин

Аргиназа

Орнитинкарбамоил-

трансфераза

Аргининосукцинат-

синтетаза

Цитруллин

Аспартат

Аргининосук-

цинатлиаза

Аргининосукцинат

Аргинин

Фумарат

АТФ

АДФ

 + P

i

P

i

H

2

O

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 соот-

ветственно выделяет примерно 15 г азота в сутки; из экскретируемого

с мочой количества азота на долю мочевины приходится около 85%,

креатинина – около 5%, аммонийных солей – 3%, мочевой кислоты – 1% и на

другие формы – около 6%.

В процессе эволюции живые организмы выработали различные типы

азотистого обмена. Это аммониотелический тип, при котором главным

конечным продуктом азотистого обмена является аммиак; он свойствен

преимущественно рыбам. При уреотелическом типе обмена основным ко-

нечным продуктом обмена белков является мочевина; такой тип характерен

для человека и животных. Урикотелический тип характерен для птиц

и рептилий; главным конечным продуктом данного типа обмена является

мочевая кислота.

Специфические пути обмена некоторых аминокислот

Помимо общих путей обмена, характерных для большинства аминокислот,

в настоящее время в животных тканях довольно подробно выяснены

индивидуальные пути превращения почти всех аминокислот, входящих

в состав белковых молекул. Некоторые из этих превращений в коли-

чественном отношении имеют второстепенное значение, но образующиеся

из них продукты реакции могут играть важную, а иногда и решающую роль

в процессах обмена веществ. Далее рассматривается выборочно обмен тех

аминокислот, специфические (так называемые частные) пути превращения

которых в организме человека и животных определяют во многих от-

ношениях его физиологическое состояние.

Обмен глицина и серина

Глицин является единственной из всех входящих в состав белков амино-

кислот, в молекуле которой отсутствует асимметричный атом углерода.

Тем не менее метаболически он связан с химическими компонентами

организма в большей степени, чем любая другая аминокислота.

На схеме видно, что глицин в некоторых синтезах играет незаменимую

роль, в частности в образовании белков, пуриновых нуклеотидов, гема

гемоглобина, парных желчных кислот, креатина, глутатиона и др. Боль-

шинство этих реакций представлено в соответствующих разделах учебника.

Здесь укажем на реакции, при помощи которых осуществляются взаимо-

превращения глицина, серина и треонина, а также на реакции катаболизма

451

Глутатион

Муравьиная кислота

Гиппуровая кислота

Креатин

H

2

O

 + СО

2

 + NН

3

Серин

ГЛИЦИН

Треонин

Тканевые белки

Глюкоза (гликоген)

Липиды

Гем (гемоглобин)

Пурины (ДНК, РНК)

Желчные кислоты

глицина. Показано, что в реакции взаимопревращения глицина и серина

участвует тетрагидрофолиевая кислота; эту реакцию катализирует пири-

доксалевый фермент серин-оксиметилтрансфераза:

Имеются также доказательства взаимопревращения треонина и глицина

в треонинальдолазной реакции:

Основным путем катаболизма глицина в животных тканях, однако,

считается распад его на СО

2

, NH

3

 и N

5

,N

10

-метилентетрагидрофолиевую

кислоту по уравнению:

Механизм этой реакции, недавно раскрытый К. Тада, включает участие

митохондриальной  г л и ц и н р а с щ е п л я ю щ е й  ф е р м е н т н о й системы,

отличной от глицинсинтазы и состоящей из 4 белков: Р-белка, содержащего

пиридоксальфосфат (глициндекарбоксилаза); Н-белка, содержащего липое-

вую кислоту; Т-белка, требующего присутствия ТГФК, и L-белка, назван-

ного липамиддегидрогеназой:

Биологический смысл данного пути катаболизма глицина состоит,

вероятнее всего, в образовании активного одноуглеродного фрагмента (N

5

,

N

1 0

—СН

2

—ТГФК), используемого в уникальных реакциях синтеза ме-

тионина, пуриновых нуклеотидов, тимидиловой кислоты и др. Получены

452

Глицин

Серин

Треонинальдолаза

Глицин

Треонин

НАД

+

НАДН + Н

+

N

5

, N

10

-CH

2

-ТГФK

ТГФK

Н

2

О

+ ТГФК

СO

2

 +

 NH

3

 + N

5

, N

10

–

СН

2

-ТГФК

–

H

2

O

+H

2

O

СO

2

+ Н

2

O

–

Н

2

О

ТГФК

N

5

, N

10

–

СН

2

-ТГФК +

 NH

3

 +