Биологическая химия - часть 114

Рис. 12.8. Использование амидного азота глутамина для синтеза различных соеди-
нений в живых организмах.

витамина фолиевой кислоты (птероилглутаминовая кислота). На рис. 12.8

суммированы реакции синтеза ряда веществ, в которых амидный азот

глутамина выполняет специфическую роль, незаменимую азотом других

аминокислот *.

Глутамин и аспарагин оказались, кроме того, эссенциальными фак-

торами для роста некоторых нормальных и опухолевых клеток в культуре

ткани; они не могут быть заменены ни друг другом, ни соответствующими

дикарбоновыми аминокислотами. Это свидетельствует о том, что в ус-

ловиях выращивания клеток в культуре ткани некоторые клетки теряют

способность синтезировать эти амиды синтетазным или трансаминазным

путем.

В лаборатории Майстера получены доказательства, что глутамин и

аспарагин в животных тканях подвергаются сочетанному трансаминиро-

ванию и дезамидированию под влиянием специфических трансаминаз ами-

дов (глутаминтрансаминазы и аспарагинтрансаминазы) и неспецифической

ω-амидазы:

* В указанных синтетазных реакциях участвует специфический класс ферментов -  г л у -

т а м и н а м и д о т р а н с ф е р а з ы . Они содержат глутаминсвязывающий домен, содержащий

консервативную АМК-последовательность и акцепторный домен с вариабельной областью

для связывания второго субстрата. По своему механизму действия эти ферменты близки

к глутаминазе (см. далее), однако последняя не нуждается во втором субстрате.

461

Триптофан

Карбамоилфосфат

Гистидин

ЦМФ

АМФ

ГМФ

НАД

Аминокислоты

Аспарагин

Глюкозамин-6-фосфат

α-Кетоглутарамовая

кислота

п-Аминобензойная кислота

L-глутамин

Таким образом, в реакции переноса участвует α-аминогруппа аспа-

рагина, а не амидная группа, как предполагали раньше; в то же время

амидная группа промежуточного соединения α-кетосукцинамовой кислоты

в дальнейшем освобождается в процессе гидролиза в виде аммиака.

Трансаминирование – обратимый процесс, поэтому лимитирующими фак-

торами в синтезе аспарагина (и глутамина) являются ω-амиды оксалоаце-

тата и α-кетоглутаровой кислоты, синтез которых в животных тканях пока

не доказан.

Глутаминовая кислота является одним из немногих соединений, помимо

глюкозы, которые служат энергетическим материалом для ткани мозга.

Ранее была отмечена высокая активность в ткани мозга глутаматдекар-

боксилазы, катализирующей превращение глутамата в γ-аминомасляную

кислоту (ГАМК). Дальнейшее последовательное окисление ГАМК вклю-

чает трансаминирование с образованием полуальдегида янтарной кислоты,

окисление в янтарную кислоту и, наконец, окисление через ЦТК.

В обеих реакциях (декарбоксилирование глутамата и трансаминиро-

вание ГАМК) участвует пиридоксальфосфат, который оказался более проч-

но связанным с ГАМК-трансаминазой. ГАМК оказывает тормозящий

эффект на синаптическую передачу в ЦНС, поэтому судорожные явления,

наблюдаемые при недостаточности витамина В

6

, могут быть связаны со

снижением образования ГАМК в глутаматдекарбоксилазной реакции.

У животных судороги могут быть вызваны также введением изониазида,

который связывает альдегидную группу кофермента или антивитаминов

В

6

, в частности метоксипиридоксина. ГАМК – естественно встречающийся

«транквилизатор», поэтому одним из путей повышения ее концентрации

в ЦНС является введение веществ, оказывающих тормозящее действие на

ГАМК-трансаминазу, которая эффективно устраняет ГАМК.

В последние годы у бактерий и растений (но не в животных тканях)

открыт совершенно новый путь синтеза глутаминовой кислоты из α-кето-

глутаровой кислоты и глутамина. Этот путь, получивший название глута-

матсинтазного цикла, включает две сопряженные с распадом АТФ не-

обратимые реакции, ведущие к усвоению (ассимиляции) аммиака:

Первую стадию (а) катализирует глутаминсинтетаза, которая имеется

в клетках животных, вторую (б) – глутаматсинтаза, открытая только у

растений, грибов и микроорганизмов. Обе стадии могут быть представлены

462

ω-Амидаза

α-Кетокис-

лота

Аспарагин

L-AMK

α-Кетосук-

цинамовая

кислота

Оксало-

ацетат

а) NН

3

 + Глутамат + АТФ –> Глутамин + АДФ + P

i

б) Глутамин + α-Кетоглутарат + НАДФН + Н

+

 –

> 2Глутамат + НАДФ

+

NH

3

 + α-Кетоглутарат + НАДФН + Н

+

 + АТФ –> Глутамат + НАДФ

+

 + АДФ + P

i

Н

2

О

NH

3

вместе с обратимо действующей глутаматдегидрогеназной реакцией (в)

в виде следующей схемы:

Оказалось, что при низких концентрациях аммиака, характерных для

растений и микроорганизмов, реакции протекают преимущественно по

глутаматсинтазному циклу, а при высоких его концентрациях, свойствен-

ных тканям животных,– по глутаматдегидрогеназному пути; в обоих слу-

чаях синтезируется глутамат.

В сводной схеме обобщены главные интегративные пути превращения

глутамина и глутаминовой кислоты и приведены названия ферментов,

катализирующих эти реакции в тканях (рис. 12.9).

С метаболизмом глутаминовой кислоты связаны также пути обмена

пролина и аргинина (см. рис. 12.9), хотя следует напомнить, что аргинин

относится к частично незаменимым аминокислотам организма, особенно

в молодом возрасте, когда его синтез из глутамата не может обеспечить

потребности быстрого роста организма. Основным путем метаболизма

Рис. 12.9. Метаболические превращения глутамата и глутамина в тканях животных
(схема по Майстеру).

1 - реакции цикла лимонной кислоты; 2 - глутаматдегидрогеназа; 3 - глутаматтрансаминаза;

4 - глутаминсинтетаза; 5 - глутаминаза; 6 - глутаминтрансаминаза; 7 - карбамоилфосфатсинте-

таза (печень); 8 - ω-амидаза; 9 - γ-глутамилцистеинсинтетаза; 10 - глутатионсинтетаза; 11 - γ-

глутамилтрансфераза; 12 - γ-глутамилциклотрансфераза; 13 - 5-оксопролиназа; 14 - цистеинил-

глициназа; 15 - глутаматдекарбоксилаза; 16 - глутамат-N-ацетилаза; 17 - ферменты, катализи-

рующие распад этих аминокислот; 18 - амидотрансферазы глутамина; 19 - глутамин-фенилаце-

тилтрансфераза.

463

NН

3

 + АТФ

АДФ

 + Р

i

Глутамат

Глутамин

Глутамат

α-Кетоглутарат

НАД(Ф)

+

NН

3

 + НАД(Ф)Н + Н

+

ЦТК

α-Кетоглутарат

АМК

Кетокислоты

Apг

Про

Гис

γ-Аминобутират

N-ацетил-Глу

Глутамат

NH

3

Карбамоил-Ф

α-Кетоглутарамат

АМК

Кетокислоты

Глутамин

Транспорт

амидного N

Карбамоил-Ф

Асн

Пурин [N

3,9

]

ЦТФ

ГМФ

НАД

Глюкозамин-6-Ф

v-Глу-цис

Цис

5-Оксопролин

Цис-Гли

АМК

Гли

γ-Глу-АМК

γ-Глу-Цис-Гли

[глутатион]

АМК

Фенилацетил-Глн

аргинина является путь синтеза мочевины. Более специфичен и необратим

путь превращения гистидина (также частично незаменимая для животных

аминокислота) в глутаминовую кислоту. В этом превращении участвуют

два хорошо изученных фермента – гистидинаммиаклиаза (гистидаза), ка-

тализирующая внутримолекулярное дезаминирование гистидина, и урока-

ниназа, которая катализирует разрыв имидазольного кольца уроканиновой

кислоты с образованием имидазолилпропионовой кислоты; последняя через

формиминоглутамат превращается в глутаминовую кислоту. Другие пути

обмена гистидина (образование гистамина и окисление его под действием

диаминоксидазы) были рассмотрены ранее.

ПАТОЛОГИЯ АЗОТИСТОГО ОБМЕНА

Азотистый обмен связан преимущественно с обменом белков, структур-

ными единицами которых являются аминокислоты. Поэтому далее пред-

ставлены накопленные к настоящему времени данные о нарушениях обмена

отдельных аминокислот при патологии. Повышенный интерес биохимиков,

физиологов и клиницистов к проблемам патологии обмена аминокислот

объясняется рядом обстоятельств. Во-первых, имеются экспериментальные

доказательства и клинические наблюдения о развитии патологического

синдрома, в основе которого лежат нарушения нормального пути обмена

отдельных аминокислот в организме. Во-вторых, в последнее время амино-

кислоты и их производные нашли широкое применение в клинической

практике в качестве лекарственных средств: например, метионин исполь-

зуется для лечения ряда болезней печени, глутаминовая кислота –

некоторых поражений мозга, глутамин – кетонурии и т.д. Наконец, ряд

аминокислот и продукты их декарбоксилирования (биогенные амины)

оказывают регулирующее влияние на многие физиологические функции

организма. Следовательно, знание закономерностей обмена отдельных

аминокислот в норме и особенно при патологии представляет исклю-

чительный 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 самих свободных аминокислот в био-

логических жидкостях организма. Большинство тканей характеризуется

своеобразным аминокислотным «спектром». В плазме крови он примерно

соответствует аминокислотному составу 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. Цереброспинальная жидкость отли-

чается меньшим содержанием почти всех аминокислот, кроме глутамина.

Аминокислотный состав мочи резко отличается от аминокислотного соста-

ва плазмы крови. Оказывается, у человека, получающего полноценное

питание, аминокислотный состав мочи более или менее постоянен изо дня

в день, но у разных людей с почти одинаковым аминокислотным составом

плазмы состав аминокислот в моче может оказаться совершенно раз-

личным.

Природу нарушений процессов обмена при недостаточности какой-либо

аминокислоты трудно установить экспериментально, поскольку при этом

изменяется весь процесс биосинтеза белка, подчиняющийся закону «все или

ничего». Специфические проявления недостаточности аминокислот могут

развиваться у человека только в условиях патологии при повышенном

использовании данной аминокислоты. Так, у больных с карциноидной

464