БІОХІМІЯ ПІДРУЧНИК ДЛЯ ВУЗІВ - О. З. Северина - 2004

Амінокислоти, що утворюються при перетравленні білків і що надходять до клітин тканин, піддаються катаболізму і анаболізму, а також специфічним реакціям, в результаті яких синтезуються біологічно активні сполуки.

Катаболізм більшості амінокислот починається з відщеплення α-аміногрупи. Амінокислота втрачає аміногрупу в результаті двох типів реакцій: трансамінування та дезамінування.

Трансамінування - реакція перенесення α-аміногрупи з амінокислоти на α-кетокислоту, внаслідок чого утворюються нова кетокислота та нова амінокислота. Константа рівноваги більшості таких реакцій близька до одиниці (К_р ~ 1,0), тому процес трансамінування легко оборотний (див. схему А).

Реакції каталізують ферменти амінотрансферази, коферментом яких служить піридоксальфосфат (ПФ) - похідне вітаміну В₆ (Піридоксину, див. розділ 3) (див. схему Б).

Амінотрансферази виявлені як у цитоплазмі, так і в мітохондріях клітин еукаріотів. Причому мітохондріальні та цитоплазматичні форми ферментів розрізняються за фізикохімічними властивостями. У клітинах людини знайдено понад 10 амінотрансфераз, що відрізняються за субстратною специфічністю. Вступати в реакції трансамінування можуть майже всі амінокислоти, за винятком лізину, треоніну та проліну.

1. Механізм реакції

Амінотрансферази – класичний приклад ферментів, що каталізують реакції, що протікають за механізмом типу «пінг-понг» (див. розділ 2). У таких реакціях перший продукт повинен піти з активного центру ферменту, перш ніж другий субстрат зможе до нього приєднатися.

Активна форма амінотрансфераз утворюється в результаті приєднання піридоксальфосфату до аміногрупи лізину міцним альдимінним зв'язком (рис. 9-6). Лізин у положенні 258 входить до складу активного центру ферменту. Крім того, між ферментом та піридоксальфосфатом утворюються іонні зв'язки за участю заряджених атомів фосфатного залишку та азоту в піридиновому кільці коферменту.

Мал. 9-6. Приєднання піридоксальфосфату до активного центру амінотрансферази. Цифрою «1» позначено альдимінний зв'язок.

Пиридоксальфосфат у разі служить переносником аміногруп. При цьому найважливішу роль відіграє його альдегідна група, яка може оборотно приєднувати різні аміни з утворенням шиффових основ. Реакції трансамінування проходять у 2 стадії, під час яких піридоксальфосфат зазнає оборотних перетворень між вільною альдегідною формою (ПФ) та амінованою формою (піридоксамінфосфат). Послідовність реакцій трансамінування представлена ​​нижче.

✵ На першій стадії до піридоксальфосфату в активному центрі ферменту за допомогою альдимінного зв'язку приєднується аміногрупа від першого субстрату – амінокислоти. Утворюються комплекс фермент-піридоксамінфосфат та кетокислота – перший продукт реакції. Цей процес включає проміжне утворення 2 шифових основ.

✵ На другій стадії комплекс фермент-піридоксамінфосфат з'єднується з кетокислотою (другим субстратом) і знову через проміжне утворення 2 шиффових основ передає аміногрупу на кетокислоту. В результаті фермент повертається у свою нативну форму і утворюється нова амінокислота - другий продукт реакції.Якщо альдегідна група піридоксальфосфату не зайнята аміногрупою субстрату, то вона утворює шиффову основу (альдимін) з ε-аміногрупою радикалу лізину в активному центрі ферменту (див. схему).

2. Органоспецифічні амінотрансферази АЛТ та АСТ

Найчастіше в реакціях трансамінування беруть участь амінокислоти, вміст яких у тканинах значно вищий від інших - глутамат, аланін, аспартат та відповідні їм кетокислоти - α-кетоглутарат, піруват та оксалоацетат. Основним донором аміногрупи є глутамат.

Сумарно ці реакції можна подати у вигляді схеми:

Акцептором аміногрупи будь-якої амінокислоти, що піддається трансамінування (амінокислота 1), служить α-кетоглутарат. Приймаючи аміногрупу, він перетворюється на глутамат, який здатний передавати цю групу будь-якій α-кетокислоті з утворенням іншої амінокислоти (амінокислота 2).

Амінотрансферази мають субстратну специфічність до різних амінокислот. У тканинах людини виявлено понад 10 різних амінотрансфераз. Найбільш поширеними ферментами в більшості тканин ссавців є аланінамінотрансфераза (АЛТ), по зворотній реакції - глутамат-піруватамінотрансфераза (ГПТ) і аспартатамінотрансфераза (ACT), по зворотній реакції - глутамат-оксалоацетатамінотрансфера.

АЛТ (АЛАТ) каталізує реакцію трансамінування між аланіном та α-кетоглутаратом (див. схему А).

Локалізовано цей фермент у цитозолі клітин багатьох органів, але найбільша його кількість виявлена ​​в клітинах печінки та серцевого м'яза.

ACT (АсАТ) каталізує реакцію трансамінування між аспартатом і -кетоглутаратом аналогічно попередньої (див. схему Б).

В результаті утворюються оксалоацетат та глутамат.ACT має як цитоплазматичну, і мітохондріальну форми. Найбільша його кількість виявлена ​​у клітинах серцевого м'яза та печінки.

Оскільки найбільша кількість АЛТ і ACT зосереджена в печінці та міокарді, а вміст у крові дуже низький, можна говорити про органоспецифічність цих ферментів.

В результаті роботи амінотрансфераз амінний азот багатьох амінокислот переходить до складу глутамату. Є підстави вважати, що накопичення аміногруп у формі глутамінової кислоти відбувається у цитозолі. Потім глутамат за допомогою транслоказу потрапляє в мітохондрії, де активна специфічна ACT. Внаслідок дії цього ферменту глутамат знову перетворюється на α-кетоглутарат. Останній використовується для непрямого дезамінування амінокислот, що містяться в мітохондріях. Це дуже важливо, так як тільки глутамат у тканинах ссавців найбільш швидко може піддаватися окисному дезамінуванню (див. нижче).

3. Біологічне значення трансамінування

Реакції трансамінування грають велику роль обміні амінокислот. Оскільки цей процес оборотний, ферменти амінотрансферази функціонують як у процесах катаболізму, так і біосинтезу амінокислот. Трансамінування - Заключний етап синтезу замінних амінокислот з відповідних -кетокислот, якщо вони в даний момент необхідні клітинам. В результаті відбувається перерозподіл амінного азоту в тканинах організму. Трансамінування - перша стадія дезамінування більшості амінокислот, тобто. початковий етап їхнього катаболізму. Кетокислоти, що утворюються при цьому, окислюються в ЦТК або використовуються для синтезу глюкози і кетонових тіл. При трансамінуванні загальна кількість амінокислот у клітині не змінюється.

4.Діагностичне значення визначення амінотрансфераз у клінічній практиці

У клінічній практиці широко використовують визначення активності ACT та АЛТ у сироватці крові для діагностики деяких захворювань.

У нормі в крові активність цих ферментів дуже мала і становить 5 - 40 Е/л. При пошкодженні клітин відповідного органу ферменти виходять у кров, де активність їх різко підвищується. , скелетних м'язів, їх використовують для діагностики хвороб цих органів (див. розділ 2). перевищує кількість АЛТ, а печінки — навпаки. "Коефіцієнт де Рітіса". У нормі цей коефіцієнт дорівнює 1,33 ± 0,42. виходить у кров і цитоплазматична та мітохондріальна форми ферменту. коефіцієнта де Рітіса різко зростає.

При гепатитах активність АЛТ у сироватці крові збільшується у ≈8 – 10 разів у порівнянні з нормою, a ACT – у 2-4 рази. Коефіцієнт де Рітіса знижується до 0,6. , при якому кров виходять обидві форми ACT.

Б. Дезамінування амінокислот

Дезамінування амінокислот реакція відщеплення α-аміногрупи від амінокислоти, внаслідок чого утворюється відповідна α-кетокислота (безазотистий залишок) та виділяється молекула аміаку. Подальші перетворення продуктів дезамінування амінокислот представлені на рис. 9-7.

Мал. 9-7. Доля продуктів дезамінування амінокислот.

Аміак токсичний для ЦНС, тому в організмі людини і ссавців він перетворюється на нетоксичну добре розчинну сполуку — сечовину. У вигляді сечовини, а також у вигляді солей амонію аміак виводиться із організму. Безазотистий залишок використовується для утворення амінокислот в реакціях трансамінування, в процесах глюконеогенезу, кетогенезу, в анаплеротичних реакціях для заповнення втрат метаболітів ОПК, в реакціях окислення до СO₂ та Н₂O.

Існує кілька способів дезамінування амінокислот:

1. Окисне дезамінування

Найбільш активно у тканинах відбувається дезамінування глутамінової кислоти. Реакцію каталізує фермент глутаматдегідрогеназу, коферментом глутаматдегідрогенази є NАD+. Реакція йде у 2 етапи. Спочатку відбувається ферментативне дегідрування глутамату та утворення α-іміноглутарату, потім – неферментативне гідролітичне відщеплення іміногрупи у вигляді аміаку, внаслідок чого утворюється α-кетоглутарат (див. схему нижче).

Окисне дезамінування глутамату оборотна реакція і при підвищенні концентрації аміаку в клітині може протікати у зворотному напрямку, як відновне амінування α-кетоглутарату.

Глутаматдегідрогеназа дуже активна в мітохондріях клітин практично всіх органів, крім м'язів. Цей фермент - олігомер, що складається з 6 субодиниць (молекулярна маса 312 кД).Глутаматдегідрогеназа відіграє важливу роль, оскільки є регуляторним ферментом амінокислотного обміну. Алостеричні інгібітори глутаматдегідрогенази (АТФ, ГТФ, NADH) викликають дисоціацію ферменту та втрату глутаматдегідрогеназної активності. Високі концентрації АДФ активують фермент. Таким чином, низький енергетичний рівень у клітинах стимулює руйнування амінокислот та утворення α-кетоглутарату, що надходить до ЦТК як енергетичний субстрат. Глутаматдегідрогеназа може індукуватись стероїдними гормонами (кортизолом).

У печінці та нирках виявлено фермент оксидаза L-амінокислот, здатний дезамінувати деякі L-амінокислоти (див. схему наприкінці стор).

Коферментом у цій реакції виступає FМN. Однак внесок оксидази L-амінокислот у дезамінування, очевидно, незначний, оскільки оптимум її дії лежить у лужному середовищі (pH 10,0). У клітинах, де pH середовища близький до нейтрального, активність ферменту дуже низька.

Оксидаза D-амінокислот також виявлена ​​в нирках та печінці. Це FАD-залежний фермент. Оптимум pH цієї оксидази лежить у нейтральному середовищі, тому фермент активніший, ніж оксидаза L-амінокислот. Роль оксидази D-амінокислот невелика, оскільки кількість D-ізомерів в організмі вкрай мала, тому що в білки їжі та білки тканин людини та тварин входять лише природні L-амінокислоти. Ймовірно, оксидаза D-амінокислот сприяє їх перетворенню на відповідні L-ізомери (рис. 9-8).

Мал. 9-8. Біологічна роль оксидази D-амінокислот.

2. Непряме дезамінування (трансдезамінування)

Більшість амінокислот не здатні дезамінуватися в одну стадію, подібно до Глу.Аміногрупи таких амінокислот в результаті трансамінування переносяться на α-кетоглутарат з утворенням глутамінової кислоти, яка потім піддається прямому окислювальному дезамінуванню.

Непряме дезамінування амінокислот відбувається за участю 2 ферментів: аміно-трансферази (кофермент ПФ) та глутаматдегідрогенази (кофермент NАD+).

Значення цих реакцій в обміні амінокислот дуже велике, оскільки непряме дезамінування - основний спосіб дезамінування більшості амінокислот. Обидві стадії непрямого дезамінування є оборотними (рис. 9-9), що забезпечує як катаболізм амінокислот (рис. 9-9, А), так і можливість утворення практично будь-якої амінокислоти з відповідної α-кетокислоти (рис. 9-9, Б).

9-9. Біологічна роль непрямого дезамінування. α-кетоглутарат і аміак; Б — при необхідності синтезу амінокислот і наявності необхідних α-кетокислот обидві стадії непрямого дезамінування протікають у зворотному напрямку. синтезу нової амінокислоти

У м'язовій тканині активність глутаматдегідрогенази низька, тому в цих клітинах при інтенсивному фізичному навантаженні функціонує ще один шлях непрямого дезамінування за участю циклу ІМФ-АМФ. Спочатку відбувається перенесення аміногрупи амінокислот на аспартат, потім на інозинову кислоту (ІМФ) і на завершення дезамінування АМФ. Подана схема відображає послідовність реакцій непрямого неокислювального дезамінування:

Можна виділити 4 стадії процесу:

✵ трансамінування з α-кетоглутаратом, утворення глутамату;

✵ трансамінування глутамату з оксалоацетатом (фермент ACT), утворення аспартату;

✵ реакція перенесення аміногрупи від аспартату на ІМФ (інозинмонофосфат), утворення АМФ та фумарату;

✵ гідролітичне дезамінування АМФ.

Перенесення аміногрупи від аспартату та синтез АМФ відбуваються в такий спосіб (див. схему А).

Реакція дезамінування аденілової кислоти відбувається під дією ферменту АМФ дезаміназ (див. схему Б).

Цей шлях дезамінування переважає у м'язах при інтенсивній роботі, внаслідок якої накопичується молочна кислота. Аміак, що виділяється, запобігає закисленню середовища в клітинах, викликане утворенням лактату.

3. Неокислювальне дезамінування

У печінці людини присутні специфічні ферменти, що каталізують реакції дезамінування амінокислот серину, треоніну та гістидину неокислювальним шляхом.

Неокислювальне дезамінування серину каталізує сериндегідратазу (див. схему А).

Реакція починається з відщеплення молекули води та утворення метиленової групи, потім відбувається неферментативна перебудова молекули, в результаті якої утворюється іміногрупа, що слабко пов'язана з α-вуглецевим атомом.Далі в результаті неферментативного гідролізу відщеплюється молекула аміаку та утворюється піруват.

Неокислювальне дезамінування треоніну каталізує фермент треоніндегідратазу. Механізм реакції аналогічний до дезамінування серину (див. схему Б на с. 477).

Ці ферменти піридоксальфосфатзалежні.

Неокислювальне дезамінування гістидину під дією ферменту гістидази (гістидин-аміакліази) є внутрішньомолекулярним, оскільки утворення молекули аміаку походить з атомів самої амінокислоти без участі молекули води. Ця реакція відбувається лише у печінці та шкірі (див. схему В).

Такі захворювання, як цистинурія, хвороба Хартнапа та деякі інші, виникають внаслідок дефекту переносників нейтральних амінокислот у кишечнику та нирках. Описано вроджену патологію, пов'язану з дефектом ферменту 5-оксопролінази (рис. 9-5, реакція 4). При цьому із сечею виділяється оксопролін. У цих хворих порушено транспорт амінокислот у тканині та їх метаболізм у клітинах.

Біологічна бібліотека – матеріали для студентів, вчителів, учнів та їх батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми лише конвертуємо у зручний формат матеріали, які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Якщо ви володієте авторським правом на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його або отримати посилання на місце комерційного розміщення матеріалів, зверніться для погодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми витратили багато зусиль, щоб привести інформацію у зручний вигляд.

Реакції амінокислот

Амінокислоти містять аміно- та карбоксильну групи і виявляють всі властивості, характерні для сполук з такими функціональними групами. При написанні реакцій амінокислот користуються формулами з неіонізованими аміно-і карбоксигруп.

1) реакції по аміногрупі. Аміногрупа в амінокислотах виявляє звичайні властивості амінів: аміни є основами, а реакціях виступають у ролі нуклеофілів.

1. Реакція амінокислот як основи. При взаємодії амінокислоти з кислотами утворюються амонійні солі:

2. Дія азотистої кислоти. При дії азотистої кислоти утворюються гідроксикислоти та виділяється азот та вода:

Цю реакцію використовують для кількісного визначення вільних амінних груп в амінокислотах, а також у білках.

3. Освіта N – ацильних похідних, реакція ацилювання.

Амінокислоти реагують з ангідридами та галогенангідридами кислот, утворюючи N - ацильні похідні амінокислот:

бензиловий ефір натрієва сіль N карбобензоксигліцин - хлормурашиною гліцину

Ацилювання - один із способів захисту аміногрупи. N-ацильні похідні мають велике значення при синтезі пептидів, так як N-ацилпохідні легко гідролізуються з утворенням вільної аміногрупи.

4. Освіта основ Шиффа. При взаємодії a - амінокислот з альдегідами утворюються заміщені іміни (підстави Шиффа) через стадію утворення карбіноламінів:

α-амінокислота альдегід карбіноламін основа Шиффа

Ця реакція має практичне значення для кількісного визначення a-амінокислот методом формольного титрування. Внаслідок амфотерного характеру a – амінокислоти не можуть бути безпосередньо відтитровані лугом у аналітичних цілях.При взаємодії a-амінокислот з формальдегідом виходять відносно стійкі карбіноламіни - N - метилольні похідні, що мають вільну карбоксильну групу, яку можна відтитрувати лугом як звичайну карбонову кислоту.

аланін формальдегід N-метилольне похідне аланіну

5.Реакція алкілування. Аміїногрупа в a-амінокислоті алкілюється з утворенням N – алкілпохідних:

Найбільше значення має реакція з 2,4 – динітрофторбензолом. Динітрофенільні похідні (ДНФ-похідні), що отримуються, використовуються при встановленні амінокислотної послідовності в пептидах і білках. Взаємодія a-амінокислот з 2,4-динітрофторбензолом є прикладом реакції нуклеофільного заміщення у бензольному ядрі. За рахунок наявності в бензольному кільці двох сильних електроноакцепторних груп галоген стає рухомим і вступає в реакцію заміщення:

фторбензол N - 2,4 - динітрофеніл - a - амінокислота

(ДНФБ) ДНФ – похідні a – амінокислот

6.Реакція з фенілізотіоціанатом. Ця реакція широко використовується для встановлення будови пептидів. Фенілізотіоціанат є похідним ізотіоціанової кислоти H-N=C=S. Взаємодія a - амінокислот з фенілізотіоціанатом протікає механізмом реакції нуклеофільного приєднання. У продукті, що утворився далі здійснюється внутрішньомолекулярна реакція заміщення, що призводить до утворення циклічного заміщеного аміду: фенілтіогідантоїн.

Циклічні сполуки виходять з кількісним виходом і є фенільні похідні тіогідантоїну (ФТГ - похідні) - амінокислот. ФТГ - похідні відрізняються будовою радикалу R.

(ФТГ - похідні - амінокислот)

Реакції карбоксильної групи.

a-Амінокислоти утворюють з основами звичайні солі, наприклад:

Крім звичайних солей a-амінокислоти можуть утворювати в певних умовах внутрішньокомплексні солі з катіонами важких металів. Для всіх a - амінокислот дуже характерні красиво кристалізуються, інтенсивно забарвлені в синій колір внутрішньокомплексні (хелатні) солі міді):

мідна сіль гліцину

2 Утворення складних ефірів. При дії на a - амінокислоту спиртом у присутності кислотного каталізатора (газоподібний HCl) утворюються складні ефіри (як гідрохлоридів). Для виділення вільних ефірів реакційну суміш обробляють газоподібним аміаком:

Утворення складних ефірів - один із методів захисту карбоксильної групи у синтезі пептидів.

3.Утворення галогенангідридів. При дії на a-амінокислоти із захищеною аміногрупою оксидихлоридом сірки (тіонілхлоридом) або оксид-трихлоридом фосфору (хлорокис фосфору) утворюються хлорангідриди:

Отримання галогенангідридів - один із способів активації карбоксильної групи в синтезі пептидному.

4. Отримання ангідридів a – амінокислот. Галогенангідриди мають дуже високу реакційну здатність, що знижує селективність реакції при їх використанні. Тому найчастіше використовуваний спосіб активації карбоксильної групи в синтезі пептидів - це перетворення її на ангідридну. Ангідриди в порівнянні з галогенангідридами кислот мають меншу активність. При взаємодії a-амінокислоти, що має захищену аміногрупу, з етиловим ефіром хлормурашиної кислоти (етилхлорформіатом) утворюється ангідридний зв'язок:

5. Декарбоксилювання. a - Амінокислоти, що мають дві електроноакцепторні групи при одному і тому ж атомі вуглецю, легко декарбоксилюються.Ця реакція протікає в організмі за участю ферментів декарбоксилаз з утворенням біогенних амінів:

Якісна реакція на a-амінокислоти. Як специфічний реактив на a-амінокислоти використовується нінгідрин. При нагріванні його з a-амінокислотами виникає фіолетове фарбування різних відтінків.

Відношення амінокислот до нагрівання. При нагріванні a-амінокислот утворюються циклічні аміди, які називаються дикетопіперазинами:

g - і d - Амінокислоти легко відщеплюють воду і циклізуються з утворенням внутрішніх амідів, лактамів:

g - лактам (бутіролактам)

У тих випадках, коли аміно- та карбоксильна групи розділені п'ятьма і більше вуглецевими атомами, при нагріванні відбувається поліконденсація з утворенням поліамідних полімерних ланцюгів з відщепленням молекули води.