В организме человека подвергается распаду около 70 г аминокислот в сутки; при этом в результате дезаминирования, трансаминирования и окисления биогенных аминов освобождается большое количество аммиака, являющегося высокотоксичным соединением. Поэтому концентрация аммиака в организме должна сохраняться на низком уровне. И, действительно, уровень аммиака в норме в крови не превышает 1-2 мг/л (это почти в 1000 раз меньше концентрации сахара в крови). На кроликах показано, что концентрация аммиака 50 мг/л является летальной. Таким образом, аммиак должен подвергаться связыванию в тканях с образованием нетоксичных соединений, легко выделяемых с мочой.
Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме, в частности в мозге, сетчатке, почках, печени и мышцах, является биосинтез глутамина (и, возможно, аспарагина). Поскольку глутамин и аспарагин с мочой выделяются в небольшом количестве, было высказано предположение, что они выполняют скорее транспортную функцию. Позже в тканях, в основном в почках, были открыты специфические ферменты — глутаминаза и аспарагиназа, катализирующие гидролиз соответствующих амидов на аммиак и дикарбоновые аминокислоты.
Синтез амидов требует доставки энергии в виде АТФ и присутствия глутаминовой или аспарагиновой кислоты, свободного аммиака и катализируется специфическими глутамин- и аспарагинсинтетазами в соответствии с уравнением реакций:
Механизм этих синтетазных реакций, подробно изученный Майстером, включает ряд стадий. Если фермент обозначить Е и принять сокращенные буквенные обозначения аминокислот, то механизм синтеза глутамина в присутствии глутаминсинтетазы может быть представлен в следующем виде:
Биосинтез аспарагина протекает несколько отлично и зависит от природы ферментов и донатора аммиака. Так, у микроорганизмов и в животных тканях открыта специфическая аммиакзависимая аспарагинсинтетаза, которая катализирует синтез аспарагина в две стадии:
-
Асп + Е + АТФ —> Е-Аспартил
В животных тканях содержится, кроме того, глутаминзависимая аспарагинсинтетаза, которая для синтеза во второй стадии использует амидную группу глутамина:
Суммарная ферментативная реакция синтеза аспарагина может быть представлена в следующем виде:
Асп + АТФ + NH* + (Глн) -> Асн + АМФ + ФФн + (Глу)
Часть аммиака легко связывается с α-кетоглутаровой кислотой благодаря обратимости глутаматдегидрогеназной реакции; если еще учесть синтез глутамина, то нетрудно видеть, что в организме имеется хорошо функционирующая система, связывающая две молекулы аммиака:
Глутамин, кроме того, используется почками в качестве резервного источника аммиака, необходимого для нейтрализации кислых продуктов обмена при ацидозе, защищая тем самым организм от потери с мочой ионов Na + , которые в противном случае использовались бы для поддержания физиологического значения pH крови и мочи при ацидозе.
Орнитиновый цикл мочевинообразования
Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является биосинтез мочевины. Последняя выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного, обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Долгое время решалась проблема, связанная с локализацией сиитеза мочевины. Однозначно эта проблема была решена в лаборатории И. П. Павлова, в которой были получены убедительные доказательства роли печени в этом процессе. Оказалось, что при наложении фистулы Экка — Павлова, выключающей печень из кровотока, наблюдается резкое повышение количества свободных аминокислот в крови и падение количества мочевины в крови и моче. Эти данные, а также клинические наблюдения над больными с органическими поражениями печени (гепатиты, острые некрозы и др.), у которых также было отмечено увеличение концентрации аминокислот в крови и снижение содержания мочевины в крови и моче, позволили считать, что печень является главным, если не единственным, местом биосинтеза мочевины в организме. Нерешенным оставался вопрос о механизме синтеза мочевины.
Для объяснения механизма образования мочевины было предложено множество теорий. Одной из них является разработанная М. В. Ненцким схема синтеза мочевины, основанная на допущении, что непосредственными источниками углерода и азота в молекуле мочевины являются аммиак и углекислота (в форме угольной кислоты). Это положение подтвердилось позже, хотя в связи с открытием аргиназы механизм синтеза мочевины оказался другим.
Читайте также: Все равно пойду за тканью
Кребс и Гензелейт в 1932 г. в опытах со срезами печени измеряли образование мочевины при добавлении в среду различных аминокислот и аммонийных солей. Было показано, что добавление к срезам печени аммонийных солей и каталитических количеств орнитина (но не какой-либо другой аминокислоты) приводило к образованию значительно большего количества мочевины, чем стехиометрическое его количество (одна молекула орнитина способствовала синтезу 20 молекул мочевины; поскольку источником азота мочевины были ионы аммония, орнитин действительно оказывал каталитическое действие). К этому времени уже была открыта в печени аргиназа, которая катализировала распад аргинина на орнитин и мочевину: аргинин-oрнитин + мочевина. Кребс полагал, что каталитическую роль орнитина можно было бы объяснить, если бы существовал некий механизм для регенерации аргинина из орнитина, согласно уравнению:
Это предположение стимулировало поиск возможных промежуточных продуктов между орнитином и аргинином и в качестве кандидата была теоретически предсказана аминокислота цитруллин, который до этого был изолирован из столового арбуза (Citrullus). И действительно, в опытах на срезах печени цитруллин оказывал такой же каталитический эффект в присутствии аммонийных солей на выход мочевины, как и орнитин. На основании этих данных. Кребс вывел уравнения реакций синтеза мочевины, которые представлены ниже в виде цикла, получившего в литературе название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса (рис. 102).
Следует указать, что в биохимии это была первая циклическая система метаболизма, почти на 5 лет опередившая открытие Кребсом другого метаболического цикла трикарбоновых кислот.
Дальнейшие исследования в основном подтвердили циклический механизм биосинтеза мочевины в печени, однако благодаря исследованиям Коена и Ратнер были уточнены промежуточные этапы, природа других участников и ферментные системы, катализирующие образование мочевины.
Таким образом, весь цикл мочевинообразования может быть более детально представлен следующими уравнениями реакций. На первом этапе синтезируется высокоэртическое соединение карбамоилфосфат из СO2 и NH3 (или глутамина в качестве донатора аммиака); этот синтез требует участия двух молекул АТФ:
Фермент содержит биотин в качестве кофермента и сначала реагирует с одной молекулой АТФ, образуя комплекс активная СO2-Е, который затем реагирует с молекулой аммиака (или амидной группой глутамина) и со второй молекулой АТФ (в качестве донатора фосфата). N-Ацетилглутамат является специфическим активатором реакции и его роль сводится, очевидно, к стабилизации активной формы фермента.
На втором этапе имеет место конденсация карбамоилфосфата и орнитина с образованием цитруллина — реакцию катализирует орнитинкарбамоилтрансфераза (карбамоилфосфат: L-орнитин-карбамоилтрансфераза):
В следующей стадии цитруллин превращается в аргинин в результате двух последовательно протекающих реакций. Первая из них, энергозависимая, сводится к конденсации цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием аргининоянтарной кислоты (эту реакцию катализирует аргининосукцинатсинтетаза). Аргининоянтарная кислота распадается в следующей реакции на аргинин и фумаровую кислоту при участии другого фермента — аргининосукцинатлиазы. На последнем этапе аргинин расщепляется на мочевину и орнитин под действием аргиназы.
Необходимо учесть, что аргиназа содержится в печени тех животных, которые экскретируют мочевину как основной и конечный продукт азотистого обмена с мочой; в печени птиц, например, аргиназа отсутствует, поскольку птицы выделяют мочевую кислоту вместо мочевины. Таким образом, орнитиновый цикл мочевинообразования с учетом новых данных может быть представлен в следующем виде (рис. 103).
Ниже приведена, кроме того, суммарная реакция синтеза мочевины без учета промежуточных продуктов:
СО2 + NH3 + 3АТФ + 2Н20 + Аспартат —> Мочевина + 2 АДФ + + АМФ + Фумарат + 2 Фн + ФФн
ΔG° = — 40 кДж
Поскольку имеет место снижение свободной энергии, процесс всегда протекает в направлении синтеза мочевины.
Из представленных выше уравнений нетрудно видеть, что один из атомов мочевины имеет своим источником свободный аммиак или амидную группу глутамина (через карбамоилфосфат); второй атом азота мочевины имеет своим источником аспарагиновую кислоту, а не свободный аммиак, образующийся главным образом в процессе глутаматдегидрогеназной реакции. Что касается пополнения запасов аспарагиновой кислоты, то в этом процессе участвуют три сопряженные реакции: сначала фумаровая кислота под действием фумаразы, катализирующая присоединение молекулы Н2O, превращается в яблочную кислоту, которая подвергается окислению при участии специфической малатдегидрогеназы с образованием щавелевоуксусной кислоты; последняя трансаминируется с глутаминовой кислотой, давая аспарагиновую кислоту.
Читайте также: Альпака уход за тканью
Суммируя известные фактические данные о механизмах обезвреживания аммиака в организме, можно прийти к следующему заключению. Часть аммиака используется на биосинтез аминокислот путем восстановительного аминирования α-кетокислот или реакции трансреаминирования. Аммиак используется в биосинтезе глутамина и аспарагина. Некоторое количество аммиака выводится с мочой в виде аммонийных солей. В форме креатинина, который образуется из креатина и креатинфосфата (см. ниже), выделяется из организма значительная часть азота аминокислот. Однако наибольшее количество аммиака идет на синтез мочевины, которая выводится 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 соответственно выделяет 15 г азота; из экскретируемого с мочой количества азота на долю мочевины приходится около 85%, креатинина — около 5% (строго постоянная величина), аммонийных солей — 3%, мочевой кислоты — 1% и на другие формы — около 6%.
В процессе эволюции живые организмы выработали различные типы азотистого обмена. Аммонийтелический тип, когда главным конечным продуктом азотистого обмена служит аммиак, свойственен преимущественно рыбам. Уротелический тип обмена, когда основным конечным продуктом обмена белков является мочевина, характерен для человека и животных. И, наконец, урикотелический тип, когда главным конечным продуктом обмена является мочевая кислота, имеет место у птиц и рептилий.
Общие пути обмена аминокислот. Пути обезвреживания аммиака в организме
Реферат выполнила студентка 12 группы II курса пед/ф-та Пасько С.П..
Саратовский Государственный Медицинский Университет
Промежуточный обмен аминокислот в тканях.
Промежуточный метаболизм аминокислот белковых молекул, как и других питательных веществ в организме, включает катаболические (распад до конечных продуктов) и анаболические (биосинтез аминокислот) процессы, а также ряд других специфических превращений, сопровождающихся образованием биологически активных веществ. Условно промежуточный метаболизм аминокислот можно разделить на общие пути обмена и индивидуальные превращения отдельных аминокислот.
Общие пути обмена аминокислот.
Общие пути превращения аминокислот включают реакции дезаминирования, трансаминирования, декарбоксилирования, биосинтеза и рацемизации. Реакции рацемизации характерны только для микроорганизмов, физиологическая роль которой заключается в синтезе D-изомеров аминокислот для построения клеточной оболочки.
Дезаминирование ( отщепление аминогруппы) – существует четыре типа реакций, катализируемых своими ферментами:
Восстановительное дезаминорование ( +2H + )
Гидролитическое дезаминированиие (+H 2 О)
Окислительное дезаминирование (+1/2 О 2 )
Во всех случаях NH 2 — группа аминокислоты высвобождается в виде аммиака. Помимо аммиака продуктами дезаминирования являются жирные кислоты, окикислоты и кетокислоты. Для животных тканей, растений и большинства микроорганизмов преобладающим типом реакций является окислительное дезаминирование аминокислот, за исключением гистидина, который подвергается внутримолекулярному дезаминированию.
Кроме перечисленных четырех типов реакций и катализирующих их ферментов в животных тканях и печени человека открыты также три специфических фермента (серин- и треониндегидратазы и цистатионин-γ- лиаза), катализирующих неокислительное дезаминирование серина, треонина и цистеина. Они требуют присутствия пиридоксаль-фосфата в качестве кофермента. Конечными продуктами реакции являются пируват и α- кетобутират, аммиак и сероводород.
Трансаминирование – реакции межмолекулярного переноса аминогруппы (NH 2 ) от аминокислоты на α-кетокислоту без промежуточного образования аммиака (глутамат+ пируват =
α-кетоглутарат + аланин). Впервые эти реакции были открыты в 1937г. А.Е. Браунштейном и М.Г. Крицман. Реакции трансаминирования являются обратимыми и универсальными для всех живых организмов, они протекают при участии специфических ферментов – аминотрансфераз (трансамниназ). Теоретически реакции возможны между любой амино- и кетокислотой, но наиболее интенсивно они протекают, если один из партнеров представлен дикарбоновой амино- или кетокислотой. В переносе амниогруппы активное участие принимает кофермет трансминаз – пиридоксальфосфат (производное витамина В 6 ). Для реакций трансаминирования характерен общий механизм. Ферменты реакции катализируют перенос аминогруппы не на α -кетокислоту, а на кофермент; образовавшееся промежуточное соединение (шиффово основание) подвергается внутримолекулярным превращениям, приводящим к освобождению α-кетокислоты и пиридоксамнофосфата. Последний на втолрой стадии реагирует с любой другой α-кетокислотой, что через те же стадии приводит к синтезу новой аминокислоты и пиридоксальфосфата.
Читайте также: Матрасы из ткани своими руками
Декарбоксилирование — отщепление карбоксильной группы в виде СО 2 , образующиеся продукты реакции называются биогенными аминами, они оказывают сильное фармакологическое действие на множество функций. Эти реакции являются необратимыми, они катализируютя специфическими ферментами – декарбоксилазами аминокмлот- которые в качестве кофермента содержат пиридоксальфосфат ( кроме гистидиндекарбоксилазы и аденозилдекарбоксилазы – содержат остаток пировиноградной кислоты в качестве кофермента). В живых организмах открыты четыре типа декарбоксилирования аминокислот.
α-декарбоксилирование – характерно для тканей животных: от аминокислот отщепляется соседняя от α-углеродного атома карбоксильная группа.
ω-декарбоксилирование- свойственно микроорганизмам
декарбоксилирование, связанное с реакцией трансаминирования. Образуется альдегид и новая аминокислота, соответствующая исходной кетокислоте.
Декарбоксилирование, связанное с реакцией конденсацией двух молекул:
Обезвреживание аммиака в организме.
В организме человека подвергается распаду около 70г аминокислот в сутки: при этом освобождается большое количество аммиака, являющегося высокотоксичным соединением. Поэтому крнцентрация аммиака должна сохраняться на низком уровне (в норме уровень его не превышает 60 мкмоль/л). Концентрация аммиака 3 ммоль/л является летальной.
Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в мозге, сетчатке, почках и мышцах, является биосинтез глутамина( и, возможно, аспарагина). Поскольку глутамин и аспарагин с мочой выделяются в небольших количествах, было высказано предположение, что они выполняют скорее транспортную функцию переноса аммиака в нетоксичной форме.
Часть аммиака легко связывается с α-кетоглутаровой кислотой благодаря обратимости глутаматдегидрогеназной реакции; при синтезе глутамина связывается ещё 1 молекула, т.о. нейтрализуются две молекулы аммиака:
Орнитиновый цикл мочевинообразования.
Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является биосинтез мочевины (в основном,в печени).Она выводится с мочой в качестве главного конечного продукта белкового, соответственно аминокислотного, обмена. На долю мочевины приходится до 80-85% всего азота мочи. Реакции синтеза мочевины, представлены в виде цикла, получившего название орнитинового цикла мочевинообразования Кребса.
На первом этапе синтезируется макроэргическое соединение карбамоилфосфат – это метаболически активная форма аммиака, используемая в качестве исходного продукта для синтеза ряда других азотистых соединений.
На втором этапе цикла мочевинообразования происходит конденсация карбамоилфосфата и орнитина с образованием
цитруллина; реакцию катализирует орнитинкарбамоилтрансфераза:
На следующей стадии цитруллин превращается в аргинин в результате двух последовательно протекающих реакций. Первая из них, энергозависимая, сводится к конденсации цитруллина и аспаргиновой кислоты с образованием аргининосукцината ( эту реакцию катализирует аргининосукцинат-синтетаза). Аргининсукцинат распадается во второй реакции на аргинин и фумарат поддействием аргининосукцинат-лиазы.
На последнем этапе аргинин расщепляется на мочевину и орнитин под действием аргиназы. Суммарная реакция синтеза мочевины без учёта промежуточных продуктов:
Это энергетически выгодная реакция, поэтому процесс всегда протекает в направлении синтеза мочевины.
В состоянии азотистого равновесия организм человека потребляет и соответственно 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%.
Типы азотистого обмена. А м м о н и о т е л и ч е с к и й т и п , при котором главным конечным продуктом азотистого обмена является аммиак, свойствен рыбам. У р е о т е л и ч е с к и й т и п обмена — основным конечным продуктом обмена белков является мочевина, характерен для человека и животных. У р и к о т е л и ч е с к и й т и п — главным конечным продуктом обмена является мочевая кислота, характерен для птиц и рептилий.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом