Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Окислительное расщепление аминокислот. Цикл мочевины
Краткое содержание главы

Небольшая часть окислительной энергии, вырабатываемой в организме человека, имеет своим источником окислительный катаболизм аминокислот. После удаления аминогрупп в реакциях трансаминирования с а-кетоглутаратом углеродные скелеты аминокислот подвергаются окислительному расщеплению и превращаются в соединения, способные включаться в цикл лимонной кислоты и окисляться в нем до СО₂ и Н₂О. Есть пять путей, по которым углеродные скелеты аминокислот могут поступать в цикл лимонной кислоты: 1) через ацетил-СоА, 2) через а-кетоглутарат, 3) через сукцинат, 4) через фумарат и 5) через оксалоацетат. Аминокислоты, включающиеся в цикл лимонной кислоты через ацетил-СоА, подразделяются на две группы: аминокислоты первой группы (аланин, цистеин, глицин, серин и треонин) превращаются в ацетил-СоА через пируват, а аминокислоты второй группы (лейцин, лизин, фенилаланин, тирозин и триптофан) - через ацетоацетил-СоА. Углеродные скелеты пролина, гистидина, аргинина, глутамина и глутаминовой кислоты поступают в цикл лимонной кислоты через а-кетоглутарат; метионин, изолейцин и валин-через сукцинат; четыре углеродных атома фенилаланина и тирозина - через фумарат, и, наконец, аспарагин и аспарагиновая кислота - через оксалоацетат. У человека известен ряд врожденных нарушений аминокислотного обмена. Особенно серьезным и довольно широко распространенным нарушением такого типа является фенилкетонурия.

У аммониотелических животных (костных рыб, головастиков) аминный азот выводится через жабры в виде аммиака, который образуется в результате гидролиза глутамина. Уреотелические животные (к этой группе относится большинство наземных животных) выделяют аминный азот в виде мочевины. Мочевина образуется в печени; этот процесс,

открытый Гансом Кребсом, получил название цикла мочевины. Непосредственным предшественником мочевины служит аргинин: под действием аргиназы он гидролизуется с образованием мочевины и орнитина. Из орнитина затем вновь синтезируется аргинин; для этого орнитин сначала карбамоилируется за счет карбамоилфосфата с образованием цитруллина, а затем к цитруллину присоединяется аминогруппа, поступающая от аспартата. Орнитин регенерирует в каждом обороте цикла мочевины. Урикотелические животные (птицы, змеи и ящерицы) выделяют аминный азот в полутвердой форме в виде мочевой кислоты, которая представляет собой производное пурина. Выведение аминного азота в виде нетоксичного соединения (мочевины) или в виде твердого вещества (мочевой кислоты) требует от организма значительной затраты энергии АТР.

ЛИТЕРАТУРА

Книги

Baldwin Е. An Introduction to Comparative Biochemistry, 4th ed., Cambridge University Press, New York, 1964.

Cunningham E. В. Biochemistry: Mechanisms of Metabolism, McGraw-Hill, New York, 1978. В гл. 14 прекрасно описаны пути превращения аминокислот и их ферментативные механизмы.

Dagley S., Nicholson D. Е. An Introduction to Metabolic Pathways, Wiley, New York, 1970. (Имеется перевод: Дэгли С., Никольсон Д. Метаболические пути. М.: Мир, 1973.) Справочник.

Grisolia S., Вадиепа R., Mayor F. The Urea Cycle, Wiley, New York, 1976. Труды симпозиума по циклу мочевины, посвященные памяти Ганса Кребса. Содержат интересные материалы.

Hochachka Р. W., Somero G. N. Strategies of Biochemical Adaptation, Holt, Rinehart and Winston, New York, 1973. (Имеется перевод: Хочачка П., Сомеро Дж. Стратегия биохимической адаптации - М.: Мир, 1977.) Сравнительная биохимия.

Scriver С. R., Rosenberg L. Е. Amino Acid Metabolism and Its Disorders, Saunders, Philadelphia, 1973.

Статьи

Holmes F. L., Hans Krebs and the Discovery of the Ornithine Cycle, Fed. Proc., 39, 216-225 (1980). События, которые привели к открытию цикла, излагаемые известным историком медицины.

Вопросы и задачи

1. Продукты трансаминирования аминокислот. Назовите а-кетокислоты, образующиеся из перечисленных ниже аминокислот в реакции трансаминирования с а-кетоглутаратом. Напишите структурные формулы этих а-кетокислот.

а) Аспарагиновая кислота.

б) Глутаминовая кислота.

в) Аланин.

г) Фенилаланин.

2. Измерение скорости аланинтрансаминазной реакции. Активность аланин-трансаминазы (скорость аланинтрансаминазной реакции) измеряют обычно, вводя в реакционную систему избыток очищенной лактатдегидрогеназы и NADH. Скорость исчезновения аланина равна скорости исчезновения NADH, которую измеряют спектрофотометрическим методом. Объясните, что здесь происходит.

3. Распределение аминного азота. Будут ли у вас обнаруживаться признаки недостаточности аспартата на рационе, который богат аланином, но беден аспартатом? Дайте аргументированный ответ.

4. Одно из генетических нарушений аминокислотного обмена. В больницу доставлен двухлетний ребенок. По словам матери, он страдает частыми рвотами. Рвоты случаются главным образом после приема пищи. Ребенок отстает в весе и физическом развитии. Волосы темные, но попадаются седые пряди. Проба мочи после добавления FeCl₃ приобрела зеленый цвет, что указывает на присутствие в моче фенилпировиноградной кислоты. Количественный анализ мочи дал следующие результаты:

а) Какой фермент, по-видимому, неактивен? Предложите лечение для данного случая.

б) Почему в моче в больших количествах появляется фенилаланин?

в) Что служит источником фенилпирувата и фенил лактата? Почему этот путь (отсутствующий у здоровых людей) начинает функционировать, когда концентрация фенилаланина повышается?

г) Почему в волосах больного имеются седые пряди?

5. Роль кобаламина в катаболизме аминокислот. Злокачественная анемия есть результат нарушения процесса усвоения кобаламина, что связано с отсутствием особого, вырабатываемого желудком гликопротеина (его называют внутренним фактором). Как влияет это нарушение на катаболизм аминокислот? Касается ли это всех аминокислот в равной степени?

6. Сравнение лактата и аланина в роли метаболического топлива. Затраты энергии АТР на выведение азота из организма. По степени окисления трех атомов углерода, входящих в молекулы лактата и аланина, эти соединения идентичны; в животном организме оба этих источника углерода могут служить метаболическим топливом. Сравните суммарные выходы АТР (число молей АТР, образовавшихся на 1 моль субстрата) при полном окислении (до СО₂ и Н₂О) лактата и аланина, учтя при этих расчетах расход АТР на выведение азота в форме мочевины.

Задача 6

7. Путь углерода и азота при расщеплении глутамата. В печени крысы происходит окислительное расщепление глутаминовой кислоты, меченной ¹⁴С по 2-му углеродному атому и ¹⁵N по аминогруппе. Ниже перечислен ряд метаболитов. В каких атомах названных метаболитов обнаружится каждая из меток?

Задача 7

а) Мочевина.

б) Сукцинат.

в) Аргинин.

г) Цитруллин.

д) Орнитин.

е) Аспартат.

8. Химическая стратегия катаболизма изолейцина. Изолейцин расщепляется до пропионил-СоА и ацетил-СоА в последовательности реакций, состоящей из шести этапов.

Задача 8

а) Стратегия химического процесса расщепления изолейцина аналогична стратегии цикла лимонной кислоты и процесса ß-окисления жирных кислот. Промежуточные продукты расщепления изолейцина (I-V) показаны ниже не в том порядке, в каком они образуются. Расположите их в надлежащей метаболической последовательности на основании того, что вам известно о цикле лимонной кислоты и об окислении жирных кислот.

б) Для каждого из указанных выше этапов опишите химический процесс, подберите аналогичный пример из цикла лимонной кислоты или из процесса ß-окисления жирных кислот и укажите необходимые кофакторы.

9. Отравление аммиаком, вызванное отсутствием аргинина в пище. Опубликовано сообщение [J. Morris, Q. Rogers, Science 199, 431 (1978)] о следующем эксперименте. Кошкам, не получившим пищи накануне вечером, дали утром натощак аминокислотную смесь, содержавшую весь набор аминокислот, за исключением аргинина. Через 2 ч содержание аммиака в крови у животных возросло до 140 мкг/л (при норме 18 мкг/л) и появились клинические симптомы аммиачного отравления. Одна из кошек, съевшая всего лишь 8 г такой аминокислотной смеси, через 4,5 ч погибла. В контрольной группе, получившей полный набор аминокислот или смесь, в которой аргинин был заменен орнитином, никаких необычных клинических симптомов обнаружено не было.

а) Какую роль играло в этом эксперименте предварительное голодание?

б) В чем причина повышения уровня аммиака в крови? Почему отсутствие аргинина в рационе приводит к аммиачному отравлению? Является ли аргинин для кошек незаменимой аминокислотой?

в) Почему аргинин может быть заменен орнитином?

10. Окисление глутамата. Напишите отдельные сбалансированные уравнения и суммарное уравнение для окисления глутамата, при котором из 2 молей глутамата образуются 2 моля а-кетоглутарата и 1 моль мочевины (выводимой из организма).

Электронная микрофотография гранул гликогена, выделенных из печени крысы (метод негативного контраста). Эти гранулы, представляющие собой запасную форму глюкозного «топлива» в печени, называются а-частицами. Они состоят из более мелких ß-частиц. Г ранулы содержат не только гликоген, но и ферменты необходимые для его синтеза и расщепления, равно как и ферменты, осуществляющие реципрокную регуляцию этих процессов.