Биохимия человека Том 1 - Марри Р. 1993

Метаболизм белков и аминокислот
Катаболизм углеродного скелета аминокислот
Аминокислоты, образующие пируват

Ниже приведена общая схема превращения углеродного скелета аланина, цистеина, глицина, треонина и серина в пируват. В состав пирувата включаются все атомы углерода глицина аланина, цистеина и серина и только два атома углерода треонина. Далее пируват может превращаться в ацетил-СоА.

Глицин

В число амфиболических интермедиатов, образующихся из глицина, входят пируват, СО₂ и N⁵-, N¹⁰-метилентетрагидрофолат. При образовании пирувата из глицина последний сначала превращается в серин в результате реакции, катализируемой серин-гидроксиметилтрансферазой (рис. 31.5), а затем из серина образуется пируват (реакция катализируется сериндегидратазой) (рис. 31.7; см. также следующий ниже раздел «Серин»).

Рис. 31.5. Легко обратимая реакция, катализируемая серингидроксиметилтрансферазой. Н₄фолат — тетрагидрофолат.

Главный путь катаболизма глицина у позвоночных — это катализируемое глицинсинтазным комплексом превращение, в результате которого образуются СO₂ и NH⁺₄, а метиленовая группа переносится на тетрагидрофолат с образованием N⁵-, N¹⁰-метилентетрагидрофолата. Эта обратимая реакция (рис. 31.6) напоминает превращение пирувата в ацетил-СоА ферментами пируватдегидрогеназного комплекса. Оба комплекса находятся в митохондриях печени и представляют собой макромолекулярные агрегаты. Реакция расщепления глицина протекает в печени большинства позвоночных включая человека и других млекопитающих, а также птиц и рептилий.

По-видимому, у человека и многих других позвоночных эта реакция является основным путем катаболизма не только глицина, но и серина (см. ниже раздел «Серин»).

Метаболические нарушения катаболизма глицина.

Ниже рассматриваются два вида нарушений метаболизма глицина.

А. Глицинурия. Глицинурия наблюдалась лишь в одной семье. Она характеризуется повышенной экскрецией глицина с мочой и ассоциируется с тенденцией к образованию оксалатных камней в почках, при этом содержание оксалата в моче остается в пределах нормы. Глицинурия, по всей видимости, наследуется как доминантный признак, сцепленный, вероятно, с Х-хромосомой. Уровень содержания глицина в плазме остается нормальным, тогда как количество глицина, экскретируемого с мочой, достигает 600—1000 мг∙сут^-1. Это позволяет сделать заключение, что глицинурия связана с нарушением реабсорбции глицина в почечных канальцах.

Б. Первичная гипероксалурия. Первичная гипероксалурия характеризуется постоянно высокой экскрецией оксалата с мочой, независимо от поступления оксалата с пищей. При развитии болезни наблюдается прогрессирующее двустороннее образование оксалатных камней в мочевыводящих путях; далее развивается нефрокальциноз и рецидивирующая инфекция мочевыводящих путей. Летальный исход наступает в детском или молодом возрасте от почечной недостаточности или гипертонии. Избыток оксалата, очевидно, имеет эндогенное происхождение; вероятно, он образуется из глицина (при дезаминировании последнего образуется глиоксилат — предшественник оксалата). Метаболический дефект, как полагают, состоит в нарушении метаболизма глиоксилата, точнее его превращения в формиат или (путем пераминирования) в глицин. В результате избыток глиоксилата окисляется до оксалата. Вероятно, наследственное нарушение метаболизма — первичную гипероксалурию — можно объяснить сочетанием недостаточности глицин-трансаминазы и нарушения окисления глиоксилата в формиат.

Рис. 31.6. Обратимое расщепление глицина митохондриальным глицинсинтазным комплексом. PLP — пиридоксальфосфат.

Аланин

В результате переаминирования L-аланина (рис. 31.7) образуется пируват, который далее может декарбоксилироваться с образованием ацетил-СоА.

Вероятно, по тем же причинам, которые были рассмотрены при обсуждении катаболизма глутамата и аспартата, метаболических нарушений катаболизма а-аланина не обнаружено.

Серин

Превращение серина в пируват, катализируемое сериндегидратазой (пиридоксальфосфатсодержащим белком), включает элиминирование воды и гидролитическое удаление аммонийной группы из образующегося интермедиата (рис. 31.7). Печень крысы и морской свинки богата сериндегидратазой; у этих видов превращение серина в пируват при участии данного фермента имеет существенное физиологическое значение, в то время как у человека и многих других позвоночных серин деградирует преимущественно с образованием глицина и N⁵, N¹⁰-метилентетрагидрофолата. Эта реакция катализируется серин-гидроксиметилтрансферазой (рис. 31.5). Дальнейший катаболизм серина идет по пути катаболизма глицина (рис. 31.6).

Цистин

Подобно азоту и углероду, сера совершает в биосфере непрерывный кругооборот, который осуществляется за счет метаболической активности прокариотических и эукариотических организмов. Млекопитающие не имеют систем перевода серы в органическую форму; они участвуют в кругообороте, осуществляя катаболическое превращение органических соединений серы в неорганические. Например, человек экскретирует приблизительно 20—30 ммоль серы в сутки, из них по меньшей мере 80% приходится на неорганический сульфат.

Главный метаболический путь цистина у млекопитающих — превращение в цистеин в результате реакции, катализируемой цистинредуктазой (рис. 31.8). Далее катаболизм цистина совпадает с катаболизмом цистеина (см. ниже).

Рис. 31.7. Превращение аланина и серина в пируват. Аланин-трансаминаза и сериндегидратаза в качестве кофактора используют пиридоксальфосфат. В результате реакции, катализируемой сериндегидратазой, происходит элиминирование Н₂О из серина, приводящее к образованию ненасыщенной аминокислоты. Последняя перегруппировывается в а-иминокислоту, которая подвергается спонтанному гидролизу с образованием пирувата и аммиака. Таким образом, в уравнение суммарной реакции, катализируемой сериндегидратазой, вода не входит. Glu — глутамат, а-КГ — а-кетоглутарат

Рис. 31.8. Реакция, катализируемая цистинрсдуктазой.

Цистеин

Цистеин у млекопитающих катаболизирует по двум основным путям: по прямому окислительному (цистеинсульфинатному) пути и по пути переаминирования (3-меркаптопируватному) (рис. 31.9). Первоначально предполагали, что имеется еще и третий путь с участием цистеиндесульфгидразы, который, как было показано, функционирует у бактерий. Однако маловероятно, что этот путь функционирует у млекопитающих, поскольку в их тканях активность цистеиндесульфгидразы не обнаружена.

А. Прямой окислительный путь катаболизма цистеина. Превращение цистеина в цистеинсульфинат (рис. 31.9) катализируется цистеиндиоксигеназой — ферментом, функционирующим при участии Fe²⁺ и NAD(P)H. Дальнейший катаболизм цистеинсульфината включает, вероятно, переаминирование с образованием ß-сульфинилпирувата. Возможно, что трансаминаза тканей млекопитающих, использующая цистеинсульфинат как понор аминогруппы, идентична классической глутамат:аспартат трансаминазе. Следует, однако, отметить, что предполагаемый продукт трансаминирования ß-сульфинилпирува г пока еще не был идентифицирован в системе катаболизма цистеинсульфината. Превращение постулируемого интермедиата ß-сульфинилпирувата в пируват осуществляется, вероятно, неферментативным путем.

Рис. 31.9. Катаболизм L-цистеина по пути прямого окисления (цистеинсульфинатный путь, слева) и переаминирования (3-меркаптопируватный путь, справа). ß-Сульфинилпируват помещен в скобки, так как образование этого интермедиата экспериментально не доказано. Окисление сульфита в последней реакции прямого окислительного пути катализируется сульфитоксидазой.

Б. Трансаминазный (3-меркаптопируватный) путь катаболизма цистеина. Обратимое пераминирование цистеина в 3-меркаптопируват (гиолпируват) катализируется специфическими цистеиновыми трансаминазами или аспарагиновой и глутаматной трансаминазами печени и почек млекопитающих (рис. 31.9). 3-Меркаптопируват может далее восстанавливаться в ходе реакции, катализируемой L-лактатдегидрогеназой. Образующийся продукт 3-меркапголактат является нормальным компонентом мочи человека в форме смешанного дисульфида с цистеином; содержание последнего в моче пациентов с меркаптолактат-цистеин-дисульфидурией возрастает. Альтернативное превращение 3-меркаптопирувата идет по пути отщепления H₂S с образованием пирувата (рис. 31.9).

Нарушения метаболизма серусодержащих аминокислот. В табл. 31.2 приведена сводка данных о нарушениях метаболизма серусодержащих аминокислот. Некоторые из них рассмотрены ниже.

А. Цистинурия (цистин-лизинурия). При этом наследуемом метаболическом заболевании экскреция цистина с мочой в 20 - 30 раз превышает норму. Значительно повышается также экскреция лизина, аргинина и орнитина. Цистинурию рассматривают как следствие нарушения процессов транспорта в почках. Значительное увеличение у пациентов с цистинурией экскреции с мочой наряду с цистином лизина, аргинина и орнитина позволяет предполагать, что нарушается процесс обратного всасывания всех этих четырех аминокислот, который, возможно, осуществляется в общем для них «участке» реабсорбции; поэтому вместо термина «цистинурия» в настоящее время предпочитают термин цистин-лизинурия.

Поскольку цистин слаборастворим, у больных цистинурией может происходить образование цистиновых камней в почечных канальцах. Если такого осложнения не возникает, цистинурия протекает сравнительно доброкачественно и во многих случаях остается недиагностируемой.

Рис. 31.10. Смешанный дисульфид цистеина и гомоцистеина.

В моче пациентов с цистинурией был также обнаружен смешанный дисульфид L-цистеина и L-гомоцистеина (рис. 31.10). Это соединение имеет несколько большую растворимость, чем цистин; в той мере, в какой оно образуется вместо цистина, уменьшается тенденция к образованию цистиновых камней.

Б. Цистнноз (болезнь накопления цистина). При цистинозе, который также является наследственным заболеванием, происходит формирование кристаллов цистина во многих тканях и органах (особенно в ретикулоэндотелиальной системе). Обычно при этом заболевании наблюдается общая аминоацидурия, т. е. повышение содержания в моче всех аминокислот. Серьезно нарушается и ряд других функций почек; летальный исход обычно наступает в раннем возрасте при явлениях острой почечной недостаточности. Согласно полученным в последнее время данным, причиной болезни является нарушение функции лизосом.

В. Гомоцистинурин. Частота наследственных нарушений катаболизма метионина оценивается как 1 на 160000 новорожденных. Гомоцистин экскретируется с мочой (до 300 мг в сутки), в ряде случаев вместе с S-аденозилметионином.

Повышается содержание метионина в плазме. Причиной гомоцистинурии могут быть по крайней мере четыре метаболических нарушения (табл. 31.2). При гомоцистинурии типа 1 клиническими симптомами являются тромбоз, остеопороз, смещение хрусталика глаза и, часто, умственная отсталость. Известны две формы заболевания: витамин В₆- чувствительная и витамин В₆-нечувствительная. Диета с низким содержанием метионина и высоким содержанием цистина может предотвратить патологические изменения, если она соблюдается с раннего возраста. Другие типы цистинурии связаны с нарушениями в цикле реметилирования (табл. 31.2).

Треонин

Треонин расщепляется треонинальдолазой на ацетальдегид и глицин, из ацетальдегида затем образуется ацетил-СоА (рис. 31.11). Катаболизм глицина обсуждался выше.

Таблица 31.2. Врожденные ошибки метаболизма серусодержащих аминокислот

¹⁾ Может наблюдаться также цистатионинурия, тирозинемия и нетолерантность к фруктозе.

Рис. 31.11. Превращение треонина и глицина в серин, пируват и ацетил-СоА. f^5-10-Н₄фолат — формил [5—10] тетрагидрофолиевая кислота.

Гидроксипролин

4-Гидрокси-L-пролин превращается в пируват и глиоксилат (рис. 31.12). Митохондриальная дегидрогеназа катализирует превращение гидроксипролина в L-∆¹-пирролин-3-гидрокси-5-карбоксилат. Последний находится в неферментативном равновесии с у-гидрокси-L-глутамат-у-полуальдегидом, который образуется в результате присоединения воды. Полуальдегид окисляется в соответствующую карбоновую кислоту, эритро-у-гидрокси-L-глутамат, далее при переаминировании образуется а-кето-у-гидроксиглутарат. При последующем альдольном расщеплении образуются глиоксилат и пируват.

Метаболические нарушения катаболизма гидроксипролина. Гипергидроксипролинемия является метаболическим нарушением, которое характеризуется высоким содержанием в плазме гидроксипролина. Оно наследуется по аутосомно рецессивному типу и обусловлено дефектом 4-гидроксипролиндегидрогеназы (рис. 31.12). В отличие от гиперпролинемии типа II здесь не нарушается катаболизм пролина, поскольку дефектный фермент участвует только в катаболизме гидроксипролина. Рассматриваемое метаболическое нарушение не влияет на метаболизм коллагена и, подобно гиперпролинемии, является, по-видимому, безопасным.