БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 2

ЧАСТЬ II ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ГЛАВА 18. РАЗРУШЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ И ЦИКЛ МОЧЕВИНЫ

18.15. Лейцин распадается на ацетил- кофермент А и ацетоацетил-кофермент А

Как упоминалось выше, лейцин - единственная чисто кетогенная аминокислота во всем наборе из двацати аминокислот. Он распадается в результате реакций, с которыми мы уже встречались, когда рассматривали расщепление жирных кислот и цикл трикарбоновых кислот. Сначала лейцин в результате трансаминирования превращается в соответствующую α-оксокислоту, α-оксоизо- капроат. Эта оксокислота подвергается затем окислительному декарбоксилированию в изовалерил-СоА. Данная реакция аналогична окислительному декарбоксилированию пирувата в ацетил-СоА и α-оксоглутарата в сукцинил-СоА.

Изовалерил-СоА дегидрируется, прямо образуя β-метилкротонил-СоА. Это окисление катализируется изовалерил-СоА—дегидрогеназой: акцептором водорода при этом служит FAD, как в аналогичной реакции окисления жирных кислот, катализируемой ацил-СоА—дегидрогеназой. В результате карбоксилирования β-метилкротонил—СоА в условиях избытка АТР образуется β-метилглутаконил-СоА. Как и можно было предположить, механизм действия β-метил- кротонил-СоА—карбоксилазы очень сходен с таковым пируват-карбоксилазы и ацетил-СоА—карбоксилазы. Здесь следует сказать, что значительной частью современных представлений о механизме зависимых от биотина реакций карбоксилирования мы обязаны работе Феодора Линена (Feodor Lynen)-пионера в исследовании этих ферментов.

Бета-метилглутаконил-СоА затем гидратируется с образованием β-гидрокси-β-метил- глутарил-СоА, который расщепляется на ацетил-СоА и ацетоацетат. Эта реакция

уже обсуждалась в связи с образованием кетоновых тел из жирных кислот (разд. 17.12). Интересно отметить, что в распаде лейцина до ацетил-СоА и ацетоацетата участвуют многие коферменты: пиридоксальфосфат в трансаминировании, тиаминпирофосфат, липоат, FAD и NAD⁺ в окислительном де- карбоксилировании, снова FAD в дегидрировании и биотин в карбоксилировании. Переносчиком ацила в этих реакциях служит кофермент А.

Пути расщепления валина и изолейцина сходны с таковым лейцина. Все три аминокислоты сначала трансаминируются в соответствующие α-оксокислоты, которые затем подвергаются окислительному декарбоксилированию с образованием СоА-производного. Последующие реакции сходны с реакциями окисления жирных кислот. Изолейцин дает ацетил-СоА и пропионил-СоА, тогда как валин образует метилмалонил- СоА. Существует врожденный дефект метаболизма, при котором нарушается окисление валина, изолейцина и лейцина. При болезни «кленового сиропа» блокируется окислительное декарбоксилирование этих трех аминокислот. В результате количество лейцина, изолейцина и валина в крови и моче значительно увеличивается, что приводит к соответствующему повышению содержания α-оксокислот, происходящих из этих аминокислот. Моча таких больных издает запах кленового сиропа, откуда и происходит название заболевания. Болезнь «кленового сиропа» приводит обычно к летальному исходу, если только больные не переводятся с раннего возраста на диету с низким содержанием валина, изолейцина и лейцина.

18.16. Фенилаланин и тирозин распадаются под действием оксигеназ на ацетоацетат и фумарат

Путь распада фенилаланина и тирозина имеет некоторые очень интересные особенности. Он представляет собой последовательность реакций, в которых молекулярный кислород используется для расщепления аро матического кольца. Первый этап данной последовательности реакций - гидроксилирование фенилаланина в тирозин - реакция, катализируемая фенилаланин-гидроксилазой. Этот фермент назван монооксигеназой (он называется также оксигеназой со смешанной функцией), потому что один атом O₂ появляется в продукте реакции, другой-в H₂O.

Роль восстановителя здесь выполняет тетрагидробиоптерин, до сих пор не рассматривавшийся нами переносчик электронов. Его окисленной формой является дигидробиоптерин.

NADPH восстанавливает дигидробиоптерин с регенерированием тетрагидробиоптерина; реакция катализируется дигидробиоптерин-редуктазой. Суммарное уравнение реакций, катализируемых фенилаланингидроксилазой и дигидроптеринредуктазой, имеет следующий вид:

Фенилаланин + O₂ + NАDРН + Н⁺ → Тирозин + NADP⁺ + H₂O.

Следующий этап-трансаминирование тирозина в n-гидроксифенилпируват (рис. 18.17). Эта а-оксокислота реагирует затем с O₂ с образованием гомогентизата. Фермент, катализирующий эту сложную реакцию, n-гидроксифенилпируват-гидрокси- лаза, назван диоксигеназой, потому что оба атома O₂ включаются в образующийся продукт. Ароматическое кольцо гомогентизата далее расщепляется молекулой O₂ с образованием 4-малеилацетоацетата. Реакция катализируется другой диоксигеназой - гомогентизатоксидазой. На самом деле, почти все процессы расщепления ароматических колец в биологических системах катализируются диоксигеназами, классом ферментов, открытых Осами Хайяши (ОsamiHayaishi). 4-малеилацетоацетат затем изомеризуется в 4-фумарилацетоацетат, который в конечном итоге гидролизуется на фумарат и ацетоацетат.

Рис. 18.17. Путь распада фенилаланина и тирозина

18.17. Открытие Гэрродом наследственных нарушений метаболизма

Алкаптонурия - наследственное нарушение метаболизма, вызываемое отсутствием го- могентизат-оксидазы. Гомогентизат накапливается и выделяется с мочой, которая вследствие этого чернеет при стоянии, поскольку гомогентизат окисляется и полиме- ризуется в меланиноподобное соединение. Алкаптонурия - сравнительное доброкачественное состояние (легкое нарушение), как описал ее Закутус Лузитанус (Zacutuc Lusita- nus) в 1649 г.:

«Больной был мальчик, моча которого имела черный цвет и который в возрасте 14 лет был подвергнут сильнодействующему лечению, имевшему целью смягчить огненный жар его внутренностей, виновный, как полагали, в его болезни, обжигавший и придававший черный цвет его желчи. В числе предписанных мер были кровопускания, очищение желудка, ванны, холодная и жидкая пища и множество лекарств. Ни одна из этих мер не дала видимого эффекта, и в конце концов больной, уставший от бесполезного и чрезмерного лечения, решил дать вещам идти своим естественным ходом. Ни одно из зловещих предсказаний не сбылось, он женился, стал родоначальником большой семьи, прожил долгую и благополучную жизнь, все время выделяя мочу черную, как чернила».

В 1902 г. Арчибальд Гэррод (Archibald Gorrod) показал, что алкаптонурия наследуется как единичный рецессивный менделевский признак. Далее он установил, что гомогентизат является нормальным промежуточным продуктом при расщеплении фенилаланина и тирозина и что накопление гомогентизата при алкаптонурии обусловлено блокированием его распада. Гэррод заключает, что «расщепление бензольного кольца в ходе нормального метаболизма - результат действия специального фермента, а при врожденной алкаптонурии этот фермент отсутствует». Он пришел к выводу о существовании прямой связи между генами и ферментами и о важном значении химической индивидуальности. Его книга «Врожденные ошибки метаболизма» была для своего времени самым ярким и важным вкладом в биологию и медицину.

Меланин-черный пигмент в коже и волосах. Название происходит от греческого melan, что означает «черный». Этот полимерный пигмент образуется в меланосомах — гранулах, богатых тирозиназой, монооксигеназой.