Переваривание белков. Общие пути обмена аминокислот. Источники и пути обезвреживания аммиака. Лекция №10 презентация

Значение знаний путей обмена аминокислот
Из аминокислот построены белки;
Из аминокислот синтезируются многие биологически активные соединения (гормоны, нейромедиаторы, биогенные амины, карнитин и др.);
Нарушение обмена аминокислот лежат в основе патогенеза многих приобретенных и врожденных заболеваний;
Широкое использование определения содержания аминокислот, промежуточных и конечных продуктов в биологических жидкостях для диагностических целей;
Используются как лекарственные препараты.

Белки пищи – 100г/сутки
Фонд свободных аминокислот 35 г
Белки тканей
Синтез заменимых аминокислот
Полиамины
Гормоны
Карнитин
Креатин
Нуклеотиды
и т.п.
Биогенные амины
α - кетокислоты
АТФ
Н2О
СО2
Мочевина
ЦТК
NH3
СО2
Глюкоза
Источники и пути использования аминокислот в организме
Азотсодержащие соединения
Экскреция
Гем
Катаболизм 500г/сут.
Анаболизм

Полноценный белок
Полноценный белок:
1. набор незаменимых аминокислот;
2. соотношение аминокислот должно быть близким к их соотношению в белках человека.

В организме человека содержится примерно 15 кг белков. Количество свободных аминокислот составляет около 35 г. Ежесуточно в организме распадается до аминокислот почти 400 г белков и столько же синтезируется.
Основным источником аминокислот для человека являются пищевые белки. Суточная норма потребления белков составляет в среднем около 100 г.

1.Заменимые – Ала, Асп, Асн, Глу, Глн, Про, Гли, Сер – синтезируются в необходимых количествах в организме;
3. Частично заменимые – Гис, Арг – синтезируются в организме очень медленно, в количествах не покрывающих потребностей организма, особенно в детском возрасте;
2. Незаменимые – Вал, Лей, Иле, Мет, Фен, Три, Лиз, Тре – не синтезируются в организме;
4. Условно заменимые – Цис, Тир – синтезируются из незаменимых аминокислот Мет и Фен (соответственно).

Классификация аминокислот
по судьба безазотистого остатка аминокислот
Аминокислоты, которые превращаются в пируват и промежуточные продукты ЦТК и в конеч­ном итоге образуют оксалоацетат, могут использоваться в процессе глюконеогенеза для синтеза глюкозы. Такие аминокислоты называют гликогенными (их 14).
Аминокислоты в процессе катаболизма превращаются в ацетоацетат (кетоновое тело) или ацетил-КоА и могут использоваться в синтезе кетоновых тел. Такие аминокислоты называют кетогенными (их две: лейцин и лизин).
Аминокислот используется и для синтеза глюкозы, и для синтеза кетоновых тел. Такие аминокислоты называют смешанными, или гликокетогенными. Их 4: фенилаланин, тирозин, триптофан, изолейцин.

Большая часть свободных аминокислот используется для синтеза собственных белков организма. Кроме того, из аминокислот синтезируется большое количество биологически активных молекул:
биогенные амины (медиаторы); некоторые аминокислоты сами являются нейромедиаторами - например, глицин и глутамат;
гормоны белковой природы;
гем, креатин, карнитин и другие азотсодержащие соединения.
Аминокислоты подвергаются реакции дезаминирования; образовавшиеся безазотистые остатки используются для синтеза глюкозы, кетоновых тел или окисляются до СО2 и Н2О.
Азот аминокислот выводится из организма почками в виде мочевины или аммонийных солей. Аминокислоты и белки содержат до 95% всего азота организма.

Полноценность белкового питания зависит от аминокислотного состава белков и определяется наличием незаменимых аминокислот. Отсутствие в пищевых белках незаменимых аминокислот (даже одной) нарушает их синтез в организме. Обновление белков в различных тканях происходит с разной скоростью. Так, белок соединительной ткани коллаген обновляется полностью за 300 дней, а белки системы свертывания крови - от нескольких минут до нескольких дней.

Показателем состояния белкового и аминокислотного обмена является азотистый баланс
Азотистый баланс – разница между количеством азота, поступающим с пищей, и количеством азота выделяемого почками в виде мочевины и аммонийных солей.

Положительный (количество выделяемого азота меньше поступающего) – у детей, выздоравливающих больных после тяжелой болезни, лактация, при обильном белковом питании, начальная стадия новообразования;
Виды азотистого баланса
Отрицательный (количество выделяемого азота больше поступающего) – при тяжелых заболеваниях, голодании, старении, распаде опухоли, малобелковое или неполноценное питание;
Равный нулю (азотистое равновесие) – у здоровых взрослых людей при нормальном питании.

Пепсиноген
Пептид
ПЕПСИН
Олигопептиды
Желудок
рН 1,5 – 2,0
HCI
(медленно)
Пепсин
(быстро)
Белок
H2N
СH
С
NH
Глу
Асп
Тир
Фен
СH
С
O
O
СООН
Переваривание белков (желудок)
Тир
Фен
NH
R

Переваривание белков (тонкий кишечник)
Трипсиноген
Пептид
ТРИПСИН
Энтеропептидаза
(медленно)
Трипсин
(быстро)
Пептид
Пептид
Пептид
ХИМОТРИПСИН
КАРБОКСИПЕП-
ТИДАЗА А, В
Химотрипсиноген
Прокарбокси-
пептидаза А, В
ЭЛАСТАЗА
Проэластаза

Переваривание белков в кишечнике
Белок
Аминокислоты
Дипептиды
Трипептиды
Аминокислоты
Всасывание
Аминопептидаза
Дипептидаза
Трипептидаза
Тонкая кишка
рН 8,0

ГНИЕНИЕ БЕЛКОВ
В КИШЕЧНИКЕ
При гниении образуются продукты разложения аминокислот, представляющие собой:
токсины (кадаверин, путресцин, крезол, фенол, скатол, индол, пиперидин, пирролидин, сероводород, метилмеркаптан (СН3SН) и другие),
нейромедиаторы (серотонин, гистамин, октопамин, тирамин).
Всасываясь в кровь, эти вещества вызывают общую интоксикацию, колебания артериального давления, головные боли, понижение аппетита, понижение болевой чувствительности, анемии, в тяжелых случаях возможны угнетение дыхания, сердечной деятельности и кома.

Мембранный транспорт аминокислот
Осуществляется 5 транспортными системами
(белки-переносчики) с затратой энергии:
Аминокислоты с нейтральными радикалами.
С нейтральными разветвленными радикалами (лей, илей, вал).
С катионным радикалом (лиз, арг).
С анионным радикалом (глу, асп);
Иминокислоты (про, опро).
Переносчики аминокислот 1-й и 5-й групп + мет являются натрий-зависимыми

Пути обмена АМК
общие
индивидуальные
трансаминирование
декарбоксилирование
дезаминирование

Трансаминирование - реакция переноса аминогруппы с аминокислоты (донора) на α-кетокислоту (акцептор), в результате чего образуются новая кетокислота и новая аминокислота.
Реакция обратима.
Реакция трансаминирования происходит с участием ферментов аминотрансфераз (трансаминаз), которые локализованы в цитозоле и митохондриях клеток практически всех органов.
Коферментом этих ферментов является производное витамина В6 - пиридоксальфосфат.
Трансаминированию подвергаются все аминокислоты, кроме лизина, треонина и пролина.

Применение в медицине
В клинике широко используется определение активности некоторых аминотрансфераз в сыворотке крови, особенно часто - АСТ и АЛТ. Эти ферменты являются органоспецифическими, наиболее активны в клетках печени и сердца. В норме их активность в крови мала - 5-40 ЕД/л.
Существуют изоферменты АСТ: цитозольная форма (ц-АСТ) и митохондриальная (м-АСТ). В печени, миокарде и большинстве других органов м-АСТ представляет 80% массы фермента, но в сыворотке - лишь менее 12% как у здоровых людей, так и у больных. Повышение активности м-АСТ в сыворотке крови имеет место при острых поражениях печени, инфаркте миокарда, сопровождающихся некрозом тканей и разрушением клеточных мембран, при этом повышение активности м-АСТ отражает тяжесть болезни, поражение органа и прогноз.
Определение активности АЛТ и АСТ применяется для диагностики заболеваний миокарда и печени, в том числе при отравлении хлорорганическими соединениями, используемыми на химических производствах (CCl4, хлороформ и др.). В этом случае активность ферментов в сыворотке крови увеличивается до 400 ед. и больше.
Особенно важное значение для диагностики имеет увеличение активности АЛТ при безжелтушных формах вирусного гепатита.

Применение в медицине
Для определения степени поражения печени и сердца определяют соотношение активностей АСТ-АЛТ в сыворотке крови - коэффициент де Ритиса, который в норме составляет 1,33+0,42.
При гепатитах активность АЛТ увеличивается в 6-8 раз по сравнению с нормой, а АСТ - в 2-4 раза. Коэффициент де Ритиса уменьшается до -0,6. Однако при циррозе печени коэффициент де Ритиса приближается к 1,0 вследствие развивающегося некроза тканей и выхода в кровь митохондриальной фракции АСТ.
При инфаркте миокарда активность АСТ увеличивается в 8-10 раз, а активность АЛТ - в 1,5-2 раза. Коэффициент де Ритиса значительно увеличивается. При стенокардии, пороках сердца, инфаркте легкого активность аминотрансфераз в крови не увеличивается, что дает возможность дифференциальной диагностики заболеваний сердца.

Реакции трансаминирования выполняют
важные физиологические функции:
из α-кетокислот синтезируются аминокислоты, необходимые для жизнедеятельности клеток;
происходит перераспределение аминного азота в тканях и органах;
начинается катаболизм большинства аминокислот – первая стадия непрямого дезаминирования.

Реакции дезаминирования
Катаболизм аминокислот начинается с реакции дезаминирования - удаления α-аминогруппы, которая выделяется в виде аммиака и образования безазотистого остатка (α-кетокислоты). При дезаминировании в отличие от трансаминирования общее количество аминокислот уменьшается.
Продукт дезаминирования аммиак - токсичное соединение, в клетках подвергается обезвреживанию.
Безазотистый остаток представляет собой α-кетокислоту, которая включается в:
реакции окисления до СО2 и Н2О;
реакции трансаминирования для синтеза заменимых аминокислот;
анаплеротические реакции для восполнения убыли метаболитов ОПК или для синтеза других соединений;
глюконеогенез;
кетогенез.
Дезаминированию подвергаются все аминокислоты кроме лизина и пролина.

1. Прямое:
1.1. Окислительное (ГЛУ);
1.2. Неокислительное (СЕР, ТРЕ, ГИС, ЦИС);
2. Непрямое (все остальные аминокислоты )
(кроме лизина и пролина)
2.1. Окислительное (трансдезаминирование)
2.2. Неокислительное
Виды реакций дезаминирования

НАD+
НАDH+Н+
+ NH3
COOH
(CH2) 2
C=NH
COOH
1.1 Прямое окислительное дезаминирование
H2О
H2О
Глутамат
Глутаматдегидрогеназа
α-кетоглутарат
рРРРРРРр
Реакция идет в митохондриях многих тканей, наиболее активно – в печени
(фермент аллостерический, 300 кД, 6 субъединиц, каждая из 500 аминокислот)

H2O
CH2
C-NH2
COOH
CH3
C=NH
COOH
+ NH3
Серин
ПФ
H2O
Пируват
Треонин
CH3
CH-NH2
CН-OH
COOH
CH3
C-NH2
CН
COOH
CH3
C=NH
CН2
COOH
CH3
C=О
CН2
COOH
+ NH3
H2O
H2O
α - кетобутират
ПФ
1.2. Прямое неокислительное дезаминирование

N
NH
-CH2-CH-COOH
NH2
NH3
N
NH
-CH=CH-COOH
гистидаза
1.2. Прямое неокислительное дезаминирование
Гистидин
Уроканиновая кислота

H2O
L - Цистеин
Пируват
1.2. Прямое неокислительное дезаминирование
H2S
NH3

2.1. Непрямое окислительное дезаминирование
Аминокислота
глутаматдегидрогеназа
НАD+
НАDH+Н+
1
2
NH3
аминотрансфераза
Цитозоль
Митохондрия
α - кетокислота
Аминотрансферазы: наиболее активные для АЛА (Алт), Асп (Аст), ЛЕЙ, ТИР,
два активных субстратных центра (для α-КТ и аминокислоты)
α - кетоглутарат
глутамат

2.1. Непрямое окислительное дезаминирование
(трансдезаминирования )
На первом этапе различные L-аминокислоты вступают в реакцию трансаминирования с α-кетоглутаратом. В результате образуется кетоаналог аминокислоты и глютаминовая кислота.
На втором этапе происходит окислительное дезаминирование глютамата с образованием аммиака и регенерации α-кетоглутарата. Обязательным участником этого процесса является α-кетоглутарат (является промежуточным продуктом цикла Кебса, т.е. концентрация ее в тканях поддерживается на постоянном уровне).
Далее в итоге трансаминирования с участием соответствующей аминотрансферазы образуется кетоаналог соответствующей аминокислоты, а α-кетоглутаратом превращается, за счет трансаминорования в глутамат.
Не только глутаматдегидрогиназа, но и аминотрансфераза в наших тканях - крайне высоко активные ферменты. Несомненно, что высокая активность ферментов обеспечивает высокую скорость процесса трансдезаминирования в клетках.
Кроме того, преимущество этого механизма дезаминирования заключается в том, что не образуется токсичной перекиси водорода (при действии оксидазы L-аминокислот образуется перекись водорода) и кроме того, преимущество данного механизма заключается в том, что при окислении глутамата образуется восстановленный НАД, окисление которого в цепи дыхательных ферментов дает 3 молекулы АТФ.

2.2. Непрямое неокислительное дезаминирование
(для мышечной ткани и мозга)
Асп
α-кетокислота
Аминокислота
α-КГ
Глу
Оксалоацетат
Малат
Фумарат
АМФ
Инозинмонофосфат
NH3
Можно выделить 4 стадии процесса:
трансаминирование с α-кетоглутаратом, образование глутамата;
трансаминирование глутамата с оксалоацетатом (фермент ACT), образование аспартата;
реакция переноса аминогруппы от аспартата на ИМФ (инозинмонофосфат), образование АМФ и фумарата;
гидролитическое дезаминирование АМФ.
1
2
3
4

Декарбоксилирование –
отщепление α-карбоксильной группы, с образованием СО2 и биогенных аминов.
R
COOH
H
C
NH2
Аминокислота
R
CН2
Декарбоксилаза ПФ
CO2
В процессе декарбоксилирования аминокислот синтезируются нейромедиаторы ( серотонин, дофамин, ГАМК), гормоны (норадреналин, адреналин), регуляторные факторы местного действия (гистамин).
Биогенный амин
NH2

Биологическая роль и предшественники некоторых биогенных аминов
НO
НO
(СН2)2
NН2
СН2
СН2
СН2
СOOН
NН2
СН2
СН2
NН2
НN
N

N
NH
СООH
СH
СH2
NH2
СО2
NH2
СH2
СH2
Гистидин
Гистамин
N
NH
Глутамат
ГАМК
Глутаматдекарбоксилаза ПФ
Гистидиндекарбоксилаза
ПФ
Декарбоксилирование гистидина, глутамата и триптофана
Триптофан
Серотонин
Декарбоксилаза ПФ

Источники и пути обезвреживания аммиака в различных тканях

Источники аммиака и пути его превращения в разных тканях
Из организма аммиак выводится почками в виде конечных продуктов азотистого обмена:
мочевины - синтезируется в печени;
аммонийных солей - образуются в почках.

Восстановительное аминирование
α-кетоглутарата
(происходит в основном в мозге)
Эта реакция идет с незначительной скоростью, фермент используется для непрямого дезаминирования аминокислот.

CO – NH2
(CH2)2
CH – NH2
COOH
Глутамат
АТФ
АДФ
Глутамин-
синтетаза
Глутамин
Происходит во всех тканях организма, фермент обладает высоким сродством к аммиаку. Глутамин- нейтральная аминокислота, поступает из тканей в кровь в больших количествах (в основном из мышц и мозга), поглощается почками и клетками кишечника.
OPH2O3
~
O
NH4+
Pi + H+
Глутамин-
5-фосфат
Обезвреживание аммиака - реакция амидирования

Образование аммонийных солей
Глутамин
Глутаминаза
Глутамат
NH3
H+
NH4 A
Аммонийные соли
Экскреция
Почки
H2О
Глутамат
дегидрогеназа
NH3
α-Кетоглутарат
ОПК
H+
H+
+
Эта реакция важна как механизм регуляции кислотно-щелочного баланса в организме. Синтез глутаминазы почек индуцируется при ацидозе, образующийся аммиак нейтрализует кислые продукты обмена и в виде аммонийных солей экскретируется с мочой.

Из мышц, клеток кишечника и некоторых других тканей избыток азота выводится в кровь в виде аланина.
Аминогруппы разных аминокислот в ходе реакций трансаминирования переносятся на пируват, источником которого служат глюкоза и безазотистые остатки аминокислот. Особенно много аланина выделяют мышцы в силу их большой массы, а также потому, что работающие мышцы часть энергии получают за счет распада аминокислот. Аланин поступает в печень, где подвергается непрямому дезаминированию. Выделившийся аммиак обезвреживается в процессе синтеза мочевины, а пируват включается в глюконеогенез или ОПК. Глюкоза из печени поступает в ткани и в процессе гликолиза окисляется до пирувата. Образование аланина в мышцах, его перенос в печень и перенос глюкозы в обратном направлении составляют глюкозоаланиновый цикл.

Мышцы (другие ткани)
Кровь
Печень
Глюкоза
Глюкоза
Глюкоза
2 АТФ
Пируват
глу
α-КГ
ала
Ами-нокис-лоты
ала
ала
глу
α-КГ
Пируват
NH4+
Образование аланина
(глюкозо-аланиновый цикл)
Мочевина

ОРНИТИНОВЫЙ ЦИКЛ И ЕГО БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ
Мочевина - конечный продукт азотистого обмена, в составе которого из организма выводится избыток аммиака. Экскреция мочевины в норме составляет -25 г/сут. Синтез мочевины происходит только в печени.
Содержание мочевины в сыворотке крови в норме составляет 2,5-8,4 мМ/л (15-50 мг/дл).
Катаболизм аминокислот и образование аммиака происходит во многих тканях. Азот из тканей транспортируется в печень в составе трех соединений: глутамина, аланина и аммиака.
Полный набор ферментов цикла синтеза мочевины есть только в гепатоцитах. Первые две реакции протекают в митохондриях, а последующие три - в цитозоле.
Молекула мочевины (карбамида, двойного амида угольной кислоты) содержит два атома азота:
• первая аминогруппа включается в цикл в виде аммиака, образующегося в митохондриях гепатоцитов при дезаминировании аминокислот или поступающего из крови. Реакцию катализирует митохондриальная карбамоилфосфатсинтетаза I (цитоплазматическая карбамоилфосфатсинтетаза II участвует в синтезе пиримидиновых нуклеотидов);
• вторая аминогруппа вводится в молекулу мочевины из аспартата.

Орнитиновый цикл Кребса-Гензелейта – биосинтез мочевины

Экскреция конечных продуктов азотистого обмена почками при нормальном белковом питании

Заболевания печени (гепатит, цирроз) или наследственный дефект ферментов обезвреживания аммиака могут вызвать повышение содержания аммиака в крови – гипераммониемию
Известно 5 наследственных заболеваний, обус-ловленных дефектом 5 ферментов орнитинового цикла:
Гипераммониемия I и II типа
Цитруллинемия
Аргиносукцинатурия
Гипераргининемия

Наследственные нарушения орнитинового цикла и основные их проявления

При увеличении концентрации аммиака в 8 – 10 раз (до 0,6 ммоль/л) проявляется его токсическое действие.
Наблюдаются:
Головокружение;
Тошнота;
Рвота;
Судорожные припадки с потерей сознания.
Наследственные формы гипераммониемии приводят к отставанию в умственном развитии детей.

Образование большого количества NH4+ может привести к сдвигу рН крови в щелочную сторону (алкалозу). Алкалоз отрицательно сказывается на транспорте О2 в ткани гемоглобином, в результате чего возникают гипоксические явления и низкоэнергетическое состояние в клетках, прежде всего головного мозга.
Ионы аммония NH4+ вызывают защелачивание плазмы крови. При этом повышается сродство гемоглобина к кислороду (эффект Бора), гемоглобин не отдает кислород в капиллярах, в результате наступает гипоксия клеток.
Токсичность аммиака

Накопление свободного иона NH4+ в цитозоле влияет на мембранный потенциал и работу внутриклеточных ферментов — он конкурирует с ионными насосами для Na+ и K+.
Судорожные припадки могут быть также следствием подавления работы Na+, K+-АТФаз, нарушения трансмембранного переноса ионов Na+ и K+ и проведения нервных импульсов.
Продукт связывания аммиака с глутаминовой кислотой — глутамин — является осмотически активным веществом. Это приводит к задержке воды в клетках и их набуханию, что вызывает отёк тканей. В случае нервной ткани это может вызвать отёк мозга.
Токсичность аммиака

Высокое содержание NH3 в тканях снижает количество α-кетоглутарата, так как он связывает избыток аммиака и превращается в глутамат. Это вызывает угнетение обмена аминокислот (трансаминирования) и ЦТК (гипоэнергетическое состояние).
Для снижения концентрации NH3 в крови и облегчения состояния больных рекомендуется малобелковая диета и введение метаболитов орнитинового цикла (аргинин, цитруллин, глутамат).
Токсичность аммиака