Глюкогенні амінокислоти

ЗМІСТ

ВСТУП……………………………………………………………………………………...3

РОЗДІЛ 1. ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ АМІНОКИСЛОТ У ТКАНИНАХ……….4

1.1. Пункти окислення  амінокислот у цитратному циклі…………………….6

1.2. Глюкогенні  та  кетогенні амінокислоти…………………………………...7

РОЗДІЛ 2. СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ АМІНОКИСЛОТ………………9

2.1. Обмін гліцину, аланіну та серину……………………………………….....9

2.2. Обмін лейцину, лізину, фенілаланіну та тирозину………………………11

РОЗДІЛ 3. БІОЛОГІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ АМІНОКИСЛОТ……………………………..14

3.1.Спадкові  порушення  обміну  циклічних амінокислот………………….14

ВИСНОВОК………………………………………………………………………………16

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ……………………………………………17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

У тілі  дорослої  людини міститься в середньому  12-15  кг  білків,  що виконують численні  каталітичні,  регуляторні, структурні  функції.  Приблизно половину цієї маси (6-7 кг )  складають екстрацелюлярні білки опорних  тканин,  серед яких  перше місце за  кількістю займає  колаген.  Другу половину білків тіла  складають інтрацелюлярні білки тканин  та  білки крові з високою  швидкістю обміну .  Завдяки обміну білків  у  катаболічних   та   анаболічних  реакціях, тобто  безперервному  перебігу процесів  протеолізу та  білкового синтезу,  в організмі  існує постійний фонд ( пул) вільних амінокислот,  які підлягають  різноманітним біохімічним перетворенням. Двадцять           Lамінокислот,  що  розрізняються  за   своєю   хімічною   структурою, біологічною  роллю   та   особливостями  метаболізму  входять  до  складу   білків організму та  є присутніми  в клітинах  і екстрацелюлярних  просторах у вільному стані.  Безазотисті   скелети  вільних  амінокислот,  які  утворюються   в  результаті трансамінування та  дезамінування, —  це  метаболіти  гліколізу,  цитратного  циклу, β-окислення жирних кислот,  або речовини,  що можуть перетворюватися в інтермедіати  цих   головних   катаболічних  шляхів  організму.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 1.  ШЛЯХИ  ПЕРЕТВОРЕННЯ АМІНОКИСЛОТ  У ТКАНИНАХ

Подібно до інших  біомолекул,  білки,  які входять до складу  живого організму, знаходяться  в   стаціонарному  стані  постійного   оновлення  відбуваються   розщеплення їх  тканинними протеазами  та  синтез  нових поліпептидних молекул. Загальний  пул  амінокислот  у  тілі   людини  складається   з  потоків,  які  забезпечують   надходження   вільних  амінокислот  та   їх   використання  в  різноманітних анаболічних та  катаболічних  процесах .  Сумарна  кількість  амінокислот,  що перетворюються за  добу,  складає в організмі дорослої  здорової  людини в стані азотистої рівноваги 300-500 г,  а стаціонарна їх  концентрація  дорівнює  близько 50-100 г на масу тіла. Потік   амінокислот ,  що  входить   до   амінокислотного   пулу,   складається   з таких  джерел:

1. Амінокислот,  які  всмоктуються   ентероцитами   кишечника   внаслідок  гідролізу  харчових  білків у травному  каналі  ( шлунку,  тонкому кишечнику );    Кількісне значення   цієї  складової  становить ( залежно   від  характеру  харчування ) 60-100  г на  добу .  Додаткову компоненту  в цей потік ( від 35  до  200  г білка)  вносить протеоліз ендогенних  білків з епітелію  ентероцитів,  що злущується  ( I.Halkerston , 1988).

2.Амінокислот,  які вивільняються в результаті розщеплення власних клітинних і позаклітинних білків.Середня тривалість  напівжиття ( Т1/2)  в індивідуальних білків   значно   варіює ,  становлячи   від  декількох  годин   для  певних  ферментів гепатоцитів  до декількох років для структурного  білка колагену . У  здорової   дорослої   людини  середнє  добове   оновлення тканинних   білків складає 1-2 %  від загальної  маси білків тіла  і відбувається переважно за  рахунок деградації  до  амінокислот  білків  м’язів  (30-40 г  білків  за   добу ).  Розщеплення тканинних  білків каталізується  протеазами  лізосом і значно  збільшується  за  умов білкового та  повного голодування,  під час виснажливих  хвороб  ( особливо  інфекційних, онкологічних  захворювань),  що порушують  процеси біосинтезу  білків і спричиняють   переважання  катаболічних   процесів   над  анаболічними .

3.  Амінокислот,  які синтезуються  в організмі.  Організм  людини має обмежені можливості  щодо утворення амінокислот de novo: його  ферментні системи здатні синтезувати  з  інших   інтермедіатів   в кількості,  достатній  для  синтезу  власних білків, лише вісім “ замінних ” (“ненеобхідних ”,”несуттєвих ” — nonessential, англ .) L- амінокислот.  Амінокислоти,  які в організмі   людини  не   синтезуються, надходячи  тільки  з продуктами харчування,  є “ незамінними” (“необхідними”, “суттєвими” — essential,  англ .). Потік  амінокислот,  що виходить з амінокислотного  пулу,  включає анаболічні і катаболічні шляхи перетворення  вільних амінокислот і складається з таких компонентів:

1. Використання  амінокислот для синтезу білків організму.  Цей потік у дорослих  людей ,  що споживають збалансовану  дієту,  забезпечує  покриття  протеолізу власних  білків — стан   азотистої рівноваги.  Для  синтезу власних ферментних,структурних білків та  фізіологічно активних  сполук  білкової і пептидної природи (на   анаболічні   потреби)  використовується  близько 75-80%  амінокислот,  що  вивільняються при  розщепленні тканинних  білків,  та амінокислот,  які надходять із кишечника.

2. Використання  амінокислот,  які не  включені  в анаболічні  процеси,  в катаболічних  реакціях .  При  цьому  молекули  амінокислот розщеплюються  з утворенням діоксиду   вуглецю,  води  ( через цикл  лимонної   кислоти)  та   кінцевих   продуктів азотистого  обміну  ( у людини —  переважно сечовини ).  Певна частина без азотистого вуглецевого скелета амінокислот використовується  для  утворення глюкози (глюконеогенезу )  та  кетонових тіл (кетогенезу). Розщепленню  підлягають  усі амінокислоти, що не  використовуються  для синтезу  білків або фізіологічно активних  сполук  (ФАС)  незалежно від джерела походження,  оскільки  резерви білків  у тваринних організмах  не утворюються (на відміну від вуглеводів  та ліпідів ).  Разом з тим ,  біоенергетичне значення  катаболізму амінокислот у здорової  людини незначне ,  порівняно з вуглеводами та  ліпідами ( близько 10 %  від  загальних  енергетичних   потреб ),  суттєво  збільшуючись лише за  умов голодування.

 Рис. 1.1.  Схема   загальних   шляхів  перетворення  амінокислот .

 

1.1.Пункти окислення  амінокислот у цитратному циклі

Завдяки  економічності   біологічного  обміну   речовин,  специфічні   біохімічні шляхи  катаболізму  окремих   двадцяти   природних   амінокислот  конвергують  з утворенням  лише п’яти молекулярних  продуктів —  біомолекул, що вступають у цикл трикарбонових кислот, повністю  окислюючись  до  діоксиду  вуглецю  та  води. Цими  продуктами  є: 

ацетил-КоА, α-кетоглутарат, сукциніл -КоА ,  фумарат ,оксалоацетат (рис. 18.1).

1.Ацетил-КоА  — утворюється при катаболізмі  десяти  амінокислот,  серед яких:

–п’ять амінокислот (аланін, цистеїн, серин, треонін, гліцин)  розщеплюються до ацетил -КоА  через піруват;

 –  п’ять  амінокислот  ( фенілаланін ,  тирозин,  лейцин ,  лізин,  триптофан)  розщеплюються  до  ацетил -КоА  через ацетоацетил -КоА . Частина вуглецевого  скелета  лейцину та  триптофану, а також   ізолейцину  перетворюється на  ацетил -КоА  безпосередньо;  частина молекули  ізолейцину  перетворюєтьсяна  сукциніл -КоА .

2. α-Кетоглутарат  — утворюється  при   катаболізмі   п’яти  амінокислот —глутамату,  глутаміну,  аргініну,  гістидину,  проліну.

Вступ чотирьох  із  цих  амінокислот в ЦТК  відбувається через їх  перетворення на глутамат.

3. Сукциніл-КоА  — утворюється при катаболізмі  трьох амінокислот  —ізолейцину, валіну, метіоніну ( частина молекули  ізолейцину ,  як  зазначено вище,  перетворюється в ацетил -КоА ).

4.Фумарат— утворюється при катаболізмі  фенілаланіну та  тирозину;  вуглецеві скелети  цих  амінокислот  утворюють   два  метаболіти  ЦТК —  ацетил -КоА  ( через ацетоацетил -КоА )  та  фумарат.

5. Оксалоацетат — утворюється  при катаболізмі аспартату  та  аспарагіну;  аспартат перетворюється в оксалоацетат через реакцію трансамінування.

 

Рис. 18.1. Схема   включення   вуглецевих   скелетів   природних  L-амінокислот   у  цикл  лимонної кислоти .

1.2. Глюкогенні  та  кетогенні амінокислоти

Глюкогенні   амінокислоти - це L- Амінокислоти , що метаболізуються  в циклі трикарбонових кислот  ( рис. 18.1), можуть  включати  свої   вуглецеві  скелети в  молекули   глюкози.  Ці   амінокислоти, використання  яких  у синтезі  глюкози  реалізується після їх  входження в ЦТК  через ацетил- КоА ,  α-кетоглутарат ,  сукциніл- КоА  та   фумарат .

Дві L-амінокислоти  включаються  в катаболізм  тільки  через ацетоацетил-КоА , який  у клітинах  печінки може перетворюватися на  кетонові  тіла, ацетоацетат та β-гідроксибутират. Це — кетогенні амінокислоти.  Деякі амінокислоти  віддають свої  вуглецеві  фрагменти на  утворення як  глюкози,  так і кетонових тіл ( таблиця 18.1).

                                                    Т а б л и ц я 18.1. Глюкогенні та кетогенні амінокислоти

Кетогенез із  амінокислот  має особливе  негативне значення  при  деяких  порушеннях ферментних процесів,  зокрема при  некомпенсованому цукровому діабеті, у   зв’язку з чим таким хворим  рекомендується  обмежувати  надходження кетогенних  амінокислот у складі  продуктів харчування .

 Рис.1.2 Джерела амінокислот та загальні шляхи їх використання

 

РОЗДІЛ 2. СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ АМІНОКИСЛОТ

 

2.1. Обмін гліцину, аланіну та серину.

 Гліцин - замінна глюкогенна амінокислота, що синтезується із серину або треоніну.  Гліцин використовується: 1) для синтезу глутатіону;  2) для утворення парних  жовчних кислот (глікохолевої, глікодезоксихолевої і ін.); 3) для синтезу гема (конденсація гліцину із сукциніл-КоА); 4) для синтезу креатину (гліцин взаємодіє з аргініном і утворює гуанідиноцетат - попередник креатину); 5) для синтезу пуринових нуклеотидів (гліцин постачає 2  атоми вуглецю і атом азоту); 6) для синтезу холіну (гліцин, серин, етанол амін, холін); 7) для перетворення бензойної кислоти на гіпурову; 8) гліцин у значних кількостях (до 30%) входить до складу колагену.

Рис.2.1 Біохімічні перетворення  гліцину

Гліцин  у тваринному  організмі  синтезується з L-серину  —  замінної  амінокислоти ,  вуглецевий  скелет  якої  утворюється з глюкози  за  такою  схемою:

Рис2.2. Схема синтезу L- серину.

Аланін. α-Аланін - замінна амінокислота, обмін якої пов'язаний з обміном пірувату. У прямій реакції аміногрупа α-аланіну переноситься на α-кетоглутарат, а сам він перетворюється на піруват; у зворотній реакції піруват приймає аміногрупу від глутамату і перетворюється на α-аланін. Ще один шлях утворення аланіну це декарбоксилування аспартату, причому в залежності від типу декарбоксилювання утворюється  α-аланін або β-аланін.

Функції аланіну. 1. α-аланін глюкогенна амінокислота, оскільки легко перетворюється на піруват - субстрат глюконеогенезу. 2. Аланін є транспортною формою аміаку в циклі глюкоза-аланін. При посиленні анаеробного гліколізу в працюючих м'язах із глюкози утворюється

велика кількість пірувату, що за допомогою переамінування з глутаматом перетворюється в α-аланін. Останній виходить у кров і в печінці піддається переамінуванню з α-кетоглутаратом  з утворенням пірувату, а з нього синтезується глюкоза, що направляється в м'язи. Аміногрупа аланіну, що потрапила на α-кетоглутарат, далі перетворюється в сечовину. Таким чином, цей цикл забезпечує утилізацію аміаку, що утворився   в м'язах і повернення в м'язи джерела енергії – глюкози.

Цикл аланін-глюкоза між м'язами і печінкою Перетворюючись в піруват α-аланін використовується не тільки  для синтезу глюкози  (глюконеогенез), але і для синтезу жирних кислот і холестерину, а також є джерелом енергії,  коли окислюється  ПДГ до  ацетил-КоА і надходить долі в цикл трикарбонових кислот.  Бета-аланін -  небілкова амінокислота, що входить до складу карнозину (дипептид β-аланіл-гістидин), ансерину (β-аланіл-N-метил-гістидин), пантотенової кислоти. Утворюється  β-аланін у ссавців переважно при розпаді піримідинових основ.

Серин. Замінна амінокислота, утворюється з метаболіту гліколізу - 3-фосфоглицерату, що спочатку дегідруєтся на 3-фосфопіруват, потім при переамінуванні перетворюється на 3-фосфосерин, гідроліз якого дає серин. Цей шлях оборотній і використовується для  руйнування серину. Серин частково синтезується з гліцину за оборотною реакцією:

     гліцин +       Н₂О + Метілентетрагідрофолат    =       серин + тетрагідрофолат.

Основними шляхами катаболізму  серину є: 1) перетворення серину в гліцин, що далі може окислюватись до води і CO₂; 2) перетворення серину на фосфосерин і далі на 3-фосфопіруват і піруват; 3) пряме перетворення серину в піруват в реакції дезамінування.

2.2. Обмін лейцину, лізину, фенілаланіну та тирозину.

Амінокислоти з розгалуженим ланцюгом (валін, лейцин і ізолейцин). Це неполярні  амінокислоти, що додають білкам гідрофобні властивості; в організмі людини не синтезуються. Перші 2 етапи обміну цих амінокислот загальні. Валін, лейцин і ізолейцин трансамінуються з утворенням відповідних кетокислот, що далі декарбоксилюются під дією дегідрогенази  α-кетокислот з розгалуженим ланцюгом. Подальші шляхи обміну цих амінокислот розходяться. З валину утворюється пропіоніл-КоА - ключовий продукт, що далі карбоксилюєтся в метилмалоніл-КоА, який ізомеризуется за участю вітаміну В₁₂ в сукциніл-КоА - субстрат для синтезу глюкози. Тому валін є глюкогенною амінокислотою (зазначим, що метіонін і треонін також є глюкогенними амінокислотами, оскільки вони перетворюються в пропіоніл-КоА).  Ізолейцин розпадається з утворенням пропіоніл-КоА і ацетил-КоА і може використовуватися  для синтезу глюкози і кетонових тіл – тобто є одночасно кето- і глюкогенною амінокислотою. Лейцин кетогенна амінокислота і у процесі катаболізму утворює тільки попередник кетонових тіл ацетоацетил-КоА. Описані випадки вродженого порушення катаболізму валіну, лейцину і ізолейцину, обумовлені неможливістю окислювати кетокислоти (хвороба кленового сиропу). 

Лізин. Незамінна амінокислота використовується для синтезу білка, джерело позитивно заряджених груп у білковій молекулі. Велика кількість лізину міститься в гістонах і протамінах, фібриногені. Залишки лізина в колагені піддаються гідроксилюванню з утворенням оксилізину, що важливо для дозрівання колагену. Катаболізм лізина включає багато стадій на яких відбувається втрата двох аміногруп лізина. Відщіплення першої аміногрупи протікає в результаті конденсації α-кетоглутарату і лізину з наступним розпадом продукту, що утворився, на глутамат і α-аміноадипінову кислоту. Ця амінокислота втрачає при трансамінуванні другу аміногрупу і перетворюється на  α-кетоадипінову кислоту. Остання декарбоксилюється на глутаровую кислоту, а вона в ряді окисних реакцій перетворюється в  ацетоацетил-КоА  – попередник кетонових тел. Тому лізин винятково кетогенна амінокислота.