сн,

СН—NH,

соон

Глутаминовая кислота

Н,С-

h2L1h->

I

Н

Тролин

соон

269

Окислительно-восстановительные процессы легко протекают по серосодержащим радикалам цистеина и цистина, благодаря чему эти две аминокислоты переходят друг в друга; химизм этой реакции аналогичен окислению глутатиона (см. с. 48), а ускоряется она цистеинредуктазой.

При исчерпывающем окислении тиоловой группы цистеина последний переходит в цистеиновую кислоту, которая, декарбоксилируясь, дает начало таурину:

SH

Окисление

сн2->

I

он I

o=s=o I

сн.

Декарбокси-лированн

CH—NH2 I

соон

Цистеия

CH—NH2 I

соон

Цистеиновая кислота

ОН

o=s=o+co2 I

сн2 I

CH2—NH2 Таурин

Последний, соединяясь с желчными кислотами, например холевой кислотой (см. с. 380), принимает участие во всасывании жиров.

Большое распространение имеет реакция диметилирования метионина. Она осуществляется при каталитическом воздействии метилтрансферазы. Мети-онин—универсальный поставщик метальных групп в реакциях трансметилирования. При этом он переходит сначала в «активный метионин», соединяясь с АТФ:

H2N-CH

сн3 n^^jj-n

s он oh oh VV

((|:н2)2 + ho-J~o-|~o-p-o-cHoo

"сн ооо \

ч

соон

Метионин

.н н

hNU-Kh

он он Аденозинтрифосфорная кислота

-N

он

АТФ:

VL-метионин-S-аденозил-трансфераза

соо"

он он

s-Аденозилметионии („активный метионин")

он

О—. о о Трифосфат

+Н20

+ но—jj—о—р —о—р—он о

н4р207 + н3Р04 Пирофосфат Фосфорная кнслота

270

Реакция ускоряется специфическим ферментом АТФ: L-метионин—S-адено-зил трансферазой (М = 100 ООО, оптимум рН9,5). Далее метальная группа от S-аденозилметионина передается соединению, которое подвергается метилированию. В качестве примера приведем уравнение реакции метилирования глицина:

NH,

НО О С—СНг—N Н2

Глицин

S-Аденозилметиоиии

"HOOC—СН2—NH—СН3 + S

(СН2)2

N-Метилглиции (Саркозин)

HjN^H СООН

S-Адеиозилгомоцистеин

Интересная реакция осуществляется по радикалу треонина. Она состоит в отщеплении радикала в виде ацетальдегида. Эта реакция ускоряется специфическим ферментом—треонинальдолазой, открытым А. Е. Браунштейном и Г. Я. Виленкиной (1951). Простетической группой его является пиридоксаль-фосфат. В качестве второго продукта расщепления треонина идентифицирован глицин:

сна

сн-он

СН—NH,

соон

> Треоняоя

Треояттальдолш

(L-треоятт: ацеталадсги-лмм)

сн.

+ I

СН,—NH,

Ацепль-

легмд

соон

Глкцвя

Кроме реакций, приводящих к синтезу одних аминокислот из других, по радикалам аминокислот известно много других превращений (окисление, метилирование и т. п.). Часто эти реакции сочетаются с процессами декарбоксилирования и дезаминирования аминокислот. В результате (особенно из циклических аминокислот) возникают разнообразные вещества, многие из которых обладают сильным физиологическим действием. Так, например, из тирозина образуется гормон адреналин (см. гл. XII). Триптофан служит источником образования никотиновой кислоты (витамин РР) и индолилуксусной кислоты (ростовое вещество); цистеин—меркаптуровых кислот (обезвреживание ароматических соединений); аргинин—аргининфосфата и других гуанидин-фосфатов (макроэргические соединения).

Таким образом, в процессе превращений аминокислот возникает серия соединений, принимающих участие в регуляции обмена веществ в организме.

271

Это обстоятельство еще раз подчеркивает ведущую роль белкового обмена в общем обмене веществ организма.

Конечные продукты распада аминокислот. Как было отмечено выше, в результате распада аминокислот возникают С02, NH3, амины, кетокислоты и в ряде случаев еще достаточно сложные вещества, относящиеся к тем или иным классам органических соединений. Все они, за исключением С02 и NH3, подвергаются в конце концов дальнейшей деструкции. Амины путем окислительного дезаминирования превращаются в карбоновые кислоты:

Моноамино-

F-CHa -f- Н20 + Oa -- R-C4 + NH3 + HjO.

I оксндаэа >Д

NH,

Альдегид- A®

R—Cv + H20 + НАД+-->¦ R_CV + НАДН + H+

Xpj легидрогенаэа OH

Аналогично идет реакция окислительного дезаминирования диаминов при посредстве диаминоксидазы.

Кетокислоты и карбоновые кислоты, возникающие в результате распада аминокислот, постепенно окисляются, образуя С02 и Н20 (см. с. 356). Точно так же в С02, NH3 и Н20 превращаются все остальные органические вещества, являющиеся продуктами распада аминокислот в организме. Таким образом, конечными продуктами распада аминокислот являются Н20, С02 и NH3. Вода поступает в общий метаболический фонд, оксид углерода (IV) беспрепятственно выводится из организма и лишь судьба аммиака нуждается в специальном рассмотрении.

Только, у некоторых обитателей гидросферы (медицинская пиявка, крабы, речной рак, беззубка, каракатица и др.) NH3 непосредственно или в виде солей аммония выводится в окружающую среду. У подавляющего большинства растительных и животных видов аммиак, уже в небольших концентрациях оказывающий вредное влияние на жизнедеятельность организмов, переводится в безвредные для биологических форм азотистые соединения. К их числу относятся аспарагин, глутамин и мочевина. У многих животных, особенно позвоночных, последняя служит для выведения обезвреженного аммиака.

Полагают, что аспарагиновая и глутаминовая кислоты осуществляют первичное связывание NH3 в момент его образования в клетке. Взаимодействие аммиака с этими кислотами, в результате чего возникают амиды—аспарагин и глутамин, ускоряется специфическими ферментами. Оба фермента—аспарагинсинте-таза и глутаминсинтетаза—принадлежат к классу лигаз, в частности к подклассу лигаз, ускоряющих реакции образования С—N-связей, и среди них—к подпод-классу кислотоаммиачных лигаз (амидосинтетазы). Так как необходимым условием деятельности лигаз является сопряженный с реакцией синтеза процесс распада АТФ, то уравнение реакции биосинтеза аспарагина имеет такой вид:

|N)H |4NHa

I Аспарагинсинтетаэа

СН» + АТФ + NH3 -«- АДФ + Н3РО, + СНа

I (L-аспартат: I

СН—NH, аммиак-iwrasaj CH-NH,

соон соон

Асшрагиноаяя Аспарагин кислота

272

\

Аналогично идет реакция биосинтеза глутамина при участии глутаминсин-тетазы (Ь-глутамат:аммиак-лигаза).

Реакции образования аспарагина и глутамина особенно широко представлены в растительном царстве. Однако и у животных эти амиды возникают не столь редко: синтез аспарагина доказан в жировом теле насекомых, а синтез глутамина—в мышцах, мозгу, печени и почках млекопитающих, а также гемолимфе насекомых. В тканях млекопитающих синтез аспарагина идет из глутамина, амидная группа которого переносится на у-карбоксильную группу аспарагиновой кислоты при участии глутаминзависимой аспарагинсинтетазы сопряженно с распадом АТФ на АМФ и пирофосфат.

Амидирование аспарагиновой и глутаминовои кислот может происходить и в том случае, если они находятся в связанном состоянии, например, в составе белковой молекулы. Как известно, радикалы аминокислот, входящих в полипептидную цепь белка, свободны и по ним легко осуществляются те или иные химические реакции. Одной из таких реакций является амидирование белков:

Hi—NH—СН—СО—]-—[—NH—СН—СО—N Н—СН—СО—N Н—СН-СО—]—I—NH—СН—СО—1-^—ОН

к' 1щ к" (сн2)2

с^ <И° N)H \эн

Белок

^-2л NH3 + 2л АТФ

2п АДФ + 2л Н3Р04

Н [-N Н—(рН—СО—)j—[—NH—СН—СО—NH—СН—СО—NH—СН—СО—)-—I—NH—СН—СО—]р—ОН

R' СН, К" (CHjb

NNHa Nffl, Амидированный белок

Следовательно, не только свободные аспарагиновая и глутаминовая кислоты, но и белки организма могут быть акцепторами NH3. Тем самым обеспечивается немедленное связывание аммиака в любой точке, где он возникает в результате обмена веществ. Вместе с тем амидирование белков представляет процесс посттрансляционной (см. с.301) модификации белков, в результате которой полностью завершается их синтез. Различная степень посттрансляционного амидирования является одним из источников микрогетерогенности белка.

Мочевина—основной конечный продукт белкового обмена у многих животных (дождевой червь, слизень, акула, лягушка, черепаха и все млекопитающие). Ее биосинтез у высших животных происходит в печени, на что впервые в конце прошлого столетия обратили внимание М. В. Ненцкий и И. П. Павлов. В печени найдены все необходимые для этого ферменты. У животных, не способных синтезировать мочевину (рептилии, птицы), печень не обладает соответствующим ферментативным аппаратом. Новообразование мочевины идет также в растениях. Путь ее возникновения у животных и растений одинаков и состоит в следующем. Из NH3, С02 и АТФ при каталитическом воздействии фосфотрансферазы (карбаматкиназа) синтезируется карбамилфос-форная кислота. Механизм этой реакции рассмотрен ранее (см. с. 235). При участии другой трансферазы (орнитин-карбамилтрансфераза) карбаминовая

т

273

группировка переносится от карбамилфосфата на б-аминогруппу орнитина, который всегда присутствует в организме, так как легко возникает при гидролизе аргинина. В результате этой реакции синтезируется цитруллин:

H,N

NH. + (CH,),

о-р=о сн_;

' он

| \Л1-•

он соон

NH,

Ораати1->|р0а> милтравсфериа

¦(¦рЧнитфоефат

Орн

NH,

С=0 + НаРО* NH

CH-NH,

соон Цктрулляя

Далее в действие вступают еще два фермента, обеспечивающие введение в карбаминовую (H2N—С—NH—) группировку цитруллина еще одного атома \ Д '

азота и превращение ее в гуанидиновую группировку (H2N—С—NH—),

V ii /

т. е.

NH

переход цитруллина в аргинин.

Донором аминогруппы в этом превращении служит аспарагиновая кислота, а промежуточным соединением на пути от цитруллина к аргинину — аргинин-янтарная кислота:

С=0 I

NH +

(СН2)3

CHNH2

СООН Цитруллин

NH

:оон

H2N-CH

lh2 соон

АТФ:

а ргянтоеукпинят-еиитемэа

NH

(сн2)3

Аспараги

новая ¦ кислота

NHa

C=NH

Г

«[н2)3

JHNHj ООН Аргинин

CHNHj СООН

СООН Фумаровая кнслота

^Н^

+ АМФ + H4Ps07 СООН Пирофосфат

Аргинин-янтарная

кислота (аргининосукцниат)

Заключительной реакцией в биосинтезе мочевины является гидролиз аргинина и образование орнитина и мочевины. Получающийся при этом ор-нитин вновь вступает во взаимодействие с карбамилфосфатом, и все перечисленные выше реакции повторяются снова. Поэтому совокупность указанных реакций, приводящих к образованию мочевины в качестве одного из звеньев, включающих высвобождение и вовлечение снова в процесс орнитина, получила название орнитинового цикла (рис. 91).

274

COj + NH3 + АТФ Н,_Р0Ф t, Карбаматкиназа j

HjN—

Цитруллин^

АспарагиноВая

кислота

АТФ

Мочевина

Аргинин

Аргинин-янтарная Пирофосфат Г кислота т

Фумаровая кислота

Рис. 91. Орнитиновый цикл (пояснение в тексте)

Фумаровая кислота, как мы увидим ниже, легко превращается в щавелево-уксусную кислоту, которая путем переаминирования либо аминирования переходит снова в аспарагиновую кислоту. Следовательно, с одной стороны, акцептируется молекула NH3, а с другой—возобновляются запасы аспарагиновой кислоты, участвующей в функционировании орнитинового цикла. Самое важное состоит в том, что в результате деятельности орнитинового цикла из каждых двух молекул NH3 и одной молекулы С02, освобожденных в результате распада аминокислот (или других соединений), строится одна молекула мочевины.

Новообразование аминокислот. Выше уже было рассмотрено новообразование аминокислот в природе путем их переаминирования с кетокислотами, т. е. превращение одних аминокислот в другие. Однако в обоих случаях исходным продуктом служат уже готовые аминокислоты, которые лишь тем или иным способом видоизменяются, т. е. получаются путем вторичного синтеза из предсуществующих аминокислот. Значит, оба эти процесса не решают проблему первичного синтеза аминокислот в организме. Он осуществляется восстановительным аминированием кетокислот и прямым аминированием непредельных кислот.

Прямое аминирование непредельных кислот представляет довольно редкую реакцию и свойственно в основном бактериям и растениям. Хорошо изучено прямое аминирование фумаровой кислоты; оно ускоряется специфическим ферментом—аспартат-аммиак-лиазой и идет в соответствии со следующим уравнением:

соон соон

сн SET HC-NH2

|| +NH3 ¦ ¦ I

СН лиаза LH2

соон соон

Фумаровая кислота

Аспарагиновая кислота

Реакция обратима и в известных условиях служит для дезаминирования аспарагиновой кислоты. Иммобилизованная аспартат-аммиак-лиаза нашла (см. с. 144) применение для промышленного получения L-аспарагиновой кислоты. Значительные количества аспарагиновой кислоты синтезируются также путем переаминирования щавелевоуксусной кислоты с глутаминовои кислотой.

275

Восстановительное аминирование представляет главный путь новообразования аминокислот. Эта реакция есть обращение окислительного дезаминирования аминокислот. Ее уравнение приведено на с. 265. Если его прочесть справа налево, то это и будет уравнение реакции восстановительного аминирования а-кетоглутаровой кислоты.

Другой кетокислотой, подвергающейся активно восстановительному ами-нированию, является пировиноградная кислота:

В принципе, возможно восстановительное аминирование любой кетокислоты. Однако активность всех природных дегидрогеназ аминокислот, за исключением глутамат- и аланиндегидрогеназы, ничтожна, поэтому синтез всех остальных протеиногенных аминокислот путем восстановительного аминирования практического значения не имеет. Только аланин и глутаминовая кислота возникают таким способом из пировиноградной и а-кетоглутаровой кислот, являющихся нормальными промежуточными продуктами распада углеводов и жирных кислот.

Следовательно, к первичной аспарагиновой кислоте, синтезируемой путем прямого аминирования, добавляются еще две первичные аминокислоты — аланин и глутаминовая кислота, образующиеся в результате восстановительного аминирования. Остальные аминокислоты образуются в результате реак-

, ций переаминирования перечисленных аминокислот с соответствующими ке-токислотами, возникающими в процессе обмена веществ, а также путем превращения одних аминокислот в другие (рис. 92). Поэтому аланин, ас-парагиновую и глутаминовую кислоты называют первичными аминокислотами, а все остальные—вторичными.

Растительные и животные организмы резко отличаются друг от друга по

v способности синтезировать аминокислоты. В растениях осуществляется беспрепятственный синтез самых разнообразных аминокислот. Здесь создаются не только все 18 аминокислот, постоянно встречающихся в белках, но и огромное число так называемых «экзотических» аминокислот. Некоторые из них иногда находят в составе белков. В растениях сейчас обнаружено несколько сотен аминокислот, и список их возрастает с каждым годом. Часто та или иная аминокислота присутствует в растениях строго определенного вида и ее наличие может служить надежным таксономическим признаком.

В отличие от этого животные синтезируют далеко не все аминокислоты. Из 18 постоянно встречающихся в белках аминокислот в животном организме синтезируется в среднем только половина их, а остальные—не синтезируются. Первые (синтезируемые) называются заменимыми аминокислотами, вторые (несинтезируемые)—незаменимыми. Между различными видами животных есть некоторые отличия в наборе з