?

?2?—С—?—СН2—СН2—СН2—СН—СООН +

О

??2

цитруллин

Mg'

г2+

+ НООС—СН2—СН—СООН + АТР

СН2

СООН аргининоянтарная кислота

Аргнипносукцинат-синтетаза была получена в частично очищенном виде из печени млекопитающих. В опытах, в которых был ис-

900

III. МЕТАБОЛИЗМ

пользован цитруллин, меченный 180 по уреидной группе, было установлено, что происходит перенос меченного кислорода в освобождающийся AMP; это позволяет предполагать, что в ходе реакции образуется связанный с ферментом аденилилцитруллин. Аргинино-сукцинат расщепляется аргининосукциназой с образованием аргинина и фумаровой кислоты:

аргининоянтарнэя кислота < > ?

4=fc HaN—С— ?—СН„—СН2—СН2—СН—СООН + НССООН

II I II

N NH2 HOOCCH ?

аргинин фумаровая кислота

Эта реакция не является ни гидролитической, ни окислительной; она легко обратима. Фермент широко распространен в природе; он имеется в почках, печени и мозге и был получен в кристалличе-ческом виде из бычьей печени.

Группа реакций, приводящих к включению ??3 в состав цит-руллина, осуществляется в митохондриях, а последующие стадии синтеза аргинина происходят в цитозоле.

Поскольку орнитин получает свою ?-амнногруппу в результате переаминирования от глутамата (разд. 21.4.2.5), а аспартат также получает аминогруппу от глутамата, очевидно, что два из трех атомов азота гуанидиновой группы аргинина имеют своим источником глутаминовую кислоту. Третий атом азота поставляется карбамоилфосфатом; однако этот азот может также в конечном счете поставляться глутаматом либо в результате действия глутаматдегидрогеназы, либо через глутамин (разд. 21.4.2.1). Образующаяся в аргининосукцинатной реакции фумаровая кислота может быть гидратирована в малат (последний, как известно, окисляется до оксалоацетата в цикле лимонной кислоты). Далее оксалоацетат в результате переаминирования переходит в аспартат, а последний вновь вступает в цепь реакций синтеза аргинина.

21.4.4. Синтез мочевины

Гидролиз аргинина является источником мочевины — нейтрального, нетоксичного соединения, которое переносится через кровь в почки и экскретируется с мочой как главный конечный продукт азотистого метаболизма у млекопитающих. Хотя аргинин имеется во всех клетках животного организма, образование мочевины происходит почти исключительно в печени — единственном органе, который содержит аргиназу. Очень незначительный синтез мочеви-

21. МЕТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ. II

901

ны может происходить также в почках и в мозге, но вклад этих органов в общий балаас, по-видимому, весьма незначителен:

? аргиназ'! ?,?—С—?—СН2—СН2—СН„—СН—СООН —., * II I ЩО

?? ??2

аргинин

-»¦ H2N—СН2—СН2—СН2—СН—СООН + ?2?—С—??2

I II

??2 О

орнитин мочевина

Аргиназа (М 120 000) состоит из четырех субъединиц, с каждой из которых связан один атом Мп2+. Орнитин — второй продукт приведенной выше реакции — может функционировать в циклическом режиме. При взаимодействии с карбамоилфосфатом он образует цитруллин (первая реакция в последовательности, ведущей к образованию мочевины).

Рассмотренный выше процесс образования мочевины можно представить схематически в виде последовательности ??3—нсарб-амоилфосфат—^цитруллин—>-,аргинин—>-мочевина. Энергия для синтеза мочевины поступает за счет двух молекул АТР, обеспечивающих синтез карбамоилфосфата, и одной молекулы АТР, используемой при синтезе аргининоянтарной кислоты. Поскольку в последнем случае отщепляется пирофосфат (АТР—>-???+???), который затем гидролизуется пирофосфатазой (РР|+НгО—>-2??), всего для синтеза мочевины необходимо четыре богатых энергией фосфатных эквивалента.

Азотистые соединения мочи у взрослого человека, находящегося в состоянии азотистого равновесия, можно разделить на три класса: 1) большое число различных соединений, секретируемых ежедневно в небольшом, но относительно постоянном количестве, например креатинин, мочевая кислота и ?'-метнлникотинамнд; 2) ??3, экскреция которого является функцией кислотно-основного баланса; образование его в почках и экскреция обеспечивают удаление избыточных протонов (гл. 35); 3) мочевина, количество которой определяется разностью между количеством азота, полученного с пищей, и количеством азота в других приведенных выше экскретируемых соединениях. При положительном азотистом балансе экскреция мочевины уменьшается; если происходит увеличение экскреции азота вследствие повышения распада белков организма, повышение азота мочи происходит за счет мочевины. Таким образом, образование и экскреция мочевины являются тем регулирующим механизмом, с помощью которого поддерживается азотистое равновесие.

Редкие наследственные заболевания аргининосукцинатурия и цитруллинурия характеризуются высоким уровнем в крови и экс-

902

III. МЕТАБОЛИЗМ

крецией с мочой аргининосукцината и цитруллина соответственно. Оба заболевания ведут к задержке умственного развития. Несмотря на то что оба экскретируемых вещества являются промежуточными соединениями орнитинового .цикла (разд. 21.4.3.5), выделение мочевины остается практически нормальным. В связи с этим предполагают, что эти врожденные заболевания обусловлены недостатком специфических изоферментов мозга, которые в норме участвуют в синтезе мочевины, а именно фермента, катализирующего конденсацию цитруллина с аспарагиновой кислотой, приводящую к образованию аргининоянтарной кислоты, и фермента, расщепляющего последнюю.

21.5. Общие аспекты метаболизма аминокислот

Метаболизм аминокислот у бактерий, находящихся в логарифмической фазе роста на богатой питательной среде, и у млекопитающих значительно различается. Бактерии акцептируют из среды в требуемом количестве аминокислоты, необходимые для максимального синтеза белка. У бактерий происходит лишь незначительная деградация белка, и .потребление аминокислот из среды соответствует сумме аминокислот, включенных в белок и использованных для синтеза различных азотистых соединений, присущих этим организмам. В окружающую среду возвращается либо немного азота, либо он вообще не возвращается (за исключением азота, входящего в состав гидролитических ферментов, иногда выделяемых клеткой в среду).

В организме млекопитающих ситуация другая. На всех стадиях существования человеческого организма происходит постоянный приток и уход азотистых соединений. Аминокислоты и (в меньшем количестве) другие азотистые соединения поступают в организм и подвергаются превращениям, продукты их метаболизма экскретируются с мочой и фекалиями. В период младенчества и детства, а также при выздоровлении после тяжелых заболеваний поступление азота превышает выделение (положительный ,азотистый баланс); противоположная ситуация может превалировать в старости в период голодания (относительно недолго) или же в течение некоторых истощающих заболеваний (отрицательный азотистый баланс). Однако даже в период младенчества или старости ежедневное отклонение от азотистого равновесия обычно невелико; количество задерживаемого или избыточно выводимого азота составляет лишь небольшую долю всего метабо-лизируемого азота.

Аминокислоты, поступающие с пищей или из эндогенных источников, используются далее по одному или нескольким следующим путям: 1) включение в белки; 2) включение в состав неболь-

21. МЕТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ. II

9СЗ

ших пептидов; 3) обеспечение азотом синтеза «заменимых» аминокислот; 4) использование для синтеза азотистых соединений, не являющихся аминокислотами; 5) удаление аминогруппы (с последующим образованием мочевины) и окисление образующейся сс-кетокислоты.

Последний процесс характеризует «решение» организмом млекопитающего задачи, обусловленной вариабельностью поступающих белков (а следовательно, и набора аминокислот). Птицы и акулы экскретируют другие продукты (мочевую кислоту и ??3 соответственно), при этом, однако, решается та же задача — устранение избытка азота, полученного организмом.

Для животных характерна определенная потребность в отношении ежедневного потребления общего количества азота и каждой из незаменимых аминокислот. Если животные получают диету, содержащую достаточные количества незаменимых аминокислот и витаминов и обеспечивающую организм необходимым количеством калорий, то у молодых животных наблюдается максимальный рост, а взрослые животные находятся в состоянии азотистого равновесия. Удаление из диеты какой-либо одной из незаменимых аминокислот (или же всех их) быстро приводит к отрицательному азотистому балансу, выражающемуся в ежедневной потере 4—5 г азота. Эта ответная реакция связана, по-видимому, с функционированием тех ферментных систем, которые постоянно катализируют синтез ряда азотистых соединений, таких, как пурины, пиримидины, никотиновая кислота, креатин и др. Активности всех этих ферментных систем, по-видимому, регулируются (причем каждая из них имеет свою ключевую стадию); они получают азот из общего аминокислотного пула независимо от того, какие аминокислоты поступают с пищей. Если одна из незаменимых аминокислот исключается из диеты (в экспериментальных условиях), она, однако, сохраняется в пуле аминокислот, поскольку определенное количество белка (сывороточный альбумин, пищеварительные ферменты, гормоны) постоянно подвергается гидролизу, а определенные освобождающиеся аминокислоты используются соответствующими ферментами для синтеза необходимых метаболитов (например, для синтеза никотиновой кислоты необходим триптофан, разд. 23.2.15). Характер превращений остальных аминокислот при этом не изменяется. Отрицательный азотистый баланс, обусловленный отсутствием в диете одной из незаменимых аминокислот, будет характеризоваться примерно такими же параметрами, как и при отсутствии всех незаменимых аминокислот.

Максимальный отрицательный азотистый баланс наблюдается при голодании. Это обусловлено главным образом не необходимостью в синтезе азотистых соединений, а тем обстоятельством, что освобождающиеся при гидролизе белков определенные аминокислоты используются для обеспечения энергетических потребностей

904

III. МЕТАБОЛИЗМ

организма. Это те аминокислоты, при окислении углеродных цепей которых может происходить образование АТР, т. е.