Метаболизм белков

1. Пути распада белков.  2. Химические свойства аминокислот. 3. Распад и синтез аминокислот. Метаболизм белков Белки — биополимеры 22 природных аминокислот со специфической структурой. Белковый   обмен   —   стержневой   процесс   среди   многообразных   превращений веществ, свойственных живой материи. С точки зрения материалистической диалектики само явление жизни  в  определенной степени представляет собой «способ существования белковых тел», которые непрерывно самообновляются, непрерывно строят себя из веществ окружающей   среды.   Поэтому  в живой природе  весь  ход обмена веществ  подчинен главной цели — воспроизведению белковых тел. Все другие виды обмена — углеводный, липидный, нуклеиновый, минеральный и пр. — обслуживают обмен белков, специфический биосинтез белка.  Углеводный обмен является в основном источником углеродных цепей в биосинтезе аминокислот — исходных соединений для новообразования белков.  Обмен   жиров   обеспечивает   энергией,   необходимой   для   образования   пептидных связей.  обмен   нуклеиновых   кислот   обеспечивает   хранение   и   передачу   информации   о расположении   аминокислотных   остатков   во   вновь   синтезируемых   белковых   молекулах, обслуживая специфическое воспроизведение уникальной структуры протеинов.  Минеральный обмен способствуют образованию или распаду ферментных систем, при посредстве которых идет синтез белка,  или  созданию и разрушению субклеточных частиц и структур, на которых этот синтез осуществляется.  Следовательно, сложные процессы превращения веществ и трансформации энергии в живом веществе обслуживают главным образом обмен белковых тел. Последний, в свою очередь, так регулирует упомянутые превращения, что создает оптимальные условия для своего собственного осуществления. Пути распада белков. Главный, но возможно не единственный путь распада белков в   организме   —   гидролиз.   Гидролитический   распад   белков   протекает   в   любой   клетке организма   в   основном   в   специальных   субклеточных   элементах—лизосомах,   где сосредоточены   гидролитические   ферменты   и   где   осуществляется   деструкция высокомолекулярных  веществ до низкомолекулярных  метаболитов.  Определенная часть ферментов,   ускоряющих   распад   белков,   есть   в   цитозоле   клетки,   а   некоторые   из   них секретируются, обеспечивая внеклеточное переваривание белков.  В ряде органов и тканей (пищеварительная система животных, запасающие органы растений и т. п.) гидролиз белков осуществляется с огромной интенсивностью.  Например,   в   печени   крысы   ежедневно   распадается   около   40%   белков,   а   время полужизни белков важнейших субклеточных структур (ядро, рибосомы, митохондрии) и цитозоля   составляет   около   5   суток,   есть   короткоживущие   (сутки   и   менее)   и   более длительно существующие (до двух­трех месяцев) белки и ферменты. В последние годы выяснено, что время полужизни белка в клетке детерминировано природой его  N­концевой аминокислоты. Если она легко соединяется с небольшим (М = 8500   Да,   74   аминокислотных   остатка,   первичная   структура   установлена)   белком   — убиквитином по АТФ­зависимой реакции, то такой убиквитинированный белок атакуется протеиназами и разрушается. Наиболее подвержены убиквитинированию (перечислены в порядке убывания)  арг, лиз, асп, асн, три, лей, фен, гис, глу, тир, глн, иле.  N­концевые аминокислоты, менее подверженные реакции с убиквитином (мет, сер, ала, тре, вал, гли, цис), относят к стабилизирующим гидролитический распад белков. Подсчитано, например, что   время   полужизни   цитоплазматических   белков,   имеющих   в   качестве  N­концевой 1 аминокислоты арг, составляет 2 мин, асп, лиз, лей и фен — 3 мин, про — 7 мин, глн и тир — 10 мин, глу и иле — 30 мин, гли, ала, сер, вал, тре и мет — 20 ч. Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до аминокислот). При частичном (неполном) гидролизе в белковой молекуле распадаются лишь некоторые пептидные связи со строго определенными аминокислотными радикалами. Этот процесс ускоряется специфическими ферментами — протеиназами (пептидил­пептидгидролазами). Свободные аминокислоты являются конечным продуктом гидролиза белков.  Механизм   действия   пептидгидролаз   в   ряде   случаев   изучен   детально.   Роль Протеиназы   в   организме   при   фрагментировании   белковых   молекул   до   пептидов   с возникновением   функционально   активных   белков   и   многие   биологически   активных пептидов, в том числе гормонов, рилизинг­факторов, психотропных пептидов и т. п.  Это имеет значение для регуляции обмена веществ т.е протеолиз  выступает как особая   форма   биологического   контроля,   однонаправленно   обеспечивающего   инициацию определенного физиологического процесса. Химические свойства аминокислот.  Классификация  аминокислот разработана на основе   химического   строения   радикалов.   Различают   циклические   и   алифатические (ациклические)  аминокислоты. По числу аминных и карбоксильных групп аминокислоты разделяют на: 1 – моноаминомонокарбоновые (глицин, аланин, лейцин и др.); 2 – диаминомонокарбоновые (лизин, аргинин); 3 ­  моноаминодикарбоновые (аспарагиновая и глутаминовая кислоты); 4­  диаминодикарбоновые (цистин). По   характеру   заряженности   боковых   радикалов,   их   полярности   аминокислоты классифицируют на: 1 – неполярные, гидрофобные (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, пролин, фенилаланин, триптофан, тирозин); 2 –  полярные, незаряженные  (серин, треонин, метионин, аспарагин, глутамин, цистеин); 3   ­   кислоты,);  полярные,   отрицательно   заряженные  (аспарагиновая   и   глутаминовая 4 – полярные, положительно заряженные (лизин, аргинин, гистидин). α ­аминокислотах можно выделить: В  Анионные группы:  ­СОО­ ; Катионные группы : ­NH3 +; =NH+ ; ­NH­C=NH+ 2;                                                                     NH2 Полярные незаряженные группы: ­ОН; ­СОNH2; ­SH; Неполярные   группы:   ­СН3,   алифатические   цепи,   ароматические   циклы (фенилаланин, тирозин и триптофан содержат ароматические циклы). Пролин в отличие от других 19 аминокислот  не аминокислота, а иминокислота, радикал в пролине связан как с  α ­углеродным атомом, так и с аминогруппой:                                  α                     NH – CH – COOH                H2C        CH2            2 CH2                                    Аминокислоты   различают   по   их   растворимости   в   воде.   Это   связано   со способностью радикалов взаимодействовать с водой (гидрироваться). К гидрофильным относят радикалы, содержащие анионные, катионные и полярные незаряженные функциональные  группы. К гидрофобным относят радикалы, содержащие метильные группы, алифатические цепи или циклы. Пептидные  связи  соединяют  аминокислоты  в  пептиды.    α ­карбоксильная α ­аминогруппой   другой   аминокислоты   с группа   одной   аминокислоты   реагирует   с   образованием пептидной связи.  NH2­CH­COOH   + NH2­CH­COOH                    NH2­CH­CO­  NH­CH­COOH                      R1                             R2                                            R1                  R2 N­конец                                                                            пептидная связь          С­конец                                                                         Полипептидные   цепи   белков   представляют   собой   полипептиды,   т.н.   линейные α ­аминокислот,   соединенных   пептидной   связью.   Мономеры   аминокислот, полимеры   входящих   в   состав   полипептидов,   называются  аминокислотными   остатками.     Цепь повторяющихся групп –NH­CH­CO­ называется  пептидным остовом. Аминокислотный остаток,   имеющий   свободную   N­концевым,   а   имеющий свободную  α ­карбоксильную группу – С­концевым. α ­аминогруппу,   называется   Пептиды пишутся и читаются с N­конца! Пептидные   связи   очень   прочные,   и   для   их   химического   неферментативного гидролиза требуются жесткие условия: высокие температуры и давление, кислая среда и длительное время. В   живой   клетке,   где   нет   таких   условий,   пептидные   связи   могут   разрываться   с помощью протеолитических ферментов, называемых протеазами или пептидгидролазами. Наличие   пептидных   связей   в   белке   можно   определить   с   помощью   биуретовой реакции. Свободное вращение в пептидном остове возможно между атомом азота пептидной группы   и   соседним   ­углеродным   атомом   и углеродом карбонильной группы. Благодаря этому линейная структура может приобретать более сложную пространственную конформацию. α ­углеродным   атомом,   а   также   между   α Пептиды — органические молекулы, в состав которых входит несколько остатков аминокислот,   связанных   пептидной   связью.   В   зависимости   от   количества   остатков аминокислот и молекулярной массы различают: Низкомолекулярные   пептиды,   содержащие   в   своем   составе   от   двух   до   десяти остатков аминокислот. Например, ди­, три­, тетра­, пента­пептиды и т. д. Пептиды со средней молекулярной массой — от 500 до 5000 Д, так называемые  «средние молекулы». Высокомолекулярные пептиды с молекулярной массой от 5000 до 16000 Д. Биологическое значение пептидов. Пептиды обладают значительной биологической активностью, являясь регуляторами ряда процессов жизнедеятельности. В зависимости от характера действия и происхождения пептиды делят на несколько групп: Пептиды­гормоны: например, вазопрессин, окситоцин, глюкагон, кальцитонин,  рилизинг­факторы и др.; Пептиды, участвующие в регуляции пищеварения: гастрин, секретин,  панкреатический полипептид (ПП), вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП) и др.; 3 Пептиды крови: глутатион, ангиотензин, брадикинин, каллидин и др.; Нейропептиды: пептиды памяти, пептиды сна, эндорфины, энкефалины и др.; Пептиды, участвующие в сокращении мышц: анзерин, карнозин; Пептиды   «средние   молекулы»   —   внутренние   эндотоксины   ,   образующиеся   в организме в результате различных патологических процессов, обусловливающих тяжесть протекания заболевания. Свободные   аминокислоты,   возникающие   в   результате   гидролитического   распада белков, используются в основном для ресинтеза белковых тел и лишь некоторая их часть подвергается дальнейшей деструкции.  Распад   и   синтез   аминокислот.   Часть   свободных   аминокислот,   возникших   при гидролизе белков и пептидов, преобразуется либо в другие аминокислоты, либо в более простые соединения, выводимые из организма. Известны три типа реакций аминокислот в организме: по  α ­аминогруппе, карбоксильной группе и радикалу аминокислоты. α ­аминогруппе Реакции   по   .   однотипны   у   всех   аминокислот,   это   в   основном реакции дезаминирования и переаминирования. Столь же однообразен набор химических процессов   по   карбоксильной   группе   аминокислот:   это   главным   образом декарбоксилирование   и   образование   аминоациладенилатов.   В   отличие   от   первых   двух типов превращений аминокислот преобразования в радикалах аминокислот исключительно разнообразны,   многочисленны   и,   как   правило,   уникальны   для   каждой   отдельной аминокислоты. Наконец, есть тип превращений аминокислот, который состоит в образова­ нии   пептидной   связи   между   сильной группой другой. Он осуществляется  сложным путем и приводит к синтезу пептидов  и белков. Здесь рассматриваются лишь первые три типа превращений аминокислот, а синтез из них пептидов и белков—ниже, в этой же главе. α ­аминогруппой   одной   аминокислоты   и   карбок Реакции по аминогруппе. Дезаминирование. Оно может идти четырьмя путями: Все   перечисленные   реакции   осуществляются   в   организмах   и   каждая   из   них ускоряется специфическим ферментом; однако распространение их в природе совершенно различно: очень широко распространена 1­я реакция, а остальные три встречаются крайне редко, лишь у отдельных групп организмов. Наиболее   рапротсраненной   в   клетках   является   окислительное   дезаминирование. Процесс   этот   осуществляется   в   две   стадии.   Сначала   аминокислота   окисляется   в иминокислоту при участии специфической дегидрогеназы с НАД+ или НАДФ+ в качестве кофермента   и   акцептора   водорода.   Затем   иминокислота   спонтанно   гидролизуется   на кетокислоту и аммиак: 4 Обе реакции обратимы, и таким путем из  α ­кетоглутаровой кислоты и аммиака в организме образуется глутаминовая кислота. Реакция переаминирования между L­аминокислотами и  α ­кетоглутаровой кислотой обратима, поэтому при определенных условиях она служит для синтеза L­аминокислот из кетокислот и глутаминовой кислоты.  Реакции по карбоксильной группе. Превращения аминокислот по СООН­группам сводятся   в   основном   к   декарбоксилированию   и   образованию   амино­ациладенилатов   и процесс идет по схеме: В   подавляющем   большинстве   случаев   продуктами   декарбоксилирования аминокислот   являются   амины.   Так   как   они   образуются   в   качестве   продуктов жизнедеятельности   и   обладают   высокой   физиологической   активностью,   их   называют биогенными аминами. При декарбоксилировании гистидина возникает гистамин: Он вызывает усиление деятельности желез внутренней секреции и снижает кровяное давление. При   декарбоксилировании   тирозина   и   триптофана   образуются   соответственно тирамин и триптамин: Последний легко переходит в 5­окситриптамин (серотонин) — соединение, обла­ дающее многогранным физиологическим действием, имеющее, в частности, отношение к возникновению болевых ощущений при воспалительных процессах. Декарбоксилирование лизина и аргинина сопровождается образованием кадаверина и агматина: В   последнее   время   важное   значение   придают   тетраметилендиамину   (путрёсцин), возникающему при декарбоксилировании аминокислоты — орнитина: 5 Тетраметилендиамин   служит   в   организме   исходным   соединением   для   синтеза спермидина   и   спермина.   Оба   эти   вещества   —   полиамины,   обеспечивающие   наряду   с диаминами   определенные   структурные   особенности   и   функциональную   активность рибосом. При   декарбоксилировании   глутаминовой   кислоты   образуется   ­аминомасляная γ кислота: Она   накапливается   в   мозговой   ткани   и   представляет   собой   нейрогуморальный ингибитор. Аналогично этому из аспарагиновой кислоты получается  ­аланин: β Он принимает участие в синтезе пантотеновой кислоты. Превращения   аминокислот,   связанные   с   реакциями   по   радикалу.  По   своей химической   природе   радикалы   аминокислот   исключительно   разнообразны,   что   служит материальной основой для многообразия присущих им химических реакций.  Важнейшим   типом   превращений   аминокислот,   протекающих   с   видоизменением радикалов, является переход одних аминокислот в другие. Благодаря этому в организме значительно усиливаются возможности для синтеза аминокислот.  При окислении фенилаланина образуется тирозин:  Гидролиз аргинина приводит к образованию аминокислоты — орнитина: Из   последнего,   в   свою   очередь,   возникает   либо  глутаминовая   кислота,  либо прелин: 6 Окислительно­восстановительные   процессы   легко  протекают  по  серосодержащим радикалам цистеина и цистина,  благодаря чему эти две аминокислоты переходят друг в друга;   химизм   этой   реакции   аналогичен   окислению   глутатиона,  а   ускоряется   она цистеинредуктазой. При исчерпывающем окислении тиоловой группы цистеина последний переходит в цистеиновую кислоту, которая, декарбоксилируясь, дает начало таурину: Последний,   соединяясь   с   желчными   кислотами,   например   холевой   кислотой, принимает участие во всасывании жиров. Большое   распространение   имеет   реакция  диметилирования  метионина.  Она осуществляется   при   каталитическом   воздействии  метилтрансферазы.  Метионин   — универсальный поставщик метальных групп в реакциях трансметилирования. При этом он переходит сначала в «активный метионин», соединяясь с АТФ:  Реакция ускоряется специфическим ферментом АТФ: L­метионин — S­аденозил трансферазой (М = 100 000, оптимум рН9,5). Далее   метильная   группа   от  S­аденозилметионина   передается   соединению,   которое подвергается метилированию. Пример: уравнение реакции метилирования глицина: 7 В результате различных рекций по радикалу образуются разнообразные вещества, многие из которых обладают сильным физиологическим действием: из тирозина образуется гормон адреналин.  триптофан  служит источником образования никотиновой кислоты  (витамин  РР)  и индолилуксусной кислоты (ростовое вещество);  цистин — меркаптуровых кислот (обезвреживание ароматических соединений);  аргинин  —  аргининфосфата  и   других   гуанидин­фосфатов   (макроэргические соединения). Таким образом, в процессе превращений аминокислот возникает серия соединений, принимающих участие в регуляции обмена веществ в организме. Это обстоятельство еще раз подчеркивает ведущую роль белкового обмена в общем обмене веществ организма. Конечные продукты распада аминокислот.  В  результате распада аминокислот возникают СО2, NH3, Н2О.   Вода   поступает   в   общий   метаболический   фонд,   оксид   углерода   (IV) беспрепятственно выводится из организма.   Аммиак.  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. Считается, что аспарагиновая и глутаминовая кислоты осуществляют первичное связывание  NH3  в  момент его образования  в клетке.  Взаимодействие  аммиака  с  этими  в  результате   чего   возникают   амиды­аспарагин   и   глутамин,   ускоряется кислотами, специфическими ферментами. Оба фермента —  аспарагннсинтетаза  и  глутаминсинтетаза —   принадлежат   к   классу   лигаз.   Необходимым   условием   деятельности   лигаз   является сопряженный   с   реакцией   синтеза  процесс   распада   АТФ,  уравнение   реакции   биосинтеза аспарагина: 8 Аналогично идет реакция биосинтеза глутамина при участии глутаминсинтетазы ( ­β глутамат:аммиаклигаза). 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 ­γ синтез   аспарагина   идет   из   глутамина,   амидная   группа   которого   переносится   на   карбоксильную   группу   аспарагиновой   кислоты   при   участии   глутаминзависимой аспарагинсинтетазы сопряжено с распадом АТФ на АМФ и пирофосфат. Амидирование аспарагиновой и глутаминовой 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:     белки   организма Тем самым связывание в возникает Вместе   с   тем представляет модификации полностью Различная   степень амидирования Следовательно, не только свободные аспарагиновая и глутаминовая кислоты, но и могут   быть   акцепторами  NH3. обеспечивается   немедленное аммиака  в любой  точке, где он результате   обмена   веществ. амидирование белков процесс   посттрансляционной белков,   в   результате   которой завершается синтез. их посттрансляционного является   одним   из   источников микрогетерогенности белка.       9  Аминотрансферазы Синтез   аминокислот.   Растения   и   многие   виды   бактерий   содержат   ферментные α ­кетокислот.   Животные   утратили системы,   необходимые   для   синтеза   всех   требуемых   α α ­кетокислоты соответствуют ­кетокислоты. Эти  способность синтезировать некоторые  α незаменимым   аминокислотам.   Другие   ­кетокислоты   (соответствующие   заменимым аминокислотам) могут образовываться в результате метаболизма иных веществ, в основном из глюкозы.  α   ­кетокислот   является   Главной   реакцией   в   синтезе   аминокислот   из   реакция трансаминирования,   в   ходе   которой   аминогруппа   переносится   от   донорной аминокислоты к акцепторной   ­кетокислота из донорной   аминокислоты   и   новая   аминокислота.   Реакцию   катализируют   ферменты аминотрансферазы  (трансаминазы)   с   участием  кофермента   пиридоксальфосфата (производное витамина В6). Эта реакция легко обратима. Любые аминокислоты, которых в пище   недостаточно,   можно   получить   за   счет   имеющихся   в   избытке,   при   наличии соответствующих  α ­кетокислоте. В результате получается  α ­кетокислот:  α Трансаминирование   происходит   практически   во   всех   органах.   Большинство промежуточных   продуктов   важных   метаболических   путей   являются   кетокислотами, которые могут включаться в трансаминирование. Многие аминотрансферазы используют  α При   этом   образуется   глутамат,   а   в   обратной   реакции   ­кетоглутарат и глутамат широко участвуют в метаболическом потоке азота.  С помощью реакций трансаминирования осуществляется образование  аланина  из пировиноградной кислоты.  10  ­кетоглутарат как акцептор аминогруппы. α   ­кетоглутарат.   Пара     α Т.О.   первичными   аминокислотами   в   организме   человека   считаются   аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. 11