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

1.

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

2.

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

3.

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

4.

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

5.

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

6.

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.

7.

• 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.

8.

• 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.

9.

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

10.

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

11.

Переваривание белков (тонкий кишечник)
Трипсиноген
Энтеропептидаза
(медленно)
Трипсин
(быстро)
Пептид
ТРИПСИН
Прокарбоксипептидаза А, В
Химотрипсиноген
Пептид
Пептид
ХИМОТРИПСИН
Пептид
ЭЛАСТАЗА
Проэластаза
КАРБОКСИПЕПТИДАЗА А, В

12.

Переваривание белков в кишечнике
Карбоксипептидаза А, В
Тонкая кишка
рН 8,0
Трипсин
Химотрипсин
H2О
R
H2О
Фен
Тир
Три
Лиз
Арг
Эластаза
H2О
H2О
Ала
Гли
Ала
Вал
Лей
Иле
А
Лиз
Арг
В
CH – C – NH – CH – C – NH – CH – C – NH – CH – C – NH – CH – C – NH – CH – C – NH – CH – C – NH – CH – COOH
H2N
O
O
O
O
O
Белок
Аминокислоты
Дипептиды
Трипептиды
Аминопептидаза
Дипептидаза
Трипептидаза
Аминокислоты
Всасывание
O
O

13.

ГНИЕНИЕ БЕЛКОВ
В КИШЕЧНИКЕ
• При гниении образуются продукты разложения
аминокислот, представляющие собой:
1. токсины (кадаверин, путресцин, крезол, фенол,
скатол, индол, пиперидин, пирролидин,
сероводород, метилмеркаптан (СН3SН) и другие),
2. 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.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

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

20.

Пути обмена АМК
общие
дезаминирование
индивидуальные
декарбоксилирование
трансаминирование

21.

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.

22.

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.

23.

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.

24.

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.

25.

Реакции дезаминирования
Катаболизм аминокислот начинается с
реакции дезаминирования - удаления α-аминогруппы, которая
выделяется в виде аммиака и образования безазотистого остатка (αкетокислоты). 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.

26.

Виды реакций дезаминирования
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

27.

1.1 Прямое окислительное дезаминирование
Вид реакции
Аминокислота
Окислительное
дезаминирование
Глутаминовая
COOH
Ферменты, коферменты
Глутаматдегидрогеназа,
НАD+
Глутаматдегидрогеназа COOH
(CH2) 2
НАD+
НАDH+Н+
H2О
COOH
CH-NH2
C=NH
(CH2)2
C=O
COOH
COOH
COOH
Глутамат
(CH2) 2
H2О
+ NH3
α-кетоглутарат
Реакция идет в митохондриях многих тканей, наиболее активно – в печени
(фермент аллостерический, 300 кД,рРРРРРРр
6 субъединиц, каждая из 500 аминокислот)

28.

1.2. Прямое неокислительное дезаминирование
Вид реакции
Аминокислота
Ферменты, коферменты
Неокислительное
дезаминирование
Серин
Сериндегидратаза, ПФ
Треонин
Треониндегидратаза, ПФ
CH2-OH
CH-NH2
COOH
H2O
H2O
CH2
CH3
C-NH2
C=NH
COOH
COOH
Треонин
+ NH3
COOH
H2O
CH3
CH3
CН
CН2
CН2
C-NH2
C=NH
C=О
COOH
COOH
COOH
CН-OH
CH-NH2
C=O
ПФ
Серин
CH3
CH3
ПФ
COOH
Пируват
H2O
CH3
+ NH3
α - кетобутират

29.

1.2. Прямое неокислительное дезаминирование
Вид реакции
Аминокислота
Фермент
Неокислительное
дезаминирование
Гистидин
Гистидаза
-CH2-CH-COOH
NH2 гистидаза
N
NH
Гистидин
-CH=CH-COOH
N
NH
NH3
Уроканиновая
кислота

30.

1.2. Прямое неокислительное дезаминирование
Вид реакции
Аминокислота
Неокислительное
дезаминирование
Цистеин
CH2-SH
CH-NH2
COOH
L - Цистеин
H2O
Ферменты, коферменты
Цистатионин-γ-лиаза, ПФ
H2S
CH3
C=O
NH3
COOH
Пируват

31.

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

32.

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

33.

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

34.

Биологическая роль и предшественники
некоторых биогенных аминов
Серин
Продукты
декарбоксилиров
ания
Этаноламин
Триптамин
Биологически
активные
вещества
Ацетилхолин
Серотонин
Формулы
Н3С – С = О
O
Тирозин
Триптофан
Аминокислоты
НO
Дофамин
СН2
СН2
СН2
NН2
СН2
NН2
(СН2)2
НO
НO
Возбуждающий медиатор вегетативной нервной системы
Гистидин
γ-Аминомасляная кислота
Гистамин
ГАМК
Гистамин
СOOН
СН2
СН2
СН2
СН2
НN
N СН2
NН2
NН2
(СН3)3
Физическая роль
Глутаминовая
кислота
Возбуждающий
медиатор средних
отделов мозга
Медиатор
средних отделов
мозга
Тормозный
медиатор
высших отделов
мозга
Медиатор
воспаления,
аллергических
реакций, пищеварительный
гормон

35.

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

36.

Источники и пути
обезвреживания
аммиака в различных
тканях

37.

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.

38.

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

39.

Обезвреживание аммиака реакция амидирования
O
COOH
(CH2)2
CH – NH2
COOH
C
OPH2O3
CO – NH2
АТФ АДФ (CH )
+
+
NH4 Pi + H
2 2
(CH2)2
CH – NH2
CH – NH2
ГлутаминCOOH
COOH
синтетаза
Глутамат
Глутамин5-фосфат
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.

40.

Образование аммонийных солей
Почки
H+
H+
+
Глутамин
Глутаминаза
Глутамат
Глутамат
дегидрогеназа
α-Кетоглутарат
ОПК
H2О
NH3
NH3
H+
2-
А- Анионы (Cl-,SO4)
NH4 A
Аммонийные соли
Экскреция
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.

41.

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.

42.

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

43.

Орнитиновый цикл Кребса-Гензелейта – биосинтез мочевины

44.

Экскреция конечных продуктов
азотистого обмена почками при
нормальном белковом питании

45.

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

46.

Наследственные нарушения
орнитинового цикла и основные их
проявления

47.

Гипераммониемия
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.

48.

Токсичность аммиака
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.

49.

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.

50.

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).