Метаболизм аминокислот

Метаболизм аминокислот: получение энергии в виде АТФ, образование глюкозы и кетоновых тел

Рис. 46.1. Окисление аминокислот для получения энергии в виде АТФ

Катаболизм аминокислот для получения энергии в виде АТФ

Распространенная ошибка — представление о том, что углеродные «скелеты» аминокислот окисляются в цикле Кребса. Следует помнить, что в цикле Кребса окисляется ацетил-КоА — до 2 молекул СО₂. Таким образом, чтобы полностью окислить аминокислоту, прежде ее надо преобразовать в ацетил-КоА. Так и происходит с большей частью аминокислот: из них образуется ацетил-КоА, который затем поступает в цикл Кребса. В процессе его окисления образуются НАДН и ФАДН₂, необходимые для синтеза АТФ в дыхательной цепи. Примечание: некоторые аминокислоты — гистидин, глутамат, пролин и орнитин — вступают в цикл Кребса в виде а-кетоглутарата. а-Кетоглутарат частично окисляется в цикле Кребса ферментом а-кетоглутаратдегидрогеназой с высвобождением одной молекулы СО₂. Неиспользованная часть углеродного «скелета» теперь должна покинуть митохондрию, чтобы после ряда превращений вновь оказаться в ней в виде ацетил-КоА. И только потом он будет полностью окислен в цикле Кребса.

Нарушение обмена аминокислот

Рис. 47.1. Болезнь кленового сиропа, гомоцистинурия и цистинурия

Болезнь кленового сиропа

Болезнь кленового сиропа наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Причина болезни — недостаточность дегидрогеназы а-кетокислот с разветвленной цепью (рис. 47.1). Эти а-кетокислоты образуются из аминокислот с разветвленной цепью — изолейцина, валина и лейцина. При недостаточности фермента они накапливаются и выводятся с мочой, придавая ей характерный запах кленового сиропа. И аминокислоты с разветвленной цепью, и а-кетокислоты с разветвленной цепью относятся к нейротоксичным веществам. Если они накапливаются в крови, развиваются тяжелые неврологические нарушения, возможны отек головного мозга, умственная отсталость. Для лечения болезни необходимо употреблять в пищу продукты с низким содержанием этих аминокислот.

Гомоцистинурия

Не так давно повышенную концентрацию гомоцистеина в крови включили в факторы риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. Впрочем, уже довольно давно было замечено, что без лечения при гомоцистинурии часто развиваются поражения сосудов. Кроме того, у таких больных нарушается структура хрящевой ткани, что приводит к остеопорозу, смещению хрусталика глаза и долихостеномелии (от греческого dolicho — длинный, stems — узкий, melos — конечность; эта аномалия также называется «паучья кисть»). Классическая форма гомоцистинурии развивается при нарушении работы цистатионин-β-синтазы. При недостаточности другого фермента — метионинсинтазы (метилтетрагидрофо-латгомоцистеинметилтрансферазы) — наблюдается гипергомоцистинурия.

Обратите внимание на орфографию: при гомоцистинурии повышен сывороточный гомоцистеин.

Рис. 47.2. Альбинизм и алкаптонурия

Недостаточность метионинсинтазы

Метионинсинтаза — В12-зависимый фермент; который в качестве кофермента использует N5-метилтетрагидрофолат (рис. 47.1). Этот фермент катализирует перенос метальной группы с N5-метилтетрагидрофолата на гомоцистеин с образованием метионина. При недостаточности метионинсинтазы накапливается гомоцистеин, что приводит к гипергомоцистинемии, мегалобластной анемии и задержке умственного развития. В ряде случаев состояние больных улучшается при приеме фолатов и витамина В12. Кроме того, можно принимать бетаин: в этом случае используется обходной метаболический путь, в котором бетаин отдает метальную группу гомоцистеину для образования метионина.

Недостаточность цистатионин-β-синтазы

Недостаточность цистатионин-β-синтазы наследуется по аутосомно-рецессивному типу (рис. 47.1). Это самая распространенная причина гомоцистанурии. Среди всех нарушений аминокислотного обмена недостаточность цистатаонин-β-синтазы находится на втором месте по излечимости. Так, в ряде случаев состояние больных улучшается при приеме пиридоксина, однако многим больным он не помогает. Пероральное употребление бетаина нередко способствует эффективному снижению уровня гомоцистеина в сыворотке крови.

Цистинурия

Цистинурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу. При цистинурии нарушено обратное всасывание некоторых аминокислот в почечных канальцах: цистина, орнитина, аргинина и лизина. Цистин (димер цистеина) плохо растворим в воде и накапливается в канальцевой жидкости, образуя камни в почках и мочевом пузыре (развивается так называемый цистиновый уролитиаз). Свое название цистин получил после того, как в мочевом пузыре (cyst) были обнаружены цистиновые камни.

Алкаптонурия

Алкаптонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Это легкое заболевание, которое никак не влияет на продолжительность жизни. Причина развития алкаптонурии — недостаточность оксидазы гомогентизиновой кислоты (рис. 47.2). Накапливающаяся гомогентизиновая кислота выводится вместе с мочой и постепенно окисляется на воздухе в пигмент черного цвета. Обычно болезнь выявляется, когда родители замечают черные пятна на пеленках и подгузниках.

Кроме того, следы пигмента постепенно накапливаются и в тканях, особенно в хрящевой. В четвертой декаде жизни они придают ушному хрящу голубовато-черную или серую окраску.

Альбинизм (глазокожный альбинизм)

Альбинизм — нарушение синтеза или обмена кожного пигмента меланина (рис. 47.2). Глазокожный альбинизм I типа развивается из-за нарушения структуры тирозиназы и наследуется по аутосомно-рецессивному типу. При этом заболевании в волосах, глазах и коже полностью отсутствует пигмент. Из-за отсутствия меланина в коже у таких больных повышен риск развития рака кожи.

Метаболизм фенилаланина и тирозина в норме и при патологии

Рис. 48.1. Метаболизм фенилаланина и тирозина в норме и патологии

Метаболизм фенилаланина и тирозина в норме

Фенилаланин — незаменимая аминокислота. При окислении 4-го атома углерода ароматического кольца фенилаланина образуется тирозин. Катализирует эту реакцию фенилалаиингидроксилаза (ее другое название — фенилаланин-4-монооксигеназа), а кофактор этого фермента является тетрагидробиоптерин (ВН4). Тирозин — предшественник катехоламинов: дофамина, норадреналина и адреналина, а также гормонов щитовидной железы (трийодтиронина и тироксина). Название «адреналин» имеет латинское происхождение и отражает место синтеза этого гормона — «над почкой». Американцы в погоне за независимостью называют этот же гормон «эпинефрин» (что значит «над почкой» по-гречески). Итак, название гормона связано с органом, где происходит его секреция — с мозговым веществом надпочечника. Англичане называют надпочечник adrenal gland, американцы — epinephral gland.

Нарушение метаболизма фенилаланина. Фенилкетонурия

Фенилкетонурия — наследственная болезнь, при которой нарушен метаболизм фенилаланина, и фенилаланин вместе с кетоном фенилпируватом накапливается в организме. Без лечения фенилкетонурия приводит к умственной отсталости. Скрининг новорожденных (с помощью недавно введенного метода тандем-масс-спектрометрии) позволяет диагностировать фенилкетонурию сразу же после рождения и начать лечение, при котором риск умственной отсталости снижается до минимального. Классическая фенилкетонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу. При этом заболевании снижена активность фенилаланингидроксилазы, и лечение заключается в переводе на диету с низким содержанием фенилаланина. У некоторых больных уровень фенилаланина в крови снижается при проведении перорального нагрузочного теста с тетрагидробиоптерином (ВН4), особенно если используется чистый 611-ВН4-диастереоизомер.

Метаболизм дофамина, норадреналина и адреналина

Биосинтез

Тирозин — предшественник катехоламинов: дофамина, норадреналина и адреналина. Адреналин запасается в хромаффинных клетках мозгового вещества надпочечников; он секретируется в экстренных, стрессовых ситуациях. Норадреналин (префикс «нор» означает отсутствие метальной группы) является нейромедиатором: он секретируется в синаптической щели в области нервного окончания. Дофамин — промежуточное вещество в биосинтезе норадреналина и адреналина. Он содержится в дофаминергических нейронах черной субстанции (substantia nigra) головного мозга.

Катаболизм

Главную роль ферменты в катаболизме катехоламинов играют ферменты катехол-О-метилтрансфераза (КОМТ) и моноаминоксидаза (МАО). КОМТ переносит метальную группу с S-аденозиметилметионина на кислород у третьего атома углерода ароматического кольца катехоламина (рис. 48.1). После этого возможны два равновероятных варианта развития событий. В первом случае катехоламины сначала метилируются катехол-О-метилтрансферазой и образуются «метилированные амины» — норметадреналин и метадреналин, которые далее подвергаются окислительному дезаминированию МАО, и продукт МАО-реакции окисляется до З-метокси-4-гидроксиминдальной кислоты (ее другое название — ванил ил миндальная кислота). Если же события развиваются по второму пути, катехоламины сначала вступают в реакцию с МАО, в которой происходит их окислительное дезаминирование. Далее следует реакция окисления, продукты этой реакции метилирует КОМТ и образуется 3-метокси-4-гидроксиминдальная кислота.

Метаболизм катехоламинов при патологиях

Недостаток дофамина при болезни Паркинсона

При «дрожательном параличе» (так впервые в 1817 г. была названа болезнь Паркинсона) происходит разрушение дофаминсодержащих нейронов черной субстанции (substantia nigra) головного мозга. Существенные достижения в лечении этой болезни были достигнуты, когда больным стали назначать L-ДОФА (леводопа) — предшественник дофамина. В отличие от дофамина, леводопа может проходить через гематоэнцефалический барьер. Эффективным оказался дополнительный прием карбидопы и бенсеразида. Эти вещества не проходят через гематоэнцефалический барьер; они подавляют активность периферической декарбоксилазы и не позволяют ей расщеплять L-ДОФА. Благодаря этому больные могут принимать гораздо меньшие дозы L-ДОФА.

Избыточное образование адреналина при феохромоцитоме

Феохромоцитома — редко встречающаяся опухоль мозгового вещества надпочечников, которая синтезирует избыток адреналина и/или норадреналина. До 1990 г. феохромоцитома часто оставалась нераспознанной, и в большинстве случаев опухоль диагностировалась уже при вскрытии. В настоящее время диагноз можно установить с помощью магнитно-резонансной томографии брюшной полости, после чего опухоль удаляют хирургическим путем. При феохромоцитоме больные страдают от приступов сильной гипертензии, повышенного потоотделения и головной боли. Из-за приступообразного характера симптомов кровь и мочу для анализа необходимо собирать сразу после приступа; результаты анализов, собранных в промежутки между кризами, часто оказываются нормальными. При диагностике заболевания измеряют уровень метадреналина, норметадреналина и вани-лилминдальной кислоты в моче. Иногда показателен и уровень адреналина и норадреналина в крови.

Избыточное образование дофамина

Нейробластома — опухоль, синтезирующая избыток дофамина. Она может развиться в любом месте организма. Нейробластомы образуются из клеток нервного гребня и обычно появляются у детей до 5 лет. Диагностическое значение имеет повышение уровня ванилилминдальной кислоты и продукта катаболизма дофамина — гомованилиновой кислоты в моче.

Продукты метаболизма триптофана и гистидина

Рис. 49.1. Метаболизм триптофана в кинурениновом (с образованием НАД+ и НДДФ+) и индоламиновом пути (с образованием серотонина и мелатонина)

Триптофан — предшественник НАД+, НАДФ+, серотонина и мелатонина

Образование НАД+ и НАДФ+ в кинурениновом метаболическом пути

Кинурениновый путь — основной путь метаболизма триптофана. В нем образуются предшественники НАД+ и НАДФ+ (они также синтезируются из поступающего с пищей ниацина). В среднем из 60 мг триптофана образуется 1 мг ниацина.

Серотонин

Серотонин (5-гидрокситриптамин) образуется из триптофана в индоламиновом метаболическом пути. Серотонин отвечает за хорошее настроение. При снижении уровня серотонина в мозге развивается депрессия. Селективные ингибиторы обратного захвата серотонина — класс хорошо зарекомендовавших себя лекарств-антидепрессантов. Они продлевают присутствие серотонина в синаптической щели и, таким образом, стимулируют передачу сигналов между нейронами. При этом возникает ощущение эйфории.

Моноаминовая теория патогенеза депрессии

Моноаминовая теория патогенеза депрессии была предложена более 35 лет назад для описания биохимических нарушений при депрессии. Согласно этой теории, депрессия развивается при недостатке моноаминов (например, норадреналина и серотонина) в синапсах, что приводит к снижению синаптической активности в головном мозге. Напротив, избыточное количество моноаминов в синапсах и повышенная синаптическая активность в головном мозге приводят к чрезмерной эйфории, развивается маниакальный синдром.

Известно, что системное введение кортикостероидов снижает уровень серотонина. Кортикостероиды стимулируют активность диоксигеназы, и триптофан поступает преимущественно в кинурениновый метаболический путь, минуя индоламиновый путь (и соответственно синтез серотонина). Низкое содержание серотонина в головном мозге может быть причиной депрессии. Больные с высоким уровнем кортизола (например, при синдроме Кушинга) подвержены депрессиям, что находится в соответствии с моноаминовой теорией.

Карциноидный синдром и 5-гидроксииндолуксусная кислота

Серотонин превращается в 5-гидроксииндолуксусную кислоту, которая выводится с мочой. При карционидном синдроме уровень 5-гидроксииндолуксусной кислоты в моче повышен.

Мелатонин

Мелатонин образуется из серотонина в клетках эпифиза и секретируется в период темного времени суток. Обычно секреция мелатонина начинается ночью и способствует засыпанию. В период светлого времени суток концентрация мелатонина в крови очень низка.

Гистамин

Гистамин участвует в формировании местного иммунного ответа и аллергических реакциях. Он также стимулирует секрецию соляной кислоты желудочного сока. Гистамин образуется при декарбоксилировании гистидина.

Читайте также

• Регуляция гликолиза и цикл Кребса
• Аминокислоты - вред и побочные эффекты
• Аминокислоты в спорте