Чтобы говорить о двадцати аминокислотах, которые составляют белок и модифицированные структуры, следует описать, по крайней мере, двенадцать специализированных метаболических путей.
Но почему клетки используют так много метаболических путей, которые требуют энергии (например, для регенерации каталитических центров ферментов), каждый с ферментативным наследием, для катаболизации аминокислот? Почти все аминокислоты могут быть получены через специальные пути метаболиты, которые в небольшой части используются для выработки энергии (например, посредством глюконеогенеза и пути кетоновых тел), но которые, прежде всего, приводят к образованию сложных молекул, с большим числом атомов углерода (например, из фенилаланина и тирозина, гормоны вырабатываются в надпочечниках, которые специализируются для этой цели); если, с одной стороны, было бы легко получать энергию из аминокислот, с другой стороны, было бы сложно создавать сложные молекулы, начиная с маленьких молекул: катаболизм аминокислот позволяет нам использовать их скелет для получения более крупных видов.
Две или три унции аминокислот ежедневно разлагаются здоровым человеком: 60-100 г из них происходят из белков, вводимых в рацион, но более 2 унций получают из нормального оборота белков, которые являются неотъемлемой частью организма (аминокислоты из этих белков, которые повреждены окислительно-восстановительными процессами, заменяются другими и катаболизируются).
Аминокислоты дают энергетический вклад в терминах АТФ: после удаления α-аминогруппы оставшийся углеродный скелет аминокислот после соответствующих превращений может войти в цикл Кребса. Кроме того, когда запас питательных веществ отсутствует и количество глюкозы уменьшается, глюконеогенез активируется: глюконеогенетические аминокислоты называются теми, которые после соответствующих модификаций могут быть введены в глюконеогенез; глюконеогенетическими аминокислотами являются те, которые могут превращаться в пируват или фумарат (фумарат может превращаться в больного, который выходит из митохондрий и в цитоплазме превращается в оксалоацетат, из которого может быть получен фосфоенол). Вместо этого говорят, что те, которые могут быть превращены в ацетилкофермент А и уксус-ацетат, являются кетогенными аминокислотами.
Только что описанный является очень важным аспектом, потому что аминокислоты могут восполнить недостаток сахара в случае немедленного поста; если голодание продолжается, липидный обмен происходит через два дня (поскольку белковые структуры не могут подвергаться сильному влиянию), именно в этой фазе, поскольку глюконеогенез очень ограничен, жирные кислоты превращаются в ацетилкофермент А и кетоновые тела, От дальнейшего поста мозг также приспосабливается к использованию кетоновых тел.
Перенос α-аминогруппы из аминокислот происходит посредством реакции трансаминирования; Ферменты, которые катализируют эту реакцию, называются трансаминазами (или аминотрансферазами). Эти ферменты используют ферментативный кофактор, называемый пиридоксальфосфатом, который взаимодействует с его альдегидной группой. Пиридоксальфосфат является продуктом фосфорилирования пиридоксина, который представляет собой витамин (В6), содержащийся в основном в овощах.
Трансаминазы обладают следующими свойствами:
Высокая специфичность для пары α-кетоглутарат-глутамат;
Они берут свое имя у второй пары.
Ферменты трансаминаз всегда включают в себя пару α-кетоглутарат-глутамат и различаются по второй участвующей паре.
Примеры:
Аспартаттрансаминаза или GOT (глутамат-оксалатацетаминаз): фермент переносит α-аминогруппу из аспартата в α-кетоглутарат, получая оксалацетат и глутамат.
Аланин трансаминаза, т.е. ГТФ (глутамат-пируваттрансаминаза): фермент переносит α-аминогруппу от аланина к α-кетоглутарату с получением пирувата и глутамата.
Различные трансаминазы используют α-кетоглюрат в качестве акцептора аминогруппы аминокислот и превращают его в глутамат; в то время как аминокислоты, которые образуются, используются в пути кетоновых тел.
Реакция такого типа может происходить в обоих направлениях, поскольку они разрушаются и образуются связи с одинаковым содержанием энергии.
Трансаминазы находятся как в цитоплазме, так и в митохондриях (они в основном активны в цитоплазме) и различаются по своей изоэлектрической точке.
Трансаминазы также способны декарбоксилировать аминокислоты.
Должен быть способ превратить глутамат обратно в α-кетоглутарат: это происходит путем дезаминирования.
Глутаматдегидрогеназа представляет собой фермент, способный превращать глутамат в α-кетоглутарат и, следовательно, превращать аминогруппы аминокислот, обнаруженных в форме глутамата, в аммиак. Происходит окислительно-восстановительный процесс, который проходит через промежуточный α-аминоглутарат: аммиак и α-кетоглутарат высвобождаются и возвращаются в циркуляцию.
Таким образом, утилизация аминогрупп аминокислот проходит через трансаминазы (различающиеся в зависимости от субстрата) и глутаматдегидрогеназу, которая определяет образование аммиака.
Существует два типа глутаматдегидрогеназы: цитоплазматическая и митохондриальная; кофактором, который также является составной частью этого фермента, является NAD (P) +: глутаматдегидрогеназа использует NAD + или NADP + в качестве акцептора восстанавливающей способности. Цитоплазматическая форма предпочитает, хотя и не исключительно, NADP +, тогда как митохондриальная форма предпочитает NAD +. Митохондриальная форма имеет целью избавиться от аминогрупп: она приводит к образованию аммиака (который является субстратом для специализированного фермента митохондрий) и НАДН (который направляется в дыхательную цепь). Цитоплазматическая форма работает в противоположном направлении, то есть она использует аммиак и α-кетоглутарат для получения глутамата (который имеет биосинтетическое назначение): эта реакция представляет собой восстановительный биосинтез, и в качестве кофактора используется NADPH.
Глутаматдегидрогеназа работает, когда необходимо утилизировать аминогруппы аминокислот, такие как аммиак (через мочу), или когда скелеты аминокислот необходимы для производства энергии: поэтому этот фермент будет иметь системы, которые указывают на хорошую доступность энергии (АТФ) в качестве отрицательных модуляторов. GTP и NAD (P) H), а также как положительные модуляторы, системы, которые указывают на потребность в энергии (AMP, ADP, GDP, NAD (P) +, аминокислоты и гормоны щитовидной железы).
Аминокислоты (в основном лейцин) являются положительными модуляторами глутаматдегидрогеназы: если аминокислоты присутствуют в цитоплазме, их можно использовать для синтеза белка или их необходимо утилизировать, поскольку они не могут накапливаться (это объясняет, почему аминокислоты являются положительными модуляторами),
Утилизация аммиака: цикл мочевины
Рыба избавляется от аммиака, вводя его в воду через жабры; птицы превращают его в мочевую кислоту (которая является продуктом конденсации) и удаляют ее с калом. Давайте посмотрим, что происходит у людей: мы говорили, что глутаматдегидрогеназа превращает глутамат в α-кетоглутарат и аммиак, но мы не говорили, что это происходит только в митохондриях печени.
Фундаментальную роль утилизации аммиака через цикл мочевины играют митохондриальные трансаминазы.
диоксид углерода в форме бикарбонат-иона (HCO3-) активируется биотиновым кофактором, образующим карбокси биотин, который реагирует с аммиаком с образованием карбаминовой кислоты; В последующей реакции АТФ используется для переноса фосфата в карбаминовую кислоту, образующую карбамилфосфат и АДФ (превращение АТФ в АДФ является движущей силой для получения карбоксибиотина). Эта фаза катализируется карбамилфосфат-синтетазой и встречается в митохондриях. Карбамилфосфат и орнитин являются субстратами для фермента орнитин транскарбамилазы, который превращает их в цитруллин; эта реакция происходит в митохондриях (гепатоцитов). Образующийся цитруллин поступает из митохондрий и в цитоплазме подвергается действию аргининсукцинатсинтазы : происходит слияние между углеродным скелетом цитруллина и аспартата в результате нуклеофильной атаки и последующей элиминации воды. Фермент аргининсукцинатсинтаза, требует молекулы АТФ, поэтому существует энергичное соединение: гидролиз АТФ до АМФ и пирофосфата (последний затем превращается в две молекулы ортофосфата) путем удаления молекулы воды из субстрата, а не из-за действия воды в среде.
Следующий фермент - аргинин сукциназа : этот фермент способен расщеплять аргинин сукцинат на аргинин и фумарат внутри цитоплазмы.
Цикл мочевины завершается ферментом аргиназа : получают мочевину и орнитин; мочевина выводится почками (мочой), в то время как орнитин возвращается в митохондрии и возобновляет цикл.
Цикл мочевины подвергается косвенной модуляции аргинином: накопление аргинина указывает на необходимость ускорения цикла мочевины; модуляция аргинина является косвенной, потому что аргинин положительно модулирует фермент ацетил глутамат-синтетазу. Последний способен переносить ацетильную группу в азот глутамата: образуется N-ацетил глутамат, который является прямым модулятором фермента карбамилфосфосинтетазы.
Аргинин накапливается как метаболит цикла мочевины, если выработка карбамилфосфата недостаточна для удаления орнитина.
Мочевина вырабатывается только в печени, но есть и другие места, где происходят начальные реакции.
Мозг и мышцы используют специальные стратегии для устранения аминогрупп. Мозг использует очень эффективный метод, в котором используются фермент глутаминсинтаза и фермент глутамаза : первый присутствует в нейронах, а второй - в печени. Этот механизм очень эффективен по двум причинам:
Две аминогруппы транспортируются из мозга в печень только одним носителем;
Глютамин гораздо менее токсичен, чем глутамат (глутамат также переносит нейроны и не должен превышать физиологическую концентрацию).
У рыб похожий механизм приводит аминогруппу аминокислот к жабрам.
Из мышц (скелетных и сердечных) аминогруппы достигают печени через глюкозо-аланиновый цикл; участвующий фермент - глутамин-пируваттрансаминаза: он позволяет транспонировать аминогруппы (которые находятся в форме глутамата), превращая пируват в аланин и, одновременно, глутамат в α-кетоглутарат в мышцах и катализируя обратный процесс в печени.
Трансаминазы с различными задачами или положениями также имеют структурные различия и могут быть определены с помощью электрофореза (у них разные изоэлектрические точки).
Присутствие трансаминаз в крови может быть симптомом печеночного или кардиопатического повреждения (т.е. повреждение тканей печени или клеток сердца); трансаминазы находятся в очень высоких концентрациях как в печени, так и в сердце: с помощью электрофореза можно установить, произошло ли повреждение в клетках печени или сердца.
