Биохимия и ее задачи

Образование конечных азотистых продуктов

В сутки распадается  около 1-2% всех белков организма, что  составляет в среднем 500 г. Из них 80% (400 г) идут на ресинтез организм-специфичных  белков, а 20% (100 г) подвергаются непрямому дезаминированию с образованием конечных продуктов – кетокислот и аммиака (они содержат 10-16 г азота).

Временное обезвреживание аммиака

Аммиак токсичен (50 мг аммиака убивает кролика, при  этом [NH₃]=0,4-0,7 мг/л). Поэтому в тканях аммиак обезвреживается временными путями:

1) в основном – образованием амидов дикарбоновых кислот. Напр., ГЛУ + NH₃ → ГЛН (над стрелочкой "глутаминсинтетаза", под стрелочкой – АТФ → АДФ + Фн). Аналогично АСП → АСН.

→      →

2) восстановительное  аминирование кетокислот. Этот путь  и дает токсичность аммиака  (из-за уменьшения кол-ва кетокислот).

Такой азот (в  виде конъюгатов аммиака) посупает в  печень, где происходит окончательное  обезвреживание аммиака – образование  мочевины. Небольшое количество аминов отдают аммиак в почках, где он сразу синтезируется в мочу, где соединяется с протонами, образуя ионы аммония, которые выводятся с мочой. (В крови NH₄⁺ нет!)

Орнитиновый цикл мочевинообразования

Мочевина содержит 80-90% всего азота мочи. В сутки образуется 25-30 г мочевины NH₂-CO-NH₂.

1. NH₃ + CO₂ + 2АТФ + Н₂О → H₂N-CO-OPO₃H₂ + 2АДФ + Н₃РО₄ (над стрелочкой карбамоилфосфатсинтетаза). Образуется карамоилфосфат.

2. NH₂-(CH₂)₃-CH(NH₂)-COOH (это орнитин) + H₂N-CO-OPO₃H₂ (это карбамоилфосфат) ® (орнитинкарбамоил-ТФ, – Н₃РО₄) NH₂-CO-NH-(CH₂)₃-CH(NH₂)-COOH (это цитруллин)

Далее: NH₂-CO-NH-(CH₂)₃-CH(NH₂)-COOH (это цитруллин) +COOH-CH(NH₂)-CH₂-COOH (это АСП)® аргининосукцинатсинтетаза, АТФ→АМФ+ФФн) СООН-СН₂-СН(СООН)-NH-C(=NH)-NH-(CH₂)₃-CH(NH₂)-COOH (это аргининосукцинат) ®(аргининосукцинатлиаза) СООН-СН=СН-СООН (это фумарат, который идете в ЦТК)) +NH₂-C(=NH)-NH-(CH₂)₃-CH(NH₂)-COOH (это аргинин).

Затем: NH₂-C(=NH)-NH-(CH₂)₃-CH(NH₂)-COOH (это аргинин)® (аргиназа, +Н₂О) NH₂-C(=O)-NH₂ (это мочевина) + NH₂-(CH₂)₃-CH(NH₂)-COOH (это орнитин)

Т.о., для синтеза  мочевины необходимо два азота –  один из АСП и один из ГЛУ, ГЛН, АЛА; а также 3 АТФ и 1 СО₂.

Синтез и распад нуклеотидов

Особенности обмена нуклеотидов:

1. Ни сами  нуклеотиды, ни азотистые основания,  поступающие с пищей, не включаются  в синтез нуклеиновых кислот  и нуклеотидов организма. Т.е., нуклеотиды пищи всегда распадаются  до конечных продуктов.

2. Нуклеотиды  синтезируются клетками организма заново, при этом не используются нуклеотиды пищи.

Биосинтез пуриновых  оснований – из аминокислот: ГЛИ, АСП, ГЛН, два атома углерода –  из производного фолиевой к-ты, один –  из углекислоты.

Пиримидиновые основания также образуются из АК.

 

Распад  нуклеотидов аналогичен в тканях и в ЖКТ:

нуклеопротеины ® нуклеиновые к-ты + АК (над стрелкой – протеазы); ДНК / РНК ®(ДНК-аза / РНК-аза, +вода) полинуклеотиды ®(полинуклеотидазы) мононуклеотиды ®(нуклеотидазы, -Фн) нуклеозиды

Распад нуклеозидов  сходен в тканях и в ЖКТ, но имеются различия в окислении пуриновых и пиримидиновых нуклеозидов.

А. Окисление  пуриновых нуклеозидов

Аденозин® (аденозиндезаминаза, +Н₂О, –NH₄⁺) инозин® (пуриннуклеозидфосфорилаза, +Фн –рибозил-1-Ф) гипоксантин (6-оксопурин) ® (ксантиноксидаза, +О₂, +Н₂О → Н₂О₂) ксантин (или 2,6-диоксопурин) ®(ксантиноксидаза, +О₂, +Н₂О → Н₂О₂) мочевая к-та (или 2,6,8-триоксопурин)

Мочевая к-та –  конечный продукт распада пуриновых  оснований.

Б. Распад пиримидиновых нуклеозидов

Они распадаются  до бета-аланина, который окисляется до СО₂ и NH₃. А также до бета-амилоизобутирата. Аммиак, образующийся при распаде, обезвреживается с образованием мочевины.

 

Повышение содержания мочевой к-ты в крови (гиперурикемия) наблюдается при повышенном распаде  пуриновых нуклеотидов (как поступающих с пищей, так, возможно, и собственных).

Однако, мочевая  к-та плохо растворима в кислой среде, поэтому может кристаллизоваться  и осаждаться в суставах (подагра), в мочевыводящих путях (мочекаменная болезнь). Лечение – растворение  с помощью содового питья (образуются хорошо растворимые ураты).

Образование креатинина

Креатинин образуется из креатина – азотистого соединения мышечной ткани. Креатин синтезируется  в печени из АК: АРГ, МЕТ, ГЛИ. Затем  креатин поступает в мышцу, где  связывает фосфат с образованием креатинфосфата.

Иногда креатинфосфат "теряет" фосфат, тогда образуется креатинин – конечный продукт распада креатина (в креатинине образуется связь между азотом аминогруппы и углеродом карбокси-группы).

Количество креатинина в моче определяется как показатель клубочковой фильтрации почек (он не реабсорбируется). Также определяют клиренс креатинина – сравнение содержания его в крови и в моче.

Все конечные продукты, содержащиеся в крови, составляют остаточный азот крови – это азот, остающийся в растворе после осаждения белков. В норме остаточный азот 14-28 ммоль/л. Он состоит из азота промежуточных продуктов (пептиды, АК, билирубин, нуклеотиды, креатин, индол) и азота конечных продуктов (мочевина, мочевая кислота, креатинин, индикан).

 

Образование конечных безазотистых продуктов

I. Превращение ПВК

В результате непрямого  дезаминирования из АК образуются аммиак и кетокислоты.

ЛЕЙ ® кетокислоты ® жиры.

ИЛЕ, ЛИЗ, ФЕН, ТРИ, ТИР ® углеводы и жиры.

АЛА, ЦИС, СЕР, ГЛИ, ТРЕ ® ПВК.

ГЛУ ® альфа-КГ.

АСП ® оксалоацетат (ЩУК).

Пировиноградная к-та (ПВК) подвергается окислительному декарбоксилированию (Ох-ДК), протекающему в четыре реакции. При этом молекула ПВК [СН₃-СО-СООН] превращается в ацетил-КоА [СH₃-CO-S-KoA] и углекислоту [СО₂]. Пируват-дегидрогеназный комплекс ферментов: пируватДК, ацетилТФ, ДГ липоевой к-ты. Коферменты: НАД, ФАД, ТДФ, HSKoA, липоевая к-та. НАД переходит в восстановленную форму НАД·Н₂, который поступает в дыхательную цепь митохондрий, где дает 3 АТФ.

Ацетил-КоА вступает в ЦТК (цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты).

II. Цикл Кребса:

[НАД·Н₂ поступает в дыхательную цепь митохондрий, где каждая молекула дает три АТФ; ФАД·Н₂ – аналогично, но дает две АТФ]

Суммарно ЦТК  выглядит так:

СН₃-СО-SКoA + 2H₂O + Фн + АДФ ®2СО₂ + 3НАД·Н₂ + ФАД·Н₂ + АТФ + HSКоА

Функции ЦТК:

1. катаболическая – распад белков, жиров, углеводов;

2. интегративная – взаимосвязь обменов Б, Ж, У;

3. анаболическая – использование метаболитов ЦТК в синтезе необходимых организму соединений (напр., альфа-КГ ® глу ; ЩУК ® асп);

4. энергетическая – выделение АТФ.

5. водород-генерирующая – образование восстановленных форм коферментов (3 НАД·Н₂ + ФАД·Н₂ ® 4 Н₂)

III. Биологическое окисление.

Биологическое окисление – это совокупность реакций окисления, протекающих в живом организме.

Лавуазье сравнивал  биологическое окисление с «медленным горением», но это ограниченная аналогия, так как биологическое окисление:

а) протекает  при низкой температуре,

б) протекает  без появления пламени,

в) протекает  в присутствии воды.

Существует несколько теорий биологического окисления:

1. Теория “активации”  кислорода (Бах)

Образуются пероксиды: а) О=О®–О–О–

б) –О–О– + S ® SOO [треугольник, в углах которого три указанные буквы; S = субстрат; над стрелочкой реакции надпись “оксигеназы”]

в) SOO + S’ ® SO + S’O [фермент пероксидаза]

Эта теория не объясняет  окисление в  животных тканях.

2. Теория активирования  водорода (Палладин)

В клетках животных окисление идет благодаря дегидрированию:

А·Н₂ + Ко® А + Ко·Н₂ [фермент дегидрогеназа]

Ко·Н₂ + ½О₂ ® Ко + Н₂О

3. Современные  представления (Палладин и Бах)

Биологическое окисление  – это процесс переноса электронов. Если акцептором электронов выступает  молекулярный кислород, то его называют “тканевым дыханием”:

RH₂ ® R + 2H⁺ + 2e^--

2H⁺ + 2e^-- + ½ O₂ ® H₂O + 210 кДж

Биологическое окисление – многоступенчатый полиферментативный процесс, заключающийся в многократной передаче протонов и электронов по цепи ферментов. При этом химическая энергия выделяется небольшими порциями (постепенно, без взрывов).

Дыхательная цепь (ДЦ)

(или Цепь  Переноса Электронов – ЦПЭ,  или Электрон-Транспортная Цепь  – ЭТЦ)

ДЦ – это конвейер по переносу электронов и протонов от восстановленного субстрата к  кислороду.

Компоненты  ДЦ:

1. Пиридинзависимые ДГ (НАД-, НАДФ-зависимые)

Рабочая часть – витамин  РР (никотинамид)

НАД + 2Н⁺ + 2е ↔ НАД·Н₂

2. ФАД-зависимые ДГ (кофермент в ДЦ – ФМН, а акцептор электронов непосредственно от субстрата – ФАД. Рабочая часть – изоалоксазин.

[При восстановлении  к атомам азота при двойных  связях, отмеченных стрелками, присоединяется  по атому водорода, а двойная  связь перемещается на общую  грань колец В и С.]

3. Убихинон (Ko Q). Обладает о/в-свойствами благодаря кето-енольной таутомерии.

4. Цитохромы. Относятся к гемопротеинам, содержат атомы железа, переход степени (2↔3) окисления которого и обеспечивает транспорт электронов (протоны ими не транспортируются !!! ).

В ДЦ цитохромы  расположены в следующей последовательности: b - c₁ - c - a - a₃ .

Совокупность  цитохромов b и c₁ называют КоQH-дегидрогеназой, т.к. они отщепляют атом водорода от убихинона (KoQ).

Цитохромы а и а₃ – цитохромоксидазой (т.к. способствуют переносу электронов на молекулярный кислород).

Функционирование ДЦ

Субстрат·Н₂ → НАД → ФМН → КоQ → 2b → 2c₁ → 2c → 2a → 2a₃ → O₂ .

[До KoQ включительно  переносятся 2 протона и 2 электрона,  а по цепи цитохромов – только 2 электрона]

Существует и  укороченная ДЦ, в которой субстрат окисляется ФАД-зависимой ДГ, отдающей затем 2 протона и 2 электрона непосредственно на убихинон.

Необходимо отметить, что АТФ выделяется на этапах: НАД→ФМН (в укороченной ДЦ эта молекула АТФ не выделяется!), b→c₁ , a→a₃ .

Вообще, молекула АТФ синтезируется если разница  потенциалов между соседними  компонентами цепи превышает 0,2 В, т.е. может выделиться энергия не менее 50 кДж/моль.

Окислительное фосфорилирование

(хемиосмотическая  теория Митчелла, 1961)

1. Мембраны митохондрий  непроницаемы для протонов.

2. В результате  процессов окисления в митохондрии  формируется протонный потенциал (электрохимический градиент протонов).

3. Диффузия протонов  обратно на внутреннюю поверхность  мембраны сопряжено с фосфорилированием,  которое осуществляется АТФ-синтетазой.

Сам процесс  выглядит так:

1. НАД·Н-ДГ отдает  пару электронов на ФМН-ДГ. Это позволяет ФМН принять пару протонов из матрикса с образованием ФМН·Н₂. Пара протонов, принадлежащих НАД, выталкивается на цитоплазматическую поверхность внутренней мембраны митохондрий.

2. ФМН·Н₂-ДГ выталкивает пару протонов на цитоплазматическую поверхность мембраны, а пару электронов отдает на убихинон (KoQ), который при этом получает способность присоединить пару электронов из матрикса с образованием KoQ·H₂.

3. KoQ·H₂ выталкивает пару протонов в цитоплазму, а электроны перебрасываются на кислород в матриксе с образованием воды. В итоге при переносе пары электронов из матрикса в межмембранное пространство перекачивается 6 протонов, что и ведет к созданию разницы потенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны.

4. Разница потенциалов и разница рН обеспечивают движение протонов через протонный канал в обратном направлении.

5. Движение протонов  ведет к активации АТФ-синтетазы  и синтезу АТФ из АДФ и  фосфата.

 

Окислительное фосфорилирование – это процесс образования АТФ из АДФ и Ф_Н за счет энергии транспорта электронов в дыхательной цепи

Возможно разобщение окислительного фосфорилирования, например, при повреждении внутренней мембраны митохондрий. При этом происходит свободное окисление без фосфорилирования (т.е. без синтеза АТФ), сопровождающееся пирогенным эффектом (локальным повышением температуры). Таким образом на митохондиальную мембрану действует, например, 2,4-динитрофенол.

 

Альтернативные  варианты биологического окисления

К ним относят оксигеназный путь окисления. Он не относится к энергоснабжающим клетку процессам, а используется для деградации (разрушения) метаболитов. Ферменты оксигеназного пути катализируют включение кислорода в субстрат.

Различают ди- и  монооксигеназный пути.

Диоксигеназный  путь содержит ферменты, которые включают в молекулу субстрата оба атома кислорода. Этот вариант встречается очень редко.