Распад пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Биосинтез пуриновых нуклеотидов
Распад пуриновых нуклеотидов.
Аденозин и гуанозин, которые образуются при гидролизе пуриновых нуклеотидов, подвергаются ферментативному распаду с образованием конечного продукта – мочевой кислоты, которая выводится с мочой из организма.
Распад пиримидиновых нуклеотидов.
Начальные этапы этого процесса катализируются специфическими ферментами. Конечные продукты: СО 2 , NН 3 , мочевина, β-аланин, β-аминоизомасляная кислота. β-аланин используется для синтеза дипептидов мышц – карнозина и ансерина или выделяется с мочой.
Биосинтез пуриновых, пиримидиновых нуклеотидов в тканях.
Биосинтез пуриновых мононуклеотидов.
Первоначальным соединением синтеза служит Д-рибозо-5-фосфат, который является продуктом пентозофосфатного цикла и на который переносится пирофосфатная группа АТФ. Образовавшийся 5-фосфорибозил-1-пирофосфат (ФРПФ) взаимодействует с глутамином, который является донором NН 2 -группы в результате чего образуется β-5-фосфорибозил-амин. Эта стадия становится ключевой в синтезе пуринов. Затем присоединяется молекула глицина к свободной NН2-группе β-5-фосфорибозил-амина с образованием глицинамидрибонуклеотида. Еще через несколько стадий образуется первый пуриновый нуклеотид инозинмонофосфат (ИМФ), из которого затем синтезируются остальные нуклеозидфосфаты.
Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов
Первоначальными соединениями этого процесса являются карбамоилфосфат и аспарагиновая кислота. Из них через длинную цепь реакций образуется уридинмонофосфат (УМФ) и остальные пиримидиновые нуклеотиды.
2.4. Заболевания, связанные с нарушением обмена нуклеотидов: подагра, синдром Леша-Нихена.
Гиперурикемия – повышение в плазме крови концентрации мочевой кислоты. Вследствие гиперурикемии может развиться подагра.
Подагра – заболевание, вызванное нарушением обмена нуклеиновых кислот. В хрящах, сухожилиях, в суставных сумках, иногда в почках, коже, мышцах откладываются кристаллы мочевой кислоты и уратов. Вокруг этих отложений образуется воспаление и грануляционный вал, который окружает омертвевшую ткань, при этом образуются подагрические узлы - тофусы (в суставах пальцев рук, ног, в хрящах ушной раковины), что сопровождается деформацией и болезненностью пораженных суставов. К характерным признакам подагры относятся повторяющиеся приступы острого воспаления суставов (чаще всего мелких) – острого подагрического артрита. Обычно больные склонны к атеросклерозу и гипертонии. В их крови наблюдается большая концентрация мочевой кислоты – гиперурикемия. В течение нескольких дней перед приступом подагры увеличивается выделение воды и хлорида натрия с мочой, т.е. сдвигается водно-солевой баланс. Вследствие этого возрастает концентрация мочевой кислоты в крови и отложение ее в тканях. Как правило, подагра генетически детерминирована и носит семейный характер. Она вызвана нарушениями в работе фосфорибозилдифосфата (ФРДФ) синтетазы или гипоксантингуанин- или аденинфосфорибозилтрансфераз. К другим характерным проявлениям относят нефропатию, при которой наблюдают образование уратных камней в мочевыводящих путях.
Синдром Леша-Нихена – тяжелая форма гиперурикемии, которая наследуется как рецессивный признак, сцепленный с Х-хромосомой. Проявляется только у мальчиков. Кроме симптомов подагры наблюдаются церебральные параличи, нарушение интеллекта, попытки наносить себе раны (укусы губ, пальцев). Связана болезнь с дефектом фермента гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы, которая катализирует превращение гипоксантина и гуанина в гуанинимонофосфат (ГМФ), поэтому они превращаются в мочевую кислоту. В первые месяцы жизни неврологические расстройства не обнаруживаются, но на пеленках отмечают розовые пятна, вызванные присутствием в моче кристаллов мочевой кислоты. При отсутствии лечения больные погибают в возрасте до 10 лет из-за нарушения функции почек.
Основной препарат для лечения гиперурикемии – аллопуринол (структурный аналог гипоксантина).
Обмен нуклеотидов
Распад пуриновых нуклеотидов
Катаболизм пуриновых нуклеотидов включает реакции гидролитического отщепления фосфатного остатка, фосфоролитического отщепления рибозного остатка и аминогруппы. Конечным продуктом расщепления пуринов в организме человека является мочевая кислота. Последняя выделяется с мочой.
Распад АМФ
В результате вышеперечисленных реакций из АМФ образуется гипоксантин:
Распад ГМФ
Гуанозинмонофосфат превращается в ксантин и далее в мочевую кислоту.
Биосинтез пуриновых нуклеотидов
В экспериментах с мечеными веществами еще в 50-ых годах ХХ века было выяснено происхождение атомов в пуриновом кольце пуриновых нуклеотидов. Оказалось, что пуриновая структура образуется из мелких фрагментов, поставляемых разными соединениями.
Позднее была изучена вся последовательность реакций, ведущих к образованию пуриновых нуклеотидов. Синтез начинается с образования 5-фосфорибозил-1-амина. Затем к аминогруппе присоединяется остаток глицина и далее последовательно протекают реакции образования пуринового ядра с использованием метенильной группы метенил-Н 4 -фолата, амидной группы глутамина, углекислого газа, аминогруппы аспарагиновой кислоты, формильного остатка формил-Н 4 -фолата. Результатом является образование инозиновой кислоты.
Инозиновая кислота – это нуклеотид, пуриновая часть которого представлена гипоксантином. Инозиновая кислота служит предшественником основных пуриновых нуклеотидов – АМФ и ГМФ.
Под действием специфических киназ нуклеозидмонофосфаты (АМФ и ГМФ) превращаются в нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты.
Регуляция биосинтеза пуриновых нуклеотидов
Лимитирующей стадией биосинтеза пуриновых нуклеотидов является реакция образования 5’-фосфорибозил-1-амина. Фермент, катализирующий эту реакцию, ингибируется АМФ и ГМФ. Кроме того, эта метаболическая цепь регулируется в месте ее разветвления: АМФ ингибирует реакцию образования аденилосукцината, а ГМФ – реакцию образования ксантиловой кислоты.
Биосинтез пуриновых нуклеотидов из аденина и гуанина
В результате превращений нуклеотидов в тканях постоянно образуются свободные пуриновые основания – аденин и гуанин. Они могут повторно использоваться для синтеза нуклеотидов при участии ферментов аденинфосфорибозилтрансферазы и гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы:
аденин + фосфорибозилдифосфат ® АМФ + Н 4 Р 2 О 7
гуанин + фосфорибозилдифосфат ® ГМФ + Н 4 Р 2 О 7
Этот механизм повторного включения азотистых оснований в метаболизм называют “путем спасения”. Он имеет вспомогательное значение, давая от 10 до 20% общего количества нуклеотидов.
В результате совместного действия этих ферментов снижается выход конечного продукта обмена пуринов – мочевой кислоты.
Другой “запасной путь” включает фосфорилирование пуриновых нуклеотидов при участии АТФ. Так, аденозинкиназа катализирует фосфорилирование аденозина до АМФ или дезоксиаденозина до дАМФ:
Аденозин + АТФ → АМФ + АДФ
Гиперурикемия. Подагра
В крови здоровых мужчин содержится 0,18-0,53 ммоль/л и здоровых женщин – 0,15-0,45 ммоль/л мочевой кислоты. Хроническое повышение концентрации мочевой кислоты в крови (гиперурикемия) часто приводит к развитию подагры. Клиническая картина подагры характеризуется: 1) повторяющимися приступами острого воспаления суставов, чаще всего мелких, вследствие отложения кристаллов урата натрия в суставе 2) образованием подагрических узлов (тофусов), возникающих в результате местного отложения и накопления уратов. Образование узлов в суставах деформирует их и нарушает функцию. Отложение уратов в ткани почек приводит к почечной недостаточности – частому осложнению подагры.
Подагра – распространенное заболевание: в разных странах им страдает от 0,3 до 1,7% взрослого населения, причем мужчины болеют в 20 раз чаще, чем женщины. Гиперурикемия чаще всего имеет наследственный характер.
Известна тяжелая форма гиперурикемии – синдром Леша-Нихана, который наследуется как рецессивный признак, сцепленный с Х-хромосомой. У больных мальчиков кроме симптомов, характерных для подагры, наблюдаются церебральные параличи, нарушения интеллекта, попытки наносить себе раны (укусы пальцев, губ). Эта болезнь связана с дефектом фермента – гипоксантин – гуанин-фосфорибозилтрансферазы, вследствие чего гипоксантин и гуанин не могут использоваться повторно для синтеза нуклеотидов, а целиком превращаются в мочевую кислоту, что и ведет к гиперурикемии.
Основным препаратом, который используется для лечения гиперурикемии, является аллопуринол – структурный аналог гипоксантина. Аллопуринол является конкурентным ингибитором ксантиноксидазы и его прием снижает содержание мочевой кислоты до нормальных величин. Содержание гипоксантина при этом возрастает. Однако гипоксантин примерно в 10 раз лучше, чем мочевая кислота, растворяется в крови и моче, и поэтому легче выводится из организма.
Распад пиримидиновых нуклеотидов
Под действием нуклеотидаз и нуклеозидфосфорилаз уридиловая кислота (УМФ) распадается до урацила, цитидиловая кислота (ЦМФ) – до цитозина, тимидиловая кислота (ТМФ) – до тимина.
Нуклеотиды – фосфорные эфиры нуклеозидов. Названия индивидуальных рибо- и дезоксирибонуклеотидов принимаются по характерному пуриновому или пиримидиновому основанию, а наличие дезоксирибозы отмечается приставкой «дезокси». Существует 2 типа нуклеотидов:
Аденозии-З"-фосфат Аденозин -5"- фосфат
Распад нуклеозидфосфатов. Первая ступень состоит в отщеплении остатка фосфорной кислоты:
3"-нуклеотидазы отщепляют остаток фосфорной кислоты на 3"-конце, 5"-нуклеотидазы – на 5"-конце
На второй ступени распада осуществляется перенос остатка рибозы от нуклеозида на фосфорную кислоту. Эта реакция ускоряется специфическими для каждого вида нуклеозидов рибозилтрансферазами :
В результате распада нуклеозидфосфатов выделяются в свободном состоянии рибозо-1-фосфат и все виды пуриновых и пиримидиновых оснований. Возможны другие пути распада нуклеозидов. Один из них состоит в гидролизе нуклеозидов:
Аденозин +Н2О = аденин+ рибоза
Рибоза и рибозо-1-фосфат включаются в реакции обмена углеводов. Пуриновые и пиримидиновые основания претерпевают дальнейший распад и превращаются в простейшие азотсодержащие продукты, которые далее либо выводятся из организма, либо откладываются в нем.
Распад пуриновых оснований. Этот процесс осуществляется при посредстве специфических аминогидролаз. В результате аденин превращается в гипоксантин:
Гуанин переходит в ксантин:
Гипоксантин и ксантин окисляются в мочевую кислоту:
Реакцию окисления гипоксантина в ксантин, и ксантина в мочевую кислоту катализируется ксантиноксидазой -оксидоредуктазой, коферментом которой явл. молибденсодержащий флавопротеин.
У ряда животных (человекообразные обезьяны, птицы, рептилии, тутовый шелкопряд) и человека конечным продуктом распада пуриновых оснований является мочевая кислота. У большинства животных и растений есть ферменты и ферментные системы, способные ускорять реакции дальнейшего распада мочевой кислоты. У млекопитающих и насекомых уратоксидаза окисляет мочевую кислоту в аллантоин; у костистыех рыб аллантоин под действием фермента аллантоиноидаза превращается в аллантоиновую кислоту, а последняя под действием аллантоиназы (амфибии, большинство растений) распадается на мочевину и глиоксиловую кислоту:
Распад пиримидиновых оснований: Цитозин преобразуется в урацил
Распад пуриновых нуклеотидов.
Аденозин и гуанозин, которые образуются при гидролизе пуриновых нуклеотидов, подвергаются ферментативному распаду с образованием конечного продукта – мочевой кислоты, которая выводится с мочой из организма.
Распад пиримидиновых нуклеотидов.
Начальные этапы этого процесса катализируются специфическими ферментами. Конечные продукты: СО2, NН3, мочевина, β-аланин, β-аминоизомасляная кислота. β-аланин используется для синтеза дипептидов мышц – карнозина и ансерина или выделяется с мочой.
21. Коферменты : Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) и/или в ионах металлов (кофакторах). Термин. "кофермент" был введён в начале XX века и обозначал часть некоторых ферментов, которая легко отделялась от белковой молекулы фермента и удалялась через полупроницаемую мембрану при диализе. Несколько позже было выяснено, что большинство ферментов состоит из термолабильной белковой части и термостабильного небелкового фактора - кофермента. Белковая часть получила название "апофермент", который в отсутствие кофермента не обладает каталитической активностью. Кофермент с белковой молекулой (апоферментом) формируют молекулу холофермента, обладающую каталитической активностью.
Кофакторы
Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов. Рассмотрим роль кофакторов в ферментативном катализе.
1. Роль металлов в присоединении субстрата
в активном центре фермента
Ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур.
Ионы металлов - стабилизаторы молекулы субстрата
Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТФ, а комплекс Mg2+-ATФ. В этом случае ион Mg2+ не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента
Схематично роль кофактора при взаимодействии фермента и субстрата можно представить как комплекс E-S-Me, где Е - фермент, S - субстрат, Me - ион металла.
В качестве примера можно привести расположение субстратов в активном центре гексокиназы
Гексокиназа катализирует перенос концевого, γ-фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата:
Участие ионов магния в присоединении субстрата в активном центре гексокиназы. В активном центре гексокиназы есть участки связывания для молекулы глюкозы и комплекса Мд2+-АТФ. В результате ферментативной реакции происходит перенос концевого, γ-фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата.
Ион Mg2+ участвует в присоединении и "правильной" ориентации молекулы АТФ в активном центре фермента, ослабляя фосфоэфирную связь и облегчая перенос фосфата на глюкозу.
Ионы металла - стабилизаторы активного центра фермента
В некоторых случаях ионы металла служат "мостиком" между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению кофермента. Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Мо2+. В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название "металлоэнзимы". Схематично данный процесс взаимодействия фермента, субстрата и металла можно представить следующим образом:
К металлоэнзимам относят, например, фермент пируват киназу (рис. 2-4), катализирующий реакцию:
Пищеварительные ферменты:
2.Желудок
3.Тонкий кишечник
Протеазы:
Карбоксипептидаза
Стеапсин, расщепляющий жиры.
Ферменты тонкой кишки
22. Полиферментная сиситема: Каждая клетка организма имеет свой специфический набор ферментов. Некоторые из них содержатся во всех клетках, другие присутствуют только в некоторых. В клетке работа каждого фермента, как правило, не индивидуальная, а тесно связана с другими ферментами, т.е. из отдельных ферментов формируются полиферментные системы, или конвейеры. Субстрат иногда во время своего превращения проходит длинную цепь реакций, в которых участвует много ферментов. Продукт реакции, катализируемой первый фермент, служит субстратом для второго фермента и т.д. Примером может служить процесс гликолиза. Все ферменты гликолиза имеющиеся в растворимом состоянии. В процессах превращения глюкозы до молочной кислоты участвует целый ряд ферментов. Положение каждого фермента в цепи устанавливается по родством с субстратами (начиная с глюкозы), каждый из которых соответственно являются продуктом реакции, катализованои предыдущим ферментом. Это увеличивает скорость ферментативных реакций, и в такой цепи промежуточные продукты не накапливаются.
Многие полиферментные ансамблей структурно связаны с какой-либо органеллы (митохондрии, рибосомы, ядро) или биомембран-ми и составляют высокоорганизованные системы, обеспечивающие жизне-воважливи функции, например, тканевое дыхание, т.е. перенос электронов и протонов от субстратов к кислорода через систему дыхательных ферментов, закрепленных на внутренней мембране митохондрий. Некоторые ферменты, участвующие в реакции одной цепи метаболизма, объединяются в мультиэнзимных комплексы с определенной функцией. Типичным примером подобных надмолекулярных комплексов является пируватдегидрогеназный комплекс, состоящий из нескольких ферментов, участвующих в окислении пировиноградной кислоты до ацетил-КоА, или синтетаза жирных кислот, состоящий из семи структурно связанных ферментов, которые выполняют функцию синтеза жирных кислот.
23. Пищеварение в метоболизме: Метаболи́зм (от греч. μεταβολή - «превращение, изменение»), или обмен веществ - набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.
Пищеварение: Такие макромолекулы, как крахмал, целлюлоза или белки, должны расщепляться до более мелких единиц прежде, чем они могут быть использованы клетками. Несколько классов ферментов принимают участие в деградации: протеазы, которые расщепляют белки до пептидов и аминокислот, гликозидазы, которые расщепляют полисахариды до олиго- и моносахаридов.
Микроорганизмы выделяют гидролитические ферменты в пространство вокруг себя, чем отличаются от животных, которые выделяют такие ферменты только из специализированных железистых клеток. Аминокислоты и моносахариды, образующиеся в результате активности внеклеточных ферментов, затем поступают в клетки с помощью активного транспорта
Пищеварительные ферменты: Ферме́нты пищеваре́ния, пищеварительные ферменты - ферменты, расщепляющие сложные компоненты пищи до более простых веществ, которые затем всасываются в организм. В более широком смысле пищеварительными ферментами также называют все ферменты, расщепляющие крупные (обычно полимерные) молекулы на мономеры или более мелкие части. Пищеварительные ферменты находятся в пищеварительной системе человека и животных. Кроме этого, к таким ферментам можно отнести внутриклеточные ферменты лизосом. Основные места действия пищеварительных ферментов в организме человека и животных - это ротовая полость, желудок, тонкая кишка. Эти ферменты вырабатываются такими железами, как слюнные железы, железы желудка, поджелудочная железа и железы тонкой кишки. Часть ферментативных функций выполняется облигатной кишечной микрофлорой. По субстратной специфичности пищеварительные ферменты делятся на несколько основных групп:
протеазы (пептидазы) расщепляют белки до коротких пептидов или аминокислот
липазы расщепляют липиды до жирных кислот и глицерина
карбогидразы гидролизуют углеводы, такие как крахмал или сахара, до простых сахаров, таких как глюкоза
нуклеазы расщепляют нуклеиновые кислоты до нуклеотидов.
1.Ротовая полость - Слюнные железы секретируют в полость рта альфа-амилазу (птиалин), которая расщепляет высокомолекулярный крахмал до более коротких фрагментов и до отдельных растворимых сахаров (декстрины, мальтоза, мальтриоза).
2.Желудок
Ферменты, секретирующиеся желудком называются желудочными ферментами.
Пепсин - основной желудочный фермент. Расщепляет белки до пептидов.
Желатиназа расщепляет желатин и коллаген, основные протеогликаны мяса.
3.Тонкий кишечник
Ферменты поджелудочной железы
Поджелудочная железа является основной железой в системе пищеварения. Она секретирует ферменты в просвет двенадцатиперстной кишки.
Протеазы:
Трипсин является протеазой, аналогичной пепсину желудка.
Химотрипсин - также протеаза, расщепляющая белки пищи.
Карбоксипептидаза
Несколько различных эластаз, расщепляющих эластин и некоторые другие белки.
Нуклеазы, расщепляющие нуклеиновые кислоты ДНК и РНК.
Стеапсин, расщепляющий жиры.
Амилазу, расщепляющую крахмал и гликоген, а также другие углеводы.
Липаза поджелудочной железы является важнейшим ферментом в переваривании жиров. Она действует на жиры (триглицериды), предварительно эмульгированные желчью, секретируемой в просвет кишечника печенью.
Ферменты тонкой кишки
Несколько пептидаз, в том числе:
энтеропептидаза - превращает трипсиноген в трипсин;
аланинаминопептидаза - расщепляет пептиды, образовавшиеся из белков после действия протеаз желудка и поджелудочной железы.
Ферменты, расщепляющие дисахариды до моносахаридов:
сахараза расщепляет сахарозу до глюкозы и фруктозы;
мальтаза расщепляет мальтозу до глюкозы;
изомальтаза расщепляет мальтозу и изомальтозу до глюкозы;
лактаза расщепляет лактозу до глюкозы и галактозы.
Липаза кишечника расщепляет жирные кислоты.
Эрепсин, фермент, расщепляющий белки.
24. Тканевое дыхание. Клеточное или тканевое дыхание - совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды. Высвобожденная энергия запасается в химических связях макроэргических соединений (АТФ и др.) и может быть использована по мере необходимости. Входит в группу процессов катаболизма. О физиологических процессах транспортировки к клеткам многоклеточных организмов кислорода и удалению от них углекислого газа см. статью Дыхание.
Впервые сущность дыхания объяснил А.-Л. Лавуазье (1743-1794), обративший внимание на сходство между горением органических веществ вне организма и дыханием животных. Постепенно становились ясными принципиальные различия между этими двумя процессами: в организме окисление протекает при относительно низкой температуре в присутствии воды, и его скорость регулируется обменом веществ. В настоящее время биологическое окисление определяется как совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, основная функция которых - энергетическое обеспечение метаболизма. В развитие концепций биологического окисления в XX в. важнейший вклад внесли А.Н. Бах, О. Варбург, Г. Крепс, В.А. Энгель-гардт, В.И. Палладин, В.А. Белицер, С.Е. Северин, В.П. Скулачев.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ - совокупность ферментативных окислительно-восстановительных реакций, протекающих в живых клетках. В процессе биологического окисления происходит расщепление питательных веществ, и освобождаемая при этом энергия запасается в удобной для использования клетками форме т. н. богатых энергией соединений - аденозинтрифосфатов и др. Эти соединения затем расходуются на обеспечение всех процессов жизнедеятельности; часть энергии рассеивается в виде тепла. Значительная часть реакций биологического окисления осуществляется в митохондриях
Анаэробное окисление аммония , anammox - биохимический процесс окисления иона аммония нитрит-анионом в анаэробных условиях. Служит источником энергии для фиксации углекислого газа. Описан у следующих родов бактерий: Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Jettenia, Scalindua. Все они относятся к планктомицетам.
Процесс был открыт в 1986 году. Сейчас создана новая технология очистки сточных вод от соединений азота с помощью осуществляющих анаэробное окисление аммония бактерий. В Роттердаме (Нидерланды) построена и запущена первая очистная станция на её основе. Важными достоинствами данной технологии являются уменьшение выбросов CO2 в атмосферу на 85-90% по сравнению с традиционными методами, а также относительная дешевизна.
Общее уравнение реакций анаэробного окисления аммония:
NH4+ + NO2− → N2 + 2H2O.
Анаэробное окисление метана - процесс окисления метана до углекислого газа, производимый некультивируемыми (англ. VBNC) археями групп ANME-1, ANME-2 и ANME-3, близкими к Methanosarcinales, в ассоциации с сульфатредуцирующими и денитрифицирующими бактериями при отсутствии в среде молекулярного кислорода. Биохимия и распространённость процесса в природе изучены пока недостаточно.
26. Пируват, образовавшийся в реакциях гликолиза (в цитоплазме), должен быть транспортирован в митохондрии. Транспорт осуществляется специальной «челночной» системой. В матриксе митохондрии, прикрепившись к ее внутренней мембране, находится сложный полиферментный комплекс – пируватдегидрогеназа.
Пируватдегидрогеназа состоит из 60 полипептидных цепей, которые можно разделить на 3 основных фермента: Е1 – собственно пируватдегидрогеназа (состоит из 24 субъединиц); Е2 – дигидролипоилтрансацетилаза (также 24 субъединицы); Е3 – дигидролипоилдегидрогеназа (12 субъединиц).
Последовательность реакций представлена на рис.5.12. Е1 катализирует декарбоксилирование ПВК с участием кофермента тиаминпирофосфата (ТПФ). Образовавшийся продукт реакции (гидроксиэтильное производное ТПФ) при участии Е2 реагирует с окисленной липоевой кислотой(ЛК). Липоевая кислота – низкомолекулярное азотсодержащее соединение – является коферментом Е2.
СН2 СН – (СН2)4 – СООН
Липоевая кислота
Дисульфидная группа ЛК способна восстанавливаться и ацетилироваться. В реакции, катализируемой дигидролипоилтрансацетилазой (Е2), образуется ацетиллипоевая кислота. Далее это соединение реагирует с коэнзимом А (КоА-SH не является собственным коферментом Е2) – при этом образуется восстановленная форма ЛК (дигидролипоевая кислота) и ацетил-КоА.
Наконец, начинает функционировать Е3 , коферментом которого является ФАД: кофермент окисляет дигидролипоевую кислоту и сам при этом восстанавливается (ФАДН2) . Восстановленный флавиновый кофермент реагирует с митохондриальным НАД+, в свою очередь, восстанавливая его (НАДН ·Н+).
Таким образом, в окислительном декарбоксилировании ПВК участвует фактически три фермента, составляющих единый пируватдегидрогеназный комплекс, и 5 коферментов: ТПФ, ЛК и ФАД – собственные коферменты комплекса, КоА-SH и НАД+ – внешние, приходящие “извне”. Образующийся ацетил-КоА затем окисляется в цикле Кребса, а водород с НАДН ·Н+ поступает в дыхательную цепь митохондрий.
Механизм функционирования пируватдегидрогеназного комплекса
Пируватдегидрогеназа отличается большим отрицательным редокс-потенциалом, который способен обеспечить не только восстановление НАД+, но и способствовать образованию высокоэнергетической тиоэфирной связи в ацетил-КоА (СН3-СО~ SкоА).
При недостаточном содержании в диете входящих в состав пируватдегидрогеназы витаминов, в первую очередь тиамина, активность фермента снижается. Это приводит к накоплению в крови и тканях пирувата и лактата и развитию метаболического ацидоза. При выраженном дефиците тиамина развивается некомпенсированный ацидоз, который без лечения приводит к летальному исходу.
^ Регуляция активности пируватдегидрогеназы
Пируватдегидрогеназный комплекс может существовать в активной и неактивной формах. Переход одной формы в другую осуществляется путем обратимого фосфорилирования с участием киназы и дефосфорилирования с участием фосфатазы. При этом фосфорилированная форма является неактивной, а дефосфорилированная – активной.
При низкой концентрации инсулина и высоком уровне энергообеспеченности клетки (АТФ, ацетил-КоА и НАДН·Н+) этот комплекс находится в неактивном состоянии. Активирование пируватдегидрогеназного комплекса индуцируется инсулином, КоА-SН, пируватом, АДФ и ионами магния.
28. Тканевое дыхание и биологическое окисление. Распад органических соединений в живых тканях, сопровождающийся потреблением молекулярного кислорода и приводящий к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии, называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание представляют как конечный этап пути превращений моносахаров (в основном глюкозы) до указанных конечных продуктов, в который на разных стадиях включаются другие сахара и их производные, а также промежуточные продукты распада липидов (жирные кислоты), белков (аминокислоты) и нуклеиновых оснований. Итоговая реакция тканевого дыхания будет выглядеть следующим образом:
С6Н12О6 + 6O2 = 6СO2+ 6Н2O + 2780 кДж/моль. (1)
Потребление кислорода тканями зависит от интенсивности реакций тканевого дыхания. Наибольшей скоростью тканевого дыхания характеризуются почки, мозг, печень, наименьшей – кожа, мышечная ткань (в покое). Уравнение (2) описывает суммарный результат многоступенчатого процесса, приводящего к образованию молочной кислоты (см. главу 10) и протекающего без участия кислорода:
С6Н12Об = 2С3Н6О3 + 65 кДж/моль. (2)
Этот путь отражает, по-видимому, энергетическое обеспечение простейших форм жизни, функционировавших в бескислородных условиях. Современные анаэробные микроорганизмы (осуществляющие молочнокислое, спиртовое и уксуснокислое брожение) получают для жизнедеятельности энергию, производимую в процессе гликолиза или его модификаций.
Использование клетками кислорода открывает возможности для более полного окисления субстратов. В аэробных условиях продукты бескислородного окисления становятся субстратами цикла трикарбоновых кислот (см. главу 10), в ходе которого образуются восстановленные дыхательные переносчики НАДФН, НАДН и флавиновые коферменты. Способность НАД+ и НАДФ+ играть роль промежуточного переносчика водорода связана с наличием в их структуре амида никотиновой кислоты. При взаимодействии этих кофакторов с атомами водорода имеет место обратимое гидрирование (присоединение атомов водорода):
При этом в молекулу НАД+ (НАДФ+) включаются 2 электрона и один протон, а второй протон остается в среде.
Во флавиновых коферментах (ФАД или ФМН), активной частью молекул которых является изоаллоксазиновое кольцо, в результате восстановления чаще всего наблюдается присоединение 2 протонов и 2 электронов одновременно:
Восстановленные формы этих кофакторов способны транспортировать водород и электроны к дыхательной цепи митохондрий или иных энерго-сопрягающих мембран
21.Распад пуриновых нуклеотидов. Образование мочевой кислоты. Распад пуриновых нуклеотидов может происходить различными путями. Свободный аденин и аденин в составе нуклеотидов дезаминируются, превращаясь в гипоксантин и далее в ксантин (2,6-диоксипурин), который под действием фермента ксантиноксидазы преобразуется в мочевую кислоту. Ксантин образуется и в процессе дезаминирования гуанина. У человека и приматов мочевая кислота является конечным продуктом П. о. и выводится с мочой. Млекопитающие, кроме приматов, выделяют аллантоин - продукт окисления мочевой кислоты, а костистые рыбы - продукт гидратирования аллантоина - аллантоевую кислоту. У амфибий и большинства рыб она гидролизуется до мочевины и глиоксилата.
К наиболее важным нарушениям П. о. относятся избыточное образование и накопление мочевой кислоты, например при подагре (Подагра) и синдроме Леша - Найхана. В основе последнего лежит наследственная недостаточность фермента гипоксантинфосфатидилтрансферазы, вследствие чего свободные пурины не используются повторно, а окисляются в мочевую кислоту. У детей с синдромом Леши - Найхана отмечаются воспалительные и дистрофические изменения. обусловленные отложением в тканях кристаллов мочевой кислоты: заболевание характеризуется задержкой умственного и физического развития. Из других пуриновых оснований, обнаруженных у человека, следует упомянуть метаболических предшественников мочевой кислоты: аминопурины - гуанин, аденин - и оксипурины - гипоксантин, ксантин.
В настоящее время доказаны три основных пути образования мочевой кислоты в организме: а) из пуринов, освобождающихся при тканевом распаде; б) из пуринов, содержащихся в пище; в) из синтетически образуемых пуринов.
Путь образования мочевой кислоты принципиально аналогичен первому с той разницей, что в этом случае пуринсодержащие соединения, превращение которых дает мочевую кислоту, имеют алиментарную природу. При этом отщепление белка от нуклеопротеида начинается в желудке под действием соляной кислоты с пепсином и заканчивается в кишечнике под воздействием трипсина. Образующиеся нуклеиновые кислоты под влиянием ферментов поджелудочной железы и кишечного сока - рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы - распадаются до мононуклеотидов. Последние под действием нуклеотидаз и нуклеозидаз кишечного сока расщепляются соответственно до нуклеозидов и азотистых оснований. Те и другие, а также и часть мононуклеотидов подвергаются всасыванию в кишечнике.
Третий путь образования мочевой кислоты в организме, установленный с помощью изотопов С14 и N15 и др., идет через синтез пуриновых производных, в котором принимают участие глицин, муравьиная и аспарагиновая кислоты, глютамин, углекислый газ.
22.Распад пиримидиновых нуклеотидов. Распад пиримидиновых нуклеотидов начинается с отщепления от них остатка фосфорной кислоты, катализируемого нуклеотидазами. Образовавшиеся нуклеозиды далее расщепляются фосфоролитически с образованием (дезокси)рибозофосфатов и свободных пиримидиновых азотистых оснований. Цитозин подвергается дезаминированию, предшествующему дальнейшей деградации. Для распада пиримидиновых оснований характерен восстановительный путь с последующим размыканием пиримидинового кольца. Из урацила образуется аминокислота β-аланин, из тимина - β-аминоизомасляная кислота, углекислый газ и аммиак. Аминокислоты - продукты деградации пиримидинов - далее могут вступать в разнообразные реакции обмена веществ (см. Азотистый обмен).
Поскольку интенсивность синтеза нуклеиновых кислот регулируется на стадии синтеза пиримидиновых нуклеотидов, П. о. оказывает существенное влияние наобмен нуклеиновых кислот. Один из путей регуляции синтеза пиримидиновых нуклеотидов - ингибирование по механизму обратной связи: избыток ЦТФ - конечного продукта биосинтетических процессов П. о. аллостерически ингибируетфермент, катализирующий синтез карбамоиласпартата (первую реакцию биосинтеза пиримидинов). Пиримидиновые нуклеотиды ингибируют также синтез ряда ферментов пиримидинового обмена.
В быстрорастущих тканях активность ферментов распада пиримидиновых нуклеотидов чрезвычайно низкая; активность ферментов их синтеза (аспартат-карбамоилтрансферазы и др.) резко возрастает в быстро делящихся тканях, например в ткани печени после частичной гепатэктомии.
Генетическое нарушение П. о. может быть причиной наследственных заболеваний, например оротацидурии, при которой наблюдается избыточное выделение с мочой продукта деградации пиримидиновых оснований - оротовой кислоты. Пернициозная анемия сопровождается существенными нарушениями пиримидинового обмена (см.Анемии), а лечебное действие витамина В12 и фолиевой кислоты (см. Витамины) при анемиях обусловлено участием производных этих витаминов в качестве коферментов в реакциях синтеза пиримидиновых оснований.
