Тема 12. 2. Обезвреживание продуктов катаболизма аминокислот в кишечнике

Аминокислоты, не всосавшиеся в клетки кишечника, используются микрофлорой толстой кишки. Ферменты микроорганизмов расщепляют аминокислоты и превращают их в амины, фенолы, индол, скатол, сероводород и другие, токсичные для организма соединения. Этот процесс называют гниением белков в кишечнике. В основе его лежат реакции декарбоксилирования и дезаминирования аминокислот. Продукты гниения частично всасываются в нижних отделах тонкой кишки и с током крови поступают в печень и другие ткани, где могут оказывать токсическое действие.

1. Образование и обезвреживание и-крезола и фенола. Под действием ферментов бактерий из аминокислоты тирозина могут образовываться фенол или крезол путем отщепления боковых цепей (рис. 12.3).

Часть этих соединений попадает в кровоток и по воротной вене поступает в печень, где подвергаются конъюгации двух видов:

• с сульфатом в составе (ФАФС),

• с глюкуроновой кислотой в составе УДФ-глюкуроната.

Реакции конъюгации фенола и крезола с ФАФС катализирует фермент сульфотрансфераза (рис. 12.4).

Рис. 12.3. Катаболизм тирозина под действием бактерий:

Е - бактериальные ферменты

Рис. 12.4. Конъюгация фенола и крезола с ФАФС:

Е - сульфотрансфераза

Конъюгация фенола и крезола с глюкуроновой кислотой происходит при участии фермента УДФ-глюкуронилтрансферазы. Продукты конъюгации - фенолглюкуронат и крезолглюкуронат хорошо растворимы в воде и выводятся с мочой. Повышение количества конъюгатов глюкуроновой кислоты с фенолом и крезолом в моче обнаруживается при усилении гниения белков в кишечнике.

2. Образование и обезвреживание индола и скатола. В кишечнике из аминокислоты триптофан микроорганизмы образуют индол и скатол. Бактерии отщепляют карбоксильную и α-амино-группу триптофана, оставляя нетронутым гетероциклический радикал. Индол образуется в результате отщепления бактериями боковой цепи с образованием серина или аланина

(рис. 12.5).

Рис. 12.5. Катаболизм триптофана под действием бактерий:

Е - бактериальные ферменты

Скатол и индол обладают гидрофобными свойствами и обезвреживаются в печени в два этапа:

- сначала в результате микросомального окисления они приобретают гидроксильную группу, индол превращается в индоксил;

- затем индоксил вступает в реакцию конъюгации с ФАФС, образуя индоксилсерную кислоту, калиевая соль которой получила название животного индикана. Анализ последнего в моче использовали для оценки детоксикационной функции печени (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Участие сульфотрансферазы в обезвреживании индола:

Главный путь экскрекции азота у млекопитающих происходит в составе мочевины, представляющей собой инертное, водорастворимое, нетоксичное вещество:

Как отмечалось ранее, мочевина синтезируется в печени, затем поступает в кровь и экскретируется почками. На долю мочевины приходится 80-90% выделяемого азота у человека при сбалансированном режиме питания.

Орнитиновый цикл синтеза мочевины. В начале XX в. в печени был открыт гидролитический фермент аргиназа, отщепляющий гуанидиновую группу от аминокислоты аргинина. В процессе гидролиза аргинина образуется мочевина и аминокислота орнитин, не входящая состав белка:

Спустя 30 лет Г. Кребс и К. Гензелайт вывели уравнение реакции синтеза мочевины и предположили существование циклического процесса, в котором орнитин, образующийся при распаде аргинина, вновь регенерируется в аргинин. Дальнейшие исследования подтвердили циклический характер механизма биосинтеза мочевины. Впоследствии были детализированы отдельные реакции цикла, ферментные системы, энергетика и регуляция этого процесса. Так был окончательно расшифрован знаменитый цикл синтеза мочевины, получивший название орнитинового цикла Кребса-Гензелайта.

Механизм орнитинового цикла. Цикл мочевинообразования происходит в три этапа, включающие пять реакций, каждая из которых катализируется отдельным ферментом:

– синтез аминокислоты цитруллина (две реакции);

– синтез аминокислоты аргинина (две реакции);

– образование мочевины (одна реакция).

Суммарную реакцию синтеза мочевины можно представить следующим образом:

Из реакции следует, что:

– непосредственных источников азота мочевины – два: аммиак и NH₂-acпартата, который превращается в безазотистое соединение фумаровую кислоту;

– источником углерода мочевины является СO₂, который можно представить как акцептор азота;

– процесс сильно эндэргонический: на синтез одной молекулы мочевины затрачивается три молекулы АТФ.

Первый этап – синтез аминокислоты цируллина протекает в митохондриях печени, где аммиак обезвреживается путем связывания с СO₂ и образования кар-бамоилфосфата при участии фермента карбамоилфосфатсинтетазы I (КФС I):

Реакция является эндэргонической и сопровождается гидролизом двух молекул АТФ.

В настоящее время в клетках животных выделены два типа карбамоилфос-фатсинтетаз (КФС): аммиак-зависимая КФС I, локализованная в митохондриях печени и катализирующая синтез КФ в процессе образования мочевины, и глутамин-зависимая КФС II, широко распространенный фермент цитозоля клеток различных тканей, катализирующий образование КФ в процессе синтеза пиримидиновых оснований (гл. 26).

КФС I – регуляторный фермент синтеза мочевины, регуляция осуществляется по аллостерическому механизму, ингибитором фермента является аргинин. В состав КФС I входит биотин (витамин Н), максимальная активность фермента проявляется в присутствии N-ацетилглутаминовой кислоты – активатора КФС I.

Затем следует реакция конденсации образовавшегося карбамоилфосфата и аминокислоты орнитина, катализируемая ферментом орнитинкарбамоил-трансферазой (ОКТФ); в ходе реакции образуется цитруллин и регенерирует молекула неорганического фосфата:

ОКТФ в митохондриях печени ассоциирована с КФС I, что помогает избежать гидролиза карбамоилфосфата и способствует необратимости реакции образования цитруллина. Так же как и первый фермент, ОКТФ выполняет ре-гуляторную функцию в процессе синтеза мочевины.

Второй этап – синтез аргинина из цитруллина и аспартата (донора аминогруппы) протекает уже в цитоплазме печени и включает две реакции.

1. Конденсация цитруллина и аспарагиновой кислоты с образованием ар-гининосукцината катализируется аргининосукцинатсинтетазой:

2. Аргининосукцинат распадается на аргинин и фумаровую кислоту при участии фермента аргининосукцинатлиазы:

На третьем этапе аргинин расщепляется на мочевину и орнитин под действием фермента аргиназы:

Необходимо учесть, что аргиназа содержится в печени только тех организмов, которые экскретируют мочевину как основной и конечный продукт азотистого обмена. Очень незначительное количество аргиназы выявлено в почках и мозговой ткани. Аргиназа относится к аллостерическим регуляторным ферментам, ее ингибитором является орнитин и лизин.

Таким образом, орнитиновый цикл мочевинообразования может быть представлен в следующем виде (рис. 24.10).

Процесс синтеза мочевины является необратимым, поскольку сопровождается значительным уменьшением свободной энергии (D G° ¢ = -40 кДж). Примечательна компартментализация цикла мочевины и связанных с ним реакций. Так, образование аммиака в реакциях трансдезаминирования, его включение в карбамоилфосфат и синтез цитруллина происходят в митохонд-риальном матриксе, а все последующие реакции (второй и третий этапы) – в цитозоле клетки печени.

Важную роль в синтезе мочевины имеет образование фумарата, поскольку он связывает между собой орнитиновый цикл мочевины с циклом трикарбоновых кислот (рис. 24.11).

Как видно из рис. 24.11, фумарат под действием ферментов цикла трикар-боновых кислот превращается в оксалоацетат. Последний имеет ключевое значение, поскольку существует несколько возможных путей его превращения: 1) он может подвергаться трансаминированию в аспартат; 2) превращаться в глюкозу по пути глюконеогенеза; 3) при конденсации оксалоацетата с ацетил-КоА образуется цитрат, т. е. могут инициироваться реакции цикла три-карбоновых кислот. Таким образом, между обоими циклами имеются сложные взаимосвязи, определяющие скорость реакций, зависящую от энергетических потребностей клетки и концентраций конечных продуктов метаболизма.

Нарушения синтеза мочевины. Метаболические нарушения мочеви-нообразования могут быть обусловлены недостатком любого из пяти ферментов, катализирующих в печени синтез мочевины. Как указывалось ранее, ско-ростьлимитирующими стадиями являются реакции, катализируемые карбамо-илфосфатсинтетазой и орнитинкарбамоилтрансферазой (первый этап), а также аргиназой (третий этап). Все нарушения синтеза мочевины вызывают аммиачное отравление, клиническими симптомами которого являются рвота, нарушение координации движения, раздражительность, сонливость и умственная отсталость. Лечение большинства подобных заболеваний основано прежде всего на ограничении белка в диете; пищу следует принимать небольшими порциями, чтобы избежать быстрого повышения уровня аммиака. Большинство известных заболеваний, приводящих к нарушению мочевинообразо-вания, являются наследственными.

Дата добавления: 2015-09-01