Обмен_АМИНОК_2020_МУДЛ (1)

аминокислоты
альбумин
Роль печени в депонировании аминокислот
гидролиз белков
Белки пищи
кровь
гидролиз белков

Превращения аминокислот в клетке

Реакции поликонденсации (биосинтез белков)
Реакции трансаминирования
Реакции декарбоксилирования
Реакции окислительного дезаминирования
Все превращения аминокислот можно суммировать в виде следующей таблицы:

Биосинтез белка

Стадии синтеза белка
Образование инициирующего комплекса;
Элонгация (удлинение полипептидной цепи);
Терминация (завершение синтеза);
Процессинг (окончательное достраивание молекулы белка).

Для синтеза белка нужна и-РНК
кодон кодон кодон кодон кодон
-А-Ц-Г-А-У-Г-А-У-Ц-Г-А-У-А-Ц-Г - и-РНК

Для синтеза белка нужна рибосома
Большая субъединица рибосомы
Малая субъединица рибосомы

Для синтеза белка нужны т-РНК
ЦЦА
-аминокислота
У-А-Ц
антикодон в т-РНК, соответствует кодону АУГ на И-РНК

Все аминокислоты кодируются в виде троек нуклеотидов (кодонов или триплетов). Одна аминокислота может кодироваться одним триплетом (например, аминокислота метионин), двумя разными триплетами (например, фенилаланин, лейцин и др.), а также четырьмя триплетами (серин, пролин и др.).
Таблица аминокислотного кода представлена на следующем рисунке.

РНК - аминокислотный код

Активация аминокислот
АТФ + НООС-СН-NН2
R
O
АМФ - C - CH - NH2
R
аминоациладенилат
Процесс соединения аминокислот со своими т-РНК, которые содержат антикодоны, комплементарные коду каждой аминокислоты, имеет сложный характер.
Вначале аминокислота активируется с помощью АТФ. Образуется комплекс: аминокислота-АМФ под названием аминоациладенилат.

НS
O
АМФ - C - CH - NH2
R
А-Ц-Ц
Фермент АРС-аза
Аминоациладенилат взаимодействует с одним из двух активных центров фермента - аминоацил-РНК синтетазы (АРС-азы). Другой активный центр АРС-азы вступает в контакт с антикодоном т-РНК.
В результате, аминокислота оказывается рядом с той тРНК, к которой она должна присоединяться.

НS
Ц-Ц-А
O
- C - CH - NH2
R
Далее, фермент АРС-аза соединяет аминокислоту с соответствующей ей транспортной т-РНК.
Теперь т-РНК, загруженная аминокислотой может направляться к рибосоме, чтобы принять участие в биосинтезе белка.
рибосома

Образование инициирующего комплекса.

кодон кодон кодон кодон кодон
ЦЦА
-аминокислота
т-РНК
-А-Ц-Г-А-У-Г-А-У-Ц-Г-А-У-А-Ц-Г - и-РНК
У-А-Ц
Инициирующий комплекс состоит из рибосомы, и-РНК и первой т-РНК. Своим антикодоном т-РНК взаимодействует с комплементарным для него кодоном на и-РНК. Комплекс служит сигналом для начала синтеза белка.

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
Вторая т-РНК занимает место в аминоацильном центре (А) рибосомы согласно правилу комплементарности антикодона т-РНК и кодону на и-РНК.
П А

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
Оказавшись рядом с первой т-РНК, вторая т-РНК переносит к своей аминокислоте аминокислоту первой т-РНК. При этом фермент пептидилтрансфераза образует пептидную связь между двумя аминокислотами.
П А

СAP
и-РНК
ЦЦА
ЦЦА
После этого рибосома передвигается на один кодон в сторону. При этом в аминоацильном центре (А) появляется следующий, третий кодон. Первая т-РНК, оказавшись за пределами рибосомы, удаляется.
Перемеще-ние на 1 кодон
П А

и-РНК
ЦЦА
ЦЦА
К освободившемуся месту на аминоацильном центре рибосомы устремляется третья т-РНК. Согласно кодону она занимает место рядом со второй т-РНК. Далее происходит перенос дипептида на третью аминокислоту. Образуется трипептид. Цикл повторяется до конца синтеза белка.
П А

Синтез белка продолжается до тех пор, пока в аминоацильный центр не заходит особый кодон и-РНК, сигнализирующий о завершении синтеза. Такими стоп-кодонами являются, например, УАА, УГА, УАГ.
В этом случае с кодоном, вместо т-РНК, взаимодействует белок – фактор терминации. К нему присоединяется еще один белок, который отрывает цепь белка от последней т-РНК.

ЦЦА
УАА
А-А-А-А- - А
и-РНК
фактор терминации
БЕЛОК
стоп-кодон
Остановка синтеза белка фактором терминации, при попадании в А-центр стоп-кодона.
П А

Биосинтез белка
(мультик)

ЦЦА
Образование инициирующего комплекса
и-РНК
СAP
П А
аминокислота

ЦЦА
Сборка рибосомы
и-РНК
СAP
Большая субъединица рибосомы
П А

ЦЦА
Сборка рибосомы
и-РНК
СAP
П А

ЦЦА
Сборка рибосомы
и-РНК
СAP
П А

ЦЦА
Сборка рибосомы
и-РНК
СAP
П А

ЦЦА
Сборка рибосомы
и-РНК
СAP
П А

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
Начало синтеза белка
П А

ЦЦА
и-РНК
Начало синтеза белка
П А

ЦЦА
и-РНК
Начало синтеза белка
П А

ЦЦА
и-РНК
Начало синтеза белка
П А

ЦЦА
и-РНК
Начало синтеза белка
П А

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
Перенос первой аминокислоты на вторую
П А

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
Перенос первой аминокислоты на вторую
П А

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
Образование дипептида
П А

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
П А
Перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один триплет (кодон)

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
П А
Перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один триплет (кодон)

и-РНК
П А
Перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один триплет (кодон)

СAP
и-РНК
ЦЦА
Удаление 1-й тРНК

СAP
и-РНК
ЦЦА
Удаление 1-й тРНК

СAP
и-РНК
ЦЦА
ЦЦА
Удаление 1-й тРНК

и-РНК
ЦЦА
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение третьей т-РНК
П А

и-РНК
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение третьей т-РНК
П А

и-РНК
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение третьей т-РНК
П А

и-РНК
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение третьей т-РНК
П А

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
П А
Перенос дипептида на третью аминокислоту

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
П А
Перенос дипептида на третью аминокислоту

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
П А
Перенос дипептида на третью аминокислоту

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
П А
Образование трипептида

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
П А
Перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один триплет (кодон)

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
П А
Перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один триплет (кодон)

ЦЦА
ЦЦА
и-РНК
П А
Перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один триплет (кодон)

СAP
и-РНК
ЦЦА
ЦЦА
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение четвертой т-РНК

СAP
и-РНК
ЦЦА
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение четвертой т-РНК

СAP
и-РНК
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение четвертой т-РНК

СAP
и-РНК
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение четвертой т-РНК

СAP
и-РНК
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение четвертой т-РНК

СAP
и-РНК
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение четвертой т-РНК

СAP
и-РНК
ЦЦА
Перенос трипептида на четвертую аминокислоту

СAP
и-РНК
ЦЦА
Перенос трипептида на четвертую аминокислоту

СAP
и-РНК
ЦЦА
Перенос трипептида на четвертую аминокислоту

СAP
и-РНК
ЦЦА
Перенос трипептида на четвертую аминокислоту

СAP
и-РНК
ЦЦА
Перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один триплет (кодон)

СAP
и-РНК
Перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один триплет (кодон)

СAP
и-РНК
ЦЦА
Повторение цикла элонгации. Присоединение пятой т-РНК и т. д.

Стадия терминации

Образовавшийся белок, потоком жидкости в эндоплазматическом ретикулуме (состоящим из трубочек), направляется в Аппарат Гольджи. В этом месте белки превращаются в сложные формы белков, путем присоединения к ним небелковых компонентов - коферментов, углеводов, нуклеотидов, фосфатов и т.д.
После этого белки становятся функционально активными молекулами клетки.

В аппарат Гольджи
Многие белки требуют достраивания.

Присоединение коферментов
Присоединение углеводов
Обьединение с металлами
Фосфорили-рование
Удаление “лишних” аминокислот или участков белка
Образование четвер-тичной структуры
Образование функционально-активных молекул белков

Регуляция обмена белков

Гормональная регуляция скорости синтеза белка
Соматотропин, половые гормоны (индукторы транскрипции и биосинтеза белка);
2. Тироксин (активатор транскрипции ферментов, осуществляющих липолиз и протеолиз);
3. Инсулин (активатор транскрипции ферментов, участвующих в углеводном обмене);
4. Глюкокортикоиды (репрессоры транскрипции генов, контролирующих синтез белков и липидов. Индукторы транскрипции и биосинтеза ферментов глюконеогенеза).

Влияние некоторых факторов на концентрацию и состав белков организма
Доступность в белковой диете;
2. Наличие полноценных белков в продуктах;
3. Заболевания органов пищеварения;
5. Заболевания почек, печени, поджелудочной железы;
6. Гиповитаминоз (В6; фолиевой кислоты, В12).
7. Длительное применение антибиотиков.

Влияние антибиотиков на биосинтез белков

Трансамини-рование аминокислот

Поступающий с пищей набор аминокислот, редко соответствует их требуемому соотношению для использования клетками. Часто одних аминокислот больше чем нужно, а других меньше необходимого уровня. Для исправления этого неправильного соотношения аминокислот в клетках функционирует особый механизм, позволяющий поддерживать наиболее полное соответствие количества аминокислот с потребностями организма.
Таким механизмом является реакция трансаминирования. Особое значение этот процесс имеет в период роста детей, а также после оперативных вмешательств при заживлении ран.
Смысл этих биохимических реакций состоит в том, что из аминокислот, которых больше, синтезируется те, которых меньше. Следует заметить, что речь идет только о синтезе заменимых аминокислот.
Например, из аминокислоты аланин, с помощью кетоглутаровой кислоты, которая образуется из глюкозы в цикле Кребса, может образовываться глутаминовая кислота. При этом аланин превращается в пировиноградную кислоту, которая используется для выработки энергии.
В реакции участвует активная форма витамина В6 - фосфопиридоксаль. Фермент, который катализирует превращение аланина в глутаминовую кислоту, называется аланин-аиино-трансфераза (АЛТ или АлАТ). Фермент, который превращает аспарагиновую кислоту в глутаминовую, называется аспартатаминотрансфераза (АСТ или АсАТ).

СН3 СООН СН3 СООН
СНNH2 + C=О С=О + СНNH2
СООН СН2 СООН СН2 СН2 СН2
СООН СООН
ФП-аль
аланин оксоглутарат пируват
Участие фосфопиридоксаля (В6) в реакции трансаминирования
глутаминовая кислота

С
СН2ОН
НО
Н3С
N
Н О
пиридоксаль
Витамин В6
(неактивная форма витамина)

С
СН2О-РО3Н2
НО
Н3С
N
Н О
Фосфопиридоксаль
(активная форма витамина)

Н О
С
СН2О-РО3Н2
НО
Н3С
N
СН2-NH2
СН2О-РО3Н2
НО
Н3С
N
пиридоксамин-фосфат
Витамин как акцептор аминогруппы
пиридоксаль-фосфат
+
СН2
СН-NН2
СООН
СН2
С = О
СООН
+

Н О
С
СН2О-РО3Н2
НО
Н3С
N
СН2-NH2
СН2О-РО3Н2
НО
Н3С
N
Витамин как донор аминогруппы
+
СООН
С=О
СН2
СН2
СООН
+
СООН
СН-NН2
СН2
СН2
СООН

В клинической практике активность АлАТ или АсАТ часто измеряют в сыворотке крови для обнаружения цитолиза клеток при патологических процессах.
Например, при воспалительных явлениях, в результате активации пероксидного окисления липидов (ПОЛ), происходит разрушение клеточных мембран в очаге патологии.
Поскольку данные ферменты сосредоточены в цитоплазме клеток, то при разрушении клеточной оболочки, ферменты выходят из клеток в кровяное русло.
Количество разрушенных клеток, коррелирует с размерами поврежденной ткани и соответствует количеству ферментов попадающих при этом в кровь.
Таким образом, можно количественно оценить интенсивность поражения патологическим процессом в различных органах.

Дни болезни
Активность ферментов
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
АлАТ
Динамика повышения активности АсАТ и АлАТ крови при гепатите
АсАТ

Декарбоксилирование аминокислот (образование биологически-активных аминов)

Часть аминокислот используется организмом для получения биологически активных молекул, которые участвуют в регуляции обменных процессов. Путем удаления карбоксильной группы (декарбоксилирования) из аминокислот образуются амины (поскольку аминогруппа при этом сохраняется).
Ниже приводятся примеры таких реакций, в которых получаются хорошо известные в физиологии нервной деятельности, фармакологии и при лечении эндокринных заболеваний биологически активные амины.
Срок “жизни” таких молекул недолгий, они очень быстро разрушаются особыми ферментами - моноаминооксидазами.
Поэтому, биологически активные амины быстро образуются, интенсивно действуют на различные биохимические процессы и очень быстро прекращают свое действие, благодаря своевременному разрушению.

H2N – CН – CООН H2N – CН2 + СО2
R R
Схема декарбоксилирования аминокислот
Биологически активные амины

N -CH2-CH-COOH
NH2
NH
N -CH2-CH2
NH2
NH
декарбоксилаза
СО2
Образование гистамина.
Участвует в воспалительных реакциях.

-CH2-CH-COOH
NH2
NH
НО-
-CH2-CH2
NH2
NH
НО
5-гидрокситриптамин
(серотонин)
декарбоксилаза
СО2
Гидроксилирование и декарбоксилирование триптофана

СOOH
CH-NH2
CH2
CH2
COOH
CH2-NH2
CH2
CH2
COOH
декарбоксилаза
CO2
глутаминовая кислота
гамма-аминомасляная кислота (ГАМК)
Декарбоксилирование глутаминовой кислоты.
(Продукт обладает успокаивающим действием).

CH2-CH-COOH
NH2
ОН
ОН
CH2-CH2
NH2
ОН
ОН
СО2
декарбоксилаза
Гидроксилирование и декарбоксилирование фенилаланина, с образованием нейромедиатора.
(дофамин)

CH2-CH2
NH2
ОН
ОН
Синтез норадреналина из дофамина.
CH-CH2
ОН NH2
ОН
ОН
НАДФН2; О2;
р450
гидроксилаза
норадреналин

CH-CH2
ОН NH2
ОН
ОН
норадреналин
CH-CH2
ОН NH – СН3
ОН
ОН
адреналин
метил-фолиевая кислота; вит. В12
метионин
Синтез адреналина из норадреналина.

Биологически активные амины, используемые как лекарственные средства.
Гистамин
Триптамин
Серотонин
Гамма-аминомасляная кислота (ГАМК)
Дофамин
Норадреналин
Адреналин

Использование аминокислот в качестве исходных субстратов для выработки энергии с помощью окислительного дезаминирования.

Иногда в клетках возникает необходимость в более интенсивном образовании энергии. При этом, кроме углеводов и липидов, в качестве исходного источника энергии могут служить некоторые аминокислоты.
При этом из них удаляется аминогруппа (путем дезаминирования) и одновременно происходит реакция дегидрирования (отрываются атомы водорода для использования их в дыхательной цепи митохондрий (см. раздел: Биологическое окисление).
Поэтому эти две реакции обозначаются таким понятием как: окислительное дезаминирование аминокислот.

Реакция окислительного дезаминирования глутаминовой кислоты
СООН
СН2
СН2
CH-NH2
COOH
HАД
HАДН2
+Н2О
СООН
СН2
СН2
C = NH
COOH
СООН
СН2
СН2
C = О
COOH
+ NH3
митохондрии
3 АТФ

В результате окислительного дезаминирования глутаминовой, или аспарагиновой кислот образуется одна молекула НАДН2 , которая используется митохондриями для синтеза 3-х молекул АТФ.
Однако, судя приведенной выше реакции, наблюдается образование аммиака (NH3), обладающего ярко выраженным токсичным влиянием на организм человека.
В клетках происходят также ряд других реакций дезаминирования, в которых образуется аммиак, например, дезаминирование нуклеотидов, аминопроизводных сахаров и др.
Поэтому очень важными реакциями в клетках являются те, которые обеспечивают обезвреживание аммиака с помощью превращения его в мочевину или присоединения аммиака к глутаминовой кислоте.

NH3
дезаминирова-ние аминокислот
дезаминирова-ние нуклеотидов
окисление аминов
дезаминирование аминосахаров
метаболические источники аммиака в организме

синтез мочевины

•
•
Местом обезвреживания аммиака в организме ( 20 г в сутки) является печень

В первой реакции аммиак с помощью угольной кислоты и энергии АТФ преобразуется в карбамоилфосфат.
глутаминовая кислота
α-кетоглута-ровая к-та
NH3 + CO2 + 2 АТФ
карбамоил-фосфат синтетаза
2АДФ
H3PO4
NH2-C-O~P=O
O
OH
OH
карбамоил-фосфат

+
NH2
CH2
CH2
CH2
CHNH2
COOH
орнитин
трансфераза
H3PO4
NH2
C=O
NH
CH2
CH2
CH2
CHNH2
COOH
цитруллин
Аспарагиновая кислота
+
Карбамоил-фосфат кондесируется с аминокислотой орнитин с образованием аминокислоты цитруллин.
В следующей реакции к цитруллину присоединяется аминогруппа от аспарагиновой аминокислоты.
NH2-C-O~P=O
O
OH
OH
карбамоил-фосфат
NН2

NH2
C=NH
NH
CH2
CH2
CH2
CHNH2
COOH
фумаровая к-та
+ АТФ
аргининсукцинатсинтетаза
АМФ
H4P2O7
аргинин
Итогом этих процессов является образование аминокислоты аргинин.

NH2
CH2
CH2
CH2
CHNH2
COOH
C=O
NH2
NH2
мочевина
NH2
C=NH
NH
CH2
CH2
CH2
CHNH2
COOH
аргинин
орнитин
аргиназа
+
Н2О
Из приведенной ниже схемы видно, что от аргинина путем гидролиза отщепляется мочевина и остается фрагмент молекулы – орнитин.
Таким образом, мочевина образуется не сразу, а путем последовательного участия аминокислот в этом процессе.
Образовавшийся орнитин вновь взаимодействует со следующим карбамоил-фосфатом и цикл синтеза мочевины повторяется.

NH3 + CO2 + 2 АТФ
NH2-C-O~P=O
O
OH
OH
орнитин
цитруллин
аспарагино-вая кислота
аргинин
фумаро-вая к-та
мочевина
Орнитиновый цикл
карбамоилфосфат

Содержание мочевины в крови
2,5 – 8,3 ммоль/л сыворотки

Диагностическая значимость определения концентрации мочевины в крови.
Понижение ниже нормы наблюдается при:
тяжелом заболевании печени;
длительном голодании;
беременности.
Повышение уровня мочевины в крови наблюдается при:
заболеваниях почек;
избыточной белковой пищи;
- ожогах и травмах.

Вспомогательный, быстрый механизм связывания аммиака внутри клеток

Этот пример удаления аммиака в клетках происходит в тех органах, где мочевина не может синтезироваться. Например, в мышцах или нервных клетках цикл синтеза мочевины не происходит.
В этом случае, инактивация аммиака происходит с помощью глутаминовой кислоты.
Фермент глутаматсинтетаза встраивает аминогруппу в карбоксильный фрагмент глутаминовой кислоты. При этом образуется амид глутаминовой кислоты - глутамин. Эта аминокислота уже не обладает токсичностью.

Образование глутамина
СООН
СН2
СН2
CH-NH2
COOH
NH3
+
СОNH2
СН2
СН2
CH-NH2
COOH
АТФ
+
+ H2O
глутаминовая кислота
АДФ
Н3РО4
глутамин

С током крови глутамин поступает в печень или в почки. В печени происходит гидролиз глутамина, образуется аммиак и глутаминовая кислота. Аммиак в печени превращается в мочевину.
В почках глутамин после гидролиза переходит в глутаминовую кислоту и возвращается в ткани за следующей порцией аммиака. Аммиак в почках выделяется с мочой в виде солей аммония.

СООН
СН2
СН2
CH-NH2
COOH
NH3
СОNH2
СН2
СН2
CH-NH2
COOH
+ H2O
глутамино-вая кислота
глутамин
глутаминаза
моча
возвраще-ние в кровь
в почки
Ресинтез глутаминовой кислоты в почках