Обмен азотистых соединений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обмен азотистых соединений



Вопросы

1. Пути превращения аммиачного азота

2. Пути синтеза аминокислот (прямое аминирование и переаминирование)

3. Пути превращения аминокислот (дезаминирование, декарбоксилирование)

4. Орнитиновый цикл

Литература



1. Пути превращения аммиачного азота

Человек и животные не способны усваивать минеральные соединения азота, не могут синтезировать некоторые аминокислоты. Эти аминокислоты поступают обычно с пищей (кормом).

В отличие от животных, растительные организмы способны синтезировать все необходимые им азотистые соединения из аммиака, который поступил из почвы или образовался в результате восстановления нитратов, распада белков, других реакций. Основной путь превращения аммиачного азота в органические соединения - это синтез аминокислот. Исходным веществом для синтеза органических соединений является аммиак, и в растительных тканях усвоенные из почвы нитраты быстро восстанавливаются до аммиака. Схематически процесс восстановления нитратов до аммиака можно выразить так:

HNO₃ + 8 H⁺ + 8 е NH₃ + 3 H₂O,

То есть для восстановления молекулы HNO₃ до уровня аммиака требуется 8 протонов и 8 электронов. Этот процесс, как и большинство других биохимических процессов, идет ступенчато, через ряд промежуточных соединений и катализируется несколькими ферментами.

В настоящее время процесс восстановления нитратов представляется в следующем виде. На первой стадии нитраты под действием нитратредуктазы восстанавливаются до нитритов. Донором протонов и электронов является НАДФ*Н₂ (или НАД*Н₂). Это сложная реакция, в ней участвует в качестве промежуточного переносчика водорода флавиновый фермент, для проявления активности которого необходим молибден, а также другие вещества и кофакторы. Схематически действие нитратредуктазы изображается так:



HNO₃ + НАДФ*H₂ НNО₂ + H₂O.

Механизм восстановления нитратов под действием нитратредуктазы:

2Н⁺

НАД*Н₂ или НАДФ* Н₂ ФАД Мо⁵⁺ + 2 е NO₃-

НАД или НАДФ ФАД*Н₂ М_О⁶⁺ NO₂- +Н₂О

Согласно этой схеме, для восстановления нитратов необходимо 2 протона и 2 электрона, которые доставляются восстановленными формами НАД*Н₂ или НАДФ* Н₂ и передаются на флавиновый фермент. Последний восстанавливается, а НАД или НАДФ переходят в окисленное состояние. На следующем этапе промежуточным переносчиком электронов служит молибден. Две молекулы М_О⁶⁺ принимают два электрона от ФАД*Н₂ и передают их на NO₃-. После присоединения электронов NO₃- переходит в NO₂-, а из протонов и кислорода образуется молекула воды. Затем нитрат восстанавливается до гипонитрита. Эта реакция катализируется нитритредуктазой, которая также представляет собой металлофлавопротеид. Донором протонов и электронов является восстановленный НАД*Н₂ (НАДФ* Н₂), в реакции также принимают участие флавиновые ферменты, для активации которых необходимы железо, медь и магний:

2 НNО₂ + 2 НАД*Н₂ Н₂N₂О₂ + 2 Н₂О + 2 НАД

На следующем этапе происходит присоединение еще двух атомов водорода и образование гидроксиламина (NH₂OH). Фермент, катализирующий эту реакцию, называется гипонитритредуктазой. Он представляет собой флавопротеид, для активирования которого требуется медь, железо, марганец, а донором протонов и электронов является НАД*Н₂.



Н₂N₂О₂ + 2 НАД*Н₂ 2 NН₂ОН + 2 НАД.

азотистый обмен аминокислота орнитиновый

На последнем этапе под действием гидроксиламинредуктазы из гидроксиламина образуется аммиак. Здесь также участвуют флафопротеиды, содержащие магний и марганец, а донором водорода является НАД* Н₂:

NН₂ОН + НАД*Н₂ NН₃ + Н₂О+ НАД.

Таким образом, общая схема восстановления нитратов представляется в виде:

M_O C_U, F_e, M_g C_U, F_e, M_n M_n, M_g

NО₃ NО₂ N₂О₂ NН₂ОН NН₃

Следует отметить, что ферменты нитратвосстанавливающей системы представляют собой так называемые индуцированные ферменты, т.е. они довольно интенсивно образуются в растениях после поступления в растения большого количества нитратов или продуктов их восстановления. Для восстановления нитратов до аммиака необходимы 8 протонов и 8 электронов, которые доставляются восстановленными НАД*Н₂ или НАДФ*Н₂.

Нитраты довольно быстро восстанавливаются в растениях, и иногда их восстановление заканчивается в корневой системе. Накопление повышенного количества нитратов в надземных органах растений бывает сравнительно редко, лишь при неблагоприятных условиях выращивания растений или при избыточных дозах нитратных удобрений. Для восстановления нитратов необходимы фосфор, магний, молибден и другие элементы. Интенсивность восстановления нитратов связана с двумя основными процессами, в результате которых выделяется энергия, - дыханием и фотосинтезом. Если растения обеспечены достаточным количеством углеводов, нитраты восстанавливаются в основном в корневой системе при участии НАД*Н₂ или НАДФ*Н₂, образующихся при распаде углеводов через цикл ди- и трикарбоновых кислот. Если же интенсивность фотосинтеза ослаблена и растения испытывают некоторый недостаток углеводов, часть нитратов не успевает восстанавливаться в корнях и поступает в надземные органы, где восстанавливается при участии никотинадениндинуклеотидов, образующихся при фотосинтезе.

2. Пути синтеза аминокислот (прямое аминирование и переаминирование)

Еще сравнительно недавно считали, что биосинтез аминокислот может происходить только в надземных частях растений. Однако последующие исследования показали, что новообразование аминокислот может происходить и в подземных органах растений. При нормальных условиях развития главным путем превращения аммиака в органические соединения азота является образование аминокислот. В результате биосинтеза аминокислот было выяснено, что аммиак чаще всего реагирует с кетокислотами. Эта реакция прямого аминирования кетокислот аммиаком - основной путь синтеза аминокислот в растениях.

Реакция синтеза аминокислот идет в две фазы:

NH

1) R-COCOOH + NH₃ R-C + H₂O

кетокислота СООН иминокислота

NH

2) R-C + 2 Н R-CНNH₂СООН

СООН

иминокислота НАДФ*Н₂ НАДФ аминокислота



На 1-й фазе кетокислота, присоединяя аммиак, образует иминокислоту. На 2-й фазе иминокислота восстанавливается и дает аминокислоту. Эта реакция идет под действием какого-либо восстанавливающего агента, например НАДФ*Н₂ или НАД*Н₂. Следовательно, для первичного синтеза аминокислот необходимы аммиак и кетокислоты. Основными процессами, которые приводят к образованию кетокислот, являются цикл Кребса и реакции анаэробного распада углеводов. Прямое аминирование кетокислот аммиаком - первая и наиболее важная реакция биосинтеза аминокислот. В процессе восстановительного аминирования наиболее активен фермент глутаматдегидрогеназа, который катализирует реакцию синтеза глутаминовой кислоты:

СООНСН₂СН₂СОСООН + NН₃ + 2Н СООНСН₂СН₂СНNН₂СООН + Н₂О

-кетоглутаровая глутаминовая кислота кислота

Глутаматдегидрогеназа в качестве активной группы содержит НАД и НАДФ, она может с разной скоростью катализировать восстановительное аминирование -кетоглутаровой, пировиноградной, -кетомасляной, -кетовалериановой, -кетокапроновой и некоторых других кислот. Из растений были выделены и другие ферментные препараты, которые катализируют реакции прямого аминирования кетокислот аммиаком. Все они относятся к дегидрогеназам, и для их действия необходимы НАД*Н₂ или НАДФ*Н₂.

Аспарагиновая кислота может образоваться также при прямом присоединении аммиака к фумаровой кислоте. Реакция катализируется ферментом аспаратаммиаклиазой:

СООНСН=СНСООН+ NН₃ СООНСН₂СНNН₂СООН



Аммиак является ядом для растений, и при накоплении большого количества его может наблюдаться отравление тканей растений. Поэтому организмы вынуждены его обезвреживать. Одна из основных реакций, приводящих к связыванию аммиака, - использование его для синтеза аминокислот. Но аммиака, как правило, больше, чем требуется для синтеза аминокислот. Избыточный аммиак обезвреживается при образовании амидов - аспарагина и глутамина. Исходными веществами для биосинтеза глутамина и аспарагина являются соответственно глутаминовая и аспарагиновая кислоты. Синтез глутамина идет при участии АТФ и катализируется ферментом глутаминсинтетазой, которая широко распространена в тканях растений, грибов, бактерий и животных:

СООН СОNН₂

СН₂ СН₂

СН₂ + NН₃ + АТФ СН₂ + АДФ + Н₃РО₄

СНNН₂ СНNН₂

СООН СООН

глутаминовая кислота глутамин

Энергия в этой реакции необходима для биосинтеза амидной связи. Биосинтез глутамина - довольно сложный процесс. Он состоит из четырех, а может быть, и более реакций. Детали этого процесса и промежуточные продукты еще не выяснены. Аналогичным путем происходит синтез аспарагина под действием аспарагинсинтетазы:

СООНСН₂СНNН₂СООН+NН₃+АТФ СОNН₂СН₂СНNН₂СООН + АДФ + Н₃РО₄

аспарагиновая кислота аспарагин



Более просто обезвреживается аммиак в растениях с кислым клеточным соком и высоким содержанием яблочной, щавелевой, лимонной и других кислот (бегония, щавель). У этих растений аммиак обезвреживается главным образом его связыванием в виде аммонийных солей органических кислот:

СООНСНОНСН₂СООН + NН₃ СООНСНОНСН₂СООNН₄

яблочная кислота яблочно-кислый аммоний

СООН СООNН₄

+ NН₃

СООН СООН

щавелевая кислота щавелево-кислый аммоний

Синтез аминокислот путем прямого аминирования кетокислот аммиаком возможен лишь для ограниченного числа аминокислот, у которых в растениях имеются кетоаналоги. Образование большинства других кетокислот происходит либо в результате реакции переаминирования, либо в результате взаимных превращений аминокислот.

Переаминирование. Реакция переаминирования впервые была открыта советским исследователем А.Е. Браунштейном в 1938 году. Он наблюдал перенос аминогрупп от аминокислот на кетокислоты. Позднее было показано, что в растениях наиболее легко подвергаются переаминированию глутаминовая и аспарагиновая кислоты, что подтверждало представления об их центральной роли в процессах обмена веществ. Д.Н. Прянишников писал в 1945 году: «...благодаря легкости образования аспарагиновой и глутаминовой кислот из соответствующих кетокислот и их способности к переаминированию можно сказать, что дикарбоновые моноаминокислоты являются как бы большими воротами на пути, ведущем к синтезу других аминокислот, а следовательно, и белков». К настоящему времени изучено очень большое число реакций переаминирования, приводящих к образованию различных аминокислот. Только в растениях в результате переаминирования может синтезироваться до 30 аминокислот, а всего известно около 100 реакций переаминирования. В процессе обмена веществ наибольшее значение имеют следующие реакции переаминирования:

глутаминовая кислота + щавелево-уксусная кислота -кетоглутаровая кислота + аспарагиновая кислота

глутаминовая кислота + пировиноградная кислота -кетоглутаровая кислота + аланин

аспарагиновая кислота + пировиноградная кислота щавелево-уксусная кислота + аланин

Реакции переаминирования катализируются аминотрансферазами, которые представляют собой двухкомпонентные ферменты. Их активной группой является фосфорилированное производное пиридоксина (витамин В₆) - пиридоксальфосфат (сокращенно ПЛФ). В процессе переаминирования возникает комплексное соединение реагирующей аминокислоты с пиридоксальфосфатом. Затем этот комплекс распадается, и образуются пиридоксаминфосфат (ПМФ) и соответствующая кетокислота. На 2-й стадии реакции ПМФ реагирует с другой кетокислотой, в результате чего синтезируется новая аминокислота, и освобождается свободной пиридоксальфосфат:

ПЛФ + аминокислота I ПМФ + кетокислота I

ПМФ + кетокислота II ПЛФ + аминокислота II

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

пиридоксальфосфат (ПЛФ) пиридоксаминфосфат (ПМФ)

В настоящее время принята теория механизма действия аминотрансфераз, разработанная А.Е. Браунштейном и М.М. Шемякиным. В соответствии с этой теорией механизм реакции переаминирования может быть изображен следующим образом. На 1-й стадии аминокислота I, реагируя с аминотрансферазой, которая представляет собой комплекс пиридоксальфосфата со специфическим белком, образует с выделением воды соединение аминокислоты с ферментом:

аминокислота I аминотрансфераза

В комплексном соединении такого типа понижена электронная плотность у -углеродного атома, соответствующего остатку аминокислоты, вследствие чего водород легко подвергается диссоциации, и это соединение переходит в свою таутомерную форму с соответствующей перегруппировкой двойных связей. Затем эта таутомерная форма комплекса аминокислоты с аминотрансферазой подвергается гидролизу, в результате чего образуется кетокислота I, соответствующая исходной аминокислоте, а аминогруппа переносится на аминотрансферазу:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

аминокислота I-аминотрансфераза

кетокислота I фосфопиридок-саминная форма аминотрансфе-разы

На следующем этапе происходит взаимодействие фосфопиридоксаминной формы аминотрансферазы с другой кетокислотой II, образование соответствующего комплекса, затем происходит распад этого комплекса с переносом аминогруппы на кетокислоту II и образование аминокислоты II и исходной фосфопиридоксалевой формы аминотрансферазы:

аминотрансфераза-ПМФ+кетокислота II аминотрансфераза-ПЛФ+аминокислота II

В результате реакций переаминирования синтезируются самые разнообразные аминокилоты. С этими реакциями связаны многие процессы обмена веществ в организмах.

3. Пути превращения аминокислот (дезаминирование, декарбоксилирование)

Аминокислоты, образовавшиеся в растениях при восстановительном аминировании, переаминировании или другим путем, подвергаются непрерывному обмену. В основном, они используются для синтеза белков, но могут претерпевать и другие превращения - декарбоксилироваться, использоваться для синтеза азотистых оснований и других соединений, отщеплять аминогруппу, полностью окисляться и служить источником энергии для организмов.

Дезаминирование аминокислот - распад на аммиак и соответствующие кислоты - является основной реакцией превращения азотистых веществ в безазотистые соединения, которые могут подвергаться дальнейшему обмену. Дезаминирование аминокислот может происходить 3 основными путями:

Восстановительное дезаминирование, в котором образуется соответствующая кислота и аммиак:

RCHCOOH RCH₂COOH + NH₃.

NH₂

HAД*Н₂ НАД

2. Гидролитическое дезаминирование, приводящее к образованию оксикислоты и аммиака:

RCHCOOH RCHОНCOOH + NH₃.

NH₂

3. Окислительное дезаминирование, когда образуется кетокислота и аммиак:

RCHCOOH RCОCOOH+ NH₃.

NH₂



Аминокислоты наиболее часто распадаются в результате окислительного дезаминирования. Реакция идет в две стадии. На первой стадии аминокислота дегидрируется и превращается в соответствующую иминокислоту:

RCHCOOH RCCOOH.

NH₂ NH

ФАД ФАД*Н₂

На второй стадии к иминокислоте присоединяется вода и отщепляется аммиак:

RCHCOOH RCCOOH+ NH₃.

NH

Реакции окислительного дезаминирования катализируются ферментами, которые получили название оксидаз аминокислот.

Декарбоксилирование аминокислот. При декарбоксилировании аминокислот от аминокислоты отщепляется СО₂. Если декарбоксилированию подвергается дикарбоновая кислота, то в результате реакции возникает соответствующая монокарбоновая кислота:

СООНСН₂СН₂СНNН₂СООН СООНСН₂СН₂СН₂NН₂

глутаминовая кислота -аминомасляная кислота

При декарбоксилировании монокарбоновых аминокислот образуются соответствующие амины:

RCHNH₂COOH RCH₂NH₂

Реакции, приводящие к образованию аминов, катализируются специфичными ферментами - декарбоксилазами аминокислот. Амины могут накапливаться только при некоторых неблагоприятных условиях развития. Обычно они подвергаются дальнейшим превращениям. Основной путь превращения аминов - их окисление. Окисление моноаминов катализируется монооксидазами. Продуктами реакции являются соответствующий альдегид и аммиак:

O

RCH₂NH₂ RC + NH₃ + H₂O₂

H

Окисление диаминов катализируется диаминооксидазами с образованием аминоальдегидов и аммиака:

O

NH₂CH₂RCH₂NH₂ NH₂CH₂RC + NH₃ + H₂O₂

H

Альдегиды могут окисляться дальше в соответствующие кислоты. Из аминов в растениях синтезируются различные гетероциклические соединения, в частности алкалоиды.

4. Орнитиновый цикл

Из аминокислот, поступающих с белками в пищу, в организме синтезируются белковые вещества различных органов и тканей. В процессе жизнедеятельности клеток и тканей белки распадаются, и образовавшиеся аминокислоты также претерпевают распад. Аминокислоты могут окисляться до конечных продуктов - мочевины, аммонийных солей, углекислого газа, серной и фосфорной кислот и воды.

Конечным продуктом распада простых белков является мочевина. Процесс образования мочевины происходит через орнитиновый цикл:

1) О

NH₃ + CO₂ + АТФ NH₂-C-OPO₃H₂ + АДФ

карбомилфосфат

2) СН₂NН₂ NН₂

NН₂-С-О- PO₃H₂ + (СН₂)₂ С=О

О СНNН₂ NН + Н₃РО₄

СООН (СН₂)₃

СНNН₂

СООН

карбомилфосфат

орнитин

цитруллин

3) NН₂

СООН NН₂ СООН

С=О

СН₂

NН + + АТФ АДФ + Н₃РО₄ + С=N-СН

СНNН₂ NН СН₂

(СН₂)₃

СООН

СНNН₂ (СН₂)₃ СООН

СООН СНNН₂

СООН

Цитруллин аспарагиновая кислота аргинин-янтарная кислота

4) NН₂

Аргинин-янтарная кислота С=NН СООН

NН СН

(СН₂)₃ + СН

СНNН₂ СООН

СООН

аргинин

фумаровая кислота

5) NН₂ NН₂ NН₂

С=NН (СН₂)₂

NН + Н₂О + С=О

(СН₂)₃ СНNН₂

СНNН₂ СООН NН₂

СООН

аргинин

орнитин

мочевина

Фумаровая кислота может вновь присоединять молекулу аммиака и превращаться в аспарагиновую кислоту, которая необходима для синтеза аргинин-янтарной кислоты.

Суммарное уравнение биосинтеза мочевины:

СО₂ + 2 NН₂ + 3 АТФ + 2 Н₂О СО(NН₂)₂ + 3 АДФ + 3 Н₃РО₄



Литература

1. Казаков Е.Д., Биохимия зерна и хлебопродуктов. [Текст] / Е.Д. Казаков, Г.П Карпиленко - СПб: ГИОРД, 2005.- 512 с.

2. Комов В.П., Биохимия. [Текст] /В,П. Комов. - СПб.: ГИОРД, 2004. - 465с

3. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М.: Мир, 1987. 980 с.

4. Луценко Н.Г. Начала биохимии: Кур лекций / РХТУ им. Менделеева Д.И.. - М.: МАЙК «Наука/Интерпериодика», 2002 - 125 с

5. Рис Э.., Введение в молекулярную биологию: от клеток к атомам: Пер. с англ. [Текст] / Э. Рис, М. Стернберг.- М.: Мир, 2002. - 142с.

6. Уайт А., Фендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. В 3 т. - М.: Мир, 1981.

7. Щербаков В.Г., Биохимия. [Текст] / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова, А.Д. Минакова - СПб.: ГИОРД, 2003. - 440 с.

8. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: НИИ биомед. химии РАМН, 1999. - 372 с

Размещено на Allbest.ru