МЕТАБОЛИЗМ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ

В этой главе, нарушая установленную закономерность, будут рассмотрены и те процессы превращения азотсодержащих соединений, которые приводят к выделению энергии, и те, которые требуют притока энергии. Целесообразность такого отступления от принятого условия диктуется очень тесной связью между метаболическими процессами, происходящими с участием азотсодержащих молекул.

К азотсодержащим соединениям клетки относятся аминокислоты и сформированные из них белки, азотистые основания и содержащие их нуклеиновые кислоты, большинство кофакторов, многие витамины и некоторые другие вещества. Среди перечисленных молекул первостепенное значение для организма имеют, конечно, белки — в количественном отношении они преобладают среди всех клеточных макромолекул. Поэтому баланс азота в организме (клетке) определяется метаболизмом белков.

Белковый обмен

Все клетки способны к синтезу белка. Структура белковых молекул уникальна для представителей каждого вида и определяется последовательностью триплетов нуклеотидов в смысловой цепи ДНК (глава 3). Именно специфика клеточных белков определяет видовую специфичность организмов. Поэтому при образовании новых клеток белковые молекулы синтезируются de novo из низкомолекулярных предшественников (аминокислот). Синтез и распад белка постоянно осуществляются и в зрелых клетках, между этими процессами в норме устанавливается динамическое равновесие. Показано, что, например, в организме взрослого человека ежедневно разрушается до аминокислот 300—400 г белка и примерно такое же количество аминокислот включается во вновь образованные белковые молекулы. Почему метаболизирующая клетка вынуждена постоянно синтезировать белок? В первую очередь потому, что время полужизни многих ферментных белков очень небольшое: от 2 мин до нескольких дней. Наиболее короткоживущими являются ключевые ферменты метаболических путей. Постоянное разрушение и синтез белков позволяют клеткам быстро приводить в соответствие с метаболическими потребностями уровень и активность ферментов. Недавно стало известно, что время полужизни белка в клетке определяется природой его N-концевой аминокислоты: если она легко связывается со специфическим белком (убиквитином), то убиквитинированный белок легко атакуется протеиназами и разрушается. В противоположность ферментным структурные белки, гистоны, гемоглобин, а также белки цитоскелета особо долговечны.

Расщепление белков в клетках происходит в ходе гидролиза, который наиболее эффективен у эукариот в лизосомах и специализированных органеллах — протеасомах, но частично имеет место и в цитозоле. Кроме того, клетки, способные использовать экзогенный белок в качестве питательного субстрата, как правило, обладают внеклеточными (секреторными) ферментами, с помощью которых осуществляется гидролитическое расщепление белка вне клетки. Расщепление белков катализируют ферменты—пептидогидролазы, среди которых выделяют протеиназы и пептидазы. Протеиназы (эндопептидазы) способны расщеплять пептидную связь внутри пептидной цепи. Экзопептидазы атакуют пептидную молекулу с конца цепи: аминопептидазы — с N-конца, карбоксипептидазы — с С-конца.

Итак, белки в каждой клетке постоянно расщепляются до аминокислот. Аминокислоты не могут запасаться в клетках, они должны быть сразу расходованы либо в процессе синтеза белка, либо в процессах превращения аминокислот. Поскольку соотношения разных аминокислот в распадающихся и новосинтезируемых белках неодинаковы, какая-то часть аминокислот, образованных при гидролизе белка, не участвует в биосинтезе. Эти аминокислоты подвергаются в первую очередь реакциям дезаминирования (отщепление аминогрупп) и трансаминирования (обмен кето- и аминогруппами), а также реакциям превращения по карбоксильной и боковым группам.

В ходе реакций дезаминирования накапливается аминный азот, который, за исключением тех аминогрупп, которые повторно включаются в биосинтез аминокислот, выводится из организма. Механизм выведения аммиака из организмов высших животных связан с образованием мочевины и представлен циклом мочевины. Расщепление углеродных скелетов аминокислот связано с их окислением и в конечном итоге приводит к формированию небольшого числа продуктов (обычно 7), которые могут вовлекаться в ЦТК или использоваться иначе, в том числе обеспечивая энергетический выигрыш.

Синтез аминокислот может осуществляться в клетках всех организмов, но в разном объеме. Так, автотрофные организмы (в первую очередь, растения), а также многие гетеротрофные микроорганизмы способны самостоятельно синтезировать все 20 входящих в состав белка аминокислот. В то же время отдельные представители мира микробов могут нуждаться для роста в 10— 18 аминокислотах (полиауксотрофные штаммы некоторых молочнокислых бактерий). В организме человека не могут синтезироваться 8 из 20 белковых аминокислот, эти незаменимые аминокислоты должны потребляться с пищей.

Предшественниками для синтеза аминокислот служат промежуточные продукты катаболических путей и ЦТК, а также аммонийный азот. С другой стороны, нужные аминокислоты могут образовываться в процессе превращений (чаще трансаминирования) между кетокислотами и уже имеющимися в клетке аминокислотами. Если бы в живой природе реализовывался только второй путь, запасы белка на планете стремительно бы сокращались. Именно азот, формирующий аминогруппы в составе белковых молекул, способствует постоянному пополнению белковых ресурсов и в то же время выполняет роль одного из основных лимитирующих факторов развития организмов. Каковы источники аммонийного азота, который может включаться в состав аминокис лот? Ответ на этот вопрос можно получить, рассмотрев круговорот азота в природе.