Три типа преобразований являются универсальными для всех а-аминокислот: реакции де- карбоксилирования, дезаминирования и транс- аминирования (переаминирования). Существующий в клетках набор ферментов способен вовлечь в каждую из этих реакций почти любую из кодируемых аминокислот.
ДЕКАРБОКСИЛ И РОВ АНИ Е
Несмотря на созвучное название, реакция декарбоксилирования аминокислот принципиально отличается от окислительного декарбоксилирования а-кетокислот, описанного в разделе 5.2.7 (см. рис. 5-15). Будучи локализованными не в митохондриях, а в цитоплазме, декарбоксилазы а-аминокислот не сопряжены с биоокислением. В качестве небелкового компонента они содержат витамин В6, активностью которого обладают три пищевых продукта, легко превращаемые друг в друга: пиридок- сол, пиридоксаль и пиридоксамин (рис. 9-1). Коферментную функцию выполняет фосфори- лированное производное пиридоксаля - пири- доксальфосфат. В реакциях он участвует своей альдегидной группой, поэтому для краткости его изображают так: 0-С(Н)-ПФ.
В общем виде ферментативное декарбо- ксилирование а-аминокислот представлено на рис. 9-2.
Сначала альдегидная группа пиридоксаль- фосфата реагирует с аминогруппой субстрата, что приводит к образованию ишффова основания (так издавна называют вещества, которые содержат фрагмент >НС—N=011-, подобный обозначенному на рис. 9-2). Затем к нему вновь присоединяется вода, но происходящее при этом освобождение пиридоксапьфосфата сопровождается теперь выделением СОг с превращением исходной аминокислоты в соответствующий ей амин.
Степень субстратной специфичности декарбоксилаз очень различна. К наиболее избирательным относятся глутаматдекарбоксилаза и гистидиндекарбоксилаза (рис. 9-3). Первая сосредоточена преимущественно в клетках головного мозга и катализирует превращение глутамата в у-аминомасляную кислоту (ГАМК), которая играет важную роль в качестве нейромедиатора: многие нервные клетки обладают теми или иными вариантами ГАМК-рецеп- торов. Вторая из упомянутых декарбоксилаз распространена гораздо шире, да и продуцируемый ею медиатор - гистамин - обладает гораздо более разнообразными эффектами (они опосредуются гистаминовыми рецепторами Н( и Н2). К их числу относятся: расширение капилляров и повышение их проницаемости; снижение артериального давления; повышение тонуса и даже спазм гладких мышц бронхов и стенок пищеварительного тракта; усиление выделения желудочного сока, слюны, бронхиального секрета. Неудивительно, что антигиста- минные препараты находят разнообразное применение в практической медицине.
Декарбоксилирование гистидина осуществляет и другой фермент — декарбоксилаза ароматических Ь-аминокислот. К числу ее субстратов относятся также незаменимая аминокислота триптофан и его производное — 5-гид- рокситриптофан (см. рис. 5-45). При их декар- боксилировании возникают биологически активные метаболиты — соответственно трипта- мин и 5-гидрокеитриптамин, более известный под названием серотонин. Особенно много- плановы эффекты последнего, реализуемые с участием группы серотониновых рецепторов, обладателями которых являются, в частности, многие центральные нейроны.
Еще одним субстратом декарбоксилазы ароматических кислот является производное фенилаланина - 3,4-дигидрокси-Ь-фенилала- нин (ДОФА). Как было показано на рис. 5-46, реакция его декарбоксилирования приводит к образованию дофамина, который не только
Рис. 9-3. Реакции, катализируемые глутаматдекарбоксилазой (I) и гистидиндекарбоксилазой (II).
выполняет роль нейромедиатора, но и используется в качестве предшественника при синтезе норадреналина и адреналина (см. рис. 5-49).
Что касается самого фенилаланина и продукта его гидроксилирования — тирозина — то для декарбоксилирования каждой из этих аминокислот существуют свои специальные декарбоксилазы, превращающие их в фенилэти- ламин и тирамин соответственно.
При декарбоксилировании лизина и орни- тина (один из метаболитов аргинина) образуются не моноамины, а диамины, а именно: кадаверин и путресцин (рис. 9-4). Эти вещества впервые были обнаружены среди продуктов гниения белков (а потому их отнесли поначалу к так называемым «трупным ядам», хотя позже выяснилось, что в действительности их токсичность невелика и что кадаверин образуют только бактерии).
Рис. 9-4. Реакции, катализируемые лизиндекарбоксилазой (I) и орнитиндекарбоксилазой (II).
У млекопитающих путресцин, образующийся в клетках, подвергается дальнейшим преобразованиям. В них принимает участие З-аденозшметилтиопроттсшглщ который генерирует декарбоксилаза Б-аденозилметионина (рис. 9-5, реакция 1). Выделенный рамкой ами- нопропильный фрагмент этого продукта может быть перенесен на одну из аминогрупп путрес- цина с превращением его в спермидин (реакция
на рис. 9-5). Аналогичным образом и к другой аминогруппе путресцина может присоединяться остаток пропиламина, в результате чего образуется еще один полиамин - спермин (реакция 3).
У взрослого человека в сутки образуется примерно 100 мг полиаминов. Инъекция этих веществ провоцирует гипотермию и снижение артериального давления. Исследования на молекулярном уровне выявили ингибиторную активность полиаминов в отношении ряда ферментов, включая некоторые протеинкина- зы, а также важную роль в регуляции биосинтеза белка и в процессах пролиферации и роста клеток.
Орнитиндекарбоксилаза - это первый фермент на пути биогенеза полиаминов. Она же является и лимитирующим звеном всего процесса. Время ее полусуществования не превышает 10 мин. В культуре клеток млекопитающих добавление гормона роста или некоторых стероидных гормонов в десятки и сотни раз ускоряло биосинтез орнитиндекарбоксила- зы, а добавление самих полиаминов стимулировало выработку белка, который является ее ингибитором.
Рис. 9-5. Декарбоксилирование аминокислоты в составе Б-аденозилметионина (реакция 1) и перенос аминогропильных фрагментов на путресцин и спермидин (реакции 2 и 3).
При злокачественных новообразованиях резко усиливается биосинтез полиаминов и, как следствие, их количество в суточной моче. Предлагалось даже использовать этот тест в целях диагностики раковых заболеваний.
Биологическое значение реакции декарбоксил ирования аминокислот сводится к следующим главным пунктам.
Во-первых — и это самое главное — почти все образующиеся амины обладают высокой биологической активностью, причем специализированной для каждого из них. Поэтому их объединяют общим термином: биогенные амины. Как и всякие сигнальные молекулы, они существуют короткое время и должны быстро разрушаться.
Во-вторых, эта реакция необратима, и если происходит, то начинает необратимую деградацию данной аминокислоты (в случае незаменимых аминокислот — триптофана, фенилаланина, лизина, метионина и других - их «расходы» на эту реакцию могут быть восполнены только за счет пищевых источников).
В-третьих, декарбоксилирование аминокислот производит какую-то долю (хотя и небольшую) одного из конечных продуктов метаболизма - СОг-
Инактивация биогенных аминов может осуществляться разными способами. Один из них - метилирование активной молекулы. Источником метальных групп служит обычно
аденозилметионин (его формула приведена на рис. 9-5), который превращается в Б-аденозилго- моцистеин. Соответствующие метилтрансфера- зы переносят группу -СН3 на азот инактивируемого амина (например, гистамина) или на кислород гидрокеигруппы (она имеется в таких аминах, как серотонин, адреналин и им подобные).
Однако для большинства биогенных аминов доминирующим способом инактивации является окислительное дезаминирование, механизм которого был показан на рис. 5-35. Наиболее распространена моноаминоксидаза (раздел 5.4.1), которая эффективна в отношении первичных аминов самого разного строения, но способна расшеплять также вторичные и третичные амины. Медь-содержащая диаминокси- даза инактивирует не только диамины, но и иные субстраты такого рода, включая гистамин (отсюда часто употребляемый синоним: гиста- миназа). Известны, наконец, и специальные ферменты, катализирующие дезаминирование полиаминов. Введением избирательных ингибиторов аминоксидаз можно замедлить деградацию соответствующих аминов, т.е., пролонгировать их действие. Некоторые из таких ингибиторов применяются при лечении депрессии и ряда других патологических состояний.
Интересно отметить одну деталь. Как уже отмечалось в главе 5, декарбокеилирование а- кетокислот осуществляется ферментным комплексом, в составе которого субстрат сначала теряет С02 и сразу же (не покидая комплекс!) подвергается окислению (см. рис. 5-15). В случае же а-аминокиелот декарбокеилирование протекает в цитоплазме, а окисление образовавшегося амина происходит под действием аминоксидаз наружной мембраны митохондрий. Иными словами, для а-аминокислот эти два процесса разнесены в пространстве, а, значит, и во времени. Именно благодаря этой дистанции биогенные амины и могут существовать в течение некоторого срока, когда они в состоянии выполнить свое функциональное предназначение, после чего разрушаются ами- ноксидазами (вот уж, действительно: «жизнь - это миг между прошлым и будущим»!).
