АМИНОТРАНСФЕРАЗЫ
АМИНОТРАНСФЕРАЗЫ (синоним трансаминазы; устаревшее название аминоферазы) — ферменты из класса трансфераз, катализирующие реакцию трансаминирования, то есть перенос аминогруппы (—NH2) и атома водорода от одной молекулы субстрата к другой; играют важную роль в азотистом обмене. Общая схема реакции:
Реакция протекает без промежуточного образования аммиака. Ферментативное трансаминирование было открыто в 1937 году А. Е. Браунштейном и М. Г. Крицман, которые показали, что препараты из грудной мышцы голубя катализируют обратимую реакцию образования глутаминовой кислоты (см.) и α-кетокислоты (см. Кетокислоты) из α-кетоглутарата и различных аминокислот.
Аминотрансферазы обнаружены во всех исследованных тканях растений и животных и в клетках микроорганизмов. Известно около 50 аминотрансферазы, которые действуют избирательно на природные α-аминокислоты и многие β-, γ- и δ-аминокислоты. Наиболее активные и самые распространенные аминотрансферазы используют глутаминовую и α-кетоглутаровую кислоты в качестве одной из донорно-акцепторных пар; остальные аминокислоты трансаминируются менее активными аминотрансферазами, обычно проявляющими групповую специфичность (см. Ферменты) к нескольким субстратам сходного строения, например к аминокислотам с разветвленной цепью или ароматическим аминокислотам. В органах высших животных (мышцы, сердце, печень) наиболее активны аспартат-кетоглутарат-аминотрапсферазы и аланин-кетоглутаратамино-трансферазы.
Все очищенные аминотрансферазы, выделенные из тканей животных, высших растений и многих микроорганизмов, стерео-специфичны. Они катализируют, как правило, трансаминирование аминокислот (см.) только L-ряда. Однако известны аминотрансферазы некоторых бактерий, которые действуют только на D-аминокислоты и не действуют на их L-изомеры.
Донорами аминогрупп служат не только α-аминокислоты. Так, в тканях животных и у микроорганизмов обнаружены аминотрансферазы, осуществляющие трансаминирование β-аланина, γ-аминомасляной и некоторых других аминокислот с α-кетоглутаровой (реже с пировиноградной) кислотой. Одним из основных путей метаболизма γ-аминомасляной кислоты в мозге является ее трансаминирование с α-кетоглутаратом, в результате чего образуется глутамат и янтарный полуальдегид (аналогичная реакция имеет место у бактерий). δ-Аминогруппа орнитина и аминолевулиновой кислоты также может переноситься аминотрасферазы на кетокислоты. Глутамин и аспарагин реагируют (при участии аминотрасферазы) с различными кетокислотами с образованием соответствующих аминокислот и амидов (см.) кетоглутаровой и щавелево-уксусной кислот.
За немногими исключениями аминотрасферазы имеют широкий рН-оптимум с максимумом в области 8—9. Коферментами аминотрасферазы являются производные витамина В6 — пиридоксальфосфат и пиридоксаминфосфат. Согласно теории А. Е. Браунштейна и М. М. Шемякина, аминокислоты реагируют с пиридоксальфосфатом (соединенным с белковой частью молекулы А.) с образованием промежуточных альдиминов пиридоксальфосфата (оснований Шиффа) и таутомерных им кетпмпнов пиридоксаминфосфата:
Образовавшийся таким образом кетимин затем гидролизуется с освобождением кетокислоты. соответствующей исходной аминокислоте, и пиридоксаминфосфата:
Далее пиридоксаминфосфат взаимодействует с другой кетокислотой, и все стадии реакции повторяются, протекая в обратном направлении. В результате образуется исходная форма протеида пиридоксальфосфата и новая аминокислота. Суммируя, получаем: фермент-пиридоксальфосфат + аминокислота1ферментпиридоксаминфосфат + кетокислота1 фермент-пиридоксаминфосфат + кетокислота2 фермент-пиридоксальфосфат + аминокислота2.
Спектральные исследования аминотрасферазы показали, что пиридоксальфосфат, связанный с белком,существует не в виде свободного альдегида, а в виде основания Шиффа (см. Шиффа основание).
Образование основания Шиффа между пиридоксальфосфатом и апоферментом объясняет тот факт, что пиридоксальфосфат труднее диссоциирует от аминотрасферазы, чем пиридоксаминфосфат.
Аминотрасферазы участвуют в следующих превращениях: образование аминокислот из кетокислот и обратное превращение (окислительный распад аминокислот); биосинтез γ-аминомасляной кислоты, мочевины, пуриновых и пиримидиновых оснований, порфиринов, флавинов, птеридинов, кобаламина.
Обратимое образование аланина, аспартата и глутамата из соответствующих кетокислот является важным звеном, непосредственно связывающим обмен углеводов с обменом аминокислот.
Аминотрасферазы играют основную роль в азотистом обмене (см.). Окислительное дезаминирование аминокислот (за исключением глутамата) в животном организме осуществляется через реакции трансаминирования с учетом ос-кетоглутаровой кислоты в качестве переносчика аминогрупп. Сначала аминокислоты трансаминируются с кетоглутаровой кислотой. Образующаяся при этом глутаминовая кислота дезаминируется под действием глутаматдегидрогеназы с образованием свободного аммиака и освобождением кетоглутаровой кислоты. Обратимость описанных реакций обеспечивает возможность синтеза аминокислот из аммиака и кетокислот путем непрямого аминирования последних. После перехода азота глутаминовой кислоты в аспарагиновую кислоту под действием аминотрасферазы азот аспартата используется в различных процессах биосинтеза, диссимилируется в других ферментативных превращениях до конечных азотистых продуктов (аммиак, мочевина, мочевая кислота). Определение активности аминотрасферазы в крови и других биологических жидкостях имеет определенное диагностическое значение. Так, содержание аминотрасферазы в плазме крови больных резко возрастает при некоторых патологических состояниях, в частности сопровождающихся деструктивными процессами в паренхиматозных органах. Так, например, содержание аминотрасферазы (и в первую очередь аспарат-кетоглутарат-аминотрансферазы) в плазме крови больного увеличивается многократно при инфаркте миокарда, достигая максимума на вторые и третьи сутки. Это позволяет проводить дифференциальный диагноз (в частности, от приступа стенокардии, при котором активность аминотрасферазы в плазме не повышается). Аналогичным образом при вирусном гепатите из пораженных клеток печени в плазму крови поступает большое количество аминотрасферазы, в особенности аланин-кетоглутарат-аминотрансферазы, чего не наблюдается при иных формах желтухи (например, обструкционной). При вирусном гепатите и других поражениях паренхимы печени определение аминотрасферазы в плазме крови имеет не только диагностическое, но и прогностическое значение.
Библиография: Молекулярные основы действия и торможения ферментов, Труды 5-го Международного биохим. конгресса, Симпозиум 4, М., 1962; Guirard В. М. а. Snell Е. Е. Vitamin B6 function in trans-amination and decarboxylation reactions, Cpmprehens. Biochem., v. 15, p. 138, 1964, bibliogr.
Источник
16. Кофакторы ферментов: ионы металлов их роль в ферментативном катализе. Коферменты как производные витаминов. Коферментные функции витаминов в6, рр, в2 на примере трансаминаз и дегидрогеназ.
Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) и/или в ионах металлов (кофакторах).
Термин. «кофермент» был введён в начале XX века и обозначал часть некоторых ферментов, которая легко отделялась от белковой молекулы фермента и удалялась через полупроницаемую мембрану при диализе. Несколько позже было выяснено, что большинство ферментов состоит из термолабильной белковой части и термостабильного небелкового фактора — кофермента. Белковая часть получила название «апофермент», который в отсутствие кофермента не обладает каталитической активностью. Кофермент с белковой молекулой (апоферментом) формируют молекулу холофермента, обладающую каталитической активностью.
Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов. Рассмотрим роль кофакторов в ферментативном катализе.
Роль металлов в ферментативном катализе
Не менее важную роль отводят ионам металлов в осуществлении ферментативного катализа.
Участие в электрофильном катализе
Наиболее часто эту функцию выполняют ионы металлов с переменной валентностью, имеющие свободную d-орбиталь и выступающие в качестве электрофилов. Это, в первую очередь, такие металлы, как Zn 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cu 2+ . Ионы щёлочно-земельных металлов, такие как Na + и К+ , не обладают этим свойством. В качестве примера можно рассмотреть функционирование фермента карбоангидразы. Карбоангидраза — цинксодержащий фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты:
Ион Zn 2+ в результате электрофильной атаки участвует в образовании Н + и ОН — ионов из молекулы воды:
Протон и гидроксйльная группа последовательно присоединяются к диоксиду углерода с образованием угольной кислоты.
В ходе электрофильного катализа ионы металлов часто участвуют в стабилизации промежуточных соединений.
Участие в окислительно-восстановительных реакциях
Ионы металлов с переменной валентностью могут также участвовать в переносе электронов. Например, в цитохромах (гемсодержащих белках) ион железа способен присоединять и отдавать один электрон:
Благодаря этому свойству цитохромы участвуют в окислительно-восстановительных реакциях.
Другой пример участия ионов металлов в окислительно-восстановительных реакциях — работа фермента дофамингидроксилазы, катализирующего реакцию образования норадреналина при участии витамина С
За окислительно-восстановительные свойства у дофамингидроксилазы отвечает ион меди
Фермент, содержащий ион Сu 2+ , не вступает в реакцию с молекулой кислорода. При восстановлении Си 2+ до Си + с помощью аскорбиновой кислоты образуется ион меди, способный взаимодействовать с кислородом с образованием перекисного соединения. Далее гидроксильная группа переносится на молекулу дофамина с образованием норадреналина.
Как уже было сказано, для проявления каталитической активности большинству ферментов необходимо наличие кофермента. Исключение составляют гидролитические ферменты (например, протеазы, липазы, рибонуклеаза), выполняющие свою функцию в отсутствие кофермента.
Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов. Кофермент может быть связан с белковой частью молекулы ковалентными и нековалентными связями. В первом случае он называется простетической группой (например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота). Вместе с тем известны примеры, когда кофермент присоединяется к ферменту нековалентными связями настолько прочно, что не диссоциирует от белковой молекулы, например тиаминдифосфат.
Во втором случае кофермент взаимодействует с ферментом только на время химической реакции и может рассматриваться в качестве второго субстрата. Примеры — NAD + , NADP + .
Апофермент обеспечивает специфичность действия и отвечает за выбор типа химического превращения субстрата. Один и тот же кофермент, взаимодействуя с различными апоферментами, может участвовать в разных химических превращениях субстрата. Например, пиридоксальфосфат в зависимости от того, с каким апоферментом взаимодействует, участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования аминокислот.
Химическая природа коферментов, их функции в ферментативных реакциях чрезвычайно разнообразны. Традиционно к коферментам относят производные витаминов, хотя помимо них есть значительный класс небелковых соединений, принимающих участие в проявлении каталитической функции ферментов.
К коферментам относят следующие соединения:
-гемы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы и являющиеся простетической группой ферментов;
-нуклеотиды — доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты;
-убихинон, или кофермент Q, участвующий в переносе электронов и протонов в ЦПЭ;
-фосфоаденозилфосфосульфат, участвующий в переносе сульфата;
-S-аденозилметионин (SAM) — донор метильной группы;
-глутатион, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях.
Строение и функции этих коферментов подробно рассмотрены в соответствующих разделах учебника.
Водораствор витамины являются энзимовитаминами, то есть выполняют коферментные функции в составе ферментов. Проявления и механизмы гиповитаминозов по различным энзимовитаминам взаимосвязаны и перекрываются, хотя для большинства из них описаны и специфические авитаминозы. Витамин В2, рибофлавин. входит в состав двух коферментов ФМН и ФАД, являющихся компонентами таких ферментов как сукцинатдегидрогеназа, дегидрогеназы жирных кислот, оксидаз аминокислот, МАО, цитохромредуктазы.Витамин В5, РР входит в состав коферментов НАД и НАДФ,которые являются коферментами более ста дегидрогеназ, участвующих в тканевом дыхании, окислении молочной, яблочной, кетоглутаровой, изолимонной кислот, фосфоглицеринового альдегида, жирных кислот и т.п.Витамин В6, пиридоксин Этот витамин в виде коферментов ПАЛФ (пиридоксальфосфата) и ПАМФ(пиридоксаминфосфата) входит в состав ферментов переаминирования, дезаминирования и декарбоксилирования аминокислот. В реакциях с участием пиридоксина, осуществляется всасывание и транспорт аминокислот, балансируется аминокислотный состав организма.Витамин Н, биотин служит коферментом карбоксилаз, таких как пируваткарбоксилаза, ацетил-КоА-карбоксилаза, пропионил-КоА-карбоксилаза. Биотин связывает молекулу углекислого газа и включает его в органическое вещество. Как кофермент витамин Н участвует т в синтезе жирных кислот, стеринов, пуриновых оснований, мочевины, превращении пиовиноградной кислоты в щавелевоуксусную кислоту.Витамин В3, пантотеновая кислота входит в состав кофермента ацетилирования (КоА), который активирует ацетат и ацильные группы, необходимые для синтеза жирных кислот, стеролов, ацетилхолина. Пантотеновая кислота участвует в биосинтезе жирных кислот
Источник
78. Трансаминирование: аминотрансферазы; коферментная функция витамина в6. Специфичность аминотрансфераз.
Из реакциипереноса NH2 наиболее важныреакциитрансаминирования. Они катализируются трансаминазами и участвуют в катаболических и анаболических процессах с участиемаминокислот. Притрансаминированииаминогруппааминокислоты(аминокислота1) переносится на 2-кетокислоту (кетокислота2). Изаминокислотыпри этом образуется 2-кетокислота (а), а из первоначальнойкетокислоты—аминокислота(b). Переносимая NH2-группа временно присоединяется к связанному сферментомпиридоксальфосфату, который вследствие этого переходит в пиридоксаминофосфат.
Механизм трансаминирования. В отсутствиесубстратовальдегидная группапиридоксальфосфатаковалентно связана с остаткомлизинатрансаминазы (1). Этот тип соединения, найденный также вродопсинах(см. с.346), относится кальдиминамилишиффовым основаниям, во времяреакцииаминокислота1 вытесняет остатоклизинаи образуется новыйальдимин(2). Затем за счетизомеризациипроисходит перемещениедвойной связи. Полученныйкетимин(3) гидролизуется до 2-кетокислоты и пиридоксаминфосфата (4). На второй частиреакциите же стадии протекают в противоположном направлении: пиридоксаминфосфат и вторая 2-кетокислота образуюткетимин, который иэомеризуется вальдимин. Наконец, отщепляется втораяаминокислотаи регенерируетсякофермент.
Аминотрансфера́зы (трансаминазы) —ферментыиз группытрансфераз, переносящиеаминогруппыбез образования свободногоаммиака. Аминотрансферазы также называют трансаминазами, а реакцию —трансаминированием. Для аминотрансфераз донором аминогрупп являютсяаминокислоты, а акцептором —кетокислоты:
AK1 + KK2 ↔ KK1 + AK2
В составе простетической группыаминотрансферазы содержат производныевитамина B6. Во время переноса аминогруппы простетическая группа переходит из пиридоксаль-5-фосфатной формы в пиридосамино-5-фосфатную форму. Механизм реакции трансаминирования открыт в1937году советскими учеными А.Е. Браунштейном и М.Г.Крицман. Процесс протекает в две стадии.Альдегидная группапиридоксальфостфата (-СНО) взаимодействует с аминогруппой аминокислоты с образованием иминной связи восновании Шиффа: сначала α-аминогруппа аминокислоты-донора замещает ε-аминогруппуапофермента, а затем происходит перегруппировка черезкетимини в результатегидролизаобразуется пиридосамино-5-фосфат и α-кетокислота. Реакции повторяются в обратном порядке
Аминотрансферазы являются каталитически совершенными ферментами. Аминотрансферазы содержаться практически во всех органах, но наиболее активно реакции трансаминирования идут в печени. К этой группе ферментов относятся такие важные для клинической лабораторной диагностики ферменты, какАСТиАЛТ.
Пиридоксальфосфатявляется простетической группой аминотранс-фераз, катализирующих обратимый переносаминогруппы(NH2-группы) отаминокислотна α-кетокислоту, и декарбоксилазаминокислот, осуществляющих необратимое отщепление СО2откарбоксильной группыаминокислотс образованием биогенныхаминов. Установлена кофер-ментная рольпиридоксальфосфатав ферментативныхреакцияхнеокислительногодезаминированиясеринаитреонина,окислениятриптофана, кинуренина, превращениясеросодержащих аминокислот, взаимопревращениясеринаиглицина, а также в синтезе δ-аминолевулиновойкислоты, являющейсяпредшественникоммолекулыгемагемоглобина. В последние годы число вновь открытых пиридокса-левыхферментовбыстро увеличивалось. Так, для действия гликогенфос-форилазы существенной оказалась фосфорильная, а не альдегидная группапиридоксальфосфата. Вследствие широкого участияпиридоксальфосфатав процессах обмена при недостаточностивитаминаВ6отмечаются разнообразные нарушенияметаболизма аминокислот.
79. Аминокислоты, участвующие в трансаминировании; особая роль глутаминовой кислоты. Биологическое значение реакций трансаминирования. Определение трансаминаз в сыворотке крови при инфаркте миокарда и болезнях печени.
Чрезвычайно широкое распространение трансаминаз в животных тканях, умикроорганизмови растений, их высокая резистентность к физическим, химическим и биологическим воздействиям, абсолютная стереохимическаяспецифичностьпо отношению к L-аминокислотам, а также высокая каталитическаяактивностьв процессахтрансаминированияпослужили предметом детального исследования роли этихферментовв обменеаминокислот. Ранее было указано, что при физиологических значениях рН средыактивностьоксидазы L-аминокислот резко снижена. Учитывая это обстоятельство, а также высокую скорость протеканияреакциитрансами-нирования, А.Е. Браунштейн выдвинул гипотезу о возможности существования в животныхтканяхнепрямого путидезаминирования аминокислотчерезреакциитрансаминирования, названного имтрансдезаминированием. Основой для выдвижения этой гипотезы послужили также данные Г. Эйлера о том, что в животныхтканяхиз всех природныхаминокислотс высокой скоростью дезаминируется толькоL-глутаминовая кислотавреакции, катализируемой высокоактивной и специфической глутамат-дегидрогеназой.
Согласно гипотезе, получившей экспериментальное подтверждение, все или почти все природные аминокислоты(исключение составляетметионин) сначала реагируют с α-кетоглутаровойкислотойвреакциитрансами-нирования с образованиемглутаминовой кислотыи соответствующейкетокислоты. Образовавшаясяглутаминовая кислотазатем подвергается непосредственному окислительномудезаминированиюпод действием глу-таматдегидрогеназы. Суммарнаяреакцияпри этом следующая:
Поскольку обе реакции(трансаминированиеидезаминированиеглу-таминовойкислоты) являются обратимыми, создаются условия для синтеза по существу любойаминокислоты, если ворганизмеимеются соответствующие α-кетокислоты. Известно, чтоорганизмживотных и человека не наделен способностью синтеза углеродных скелетов (α-кетокислот), так называемых незаменимыхаминокислот; этой способностью обладают только растения и многиемикроорганизмы. Механизм, при помощи которого в живыхорганизмахосуществляется синтез природныхаминокислотиз α-кетокислот иаммиака, был назван А.Е. Браунштейномтрансреаминированием.Сущность его сводится квосстановительному аминированиюα-кетоглутаровойкислотыс образованиемглутаминовой кислоты(реакциюкатализирует НАДФ-зависимая глута-матдегидрогеназа, работающая в режиме синтеза) и к последующемутрансаминированиюглутамата с любой α-кетокислотой. В результате образуется L-аминокислота, соответствующая исходнойкетокислоте, и вновь освобождается α-кетоглутароваякислота, которая может акцептировать новуюмолекулуаммиака. Таким образом, трансаминазы катализируют опосредованное черезглутаматдегидрогеназудезаминированиеприродныхаминокислотибиосинтез аминокислот.
Получены доказательства существования в организметеплокровных животных еще одного механизма непрямого (опосредованного) дезаминирования L-аминокислот, при котором Глу, Асп иАМФвыполняют роль системы переноса NН2-группы; гидролитическоедезаминированиеАМФприводит к образованию инозинмонофосфата (ИМФ) иаммиака:
Возможно, что в аналогичной системе в качестве промежуточного переносчика NH2-группы вместоАМФучаствует НАД.
Клиническое значение определения активности трансаминаз. Широкое распространение и высокаяактивностьтрансаминаз в органах итканяхчеловека, а также сравнительно низкие величиныактивностиэтихферментоввкровипослужилиоснованиемдля определения уровня ряда трансаминаз всыворотке кровичеловека при органических и функциональных поражениях разных органов. Для клинических целей наибольшее значение имеют две трансаминазы –аспартат-аминотрансфераза (AcAT)и аланин-аминотрансфераза (АлАТ), катализирующие соответственно следующие обратимыереакции:
В сыворотке кровиздоровых людейактивностьэтих трансаминаз в тысячи раз ниже, чем в паренхиматозных органах. Поэтому органические поражения при острых и хронических заболеваниях, сопровождающиеся деструкциейклеток, приводят к выходу трансаминаз из очага поражения вкровь. Так, уже через 3–5 ч после развития инфаркта миокарда уровень АсАТ всыворотке кровирезко повышается (в 20–30 раз). Максимумактивностиобеих трансаминазкровиприходится на конец первых суток, а уже через 2–3 дня при благоприятном исходе болезни уровень сывороточных трансаминаз возвращается к норме. Напротив, при затяжном процессе или наступлении повторного инфаркта миокарда наблюдается новый пик повышенияактивностиэтихферментоввкрови. Этим объясняется тот факт, что в клинике трансаминазныйтестиспользуется не только для постановки диагноза, но и для прогноза и проверки эффективности лечения . При пораженияхклетокпечени, например при гепатитах, также наблюдается гипертрансаминаземия (за счет преимущественного повышения уровня АлАТ), но она имеет более умеренный и затяжной характер, а повышениеактивноститрансаминазы всыворотке кровипроисходит медленно. При различного рода коронарной недостаточности (стенокардия, пороки сердца и др., кроме инфаркта миокарда) гипертрансаминаземия или не наблюдается, или незначительна. Определениеактивноститрансаминаз всыворотке кровипри заболеваниях сердца следует отнести к дифференциально-диагностическим лабораторнымтестам. Повышение уровня трансаминаз всыворотке кровиотмечено, кроме того, при некоторых заболеваниях мышц, в частности при обширных травмах, гангрене конечностей и прогрессивной мышечной дистрофии.
Источник