Дезаминирование аминокислот: типы реакций и ферменты

Дезаминирование аминокислот - это отщепление аминогруппы с образованием свободного аммиака и безазотистого остатка. С этой реакции начинается настоящий распад аминокислоты: пока азот сидит на альфа-углероде, молекула остаётся аминокислотой и может быть использована повторно, а как только аминогруппа ушла, углеродный скелет отправляется в энергетический обмен и обратной дороги к исходной аминокислоте уже нет. В учебных курсах тему спрашивают по-разному: где-то требуют все четыре типа реакции с уравнениями, где-то только окислительный путь и роль глутаматдегидрогеназы, где-то - связь с циклом мочевины. Ниже разберём типы дезаминирования, ферменты каждого пути и судьбу обоих продуктов. Чтобы собрать ответ под свою формулировку, воспользуйтесь формой ниже.

Что такое дезаминирование аминокислот

Формально дезаминирование - это разрыв связи $\text{C}\alpha - \text{N}$ и высвобождение азота в виде аммиака, который в физиологических условиях почти целиком существует как ион аммония $\text{NH}_4^+$: при pH 7.4 и $\text{p}K_a \approx 9.2$ на одну молекулу $\text{NH}_3$ приходится примерно шестьдесят ионов $\text{NH}_4^+$. Именно поэтому в уравнениях реакций корректнее писать $\text{NH}_4^+$, хотя по традиции говорят «выделяется аммиак».

Ключевое отличие от трансаминирования - необратимость по азоту. При трансаминировании аминокислот аминогруппа не теряется, а перебрасывается на кетокислоту-акцептор, и суммарное количество азота в пуле аминокислот не меняется. Дезаминирование выводит азот из этого пула наружу, поэтому именно оно определяет скорость катаболизма белка и объём выведения мочевины.

По химии процесса выделяют четыре типа: окислительное, гидролитическое, внутримолекулярное и восстановительное. У человека физиологически значим по сути один - окислительный, а остальные представлены точечно или встречаются у микроорганизмов. Отдельно стоит непрямое дезаминирование, которое формально не тип реакции, а двухступенчатая схема.

Рассчитать для своей задачи

Окислительное дезаминирование: главный путь

Окислительное дезаминирование идёт в две стадии. Сначала аминокислота окисляется до иминокислоты с переносом двух атомов водорода на кофермент, затем иминокислота спонтанно, без участия фермента, гидролизуется водой до кетокислоты и аммония:

$\text{R} - \text{CH}(\text{NH}_2) - \text{COOH} + \text{НАД}^+ \rightleftharpoons \text{R} - \text{C}(=\text{NH}) - \text{COOH} + \text{НАДН} + \text{H}^+$

$\text{R} - \text{C}(=\text{NH}) - \text{COOH} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{R} - \text{CO} - \text{COOH} + \text{NH}_4^+$

Главный фермент пути - глутаматдегидрогеназа (GLUD1) митохондриального матрикса. Она работает практически только с глутаматом, зато делает это с огромной мощностью и одинаково хорошо использует $\text{НАД}^+$ и $\text{НАДФ}^+$. Реакция обратима, но в клетке сдвинута в сторону распада, потому что образующийся аммоний немедленно откачивается на обезвреживание. Аллостерический контроль двусторонний: АДФ и ГДФ активируют фермент, ГТФ и АТФ тормозят - то есть азот сжигается тогда, когда клетке не хватает энергии. Подробный разбор кинетики и регуляции есть в материале об окислительном дезаминировании глутамата.

Вторая группа ферментов - оксидазы аминокислот, флавопротеины, отдающие водород прямо на кислород с образованием перекиси:

$\text{R} - \text{CH}(\text{NH}_2) - \text{COOH} + \text{O}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{R} - \text{CO} - \text{COOH} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}_2$

Перекись тут же разрушается каталазой. Оксидаза L-аминокислот (кофермент ФМН) у человека почти бесполезна: её оптимум лежит около pH 10, а при физиологических 7.4 активность ничтожна. Оксидаза D-аминокислот (кофермент ФАД), наоборот, активна и работает как санитар - обезвреживает D-изомеры, поступающие из бактериальных стенок и пищи, переводя их в общие альфа-кетокислоты.

Неокислительные типы дезаминирования

Гидролитическое дезаминирование заменяет аминогруппу на гидроксильную, продукт - оксикислота:

$\text{R} - \text{CH}(\text{NH}_2) - \text{COOH} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{R} - \text{CH}(\text{OH}) - \text{COOH} + \text{NH}_3$

У человека для свободных аминокислот этот путь не характерен, зато по такому же механизму работают дезаминазы азотистых оснований: аденозиндезаминаза и цитидиндезаминаза, важные для обмена нуклеотидов.

Внутримолекулярное дезаминирование отщепляет аммиак вместе с водородом соседнего атома, давая ненасыщенную кислоту:

$\text{R} - \text{CH}_2 - \text{CH}(\text{NH}_2) - \text{COOH} \rightarrow \text{R} - \text{CH} = \text{CH} - \text{COOH} + \text{NH}_3$

Единственный клинически заметный пример у человека - гистидаза печени и кожи, превращающая гистидин в уроканиновую кислоту. Наследственный дефект этого фермента даёт гистидинемию.

Восстановительное дезаминирование требует доноров водорода и даёт насыщенную карбоновую кислоту. Оно свойственно анаэробным бактериям кишечника и лежит в основе гниения белков: так из аминокислот получаются пропионовая и масляная кислоты.

Особняком стоит непрямое отщепление азота у серина и треонина. Сериндегидратаза, зависимая от пиридоксальфосфата, сначала отнимает воду, а образующийся нестойкий аминоакрилат самопроизвольно присоединяет её обратно и распадается на пируват и аммоний. Формально это дегидратация, а по результату - дезаминирование, поэтому в задачах его относят к неокислительным путям. Кофермент здесь тот же, что и в трансаминазах, - подробнее о нём в разборе роли пиридоксальфосфата.

Непрямое дезаминирование: как работает большинство аминокислот

Глутаматдегидрогеназа берёт только глутамат, а оксидазы при pH 7.4 практически стоят. Возникает вопрос: как тогда теряют азот аланин, валин, лейцин, аспартат и остальные? Ответ - через двухступенчатую схему, которую называют непрямым дезаминированием, или трансдезаминированием.

На первой стадии аминотрансфераза переносит аминогруппу с любой аминокислоты на альфа-кетоглутарат, и весь азот собирается на одном коллекторе - глутамате. На второй стадии глутамат окислительно дезаминируется глутаматдегидрогеназой, отдавая аммоний и возвращая альфа-кетоглутарат обратно в оборот. Акцептор регенерирует, поэтому схема работает как конвейер:

$\text{Аминокислота} + \alpha\text{-КГ} \rightleftharpoons \text{Кетокислота} + \text{Глутамат}$

$\text{Глутамат} + \text{НАД}^+ + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \alpha\text{-КГ} + \text{НАДН} + \text{NH}_4^+$

Рассчитать для своей задачи

В скелетной мышце работает второй вариант непрямого пути - цикл пуриновых нуклеотидов. Азот через аспартат передаётся на инозинмонофосфат, образуется аденилосукцинат, затем АМФ, и АМФ-дезаминаза отщепляет от него аммиак. Побочный продукт цикла - фумарат, который подпитывает цикл Кребса при интенсивной работе. Наследственная недостаточность мышечной АМФ-дезаминазы проявляется быстрой утомляемостью и болью при нагрузке.

Судьба продуктов: аммоний и углеродный скелет

Дезаминирование аминокислот всегда даёт два продукта, и дальше их пути расходятся.

Аммоний токсичен для нервной ткани: он оттягивает альфа-кетоглутарат из цикла Кребса на синтез глутамата и глутамина, тормозя энергетику нейронов. Поэтому его связывают на месте. В мышцах и мозге глутаминсинтетаза пришивает аммоний к глутамату и получает нейтральный глутамин - транспортную форму азота крови. В мышцах работает ещё и глюкозо-аланиновый цикл: азот уезжает в печень в виде аланина. В гепатоцитах глутамин и аланин снова отдают аммоний, и он уходит в цикл мочевины, где два атома азота (один из аммония, другой из аспартата) превращаются в мочевину - конечный продукт с суточной экскрецией порядка 25 граммов.

Углеродный скелет - альфа-кетокислота - идёт по одному из двух маршрутов. Глюкогенные аминокислоты дают пируват или интермедиаты цикла Кребса, из которых печень строит глюкозу через глюконеогенез. Кетогенные (лейцин и лизин) дают ацетил-КоА или ацетоацетат и в глюкозу превратиться не могут. Несколько аминокислот, включая фенилаланин, тирозин, изолейцин и триптофан, смешанные - часть скелета уходит в глюкозу, часть в кетоновые тела.

Рассчитать для своей задачи

Частые ошибки

• Путают дезаминирование с трансаминированием. При трансаминировании свободный аммиак не образуется вообще: азот только меняет носителя. Если в ответе на вопрос про трансаминирование появился $\text{NH}_3$ - ответ неверен.
• Пишут, что оксидаза L-аминокислот обеспечивает распад белка. Её оптимум pH около 10, при физиологическом pH она почти неактивна. Основной поток азота идёт через непрямое дезаминирование.
• Забывают вторую, неферментативную стадию. Фермент образует иминокислоту, а гидролиз имина до кетокислоты идёт самопроизвольно с водой. В уравнении обязательна $\text{H}_2\text{O}$.
• Считают реакцию GLUD1 необратимой. Она равновесна, и при высоком аммонии может идти в сторону синтеза глутамата - на этом основано временное связывание азота.
• Смешивают дезаминирование и декарбоксилирование. Первое отнимает азот и даёт кетокислоту, второе отнимает $\text{CO}_2$ и даёт биогенный амин (гистамин, серотонин).

FAQ

Какие ферменты участвуют в дезаминировании аминокислот? Главный - глутаматдегидрогеназа митохондрий, работающая только с глутаматом. Дополнительно: оксидазы D- и L-аминокислот (флавопротеины), гистидаза, сериндегидратаза и треониндегидратаза, АМФ-дезаминаза в мышцах. Аминотрансферазы формально не дезаминируют, но обеспечивают первую стадию непрямого пути.

Где в клетке идёт дезаминирование? Окислительное дезаминирование глутамата - в матриксе митохондрий, там же, где начинается цикл мочевины: это сокращает путь аммония до карбамоилфосфатсинтетазы I. Оксидазы аминокислот локализованы в пероксисомах, рядом с каталазой, разрушающей перекись. Наиболее активный орган - печень, дополнительно почки, кишечник и мышцы.

Чем непрямое дезаминирование отличается от прямого? Прямое - одна реакция: фермент сразу отщепляет аминогруппу от конкретной аминокислоты. Непрямое - две сопряжённые реакции: трансаминирование переносит азот на альфа-кетоглутарат, и только потом глутамат дезаминируется. Через непрямой путь теряет азот большинство аминокислот, через прямой - почти исключительно глутамат.

Коротко

Дезаминирование аминокислот отщепляет аминогруппу в виде аммония и превращает аминокислоту в альфа-кетокислоту, запуская необратимый распад молекулы. Химически различают окислительный, гидролитический, внутримолекулярный и восстановительный типы, но у человека реально работает окислительный - через глутаматдегидрогеназу митохондрий, а большинство аминокислот подходит к ней окольным путём: сначала трансаминирование собирает азот на глутамате, затем глутамат окисляется. Аммоний уходит на обезвреживание через глутамин и цикл мочевины, а углеродный скелет - в цикл Кребса, глюконеогенез или кетоновые тела.