Какой продукт получается при декарбоксилировании

Процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде CO2 получил название декарбоксилирования.
Несмотря на ограниченный круг аминокислот и их производных, подвергающихся декарбоксилированию в животных тканях, образующиеся продукты реакции — биогенные амины (т. н. «трупные яды») — оказывают сильное фармакологическое действие на множество физиологических функций человека и животных.
В животных тканях установлено декарбоксилирование следующих аминокислот и их производных: тирозина, триптофана, 5-окситриптофана, валина, серина, гистидина, глутаминовой и γ-оксиглутаминовой кислот, 3,4-диоксифенилаланина, цистеина, аргинина, орнитина, S-аденозилметионина и α-аминомалоновой кислоты.
Помимо этого, у микроорганизмов и растений открыто декарбоксилирование ряда других аминокислот.

В живых организмах открыты 4 типа декарбоксилирования аминокислот:

1. α-Декарбоксилирование, характерное для тканей животных, при котором от аминокислот отщепляется карбоксильная группа, стоящая по соседству с α-углеродным атомом. Продуктами реакции являются CO2 и биогенные амины:

2. ω-Декарбоксилирование, свойственное микроорганизмам. Например, из аспарагиновой кислоты этим путём образуется α-аланин:

3. Декарбоксилирование, связанное с реакцией трансаминирования:

В этой реакции образуются альдегид и новая аминокислота, соответствующая исходной кетокислоте.

4. Декарбоксилирование, связанное с реакцией конденсации двух молекул:

Эта реакция в тканях животных осуществляется при синтезе δ-амино-левулиновой кислоты из глицина и сукцинил-КоА и при синтезе сфинголипидов, а также у растений при синтезе биотина.

Реакции декарбоксилирования в отличие от других процессов промежуточного обмена аминокислот являются необратимыми. Они катализируются специфическими ферментами — декарбоксилазами аминокислот, отличающимися от декарбоксилаз α-кетокислот как белковым компонентом, так и природой кофермента. Декарбоксилазы аминокислот состоят из белковой части, обеспечивающей специфичность действия, и простетической группы, представленной пиридоксальфосфатом (ПФ), как и у трансаминаз.

Таким образом, в двух совершенно различных процессах обмена аминокислот участвует один и тот же кофермент. Исключение составляют две декарбоксилазы: гистидиндекарбоксилаза Micrococcus и Lactobacilus и аденозилметионин-декарбоксилаза Е. coli, содержащие вместо ПФ остаток пировиноградной кислоты.

Механизм реакции декарбоксилирования аминокислот в соответствии с общей теорией пиридоксалевого катализа сводится к образованию ПФ-субстратного комплекса, представленного, как и в реакциях трансаминирования, шиффовым основанием ПФ и аминокислоты:

Образование подобного комплекса в сочетании с некоторым оттягиванием электронов белковой частью молекулы фермента сопровождается лабилизацией одной из трёх связей при α-углеродном атоме, благодаря чему аминокислота способна вступать в реакции трансаминирования (а), декарбоксилирования (b) и альдольного расщепления (с).

Далее представлены отдельные примеры декарбоксилирования аминокислот, в частности тех, продукты реакции которых оказывают сильное фармакологическое действие. Одним из хорошо изученных ферментов является декарбоксилаза ароматических аминокислот. Она не обладает строгой субстратной специфичностью и катализирует декарбоксилирование L-изомеров триптофана, 5-окситриптофана и 3,4-диоксифенилаланина (ДОФА); продуктами реакций, помимо CO2, являются соответственно триптамин, серотонин и диоксифенилэтиламин (дофамин).

Декарбоксилаза ароматических аминокислот получена в чистом виде (мол. масса 112000), кофермент — ПФ. В больших количествах она содержится в надпочечниках и ЦНС, играет важную роль в регуляции содержания биогенных аминов. Образующийся из 5-окситриптофана серотонин оказался высокоактивным биогенным амином сосудосуживающего действия. Серотонин регулирует артериальное давление, температуру тела, дыхание, почечную фильтрацию и является медиатором нервных процессов в ЦНС. Некоторые авторы считают серотонин причастным к развитию аллергии, демпинг-синдрома, токсикоза беременных, карциноидного синдрома и геморрагических диатезов.

Продукт декарбоксилазной реакции дофамин является предшественником катехоламинов (норадреналина и адреналина). Источником ДОФА в организме является тирозин, который под действием специфической гидроксилазы превращается в 3,4-диоксифенилаланин. Тиро-зин-3-монооксигеназа открыта в надпочечниках, ткани мозга и периферической нервной системы. Простетической группой тирозин-моноокси-геназы, как и дофамин-монооксигеназы (последняя катализирует превращение дофамина в норадреналин) является тетрагидробиоптерин, имеющий следующее строение:

Физиологическая роль тирозин-3-монооксигеназы чрезвычайно велика, поскольку катализируемая этим ферментом реакция определяет скорость биосинтеза катехоламинов, регулирующих деятельность сердечно-сосудистой системы. В медицинской практике широко используются ингибиторы декарбоксилазы ароматических аминокислот, в частности α-метилдофа (альдомет), вызывающий снижение артериального давления.

В животных тканях с высокой скоростью протекает декарбоксилирование гистидина под действием специфической декарбоксилазы.

Гистамин оказывает широкий спектр биологического действия. По механизму действия на кровеносные сосуды он резко отличается от других биогенных аминов, так как обладает сосудорасширяющим свойством. Большое количество гистамина образуется в области воспаления, что имеет определённый биологический смысл. Вызывая расширение сосудов в очаге воспаления, гистамин тем самым ускоряет приток лейкоцитов, способствуя активации защитных сил организма. Кроме того, гистамин участвует в секреции соляной кислоты в желудке, что широко используется в клинике при изучении секреторной деятельности желудка (гистаминовая проба). Он имеет прямое отношение к явлениям сенсибилизации и десенсибилизации. При повышенной чувствительности к гистамину в клинике используют антигистаминные препараты (димедрол и др.), оказывающие влияние на рецепторы сосудов. Гистамину приписывают также роль медиатора боли. Болевой синдром — сложный процесс, детали которого пока не выяснены, но участие в нём гистамина не подлежит сомнению.

В клинической практике широко используется, кроме того, продукт α-декарбоксилирования глутаминовой кислоты — γ-аминомасляная кислота (ГАМК). Фермент, катализирующий эту реакцию (глутаматдекарбокси-лаза), является высокоспецифичным.

Интерес к ГАМК объясняется её тормозящим действием на деятельность ЦНС. Больше всего ГАМК и глутаматдекарбоксилазы обнаружено в сером веществе коры большого мозга, в то время как белое вещество мозга и периферическая нервная система их почти не содержат. Введение ГАМК в организм вызывает разлитой тормозной процесс в коре (центральное торможение) и у животных приводит к утрате условных рефлексов. ГАМК используется в клинике как лекарственное средство при некоторых заболеваниях ЦНС, связанных с резким возбуждением коры большого мозга. Так, при эпилепсии хороший эффект (резкое сокращение частоты эпилептических припадков) даёт введение глутаминовой кислоты. Как оказалось, лечебный эффект обусловлен не самой глутаминовой кислотой, а продуктом её декарбоксилирования — ГАМК.

В животных тканях с высокой скоростью декарбоксилируются также два производных цистеина — цистеиновая и цистеинсульфиновая кислоты. В процессе этих специфических ферментативных реакций образуется таурин, который используется в организме для синтеза парных желчных кислот.

Следует указать ещё на два недавно открытых в тканях животных фермента, катализирующих декарбоксилирование орнитина и S-аденозил-метионина: орнитиндекарбоксилазу и аденозилметиониндекарбоксилазу.

Значение этих реакций для тканей животных огромно, поскольку продукты реакций используются для синтеза полиаминов — спермидина и спермина.

Полиамины, к которым относят также диамин путресцин, играют важную роль в процессах клеточного роста и дифференцировки, в регуляции синтеза ДНК, РНК и белка, стимулируя транскрипцию и трансляцию, хотя конкретный механизм участия их в указанных процессах не всегда ясен.

Таким образом, биогенные амины являются сильными фармакологически активными веществами, оказывающими разностороннее влияние на физиологические функции организма. Некоторые биогенные амины нашли широкое применение в качестве лекарственных препаратов.

Распад биогенных аминов. Накопление биогенных аминов может отрицательно сказываться на физиологическом статусе и вызывать ряд существенных нарушений функций в организме. Однако органы и ткани, как и целостный организм, располагают специальными механизмами обезвреживания биогенных аминов, которые в общем виде сводятся к окислительному дезаминированию этих аминов с образованием соответствующих альдегидов и освобождением аммиака:

Ферменты, катализирующие эти реакции, получили название моноамин и диаминоксидаз. Более подробно изучен механизм окислительного дезаминирования моноаминов. Этот ферментативный процесс является необратимым и протекает в две стадии:

R-CH2-NH2+ Е-ФАД + H2О —→ R-CHO + NH3+ Е-ФАДН2 (1)

Е-ФАДН2 +О2 —→ Е-ФАД + Н2О2 (2)

Первая (1), анаэробная, стадия характеризуется образованием альдегида, аммиака и восстановленного фермента. Последний в аэробной фазе окисляется молекулярным кислородом. Образовавшийся пероксид водорода далее распадается на воду и кислород. Моноаминоксидаза (МАО), ФАД-содержащий фермент, преимущественно локализуется в митохондриях, играет исключительно важную роль в организме, регулируя скорость биосинтеза и распада биогенных аминов. Некоторые ингибиторы моноаминоксидазы (ипраниазид, гармин, паргилин) используются при лечении гипертонической болезни, депрессивных состояний, шизофрении и др.

Окисли́тельное декарбоксили́рование пирува́та — биохимический процесс, заключающийся в отщеплении одной молекулы углекислого газа (СО2) от молекулы пирувата и присоединении к декарбоксилированному пирувату кофермента А (КоА) с образованием ацетил-КоА; является промежуточным этапом между гликолизом и циклом трикарбоновых кислот. Декарбоксилирование пирувата осуществляет сложный пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК), включающий в себя 3 фермента и 2 вспомогательных белка, а для его функционирования необходимы 5 кофакторов (КоА, НАД+, тиаминпирофосфат (ТПФ), ФАД и липоевая кислота (липоат)). Суммарное уравнение окислительного декарбоксилирования пирувата таково[1]:

У эукариот пируватдегидрогеназный комплекс локализован в митохондриях, у бактерий — в цитозоле. Образующийся в результате ацетил-КоА далее вовлекается в цикл Кребса[1].

Окислительное декарбоксилирование пирувата — необратимый процесс. Образующийся в ходе этого процесса НАДН впоследствии отдаёт гидридный ион (Н-) в дыхательную цепь, в которой при аэробном дыхании конечным акцептором электронов является кислород, а при анаэробном — другие окисленные соединения (например, сульфат, нитрат). Перенос электронов с НАДН на кислород даёт 2,5 молекулы АТФ на пару электронов. Необратимость реакции, осуществляемой пируватдегидрогеназным комплексом, была показана в исследованиях с применением радиоактивных изотопов: комплекс не может обратно присоединить меченый СО2 к ацетил-КоА с образованием пирувата[2].

Помимо окислительного, существует неокислительное декарбоксилирование пирувата до ацетальдегида (и далее до этанола) и СО2. Этот процесс осуществляется ферментом пируватдекарбоксилазой, к нему способны многие растения, дрожжи и некоторые бактерии[3].

Коферменты[править | править код]

Комбинированное дегидрирование и декарбоксилирование пирувата до ацильной группы[en], которая в дальнейшем войдёт в ацетил-КоА, осуществляется тремя различными ферментами, для функционирования которых необходимы 5 различных коферментов или простетических групп: тиаминпирофосфат (ТПФ), ФАД, кофермент А (КоА), НАД и липоат. Четыре из них являются производными витаминов: тиамина, или витамина В1 (ТПФ), рибофлавина, или витамина В2 (ФАД), ниацина, или витамина РР (НАД) и пантотеновой кислоты, или витамин В5 (КоА)[4].

ФАД и НАД являются переносчиками электронов, а ТПФ известен также как кофермент пируватдекарбоксилазы, участвующей в брожении[4].

Кофермент А имеет активную тиольную группу (—SH), которая имеет критическое значение для функционирования КоА в качестве переносчика ацильной группы в ряде метаболических реакций. Ацильные группы при этом ковалентно связываются с тиольной группой, образуя тиоэфиры. Из-за их относительно высокой стандартной свободной энергии гидролиза тиоэфиры обладают высокой способностью к переносу ацильных групп к различным молекулам-акцепторам. Поэтому ацетил-КоА иногда также называют «активированной уксусной кислотой»[4][5].

Пятый кофактор пируватдегидрогеназного комплекса, остаток липоевой кислоты — липоат, имеет две тиольные группы, которые могут подвергаться обратимому окислению с образованием дисульфидной связи (—S—S—), подобно тому, как это происходит между двумя остатками аминокислоты цистеина в белке. Из-за своей способности подвергаться окислению и восстановлению липоат может служить в качестве переносчика как электронов (или H+), так и ацильных групп[4].

Пируватдегидрогеназный комплекс[править | править код]

Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) включает 3 фермента: пируватдегидрогеназу[en] (Е1), дигидролипоилтрансацетилазу (Е2) и дигидролипоилдегидрогеназу[en] (Е3). Каждый из этих ферментов присутствует в комплексе во множестве копий. Количество копий каждого фермента, а следовательно, и размер комплекса варьирует среди различных видов.

Комплекс ПДК млекопитающих достигает около 50 нм в диаметре, что более чем в 5 раз превышает диаметр целой рибосомы; эти комплексы достаточно велики, чтобы быть различимыми в электронный микроскоп. В ПДК коровы входят 60 идентичных копий Е2, которые формируют пентагональный додекаэдр (коровая часть[en] комплекса) диаметром около 25 нм.

В кор ПДК у бактерии Escherichia coli входит 24 копии Е2. К Е2 присоединяется простетическая группа липоат (остаток альфа-липоевой кислоты) с аминокислотой лизином, которая связывается амидной связью с ε-аминогруппе остатка лизина, входящего в состав Е2. Е2 состоит из трёх функционально различных доменов: аминотерминального липоильного домена, содержащего остаток лизина, связывающийся с липоатом; центрального Е1- и Е3-связывающего домена; внутреннего корового ацилтрансферазного домена, содержащего активные центры ацилтрансферазы. У дрожжей в ПДК имеется единственный липоильный домен, у млекопитающих — два, а у E. coli — три. Домены Е2 связываются линкерными последовательностями, состоящими из 20—30 аминокислотных остатков, причём в них остатки аланина и пролина перемежаются с заряженными аминокислотыми остатками[6].

С активным центром Е1 связывается ТПФ, а с активным центром Е3 — ФАД. Также в состав комплекса ПДК входят два регуляторных белка — протеинкиназа и фосфопротеинфосфатаза. Такая основная структура из Е1-Е2-Е3 оставалась консервативной в ходе эволюции. Комплексы такого устройства принимают участие и в других реакциях, например, окислении α-кетоглутарата в ходе цикла Кребса и окислении α-кетокислот, образующихся при катаболической утилизации разветвлённых аминокислот: валина, изолейцина, лейцина. У изученных видов Е3 ПДК идентичен Е3 двух вышеупомянутых комплексов. Примечательное сходство структур белков, кофакторов и механизмов реакций, осуществляемых этими комплексами, свидетельствует об общности их происхождения[1]. При прикреплении липоата к лизину Е2 образуется длинная, гибкая «рука», которая может перемещаться с активного центра Е1 в активные центры Е2 и Е3, то есть на расстояния предположительно 5 нм и более[7].

Механизм[править | править код]

Окислительное декарбоксилирование пирувата включает несколько стадий:

• Стадия 1 идентична пируватдекарбоксилазной реакции. Первый атом углерода (С-1) пирувата уходит в виде СО2, а С-2, в пирувате находящийся в альдегидной форме, прикрепляется к ТПФ в виде гидроксиэтильной группы (—СНОН—СН3). Первая стадия является наиболее медленной и поэтому ограничивает скорость всего процесса. Кроме того, на этом этапе комплекс ПДК проявляет свою субстратную специфичность. Эта реакция осуществляется пируватдегидрогеназой (Е1).
• Стадия 2. Гидроксиэтильная группа окисляется до карбоновой кислоты (ацетата). Два электрона, освобождаемых при этой реакции, идут на восстановление связи —S—S— липоильной группы Е2 до двух тиольных (—SH) групп.
• Стадия 3. Ацетильный остаток, образующийся в ходе окислительно-восстановительной реакции на стадии 2, сначала связывается тиоэфирной связью с липоильной —SH-группой, а затем переносится на КоА с образованием ацетил-КоА. Таким образом, энергия окисления идёт на образование высокоэнергетического тиоэфира ацетата. Стадии 2 и 3 катализируются дигидролипоилтрансацетилазой (Е2).
• Стадия 4 и стадия 5 катализируются дигидролипоилдегидрогеназой (Е3). В ходе этих двух последних реакций восстановленный липоиллизин снова возвращается в окисленную форму, который в дальнейшем может участвовать в следующем цикле окислительного декарбоксилирования пирувата. Электроны, изначально принадлежавшие гидроксиэтильной группе, при этом переносятся с липоиллизина сначала на ФАД с образованием ФАДH2, а потом на НАД+ с образованием НАДН + H+[8].

Центральную роль в реакции, осуществляемой комплексом ПДК, играют липоиллизиновые «руки» Е2, способные «раскачиваться» и забирать два электрона от Е1, а также ацетильную группу, образовавшуюся из пирувата, и доставлять электроны к Е3. Все эти ферменты и коферменты собраны в комплекс, благодаря чему промежуточные соединения могут вступать в необходимые реакции быстро и не диффундируя с поверхности ферментного комплекса. За счёт этого промежуточные соединения не покидают комплекса, и поддерживается очень высокая локальная концентрация субстрата Е2. Это также предотвращает перехватывание активированной ацетильной группы другими ферментами, использующими её в качестве субстрата[8].

Органические соединения, содержащие мышьяк, являются ингибиторами ПДК, поскольку взаимодействуют с восстановленными в ходе окислительного декарбоксилирования пирувата тиольными группами липоильной группы Е2 и блокируют их нормальную работу[9].

Регуляция[править | править код]

У млекопитающих ПДК сильно подавляется АТФ, а также продуктами реакции: ацетил-КоА и НАДН. Аллостерическое подавление окисления пирувата значительно усиливается в присутствии длинноцепочечных жирных кислот. АМФ, КоА и НАД+, накапливающиеся тогда, когда в цикл Кребса поступает слишком мало ацетата, аллостерически активируют комплекс ПДК. Таким образом, ферментный комплекс подавляется, когда имеется достаточно ацетил-КоА или сырья (жирные кислоты) для осуществления альтернативных путей образования ацетил-КоА, а отношения [АТФ]/[АДФ] и [НАДН]/[НАД+] достаточно велики. Напротив, при большой потребности в энергии и необходимости большего количества ацетил-КоА для функционирования цикла Кребса ПДК активируется[10].

У млекопитающих к этим аллостерическим механизмам добавляется второй уровень регуляции: ковалентная модификация белка. Комплекс ПДК подавляется обратимым фосфорилированием по специфическим остаткам серина на одной из двух субъединиц E1. Ранее отмечалось, что, помимо субъединиц E1, E2 и E3 у млекопитающих в комплекс ПДК входят два регуляторных белка, единственным назначением которых является регуляция активности комплекса. Специфичная протеинкиназа фосфорилирует и тем самым инактивирует E1, а специфичная фосфопротеинфосфатаза удаляет фосфатные группы путём гидролиза и тем самым активирует E1. Киназа аллостерически активируется АТФ: когда концентрация АТФ велика (что свидетельствует о достаточном количестве энергии в клетке), комплекс ПДК инактивируется фосфорилированием E1. Когда [АТФ] понижена, активность киназы снижается, и фосфатаза убирает фосфатные группы с E1, активируя комплекс[11].

Комплекс ПДК растений, располагающийся в матриксе митохондрий и пластидах, подавляется продуктами его активности — НАДН и ацетил-КоА. Растительный митохондриальный фермент также регулируется обратимым фосфорилированием: пируват подавляет киназу, активируя ПДК, а NH4+ стимулирует киназу и инактивирует комплекс. У E. coli ПДК регулируется аллостерически по схожему с млекопитающими механизму, однако, по-видимому, не регулируется фосфорилированием[11].

Клиническое значение[править | править код]

Четыре витамина (тиамин, рибофлавин, ниацин, пантотеновая кислота), из которых образуются коферменты ПДК, обязательно должны присутствовать в рационе человека[4]. Кроме того, мутации генов, кодирующих субъединицы ПДК, а также недостаток тиамина в пище могут иметь очень серьёзные последствия. Животные, испытывающие недостаток тиамина, не могут нормально окислять пируват. Особенно это важно для мозга, который обычно получает энергию при аэробном окислении глюкозы, а этот процесс обязательно включает окисление пирувата.

Бери-бери — заболевание, развивающееся при недостатке тиамина — характеризуется расстройством функций нервной системы. Эта болезнь обычно встречается в популяциях людей, чей рацион состоит в основном из белого (очищенного) риса, лишённого шелухи, в которой содержится большая часть тиамина риса. Недостаточность тиамина может также развиться у людей, постоянно употребляющих алкоголь, так как большая часть получаемой ими энергии приходится на «пустые калории» очищенного спирта, лишённого витаминов. Повышенное содержание пирувата в крови часто является индикатором нарушений в окислении пирувата из-за одной из вышеперечисленных причин[12].

Другие пути преобразования пирувата[править | править код]

У некоторых микроорганизмов преобразование пирувата в ацетил-КоА (или другие продукты) может осуществляться и другими способами, помимо вышеописанного (комплекс ПДК используется аэробами). Такими преобразованиями могут быть:

• пируват + КоА + ФАД → ацетил-КоА + ФАДH2 + СО2. Реакция катализируется пируват:ферредоксин оксиредуктазой[en], характерна для анаэробов, в частности, клостридий. Из ФАДH2 далее при участии гидрогеназы[en] образуется молекулярный водород.
• пируват + КоА → ацетил-КоА + формиат. Фермент — пируватформиатлиаза[en], реакция характерна для Enterobacteriaceae, фотобактерий[en] и некоторых фототрофов.
• пируват → ацетальдегид + СО2. Фермент — пируватдекарбоксилаза, реакция характерна для дрожжей[13].

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of biochemistry. — Fifth edition. — New York: W. H. Freeman and company, 2008. — 1158 p. — ISBN 978-0-7167-7108-1.
• David E. Metzler. Biochemistry: The Chemical Reactions of Living Cells.. — 2nd edition. — Academic Press, 2003. — Т. 2. — 1973 с. — ISBN 978-0-1249-2541-0.
• Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — 4-е изд., перераб. и доп.. — М.: Издательский центр «Академия», 2012. — 384 с. — ISBN 978-5-7695-7979-0.