Катаболизм аминокислот представляет собой совокупность реакций
расщепления органических соединений, содержащих аминогруппу, с целью
получения энергии, промежуточных метаболитов для синтеза глюкозы,
кетоновых тел и других биомолекул. Основные процессы включают
дезаминирование, трансаминирование,
декарбоксилирование и последующее включение продуктов в
циклы центрального метаболизма, прежде всего в цикл
трикарбоновых кислот (ЦТК).
Трансаминирование
Трансаминирование является ключевым этапом катаболизма аминокислот.
Этот процесс катализируется ферментами
аминотрансферазами, которые переносят аминогруппу с
аминокислоты на кетокислоту, чаще всего α-кетоглутарат, образуя
глутамат и соответствующую кетокислоту:
[ _1 + _1 + ]
Ключевые особенности трансаминирования:
- Процесс обратим, что позволяет клетке гибко регулировать баланс
аминокислот и кетокислот.
- Глутамат служит центральным донором аминогруппы для последующего
дезаминирования и синтеза других азотистых
соединений.
- Наиболее активные аминотрансферазы: аланинаминотрансфераза
(АЛТ) и аспартатаминотрансфераза (АСТ).
Окислительное
дезаминирование
Глутамат, образованный в результате трансаминирования, подвергается
окислительному дезаминированию, катализируемому
глутаматдегидрогеназой, с образованием
α-кетоглутарата и аммиака (NH₃):
[ + ^+ + H_2O + NH_3 + NAD(P)H + H^+]
Особенности:
- Является важным источником свободного аммиака для цикла
мочевины.
- Процесс регулируется аллостерически: активаторы — ADP и GDP,
ингибиторы — GTP и ATP.
- Служит точкой интеграции азотного и энергетического обмена, так как
α-кетоглутарат включается в ЦТК.
Дезаминирование других
аминокислот
Помимо глутамата, некоторые аминокислоты подвергаются прямому
дезаминированию:
- Серин и треонин: серин
дегидратазой и треонин дегидратазой превращаются в пируват и
α-кетобутират соответственно, с выделением аммиака.
- Глютамин и аспарагин гидролизуются
ферментами глутаминазой и
аспарагиназой, образуя глутамат и аспартат, которые
затем могут подвергаться дезаминированию.
Образование кетокислот
Кетокислоты, полученные в результате трансаминирования или
дезаминирования, включаются в центральный метаболизм:
- Ацетоацетат и ацетил-КоА → кетоновые тела, жирные
кислоты.
- Пируват → глюконеогенез, цикл ЦТК.
- Оксалоацетат, α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат
→ метаболические промежуточные ЦТК, обеспечивая энергетическую
отдачу.
Эти соединения позволяют аминокислотам быть
глюкогенными, кетогенными или
глюко-кетогенными, в зависимости от того, в какие
метаболические пути они вовлекаются.
Цикл мочевины и удаление
азота
Азот, высвобождающийся в процессе дезаминирования, токсичен и
подлежит экскреции. В печени аммиак включается в цикл
мочевины, образуя мочевину:
[ 2 NH_3 + CO_2 + 3 ATP + H_2O + 2 ADP + 4 P_i + AMP]
Особенности цикла:
- Связывает аммиак и аспартат, образуя нетоксичную молекулу для
выведения почками.
- Цикл интегрирован с ЦТК через соединения, такие как
фумарат, который может быть рециклирован для
глюконеогенеза.
Энергетический
вклад катаболизма аминокислот
Катаболизм аминокислот обеспечивает:
- Получение ATP через окисление кетокислот в
ЦТК.
- Синтез глюкозы (глюкогенные аминокислоты) в период
голодания.
- Образование кетоновых тел (кетогенные аминокислоты)
при дефиците углеводов.
Энергетический выход зависит от структуры аминокислоты и направления
её метаболизма, а также от функционального состояния тканей, таких как
печень и мышцы.
Регуляция катаболизма
аминокислот
Регуляция осуществляется на нескольких уровнях:
- Аллостерическая: глутаматдегидрогеназа активируется
ADP, ингибируется GTP.
- Гормональная: катаболизм усиливается глюкагоном и
кортизолом в условиях голодания или стресса.
- Субстратная: концентрация аминокислот и кетокислот
определяет скорость трансаминирования.
Эта многоуровневая регуляция обеспечивает оптимальное использование
аминокислот в зависимости от энергетических потребностей организма.
Классификация
аминокислот по метаболическим продуктам
- Глюкогенные: аланин, серин, глутамат → пируват,
оксалоацетат, α-кетоглутарат.
- Кетогенные: лейцин, лизин → ацетоацетат,
ацетил-КоА.
- Глюко-кетогенные: фенилаланин, тирозин, изолейцин →
смесь кетоновых и глюкогенных продуктов.
Эта классификация позволяет прогнозировать влияние диеты и
метаболических нарушений на энергетический обмен.
Интеграция с
другими метаболическими путями
Катаболизм аминокислот тесно связан с:
- Глюконеогенезом через пируват и оксалоацетат.
- Липидным обменом через ацетил-КоА.
- ЦТК и дыхательной цепью, обеспечивая энергетическую
отдачу и восстановление NADH/NAD⁺ баланса.
- Синтезом нейротрансмиттеров: глутамат, аспартат,
глицин служат предшественниками.
Эта интеграция обеспечивает клетке возможность гибко распределять
метаболические ресурсы и поддерживать азотистый баланс.