Синтез глицина


Синтез аминокислоты глицина постоянно происходит в организме человека, обеспечивая расходным материалом для производства белков, гормонов, биологически-активных молекул. Прочитайте статью до конца, и вы узнаете механизмы реакций, протекающих в организме для синтеза глицина. Из чего образуется глицин, где он образуется и какие дополнительные компоненты необходимы для синтеза глицина. С вами Галина Батуро и аминокислота глицин.
Синтез глицина
Аминокислота глицин является заменимой протеиногенной аминокислотой. Это значит, что глицин входит в состав белков. Он присутствует в больших количествах в желатине, в виде амида он является составной частью гормонов вазопрессина и окситоцина. Вазопрессин, как явствует из его названия, это гормон, сужающий сосуды и поднимающий артериальное давление. Окситоцин – это гормон, способствующий сокращению гладкой мускулатуры, в большом количестве он выделяется во время родов, заставляя сокращаться матку и выталкивать плод из чрева.
Глицин входит в состав глутатиона, гиппуровой и гликохолевой кислот. В организме человека также вырабатывается N-метил-производное глицина – саркозин. Это производное холина и аминокислоты метионина.
Глицин является источником таких важных метаболитов, как креатин, пуриновые основания и порфирины, из которых образуется белок крови гемоглобин.
Будучи заменимой аминокислотой, глицин может легко синтезироваться в организме. Он образуется в процессе следующих реакций: расщепление аминокислоты серина, синтез из воды и аммиака, аминирование глиоксиловой кислоты, деметилирование саркозина.
Синтез глицина из серина
90% глицина синтезируется в организме из аминокислоты серин, тоже заменимой и протеиногенной. Углеродный скелет серин получает от 3-фосфоглицерата, промежуточного продукта распада глюкозы, а аминную голову предоставляет глутаминовая кислота. Казалось бы, при таких делах организм не должен бы испытывать недостаток глицина: глюкозу мы всегда получаем в избытке, и глутаминовая кислота, которая глутамат, обильно представлена в рационе. Однако засада подстерегает, где не ждешь. И называется она витамин B9, иначе говоря, фолиевая кислота, которую по идее мы должны получать со свежими листьями и травками. В нашей полосе, где девять месяцев зима, это особенно актуально.
В синтезе глицина задействована активная форма витамина B9 (фолиевой кислоты) – Н4-Фолат, он же ТетраГидроФолиевая Кислота (ТГФК).
Образование ТГФК из фолиевой кислоты происходит в печени, это сложный каскад реакций, в которых задействованы особые ферменты, коферментом которых выступает НАДФ. Образовавшаяся ТГФК вступает в реакцию с серином при участии фермента СеринОксиМетилТрансфераза.
ТГФК принимает на себя метильную группу CH3, находящуюся в β-положении, и превращается N5N10МетиленН4Фолат, а спиртовая группа отщепляется в виде воды. Что значит это зубодробительное название? Фолат – это сокращенно фолиевая кислота, ибо соединение имеет гидроксильный хвост COOH. Метилен – означает, что соединение приняло на себя метильную группу CH2, причем приняли ее молекулы азота N в положении 5 и 10.
Реакция легко обратима, т.е. глицин может стать источником серина. В этом случае N5N10МетиленН4Фолат отдает метильную группу глицину, а вода станет источником спиртовой группы для серина. N5N10МетиленН4Фолат, образующийся вместе с глицином, быстренько превращается в N5 МетилН4Фолат, который задействован в обезвреживании страшного гомоцистеина, превращая его в нужную аминокислоту метионин. В реакции принимает участие активная форма витамина B12 метилкобаламин.
Чем опасен гомоцистеин можно узнать: Дмитрий Быков: ожидаемый исход метаболического синдрома
Синтез глицина из треонина
Долгое время считалось, что распад треонина с образованием глицина идет в клетках печени (гепатоцитах) под воздействием фермента ТреонинАльдолазы. В учебниках рисовали красивое уравнение реакции, приведенное ниже. Не обманывайтесь, насчет обратимости реакции. Уже тогда подчеркивалось, что реакция в живых организмах преимущественно идет в сторону распада треонина с образованием глицина и ацетальдегида. Обратный синтез треонина в живых организмах не наблюдался.
В настоящее время стало известно, что фермент ТреонинАльдолаза расщепляет с образованием глицина не L-треонин, содержащийся в белках, а стереоизомер алло-треонин, который в синтезе белков не участвует (1).
Образование глицина при распаде треонина долгое время считался возможным в митохондриях под воздействием фермента ТреонинДегидрогеназы, активность которого зависит от НАД. В результате образуется аминоацетон, который окисляется до α-АминоАцетоУксусной Кислоты, а та, в свою очередь является предшественницей глицина. Следует отметить, что человек в процессе эволюции утратил способность к синтезу ТреонинДегидрогеназы, следовательно образование глицина из треонина в человеческом организме не возможно (2).
В печени человека в процессе обезвреживания глиоксиловой кислоты (о чем дальше), треонин может переаминироваться под воздействием фермента КинуренинАминоТрансферазы, который оказался идентичным СеринПируватАминоТрансферазе и АланинГлиоксилАминоТрансферазе. В пероксисомах печени в присутствии ПиридоксальФосфата (активная форма витамина В 6) треонин соединяется с глиоксиловой кислотой, в результате чего образуется глицин и α-Кето-β-АминоМасляная кислота.
Синтез глицина из углекислого газа и аммиака
В печени позвоночных (и человека) при участии фермента ГлицинСинтазы глицин может образовываться из углекислого газа, аммиака, а также активной формы витамина В9 - N5N10МетиленН4Фолат (см. реакцию 1) и НАДН+Н. Реакция обратима, т.е. глицин может деградировать до углекислого газа и аммиака с образованием метилированной формы Фолата и НАДН+Н. Реакция идет в присутствии активной формы витамина B6 пиридоксальфосфата. Таким образом, для синтеза глицина нужно два витамина: фолиевая кислота (B9) и пиридоксин (B6). Фолиевая кислота содержится в свежей зелени, а также в печени, но вот беда, при тепловой обработке она разрушается. Пиридоксин содержится в семенах подсолнечника, отрубном хлебе, фасоли, красной морской рыбе и других продуктах.
Синтез глицина из глиоксиловой кислоты
Глиоксиловая кислота — это жуткий яд, угнетающий тканевое дыхание. В больших количествах она содержится в незрелых фруктах, именно поэтому их не следует употреблять в пищу, особенно при проблемах с печенью и поджелудочной. В 30-е годы, когда в Среднем Поволжье разразился голод, мой двоюродный дед, будучи подростком, умер, поев незрелых яблок. Незрелые яблоки оказались соблазнительной пищей, с которой истощенный организм не справился. В другой раз чуть не отправился в кроличий рай мой домашний питомец, который дорвался до незрелых яблок, а я не сразу сообразила, что это не самая подходящая для него пища. Откачав крола, и вспомнив печальную историю двоюродного деда, я крепко-накрепко уяснила, что незрелые яблоки есть ни в коем случае нельзя. Теперь я знаю, почему – из-за высокого содержания глиоксиловой кислоты.
Глиоксиловая кислота также образуется в процессе биотрансформации этиленгликоля – яда, который добавляют в антифризы – жидкости-незамерзайки. При случайном (а иногда и не случайном) попадании внутрь, печень пытается обезвредить этиленгликоль, но в результате получаются соединения еще более ядовитые, и одним из них является глиоксиловая кислота.
В небольших количествах глиоксиловая кислота образуется, как побочный продукт, на пути образования холина из серина. Холин нам нужен, ибо из него получается нейромедиатор ацетилхолин.
Фермент декарбоксилаза откусывает у серина карбоксильный хвост, в результате чего получается аминоспирт 2-аминоэтанол и выделяется углекислый газ.
2-аминоэтанол может пойти на синтез холина и далее на синтез нейромедиатора ацетилхолина, а может превратиться в гликолевый альдегид, лишившись аминной головы в ходе окислительного дезаминирования.
Гликолевый альдегид – ядовитое вещество, которое надо немедленно обезвредить. Образуется он не только из 2-аминоэтанола на пути превращения серина, но также при распаде пуриновых оснований (каркаса молекул ДНК и РНК – генетических матриц клеток) и при альтернативном пути гликолиза – распаде сахаров с выходом энергии. Таким образом, имеется 3 источника естественного образования гликолевого альдегида:
- превращение аминокислоты серин с образованием 2-аминоэтанола, который дает гликолевый альдегид
- распад пуринов: ксантин преобразуется в соль мочевой кислоты, которая декарбоксилируется, т.е. теряет карбоновый хвост, превращаясь в аллантоин и аллантоиновую кислоты, а те гидролизируются до мочевины и гликолевого альдегида
- альтернативный гликолиз: глюкоза превращается во фруктозу-1,6-бисфосфат, а ту фермент кетолаза превращает в гликолевый альдегид.
Гликолевый альдегид образуется также при переработке этиленгликоля в печени, при отравлении этим соединением, причем парадоксально, продукты метаболизма опаснее самого яда.
Гликолевый альдегид окисляется ферментом АльдегидОксидазой до гликолевой кислоты, а та, в свою очередь окисляется ферментом ЛактатДегидрогеназой до глиоксиловой кислоты.
Все эти вещества являются ядами, угнетающими тканевое дыхание и синтез белка, они блокируют митохондриальный транспорт электронов, разобщают окисление и фосфорилирование, т.е. химическая энергия, выделяющаяся при сгорании органических молекул, рассеивается в виде тепла, а не используется на работу биохимического конвейера.
Организм очень хитро придумал, преобразовывать яды в полезное вещество глицин. Этим занимаются печеночные клетки в особых органеллах – микротельцах (пероксисомах).
Основная реакция обезвреживания глиоксиловой кислоты – это соединение с аланином.
Донором аминной группы в этой реакции выступает аминокислота аланин, которая превращается в пируват. Реакция идет при участии фермента АланинГлиоксилатАминоТрансферазы в сопровождении активной формы витамина В6 – ПиридоксальФосфаста.
Глиоксиловая кислота и орнитин
Другой реакцией обезвреживания глиоксиловой кислоты является соединение с орнитином, и на выходе получается глицин и γ-полуальдегид глутамиловой кислоты. Реакция активно идет в печени.
Где взять орнитин? Орнинин образуется из аргинина в процессе обезвреживания мочевины.
Прямой синтез глицина из глиоксиловой кислоты
Глицин может образовываться прямым синтезом из глиоксиловой кислоты. В этом случае аминную голову он берет у всевездесущего глутамата, который переходит в α-кетоглутарат. Реакция идет при участии фермента ГлицинАминоТрансферазы. Обратите внимание, что реакция обратима, т.е. глицин вполне может выступать источником глиоксиловой кислоты, и это не есть айс.
Глицин, таким образом, синтезируется, как конечный метаболит на пути обезвреживания гликолевого альдегида, гликолевой кислоты и глиоксиловой кислоты. Коль речь зашла об отравлении, надо сказать, что глиоксиловая кислота может превращаться в щавелевую кислоту, а та, поймав кальций, выпадает в осадок, образуя оксалаты – кальциевые соли щавелевой кислоты. Оксалаты представляют собой игольчатые кристаллы, они травмируют мочевыводящие протоки, образуют почечные камни. Образование большого количества оксалатов приводит к нарушению функции почек при отравлении этиленгликолем.
К чему это я? А к тому, что в некоторых случаях глицин выступает источником глиоксиловой кислоты, со всеми последствиями в виде образования в почках осксалатных камней.
Синтез глицина из саркозина
Саркозин – важный участник биохимического конвейера, в котором он задействован, как донор одноуглеродной группы в реакциях транметилирования, т.е. обмена метильными остатками CH3. Саркозин образуется в процессе распада холина. Превращения саркозина тесно связаны с глицином. Саркозин образуется из глицина, как непосредственно, так и через длинную биохимическую цепочку, в начале которой глицин превращается в серин, дальше через ряд соединений образуется холин, а из того при распаде получается саркозин.
У млекопитающихся (и человека) обнаружена размещенная в митохондриях ферментная система, которая разлагает саркозин с образованием глицина. 90% саркозина разлагается в митохондриях печени, а 10% — в почках. Реакция идет под действием фермента СаркозинДегидрогеназы, причем фермент работает при содействии апофермента, связанного с мембраной митохондрий. Его активность проявляется только в присутствии специфического флавопротеида ФАД (активной формы витамина В2 – рибофлавина), необходимого для переноса электронов. Эта реакция может идти как в присутствии, так и без ТетраГидроФолата (ТГФК – активной формы витамина В9 – фолиевой кислоты). В анаэробных условиях, т.е. без кислорода, ТГФК в реакции не участвует, в результате образуется свободный формальдегид, ядовитое вещество, которое срочно требуется обезвредить. В присутствии кислорода в реакцию вступает ТГФК, который забирает углеродный остаток СН3 у формальдегида, превращаясь в уже известный N5N10МетиленН4Фолат с выделением воды.
Точный механизм реакции не известен. Общая схема выглядит следующим образом:
Реакция в бескислородной среде протекает в два этапа. При участии кислорода и ТГФК – в три.
Первый этап: перенос водорода с N-метильной группы саркозина на ФАД, что позволяет воде атаковать образовавшийся положительно-заряженный карбокатион, с образованием промежуточного соединения. Происходит отсечение метильной головы, иначе говоря, деметилирование N-метильной группы на саркозине. Восстановленный на первой стадии ФАД Н— окисляется кислородом с образованием перекиси водорода.
Промежуточное соединение без ТГФК окисляется в глицин с выходом формальдегида.
На третьем этапе происходит обезвреживание формальдегида, для чего нужна ТГФК (активная форма фолиевой кислоты – витамина В9). ТГФК принимает на себя одноуглеродный остаток от формальдегида и превращается в N5,N10-МетиленТетраГидроФолат.
Превращение происходит в четыре этапа с выделением воды.
Заключение
Глицин – активный участник биохимического конвейера, задействованный в переносе одноуглеродного остатка CH3, т.е. в реакциях метилирования. Обмен глицина тесно связан с обменом другой аминокислоты – серина и активной формы витамина B9 – фолиевой кислоты ТГФК. Биологический смысл данных процессов в передаче одноуглеродного остатка по биохимическому конвейеру, при этом глицин выступает источником одноуглеродного остатка, а ТГФК – передающим звеном, при этом обезвреживается образующийся в процессе биосинтеза опасный гомоцистеин с образованием безопасной аминокислоты метионин.
Глицин является конечным безопасным продуктом при обезвреживании клеточных ядов, имеющих как биосинтетическое происхождение, т.е. образующихся внутри организма при работе биохимического конвейера, так и пищевое происхождение, т.е. поступающих в организм извне, с пищей. Это гликолевый альдегид, гликолевая кислота и глиоксиловая кислота. В результате преобразований, происходящих в печени, клеточные яды превращаются в безопасный глицин.
Глицин также является конечным безопасным продуктом при утилизации холина и саркозина, в процессе которой образуются клеточный яд – формальдегид.
Распад биологически-активных молекул приводит к образованию опасных для организма веществ, требующих обезвреживания. Организм затрачивает усилия в виде энергии и работы ферментов и витаминов для того, чтобы запустить вторичное использование отработанных молекул, превращая яды в глицин. Глицин в свою очередь связывает обмен аминокислот, пуриновых оснований, порфиринов и, через аминокислоту серин, подпитывает углеводный обмен, давая организму энергию.
- Стр. 6. Малиновский А.В. «Переаминирование треонина»
- Стр. 15. Малиновский А.В. «Переаминирование треонина»
Замечательная статья. Спасибо автору этой статьи.
Всё очень подробно описано и изложено. Читается легко.