1.1.2. Биологические функции аминокислот

В живых организмах аминокислоты выполняют ряд функций, важнейшими из которых являются следующие:

• структурные элементы белков;

• структурные элементы других природных соединений;

• исходные соединения для образования в организмах биогенных аминов и родственных соединений;

• нейромедиаторы и медиаторы;

• метаболиты.

Структурные элементы белков. В состав белков входят 20 протеиногенных аминокислот (см. табл. 1.1), последовательность которых кодируется генетическим кодом и которые постоянно обнаруживаются в белках. Некоторые из них подвергаются посттрансляционной модификации, т.е. могут быть фосфорилированы, ацилированы, гидроксилированы (см. рис. 1.1) и др.

Структурные элементы других природных соединений. Изучение биосинтеза пенициллина с использованием меченых атомов показало, что в образовании молекулы этого антибиотика принимают участие аминокислоты цистеин и валин (рис. 1.3).

Цистеин

Р и с.1.3. Биосинтез пенициллина

Аминокислоты и их производные входят в состав различных азотистых соединений, коферментов, антибиотиков, пептидов и др. Например, фрагмент аминокислоты β-аланина (β-Ala) входит в структуру кофермента А (КоА), а глутаминовой кислоты – в структуру тетрагидрофолевой кислоты (кофермент THF):

β-Ala

Кофермент А (КоА)

Glu

Тетрагидрофолевая кислота (кофермент THF)

В живых организмах различных типов, и в особенности в животных, широко представлены пептиды. Среди них обнаружены соединения с разнообразными биологическими функциями (см. гл. 2 «Полипептиды»). Все пептиды, так же, как и белки, образуются из аминокислот, но в отличие от последних могут включать в себя не только протеиногенные аминокислоты, но и непротеиногенные, связанные друг с другом не только пептидными связями, но, например, сложноэфирными и др. В качестве примера приведем формулу простого линейного трипептида – глутатиона. Он присутствует во всех живых организмах и находится обычно в межклеточном пространстве в достаточно высокой концентрации:

γ-L-Глутамил-L-цистеинил-глицин – глутатион (G-SH)

Так как он был выделен почти 80 лет назад, его физиологические функции изучены достаточно хорошо: он защищает тиольные группы белков, инактивирует радикальные частицы, разрушает перекисные соединения, выполняет роль кофермента метилглиоксилазы.

Исходные соединения для образования в организмах биогенных аминов и родственных соединений. Биогенные амины образуются в организме главным образом из протеиногенных аминокислот. В табл. 1.2 приведены некоторые протеиногенные аминокислоты и биогенные амины, образующиеся из них в результате реакции декарбоксилирования, а также последующих трансформаций:

Таблица 1.2

Некоторые аминокислоты и биогенные амины, образующиеся из них

Аминокислоты и образующиеся из них биогенные амины	Формула биогенного амина	Функции биогенных аминов в организме
Серин  Коламин  Холин  Ацетилхолин	HOCH2CH2NH2 HOCH2CH2N(CH3)3ОН CH3COOCH2CH2N(CH3)3ОН	Входит в состав кефалина Входит в состав лецитина Медиатор, нейромедиатор
Цистеин  Цистеамин	HSCH2CH2NH2	Структурный элемент КоА и пантетеина
Аспарагиновая кислота  β-Аланин	H2NCH2CH2COOH	Структурный элемент КоА
Триптофан  5-Окситриптофан  Серотонин		Медиатор, нейромедиатор
Гистидин  Гистамин		Медиатор
Тирозин  3,4-Диоксифенил аланин (ДОФА)  Дофамин  Норадреналин  Адреналин		Нейромедиатор Медиатор, нейромедиатор гормон Медиатор, нейромедиатор гормон
Треонин  Аминопропанол	CH3CHOHCH2NH2	Составная часть витамина В12
Глутаминовая кислота  (ГАМК)	H2NCH2CH2CH2COOH	Нейромедиатор
Аргинин  Агматин  Путресцин  Спермидин  Спермин		Компонент рибосом Компонент рибосом, трупный яд Компонент рибосом Компонент рибосом
Лизин  Кадаверин	H2NCH2CH2CH2CH2CH2NH2	Компонент рибосом, трупный яд

Нейромедиаторы и медиаторы. Термином медиатор обозначают вещества, передающие нервное возбуждение через синаптическую щель от одной клетки периферической нервной системы к соседней. Нейромедиаторы – это вещества, воздействующие на постсинаптическую мембрану синапса центральной нервной системы и вызывающие ее деполяризацию (передача нервного импульса) или, напротив, гиперполяризацию (торможение передачи нервного импульса). К нейромедиаторам относятся некоторые аминокислоты, а также пептиды, белки и биогенные амины (см. табл. 1.2).

В связи с этим в клетках головного мозга идет активный метаболизм аминокислот. В головном мозге концентрация аминокислот, в особенности выполняющих функции нейромедиаторов, в 7-8 раз выше, чем в плазме крови. Наиболее высоким является уровень глутаминовой и аспарагиновой аминокислот (5-10 ммоль и 2-3 ммоль соответственно).

К аминокислотам, выполняющим функции нейромедиаторов, относятся глицин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, ГАМК и ДОФА.

Метаболиты. Углеродные скелеты 20 протеиногенных аминокислот превращаются в процессе метаболизма в семь различных продуктов деградации.

1. Пировиноградная кислота – глицин, аланин, серин, цистеин, треонин,

(пируват) триптофан, метионин.

2. Щавелевоуксусная кислота – аспарагин, аспарагиновая кислота.

(оксалоацетат)

3. Фумаровая кислота – фенилаланина, тирозин.

(фумарат)

4. Сукцинил-КоА – изолейцин, Валин.

5. 2-Оксоглутаровая кислота – глутаминовая кислота, глутамин,

(2-оксоглутарат) гистидин, аргинин, пролин.

6. Ацетил-КоА – лейцин, лизин; изолейцин.

7. Ацетоуксусная кислота – лейцин, лизин, фенилаланин, тирозин,

(ацетоацетат) триптофан.

Пять метаболитов (пируват, оксалоацетат, фумарат, сукцинил-КоА, 2-оксоглутарат) являются предшественниками в процессе синтеза глюкозы (глюконеогенез). Аминокислоты, деградация которых дает один из пяти указанных выше метаболитов, называются глюкогенными аминокислотами. За исключением лейцина и лизина все остальные 18 протеиногенных аминокислот являются глюкогенными.

Ацетил-КоА и ацетоацетат не могут включаться в глюконеогенез. Они используются организмами для синтеза жирных кислот, изопреноидов и кетоновых тел (ацетон, ацетоуксусная кислота, 3-гидроксимасляная кислота). Аминокислоты, которые образуют ацетил-КоА или ацетоацетат, называют кетогенными аминокислотами. Фактически только кетогенными являются лейцин и лизин, а такие аминокислоты, как изолейцин, фенилаланин, тирозин и триптофан, могут быть и глюкогенами и кетогенами.