Transaminacja aminokwasów to proces międzycząsteczkowego transferu od substancji wyjściowej grupy aminowej do ketokwasu bez tworzenia amoniaku. Rozważmy bardziej szczegółowo cechy tej reakcji, a także jej biologiczne znaczenie.
Historia odkryć
Reakcja transaminacji aminokwasów została odkryta przez radzieckich chemików Kritzmana i Brainsteina w 1927 roku. Naukowcy pracowali nad procesem deaminacji kwasu glutaminowego w tkance mięśniowej i odkryli, że w wyniku dodawania do homogenatu tkanki mięśniowej kwasu pirogronowego i glutaminowego powstaje alanina i kwas α-ketoglutarowy. Wyjątkowość odkrycia polegała na tym, że procesowi temu nie towarzyszyło powstawanie amoniaku. Podczas eksperymentów udało im się odkryć, że transaminacja aminokwasów jest procesem odwracalnym.
Kiedy reakcje postępowały, jako katalizatory zastosowano określone enzymy, które nazwano aminoferazami (transmaminazami).
Funkcje procesu
Aminokwasy zaangażowane w transaminację mogą być związkami monokarboksylowymi. W badaniach laboratoryjnych stwierdzono, że transaminacjaasparagina i glutamina z ketokwasami występują w tkankach zwierzęcych.
Aktywny udział w przenoszeniu grupy aminowej ma fosforan pirydoksalu, który jest koenzymem transaminaz. W procesie interakcji powstaje z niego fosforan pirydoksaminy. Enzymy działają jako katalizatory tego procesu: oksydaza, pirydoksaminaza.
Mechanizm reakcji
Transaminację aminokwasów wyjaśnili radzieccy naukowcy Shemyakin i Braunstein. Wszystkie transaminazy zawierają koenzym fosforan pirydoksalu. Reakcje transmisyjne, które przyspiesza, mają podobny mechanizm. Proces przebiega dwuetapowo. Po pierwsze, fosforan pirydoksalu przejmuje grupę funkcyjną z aminokwasu, co powoduje powstanie ketokwasu i fosforanu pirydoksaminy. W drugim etapie reaguje z α-ketokwasem, jako produkty końcowe powstaje fosforan pirydoksalu, odpowiedni ketokwas. W takich interakcjach nośnikiem grupy aminowej jest fosforan pirydoksalu.
Transaminację aminokwasów za pomocą tego mechanizmu potwierdzono metodami analizy spektralnej. Obecnie pojawiły się nowe dowody na obecność takiego mechanizmu u żywych istot.
Wartość w procesach wymiany
Jaką rolę odgrywa transaminacja aminokwasów? Wartość tego procesu jest dość duża. Reakcje te są powszechne w roślinach i mikroorganizmach, w tkankach zwierzęcych ze względu na ich wysoką odporność chemiczną, fizyczną,czynniki biologiczne, absolutna swoistość stereochemiczna w stosunku do D- i L-aminokwasów.
Biologiczne znaczenie transaminacji aminokwasów zostało przeanalizowane przez wielu naukowców. Stał się on przedmiotem szczegółowych badań w procesach metabolicznych aminokwasów. W toku badań postawiono hipotezę o możliwości zachodzenia procesu transaminacji aminokwasów metodą transdeaminacji. Euler odkrył, że w tkankach zwierzęcych tylko kwas L-glutaminowy jest szybko dezaminowany z aminokwasów, a proces ten jest katalizowany przez dehydrogenazę glutaminianową.
Procesy deaminacji i transaminacji kwasu glutaminowego są reakcjami odwracalnymi.
Znaczenie kliniczne
Jak wykorzystywana jest transaminacja aminokwasów? Biologiczne znaczenie tego procesu polega na możliwości prowadzenia badań klinicznych. Na przykład surowica krwi zdrowej osoby zawiera od 15 do 20 jednostek transaminaz. W przypadku zmian w tkankach organicznych obserwuje się destrukcję komórek, co prowadzi do uwolnienia transaminaz do krwi ze zmiany.
W przypadku zawału mięśnia sercowego, dosłownie po 3 godzinach, poziom aminotransferazy asparaginianowej wzrasta do 500 jednostek.
Jak wykorzystywana jest transaminacja aminokwasów? Biochemia obejmuje test aminotransferaz, na podstawie którego diagnozuje się pacjenta i dobiera skuteczne metody leczenia zidentyfikowanej choroby.
Specjalne zestawy są używane do celów diagnostycznych w klinice choróbchemikalia do szybkiego wykrywania dehydrogenazy mleczanowej, kinazy kreatynowej, aktywności transaminaz.
Hipertransaminazemia występuje w chorobach nerek, wątroby, trzustki, a także w przypadku ostrego zatrucia czterochlorkiem węgla.
Transaminacja i deaminacja aminokwasów są wykorzystywane w nowoczesnej diagnostyce do wykrywania ostrych infekcji wątroby. Wynika to z gwałtownego wzrostu aminotransferazy alaninowej w niektórych problemach z wątrobą.
Uczestnicy transakcji
Kwas glutaminowy odgrywa w tym procesie szczególną rolę. Szeroka dystrybucja w tkankach roślinnych i zwierzęcych, specyficzność stereochemiczna względem aminokwasów oraz aktywność katalityczna sprawiły, że transaminazy stały się przedmiotem badań w laboratoriach badawczych. Wszystkie naturalne aminokwasy (oprócz metioniny) wchodzą w interakcję z kwasem α-ketoglutarowym podczas transaminacji, w wyniku czego powstaje kwas keto- i glutaminowy. Ulega deaminacji pod wpływem dehydrogenazy glutaminianowej.
Opcje deaminacji utleniającej
Istnieją bezpośrednie i pośrednie rodzaje tego procesu. Bezpośrednia deaminacja polega na użyciu jednego enzymu jako katalizatora, produktem reakcji jest ketokwas i amoniak. Proces ten może przebiegać w sposób tlenowy, przy założeniu obecności tlenu, lub w sposób beztlenowy (bez cząsteczek tlenu).
Cechy deaminacji oksydacyjnej
D-oksydazy aminokwasów działają jako katalizatory procesu tlenowego, a oksydazy L-aminokwasów działają jako koenzymy. Substancje te są obecne w ludzkim ciele, ale wykazują minimalną aktywność.
Beztlenowy wariant deaminacji oksydacyjnej jest możliwy dla kwasu glutaminowego, dehydrogenaza glutaminianowa działa jako katalizator. Enzym ten jest obecny w mitochondriach wszystkich żywych organizmów.
W pośredniej deaminacji oksydacyjnej rozróżnia się dwa etapy. Najpierw grupa aminowa jest przenoszona z pierwotnej cząsteczki do związku ketonowego, powstaje nowy keto i aminokwasy. Ponadto ketoszkielet ulega katabolizacji w określony sposób, uczestniczy w cyklu kwasów trikarboksylowych i oddychaniu tkankowym, a produktami końcowymi będą woda i dwutlenek węgla. W przypadku głodu szkielet węglowy aminokwasów glukogennych zostanie wykorzystany do utworzenia cząsteczek glukozy w procesie glukoneogenezy.
Drugi etap obejmuje eliminację grupy aminowej przez deaminację. W ludzkim ciele podobny proces jest możliwy tylko dla kwasu glutaminowego. W wyniku tej interakcji powstaje kwas α-ketoglutarowy i amoniak.
Wniosek
Oznaczanie aktywności dwóch enzymów transaminacji aminotransferazy asparaginianowej i aminotransferazy alaninowej znalazło zastosowanie w medycynie. Enzymy te mogą odwracalnie oddziaływać z kwasem α-ketoglutarowym, przenosić do niego funkcjonalne grupy aminowe z aminokwasów,tworzenie związków ketonowych i kwasu glutaminowego. Pomimo faktu, że aktywność tych enzymów wzrasta w chorobach mięśnia sercowego i wątroby, maksymalna aktywność występuje w surowicy krwi dla AST i ALT w zapaleniu wątroby.
Aminokwasy są niezbędne w syntezie cząsteczek białek, a także w tworzeniu wielu innych aktywnych związków biologicznych, które mogą regulować procesy metaboliczne w organizmie: hormonów, neuroprzekaźników. Ponadto są dawcami atomów azotu w syntezie niebiałkowych substancji zawierających azot, m.in. choliny, kreatyny.
Ketabolizm aminokwasów może być wykorzystany jako źródło energii do syntezy kwasu adenozynotrifosforowego. Funkcja energetyczna aminokwasów ma szczególne znaczenie w procesie głodu, a także w cukrzycy. Metabolizm aminokwasów pozwala na ustalenie powiązań między licznymi przemianami chemicznymi zachodzącymi w żywym organizmie.
Ludzkie ciało zawiera około 35 gramów wolnych aminokwasów, a ich zawartość we krwi wynosi 3565 mg/dl. Duża ich ilość dostaje się do organizmu z pożywienia, dodatkowo znajdują się we własnych tkankach, mogą też powstawać z węglowodanów.
W wielu komórkach (z wyjątkiem erytrocytów) są one wykorzystywane nie tylko do syntezy białek, ale także do tworzenia puryn, nukleotydów pirymidynowych, amin biogennych, fosfolipidów błonowych.
W ciągu dnia około 400 g związków białkowych rozkłada się w organizmie człowieka na aminokwasy, a proces odwrotny zachodzi w mniej więcej tej samej ilości.
Tkaninabiałka nie są w stanie ponieść kosztów aminokwasów do syntezy innych związków organicznych w przypadku katabolizmu.
W procesie ewolucji ludzkość utraciła zdolność do samodzielnej syntezy wielu aminokwasów, dlatego aby w pełni dostarczyć je organizmowi, konieczne jest pozyskiwanie tych związków zawierających azot z pożywienia. Procesy chemiczne, w których uczestniczą aminokwasy, są nadal przedmiotem badań chemików i lekarzy.
