Главная страница > Четвертый семестр > Метаболические пути 

   Рассмотрен метаболический путь, в ходе которого происходит деградация аргинина до пирувата. Проведен поиск записей БД KEGG COMPOUND* (структуры низкомолекулярных веществ, участвующих в биохимических процессах), соответствующих начальному и конечному продуктам метаболического пути (L-аргинину и пирувату). Найденные записи (L-аргинин — C00062 и пируват — C00022) содержат информацию о химических свойствах веществ и об их функциях в живых организмах, в том числе:

   Кроме того, в записях KEGG COMPOUND приведены ссылки на другие БД, в которых имеется информация о рассматриваемых веществах. Например, в поле Remark записи C00062 (L-аргинин) указано, что в БД KEGG DRUG (лекарственные препараты, входит в состав KEGG LIGAND) также имеется запись, соответствующая L-аргинину (D02982). По данным KEGG DRUG, L-аргинин может быть использован при отравлении аммиаком и при диагностике некоторых заболеваний гипофиза.

* KEGG COMPOUND является составной частью БД химических соединений и реакций (KEGG LIGAND), наряду с БД KEGG ENZYME (ферменты), KEGG REACTION (биохимические реакции) и др.

   Рис. 1. Структурные формулы пирувата (pyruvate) (А) и L-аргинина (L-arginine) (Б). По данным KEGG COMPOUND.

   Выбранный метаболический путь включает в себя семь этапов (табл. 1). Первая стадия (расщепление аргинина до орнитина и мочевины, катализируемое аргиназой, EC 3.5.3.1) представляет собой одну из реакций цикла мочевины и является необратимой. Следующая стадия представляет собой обратимую циклизацию орнитина, катализируемую орнитинциклодеаминазой (OCD, EC 4.3.1.12). Продуктом реакции является L-пролин. По данным KEGG ORTHOLOGY (K01750, см. ниже), OCD характерна только для прокариотических организмов и некоторых протистов (Shizosaccharomyces pombe, Dictyostelium discoideum и Entomaeba histolytica). У многоклеточных эукариот реализуется альтернативный путь, включающий в себя три реакции и требующий затраты NADH·H⁺ (3 эквивалента ATP, рис. 3). Возможно, роль OCD заключается в обеспечении более выгодного с энергетической точки зрения катаболизма аргинина. Сходные выводы были получены в работе Dessaux et al. (1986) на основании изучения мутантов Agrobacterium tumefaciens с неактивной OCD. Было показано, что такие мутанты (в отличие от нормальных бактерий) неспособны расти на средах, содержащий аргинин или орнитин в качестве единственного источника углерода.

   Следует отметить, что гомолог OCD был найден и у человека (Kim et al., 1992). Данный белок экспрессируется преимущественно в нервной ткани и представляет собой μ-кристаллин хрусталика глаза (до 15% от общего количества белков хрусталика). При этом μ-кристаллин предположительно сохраняет орнитинциклодеаминазную активность, о чем свидетельствуют его высокая консервативность и экспрессия в различных тканях организма (например, в мышечной ткани и в почках). Так как аргинин является незаменимой аминокислотой для человека (не синтезируется в организме), а пролин синтезируется из глутамата через L-глутамат-5-семиальдегид (один из интермедиатов альтернативного пути деградации орнитина до пролина), роль орнитинциклодеаминазы человека вряд ли заключается в осуществлении биосинтеза пролина (пролин может быть синтезирован из доступного глутамата без участия орнитинциклодеаминазы). Деградация аргинина также осуществляется без участия орнитинциклодеаминазы через L-глутамат-5-семиальдегид до одного из интермедиатов цикла Кребса — 2-оксоглутарата (возможно в связи с тем, что при деаминировании орнитина образуется токсичный аммиак) [1]. В работе Kim et al. (1992) выдвинуто предположение о том, что орнитинциклодеаминаза участвует в осморегуляции (пролин является одним из важнейших осмолитов). Данная функция важна для поддержания как прозрачности хрусталика, так и баланса электролитов в почках, где также экспрессируется данный фермент.

   Следующие пять стадий (четыре из которых являются необратимыми) представляют собой реакции катаболизма углеродного скелета. Конечными продуктами цепочки реакций являются пируват и глиоксилат, которые могут быть использованы при биосинтезе других аминокислот или окислены. Данный метаболический путь энергетически выгоден, так как в ходе него происходит восстановление одной молекулы FAD и одной молекулы NAD⁺ (5 эквивалентов АТP). Вероятно, роль деградации аргинина до пирувата заключается именно в получении энергии, так как пируват, как правило, является более доступным веществом, чем аргинин (может быть легко синтезирован из сахаров), в связи с чем синтез аминокислот из пирувата является более рентабельным, чем из аргинина.

   В KEGG отсутствует какая-либо информация о дальнейшем метаболизме глиоксилата у человека. По данным [2], в печени из глиоксилата синтезируется глицин (реакция катализируется глицинтрансаминазой, осуществляющей перенос аминной группы глутамата или аланина на глиоксилат). Кроме того, может осуществляться окисление глиоксилата до оксалата (Ichiyama et al., 2000). При этом снижение активности глицинтрансаминазы, имеющее место при некоторых генетических заболеваниях (гипероксалурия I типа), приводит к увеличению доли глиоксилата, окисляемого до оксалата, и, как следствие, к избыточному накоплению оксалата. Отсутствие в KEGG информации о метаболизме глиоксилата у человека (и у других млекопитающих) может быть связано с запаздыванием аннотирования, хотя некоторые реакции были открыты уже достаточно давно.

   В целом деградация аргинина представляет собой менее выгодный с энергетической точки зрения процесс, чем деградация сахаров. В том числе это связано с тем, что энергия, выделяющаяся при окислении атома С_ζ (уходит в составе мочевины), не запасается. Кроме того, при гидроксилировании пролина один из атомов углерода 2-оксоглутарата также окисляется и уходит в виде CO₂ (без запасения энергии). Если сравнивать деградацию аргинина с гликолизом (в обоих процессах происходит окисление соединений, содержащих шесть атомов углерода), то гликолиз окажется более выгодным процессом с энергетической точки зрения. При гликолизе образуются 5 эквивалентов ATP (2 молекулы ATP и одна молекула NADH·H⁺), тогда как при деградации аргинина — только 2 (одна молекула FADH₂, у человека образовавшийся NADH·H⁺ расходуется на альтернативном пути превращения орнитина в пролин). Кроме того, в результате гликолиза образуются две молекулы пирувата на одну молекулу глюкозы, тогда как в ходе деградации аргинина образуется одна молекула пирувата и одна молекула глиоксилата, которая окисляется с меньшим энергетическим выходом, чем пируват). Возможно, в связи с большей энергетической выгодой в качестве источников энергии живые организмы в первую очередь расходуются углеводы и липиды, и только затем — белки.

    Была рассмотрена возможность осуществления рассмотренного пути деградации аргинина до пирувата у одного эукариотического организма (homo sapines), двух бактериальных (E.coli K-12 MG1655 и Pseudomonas aeruginosa PAO1) и одного представителя архей (Methanococcus janaschii). Ни для одного из перечисленных организмов не были описаны все семь реакций пути (табл. 2). Например, у человека не описаны вторая и последняя реакции. При этом вместо второй реакции может осуществляться альтернативный путь, включающий в себя три стадии (один из интермедиатов — L-глутамат-5-семиальдегид, см. выше).

   Поиск в UniProt, проведенный с помощью SRS, не выявил у эукариот ни одного из трех ферментов, способных катализировать последнюю реакцию рассматриваемого метаболического пути (4.1.1.3, 4.1.2.14 или 4.1.3.16, то есть предположение о том, что ферменты, катализирующие последнюю стадию, были найдены, но не были аннотированы в KEGG, не подтвердилось). В связи с этим роль предшествующих четырех необратимых реакций может заключаться в преобразовании 2-оксоглутарата в глутамат (реакция, сопряженная с шестой стадией, см. табл. 1).

   Невозможность деградации аргинина до пирувата у человека не говорит о невозможности осуществления деградации аргинина другим путем. Например, у человека имеет место деградация аргинина до 2-оксоглутарата [2] (рис. 4, первая реакция, катализируемая аргиназой, является общей для обоих путей). Возможно, это связано с тем, что при деградации аргинина до пирувата образуется достаточно токсичный продукт — глиоксилат.