Является ли треонин незаменимой аминокислотой? Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

А. В. Малиновский

ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ ТРЕОНИН НЕЗАМЕНИМОЙ АМИНОКИСЛОТОЙ?

Хорошо известно, что белки необходимы для питания человека и животных. Биологическая ценность белка определяется его аминокислотным составом. Одни аминокислоты — незаменимые — не синтезируются в организме при их отсутствии в пище, тогда как другие — заменимые — в аналогичном случае могут синтезироваться в организме. Девять аминокислот (лизин, треонин, триптофан, метионин, фенилаланин, лейцин, валин, изолейцин, гистидин) необходимы для всех исследованных видов позвоночных.

Значительный интерес представляет следующий факт. В работе [1] отмечается, что после того, как крысам и кроликам добавляли в пищу меченный №5 глицин, образующийся треонин не содержал этот изотопный маркер (в отличие от других аминокислот, кроме лизина). Отсюда можно сделать вывод, что треонин, подобно лизину, не принимает участие в обратимом переносе аминогруппы, который наблюдается у других аминокислот, как заменимых, так и незаменимых. При этом, будучи незаменимой аминокислотой, треонин не должен синтезироваться из глицина.

Но в работе [2] показано, что после введения в пищу крысам меченного №5 лейцина, очень небольшое количество метки было обнаружено в треонине. Тот факт, что некоторое количество азота лейцина было обнаружено в молекуле треонина, указывает на наличие в организме животных незначительного синтеза треонина путем переамини-рования.

Необходимо сразу исключить метаболический путь биосинтеза треонина, катализируемый ферментом треонинсинтетазой, конечный этап которого заключается в превращении О-фосфогомосерина в треонин и неорганический фосфат. Этот фермент широко распространен у бактерий, грибов и растений, но отсутствует у животных [3, 4].

Рассмотрим возможные пути метаболизма треонина у позвоночных. В работе [5] отмечено, что углеродная цепь треонина может синтезироваться в организме крысы; просто этот синтез протекает настолько медленно, что не обеспечивает оптимального роста животного. При этом авторы подтверждают, что организм крысы совершенно неспособен синтезировать углеродные цепи всех остальных незаменимых аминокислот.

В работе [6] приводится следующая схема превращения треонина в печени

N42

I

СН2 I

СООН глицин

© А. В. Малиновский, 2011

СНз

I

НС - он I

НС - мн2 I

СООН

треонин

треонинальдолаза

СНз

I ^

С ^

О

\Н

ацетальдегид

+

В работе [7] также указывается на то, что под действием альдолазы треонин обратимо расщепляется на ацетальдегид и глицин. Но если многие справочники и учебники по биохимии придают большое значение как треонинальдолазе [8], так и альдольному расщеплению [9, 10] в катаболизме данной аминокислоты, то M. I. Bird и P. B. Nunn [11] были первыми, кто усомнился в этом. Они [11, 12] показали, что активность треониналь-долазы однородно низка в печени крысы, и сделали заключение, что альдолаза, хотя и присутствует в печени, однако не может быть главным ферментом распада треонина.

M. I. Bird и P. B. Nunn [11] пришли к выводу, что предполагаемая активность «трео-нинальдолазы», на самом деле — результат действия треониндегидратазы и лактатде-гидрогеназы, причем первая расщепляет треонин необратимо:

СНз

HC

OH

H2O

треониндегидратаїа; ПФ

ОН,

CH

CH,

СН2

+ H2O

СН,

СН2

нс — га,

СООН

треонин

+№Нз

СООН а-аминокрото-новая кислота

С _ ОТ

СООН а-иминома-еляная кислота

С _ О

СООН

а-кетомасляная

кислота

CH3

CH2

I

C = O COOH

лактатдегидрогеназа; НАДН+Н+

лактатдегидрогеназа; НАД

CH3

CH2

I

HC — OH

Cooh

а-кетомасляная

кислота

а-гидроксимасляная

кислота

Наиболее убедительное доказательство против присутствия реальной «треониналь-долазы» в печени крысы — исчезновение активности треонинальдолазы в цитозольных экстрактах печени нормальных и голодающих крыс, когда треониндегидратаза была блокирована специфическими антителами. Устранение дегидратазы не воздействует на активность аллотреонинальдолазы (см. ниже).

Результаты этого исследования ясно показывают, что треониндегидратаза и лактат-дегидрогеназа ответственны за кажущуюся ферментную активность «треонинальдо-лазы». Таким образом, «треонинальдолаза» — не подлинный фермент печени крысы. Дальнейшие исследования подтвердили существование фермента, метаболизирующе-го аллотреонин (изомер треонина, не входящий в состав белков), возможно, его аль-долазы или серингидроксиметилтрансферазы, которые не действуют на треонин [13]. Хотя и считается, что значительная часть треонина рациона крысы распадается под действием треонинальдолазы, тем не менее признано, что последняя проявляет большую активность в случае аллотреонина в качестве субстрата, чем в случае треонина [8].

В работе [14] также подтверждается действие альдолазы именно на аллотреонин, но не на треонин. А в работе [15] среди путей катаболизма треонина у взрослых людей распад под действием треонинальдолазы и вовсе не упоминается. В то же время нет никаких доказательств, что аллотреонин поддерживает рост млекопитающих [16] или встречается как природное вещество [17], а также, что в печени млекопитающих имеется трео-нинэпимераза [18].

Если главными ферментами распада треонина в печени млекопитающих, содержащимися в цитозоле (ЦЗ), до недавнего времени признавались треониндегидратаза и треонинальдолаза, то в митохондриях (МХ) таковой признавалась треониндегидро-геназа [13]. Последняя катализирует НАД-зависимое окисление треонина до а-амино-ацетоуксусной кислоты, которая самопроизвольно декарбоксилируется превращаясь в аминоацетон [8, 19, 20]:

СНз СНз СНз

HC OH C = О C = о

I ТРЕОНИНДЕГИДРОГЕНЛЗА; I - CO2

НАД+ I

HC NH2 « —*■ HC NH2 -------► CH2

I - HAflH+ H + ■ ■

' NH2

COOH COOH

треонин а-аминоацетоуксусная аминоацетон

кислота

M. I. Bird и P. B. Nunn в своей работе [12] дали обзор физиологической роли основных ферментов, катализирующих распад треонина в печени — треониндегидрогеназы и треониндегидратазы. Содержание двух ферментов, расположенных в различных клеточных компартментах (ЦЗ и МХ), и способность каждого играть доминирующую роль в катаболизме треонина в различных метаболических состояниях, поднимает вопрос о физиологических функциях метаболических путей, осуществляемых этими двумя ферментами, и их регуляции в двух разных компартментах.

Вышеназванные авторы [12] считают, что у крысы наибольшая физиологическая функция треонин/сериндегидратазы — мобилизовать углерод треонина (или серина) для глюконеогенеза в печени. Следовательно, индукция этого фермента в состоянии глюконеогенеза (в котором фермент играет доминирующую роль в катаболизме треонина) помогает гомеостазу концентрации глюкозы крови, когда не хватает пищевой глюкозы (так случается во время употребления высокобелковой диеты или в продолжении голодания). Наоборот, активность треониндегидрогеназы становится преобладающей в состоянии нормального питания, когда потребность в печени для глюконео-генеза низка. В этих условиях физиологическая роль треониндегидрогеназы, вероятно, состоит в поддержании концентрации свободного треонина, образующегося при расщеплении белков пищи.

В работе [21] рассматривается вопрос обратимости реакции, катализируемой тре-ониндегидрогеназой. Для этого последняя была инкубирована с аминоацетонсинте-тазой (ферментом, конденсирующим ацетил-КоА и глицин в а-аминоацетоуксусную кислоту для дальнейшего окисления в аминоацетоновом цикле [22]) в реакционной смеси, содержащей [2-14C] глицин и НАДН, при этом значительные количества радиоактивности были обнаружены в треонине. Реакция зависела от присутствия НАДН и треониндегидрогеназы. Результаты показывают, что а-аминоацетоуксусная кислота, которая является общим продуктом действия треониндегидрогеназы и аминоацетон-синтетазы, служит субстратом для треониндегидрогеназы и что реакция, катализируемая последней, обратима in vitro.

Однако авторы работы [23] предполагают, что in vivo треониндегидрогеназа способна только окислять треонин. В работе [19] отмечается, что оптимум рН для треонин-дегидрогеназы 7, 8, т. е. близок к физиологическим условиям. В работе [24] была измерена степень декарбоксилирования а-аминоацетоуксусной кислоты при различных рН. Максимальный период полужизни этой кислоты в водном растворе — 8 мин — был при рН 0,1, уменьшался с возрастанием рН и при рН 7 был меньше 1 мин. Следовательно, такое несовпадение оптимумов рН сильно затрудняет действие на а-аминоацето-уксусную кислоту треониндегидрогеназы in vivo даже в отсутствие ингибиторов последней. В работе [25] показано, что треониндегидрогеназа ингибируется некоторыми жирными кислотами и их производными: жирными кислотами с короткой углеродной цепью; L- и D-, в-гидроксимасляной кислотой; жирными кислотами с длинной углеродной цепью (лауриновая, миристиновая, пальмитиновая и стеариновая); дикарбоно-выми кислотами (малоновая кислота и ее производные — метил- и гидроксималоновая кислоты). Ингибирование имеет место при низких и физиологических концентрациях таких соединений, которые в норме присутствуют и метаболизируются в митохондриях. В частности, митохондрии из 1 г печени крысы содержат 66 ± 8 нмоль L-треонина и 400 нмоль D-, в-гидроксимасляной кислоты (молекулярное отношение субстрат/ингибитор 1:6). В инкубационной смеси отношение субстрат/ингибитор 166:1 было достаточным, чтобы добиться сильного ингибирования ферментной активности (>50%). И поэтому разумно принимать без доказательств, что действие ингибитора in vivo, может быть большим, чем in vitro и достигать даже полного блокирования ферментной активности. В работе [25] отмечается, что ингибирование треониндегидрогеназы жирными кислотами и их производными способствует направлению всего имеющегося треонина через необратимое дезаминирование треониндегидрогеназой в глюконеогенез: это согласуется с известным фактом, что треонин — незаменимая глюкогенная аминокислота и что а-кетомасляная кислота — предшественник глюкозы.

В свете этого легко объяснить следующий факт: когда кроликов и крыс снабжали рационом с избытком N15 в глицине, треонин этого избытка не содержал: в организме позвоночных треонин из глицина образовываться не может, а переаминированию подвергается лишь очень незначительная часть глицина. В то же время обнаружение в треонине N15, введенного в организм крысы с лейцином, есть результат переаминиро-вания, которому активно подвергается лейцин и слабо подвергается треонин [26].

На основе изложенного можно сделать следующие выводы.

1. Фермент треонинальдолаза обратимо расщепляет аллотреонин на глицин и аце-тальдегид, но на треонин не действует. Аллотреонин в состав белков не входит и в тре-

онин превращаться не может. Следовательно, треонин не может синтезироваться из глицина и ацетальдегида.

2. Фермент треониндегидрогеназа, возможно, принимающий заметное участие в распаде треонина, не может использоваться для синтеза последнего. Несмотря на обратимое действие треониндегидрогеназы in vitro, этот фермент in vivo сильно ингибируется жирными кислотами и их производными, что в сочетании с крайней неустойчивостью в физиологических условиях а-аминоацетоуксусной кислоты, делает невозможным синтез треонина из последней;

3. Обнаружение N15 в треонине после введения в организм №5-лейцина говорит об участии треонина в переаминировании. При этом кетопроизводное треонина — а-кето-в-оксимасляная кислота — также не может синтезироваться в организме позвоночных и образуется из самого треонина.

Итак, подтверждается факт невозможности биосинтеза треонина у позвоночных при его отсутствии в пище и то, что треонин является незаменимой аминокислотой.

Литература

1. Elliott D. F., Neuberger A. The irreversibility of the deamination of threonine in the rabbit and rat // Biochem. J. 1950. Vol. 46. P. 207,

2. Meltzer H. L., Sprinson D. B. The synthesis of 4-C14, N15—L- threonine and a study of its metabolism // J. Biol. Chem. 1952. Vol. 197. P. 461-473.

3. Gardino-Franko M., Ehlert S., Messerschmidt a., Marinkovic S. et al. Structure and function of threonine synthase from yeast // J. Biol. Chem., 2002. Vol. 277, N. 14. P. 12396-12405.

4. Donini S., Percudani R., Credali A., Montanini в. et al. A threonine syntase homolog from a mammalion genome // Biochem. and Biophys. Res. Commun. 2006. Vol. 350, N 4. P. 922-928.

5. Малер Г., Кордес Ю. Основы биологической химии. М.: Мир, 1970.

6. Дэгли С., Никольсон Д. Метаболические пути. М.: Мир, 1973.

7. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М.: Медицина, 2004.

8. neuberger A. Glycine formation from L-threonine // Comp. Biochem. 1981. Vol. 19A. P. 257-303.

9. Devlin T. M. Textbook of Biochemistry. New York: John Wiley and Sons, 1982.

10. leninger A. L. Biochemistrey. New York: Worth Publishers, 1975.

11. Bird M. i., nunn P. B. Measurement of L-threonin aldolase activity in rat liver // Biochem. Soc. Trans. 1979. Vol. 7. P. 1274-1276.

12. BirdM. i., nunn P. B. Metabolic homeostasis of L-threonine in the normally-fed rat // Biochem. J. 1983. Vol. 214. P. 687-693.

13. Yeung Y. G. Threonine aldolase is not a genuine enzyme in rat liver // Biochem. J. 1986. Vol. 237. P. 187-190.

14. Pagani R. DL-allothreonine and L-threonine aldolase in rat liver // Biochem. Soc. Trans. 1991. Vol. 19, N 3. P. 3465.

15. Darling P. B., Grunov J., Rafii M., Brookes S. et al. Threonine dehydrogenase is a minor degratative pathway of threonine catabolism in adult humans // Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2000. Vol. 278. P. 877-884.

16. West H.D., Carter H.E. Synthesis of а-amino-P-hydroxyl — n-butyric acids // J. Biol. Chem. 1938. Vol. 122. P. 611-617.

17. Karasek M. A., GreenbergD. M. Studies on the properties of threonine aldolases // J. Biol. Chem. 1957. Vol. 227. P. 191-205.

18. Malkin L. i., GreenbergD. M. Purification and properties of threonine or allothreonine aldolases // Biochem. and Biophys. Acta. 1964. Vol. 85. P. 117-131.

19. PaganiR., GuerrantiR., leonciniR., MarinelloE. Activation and inhibition of rat liver L-threonine dehydrogenase // Ital. J. Biochem. 1990. Vol. 39. P. 108.

20. Pagani R., Guerranti R., Righi S., leoncini R. et al. Rat liver L-threonine dehydrogenase // Biochem. Soc. Trans. 1992. Vol. 20, N 1. P. 245.

21. Aoyama Y., Motokava Y. L-threonine dehydrogenase of chicken liver // J. Biol. Chem. 1981. Vol. 256. P. 12367.

22. Рапопорт С. М. Медицинская биохимия. М.: Медицина, 1966.

23. Tressel J., Thompson R., Zieske і. R., Menendez J. S., Davis L. Interaction between L-threonine dehydrogenase and aminoacetone synthetase and mechanism of aminoacetone production // J. Biol. Chem. 1986. Vol. 261, N 35. P. 16428-16437.

24. laver W. G., neuberger A., Scott J. J. a-Amino, ß-keto acids II. Rates of decarboxylation of the free acids and the behavior of derivates on titration // J. Chem. Soc. 1959. P. 1483-1491.

25. Guerranti R., Pagani R., ПєгІ S., Errico S. V. et al. Inhibition and regulation of rat liver L-threonine dehydrogenase by different fatty acids and their derivates // Biochem. and Biophys. Acta. 2001. Vol. 1568. P. 45-52.

26. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М.: Медицина, 2004.

Статья поступила в редакцию 14 октября 2010 г.