CC BY
67
УДК 577.12.96
Вестник СПбГУ. Сер. 3. 2012. Вып. 1
А. В. Малиновский
ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ ТРЕОНИН НЕЗАМЕНИМОЙ АМИНОКИСЛОТОЙ ДЛЯ ПТИЦ?
В работе [1] были рассмотрены пути метаболизма треонина у позвоночных и подтвержден факт невозможности его биосинтеза. Вывод был сделан на основании того, что у крысы треонин необратимо дезаминируется треониндегидратазой.
В то же время у птиц основная масса треонина расщепляется под действием трео-ниндегидрогеназы [2]. Рассматривается вопрос обратимости реакции, катализируемой этим ферментом, а, следовательно, возможность биосинтеза треонина у птиц. В качестве экспериментальных птиц были выбраны цыплята. Для того чтобы перейти к цыплятам, вспомним о возможных путях метаболизма треонина у позвоночных.
Г. Малер, Ю. Кордес [3] отмечали, что углеродная цепь треонина может синтезироваться в организме крысы; просто этот синтез происходит настолько медленно, что не обеспечивает оптимального роста животного. При этом авторы подтвердили, что организм крысы совершенно неспособен синтезировать углеродные цепи всех остальных незаменимых аминокислот.
В работе [4] приводится следующая схема превращения треонина в печени:
СН3
I
ПС - ОН треонин а льдолаза
HC-NH, 4
I
соон
треонин
СН3 NH,
I I
С ^ + СП,
"^Н I "
ацетальдегид СООН
глицин
Т. Т. Березов, Б. Ф. Коровкин [5] также указывали на то, что под действием альдола-зы треонин обратимо расщепляется на ацетальдегид и глицин. И если многие справочники и учебники по биохимии придают большое значение как треонинальдолазе [6], так и альдольному расщеплению [7, 8] в катаболизме этой аминокислоты, то M. I. Bird и P. B. Nunn [9] были первыми, кто усомнился в этом. Они [9, 10] показали, что активность треонинальдолазы 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 [9] пришли к выводу, что предполагаемая активность «трео-нинальдолазы» — на самом деле результат действия треониндегидратазы и лактатде-гидрогеназы, причем первая расщепляет треонин необратимо:
© А. В. Малиновский, 2012
сн,
сн,
сн,
сн,
НС—он -н,о
сн— он
треониндегидратаза; ПФ
НСКНг С = ГШ2
СН2 +Н20
С = ТШ
СН,
с = о
+ МН,
соон
треонин
СООН а-аминокрото-новая кислота
СООН а-иминомас-ляная кислота
СООН
а-кетомасляная кислота
СН,
СН,
СН,
с = о
лактатдегидрогеназа; НАДН+Н+
лактатдегидрогеназа; НАД
СН,
НС — он
СООН
а-кетомасляная кислота
СООН
а-гидроксимасляная кислота
Наиболее убедительное доказательство против присутствия реальной «трео-нинальдолазы» в печени крысы — исчезновение активности треонинальдолазы в цитозольных экстрактах печени нормальных и голодающих крыс, когда треониндегидратаза была устранена иммуноосаждением специфическими антителами. Устранение дегидратазы не воздействует на активность аллотреонинальдолазы (см. ниже).
Результаты этого исследования ясно показывают, что треониндегидратаза и лак-татдегидрогеназа ответственны за кажущуюся ферментную активность «треониналь-долазы». Таким образом, «треонинальдолаза» — не подлинный фермент печени животных. Дальнейшие исследования подтвердили существование фермента, метаболи-зирующего аллотреонин (изомер треонина, не входящий в состав белков), возможно, его альдолазы или серингидроксиметилтрансферазы, которые не действуют на треонин [11].
Я. Pagani [12] также подтвердил действие альдолазы именно на аллотреонин, а не на треонин. А в работе [13] 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 позвоночных [14] или встречается как природное вещество [15], а также, что в печени позвоночных имеется трео-нинэпимераза [16].
Если главными ферментами распада треонина в печени позвоночных, содержащимися в цитозоле, до недавнего времени считались треониндегидратаза и трео-нинальдолаза, то в митохондриях это была треониндегидрогеназа [11]. Последняя катализирует НАД-зависимое окисление треонина до а-амино-ацетоуксусной кислоты, которая самопроизвольно декарбоксилируется, превращаясь в аминоацетон [6, 17, 18]:
сн,
сн,
сн,
НС— он нс—NH2 соон
треонин
ТРЕОНИНДЕГИДРОГЕНАЗА; НАД+
-НАДН+Н+
с = о
НС—NH,
-СО,
соон
а-аминоацето-уксусная кислота
с = о
сн,
nh2
аминоацетон
Аминоацетон в дальнейшем окисляется в аминоацетоновом цикле [19]: СН3 • СН(ОН) • CH(NH2) • соон
треонин
НАД+
НАДН+Н+
гидрогеназа
СН3 • СО • CH(NH2) • соон
а-аминоацетоуксусная кислота
H,N • СН, • СООН-аминоадетон-
-со2
самопроизвольно
синтетаза
СН3 • СО • КоА ацетил КоА
СН3 • СО • СН • NH2 аминоацетон
— С02 \пируватдегидрогеназа
-NH3 моноаминооксидаза
СН3СОСООН пировиноградная кислота
НАД+ НАДН+Н+
СН3СОСНО метилглиоксаль
глиоксалаза
СН3СН(ОН)СООН молочная кислота
Полагают, что главный фермент, расщепляющий треонин в печени цыпленка — это треониндегидрогеназа [2]. Рассматривается также вопрос обратимости реакции, катализируемой треониндегидрогеназой. Для этого последняя была инкубирована с аминоацетонсинтетазой в реакционной смеси, содержащей [2-14C] глицин и НАДН, при этом радиоактивность в значительном количестве была обнаружена в треонине. Реакция зависела от присутствия НАДН и треониндегидрогеназы. Результаты показывают, что а-аминоацетоуксусная кислота, которая является общим продуктом действия треониндегидрогеназы и аминоацетонсинтетазы, служит субстратом для трео-ниндегидрогеназы и что реакция, катализируемая последней, обратима in vitro.
Однако в другой работе предполагают, что in vivo треониндегидрогеназа способна только окислять треонин [20]. В [17] отмечено, что оптимум рН для треониндегидро-геназы 7,8, т. е. близок к физиологическим условиям.
Была измерена степень декарбоксилирования а-аминоацетоуксусной кислоты при различных рН [21]. Максимальный период полужизни этой кислоты в водном растворе — 8 мин — был при рН равном нулю и уменьшался с возрастанием рН, а при рН 7 0 был меньше одной минуты. Следовательно, такое несовпадение оптимумов рН сильно затрудняет действие ферментов на а-аминоацетоуксусную кислоту. Сведения о том, что треониндегидрогеназа способна восстанавливать а-аминоацетоуксусную кислоту в треонин in vivo в организме позвоночных, в литературе отсутствуют. Что же касается аминоацетонсинтетазы, то ряд авторов считают возможным ее действие на а-аминоацетоуксусную кислоту с образованием глицина и ацетил-КоА.
Так, в работах [2, 22, 23] говорится о том, что аминоацетонсинтетаза, вероятно, образует растворимый комплекс с треониндегидрогеназой в митохондриях цыплят, который катализирует превращение а-аминоацетоуксусной кислоты в глицин и аце-тил-КоА. Авторы работы [24] также считают треонин важным источником глицина у глицин- и серин-дефицитных цыплят. Другие авторы отрицают, что пищевой треонин может использоваться у цыпленка, как предшественник глицина [25, 26].
A. J. Davis, R. E. Austic [22, 23], основываясь на образовании глицина из а-амино-ацетоуксусной кислоты in vitro, предполагают, что в физиологических условиях наличие КоА определяет, в глицин или аминоацетон будет превращаться а-аминоацетоуксусная кислота: когда КоА есть в митохондриях, образование глицина преобладает над образованием аминоацетона. В работе [22] отмечается, что накопление глицина было в три-четыре раза больше накопления аминоацетона в митохондриях печени цыплят, накормленных обычной пищей.
В то же время в работах [22, 23] отмечено, что когда активность треониндегидро-геназы печени повышалась вследствие добавления к диете цыплят смеси незаменимых аминокислот без треонина, глицина образовывалось в 6-12 раз больше, чем аминоацетона. Увеличение образования глицина связывают с возросшей активностью трео-ниндегидрогеназы: глицин образуется из треонина. В работе [27] замечено, что когда цыплят кормили пищей с избытком треонина, концентрация треонина в плазме крови возрастала, концентрация глицина оставалась постоянной, а концентрация серина (может обратимо превращаться в глицин) даже падала. Но авторы работы [28] отмечают, что у цыплят, получавших пищу с добавлением смеси незаменимых аминокислот без треонина, концентрации глицина и серина в плазме крови снижалась, несмотря на более высокую активность треониндегидрогеназы печени. Из этого делается вывод, что треониндегидрогеназа не превращает треонин в глицин. Избыток азота, который образуется при добавлении к пище смеси незаменимых аминокислот, приводит к возрастанию синтеза мочевой кислоты в качестве продукта обезвреживания аммиака. Возрастание этого синтеза, использующего глицин, приводит к уменьшению в плазме крови концентраций глицина и серина, который может превращаться в глицин.
Все вышесказанное позволяет предполагать, что крайняя неустойчивость а-аминоацетоуксусной кислоты способствует ее самопроизвольному декарбоксилиро-ванию в аминоацетон до того, как на нее начнет действовать какой-либо фермент, т. е. в организме цыплят (равно как и других птиц) синтез треонина из глицина невозможен, что согласуется с известным фактом: треонин — незаменимая аминокислота.
Выводы
1) «Треонинальдолаза», обратимо расщепляя аллотреонин на глицин и ацетальде-гид, на треонин не действует. Аллотреонин в состав белков не входит и в треонин превращаться не может. Следовательно, треонин не может синтезироваться из глицина и ацетальдегида;
2) Треониндегидрогеназа, являясь у цыплят главным ферментом распада треонина, не может быть использована для синтеза последнего. Несмотря на обратимое действие треониндегидрогеназы in vitro, крайняя неустойчивость in vivo исходного соединения — а-аминоацетоуксусной кислоты, исключает действие на последнюю какого-либо фермента.
Все изложенное подтверждает факт невозможности биосинтеза треонина у цыплят при его отсутствии в пище и говорит о незаменимости треонина у птиц.
Литература
1. Малиновский А. В. Является ли треонин незаменимой аминокислотой? // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 3: Биология. 2011. Вып. 1. С. 72-87.
2. Aoyama Y., Motokava Y. L-threonine dehydrogenase of chicken liver // J. Biol. Chem. 1981. Vol. 256. P. 12367.
3. Малер Г., Кордес Ю. Основы биологической химии. М.: Мир, 1970.
4. Дэгли С., Никольсон Д. Метаболические пути. М.: Мир, 1973.
5. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М.: Медицина, 2004.
6. Neuberger A. Glycine formation from L-threonine // Comp. Biochem. 1981. Vol. 19A. P. 257-303.
7. Devlin T. M. Textbook of biochemistry. New-York: John Wiley and Sons, 1982.
8. Leninger A. L. Biochemistry. New-York: Worth Publishers, 1975.
9. Bird M. I., Nunn P. B. Measurement of L-threonine aldolase activity in rat liver // Biochem. Soc. Trans. 1979. Vol. 7. P. 1274-1276.
10. Bird M. I., Nunn P. B. Metabolic homeostasis of L-threonine in the normally-fed rat // Biochem. J. 1983. Vol. 214. P. 687-693.
11. Yeung Y. G. Threonine aldolase is not a genuine enzyme in rat liver // Biochem J. 1986. Vol. 237. P. 187-190.
12. Pagani R. DL-allothreonine and L-threonine aldolase in rat liver // Biochem. Soc. Trans. 1991. Vol. 19, N 3. P. 3465.
13. Threonine dehydrogenase is a minor degratative pathway of threonine catabolism in adult humans / Darling P. B., Grunov J., Rafii M., Brookes S., Ball R. O., Pencharz P. B. // Am. J. Physiol. Endocri-nol. Metab. 2000. Vol. 278. P. 877-884.
14. West H. D., Carter H. E. Synthesis of а-amino-^-hydroxyl-n-butyric acids // J. Biol. Chem. 1938. Vol. 122. P. 611-617.
15. Karasek M. A., GreenbergD. M. Studies on the properties of threonine aldolases // J. Biol. Chem. 1957. Vol. 227. P. 191-205.
16. Malkin L. I., Greenberg D. M. Purification and properties of threonine or allothreonine aldolases // Biochem. and Biophys. Acta. 1964. Vol. 85. P. 117-131.
17. Pagani R., Guerranti R., Leoncini R., Marinello E. Activation and inhibition of rat liver L-threo-nine dehydrogenase // Ital. J. Biochem. 1990. Vol. 39. P. 108.
18. Rat liver L-threonine dehydrogenase / Pagani R., Guerranti R., Righi S., Leoncini R., Vannoni D., Marinello E. // Biochem. Soc. Trans. 1992. Vol. 20, N 1. P. 245.
19. Green M. L., Elliott W. H. The enzymic formation of aminoacetone from threonine and its further metabolism // Biochem. J. 1964. Vol. 92. P. 537.
20. Interaction between L-threonine dehydrogenase and aminoacetone synthetase and mechanism of aminoacetone production / Tressel J., Thompson R., Zieske L. R., Menendez J. S., Davis L. // J. Biol. Chem. 1986. Vol. 261, N 35. P. 16428-16437.
21. Laver W. G., Neuberger A., Scott J. J. a-amino-^-keto: acids II. Rates of decarboxylation of the free acids and the behaviorer of derivates on titration // J. Chemikal Society. 1959. P. 1483-1491.
22. Davis A. J., Austic R. E. Dietary threonine imbalance alters threonine dehydratase activity in isolated hepatic mitochondria of chicks and rats // J. Nutr. 1994. Vol. 124. P. 1667-1677.
23. Davis A. J., Austic R. E. Dietary protein and amino acid levels alter threonine dehydrogenase activity in hepatic mitochondria of Gallus domesticus // J. Nutr. 1997. Vol. 127. P. 738-744.
24. Baker D. H., Hill T. M., Kleiss A. J. Nutritional evidense concerning formation of glycine from threonine in the chick // J. Anim. Sci. 1973. Vol. 34. P. 582-586.
25. D'Mello J. P. F. Aspects of threonine and glycine metabolism in the chick (Gallus domesticus) // J. Nutr. 1973. Vol. 15, N 6. P. 357-363.
26. Davis A. J., Austic R. E. Threonine-degrading enzymes in the chicken // Poult. Sci. 1982. Vol. 61. P. 2107-2111.
27. Watanabe R., Fujimura S., Kadowaki M., Ishibashi T. Effects of dietary threonine levels on the threonine-degrading enzyme activities and tissue threonine related amino acid concentration in rats // Anim. Sci. Technol. (Jpn.) 1998. Vol. 69, N 2. P. 108-116.
28. Davis A. J., Austic R. E. Temporal response of hepatic threonine dehydrogenase in chickens to the initial consumption of a threonine-imbalanced diet // J. Nutr. 2000. Vol. 130. P. 2746-2752.
Статья поступила в редакцию 10 октября 2011 г.
