Научная статья на тему 'Является ли треонин незаменимой аминокислотой для птиц?'

Является ли треонин незаменимой аминокислотой для птиц? Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

CC BY
249
55
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Biological Communications
WOS
Scopus
ВАК
RSCI
Ключевые слова
ТРЕОНИН / НАД / АЦЕТИЛ-КОА / THREONINE / NAD / ACETYL-COA

Аннотация научной статьи по фундаментальной медицине, автор научной работы — Малиновский Андрей Владленович

Как известно, аминокислота треонин у позвоночных не синтезируется. Что же касается птиц, то у них главным ферментом распада треонина является треониндегидрогеназа. В данной работе особое внимание уделяется треониндегидрогеназе, чтобы установить невозможность последней синтезировать треонин путем обращения реакции его распада. Обнаружена причина, по которой треониндегидрогеназа в тканях птиц не может использоваться для биосинтеза треонина.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Is threonine an essential amino acid for birds?

Amino acid threonine is known not to be synthesized in the vertebrates. However, as far as birds are concerned, the main enzyme which is responsible for threonine degradation is threonine dehydrogenase. Thus, this paper pays special attention to threonine dehydrogenase to establish its inability to synthesize threonine due to reversibility of the reaction of threonine degradation. It shows why threonine dehydrogenase in the bird tissues can not be involved in the biosynthesis of threonine.

Текст научной работы на тему «Является ли треонин незаменимой аминокислотой для птиц?»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.