Изучение токсического влияния кадмия на активность аминотрансфераз у потомства белых крыс

p align="left">L-аппарат + ПЛФ оксалацетат+ПМФ

ПМФ + 2 - оксоглутарат L - глутамат + ПЛФ

ПЛФ - пиридоксальфосфат, ПМФ- пиридоксаминфосфат.

Окончательные доказательства этого механизма были получены в конце 50-х годов получения высокоочищенных препаратов аспартат-трансаминазы из сердца свиньи. Исследуя эти препараты, удалось подтвердить наличие прочно связанного пиридоксальфосфата в трансаминазе и доказать при помощи химических и спектрофотометрических методов, что L- глутамат или L- аспартат вызывает превращение обращается при добавлении 2 - оксоглутарата или оксалацетата/25/. В реакции переаминирования участвует - аминокислота как донор аминогруппы и -кетокислота как акцептор аминогруппы. Донорами могут служить также -,-, - и - аминогруппы ряда аминокислот (например, у орнитина - группа находится в - положении, у -аланина - в -положении/13/.

1.2.2 Структура аспартат-трансаминазы

Трансаминазы имеются во всех животных и растительных клетках, а также в микроорганизмах. В настоящее время известно около 60 трансаминаз, различающихся по субстратной специфичности. Из них лучше всего исследована аспартат-трансаминаза, при изучении которой удалось наиболее близко подойти к раскрытию молекулярного механизма переаминирования. Важным этапом в изучении аспартат-трансаминазы явилось определение её пространственной структуры при помощи метода рентгеноструктурного анализа/29/.

В начале 60-х годов было обнаружено, что в тканях животных содержатся два изофермента аспартат-трансаминазы: цитозольный и митохондриальный; их изоэлектрические точки равны соответственно ~6 и 9/30/. Несмотря на идентичность основного каталитического механизма, цитозольный и митохондриальный изоферменты различаются по многим каталитическим параметрам: удельной активности и сродству к пиродоксальфосфату, сродству к субстратам и PH-оптимуму активности. Оба изофермента имеют большее сродство к субстратам с четырёхуглеродной цепочкой, чем к пятиуглеродным субстратам. Но митохондриальный изофермент связывает L-аспартат в несколько раз лучше, а 2-оксоглутарат существенно хуже по сравнению с цитозольным изоферментом. Изоферменты различаются по способности катализировать переаминирование ароматических аминокислот, сродству к анионам, доступности инактивации трипсином и некоторыми реагентами, термостабильности и ионизации фосфатной группы кофермента.

В 1972 году под руководством Ю.А. Овчинникова и А.Е. Брауцштейна была завершена работа по определению первичной структуры цитозольной аспартат-трансаминазы из сердца свиньи/31/. К настоящему времени определены полные аминокислотные последовательности двух цитозольных изоферментов (из сердца свиньи, курицы, из печени крысы и индюка). Молекулы обоих изоферментов построены из двух идентичных полипептидных цепей (субъединиц), каждая из которых содержит одну молекулу прочно связанного с белком пиридоксальфосфата. Полипептидная цепь цитозольных аспартат-трансаминаз свиньи и курицы состоит соответственно из 412 и 411 аминокислотных остатков и имеет молекулярную массу около 46,5 кДа. Полипептидная цепь митохондриальных изоферментов свиньи и курицы состоит из 401 аминокислотного остатка и имеет молекулярную массу около 45 кДа. Оба изофермента синтезируются на рибосомах в цитоплазме клетки, причём митохондриальный фермент-в виде профермента, который содержит на NH2 -конце дополнительный пептид (“сигнальный”), состоящий из 29 аминокислотных остатков. Образование активной формы фермента связано с отщеплением этого пептида/28/.

В 1977 году была определена трёхмерная структура трансаминазы. Позже за рубежом были начаты рентгеноструктурные исследования других изоферментных форм аспартат-трансаминазы/29/. Определение трёхмерной структуры позволяет выявить связи между особенностями структуры и функции изоферментов. Рассмотрим результаты изучения трёхмерной структуры цитозольной куриной аспартат-трансаминазы.

Молекула состоит из двух идентичных субъединиц. Максимальные размеры молекулы составляют 110?70?60А. Белок характеризуется высоким содержанием вторичной структуры; на долю б-спиралей, в-слоя и реверсивных поворотов приходится соответственно 47,13 и 9% аминокислотных остатков. Субъединицу аспартат-трансаминазы можно условно разделить на 3 части: большой домен, малый домен и переходные участки между ними. Большой домен образован остатками с 75 по 300; его основу составляет сильно изогнутый слой (в-слой), состоящий из 7 в-цепочек, окружённых б- спиралями. Большой домен является наиболее стабильной частью субъединицы, к нему присоединён пиридоксальфосфат. Малый домен состоит из тесно сближенных NH2 -и СООН - концевых участков полипептидной цепи, а именно из остатков с 15 по 50 и с 360 по 412. Из малого домена выходит NH2 - концевой фрагмент цепи, который пересекает вход в активный центр и затем вплотную прилегает к поверхности большого домена смежной субъединицы. Большой и малый домены связаны двумя переходными участками: с NH2 - конца - участком цепи, состоящим из остатков 300-360. Оба переходных участка образованы преимущественно - спиралями, лежащими на поверхности молекулы/29/.

Оба активных центра аспартат-трансаминазы расположены в глубоких впадинах на противоположных сторонах молекулы на границе между субъединицами. Стенки каждого из активных центров образованы большим и малым доменом одной субъединицы и краем большого домена другой смежной субъединицы. В состав активного центра входят аминокислотные остатки, принадлежащие обеим субъединицам; этим объясняется отсутствие каталитической активности у мономера, кофермент связан в глубине щели активного центра на расстоянии ~8-10 А° от поверхности молекулы. Сторона А пиридированого кольца обращена к в - слою и метильной группе остатка Тrp-140 (стороны пиридинового кольца обозначены в соответствии номенклатурой JUPAC). Угол между плоскостями пиридинового и индольного колец составляет ?40-45°, между кольцами возможно стэкинг-взаимодействие. Остаток пиридоксальфосфата связан альдиминной связью с е-NH2-группой лизина-258. Коферментами трансаминаз являются производные пиридоксина-пиридоксальфосфат и пиридоксаминфосфат. Оба кофермента обратимо переходят друг в друга в ходе реакции переаминирования. Трансаминазы для катализа требуют оба кофермента, в отличие от других ферментов/13/.

1.2.3 Механизм реакции переаминирования

Общая теория пиридоксалевого капитализма была разработана в 1952 году А.Е. Браунштейном и М.М. Шемякиным, а несколько позднее - Д.Е.Мецлером и Э.Снеллом. Согласно этой теории действие пиридоксалевых ферментов обусловлено способностью альдегидной группы пиридоксальфосфата образовывать с аминокислотами альдимины (основания Шиффа) (рисунок1)/27/. В образующемся альдимине имеется система сопряженных двойных связей, по которой происходит смещение электронов от б - углеродного атома аминокислоты к электрофильному атому азота пиридинового кольца кофермента. Понижение электронной плотности у б- углеродного атома приводит к поляризации и ослаблению связей у этого атома.

Рисунок 1 - Смещение электронов к атому N кофермента.

Проведенные А.Е. Браунштейном и Э.Снеллом модельные эксперименты показали, что избирательный разрыв только одной из этих связей с образованием карбаниона, определяется особенностями строения активного центра фермента. Эти представления получили подтверждения при исследовании очищенных фосфопиридоксалевых ферментов. В 1966 году Донатан выдвинул и теоретически обосновал важное положение о том, что в альдимине, фиксированном в активном центре фермента, должна разрываться та из связей у б - углеродного атома, которая ориентирована перпендикулярно к плоскости пиридинового кольца пиридоксальфосфата. При такой ориентации энергия, необходимая для разрыва связи, минимальная вследствие перекрывания электронной орбитали связи с сопряженной р - системой кофермента ( у - р - перекрывание). Донатан предположил, что конформация может контролироваться апоферментом, возможно с помощью связывания карбоксилат - иона, а также, что имин может принимать одну из трех возможных конформаций/29/.

Здесь прямоугольником обозначена плоскость пиридинового кольца, вертикальной линией изображена у - связь. Конформамация (1) благоприятствует переаминированию.

Методами спектрального анализа было установлено, что альдегидная группа связанного в активном центре пиридоксальфосфата образует так называемое “внутреннее” основание Шиффа с е- NH2 - группой остатка лизина в белке. Из этого следует, что на начальном этапе каталитической реакции б - аминогруппа субстрата вытесняет е- NH2 - группу лизина из связи с коферментом (стадия трансальдиминирования). На основании изучения спектральных, химических и кинетических свойств аспартат - трансаминазы был сделан вывод о том, что как прямая, так и обратная реакция переаминирования состоят из восьми стадий; интермедиаты, возникающие на этих стадиях, представлены на рисунке 2/27,28/.

На первом стадии происходит присоединение к ферменту субстратной аминокислоты с образованием нековалентного комплекса Михаэлиса. Далее один из протоков аминогруппы субстрата переходит на атом азота внутренней иминной связи (стадия 2); в результате аминогруппа приобретает нуклеофильные свойства, необходимые для атаки на атом С-4' кофермента. Эта атака приводит к образованию промежуточного тетраэдрического соединения (геминального диамина, стадия 3); за этим следует освобождение е- NH2 - группы остатка лизина из связи с пиридоксальфосфатом и возникновение "внешнего" или субстратного альдимина (стадия 5), одной из форм которого является хинолоид показанный на рис.2. Последующее протонирование атома С-4' дает кетимин (стадия 6), при гидролизе которого образуется ПМФ - форма фермента и оксокислота (стадии 7 и 8). Далее реакция идет в обратном направлении между ПМФ - формой трансаминазы и другой ококислотой и приводит к регенерации ПЛФ - формы ("внутреннего" альдимина) и образованию новой аминокислоты.

Таким образом, реакции переаминирования являются обратимыми и универсальными для всех живых организмов. Пиридоксальфосфат в этих реакциях выполняет роль переносчика аминогруппы и в конечной стадии освобождается и может вновь вступить в ферментативный процесс.

Рисунок 2 - Основные интермедиаты, образующиеся в ходе реакции переаминирования.

а - внутренний альдимин;

б - нековалентный комплекс Михаэлиса;

в - то же, что у, но атом иминного азота протонирован;

г- геминальный диамин;

д- внешний альдимии;

е - хинолоид;

ж - кетимин;

з - карбиноламин;

и- пиридоксаминфосфат.



1.2.4 Биологическая роль трансаминаз

Аминокислоты, не использованные для синтеза белков и других производных, не накапливаются в организме в больших количествах. Они подвергаются различным ферментативным превращениям и, в конечном счете, распаду /32/. Важную роль в азотистом обмене играют процессы перехода одних аминокислот на другие, в результате ферментативных реакций переаминирования. При этом происходит обратимый перенос NH2 - группы от L - аминокислоты на L - кетокислоту без промежуточного образования аммиака. Таким образом, в реакции переаминирования участвуют L - аминокислота как донор и L - кетокислота как акцептор аминогруппы. Эти реакции катализируются особыми ферментами трансаминазами. Коферментом трансаминаз является пиридоксаль - 5Ч - фосфат, который и является промежуточным переносчиком аминогруппы от аминокислоты на кетокислоту/27/.

Широкое распространение трансаминаз в животных тканях, у микроорганизмов и растений, их высокая резистентность к физическим, химическим и биологическим факторам, абсолютная стереохимическая специфичность по отношению к L - и Д - аминокислотам, высокая каталитическая активность в процессах переаминирования послужили предметом детального исследования роли этих ферментов в обмене аминокислот/33/. Тип катализируемой химической реакции в сочетании с названием субстрата служит основой для систематического наименования ферментов. Согласно Международной классификации трансаминазы относят к 2 классу трансфераз, 4 подклассу - аминотрансферазы; наименование их составляется по форме «донор - транспортируемая группа - трансфераза» /34/. А. Е. Браунштейн выдвинул гипотезу о возможности существования в живых тканях не прямого пути дезаминирования аминокислот через реакции переаминирования, названного им трансдезаминированием. Основой для этой гипотезы послужили данные о том, что из всех природных аминокислот в животных тканях с высокой скоростью дезаминируются только L - глутаминовая кислота. Согласно этой теории большинство природных аминокислот сначала реагируют с L - кетоглутаровой кислотой в реакции переаминирования с образованием глутаминовой кислоты к соответствующей кетокислоте/30/. Образовавшаяся глутаминовая кислота подвергается окислительному дезаминированию под действием глутаматдегидрогеназы. Механизм трансдезаминирования можно представить в виде следующей схемы /13/:

R1- CH (NH2)-COOH L-кетоглутарат НАДН2 + NH3

R1- CO- COOH L-глутамат НАД + Н2О

трансаминаза глутаматдегидрогеназа

Обе реакции (переаминирование и дезаминирование глутаминовой кислоты) являются обратимыми, создаются условия для синтеза любой аминокислоты, если в организме имеются соответствующие L - кетокислоты. Организм животных и человека не обладает способностью синтеза углеводородного скелета (L - кетокислот) так называемых незаменимых аминокислот, этой способностью обладают только растения и многие микроорганизмы.

В живых организмах осуществляется синтез природных аминокислот из L - кетокислот и аммиака, этот процесс был назван А. Е. Браунштейном трансреаминированием. Сущность его сводится к восстановительному аминированию L - кетоглутаровой кислоты, с образованием глутаминовой кислоты, и к последующему переаминированию глутамата с любой L - кетокислотой. В результате образуется L - аминокислота, соответствующая исходной кетокислоте, и вновь освобождается L - кетоглутаровая кислота, которая может акцептировать новую молекулу аммиака/35/.Схематически роль трансаминаз в дезаминировании в биосинтезе аминокислот можно представить в следующем виде/28/:

 L-Аминокислота Пиридоксальфосфат L-Глутамат НАД

R1-CH(NH2)-COOH O=CH-ПФ HOOC-(CH2)2-CH(NH2)-COOH НАДФ

Трансаминаза НАДФН2

R1-C-COOH H2N-CH2-ПФ HOOC-(CH2)2-C(NH)-COOH НАДН2

L-кетокислота Иминоглутарат

Пиридоксаминфосфат Н2О

HOOC-(CH2)-C-COOH

L-кетоглутарат NH3

Схема показывает, что трансаминаза катализирует опосредованно через глутаматдегидрогеназу как дезаминирование природных аминокислот (стрелки вниз), так и биосинтез аминокислот (стрелки вверх).

Путем переаминирования большинство аминокислот может превращаться одна в другую или заменяться соответствующей кетокислотой. Поэтому реакции переаминирования - один из важнейших процессов при биосинтезе заменимых аминокислот. Особенно легко переаминируются глутаминовая и аспарагиновая кислоты, так как соответствующие им трансаминазы имеют очень высокую активность. Кетокислоты, получаемые из этих аминокислот (L - кетоглутаровая и щавелевоуксусная кислоты), осуществляют связь углеродного и белкового обмена /36/.

Таким образом, трансаминазы играют важную роль в азотистом обмене, участвуют в биосинтезе аминокислот. Биологический смысл реакций переаминирования аминокислот состоит в том, чтобы объединить аминогруппы распадающихся аминокислот в составе молекул одного типа аминокислоты, а именно глутаминовой /31/.

Трансаминазы относятся к универсально-распространенным ферментам. В тканях различных органов содержится значительное количество трансаминаз, в сотни и тысячи раз превышающее уровень активности их в сыворотке крови. При электрофорезе они мигрируют с L - и г - глобулинами. Особенно высокой активностью АСТ (КФ.2.6.1.1.) отличаются сердце, печень, мышечная ткань, почки, поджелудочная железа (перечень представлен в порядке убывания активности АСТ). АЛТ (КФ.2.6.1.2.) в наибольших количествах обнаруживается в печени, в связи с этим ее называют печеночной трансаминазой, затем в поджелудочной железе, сердце, скелетных мышцах.

Значительные различия в активности трансаминаз в отдельных органах и в сыворотке крови определяют его важное клиническое диагностическое значение, так как при поражении ткани возникает резкий скачок уровня активности трансаминаз в крови. Наибольшее значение представляет повышение активности АСТ при инфаркте миокарда. Степень повышения отражает массовость поражения сердечной мышцы и тяжесть инфаркта. Характерна динамика активности АСТ при инфаркте миокарда: начало подъема - через несколько часов после возникновения заболевания, максимальный подъем - к концу первых суток, нормализация возможна в течение первой недели болезни. При других заболеваниях сердца повышение активности АСТ либо не происходит, либо носит умеренный характер. Однако активность АСТ повышается и при поражении других органов и тканей. Многие авторы склонны рассматривать определение АСТ как ценный тест при проведении дифференциальной диагностики между инфарктами сердца и легких. Основанием к этому служит значительно более высокая (в 50 раз) активность фермента в мышце сердца, в сравнении с тканью легкого. Активность трансаминаз в сыворотке крови является одной из наиболее ценных и самым распространенным в клинической практике показателем поражения печени, характеризующие протекающие в ней цитолитические процессы /37/.

Повышение активности аминотрансфераз, и, прежде всего АЛТ, выявляется уже в ранний, инкубационный, преджелтушный период вирусного гепатита, что имеет принципиальное эпидемиологическое значение для выявления больного еще до появления желтухи. В результате значительного повышения активности АЛТ у больных вирусным гепатитом снижается коэффициент Де Ритиса (АСТ: АЛТ) ниже 1 при норме 1 - 3, а при остром инфаркте миокарда, напротив, резкое возрастание этого коэффициента /38/.

При хронических гепатитах и циррозах печени соотношение трансаминаз меняется, и коэффициент повышается выше нормы. Важно иметь в виду, что механические желтухи (непроходимость желчных протоков в связи с желчекаменой болезнью или опухолью) не сопровождаются выраженным повышением трансаминазной активности. Возможно повышение активности трансаминаз при воспалительных заболеваниях различных органов и тканей, при мышечных дистрофиях и т. д. /37,38/.

Таким образом, в настоящее время установлено, что переаминирование является весьма важным и распространенным процессом биологического распада и синтеза аминокислот; он протекает в различных тканях животных, растений и в микроорганизмах. Поэтому исследование этого процесса имеет большое фундаментальное и прикладное значение.

2. Материалы и методы

2.1 Экспериментальная часть

2.1.1 Экспериментальные животные

Эксперимент проводился на самках белых беспородных крыс средней массы 250-300 г. Животные подвергались токсическому действию азотнокислого кадмия (Cd(NO3)2) во время лактации. Введение нитрата кадмия производилось самкам per os в течение 10 дней (с 1 по 10 день после рождения потомства) в дозах 0,5 мг/кг и 2 мг/кг /39/. По достижении потомством экспериментальных животных четырехмесячного возраста их декапитировали и производили отбор органов и тканей для определения активности АСТ и АЛТ.

В качестве контроля использовали животных, которым в период лактации вводили в соответствующем объеме физиологический раствор.

2.1.2 Подготовка биологического материала

2.1.2.1 Подготовка сыворотки крови

После декапитации животных кровь собирали в гепаринизированные пробирки и для получения сыворотки подвергают центрифугированию, при 3000 об/мин, в течение 15 минут. После центрифугирования получали сыворотку, не содержащую форменных элементов крови. Затем отбирали сыворотку в пробирки, и производили определение активности АСТ и АЛТ методом Райтмана - Френкеля/40/ с помощью стандартных наборов реактивов.

Страницы: 1, 2, 3