Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

Глава 19. Биохимия мышц и мяса

Дипептиды карнозин и анзерин обнаруживаются только в мышечной и нервной тканях позвоночных животных и человека, поэтому их функции связаны с процессами возбуждения. Оба дипептида выполняют роль нейропептидных регуляторов обмена веществ в возбудимых тканях.

Академик С.Е. Северин в 1954 г. впервые описал биологическую функцию карнозина и анзерина. Им было установлено, что эти соединения способны устранять мышечное утомление и обеспечивать многократное увеличение работоспособности изолированной мышцы в экспериментальных условиях.

Карнозин участвует в механизмах возбудимости и функционировании мышечных клеток благодаря своей способности защищать их от образующихся при экстремальных условиях токсинов. Кроме того, карнозин защищает мышечные клетки от образующихся в экстремальных условиях токсинов. Эти токсины являются активными формами кислорода, поэтому карнозин и его производные нужно признать природными высокоэффективными антиоксидантами. Выявлена также протекторная способность этих веществ и относительно нейронов головного мозга. Установлена способность карнозина ускорять заживление открытых ран. Поэтому он был рекомендован для дезинфекции ротовой полости при ретракции зубов и как средство от парадонтоза.

Карнозин и анзерин содержатся в большом количестве в некоторых пищевых продуктах (мясо птиц, некоторых рыб, например тунца). В настоящее время имеются сведения об использовании карнозина (наряду с широко известными витаминами В, С и Е) в составе тонизирующих коктейлей. В Японии производится лекарственное средство, содержащее карнозин, эффективно излечивающее болезни желудочно-кишечного тракта. Одновременно оно оказывается полезным в качестве дополнительной терапии при борьбе с онкологическими заболеваниями и нарушениями иммунной системы. Систематический прием карнозина увеличивает длительность и качество жизни лабораторных животных. Перспективным является использование карнозина для спортсменов, для персонала, постоянно работающего в условиях высокого радиационного фона, людей, испытывающих повышенные эмоциональные и физические перегрузки.

Положительное действие карнозина и анзерина основано на способности этих соединений служить буфером протонов, способствуя удалению кислых продуктов, образующихся при интенсивной мышечной нагрузке. Оба дипептида способны связывать тяжелые металлы, устраняя токсические эффекты ионов цинка, меди, свинца, железа и т. д. Подавляют образование активных форм кислорода, регулируя содержание свободных радикалов в клетках, препятствуя окислению биомакромолекул (белков, РНК, ДНК и др.). Такая способность более выражена у анзерина. Поэтому его применение позволяет снимать мышечную усталость, восстанав-

458

19.3. Биологически активные молекулы мышц и пути их синтеза

ливать работоспособность организма, оптимизировать метаболические процессы в клетках, замедлять дегенерацию нейронов головного мозга при старческой или патологической (болезнь Альцгеймера) деменции. Регулярный прием карнозина и анзерина с пищей может замедлить нарастание возрастных или нейродегенеративных изменений в организме, предохранить от инфаркта сердечной мышцы, инсульта головного мозга. Опасности передозировки при использовании этих дипептидов не существует, поскольку их избыток включается в нормальные метаболические процессы, участниками которых они являются. Добавка этих природных веществ в ежедневный рацион питания повысит качество пищи и сделает человечество в своей массе более устойчивым к вредным воздействиям внешних факторов среды обитания.

Достижения современной биотехнологии позволяют разработать способы получения карнозина как из природного сырья — телятина, говядина, рыба ценных сортов (осетр, горбуша, семга, тунец), так и из исходных аминокислот, гистидина и β-аланина. Это сделало возможным производство различных форм карнозина, пригодных для использования в качестве пищевых добавок.

Синтез β-аланилгистидина катализируется карнозин-синтетазой. Реакция протекает в две стадии. Вначале происходит активация карбоксильной группы с образованием ангидрида с АМФ и пирофосфата.

NH2—CH2—CH2—COOH + АТФ → NH2—CH2—CH2—CO—АМФ + ФФн

β-Аланин

Затем осуществляется реакция присоединения гистидина, заканчивающаяся образованием дипептида — карнозина.

Карнозинсинтетаза способна катализировать и синтез другого дипептида — анзерина. Впервые название анзерин (от лат. anser гусь) предложил в 1928 г. Д. Аккерман (D. Ackermann) для обозначения гомолога карнозина — метилкарнозина, выделенного им из скелетных мышц гуся. При этом вместо гистидина в реакции участвует N′-метилгистидин.

19.3.3. Креатин и креатинин

В мышечной ткани одним из активных высокоэнергетических соединений служит креатинфосфат. Предшественником креатинфосфата является креатин, в составе которого остаток глицина и гуанидиновая группа.

459

Глава 19. Биохимия мышц и мяса

Превращение креатина в креатинфосфат катализируется креатинфосфокиназой, которая переносит остаток фосфорной кислоты с АТФ на креатин. Реакция легко обратима. Продуктом гидролиза этих соединений является креатинин, который придает горький вкус мясному продукту.

→

Креатин + АТФ ← Креатинфосфат + АДФ

Креатинин

Таким образом, креатинфосфат и АТФ используются в мышцах в качестве высокоэнергетических соединений. Однако их участие в механизме сокращения разное. Так, например, АТФ используется как в механизме сокращения мышечных волокон, так и в их расслаблении. Тогда как креатинфосфат необходим для восстановления АТФ путем фосфорилирования АДФ. Именно этим можно объяснить то, что в покоящейся мышце содержание креатинфосфата в 3…8 раз больше, чем содержание АТФ.

Однако при интенсивной работе концентрация АТФ в мышцах понижается и для его восстановления на начальных этапах используется креатинфосфат, обеспечивающий наиболее быстрый путь генерации АТФ. Затем могут включаться и другие механизмы, в частности анаэробные процессы (гликогенолиз, гликолиз, окислительное фосфорилирование). Креатинфосфат является макроэргическим фосфорным эфиром креатина и служит основной формой накопления энергии в мышцах.

Синтез креатинфосфата сопряжен с синтезом аргинина, лимитирующей стадией которого служит образование карбамоилфосфата. Этот процесс обычно называют орнитиновый цикл (рис. 19.2). Продуктом цикла является мочевина. Наиболее активно процесс протекает в печени. Однако в мышцах основные стадии процесса способствуют синтезу не только аргинина, но и дальнейшему переносу гуанидиновой группы аргинина на глицин, с последующим синтезом креатина и креатинфосфата. Таким образом, основные стадии орнитинового цикла являются и начальными стадиями синтеза креатинфосфата.

Наибольшее значение в синтезе карбамоилфосфата имеет реакция, катализируемая карбамоилфосфатсинтетазой (1), которая является лимитирующей в процессах синтеза мочевины и креатинфосфата (см. рис. 19.2). Карбамоилфосфат в основном синтезируется в митохондриях. Процессы синтеза мочевины и креатина сопряжены с образованием аргинина в орнитиновом цикле, который начинается с переноса карбамоильной

460

19.3. Биологически активные молекулы мышц и пути их синтеза

Рис. 19.2. Реакции синтеза мочевины и креатинфосфата (1 — карбамоилфосфатсинтетаза, 2 — орнитинкарбамоилтрансфераза, 3 — аргининосукцинатсинтетаза, 4 — аргининосукцинатлиаза, 5 — аргиназа, 6 — глицин-амидинотрансфераза, 7 — гунидинацетат-метилтрансфераза, 8 — креатинкиназа, 9 — фумаратгидратаза, 10 — малатдегидрогеназа, 11 — аспартатаминотрансфераза)

461

Глава 19. Биохимия мышц и мяса

группы с карбамоилфосфата на орнитин, в результате образуется цитруллин. Реакция катализируется орнитинкарбамоилтрансферазой (2).

Затем в реакции с цитруллином участвует аспарагиновая кислота, аминогруппа которой конденсируется с его карбамоильной группой. Реакция протекает в присутствии АТФ и катализируется аргининосукцинатсинтетазой (3). В результате реакции образуется аргининосукцинат, который под действием аргининосукцинатлиазы (4) обратимо расщепляется на аргинин и фумаровую кислоту. Последняя служит промежуточным субстратом ферментов цикла трикарбоновых кислот.

Вслучае активности аргиназы (5) аргинин расщепляется на орнитин

имочевину. При этом орнитин может вновь участвовать в циклическом процессе. Кроме того, гуанидиновая группа с аргинина может быть перенесена на глицин с помощью глицин-амидинотрансферазы (6). В результате образуется гуанидинуксусная кислота, которая подвергается метилированию при участии гунидинацетат-метилтрансферазы (7), с образованием креатина. В реакции участвует S-аденозил-L-метионин. Образовавшийся креатин подвергается фосфорилированию креатинкиназой (8), которая переносит остаток фосфорной кислоты с АТФ на креатин.

Таким образом, процесс завершается образованием креатинфосфата, который используется в дальнейшем в мышцах в качестве основного энергетического соединения в механизмах сокращения.

Вэнергетических процессах, протекающих в мышцах, креатинфосфат донирует остаток фосфорной кислоты на АДФ, реализуя обратимое действие фермента. В результате происходит синтез АТФ, который впоследствии участвует в сокращении и расслаблении мышечных волокон.

Величина стандартной свободной энергии гидролиза высокоэнергетической связи в креатинфосфате примерно в 1,5 раза выше, чем в АТФ

иравна –43,1 кДж · моль–1. Содержание креатина и креатинфосфата в мышцах составляет 0,20…0,55 %.

Продуктом гидролиза креатина и креатинфосфата служит креатинин, который образуется при отщеплении молекулы воды от креатина или фосфорной кислоты от креатинфосфата неферментативным путем.

19.3.4. Холин и ацетилхолин

Холин (витамин В4) представляет собой аминоэтиловый спирт, содержащий у атома азота три метильные группы. Донорами метильных групп являются S-аденозилметионин, серин и глицин. В организме животных холин встречается в составе фосфолипидов (фосфатидилхолина), проявляет липотропное действие. Функционально активным холинстановится в составе нейромедиатора ацетилхолина, принимая участие в реакциях трансметилирования в качестве донора метильных групп при биосинтезе

462