Лизин

3D-модель молекулы лизина

Лизин (2,6-диаминогексановая кислота) — аминокислота, входящая в состав белков всех живых организмов. Относится к гидрофильным и основным аминокислотам. Является одной из девяти незаменимых аминокислот для человека и должна поступать с пищей.

Из-за неравномерного распределения лизина в пищевых продуктах некоторые типы питания, особенно рационы с преобладанием злаков, могут быть относительно бедны этой аминокислотой. Однако дефицит лизина, как правило, не имеет клинического значения, поскольку большинство рационов содержит избыток белка. В таких условиях синтезируются лишь те белки, для которых имеется достаточное количество лизина, тогда как избыточные аминокислоты подвергаются метаболизму с образованием энергии и мочевины.

Химическая структура и свойства

Лизин относится к основным аминокислотам наряду с аргинином и гистидином. Его боковая цепь содержит ε-аминогруппу, способную к протонированию, что придаёт молекуле положительный заряд при физиологических значениях pH. Благодаря этому лизин обладает выраженными гидрофильными свойствами и легко вступает во взаимодействие с полярными молекулами и заряженными группами других аминокислот.

Протонированная ε-аминогруппа лизина активно участвует в образовании водородных связей и ионных взаимодействий (солевых мостиков) в составе белков. Эти взаимодействия играют важную роль в стабилизации третичной и четвертичной структуры белковых молекул, а также в формировании активных центров ферментов и участков связывания с лигандами.

Степень ионизации ε-аминогруппы лизина определяется значением pH окружающей среды и характеризуется сравнительно высоким значением константы кислотной диссоциации. В связи с этим при физиологических условиях ε-аминогруппа преимущественно находится в протонированном состоянии. Изменения кислотно-щелочного баланса приводят к изменению заряда боковой цепи лизина, что может вызывать конформационные перестройки белков и влиять на их стабильность, каталитическую активность и способность к межмолекулярным взаимодействиям.

Благодаря наличию реакционноспособной ε-аминогруппы лизин часто является мишенью для различных посттрансляционных модификаций, включая ацетилирование, метилирование и гликозилирование. Эти химические превращения существенно изменяют физико-химические свойства белков и играют важную роль в регуляции их функций на молекулярном уровне.

Метаболизм и промышленный синтез

У млекопитающих лизин относится к кетогенным аминокислотам и метаболизируется с образованием ацетил-КоА. Начальным этапом его катаболизма является реакция трансаминирования с участием α-кетоглутарата, в результате которой образуются соответствующие α-кетокислоты. Последующие стадии метаболизма включают ряд окислительно-восстановительных превращений, приводящих к включению углеродного скелета лизина в энергетический обмен клетки. Образующийся ацетил-КоА может использоваться в цикле трикарбоновых кислот или служить субстратом для синтеза кетоновых тел.

В организме человека и других животных лизин не используется для глюконеогенеза, что отличает его от глюкогенных аминокислот. Продукты его распада в конечном итоге выводятся из организма преимущественно в виде мочевины.

При бактериальном метаболизме лизина возможен альтернативный путь его распада. В результате реакции декарбоксилирования, катализируемой лизиндекарбоксилазой, из лизина образуется кадаверин — биогенный амин, характерный для процессов микробного разложения белков. Кадаверин играет роль в регуляции внутриклеточного pH бактерий и участвует в адаптационных механизмах микроорганизмов к неблагоприятным условиям среды.

Синтетический лизин, как правило в виде рацемической смеси, известен с начала XX века. В настоящее время он широко производится промышленным способом для использования в пищевой промышленности, фармакологии и кормопроизводстве. Один из практических методов химического синтеза основан на использовании капролактама, из которого в результате многостадийных превращений получают лизин.

Современное промышленное производство лизина в основном осуществляется биотехнологическими методами с применением штаммов микроорганизмов, преимущественно бактерий рода Corynebacterium, способных к сверхсинтезу данной аминокислоты. Полученный лизин используется в виде добавок для обогащения кормов и пищевых продуктов, а также в качестве исходного соединения для получения фармацевтических препаратов.

Пищевые источники

Суточная физиологическая потребность человека в лизине составляет около 1,5 г. Основными пищевыми источниками лизина являются:

• мясо и мясные продукты;
• рыба;
• яйца;
• молоко и молочные продукты (в том числе сыр).

Белки злаков относительно бедны лизином, тогда как бобовые содержат его в значительных количествах.

Биологическая роль и биосинтез

Лизин играет важную структурную и регуляторную роль в составе белков. В молекулах коллагена присутствует гидроксилизин, образующийся из лизина под действием фермента лизилгидроксилазы. Гидроксилизин участвует в формировании межмолекулярных сшивок коллагеновых фибрилл, обеспечивая прочность и механическую устойчивость соединительной ткани. Нарушение гидроксилирования лизина приводит к дефектам структуры коллагена и снижению его функциональной активности. Остатки лизина в белках часто подвергаются посттрансляционным модификациям, что имеет важное значение для регуляции клеточных процессов. В частности, O-гликозилирование остатков лизина в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи используется для маркировки и сортировки ряда белков, предназначенных для секреции из клетки. Такие модификации влияют на стабильность белков, их внутриклеточный транспорт и взаимодействие с рецепторами.

Как незаменимая аминокислота, лизин не синтезируется в организме животных и человека и должен поступать с пищей в свободном виде или в составе белков. В отличие от животных, растения, грибы и микроорганизмы обладают ферментативными системами, обеспечивающими биосинтез лизина.

Известны два основных пути биосинтеза лизина:

• путь через диаминопимелиновую кислоту — характерен для большинства бактерий и высших растений;
• путь через α-аминоадипиновую кислоту — характерен для большинства высших грибов.