Лизин

Лизин — это незаменимая альфа-аминокислота, входящая в состав белков всех живых организмов. Является одним из 20 стандартных аминокислотных остатков, кодируемых генетическим кодом. Для человека и многих животных лизин является незаменимой аминокислотой, то есть не синтезируется в организме в достаточном количестве и должен поступать с пищей. Химическая формула лизина — C₆H₁₄N₂O₂, в системе IUPAC обозначается как 2,6-диаминогексановая кислота. В составе белков лизин играет ключевую роль в формировании третичной структуры, ферментативном катализе и посттрансляционных модификациях, таких как метилирование, ацетилирование и убиквитинирование.

История открытия

Лизин был впервые выделен в 1889 году немецким химиком Эдмундом Дрекселем из казеина — основного белка молока. Дрексель получил кристаллическое вещество, которое он назвал «лизином» (от греч. λύσις — «разложение», «растворение»), подчеркивая его способность легко растворяться в воде. В 1902 году немецкий биохимик Эмиль Фишер впервые осуществил полный синтез лизина, подтвердив его структуру. Фишер установил, что лизин содержит две аминогруппы, что делает его диаминомонокарбоновой кислотой. В 1920-х годах американский биохимик Томас Осборн и его коллеги доказали незаменимость лизина для роста животных, что положило начало изучению его роли в питании.

Химические свойства и строение

Молекулярная структура

Лизин относится к группе диаминомонокарбоновых кислот. Его молекула содержит:

α-аминогруппу (—NH₂) при первом углеродном атоме;
α-карбоксильную группу (—COOH);
боковую цепь с ε-аминогруппой (—NH₂) при пятом углеродном атоме.

Наличие двух аминогрупп придает лизину основные свойства. В физиологических условиях (pH 7,4) α-аминогруппа и ε-аминогруппа протонированы, а карбоксильная группа депротонирована, что делает лизин положительно заряженным катионом. Изоэлектрическая точка лизина находится при pH около 9,74.

Оптическая активность

Лизин существует в двух оптических изомерах: L-лизин (природная форма, входящая в состав белков) и D-лизин (синтетическая форма, редко встречающаяся в природе). L-лизин обладает удельным вращением [α]D²⁰ = +14,6° (в 6M HCl). D-лизин не усваивается организмом человека и не используется в биосинтезе белка, но может быть субстратом для некоторых бактериальных ферментов.

Реакционная способность

ε-аминогруппа лизина является сильным нуклеофилом и участвует в реакциях ацилирования, алкилирования и образования оснований Шиффа. Это свойство используется в посттрансляционных модификациях белков, таких как:

Ацетилирование — присоединение ацетильной группы, регулирующее активность гистонов и транскрипцию генов.
Метилирование — присоединение метильной группы, влияющее на стабильность белка и взаимодействие с ДНК.
Убиквитинирование — присоединение убиквитина, маркирующего белок для деградации в протеасоме.
Гликозилирование — присоединение углеводных остатков в процессе синтеза гликопротеинов.

Биосинтез и метаболизм

Пути биосинтеза

У растений и микроорганизмов лизин синтезируется двумя основными путями:

Диаминопимелиновый путь (DAP-путь) — характерен для бактерий, водорослей и высших растений. Начинается с аспарагиновой кислоты, которая через ряд реакций превращается в мезо-диаминопимелиновую кислоту, а затем декарбоксилируется до лизина.
Альфа-аминоадипиновый путь (AAA-путь) — встречается у грибов и некоторых архей. В этом пути лизин синтезируется из альфа-кетоглутарата через альфа-аминоадипиновую кислоту.

У человека и животных лизин не синтезируется из-за отсутствия ключевых ферментов, необходимых для обоих путей (например, диаминопимелатдекарбоксилазы). Поэтому лизин является незаменимой аминокислотой.

Катаболизм

Распад лизина в организме человека происходит преимущественно в печени по пути, известному как сахаролипиновый путь. Основные этапы:

Трансаминирование лизина с альфа-кетоглутаратом с образованием сахаропина.
Окислительное декарбоксилирование сахаропина до альфа-аминоадипиновой кислоты.
Дальнейшее окисление до ацетил-КоА и кетоновых тел.

Нарушения катаболизма лизина приводят к редким наследственным заболеваниям, таким как гиперлизинемия (повышенный уровень лизина в крови) и глутаровая ацидурия 1 типа (накопление глутаровой кислоты).

Физиологические функции

Роль в синтезе белка

Лизин является строительным блоком для всех белков организма. Он особенно важен для синтеза коллагена — основного структурного белка соединительной ткани. Лизин участвует в образовании поперечных сшивок между молекулами коллагена и эластина, что обеспечивает прочность и эластичность кожи, костей, сухожилий и сосудов. Недостаток лизина замедляет заживление ран и увеличивает риск остеопороза.

Участие в метаболизме кальция

Лизин способствует всасыванию кальция в кишечнике и его удержанию в костной ткани. Исследования показывают, что лизин увеличивает экспрессию кальций-связывающих белков (например, кальбиндина) в энтероцитах, что повышает эффективность транспорта кальция через стенку кишечника. Это свойство делает лизин потенциально полезным для профилактики и лечения остеопороза.

Иммунная функция

Лизин необходим для синтеза антител, компонентов системы комплемента и цитокинов. Он участвует в пролиферации лимфоцитов и активации макрофагов. В экспериментальных моделях дефицит лизина снижал устойчивость к вирусным и бактериальным инфекциям. Некоторые исследования (преимущественно in vitro) показывают, что лизин может подавлять репликацию вируса герпеса простого (HSV-1), хотя клинические данные остаются противоречивыми.

Регуляция гормонов

Лизин является предшественником для синтеза карнитина — вещества, необходимого для транспорта жирных кислот в митохондрии и их окисления. Карнитин синтезируется из лизина и метионина в печени и почках. Недостаток лизина может снижать уровень карнитина, что приводит к нарушению энергетического обмена, особенно в мышцах.

Пищевые источники и нормы потребления

Продукты, богатые лизином

Наибольшее количество лизина содержится в продуктах животного происхождения:

Мясо и птица: курица (1,4 г на 100 г), говядина (1,6 г), свинина (1,2 г).
Рыба и морепродукты: тунец (1,8 г), лосось (1,6 г), креветки (1,5 г).
Молочные продукты: сыр пармезан (2,2 г), творог (1,0 г), молоко (0,3 г).
Яйца: куриное яйцо (0,9 г на 100 г).

Среди растительных продуктов лизином богаты:

Бобовые: соя (1,9 г), чечевица (1,7 г), фасоль (1,5 г).
Орехи и семена: тыквенные семечки (1,2 г), фисташки (1,1 г), миндаль (0,6 г).
Зерновые: киноа (0,8 г), гречка (0,6 г), амарант (0,7 г).

Зерновые культуры (пшеница, рис, кукуруза) содержат мало лизина, что делает их неполноценными источниками белка. Для веганов и вегетарианцев важно сочетать зерновые с бобовыми (например, рис с чечевицей) для обеспечения полноценного аминокислотного профиля.

Дефицит и избыток

Дефицит лизина

Недостаток лизина встречается редко у людей, потребляющих достаточное количество белка. Однако он может развиваться у веганов с несбалансированным рационом, у пациентов с нарушениями всасывания (болезнь Крона, целиакия) и при длительном парентеральном питании. Симптомы дефицита включают:

задержка роста у детей;
потеря мышечной массы;
утомляемость и слабость;
анемия;
снижение иммунитета;
нарушения синтеза коллагена (ломкость ногтей, выпадение волос, плохое заживление ран).

Избыток лизина

Передозировка лизина из пищевых источников маловероятна, так как избыток аминокислоты выводится почками. Однако при приеме высоких доз добавок (более 10-15 г/сут) могут возникать побочные эффекты: тошнота, диарея, боли в животе. У людей с почечной недостаточностью или заболеваниями печени избыток лизина может привести к накоплению аммиака и токсическим эффектам.

Применение в медицине и промышленности

Медицинское применение

Лизин используется в качестве компонента парентерального питания для пациентов с тяжелыми ожогами, травмами и после операций. Он входит в состав аминокислотных смесей для энтерального и парентерального введения. В дерматологии лизин применяется в составе средств для заживления ран и лечения герпетических высыпаний (в виде мазей с лизином, хотя эффективность ограничена). В спортивной медицине лизин иногда используется для ускорения восстановления мышц после тренировок, хотя доказательная база слабая.

Промышленное производство

Лизин производится в промышленных масштабах методом микробиологического синтеза с использованием бактерий Corynebacterium glutamicum или Escherichia coli. Генетически модифицированные штаммы этих бактерий способны накапливать до 120 г/л лизина в культуральной среде. Мировое производство лизина превышает 2,5 млн тонн в год (данные на 2023 год). Основные производители — компании из Китая (CJ CheilJedang, Meihua Group) и США (ADM, Evonik). Лизин используется как кормовая добавка в животноводстве для балансирования рационов свиней и птицы, что позволяет снизить долю соевого шрота и удешевить корма.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности лизин (E642) используется как пищевая добавка для обогащения продуктов белком, улучшения вкуса и аромата. Он добавляется в хлебобулочные изделия, зерновые завтраки, спортивное питание и диетические продукты. В России лизин разрешен к применению в качестве биологически активной добавки к пище.

Интересные факты

Лизин является одной из немногих аминокислот, которая может подвергаться гидроксилированию в составе коллагена с образованием гидроксилизина. Эта модификация необходима для стабилизации тройной спирали коллагена.
В 2020 году ученые из Института биоорганической химии РАН разработали метод получения лизина из отходов целлюлозно-бумажной промышленности, что может снизить себестоимость производства.
Лизин используется в качестве маркера в протеомике: изотопно-меченый лизин (¹³C, ¹⁵N) применяется в методе SILAC (Stable Isotope Labeling by Amino acids in Cell culture) для количественного анализа белков.
В некоторых культурах (например, в традиционной индийской кухне) блюда из риса и чечевицы (кичари) обеспечивают сбалансированный аминокислотный состав за счет взаимодополнения лизина и метионина.

Источники

Nelson, D. L., Cox, M. M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry. 7th ed. W. H. Freeman.
ВОЗ/ФАО (2007). Потребности в белках и аминокислотах в питании человека. Доклад объединенной консультации экспертов ВОЗ/ФАО/УООН.
МР 2.3.1.0253-21 «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации».
Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2012). Biochemistry. 7th ed. W. H. Freeman.
Matthews, D. E. (2020). Amino Acid Metabolism. In: Modern Nutrition in Health and Disease. 12th ed. Wolters Kluwer.
Яковлев, В. И. и др. (2021). «Микробиологический синтез L-лизина: современное состояние и перспективы». Биотехнология, 37(4), 3-15.
Tome, D., Bos, C. (2007). «Lysine requirement through the human life cycle». Journal of Nutrition, 137(6), 1641S-1645S.
FAO (2013). Dietary Protein Quality Evaluation in Human Nutrition. FAO Food and Nutrition Paper 92.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →