Metabolizm aminokwasów,

cykl mocznikowy

•

Bakterie

, (np. Escherichia coli)

syntetyzują cały zestaw 20
podstawowych aminokwasów.

•

Człowiek

nie syntetyzuje 9 z 20

podstawowych aminokwasów.

• Aminokwasy te muszą być podawane
w pożywieniu i nazywane są

egzogennymi

(niezbędnymi), pozostałe

nazwano

endogennymi.

• Brak nawet jednego aminokwasu
wywołuje

ujemny bilans azotu

. W takim

stanie więcej białka rozkłada się niż jest
syntetyzowane, zatem więcej azotu ulega
wydalaniu niż jest przyjmowane z
pokarmem.

Rola i działanie transaminaz

Przeniesienie grup

α-aminowych z α-aminokwasu na α-ketokwas katalizują

aminotransferazy (transaminazy)

.

• Grupy

α-aminowe z wielu różnych aminokwasów są przenoszone na

α-

ketoglutaran

, co prowadzi do otrzymania

glutaminianu

. Ten z kolei ulega

deaminacji oksydacyjnej

dając

NH4+

.

• Aminotransferaza asparaginianowa

katalizuje przeniesienie grupy

aminowej z asparaginianu na

α-ketoglutaran.

• Aminotransferaza alaninowa

katalizuje przeniesienie grupy aminowej z

alaniny na

α-ketoglutaran.

• Jony amonowe powstają w procesie

oksydacyjnej deaminacji glutaminianu

. Reakcję

katalizuje

dehydrogenaza glutaminianowa

, wyróżniająca się tym, że może

wykorzystywać jako akceptory wodoru zarówno NAD

+

, jak i NADP

+

.

• Po zsumowaniu reakcje katalizowane przez transaminazy i przez dehydrogenazę
glutaminianową można przedstawić równaniem:

•

W organizmach kręgowców lądowych

jony amonowe

ulegają dalszym

przemianom, tworząc mocznik, i w tej postaci są wydalane.

•

Grupą prostetyczną wszystkich

aminotransferaz

jest pochodna

pirydoksyny

(

witamina B

6

)

fosforan pirydoksalu

(

PLP

).

Podczas transaminacji fosforan

pirydoksalu ulega przejściowo przekształceniu w

fosforan pirydoksaminy

(

PMP

).

• Gdy brak substratu, to grupa aldehydowa PLP tworzy zasadę Schiffa z grupą

ε-aminową określonej reszty lizyny, znajdującej się w centrum aktywnym enzymu.

• Po dodaniu substratu powstaje nowe wiązanie typu zasady Schiffa. Grupa
substratu

α-aminowa wypiera grupę ε-aminową lizyny. W ten sposób

wewnętrzna

aldoimina

staje się

aldoiminą zewnętrzną

.

• Aminokwas tworzący z PLP zasadę Schiffa pozostaje związany z enzymem
licznymi oddziaływaniami niekowalencyjnymi.

•

Proponowany mechanizm reakcji transaminacji

. Przedstawione etapy pokazują

pierwszą połowę ogólnej reakcji transaminacji.
• W drugiej połowie rożne

α-ketokwasy ulegają przemianie do odpowiednich

aminokwasów w odwrotnej sekwencji reakcji.
Po zsumowaniu reakcji cząstkowych otrzymujemy:

• Grupy

α-aminowe seryny i treoniny mogą być

przekształcane bezpośrednio w NH

4

+

, ponieważ aminokwasy

te zawierają grupę hydroksylowa związaną z atomem węgla

β

.

• Ich bezpośrednia deaminacja jest katalizowana przez:

dehydratazę serynową

i

dehydratazę treoninową

.

• Nazywa się je dehydratazami, gdyż

dehydratacja poprzedza

deaminację.

• Cześć grup NH

4

+

powstających przez rozkład aminokwasów jest

zużywana
w biosyntezie związków azotowych.

• U większości

kręgowców lądowych

nadmiar NH

4

+

jest jednak przekształcany w

mocznik

i w tej postaci wydalany.

•

Ptaki i gady lądowe

przed wydaleniem

•przekształcają NH

4

+

w

kwas moczowy

.

• Wiele

zwierząt wodnych

wydala bezpośrednio NH

4

+

.

• Zależnie od formy wydalania azotu te trzy klasy organizmów określamy
odpowiednio jako

ureoteliczne

,

urykoteliczne

oraz

amonoteliczne

.

Cykl mocznikowy

Arginaza

Karbamoilotransferaza

ornitynowa

Syntetaza

arginino-

bursztynianowa

Liaza

arginino-

bursztynianowa

Syntetaza karbamoilofosforanowa

Cykl mocznikowy a cykl kwasu cytrynowego

•

Istotne znaczenie w cyklu mocznikowym ma

synteza fumaranu

, przez

którą cykl ten zazębia się z

cyklem kwasu cytrynowego

.

•

Fumaran

ulega uwodnieniu tworząc

jabłczan

, który z kolei jest utleniany

do

szczawiooctanu

.

•

Dalsze losy szczawiooctanu mogą toczyć się kilkoma drogami:

1) przekształcenie w asparaginian w reakcji transaminacji,

2) przekształcenie w glukozę podczas glukoneogenezy,

3) kondensacja z acetylo-CoA do cytrynianu,

4) przemiana do pirogronianu.

Cykl mocznikowy a cykl kwasu cytrynowego

• W matriks mitochondrialnej zachodzi tworzenie NH

4

+

z udziałem dehydrogenazy

glutaminianowej, włączenie tego jonu do karbamoilofosforanu i synteza cytruliny.

•

Reakcje cyklu mocznikowego, prowadzące do powstania mocznika, przebiegają

w cytozolu.

Losy szkieletów weglowych aminokwasów. Aminokwasy

glukogenne

przedstawiono

na czerwonym tle,

ketogenne

- na zóltym. Niektóre z aminokwasów sa zarówno keto-,

jak i glukogenne

Biosynteza aminokwasów

•

Bakterie

, (np. Escherichia coli)

syntetyzują cały zestaw 20
podstawowych aminokwasów.

•

Człowiek

nie syntetyzuje 9 z 20

podstawowych aminokwasów.

• Aminokwasy te muszą być podawane
w pożywieniu i nazywane są

egzogennymi

(niezbędnymi), pozostałe

nazwano

endogennymi.

• Brak nawet jednego aminokwasu
wywołuje

ujemny bilans azotu

. W takim

stanie więcej białka rozkłada się niż jest
syntetyzowane, zatem więcej azotu ulega
wydalaniu niż jest przyjmowane z
pokarmem.

Wiązanie azotu

•

Organizmy wyższe nie są zdolne do redukcji N

2

do NH

3

.

•

Źródłem atomów azotu aminokwasów, puryn, pirymidyn i innych
biocząsteczek jest azot atmosferyczny.

•

Przemianę tę, zwaną

wiązaniem azotu

, przeprowadzają bakterie i sinice.

•

Niektóre z tych mikroorganizmów, mianowicie symbiotyczne bakterie

Rhizobium

, atakują korzenie roślin motylkowatych i tworzą brodawki

korzeniowe, w których zachodzi wiązanie azotu, wykorzystywanego
następnie zarówno przez bakterie, jak i przez rośliny.

•

Kolejnym etapem w asymilacji azotu do biocząsteczek jest wbudowanie NH

4

+

do

aminokwasów. W procesie tym kluczową role odgrywają

glutaminian

i

glutamina

.

• Grupa

α-aminowa większości aminokwasów pochodzi z grupy α-aminowej

glutaminianu, przenoszonej do nich w

reakcji transaminacji

.

• Glutamina, drugi donor azotu, dostarcza go z bocznego łańcucha (grupa

γ-

amidowa) do biosyntezy wielu ważnych związków.
• Glutaminian jest syntetyzowany z NH

4

+

i

α-ketoglutaranu, związku pośredniego

w cyklu kwasu cytrynowego, z udziałem

dehydrogenazy glutaminianowej

.

• Jon amonowy zostaje
wprowadzony do
glutaminy podczas
działania

syntetazy

glutaminowej

na

glutaminian.

• Amidacja jest zależna
od hydrolizy ATP.

Biosyntetyczne rodziny
aminokwasów u bakterii i
roślin.

Główne prekursory metaboliczne
na

niebieskim

tle; aminokwasy,

które dają początek innym
aminokwasom - na

czerwonym

;

aminokwasy egzogenne
zaznaczono grubszym drukiem

• Seryna jest prekursorem glicyny i cysteiny. Podczas powstawania glicyny
atom węgla

β

bocznego łańcucha seryny zostaje przeniesiony na

tetrahydrofolian

,

nośnik fragmentów jednowęglowych.

Tetrahydrofolian (tetrahydropteroiloglutaminian)

Przemiany fragmentów jednowęglowych
przyłączonych do

tetrahydrofolianu

•

Tetrahydrofolian

może przenosić grupę

metylowa związaną z atomem N5, lecz jej
potencjał przenoszenia dla większości
biosyntetycznych metylacji jest zbyt mały.

• W rzeczywistości głównym donorem
aktywowanego metylu zwykle jest

S-adenozylometionina

.

Niezwykły charakter syntezy S-adenozylometioniny polega na tym, że grupa
trifosforanowa ATP zostaje rozszczepiona na pirofosforan i ortofosforan. Pirofosforan
jest następnie hydrolizowany do dwóch P

i

i w ten sposób zostają wykorzystane

wszystkie trzy wysokoenergetyczne wiązania fosforanowe.

Homocysteina może być także metylowana
do metioniny przez donory grup
metylowych takie jak

betainy

, będące

produktem utlenienia

choliny

.

• Homocysteina jest związkiem
pośrednim w syntezie cysteiny.

• Seryna kondensuje z homocysteiną
dając

cystationine

. Reakcje katalizuje

syntaza cystationinowa.

• Cystationina ulega następnie
deaminacji i rozpada się z udziałem

cystationazy (

γ-liazy cystationinowej)

na

cysteine i

α-ketomaślan.

Atom siarki cysteiny pochodzi z

homocysteiny

, a szkielet węglowy - z

seryny

.

Synteza hemu