Metabolizm aminokwasów,
cykl mocznikowy
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
