WYKŁAD 10.

METABOLIZM AMINOKWASÓW

Źródła metaboliczne wolnych aminokwasów

• rozpad białek pokarmowych

• rozpad Małek komórkowych

• rozpad białek pozakomórkowych

• synteza aminokwasów

Aminokwasy z tych czterech źródeł tworzą wewnątrzkomórkową pulę wolnych aminokwasów.

W przeciwieństwie do kwasów tłuszczowych i glukozy aminokwasy nie mogą być magazynowane. Ich nadmiar jest degradowany do dał ketonowych, acetylo~S-CoA lub produktów glukoneogenezy.

Rozpad białek - proteoliza - zachodzi pod działaniem enzymów proteolitycznych, które hydrolizują wiązania peptydowe. Enzymy proteolityczne są nazywane proteazami, proteinzami lub peptydazami.

• egzopeptydazy odłączają aminokwasy N-końcowe (aminoopeptydazy) lub aminokwasy C-końcowe (karboksypeptydazy)

• endopeptydazy hydrolizują wiązania peptydowe w głębi łańcucha białkowego, uwalniając mniejsze peptydy.

Rozpad białek pokarmowych

• Soki trawienne zawierają szereg enzymów proteolitycznych, zarówno egzo, jak i endopeptydaz. Najważniejszymi z nich są: pepsyna w soku żołądkowym, trypsyna, chymotrypsyna, elastaza i karboksypeptydaza w soku trzustkowym oraz aminopeptydaza w soku jelitowym.

• Łączne działanie wspomnianych enzymów prowadzi do całkowitego rozpadu białek pokarmowych do wolnych aminokwasów, a te są wchłaniane przez nabłonek jelitowy na drodze aktywnego transportu i z krwią dostają się do różnych tkanek.

• Rozpad białek pokarmowych jest jedynym źródłem aminokwasów egzogennych: fenyloalaniny, izoleucyny, leucyny, metioniny, treoniny, tryptofanu, waliny, histydyny i lizyny.

• Niedobór nawet jednego aminokwasu egzogennego prowadzi do ujemnego bilansu azotowego

Rozpad białek wewnątrzkomórkowych

• Zachodzi pod działaniem proteaz wewnątrzkomórkowych. Białka „żyją" różnie długo. Decyduje o tym sekwencja aminokwasów, jak i aminokwasy N-końcowe.

• Białka przeznaczone do „zniszczenia" są znakowane - ubikwityną (polipeptydem).

• W komórce eukariotycznej funkcjonują dwa szlaki proteolizy: lizosomalny i pozalizosomalny.

• Proteazy lizosomalne noszą nazwę katepsyn. Opisano kilkanaście enzymów tej grupy. Działają głównie w kwaśnym zakresie pH.

• Największe znaczenie w pozalizosomalnej degradacji białek odgrywają wieloenzymatyczne kompleksy - proteasomy. Typowa komórka ludzka zawiera około 30 000 proteasomów. Białko, pozbawione struktury przestrzennej w wyniku rozfałdowania, wnika do wnętrza kanału wytworzonego przez podjednostki proteasomu, gdzie następuje proteoliza.

Rozpad białek pozakomórkowych

• Macierz pozakomórkowa skupia około połowy wszystkich białek. Dominuje kolagen oraz elastyna. Degradacja zachodzi przy udziale metaloproteinaz macierzy pozakomórkowej (MMP). Są one syntetyzowane i wydzielane w postaci nieaktywnych prekursorów, zwanych zymogenami. Opisano ponad 20 MMP. Wyróżnia się: kolagenazy, żelatynazy, stromelizyny i metaloproteinazy transbłonowe.

• Trawienie kolagenu cechuje sie. pewną specyfiką. Natywny kolagen trawiony jest w obrębie struktury trihelikalnej przy udziale kolagenaz. Pod ich działaniem cząsteczka kolagenu - tropokolagen rozpada się na dwa wielkocząsteczkowe produkty - tropokolagen A i tropokolagen B. Tracą one strukturę trihelikalną już w fizjologicznej temperaturze organizmu i dalej są trawione przez różne nieswoiste proteazy.

• Aktywność MMP jest regulowana (między innymi) przez tkankowe inhibitory metaloproteinaz (TIMP).

Synteza aminokwasów

• Organizm człowieka potrafi syntetyzować niektóre aminokwasy, zwane endogennymi, w sytuacji gdy ich podaż z pożywieniem jest niedostateczna. Głównym "producentem" aminokwasów są mięśnie. Powstaje w nich ponad połowa ogólnej ilości aminokwasów.

• Znaczna część aminokwasów powstaje z odpowiednich ketokwasów, przez przyłączenie grupy aminowej w miejsce grupy ketonowej, w procesie transaminacji

• Niektóre aminokwasy powstają z innych aminokwasów.

• Poszczególne narządy nie są samowystarczalne w syntezie aminokwasów. Pomiędzy różnymi z nich zachodzi wymiana tych metabolitów.

Metabolizm grup aminowych aminokwasów

• Głównym miejscem rozkładu aminokwasów jest wątroba. Grupa a-aminowa aminokwasu może być odłączana w sposób dwojaki:

1. poprzez jej przekazanie na inny akceptor (ketokwas)

2. poprzez bezpośrednie odłączenie w postaci amoniaku

Transaminacja

• Pierwszym etapem rozkładu aminokwasów jest na ogół transaminacją, polegająca na przenoszeniu grup aminowych z różnych aminokwasów na jeden z trzech a-ketokwasów: pirogronian, szczawiooctan lub a-ketoglutaran. Reakcje te katalizują (odpowiednio) aminotransferazy: alaninowa, asparaginianowa i glutarinianowa. Transaminacji podlegają niemal wszystkie aminokwasy.

• Aminokwas pozbawiony grupy aminowej staje się ketokwasem. Ketokwas, który przyłączył grupę aminową staje się aminokwasem. W przekazywaniu -NH2, pośredniczy fosforan pirydoksalu.

• Istota transaminacji sprowadza się do "zmiatania'' grup aminowych z różnych aminokwasów i przekazania ich na a-ketoglutaran i szczawiooctan z wytworzeniem glutaminianu i asparaginianu. Głutaminian łatwo uwalnia amoniak, włączany następnie do cyklu mocznikowego, a asparaginian przekazuje bezpośrednio swoją grupę aminową do tego cyklu.

• Tą drogą grupy aminowe większości aminokwasów wiązą się z CO2 wytwarzając mocznik, który (u człowieka) jest głównym produktem końcowym przemiany azotu białkowego.

Deaminacja

• Proces ten polega na odłączeniu grupy aminowej utlenieniu węgla alfa do grupy ketonowej.

• Produkt transaminacji - kwas glutaminowy (glutaminian) ulega oksydacyjnej deaminacji.

• Powstaje a-ketoglutaran i NH3.

• Reakcję tą katalizuje dehydrogenaza glutaminianowa, współdziałająca zarówno z NAD+ jak i z NADP+.

• Pewne znaczenie w procesie deaminacji przypisuje sie oksydazom L i D aminokwasowym. Pod działaniem oksydazy aminokwas utlenia się do ketokwasu. Grupa aminowa odłącza się w postaci amoniaku. Zredukowane nukleotydy flawinowe (FMNH2 i FADH2), przekazują atomy wodoru na tlen cząsteczkowy z wytworzeniem H₂O₂.

• Toksyczność nadtlenku wodoru wymaga jego sprawnego usuwania, w czym uczestniczą przede wszystkim katalaza i peroksydaza.

Inne źródła amoniaku

• Duże ilości amoniaku powstają ponadto w wyniku deaminacji zasad purynowych - adeniny i guaniny oraz zasady pirymidynowej - cytozyny, a także hydrolizy amidów, przede wszystkim glutaminy i asparaginy.

Detoksykacja amoniaku - cykl mocznikowy

• Amoniak (NH3) jest związkiem toksycznym. Wiąże proton przechodząc w jon amonowy (NH4+), co przesuwa równowagę kwasowo-zasadową w kierunku alkalizacji tkanek i płynów ustrojowych. Nadmiar amoniaku powoduje redukcyjną aminacje, a-ketoglutaranu - metabolitu cyklu Krebsa.

• Ubytek a-ketogiutaranu sprawia, iż maleje ilość kolejnych metabolitów tego cyklu, a w konsekwencji szczawiooctanu. Maleje pojemność cyklu Krebsa. zmniejsza się możliwość spalania octanu do CO2 i H2O.

• Amoniak podlega detoksykacji na drodze różnych procesów. Człowiek i większość kręgowców przekształca amoniak i wydala w postaci mocznika.

• Proces przekształcania toksycznego amoniaku w nietoksyczny mocznik nosi nazwę cyklu mocznikowego lub ornitynowego. Bywa także nazywany małym cyklem Krebsa.

• Mocznik nie podlega dalszej biotransformacji. Jest wydalany z moczem. Stężenie mocznika w surowicy krwi (20 do 40mg/dl) jest ważnym parametrem biochemicznym, przydatnym w diagnostyce chorób nerek.

• Synteza mocznika jest procesem ciągłym. Nie ustaje nawet w przypadku niedoboru białka w pożywienia. Jest to możliwe dzięki systemowi regulacji cyklu mocznikowego, obejmującemu: aktywację allosteryczną, indukcję substratową i odtwarzanie ornityny. Najważniejszym enzymem w regulacji cyklu jest syntetaza karboamoilofosforanowa.

• Niesprawne funkcjonowanie cyklu mocznikowego prowadzi do akumulacji amoniaku w tkankach i w płynach ustrojowych. Stan ten nazywamy hiperamonemią.

Wiązanie amoniaku przez glutaminian - powstawanie glutaminy

• Cześć amoniaku jest wiązana przez grupę y-karboksylową kwasu glutaminowego z wytworzeniem glutaminy. Reakcja Jest katalizowana przez syntetazę glutaminy, przy udziale ATP.

• Można ją uznać za jedną z dróg detoksykacji amoniaku. Jakkolwiek glutamina pełni w organizmie szereg ważnych funkcji metaboliczych, jej nadmierna akumulacja uszkadza OUN.

• Glutamina dostarcza grup aminowych do syntezy puryn i pirymidyn. Uczestniczy w regulacji równowagi kwasowo-zasadowej w nerce, przaciwdziałając kwasicy. Rozpad glutaminy w nerce pod działaniem glutaminazy uwalnia NH3 a ten wiąże H+ przechodząc w jon amonowy - NH3+.

Metabolizm szkieletów węglowodorowych aminokwasów

• Za względu na metabolizm szkieletów węglowodorowych aa podzielono na: gluko-, keto- i glukoketogenne.

• Szkielety węglowodorowe aa glukogennych (alanina, seryna, cysteina, asparaginian i glutaminian) przekształcają się bozpośrednio tub pośrednio w szczawiooctan - kluczowy matabolit głukoneogenezy.

• Szkielety węglowodorowe aa ketogennych (leucyna, lizyna) przekształcają się do acetoooctanu, który ulega redukcji do B-hydroksymaślanu lub dekarboksylacji do acetonu.

• Szkielety węglowodorowe aa glukoketogennych (fenyloalanina i tyrozyna) rozpadają się na fragmenty, z których jeden Jest substratem glukoneogenezy, a drugi jest ciałem ketonowym (acetooctan) lub substratem zużywanym w procesie ketogenezy

Metabolizm aminokwasów i białek

• Dzienny "obrót" białka w organizmie człowieka wynosi około 400g. Z tego około 100g ułega degradacji i ilość ta musi być zastąpiona aminokwasami dostarczanymi z pożywieniem. Pozostałe są wykorzystane do resyntezy białka lub służą za substraty do syntezy innych molekuł.

• Zdrowy człowiek wymienia w ciągu doby 1 - 2% całkowitej ilości białka. Miarą obrotu metabolicznego białek Jest "bilans azotowy". Jest to porównanie ilości azotu przyswojonego w ciągu doby do ilości azotu wydalonego. Bilans azowy może być zrównoważony (ilości azotu przyswojonego i wydalonego są sobie równe), dodatni (ilość azotu przyswojonego jest większa od ilości azotu wydalonego) bądź ujemny (ilość azotu przyswojonego fest mniejsza od ilości azotu wydalonego).

---