Metabolizm aminokwasów:

1. Źródła metaboliczne wolnych aminokwasów.

Większość aminokwasów to produkty rozpadu białek pokarmowych i tkankowych. Rozkład białek zachodzi pod wpływem działania enzymów proteolitycznych, które hydrolizują wiązania peptydowe. Proces ten nazywany jest proteolizą. Każdemu rozpadowi wiązania peptydowego towarzyszy odtworzenie wolnej grupy aminowej jednego aminokwasu i wolnej grupy karboksylowej drugiego aminokwasu.

• Rozkład białek pokarmowych. Soki trawienne przewodu pokarmowego zawierają wiele enzymów proteolitycznych:

pepsyna w soku żołądkowym (działa w środowisku kwaśnym i rozkłada wiązania peptydowe powstałe z udziałem aminokwasów aromatycznych i kwaśnych oraz między Val i Leu);

trypsyna w soku trzustkowym (działa w środowisku alkalicznym, rozkłada wiązania powstałe z udziałem grup karboksylowych aminokwasów zasadowych - Lys i Arg);

chymotrypsyna w soku trzustkowym (hydrolizuje wiązania peptydowe powstałe z udziałem grup karboksylowych aminokwasów aromatycznych - Phe, Tyr, Trp);

elastaza w soku trzustkowym ( rozkłada wiązania peptydowe między różnymi aminokwasami obojętnymi);

karboksypeptydaza A w soku trzustkowym (odłącza od substratu różne aminokwasy, z wyjątkiem Lys i Arg);

karboksypeptydaza B w soku trzustkowym (odłącza od substratu Lys i Arg);

aminopeptydaza w soku jelitowym (odłącza od substratu różne aminokwasy N-końcowe).

Łączne działanie wspomnianych enzymów prowadzi do całkowitego rozpadu białek pokarmowych do wolnych aminokwasów. Białka pokarmowe są jedynym źródłem aminokwasów egzogennych: Phe, Ile, Leu, Met, Thr, Trp, Val, Lys.

• Rozkład białek wewnątrzkomórkowych. Zachodzi pod wpływem proteaz wewnątrzkomórkowych (katepsyn), zlokalizowanych w lizosomach, wykazujących najwyższą aktywność w kwaśnym pH. W pozalizosomalnej degradacji białek biorą udział proteosomy - kompleksy wieloenzymatyczne występujące w cytozolu i w jądrze wszystkich komórek eukariotycznych.

• Rozkład białek pozakomórkowych (kolagen, elastyna, glikoproteiny błon podstawowych i rdzenie białkowe proteoglikanów). Degradacja tych białek zachodzi przy udziale metaloproteinaz macierzy pozakomórkowej. Metaloproteinazy powodują wstępną degradację substratów białkowych. Produkty proteolizy pozakomórkowej wnikają do komórki drogą endocytozy i dalej rozkładane są przez proteazy wewnątrzkomórkowe.

Trawienie kolagenu (kolagenoliza): kolagenazy trawią kolagen w jego naturalnej postaci, czyli potrójnej helisy. Struktura potrójnej helisy czyni kolagen opornym na działanie większości enzymów proteolitycznych. Pod wpływem kolagenazy tkankowej cząsteczka kolagenu: tropokolagen rozpada się na dwie wielkocząsteczkowe produkty: tropokolagen A i tropokolagen B, które charakteryzują się niską temperatura denaturacji. Tracą strukturę potrójnej helisy i wnikają do komórki droga endocytozy i są trawione dalej przez proteazy wewnątrzkomórkowe do produktów drobnocząsteczkowych.

• Biosynteza aminokwasów. Organizm człowieka potrafi syntetyzować niektóre aminokwasy, zwane aminokwasami endogennymi. Są nimi: Ala, Arg, Asp, Asn, Cys, Gly, Glu, Gln, Pro, Ser, Tyr. Głównym producentem aminokwasów są mięśnie. Znaczna część aminokwasów powstaje z ketokwasów, przez przyłączenie grupy aminowej w miejsce grupy ketonowej (proces transaminacji). Niektóre aminokwasy powstają drogą przekształcania innych aminokwasów np. endogenna Tyr powstaje poprzez hydroksylację egzogennej Phe; endogenna Cys dzięki siarce przenoszonej z egzogennej Met, Gly jest produktem rozpadu Ser i Thr. Pomiędzy narządami dochodzi do wymiany aminokwasów. Ala i Glu produkowane w dużej ilości przez mięśnie, przechodzą do krwi i są wychwytywane przez wątrobę. Nerki produkują i uwalniają Ser i Ala, a pobierają z krążenia Glu, Pro, Gly. Mózg pobiera duże ilości Val.

2. Metabolizm grup aminowych aminokwasów.

Głównym miejscem rozkładu aminokwasów jest wątroba. Grupa α-aminowa aminokwasu może być odłączona w dwojaki sposób: poprzez przekazanie na inny akceptor (ketokwas) lub poprzez bezpośrednie odłączenie w postaci amoniaku. Obydwa procesy prowadzą do przekształcenia azotu aminokwasowego w mocznik. Pozostający szkielet węglowodorowy zostaje przekształcony w ciała ketonowe (aminokwasy ketogenne) lub glukozę (aminokwasy glukogenne).

• Transaminacja: proces przemiany aminokwasów rozpoczyna się od przeniesienia grupy α-aminowej na jeden z trzech ketokwasów: pirogronian, szczawiooctan, α-ketoglutaran. Reakcje te są katalizowane przez enzymy zwane aminotransferazami. Dawcami grup aminowych są wszystkie aminokwasy, z wyjątkiem Lys i Thr oraz Pro i hydroksyproliny. Aminokwas pozbawiony grupy aminowej staje się ketokwasem. Ketokwas, który przyłączył grupę aminową staje się aminokwasem. Przenośnikiem grup aminowych jest fosforan pirydoksalu.

Ryc. 1. Transaminacja aminokwasów.

α- aminokwas + pirogronian → α-ketokwas + alanina

(AlAT - aminotransferaza alaninowa)

α- aminokwas + szczawiooctan → α-ketokwas + asparaginian

(AspAT - aminotransferaza asparaginowa)

α- aminokwas + α-ketoglutaran → α-ketokwas + glutaminian

(aminotransferaza glutaminianowa)

• Deaminacja: odłączenie grupy aminowej od aminokwasu w postaci amoniaku. Niektóre reakcje deaminacji zachodzą drogą oksydoredukcji. Noszą one nazwę oksydacyjnej deaminacji. Głównie glutaminian ulega deaminacji tym szlakiem.

Oksydacyjna deaminacja glutaminianu polega na odłączeniu grupy aminowej i utlenieniu węgla α do grupy ketonowej. Powstaje α-ketoglutaran i NH₃. Reakcję tę katalizuje enzym dehydrogenaza glutaminianowa.

Ryc. 2. Oksydacyjna deaminacja glutaminianu.

Pewne znaczenie w procesie deaminacji przypisuje się oksydazom aminokwasowym, współdziałającym z nukleotydami flawinowymi: FMN i FAD. Pod działaniem oksydazy aminokwas utlenia się do ketokwasu, a FMN redukuje się do FMN₂ lub FAD do FADH₂. Grupa aminowa odłącza się w postaci amoniaku.

3. Detoksykacja amoniaku.

Amoniak jest związkiem toksycznym. Powstaje nie tylko w procesie deaminacji aminokwasów, ale także w następstwie daeminacji zasad purynowych i pirymidynowych, hydrolizy amidów kwasowych.

3.1. Proces przekształcania toksycznego amoniaku w nietoksyczny mocznik nosi nazwę cyklu mocznikowego (ornitynowego).

Ryc. 3 . Cykl mocznikowy.

• Amoniak wchodzi w reakcję z CO₂ i dwiema cząsteczkami ATP, tworząc karbamoilofosforan. Reakcja ta jest katalizowana przez syntetazę karbamoilofosforanową. Jedna cząsteczka ATP rozpada się do ADP i nieorganicznego fosforanu, druga natomiast przekształca się w ADP, przekazując grupę fosforanową do produktu reakcji: karbamoilofosforanu.

• Przeniesienie grupy karbamoilowej z karamoilofosforanu na ornitynę w obecności karbamoilotransferazy ornitynowej. Produktem reakcji jest cytrulina.

• W wyniku kondensacji cytruliny z asparaginianem, zachodzącej przy udziale syntetazy argininobursztynianowej, powstaje argininobursztynian. Podczas reakcji zużywana jest cząsteczka ATP, która rozpada się do AMP i pirofosforanu.

• Argininobursztynian pod działaniem liazy argininobursztynianowej rozpada się na argininę i fumaran.

• Hydroliza argininy zachodząca pod działaniem arginazy uwalnia mocznik i odtwarza ornitynę.

• Uwolniona ornityna wchodzi w reakcję z kolejną cząsteczką karamoilofosforanu i cykl się powtarza.

Bilans cyklu mocznikowego:

2 NH₃ + CO₂ + asparaginian + 3 ATP

→ mocznik + fumaran + 2 ADT + 2 P_i + AMP +PP_i

Reakcje cyklu mocznikowego zachodzą w cytosolu wątrobowym i mitochondriach. Uwalnianie amoniaku z glutaminianu, tworzenie karamoilofosforanu i jego wiązanie z ornityną zachodzą w macierzy mitochondrialnej, a pozostałe reakcje w cytosolu.

Stężenie mocznika w surowicy krwi jest ważnym parametrem biochemicznym, przydatnym w diagnostyce nerek. Osocze zdrowego człowieka zawiera od 20 do 40 mg mocznika na decylitr. Wzrost jego stężenia wskazuje na upośledzenie funkcji nerek.

Niesprawne funkcjonowanie cyklu mocznikowego prowadzi do akumulacji amoniaku w tkankach i płynach ustrojowych. Stan ten jest określany nazwą hiperamonemii. Przyczyną może być wrodzony niedobór jednego z enzymów uczestniczących w syntezie mocznika, a także ciężkie uszkodzenie wątroby przez czynnik toksyczny lub zakaźny.

1. Wiązanie amoniaku w glutaminian.

Część amoniaku wiązana jest przez grupę γ-karboksylową kwasu glutaminowego z wytworzeniem glutaminy. Reakcja ta katalizowana jest przez syntetazę glutaminy przy udziale ATP, który rozpada się do ADP i fosforanu.

4. Metabolizm energetyczny szkieletów węglowodorowych aminokwasów.

1. Przemiany aminokwasów glukogennych. Szkielety węglowodorowe aminokwasów glukogennych przekształcają się bezpośrednio lub pośrednio w szczawiooctan, kluczowy metabolit w procesie glukoneogenezy. Typowymi przedstawicielami tej grupy aminokwasów są: Ala, Ser, Cys, Asn, Gln. W wyniku transaminacji lub deaminacji przechodzą w odpowiednie ketokwasy: pirogronian, szczwiooctan, α-ketoglutaran i ulegają przemianie do szczawiooctanu.

2. Przemiana aminokwasów ketogennych. Typowymi aminokwasami ketogennymi są leucyna, która przekształca się w acetooctan (ciało ketonowe) i lizyna, która przekształca się w acetoacetylo∼S-CoA.

3. Przemiana aminokwasów glukoketogennych. Aminokwasami glukoketogennymi są: Phe, Tyr, Ile, Thr i Trp. Dwa pierwsze z nich są typowymi przedstawicielami tej grupy. Przekształcają się one do dwóch produktów końcowych: acetooctanu oraz fumaranu. Fumaran po przekształceniu w szczwiooctan drogą cyklu Krebsa, może być substratem zużywanym w procesie glukoneogenezy. Wrodzony niedobór enzymów biorących udział w przemianie tych aminokwasów jest przyczyną chorób metabolicznych:

• Fenyloketonuria - niedobór enzymu hydroksylazy fenyloalaninowej, odpowiedzialnego za przekształcenie Phe w Tyr; alternatywny szlak przemiany fenyloalaniny prowadzi do powstania fenyloketokwasu, od którego pochodzi nazwa choroby; nadmiar Phe upośledza transport innych aminokwasów do wnętrza komórki, konkurując o białka przenośnikowe. Brak hydroksylacji Phe ogranicza syntezę innych związków powstających z Phe: dopaminy, noradrenaliny, adrenaliny. W związku z tym fenyloketonuria objawia się głównie pod postacią różnych zaburzeń funkcji centralnego układu nerwowego.

• Alkaptonuria - efekt wrodzonego niedoboru dioksygenazy homogentynizowanej, biorącej udziale przemianie aminokwasu aromatycznego tyrozyny. Związana jest z wydalaniem z moczem dużych ilości kwasu homogentyzynowego (ciemniejącego na powietrzu), niebieskawo-czarnym zabarwieniem tkanki łącznej (ochronoza) oraz zmianami zwyrodnieniowymi stawów i kręgosłupa.

• Tyrozynemia - jest spowodowana wrodzonym niedoborem aminotranferazy tyrozynowej i hydrolazy fumaryloacetooctanowej. W moczu chorego pojawia się nadmiar tyrozyny i jej metabolitów. Pojawiają się uszkodzenia wielu narządów, głównie wątroby, nerek i narządu wzroku.

5. Aminokwasy źródłem związków biologicznie czynnych.

Aminokwasy są substratami wielu związków biologicznie czynnych. Są to: aktywne fragmenty jednowęglowe, barwniki porfirytowe, zasady purynowe i pirymidynowe, niektóre hormony i neurotransmitery, melaniny, aminy i poliamidy, karnityna, koenzymy.

• Z aminokwasów powstają aktywne fragmenty jednowęglowe: metylo-THF i formylo-THF

• Z tyrozyny powstają hormony i neuroprzekaźniki: dopomina, adrenalina, noradrenalina, tyroksyna, trijodotyronina

• Z tyrozyny powtają melaniny, następstwem nieprawidłowości w ich syntezie jest albinizm (bielactwo), spowodowany wrodzonym brakiem tyrozynanzy

• Z tryptofanu powstaje kwas nikotynowy (niacyna), substratu do biosyntezy koenzymów: NAD⁺ i NADP⁺.

• Cysteina przekształca się w taurynę, składnika soli kwasów żółciowych oraz pełniącej funkcję neuroprzekaźnika w centralnym układzie nerwowym

• Metionina uczestniczy w transmetylacji

• Z aminokwasów powstaje kreatyna, będąca akceptorem reszt fosforanowych z ATP

• Z lizyny i metioniny powstaje karnityna, będąca nośnikiem reszt długołańcuchowych kwasów tłuszczowych poprzez wewnętrzna błonę mitochondrialną

• Dekarboksylacja aminokwasów dostarcza amin biogennych: histamina, serotonina, etanoloamina

• Z argininy powstaje tlenek azotu, odpowiedzialny za obniżenie ciśnienia tętniczego krwi, regulację krzepliwości krwi, przekazywanie sygnałów wewnątrz komórki i pomiędzy nimi.