Biosyntéza a degradácia aminokyslín

Biosyntéza a degradácia aminokyslín Gustáv Kováč, Anna Porubenová Ústav chémie, klinickej biochémie a laboratórnej medicíny Slovenská zdravotnícka univerzita Bratislava

Úvod • Aminokyseliny slúžia ako • stavebné kamene proteínov a peptidov • prekurzory neurotransmiterov a hormónov • Ich uhlíková kostra sa používa na tvorbu energie v oxidatívnom metabolizme

Štruktúra kapitoly • Základné poznatky • Pri štúdiu biosyntézy a degradácie aminokyselín budeme venovať pozornosť • metabolizmu dusíka • metabolizmu uhlíkovej kostry • biosyntéze aminokyslín • vrodeným poruchám metabolizmu aminokyselín • signálnym molekulám • V klinických koreláciách uvedieme príklady využitia poznatkov o biosyntéze a degradácii aminokyselín v klinickej praxi na príkladoch: • redukčnej diéty • medziorgánového toku dusíka a uhlíka • reakcie na glutamát • Parkinsonovej choroby • hereditárnej hyperamonémie • syntézy karbamouylfosfátu • toxicity amoniaku • albinizmu • zmiešanej funkcie oxidáz • selenocystínu • cystínúrie

Základné poznatkyMetabolizmus dusíka • Existuje niekoľko ciest metabolizmu dusíka • transaminácia – prenos aminokyseliny na ketokyselinu • oxidatívna dezaminácia – oxidácia aminokyseliny na ketokyselinu a vznik amoniaku odštiepením aminokyseliny • odstránenie molekuly vody – aminokyselina sa zmení na nestabilný imín, ktorý sa rozpadá na ketokyselin a amoniak

Aminokyseliny z telových bielkovín a z potravy • Pool voľných aminokyselín v organizme vzniká degradáciou a obratom proteínov tela a prísunom aminokyselín vo forme proteínov potravy • Vyššie uvedený pool aminokyselín však v žiadnom prípade nepredstavuje rovnocennú zásobáreň aminokyselín ako je to v prípade tukov / tukové tkanivo / alebo cukrov / glykogén / • Napriek tomu slúži ako významný zdroj energie a ako zdroj pre syntézu prekurzorov pre významné biomolekuly / neurotransmitery a hormóny /

Degradácia aminokyselín • Metabolizmus aminoskupiny a uhlíkovej kostry je koordinovaný • Základný mechanizmus odstránenia aminoskupiny je transaminácia • Pre transamináciu je dôležitý ako kofaktor pyridoxal fosfát, ktorý vytvára s aminokyselinou pyridoxamínový intermediát, z ktorého sa aminoskupina prenáša na ketokyselinu • Transaminácia je primárna cesta katabolizmu dusíka, ale existujú aj iné cesty katabolizmu dusíka • V každom prípade dusík vstupuje do ureového cyklu cez aspartát alebo glutamát, ktoré sa vytvorili transamináciou z príslušný keto kyselín / oxalacetátu a glutarátu / • Ureový cklus predstavuje tento sled reakcií • reakcia aspartátu s citrulínom na arginín sukcinát / uvoľňuje sa fumarát / • arginín uvoľňuje ureu a mení sa na ornitín • ornitín reaguje s karbamoylfosfátom z glutamátu a dáva citrulín • Syntéza karbamoylfosfátu a ornitínu prebieha v mitochondrii • Ostatné reakcie prebiehajú v cytosole • Urea difunduje z bunky do krvi a vylučuje sa obličkami do moča • Glutamín a alanín sú hlavnými transportérmi aminoskupín medzi tkanivami a pečeňou – pretože ureový cyklus prebieha v pečeni

Vzťah ureového cyklu k centrálnemu metabolizmu • Je dôležité, aby sa zachovala rovnováha medzi produkciou a utilizáciou amoniaku • Analýza ukázala, že v skutočnosti existujú dva cykly, v ktorých sa metabolizmuje uhlík • ureový cyklus – kde sa recykluje • Krebsov cyklus – kde sa v rámci intermediárneho metabolizmu uhlíková kostra spracováva za účelom tvorbu energie / recyklácia fumarátu na aspartát / • Celkovú bilanciu močovinového cyklu možno popísať takto: • CO2 + NH4 + ATP + aspartát + H2O = urea + ADP + PP + AMP + fumarát + H • Ureový cyklus je rozštiepený medzi mitochondriálnu matrix / prvé dva kroky / a cytosol / ďalšie tri kroky /

Regulácia ureového cyklu • Ureový cyklus je primárne regulovaný N acetylglutmátom

Princíp dusíkovej rovnováhy • Ak organizmus rastie alebo je v rekonvalescencii, spotrebováva a príjma viac dusíka ako vylučuje – hovoríme že je v pozitívnej dusíkovej bilancii • Ak organizmus hladuje a vyčerpal všetky zásoby tukov a cukrov, odbúrava bielkoviny a spotrebuje a vylúči viac dusíka ako príjme – je v negatívnej dusíkovej bilancii • Ideálny stav je rovnováha medzi príjmom / spotrebou a vylučovaním dusíka – rovnovážna dusíková bilancia

Metabolizmus uhlíkovej kostryMetabolické intermediáty • Metabolizmus uhlíkovej kostry aminokyselín interferuje s metabolizmom cukrov a tukov • Jednotlivé uhlíkové kostry aminokyselín sa • buď transformujú na pyruvát a acetylkoenzým A, ktoré priamo vstupujú do glykolýzy a lipolýzy a nepriamo vstupujú do intermediárneho metabolizmu • alebo na oxalacetát, fumarát, sukcinyl CoA a ketoglutarát, ktoré priamo priamo vstupujú do intermediárneho metabolizmu • Aminokyseliny tak môžeme deliť na • glukogénne / pyruvát alebo TCA / - asparagín, glutamín, histidín, prolín • ketogénne / poskytujú acetyl CaA / - leucín, lyzín • zmiešané / fenylalanín, tryptofán /

Biosyntéza aminokyselín • Vývoj ponechal človeka bez možnosti syntetizovať sám pre vlastnú potrebu všetky aminokyseliny, ktoré potrebuje • Tie ktoré nedokáže syntetizovať sa nazývajú esenciálne • fenylalanin • valin • threonin • tryptophan • isoleucin • methionin • histidin • arginin • leucin • lysin • Zvyšné aminokyseliny dokáže organizmus syntetizovať de novo alebo recykláciou fragmentov

Vrodené poruchy metabolizmu aminokyselínFenylketonúria • Aby fenylalanín mohol vstúpiť do metabolizmu, musí byť hydroxylovaný enzýmom – fenylalanín hydroxylázou • Chýbanie tohto enzýmu spôsobuje fenylketónúriu, ktorá spočíva v hromadení abnormálnych metabolizov ako fenylpyruvát a fenyllaktát • Ak sa nelieči vzniká ťažká mentálna retardácia • Musí sa dodržiavať diéta bez fenylalanínu a bohatá na tyrozín

Alkaptonúria • Je spôsobená chýbaním enzýmu ktorý spôsobuje oxidáciu kyseliny homogentisovej ( metabolitu pri odburávaní fenyalanínu a tyrozínu ) • Táto kyselina sa na vzduchu oxiduje a dáva tmavú farbu moču • Jedinci s alkaptonúriou trpia ukladaním tejto kyseliny do chrupavky, čím sa im poškodzuje tkanivo a vznikajú ťažké artritídy • Liečba je vysokými dávkami vitamínu C

Choroba javorového syrupu • Ide o poruchu multienzýmového komplexu – dekarboxylázy rozvetvených aminokyslelín – ktorý zabraňuje dezaminácii a oxidatívnej dekarboxylácii rozvetvených aminokyselín • Neliečená vedie ku ketoacidózy a ketoacidúrii a zápach moča po javorovom syrupe • Vedie k fyzickej aj mentálnej retardácii

Signálne molekuly • Deriváty aminokyselín hrajú významnú úlohu ako signálne molekuly • Napríklad glycín, aspartát alebo glutamát či tyrozín sa premieňajú na neurotransmitery alebo hormóny

Metabolizmus vybraných aminokyselín • Ide o rozvetvené aminokyseliny – valín leucín a izoleucín • Tieto poskytujú acetyl CoA a acetoacetát

Klinické korelácie • je módou dodržiavať vysokobielkovinovú diétu bez tukov a cukrov pri redukcii obezity. To je nesprávne. Vedie to k vysokej záťaži bielkovinami. Rozhodujúca je redukcia kalórií – teda redukcia živín – cukrov, tukov a bielkovín – vyvážene. V tomto zmysle je pochybné nakupovať špeciálne bielkovinové prípravky. Lieky potlačujúce chuť do jedla majú na nešťastie významné vedľajšie účinky • alanín a glutamín hrajú významnú úlohu pri interorgánovom transporte ako mediátory prenosu dusíka a uhlíka medzi svalom a pečeňou – hovorí sa o glukózo – alanínovom cykle • glutamát sodný sa často pridáva do potravín ako konzervans. Môže spôsobiť pálenie. Tento príznak sa nazýva „Chinese Restaurant Syndrom“ • Parkinsonova choroba je spôsobená nedostatkom neurotransmiteru dopamínu, ktorého prekurzorom sú aminokyseliny fenylalanín a tyrozín. Lieči sa L DOPOu, ktorého prekurzorom sú tiež tieto aminokyseliny • hereditárna hyperamonémia je spôsobená chýbaním enzýmu ornitín transcarbamouyl transferázy. Spôsobuje neprospievanie a záchvaty vracania. Lieči sa infúziami fenylacetátu, benzoátu a arginínu • amoniak je pre organizmus toxický. Spôsobuje špeciálny príznak amoniakovú encefalopatiu • albinizmus – nedostatok pigmentu – je spôsobený chýbaním enzýmu – tyrozinázy • fenylalanín hydroxyláza je dôležitý enzým, lebo zabezpečuje hydroxyláciu alanínu, čo je kritický krok v metabolizme cyklických aminokyselín • selenocysteín sa zistil ako nová esenciálna aminokyselina • cystínúria – je porucha spôsobená poruchou transportného systému, ktorý prenáša cysteín a niektoré iné aminokyseliny cez epiteliálne bunkové membrány

Zapamatajte si • Metabolizmus aminokyselín je integrálnou súčasťou intermediárneho metabolizmu • Katabolizmus aminokyselín začína odstránením aminoskupiny, ktorá sa prenáša z aminokyseliny na ketokyselinu • Táto vstupuje do ureového cyklu a vylučuje sa vo forme urey • Zvyšná uhlíková kostra – podľa typu pôvodnej aminokyseliny – môže vstupovať do intermediárneho metabolizmu na viacerých miestach – do glykolýzy, lipolýzy, Krebsovho cyklu, glukoneogenézy, biosyntézy mastných kyselín, syntézy aminokyselín • Metabolizmus aminokyselín preto nepredstavuje izolovaný systém • Hoci aminokyseliny nemajú analogickú formu skladovania ako tuky ( tukové tkanivo ) alebo cukry ( glykogén ), hrajú významnú a dynamickú úlohu nielen ako stavebné kamene bielkovín a peptidov, ale aj ako prekurzory hormónov a neurotransmiterov. • V neposlednom rade slúžia aj – keď už niet inej možnosti – ako zdroje energie pre hladujúci organizmus • Poruchy metabolizmu aminokysleín majú významné dôsledky – ako dokazujú vrodené poruchy metabolizmu aminokyselín

Biosyntéza a degradácia aminokyslín