Lämmastikku sisaldavate ühendite metabolism

1. Lämmastikku sisaldavate ühendite metabolism

2. Lämmastiku tsükkel biosfääris • Aminohapete biosüntees • Aminohapete katabolism • Ammooniumi elimineerimine organismist • Aminohapped kui prekursorid biosünteesis

3. Lämmastiku tsükkel Lämmastik esineb mitme oksüdatsiooniastmega kujul erinevates anorgaanilistes ühendites ja orgaanilistes ühendites nii atmosfääris kui biosfääris Anorgaanilised ühendid nitraat NO3- +5 nitrit NO2- +3 lämmastik N2 0 ammoonium NH4+ -3 Biokeemia aminohapped valgud pürimidiinid puriinid biogeensed amiinid porfüriinid

4. Lämmastiku tsükkel Mullabakteritel on oluline roll biosfääri lämmastiku ringes • Nitrogenaasi sisaldavad lämmastikku fikseerijad N2Z NH3 • Nitrosomonas liigid NH3Z NO2- • Nitrobacter liigid NH3Z NO3- • Denitrifitseerijad NO3-Z N2 Oluline roll lämmastiku fikseerimisel on elektrilahendustel atmosfääris Paljud organismid kasutavad lämmastiku allikana orgaanilisi ühendeid

5. Lämmastiku fikseerimine Lämmastikku fikseerivates organismides katalüüsib vastavat reaktsiooni dinitrogenaasi kompleks. Vajab tubevat redutseerivat agenti ja kulutab suure hulga ATP energiat protsessi sooritamiseks N N + 3H2 Z 2NH3 Väga raskesti lõhutav kolmikside AH2 A oksüdeerunud ferredoksiin või flavodoksiin ferredoksiin või flavodoksiin redutseerunud dinitrogenaasi reduktas dinitrogenaasi reduktas Mo-Fe valk 16 ADP +16 Pi 16ATP dinitrogenaasi reduktas+16ATP dinitrogenaasi reduktas+16ATP Fe-S valk dinitrogenaas dinitrogenaas 2NH4+ H2 N2 + 2H+

6. Lämmastiku fikseerimine • Tugev redutseeriv agent elektronide allikana • ATP allikas • Elektrone ülekandev valk, mis muutub tugevaks taandajaks • Mo-Fe valk (dinitrogeeni reduktaas) • Mitteheemset Fe sisaldav Fe-S valk • N2 elektronide finaalse akseptorina Summaarne reaktsioon N2 + 10H+ + 8e- + 16ATP Z 2NH4+ + 16ADP + 16 Pi + H2

7. Aminohapete biosüntees • Elusorganismid on võimelised lülitama ammooniumi orgaaniliste ühendite koossisu • Olulised on karbamoüülfosfaadi, glutamaadi ja glutamiini sünteesi reaktsioonid • Glutamiin ja glutamaat on kasutusel aminohapete ja teiste ühendite sünteesil • Karbamoüülfosfaat on kasutusel näiteks karbamiidi ja pürimidiinide sünteesil

8. Glutamaadi süntees a-ketoglutaraat on tsitraaditsükli vaheühend, mille kaudu on glutamaadi süntees seotud tsitraaditsükliga

9. Glutamiini süntees Glutamiini süntetaas on allosteeriliselt reguleeritud. Paljud metaboolsete radade lõppproduktid nagu histidiin, trüptofaan, AMP, CTP jt inhibeerivad glutamiini süntetaasi. Kõikidel organismidel on olemas glutamaadi dehüdrogenaas ja glutamiini süntetaas. Kõrgematel taimedel ja prokarüootidel on olemas lisaks glutamaadi süntaas: a-ketoglutaraat + glutamiin + NADPH + H+ Z 2 glutamaat + NADP+

10. Aminohapete biosüntees • Igal aminohappel on unikaalne biosünteesi rada, mis üldiselt on konserveerunud erinevatel organismidel. • Eristatakse 6 aminohapete perekonda vastavalt ühisele eellasmolekulile tsentraalses metabolismis • Aminohapete süsinikskelet pärineb glükolüüsi, tsitraaditsükli või pentoosfosfaadi raja intermediaatide hulgast • Aminorühm pärineb tüüpiliselt glutamaadi koosseisust Riboos-5-fosfaat Histidiin 3-fosfoglütseraat Seriin Tsüsteiin Glütsiin Püruvaat Alaniin Valiin Leutsiin Oksaloatsetaat Aspartaat Asparagiin Metioniin Lüsiin Treoniin Isoleutsiin Fosfoenoolpüruvaat+ Erütroos-4-fosfaat Trüptofaan Fenüülalaniin Türosiin a-ketoglutaraat Glutamaat Glutamiin Proliin Arginiin

11. Asendatavad aminohapped • Asendatavad aminohapped on sellised, mille biosünteesi rajad on loomadel olemas • Vastavad biosünteesi rajad on tüüpiliselt lihtsamad Alaniini aminotransferaas Püruvaat + glutamaat alaniin + a-ketoglutaraat Oksaloatsetaat + glutamaat asparataat + a-ketoglutaraat Aspartaadi aminotransferaas

12. Seriini biosüntees

13. Glütsiini biosüntees • Glütsiin sünteesitakse seriinist lähtudes • Sünteesil kasutatakse ebaharilikku 1C ülekannet • Reaktsioonis osaleb kofaktorina tetrahüdrofolaat

14. Hädavajalikud aminohapped • Produtseeritakse taimede ja bakterite poolt • Biosünteesi rajad on pikemad ja keerukamad Fenüülalaniini, türosiini ja trüptofaani biosüntees. Kõigil on 2 ühist etappi, fenüülalaniinil ja türosiinil 3.

15. Aminohapete katabolism • Ca 75% aminohapetest kasutatakse valkude sünteesiks • Aminohapped saavad pärineda toidust saadud valkudest või endogeensete valkude degradatsioonist • Endogeensete valkude degradatsioon toimub pidevalt ja teatud hulk valke on pidevalt välja vahetamisel- protein turnover • Valgumolekulide eluiga rakus varieerub oluliselt Mõnede valkude poolestusajad Ensüümid 5-10 min Hemoglobiin 120 päeva Lihasvalgud 180 päeva Kollageen 1000 päeva

16. Aminohapete metabolismi üldskeem Tsitraadi tsükkel Organismi valk C-skelett katabolism seedimine Valk toidust Aminohapped lämmastik Uurea tsükkel Süntees maksas Lämmastiku ühendid

17. Aminohapete katabolism Aminohappeid ei kasutata metaboolse kütusena pidevalt, vaid ainult järgmistel tingimustel • Liiga palju valku toidus • Valkude retsükleerimine normaalsel tasemel • Nälg/diabeet Aminohapete kataboolsed rajad • Igal aminohappel on unikaalne degradatsiooni rada • Kõik aminohapped konverteeritakse põhimetabolismi ühenditeks minimaalsete kulutustega

18. Aminohapete katabolism • Aminohapped ei moodusta depood analoogiliselt lipiididele ja sahhariididele • Aminohapete liia korral või teiste energiaallikate puudumisel kasutab organism aminohappeid energia saamiseks • Erinevalt süsivesikutest on aminohapete metabolismis olemas ammooniumi kujul lämmastiku eemaldamise probleem • Ammoonium tuleb organismist eemaldada kuna on toksiline a-aminorühma eemaldamine a-aminorühma eemaldamine on 2 etapiline protsess Transaminatsioon- aminotransferaasid kannavad aminorühmaa-ketoglutaraadi koosseisu tekitades glutamaadi või oksaloatsetaadi koosseisu tekitades aspartaadi Oksüdatiivne deamineerimine- Aminorühma eemaldamine glutamaadi koosseisust ammooniumiooni produtseerimisega

19. B6 vitamiin ja transamineerimine Aminotransferaaside koosseisu kuulub prosteetilise rühmana püridoksaalfosfaat, mis tekib vitamiin B6-st.

20. Aminorühma eemaldamise reaktsioonide summaarne skeem transamineerimine Oksüdatiivne deamineerimine a-aminohape a-ketoglutaraat NAD+ +H2O glutamaat oksaloatsetaat a-ketohape aspartaat NADH + NH4+ Uurea tsüklisse

21. Süsinikskeleti katabolism • Aminohapped degradeeeritakse üheks või kaheks seitsmest vaheühendist • Kõik süsinikskeletid suunduvad lõppkokkuvõttes tsitraaditsüklisse • Ketogeensed aminohapped • Produtseerivad ketokehasid • Degradeeritakse atsetüül-CoA-ks või atsetoatsetüülCoA-ks • Glükogeensed aminohapped • Degradeeritakse püruvaadiks, a-ketoglutaraadiks, suktsinüül-CoA-ks, fumaraadiks või oksaloatsetaadiks • Glükogeensed aminohapped on seega eellasteks glükoosi neogeneesil

22. Süsinikskeleti katabolism: hargnenud kõrvalahelaga alifaatsed aminohapped Isoleutsiin, leutsiin ja valiin – katabolismis sarnased reaktsioonid • Transaminatsioon katalüüsitud hargnenud ahelaga transaminaasi poolt • a-ketoproduktid dekarboksüleeritakse järgnevalt ensüümkompleksi poolt, mis sarnaneb püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksile • Edasine katabolism on erinev

23. Fenüülalaniini katabolism • Esimese reaktsioonina toimub hüdroksüleerimine türosiiniks • Järgnevalt toimub transamineerimine • Fenüülketonuuria • Geneetiline defekt fenüülalaniini hüdroksülaasi geenis • Sagedus 1:13000 • Põhjustab füüsilist ja vaimset alaarengut • Ravi- fenüülalaniini piiramine toidus kuni 10a vanuseks saamiseni

24. Lisaks fenüülketonuuria on tuntud veel teisi fenüülalaniini metabolismi häireid

25. Ammooniumiooni elimineerimine Kõik üleliigsed aminohapped deamineeritakse Tekkiv ammooniumioon on toksiline ja tuleb kõrvaldada organismist Uurea tsükkel- energiamahukas tsükliline rada ammooniumi konverteerimiseks Toimub maksas Tulemuseks uurea ehk karbamiidi moodustumine Uurea elimineeritakse uriini abil Uurea tsükli blokeerimine on letaalne Teist alternatiivi ammooniumi eemaldamiseks pole On rida geneetilisi defekte, mis mõjutavad arginaas karbamoüülfosfaadi süntaas Ornitiini transkarbamoülaas

26. Aminohapped on prekursoriteks teistele biomolekulidele Porfüriinid- heem, klorofüll, tsütokroomid Heem- ca 900 miljardit Hg molekuli tekib igas sekundis täiskasvanud organismis, 1 Hg- 4 heemi Esiteks tekib d-aminolevulinaat glütsiini ja suktsinüülCoA kondensatsioonil 2 ALA molekuli kondenseerimisel tekib porfobilinogeen, mis on reguleeritav etapp

27. 4 porfobilinogeeni kondenseerimisel tekib protoporfüriin IX protoporfüriin IX seob Fe iooni, moodustub heemM

28. Puriin ja pürimidiinnukleotiidide süntees • Nukleotiidid koosnevad järgmistest komponentidest: • Lämmastik alus- puriin või pürimidiid • Suhkur- riboos või desoksüriboos • Fosfaat Nukleotiidid kuuluvad DNA, RNA, FAD, NAD+, CoASH, SAM koosseisu Nukleotiide sünteesitakse kas de novo (rada olemas kõigis organismides) päästerada kasutades

29. Puriinide ja pürimidiinide biosüntees Päästerada 90% toiduga saadavatest lämmastikalustest retsükleeritakse, võimalik oluliselt energiat kokku hoida. Päästerada olulisem puriinide korral Olulised ensüümid Adeniini fosforibosüüli transferaas Guaniini-hüpoksantiini fosforibosüüli transferaas Adeniin + PRPP AMP + PPi Guaniin + PRPP GMP + PPi

30. de novo süntees- süntees uuest lähtematerjalist • Põhietapid • Heterotsüklilise tuuma süntees • Riboosfosfaadi liitmine • Täiendav protsessing • Puriinidel ja pürimidiinidel erinev strateegia • Puriinide lämmastikalus moodustatakse PRPP küljes • Pürimidiinide korral liidetakse PRPP alles peale esmase heterotsükli sünteesi • Tsüklite erinevad aatomid on pärit mitmetest lähteühenditest