12. metabolizam aminokiselina
DESCRIPTION
Biokemija 2 - predavanja (PMF Split), prof.dr. sc.Maja Pavela - VrančićTRANSCRIPT
Sveučilište u SplituPrirodoslovno-matematički fakultet
Odjel za kemiju
prof. dr. sc. Maja Pavela-Vrančič
podjedinice proteina
preteče biološki značajnih spojeva dušika hem fiziološki aktivni amini glutation, nukleotidi, nukleotidni koenzimi
metaboličko gorivo: preteče glukoze, masnih kiselina i ketonskih tijela
Značaj -aminokiselina
Bitne (esencijalne) aminokiseline su one kojeorganizam sam ne sintetizira, već ih dobije putem hrane
Biljke proizvode sve aminokiseline
Sisavci proizvode samo nebitneaminokiseline
grah jebogat
lizinom
Bitneaminokiseline
tjestenina je bogata
metioninom
Porphyra, morskacrvena alga,(do 47% proteina)
Koristi se u pripravi sušija riblja ikra
Inke su je smatrale “savršenom hranom”
Kinoa (Chenopodium) je žitarici-sličnabiljka (12-18% proteina)
Hrana bogata proteinima
mrav štiti akaciju od biljojeda
akacija mravu pruža zaštitu i osigurava izvore proteinske hrane
Simbiotska zajednica akacije i mrava
proteiniproteolitički enzimi
proteolitički enzimi
lumen Stanice crijevnog epitela plazma
amino kiseline
amino kiseline
oligopeptidi
dipeptiditripeptidi
peptidazepeptidaze
aminopeptidazeaminopeptidaze
Proteolitički enzimi: Proteolitički enzimi: cijepaju peptidnu vezu u proteinimacijepaju peptidnu vezu u proteinimaProteolitički enzimi: Proteolitički enzimi: cijepaju peptidnu vezu u proteinimacijepaju peptidnu vezu u proteinima
Peptidaze: Peptidaze: cijepaju peptidnu vezu u peptidimacijepaju peptidnu vezu u peptidimaPeptidaze: Peptidaze: cijepaju peptidnu vezu u peptidimacijepaju peptidnu vezu u peptidima
Razgradnja proteina iz hrane i apsorpcijaprodukata razgradnje
Luminalna strana plazma membrane enterocita sadrži najmanje 4 natrij-zavisna prijenosnika za aminokiseline: aminokiseline se prenose u enterocite u zavisnosti od elektrokemijskog gradijenta Na+
Di- i tripeptidi se prenose u enterocite vezanim prijenosom s H+
Prijenos aminokiselina iz enterocita u plazmu odvija se prijenosom koji ne zavisi od Na+
odrasli razgrađuju 1-2% proteina tijela dnevno
sklonost proteina razgradnji izražava se kroz poluvrijeme života (t1/2)
t1/2 proteina jetre: od 30 min do 150 h kratkoživući proteini: proteini koji sudjeluju
u metaboličkoj regulaciji
novosintetizirani proteini se razgrađuju ako su neispravni greška u translaciji nepravilno uvijanje
proteini se s vremenom oštećuju npr. oksidacijom
Životni vijek proteina
Ako prehrana donosi više aminokiselina nego što jepotrebno za sintezu proteina i drugih biomolekula
višak aminokiselina ne može se uskladištiti niti izlučiti
višak aminokiselina upotrebljava se kao metaboličko gorivo
Glavno mjesto zarazgradnju aminokiselina
u sisavaca:jetra
aminokiseline
biosinteza NH4+ ciklus
uree
ugljikovodični lanac
stanično disanje
sintezamasnih kiselinai ketonskih tijela
sinteza glukoze i glikogena
Ako prehrana ne zadovoljava potrebe organizma
razgrađuju se tjelesni proteini
razgradnjom aminokiselina nastaju glavni međuprodukti metabolizma, koji se mogu
prevesti u glukozu (glukoneogeneza), ili
oksidirati u ciklusu limunske kiseline
I. Odgradnja AMINO SKUPINE 1. transaminacija
2. oksidacijska deaminacija
II. Razgradnja UGLJIKOVODIĆNOG LANCA
Razgradnja aminokiselina
R C
H
COO-
NH3+
C
CH2OH
COO-
HH3N C
COO-
H3N
CH2
C
COO-
O
CH3
+
H2O
+
H2O
NH4++
Serin i treonin mogu se izravno deaminirati
serin piruvat + NH4+
treonin -ketobutirat + NH4+
Enzim: serin- i treonin-dehidrataza
serin pituvataminoakrilat (enamin)
R 1 C
H
NH2
COO- R 2 C COO-
O
R 2 C
H
NH2
COO-R 1 C COO-
O
+
+
ketokiselina1 aminokiselina2
Većina aminokiselina se deaminiratransaminacijom
Transaminacija je prijenos amino skupine s
AMINOKISELINE na KETOKISELINU
aminokiselina1 ketokiselina2
enzimi:transaminaze ili aminotransferaze
kofaktor:piridoksal fosfat(derivat vitamina B6)
α-aminokiselina1
α-ketokiselina2 α-aminokiselina2
α-ketokiselina1enzim enzim
enzim enzim
NH2
PLP PMP
PLP
+ +
+ +
U transaminaciji piridoksal fosfat prelazi upiridoksamin fosfat
piridoksin piridoksal fosfat piridoksamin fosfatvitamin B6 (PLP) (PMP)
PMP
NH2
α-aminokiselina + α-ketoglutarat α-ketokiselina + glutamat
glutamat + oksaloacetat α-ketoglutarat + aspartat
Aminotransferaze se razlikuju po specifičnosti
Amino skupina se s većine aminokiselinausmjerava u glutamat
Najčešće ketokiseline u transaminaciji suα-ketoglutarat i oksaloacetat (međuprodukti CLK)
oksidacijaoksidacija
hidrolizahidroliza
NH4+
glutamat
-iminoglutarat
-ketoglutarat
U mitohondriju, oksidacijskom deaminacijom glutamata obnavlja se -ketoglutarat
Enzim: glutamat dehidrogenaza
Mitohondrijski enzimEksprimira se u jetri, mozgu,
gušterači, bubrezima (ne u mišićima)
Koenzim: NAD+ ili NADP+
Reakcija je REVERZIBILNA !!!
Oksidacijskom deaminacijom glutamata obnavlja se
utrošeni -ketoglutarat,a oslobađa NH4
+ ion
NH4+ nastaje iz AK, purinskih i
pirimidinskih baza i drugih spojeva s dušikom
Način prijenosa ovisi o tkivu: glutamin (iz mozga, srca,
masnog tkiva i mišića u jetru) alanin (iz mišića u jetru) urea (iz jetre u bubrege)
Prijenos NH4+ do jetre odvija se putem
netoksičnih metabolita
glutamatglutamat
glutamin
glutamin
glukoza
glukoza
piruvat
piruvat
alanin
alanin
urea
glikoliza glu
kon
eog
en
eza
AK
krv
JETRA
MIŠIĆ
MOZAK
Prijenos NH4+ iz mozga do jetre –
glutaminski ciklus
MOZAK:ATP + NH4
+ + glutamat ADP + Pi + glutamin + H+
enzim: glutamin sintetaza
glutamin je neurotranzmiter
glutamin NIJE toksičan – putuje krvlju do jetre
JETRA:glutamin + H2O glutamat + NH4
+
enzim: glutaminaza
glutamat + NAD(P)+ + H2O -ketoglutarat + NAD(P)H + H+ + NH4+
NH4+ ne prolazi kroz membranu
u krvi i u stanicama u ravnoteži su krv membrana unutarstanični prostor
difuzija
NH4+ H+ + NH3 (g) NH3 (g) + H+ NH4
+
slobodni – plinoviti NH3 lako prolazi kroz membranu i može lako dospjeti u mozak i druga tkiva
visoke koncentracije NH4+ su TOKSIČNE
Kod pH 7,4 prevladava protonirani oblik NH4+
glutamat glutamat + NAD+ NAD++ + H + H22O O -ketoglutarat + NH-ketoglutarat + NH44++ + NADH + H + NADH + H++
HIPERAMONEMIJA
U krvi zdrave osobe. 25-40 mol/L uree 60 mol/L uree hiperamonemija
uzrok: smanjena aktivnost enzima ciklusa uree simptom: visoka razina amonijaka u krvi posljedica: oštećenje mozga razlog:
NH4+
ATP + NH4+ + glutamat ADP + Pi + glutamin + H+
glutamin se iz mozga prenosi u jetru nedostatak -ketoglutarata u mozgu smanjena brzina nastanka ATP mozak je jako osjetljiv
na nedostatak ATP
α-aminokiselina + piruvat→α-ketokiselina + alanin
Mišićna aminotransferazakao ketokiselinu koristi piruvat
Kod pojačane aktivnosti ili gladovanja mišić koristi razgranate aminokiseline kao gorivo
JETRA
glukoza
glukoneogeneza
piruvat
transaminacija
alanin
MIŠIĆ
glukoza
glikoliza
transaminacija
glutamat
-ketoglutarat
glutamat
-ketoglutarat
NH4+
Urea
piruvat
alaninRAZGRANATE
AMINOKISELINE
Glukoza-alaninski ciklus
Prenosi dušik iz mišića u jetru
-ketokiseline
JETRA
glukoza
glukoneogeneza
piruvat
transaminacija
alanin
MIŠIĆ
glukoza proteini
glikoliza aminokiseline piruvat
piruvat transaminacija
transaminacija
alanin alanin
PERIFERNO TKIVO
glukoza glikoliza
glutamat
Kod produljenog gladovanja proteini skeletnih mišićaizvor su goriva za periferno tkivo
Dio NH4+ koji nastaje razgradnjom aminokiselina
troši se za biosintezu glutamina i drugih dušičnih spojeva
glutamat glutamin
glutaminsintetaza
aspartataspartat
glicin
formil-THF
formil-THF
glutamin
glutamin
purinske baze pirimidinske baze
N
CN
C NC
C NC
HCO3-
HCO3-
N
CN
C
CC
Amonotelni organizmi: vodene životinje izravno izlučuju NH4
+ u okolnu vodu
Urikotelni organizmi: ptice i kopneni gmazovi pretvaraju NH4
+ u mokraćnu kiselinu te je izlučuju u kristaliničnom obliku
Urotelni organizmi: višak NH4+ se kod većine
kopnenih kralješnjaka pretvara u UREU, a zatim izlučuje putem mokraće
Višak NH4+ se izlučuje
αα-ketokiselina-ketokiselina
αα-aminokiselina-aminokiselina
glutamatglutamat NADNAD++
αα-ketoglutarat-ketoglutarat NADHNADH UreaNH4++
Ponavljanje
transaminacijaoksidacijskadeaminacija
MITOHONDRIJ
neutralna lako topljiva nije toksična
Metabolička sudbina uree
sintetizira se samo u jetri izlučuje se putem bubrega (urinom) sinteza je povezana s potrošnjom ATP
Zašto urea?
urea aspartataspartat
fumarat
Ciklusuree
citosol
mitohondrij
ornitinornitin
ornitinornitin
citrulincitrulin
citrulincitrulin
argininosukcinatargininosukcinatargininarginin
Ciklus uree je kružni metabolički put -odvija se isključivo u jetri
karbamoil fosfat
Djelomični nedostatak enzima ciklusa uree uzrokuje mentalnu zaostalost, letargiju i povraćanje
Potpuni nedostatak bilo kojeg enzima ciklusa uree prouzročit će komu i smrt ubrzo nakon rođenja
UREA
C-atom dolazi iz HCO3-
karbamoil-fosfat sintetaza I je MITOHONDRIJSKI enzim
reakcija je ireverzibilna (troše se 2 ATP)
karbamoil fosfat anhidridna veza: visoki
potencijalom za prijenos skupina
Jedan N-atom uree dolazi iz NH4+
:NH3:NH3
ATPATP
HCO3-HCO3- +
PiPi
ADPADP
ATPATP
ADPADP
karbonil-fosfat
karbamat
karbamoil-fosfat
NH2 C
O
NH2
-O C
O
NH2
O3PO C
O
NH2-2
aspartat
oksaloacetat
aminokiselina
-ketokiselina
-ketoglutarat
glutamat
Drugi N-atom uree dolazi iz aspartata
Aspartat nastaje transaminacijom oksaloacetata
urea aspartataspartat
fumarat
Ciklusuree
CITOSOL
MITOHONDRIJ
ornitinornitin
ornitinornitin
citrulincitrulin
citrulincitrulin
argininosukcinatargininosukcinatargininarginin
karbamoil fosfat
Sinteza uree odvija se uz utrošak 3 ATP,ali 4 energijom bogate veze
ATP
AMP +
1 ATP
PPi
NH4+ + HCO3
-
2ATP 2ADP + Pi + 3H+2 ATP
glutamatglutamat alaninalanin
aminokiselinaaminokiselina
ureaurea
Ciklus uree
transaminacija na-ketoglutarat
Ponavljanje
-ketoglutarat-keto
glutarat
aspartat amino-transferaza
glutamatdehidro-genaza
ornitinornitin fumaratfumarat
argininosukcinatargininosukcinatcitrulincitrulin
NH4+
karbamoilfosfat
karbamoilfosfat
1
2
3
4
glutaminglutamin
glutaminglutamin
aspartataspartat
glutamatglutamat
citrulincitrulin
ornitinornitin
aspartataspartat
argininarginin
aspartataspartat
oksaloacetatoksaloacetat
CITOSOL
CLK
Ciklus uree
fumarat
malat
oksaloacetat
aspartat
-ketoglutarat
glutamat
fumarat
malat
oksaloacetat
aspartat
argininosukcinat
karbamoil fosfat
citrulin
argininurea
ornitin
Aspartat se reciklira preko fumarata:osigurava stalan dotok dušika u ciklus ure
citrulin
ornitin
GLUKOGENE aminokiseline produkti razgradnje
iskorištavaju se za sintezu glukoze
Ugljikovodični lanci aminokiselina razgrađuju sedo zajedničkih intermedijera metabolizma
KETOGENE aminokiseline produkti razgradnje iskorištavaju
se za sintezu ketonskih tijela i masnih kiselina
C3 aminokiseline razgrađuju se do piruvataC3 aminokiseline razgrađuju se do piruvata
triptofantriptofan glicinglicin
alanin serin cisteintreonin
piruvataminoaceton
glukogene AK
ketogene AK
glukogene iketogene AK
Kofaktor u metabolizmu glicina –N5,N10-metilentetrahidrofolat
alanin
piruvat
cistein
glicin
serin
N5,N10-metilenTHF
THF
serindehidrataza
alanin amino-transferaza
-ketoglutarat
glutamat
serinhidroksimetiltransferaza
nekoliko puteva(oslobađa se H2S,
SO32-, ili SCN-)
NADH+NH4++CO2
NAD+ + glicin
NH3
CH2 COO
+
-
NH3
CH COOCH2OH
+
-
NH3
CH COOCH2SH -
NH3
CH COOCH3-
C COOCH3
O-
H2O H2O NH4+
folna kiselina THF
folat 7,8-dihidrofolat(DHF)
tetrahidrofolat(THF)
Folna kiselina je preteča tetrahidrofolata (THF)
Sisavci ne proizvode folnu kiselinu
Enzim: dihidrofolat reduktaza
Reaktivna mjesta THF N5-metil-THF
N5,N10-metilen-THF N5,N10-metenil-THF
adrenalin
N5-metil-THF metionin SAM
fosfatidilkolin
N5,N10 -metilen-THF dTMP DNA
N5,N10 -metenil-THFfMet-tRNA
proteini
N10- formil-THF
purini histidin
Derivati tetrahidrofolata prenose C1-jedinicerazličitog stupnja oksidacije (izizev CO2)
metil
metilen metenil
aspartat + -ketoglutarat oksaloacetat + glutamat
C4-aminokiseline (aspartat i asparagin)razgrađuju se do oksaloacetata
asparagin
aspartat
oksaloacetat
-ketoglutarat
glutamat
asparaginaza
aspartataminotransferaza
C CH2
O
NH2
CH
NH3
COO-
+
C CH2
O
CH
NH3
COO
O
-
+
-
C CH2
O
C COO
O
O
-
-
H2O
NH4+ glukogene AK
ketogene AK
glukogene iketogene AK
C5 aminokiseline razgrađuju se do -ketoglutarataC5 aminokiseline razgrađuju se do -ketoglutarata
glutamin
prolin
argininhistidin
glutamat
-ketoglutarat
Val, Met i Ile razgrađuju sedo propionil-CoA
Val, Met i Ile razgrađuju sedo propionil-CoA
valinvalin metioninmetionin izoleucinizoleucin
propionil-CoA
metilmalonil-CoA
sukcinil-CoA
Aminokiseline s razgranatim ugljikovodičnim lancemrazgrađuju se do acetil-CoA, acetoacetata i propionil-CoA
razgradnja se odvija kombinacijom reakcija iz -oksidacije i sinteze ketonskih tijela
leucin je isključivo ketogena aminokiselina (produkti razgradnje: acetil-CoA i acetoacetat)
izoleucin i valin su ketogene i glukogene aminokiseline (propionil-CoA se prevodi u sukcinil-CoA, međuprodukt CLK)
(1) transaminacija
(2) oksidacijskadekarboksilacija
(3) oksidacija
(4) hidracija
(5) oksidacija
(6) tioliza
(A) izoleucin(B) valin(C) leucin
acetil-CoA acetil-CoA
propionil-CoAacetoacetat
HMG-CoA
(1) fenilalanin hidroksilaza je
MONOOKSIGENAZA: jedan atom kisikaiz O2 dolazi u produktu, a drugi u H2Oreducens: tetrahidrobiopterin
(2) Transaminacija
(3) p-hidroksifenil-piruvat hidroksilaza jeDIOKSIGENAZA: oba atoma iz O2 seugrađuju u produkt
(4) homogensinat oksidaza:dioksigenaza
Aromatski prsten aromatskih aminokiselina cijepa se pomoću molekulskog kisika
fenilalanin
tirozin
tetrahidrobiopterin + O2
dihidrobiopterin + H2O
p-hidroksifenil-piruvat
homogensinat
fumarat
acetoacetat
H C
COO-
CH2
NH3+
H C
COO-
CH2
NH3+
H C
COO-
CH2
NH3+
OHH C
COO-
CH2
NH3+
OH
-OOC C CH2 OH
O
-OOC C CH2 OH
O
askorbat + O2
dihidroaskorbat + H2O + CO2
-OOC CH2
OH
OH
-OOC CH2
OH
OH
C COO-H
CH C
O
CH2 C
O
CH2 COO-
C COO-H
CH C
O
CH2 C
O
CH2 COO-
O2
1
3
4
+
2
povišena razina fenilalanina u krvi
fenilpiruvat u krvi
oštećenje mozga mentalna zaostalost jake glavobolje
ne stvara se melanin svijetla koža i kosa, plave oči
terapija hrana siromašna fenilalaninom
Fenilketonurija je posljedicanedostatka fenilalanin hidroksilaze
fenilalaninhidroksilaza
fenilalaninfenilalanin
fenilpiruvatfenilpiruvat
tirozin
transaminaza
H C
COO-
CH2
NH3+
H C
COO-
CH2
NH3+
H C
COO-
CH2
NH3+
OHH C
COO-
CH2
NH3+
OH
C CH2
O
-OOC C CH2
O
-OOC
Inaktivni enzimonemogućava
pretvorbu tirozina u DOPA i dopakinon
Albinizam je posljedica poremećajau metabolizmu tirozina
tirozinaza
tirozinaza
tirozin DOPA
dopakinonmelanin
OH
CH2 CH COO-
NH3+OH
CH2 CH COO-
NH3+OH
CH2 CH COO-
NH3
OH
+OH
CH2 CH COO-
NH3
OH
+
CH2 CH COO-
NH3
O
O+
CH2 CH COO-
NH3
O
O+
O2 H2O
O2
H2ON
O
O O
NN
O
O O
N
Razgradnja ketogenih aminokiselina
ketogene AK
ketogene iglukogene AK
Lizin je isključivo ketogena aminokiselinaLizin je isključivo ketogena aminokiselina
Lizin se preko acetoacetil-CoA i HMG-CoArazgrađuje do acetil-CoA i acetoacetata
lizin
-hidroksibutiril-CoA
acetoacetil-CoA
acetoacetat
HMG-CoA
acetil-CoA
acetil-CoA
CoA
lizinlizin
HMGCoAHMGCoA
acetil-CoAacetil-CoA
acetoacetateacetoacetate
Sinteza HEMA
Sinteza fiziološki aktivnih AMINA
Aminokiseline su preteče u biosintezi mnogihfiziološki aktivnih spojeva
Ključna reakcija je reakcija dekarboksilacije: otpuštanje CO2
Enzim: dekarboksilaza kofaktor: piridoksal
fosfat (PLP)
glutamat GABA
CO2
histidin histamin
CO2
GABA je jedan od glavnih moždanihinhibitornih neurotranzmitera
HISTAMIN sudjeluje u alergijskim reakcijama ikontrolira lučenje želučane kiseline
glutamat dekarboksilaza(PLP zavisna)
histidin dekarboksilaza(PLP zavisna)
triptofan
serotonin
CO2
5-hidroksitriptofan
SEROTONIN regulira funkcije poput fine mišićne kontrakcije, regulacijetemperature, apetita, osjećaja boli, ponašanja, krvnog tlaka i disanja
tetrahidrobiopterin dihidrobiopterin
triptofan hidroksilaza
dekarboksilaza(PLP zavisna)
Stvara se u mozgu, pinealnoj žlijezdi, trombocitima i probavnom traktuKada je u ravnoteži, daje osjećaj zadovoljstva i mentalne opuštenosti
C
H
H
C
H
NH2
COOHOH
C
H
H
C
H
NH2
COOH
OH
OH
C
H
H
C
H
NH2OH
OH H
C
H
OH
C
H
NH2OH
OH H
C
H
H
C
H
NH2
COOH
C
H
OH
C
H
NH
OH H
OH
CH3
Hormon: potiče razgradnju glikogena
Hormon: potiče razgradnju glikogena
Pigment kožePigment kože
Parkinsonova bolest: nedostatak dopaminaParkinsonova bolest: nedostatak dopamina
tirozin
melanin
dopamin
adrenalin
L-DOPA
CO2
noradrenalin
Tirozin je preteča za sintezu kateholaminadopamina, noradrenalina i adrenalina
H
fenilalanin
OH
OH
kateholtirozin hidroksilaza
odgradnja amino skupine
biosintezabiosinteza
razgradnja ugljikovodičnog lancarazgradnja ugljikovodičnog lanca
ureaketonska tijela glukoza
intermedijeri metabolizma
biomolekuleproteini
proteini
ciklus uree
NH4+
aminokiseline
Ponavljanje
Aminokiseline se dijele u6 biosintetskih obitelji
Aminokiseline se sintetiziraju iz međuprodukata glikolize, pentoza fosfatnog puta,ciklusa limunske kiseline
1
2
3
4
5
6 glukoza-6-fosfat riboza-5-fosfat histidin
cistein serin 3-fosfoglicerat glicin eritroza-4-fosfat
fosfoenolpiruvat fenilalanin tirozin triptofan alanin piruvat valin asparagin leucin lizincistein metionin aspartat treonin oksaloacetatizoleucin CLK arginin -ketoglutarat glutamat glutamin prolin