Transcript Metabolismus aminokyselin I - Ústav lékařské chemie a klinické

Metabolismus aminokyselin I
Jana Novotná
2. LF UK, Ústav lékařské chemie a klinické biochemie
Osnova přednášky
• Přehled metabolismu aminokyselin
• Trávení a absorpce, přenos AK do buněk
• Obecné reakce aminokyselin (transaminace,
deaminace, dekarboxylace)
• Syntéza neesenciálních aminokyselin
• Katabolismus aminokyselin
Metabolismus aminokyselin
Tělesné proteiny
Proteosyntéza
Proteiny
z potravy
Trávení
300 – 400
g/den
Proteolýza
Nebílkovinné deriváty:
zásoba volných
aminokyselin
Přeměna
ulíkové kostry
Glykolýza
krebsův cyclus
Močovina
Sacharidy
lipidy
porfyriny
puriny
pyrimidiny
neurotransmitery
hormony
složené lipidy
aminocukry
NH3
CO2
voda
Ketolátky
Acetyl CoA
Trávicí enzymy štěpící proteiny
Trávicí trakt
Endopeptidasy - žaludeční - pepsin
Pankreatické - trypsin, chymotrypsin, elastasa
Exopeptidasy (pankreas) - aminopeptidasy, karboxypeptidasy, dipeptidasy

Hydrolýza  polypetidy  oligopetidy  aminokyseliny  střevní sliznice 
transport k cílovým tkáním.
Pepsin (pH 1.5 – 2.5) – peptidová vazba mezi hydrofóbními AK a aromatickými
AK (Tyr, Phe, Trp)
Trypsin (pH 7.5 – 8.5) – peptidová vazba za Lys a Arg
Chymotrypsin (pH 7.5 – 8.5) – peptidová vazba za aromatickými AK (Trp,
Phe,Tyr), v menší míře za Met, Leu
Pankreatická elastasa (pH 7.5 – 8.5) – peptidová vazba za Ala, Gly a Ser
Odbourávání aminokyselin intracelulárně
 Prvním krok - odstranění a-aminoskupiny většinou jako NH3  vyloučen přímo
nebo přes další sloučeniny.
Vstřebávání aminokyselin ve střevě
• Kotransport s Na+ - semispecifické
Na+ dependentní proteiny
• AK se dostává na serózní straně
usnadněným transportem po
koncentračním spádu Na+ (sodíkový
gradient).
• Transportní systémy pro neutrální
aminokyseliny, prolin a
hydroxyprolin, kyselé, bazické
aminokyseliny a cystin.
Klinická korelace
Geneticky podmíněný porušený transport aminokyselin do buněk
kartáčového lemu tenkého střeva a ledvinových tubulů, není
reabsorpce v proximálním tubulu  aminokyseliny do moče
• Cystinurie – přenašeč pro cystin a bazické aminokyseliny,
lysin, arginin, ornithin do buněk:
– ledvinové kameny
• Hartnupova nemoc - vrozená izolovaná porucha transportu
neutrálních aminokyselin střevní sliznicí a renálními tubuly
podmíněná defektem specifického transportního genu pro tyto
aminokyseliny na 2. chromozomu
– obvykle nevyvolává žádné klinické příznaky, jen malá část pacientů
kolem 10 roku fotosenzitivní, ekzémy.
Moč novorozenců je rutinně vyšetřována
Intracelulární metabolický obrat proteinů a
doplňování zásoby volných aminokyselin
• Poločas metabol. obratu proteinů:
– krátkodobé p. (regulační, špatně složené) – poločas minuty
– dlouhodobé p. (většina buněčných proteinů) – poločas dny,
týdny
– strukturální p. (kolagen) – metabolicky stabilní
• Odbourání proteinů:
– systém ATP-dependentního ubikvitinového proteazomu
(cytosol)  endogenní proteiny
– systém na ATP nezávislých lysozomálních enzymů (kyselé
hydrolasy atd.)  extracelulární, povrchově membránové p.
Proteázy podílející se na
metabolismu/odbourávání proteinů
Klasifikace
Mechanismus
Úloha
Katepsiny
Cysteinové proteasy (cystein v
aktivním místě)
Lysosomální enzymy
Kaspasy
Cysteinové proteasy štěpící za
aspartátem
Apoptosa; aktivované z
prokaspas
Matrixové
metaloproteinasy
Zinek jako kofaktor
Degradace extracelulární
matrix, regulace inhibitory
TIMPs (tissue inhibitors of
matrix metalloproteiinases)
Proteazom
Velký komplex – degradace
ubiquitinem značené proteiny
Metabolický obrat proteinů
Serinové proteasy
Serin v aktivním místě společně s
histidinem a aspartátem
Mnoho enzymů odbourávání
proteinů; koagulace, aktivované
ze zymogenů
Kalpainy
Cysteinové proteasy, vápník jako
kofaktor
Řada úloh v buněčné
metabolismu
Ubikvitin-proteazom
Glutathion a přenos aminokyselin (gamaglutamylový cyklus)
g-glutamyltranserasa (g-glutamyl
transpeptidasa GGT)
• Výskyt GGT - membrány buněk s
vysokou sekreční nebo absorpční
kapacitou.
• Játra – mikrozomální frakce
hepatocytů a membrány buněk výstelky
žlučových cest
• Proximální tubuly ledvin, enterocyty,
pankreas
GGT má diagnostický význam u
hepatobiliárních poruch.
Převzato z http://www.wikiskripta.eu/index.php/Soubor:Gama-glutamylov%C3%BD_cyklus.png:
Obecné reakce aminokyselin
• Transaminace
• Deaminace
• Oxidativní dekarboxylace
Transaminace
• Aminokyselina ztrácí aminoskupinu - enzymová
katalýza, transaminace (transaminasa =
aminotransferasa)
• Transaminační reakce probíhají u všech AK s
výjimkou lysinu, threoninu a prolinu
• Většina transaminas vyžaduje a-ketoglutarát jako
příjemce aminoskupiny
• Větvené aminokyseliny mají společnou transaminasu
Transaminasy - specifické enzymy vždy pro jeden pár
aminokyseliny s její odpovídající a-ketokyselinou
(oxokyselinou).
Prostetická skupina – pyridoxalfosfát (PLP)
PLP - pevně vázán na enzym (transaminasu) Schiffovou
bází na e-aminoskupinu lysinu.
Enzym
Lysin
Interní Schiffova báze
+
H
N
C
2-O
3PO
H
O-
H2C
+
N
H
CH3
Sled reakcí při transaminaci
Transaminasy důležité v klinické praxi
• AST - aspartátaminotransferasa, starší název SGOT
(serum glutamát- oxaloacetáttransaminasa).
• V játrech, v kosterním a srdečním svalu, méně i v
jiných parenchymatózních orgánech, v erytrocytech
• Nachází se jak v cytoplasmě, tak v mitochondriích
• Zvýšení
• akutní infarkt myokardu
• onemocnění kosterních svalů
• akutní hepatitida a jiné hepatocelulární léze
Transaminázy důležité v klinické praxi
• ALT- alaninaminotransferasa starší název SGPT
(serum glutamát- pyruváttransferasa).
• Čistě cytoplasamtický enzym, hlavně v játrech
• Indikátor poškození hepatocytu (jaterních léze)
• Zvýšení
– virová hepatitida
– mononukleóza
Deaminace aminokyselin
A. Oxidativní deaminace
aminokyselina +
+
FMN
H2O
oxidasa L-aminokyselin
Oxidáza L-aminokyselin tvoří
NH3 a a-ketokyselinu přímo,
FMN jako kofaktor.
a-ketokyselina + FMNH2 + NH3
O2
katalasa
FMN
H2O2
+
H2O
O2
B. Neoxidativní deaminace
serin
threonin
serin-threonin dehydratasa
pyruvát
a-ketobutyrát
+
+
NH3 + H2O
NH3 + H2O
Dekarboxylace
Katalyzována dekarboxylasami
• Kofaktor pyridoxalfosfát
• R-CHNH2-COOH R-CH2NH2 + CO2
• Probíhá v malých množstvích
• Primární aminy
• Biologicky aktivní aminy
• Hormony (neurotransmitery, koenzymy)
Přehled biogenních aminů
Syntéza neesenciálních aminokyselin
Přehled syntézy neesenciálních
aminokyselin
10 AK – z glukózy přes
intermediáty glykolýzy nebo
citrátového cyklu
Phe  Tyr
Cys  Ser + síra z Met
Aminokyseliny odvozené z intermediátů
glykolýzy
Serin
Serin:
– inhibice 3-fosfoglycerátdehydrogenázy
- ihibice fosfoserinfosfatázy
Vzájemná přeměna serinu a glycinu
Převzato z http://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.html
Odbourání glycinu
Glycinsyntasa
(H4folate)
Převzato z http://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.html
Tetrahydrofolát jako nosič jednoho uhlíku
Kyselina listová
dihydrofolátreduktasa – NADPH
(2x)
Tetrahydrofolát
Serin  glycin – vznik N5,N10-methylen THF
Glycin  CO2 - vznik N5,N10-methylen THF
Homocystein  methionin – donor N5-methyl THF
Histidin odbourání – vznik N5-formiminoTHF;
N5,N10-metnhenyl a N10-formyl THF
Tryprofan odbourání – vznik N10-formyl THF
Souhrn metabolismu glycinu
Aminokyseliny vztahující se k oxalacetátu
Aspartát a asparagin
Biosyntéza cysteinu
Regenerace Met za přítomnosti N5-methyltetrahydrofolátu (vitaminy: folát + B12)
*
1.
SAM se přes SAH mění na
homocystein.
2.
Homocystein kondenzuje se
serinem na cystathion.
3.
Cystathionasa rozštěpí
cystathion na cystein a a-ketoglutarát.
Celá rerakce se nazývá transsulfurace
*nefunkční enzym vede ke vzniku homocystinurie
Převzato z http://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.html
Klinická poznámka
Homocystinurie
Vrozená porucha metabolismu Met, geneticky podmíněná defektem enzymu
cystathionin-β-synthasy.
V moči je vysoká koncentrace homocysteinu a methioninu.
Deformity kostí, poruchy zraku způsobené atypickým uložením čočky,
předčasná ateroskleróza, hluboká žilní tromboembolie, postižení CNS.
Neléčený stav vede k opožděnému mentálnímu vývoji.
Vysoká chemická reaktivita homocysteinu a působení vzniku volných
radikálů narušují jiné enzymy a mitochondrie buněk.
Syntéza a
degradace prolinu
Vzájemná přeměna mezi glutamátem, glutaminem
a a-ketoglutarátem
NH3
NH3
a-ketoglutarát
glutamát
glutamin
NH3
NH3
A. Glutamátdehydrogenasa
glutamát
z transaminačních
reakcí
+
NAD+
+
a-ketoglutarát
H2O
+
NH3
+
NADH
přímo do močovin.
cyklu
B. Glutaminsyntetasa (játra)
ATP
glutamát
+
NH3
ADP
Glutamin (puriny, pyrimidiny, regulace pH)
C. Glutaminasa (ledviny)
glutamin
+
H2O
glutamát
+
NH3
Degradace aminokyselin
Dvacet aminokyselin se odbourává na sedm
produktů, které jsou součástí citrátového cyklu
glukóza
alanin, glycin
cystein, serin
tryptofan
isoleucin
leucin*
tryptofan
pyruvát
acetyl CoA
PEP
leucin*,lysin*
fenylalanin
tyrosin, tryptofan
acetoacetyl CoA
lipidy
aspartát
asparagin
isoleucin
methionin
threonin
valin
tyrosin
fenylalanin
aspartát
oxalacetát
fumarát
sukcinyl CoA
citrát
a-ketoglutarát
acetyl CoA
glutamin
glutamát
histidin
prolin
arginin
Glukogenní aminokyseliny
a-ketoglutarát, pyruvát, oxaloacetát, fumarát
nebo sukcinyl CoA
Aspartát
Asparagin
Arginin
Phenylalanin
Tyrosin
Isoleucin
Methionin
Valin
Glutamin
Glutamát
Prolin
Histidin
Alanin
Serin
Cystein
Glycin
Threonin
Tryptofan
Ketogenní aminokyseliny
Acetyl CoA nebo acetoacetát
Lysin
Leucin
Ketogenní a glukogenní aminokyseliny
a-ketoglutarát, pyruvát, oxaloacetát, fumarát nebo
sukcinyl CoA a také acetyl CoA nebo acetoacetát
Isoleucin
Threonin
Tryptofan
Fenylalanin
Tyrosin
Aminokyseliny
tvořící sukcinyl
CoA
Aminokyseliny tvořící acetyl CoA a
acetoacetát
Aminokyseliny skupiny glutamátu
Odbourání histidinu
Metabolismus methioninu
Tvorba aktivovaného methioninu = S-adenosylmethionin (SAM)
SAM slouží jako prekurzor pro řadu metylačních reakcí, např. konverze
noradrenlinu na adrenalin. Po ztrátě CH3 vzniká S-adenosylhomocystein (SAH).
Methionin  homoserin  propionyl-CoA  methylmalonyl-CoA  sukcinyl-CoA
Odbourávání
větvených
aminokyselin
Klinická poznámka
Aminoacidémie větvených aminokyselin, leucinóza
(choroba javorového sirupu)
Vrozená genetická porucha metabolismu větvených aminokyselin,
geneticky podmíněná defektem enzymu dehydrogenasa větvených aketokyselin.
Větvené aminokyseliny a jejich a-ketokyseliny se dostávají ve
vysokých koncentracích do moči.
Mechanismus toxicity není znám.
Neléčený stav vede k abnormálnímu vývoji mozku a mentální
retardaci.
Bioyntéza tyrosinu z fenylalaninu
Tetrabiopterin redukuje fenylalaninhydroxylasu a sám je zpět redukován
NADH-dependentní dihydropteridinreduktasou.
Chybějící nebo defektní fenylalaninhydroxylasa způsobuje hyperfenylalaninemie
(koncentrace Phe > 120 mM).
Převzato z http://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.html
Tetrahydrobiopterin jako kofaktor hydroxylas
Dihydrobiopterin
Klinická poznámka
Fenylketonurie
Vrozená porucha metabolismu Phe,
geneticky podmíněná defektem enzymu
fenylalaninhydroxyláza (chromosom 12)
Nahromaděný Phe (1000 mM v plasmě) se
stává hlavním donorem aminoskupiny a
odčerpává v nervové tkáni a-ketoglutarát.
V nervové tkáni chybí a-ketoglutarát pro
Krebsův cyklus, snižuje se aerobní
metabolismus.
Neléčený stav vede k mentální retardaci.
Tryptofan
•
Otevření pyrrolového kruhu
(tryptofan-2,3-dioxygenasa).
•
Indolový kruh je ketogenní
(acetoacetát).
•
Odštěpení alaninu.
•
Kynurenin – přeměna na
několik produktů vylučovaných
do moči (kyselina
xanthurenová)
•
Tryptofan je prekurzorem pro
serotonin a melatonin.
Selenocystein
Nadávno zařazen mezi proteinogenní aminokyseliny jako 21 AK.
Nachází se v aktivním místě různých enzymů, včetně antioxidačního
enzymu glutathionperoxidasy a 5-deiodinas.
Do proteinu se inkorporuje tRNA s UCA antikodonem.
Záměna selenocysteinu za Cys vede ke značnému snížení enzymové
aktivity (nedostatek Se v potravě).
Schémata použitá v prezentaci:
Marks´ Basic Medical Biochemistry A Clinical Approach. Four edition
M. Lieberman, A.D. Marks ed., 2013.
Essentials of Medical Biochemistry With Clinical Cases. First edition.
N.V. Bhagavan, Chung-Eun Ha ed., 2011.
Zdroje z internetu jsou uvedené u jednotlivých schémat.