Transcript Metabolismus aminokyselin Základy biochemie KBC / BCH Inovace studia biochemie prostřednictvím e-learningu CZ.04.1.03/3.2.15.3/0407

Základy biochemie KBC / BCH
Metabolismus aminokyselin
Inovace studia biochemie prostřednictvím e-learningu
CZ.04.1.03/3.2.15.3/0407
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem
a státním rozpočtem České republiky.
Metabolismus aminokyselin
• Odbourávání proteinů.
• Deaminace aminokyselin.
• Ornithinový (močovinový) cyklus.
Osud uhlíkaté kostry aminokyselin.
Biosyntéza aminokyselin.
Další produkty metabolismu aminokyselin.
Fixace dusíku.
Odbourávání proteinů
• Délka existence proteinů se pohybuje od několika minut k týdnům
a déle.
• Buňky kontinuálně odbourávají proteiny na aminokyseliny a
syntetizují proteiny.
• Důvodem obměny proteinů je:
• 1. Proteiny se skladují, aby se mohly v čase metabolické potřeby
odbourat a využít – svalové proteiny.
• 2. Odstranění abnormálních proteinů jejichž přítomnost v buňce
by buňku vyřadila z činnosti.
• 3. Realizovat regulační mechanismy v buňce odstraněním
některých enzymů nebo jejich regulátorů.
Poločasy existence některých proteinů krysích jater:
• Enzymy s krátkou dobou existence
Poločas (h)
•
•
•
•
•
0, 2
1, 3
2, 0
4, 0
5, 0
Ornithindekarboxylasa
RNA polymerasa I
Tyrosinaminotransferasa
Serindehydratasa
Fosfoenolpyruvátkarboxylasa
• Enzymy s dlouhou dobou existence
•
•
•
•
•
Aldolasa
Glyceraldehydfosfátdehydrogenasa
Cytochrom b
Laktátdehydrogenasa
Cytochrom c
118
130
130
130
150
LYSOSOMY-lysosomální degradace.
•
•
•
LYSOSOMY jsou kulovité organely, nacházející se v cytosolu
eukaryotních buněk, od něhož jsou odděleny jednou (dvojvrstevnou)
membránou. Jsou místem intracelulárního štěpení (trávení) biologických
makromolekul a lipidů; obsahují hydrolytické enzymy (kathepsiny)
schopné rozložit pohlcený obsah (např. při fagocytose), eventuálně i
vlastní makromolekuly buňky (autolysa, např. za anaerobních podmínek v
odumřelém organismu).
Asi 40 různých lysosomálních hydrolas zajišťuje tuto degradační
aktivitu; jejich pH-optimum je v kyselé oblasti (v cytosolu jsou
inaktivní). Tzv. primární lysosomy, obsahující lysosomální hydrolasy,
vznikají odškrcením od Golgiho aparátu. Fůzí s váčky, vzniklými
endocytosou (endosomy), vytvářejí posléze tzv. sekundární lysosomy, v
nichž probíhá vlastní intracelulární trávení.
U dobře živených buněk je lysosomální degradace neselektivní.
U hladovějících je degradace selektivní – zachovávají se důležité
enzymy a regulační proteiny. Odbourávají se proteiny obsahující
pentapeptidovou sekvenci Lys-Phe-Glu-Arg-Gln (KFERQ).
S lysosomální degradací je spojena např. rheumatoidní arthritida.
Ubiquitin
• U eukaryotních buněk působí při degradaci také proces
spotřebovávající ATP a zahrnující ubiquitin.
• Ubiquitin je monomerní protein obsahující 76 aminokyselin.
Z jeho názvu plyne jeho všudypřítomnost.
• Proteiny určené k degradaci jsou označeny kovalentní vazbou s
ubiquitinem. Proces probíhá ve třech stupních za účasti tří
enzymů.
• A) Ubiquitin aktivační enzym E1 – ubiquitin se za účasti ATP
připojí na E1
• B) Ubiquitin konjugační enzym E2 – přenos ubiquitinu na E2 přes
terminální karboxyl ubiquitinu a Cys E2
• C) Ubiquitin-protein ligasa E3 – přenos aktivovaného ubiquitinu na
e-aminoskupinu Lys odstraňovaného proteinu (isopeptidová vazba)
• Aby byl protein odbourán musí být označen řetězcem minimálně
čtyř ubiquitinů, ale až padesát – polyubiquitinový řetězec.
Ubiquitin
• Struktura ubiquitinu.
• Isopeptidová vazba ubiquitinu
s cílovým proteinem.
Gly75
NH
O
O
UBIQUITIN
Gly76
HN
NH
Lys
H
N
O
N
H
H
N
O
CÍLOVÝ PROTEIN
O
Ubiquitynylace proteinů
• Struktura ubiquitinu –
stužkový model.
• Nobelova cena za chemii
2004 „for the discovery of
ubiquitin-mediated
protein
degradation"
• Aaron Ciechanover
Technion – Israel Institute
of Technology, Haifa, Israel,
• Avram Hershko
Technion – Israel Institute
of Technology, Haifa, Israel
and
• Irwin Rose
University
of
California,
Irvine, USA
Proces ubiquitinylace. E1-aktivační enzym, E2-konjugační enzym,
E3- ubiquitin-protein ligasa
Proteasom
• Ubiquitinem (ubiquitynylace) označené proteiny se proteolyticky
odbourávají v procesu zahrnujícím velký (2 100 kd, 26S)
multiproteinový komplex zvaný 26S proteasom, který má na obou
koncích čepičku označenou 19S cap. Čepičky rozpoznávají
ubiquitynylovaný protein.
• Ubiquitynylovaný protein vstoupí do dutiny proteasomu bez
odštěpeného řetězce ubiquitinů, které se recyklují. Protein
uvnitř dutiny proteasomu je hydrolyticky štěpen na
aminokyseliny.
Proteasom
• Elektronoptický snímek
proteasomů z Xenopus laevis
• Vlevo: červená střední část
26S, žluté čepičky 19S.
Vpravo – pohled shora.
Deaminace aminokyselin
•
Volné aminokyseliny mají původ, buď z degradace buněčných proteinů,
nebo z potravy. Žaludeční proteasa pepsin a pankreatické proteasy
trypsin, chymotrypsin a elastasa a řada další endo- a exopeptidas
hydrolyzují polypetidy na oligopetidy a posléze až na aminokyseliny.
Aminokyseliny jsou absorbovány střevní sliznicí a transportovány
krevním řečištěm do dalších tkání.
•
Odbourávání aminokyselin probíhá intracelulárně. Prvním krokem je
odstranění a-aminoskupiny. Většinou ve formě amoniaku, který je
vylučován, buď přímo, nebo přes další sloučeniny z organismu.
•
Uhlíkatý skelet aminokyselin (a-oxokyseliny) je odbouráván na CO2 a
H2O nebo převeden na glukosu, acetyl CoA nebo ketolátky.
•
Odstranění a-aminoskupiny:
A) Transaminace
B) Oxidativní deaminace
Přehled odbourávaní (katabolismu) aminokyselin
Transaminace. Přenos aminoskupiny na oxokyselinu.
+
O
NH3
R
CH
COO
-
+
-
OOC
CH2
CH2
-
COO
-
+
NH3
O
C
COO
2-Oxoglutarát
Aminokyselina
R
C
COO
-
2-Oxokyselina
+
-
OOC
CH2
CH2
Glutamát
CH
Transaminace. Enzymy aminotransferasy (transaminasy)
s koenzymem pyridoxal-5´-fosfátem (PLP).
+
NH3
-
OOC
CH2
CH2
CH
O
COO
-
+
-
OOC
Glutamát
CH2
OOC
CH2
CH2
COO
-
Oxaloacetát
+
O
-
C
C
2-Oxoglutarát
NH3
COO
-
+
-
OOC
CH2
CH
Aspartát
COO
-
Prekurzorem PLP je pyridoxin, vitamin B6.
OH
H2C
HO
H2C
H
OH
2-
O 3P O
4´
C
5´
H2C
5
+
+
N
H
Pyridoxin
(vitamin B6)
6
CH3
O
4
OH
3
+2
1+
N
H
Pyridoxal-5´-fosfát
(PLP)
CH3
PLP je pevně vázán na enzym přes imino vazbu (Schiffova báze) na
e-aminoskupinu Lys. Pyridoxamin-5´-fosfát (PMP).
(H2C)4
H
2-
O 3P O
N+
C
H2C
ENZYM
H
O
H2C
-
+
+
N
H
NH2
2-
O 3P O
H2C
OH
+
CH3
Pyridoxal-5´-fosfát
navázaný na apoenzym
+
N
H
CH3
Pyridoxamin-5´-fosfát
(PMP)
Převedení aminokyseliny na 2-oxokyselinu.Transaminace.
Aminoskupina aminokyseliny působí jako nukleofil za tvorby aldiminu.
TRANSAMINACE
Lys
H
R
C
a
NH2
H
ENZYM
COO
+
-
2-
O 3P O
H
+
N
C
H2C
a-Aminokyselina
Enzym-PLP
Schiffova báze
H
N
COO
a
-
2-
O 3P O
ENZYM
H
a
c
b
R
C
COO
a
Lys
H
H
+
N
H
C
H
O
+
R
-
+
+
N
C
H2C
+
H
O
H
-
2-
O 3P O
C
CH3
N
H
H
-
H2C
O
+
+
N
+
+
N
H
CH3
Geminální diaminový
meziprodukt
CH3
Aminokyselina-PLP
Schiffova báze (aldimin)
Lys ENZYM
H2N H +
+
R
H
2-
O 3P O
C
a
N+
C
H2C
COO
H
O
-
+
+
N
H
CH3
Rezonancí stabilizovaný
meziprodukt
-
ENZYM
Lys
NH2
Tautomerizace. Aminokyselina-PLP Schiffova báze tautomerizuje
na 2-oxokyselinu-PMP Schiffovu bázi – ketimin.
TAUTOMERIZACE
Lys ENZYM
H2N H +
Lys ENZYM
+
R
H
2-
O 3P O
C
a
N+
C
COO
+
-
H
R
H
-
H2C
H2N H +
O
Lys ENZYM
2-
O 3P O
C
H2C
C
a
+
N+
COO
H2N
-
R
C
-
a
N+
COO
+
H
O
H
-
2-
O 3P O
C
H
-
H2C
O
+
+
N
H
CH3
Rezonancí stabilizovaný meziprodukt
N
H
CH3
N
H
Ketimin
CH3
-
OH
Hydrolýza.
2-Oxokyselina-PMP-Schiffova báze je hydrolyzována na PMP
a 2-oxokyselinu.
HYDROLÝZA
Lys ENZYM
H
H2N
O
Lys ENZYM
H2N
R
C
a
N+
COO
-
R
-
OH
2-
O 3P O
C
H
H
-
H2C
O
a
COO
H2N
2-
O 3P O
C
H
-
H2C
O
Ketimin
CH3
+
N
H
Karbinolamin
NH2
H
+
N
H
Lys ENZYM
-
NH
+
H
C
2-
O 3P O
C
O
H
H2C
O
-
+
R
C
a
COO
-
+
CH3
+
N
H
CH3
Pyridoxamin-5´-fosfát (PMP)-Enzym
2-Oxokyselina
Transaminace. Převod a-oxokyseliny na aminokyselinu.
• Převod zahrnuje stejné tři kroky, ale v opačném pořadí:
• A) PMP reaguje s a-oxokyselinou za tvorby Schiffovy báze.
• B) a-Oxokyselina-PMP Schiffova báze tautomerizuje za tvorby
aminokyselina-PLP Schiffova báze.
• C) e-Aminoskupina Lys v aktivním místě atakuje aminokyselinuPLP Schiffova báze v transiminační reakci za tvorby aktivní
enzym-PLP Schiffova báze a současného uvolnění nově vzniklé
aminokyseliny.
• V reakci vzniká rezonančně stabilní Ca karbanion stabilizovaný
protonizovaným dusíkem pyridinia. Při transaminaci se uvolňuje a
proton. Při jiných enzymových reakcích se mohou odštěpovat
vazby b a c. Např. odštěpení b vede k dekarboxylaci
aminokyseliny za vzniku aminu.
Aminotransferasy
• Substráty většiny aminotransferas jsou 2-oxoglutarát a
oxaloacetát. Aminotransferasové reakce jsou reversibilní a
podílí se tak i na syntéze aminokyselin.
• Přítomnosti aminotransferas ve svalových a jaterních buňkách
se využívá k diagnostickým účelům. Klinické měření se nazývá
SGOT
(serum
glutamátoxaloacetáttransaminasa),
také
aspartáttransaminasa,
AST,
a
SGPT
(serum
glutamátpyruváttransaminasa, nebo alanintransaminasa, ALT).
Vysoké aktivity těchto enzymů v krevním séru indikují porušení
svalové nebo jaterní tkáně (infarkt myokardu, zánět jater).
• Jediná aminokyselina, která nepodléhá transaminaci je Lys.
Oxidativní deaminace-glutamátdehydrogenasa (GDH).
• GDH je mitochondriální enzym, jediný enzym, který využívá jak
NAD+, tak NADP+ jako redoxní koenzym. Oxidace probíhá
přenosem hydridového aniontu z a-uhlíku Glu na NAD(P)+.
Meziproduktem je a-iminoglutarát, který je hydrolyzován na
amoniak a a-oxoglutarát. Anaplerotická reakce. GDH je
allostericky inhibována GTP a NADH, aktivována ADP a NAD+.
NAD(P)+
NAD(P)H + H+
H2O
+
+
NH3
-
OOC
CH2
CH2
Glutamát
CH
NH4+
NH2
COO
-
- OOC
CH2
CH2
C
a-Iminoglutarát
O
COO -
-
OOC
CH2
CH2
C
a-Oxoglutarát
COO
-
Ornithinový (močovinový )cyklus.
• Živé organismy uvolňují nadbytečný dusík třemi způsoby:
A) Vodní živočichové do vody jako amoniak - amonotelní.
B) Suchozemští živočichové jako močovinu- ureotelní.
C) Ptáci a suchozemští plazi jako močovou kyselinu a její soli –
urikotelní.
O
NH3
O
H2N
C
HN
O
NH2
O
AMONIAK
H
N
MOÈOVINA
N
H
N
H
MOÈOVÁ KYSELINA
Ornithinový (močovinový) cyklus publikován v roce 1932
(první známý metabolický cyklus) H. Krebs a K. Henseleit.
Syntéza močoviny probíhá v jaterních buňkách, částečně v matrix,
částečně v cytosolu. Jeden dusík z NH3, druhý z Asp a uhlík z CO2.
+
NH3
NH3
+
-
HCO3
+
-
OOC
CH2
CH
COO
-
Aspartát
3 ATP
2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi
O
H2N
C
Moèovina
-
NH2
+
OOC
CH
HC
-
COO
Fumarát
Reakce močovinového cyklu – pět enzymů (dva mitochondriální,
tři cytosolové).
• Karbamoylfosfátsynthetasa (CPS) není součástí cyklu. Katalyzuje
kondenzaci a aktivaci NH3 a HCO3- za tvorby karbamoylfosfátu
při spotřebě dvou ATP.
• U eukaryot existují dvě CPS – CPS I a CPS II. Mitochondriální
CPS I má jako zdroj dusíku amoniak a podílí se tak na syntéze
močoviny. Reakce je prakticky ireversibilní a rychlost cyklu
limitující.
• Cytosolová CPS II má jako zdroj dusíku Gln a účastní se
biosyntézy pyrimidinových nukleotidů.
Mechanismus působení CPS I
• 1. ATP aktivuje HCO3-  karboxyfosfát + ADP.
• 2. Amoniak atakuje karboxyfosfát, uvolňuje fosfát za tvorby
karbamátu a Pi.
• 3. Druhé ATP fosforyluje karbamát za tvorby karbamoylfosfátu.
ADP
O
O
O
ADP
O
HO
C
ADP
O
O
-
+
O
P
O
O
-
P
-
-
O
1
Pi
O
C
2-
OPO3
Karboxyfosfát
+
NH3
O
2
C
-
-
ATP
O
-
O
NH2
Karbamát
O
2-
O3PO
3
ADP
O
C
Karbamoylfosfát
NH2
Další enzymy močovinového cyklu:
• Ornithintranskarbamoylasa. Přenáší karbamoylovou skupinu na
ornithin  citrullin.
• Rekce probíhá v mitochondrii – ornithin je transportován dovnitř
a citrullin do cytosolu.
• Argininosukcinátsynthetasa. Vstup druhého dusíku do cyklu.
Ureido kyslík citrullinu je aktivován ATP za tvorby citrullyl-AMP.
Poté vstupuje Asp. Difosfát je difosfatasou rozkládán na dva Pi.
• Argininosukcinasa. Enzym katalyzuje eliminaci fumarátu a
oddělení Arg. Fumarát analogickou reakcí jako v citrátovém cyklu
přechází na malát a poté na oxaloacetát-reakce probíhají v
cytosolu a výsledný oxaloacetát vstupuje do glukoneogeneze.
• Arginasa. Enzym katalyzuje hydrolýzu Arg na močovinu a
ornithin, který je transportován zpět do mitochondrie. Močovina
je odváděna do ledvin a močí ven z těla.
Karbamoylfosfátsynthetasová reakce
O
R
Glutamát
C
COO
-
2-Oxokyselina
+
NAD(P)
Glutamátdehydrogenasa
Transaminasa
+
NH3
H+ +
NAD(P)H
R
2-Oxoglutarát
CH
COO
Aminokyselina
O
2 ATP + HCO3- + NH3
H2N
C
O
Karbamoylfosfát
MITOCHONDRIE
2-
OPO3
+ 2 ADP + Pi
-
Mechanismus argininosukcinátsynthetasy
PPi
NH2
AMP
P
P
+
O
C
AMP
O
1
NH
ATP
+
H2N
+
NH3
COO
-
H
C
COO
CH2
-
COO
-
+
C
NH3
COO
-
Citrulyl-AMP
+
NH2
C
2
H
NH
NH
Aspartát
(CH2)3
C
Citrulin
+
NH
(CH2)3
H
C
AMP
H
NH2
(CH2)3
H
+
C
NH3
COO
-
Argininosukcinát
C
CH2
COO
-
COO
-
Lokalizace ornithinového cyklu
MITOCHONDRIE
O
2 ATP + HCO3- + NH3
1
H2N
C
O
2-
OPO3
+ 2 ADP + Pi
Karbamoylfosfát
O
C
NH2
NH
Pi
+
NH3
Ornithin
H
C
Citrulin
+
+
C
NH3
COO
-
C
NH3
COO
COO
-
CH2
Citrulin
Ornithin
O
H2N
H
2
(CH2)3
(CH2)3
NH2
ATP
AMP + PPi
5
Moèovina
H2O
H2N
Arginin
4
NH2
Argininosukcinát H
COO
COO
-
-
C
+
NH2
N
H
NH
(CH2)3
H
NH3
Aspartát
3
COO -
COO
C
COO
+
NH3
-
HC
C
NH
(CH2)3
-
H
Fumarát
C
COO
CH
COO -
+
C
CH2
+
C
H
-
CYTOSOL
+
NH3
-
Další osud fumarátu v cytosolu
COO
-
HC
COO
Fumarasa
CH
COO -
Fumarát
COO
Malátdehydrogenasa
CH2
HC
H2O
-
CH2
C
OH
COO -
Malát
NAD(P)+
-
NAD(P)H + H+
O
COO -
Oxaloacetát
GLUKONEOGENEZE
Regulace močovinového cyklu
• Karbamoylfosfátsynthetasa je allostericky aktivována N-acetylGlu.
Se vzrůstajícím odbouráváním aminokyselin roste koncentrace Glu
a syntéza N-acetylGlu - močovinový cyklus se urychluje.
• Močovinový cyklus stejně jako glukoneogeneze a ketogeneze je
lokalizován v játrech, ale slouží pro celý organismus.
• Ostatní enzymy cyklu jsou pod kontrolou koncentrace svých
substrátů.
COO
-
(CH2)2
H
C
-
OOC
N
H
O
C
CH3
N-Acetylglutamát
Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin – přehled
• Aminokyseliny jsou odbourávány na sloučeniny, které mohou být
metabolizovány na CO2 a H2O nebo využity při glukoneogenezi.
• Odbouráváním aminokyselin u živočichů se obvykle získává 10 až
15 % metabolické energie.
• Dvacet „standardních aminokyselin“ je odbouráváno na sedm
metabolických meziproduktů:
• Pyruvát, a-oxoglutarát, sukcinyl-CoA, fumarát, oxaloacetát,
acetyl-CoA nebo acetoacetát.
• Na tomto základě dělíme aminokyseliny do tří skupin: glukogenní,
ketogenní a gluko i ketogenní.
• Glukogenní aminokyseliny se odbourávají na pyruvát,
• 2-oxoglutarát, sukcinyl-CoA, fumarát a oxaloacetát – jsou
prekurzory glukosy.
• Ketogenní aminokyseliny se odbourávají na acetyl-CoA a
acetoacetát a mohou být převedeny na mastné kyseliny a
ketolátky. Čistě ketogenní jsou Lys a Leu.
Odbourávání
aminokyselin
na jeden ze
sedmi
metabolických
meziproduktů
citrátového
cyklu.
Alanin
Cystein
Glycin
Serin
Threonin
Tryptofan
Isoleucin
Leucin
Lysin
Threonin
Pyruvát
CO2
Glukosa
Acetyl-CoA
Asparagin
Aspartát
Leucin
Lysin
Fenylalanin
Tryptofan
Tyrosin
Oxaloacetát
Citrát
Malát
Aspartát
Fenylalanin
Tyrosin
Fumarát
Acetoacetát
CITRÁTOVÝ
CYKLUS
Isocitrát
Sukcinát
CO2
2-Oxoglutarát
Sukcinyl-CoA
Isoleucin
Methionin
Valin
CO2
Arginin
Glutamát
Glutamin
Histidin
Prolin
Ala, Cys, Gly, Ser a Thr se odbourávají na pyruvát.
• Ala je transaminován na pyruvát.
• Ser je dehydratován serindehydratasou (prosthetická skupina
PLP) na aminoakrylát a ten spontánně neenzymově tautomerizuje
na iminoderivát, který hydrolyzuje na pyruvát a NH3.
• Cys je převáděn na pyruvát různými cestami za odštěpení H2S,
SO32- nebo SCN-.
• Gly
je
převáděn
na
pyruvát
přes
Ser
enzymem
serinhydroxymethyltransferasou. Enzym má jako koenzym
N ´,N ´-methylen-THF.
• Thr je jak glukogenní, tak ketogenní, protože poskytuje pyruvát i
acetyl-CoA.
Ala, Cys, Gly, Ser a Thr se odbourávají na pyruvát.
H3C
O
H
C
C
NADH + H+
COO
NAD+
-
OH H
H3C
+
NH3
2-Amino-3-oxobutyrát
O
H3C
C
C
COO
H
NH3
+
Threonin
CH
Acetaldehyd
CoA
CoA
O
H3C
C
SCoA
Acetyl-CoA
H
H
C
COO
+
NH3
Glycin
-
-
Ala, Cys, Gly, Ser a Thr se odbourávají na pyruvát.
H
H
-
C
COO
+
NH3
Glycin
NADH + NH4+ + CO2
NAD+ + H3N
+
N5, N10-Methylen-THF
-
CH2
THF
COO
Glycin
HS
H
H2C
C
H
-
COO
H3C
+
COO
+
NH3
Cystein
H2O
-
C
+ NH3
H
H2C
C
+
NH3
Alanin
Serin
2-Oxoglutarát
Glutamát
H3C
-
COO
NH3
Rùzné
metabolické
dráhy
(H2S, SO32-, SCN-)
HO
C
O
Pyruvát
COO
-
NH3
Asp a Asn se odbourávají na oxaloacetát.
O
H2N
C
CH2
H
O
C
C
O
-
+
NH3
Asparagin
L-Asparaginasa
NH4+
O
-
O
C
CH2
H
O
C
C
+
NH3
Aspartát
O
-
Asp a Asn se odbourávají na oxaloacetát.
O
-
O
C
CH2
H
O
C
C
O
-
+
NH3
Aspartát
2-Oxoglutarát
Aminotransferasa
Glutamát
O
-
O
C
O
CH2
C
O
Oxaloacetát
C
O
-
Arg, Glu, Gln, His a Pro se odbourávají na Glu a poté na 2-oxoglutarát
H
H
-
OOC
C
CH2
CH2
NH
C
+
NH2
-
+
OOC
+
NH3
NH2
Arginin
Prolin
HC
+
N
H2
N
OOC
C
+
NH3
CH2
+
NH3
CH2
-
Arginin
+
OOC
HC
+
-
OOC
C
CH2
N
H
+
NH3
CH2
Glutamin
C
-
H
-
NH2
OOC
H2O
COO
-
NH
H2O
O
CH2
CH2
Imidazol-5-propionát
Glutamát
C
CH2
C
H
2-Oxoglutarát
OOC
-
Urokanát
H
C
C
Glutamát-5-semialdehyd
-
COO
NH
O
C
+
CH
H2O
O
NH3
H
NH3
CH
C
H
H2O
H
-
Histidin
C
N
Pyrrolin-5-karboxylát
Glutamát
COO
NH4+
N
H
2-Oxoglutarát
C
+
NH
H2O
H
-
CH2
C
H
1/2 O2
Moèovina
C
C
CH2
CH2
COO
-
+
NH3
NH3
HN
N5-Formimino-THF
Glutamát
NADP+
NADPH + NH3
-
OOC
C
O
CH2
CH2
2-Oxoglutarát
COO
-
H
C
OOC
THF
CH2
CH2
COO
NH
C
H
N-Formiminoglutamát
-
Ile, Met a Val se odbourávají na sukcinyl-CoA
H
ATP + H2O
H
H3C
S
CH2
CH2
C
COO
Pi + PPi
H3C
S
+
CH2
CH2
+
NH3
Methionin
H
COO
-
+
NH3
CH2
-
C
H
O
OH
Adenosin
H
OH
OH
S-Adenosylmethionin (SAM)
Akceptor methylu
Biosyntetická
methylace
N 5-Methyl-THF
Methylovaný akceptor
H
S
H
HS
CH2
CH2
C
+
NH3
Homocystein
COO
CH2
CH2
Adenosin
H2O
H
H
COO
+
NH3
CH2
-
C
O
OH
Adenosin
H
OH
OH
S-Adenosylhomocystein
-
Ile, Met a Val se odbourávají na sukcinyl-CoA.
H
HS
CH2
CH2
C
COO
-
+
NH3
Homocystein
Serin
5
H2O
H2O
H
S
CH2
CH2
H
H2C
C
COO
+
C
COO
-
NH3
-
NH3
6
H
H3C
Biosyntéza
cysteinu
CH2
C
-
COO
+
HS
CH2
C
COO
-
+
O
NH3
2-Oxobutyrát
+
Cystein
CoA-SH + NAD+
NH3
Cystathionin
7
NADH + CO2
H3C
CH2
C
SCoA
O
Propionyl-CoA
8
9
10
-
OOC
CH2
CH2
C
O
Sukcinyl-CoA
COO
-
Tetrahydrofolát jako transfer jednouhlíkatých štěpů.
H
H2N
N
2
HN
3
1
4
O
H
N
8
5
N
H
7
6
H
H
H
O
H
COO
CH2
N
C
N
CH
9
2-Amino-4-oxo-6-methylpterin
10
p-Aminobenzoová
kyselina
O
CH2
CH2
Glutamáty
(n=1-6)
Pteroová kyselina
Pteroylglutamová kyselina (tetrahydrofolát, THF)
C
n
OH
Oxidační stupně jednouhlíkatých skupin přenášených THF.
• Oxidační stupeň
Přenášená skupina
THF derivát
•
•
•
•
•
Methyl (-CH3)
Methylen (-CH2-)
Formyl (-CH=O)
Formimino (-CH=NH)
Methenyl –CH=)
N 5-methyl-THF
N 5, N 10-methylen-THF
N 5 (N 10)-formyl-THF
N 5 –formimino-THF
N 5,N 10-methenyl-THF
Methanol
Formaldehyd
Mravenčany
Dva stupně redukce folátu na THF.
NADPH + H+
H2N
N
HN
N
N
O
H
H2N
N
HN
CH2
10 N
H
NADP+
R
H
N
8
7
10 N
Folát
H
7,8-Dihydrofolát
(DHF)
N
HN
CH2
H
H
NADP+
H2N
H
N
O
NADPH + H+
R
5
N
O
H
N
H
H
6
H
CH2
10 N
H
5,6,7,8-Tetrahydrofolát
(THF)
R
Tvorba tetrahydrofolátů HO
H2C
H2N
COO
-
H3N
+
NH3
Serin
+
CH2
COO
CH3
H2N
N
H
N
+
NAD+
CO2 + NH4+
+ NADH
H
N
O
Glycin
R
H
5
Glycinový štì pný systém
-
N
H
NADH + H+
H
HN
COO
10
NAD+
reduktasa
THF
CH2
NH
N 5-Methyl-THF
Glycin
Serinhydroxymethyltransferasa
+
H
N
N 5, N 10-Methylen-THF
H3N
jednouhlíkatý štěp.
H
5
O
-
H
N
H
HN
H
C
N
NH
C
H2
10
N
R
N 5, N 10-Methylen-THF
NADP+
N 5, N 10-Methenyl-THF
reduktasa
H2N
N
NADPH + H+
H
N
H
H
HN
H
5+
N
NH
+
O
C
H
10
N
N 5, N 10-Methylen-THF
R
Tvorba folátů nesoucích jednouhlíkatý štěp.
THF
Histidin
H2N
N
H
N
H
H
H
HN
5+
N
cyklodeaminasa
10
C
H
N
R
H2N
N 10-Formyl-THF
THF
synthetasa
N
HN
10
H2N
H
N
H
N 10-Formyl-THF
isomerasa
NH
10
H
-Formyl-THF
N
C
N
HN
ATP
H
5
ADP + Pi
N
ADP + Pi
H
O
HCO2- + ATP
H
N
H
5
C
NH
10
H
N
H
R
N 5-Formimino-THF
H2O
cyklohydrolasa
H
H
O
NH3
N 5, N 10-Methylen-THF
N 5, N 10-Methenyl-THF
N
HN
NH
+
O
N 5-Formimino-THF
H2N
H
N
R
O
ATP
H
H
HN
H
5
N
O
ADP + Pi
H
N
N
H
C
NH
10
O
N 5-Formyl-THF
N
H
R
Sulfonamidy kompetují s p-aminobenzoovou kyselinou při
bakteriální syntéze THF. Antibakteriální chemoterapeutika.
O
H2N
S
O
NH
R
H2N
C
OH
O
Sulfonamidy
(R=H, sulfanilamid)
p-Aminobenzoová kyselina
Odbourávání větvených aminokyselin
•
Větvené aminokyseliny jako Ile, Leu a Val jsou v prvních třech krocích
odbourávány společnými enzymy.
•
Transaminace na odpovídající a-oxokyseliny.
•
Oxidativní dekarboxylace na odpovídající acyl-CoA.
•
Dehydrogenace FAD za tvorby dvojné vazby.
•
Ostatní reakce jsou analogií oxidace mastných kyselin.
•
Dehydrogenasa větvených a-ketokyselin katalyzující druhou reakci je
homologem pyruvátdehydrogenasy a a-oxoglutarátdehydrogenasy.
•
Genetický nedostatek tohoto enzymu vede k onemocnění zvaném moč
javorového syrupu. Moč obsahuje větvené a-ketokyseliny a zapáchá
nebo voní jako javorový sirup.
Odbourávání Ile, Val a Leu
H
R1
CH
R2
C
COO
-
+
NH3
(A) Isoleucin: R1 = CH3-
, R2 = CH3-CH2-
(B) Valin:
R1 = CH3-
, R2 = CH3-
(C) Leucin:
R1 = H-
, R2 = (CH3)2CH-
2-Oxoglutarát
1
Glutamát
R1
CH
R2
C
COO
-
O
(A) 2-Oxo-3-methylvalerát
(B) 2-Oxoisovalerát
(C) 2-Oxoisokapronát
NAD+ + CoA-SH
2
NADH + CO2
R1
CH
R2
C
O
SCoA
(A) 2-Methylbutyryl-CoA
(B) Isobutytryl-CoA
(C) Isovaleryl-CoA
Pokračování odbourávání Ile, Val a Leu
R1
CH
C
R2
SCoA
O
FAD
3
FADH2
(A)
H3C
CH
C
(B)
C
CH3
SCoA
H2C
O
C
CH3
Tiglyl-CoA
C
SCoA
C
O
3 reakce
O
H3C
SCoA
C
SCoA
Acetyl-CoA
Acetyl-CoA
H3C
SCoA
O
4 reakce
O
C
C
3-Methylkrotonyl-CoA
CoASH
H3C
CH
H3C
Methylakrylyl-CoA
3 reakce
(C)
H3C
CH2
C
SCoA
O
Propionyl-CoA
Sukcinyl-CoA
CO2
O
-
OOC
CH2
C
Acetoacetát
CH3
Odbourávání Lys a Trp
•
Odbouráváním lysinu v savčích játrech se tvoří acetoacetát a 2 CO2
přes adukt Lys s a-oxoglutarátem – sacharopin.
•
Celé odbourávání zahrnuje celkem jedenáct dílčích reakcí.
•
Lys a Leu jsou jediné dvě aminokyseliny, které jsou ketogenní.
•
Tryptofan se odbourává na Ala a acetoacetát. První čtyři reakce jsou
katalyzovány kinureninasou jejíž PLP koenzym umožňuje štěpení vazby
Cb – Cg za uvolnění Ala. Zbylý Trp skelet je převeden v pěti reakcích na
a-ketoadipát, který je také meziproduktem odbourávání Lys. aKetoadipát je štěpen na 2 CO2 a acetoacetát v sedmi následných
reakcích.
Odbourávání Trp- kinureninasa
H
C
CH2
C
O
COO
-
C
1
+
NH3
N
H
Tryptofan
O2
H
CH2
O
NH
C
COO
+
NH3
CH
N-Formylkynurenin
-
Odbourávání Trp- kinureninasa
O
C
NH
H
CH2
C
O
+
NH3
CH
N-Formylkynurenin
O
COO
-
C
2
H2O
H
CH2
C
COO
+
NH3
-
HCOO
NH2
Kynurenin
-
Odbourávání Trp- kinureninasa
O
C
H
CH2
C
+
NH3
NH2
Kynurenin
O
COO
-
C
3
O2 + NADPH H2O + NADP
H
CH2
C
COO
+
NH3
NH2
+
OH
3-Hydroxykynurenin
-
Odbourávání Trp- kinureninasa
O
C
H
CH2
C
COO
COO
-
+
OH
3-Hydroxykynurenin
H
4
NH3
NH2
-
NH2
H2O
+
H3C
C
COO
+
OH
3-Hydroxyanthranilát
NH3
Alanin
-
Další reakce odbourávání Trp
COO
-
H
+
NH2
H3C
C
COO
-
+
NH3
OH
3-Hydroxyanthranilát
Alanin
5 reakcí
7 reakcí
-
OOC
-
OOC
O
2-Oxoadipát
O
H3C
C
CH2
Acetoacetát
CO2
CO2
COO
-
Fenylalanin a tyrosin se odbourávají na fumarát a acetoacetát
Keto i glukogenní
• První reakce degradace Phe je hydroxylace fenylalaninu na
tyrosin. Poté je dráha degradace společná s Tyr.
• Enzym - fenylalaninhydroxylasa (obsahuje Fe3+), kofaktory jsou
biopterin a pterin.
• Pteriny jsou sloučeniny obsahující pteridinový heterocyklus. Je
jistá podobnost mezi pteridinovým kruhem a isoalloxazinovým
flavinových koenzymů. Foláty také obsahují pterinový kruh !!
• Pteriny se podílejí na biologických oxidacích. Aktivní formou je
plně redukovaný 5,6,7,8-tetrahydrobiopterin, tvořící se redukcí
7,8-dihydropterinu NADPH dihydrofolátreduktasou!
Podobnost mezi pteridiny, isoalloxaziny, biopteriny a foláty
H
N
N
N
O
N
H
N
H
N
N
C
B
H
N
N
O
Isoalloxazin
N
N
O
A
N
Biopterin
N
O
O
Pteridin
H2N
N
R
Pterin
(2-amino-4-oxopteridin)
R =
R
H
C
C
OH
OH
CH2
N
H
CH3
N
CH3
Flavin
CH3
COO -
O
Folát
R =
H
N
C
N
H
C
H
CH2
CH2
COO -
Tvorba, využití a regenerace 5,6,7,8-tetrahydrofolátu
H
H2N
N
8
N
H
H
N
5
H
7
6
N
O
H
H
C
C
OH
OH
CH3
7,8-Dihydrobiopterin (BH2)
NADPH + H+
Dihydrofolátreduktasa
O2
NADP+
H
H2N
NAD(P)+
N
N
8
N
H
5
N
O
H
+
H
H
H
7
6
H
H
H
C
C
OH
OH
H
H
CH3
CH2
C
COO
-
COO
-
+
NH3
H
H
Fenylalanin
5,6,7,8-Dihydrobiopterin (BH4)
Dihydropteridinreduktasa
Fenylalaninhydroxylasa
H
H
NAD(P)H
H
HN
H
N
N
N
N
O
H
H
H2N
H
H
H
H
C
C
OH
OH
7,8-Dihydrobiopterin
(chinoidní forma)
H2O
CH3
N
N
N
O
O
H
N
H
H
H
HO
H
H
H
H
C
C
OH
OH
Pterin-4a-karbinolamin
Pterin-4a-karbinolamin
dehydratasa
H
CH2
C
+
NH3
CH3
H
H
Tyrosin
Odbourávání fenylalaninu (fenylalaninhydroxylasa)
Tetrahydrobiopterin + O2
H
CH2
H
Dihydrobiopterin + H2O
C
COO
-
HO
CH2
+
C
COO
-
+
NH3
NH3
Fenylalanin
Tyrosin
2-Oxoglutarát
Glutamát
HO
CH2
C
COO
-
O
p-Hydroxyfenylpyruvát
Askorbát + O2
Dihydroaskorbát + H2O + CO2
-
OOC
C
H
H
C
COO
OH
-
+
H3C
C
CH2
COO
-
HO
O
Fumarát
CH2
Acetoacetát
COO
-
Homogentisát
O2
-
OOC
C
H
H
C
C
O
H2O
CH2
C
CH2
O
4-Fumarylacetoacetát
COO
-
H
C
COO
H
C
C
O
-
CH2
C
CH2
O
4-Maleylacetoacetát
COO
-
Fenylketonurie a alkaptonurie – poruchy odbourávání Phe
•
•
Alkaptonurie se projevuje vylučováním velkého množství homogentisové
kyseliny močí, která na vzduchu tmavne. Jedná se deficit
homogentisátdioxygenasy.
Fenylketonurie – defekt hydroxylace Phe, zvýšená hladina Phe
v krvi (hyperfenylalaninemie) a v moči fenylpyruvát jako produkt
transaminace Phe.
Pokud není po narození dítěte onemocnění zachyceno, dědičné
onemocnění, a neléčeno, dochází k mentální retardaci.
Dieta prostá fenylalaninu. Mimo jiné se nesmí sladit Aspartamem,
umělé sladidlo (Asp-Phe-methyl ester).
CH2
C
O
Fenylpyruvát
-
COO
Biosyntéza aminokyselin
• Mnohé aminokyseliny jsou syntetizovány metabolickými drahami,
které jsou přítomné jen u rostlin a mikroorganismů.
• Tyto aminokyseliny jsou nutné pro život savců a – nazývají se
esenciální.
• Ostatní aminokyseliny, které si savci syntetizují sami se
nazývají neesenciální.
• Všechny neesenciální aminokyseliny, kromě Tyr, se syntetizují ze
společných metabolických meziproduktů: pyruvátu, oxaloacetátu,
a-oxoglutarátu a 3-fosfoglycerátu.
• Tyr, který je klasifikován jako neesenciální je syntetizován
jednostupňovou hydroxylací z esenciálního Phe. Přítomnost Tyr
v potravě snižuje potřebu Phe.
Esenciální a neesenciální aminokyseliny pro člověka
• Esenciální
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Neesenciální.
Arginina
Alanin
Histidin
Asparagin
Isoleucin
Aspartát
Leucin
Cystein
Lysin
Glutamát
Methionin
Glutamin
Fenylalanin
Glycin
Threonin
Prolin
Tryptofan
Serin
Valin
Tyrosin
aSavci syntetizují Arg v močovinovém cyklu, většina se však štěpí
na močovinu a ornithin (děti).
Aminokyseliny Ala, Asp, Asn, Glu, Gln jsou syntetizovány
z pyruvátu, oxaloacetátu a a-oxoglutarátu.
O
H3C
O
O
C
Pyruvát
COO
-
C
O
CH2
C
Oxaloacetát
Aminokyselina
Aminotransferasa
COO
+
NH3
C
-
CH2
CH2
-
CH2
C
O
COO
3
H
O
-
C
-
CH2
CH2
Glutamát
ATP
Glutaminsynthetasa
ATP
ADP
Glutamát
H
O
C
2-
C
COO
CH2
CH2
C
O3PO
COO
+
NH3
H
CH2
5
4
AMP + PPi
C
-
+
Glutamin
H2N
COO
NH3
Aspartát
O
C
O
+
Asparaginsynthetasa
-
2-Oxokyselina
NH3
Alanin
COO
Aminokyselina
Aminotransferasa
H
C
C
2-Oxoglutarát
O
2-Oxokyselina
O
C
-
2
2-Oxokyselina
H3C
COO
Aminokyselina
Aminotransferasa
1
H
O
O
g-Glutamylfosfát
(meziprodukt)
-
+
NH3
5
Asparagin
NH4+
Pi
H
O
C
CH2
CH2
H2N
C
COO
+
NH3
Glutamát
-
-
Syntéza Glutaminu a Asparaginu
• Zdrojem a-aminoskupin u těchto transaminačních reakcí je Glu.
• Glu je syntetizován mikroorganismy, rostlinami a nižšími
eukaryoty enzymem glutamátsynthasa, který nemají obratlovci.
• Asn a Gln jsou syntetizovány z Asp a Glu ATP dependentní
amidací.
• Gln
je
syntetizován
za
katalýzy
glutaminsyntetasy.
Mezproduktem je g-glutamylfosfát (aktivovaný Glu). Poté NH4+
nahradí fosfát za tvorby Gln.
• Syntézu
Asn
katalyzuje
asparaginsyntetasa.
Zdrojem
aminoskupiny je Gln a ATP se štěpí na AMP + PPi.
• Gluatminsynthetasa hraje centrální roli v metabolismu dusíku !
• Gln je zdrojem dusíku pro řadu biosyntetických drah.
• Savčí glutaminsyntetasa je aktivována a-oxoglutarátem. Tato
regulace zabraňuje hromadění amoniaku.
Glutamát je prekurzorem Pro, Orn a Arg
H
O
C
-
CH2
CH2
C
O
COO
-
+
NH3
Glutamát
ATP
1
ADP
H
O
C
2-
CH2
CH2
C
O3PO
COO
+
NH3
Glutamát-5-fosfát
NAD(P)H
2
NAD(P)+
Pi
H
O
C
H
CH2
CH2
C
COO
+
NH3
Glutamát-5-semialdehyd
-
-
Glu je prekurzorem Pro, Orn a Arg
Glutamát
H
O
C
CH2
CH2
H
C
COO
+
NH3
2-Oxoglutarát
-
H2N
5
H
CH2
HC
COO
Ornithin
-
NAD(P)H
4
NAD(P)
H2C
CH2
C
C
H
H
N
H
-
Moèovinový cyklus
´-Pyrrolin-5-karboxylát
H
COO
3
C
H
N
C
+
CH2
H2C
CH2
NH3
Glutamát-5-semialdehyd
Samovolná cyklizace
CH2
-
COO
Prolin
+
H2N
H
+
C
H2N
N
H
CH2
CH2
CH2
C
COO
+
NH3
Arginin
-
Prekurzorem Ser je 3-fosfoglycerát
COO
H
C
CH2
-
NAD+
NADH
OH
2-
OPO3
3-Fosfoglycerát
1
COO
-
C
O
CH2
Glutamát
2-Oxoglutarát
+
H3N
2-
OPO3
3-Fosfohydroxypyruvát
2
COO
-
C
H
CH2
Pi
HO
2-
OPO3
3-Fosfoserin
H
3
CH2
C
COO
+
NH3
Serin
-
Syntéza Cys a Gly ze Ser (3-fosfoglycerátu)
•
V metablismu živočichů je Cys syntetizován ze Ser a homocysteinu,
který je štěpným produktem Met. Kombinací homocysteinu a Ser
vznikne cystathionin, který se rozpadá na Cys a a-oxobutyrát.
•
Sulfhydrylová skupina Cys má původ v esenciálním Met – náleží Cys také
k esenciálním aminokyselinám.
•
Ser se podílí také na syntéze Gly.
•
Ser se převádí přímo na Gly enzymem hydroxymethytransferasou v
reakce produkující také N 5 , N 10 –methylen -THF.
•
Druhou drahou vedoucí ke Gly je přímá kondnzace N
THF s CO2 a NH4+ za katalýzy glycinsynthasou.
5
,N
10
–methylen –
Syntézy esenciálních aminokyselin
•
Esenciální aminokyseliny jsou syntetizovány ze stejných prekurzorů jako
neesenciální, ale metabolické dráhy jejich syntézy jsou přítomny pouze
u mikroorganismů a rostlin.
•
Enzymy jejich syntézy u živočichů se ztratily během evoluce, protože
aminokyseliny byly dostupné v potravě.
•
•
•
•
Skupina aspartátu: Lys, Met a Thr.
Skupina pyruvátu: Leu, Ile a Val.
Skupina fosfoenolpyruvátu a erythrosa-4-fosfátu: Phe, Tyr a Trp.
5-Fosforibosyl-a-pyrofosfát(PRPP): His.
•
Syntézy jsou mnohastupňové. Věnujeme se jen syntéze aromatických
aminokyselin v souvislosti se syntézou aromatického benzenového cyklu.
Syntéza Phe, Tyr, a Trp
Fosfoenolpyruvát
(PEP)
O
2-
O
PO3
C
COO
-
Pi
CH2
+
H
C
O
1
HO
C
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
2-
OPO3
Erythrosa-4-fosfát
CH2
COO
COO
-
6 reakcí
-
OOC
CH2
O
2
HO
H
C
H
Chorismát
C
O
CH2
Glutamin
NH2
2-
OPO3
2-Oxo-3-deoxyarabinoheptulosonát7-fosfát
Pyruvát
+
glutamát
-
-
CH2
H
CH2
Anthranilát
C
COO
COO
-
5
HO
H
Prefenát
COO
-
Syntéza Phe, Tyr a Trp
COO
Pyruvát
+
glutamát
-
COO
-
-
OOC
O
2
HO
H
Anthranilát
C
C
COO
-
O
CH2
Glutamin
NH2
CH2
COO
-
H
5
HO
Chorismát
H
Prefenát
2 reakce
2 reakce
H
CH2
H
COO
C
-
CH2
+
3 reakce
-
+
NH3
OH
COO
C
NH3
Tyrosin
Fenylalanin
H
OH
N
H
OH
C
C
H
H
Indol-3-glycerol-fosfát
Glyceraldehyd-3-fosfát
CH2
Serin
2OPO3
3
N
H
Indol
CH2
H2O
4
C
COO
+
NH3
N
H
Tryptofan
-
Syntéza His.
• Pět atomů ze šesti histidinových má původ v 5-fosforibosyl-apyrofosfátu.
Stejná látka je základem biosyntézy purinových a pyrimidinových
bází nukleových kyselin.
Šestý atom je z ATP. Ostatní atomy z ATP se odštěpí jako
5-aminoimidazol-4-karboxamidribonukleotid,
což
je
také
meziprodukt syntézy purinů.
Tyto souvislosti podporují hypotézu, že život vznikl původně
na bázi RNA.
Biosyntéza His je považována, z tohoto hlediska, za fosilii.
Biosyntéza a degradace hemu
• Hem je Fe-obsahující prosthetická skupina, důležitá komponenta
mnoha proteinů, jako hemoglobin, myoglobin a cytochromy.
• Počáteční reakce syntézy hemu jsou shodné s tvorbou
tetrapyrrolového skeletu chlorofylu u rostlin a bakterií a
koenzymu B12 u bakterií.
• Všechny C a N atomy hemu mají původ v acetátu a Gly.
• Syntéza probíhá částečně v mitochondrii a částečně v cytosolu.
• Prekurzory jsou sukcinyl-CoA a Gly.
• Dvě hlavní místa
syntézy hemu jsou erythroidní buňky
syntetizující asi 85 % hemu a játra syntetizující zbytek.
• V játrech reguluje syntézu hemu d-aminolevulinátsythasa, kterou
zpětnovazebně inhibuje hem nebo hemin (Fe3+).
• V erythroidních buňkách jsou limitující enzymy ferrochelatasa a
porfobilinogendeaminasa.
Tvorba d-aminolevulinátu a porfobilinogenu
A=acetyl, P=propionyl, M = methyl a V=vinyl(-CH=CH2)
MITOCHONDRIE
CITRÁTOVÝ
CYKLUS
M
HC
O
-
OO C
CH2
CH2
C
+
+
CH2
-
HC
M
V
CH
Porfyrinogenoxidasa
2 H+
CO2
M
N
H
N
Fe2+
Ferrochelatasa
Glycin
d-Aminolevulinátsynthasa
N
P
COO
CH
N
H
M
SCoA
Sukcinyl-CoA
H3N
V
P
M
Protoporfyrin IX
V
M
V
O
-
OO C
CH2
CH2
C
CH2
NH2
HC
d-Aminolevulinová kyselina
M
N
P
C OO
H2C
H
CH2
H2C
CH2
Fe
N
-
CH
P
M
Hem
CYTOSOL
N
H
+
HC
Porfobilinogensynthasa
OO C
+
H2C
M
M
V
P
Porfobilinogen (PBG)
CH2
N
H
NH
M
HN
V
H
N
N
ALA
-
CH
N
H2C
CH2
P
M
Protoporfyrinogen IX
Část syntézy hemu lokalizovaná v cytosolu.
A=acetyl, P=propionyl, M = methyl a V=vinyl(-CH=CH2)
MITOCHONDRIE
M
V
O
-
OO C
CH2
CH2
C
CH2
H2C
NH2
d-Aminolevulinová kyselina
M
NH
P
C OO
OO C
CH2
H2C
CH2
H2C
H
Porfobilinogendeaminasa
-
V
H
N
CH2
P
Porfobilinogensynthasa
M
HN
H2C
ALA
-
CH2
N
H
M
Protoporfyrinogen IX
2 CO2
Koproporfyrinogenoxidasa
CYTOSOL
N
H
A
Porfobilinogen (PBG)
H2C
4 NH3
A
Uroporfyrinogen III deaminasa
P
CH2
N
H
NH
P
M
HN
H
N
H2C
CH2
P
A
Uroporfyrinogen III
Uroporfyrinogendekarboxylasa
A
M
P
P
4 CO2
H2C
P
CH2
N
H
NH
M
HN
P
H
N
H2C
CH2
P
M
Koproporfyrinogen III
Degradace hemu. Biliverdin – zelený lineární tetrapyrrol.
(P = propionyl, M = methyl, V = vinyl(-CH=CH2) a E = ethyl).
M
V
N
M
N
P
+
+
Fe
M
N
V
N
P
+
M
Hem
2 O2 + NADPH + H
CO + H2O + NADP+
Fe3+
M
V
M
B
O
N
H
P
P
C
CH
N
H
M
M
D
CH
Biliverdin
N
V
A
CH
N
H
O
Bilirubin (červeno-oranžový)
M
V
M
B
O
P
P
C
CH
N
H
M
M
D
CH
N
H
V
A
CH
N
O
N
H
Biliverdin
NADPH + H+
NADP+
M
V
M
B
O
N
H
CH
P
P
C
D
N
H
N
H
H
H
Bilirubin
M
M
V
A
CH
N
H
O
Vysoce lipofilní bilirubin je transportován krví v komplexu se sérovým
albuminem. Ve střevech je mikrobiálně degradován na urobilinogen.
M
V
M
B
O
CH
N
H
P
P
C
D
N
H
N
H
H
H
Bilirubin
M
M
V
A
CH
O
N
H
8 H
Mikrobilání enzymy
M
E
M
H
B
O
N
H
H
P
P
C
H
N
H
H
D
C
H2
Urobilinogen
M
M
N
H
H
E
A
H
N
H
O
Sterkobilin je barvivo výkalů a urobilin moči.
M
E
M
H
B
O
N
H
H
P
P
C
N
H
H
2 H
M
M
H
D
C
H2
Urobilinogen
N
H
H
A
H
O
M
E
M
H
P
P
M
H
M
E
B
H
C
D
H
A
N
H
C
H2
N
H
N
C
H2
N
H
Sterkobilin
O
N
H
2 H
Mikrobilání enzymy
(tlusté støevo)
H
E
M
H
O
O
E
(ledviny)
M
P
P
M
M
E
B
H
C
D
H
A
N
H
C
H2
N
H
N
C
H2
N
H
Urobilin
O
Biosyntéza fyziologicky významných aminů
HO
X
C
HO
CH2
NH
R
Adrenalin (epinefrin):
X = -OH, R = -CH3
Noradrenalin (norepinefrin):
X = -OH, R = -Ht
X = -H , R = -H
Dapamin:
H
CH2
CH2
HO
+
NH3
-
OOC
CH2
CH2
CH2
+
NH3
g-Aminomáselná kyselina (GABA)
N
H
Serotonin
(5-hydroxytryptamin)
CH2
N
NH
Histamin
CH2
+
NH3
Biosyntéza těchto aminů zahrnuje dekarboxylaci příslušné aminokyseliny.
Dekarboxylasy aminokyselin mají jako koenzym PLP.
H
R
H
2-
O 3P O
Ca
N
+
C
H2C
O
C
O
H
O
-
+
+
N
H
CH3
-
Katecholaminy. Dopamin, noradrenalin, adrenalin
• Katecholaminy jsou syntetizovány
z Tyr hydroxylací za tvorby
dihydroxyfenylalaninu
• (L-DOPA)-prekurzor melaninu.
• L-DOPA je dekarboxylován na
dopamin.
• Další
hydroxylace
vede
k
noradrenalinau.
• Posledním stupněm je methylace
aminoskupiny noradrenalinu
• S-adenosylmethioninem za vzniku
adrenalinu.
OH
OH
Katechol
Syntéza L-dihydroxyfenylalaninu (L-DOPA)
Tetrahydrobiopterin + O2
H
HO
CH2
Dihydrobiopterin + H2O
C
COO
+
Tyrosin
HO
NH3
-
1
Tyrosinhydroxylasa
HO
H
C
CH2
C
COO
+
NH3
Dihydroxyfenylalanin
(L-DOPA)
-
Melanin
Syntéza dopaminu. L-DOPA je prekurzor kožního pigmentu melaninu.
HO
H
C
CH2
HO
COO
C
-
+
NH3
Dihydroxyfenylalanin
(L-DOPA)
Dekarboxylasa
aromatických kyslin
2
CO2
HO
C
HO
CH2
Dopamin
CH2
+
NH3
Melanin
Převedení dopaminu na noradrenalin
Askorát + O2
HO
Dehydroaskorbát + H2O
C
HO
HO
CH2
CH2
+
NH3
3
Dopamin-b-hydroxylasa
Dopamin
HO
C
OH
C
H
Noradrenalin
CH2
+
NH3
Metylace noradrenalinu – adrenalin
S-Adenosyl-methionin
HO
C
HO
S-Adenosyl-homocystein
OH
C
H
Noradrenalin
HO
CH2
+
NH3
4
HO
Fenylethanolamin-N-methyltransferasa
C
OH
C
CH2
H
Adrenalin
NH
CH3
Oxid dusný – NO
•
•
•
Arginin je prekurzorem původně nazvaného „v endotheliu utvořený
relaxační faktor“ (endothelium-derived relaxing factor EDRF).
Způsobuje relaxaci hladkého svalstva.
Tímto faktorem je oxid dusnatý NO. Oxid dusnatý funguje jako
signální molekula a je důležitý pro centrální nervový systém. Reakcí se
superoxidovým radikálem vytváří vysoce reaktivní hydroxylový radikál
působící antibakteriálně.
Enzymem tvorby NO je NO-synthasa (NOS).
OH
H2N
+
C
NH2
H2N
NADPH + O2
NH
H3N
+
NH
+
NADP + H2O
CH2
C
OH
N
H2N
1/2 NADPH + O2
1/2 NADP + H2O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
C
COO
-
H3N
+
C
COO
-
N
NH
+
CH2
C
H3N
+
C
+
COO
H
H
H
L-Arginin
L-Hydroxyarginin
L-Citrulin
-
NO
Fixace dusíku
• Nejdůležitějšími prvky živých systémů jsou O, H, C, N a P.
• Prvky O, H a P jsou snadno dostupné v metabolicky vhodných
formách (H2O, O2 a Pi). Hlavní formy C a N , CO2 a N2, jsou
extrémně stabilní (nereaktivní). Vazebná energie trojné vazby
dusíku je 945 kJ.mol-1 (např. ve srovnání s vazbou C – O, 351
kJ.mol-1).
• Oxid uhličitý je, kromě několika výjimek, metabolizován (fixován)
fotosyntetickými organismy.
• Dusík je metabolizován (převeden na metabolicky využitelné
formy) jen několika kmeny bakterií zvaných diazotrofy.
• Mezi diazotrofy patří některé mořské cyanobakterie a bakterie
kolonizující kořenové hlízy bobovitých rostlin jako jsou hrách,
fazol, jetel a vojtěška.
Nitrogenasová reakce.
•
•
•
Diazotrofy obsahují enzym nitrogenasu, která katalyzuje reakci:
N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP + 16 H2O  2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
U rostlin čeledi fabaceae (bobovité) produkuje tento systém mnohem
více amoniaku než sám spotřebuje. Nadbytek se uvolňuje do půdy.
Bakterie rodu Rhizobium (fixace dusíku) žije v symbioze s rostlinou ve
formě kořenových hlíz.
Nitrogenasa
• Nitrogenasa je komplexem dvou proteinů:
• 1. Fe-Protein, homodimer obsahující jeden klastr [4 Fe – 4 S]
a dvě vazebná místa pro ATP.
• 2. MoFe-protein, a2b2 heterotetramer obshující Fe a Mo.
Schéma toku elektronů při nitrogenasové reakci:
2 ADP + 2 Pi
(Ferredoxin) red
(Fe-protein) ox
(MoFe-protein) red
N2 + 8 H+
(Ferredoxin) ox
(Fe-protein) red
(MoFe-protein) ox
2 NH3 + H2
Fotosyntéza
nebo oxidativní
elektronový
transport
2 ATP
8x
Energetická náročnost redukce N2
• Redukce N2 probíhá v FeMo-proteinu ve třech oddělených
stupních. V každém se uplatňuje jeden elektronový pár.
2 H+ + 2 eN
N
2 H+ + 2 eH
N
N
2 H+ + 2 e-
H
H
H
N
N
H
Molekulární dusík
Diimin
H
Hydrazin
2 NH3
Amoniak
Cyklus dusíku v biosféře
• Některé bakterie produkují dusitany (nitrit, NO2-) a poté
dusičnany (nitrát, NO3-) oxidací NH3 v procesu zvaném
nitrifikace.
• Řada organismů převádí nitráty zpět na N2 v procesu zvaném
denitrifikace.
• Nitráty jsou rostlinami, plísněmi a mnoha bakteriemi redukovány
na NH3 v procesu zvaném amonifikace.
• Nitrátreduktasa katalyzuje dvouelektronovou redukci nitrátu na
nitrit:
NO3- + 2 H+ + 2 e-  NO2- + H2O
• Nitritreduktasa převádí nitrit na amoniak:
NO2- + 7 H+ + 6 e-  NH3 + 2 H2O
Cyklus dusíku v biosféře
DENITRIFIKACE
N2
-
NO3
Nitrát
FIXACE DUSÍKU
Nitrogenasa
Nitrátreduktasa
-
NO2
Nitrit
Nitritreduktasa
NH3
Odbourání
Asimilace
BIOMOLEKULY
OBSAHUJÍCÍ DUSÍK
NITRIFIKACE
Asimilace fixovaného dusíku
• Amoniak a dusičnany jako vzniklé biologicky užitečné formy
dusíku musí být vloženy-asimilovány- do buněčných biomolekul.
• Když se dusík objeví v aminokyselinách je možné ho převést na
ostatní dusíkaté sloučeniny.
• Většina organismů nedokáže fixovat dusík a proto musí přijímat
dusík předem fixovaný.
• U mikroorganismů je vstupní reakcí fixovaného dusíku
glutaminsynthetasa. Glutaminsynthetasa má jako substrát Glu.
• Co je zdrojem dusíku v Glu?
• U bakterií a rostlin, ale ne u živočichů, je to enzym
glutamátsynthasa:
a-Oxoglutarát + glutamin + NADPH + H+  2 Glu + NADP+
Reakční mechanismus glutamátsynthasy (Tři aktivní místa).
NH3 putuje kanálkem do podjednotky 2 kde reaguje s a-oxoglutarátem.
a Podjednotka - místo 3
H
O
C
CH2
H2N
CH2
Glutamin
C
COO
-
+
H2O
+
NH3
H
O
3
NH3
H+
+
C
-
CH2
O
CH2
C
COO
-
+
NH3
Glutamát
a Podjednotka - místo 2
O
-
OOC
4
CH2
CH2
C
COO
-
2-Oxoglutarát
-OOC
CH2
CH2
COO -
C
+
H2O
NH
b Podjednotka - místo 1
NADPH + H+
FAD
1
NADP
a-Iminoglutarát
+
FMNH2
H
2
FADH2
+
5
FMN
H
-
OOC
CELKOVÁ REAKCE:
NADPH + H+ + GLUTAMIN + 2-OXOGLUTARÁT
CH2
CH2
Glutamát
C
COO
-
+
NH3
2 GLUTAMÁT + NADP+
Sumární výsledek asimilace dusíku
• Sumární výsledek glutaminsythetasové a glutamásynthasové reakce:
a-Oxoglutarát + NH4+ + NADPH + ATP  glutamát + NADP+ + ADP + Pi
• Kombinací těchto dvou enzymových reakcí je asimilován fixovaný
dusík (NH4+) do organické sloučeniny (a-oxoglutarát) za tvorby
aminokyseliny glutamátu.
• Jednou asimilovaný dusík v glutamátu, může být využit k syntéze
dalších aminokyselin transaminací !!