Metabolismus aminokyselin

Transkript

1 Základy biochemie KB / B etabolismus aminokyselin Inovace studia biochemie prostřednictvím elearningu Z / /0407 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 etabolismus aminokyselin dbourávání proteinů. Deaminace aminokyselin. rnithinový (močovinový) cyklus. sud uhlíkaté kostry aminokyselin. Biosyntéza aminokyselin. Další produkty metabolismu aminokyselin. Fixace dusíku.

3 dbourávání 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. dstranění abnormálních proteinů jejichž přítomnost v buňce by buňku vyřadila z činnosti. 3. Realizovat regulační mechanismy v buňce odstraněním některých enzymů nebo jejich regulátorů.

4 Poločasy existence některých proteinů krysích jater: Enzymy s krátkou dobou existence (h) rnithindekarboxylasa 0, 2 RA polymerasa I 1, 3 Tyrosinaminotransferasa 2, 0 Serindehydratasa 4, 0 Fosfoenolpyruvátkarboxylasa 5, 0 Poločas Enzymy s dlouhou dobou existence Aldolasa 118 Glyceraldehydfosfátdehydrogenasa 130 ytochrom b 130 Laktátdehydrogenasa 130 ytochrom c 150

5 LYSSYlysosomální degradace. LYSSY 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 poptimum 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. dbourávají se proteiny obsahující pentapeptidovou sekvenci LysPheGluArgGln (KFERQ).

6 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 E 1 ubiquitin se za účasti ATP připojí na E 1 B) Ubiquitin konjugační enzym E 2 přenos ubiquitinu na E 2 přes terminální karboxyl ubiquitinu a ys E 2 ) Ubiquitinprotein ligasa E 3 přenos aktivovaného ubiquitinu na ε aminoskupinu Lys odstraňovaného proteinu (isopeptidová vazba) Aby byl protein odbourán musí být označen řetězcem

7 Ubiquitin Struktura ubiquitinu. Isopeptidová vazba ubiquitinu s cílovým proteinem. Gly 75 Gly 76 UBI QUI TI Lys LV PRTEI

8 Ubiquitynylace proteinů Struktura ubiquitinu stužkový model. obelova cena za chemii 2004 for the discovery of ubiquitinmediated protein degradation" Aaron iechanover Technion Israel Institute of Technology, aifa, Israel, Avram ershko Technion Israel Institute of Technology, aifa, Israel and Irwin Rose University of alifornia, Irvine, USA

9 Proces ubiquitinylace. E1aktivační enzym, E2konjugační enzym, E3 ubiquitinprotein ligasa

10 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.

11 Proteasom Elektronoptický snímek proteasomů z Xenopus laevis Vlevo: červená střední část 26S, žluté čepičky 19S. Vpravo pohled shora.

12 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. dbourávání aminokyselin probíhá intracelulárně. Prvním krokem je odstranění α aminoskupiny. Většinou ve formě amoniaku, který je vylučován, buď přímo, nebo přes další sloučeniny z organismu. Uhlíkatý skelet aminokyselin (α oxokyseliny) je odbouráván na 2 a 2 nebo převeden na glukosu, acetyl oa nebo ketolátky. dstranění α aminoskupiny: A) Transaminace B) xidativní deaminace

13 Přehled odbourávaní (katabolismu) aminokyselin Aminokyseliny 3 Uhl kov skelet 2 2 Glukosa Acetyl oa Ketonov l tky o ovina

14 Transaminace. Přenos aminoskupiny na oxokyselinu. 3 R 2 2 Aminokyselina 2 xoglutar t R xokyselina Glutam t

15 Transaminace. Enzymy aminotransferasy (transaminasy) s koenzymem pyridoxal5 fosfátem (PLP) Glutam t 2 xaloacet t xoglutar t 3 2 Aspart t

16 Prekurzorem PLP je pyridoxin, vitamin B ᄡ P 2 5ᄡ Pyridoxin (vitamin B 6 ) Pyridoxal 5 fosf t (PLP)

17 PLP je pevně vázán na enzym přes imino vazbu (Schiffova báze) na ε aminoskupinu Lys. Pyridoxamin5 fosfát (PP). ( 2 ) 4 EZY P P Pyridoxal 5 fosf t nav zan na apoenzym Pyridoxamin 5 fosf t (PP)

18 Převedení aminokyseliny na 2oxokyselinu.Transaminace. Aminoskupina aminokyseliny působí jako nukleofil za tvorby aldiminu. R 2 TRASAI AE 2 3 P 2 EZY Lys 2 3 P R 2 EZY Lys 2 3 P 2 a c b R EZY Lys Aminokyselina Enzym PLP Schiffova b ze Gemin ln diaminov meziprodukt Aminokyselina PLP Schiffova b ze (aldimin) Lys EZY 2 R 2 3 P 2 3 Rezonanc stabilizovan meziprodukt

19 Tautomerizace. AminokyselinaPLP Schiffova báze tautomerizuje na 2oxokyselinuPP Schiffovu bázi ketimin. TAUTERI ZAE Lys EZY Lys EZY Lys EZY 2 R 2 R 2 R 2 3 P P P Rezonanc stabilizovan meziprodukt Ketimin

20 ydrolýza. 2xokyselinaPPSchiffova báze je hydrolyzována na PP a 2oxokyselinu. YDRL ZA Lys EZY 2 R 2 3 P P Lys EZY 2 R P Lys EZY R Ketimin Karbinolamin Pyridoxamin 5 fosf t (PP) Enzym 2 xokyselina

21 Transaminace. Převod α oxokyseliny na aminokyselinu. Převod zahrnuje stejné tři kroky, ale v opačném pořadí: A) PP reaguje s α oxokyselinou za tvorby Schiffovy báze. B) α xokyselinapp Schiffova báze tautomerizuje za tvorby aminokyselinaplp Schiffova báze. ) ε Aminoskupina Lys v aktivním místě atakuje aminokyselinuplp Schiffova báze v transiminační reakci za tvorby aktivní enzymplp Schiffova báze a současného uvolnění nově vzniklé aminokyseliny. V reakci vzniká rezonančně stabilní α karbanion stabilizovaný protonizovaným dusíkem pyridinia. Při transaminaci se uvolňuje α proton. Při jiných enzymových reakcích se mohou odštěpovat vazby b a c. apř. odštěpení b vede k dekarboxylaci aminokyseliny za vzniku aminu.

22 Aminotransferasy Substráty většiny aminotransferas jsou 2oxoglutarát 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 SGT (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

23 xidativní deaminaceglutamátdehydrogenasa (GD). GD je mitochondriální enzym, jediný enzym, který využívá jak AD, tak ADP jako redoxní koenzym. xidace probíhá přenosem hydridového aniontu z α uhlíku Glu na AD(P). eziproduktem je α iminoglutarát, který je hydrolyzován na amoniak a α oxoglutarát. Anaplerotická reakce. GD je allostericky inhibována GTP a AD, aktivována ADP a AD. 3 AD(P) AD(P) Glutam t 2 2 I minoglutar t 2 2 xoglutar t

24 rnithinový (močovinový )cyklus. Živé organismy uvolňují nadbytečný dusík třemi způsoby: A) Vodní živočichové do vody jako amoniak amonotelní. B) Suchozemští živočichové jako močovinu ureotelní. ) Ptáci a suchozemští plazi jako močovou kyselinu a její soli urikotelní AI AK VI A V KYSELI A

25 rnithinový (močovinový) cyklus publikován v roce 1932 (první známý metabolický cyklus). Krebs a K. enseleit. Syntéza močoviny probíhá v jaterních buňkách, částečně v matrix, částečně v cytosolu. Jeden dusík z 3, druhý z Asp a uhlík z ATP Aspart t 2 ADP 2 P i AP PP i 2 2 o ovina Fumar t

26 Reakce močovinového cyklu pět enzymů (dva mitochondriální, tři cytosolové). Karbamoylfosfátsynthetasa (PS) není součástí cyklu. Katalyzuje kondenzaci a aktivaci 3 a 3 za tvorby karbamoylfosfátu při spotřebě dvou ATP. U eukaryot existují dvě PS PS I a PS II. itochondriální PS I má jako zdroj dusíku amoniak a podílí se tak na syntéze močoviny. Reakce je prakticky ireversibilní a rychlost cyklu limitující. ytosolová PS II má jako zdroj dusíku Gln a účastní se biosyntézy pyrimidinových nukleotidů.

27 echanismus působení PS I 1. ATP aktivuje 3 karboxyfosfát ADP. 2. Amoniak atakuje karboxyfosfát, uvolňuje fosfát za tvorby karbamátu a P i. 3. Druhé ATP fosforyluje karbamát za tvorby karbamoylfosfátu. ADP P ADP ADP P i ATP P 2 P Karboxyfosf t Karbam t ADP 2 3 P Karbamoylfosf t 2

28 Další enzymy močovinového cyklu: rnithintranskarbamoylasa. 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 citrullylap. Poté vstupuje Asp. Difosfát je difosfatasou rozkládán na dva P i. Argininosukcinasa. Enzym katalyzuje eliminaci fumarátu a oddělení Arg. Fumarát analogickou reakcí jako v citrátovém cyklu přechází na malát a poté na oxaloacetátreakce probíhají v cytosolu a výsledný oxaloacetát vstupuje do glukoneogeneze. Arginasa. Enzym katalyzuje hydrolýzu Arg na močovinu a ornithin, který je transportován zpět do mitochondrie. očovina je odváděna do ledvin a močí ven z těla.

29 Karbamoylfosfátsynthetasová reakce Glutam t R 2 xokyselina AD(P) Glutam tdehydrogenasa Transaminasa 3 AD(P) 2 xoglutar t R Aminokyselina 2 ATP P ADP P i Karbamoylfosf t I TDRI E

30 echanismus argininosukcinátsynthetasy 2 PP i 2 AP 2 AP P P AP ATP ( 2 ) 3 ( 2 ) 3 Aspart t ( 2 ) itrulin itrulyl AP Argininosukcin t

31 Lokalizace ornithinového cyklu I TDRI E 2 ATP P 3 1 Karbamoylfosf t 2 ADP P i 2 3 rnithin 2 P i ( 2 ) 3 3 ( 2 ) 3 3 itrulin o ovina rnithin 5 ATP AP PP i itrulin 3 3 Aspart t Arginin 4 Argininosukcin t 2 2 ( 2 ) 3 3 Fumar t YTSL ( 2 ) 3 3

32 Další osud fumarátu v cytosolu Fumarasa 2 al tdehydrogenasa 2 GLUKEGEEZE Fumar t 2 al t AD(P) AD(P) xaloacet t

33 Regulace močovinového cyklu Karbamoylfosfátsynthetasa je allostericky aktivována acetylglu. Se vzrůstajícím odbouráváním aminokyselin roste koncentrace Glu a syntéza acetylglu močovinový cyklus se urychluje. očovinový cyklus stejně jako glukoneogeneze a ketogeneze je lokalizován v játrech, ale slouží pro celý organismus. statní enzymy cyklu jsou pod kontrolou koncentrace svých substrátů. ( 2 ) 2 3 Acetylglutam t

34 dbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin přehled Aminokyseliny jsou odbourávány na sloučeniny, které mohou být metabolizovány na 2 a 2 nebo využity při glukoneogenezi. dbouráváním aminokyselin u živočichů se obvykle získává 10 až 15 % metabolické energie. Dvacet standardních aminokyselin je odbouráváno na sedm metabolických meziproduktů: Pyruvát, α oxoglutarát, sukcinyloa, fumarát, oxaloacetát, acetyloa nebo acetoacetát. a tomto základě dělíme aminokyseliny do tří skupin: glukogenní, ketogenní a gluko i ketogenní. Glukogenní aminokyseliny se odbourávají na pyruvát, 2oxoglutarát, sukcinyloa, fumarát a oxaloacetát jsou prekurzory glukosy. Ketogenní aminokyseliny se odbourávají na acetyloa a acetoacetát a mohou být převedeny na mastné kyseliny a ketolátky. Čistě ketogenní jsou Lys a Leu.

35 dbourávání aminokyselin na jeden ze sedmi metabolických meziproduktů citrátového cyklu. Glukosa Asparagin Aspart t 2 xaloacet t Alanin ystein Glycin Serin Threonin Tryptofan Pyruv t Acetyl oa I soleucin Leucin Lysin Threonin Acetoacet t Leucin Lysin Fenylalanin Tryptofan Tyrosin Aspart t Fenylalanin Tyrosin al t Fumar t I TR TV YKLUS itr t I socitr t Sukcin t 2 Sukcinyl oa 2 xoglutar t I soleucin ethionin Valin 2 Arginin Glutam t Glutamin istidin Prolin

36 Ala, ys, 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 3. ys je převáděn na pyruvát různými cestami za odštěpení 2 S, S 3 2 nebo S. Gly je převáděn na pyruvát přes Ser enzymem serinhydroxymethyltransferasou. Enzym má jako koenzym, methylentf. Thr je jak glukogenní, tak ketogenní, protože poskytuje pyruvát i acetyloa.

37 Ala, ys, Gly, Ser a Thr se odbourávají na pyruvát. AD AD Amino 3 oxobutyr t 3 Threonin 3 Acetaldehyd oa oa 3 SoA Acetyl oa 3 Glycin

38 Ala, ys, Gly, Ser a Thr se odbourávají na pyruvát. 3 Glycin AD 4 2 5, 10 ethylen TF AD 3 2 Glycin TF S ystein 3 Alanin 3 Serin 2 R zn metabolick dr hy 2 xoglutar t Glutam t 3 ( 2 S, S 3 2, S ) 3 3 Pyruv t

39 Asp a Asn se odbourávají na oxaloacetát Asparagin 4 L Asparaginasa 2 3 Aspart t

40 Asp a Asn se odbourávají na oxaloacetát. 2 3 Aspart t 2 xoglutar t Glutam t Aminotransferasa 2 xaloacet t

41 Arg, Glu, Gln, is a Pro se odbourávají na Glu a poté na 2 oxoglutarát Arginin Prolin 2 istidin 3 1/ 2 2 o ovina Arginin 2 Pyrrolin 5 karboxyl t 4 Urokan t 2 xoglutar t Glutam t 2 3 Glutam t 5 semialdehyd I midazol 5 propion t 2 xoglutar t 2 Glutam t Glutamin Glutam t 5 Formimino TF TF Formiminoglutam t ADP ADP xoglutar t

42 Ile, et a Val se odbourávají na sukcinyloa 3 S 2 2 ethionin 3 ATP 2 P i PP i 3 S Adenosin S Adenosylmethionin (SA) 5 ethyl TF Akceptor methylu ethylovan akceptor Biosyntetick methylace S omocystein Adenosin 2 S Adenosin S Adenosylhomocystein

43 Ile, et a Val se odbourávají na sukcinyloa. S omocystein Serin 5 2 S S Biosynt za cysteinu 2 xobutyr t 3 ystein 3 ystathionin 7 oa S AD AD SoA Propionyl oa Sukcinyl oa

44 Tetrahydrofolát jako transfer jednouhlíkatých štěpů n 2 Amino 4 oxo 6 methylpterin p Aminobenzoov kyselina Glutam ty (n=1 6) Pteroov kyselina Pteroylglutamov kyselina (tetrahydrofol t, TF)

45 xidační stupně jednouhlíkatých skupin přenášených TF. xidační stupeň Přenášená skupina TF derivát ethanol ethyl ( 3 ) 5 methyltf Formaldehyd ethylen ( 2 ) 5, 10 methylentf ravenčany Formyl (=) 5 ( 10 )formyltf Formimino (=) 5 formiminotf ethenyl =) 5, 10 methenyltf

46 Dva stupně redukce folátu na TF. 2 ADP ADP ADP ADP R 10 R R Fol t 7,8 Dihydrofol t (DF) 5,6,7,8 Tetrahydrofol t (TF)

47 Tvorba tetrahydrofolátů 2 jednouhlíkatý štěp. 2 3 Serin 3 2 Glycin 5, 10 ethylen TF Serinhydroxymethyltransferasa reduktasa ethyl TF 10 AD R AD TF 2 Glycinov t pn syst m 3 2 Glycin AD 2 4 AD 5, 10 ethenyl TF , 10 ethylen TF reduktasa ADP R ADP , 10 ethylen TF R

48 Tvorba folátů nesoucích jednouhlíkatý štěp. TF istidin , 10 ethylen TF R 5 Formimino TF cyklodeaminasa Formimino TF R 5, 10 ethenyl TF cyklohydrolasa 2 2 ADP P i ATP 2 10 Formyl TF synthetasa TF 2 ATP ADP P i 5 10 Formyl TF 10 R 10 Formyl TF isomerasa ADP P i ATP 5 5 Formyl TF 10 R

49 Sulfonamidy kompetují s paminobenzoovou kyselinou při bakteriální syntéze TF. Antibakteriální chemoterapeutika. 2 S Sulfonamidy (R=, sulfanilamid) R 2 p Aminobenzoov kyselina

50 dbourávání větvených aminokyselin Větvené aminokyseliny jako Ile, Leu a Val jsou v prvních třech krocích odbourávány společnými enzymy. Transaminace na odpovídající α oxokyseliny. xidativní dekarboxylace na odpovídající acyloa. Dehydrogenace FAD za tvorby dvojné vazby. statní reakce jsou analogií oxidace mastných kyselin. Dehydrogenasa větvených α ketokyselin katalyzující druhou reakci je homologem pyruvátdehydrogenasy a α oxoglutarátdehydrogenasy. Genetický nedostatek tohoto enzymu vede k onemocnění zvaném moč javorového syrupu. oč obsahuje větvené α ketokyseliny a zapáchá nebo voní jako javorový sirup.

51 dbourávání Ile, Val a Leu R 1 R 2 3 (A) I soleucin: R 1 = 3, R 2 = 3 2 (B) Valin: R 1 = 3, R 2 = 3 () Leucin: R 1 =, R 2 = ( 3 ) 2 2 xoglutar t Glutam t 1 R 1 R 2 (A) 2 xo 3 methylvaler t (B) 2 xoisovaler t () 2 xoisokapron t AD oa S AD 2 2 R 1 R 2 SoA (A) 2 ethylbutyryl oa (B) I sobutytryl oa () I sovaleryl oa

52 Pokračování odbourávání Ile, Val a Leu R 1 R 2 SoA FAD FAD 2 3 (A) (B) () 3 3 SoA 2 SoA SoA Tiglyl oa ethylakrylyl oa 3 ethylkrotonyl oa 3 reakce 4 reakce 3 reakce oas 3 SoA Acetyl oa 3 SoA Acetyl oa 3 2 SoA 2 Propionyl oa 2 3 Acetoacet t Sukcinyl oa

53 dbourávání Lys a Trp dbouráváním lysinu v savčích játrech se tvoří acetoacetát a 2 2 přes adukt Lys s α oxoglutarátem sacharopin. elé 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 β γ za uvolnění Ala. Zbylý Trp skelet je převeden v pěti reakcích na α ketoadipát, který je také meziproduktem odbourávání Lys. α Ketoadipát je štěpen na 2 2 a acetoacetát v sedmi následných reakcích.

54 dbourávání Trp kinureninasa Tryptofan Formylkynurenin

55 dbourávání Trp kinureninasa Formylkynurenin Kynurenin 3

56 dbourávání Trp kinureninasa ADP 2 ADP 2 Kynurenin 3 ydroxykynurenin

57 dbourávání Trp kinureninasa ydroxykynurenin ydroxyanthranil t 3 3 Alanin

58 Další reakce odbourávání Trp 2 3 ydroxyanthranil t 3 3 Alanin 5 reakcᄡ 2 xoadip t reakc 3 2 Acetoacet t

59 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 Fe 3 ), 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 5,6,7,8tetrahydrobiopterin, tvořící se redukcí 7,8dihydropterinu ADP dihydrofolátreduktasou!

60 Podobnost mezi pteridiny, isoalloxaziny, biopteriny a foláty R 3 B A 3 Pteridin I soalloxazin Flavin 2 Biopterin R = 3 R Pterin (2 amino 4 oxopteridin) Fol t R = 2 2 2

61 Tvorba, využití a regenerace 5,6,7,8tetrahydrofolátu AD(P) Dihydropteridinreduktasa 7,8 Dihydrobiopterin (B 2 ) Dihydrofol treduktasa ADP ADP 5,6,7,8 Dihydrobiopterin (B 4 ) Fenylalanin Fenylalaninhydroxylasa AD(P) 7,8 Dihydrobiopterin (chinoidn forma) Pterin 4a karbinolamin Pterin 4a karbinolamin dehydratasa Tyrosin

62 dbourávání fenylalaninu (fenylalaninhydroxylasa) Tetrahydrobiopterin 2 2 Dihydrobiopterin 2 2 Fenylalanin 3 Tyrosin 3 2 xoglutar t Glutam t 2 p ydroxyfenylpyruv t Askorb t 2 Dihydroaskorb t Fumar t Acetoacet t omogentis t Fumarylacetoacet t 4 aleylacetoacet t

63 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. imo jiné se nesmí sladit Aspartamem, umělé sladidlo (AspPhemethyl ester). 2 Fenylpyruv t

64 Biosyntéza aminokyselin nohé aminokyseliny jsou syntetizovány metabolickými drahami, které jsou přítomné jen u rostlin a mikroorganismů. Tyto aminokyseliny jsou nutné pro život savců a nazývají se esenciální. statní aminokyseliny, které si savci syntetizují sami se nazývají neesenciální. Všechny neesenciální aminokyseliny, kromě Tyr, se syntetizují ze společných metabolických meziproduktů: pyruvátu, oxaloacetátu, α oxoglutarátu a 3fosfoglycerátu. Tyr, který je klasifikován jako neesenciální je syntetizován jednostupňovou hydroxylací z esenciálního Phe. Přítomnost Tyr v potravě snižuje potřebu Phe.

65 Esenciální a neesenciální aminokyseliny pro člověka Esenciální Arginin a Alanin istidin Asparagin Isoleucin Aspartát Leucin ystein Lysin Glutamát ethionin Glutamin Fenylalanin Glycin Threonin Prolin Tryptofan Serin Valin Tyrosin eesenciální. a Savci syntetizují Arg v močovinovém cyklu, většina se však štěpí na močovinu a ornithin (děti).

66 Aminokyseliny Ala, Asp, Asn, Glu, Gln jsou syntetizovány z pyruvátu, oxaloacetátu a α oxoglutarátu. 3 2 Pyruv t xaloacet t xoglutar t Aminotransferasa 1 Aminokyselina 2 xokyselina Aminotransferasa 2 Aminokyselina 2 xokyselina Aminotransferasa 3 Aminokyselina 2 xokyselina 3 3 Alanin 2 3 Aspart t Glutam t Asparaginsynthetasa 2 4 ATP Glutamin AP PP i 2 3 Asparagin Glutam t Glutaminsynthetasa 2 3 P 2 5 ATP ADP Glutamylfosf t (meziprodukt) P i Glutam t

67 Syntéza Glutaminu a Asparaginu Zdrojem α 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. ezproduktem je γ glutamylfosfát (aktivovaný Glu). Poté 4 nahradí fosfát za tvorby Gln. Syntézu Asn katalyzuje asparaginsyntetasa. Zdrojem aminoskupiny je Gln a ATP se štěpí na AP PP i. Gluatminsynthetasa hraje centrální roli v metabolismu dusíku! Gln je zdrojem dusíku pro řadu biosyntetických drah.

68 Glutamát je prekurzorem Pro, rn a Arg Glutam t 1 ATP ADP 2 3 P Glutam t 5 fosf t 2 AD(P) AD(P) P i Glutam t 5 semialdehyd

69 Glu je prekurzorem Pro, rn a Arg 2 Glutam t xoglutar t Glutam t 5 semialdehyd rnithin Samovoln cyklizace o ovinov cyklus 4 Pyrrolin 5 karboxyl t AD(P) AD(P) Arginin Prolin

70 Prekurzorem Ser je 3fosfoglycerát AD AD Glutam t 2 xoglutar t P i 2 2 P P P Fosfoglycer t 3 Fosfohydroxypyruv t 3 Fosfoserin Serin

71 Syntéza ys a Gly ze Ser (3fosfoglycerátu) V metablismu živočichů je ys syntetizován ze Ser a homocysteinu, který je štěpným produktem et. Kombinací homocysteinu a Ser vznikne cystathionin, který se rozpadá na ys a α oxobutyrát. Sulfhydrylová skupina ys má původ v esenciálním et náleží ys také k esenciálním aminokyselinám. Ser se podílí také na syntéze Gly. Ser se převádí přímo na Gly enzymem hydroxymethytransferasou v reakce produkující také 5, 10 methylen TF. Druhou drahou vedoucí ke Gly je přímá kondnzace 5, 10 methylen TF s 2 a 4 za katalýzy glycinsynthasou.

72 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, et a Thr. Skupina pyruvátu: Leu, Ile a Val. Skupina fosfoenolpyruvátu a erythrosa4fosfátu: Phe, Tyr a Trp. 5Fosforibosylα pyrofosfát(prpp): is. Syntézy jsou mnohastupňové. Věnujeme se jen syntéze aromatických aminokyselin v souvislosti se syntézou aromatického benzenového cyklu.

73 Syntéza Phe, Tyr, a Trp 2 P 3 Fosfoenolpyruv t (PEP) 2 1 P i P P 3 Erythrosa 4 fosf t 2 xo 3 deoxyarabinoheptuloson t 7 fosf t Anthranil t 2 Pyruv t glutam t 2 Glutamin 6 reakcᄡ 2 horism t 5 2 Prefen t

74 Anthranil t 2 Pyruv t glutam t 2 Syntéza Phe, Tyr a Trp Glutamin horism t Prefen t 2 reakce 2 reakce 3 reakce Tyrosin Fenylalanin 2 P 3 2 Glyceraldehyd 3 fosf t Serin I ndol 3 glycerol fosf t 3 I ndol 4 Tryptofan

75 Syntéza is. Pět atomů ze šesti histidinových má původ v 5fosforibosylα pyrofosfátu. Stejná látka je základem biosyntézy purinových a pyrimidinových bází nukleových kyselin. Šestý atom je z ATP. statní atomy z ATP se odštěpí jako 5aminoimidazol4karboxamidribonukleotid, což je také meziprodukt syntézy purinů. Tyto souvislosti podporují hypotézu, že život vznikl původně na bázi RA. Biosyntéza is je považována, z tohoto hlediska, za fosilii.

76 Biosyntéza a degradace hemu em je Feobsahující 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 B 12 u bakterií. Všechny a atomy hemu mají původ v acetátu a Gly. Syntéza probíhá částečně v mitochondrii a částečně v cytosolu. Prekurzory jsou sukcinyloa a Gly. Dvě hlavní místa syntézy hemu jsou erythroidní buňky syntetizující asi 85 % hemu a játra syntetizující zbytek. V játrech reguluje syntézu hemu δ aminolevulinátsythasa, kterou zpětnovazebně inhibuje hem nebo hemin (Fe 3 ). V erythroidních buňkách jsou limitující enzymy

77 Tvorba δ aminolevulinátu a porfobilinogenu A=acetyl, P=propionyl, = methyl a V=vinyl(= 2 ) I TR TV YKLUS I TDRI E V 2 2 SoA Sukcinyl oa 3 Aminolevulin tsynthasa 2 Glycin 2 2 P P Ferrochelatasa Fe2 Porfyrinogenoxidasa V Protoporfyrin I X V V Aminolevulinov kyselina ALA P Fe V P V Porfobilinogensynthasa 2 P em P Protoporfyrinogen I X Porfobilinogen (PBG) YTSL

78 Část syntézy hemu lokalizovaná v cytosolu. A=acetyl, P=propionyl, = methyl a V=vinyl(= 2 ) I TDRI E V Aminolevulinov kyselina ALA P V Porfobilinogensynthasa P Protoporfyrinogen I X 2 2 Koproporfyrinogenoxidasa 2 Porfobilinogen (PBG) A P YTSL P Porfobilinogendeaminasa 4 3 Uroporfyrinogen I I I deaminasa A P Uroporfyrinogendekarboxylasa A P P P P A Uroporfyrinogen I I I P Koproporfyrinogen I I I

79 Degradace hemu. Biliverdin zelený lineární tetrapyrrol. (P = propionyl, = methyl, V = vinyl(= 2 ) a E = ethyl). V P Fe V P em 2 2 ADP 2 ADP Fe 3 V P P V B D A Biliverdin

80 Bilirubin (červenooranžový) V P P V B D A Biliverdin ADP ADP V P P V B D A Bilirubin

81 Vysoce lipofilní bilirubin je transportován krví v komplexu se sérovým albuminem. Ve střevech je mikrobiálně degradován na urobilinogen. V P P V B D A Bilirubin 8 ikrobil n enzymy E P P E B D A 2 Urobilinogen

82 Sterkobilin je barvivo výkalů a urobilin moči. E 2 P P E B D A Urobilinogen ikrobil n enzymy (tlust st evo) 2 2 (ledviny) 2 E P 2 P E B D A Sterkobilin 2 E P 2 P E B D A Urobilin

83 Biosyntéza fyziologicky významných aminů X 2 R Adrenalin (epinefrin): X =, R = 3 oradrenalin (norepinefrin): X =, R = t Dapamin: X =, R = Aminom seln kyselina (GABA) Serotonin (5 hydroxytryptamin) istamin

84 Biosyntéza těchto aminů zahrnuje dekarboxylaci příslušné aminokyseliny. Dekarboxylasy aminokyselin mají jako koenzym PLP. R 2 3 P 2 3

85 Katecholaminy. Dopamin, noradrenalin, adrenalin Katecholaminy jsou syntetizovány z Tyr hydroxylací za tvorby dihydroxyfenylalaninu (LDPA)prekurzor melaninu. LDPA je dekarboxylován na dopamin. Další hydroxylace vede k noradrenalinau. Posledním stupněm je methylace aminoskupiny noradrenalinu Sadenosylmethioninem za vzniku adrenalinu. Katechol

86 Syntéza Ldihydroxyfenylalaninu (LDPA) 2 Tyrosin 3 Tetrahydrobiopterin 2 Dihydrobiopterin Tyrosinhydroxylasa 3 Dihydroxyfenylalanin (L DPA) elanin

87 Syntéza dopaminu. LDPA je prekurzor kožního pigmentu melaninu. 2 elanin 3 Dihydroxyfenylalanin (L DPA) Dekarboxylasa 2 aromatick ch kyslin Dopamin

88 Převedení dopaminu na noradrenalin Askor t Dopamin Dehydroaskorb t 2 3 Dopamin hydroxylasa 2 3 oradrenalin

89 etylace noradrenalinu adrenalin 2 3 oradrenalin S Adenosyl methionin S Adenosyl homocystein 4 Fenylethanolamin methyltransferasa 2 Adrenalin 3

90 xid dusný Arginin je prekurzorem původně nazvaného v endotheliu utvořený relaxační faktor (endotheliumderived relaxing factor EDRF). Způsobuje relaxaci hladkého svalstva. Tímto faktorem je oxid dusnatý. xid 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 je synthasa (S) ADP 2 1/ 2 ADP 2 2 ADP 2 2 1/ 2 ADP L Arginin L ydroxyarginin L itrulin

91 Fixace dusíku ejdůležitějšími prvky živých systémů jsou,,, a P. Prvky, a P jsou snadno dostupné v metabolicky vhodných formách ( 2, 2 a P i ). lavní formy a, 2 a 2, jsou extrémně stabilní (nereaktivní). Vazebná energie trojné vazby dusíku je 945 kj.mol 1 (např. ve srovnání s vazbou, 351 kj.mol 1 ). xid uhličitý je, kromě několika výjimek, metabolizován (fixován) fotosyntetickými organismy. Dusík je metabolizován (převeden na metabolicky využitelné formy) jen několika kmeny bakterií zvaných diazotrofy. ezi diazotrofy patří některé mořské cyanobakterie a bakterie kolonizující kořenové hlízy bobovitých rostlin jako

92 itrogenasová reakce. Diazotrofy obsahují enzym nitrogenasu, která katalyzuje reakci: e 16 ATP ADP 16 P i U rostlin čeledi fabaceae (bobovité) produkuje tento systém mnohem více amoniaku než sám spotřebuje. adbytek se uvolňuje do půdy. Bakterie rodu Rhizobium (fixace dusíku) žije v symbioze s rostlinou ve formě kořenových hlíz.

93 itrogenasa itrogenasa je komplexem dvou proteinů: 1. FeProtein, homodimer obsahující jeden klastr [4 Fe 4 S] a dvě vazebná místa pro ATP. 2. ofeprotein, α 2 β 2 heterotetramer obshující Fe a o. 2 ADP 2 P i (ofe protein) red Schéma toku (Ferredoxin) elektronů red při (Fe protein) nitrogenasové ox reakci: 2 8 Fotosynt za nebo oxidativn elektronov transport (Ferredoxin) ox (Fe protein) red (ofe protein) ox ATP 8x

94 Energetická náročnost redukce 2 Redukce 2 probíhá v Feoproteinu ve třech oddělených stupních. V každém se uplatňuje jeden elektronový pár. 2 2 e 2 2 e 2 2 e 2 3 olekul rn dus k Diimin ydrazin Amoniak

95 yklus dusíku v biosféře ěkteré bakterie produkují dusitany (nitrit, 2 ) a poté dusičnany (nitrát, 3 ) oxidací 3 v procesu zvaném nitrifikace. Řada organismů převádí nitráty zpět na 2 v procesu zvaném denitrifikace. itráty jsou rostlinami, plísněmi a mnoha bakteriemi redukovány na 3 v procesu zvaném amonifikace. itrátreduktasa katalyzuje dvouelektronovou redukci nitrátu na nitrit: e 2 2 itritreduktasa převádí nitrit na amoniak: e 3 2 2

96 yklus dusíku v biosféře 2 DEI TRI FI KAE 3 itr t FI XAE DUS KU itrogenasa itr treduktasa 2 itrit itritreduktasa I TRI FI KAE 3 dbour n Asimilace BI LEKULY BSAUJ DUS K

97 Asimilace fixovaného dusíku Amoniak a dusičnany jako vzniklé biologicky užitečné formy dusíku musí být vloženyasimilovány 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. o je zdrojem dusíku v Glu? U bakterií a rostlin, ale ne u živočichů, je to enzym glutamátsynthasa:

98 Reakční mechanismus glutamátsynthasy (Tři aktivní místa). 3 putuje kanálkem do podjednotky 2 kde reaguje s α oxoglutarátem. Podjednotka m sto Glutamin 3 Glutam t 3 Podjednotka m sto xoglutar t Podjednotka m sto 1 I minoglutar t ADP FAD 1 2 ADP FAD 2 F 2 5 F 2 2 ELKV REAKE: Glutam t 3 ADP GLUTAI 2 XGLUTAR T 2 GLUTA T ADP

99 Sumární výsledek asimilace dusíku Sumární výsledek glutaminsythetasové a glutamásynthasové reakce: α xoglutarát 4 ADP ATP glutamát ADP ADP P i Kombinací těchto dvou enzymových reakcí je asimilován fixovaný dusík ( 4 ) do organické sloučeniny (α oxoglutarát) za tvorby aminokyseliny glutamátu. Jednou asimilovaný dusík v glutamátu, může být využit k syntéze dalších aminokyselin transaminací!!