Metabolismus aminokyselin I. Jana Novotná 2. LF UK, Ústav lékařské chemie a klinické biochemie

Transkript

1 Metabolismus aminokyselin I Jana Novotná 2. LF UK, Ústav lékařské chemie a klinické biochemie

2 Osnova přednášky Přehled metabolismu aminokyselin Trávení a absorpce, přenos AK do buněk Obecné reakce aminokyselin (transaminace, deaminace, dekarboxylace) Syntéza neesenciálních aminokyselin Katabolismus aminokyselin

3 Metabolismus aminokyselin Tělesné proteiny Proteiny z potravy Glykolýza Krebsův cyclus Proteosyntéza Trávení g/den ZÁSOBA VOLNÝCH AMINOKYSELIN Proteolýza Přeměna ulíkové kostry Nebílkovinné deriváty: porfyriny puriny pyrimidiny neurotransmitery hormony složené lipidy aminocukry Močovina NH 3 Sacharidy lipidy CO 2 voda Ketolátky Acetyl CoA

4 Trávicí enzymy štěpící proteiny Hydrolýza polypetidy oligopetidy aminokyseliny střevní sliznice transport k cílovým tkáním. Endopeptidázy žaludeční pepsin Pankreatické - trypsin, chymotrypsin, elastáza Exopeptidázy (pankreas) - aminopeptidázy, karboxypeptidázy, dipeptiázy Odbourávání aminokyselin intracelulárně Prvním krok - odstranění a-aminoskupiny většinou jako NH 3 vyloučen přímo nebo přes další sloučeniny.

5 Kterou peptidovou vazbu enzymy štěpí Pepsin (ph ) peptidová vazba mezi hydrofóbními AK a aromatickými AK (Tyr, Phe, Trp) Trypsin (ph ) peptidová vazba za Lys a Arg Chymotrypsin (ph ) peptidová vazba za aromatickými AK (Trp, Phe,Tyr), v menší míře za Met, Leu Pankreatická elastáza (ph ) peptidová vazba za Ala, Gly a Ser

6 Vstřebávání aminokyselin ve střevě Kotransport s Na + - semispecifické Na + dependentní přenašeče (enzymy a izoenzymy) Nejméně šest Na + -dependentních přenašečů aminokyselin, vzájemné překrývání - neutrální - kyselé - bazické a ornithin - cystin - prolin a hydroxyprolin Podobný přenos v ledvinové epitelu Přenos aminokyselin je dvojsměrný - během hladovění aminokyseliny jako zdroj energie transportovány opačným směrem

7 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 - gen pro specifický transporter na 2. chromozomu obvykle nevyvolává žádné klinické příznaky, jen malá část pacientů kolem 10 roku fotosenzitivní, ekzémy. Moč novorozenců je rutinně vyšetřována

8 Intracelulární metabolický obrat proteinů a doplňování zásoby volných aminokyselin Poločas metabolického obratu proteinů: krátkodobé (regulační) proteiny, špatně složené proteiny minuty dlouhodobé proteiny (většina buněčných proteinů) dny, týdny strukturální proteiny (kolagen) metabolicky stabilní Odbourání proteinů: systém ATP-dependentního ubikvitinového proteazomu (cytosol) endogenní proteiny systém na ATP nezávislých lysozomálních enzymů (kyselé hydrolázy atd.) extracelulární, povrchově membránové proteiny

9 Klasifikace Mechanismus Úloha Katepsiny Proteázy podílející se na metabolismu/odbourávání proteinů Cysteinové proteázy (cystein v aktivním místě) Lysosomální enzymy Kaspázy Cysteinové proteázy štěpící za aspartátem Apoptóza; aktivované z prokaspáz Matrixové metaloproteinázy Proteazom Serinové proteázy Kalpainy Zinek jako kofaktor Velký komplex degradace ubiquitinem značené proteiny Serin v aktivním místě společně s histidinem a aspartátem Cysteinové proteázy, vápník jako kofaktor Degradace extracelulární matrix, regulace inhibitory TIMPs (tissue inhibitors of matrix metalloproteinases) Metabolický obrat proteinů Mnoho enzymů odbourávání proteinů; koagulace, aktivované ze zymogenů Řada úloh v buněčné metabolismu

10 Ubikvitin-proteazom

11 Glutathion a přenos aminokyselin (gamaglutamylový cyklus) g-glutamyltranseráza (g-glutamyl transpeptidáza, 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

12 Obecné reakce aminokyselin

13

14 Transaminace Enzymová katalýza transamináza = aminotransferáza Kromě lysinu, threoninu a prolinu probíhají transaminační reakce u všech aminokyselin Většina transamináz vyžaduje a-ketoglutarát jako příjemce aminoskupiny Společná transamináza pro větvené aminokyseliny

15 Transamináza vždy pro jeden pár aminokyseliny s její odpovídající a-ketokyselinou (oxokyselinou). + N H 3 R C H COO O OOC C H 2 C H 2 C COO aminokyselina a-ketoglutarát O R C COO + + N H OOC C H 2 C H 2 C H COO a-ketokyselina glutamát

16 Prostetická skupina transamináz pyridoxalfosfát (PLP)

17 PLP - pevně vázán na enzym (transaminázu) Schiffovou bází na e-aminoskupinu lysinu. Lysin Enzym Interní Schiffova báze H + N C H 2- O 3 PO H 2 C O - + N H CH 3

18 Sled reakcí při transaminaci

19 Transaminázy důležité v klinické praxi AST - aspartátaminotransferáza, starší název SGOT (serum glutamát- oxaloacetáttransamináza). 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

20 Transaminázy důležité v klinické praxi ALT- alaninaminotransferáza starší název SGPT (serum glutamát- pyruváttransferáza). Čistě cytoplasamtický enzym, hlavně v játrech Indikátor poškození hepatocytu (jaterních léze) Zvýšení virová hepatitida mononukleóza

21 A. Oxidativní deaminace Deaminace aminokyselin aminokyselina + FMN + H 2 O oxidáza L-aminokyselin a-ketokyselina + FMNH 2 + NH 3 Oxidáza L-aminokyselin tvoří NH 3 a a-ketokyselinu přímo, FMN jako kofaktor. O 2 kataláza FMN H 2 O 2 H 2 O + O 2 B. Neoxidativní deaminace serin threonin serin-threonin dehydratáza pyruvát a-ketobutyrát + + NH 3 + H 2 O NH 3 + H 2 O

22 Dekarboxylace Katalyzována dekarboxylázami Kofaktor pyridoxalfosfát R-CHNH 2 -COOH R-CH 2 NH 2 + CO 2 Probíhá v malých množstvích Primární aminy Biologicky aktivní aminy Hormony (neurotransmitery, koenzymy)

23 Přehled biogenních aminů

24 Syntéza neesenciálních aminokyselin

25 10 AK z glukózy přes intermediáty glykolýzy nebo citrátového cyklu Phe Tyr Cys Ser + síra z Met Přehled syntézy neesenciálních aminokyselin

26 Aminokyseliny odvozené z intermediátů glykolýzy

27 Serin Serin: inhibice 3-fosfoglycerátdehydrogenázy - ihibice fosfoserinfosfatázy

28 Vzájemná přeměna serinu a glycinu Převzato z

29 Odbourání glycinu Glycinsyntáza (H 4 folate) Převzato z

30 Tetrahydrofolát jako nosič jednoho uhlíku Kyselina listová dihydrofolátreduktáza NADPH (2x) Tetrahydrofolát Serin glycin vznik N 5,N 10 -methylen THF Glycin CO 2 - vznik N 5,N 10 -methylen THF Homocystein methionin donor N 5 -methyl THF Histidin odbourání vznik N 5 -formiminothf; N 5,N 10 -methenyl a N 10 -formyl THF Tryprofan odbourání vznik N 10 -formyl THF

31 Aminokyseliny vztahující se k oxalacetátu Aspartát a asparagin

32 Regenerace Met za přítomnosti N 5 -methyltetrahydrofolátu (vitaminy: folát + B12) Biosyntéza cysteinu 1. SAM se přes SAH na homocystein. 2. Kondenzace homocysteinu se serinem na cystathion. * 3. Cystathionáza cystathion na cystein a a-ketoglutarát. Celá rerakce se nazývá transsulfurace *nefunkční enzym vede ke vzniku homocystinurie Převzato z

33 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.

34 Syntéza a degradace prolinu

35 Vzájemná přeměna mezi glutamátem, glutaminem a a-ketoglutarátem NH 3 NH 3 a-ketoglutarát glutamát glutamin NH 3 NH 3 A. Glutamátdehydrogenáza glutamát + NAD + + H 2O a-ketoglutarát + NH 3 + NADH z transaminačních reakcí B. Glutaminsyntetáza (játra) přímo do močovin. cyklu ATP ADP glutamát + NH 3 Glutamin (puriny, pyrimidiny, regulace ph) C. Glutamináza (ledviny) glutamin + H 2 O glutamát + NH 3

36 Degradace aminokyselin

37 Dvacet aminokyselin se odbourává na sedm produktů, které jsou součástí citrátového cyklu

38 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

39 Ketogenní aminokyseliny Acetyl CoA nebo acetoacetát Lysin Leucin

40 Ketogenní a glukogenní aminokyseliny a-ketoglutarát, pyruvát, oxaloacetát, fumarát nebo sukcinyl CoA a také acetyl CoA nebo acetoacetát Isoleucin Threonin Tryptofan Fenylalanin Tyrosin

41 Aminokyseliny tvořící acetyl CoA nebo ketolátky

42 Aminokyseliny tvořící sukcinyl CoA

43 Tvorba aktivovaného methioninu = S-adenosylmethionin (SAM) SAM slouží jako prekurzor pro řadu metylačních reakcí, např. konverze noradrenlinu na adrenalin. Po ztrátě CH 3 vzniká S-adenosylhomocystein (SAH). Methionin homoserin propionyl-coa methylmalonyl-coa sukcinyl-coa

44 Aminokyseliny tvořící acetyl CoA a acetoacetát

45 Aminokyseliny skupiny glutamátu

46 Odbourání histidinu

47 Odbourávání větvených aminokyselin

48 Klinická poznámka Aminoacidémie větvených aminokyselin, leucinóza (choroba javorového sirupu) Vrozená genetická porucha metabolismu větvených aminokyselin, geneticky podmíněná defektem enzymu dehydrogenáza větvených a- ketokyselin. Větvené aminokyseliny a jejich a-ketokyseliny vysoká koncentrace v moči. Mechanismus toxicity není znám. Neléčený stav abnormální vývoji mozku, mentální retardace.

49 Tyrosin a fenylalanin Chybějící nebo defektní fenylalaninhydroxyláza způsobuje hyperfenylalaninemie (koncentrace Phe > 120 mm). Převzato z

50 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.

51 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. Tryptofan

52 Selenocystein (Sec) a pyrolysin (Pyl) Nadávno zařazeny mezi proteinogenní aminokyseliny jako 21 a 22 AK. Uhlíková kostra Sec pochází ze serinu Selen nezbytný pro aktivitu enzymů oxydoreduktáz - glutathionperoxidáza (GPx) - jodtyronin dejodáza (DI) - thioreduxinreduktázy (oxido-redukční reakce) Různé selenoproteiny (bakterie) Sec - inkorporace do proteinů trna s UGA antikodonem (normálně stopkodon), geny pro selenoproteiny obsahují zvláštní signální sekvenci SECIS (selenocysteine insertion sequence). Pyl trna s kodonem UAG (metan produkující archebakterie), pro zabudování nutná signální sekvence PYLIS (pyrrolysine insertion sequence) Záměna selenocysteinu za Cys vede ke značnému snížení enzymové aktivity (nedostatek Se v potravě).

53 Souhrn Lidský organismus je schopen syntetizovat 11 aminokyselin z 20ti proteinogenních, 9 aminokyselin je esenciálních. V metabolismu aminokyselin se hojně využívají kofaktory pyridoxalfosfát, tetrahydrobiopterin (BH 4 ), tetrahydrofolát (THF). pyridoxalfosfát v transaminačních reakcích BH 4 při hydroxylaci aromatického jádra fenylalaninu THF pro přenos jednoho uhlíku

54 Souhrn Neesenciální aminokyseliny se syntetizují z intermediátů glykolýzy (serin, glycin, cystein, alanin), citrátového cyklu (aspartát, asparagin, glutamát, glutamin, prolin, arginin), z aminokyselin (tyrosin z fenylalaninu, cystein z methioninu). Aminokyseliny se v orgánech a ve tkáních využívají jako zdroj energie glukogenní aminokyseliny Poruchy odbourávání aminokyselin vedou ke vzniku chorob.

55 Schémata použitá v prezentaci: Marks Basic Medical Biochemistry A Clinical Approach. Four edition M. Lieberman, A.D. Marks ed., Essentials of Medical Biochemistry With Clinical Cases. First edition. N.V. Bhagavan, Chung-Eun Ha ed., Zdroje z internetu jsou uvedené u jednotlivých schémat.