BIOSYNTÉZA AMINOKYSELIN

Transkript

1 BISYTÉZA AIKYSELI

2 ÚVD Biosyntéza aminokyselin. Další produkty metabolismu aminokyselin. Fixace dusíku.

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

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

5 Spotřeba aminokyselin

6 Biosyntéza aminokyselin

7 Biosyntéza aminokyselin

8 Syntéza neesenciálních aminokyselin

9 Syntéza esenciálních aminokyselin

10 Aminokyseliny Ala, Asp, Asn, Glu, Gln jsou syntetizovány z pyruvátu, oxaloacetátu a aoxoglutarátu 3 Pyruvát 2 xaloacetát 2 2 2xoglutarát Aminotransferasa 1 Aminokyselina 2xokyselina Aminotransferasa 2 Aminokyselina 2xokyselina Aminotransferasa 3 Aminokyselina 2xokyselina Alanin Aspartát Glutamát Asparaginsynthetasa 2 4 ATP Glutamin AP PP i 2 3 Asparagin Glutamát Glutaminsynthetasa 2 3 P 2 5 ATP ADP Glutamylfosfát (meziprodukt) P i Glutamin

11 Syntéza glutaminu a asparaginu Zdrojem aaminoskupin 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. eziproduktem je 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. Savčí glutaminsyntetasa je aktivována aoxoglutarátem. Tato regulace zabraňuje hromadění amoniaku.

12 Biosyntéza aminokyselin z aoxoglutarátu (glutamátová rodina)

13 Glutamát je prekurzorem Pro, rn a Arg 2 2 Glutamát 3 1 ATP ADP 2 3 P Glutamát5fosfát 2 AD(P) AD(P) P i Glutamát5semialdehyd

14 Glutamát je prekurzorem Pro a Arg 2 Glutamát xoglutarát Glutamát5semialdehyd rnithin Samovolná cyklizace očovinový cyklus Pyrrolin5karboxylát 4 AD(P) AD(P) Arginin Prolin

15 Biosyntéza aminokyselin z 3fosfoglycerátu (serinová rodina)

16 Biosyntéza aminokyselin z 3fosfoglycerátu (serinová rodina)

17 Biosyntéza 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 aoxobutyrát. 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 reakci produkující také 5, 10 methylen TF. Druhou drahou vedoucí ke Gly je přímá kondenzace 5, 10 methylen TF s 2 a 4 za katalýzy glycinsynthasou.

18 Biosyntéza aminokyselin z oxalacetátu (aspartátová rodina)

19 Biosyntéza aminokyselin z oxalacetátu (aspartátová rodina)

20 Biosyntéza aminokyselin z pyruvátu (pyruvátová rodina)

21 Biosyntéza aminokyselin z pyruvátu (pyruvátová rodina)

22 Biosyntéza aminokyselin z fosfoenolpyruvátu a erytrosa4 fosfátu (aromatická rodina)

23 Syntéza Phe, Tyr, a Trp P 3 2 Fosfoenolpyruvát (PEP) 2 P i P P 3 2 Erythrosa4fosfát 2xo3deoxyarabinoheptulosonát 7fosfát 2 Pyruvát glutamát 2 Glutamin 6 reakcí Anthranilát horismát Prefenát

24 Syntéza Phe, Tyr, a Trp 2 Pyruvát glutamát 2 Glutamin Anthranilát horismát Prefenát 2 reakce 2 reakce 3 reakce Tyrosin Fenylalanin 2 P 3 2 Glyceraldehyd3fosfát Serin Indol3glycerolfosfát 3 Indol 4 Tryptofan

25 Biosyntéza aminokyseliny z ribosa5fosfátu (aromatická rodina)

26 Biosyntéza aminokyseliny z ribosa5fosfátu (aromatická rodina)

27 Syntéza is Pět atomů ze šesti histidinových má původ v 5fosforibosylapyrofosfátu. 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.

28 Biosyntéza fyziologicky významných aminů

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

30 Biosyntéza fyziologicky významných aminů Biosyntéza těchto aminů zahrnuje dekarboxylaci příslušné aminokyseliny. Dekarboxylasy aminokyselin mají jako koenzym PLP R a 2 3 P 2 3

31 Biosyntéza fyziologicky významných aminů Katecholaminy: Dopamin, noradrenalin, adrenalin Katecholaminy jsou syntetizovány z Tyr hydroxylací za tvorby dihydroxyfenylalaninu LDPAprekurzor melaninu. LDPA je dekarboxylován na dopamin. Další hydroxylace vede k noradrenalinu. Posledním stupněm je methylace aminoskupiny noradrenalinu Sadenosylmethioninem (SA) za vzniku adrenalinu. Katechol

32 Biosyntéza fyziologicky významných aminů z tyrozinu Katecholaminy: dopamin, noradrenalin (norepinefrin) adrenalin (epinefrin)

33 Biosyntéza fyziologicky významných aminů Syntéza Ldihydroxyfenylalaninu (LDPA) 2 Tyrosin 3 Tetrahydrobiopterin 2 Dihydrobiopterin Tyrosinhydroxylasa 3 Dihydroxyfenylalanin (LDPA) elanin

34 Biosyntéza fyziologicky významných aminů LDPA je prekurzor kožního pigmentu melaninu 2 elanin 3 Dihydroxyfenylalanin (LDPA) Dekarboxylasa 2 aromatických kyslin Dopamin

35 Biosyntéza fyziologicky významných aminů Převedení dopaminu na noradrenalin Dopamin Askorát 2 Dehydroaskorbát 2 3 Dopamin hydroxylasa 2 3 oradrenalin

36 Biosyntéza fyziologicky významných aminů etylace noradrenalinu adrenalin SAdenosylmethionin 2 3 SAdenosylhomocystein oradrenalin Fenylethanolaminmethyltransferasa Adrenalin

37 Biosyntéza fyziologicky významných aminů GABA inhibiční neurotransmiter v S u člověka je GABA přímo odpovědná za regulaci svalového tonu istamin působí na hladké svalstvo intensivní kontrakce dělohy rozšiřuje cévy a tím snižuje krevní tlak. Serotonin neurotransmiter (přenašeč nervových vzruchů), ovlivňuje serotoninergní systém, tvořený soustavou neuronů v prodloužené míše, mostu, středním mozku a mezimozku.

38 Biosyntéza fyziologicky významných aminů Spermin podílí na buněčném metabolismu ve všech eukaryotních organizmech Spermidin inhibice neuronální syntázy oxidu dusnatého, pomoc při procesu transkripce RA prostřednictvím stimulace T4 polynukleotidy kinázy a T7 RA polymeráza, regulace a podpora růstu rostlin

39 Biosyntéza a degradace hemu

40 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. Prekurzory jsou sukcinyloa a Gly. Syntéza probíhá částečně, v mitochondrii a částečně v cytosolu. Dvě hlavní místa syntézy hemu jsou erythroidní buňky (kostní dřeň) syntetizující asi 80 % hemu, játra syntetizující zbytek cca 15% a ostatní buňky 5%. V játrech reguluje syntézu hemu daminolevulinátsythasa, kterou zpětnovazebně inhibuje hem nebo hemin (Fe 3 ). V erythroidních buňkách jsou limitující enzymy ferrochelatasa a porfobilinogendeaminasa.

41 em je klíčová složka buněčných hemoproteinů Úloha a funkce hemu Zachycování 2 (hem a hemoproteiny) Transport 2 (hemoglobin) Skladování 2 (myoglobin) Transport e (cytochromy v dýchacím řetězci) xidoredukční reakce (cytochrom P450, tryptofanpyrrolasa, hemoxygenasa, guanylátcyklasa atd.) Rozklad a aktivace 2 2 (katalasa a peroxidasa) Syntéza (nitric oxide synthasa, S) Regulace buněčných procesů Efektor apoptosy je syntetizován ve všech buňkách

42 lavní místa biosyntézy hem a) Kostní dřeň (~70 80 %) biosyntéza hemoglobinu b) Játra (~15 %) biosyntéza enzymů rodiny cytochromů P450 (hemoxygenasa, tryptofanpyrrolasa, prostaglandinendoperoxidsynthasa, indolamin2,3dioxygenasa) i dalších buněčných hemoproteinů (katalasa, peroxidasa a guanylátcyklasa) c) ostatní somatické buňky (zbytek ~5 %)

43 Tvorba daminolevulinátu živočichové bakterie a rostliny

44 Tvorba hemu z daminolevulinátu

45 Tvorba daminolevulinátu a porfobilinogenu A=acetyl, P=propionyl, = methyl a V=vinyl(=2) ITRÁTVÝ YKLUS ITDRIE V 2 2 SoA SukcinyloA 3 2 Glycin Ferrochelatasa 2 P Fe 2 P V Porfyrinogenoxidasa daminolevulinátsynthasa 2 V Protoporfyrin IX V daminolevulinová kyselina ALA P Fe V P V Porfobilinogensynthasa 2 P em P Protoporfyrinogen IX Porfobilinogen (PBG) YTSL

46 Tvorba daminolevulinátu a porfobilinogenu ITDRIE V daminolevulinová kyselina ALA P V Porfobilinogensynthasa P Protoporfyrinogen IX 2 2 Koproporfyrinogenoxidasa 2 Porfobilinogen (PBG) A P YTSL P Porfobilinogendeaminasa 4 3 Uroporfyrinogen III deaminasa A P Uroporfyrinogendekarboxylasa A P P P P A Uroporfyrinogen III P Koproporfyrinogen III Část syntézy hemu lokalizovaná v cytosolu. A=acetyl, P=propionyl, = methyl a V=vinyl(= 2 )

47 Tvorba hemu z daminolevulinátu

48 DEGRADAE EU a žlučová barviva

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

50 DEGRADAE EU Bilirubin (červenooranžový) V P P V B D A Biliverdin ADP ADP V P P V B D A Bilirubin

51 DEGRADAE EU 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 ikrobilání enzymy E P P E B D A 2 Urobilinogen

52 E 2 P P E B D A Urobilinogen ikrobilání enzymy (tlusté střevo) 2 2 (ledviny) 2 E P 2 P E B D A Sterkobilin 2 E P 2 P E B D A Urobilin DEGRADAE EU Sterkobilin je barvivo výkalů a urobilin moči

53 DEGRADAE EU Větší část bilirubinu se slučuje s kyselinou glukuronovou na bilirubinglukuronid (konjugovaný bilirubin) a odchází žlučovody do žluči. Spolu s ní je pak transportován do dvanáctníku. Redukčními procesy (střevní bakteriální flóra) se mění na urobilinoidy (sterkobilin, urobilin), které způsobují typické zabarvení moče a stolice. Kyselina glukuronová, nebo také glukuronát, zkratka GlcA nebo GlcUA je derivátem glukosy, u které je šestý uhlík oxidován na karboxylovou skupinu. Je jednou ze tří možných karboxylových kyselin odvozených z Dglukosy ( spolu s kyselinou glukonovou a glukarovou), se kterými občas bývá zaměňována.

54 Fixace dusíku

55 Sloučeniny dusíku

56 Přirozený koloběh dusíku

59 xid dusnatý Arginin je prekurzorem oxidu dusnatého xid dusnatý funguje jako signální molekula a je důležitý pro centrální nervový systém. Reakcí se superoxidovým radikálem vytváří vysoce reaktivní hydroxylový radikál působící antibakteriálně. Způsobuje relaxaci hladkého svalstva. Enzymem tvorby je synthasa (S) ADP 2 1/2 ADP ADP 2 2 1/2 ADP ( 2 ) LArginin Lydroxyarginin Litrullin

60 Fixace dusíku nožství dusíku fixovaného diazotrofními (dusík fixujícími) mikroorganismy je asi 1011 kg za rok. Je to asi 60% na Zemi nově fixovaného dusíku. Principiálně je třeba na redukci 2 na 3 šest elektronů. Biologická reakce produkuje navíc 1 mol 2 při produkci 2 molů 3 a proto jsou třeba další dva elektrony: 2 8 e

61 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. Leghemoglobin chrání nitrogenasu před 2!!

62 Fixace dusíku

63 Fixace dusíku e 16 ATP ADP 16 P i itrogenasa je komplexem dvou proteinů: 1. Feprotein, homodimer obsahující jeden klastr [4 Fe 4 S] a dvě vazebná místa pro ATP. 2. ofeprotein, a2b2 heterotetramer obsahující Fe a o.

64 1. Fixace 2 v bakteroidu 2. Glutamin syntéza v cytoplasmě infikované buňky 2. Transaminace glutaminu v plastidu infikované buňky

65 1. Příjem 3 2. Transport do buňky (možnost regulace) 3. Uložení do vakuoly 4. Transport xylémem do nadzemní části (Kaspariho proužky) 5. Redukce 3 v cytoplasmě na 2 6. Redukce 2 v plastidech na 4 7. Fixace 4 ASIILAE DUSIČAŮ Leukoplasty (ADP oxidační pentosafosfátová dráha)

66 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. Glu je syntetizována z 4 a 2oxoglutarátu za katalýzy glutamátdehydrogenasy (nerozlišuje AD a ADP!!): 4 aoxoglutarát ADP Glu ADP 2 Druhé amonium vstupuje za katalýzy glutaminsyntetasy: Glu ATP acylfosfátový meziprodukt. Acylfosfátový meziprodukt 3 Glutamin. ba enzymy jsou přítomné ve všech organismech.

67 Asimilace fixovaného dusíku Většina prokaryot reduktivní aminaci: má enzym glutamátsynthasu katalyzující axoglutarát glutamin ADP 2 Glu ADP Za situace, kdy je koncentrace 4 limitující, je většina Glu tvořena sekvenčními reakcemi glutaminsynthetasy a glutamátsynthasy: 4 aoxoglutarát ADP ATP Glu ADP ADP P i Tato dráha je energeticky náročnější ( ATP). Proč ji prokaryota využívají? odnota K m glutamátdehydrogensy pro 4 je vysoká (cca 1 m), enzym není saturován, když je 4 omezené množství. a rozdíl glutaminsynthetasa má vysokou afinitu k 4.