Metabolismus aminokyselin II. Močovinový cyklus

Transkript

1 Metabolismus aminokyselin II. Močovinový cyklus

2 Osnova Zdroje dusíku jako odpadního produktu metabolismu aminokyselin. Meziorgánový tok aminokyselin. Zdroje aminodusíku pro močovinový cyklus Sled reakcí močovinového cyklu. Napojení močovinového cyklu na Krebsův cyklus. Genetické poruchy močovinového cyklu.

3 Klíčové body Odbourání aminokyselin vede k produkci močoviny, která je netoxickým nosičem atomu dusíku. Močovina se syntetizuje v játrech. Aminokyseliny alanin a glutamin jsou nosiči aminodusíku z periferních tkání do jater. Klíčovými enzymy pro odstranění dusíku jsou transaminázy, glutamátdehydrogenáza a glutamináza. Močovinový cyklus se skládá ze čtyř kroků a zabudovává dusík do močoviny z amoniaku a z aspartátu. Genetické poruchy močovinového cyklu vedou ke vzniku hyperamonémie, stavu, který je toxický pro nervovou soustavu a vývoj.

4 Dusíková bilance Tkáňové proteiny Puriny, hem, atd. Energie Proteiny z potravy Hotovost aminokyselin Vyloučení jako močovina a NH 4 Množství dusíku přijatého v potravě je v rovnováze s vylučováním jeho ekvivalentního množství. Asi 80% vyloučeného dusíku je ve formě močoviny.

5 Exkreční formy dusíku a) b) c) NH 4 amonný iont močovina kyselina močová a) přebytek NH 4 se vyloučí jako amoniak (bakterie, vodní obratlovci nebo larvy obojživelníků), b) močovina (mnoho suchozemských obratlovců), c) nebo kyselina močová (ptáci a suchozemští plazi)

6 Amoniak musí být odstraňován: Toxicita NH 3 CNS reakce s a-kg (glutamátdehydrogenázová reakce), snížení jeho dostupnosti pro citrátový cyklus kolaps CC a následně i syntézy ATP. Koncentrace NH 3 stoupá při poškození jater nebo vrozené metabolické poruše třes, nezřetelná řeč, rozmazané vidění, koma a smrt. Normální koncentrace amoniaku v krvi: µm/l

7 Zdroje NH 4 pro močovinový cyklus Katabolismus aminokyselin: trávicí enzymy proteiny z odloučených buněk povrchu GIT svalové proteiny hemoglobin intracelulární proteiny (poškozené, nepotřebné)

8 Přehled katabolismu aminokyselin u savců 2 MOŽNOSTI 1. Opětovné využití 2. Močovinový cyklus

9 Přehled katabolismu aminokyselin - Střevo meziorgánový vztah vstřebávání AK z potravy jako zdroj energie využívány AK glutamin a asparagin endogenní produkty metabolismu CO 2, NH 4, alanin, citrulin zdroj energie při hladovění glutamin aminokyseliny z potravy a metabolity uvolňovány do portálního oběhu.

10 Přehled katabolismu aminokyselin meziorgánový vztah Játra syntéza jaterních a plasmatických proteinů katabolismus AK glukoneogeneze ketogeneze větvené AK se neodbourávají syntéza močoviny uvolňování aminokyselin do oběhu 2 3x více větvených AK (% objemu)

11 Přehled katabolismu aminokyselin Ledviny meziorgánový vztah glutamin jako zdroj energie glutamin na a-kg a NH 4 a-kg pro glukoneogenezi NH 4 exkrece nebo syntéza argininu v močovinovém cyklu exkrece NH 4 pufrační systém - regulace systémové acidémie [NH 4 ] : [NH 3 ] = 100 : 1 (pk 9.25)

12 Přehled katabolismu aminokyselin Kosterní svaly meziorgánový vztah syntéza svalových proteinů katabolismus větvených AK - zdroj energie aminoskupina transportována jako glutamin a alanin (50 % všech uvolněných AK) alanin játra, glukoneogeneze glutamin ledviny

13 Zdroje NH 4 pro močovinový cyklus

14 Důležité reakce pro odstranění NH 4 NH 4 NH 4 a-ketoglutarát glutamát glutamin NH 4 NH 4 A. Glutamátdehydrogenáza glutamát NAD(P) H 2O a-ketoglutarát NH 4 NAD(P)H z transaminačních reakcí B. Glutaminsyntetáza (játra) přímo do močovin. cyklu ATP ADP glutamát NH 4 Glutamin (puriny, pyrimidiny, regulace ph) C. Glutamináza (játra, ledviny) glutamin H 2 O glutamát NH 4

15 Glutamátdehydrogenáza Aminoskupina z mnoha a- aminokyselin se shromažďuje v játrech ve formě aminoskupiny L- glutamátu. Oxidativní deaminace glutamátu (glutamátdehydrogenáza) uvolnění NH 4 (mitochondrie) v játrech. Jaterní glutamátdehydrogenáza - jediná schopna využívat NAD i NADP jako akceptory redukujících ekvivalentů.

16 Transdeaminace - kombinované působení transaminázy a glutamátdehydrogenázy

17 Odstranění dusíku z aminokyselin Krok 1: odstranění aminoskupiny Krok 2: přesun do jater Krok 3: vstup do mitochondrie Krok 4: příprava dusíku pro vstup do močovinového cyklu Krok 5: močovinový cyklus

18 Krok 1: odstranění aminoskupiny Přenos aminoskupiny aminokyseliny na a-ketokyselinu původní AK se mění na a-ketokyselinu a naopak:

19 Transaminaci katalyzují transaminázy (aminotransferázy) s koenzymem pyridoxalfosfátem: aminokyselina pyridoxalfosfát Schiffova báze

20 Krok 2: přesun aminoskupiny do jater Nejvýznamnější transportní forma aminodusíku v krvi - glutamin játra, ledviny Mitochondrie hepatocytů glutamináza uvolnění NH 4, glutamin glutamát. NH 4 do močovinového cyklu močovina.

21 Glukózo-alaninový cyklus

22 Sval

23 Zdroje glutamátu a NH 4 pro močovinový cyklus v játrech (1)

24 Zdroje glutamátu a NH 4 pro močovinový cyklus v játrech (2) Mitochondrie, močovinový cyklus

25 Látky dopravující aminodusík 1. Glutamát přenáší jednu aminoskupinu UVNITŘ buněk: transaminázy: přenos aminoskupiny na a-ketoglutarát glutamát Glutamátdehydrogenáza opačná reakce 2. Glutamin přenáší dvě aminoskupiny MEZI buňkami uvolní je v játrech 3. Alanin přenáší aminoskupinu ze tkání (svalů) do jater

26 3 krok: vstup dusíku do mitochondrie

27 Reakce vzniku karbamoylfosfátu

28 Krok 4: příprava dusíku pro vstup do močovinového cyklu

29 Krok 5: močovinový cyklus - ornithintranskarbamoyláza - argininosukcinátsyntáza - argininosukcinátlyáza - argináza

30 Aspartát-argininosukcinátový zkrat do citrátového cyklu (oxalacetát aspartát)

31 Močovinový cyklus opakování, sled reakcí Karbamoylfosfát - jeho tvorba v mitochondriích je nezbytným předpokladem pro močovinový cyklus (karbamoylfosfátsyntetáza) Citrulin tvorba z karbamoylfosfátu a ornithinu (ornithintranskarbamoyláza) Aspartát poskytuje další dusík pro tvorbu argininosukcinátu v cytosolu (argininosukcinátsyntháza) Tvotba argininu a fumarátu (argininosukcinátlyáza) Hydrolýza argininu na močovinu a ornithin (argináza)

32 Bilance močovinového cyklu NH 4 HCO - 3 2ATP karbamoylfosfát 2ADP Pi karbamoylfosfát ornithin citrulin Pi citrulin ATP aspartát argininosukcinát AMP PPi argininosukcinát arginin fumarát arginin močovina ornithin Celkem: 2NH 4 HCO 3-3ATP močovina 2ADP AMP 4P i 2-

33 Regulace močovinového cyklu Aktivita je regulována na dvou úrovních: potravou jsou primárně proteiny hodně močoviny (aminokyseliny se využijí jako zdroj energie) Dlouhodobé hladovění odbourávání svalových proteinů hodně močoviny také Rychlost syntézy čtyř enzymů močovinového cyklu a karbamoylfosfátsyntetázy I (CPS-I) v játrech je regulována změnami danými požadavky na aktivitu močovinového cyklu.

34 Regulace močovinového cyklu Velmi rychle se enzymy syntetizují během hladovění u diety s vysokým obsahem proteinů Pomalu se enzymy syntetizují u dostatečné stravy obsahující cukry a tuky u bezproteinové diety

35 Regulace močovinového cyklu N-acetylglutamová kyselina alosterický aktivátor CPS-I Vysoká koncentrace Arg stimulace N-acetylace glutamátu acetyl-coa

36 Enzymatické poruchy močovinového cyklu

37 Toxicita amoniaku Jaterní encefalopatie Vysoká hladina amoniaku v krvi a jiných biologických tekutinách difúze amoniaku do buněk, přes hematoencefalickou bariéru zvýšená syntéza glutamátu z a-ketoglutarátu, zvýšená syntéza glutaminu. vyčerpání a-ketoglutarátu z CNS inhibice citrátového cyklu a produkce ATP. Neurotransmitery glutamát (excitační) a GABA (inhibiční), mohou přispívat k nežádoucím účinkům na CNS bizarní chování.

38 Deficience N-acetylglutamátsyntházy: Nedostatek nebo genetická mutace enzymu (AR) selhání močovinového cyklu. Těžká novorozenecká porucha s fatálními následky, není-li zjištěna ihned po porodu. Hyperamonémie a celková hyperaminoacidemie u novorozenců (játra nejsou schopná syntetizovat N-acetylglutamát). Mezi časné příznaky patří apatie, zvracení a hluboké bezvědomí. Léčba: podává se strukturální analog N-karbamoyl-L-glutamát aktivuje CPS-I, snižuje intenzitu poruchy.

39 Hyperamonémie I (porucha CPS I) AR metabolická porucha, spojená s rozvojem mentální retardace a vývojovým opožděním. Hyperamonémie je pozorována u 0 50% množství syntetizované CPS-I v játrech oproti normálu. Léčba: podává se benzoát a fenylacetát, vzniklý hippurát a Phe-Ac- Gln se vyloučí močí:

40 Hyperamonémie II (porucha ornithintranskarbamoylázy, OTC): Nejčastější, nejobvyklejší porucha močovinového cyklu, v důsledku zmutované a neúčinné formy enzymu. Závažné důsledky Recesivní na X chromosom vázaná porucha, způsobená řadou různých mutací genu pro OTC u mužů je porucha závažnější než u žen (ženy jsou asymptomatickými heterozygoty). Dochází k mentální retardaci a zpoždění vývoje.

41 Citrulinémie; citrulinurie - porcha argininsukcinátsyntetázy AR metabolická porucha, neschopnost kondenzace citrulinu s aspartátem. Hromadění citrulinu v krvi, ve velkém množství je citrulin vylučován do moči. Citrulinemie typu I - obvykle se projevuje v prvních dnech života. Citrulinemie typu II - příznaky a symptomy se obvykle projeví až v dospělosti a postižen je hlavně nervový systém. Léčba specifická náhrada argininem pro syntézu proteinů a tvorbu kreatinu a ornithinu.

42 Argininosukcináturie - porucha argininosukcinátlyázy Vzácné AR onemocnění, argininosukcinát je vylučován ve velkém množství do moči. Závažnost příznaků se značně liší, je proto těžké určit vhodnou terapii - vhodné je dietní omezení dusíku. Argininémie - porucha arginázy Vzácné AR onemocnění, vzniká řada abnormalit ve vývoji a funkci CNS. Hromadění Arg v krvi a vylučování Arg a prekurzorů a produktů jeho metabolismu v moči. Léčba dieta s nízkým obsahem dusíku s obsahem esenciálních aminokyselin.

43 Hlavní zdroje pro přednášku: D. L. Nelson, M. M. Cox : LEHNINGER. PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Sixth Edition: Link Marks Basic Medical Biochemistry A Clinical Approach. Fourth Edition M. Lieberman, A.D. Marks ed., 2013 J.G. Salway: Metabolism at a Glance. Third Edition.