Masarykova univerzita v Brně Lékařská fakulta BÍLKOVINY

Masarykova univerzita v Brně Lékařská fakulta BÍLKOVINY Bakalářská práce v oboru Nutriční terapeut Vedoucí bakalářské práce: doc. MUDr. Jan Šimůnek, CSc. Autor: Vojtěch Strbáček Brno 2010

Jméno a příjmení autora: Vojtěch Strbáček Studijní obor: Nutriční terapeut, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita Název bakalářské práce: Bílkoviny Pracoviště: Ústav preventivního lékařství Vedoucí bakalářské práce: doc. MUDr. Jan Šimůnek, CSc. Počet stran: 56 Rok obhajoby bakalářské práce: 2010 Anotace: Teoretická část bakalářské práce pojednává o důležitosti aminokyselin pro lidský organismus. Shrnuje současné poznatky o jejich fyziologických a biochemických funkcí, detailně popisuje metabolismus aminokyselin v lidském těle a jejich význam pro správný chod organizmu. Dále se zabývá některými metabolity aminokyselin, které jsou pro lidský organizmus nepostradatelné. Praktická část se zabývá zhodnocením příjmu bílkovin ve stravě u rizikových skupin obyvatelstva. Klíčová slova: bílkoviny, aminokyseliny, metabolismus, metabolity Annotation: The theoretical part of this bachelor thesis is about the importance of amino acids for human organism. It summarizes current knowledge of physiological and biochemici functions, describes in detail the metabolism of amino acids in the human body and their importance for the correct operation of the organism. It also deals with some metabolites of amino acids which essential for the human organism. The praktical part of this bachelor thesis focuses on intake of proteins in diet of risk groups in population. Key words: proteins, amino acids, metabolism, metabolites

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Bílkoviny vypracoval samostatně pod vedením doc. MUDr. Jana Šimůnka, CSc. a uvedl v seznamu všechny použité literární a odborné zdroje. Souhlasím, aby práce byla půjčována ke studijním účelům a byla citována dle platných norem. V Brně dne... Vojtěch Strbáček

Poděkování Chtěl bych poděkovat doc. MUDr. Janu Šimůnkovi, CSc. za odborné vedení a za cenné rady poskytnuté při zpracování této práce. Dále děkuji Paed.Dr. Vladimíru Kolouchovi Ph.D. za poskytnutou literaturu.

Obsah: 1 ÚVOD 7 2 OBECNÁ CHARAKTERISTIKA AMINOKYSELIN 8 2.1 Struktura aminokyselin 8 2.2 Peptidová vazba 8 2.3 Rozdělení aminokyselin 9 2.3.1 Kódované aminokyseliny 9 2.3.2 Deriváty kódovaných aminokyselin 9 2.3.3 Nekódované aminokyseliny 10 2.4 Aminokyselinový pool 11 3 KLASIFIKACE KÓDOVANÝCH AMINOKYSELIN 12 3.1 Klasifikace podle schopnosti organismu syntézy kódovaných aminokyselin 12 3.2 Klasifikace podle polarity postranního řetězce 13 3.3 Klasifikace podle struktury postranního řetězce a jeho funkčních skupin 14 3.4 Klasifikace podle osudu uhlíkové kostry při metabolismu aminokyselin 15 4 METABOLISMUS AMINOKYSELIN 16 4.1 Absorpce aminokyselin 16 4.2 Transport krví 17 4.3 Obecné reakce degradace aminokyselin 17 4.3.1 Transaminace 17 4.3.1.1 Mechanismus transaminace 18 4.3.2 Oxidační deaminace 18 4.3.3 Dekarboxylace 19 5 METABOLISMUS KÓDOVANÝCH AMINOKYSELIN 20 5.1 Aminokyseliny s rozvětveným řetězcem 20 5.2 Lyzin 21 5.3 Metionin 21 5.4 Treonin 22 5.5 Aromatické aminokyseliny 22 5.5.1 Fenylalanin 23 5.5.2 Tryptofan 23 5.6 Arginin 23 5.7 Histidin 24 5.8 Cystein 25 5.9 Tyrozin 25 5.10 Kyselina glutamová 26 5.11 Glutamin 26 5.12 Serin 27 5.13 Glycin 27 5.14 Prolin 27 5.15 Alanin 28 5.16 Kyselina asparagová a asparagin 28 6 FUNKCE KÓDOVANÝCH AMINOKYSELIN 30 6.1 Aminokyseliny s rozvětveným řetězcem 30 6.2 Lyzin 31 6.3 Metionin 31 6.4 Treonin 31

6.5 Aromatické aminokyseliny 32 6.5.1 Fenylalanin a tyrozin 32 6.5.2 Tryptofan 32 6.6 Arginin 33 6.7 Histidin 33 6.8 Cystein 34 6.9 Kyselina glutamová 34 6.10 Glutamin 35 6.11 Serin 35 6.12 Glycin 36 6.13 Prolin a hydroxyprolin 36 6.14 Alanin 36 6.15 Kyselina asparagová a asparagin 37 7 VÝZNAMNÉ METABOLITY KÓDOVANÝCH AMINOKYSELIN 38 7.1 Karnitin 38 7.2 Metabolity tryptofanu 38 7.2.1 Serotonin 38 7.2.2 Melatonin 39 7.2.3 Niacin 39 7.3 Metabolity fenylalaninu a tyrozinu 40 7.3.1 Trijodtyronin a tyroxin 40 7.3.2 Katecholaminy 40 7.3.3 Melanin 41 7.4 Histamin 41 7.5 Metabolity argininu 41 7.5.1 Oxid dusnatý (NO) 41 7.5.2 Ornitin 42 7.6 Metabolity cysteinu 42 7.6.1 Taurin 42 7.6.2 Glutation 43 7.7 Kyselina -aminomáselná (GABA) 43 7.8 Kyselina pantotenová 44 8 PRAKTICKÁ ČÁST 45 8.1 Úvod 45 8.2 Cíl práce 46 8.3 Metodika 46 8.4 Výsledky 47 8.5 Diskuze 50 9 ZÁVĚR 52 10 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 53 11 PŘÍLOHY 55

1 ÚVOD Bílkoviny patří společně se sacharidy a tuky k hlavním živinám. Jsou základními stavebními kameny živé hmoty a jsou součástí všech buněk organismu. Bílkoviny mají také v organismu funkci energetickou, ale jejich energetický obsah je nízký (asi 4 kcal/g). Bílkoviny jsou složené z L- -aminokyselin, které jsou charakteristické přítomností aminoskupiny (NH 2 ) a karboxylové skupiny (COOH). Aminokyseliny mají tedy úlohu jako stavební složky tělesných bílkovin, ale mají také svoji speciální roli v metabolických i regulačních systémech, slouží jako neuromediátory v centrálním nervovém systému, jako stavební složky pro biogenní aminy nebo mohou být prekurzorem pro tvorbu glukózy. Cílem teoretické části bakalářské práce je shrnout aktuální informace týkající se aminokyselin, ze kterých se skládají bílkoviny. Tyto aminokyseliny se nazývají kódované, protože informace o jejich zařazení do bílkovin je uložena v nukleových kyselinách prostřednictvím genetického kódu, a v organizmu mají nespočetné množství funkcí, bez kterých by lidský organizmus nedokázal přežít. Praktická část se věnuje příjmu bílkovin u jednotlivých skupin obyvatel, které jsou ohroženy jejich nedostatkem. Zabývá se popisem kazuistik tří osob ohrožených deficitem bílkovin, zhodnocením jejich nutričního stavu a závěrečným doporučením. 7

2 OBECNÁ CHARAKTERISTIKA AMINOKYSELIN 2.1 Struktura aminokyselin Struktura aminokyselin je odvozena od organických kyselin (14). Centrálním bodem v aminokyselinové struktuře je čtyřboký -uhlík (C který je kovalentně připojen k aminoskupině a karboxylové skupině (3). Atom uhlíku, na který jsou vázané čtyři různé substituenty, je označován jako chirální. Kromě glycinu, který má místo R atom vodíku, jsou všechny čtyři skupiny vázající se na atom -uhlíku aminokyselin odlišné (13). V neutrálním roztoku se karboxylová skupina vyskytuje ve formě -COO - a aminoskupina jako + -NH 3 (3). Karboxylová skupina může odštěpovat ionty H + a aminoskupina může H + ionty přijímat (18). Protože výsledná aminokyselina obsahuje jeden pozitivní a jeden negativní náboj, je neutrální molekula nazývána obojetný ion. K tomuto -uhlíku je také vázaný vodík a variabilní postranní řetězec. Tento postranní řetězec, pojmenovaný také jako R skupina, uděluje každé aminokyselině vlastní identitu (3). Aminokyseliny mohou existovat ve dvou formách pojmenovaných D a L. Zatímco se obě formy nacházejí v přírodě a mají biologické účinky, pouze forma L se nachází v proteinech (4). 2.2 Peptidová vazba Zásadní vlastnost aminokyselin, která jim dovoluje polymerizovat do formy peptidů a proteinů, je existence jejich dvou identifikačních chemických skupin - aminoskupiny (-NH + 3 ) a karboxylové (-COO - ) skupiny (3). Při tvorbě proteinů jsou aminokyseliny spojeny společně peptidovou vazbou, ve které se bazická aminoskupina jedné aminokyseliny připojí ke karboxylové skupině jiné aminokyseliny s vyloučením molekuly vody (4). Pokud se více aminokyselin spojí dohromady, vzniká peptidový řetězec. Výsledný aminokyselinový řetězec má proto aminoskupinu na jednom konci (N-konec) a karboxylovou skupinu na konci druhém (C-konec). Zbytky pospojovaných aminokyselin, které odstupují od osy řetězce, se nazývají postranní řetězce (13). 8

2.3 Rozdělení aminokyselin Asi 90% aminokyselin vyskytujících se v potravinách tvoří 20 kódovaných aminokyselin vázaných v bílkovinách. Zbytek je tvořen jejich deriváty a aminokyselinami, které nejsou kódovány (23). 2.3.1 Kódované aminokyseliny Bylo objeveno více než 700 aminokyselin a většina z nich jsou -aminokyseliny (1). Po analýze velkého množství bílkovin z mnoha různých zdrojů bylo zjištěno, že všechny proteiny jsou složeny z 20 základních aminokyselin (24). Mezi kódované amonikyseliny patří lyzin, metionin, treonin, izoleucin, leucin, valin, fenylalanin, tryptofan, histidin, arginin, alanin, kyselina asparagová, kyselina glutamová, asparagin, glutamin, cystein, glycin, serin, prolin a tyrozin (19). Těchto dvacet aminokyselin, které jsou využívány v živých buňkách k syntéze proteinů pod genovou kontrolou, jsou ve speciální kategorii, protože jsou elementární pro všechny formy života jako stavební bloky pro peptidy a proteiny. Jsou pojmenovány jako kódované aminokyseliny nebo proteinogenní, protože informace o jejich zařazení do bílkovin je uložena v nukleových kyselinách prostřednictvím genetického kódu (1). Devatenáct z nich jsou -aminokyseliny, protože mají karboxylovou skupinu i primární aminoskupinu na stejném -uhlíku. Jedinou výjimkou je prolin, neboť obsahuje sekundární aminoskupinu, a tak je -iminokyselinou (24). Existuje několik způsobů klasifikace kódovaných aminokyselin. Nejznámější je rozdělení podle schopnosti organismu jejich syntézy. Známá je také klasifikace, která je založena na polaritě postranních řetězců nebo klasifikace, která je založena na struktuře postranního řetězce a v něm přítomných funkčních skupin. 2.3.2 Deriváty kódovaných aminokyselin Do této skupiny řadíme aminokyseliny, které vznikají specifickou modifikací aminokyselinových zbytků v již dříve syntetizovaném bílkovinném řetězci. Mezi deriváty kódovaných aminokyselin řadíme běžně se vyskytující L-cystin (23). Jsou zde zahrnuty hydroxylysin a hydroxyprolin (3). 4-hydroxyprolin je důležitou strukturní složkou kolagenu, želatiny a polypeptidu buněčných stěn rostlin extensinu. V malém množství jej doprovází jeho isomer L-3-hydroxyprolin a také derivát lysinu L-5-hydroxylysin, který bývá v glykoproteinech vázán jako O-glykosid (23). Dále do této skupiny aminokyselin patří tyroxin a 3,3,5-trijodtyronin, což jsou jodizované aminokyseliny, které se nachází pouze 9

v tyroglobulinu. Některé proteiny svaloviny obsahují metylované aminokyseliny zahrnující metylhistidin, -N-metyllysin a -N,N,N-trimetyllysin. -karboxyglutamová kyselina se nachází v některých proteinech zapojených v krevním srážení a pyroglutamová kyselina se nachází v jedinečném světlempoháněném a protonpumpujícím proteinu zvaném bakteriorodopsin. Několika proteinům zapojených do buněčného růstu a regulace je reversibilně fosforylována OH skupina serinových, treoninových a tyrozinových zbytků (3). Serin je ve fosfoproteinech vázán na kyselinu fosforečnou ve formě O-fosfoserinu (23). Kyselina aminoadipová se nachází v proteinech izolovaných z obilí. N-metylarginin a N-acetyllysin se nachází v histonových proteinech asociovaných s chromozomy (3). Několik málo aminokyselin, které jsou strukturně příbuzné kódovaným aminokyselinám, mohou být zabudovány do proteinů v laboratorních podmínkách. Toho je dosaženo biosyntézou proteinů v prostředí, které postrádá nezbytné kódované aminokyseliny, ale které obsahuje blízké analogy. Například to dokazuje začlenění azetidin-2-karboxylové kyseliny namísto prolinu a začlenění norleucinu (postranní řetězec CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 ) namísto metioninu (postranní řetězec CH 2 CH 2 SCH 3 ) (1). 2.3.3 Nekódované aminokyseliny Kromě aminokyselin nacházejících se v proteinech, se v potravinách nacházejí i takové aminokyseliny, které jsou často vázány v peptidech nebo jsou přítomny jako volné aminokyseliny. Tyto nebílkovinné aminokyseliny se řadí mezi tzv. sekundární metabolity, protože se většinou jedná o produkty různých metabolických pochodů a prekurzory biosyntézy nebílkovinných dusíkatých sloučenin (23). Některé z těchto volných aminokyselin mají v organismu důležité funkce. Příkladem je S-adenosyl-L-metionin, který je zásobovačem buněčných metylových skupin, například pro biosyntézu neuroaktivních aminů a také pro biosyntézu mnoha metylovaných látek. Další fyziologicky důležitá -aminokyselina v této kategorii je 3,4-dihydroxyfenylalanin neboli DOPA. Je prekurzorem dopaminu v mozku, který se používá při léčbě nemocí jako Parkinsonova choroba, a uskutečňuje návrat z některých komatózních stavů, které mohou být indukovány 3,4-dihydroxyfenylalaninem (1). -aminomáselná kyselina neboli GABA je produkována dekarboxylací glutamové kyseliny a je velice účinný neurotransmiter. Histamin, který je syntetizován dekarboxylací histidinu, a serotonin, který je derivátem tryptofanu, simulují funkce neorotransmiterů a regulátorů. -alanin se nachází v peptidech karnosinu a anserinu a je komponentou pantotenové kyseliny, které je součástí koenzymu A. Epinefrin, známý jako 10

adrenalin, je derivátem tyrozinu a je důležitým hormonem. Penicilamin je složkou penicilinových antibiotik. Ornitin, betain, homocystein a homoserin jsou důležité metabolické intermediáty. Citrulin je prvotním prekurzorem argininu (3). (podrobněji viz níže) 2.4 Aminokyselinový pool Aminokyseliny, které se neváží do struktury proteinových molekul, tvoří aminokyselinovou hotovost neboli pool (8). Z velkého obsahu tělních aminokyselin není jen malé množství vázáno do proteinových struktur. Pouze 0.5-1% aminokyselin je přítomno v těle jako volné aminokyseliny a tvoří tento pool. Aminokyselinový pool představuje nejaktivnější část tělních proteinů a aminokyselinové obsahu. Tento pool je tvořen volnými aminokyselinami v krevní plasmě a v intracelulárním a extracelulárním prostoru. Vyšší koncentraci aminokyselin má intracelulární pool. Aminokyseliny přítomné v části plazmy a v částech extracelulárního poolu jsou v druhové rovnováze s aminokyselinami v intracelulárním poolu. Protože tato rovnováha mezi intracelulární a extracelulární částí aminokyselinového poolu je nejčastěji způsobena aktivním transportem aminokyselin, není to pravá rovnováha, ale ve skutečnosti jakýsi rovnoměrný stav, který je založený na obou koncentracích aminokyselin a existenci metabolické rovnováhy. Jako takové se hladiny volných a do proteinů vázaných aminokyselin značně mění. Měření jedné části poolu bez druhé může dát falešný dojem přesunu nebo toku aminokyselin skrz volný aminokyselinový pool. Dodávka aminokyselin z extracelulárního do intracelulárního poolu je důležitá při syntéze a odbourávání proteinů, protože vyšší intracelulární hladiny zvyšují syntézu a snižují odbourávání a tím umožňují nárůst svaloviny (4). Skladba i velikost aminokyselinového poolu je regulována prostřednictvím mnoha nervových a humorálních působení. V období, ve kterém převažují anabolické reakce, je aminokyselinový pool doplňován hlavně aminokyselinami uvolněnými při štěpení potravy. Zvýšené množství stravy na proteiny má pozitivní účinek na aminokyselinový pool a má pozitivní účinek na proteinový metabolismus. V období, ve kterém převažují katabolické děje je aminokyselinový pool zásoben z endogenních zdrojů a to především z kosterního svalstva (4), (8). 11

3 KLASIFIKACE KÓDOVANŹCH AMINOKYSELIN 3.1 Klasifikace podle schopnosti organismu syntézy kódovaných aminokyselin Schopnost lidského těla přeměnit jednu aminokyselinu v druhou je do jisté míry omezená. Této přeměny je dosaženo v játrech procesem nazývaným transaminace, čímž je aminoskupina přesazena z jedné molekuly na druhou pod vlivem enzymu aminotransferázy. Koenzymem těchto chemických reakcí je pyridoxal-5-fosfát (4). Podle schopnosti organismu syntetizovat jednotlivé kódované aminokyseliny se ty aminokyseliny dělí do 3 skupin: esenciální, neesenciální a zvláštním případem jsou semiesenciální aminokyseliny. Esenciální aminokyseliny, také nazývané nepostradatelné aminokyseliny, musí být dodávány ve stravě buď jako volné aminokyseliny nebo jako složky potravních proteinů (25). Termín esenciální vyjadřuje závislost organismu na některých přijatých aminokyselinách, které nedokáže lidský organizmus syntetizovat (1). Do skupiny esenciálních aminokyselin se řadí 8 aminokyselin. Jsou to valin, leucin, izoleucin, lyzin, metionin, treonin, fenylalanin, tryptofan (25). Esenciální aminokyseliny jsou dále děleny na totálně esenciální (lyzin, treonin) a na aminokyseliny, které je lidské tělo schopno syntetizovat, pokud mu je poskytnut jejich uhlíkový skelet (8). Esenciální aminokyseliny byly objeveny v první polovině 20. století badatelem W. C. Rose. Ten prováděl ve 30. a 40. letech mnoho experimentů u dobrovolníků, kteří přijímali olej, škrob a směs aminokyselin, z nichž jedna byla vždy limitující. Na základě dlouhodobých bilančních pokusů charakterizoval aminokyseliny, které není lidský organismus schopen syntetizovat a které je nutné k dietě přidat (19). Nejdříve bylo definováno osm esenciálních aminokyselin, jejichž potravní deficit směřoval k rozvoji negativní dusíkové bilanci. Dodatečně byl do seznamu doplněn histidin a arginin, které jsou esenciální jen za určitých podmínek, a to ve fetálním období vývoje dítěte a při spermatogenezi (8). Některé kódované aminokyseliny dokáže lidský organismus syntetizovat z jiných aminokyselin, glukózy, mastných kyselin aj. Ty se pak nazývají neesenciální aminokyseliny (23). Patří mezi ně histidin, arginin, alanin, kyselina asparagová, asparagin, cystein, kyselina glutamová, glutamin, glycin, serin, prolin, tyrozin. Za určitých patologických okolností nebo v určitém věku může být syntéza některých neesenciálních aminokyselin nedostatečná a 12

aminokyseliny musí být do organismu samostatně přiváděny. Označují se jako semiesenciální (19). Do skupiny semiesenciálních aminokyselin se řadí ty aminokyseliny, pro jejichž syntézu je zapotřebí přítomnost některé z esenciálních aminokyselin, a ty, jejichž deficit se rozvíjí u některých zátěžových stavů (8). Mezi semiesenciální aminokyseliny se řadí histidin, arginin, tyrozin, cystein, glutamin, kyselina glutamová, ale také taurin, citrulin a ornitin, ale ty nepatří mezi kódované aminokyseliny (19). 3.2 Klasifikace podle polarity postranního řetězce Nejrozšířenějším způsobem klasifikace 20 kódovaných aminokyselin je rozdělení podle polarity jejich postranního řetězce a jeho iontové formy (24). Aminokyseliny jsou rozděleny do následujících kategorií: 1) hydrofobní aminokyseliny s nepolárním postranním řetězcem, 2) hydrofilní aminokyseliny s polárním postranním řetězcem, které se pak podle iontové formy, ve které se v organismu vyskytují, dělí na a) neutrální, b) kyselé, c) bazické (23). Aminokyseliny s nepolárním postranním řetězcem neboli hydrofobní zahrnují všechny aminokyseliny s alifatickým postranním řetězcem (alanin, valin, leucin a izoleucin), stejně jako prolin (s neobvyklou cyklickou strukturou), metionin (jedna ze dvou síru obsahujících aminokyselin) a aromatické aminokyseliny tyrozin, fenylalanin a tryptofan (3). Tryptofan, alanin a také glycin jsou aminokyselinami amfifilními (obojetnými) a tvoří přechod mezi aminokyselinami hydrofobními a hydrofilními (23). Tyrozin disponuje nejnižší rozpustností ve vodě z 20 běžných aminokyselin. Glycin, nejjednodušší aminokyselina, má pouze jediný vodík na R skupině a tento vodík není dobrý tvůrce vodíkové vazby. Rozpustné vlastnosti glycinu jsou hlavně ovlivněny jeho polární aminoskupinou a karboxylovou skupinou (3). Aminokyseliny s polárním řetězcem neboli hydrofilní obsahují R skupiny, které mohou tvořit vodíkové vazby s vodou. Tudíž tyto aminokyseliny jsou obvykle více rozpustné ve vodě než nepolární aminokyseliny (). Do skupiny aminokyselin s polárními nenabitými postranními řetězci řadíme serin, treonin, cystein, kyselina asparagová a glutamová, také asparagin a glutamin, dále lyzin, arginin a histidin (23). Serin a treonin mají R-skupiny tvořeny hydroxylovými skupinami. Asparagin a glutamin mají R-skupiny s amidovou vazbou. Cystein vlastní thiolovou skupinu, takže může vytvářet s jinými cysteinovými zbytky oxidací thiolových skupin disulfidové můstky (24). Hydrofilní aminokyseliny jsou děleny podle iontové formy, ve které se vyskytují v organismu (23). 13

Mezi neutrální aminokyseliny, jejichž postranní řetězec nemá v neutrálním prostředí elektrický náboj, patří většina hydrofilních aminokyselin (23). Mezi kyselé aminokyseliny patří asparagová a glutamová kyselina, jejichž R skupiny obsahují karboxylovou skupinu. Tyto karboxylové skupiny postranního řetězce jsou slabší kyseliny než -COOH skupina, ale jsou dostatečně lidické na to, aby existovali ve formě -COO - při neutrálním ph. Asparagová a glutamová kyselina mají tudíž čistě negativní náboj při ph 7 (3). Tři z běžných aminokyselin mají postranní řetězce s čistě pozitivními náboji při neutrálním ph a jsou řazeny mezi zásadité aminokyseliny. Patří sem histidin, arginin a lyzin. Ionizovaná skupina histidinu je imidazolium, v argininu je to guanidinium a lyzin obsahuje protonizovanou alkyl-aminoskupinu. Postranní řetězce posledních dvou aminokyselin jsou úplně protonizované při ph 7, ale histidin s pk a postranního řetězce 6.0 je pouze z 10% pronizovaný při ph 7 (3). Při ph 6 je postranní imidazolvá skupina histidinu disociována jen z 50% (24). 3.3 Klasifikace podle struktury postranního řetězce a jeho funkčních skupin Glycin, alanin, valin, leucin a izoleucin se řadí do skupiny alifatických aminokyselin s nesubstituovaným postranním řetězcem. Glycin se také někdy řadí mezi aminokyseliny bez postranního řetězce. Do skupiny alifatických hydroxykyselin patří serin a treonin. Mezi alifatické sirné aminokyseliny se řadí cystein a metionin. Asparagová kyselina a glutamová kyselina se zařazují do skupiny aminokyselin s karboxylovou skupinou v postranním řetězci. Další skupinou jsou aminokyseliny s karboxyamidovou skupinou v postranním řetězci. Patří sem asparagin a glutamin, což jsou monoamidy kyseliny asparagové a kyseliny glutamové. Do skupiny aminokyselin s bazickými funkčními skupinami v postranním řetězci patří diaminomonokarboxylová kyselina lyzin, arginin s guanidylovou skupinou v postranním řetězci a také histidin, který je derivát imidazolu. Fenylalanin, tyrozin a tryptofan jsou aminokyseliny s aromatickým a heterocyklickým postranním řetězcem. Prolin je aminokyselinou, jejíž funkční skupina se účastní tvorby cyklu (23). 14

3.4 Klasifikace podle osudu uhlíkové kostry při metabolismu aminokyselin Aminokyseliny se po absorpci a začlenění do vnitřního prostředí těla přeměňují různými cestami (10). Uhlíkové skelety aminokyselin se napojují na hlavní metabolické cesty sacharidů a lipidů a jsou využity pro tvorbu energie (8). Bylo zjištěno, že určitá aminokyselina má možnost se přeměnit na cukry, tuky, nebo na obojí (13). Glukogenní aminokyseliny se degradují na pyruvát nebo na některou ze složek citrátového cyklu (8). Tyto intermediáty mohou poskytovat glukózu. Tato schopnost vytvoření glukózy se týká většiny aminokyselin, ale některé mají navíc schopnost se přeměnit i na ketolátky. Mezi tyto aminokyseliny řadí izoleucin, tyrozin, tryptofan a fenylalanin (10). Ketogenní aminokyseliny poskytují přímo acetoacetát nebo acetyl-coa, který se přeměňuje na ketolátky. Čistě ketogenní aminokyseliny jsou jen leucin a pravděpodobně lyzin (10). 15

4 METABOLISMUS AMINOKYSELIN Poté, co se bílkoviny potravy v trávicím traktu postupně hydrolyzují na krátké peptidy až aminokyseliny, se aminokyseliny vzniklé štěpením bílkovin potravy, nebo vlastního těla, použijí jako zdroj energie, ale jejich část se použije k syntéze pro vybudování vlastních bílkovin. Další aminokyseliny se přeměňují na jiné látky dusíkaté i nedusíkaté. Vzniklé aminokyseliny se absorbují ve střevě a ve vnitřním prostředí se setkávají s aminokyselinami z degradovaných bílkovin tkání vlastního těla. Tímto způsobem se vytvoří pool aminokyselin. Tělo vytváří aminokyseliny a využívá je k několika účelům. Aminokyseliny jsou využity buď k dějům anabolickým, jako k syntéze vlastních bílkovin a k tvorbě důležitých produktů, nebo se využijí jako zdroj energie. Touto cestou vznikají produkty jako CO 2, H 2 O a NH 3, který se musí téměř stoprocentně detoxikovat. Aminokyseliny se také zapojují do celkového metabolismu těla a stávají se východiskem pro tvorbu tuků a sacharidů (10). 4.1 Absorpce aminokyselin Osudem aminokyselin je proniknout do enterocytu a absorbovat se (10). Vedle trávení proteinů a absorpce aminokyselin se střevo podílí i na metabolismus některých aminokyselin. Za normálních podmínek získává střevo oxidací glutaminu až 35% energie. V buňkách střevní sliznice se také utilizují kyselina glutamová, asparagová a asparagin. Vznikají zde také aminokyseliny jako alanin, citrulin a amoniak (8). Přenos L-aminokyselin přes membránu je aktivní děj, který se uskutečňuje za spotřeby energie z ATP a umožňují jej přenašeči (10). Jednotlivé transportní systémy aminokyselin se liší strukturou transportního proteinu, způsobem regulace a afinitou k jednotlivým aminokyselinám. Z energetického pohledu je možné je rozdělit na Na + -dependentní a Na + -independentní. Prvně zmiňované systémy získávají energii z elektrochemického gradientu, který je tvořen Na +,K + -ATPázou. Na + -indepedentní systémy pomocí proteinového kanálu umožňují transport určité skupiny aminokyselin ve směru koncentračních gradientů. Na bazolaterálním pólu enterocytu se nachází jiný typ přenašečů umožňující vstup aminokyselin z enterocytu do řečiště vena portae (8). 16

4.2 Transport krví Do krevního oběhu se dostane, ve srovnání se skladbou potravy, více alaninu, glycinu, citrulinu a amoniaku a méně glutaminu, glutamátu, asparátu a asparaginu (8). Aminokyseliny se dostávají do jater portální žílou. Játra zadrží a zpracují většinu aminokyselin, kromě rozvětvených aminokyselin, které procházejí játry beze změny a využívají se až ve svalovině a v mozku. Z volných aminokyselin krve má největší koncentraci glutamin, valin, alanin a glycin, zatímco koncentrace esenciálních aminokyselin jsou nízké. Nejnižší koncentraci má metionin. Volné aminokyseliny v cirkulaci jsou většinou ty, které mají hydrofilní charakter, a vázané na proteiny jsou ty, které mají relativně hydrofobní charakter. Z tkání jsou vychytávány cirkulující aminokyseliny především svaly. Jejich přenos má charakter aktivního transportu, který je závislý na insulinu. Předpokládá se, že aminokyseliny jsou přenášeny přes membránu buňky vázané na -glutamyl z glutationu (10) 4.3 Obecné reakce degradace aminokyselin Každá aminokyselina má svůj vlastní osud a také své specifické funkce v organismu. Existují ale reakce, které se uplatňují při metabolismu většiny aminokyselin. Jedná se o transaminaci, deaminaci a dekarboxylaci (12). Prozatímní produkty vznikají beze změn uhlíkové kostry při transaminaci i oxidační deaminaci. Jsou to 2-oxokyseliny vznikající různým mechanismem. Při transaminaci se stěhuje aminoskupina, ale neuvolňuje se, a při deaminaci se uvolňuje amoniak. Uhlíkové kostry se dotýká až dekarboxylace, při které se uvolňuje CO 2 a vzniká biogenní amin (13). 4.3.1 Transaminace Prvním krokem degradace aminokyselin je téměř vždy odstranění -aminoskupiny (10). K této reakci dochází proto, aby mohl být odstraněn z organismu přebytečný dusík a degradována uhlíková kostra (24). Uvolněný dusík může být podle aktuální fyziologické potřeby reutilizován v anabolických procesech, jako je syntéza proteinů, nebo je ve formě močoviny vyloučen z organismu (13). Aminoskupina se uvolní buď jako amoniak, anebo se přenese na akceptor. Tímto akceptorem je 2-oxokyselina (10). Převažujícím akceptorem aminoskupiny je 2-oxoglutarát měnící se na glutamát (24). Tato druhá reakce, která je označována jako transaminace, se týká největšího počtu aminokyselin z celkového 17

aminokyselinového poolu. Při transaminaci se nemusí přenášet jen -aminoskupina, ale podléhá ji také -aminoskupina ornitinu (10). Aminokyseliny, jejichž aminoskupina nepodléhá transaminaci, jsou lyzin, treonin, prolin a hydroxyprolin (8). Jedná se o reakci aminokyseliny s -oxokyselinou, při níž je produktem jiná aminokyselina a další oxokyselina. Transaminace je katalyzována aminotransferázami a je to typicky vratná reakce. Největší význam z množství existujících aminotransferáz mají pro savce dvě: aspartátaminotransferáza (AST), alaninaminotransferáza (ALT), ale také aminotransferáza rozvětvených aminokyselin. Tyto enzymy pracují jedině za přítomnosti pyridoxal-fosfátu, což je koenzym, který je fosforylovaným derivátem vitaminu B 6 pyridoxalu (10). 4.3.1.1 Mechanismus transaminace Koenzym je připoután na aminokyselinu a vytvoří se aldiminová vazba. Přitom je koenzym, přes -aminoskupinu jeho lyzinového zbytku, kovalentně vázaný na enzym. Vzniká ketimin přesunutím dvojné vazby v aldiminu. Poté se hydrolyticky odštěpí -oxokyselina z ketiminu, přičemž -NH 2 skupina zůstává na komplexu enzymu s pyridoxalfosfátem. Nakonec se -oxokyselina přemění na aminokyselinu a další oxokyselina znovu vytvoří Schiffovu bazi a ta obráceným postupem hydrolyticky uvolní koncovou aminokyselinu (10). 4.3.2 Oxidační deaminace Další degradační reakcí je oxidační deaminace. Od transaminace se zásadně liší v tom, že odtržená NH 2 skupina se nepřenáší na oxokyselinu, ale uvolní se jako amoniak. Reakce je katalyzována dvěma enzymy. Aminooxidáza je flavinový enzym, jehož prostetickou skupinou je flavinmononukleotid (10). Tento enzym je přítomný v játrech a ledvinách a oxiduje aminokyseliny na aminokyseliny, které se rozkládají na odpovídající ketokyselinu a amoniak, čemuž předchází adice vody. Aminooxidáza se vyskytuje v organismu ve dvou formách. L- aminooxidáza s velmi malou aktivitou a D-aminooxidíza, která katabolizuje vzácněji se vyskytující D-aminokyseliny, jejichž přítomnost negativně ovlivňuje aktivitu mnoha enzymů (8). Hlavním deaminačním enzymem je mitochondriální glutamátdehydrogenáza, který má za úkol katalyzovat přeměnu glutamátu na -oxoglutarát. I když tento enzym působí jen na 18

glutamát a ne na ostatní aminokyseliny, dochází proto ke spojení transaminace s následnou deaminací. Tento proces se nazývá transdeaminace. 4.3.3 Dekarboxylace Dekarboxylace aminokyselin je další cesta katabolismu aminokyselin, zároveň se touto cestou může zahajovat syntéza významných látek (10). Dekarboxylací vznikají z aminokyselin biogenní aminy. Vzniklé produkty jsou velmi účinné látky (8). Dekarboxylázy aminokyselin patří do skupiny lyáz a jejich koenzym je pyridoxalfosfát. U savců se nachází několik dekarboxyláz, např. speciální dekarboxyláza, která reaguje s aromatickými a heterocyklickými aminokyselinami, pak další, která dekarboxyluje jen aminokyseliny aromatické. Dalším enzymem je histidindekarboxyláza (10). Patří sem také pyruvátdehydrogenáza, která oxiduje pyruvát na acetyl-coa, a dehydrogenáza, která dekarboxyluje ketokyseliny s rozvětveným řetězcem vzniklé z aminokyselin s rozvětveným řetězcem (8). zdroj Produkt dekarboxylace Hlavní význam tyrozin noradrenalin adrenalin DOPA dopamin oktopamin neurotransmiter, hormon nadledvin hormon nadledvin melaniny neurotransmiter falešný neurotransmiter histidin histamin vazodilatace, neuromodulátor tryptofan melatonin serotonin tryptamin hormon epifýzy vazokonstrikce hnití bílkovin ve střevě ornitin putrescin polyaminy předchůdce polyaminů reakce s DNA, růstový faktor glutamát GABA ( -aminobutyrát) neurotransmiter serin ethanolamin složka fosfolipidů asparát -alanin složka CoA a pantotenátu cystein cysteamin Složka CoA, radioprotektor Tabulka 1: Významné produkty dekarboxylace a jejich hlavní význam (10) 19

5 METABOLISMUS KÓDOVANÝCH AMINOKYSELIN 5.1 Aminokyseliny s rozvětveným řetězcem Valin, leucin a izoleucin patří do skupiny esenciálních aminokyselin s rozvětveným řetězcem (také BCAA; branched-chain amino acids), ale mohou být odvozeny od jejich -ketoforem (27). Mají také výjimečné postavení v metabolismu, a proto se uplatňují i v klinické praxi (10). Katabolismus BCAA je z počátku společný a až následně se liší, což závisí na délce a uspořádání postranního řetězce. Metabolismus těchto aminokyselin začíná transaminací a pokračuje oxidační dekarboxylací. Transaminace je katalyzována společnou aminotransferasou. Tato reakce je reverzibilní a vzniklé 2-oxokyseliny mohou nahrazovat v dietě samotné aminokyseliny. Z leucinu vzniká 2-oxokapronát, z valinu vzniká 2-oxoisovalerát a z izoleucinu 2-oxomethylvalerát. Probíhající reakce dále pokračuje v mitochondriích, kde 2-oxokyseliny podlehnou dehydrogenaci a dekarboxylaci multienzymovou dehydrogenázou. Reakcí vzniká acyl-coa, který je o uhlík kratší než výchozí 2-oxokyselina. Při hladovění se organizmus snaží zabránit ztrátě větvených aminokyselin tím, že oxidační dekarboxylaci oxokyselin ve svalu zpomalí, protože dehydrogenáza má vysokou aktivitu ve svalu. V další reakci podlehne acyl-coa stejné reakci, jakou vzniká z acylu dehydrogenací nenasycený acyl při katabolismu mastných kyselin. Produktem je -nenasycený acyl-coa. Touto reakcí společná dráha končí. Z valinu vzniká propionyl-coa a z něj sukcinyl-coa, z izlouecinu vzniká také propionyl-coa, který je také štěpen na sukcinyl-coa, a acetyl-coa. Z leucinu vzniká -hydroxy- -metylglutaryl-coa (10), který je za přítomnosti HMG-CoA-lyázou štěpen na acetyl-coa a acetoacetát, který může být přeměněn na 2 molekuly acetyl-coa (24). 3-hydroxy-3-metyl-glutaryl-CoA je intermediární metabolit při syntéze izoprenoidů a cholesterolu. Propionyl-CoA je důležitý pro glukoneogenezi (27). Z BCAA vzniká přesunem jejich aminoskupiny na -ketoglutarát v kosterním svalu kyselina glutamová, která je zdrojem aminoskupiny pro syntézu alaninu z pyruvátu nebo může být použita pro syntézu glutaminu (8). 20

5.2 Lyzin Lyzin je esenciální bazická aminokyselina (8). Katabolismus lyzinu je neobvyklý, protože nezačíná transaminací. Lyzin se v játrech slučuje s 2-oxoglutarátem a vznikne přechodný produkt zvaný sacharopin, který se okamžitě štěpí na kyselinu glutamovou a allyzin ( -aminoadipát-6-semialdehyd). Z allyzinu vzniká oxidací -aminoadipát (10). 2-aminoadipát je v řadě dekarboxylačních a dehydrogenčních reakcí přeměněn na acetyl-coa (8). Lyzin je také nezbytný pro tvorbu karnitinu a také jeho nevratnou dekarboxylací vzniká biogenní amin kadaverin (4). 5.3 Metionin Navzdory skutečnosti, že menší množství metioninu vzniká v lidském těle, a to z cholinu přes homocystein, je metionin esenciální aminokyselina. Metionin má zásadní význam nejen pro syntézu vlastních bílkovinných struktur, ale i pro svou schopnost metylovat mnohé látky (10). Forma přenášející metylovou skupinu je S-adenosylmetionin, někdy nazývaný aktivní metionin. S-adenosylmetionin vzniká adenylací metioninu pomocí adenosyltransferázy (8). Metionin poskytuje ve své katabolické dráze cystein. Výchozí látkou je S-adenosylmetionin, který se konvertuje odštěpením metylu na S-adenosylhomocystein. Hydrolyticky se odštěpí adenozylová část molekuly a zůstane homocystein (10). Homocystein může být přeměněn buď na metionin, pokud je dostatek donorů metylových skupin, nebo se v transsulfurační cestě spojuje se serinem za vzniku cystationinu (8). Cystationin se rozpadá, zůstává atom síry na serinové kostře a tím se serin transformuje na cystein, který je přísně vzato někdy považován za esenciální aminokyselinu, protože při deficitu metioninu, je deficitní i cystein. Ve skutečnosti k tomu dochází jen zřídka, protože v proteinech potravy je cystein v dostatečném množství. Z homocysteinové kostry zůstává po ztrátě síry homoserin, ze kterého se tvoří propionyl-coa a ten skončí jako sukcynyl-coa (10). 21

5.4 Treonin Treonin je jedna z mála aminokyselin, která nepodléhá transaminaci, ale štěpí se treoninaldolázou na acetaldehyd a glycin. Nestálý acetaldehyd se rychle převádí na acetyl-coa prostřednictvím dehydrogenázy (10). Treonin může být také degradován přes 2-oxobutyrát a propionyl-coa na sukcinyl-coa, který je součástí citrátového cyklu (10). 5.5 Aromatické aminokyseliny Organismus člověka nedokáže vytvářet aromatické jádro, a proto jsou fenylalanin a tryptofan esenciální aminokyseliny (8). Znalost katabolismu aromatických kyselin je pro lékaře důležitá, protože poruchy katabolismu těchto aminokyselin jsou velmi časté a klinicky závažné (10). Fenylketonurie je vrozená porucha, jejíž příčinou je chybění nebo nízká aktivita fenylalaninhydroxylázy a to způsobuje, že fenylalanin se nepřeměňuje na tyrozin (8), (10). Hladina fenylalaninu v krvi výrazně stoupá (hyperfenylalaninemie) a nadbytečné množství fenylalaninu podléhá transaminaci za vzniku fenylpyruvátu (24). Hydroxylační reakce může také poklesnout z důvodů způsobené chyběním dárce vodíku (tetrahydrobiopterinu) (10). Pokud není tato nemoc zjištěna a léčena v krátké době po narození, dochází během několika měsíců k těžké mentální retardaci (24). Alkaptonurie je autozomálně recesivní onemocnění, jejíž podstatou je chybění homogentisátoxygenázy, která štěpí homogentisát (10). Kyselina homogentisová se vylučuje ve velkém množství močí a po oxidaci vzdušným kyslíkem se mění na hnědý pigment (8). Tento pigment se podobá melaninu a ve struktuře obsahuje benzochinonové kruhy (10). Tyrozinemie je skupina onemocnění vzniklá poruchou metabolismu tyrozinu na různých úrovních (8). Tyrozinemie typu I je způsobena pravděpodobně defektem fumarylacetacetáthydrolázy. U tyrozinemie typu II (Richnerův-Hahartův syndrom) je pravděpodobnou enzymatickou poruchou defekt tyrozintransaminázy a u neonatální tyrozinemie je tato porucha výsledkem deficitu p-hydroxyfenylpyruváthydroxylázy (13). 22

5.5.1 Fenylalanin Zásadní cestou metabolismu fenylalaninu je nevratná hydroxylace na tyrozin pomocí fenylalaninhydroxylázy (10). Tento enzym obsahuje atom Fe III a vyžaduje kofaktor biopterin. Při hydroxylaci fenylalaninu je aktivní forma biopterinu 5,6,7,8-tetrahydrobiopterin oxidován na 7,8-dihydrobiopterin (24). Asi 50% veškeré aktivity fenylalaninhydroxylázy v lidském organismu je přítomno v ledvinách, které produkují okolo 1g tyrozinu (8). 5.5.2 Tryptofan Tato esenciální aromatická aminokyselina je nezbytná pro syntézu proteinů a řady fyziologicky významných látek (8). Metabolismus tryptofanu probíhá několika cestami. Kvantitativně nejvýznamnější cesta je kynurenin-antranilátová. Katabolismus začíná rozštěpením kruhu enzymem tryptofanoxygenázou neboli pyrrolázou. Vzniklý N-formylkynurenin se dále štěpí na kynurenin, ze kterého se odštěpí postranní řetězec alaninu a vznikne 3-hydroxykynurenin, který se hydroxyluje na 3-hydroxyantranilát, jehož další degradace vede ke vzniku 2-oxoadipátu (24) (10). Z 2-oxoadipátu vzniká acetyl-coa a z alaninu pyruvát. Z menší části se touto cestou syntetizuje kyselina nikotinová a nikotinamid (niacin), který je ve formě koenzymů NAD + a NADP + součástí oxidoredukčních koenzymů (8). Z tryptofanu pomocí tryptofan-5-monooxygenázy vzniká 5-hydroxytryptofan, který je dekarboxylován 5-hydroxytryptofandekarboxylázou na inhibiční neuromediátot serotonin (5-hydroxytryptamin). Serotonin je degradován na 5-hydroxyindolacetát, který se vylučuje močí (8), (10). V nepatrném množství vzniká dekarboxylací tryptofanu tryptamin. Část potravního tryptofanu zůstává v tlustém střevě a je napadán střevní flórou, přičemž vzniká indol, který se dostává do moče jako indoxyl-sulfát. Jinými bakteriemi je tryptofan přeměněn na skatol, který přispívá k nepříjemnému zápachu stolice (8), (10). 5.6 Arginin Arginin je esenciální aminokyselina, ale jen v dětském věku v období růstu. V dospělém těle se jej tvoří dostatek v průběhu močovinového cyklu. Zdrojem argininu může být glutamát, který se převede na -semialdehyd glutamátu, ten na ornitin, který se převede na arginin (10). 23

Syntéza argininu se odehrává v ledvinách, játrech a mozku, ale v těchto orgánech nevzniká z ornitinu, nýbrž z citrulinu. Windmiller v experimentu prokazoval, že glutamin, který je zachycený ve střevě, je rychle měněn na citrulin a uvolněně do oběhu, ze kterého je vychytáván ledvinami a po jeho přeměně ledviny uvolňují arginin (27). Arginin je prekurzorem pro biosyntézu významných látek. Společně s ornitinem je výchozí látkou pro syntézu dekarboxylačních produktů spermidinu a sperminu (10). Agmatin vzniká v ledvinách a nervové tkáni dekarboxylací argininu (8). Arginin je výchozí látkou pro syntézu kreatinu. Kreatin je sloučenina, která vzniká ze tří aminokyselin z argininu, glycinu a metioninu. V ledvinách je z argininu transamiázou odštěpena guanidinová skupina a je napojena na glycin. Vzniklý guanidinoacetát se v játrech metyluje metylem z S-adenozylmetioninu za spoluúčasti ATP na kreatinfosfát, který se ve svalech nevratně dehydratuje na kreatinin (10). Oxidativní cestou dává arginin vznik molekule oxidu dusnatého (27). Tento oxid dusíku vzniká z guadininové skupiny se NO-syntázou. Zbytkovým produktem této reakce je citrulin (10). 5.7 Histidin Histidin není esenciální aminokyselina, výjimku tvoří pacienti s uremií, renální insuficiencí a je také esenciální pro rostoucí děti (8), (27). Při degradačních procesech histidin nejdříve podlehne účinku histidinamoniaklyázy, která přemění histidin odštěpením amoniaku na urokanát. Ten se hydratuje, mizí dvojná vazba a vzniká 4-imidazolon-5-propionát, ze kterého vznikne rozštěpením imidazolového cyklu N-formiminoglutamát, jehož formiminová skupina se přenese na kyselinu tetrahydrolistovou a vznikne glutamát, který je oxidační deaminací přeměněn na 2-oxoglutarát (8), (10). Dekarboxylací histidinu dekarboxylázou aromatických L-aminokyselin vzniká biogenní amin histamin (10). Dále se histidin nachází ve vysoké koncentraci v hemoglobinu a je prekurzorem anserinu, karnozinu a ergotioneinu. Od anserinu je zřejmě odvozen 1-methylhistidin a posttranslační metylací histidinu, který je přítomný v molekulách aktinu a myozinu, vzniká 3-methylhistidin (8). 24

5.8 Cystein Cystein je zahrnutý v katabolické dráze metioninu. S-adenosylmetionin, který je výchozí látkou, se konvertuje odštěpením metylu na S-adenosylhomocystein. Po hydrolytickém odštěpení adenosylové části molekuly zůstane homocystein, který se sloučí se serinem na meziprodukt cystation. Po rozpadu cystationu zůstane atom síry na serinové kostře a vzniká cystein (10). Tuto syntézu umožňují cystation- -syntáza, která katalyzuje syntézu cystationu z homoserinu, a -cystationáza, která katalyzuje syntézu cysteinu z cystationu. Oba enzymy se vyskytují v ledvinách, játrech, tenkém střevě a pankreatu (8). Významný oxidoredukční systém představuje přeměna cysteinu na cystin konverzí dvou -SH skupin na vazbu S-S (8). Zásadně důležitý pro udržování konformace a funkce bílkovin a enzymů je poměr mezi oběma stavy ( -SH : -S-S) (10). S aminokyselinami glutamátem a glycinem poskytuje cystein glutation. Dekarboxylací cysteinu vzniká cysteamin, jehož oxidací vzniká cystamin, což je látka s radioaktivním působením. Kyselina cysteová vzniká oxidací SH-skupiny cysteinu a dekarboxylací se mění na taurin (10). Kvantitativně nejvýznamnější je oxidační cesta, která končí tvorbou anorganických sulfátů a uvolnění pyruvátu (10). Cysteindioxygenáza katalyzuje přeměnu cysteinu na cysteinsulfinát a ten je pravděpodobně transaminován na 3-sulfinylpyruvát, který dosud nebyl izolován. 3-sulfinylpyruvát je poté přeměněn na pyruvát (13). Specifická cysteintransamináza katalyzuje reverzibilní transaminaci cysteinu na 3-merkaptopyruvát, který může být desulfurován za vzniku pyruvátu a H 2 S (13). 5.9 Tyrozin Za účasti fenylalaninhydroxylázy vzniká tyrozin nevratnou hydroxylací fenylalaninu (8). Tyrozin je neesenciální aminokyselinou, ale v případě sníženého příjmu fenylalaninu nebo nedostatečnosti hydroxylázového systému je také tyrozin esenciální (27). Transaminace tyrozinu na p-hydroxyfenylpyruvát je prvním krokem jeho katabolismu (8). Na tuto 2-oxokyselinu poté působí p-hydroxyfenylpyruváthydroxyláza, která katalyzuje vznik homogentisátu. Působením dioxygenázy pronikne kyslík do molekuly homogentisátu a rozštěpí jeho aromatický kruh. Jako koncové produkty katabolismu se po několika dalších krocích objeví fumarát a acetoacetát (10). 25

Mimo této hlavní katabolické cesty může katabolismus tyrozinu poskytnout i jiné produkty (10). Tyrozin je výchozí látkou při vzniku hormonů štítné žlázy (trijodtyroninu a tyroxinu), katecholaminů (dopaminu, adrenalinu a noradrenalinu) a melaninu. Metabolizace katecholaminů probíhá za účasti katechol-o-metyltransferázy a monoaminooxidázy. Hlavními katabolity jsou kyselina homovanilová a vanilmandlová (8). Amin vznikající z tyrozinu je oktopamin, který působí jako falešný neurotransmiter (10). 5.10 Kyselina glutamová Kyselina glutamová je transaminací běžně tvořena z 2-oxoglutarátu. Dalším zdrojem kyseliny glutamové je katabolismus některých aminokyselin. Vedle glutaminu se na kyselinu glutamovou mohou přeměnit ještě prolin, arginin a histidin. Z glutaminu se tvoří kyselina glutamová hydrolytickým účinkem glutaminázy za současného odštěpení NH 3. Degradace kyseliny glutamové se děje oxidační deaminací za vzniku 2-oxoglutarátu a uvolnění amoniaku. Tato reakce je katalyzována glutamátdehydrogenázou. Kyselina glutamová je prekurzorem glutaminu, prolinu, glutationu a dalších látek. Je také zdrojem -aminomáselné kyseliny, která vzniká její dekarboxylací. Této reakce se účastní enzym glutamátdekarboxyláza. Kyselina glutamová je kromě toho také zdrojem 3-hydroxybutyrátu (8),(10). 5.11 Glutamin V tělních tekutinách je nejrozšířenější aminokyselinou právě glutamin. Největší zásoby glutaminu má kosterní sval a je hlavním zdrojem této aminokyseliny pro většinu tkání. Do krve je v menším množství uvolňován glutamin z plic. Většina glutaminu je za fyziologických podmínek utilizována střevní sliznicí, ledvinami a játry. Jeho syntéza probíhá v mitochondriích z glutamátu a je katalyzována enzymem glutaminsyntetázou. Její aktivita je vysoká v kosterním svalstvu, plicích, ledvinách a játrech. Nízká je v žaludku, tenkém a tlustém střevě. Degradace glutaminu na glutamát probíhá jako hydrolýza katalyzovaná účinkem glutaminázy a odštěpí se NH 3. 26

5.12 Serin Serin je alifatická neesenciální aminokyselina a patří do skupiny aminokyselin konvertujících na pyruvát, a proto se jedná o glukogenní aminokyselinu (10). Hlavním zdrojem pro tvorbu serinu jsou sacharidy (10). Serin je syntetizován z produktu glykolýzy, kterým je 3-fosfoglycerát (27). Ten se přeměňuje na 3-fosfoserin, který se po odštěpení fosfátového zbytku mění na serin a naopak se serin také podílí zpětnými reakcemi na vytváření 3-fosfoglycerátu a tím zvyšování jeho koncentrace (10). Serin je dehydratační reakcí katalyzovanou serindehydrogenázou přeměňován na pyruvát. Aminoakrylát, který je produktem dehydratace, se tautomerně bez přispění enzymů přeměňuje na imin, který je spontánně hydrolyzován na pyruvát a amoniak (24). Jiná degradační cesta serinu, která u člověka převažuje, je produkce glyoxalátu a oxalátu, tedy stejných produktů, jaké dává glycin (10). Serin je důležitým substrátem pro tvorbu fosfolipidů, cysteinu a glycinu (8). Při konverzi serinu na glycin se uplatňuje funkce tetrahydrofolátu, který má schopnost přenášet jednouhlíkaté zbytky. Při této vratné reakci, která je katalyzována hydroxymetyltransferázou, je přenesena -CH 2 OH serinu za vzniku glycinu (10). 5.13 Glycin Hlavní cestou degradace glycinu je jeho štěpení na amoniak a oxid uhličitý pomocí mitochondriálního enzymu glycinsyntázou, který se nachází v jaterních buňkách. Další možností katabolismu je buď vratná transaminace, nebo oxidační deaminace na glyoxalát, který se spálí na CO 2 a formyl-tetrahydrofolát, anebo z něj vzniká oxalát. Jak již bylo řečeno dříve, glycin vzniká vratnou reakcí ze serinu a také působením treoninaldolázy z treoninu. Glycin a serin jsou výchozími substráty četných syntéz a mají mimořádné postavení v metabolismu mnoha důležitých látek jako kreatinu, glutationu, porfyrinu, hemu, purinů (8), (10). 5.14 Prolin Prolin je neesenciální aminokyselina, jejíž postranní řetězec se připojuje na -uhlík i na aminoskupinu, což vede ke vzniku cyklické struktury (8). Prolin patří do skupiny 27

aminokyselin, které poskytují 2-oxoglutarát, a proto je glukogenní (10). Prolin se nachází ve vysokých koncentracích v kolagenu společně s hydroxyprolinem (8). Kromě endogenních a exogenních proteinů je zdrojem prolinu jeho syntéza z histidinu, argininu a glutamátu (8). Všechny tři zmíněné aminokyseliny se převedou na -semialdehyd glutamátu a ten se cyklizuje na pyrrolidinkarboxylát, který je po dehydrogenaci přeměněn na prolin (10) Degradace prolinu probíhá jako obrácená syntéza glutamátu, který se pak transaminuje na 2-oxoglutarát. Etanol ovlivňuje rychlost degradace. Pravidelné užívání destilátů degradaci zpomaluje. Hladina prolinu se v buňce zvyšuje a jeho vysoké nahromadění se projeví na syntéze kolagenu. Po čase vznikne patologická fibróza jater, protože volný prolin stimuluje syntézu kolagenu (10). Hydroxyprolin není při translaci zařazován do polypeptidového řetězce, protože se do něj včleňuje prolin, který se hydroxyluje až posttranslačně. Tato reakce vyžaduje přítomnost O 2, železa a askorbátu. Hydroxyprolin se degraduje na pyruvát a glyoxalát (10). 5.15 Alanin Při hladovění, tělesné zátěži a u většiny proteokatabolických onemocnění je ve svalu aktivována syntéza alaninu. Alanin je syntetizován v kosterním svalstvu z pyruvátu, který poskytuje acetyl-coa, nebo z něj vznikne glukóza. Jedná se o vratnou transaminační reakci. Hlavní dárcem aminoskupiny jsou aminokyseliny s rozvětveným řetězcem, které ji předávají na pyruvát prostřednictvím glutamátu. Játra jsou hlavním místem katabolismu alaninu, kde pyruvát, který vznikl z alaninu transaminací, je využit jako energetický substrát, nebo je dále převeden až na aminokyseliny s rozvětveným řetězcem (8), (10). 5.16 Kyselina asparagová a asparagin Transaminační reakcí vzniká kyselina asparagová z oxalacetátu, kde je zdrojem aminoskupiny glutamin a reakce je katalyzována pyridoxalfosfátem. Katabolismus kyseliny asparagové se může ubírat dvěma směry. Hlavní katabolická cesta je transaminace na oxalacetát. Další, fyziologicky významnou katabolickou dráhou je 28

vystup do ornitinového cyklu prostřednictvím argininsukcinátu, jehož štěpením vzniká arginin a fumarát, který vstupuje do citrátového cyklu (8). Asparagin, polární aminokyselina, snadno vytváří vodíkové vazby a zvyšuje rozpustnost bílkovin ve vodě. Asparagin je v reakci, která je hydrolyzována asparaginázou, přeměněn na kyselinu asparagovou a poté přeměněn na oxalacetát stejným způsobem jako kyselina asparagová (8), (24). 29