ODBOURÁNÍ AMINOKYSELIN
ÚVOD • Odbourávání proteinů • Deaminace aminokyselin
• Ornithinový (močovinový) cyklus • Osud uhlíkaté kostry aminokyselin
Metabolismus proteinů a aminokyselin
Metabolismus proteinů a aminokyselin
Odbourávání proteinů
Odbourávání proteinů • Délka existence proteinů se pohybuje od několika minut k týdnům a déle.
• Buňky
kontinuálně odbourávají a syntetizují proteiny.
proteiny
na
aminokyseliny
• Důvodem obměny proteinů je: 1. Proteiny jako skladovatelná energie (?!). V čase metabolické potřeby se odbourávají a uhlíkatá kostra se využívá např. k syntéze glukosy (svalové proteiny). 2. Odstranění abnormálních proteinů jejichž přítomnost v buňce by buňku vyřadila z činnosti. 3. Realizace regulačních mechanismů v buňce odstraněním některých enzymů nebo jejich regulátorů.
Poločasy existence některých proteinů krysích jater Enzymy s krátkou dobou existence • Ornithindekarboxylasa • RNA polymerasa I • Tyrosinaminotransferasa • Serindehydratasa • Fosfoenolpyruvátkarboxylasa
Poločas (h) 0,2 1,3 2,0 4,0 5,0
Enzymy s dlouhou dobou existence • Aldolasa • Glyceraldehydfosfátdehydrogenasa • Cytochrom b • Laktátdehydrogenasa • Cytochrom c
118 130 130 130 150
Trávení a absorpce proteinů Žaludek
• Kyselé prostředí – denaturace proteinů • Poté pepsin – nespecifická proteinasa Lumen tenkého střeva
• Proteinasy pankreatu trypsin, chymotrypsin (sekrece ve formě zymogenů)
• Vznikají volné aminokyseliny, zčásti di- a tripeptidy • Aminopeptidasy N – štěpení od N konce • Směs aminokyselin a krátkých peptidů vstupuje z lumen do buněk tenkého střeva a poté do krve.
Degradace proteinů a 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.
• Odbourávání aminokyselin probíhá intracelulárně.
Degradace proteinů a aminokyselin
LYSOSOMY-lysosomální degradace LYSOSOMY
• Jsou kulovité organely nacházející se v cytosolu eukaryotních buněk, od něhož jsou odděleny jednou (dvojvrstevnou) membránou.
•V
rostlinných buňkách se lyzozomy nevyskytují a jejich úlohu přejímají vakuoly.
• Vznikají
zpravidla oddělením se z hladkého endoplazmatického retikula či Golgiho komplexu.
•V
mrtvých nebo poškozených buňkách dochází k narušení lyzozomů a následnému natrávení struktur celé buňky, tzv. autolýza buňky.
LYSOSOMY - lysosomální degradace • Primární lyzozomy (předlyzozomy) - váčky obsahující hydrolasy, ale nikoliv materiál k trávení
• Sekundární
lyzozomy - větší a obsahují hydrolasy spolu s materiálem k trávení. Vznikají splynutím primárního lyzozomu s tzv. fagozomem (váčkem obsahujícím materiál určený k hydrolýze). Vzniklé jednoduché molekuly (např. monosacharidy) jsou transportovány z lumen lyzozomu do cytosolu.
• Terciární
lyzozomy (postlyzozomy, reziduální tělíska) obsahují zbytky materiálu, který již nelze rozložit. Jejich obsah může být pomocí exocytózy posléze vyloučen z buňky a terciární lyzozom tak zanikne. Nestrávený materiál se ale může hromadit v buňce.
LYSOSOMY-lysosomální degradace • Uvnitř lyzozomů se nachází vhodné prostředí k degradaci mnoha různých typů organických látek, jako jsou cukry, tuky, bílkoviny i nukleové kyseliny. • Obsahují 50 různých druhů enzymů a navíc i výrazně kyselé prostředí (pH 5).
• U dobře živených buněk je lysosomální degradace neselektivní. • U hladovějících je degradace selektivní – zachovávají se důležité enzymy a regulační proteiny. Odbourávají se proteiny obsahující pentapeptidovou sekvenci Lys-Phe-Glu-Arg-Gln (KFERQ). • S lysosomální degradací je spojena např. rheumatoidní arthritida
Ubiquitin •U
eukaryotních buněk působí při degradaci také proces spotřebovávající ATP a zahrnující ubiquitin.
• Ubiquitin (z lat. ubique, všude)) - monomerní protein obsahující 76 aminokyselin. Přítomný ve všech eukaryotických buňkách.
• Reguluje rozklad jiných proteinů v proteazomu, lyzozomu či ve vakuole.
•V
určitých případech však také stimuluje endocytózu, vnitrobuněčný transport
• Podílí se na udržování struktury chromatinu (ubiquitin se váže se na histony).
Ubiquitin Nobelova cena za chemii 2004 „for the discovery of ubiquitinmediated protein degradation" Aaron Ciechanover (Technion – Israel Institute of Technology, Haifa, Israel), Avram Hershko (Technion – Israel Institute of Technology, Haifa, Israel), Irwin Rose (University of California, Irvine, USA) Gly75
NH
O
Isopeptidová vazba ubiquitinu s cílovým proteinem.
O
NH
Lys
H N
Struktura ubiquitinu.
UBIQUITIN
Gly76
HN
O N H
H N O
CÍLOVÝ PROTEIN
O
Ubiquitin • Proteiny
určené k degradaci jsou označeny kovalentní vazbou s ubiquitinem - ubiquitinace. Proces probíhá ve třech stupních za účasti tří enzymů.
A) Ubiquitin aktivační enzym E1 – ubiquitin se za účasti ATP připojí na E1 B) Ubiquitin konjugační enzym E2 – přenos ubiquitinu na E2 přes terminální karboxyl ubiquitinu a Cys E2
C) Ubiquitin-protein ligasa E3 – přenos aktivovaného ubiquitinu na e-aminoskupinu Lys odstraňovaného proteinu (isopeptidová vazba)
• Aby byl protein odbourán musí být označen řetězcem minimálně čtyř ubiquitinů, ale až padesáti – polyubiquitinový řetězec.
Ubiquitin
*
E1-aktivační enzym E2-konjugační enzym E3- ubiquitin-protein ligasa
Proteasom • Po
připojení ubiquitinu je označený protein degradován proteasomem 26S. Tato degradace je specifická a přesně cílená, je tedy často využívaná pro specifické odstranění proteinů signálních drah.
• Proteiny
degradované proto, aby jejich aminokyseliny, případně peptidy mohly být použity jako stavební kameny, bývají degradovány spíše nespecificky proteasami.
• 26S
proteasom - velký (2100 kD, 26S) multiproteinový komplex, 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.
Proteasom Elektronický snímek proteasomů z Xenopus laevis
Červená střední část 26S, žluté čepičky 19S. Vpravo – pohled shora.
*
Proteasom 1. Ubikvitinace 2. Interakce s proteasomem 3. Rozvinutí struktury proteiny 4. Degradace
5. Uvolnění ubikvitinu
Odbourání aminokyselin
Degradace aminokyselin • Prvním krokem je odstranění a-aminoskupiny. Většinou ve formě amoniaku, který je vylučován, buď přímo, nebo přes další sloučeniny z organismu. • Uhlíkatý skelet aminokyselin (a-oxokyseliny) je odbouráván na CO2 a H2O nebo převeden na glukosu, acetyl CoA nebo ketolátky.
Odstranění a-aminoskupiny: A) Transaminace B) Oxidativní deaminace C) Hydrolytická deaminace D) Eliminační deaminace
Odstranění aminoskupiny aminokyselin
Odstranění aminoskupiny aminokyselin
Kofaktor - pyridoxal fosfát (H 2C) 4 H 2-
O 3P O
N+
C
H2C
ENZYM H O
H2C -
+
+
N H
NH2
2-
O 3P O
H2C
OH +
CH3
Pyridoxal-5´-fosfát navázaný na apoenzym
+
N H
CH3
Pyridoxamin-5´-fosfát (PMP)
Kofaktor - pyridoxal fosfát
• PLP je pevně vázán na enzym přes imino vazbu (Schiffova báze) na e-aminoskupinu Lys. • Vznik – pyridoxamin-5´-fosfát (PMP
Transaminace • Aminotransferasy EC 2.6.1 koenzymem pyridoxal-5´-fosfátem (PLP).
OH
H2C HO
H2C
OH
+
-
+
-
OOC
Aminokyselina
Pyridoxin (vitamin B6)
CH2
CH2
C
COO
-
+
NH3 COO
-
2-Oxokyselina
+
-
OOC
CH2
CH2
Glutamát
OH
4
3
+2
1+
Pyridoxal-5´-fosfát (PLP)
2-Oxoglutarát
O C
5´
H2C
N H
CH3
O COO
C
6
N H
+
R
O 3P O
+
NH3 CH
2-
O
4´
5
• Přenos aminoskupiny na oxokyselinu
R
H
CH
COO
-
CH3
Mechanismus transaminace
Transaminace EC 2.6.1.1 Aspartáttransaminasa; Glutamátoxaloacetáttransaminasa; Glutamátaspartáttransaminasa; Transaminasa A +
NH3 -
OOC
CH2
CH2
CH
O COO
-
+
-
OOC
Glutamát
CH2
OOC
CH2
CH2
COO
-
Oxaloacetát
+
O -
C
C
2-Oxoglutarát
NH3 COO
-
+
-
OOC
CH2
CH
Aspartát
COO
-
Transaminace TRANSAMINACE
C
a
NH2
R
Lys
H R
H
ENZYM
COO
+
-
2-
O 3P O
H
N+
C
H2C
H
C
N
H O
-
2-
O 3P O
N H
a-Aminokyselina
Enzym-PLP Schiffova báze
ENZYM
N+
H
H -
H2C
O
2-
O 3P O
N H
a
C
b
COO
a
N+
C
H O
+
+
N H
CH3
Geminální diaminový meziprodukt
CH3
Aminokyselina-PLP Schiffova báze (aldimin) Lys ENZYM H2N H + +
• Převedení aminokyseliny na 2-oxokyselinu. • Aminoskupina aminokyseliny působí jako nukleofil za tvorby aldiminu.
R H
2-
O 3P O
C
a
N+
C
H2C
COO H O
-
+
+
N H
-
Lys NH2
-
H2C
+
+
CH3
c
R
+
C
ENZYM
H
Lys
H H
+
+
COO
a
-
CH3
Rezonancí stabilizovaný meziprodukt
-
Transaminace • Tautomerizace. • Aminokyselina-PLP Schiffova báze tautomerizuje na 2-oxokyselinuPMP Schiffovu bázi – ketimin TAUTOMERIZACE Lys ENZYM H2N H +
Lys ENZYM
+
R H
2-
O 3P O
C
a
N+
C
COO
+
-
H
R H
-
H2C
H2N H +
O
Lys ENZYM
2-
O 3P O
C
C
a
+ N+
COO
R
C
a
N+
COO
+
H
H -
H2C
H2N
-
O
2-
O 3P O
C
H -
H2C
O
+
+
N H
CH3
Rezonancí stabilizovaný meziprodukt
N H
CH3
N H
Ketimin
CH3
-
-
OH
Transaminace • Hydrolýza. • 2-Oxokyselina-PMP-Schiffova báze je hydrolyzována na PMP a 2-oxokyselinu. HYDROLÝZA Lys ENZYM H H2N O
Lys ENZYM H2N
R
C
-
a
N+
COO
R
-
OH
2-
O 3P O
C
H2C
H O
H -
a
COO
H2N
2-
O 3P O
C
H
H2C
O
Ketimin
CH3
+
N H
Karbinolamin
NH2 H
-
+
N H
Lys ENZYM
-
NH
+
H
C
2-
O 3P O
C
O
H
H2C
O
-
+
R
C
-
a
COO
+
CH3
+
N H
CH3
Pyridoxamin-5´-fosfát (PMP)-Enzym
2-Oxokyselina
Převod a-oxokyseliny na aminokyselinu. • Převod zahrnuje stejné tři kroky, ale v opačném pořadí: A) PMP reaguje s a-oxokyselinou za tvorby Schiffovy báze. B) a-Oxokyselina-PMP Schiffova báze tautomerizuje za tvorby aminokyselina-PLP Schiffova báze.
C) e-Aminoskupina Lys v aktivním místě atakuje aminokyselinu-PLP Schiffova báze v transiminační reakci za tvorby aktivní enzym-PLP Schiffova báze a současného uvolnění nově vzniklé aminokyseliny.
•V
reakci vzniká rezonančně stabilní Ca karbanion stabilizovaný protonizovaným dusíkem pyridinia. Při transaminaci se uvolňuje a proton.
Transaminace • Substráty většiny aminotransferas jsou 2-oxoglutarát a oxaloacetát a pyruvát.
• 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 SGOT (serum glutamátoxaloacetáttransaminasa), AST (aspartáttransaminasa), a SGPT (serum glutamátpyruváttransaminasa, nebo ALT alanintransaminasa,).
• Vysoké
aktivity těchto enzymů v krevním séru indikují porušení svalové nebo jaterní tkáně (infarkt myokardu, zánět jater).
• Jediná aminokyselina, která nepodléhá transaminaci je Lys.
Oxidativní deaminace • Glutamátdehydrogenasa EC 1.4.1.1-4 (GDH). • Allosterická inhibice ATP a GTP, aktivace ADP a GDP. Proč ?? • GDH je mitochondriální enzym, jediný enzym, který využívá
jak
NAD+, tak NADP+ jako redoxní koenzym.
• Oxidace probíhá přenosem hydridového aniontu z a-uhlíku Glu na NAD(P)+.
• Meziproduktem
je a-iminoglutarát, který je hydrolyzován na amoniak a a-oxoglutarát.
• Anaplerotická reakce. GDH je allostericky inhibována GTP a NADH, aktivována ADP a NAD+. NAD(P)+
NAD(P)H + H+
H2O
+
+
NH3 -
OOC
CH2
CH2
Glutamát
CH
NH4+
NH2 COO
-
- OOC
CH2
CH2
C
a-Iminoglutarát
O COO -
-
OOC
CH2
CH2
C
a-Oxoglutarát
COO
-
Ornithinový (močovinový )cyklus Živé organismy uvolňují nadbytečný dusík třemi způsoby: A) Vodní živočichové do vody jako amoniak - amonotelní. B) Suchozemští živočichové jako močovinu - ureotelní. C) Ptáci a suchozemští plazi jako močovou kyselinu a její soli – urikotelní. O
NH3
O H2N
C
HN
O
NH2 O
AMONIAK
H N
MOČOVINA
N H
N H
MOČOVÁ KYSELINA
Ornithinový (močovinový )cyklus • Publikován v roce 1932 -(první známý metabolický cyklus) H. Krebs a K. Henseleit. • Syntéza močoviny probíhá v jaterních buňkách, částečně v matrix, částečně v cytosolu. • Jeden dusík z NH3, druhý z Asp a uhlík z CO2. +
NH3 NH3
+
-
HCO 3
+
-
OOC
CH2
CH
COO
-
Aspartát 3 ATP 2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi O H2N
C
Močovina
-
NH2
+
OOC
CH HC
COO
Fumarát
-
Ornithinový (močovinový )cyklus Reakce močovinového cyklu – pět enzymů - dva mitochondriální - tři cytosolové 1. Karbamoylfosfátsynthetasa (CPS) není součástí cyklu. Katalyzuje kondenzaci a aktivaci NH3 a HCO3- za tvorby karbamoylfosfátu při spotřebě dvou ATP.
• U eukaryot existují dvě CPS – CPS I a CPS II.
• Mitochondriální CPS I má jako zdroj dusíku amoniak a podílí se tak na syntéze močoviny. Reakce je prakticky ireversibilní a rychlost cyklu limitující.
• Cytosolová CPS II má jako zdroj dusíku Gln a účastní se biosyntézy pyrimidinových nukleotidů.
Ornithinový (močovinový )cyklus Mechanismus působení CPS I ATP + HCO3- karboxyfosfát + ADP.
1. ATP aktivuje HCO3-
2. Amoniak atakuje karboxyfosfát, uvolňuje fosfát za tvorby karbamátu a Pi. 3. Druhé ATP fosforyluje karbamát za tvorby karbamoylfosfátu. ADP O O
-
P
O -
O
ADP O HO
C
ADP
O O
-
+
O
O
-
-
P
O -
O
1
Pi
O C
2-
OPO3
Karboxyfosfát
+
NH3
-
O
2
ATP
O C
NH2
Karbamát
O 2-
O3PO
3 ADP
O
C
Karbamoylfosfát
NH2
Ornithinový (močovinový )cyklus Karbamoylfosfátsynthetasová reakce R
Glutamát
O C
COO
-
2-Oxokyselina
+
NAD(P)
Glutamátdehydrogenasa
Transaminasa +
NH3 H+ +
NAD(P)H
R
2-Oxoglutarát
CH
COO
Aminokyselina
O 2 ATP + HCO3- + NH3
H2N
C
O
Karbamoylfosfát
MITOCHONDRIE
2-
OPO3
+ 2 ADP + Pi
-
Ornithinový (močovinový )cyklus Další enzymy močovinového cyklu 2. Ornithintranskarbamoylasa. Přenáší karbamoylovou skupinu na ornithin citrullin. Reakce probíhá v mitochondrii – ornithin je transportován dovnitř a citrullin do cytosolu. 3. Argininosukcinátsynthetasa. Vstup druhého dusíku do cyklu. Kyslík citrullinu je aktivován ATP za tvorby citrullyl-AMP. Poté vstupuje Asp. Difosfát je difosfatasou rozkládán na dva Pi.
4. Argininosukcinasa. Enzym katalyzuje eliminaci fumarátu a oddělení Arg. Fumarát analogickou reakcí jako v citrátovém cyklu přechází na malát a poté na oxaloacetát-reakce probíhají v cytosolu a výsledný oxaloacetát vstupuje do glukoneogeneze. 5. Arginasa. Enzym katalyzuje hydrolýzu Arg na močovinu a ornithin, který je transportován zpět do mitochondrie. Močovina je odváděna do ledvin a močí ven z těla.
Ornithinový (močovinový )cyklus MITOCHONDRIE O 2 ATP + HCO3- + NH3
H2N
1
C
O
2-
OPO3
+ 2 ADP + Pi
Karbamoylfosfát
O
Karbamoylfosfátsynthetasa Ornithin
(CH 2)3 H
NH3
COO
-
H2N
C
NH2
COO
H2N
AMP + PPi
Arginin
COO
(CH 2)3 C COO
+
NH3 -
HC
-
COO
NH3
COO
-
Argininosukcinátsynthetasa +
-
C
NH2 N H
Argininosukcinasa
NH
C COO
CH COO -
C
(CH 2)3 H
Fumarát
+
C
Aspartát
COO -
NH
H
H
3
Argininosukcinát H
4
NH2
-
CH2
CH2 +
C
-
COO
H2O
Arginasa
NH3
ATP
5
Močovina
Citrulin
+
C
Citrulin
Ornithin
O
(CH 2)3 H
2
Ornithintranskarbamoylasa
+
C
NH2
NH Pi
+ NH3
C
CYTOSOL
+
NH3 -
Ornithinový (močovinový )cyklus
Ornithinový (močovinový )cyklus
Mechanismus argininosukcinátsynthetasy
PPi
NH2 AMP
P
P
+
O
C
AMP
O
1
NH
ATP
+
H2N
+
NH3
COO
-
H
C
CH2
COO
-
COO
-
+
C
NH3
COO
-
Citrulyl-AMP
+
NH2 C
2
H NH
NH
Aspartát
(CH 2)3
C
Citrulin
+
NH
(CH 2)3 H
C
AMP
H
NH2
(CH 2)3 H
+
C
NH3
COO
-
Argininosukcinát
C
CH2
COO
-
COO
-
Další osud fumarátu v cytosolu
COO
-
HC
COO
Fumarasa
CH COO -
Fumarát
COO
Malátdehydrogenasa
CH2 HC
H2O
-
CH2 C
OH
COO -
Malát
NAD(P)+
-
NAD(P)H + H+
O
COO -
Oxaloacetát
GLUKONEOGENEZE
Regulace močovinového cyklu • Karbamoylfosfátsynthetasa
je allostericky aktivována NacetylGlu. Se vzrůstajícím odbouráváním aminokyselin roste koncentrace Glu a syntéza N-acetylGlu - močovinový cyklus se urychluje.
• Močovinový cyklus stejně jako glukoneogeneze a ketogeneze je lokalizován v játrech, ale slouží pro celý organismus.
• Ostatní
enzymy cyklu jsou pod kontrolou koncentrace svých substrátů. COO
-
(CH 2)2 H
C
-
OOC
N H
O C
CH3
N-Acetylglutamát
Regulace močovinového cyklu Karbamoylfosfátsynthetasa
• Je
allostericky N-acetylGlu.
aktivována
• Se
vzrůstajícím odbouráváním aminokyselin roste koncentrace Glu a syntéza N-acetylGlu
• Močovinový cyklus se urychluje.
Vztah mezi citrátovým a močovinovým cyklem
•Aspartát-argininsukcinátový člunek – přenos aminoskupiny
Transport amonných iontů do jater
Glukoso-alaninový člunek
Odstranění aminoskupiny aminokyselin
Transport amonných iontů do jater a močovinový cyklus
Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin • Aminokyseliny jsou odbourávány na sloučeniny, které mohou být metabolizovány na CO2 a H2O nebo využity při glukoneogenezi.
• Odbouráváním aminokyselin u živočichů se obvykle získává 10 až 15 % metabolické energie.
• Dvacet
„standardních aminokyselin“ je odbouráváno na sedm metabolických meziproduktů:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
pyruvát a-oxoglutarát sukcinyl-CoA fumarát oxaloacetát acetyl-CoA acetoacetát
Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin Na tomto základě dělíme aminokyseliny do tří skupin: glukogenní, ketogenní a gluko i ketogenní. Glukogenní aminokyseliny
• se odbourávají na pyruvát, 2-oxoglutarát, sukcinyl-CoA, fumarát a oxaloacetát
• prekurzory glukosy. Ketogenní aminokyseliny
• se odbourávají na acetyl-CoA a acetoacetát • mohou být převedeny na mastné kyseliny a ketolátky. • čistě ketogenní jsou Lys a Leu.
Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin
Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin Aminokyseliny glukogenní:
• Gly, Ala, Cys, Ser, Thr, (Trp)(odbourávají se na pyruvát); • Arg, Glu, Gln, Pro, His (odbourávají se na a-oxoglutarát); • Ile, Met, Val, Thr (odbourávají se na sukcinyl-CoA); • Asp, Asn (odbourávají se na oxaloacetát, Asp také na fumarát močovinovým cyklem) Aminokyseliny ketogenní:
• Leu, Lys (odbourávají se na acetyl-CoA a acetoacetát); Aminokyseliny gluko i ketogenní:
• Trp (odbourává se na acetoacetát a Ala); • Phe, Tyr (odbourávají se na fumarát a acetoacetát)
Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin
Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin
Kofaktory podílející se na přenosu 1 uhlíkových zbytků
Tetrahydrofolát jako transfer jednouhlíkatých štěpů H H2N
N 2
HN
3
1 4
O
H
N 8 5
N H
7
H
6
H
CH2 9
2-Amino-4-oxo-6-methylpterin
H
O
H
COO
N
C
N
CH
10
p-Aminobenzoová kyselina
O CH2
CH2
Glutamáty (n=1-6)
Pteroová kyselina Pteroylglutamová kyselina (tetrahydrofolát, THF)
C
n
OH
Oxidační stupně jednouhlíkatých skupin přenášených THF
Oxidační stupeň
Přenášená skupina
THF derivát
Methanol
Methyl (-CH3)
N 5-methyl-THF
Formaldehyd
Methylen (-CH2-)
N 5, N 10-methylen-THF
Mravenčany
Formyl (-CH=O)
N 5 (N 10)-formyl-THF
Formimino (-CH=NH) N 5 –formimino-THF
Methenyl –CH=)
N 5,N 10-methenyl-THF
Dva stupně redukce folátu na THF.
NADPH + H+ H2N
N HN
N
N O
H
H2N
N HN
CH2 10 N
H
NADP+
R
H
N 8
7
H
Folát
H
7,8-Dihydrofolát (DHF)
N HN
CH2 10 N
H
NADP+ H2N
H
N O
NADPH + H+
R
5
N O
H
N
H
H
6
H
CH2 10 N
H
5,6,7,8-Tetrahydrofolát (THF)
R
Tvorba tetrahydrofolátů jednouhlíkatý štěp
• Sulfonamidy kompetují s p-aminobenzoovou kyselinou při bakteriální syntéze THF. • Antibakteriální chemoterapeutika.
O H2N
S
O NH
R
H2N
C
OH
O
Sulfonamidy (R=H, sulfanilamid)
p-Aminobenzoová kyselina
S-adenosylmethionin
1. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na pyruvát 6 aminokyselin: Ala, Cys, Gly, Ser a Thr, (Trp)
• Ala je transaminován na pyruvát. • Cys
je převáděn na pyruvát různými cestami za odštěpení H2S, SO32- nebo SCN-.
• Gly
je převáděn na pyruvát přes Ser enzymem serinhydroxymethyltransferasou. Enzym má jako koenzym N´,N´methylen-THF.
• Ser
je dehydratován serindehydratasou (prosthetická skupina PLP) na aminoakrylát a ten spontánně neenzymově tautomerizuje na iminoderivát, který hydrolyzuje na pyruvát a NH3.
• Thr je jak glukogenní, tak ketogenní, protože poskytuje pyruvát i acetyl-CoA.
6 aminokyselin: Ala, Cys, Gly, Ser a Thr, (Trp)
1. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na pyruvát
Glycinsynthasa
1. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na pyruvát
H3C
O
H
C
C
NADH + H+ COO
NAD+
-
OH H H3C
+
NH3
2-Amino-3-oxobutyrát
O H3C
C
C
COO
H
NH3
+
Threonin
CH
Acetaldehyd
CoA CoA
O H3C
C
SCoA
Acetyl-CoA
H H
C
COO +
NH3
Glycin
-
-
1. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na pyruvát H H
C
COO
-
COO
-
+
NH3
Glycin NADH + NH4+ + CO2
NAD+ + H3N
+
CH2
COO
N5, N10-Methylen-THF
-
THF
Glycin
HS
H
H2C
C
H COO
-
H3C
+
COO
-
+
NH3
Cystein H2O
C
+ NH3
H
H2C
C +
NH3
NH3
Alanin
Serin
Různé metabolické dráhy
(H2S, SO32-, SCN-)
HO
2-Oxoglutarát Glutamát H3C
C O
Pyruvát
COO
-
NH3
Metabolismus glycinu Tři dráhy degradace 1. Vede k tvorbě pyruvátu (přes serin) (PLP) 2. Štěpení na NH3, CO2 a metylenovou skupinu (THF) 3. Přeměna na oxalát přes glyoxalát
Metabolismus cysteinu
5 aminokyselin: Pro, Glu, Gln, Arg, His
2. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na 2-oxoglutarát
2. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na 2-oxoglutarát H
H
-
OOC
C
CH2
CH2
NH
C
+
NH2
-
+
OOC
+
NH3
NH2
Arginin
Prolin
HC
+
N H2
N C H
OOC
C + NH3
CH2
+ NH3
CH2
-
Ornithin
+
OOC
HC
+
-
OOC
CH2
Urokanát
H C
C N
H
H2O
O
C
CH2
CH2
C
-
OOC
+
NH3
-
H NH2
C
CH2
CH2
COO
-
H2O
NH3
NH3
N5-Formimino-THF
Glutamát NADP+
NADPH + NH3 -
OOC
C O
CH2
CH2
2-Oxoglutarát
COO
-
H C
OOC
HN
+
Glutamin
-
COO
Imidazol-5-propionát
Glutamát
OOC
CH2
NH
2-Oxoglutarát
-
CH2
C H
Glutamát-5-semialdehyd
H
-
COO
NH
O
C
+ NH3
CH
H2O
O
C
CH
C H
H2O
Glutamát
+
Histidin
C
N
Pyrrolin-5-karboxylát
H
COO
NH4+
N H
2-Oxoglutarát
-
C NH3
H2O
H -
CH2 NH
1/2 O2 Močovina
C
THF
CH2
CH2
NH C H
-
COO
N-Formiminoglutamát
4 aminokyseliny: Met, Ile, Val, Thr
3. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na sukcinyl-CoA
3. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na sukcinyl-CoA
3. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na sukcinyl-CoA H
Met
ATP + H2O
H H3C
S
CH2
CH2
C
COO
Pi + PPi
H3C
S
+
CH2
CH2
+ NH3
Methionin
H
COO
-
+
NH3
CH2
-
C
H
O
OH
Adenosin H
OH
OH
S-Adenosylmethionin (SAM)
Akceptor methylu Biosyntetická methylace
N 5-Methyl-THF
Methylovaný akceptor H S
H HS
CH2
CH2
C + NH3
Homocystein
COO
CH2
CH2
Adenosin
H2O
H
H
COO +
NH3
CH2
-
C
O
OH
Adenosin H
OH
OH
S-Adenosylhomocystein
-
3. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na sukcinyl-CoA Met HS
H
CH2
CH2
C
COO
-
+
NH3
Homocystein Serin
5 H2O
H2O
H S
CH2
CH2
H H2C
C
COO +
C
COO
-
NH3
-
NH3
6
H H3C
Biosyntéza cysteinu
CH2
C
COO
-
+
HS
CH2
C
COO
-
+
O
NH3
2-Oxobutyrát
+
Cystein CoA-SH + NAD+
NH3
Cystathionin
7 NADH + CO2 H3C
CH2
C
SCoA
O
Propionyl-CoA
8
9
10
-
OOC
CH2
CH2
C O
Sukcinyl-CoA
COO
-
2 aminokyseliny: Phe, Tyr
4. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na fumarát
Úloha tetrahydrobiopterinu v hydroxylaci fenylalaninu
Fenylalanin a tyrosin se odbourávají na fumarát a acetoacetát
• První reakce degradace Phe je hydroxylace fenylalaninu na tyrosin. • Poté je dráha degradace společná s Tyr.
• Enzym
- fenylalaninhydroxylasa (obsahuje Fe3+), 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 5,6,7,8-tetrahydrobiopterin, tvořící 7,8-dihydropterinu NADPH dihydrofolátreduktasou!
se
redukcí
Odbourávání fenylalaninu (fenylalaninhydroxylasa) Tetrahydrobiopterin + O2 H CH2
H
Dihydrobiopterin + H2O
C
COO
-
HO
CH2
+
C
COO
-
+
NH3
NH3
Fenylalanin
Tyrosin 2-Oxoglutarát Glutamát
HO
CH2
C
COO
-
O
p-Hydroxyfenylpyruvát Askorbát + O2 Dihydroaskorbát + H2O + CO2 -
OOC H
C C
OH
H COO
-
+
H3C
C
CH2
COO
-
HO
O
Fumarát
CH2
Acetoacetát
COO
-
Homogentisát O2
-
OOC
C
H
H
C
C O
H2O
CH2
C
CH2
O
4-Fumarylacetoacetát
COO
-
H
C
COO
H
C
C O
-
CH2
C
CH2
O
4-Maleylacetoacetát
COO
-
Odbourávání fenylalaninu a tyrozinu
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. Mimo jiné se nesmí sladit Aspartamem, umělé sladidlo (Asp-Phe-methyl ester).
CH2
C O
Fenylpyruvát
COO
-
2 aminokyseliny: Asp, Asn
5. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na oxalacetát
7 aminokyselin: Trp, Lys, Phe, Tyr, Leu, Ile, Thr
6. a 7. Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin na acetylCoA a acetoacetyl-CoA
Odbourávání větvených aminokyselin
• Větvené
aminokyseliny jako Ile, Leu a Val jsou v prvních třech krocích odbourávány společnými enzymy. 1. Transaminace na odpovídající a-oxokyseliny. 2. Oxidativní dekarboxylace na odpovídající acyl-CoA. 3. Dehydrogenace FAD za tvorby dvojné vazby.
• Ostatní reakce jsou analogií oxidace mastných kyselin.
• Dehydrogenasa větvených a-ketokyselin katalyzující druhou reakci je homologem pyruvátdehydrogenasy a a-oxoglutarátdehydrogenasy.
• Genetický nedostatek tohoto enzymu vede k onemocnění zvaném
moč javorového sirupu. Moč obsahuje větvené a-ketokyseliny a zapáchá nebo voní jako javorový sirup.
Odbourávání Ile, Val a Leu H
R1 CH R2
C
COO
-
+
NH3
(A) Isoleucin: R1 = CH3-
, R2 = CH3-CH2-
(B) Valin:
R1 = CH3-
, R2 = CH3-
(C) Leucin:
R1 = H-
, R2 = (CH3)2CH-
2-Oxoglutarát 1
Glutamát R1 CH R2
C
COO
-
O
(A) 2-Oxo-3-methylvalerát (B) 2-Oxoisovalerát (C) 2-Oxoisokapronát
NAD+ + CoA-SH 2
NADH + CO2 R1 CH R2
C O
SCoA
(A) 2-Methylbutyryl-CoA (B) Isobutytryl-CoA (C) Isovaleryl-CoA
Pokračování odbourávání Ile, Val a Leu R1 CH
C
R2
A) Isoleucin B) Valin C) Leucin
SCoA
O
FAD 3 FADH2
(A) H3C
CH
(B)
C
C
CH3
O
SCoA
Tiglyl-CoA
H2C
C
C
CH3
O
SCoA
C
3 reakce
O H3C
SCoA
C
SCoA
Acetyl-CoA
Acetyl-CoA
H3C
SCoA
O
4 reakce
O C
C
3-Methylkrotonyl-CoA
CoASH
H3C
CH
H3C
Methylakrylyl-CoA
3 reakce
(C)
H3C
CH2
C
SCoA
O
Propionyl-CoA
Sukcinyl-CoA
CO2
O -
OOC
CH2
C
Acetoacetát
CH3
Odbourávání Lys a Trp
• Odbouráváním
lysinu v savčích játrech se tvoří acetoacetát a 2 CO2 přes adukt Lys s a-oxoglutarátem – sacharopin.
• Celé 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 Cb – Cg za uvolnění Ala.
• Zbylý Trp skelet je převeden v pěti reakcích na a-ketoadipát, který je také meziproduktem odbourávání Lys.
• a-Ketoadipát
je štěpen na 2 CO2 a acetoacetát v sedmi následných reakcích.
Odbourávání Trp
H C
CH2
O
C
COO
-
C 1
+
NH3 N H
Tryptofan
O2
H CH2 O
NH
C
COO +
NH3
CH
N-Formylkynurenin
-
Odbourávání Trp
O C
NH
H CH2
C
O
+ NH3
CH
N-Formylkynurenin
O COO
-
C 2
H2O
H CH2
C
COO +
NH3 -
HCOO
NH2
Kynurenin
-
Odbourávání Trp
O C
H CH2
C + NH3
NH2
Kynurenin
O COO
-
C 3
H CH2
C
COO +
NH3 NH2
+
O2 + NADPH H2O + NADP
OH
3-Hydroxykynurenin
-
Odbourávání Trp
O C
H CH2
C
COO
COO -
-
+
NH3 NH2 OH
3-Hydroxykynurenin
H
4 NH2
H2O
+
H3C
C
COO +
OH
3-Hydroxyanthranilát
NH3
Alanin
-
Další reakce odbourávání Trp COO
-
H
+
NH2
H3C
C
COO
-
+
NH3
OH
3-Hydroxyanthranilát
Alanin
5 reakcí
7 reakcí -
OOC
-
OOC
O
2-Oxoadipát
O H3C
C
CH2
Acetoacetát CO2
CO2
COO
-
