METABOLIZAM DUIKOVIH SPOJEVA II

Biosinteza aminokiselina

katabolizam aminokiselina n ciklus uree n metabolizam porfirina n biosinteza aminokiselina n metabolizam nukleotidan

Prof.dr.sc. Ljubica Glava-Obrovac,dipl.ing .

Prof.dr.sc. Ljubica Glava-Obrovac,dipl.ing .

Fiksacija duika: mikroorganizmi upotrebljavaju ATP i snani reducens da bi preveli N 2 u NH4+

Nitrogenaza i reduktaza su eljezo-sumpor proteini u kojima je eljezo vezano na atom sumpora cisteina i na anorganski sulfid Reduktaza (Fe protein)Dimer sastavljen od dva 30 kd polipeptidna lanca povezana s 4Fe-4S nakupinom. Svaki monomer lan je obitelji P-loop NTP-aza i sadri ATP-vezno mjesto. Reduktaza prenosi elektrone s donora kao to je feredoksin na nitrogenazu.Vezanje i hidroliza ATP dovodi do konformacijskih promjena koje dovode reduktazu blie i time je omoguen prijenos elektrona.

Vii organizmi nemogu prevesti N2 u organski oblik. Fiksiranje duika provode bakterije (Rhizobum) i modrozelene alge Energija veze u N2 gotovo je 950 kJ/mol i veza je izuzetno otporna na kemijske reakcije. Izvor elektrona je reducirani feredoksin Stehiometrija sinteze je: N2 + 6e- + 12 ATP + 12 H2O 2 NH4+ + 12 ADP + 12 Pi + 4 H+

Nitrogenaza (Mo-Fe protein)Nitrogenaza je 22 tetramer (240 kd) u kojemu su obje i i podjedinca homolozi jedna drugoj i strukturno vrlo sline.Elektroni ulaze u P-nakupine smjetene na - meuprostoru. Svaka nakupina sastavljena je od 8 atoma eljeza i 7 slufidih iona. Svaki klaster vezan je na protein sa 6 cisteinskih ostataka. Elektroni putuju s Pnakupine na FeMo kofaktor. Nitrogenaza se naziva i molibden-eljezo protein ili (Mo-Fe protein).

Biosinteza aminokiselinaAmonijev ion ugrauje se u aminokiseline preko glutamata i glutamina Sinteza glutamata

Glutamat se sintetizira iz amonijaka i -ketoglutarata djelovanjem glutamat dehidrogenaze. NADPH je reducens u biosintezi.

Duik se vee na sredinju upljinu Mo-Fe kofaktora. Stvaranje viestrukih Fe-N veza u tom kompleksu slabi vezu u molekuli duika.Biosinteza glutamata ide u dva koraka. U prvom koraku stvara se Schiff-ova baza izme amino i karbonilne skupine i kljuna je u reakcija biosinteze aminokiselina. Schiff-ove baze lako se protoniraju. Pomo glutamat dehidrogenaze protonirane Schiff-ove u baze reduciraju se prijenosom hidridnog iona s NADPH stvarajui pri tom glutamat.

1

Sinteza glutamina

Biosintetske obitelji aminokiselina u bakterijama i biljkama-ketoglutarat oksalacetat

glutamat

aspartat

glutaminDrugi amonijev ion ugrauje se u glutamat i stvara pri tom glutamin uz glutamin sintetazu i hidrolizu molekule ATP. ATP direktno sudjeluje u reakciji preko fosforilcije glutamata pri emu nastaje acilfosfat intermedijer pri emu nastaje amonij-vezno mjesto visokog afiniteta. U reakciji acil-fosfat intermedijera i amonijeva iona stvara se glutamin. Specifino mjesto za vezanje amonijaka potrebno je da bi se sprijeilo vezanje vode nastao hidrolizom intermedijera i ostataka molekule ATP. Regulacija glutamin sintetaze vana je u kontroli metabolizma duika.

prolin arginin*

asparagin metionin* treonin* lizinin*

3-fosfoglicerat serin cistein glicin

izoleucin*glavni metaboliki preteeizvor drugih AK * esencijalne AK

Biosintetske obitelji aminokiselina u bakterijama i biljkamafosfoenolpiruvat +eritroza-4-fosfat

Biosinteza aminokiselina Neke aminokiseline ovjek moe sintetizirati i nazivamo ih neesencijalnim aminokiselinama, preostale moramo dobiti prehranom i nazivamo ih esencijalnim aminokiselinama ESENCIJALNE AK NEESENCIJALNE AKn n n n n n n n n n

fenilalanin* tirozin* triptofan * tirozin riboza-5-fosfat

piruvat alanin valin* leucin*

histidin*

glavni metaboliki preteeizvor drugih AK * esencijalne AK

arginin* n histidin* n izoleucin n leucin n lizin n metionin n fenilalanin n treonin n triptofan n valin * za rast djecen

alanin asparagin aspartat cistein glutamin glutamat glicin prolin serin tirozin

Biosinteza aminokiselina

n n

Neesencijalne AK se sintetiziraju relativno jednostavnim reakcijama Putevi sinteze esencijalnih AK su sloeniji

2

Biosinteza aminokiselina transaminacijom

Stereokemija adicije protona

U

U aktivnom centru transaminaza adira se proton s ostatka lizina na intermedijer. Konzervirani ostatak arginina reagira s -karboksilnom skupinom i pomae uspostavljanju odgovarajue geometrije kinoidnih intermedijera.

Adenilirani intermedijer neophodan je pri sintezi asparagina iz aspartata

Glutamat je prekursor za glutamin, prolin i arginin

Stvaranje asparagina iz aspartata kemijski je analog stvaranju glutamina iz glutamata. Obje transformacije su reakcije amidacije i obje potie hidroliza ATP. U bakterijama reakcije za sintezu asparagina je: Aspartat + NH4+ + ATP asparagin + AMP + PPi + H+ Aspartat se aktivira reakcijama adenilacije. U sisavaca, donor duika za asparagin je glutamin

Prvi korak u sintezi je reakcija -karboksline skupine glutamata regira s ATP stvarajui intermedijer acilfosfat, koji se zatim reducira pomou NADPH do aldehida. Glutaminski -semiladehid ciklizira uz izdvajanje vode pri emu nastaje 1-pirolin-5-karboksilat, koji se reducira pomou NADPH do prolina. Alternativno, semialdehid moe se transaminirati do ornitina i prevesti u arginin.

Serin je prekursor za glicin i cistein Serin, cistein i glicin stvaraju se iz 3-fosfoglicerataPri stvaranju glicina, metilenska skupina serina prenosi se na tetrahidrofolat (nosa C1 jedinica). Reakcija je katalizirana serin transhidroksimetilazom. PLP enzim je homolog aspartat aminotransferazi. Veze meu - i -ugljikovih atoma serina. Konverzija serina u cistein trai substituciju atoma sumpora nastalog iz metionina za kisik bonog lanca.

3

Tetrahidrofolat prenosi C1-jedince na nekoliko oksidacijskih razina

sastoji se od 3 skupine: 1. susptituirani pteridin; 2. p-aminobenzoat; 3. lanac ostataka glutamataSisavci mogu sintetizirati prsten pteridina, no nemogu ih konjugirati u u dvije druge jedinice. Dobivaju tetrahidrofolat hranom ili pomou mikroorganizama iz vlastitog gastrointestinalnog trakta.

Konverzija C1-jedinica dodanog na tetrahidrofolat

S-adenozilmetionin je glavni donor metilnih skupina

Biosinteza aminokiselinaS-adenozilmetionin je aktivirani oblik metilne skupine

U reakcijama biosinteze: -fosfatidilkolina -adrenalina -kreatina -cisteina -acetilkolina

homocistein-metiltransferaza

4

Regeneracija metionina

Ciklus aktiviranog metila

Metionin se moe regenerirati prijenosom metila sa N5-metiltetrahidrofolata na homocistein. Reakciju katalizira metionin sintetaza (homocistein metiltransferaza). Koenzim je metilkobalamin, derivat vitamina B12.

Metilacija DNA pomou o S-adenozilmetioninu ovisne metilaze

Cistein se sintetizira iz serina i homocisteina

Serin i homocistein kondenziraju se u cistation. Reakciju katalizira cistationin -sintaza.

Cistationinaza deaminira i cijepa cistationin do cisteina i -ketobutirata.

Shikimat i korizmat intermedijeri su u biosintezi aromatskih aminokiselina

Sinteza fenilalanina i tirozina

Enzim mutaza prevodi korizmat u prefenat (prekursor u biosintezi fenilalanina i tirozina). Reakcijama dehidratacije i dekarboksilacije iz prefenata nastaje fenilpiruvat, odnosno, reakcijama karboksilacije i oksidacije nastaje phidroksifenilpiruvat. Nastale -ketokiseline transaminiraju se do fenilalanina i tirozina.

5

Sinteza triptofana

Hidrolizom bonog lanca glutamina korizmat dobiva aminoskupinu i stvara antranilat. Antranilat se kondenzira s 5-fosforibozil-1-pirofosfatom (PRPP), aktiviranim oblikom riboza fosfata. Triptofan sintetaza katalizira konani korak u sintezi triptofana - uklanjanje bonog lanca s indol-3-glicerol fosfatom i zamjena s kosturom serina.

REGULACIJA BIOSINTEZE AMINOKISELINAInhibira se sa Z

Razgranati putevi biosinteze aminokiselina imaju sloene mehanizme regulacije:Inhibicija i aktivacija povratnom spregom Primjer: Regulacija treonin deaminaze u putu biosinteze valina, leucina i izoleucina.Treonin deaminaza katalizira stvaranje ketobutirata i alosteriki je aktivirana valinom. Inhibira ju produkt metabolikog puta koji ga i zapoinje i aktivira se krajnjim produktom kompetetivnog puta. Ovaj mehanizam dri u ravnotei razliite sintetizirane aminokiseline.

A

B

C

D

E

U biosintetskom putu, prva ireverzibilna reakcija uobiajeno je regulatorno mjesto. Konani produkt puta (Z) uobiajeno inhibira Z enzime koji kataliziraju kljuni korak biosinteze

Biosintezu aminokiselina regulira povratna inhibicija Brzina sinteze aminokiselina ovisi o koliinama biosintetskih enzima i njihovim katalitikim aktivnostima

Regulacija mnotvom enzimaFina regulacija moe se postii i udvostruenjem gena koji kodiraju biosintetske enzime. Napr, fosforilacija aspartata kljuni je korak u biosintezi treonina, metionina i lizina. Tri razliite aspartokinaze kataliziraju reakciju u E.coli.

Regulatorna domena u treonin deaminazi strukturno je vrlo slina regulatornoj domeni 3-fosfoglicerat dehidrogenaze. U tom sluaju 2 polovice regulatornih domena fuziraju se u jednu jedinicu s dva vezna mjesta za razliite aminokiseline (1 za izoleucin, a drugo za valin). Sline regulacijske domene mogu se nai u enzimima koji sudjeluju u putevima sinteze i drugih aminokiselina. Ove slinosti upuuju na injenicu da procesi inhibicije povratnom spregom mogu biti povezani sa specifinim regulatornim domenama i katalitikim domenama biosintetskih enzima.

6

Kumulativna inhibicija povratnom spregomRegulacija glutamin sintetaze u E. Coli primjer je kumulativne inhibicije povratnom spregom. - sastoji se od 12 identinih 50-kd podjedinica povezanih u heksagonalne prstene.-amidna skupina glutamina izvor je duika u biosintezi razliitih spojeva, kao to je triptofan, hisitidin, karbamoil fosfat, glukozamin 6-fosfat, citidin trifosfat i AMP.

Aktivnost glutamin sintetaze modulirana je kaskadom enzima Aktivnost enzima glutamin sintetaze kontrolirana je reverzibilnom kovalentnom modifikacijom vezanjem AMP jedinice fosfodiesterskom vezom na hidroksilnu skupinu ostatka tirozina u svaku podjedinicu (adenilacija). Adenilirani enzim slabije je aktivan i osjetljiviji je na kumulativnu inhibiciju povratnom spregom nego u deadeniliranom obliku. Adenilacija i reakcije fosforolize katalzirane su istim enzimom - adenilil transferazom. Aktivacija enzima: Kovalentno vezana AMP jedinica uklanja se s adeniliranog enzima fosforolizom. Vezanje AMP jedinice konani je korak u kaskadom enzima rreguliranoj aktivnosti glutamin sintetaze. Kaskada enzima inicira se reaktantima i intermedijernim produktima sinteze glutamina.

- kumulativno je inhibirana svakim od krajnjih produkata metabolizma glutamina, kao i alaninom i glicinom.

U kumulativnoj inhibiciji, svaki inhibitor moe reducirati aktivnost enzima i kada su drugi inhibitori povezani na razini zasienja..

Regulacija adenilacijom

Specifini ostatak tirozina u svakoj podjedinici glutamin sintetaze modificiran je adenilacijom

Struktura regulatornog proteina PTaj trimerni regulatorni protein kontrolira modifikaciju glutamin sintetaze

Adenilacija tirozina katalizirana je kompleksom adenilil transferaze (AT) i oblikom regulatornog proteina (P A). Isti enzim katalizira deadenilaciju kada je u kompleksu s drugim oblikom (PD) regulatornog proteina.

Zato se glutamin sintetaza regulira kaskadnom enzimskom reakcijom? Prednost je u pojaavanju signala. Potencijal alosterike kontrole znaajno raste kada je svaki enzim u kaskadi neovisan cilj regulacije.

Aminokiseline su pretee mnogih biomolekula

Glutation, -glutamil peptid, slui kao sulfurhidrilni pufer i antioksidant

Glutation je tripeptid koji ima izuzetno vanu ulogu u stanici jer titi crvene krvne stanice od oksidativnog oteenja tako da slui kao sulfurhidrilni pufer.

7

Glutation ima vanu ulogu u detoksifikaciji stanica, jer stupa u reakcije s vodikovim peroksidom i organskim peroksidima, tetnim nusproizvodima aerobnog metabolizma. 2 GSH + RO-OH GSSG + H2O +ROH

Glutation peroksidaza, enzim koji katalizira te reakcije, sadri modificiranu aminokiselinu koja sadri selen (Se) analog cisteina. U aktivnom mjestu je u cisteinu atom sumpora zamijenjen selenom. E-Sereducira peroksid do alkohola, a enzim se oksidira do selenoine kiseline. Glutation stvara seleno-sulfidnu vezu (E-Se-S-G). Druga molekula glutationa regenerira aktivni oblik enzima vezanjem selenosulfida i stvarajui oksidirani glutation.

U stanici se glutation nalazi u dva oblika: - reduciranom tiolonom obliku (GSH) - i oksidiranom (GSSG) u kome su dva tripeptida povezana disulfidnom vezom GSSG se reducira do GSH pomou glutation reduktaze. Omjer GSH i GSSG u mnogim stanicama vei je od 500.

Duikov oksid, kratkoivua signalna molekula, stvara se iz arginina

Porfirini- ciklike molekulenastale povezivanjem 4 pirolova prstena metenilskim mostovima - znaajna osobina porfirna je stvaranje kompleksa sa metalima (hem u hemoglobinu; magnezij-porfirin u klorofilu) - zbog prisutnosti tercijarnih atoma duika u 2 pirolenska prstena ponaaju se kao slabe baze - izoelektrine toke su im od pH 3.0 do 4.5 porfirogeni su bezbojni, a porfirini obojeni-

-

Duikov oksid (NO) vaan je glasnik u prijenosu signala mnogih vertebrata.-

Soretova vrpca: blizu 400 nm, karakteristina za sve porfirine bez obzira na prisustvo bonih lanaca (odreivanje malih koliina porfirina) otopljeni u jakoj kiselini ili organskom otapalu i potom osvijetljeni UV svjetlom fluoresciraju crveno fototerapija tumora

Slobodni plin-radikal stvara se endogeno iz arginina u sloenoj reakciji kataliziranoj sintetazom duikova oksida.

Biosinteza porfirina Biosinteza porfirina 2 molekule -aminolevulinata kondenziraju se i stvaraju porfobilinogen etiri molekule porfobilinogena kondenziraju se tako da se veu glava i kraj i stvaraju linearni tetrapirol. Reakciju katalizira porfobilinogen deaminaza u citoplazmi

Prvi korak u biosintezi porfirina u sisavaca je kondenzacija glicina i sukcinil-CoA i stvaranje -aminolevulinske kiseline. Reakciju katalizira -aminolevulinat sintetaza, PLP enzim prisutan u mitohondrijima

8

Biosinteza porfirina

Koproporfirinogen III stvara se dekarboksilacijom acetatnih bonih lanaca Linearni tetrapirol ciklizira i stvara uroporfirinogen III, koji ima asimetrian raspored bonih lanaca Reakciju katalizira kosintetaza Reakcija je katalizirana uroporfirinogen dekarboksilazom

Metaloporfirini1. Hemoglobini imaju sposobnost reverzibilnog vezanja kisika; slue kao transporteri kisika u krvi 2. Mioglobini Respiratorni proteini koji se nalaze u stanicama miia vertebrata i avertebrata Molekula mioglobina je slina subjedinici hemoglobina

3. CitokromiSpojevi koji djeluju kao transporteri elektrona u oksido-redukcijskim reakcijama (citokrom c sadri 1 g eljeza po molu)

4. Katalaze Koproporfirinogen III ulazi u mitohondrij, gdje se pretvara u protoporfirinogen III i zatim u protoporfirin III. Desaturacija porfirinskog prstena i konverzija 2 propionska bona lanca u vinil stvara protoporfirin IX. Umetanjem eljeza nastaje hem. Hem je prostetika skupina mioglobina, hemoglobina, katalaze, peroksidaze i citokroma c. Umetanje iona eljeza katalizirano je ferokelatazom - sadre fero-porfirin; razgrauju vodik peroksid

5. Triptofan pirolaza- katalizira oksidaciju triptofana u formilkinurenin

Porfirije-

genetiki poremeaji metabolizma hema opisano je 6 tipova porfirija (nastalih uslijed poremeaja u aktivnostima enzima Biokemijski pokazatelji i glavni znakovi porfirija

9

Katabolizam hema

Strukture unih pigmenata

10