METABOLIZAM DUIKOVIH SPOJEVA

Izmjena proteinaRazgradnja i apsorpcija proteina hrane

n Izmjena proteina i katabolizam aminokiselina n Ciklus uree

Metabolizam porfirina n Biosinteza aminokiselina n Metabolizam nukleotidan

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

Izmjena proteinan

Razgradnja proteinan

Ciklus katabolizma i anabolizma proteina- kljuni dio fiziolokih proteina u svim oblicima ivota

n

Ravnotea duika

Razgradnja proteina se odvija razliitom brzinom u ovisnosti o fiziolokim potrebamaVrlo visoka brzina razgradnje proteina karakteristina je za tkiva koja se nalaze u vanim strukturalnim promjenama (tkivo maternice u trudnoi, razgradnja proteina skeletnih miia pri gladovanju)

Razlika izmeu unosa ukupnog duika i gubitka duika fecesom, urinom ili znojenjem Pozitivna ravnotea duika moe se nai u djece koja rastu i trudnica Negativnu ravnoteu duika moe se uoiti nakon kirurkog zahvata, kod napredovalog karcinoma, pri nedostatnom uzimanju kvalitetnih proteina

n

Sklonost proteina razgradnji izraava se kao njegovo vrijeme poluivota t1/2.Na pr., vrijeme poluivota proteina jetre je od 30 min-150 sati

n

Odrasli razgrauju 1-2% proteina tijela dnevno

75-80% AK se ponovno koristi u sintezi proteina Duik iz ostalih 20-25% troi se pri biosintezi uree

n

Ugljikov kostur se zatim razgrauje do amfibolinih intermedijera

IZMJENA PROTEINA VRSTO JE REGULIRANAOteeni i nepotrebni proteini oznaavaju se za razgradnju kovalentnim vezanjem malog proteina, ubiquitin-a. Proteini s ubiquitinom razgrauju se ATP-ovisnim kompleksom nazvanim proteosomi. Ubiquitin je visoko konzerviran u eukariota: kvasev i humani ubiquitin razlikuju se u samo 3 od 76 aminokiselinskih ostataka.

Konjugacija (spajanje) ubiquitinaTri enzima sudjeluju u vezanju ubiqutina na ciljni protein: ubiquitin aktivirajui enzim E1 ubiquitin konjugirajui enzim E2 ubiquitin protein ligaza - E3

Produeni karboksil-terminalni kraj glicinskog ostatka ubiquitina (Ub) kovalentno se vee na amino-skupine lizinskih ostataka proteina koji se treba razgraditi. Energija potrebna za stvaranje tih izopeptidnih veza dobiva se hidrolizom ATP.

Terminalna karboksilna skupina ubiquitina vee se na sulfurhidrilnu skupinu E1 tiosterskom vezom. E1 adenilira ubiquitin (Ub) pomou ATP i prenosi ga na vlastiti cisteinski ostatak. Adenilat se vee na C-terminalni kraj Ub uz oslobaanje pirofosfata. Aktivirani Ub prenosi se na cisteinski ostatak E2. Konano, E3 prenosi Ub na lizinski ostatak ciljnog proteina.

1

Razgradnja staninih proteina Pojaavanje signala za razgradnju ciljnog proteinato odreuje na koji protein e se vezati ubiquitin? Vezanje jednog Ub na ciljni Vrijeme ivota citosolnih proteina odreeno je amino-terminalnim ostacima. Ova ovisnost naziva se N-terminalno pravilo.

protein daje slab signal za razgradnju Ubiquitini se mogu vezati jedan na drugi i stvoriti lanac tako da se amino-skupina lizina 48 jedne molekule vee na c-terminalni kraj druge. Lanac od 4 ili vie molekula Ub uinkovit je u signalizaciji razgradnje proteina.

Ubiquitin protein ligaza - E3 je ita N-terminalnih ostataka patofiziologija u tumorima grlia maternice Ciklinske-razgraujue kutije (cyclin destruction boxes) su takoer signali koji proteine staninog ciklusa obiljeavaju za razgradnju. Kratko-ivui proteini imaju PEST sekvencu regije bogate na prolinu (P), glutamatu (E), serinu (S) i treoninu (T). Mnogi kljuni enzimi su kratko-ivui (triptofan oksigenaza, tirozin transaminaza, t1/2 = 0.5-2 h)

PROTEOSOMI RAZGRAUJU UBIQUITIN-CILJNE PROTEINE19S cap dodan je na svaki kraj katalitike podjedinice i specifino se vee na poliubiquitinski lanac. Kljune komponente 19S kompleksa su 6 razliitih ATP-aza AAA razreda (ATPase associated with various cellular activites). Hidroliza ATP pomae 19S kompleksu otvoriti supstrat i inducirati konformacijske promjene u 20S proteasomu tako da supstrat moe ui u sredite kompleksa. Podjedinica 19S sadri izopeptidazu koja otputa ubiquitin.

Proteosom ili 26S proteosom je kompleks sastavljen od 2 komponente: 20S proteosoma koji ima katalitiku aktivnost i 19S regulatorne podjedinice. 20S kompleks je izgraen od 2 kopije sa 14 podjedinca i teak je 700 kd.

Metaboliki procesi regulirani razgradnjom proteina Transkripcija

UBIQUTINSKI PUT I PROTEOSOMI IMAJU PROKARIOTSKU KOPIJU

gena

Napredovanje staninog ciklusa Stvaranje organa Cirkadijski ritam Upalni odgovor Supresija tumora Metabolizam kolesterola Stvaranje antigena

2

Katabolizam aminokiselinan

Uklanjanje -amino - skupineAmino-skupinu uklanjamo s aminokiselina ako:prehrana donosi vie aminokiselina nego to ih je potrebno za anabolizam

1. uklanjanje -amino skupine 2. sudbina ugljikovih atoman

ugljine osnove aminokiselina ukljuuju se u metabolike putove za oslobaanje energije

prehrana ne zadovoljava potrebe organizma pa dolazi do razgradnje tjelesnih proteina

ugljina osnova aminokiselina iskoritava se kao izvor energije

amino-skupine koje nisu potrebne za biosintezu aminokiselina ili drugih duikovih spojeva moraju biti uklonjene iz organizma jer je amonijak vrlo reaktivan i zato toksian

REAKCIJE UKLANJANJA AMINO SKUPINEivotinje izluuju duik iz aminokiselina i drugih izvora preko jednog od 3 krajnja metabolita:

amonijaka urine kiseline urata uree

1. Transaminacija

REAKCIJE UKLANJANJA AMINO SKUPINE 1. 2. 3. 4. transaminacija oksidativna deaminacija glutamata prijenos amonijaka reakcije ciklusa uree

-osim lizina, treonina, prolina i hidroksiprolina

Amino skupine s veine aminokiselina usmjeravaju se u glutamatO R CH C NH3+ O-

Amino - skupine prenose se na molekule koje mogu biti izravno deaminiranen

O +-

O C CH2 CH2 C C O O-

O

samo glutamat, glutamin, serin i treonin mogu biti izravno deaminirani. Amino skupine sa veine aminokiseline prenose se specifinim enzimima (aminotransferazama) na -ketoglutarat (nastaje glutamat)

aminokiselinaO

-ketoglutarat

O CH3 CH C NH3+alanin

O-

+

R C C O

aminotransferaza O O C CH2 CH2 CH C R C C + O O NH2 O O keto - kiselina glutamat

O

O-

keto - kiselina alanin aminotransferaza

O CH3 C C O Opiruvat-

O + R CH C NH3+

O

-

aminokiselina

3

2.

oksidativna deaminacija glutamata (mitohondriji)

U mnogih kopnenih kraljenjaka, amonijak se metabolizira do uree i izluuje Oksidativna deaminacija glutamata katalizirana je glutamat dehidrogenazom U kraljenjaka je aktivnost glutamat dehidrogenaze alosteriki regulirana. GTP i ATP alosteriki ga inhibiraju, dok su mu GDP i ADP alosteriki aktivatori.

Aminotransferaze su enzimi specifini za pojedine aminokiselinen

Prostetika skupina aminotransferaza -piridoksal fosfat stvara Schiff-ove baze

naziv aminotransferaze potjee od aminokiseline koja daje amino-skupinu konstanta ravnotee reakcija koju kataliziraju aminotransferaze blizu je jedinici, pa smjer reakcije ovisi o koncentracijama reaktanata za mehanizam prijenosa amino-skupine kljuna je prostetika skupina piridoksal fosfat (derivat vitamina B6) dolazi u obliku piridoksal fosfata i piridoksamin fosfata

n

n

Mehanizam transaminacije

4

-Aminoskupine serina i treonina mogu se direktno deaminirati

Periferna tkiva prenose duik do jetre1. Alaninskim ciklusom 2. Sintezom glutamina iz glutamata

Direktna deaminacija katalizirana je enzimima serin dehidratazom i treonin dehidratazom, koji imaju prostetiku skupinu piridoksal fosfat

1. Alaninski ciklus

Serin piruvat + NH4+ Treonin -ketoglutarat + NH4+

Ciklus uree2. Sinteza glutaminan

ciklusom ureje toksini se amonijak prevodi u netoksinu i u vodi dobro topljivu ureu ciklus uree odvija se u citoplazmi veina uree sintetizira se u jetri, a samo manji dio u bubrezima brzina sinteze uree paljivo je regulirana kako bi sprijeilo nagomilavanje amonijaka u organizmu slobodni amonijak potie ekspresiju gena za enzime ciklusa uree

n

n

n

Stvaranje citrulina iz karbamoil-fosfata i ornitin (mitohondriji)

Sinteza karbamoil-fosfata

Sve tri reakcije katalizirane su karbamoil-fosfat sintetazom (jetreni mitohondrijski enzim) 2 ATP hidrolizirana u toj reakciji daju energiju za sintezu amidne veze i kiselinaanhidrid veze u karbamoil fosfatu i ine sintezu karbamoil fosfata ireverzibilnom Karbamoil-fosfat sintetaza zahtijeva Mg2+ i N-acetilglutamat kao alosteriki aktivator

Karbamoilna skupina iz karbamoil-fosfata lako se prenosi zbog njene anhidridne veze Pomou ornitin transkarbamoilaze prenosi karbamoilna skupina na ornitin i pri tome se stvara citrulin Ornitin i citrulin se ne koriste u izgradnji proteina

5

Stvaranje argininosukcinata iz citrulina i aspartata (citoplazma)

Cijepanje arginosukcinata

Citrulin se prenosi u citoplazmu i tamo kondenzira s aspartatom. Aspartat je donor druge aminoskupine u urei.

Hidroliza arginina

Metabolika povezanost ciklusa uree s ciklusom limunske kiseline

Hidrolizom arginina oslobaa se urea i ponovno stvara ornitin, koji se vraa nazad u mitohondrij i sudjeluje u novom ciklusu uree Ljudi izlue oko 10 kg uree godinje Male koliine enzima arginaze mogu se nai u tkivu bubrega, mozgu, lijezdama sisavaca, testisima i koi. Ornitin i lizin su potencijalni inhibitori arginaze.

Fumarat se hidrira u malat, koji se zatim oksidira do oksalacetata. Oksalaceteat moe: 1. transaminacijom prei u aspartat 2. konvertirati u glukozu u putu glukoneogeneze 3. kondenzacijom s acetil-CoA stvarati citrat 4. konvertirati u piruvat

METABOLIKI POREMEAJI UDRUENI S CIKLUSOM UREE Zaustavljanje sinteze uree i karbamoil-fosfata ima velike posljedice jer nema alternativnog metabolikog puta Poremeaji u sintezi uree dovode do nakupljanja amonijaka u krvi (hiperamonemija) Neki od tih uroenh poremeaja mogu se uoiti ve nakon roenja, a simptomi su mentalna retardacija, letargija, iritabilnost, odbijanje hrane s visokim sadrajem proteina i ataksia. Ubrzom zatim slijedi koma i trajno oteenje mozga Zato je amonijak tako toksian za organizam? Pretpostavlja se da poviene koncentracije glutamina, stvorenog iz amonijaka i glutamata dovode do osmotskih uinaka, a time oticanja mozga.

Lijeenje nedostatka arginin-sukcinaze

Nedostatak argininsukcinaze moe se premostiti unosom arginina u suviku i smanjenjem unosa ukupnih proteina u organizam. U jetri se arginin cijepa u ureeu i ornitin koji zatim stupa u reakciju s karbamoil-fosfatom pri emu nastaje citrulin. Citrulin se zatim kondenzira s aspartatom stvarajui arginosukcinat koji se izluuje.

6

Lijeenje nedostatka karbamoil-fosfat sintetaze i transkarbamoilaze

UKLANJANJE DUIKA U DRUGIM ORGANIZMIMA

Amonotelni organizmi (vodeni kraljenjaci i bezkraljenjaci) oslobaaju amonijak u obliku NH4+. Zanimljive su ribe dvodihalice koje su amonotelne u vodi, a ureotelne kad ive na kopnu. Ureotelni i amonotelni organizmi ovise o dovoljnoj koliini vode. Urikotelni (ptice) organizmi izluuju duik u obliku urine kiseline

Oba nedostatka lijee se dodavanjem benzoata i fenilacetata u hranu Duik se izluuje u obliku hippurata i fenilacetilglutamina

Sudbina ugljikovih atoma u katabolizmu aminokiselinaC atomi nekih aminokiselina mogu se iskoristiti u glukoneogenezi (ruiasto), pa te aminokiseline nazivamo glukogene aminokiseline. One aminokiseline iji C atomi mogu dati samo acetilCoA nazivamo ketogene aminokiseline (uto)

Atomi ugljika iz svih aminokiselina zavravaju u svega sedam metabolita

glukogeni produkti piruvat oksalacetat fum arat sukcinil-CoA -ketoglutarat

ketogeni produkti acetil-Co A acetoacetil-Co A

Stvaranje piruvata iz aminokiselina

Reverzibilna razgradnja glicina

Glicin sintetaza Uz piridoksal fosfat

7

Katabolizam treonina

Serina se reverzibilno razgrauje do glicina uz metilen-H4-tetrahidrofolata uz enzim hidroksimetil transferazu Treonin se katabolizira uz treonin aldolazu do acetaldehida i glicina Acetaldehid se potom oksidira do acetata koji se potom prevodi u acetil-CoA

Redukcija cistina u cistein

Cistein se katabolizira preko 2 puta: direktnom oksidacijom i transaminacijom

Oksalacetat kao ulazna toka u metabolizam Aspartat i asparagin pretvaraju se u oksalacetat, intermedijer ciklusa limunske kiseline Aspartat se direktno tranaminira u oksalacetat:

Nastajanje -ketoglutarata iz aminokiselina

Aspartat + -ketoglutarat oksalacetat + glutamatAsparagin se hidrolizira do NH4+ i aspartata uz enzim asparaginazu. Aspartat se zatim tranaminira. Moe se prevesti u fumarat u ciklusu uree Fumarat je takoer ulazna toka za polovicu ugljikovih atoma tirozina i fenilalanina Glutamin, prolin, arginin, histidin prevode se u glutamat koji se zatim oksidativno deaminira u -ketoglutarat pomou glutamat dehidrogenaze

8

Razgradnja histidina

Konverzija prolina i arginina

Histidin se prevodi u 4-imidazolon 5-propionat. Amidna veza u prstenu hidrolizira se do Nformimino derivata glutamata, koji se zatim prevodi u glutamat prijenosom formimino skupine tetrahidrofolata, nosaa aktiviranih C1-jedinica.

Hidroliza glutamina i stvaranje glutamataGlutamin se hidrolizira do glutamata i uz enzim glutaminazu

Stvaranje sukcinil-CoA

Metabolizam metionina

L-metionin kondenzira se s ATP i stvara aktivni metionin uz izdvajanje pirofosfata. Reakciju katalizira metionin adenozil transferaza. Ta aktivirana S-metilna skupina (SAM) moe se prenijeti na razliite akceptore.

Metabolizam razgranatih aminokiselinaRazgradnja leucina

Izovaleril-CoA dehidrogenira se do metilkrotonil-CoA. Reakcija je katalizirana izovalerilCoA dehidrogenazom. Akcepor vodika je FAD. -Metilglutakonil-CoA stvara se karboksilacijom iz -metilkrotonil-CoA uz hidrolizu ATP.

Leucin se transaminira do -ketoizokaproata, koji se oksidativno dekarboksilira do izovaleril-CoA pomou kompleksa -ketokiselina dehidrogenaza. Supstrati su takoer i valin i izoleucin, kao i -ketobutirat nastao iz metionina kao supstrata. Oksidativna dekarboksilacija tih -ketokiselina analogna je prevoenju piruvata do aceti-CoA i -ketoglutarata do sukcinil-CoA. Kompleks -ketokiselina dehidrogenaza je homolog piruvat dehidrogenaze i ketoglutaraze.-Metilglutakonil-CoA hidrira se i stvara 3-hidroksi-3-metilglutaril-CoA, koji se cijepa na acetil-CoA i acetoacetat.

9

Razgradnja aromatskih aminokiselinaRazgradnja fenilalanina i tirozina Biosinteza tetrahidrobiopterin-a

Molekularni kisik slui za kidanje aromatskog prstena aromatskih aminokiselina. Razgradnja fenilalanina poinje njegovom hidroksilacijom do tirozina. Reakciju katalizira fenilalanin hidroksilaza (monoksigenaza). Reducens u ovoj rekaciji je tetrahidrobiopterin, nosa elektrona, nastao iz kofaktora biopterina-a.

Biopterin sintetizira se u tijelu i nije vitamin. Tetrahidrobiopterin inicijalno se stvara redukcijom dihidrobiopterina uz NADPH, a reakciju katalizira dihidrofolat reduktaza. NADH reducira gvanoidni oblik dihidrobiopterina nastalog hidroksilacijom fenilalanina i uz dihidropteridin reduktazu vraa ga u oblik tetrahidrobiopterina

Transaminacijom fenilalanina i tirozina nastaje phidroksifenil-piruvat, koji s molekularnim kisikom stvara homogentizat. p-hidroksifenil-piruvat hidroksilaza katalizira tu sloenu rekaciju. Homogentizat oksidaza cijepa aromatski prsten i nastaje 4-maleilacetoacetat. 4-Maleilacetoacetat izomerizira se u 4fumarilacetoacetat, koji se zatim hidrolizira do acetoacetata i fumarata

Razgradnja triptofana

Uroene greke u metabolizmu mogu zaustaviti razgradnju aminokiselinaFenilketonurija Alkaptonurija: - nasljeuje se recesivno - nastaje uslijed stopa u razgradnji homogentizata intermedijera u razgradnji fenilalanina i tirozina nasljeuje se autosomno recesivno uroena greka metabolizma fenilalanina uslijed nedostatka fenilalanin-hidroksilaze ili, znatno rijee, zbog kofaktora tetrahidrobiopterina mentalna zaostalost, smanjena masa mozga, nedostatna mijelinacija ivaca, hiperaktivni, svijetle koe s fenilketonurijom povezani su i drugi poremeaji metabolizma aminokiselina Terapija: prehrana s niskim sadrajem fenilalanina

Bolest urina mirisa javorovog sirupa ketoacidourija razgranatog lanca: - zaustavljena oksidativna dekarboksilacija -ketokiselina nastalih iz Val, Ile, Leu zbog oteene ili neaktivne razgranati-lanac dehidrogenaze - mentalna i fizika retardacija - dijagnosticira se iz urina novoroenadi masenom spektroskopijom

10

Aminokiseline su pretee brojnih bioloki vanih spojevaaminokiselina triptofan tirozin spoj serotonin NAD i NADP dopamin adrenalin i noradrenalin melanin tiroksin histidin serin glicin histamin kolin porfirini kreatin glutation une soli purini glutamat GABA bioloka uloga vazokonstriktor koenzimi za dehidrogenaze neurotransmiter hormoni i transmiteri pigment koe, kose i oiju hormon lokalni agens upale, regulira eluanu sekreciju sastojak acetilkolina i fosfolipida koenzimi koji veu eljezo fosfokreatin je skladini oblik energije unutarstanini reducents probava lipida nukleotidni koenzimi, RNA, DNA neurotransmiter

Raspodjela specifinih aminotransferaza dijagnostiki je pokazatelj oteenja pojedinih tkivajetri se nalaze aminotransferaze za sve aminokiseline, dok ostala tkiva kao to su miii i srce imaju samo neke. n Dijagnostika na osnovi aminotransferaza temelji se na sljedeem:aminotransferaze se uobiajeno nalaze unutar stanica pri oteenju stanice aminotransferaze izlaze u cirkulaciju neke aminotransferaze tkivno su specifine

nU

n

Mjerei aktivnost pojedinih (tkivno specifinih) aminotransferaza moemo utvrditi da li pacijent ima oteenu jetru, oboljelu guterau ili je doivio srani udar.

11