Metabolizmus aminokyselin I

Ústav lékařské chemie a klinické biochemie 2.LF UK a FN Motol

MUDr. Bc. Matej Kohutiar, Ph.D.

matej.kohutiar@lfmotol.cuni.cz

Praha 2018

Osnova

• I. přednáška:

– Metabolizmus a meziorgánové vztahy aminokyselin

– Ureosyntetický cyklus– Ureosyntetický cyklus

– Biosyntéza esenciálních aminokyselin

• II. přednáška:

– Degradace uhlíkové kostry aminokyselin

Koloběh dusíku v biosféře

N2

+ -nitrifikace

NH4+ NO3

-

organický dusík

denitrifikace

Sloučenina N Ox.číslo

Amoniak NH3 -III

Dusík N2 0

DusičnanNO3

–

V

Metabolismus dusíkatých látek

volné aminokyseliny

proteiny tkání

proteiny potravy deriváty aminokyselinproteiny potravy deriváty aminokyselin

C skelety aminokyselinglukogeneogenese

prekurzory mastných kyselin

amoniak

Trávení proteinů

• Hydrolýza→ polypeptidy → oligopeptidy → aminokyseliny → střevní sliznice → transport

Exo/Endopeptidasy

Typ proteázy Enzym Kde pH optimum

aspartátové pepsin žaludek 1,3-3

chymosin žaludek 4,8

serinové trypsin duodenum 7,5-8,5

chymotrypsin duodenum 7-8

elastasa duodenum 10

metalopeptidasy karboxypeptidasy tenké střevo 7-8

aminopeptidasy tenké střevo 7-8

Výměna aminokyselin po příjmu potravy

VAL

BCAA 20 %

GLN

GLN ALA

ALA

Chemické reakce aminokyselin

• Dekarboxylace

• Transaminace

• Deaminace

Dekarboxylace

• Vznik primárních aminů

OR

NH2

OH

R

NH2

aminokyselina amin

CO2

Amin AmK Význam

Cholin, etanolamin

Ser Fosfatidové kyseliny

Spermin, spermidin

Orn,Met

spermatogeneze

Histamin His Alergické reakce

kadaverin Lys Stabilizace RNA• Vznik primárních aminů

• Biologicky aktivní aminy

• Hormony

neurotransmitery

koenzymy …

putrescin Orn Stabilizace RNA

β-alanin Asp Pantothenát

GABA Glu Neurotransmiter

Dopamin Tyr Neurotransmiter

Noradrenalin Tyr Neurotransmiter

Adrenalin Tyr Neurotransmiter

Serotonin 5-OH-Trp

Neurotransmiter

melatonin Trp Hormon

Transaminace

O

NH2

R

OH

+ OO

O

OH OH

O

O

R

OH

+ OO

NH2

OH OH

aminokyselina -ketoglutarát -ketokyselina glutamát

• 2-oxoglutarát (α-ketoglutarát) je častá akceptorová ketokyselina

• Ala→Pyr (alaninaminotransferasa)

• Asp → oxalacetát (aspartátaminotransferasa)

• NE: Lys, Thr, Pro, Hypro

Transaminace

OH

O

OPO3

-

• Pyridoxalfosfát (B6)

• Prostetická skupina

• Transaminace a dekarboxylace

NCH3

Transaminace

RNH+

NCH

O-

OPO3

-

• Pyridoxalfosfát (B6)

• Prostetická skupina

• Kofaktor transaminas a dekarboxlas

NCH3

Transaminace

Deaminace

OH

O

NH2

R

OH

+ H2O + A NH4+

+ + AH2O

O

R

OH

• Oxidační proces – oxidační deaminace (oxidasy)

O

NH2

R

OH

+ H2O + O2 NH4+

+ + H2O2O

O

R

OH

Deaminace

OO

NH2

OH OH

OO

O

OH OHNAD(P)+ NAD(P)H + H

+

• Glutamátdehydrogenasa (mitochondriální)

• Klíčový enzym

NH4+

Amoniak

• Katabolizmus:• Trávicí enzymy• Proteiny z odloučených buněk GIT• Svalové proteiny• Hemoglobin• Hemoglobin• Intracelulární proteiny

• Toxicita NH3 pro CNS• Koncentrace roste při poškození jater, nebo při

vrozených metabolických vadách• V plazmě: 30-50 μmol/l

Acidobazické vlastnosti amoniaku

NH3 + H2O NH4+ + OH–

NH4+ + H2O NH3 + H3O+

Sloučenina N Ox.číslo

Amoniak NH3 -III

Dusík N2 0

Oxid dusnatý II

Dusitan NO2– III

Dusičnan NO3– V

3NH

logpKpH

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0

i

pH

Distribuční diagram amoniaku

4

3a

NH

NHlogpKpH

pH = 7,4

Distribuce NH4+

Distribuce NH3

4

3

NH

NHlog25,94,7

014125,0NH

NH

4

3

71NH

NH

3

4

Způsoby využití dusíku

1. α-KG + NH4+ + NAD(P)H + H+ Glu +H2O + NADP+

glutamátdehydrogenasa

2. Glu + NH3 + AT P Gln + ADP + Pi

glutaminsynthetasa

3. NH4+ + CO2 + 2 AT P 2ADP + NH2-CO-O-PO3

2- + Pi3. NH4+ + CO2 + 2 AT P 2ADP + NH2-CO-O-PO3

2- + Pi

karbamoylfosfátsynthetasa (mitochondrie)

4. Gln + CO2 + 2 ATP +H2O NH2-CO-O-PO32- + Pi + 2ADP + Glu

karbamoylfosfátsynthetasa (cytosol)

Úloha tkání v transportu dusíku

Střevo:

• Vstřebávání aminokyselin z potravy

• Zdroj energie: glutamin a asparagin

• Aminokyseliny jsou uvolňovány do portálního • Aminokyseliny jsou uvolňovány do portálního oběhu

Úloha tkání v transportu dusíku

Játra:

• Syntéza jaterních a plasmatických proteinů

• Katabolizmus aminokyselin (kromě BCAA)

• Syntéza močoviny

amoniak

• Syntéza močoviny

močovina

Úloha tkání v transportu dusíku

amoniak, urea

Ledviny:

• Zdroj E: glutamin (α-KG+NH4+)

• Urea/exkrece NH4+

• Pufr

amoniak močovina

amoniak

GLN• Pufr

Úloha tkání v transportu dusíku

amoniak, urea

Svaly:

• Katabolizmus BCAA; Ala a Gln (50 % všech)

amoniak močovina

amoniak

GLN

ALA

Úloha tkání v transportu dusíku

amoniak, urea

amoniak močovina

amoniak

GLN

ALA

Dusíková bilance

NB= N(potrava)-(NU+NF+Npot)

NB + (příjem > ztráty)NB - (příjem < ztráty)

Metabolický obrat proteinů:• Poločas života/metabolického obratu• Krátkodobé (regulační) proteiny• Dlouhodobé proteiny • Strukturální metabolicky stabilní proteiny

Vliv stresového onemocnění na utilizaci glutaminu

BCAAGLN

BCAA

ALA

Arg↓

Exkreční formy dusíku

• Amonotelní živočichové: amoniak

– vodní živočichové

• Urikotelní živočichové: kyselina močová• Urikotelní živočichové: kyselina močová

– vejcorodí: plazy, ptáci

• Ureotelní živočichové: močovina

– placentární savci

Metabolizmus aminokyselin a tvorba močoviny

• Odehrává se v játrech (kompletní enzymatická výbava)

• I. odstranění aminoskupiny (amoniak, C skelet)(amoniak, C skelet)

• II. syntéza močoviny (urey) z amoniaku

NH4+ + HCO3

- + Asp NH2-CO-NH2 + fumarát + H2O

I. Odstranění aminoskupiny

O

NH2

R

OH

+OO

NH2

OH OH

aminokyselina-ketokyselina

glutamát-KG

NAD(P)+ NAD(P)H + H

+

-KG

NH4+

• Oxidační deaminace glutamátu v játrech

• GDH –: ATP, NADH

• GDH + : ADP, NAD+

II. Močovinový cyklus

1. mitochondrie CPS I:

2ATP 2ADP + PiO

CH3

O O

NH

OHOH

O

N-acetylglutamát

+

HCO3- + NH4

+NH2

O

O

P

II. Močovinový cyklus

2. Karbamoylfosfát je přenesen

na ornitin (OTCasa)

OOH

NH2

O

O

P

+ O

NH2

NH2

NH2

O

O

NH2

NH

OH

ornitin

citrulin

II. Močovinový cyklus

O-C translokasa, antiport

NH2

O

ONH

OH

ONH2

OH

O

NH2

NH

NH2

O

O

NH2

NH

OH

NH2

O

NH2

NH2

OH

CIT

CIT

ORN

ORN

II. Močovinový cyklus

3. cytosol: arginosukcinátsynthetasa

NH2

O

O

NH2

NH

OH

+

citrulin

O

ONH2

OH

OH

ATP AMP + PPi

citrulin aspartát

NH2

O

NH2

NH

OH

O

O

OH

OH

N

arginosukcinát

II. Močovinový cyklus

4. cytosol: arginosukcinátlyasa

O

O

OH

OH

N

NH2

O

NH2

NH

OHON

arginosukcinát

NHO NH

NH2

NH2

OH

+ O

O

OH

OH

argininfumarát

II. Močovinový cyklus

5. cytosol: arginasa

NHO NH

NH2OH

NH2

O

O

NH2

NH

OH

NH2

O

O

NH2

NH

OH

O

NH2

NH2

O H

O

NH2

NH2

OH

CIT

CIT

ORN

ORN

NHO NH

NH2 arginin

NH2

NH2

O

+ O

NH2

NH2

OH

ureaornitin

Bilance močovinového cyklu

1. NH4+ + HCO3

- + 2 ATP 2ADP + NH2-CO-O-PO32- + Pi

2. Karbamoylfosfát + ORN CIT

3. CIT + ATP + Asp Arg-suc + AMP + Ppi

4. Arg-suc fumarát+ Arg

5. Arg NH2-CO-NH2 + ORN2 2

2 NH4+ + HCO3

- + 4 ATP (ekv.) NH2-CO-NH2

Regulace močovinového cyklu

• Aktivita je regulována na dvou úrovních:+ Hladovění a vysokoproteinová dieta

– Vysokosacharidová strava, nízkoproteinová dieta

• Syntéza enzymů v játrech je regulována změnami danými požadavky na aktivitu cykluzměnami danými požadavky na aktivitu cyklu

Alostericky:

• N-acetylglutamát (aktivace CPS I)

• Arg: stimulace N-acetylglutamátsynthasy

Regulace močovinového cyklu

• N-acetylglutamát (aktivace CPS I)

• Arg: stimulace N-acetylglutamátsynthasy

O O

NH

OHOH

acetyl-CoA +

NH2

CH3

O O

NH

OHOH

O

CPS I+

+ Arg

+

Funkční morfologie jater

Vena cava inf.

Detoxikace amoniaku

glutaminasaglutaminsynthetasa

periportální hepatocyt centroacinózní hepatocyt

GLN

GLN

NH3

NH3

urea

urea

NH3 GLN

GLN

Regulace katabolizmu aminokyselin

Exogenní proteiny

Endogenní proteiny

AMK

AMK

α-KG

Glukagon+

Glukagon

kortisol +

AMK

ketolátky

urea

glukóza

KK

GLN

α-KG GLUGlukagonkortisol +

Glukagonkortisol +

Glukagonkortisol +

Regulace katabolizmu aminokyselin

Exogenní proteiny

Endogenní proteiny

AMK

AMK

α-KG

AMK

ketolátky

urea

glukóza

KK

GLN

α-KG GLU

Inzulin - Inzulin -

Biosyntéza neesenciálních aminokyselinaminokyselin

Přehled biosyntézy neesenciálních aminokyselin

GLYKOLÝZA

glukosa

glycin

3-fosfoglycerát

pyruvát

acetyl-CoA

serin cystein

alanin

Přehled biosyntézy neesenciálních aminokyselin

oxalacetát

citrát

CITRÁTOVÝ

aspartátasparagin

2-oxoglutarátCYKLUS

glutamát

glutamin

prolin

arginin

AMK odvozené od intermediátů glykolýzy:SER

O

OH

P-O

OH

O

O

P-O

OHNAD

+ NADH

Gln

GLYKOLÝZA

glukosa

3-fosfoglycerát serin

O

NH2

P-O

OH

O

NH2

OH

OH

-KGpyruvát

acetyl-CoA

serin

AMK odvozené od intermediátů glykolýzy:GLY

GLYKOLÝZA

glukosa

3-fosfoglycerát

glycin

ONH2

OH

glycin

methylen-H4-folát

3-fosfoglycerát

pyruvát

acetyl-CoA

serin

O

NH2

OH

OH

serin

H4-folát

AMK odvozené od intermediátů glykolýzy:CYS

GLYKOLÝZA

glukosa

glycin

O

NH2

OH

OH

+O

NH2

SH

OH

serin homocystein

OH OH3-fosfoglycerát

pyruvát

acetyl-CoA

serin cystein

O

NH2

OH

O

NH2

S

OH

O

NH2

OH

SH O

NH2

OH

OH+

cystathionin

cystein homoserin

AMK odvozené od intermediátů glykolýzy:ALA

GLYKOLÝZA

glukosa

3-fosfoglycerát serin cystein

glycin

O

O

CH3

OH

pyruvát

Glu/Asp

3-fosfoglycerát

pyruvát

acetyl-CoA

serin cystein

alanin

O

NH2

CH3

OH

alanin

-KG/oxalac

Přehled biosyntézy neesenciálních aminokyselin

oxalacetát

citrát

CITRÁTOVÝ

aspartátasparagin

2-oxoglutarátCYKLUS

glutamát

glutamin

prolin

arginin

AMK odvozené od intermediátů citrátového cyklu: ASP

oxalacetát

citrát

CITRÁTOVÝ

CYKLUS

aspartát

O

OO

OH

OH

oxalacetát

2-oxoglutarátCYKLUS

O

ONH2

OH

OH

aspartát

AST

AMK odvozené od intermediátů citrátového cyklu: ASN

oxalacetát

citrát

CITRÁTOVÝ

aspartátasparagin

O

ONH2

OH

OH

aspartát

Gln

2-oxoglutarát

CITRÁTOVÝ

CYKLUS

O

O

NH2

NH2

OH

asparagin

Glu

ATP asparaginsynthetasa

Gln

AMK odvozené od intermediátů citrátového cyklu: GLU

oxalacetát

citrát

CITRÁTOVÝ

aspartátasparagin

OO

O

OH OH

NAD(P)H + H+

NH4+

2-oxoglutarát

2-oxoglutarátCYKLUS

glutamát

glutaminOO

NH2

OH OH

NAD(P)+

NH4

glutamát

AMK odvozené od intermediátů citrátového cyklu: GLN

OO

NH2

OH OH

ATP

glutamátoxalacetát

citrát

CITRÁTOVÝ

aspartátasparagin

ADP + P

NH4+

OO

NH2

NH2 OH

glutaminsyntetáza

glutamin

2-oxoglutarátCYKLUS

glutamát

glutamin

AMK odvozené od intermediátů citrátového cyklu: PRO

2-oxoglutarát

oxalacetát

citrát

CITRÁTOVÝ

CYKLUS

aspartátasparagin

OO

NH2

OH OH

glutamátglutamát

glutamin

prolinglutamát

OO

NH2

OH

glutamát -semialdehyd

ON

OH

pyrrolin-5-karboxylát

ONH

OHNADPH NADP

+

NADPH

NADP+

prolin

AMK odvozené od intermediátů citrátového cyklu: ARG

2-oxoglutarát

oxalacetát

citrát

CITRÁTOVÝ

CYKLUS

aspartátasparagin

2-oxoglutarátCYKLUS

glutamát

glutamin

prolin

arginin

NHO NH

NH2

NH2

OH

arginin

→viz ornitinový cyklus + příští přednáška

Biosyntéza tyrosinu

O

NH2

OH

fenylalanin

O2 H4-biopterin NADPH + H+

O

NH2

OH

OHtyrosin

H2O

H4-biopterin

H2-biopterin NADP+

NADPH + H+

Kyselina listová