2 NOWY - Aminokwasy I 2012-2013

2013-01-16

ZWIĄZKI AZOTOWE

Tylko bakterie azotowe

AMINOKWASY •

Losy azotu białkowego – deaminacje, transaminacje (transdeaminacja), cykl mocznikowy, Glu, Gln, Ala,

•

Gluko- i ketogenność szkieletów węglowych; aminokwasy endogenne

•

witaminy (koenzymy) niezbędne w metabolizmie tej grupy związków przemiany wybranych aminokwasów (aminokwasy siarkowe – metionina, cysteina; seryna (jednostki 1C), glicyna; arginina; aminokwasy aromatyczne – fenyloalanina, tyrozyna, tryptofan

•

•

Nitrosomonas

Energia

Wszystkie organizmy Aminokwasy

Białka

Nukleotydy Aminocukry Porfiryny

DNA RNA Heteropolisacharydy Fosfolipidy

Większość roślin i bakterii Nitrobacter

Energia

schorzenia związane z metabolizmem aminokwasów – „choroba syropu klonowego”, metylomalonyloaciduria, fenyloketonuria, alkaptonuria, albinizm, schorzenie Harnupta

Białka powstają i ulegają degradacji. W organizmie zdrowego dorosłego człowieka szybkość syntezy równowaŜy szybkość degradacji. Białka diety ~100g dziennie Synteza aminokwasów endogennych

Białka ustrojowe ~400g dziennie

Pula aminokwasów ~100g

Białka ustrojowe ~400g dziennie

Glukoza, glikogen

Synteza: porfiryn, kreatyny,puryn, pirymidyn, neurotransmiterów i innych związków zawierających azot

ciała ketonowe,steroidy, kwasy tłuszczowe, CO2

BILANS AZOTOWY – ilość azotu otrzymywanego z dietą porównywana jest z ilością azotu wydalanego z ustroju. RÓWNOWAGA charakteryzuje zdrowe, dorosłe dobrze odŜywiane organizmy; (tylko ~75% AA z białek organizmu jest reutylizowane do syntezy nowych białek ustroju; pozostałe ~25% jest wykorzystywane do syntezy innych związków azotowych lub utleniane; białka diety równowaŜą braki).

Aminokwasy mogą być wykorzystywane jako źródło energii

1

2013-01-16

Dodatni bilans azotowy – więcej azotu zatrzymywane niŜ wydalane w wyniku nasilenia procesów wzrostowych oraz regeneracji tkanek po urazach, chorobach itp. Charakterystyczny dla dojrzewania i rozwoju w dzieciństwie i młodości.

Aminokwasy egzogenne (niezbędne) (muszą być dostarczane w diecie) vs. aminokwasy endogenne (są syntetyzowane w organizmie człowieka)

Aminokwasy Aminokwasy syntetyzowane niezbędne w ustroju w diecie ludzkim człowieka Alanina Arginina Asparagina Histydyna Asparaginian Izoleucyna Cysteina Leucyna Glutaminian Lizyna Glutamina Metionina *są syntetyzowane w komórkach Glicyna Fenyloalanina ssaków, ale w ilości niewystarczającej Prolina Treonina *Cys i Tyr są niezbędne tak długo, jak długo Met i Phe są dostarczane w Seryna Tryptofan diecie Tyrozyna Walina

Ujemny bilans azotowy – więcej azotu jest wydalane niŜ pobierane z dietą; występuje przy niedoŜywieniu lub wyniszczających chorobach (nowotwory, rozległe oparzenia itp.) Organizm zuŜywa więcej aminokwasów z degradowanych białek ustroju dla uzyskania energii oraz uzupełniania brakujących aminokwasów egzogennych (niezbędnych)

Kwashiorkor (niedoŜywienie białkowe) choroba powodowana tak niedoborem ilościowym, jak i jakościowym poŜywienia (białko, witaminy, pierwiastki śladowe), dotycząca najczęściej dzieci w ubogich krajach. Niedobory Ŝywieniowe zaburzają syntezę enzymów, niedostateczna podaŜ aminokwasów prowadzi do zmian funkcji a potem i struktury narządów wewnętrznych, wtórnie takŜe do zaburzeń gospodarki wodnoelektrolitowej i układu odpornościowego. Cierpiący na kwashiorkor jest osłabiony, apatyczny, zanik tkanki tłuszczowej i mięśni mogą być maskowane obrzękami, szczególnie brzucha. Laboratoryjnie moŜna wykazać przewodnienie hipotoniczne, ubytki pierwiastków śladowych…..

2

2013-01-16

Proteoliza białek pokarmowych

Pokarm

Ŝołądek

N-koniec aminopeptydazy

TRAWIENIE BIAŁEK w PRZEWODZIE POKARMOWYM

pepsyna

śOŁĄDEK – HYDRATACJA, HOMOGENIZACJA, DENATURACJA (pH < 2), HYDROLIZA ENZYMATYCZNA PEPSYNA (PEPSYNOGEN)

białko trzustka

trypsyna

Peptydy chymotrypsyna

Jelito cienkie aminopeptydazy

elastaza

KREW

di-i tripeptydazy

Aminokwasy Amino kwasy

karboksypeptydazy C-koniec

K-ki nabłonka jelita

PROTEAZY syntetyzowane są w POSTACI NIEAKTYWNYCH PROENZYMÓW – ZYMOGENÓW KTÓRE ULEGAJĄ AKTYWACJI POPRZEZ PROTEOLITYCZNE USUNIĘCIE FRAGMENTU ICH ŁAŃCUCHA POLIPEPTYDOWEGO CCK
NABŁONEK JELITOWY

ENTEROPEPTYDAZA

TRAWIENIE BIAŁEK w PRZEWODZIE POKARMOWYM TRZUSTKA – WYDZIELANIE PROPEPTYDAZ – Enterokinaza jelitowa - KLUCZOWA ROLA TRYPSYNY W AKTYWACJI ZYMOGENOWEJ W ŚWIETLE JELITA (proteolityczne usunięcie fragmentu łańcucha polipeptydowego)– CHYMOTRYPSYNA, ELASTAZA, KARBOKSYPEPTYDAZY NABŁONEK JELITOWY – AMINOPEPTYDAZY, DIPEPTYDAZY PRODUKTEM DZIAŁANIA PROTEAZ i PEPTYDAZ PRZEWODU POKARMOWEGO jest MIESZANINA aminokwasów oraz

di- i tripeptydów wchłanianych przez nabłonek jelitowy.

CHYMOTRYPSYNOGEN

3

2013-01-16

Wchłanianie aminokwasów

aminokwas

ŚWIATŁO JELITA

Ułatwiona dyfuzja

System transportu

Transportowane aminokwasy

Komórki nabłonka: 0.03 M Kapilary: 0.14 M

Zaburzenia choroba Hartnupów

aminokwasów „obojętnych”

Światło jelita: 0.14 M

aminokwasów dwuzasadowych

Na+/K+

*

**

aminokwas

Aktywny transport ATPaza

Wchłanianie aminokwasów w jelicie

aminokwasów dwukarboksylowych Dyfuzja ułatwiona aminokwas

śyła wrotna

glicyny i iminokwasów

*niacyna

Wewnątrzkomórkowa degradacja białek W komórkach eukariotycznych występują dwa podstawowe systemy degradacyjne białek - lizosomalny i pozalizosomalny.

Szlak lizosomalny

Szlak pozalizosomalny - proteazy lizosomalne (katepsyny) - zależny od ATP szlak ubikwityna/proteasom, - kwaśne środowisko - funkcjonuje w cytozolu, mitochondriach, siateczce endoplazmatycznej, aparacie Golgiego, w jądrach - degradowane są białka komórkowych, w bł. plazmatycznych zewnątrzkomórkowe, dostające się do komórek na przykład - Degradowane są oprócz białek strukturalnych i podczas endocytozy, konstytutywnych, enzymy regulujące szlaki biosyntetyczne, białka regulujące przebieg cyklu - Białka wewnątrzkomórkowe, komórkowego, wiele czynników transkrypcyjnych, jeśli komórka poddana jest białek kodowanych przez onkogeny i geny silnemu stresowi, np. podczas supresorowe czy też białek biorących udział w głodzenia. odpowiedzi immunologicznej.

**penicylamina

Katabolizm aminokwasów wchłanianych przez Ŝyłę wrotną do wątroby

1. Po wchłonięciu w jelicie aminokwasy transportowane są Ŝyłą wrotną do wątroby. 2. Wątroba jest głównym miejscem metabolizmu szkieletu węglowego i azotu aminokwasów oraz jest organem najbardziej zaangaŜowanym w syntezę i katabolizm aminokwasów. 3. Azot aminokwasowy w znacznej części usuwany jest przez enzymy wątrobowe w reakcjach transaminacji lub w reakcjach, których produktem jest amoniak - deaminacje.

Kompleks proteasomu reguluje “obrót” wielu białek wewnątrzkomórkowych pełniących kluczową rolę w regulacji cyklu komórkowego, apoptozy, angiogenezy i ekspresji molekuł adhezyjnych. Próby wykorzystania inhibitorów aktywności aktywno ci proteasomów w terapii nowotworów.

4

2013-01-16

•

DEAMINACJA AMINOKWASÓW • Deaminacja nieoksydacyjna

OKSYDAZY D- i L-AMINOKWASÓW FMN (L-) FAD

Dehydrataza serynowo-treoninowa

Seryna

Deaminacja oksydacyjna

(FADH2) FMNH2

pirogronian

FMNH2 FADH2 FMN KATALAZA

H2O

treonina

alfa-ketomaślan

Dehydrogenaza glutaminianowa (inny sposób oksydacyjnej deaminacji) OKSYDAZA D-AMINOKWASÓW

GLICYNA

GLIOKSALAN

SZCZAWIAN

Szczawiany wapnia stanowią około 70% tzw. „kamieni nerkowych”, złogów mineralnych powstających w miedniczkach i kielichach nerkowych, które w mniejszym lub większym stopniu blokują droŜność dróg moczowych oraz wywołują bardzo silne bóle (kolka nerkowa).

glutaminian

a-ketoglutaran

Jest to bardzo ważna reakcja metabolizmu azotu

Zaburzony metabolizm wapnia – wzrost stęŜęnia w krwi; odwodnienie; dieta bogata w szczawiany (niektóre jarzyny, owoce)

5

2013-01-16

TRANSAMINACJA

- Wszystkie aminokwasy z wyjątkiem: lizyny, treoniny, proliny i hydroksyproliny mogą być substratami w reakcjach transaminacji.

Koenzymem wszystkich aminotransferaz (transaminaz) jest fosforan pirydoksalu, pochodna witaminy B6

Aminotransferaza alaninowa katalizuje przeniesienie grupy aminowej na pirogronian (ALT, SGPT) Aminotransferaza asparaginianowa katalizuje przeniesienie grupy aminowej na szczawiooctan (AST, SGOT) Aminotransferaza glutaminianowa – na α -ketoglutaran.

Reakcje przebiegające z udziałem fosforanu pirydoksalu lub fosforanu pirydoksaminy

KaŜda transaminaza jest specyficzna dla pary substratów aminokwas-ketokwas.

Aminokwas

Aminotranferaza

L-α-aminokwas

α-ketokwas Fosforan pirydoksalu

2- ketokwas

Fosforan pirydoksaminy

Aminotransferazy i glutaminian Aminokwas

glutaminian Fosforan pirydoksalu

związek pośredni – zasada Schiffa 1. Transaminacje (aminotransferazy) 2. Dekarboksylacje (dekarboksylaza histydyny) 3. Reakcje eliminacji przy węglu beta (dehydratazy seryny i treoniny)

α-ketokwas

Fosforan pirydoksaminy

α -ketoglutaran

4. Rozpad aldolowy (aldolaza fruktozo-bis-fosforanu) 5. Donacja protonu (fosforylaza glikogenowa)

6

2013-01-16

Reakcja katalizowana przez dehydrogenazę glutaminianową jest odwracalna

Cytozol α-aminokwas

A.

α-ketoglutaran

Aminotransferaza α-ketokwas

1. Jest to jedna z przyczyn toksyczności amoniaku 2. UmoŜliwia wprowadzenie grupy aminowanej do aminokwasów syntetyzowanych endogennie

α-ketoglutaran

glutaminian

Mitochondria

B.

Aktywowana przez ADP i GDP Dehydrogenaza

glutaminian glutaminianowa Suma A i B

Aktywowana przez ATP i GTP

α-ketoglutaran

reakcja transdeaminacji

Wykorzystanie jonów amonowych:

glutaminian Dehydrogenaza glutaminianowa jest enzymem allosterycznym

Reakcja katalizowana przez dehydrogenazę glutaminianową jest odwracalna

1. Synteza glutaminianu i innych aminokwasów 2. Synteza glutaminy i nukleotydów 3. Synteza mocznika Dehydrogenaza

glutaminian glutaminianowa

α-ketoglutaran

7

2013-01-16

Regulacja katalitycznej aktywności syntetazy glutaminowej – modyfikacja kowalencyjna: - adenylacja (reszty tyrozyny) - deadenylacja

adenylotransferaza

glutaminian

Syntetaza glutaminy

glutamina

Regulacja katalitycznej aktywności adenylotransferazy – modyfikacja kowalencyjna: - urydylacja (reszty tyrozyny) - deurydylacja

Allosteryczna regulacja katalitycznej aktywności syntetazy glutaminowej

urydylotransferaza

8

2013-01-16

Cykl mocznikowy

Mitochondrialna syntetaza karbamoilofosforanu I aktywowana jest przez N-acetyloglutaminian

•Niezbędny dla usuwania azotu aminokwasowego u zwierząt

•Zachodzi w wątrobie

Wodorowęglan

•Reakcje rozdzielone są pomiędzy mitochondria i cytoplazmę

Fumaran

Arginina

Karboksyfosforan Kwas karbaminowy

Karbamoilofosforan

HCO3- + NH4+ + 2ATP → karbamoilofosforan + 2ADP + Pi

W macierzy mitochondrialnej hepatocytów Mocznik

Argininobursztynian

Asparaginian

Ornityna

Cytrulina

Karbamoilofosforan

Karbamoiltranferaza ornitynowa

Ornityna

Karbamoilofosforan

Cytrulina

Macierz mitochondrium

9

2013-01-16

Koszt syntezy mocznika

Syntetaza karbamoilo fosforanu

Karbamoilotransfe -raza ornitynowa

2NH4+ + HCO3- + 3ATP4- + H2O →

Ornityna

Mocznik + 2 ADP3- + 4 Pi2- + AMP2- + 5H+ Cztery “wysokoenergetyczne wiązania fosforanowe” są wykorzystywane do syntezy mocznika, a z asparaginianu powstaje fumaran

Cytrulina ASP Syntetaza argininobursztynianu

Asparaginian

Arginaza

GLU

Mocznik

*z

Liaza argininobursztynianowa

Arginina Argininobursztynian H

Fumaran

4 ATP/ 1 mocznik

Cytosol

Regulacja intensywności cyklu mocznikowego

WYDALANIE AZOTU Metabolit wydalany z moczem

mocznik

g/24 godz.

fumaranu moŜe powstać szczawiooctan:

FUMARAN
JABŁCZAN
SZCZAWIOOCTAN co wiąŜe się z powstaniem NADH z NAD+ uŜywanego przez DEHYDROGENAZĘ JABŁCZANOWĄ co moŜe prowadzić do wytworzenia 2.5 ATP

Doraźna % całkowitego

Aktywacja allosteryczna mitochondrialnej syntetazy karbamoilofosforanu przez N-acetyloglutaminian. Wzrost stęŜenia argininy stymuluje syntezę N-acetyloglutaminianu.

jony amonowe kreatynina kwas moczowy

Długotrwała Dieta bogata w białko indukuje syntezę enzymów cyklu mocznikowego. Dieta uboga w białko-odwrotnie.

10

2013-01-16

+

Białka wewnątrzkomórkowe

CPS-I

Białka z poŜywienia Glutamate glutaminian Syntetaza N-acetyloglutaminianu

+

Biosynteza aminokwasów, nukleotydów i amin biogennych

Aminokwasy Szkielety węglowe aminokwasów

karbamoilofosforan

Karbamoilofosforan N-acetyloglutaminian Mocznik

!

CPS-I nie jest aktywna przy braku N-acetyloglutaminianu. Stężenie N-acetyloglutaminianu zależy od stężenia acetylo-CoA, glutaminianu i argininy, która jest allosterycznym aktywatorem syntetazy Nacetyloglutaminianu.

Gln i Ala są głównymi przenośnikami azotu białkowego w organizmie Glutamina jest powszechnym przenośnikiem azotu z większości tkanek

Alanina jest wykorzystywana do przenoszenia pirogronianu z mięśni do wątroby celem wykorzystania jego szkieletu do syntezy glukozy na drodze glukoneogenezy (CYKL GLUKOZOWO-ALANINOWY)

Cykl mocznikowy

α -ketokwasy Pomost asparaginian -argininobursztynian

Cykl kwasu cytrynowego

Mocznik

Szczawiooctan

wydalanie azotu aminokwasów

Glukoza syntetyzowana w glukoneogenezie

Glukagon stymuluje pobieranie Gln i Ala oraz katabolizm aminokwasów w wątrobie • PodwyŜszony poziom glukagonu prowadzi do zwiększonego wchłaniania AA przez wątrobę co powoduje obniŜenie ich stęŜenia w osoczu. • Proteoliza białek mięśni nasila się w odpowiedzi na zmniejszone stęŜenie krąŜących AA. • Mięśnie są głównym źródłem azotu; miejsce katabolizmu większości aminokwasów

11

2013-01-16

CYKL GLUKOZOWO-ALANINOWY

Glukoza we krwi

Wątroba

Białka mięśni Mięsień

Alanina we krwi

Mocznik

Glutaminian

Alanina

Wątroba

glutaminian Glutaminaza (mitochondria wątroby,nerki)

Alanina

Pirogronian

12

2013-01-16

Źródła jonów amonowych:

Detoksykacje amoniaku 1. Transaminacje aminokwasów skojarzone z dehydrogenazą glutaminianową (transdeaminacja) 2. Oksydazy aminokwasów

1.

3. Hydroliza glutaminy w jelicie i nerkach

Synteza glutaminianu (aminotransferaza) i innych aminokwasów

mózg

4. Rozpad glicyny przy udziale tetrahydrofolianu 5. Deaminacja puryn i pirymidyn

2.

Synteza glutaminy (syntetaza glutaminy) i nukleotydów

3.

Synteza mocznika (cykl mocznikowy)

StęŜenie jonów amonowych w osoczu: 10-20 µ g/dL

wątroba

Uwaga! Jony amonowe są toksyczne!

NH3 w większym stęŜeniu jest bardzo toksyczny  Wpływa na pH krwi i płynu międzykomórkowego

BIAŁKA EGZOGENNE (DIETA) ~100g/DZIEŃ

MOCZNIK 20-30g/DZIEŃ

PULA AMINOKWASÓW

NH3

-spada poziom Glu w wyniku syntezy Gln; utrata Glu – waŜny neurotransmiter

ACETYLO-CoA

20-30mg/dL (KREW)

SZKIELETY WĘGLOWE (C-SZKIELETY)

 NajpowaŜniejszy wpływ na OUN: utrata energii – spada poziom a-KG z powodu syntezy Glu;

CIAŁA KETONOWE KWASY TŁUSZCZOWE

BIAŁKA ENDOGENNE ~200-300g/DZIEŃ ZWIĄZKI AZOTOWE PURYNY PIRYMIDYNY PORFIYNY HORMONY NEUROTRANSMITERY FOSFOLIPIDY KOENZYMY BARWNIKI KREATYNA i inne

METABOLITY GLIKOLIZY i CYKLU KREBSA

E N E R G I A

GLUKOZA i GLIKOGEN

13

2013-01-16

ALANINA GLICYNA CYSTEINA SERYNA TREONINA TRYPTOFAN

GLUKOZA

AMINOKWASY PHE

GLUKOGENNE

(6)

(4) PIROGRONIAN

KETOGENNE

MET

ASPARAGINIAN ASPARAGINA ASPARAGINIAN

FUMARAN

CYKL KREBSA

BURSZTYNIAN

FENYLOALANINA TYROZYNA WALINA METIONINA TREONINA IZOLEUCYNA

α -KETOGLUTARAN

GLUTAMINAN GLUTAMINA HISTYDYNA PROLINA ARGININA

ACETYLO -CoA

ACETOOCTAN

LEUCYNA TRYPTOFAN TREONINA IZOLEUCYNA IZOLEUCYNA

CIAŁA KETONOWE

LEUCYNA LIZYNA FENYLOALANINA TYROZYNA

SER

ASN

GLY

„S”

TRP

(6) (5)

CYS

(2)

OXALOACETATE

FH4*

ALA

i

PIROGRONIAN

GLUKOZA

3-FOSFOGLICERYNIAN

TYR

SZCZAWIO OCTAN

ASP

LYS

(3) C K

(1) α -KETO GLUTARAN

GLU

GLN

MOCZNIK

HIS

NUKLEOTYDY

MET

(7)

HOMOSERYN A

PRO

ORNITYNA

TRP

THR VAL LEU, ILEU,

ILE

MOCZNIK

ARG

GABA PUTRESCYNA

NO

FOSFOKREATYNA

GSH FOLIAN

POLIAMINY

14