BIOSYNTÉZA AMINOKYSELIN
ÚVOD • Biosyntéza aminokyselin. • Další produkty metabolismu aminokyselin. • Fixace dusíku.
Biosyntéza aminokyselin • Mnohé
aminokyseliny jsou syntetizovány metabolickými drahami, které jsou přítomné jen u rostlin a mikroorganismů.
• Tyto aminokyseliny jsou nutné pro život savců a – esenciální AK. • Ostatní aminokyseliny, které si savci syntetizují sami – neesenciální AK. • Všechny neesenciální aminokyseliny, kromě Tyr, se syntetizují ze společných metabolických meziproduktů: pyruvátu oxaloacetátu a-oxoglutarátu 3-fosfoglycerátu. Tyr, který je klasifikován jako neesenciální je syntetizován jednostupňovou hydroxylací z esenciálního Phe. Přítomnost Tyr v potravě snižuje potřebu Phe.
Esenciální a neesenciální aminokyseliny pro člověka Esenciální
Příležitostně esenciální
Neesenciální
Histidin Isoleucin Leucin Lysin Methionin Fenylalanin Threonin Tryptofan Valin
Arginin Cystein Glutamin Glycin Prolin Tyrosin
Alanin Asparagin Aspartát Glutamát Serin
Savci syntetizují Arg v močovinovém cyklu, většina se však štěpí na močovinu a ornithin (děti).
Spotřeba aminokyselin
Biosyntéza aminokyselin
Biosyntéza aminokyselin
Syntéza neesenciálních aminokyselin
Syntéza esenciálních aminokyselin
Aminokyseliny Ala, Asp, Asn, Glu, Gln jsou syntetizovány z pyruvátu, oxaloacetátu a a-oxoglutarátu O
H3C
O
O
C
Pyruvát
COO
-
C
O
CH2
C
Oxaloacetát
Aminokyselina
Aminotransferasa
Aminotransferasa
COO +
NH3
C
-
CH2
CH2
-
CH2
Aminotransferasa
C
O
COO
3
H
O
-
C
-
CH2
CH2
Glutamát ATP
Glutaminsynthetasa
ATP
ADP
Glutamát
H
O C
2-
C
COO
CH2
CH2
C
O3PO
COO +
NH3
H CH2
5
4
AMP + PPi
C
-
+
Glutamin
H2N
COO
NH3
Aspartát
O
C
O
+
Asparaginsynthetasa
-
2-Oxokyselina
NH3
Alanin
COO
Aminokyselina
H C
C
2-Oxoglutarát
O
2-Oxokyselina O
C
-
2
2-Oxokyselina
H3C
COO
Aminokyselina
1
H
O
O
-Glutamylfosfát (meziprodukt)
-
+
NH3
5
Asparagin
NH4+ Pi H
O C
CH2
CH2
H2N
C
COO +
NH3
Glutamin
-
-
Syntéza glutaminu a asparaginu
• Zdrojem a-aminoskupin u těchto transaminačních reakcí je Glu. • Glu je syntetizován mikroorganismy, rostlinami a nižšími eukaryoty enzymem glutamátsynthasa, který nemají obratlovci.
• Asn a Gln jsou syntetizovány z Asp a Glu ATP dependentní amidací. • Gln je syntetizován za katalýzy glutaminsyntetasy. Meziproduktem je -glutamylfosfát (aktivovaný Glu). Poté NH4+ nahradí fosfát za tvorby Gln.
• Syntézu Asn katalyzuje asparaginsyntetasa. Zdrojem aminoskupiny je Gln a ATP se štěpí na AMP + PPi.
• Gluatminsynthetasa hraje centrální roli v metabolismu dusíku! • Gln je zdrojem dusíku pro řadu biosyntetických drah. • Savčí glutaminsyntetasa je aktivována a-oxoglutarátem. regulace zabraňuje hromadění amoniaku.
Tato
Biosyntéza aminokyselin z a-oxoglutarátu (glutamátová rodina)
Glutamát je prekurzorem Pro, Orn a Arg H
O C
-
CH2
CH2
C
O
COO
-
+
NH3
Glutamát ATP 1
ADP H
O C
2-
CH2
CH2
C
O3PO
COO +
NH3
Glutamát-5-fosfát NAD(P)H 2
NAD(P)+ Pi H
O C H
CH2
CH2
C
COO +
NH3
Glutamát-5-semialdehyd
-
-
Glutamát je prekurzorem Pro a Arg Glutamát
H
O C
CH2
CH2
H
C
COO
+ NH3
2-Oxoglutarát
-
H2N
5
H
CH2
HC
COO
Ornithin
-
NAD(P)H 4
NAD(P) H2C
CH2
C
C H
H
N H
-
Močovinový cyklus
´-Pyrrolin-5-karboxylát
H
COO
3
C H
N
C +
CH2
H2C
CH2
NH3
Glutamát-5-semialdehyd Samovolná cyklizace
CH2
-
COO
Prolin
+
H2N
H
+
C H2N
N H
CH2
CH2
CH2
C
COO +
NH3
Arginin
-
Biosyntéza aminokyselin z 3-fosfoglycerátu (serinová rodina)
Biosyntéza aminokyselin z 3-fosfoglycerátu (serinová rodina)
Biosyntéza Cys a Gly ze Ser (3-fosfoglycerátu)
• V metablismu živočichů je Cys syntetizován ze Ser a homocysteinu, který je štěpným produktem Met.
• Kombinací
homocysteinu a Ser vznikne cystathionin, který se rozpadá na Cys a a-oxobutyrát.
• Sulfhydrylová skupina Cys má původ v esenciálním Met – náleží Cys také k esenciálním aminokyselinám.
• Ser se podílí také na syntéze Gly. • Ser
se převádí přímo na Gly enzymem hydroxymethytransferasou v reakci produkující také N 5, N 10 – methylen -THF.
• Druhou drahou vedoucí ke Gly je přímá kondenzace N 5, N 10 – methylen –THF s CO2 a NH4+ za katalýzy glycinsynthasou.
Biosyntéza aminokyselin z oxalacetátu (aspartátová rodina)
Biosyntéza aminokyselin z oxalacetátu (aspartátová rodina)
Biosyntéza aminokyselin z pyruvátu (pyruvátová rodina)
Biosyntéza aminokyselin z pyruvátu (pyruvátová rodina)
Biosyntéza aminokyselin z fosfoenolpyruvátu a erytrosa-4fosfátu (aromatická rodina)
Syntéza Phe, Tyr, a Trp Fosfoenolpyruvát (PEP)
O
2-
O
PO 3
C
COO
-
Pi
CH2
+
H
C
O
1
HO
C
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
2-
OPO3
Erythrosa-4-fosfát
CH2
-
COO
-
6 reakcí
-
OOC
CH2
O
2 HO
H
C
H
Chorismát
C O
CH2
Glutamin
NH2
2-
OPO3
2-Oxo-3-deoxyarabinoheptulosonát7-fosfát
Pyruvát + glutamát
COO
-
CH2
H
CH2
Anthranilát
C
COO
COO
-
5 HO
H
Prefenát
COO
-
Syntéza Phe, Tyr, a Trp COO
Pyruvát + glutamát
-
COO
-
-
OOC
O
2 HO
H
Anthranilát
C
C
COO
-
O
CH2
Glutamin
NH2
CH2
COO
-
H
5 HO
Chorismát
H
Prefenát
2 reakce
2 reakce
H CH2
H COO
C
-
CH2
+
3 reakce
-
+
NH3
OH
COO
C NH3
Tyrosin
Fenylalanin
H OH
N H
OH
C
C
H
H
Indol-3-glycerol-fosfát
Glyceraldehyd-3-fosfát CH2
Serin
2OPO3
3
N H
Indol
CH2
H2O
4
C
COO +
NH3 N H
Tryptofan
-
Biosyntéza aminokyseliny z ribosa-5-fosfátu (aromatická rodina)
Biosyntéza aminokyseliny z ribosa-5-fosfátu (aromatická rodina)
Syntéza His • Pět
atomů ze šesti histidinových má původ v 5-fosforibosyl-apyrofosfátu.
• Stejná látka je základem biosyntézy purinových a pyrimidinových bází nukleových kyselin.
• Šestý
atom je z ATP. Ostatní atomy z ATP se odštěpí jako 5-aminoimidazol-4-karboxamidribonukleotid, což je také meziprodukt syntézy purinů.
• Tyto
souvislosti podporují hypotézu, že život vznikl původně na bázi RNA.
• Biosyntéza His je považována, z tohoto hlediska, za fosilii.
Biosyntéza fyziologicky významných aminů
Biosyntéza fyziologicky významných aminů HO X C
HO
CH2
NH
R
Adrenalin (epinefrin):
X = -OH, R = -CH3
Noradrenalin (norepinefrin):
X = -OH, R = -Ht
Dapamin:
X = -H , R = -H
H CH2
CH2
HO
+
NH3
-
OOC
CH2
CH2
CH2
+
NH3
-Aminomáselná kyselina (GABA) N H
Serotonin (5-hydroxytryptamin)
CH2
N NH
Histamin
CH2
+
NH3
Biosyntéza fyziologicky významných aminů • Biosyntéza těchto aminů zahrnuje dekarboxylaci příslušné aminokyseliny. • Dekarboxylasy aminokyselin mají jako koenzym PLP H R H 2-
O 3P O
Ca N
+
C
O C -
O H -
H2C
O +
+
N H
CH3
Biosyntéza fyziologicky významných aminů Katecholaminy: Dopamin, noradrenalin, adrenalin
• Katecholaminy jsou syntetizovány z Tyr
OH
hydroxylací za tvorby dihydroxyfenylalaninu
OH
• L-DOPA-prekurzor melaninu. • L-DOPA je dekarboxylován na dopamin. • Další hydroxylace vede k noradrenalinu. • Posledním stupněm je methylace
aminoskupiny noradrenalinu S-adenosylmethioninem (SAM) za vzniku adrenalinu.
Katechol
Biosyntéza fyziologicky významných aminů z tyrozinu Katecholaminy: • dopamin, • noradrenalin (norepinefrin) • adrenalin (epinefrin)
Biosyntéza fyziologicky významných aminů Syntéza L-dihydroxyfenylalaninu (L-DOPA)
Tetrahydrobiopterin + O2 H HO
CH2
Dihydrobiopterin + H2O
C
COO +
Tyrosin
HO
NH3
-
1
Tyrosinhydroxylasa
HO
H
C CH2
C
COO +
NH3
Dihydroxyfenylalanin (L-DOPA)
-
Melanin
Biosyntéza fyziologicky významných aminů L-DOPA je prekurzor kožního pigmentu melaninu HO H
C HO
CH2
C
COO
-
+
NH3
Dihydroxyfenylalanin (L-DOPA) Dekarboxylasa aromatických kyslin
2
CO2
HO C HO
CH2
Dopamin
CH2
+
NH3
Melanin
Biosyntéza fyziologicky významných aminů Převedení dopaminu na noradrenalin
Askorát + O2
HO
Dehydroaskorbát + H2O
C HO
HO
CH2
CH2
+
NH3
3
Dopamin--hydroxylasa Dopamin
HO
C
OH C H
Noradrenalin
CH2
+
NH3
Biosyntéza fyziologicky významných aminů Metylace noradrenalinu – adrenalin
S-Adenosyl-methionin
HO C HO
S-Adenosyl-homocystein
OH C H
Noradrenalin
HO
CH2
+
NH3
4
HO
Fenylethanolamin-N-methyltransferasa
C
OH C
CH2
H
Adrenalin
NH
CH3
Biosyntéza fyziologicky významných aminů GABA • inhibiční neurotransmiter v CNS • u člověka je GABA přímo odpovědná za regulaci svalového tonu Histamin • působí na hladké svalstvo intensivní kontrakce dělohy • rozšiřuje cévy a tím snižuje krevní tlak. Serotonin • neurotransmiter (přenašeč nervových vzruchů), • ovlivňuje serotoninergní systém, tvořený soustavou neuronů v prodloužené míše, mostu, středním mozku a mezimozku.
Biosyntéza fyziologicky významných aminů
• •
Spermin - podílí na buněčném metabolismu ve všech eukaryotních organizmech Spermidin - inhibice neuronální syntázy oxidu dusnatého, pomoc při procesu transkripce RNA prostřednictvím stimulace T4 polynukleotidy kinázy a T7 RNA polymeráza, regulace a podpora růstu rostlin
Biosyntéza a degradace hemu
Biosyntéza a degradace hemu • Hem
je Fe-obsahující prosthetická skupina, důležitá komponenta mnoha proteinů, jako hemoglobin, myoglobin a cytochromy.
• Počáteční
reakce syntézy hemu jsou shodné s tvorbou tetrapyrrolového skeletu chlorofylu u rostlin a bakterií a koenzymu B12 u bakterií.
• Prekurzory jsou sukcinyl-CoA a Gly. • Syntéza probíhá částečně, v mitochondrii a částečně v cytosolu. • Dvě hlavní místa syntézy hemu jsou erythroidní buňky (kostní dřeň) syntetizující asi 80 % hemu, játra syntetizující zbytek cca 15% a ostatní buňky 5%.
• V játrech reguluje syntézu hemu d-aminolevulinátsythasa, kterou zpětnovazebně inhibuje hem nebo hemin (Fe3+).
•V
erythroidních buňkách jsou limitující enzymy ferrochelatasa a porfobilinogendeaminasa.
Hem je klíčová složka buněčných hemoproteinů Úloha a funkce hemu
• · Zachycování O2 (hem a hemoproteiny) • · Transport O2 (hemoglobin) • · Skladování O2 (myoglobin) • · Transport e- (cytochromy v dýchacím řetězci) • · Oxido-redukční reakce (cytochrom P450, tryptofanpyrrolasa, hemoxygenasa, guanylátcyklasa atd.)
• · Rozklad a aktivace H2O2 (katalasa a peroxidasa) • · Syntéza NO (nitric oxide synthasa, NOS) • · Regulace buněčných procesů • · Efektor apoptosy je syntetizován ve všech buňkách
Hlavní místa biosyntézy hem a) Kostní dřeň (~70 - 80 %) biosyntéza hemoglobinu b) Játra (~15 %) biosyntéza enzymů rodiny cytochromů P450 (hemoxygenasa, tryptofanpyrrolasa, prostaglandinendoperoxidsynthasa, indolamin-2,3-dioxygenasa) i dalších buněčných hemoproteinů (katalasa, peroxidasa a guanylátcyklasa) c) ostatní somatické buňky (zbytek ~5 %)
Tvorba d-aminolevulinátu živočichové
bakterie a rostliny
Tvorba hemu z d-aminolevulinátu
Tvorba d-aminolevulinátu a porfobilinogenu A=acetyl, P=propionyl, M = methyl a V=vinyl(-CH=CH2) MITOCHONDRIE
CITRÁTOVÝ CYKLUS
M
HC
O -
OO C
CH2
CH2
C
+
+
CH2
-
HC
M
V CH
Porfyrinogenoxidasa
2 H+ CO2
M
N H N
Fe2+
Ferrochelatasa
Glycin d-Aminolevulinátsynthasa
N
P
COO
CH N H
M
SCoA
Sukcinyl-CoA H3N
V
P
M
Protoporfyrin IX
V
M
V
O -
OO C
CH2
CH2
C
CH2
NH2
HC
d-Aminolevulinová kyselina M
N
P
-
H2C H
OO C
CH2
H2C
CH2
Fe
N
CH
P
M
Hem
CYTOSOL N H
+
HC
C OO -
+
H2C M
M
V
P
Porfobilinogen (PBG)
CH2
N H NH
M
HN
V
H N
N
ALA Porfobilinogensynthasa
CH N
H2C
CH2
P
M
Protoporfyrinogen IX
Tvorba d-aminolevulinátu a porfobilinogenu MITOCHONDRIE
M
V
O -
OO C
CH2
CH2
C
CH2
H2C
NH2
d-Aminolevulinová kyselina
M
NH
P
OO C
CH2
H2C
CH2
H2C H
Porfobilinogendeaminasa
CH2
M
Protoporfyrinogen IX
C OO -
V
H N
P -
M
HN
H2C
ALA Porfobilinogensynthasa
CH2
N H
2 CO2
Koproporfyrinogenoxidasa
CYTOSOL N H
A
Porfobilinogen (PBG) H2C
4 NH3 A
P
CH2
N H NH
Uroporfyrinogen III deaminasa P
M
HN H N
H2C
CH2
P
A
Uroporfyrinogen III
Uroporfyrinogendekarboxylasa A
M
P
P
4 CO2
H2C
P
CH2
N H NH
M
HN
P
H N H2C
CH2
P
M
Koproporfyrinogen III
Část syntézy hemu lokalizovaná v cytosolu. A=acetyl, P=propionyl, M = methyl a V=vinyl(-CH=CH2)
Tvorba hemu z d-aminolevulinátu
DEGRADACE HEMU Na žlučová barviva
DEGRADACE HEMU
M
Biliverdin – zelený lineární tetrapyrrol. (P = propionyl, M = methyl, V = vinyl(-CH=CH2) a E = ethyl).
V
N M
N
P
+
+
Fe
M
N
V
N
P +
M
Hem
2 O2 + NADPH + H
CO + H2O + NADP+ Fe3+ M
V
M
B O
N H
P
P
C CH
N H
M
M
D CH
Biliverdin
N
V
A CH
N H
O
DEGRADACE HEMU Bilirubin (červeno-oranžový) M
V
M
B O
P
P
C CH
N H
M
M
D CH
N H
V
A CH
N
O
N H
Biliverdin NADPH + H+ NADP+
M
V
M
B O
N H
CH
P
P
C
D
N H
N H
H
H
Bilirubin
M
M
V
A CH
N H
O
DEGRADACE HEMU • Vysoce lipofilní bilirubin je transportován krví v komplexu se sérovým albuminem. • Ve střevech je mikrobiálně degradován na urobilinogen M
V
M
B O
CH
N H
P
P
C
D
N H
N H
H
H
Bilirubin
M
M
V
A CH
O
N H
8 H Mikrobilání enzymy M
E
M H
B O
N H
H
P
P
C H
N H
H
D C H2
Urobilinogen
M
M
N H
H
E
A H
N H
O
DEGRADACE HEMU Sterkobilin je barvivo výkalů a urobilin moči M
E
M H
B O
N H
H
P
P
C N H
H
2 H
M
M H
D C H2
Urobilinogen
N H
H
A H
O
M
E
M
H
P
P
M
H
M
E
B
H
C
D
H
A
N H
C H2
N H
N
C H2
N H
Sterkobilin
O
N H
2 H
Mikrobilání enzymy (tlusté střevo)
H
E
M
H
O
O
E
(ledviny)
M
P
P
M
M
E
B
H
C
D
H
A
N H
C H2
N H
N
C H2
N H
Urobilin
O
• Větší
DEGRADACE HEMU
část bilirubinu se slučuje s kyselinou glukuronovou na bilirubinglukuronid (konjugovaný bilirubin) a odchází žlučovody do žluči. Spolu s ní je pak transportován do dvanáctníku.
• Redukčními
procesy (střevní bakteriální flóra) se mění na urobilinoidy (sterkobilin, urobilin), které způsobují typické zabarvení moče a stolice.
• Kyselina
glukuronová, nebo také glukuronát, zkratka GlcA nebo GlcUA je derivátem glukosy, u které je šestý uhlík oxidován na karboxylovou skupinu. Je jednou ze tří možných karboxylových kyselin odvozených z D-glukosy ( spolu s kyselinou glukonovou a glukarovou), se kterými občas bývá zaměňována.
Fixace dusíku
Sloučeniny dusíku
Přirozený koloběh dusíku
Přirozený koloběh dusíku
Přirozený koloběh dusíku
Oxid dusnatý – NO
• Arginin je prekurzorem oxidu dusnatého NO • Oxid dusnatý funguje jako signální molekula
a je důležitý pro
centrální nervový systém.
• Reakcí
se superoxidovým radikálem vytváří vysoce reaktivní hydroxylový radikál působící antibakteriálně.
• Způsobuje relaxaci hladkého svalstva. • Enzymem tvorby NO je NO-synthasa (NOS). OH H2N
+
C
NH2
H2N
NADPH + O2
NH
NH
NADP+ + H2O
CH2
C
1/2 NADPH + O2
O
1/2 NADP+ + H2O
H
CH2 COO
-
H3N
+
C
C
NH2
NH (CH 2)3
CH2
CH2 +
N
CH2
CH2
H3N
C
COO
-
H
H
L-Arginin
L-Hydroxyarginin
C
+ +
NH3
COO
L-Citrullin
-
NO
Fixace dusíku • Množství dusíku fixovaného diazotrofními (dusík fixujícími) mikroorganismy je asi 1011 kg za rok.
• Je to asi 60% na Zemi nově fixovaného dusíku.
• Principiálně je třeba na redukci N2 na NH3 šest elektronů. • Biologická reakce produkuje navíc 1 mol H2 při produkci 2 molů NH3 a proto jsou třeba další dva elektrony:
N2 + 8 e- + 8 H+ 2 NH3 + H2
•U
rostlin čeledi fabaceae (bobovité) produkuje tento systém mnohem více amoniaku než sám spotřebuje. Nadbytek se uvolňuje do půdy.
• Bakterie
rodu Rhizobium (fixace dusíku) žije v symbioze s rostlinou ve formě kořenových hlíz.
• Leghemoglobin chrání nitrogenasu před O2 !!
Fixace dusíku
Fixace dusíku
N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP + 16 H2O 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi Nitrogenasa je komplexem dvou proteinů: 1. Fe-protein, homodimer obsahující jeden klastr [4 Fe – 4 S] a dvě vazebná místa pro ATP. 2. MoFe-protein, a2b2 heterotetramer obsahující Fe a Mo.
1. Fixace N2 v bakteroidu
2. Glutamin syntéza v cytoplasmě infikované buňky
2. Transaminace glutaminu v plastidu infikované buňky
ASIMILACE DUSIČNANŮ 1. Příjem NO32. Transport do buňky (možnost regulace) 3. Uložení do vakuoly
4. Transport xylémem do nadzemní části (Kaspariho proužky) 5. Redukce NO3- v cytoplasmě na NO26. Redukce NO2- v plastidech na NH4+ 7. Fixace NH4+ Leukoplasty (NADPH – oxidační pentosafosfátová dráha)
Asimilace fixovaného dusíku • Amoniak a dusičnany jako vzniklé biologicky užitečné formy dusíku musí být vloženy -asimilovány- do buněčných biomolekul.
• Když se dusík objeví v aminokyselinách je možné ho převést na ostatní dusíkaté sloučeniny.
• Většina
organismů nedokáže fixovat dusík a proto musí přijímat dusík předem fixovaný.
• Glu
je syntetizována z NH4+ a 2-oxoglutarátu za katalýzy glutamátdehydrogenasy (nerozlišuje NADH a NADPH !!):
NH4+ + a-oxoglutarát + NADPH + H+ Glu + NADP+ + H2O
• Druhé amonium vstupuje za katalýzy glutaminsyntetasy: Glu + ATP acylfosfátový meziprodukt. Acylfosfátový meziprodukt + NH3 Glutamin.
• Oba enzymy jsou přítomné ve všech organismech.
Asimilace fixovaného dusíku • Většina
prokaryot reduktivní aminaci:
má enzym glutamátsynthasu katalyzující
a-Oxoglutarát + glutamin + NADPH + H+ 2 Glu + NADP
• Za situace, kdy je koncentrace NH4+ limitující, je většina Glu tvořena sekvenčními reakcemi glutaminsynthetasy a glutamátsynthasy: NH4+ + a-oxoglutarát + NADPH + H+ + ATP Glu + NADP+ + ADP + Pi
• Tato dráha je energeticky náročnější (+ ATP). • Proč ji prokaryota využívají ? • Hodnota Km glutamátdehydrogensy pro NH4+ je vysoká (cca 1 mM), enzym není saturován, když je NH4+ omezené množství.
• Na rozdíl glutaminsynthetasa má vysokou afinitu k NH4+.
