Metabolismus aminokyselin II. Močovinový cyklus
Osnova • Zdroje dusíku jako odpadního produktu metabolismu aminokyselin. • Meziorgánový tok aminokyselin. • Zdroje aminodusíku pro močovinový cyklus • Sled reakcí močovinového cyklu. • Napojení močovinového cyklu na Krebsův cyklus. • Genetické poruchy močovinového cyklu.
Klíčové body • Odbourání aminokyselin vede k produkci močoviny, která je netoxickým nosičem atomu dusíku. • Močovina se syntetizuje v játrech. Aminokyseliny alanin a glutamin jsou nosiči aminodusíku z periferních tkání do jater. • Klíčovými enzymy pro odstranění dusíku jsou transaminázy, glutamátdehydrogenáza a glutamináza. • Močovinový cyklus se skládá ze čtyř kroků a zabudovává dusík do močoviny z amoniaku a z aspartátu. • Genetické poruchy močovinového cyklu vedou ke vzniku hyperamonémie, stavu, který je toxický pro nervovou soustavu a vývoj.
Dusíková bilance Tkáňové proteiny Puriny, hem, atd. Energie
Proteiny z potravy
Hotovost aminokyselin
Vyloučení jako močovina a NH4+
Množství dusíku přijatého v potravě je v rovnováze s vylučováním jeho ekvivalentního množství. Asi 80% vyloučeného dusíku je ve formě močoviny.
Exkreční formy dusíku a)
b)
c)
NH4+
amonný iont
močovina kyselina močová
a) b) c)
přebytek NH4+ se vyloučí jako amoniak (bakterie, vodní obratlovci nebo larvy obojživelníků), močovina (mnoho suchozemských obratlovců), nebo kyselina močová (ptáci a suchozemští plazi)
Amoniak musí být odstraňován: • Toxicita NH3 CNS – reakce s a-KG (glutamátdehydrogenázová reakce), snížení jeho dostupnosti pro citrátový cyklus kolaps CC a následně i syntézy ATP.
• Koncentrace NH3 stoupá při poškození jater nebo vrozené metabolické poruše třes, nezřetelná řeč, rozmazané vidění, koma a smrt. • Normální koncentrace amoniaku v krvi: 30-60 µM/l
Zdroje NH4 + pro močovinový cyklus Katabolismus aminokyselin: • trávicí enzymy • proteiny z odloučených buněk povrchu GIT • svalové proteiny • hemoglobin • intracelulární proteiny (poškozené, nepotřebné)
Přehled katabolismu aminokyselin u savců
2 MOŽNOSTI 1. Opětovné využití 2. Močovinový cyklus
Přehled katabolismu aminokyselin meziorgánový vztah Střevo • vstřebávání AK z potravy • jako zdroj energie využívány AK glutamin a asparagin • endogenní produkty metabolismu – CO2, NH4+, alanin, citrulin • zdroj energie při hladovění – glutamin
• aminokyseliny z potravy a metabolity uvolňovány do portálního oběhu.
Přehled katabolismu aminokyselin – meziorgánový vztah Játra • syntéza jaterních a plasmatických proteinů • katabolismus AK • • • •
glukoneogeneze ketogeneze větvené AK se neodbourávají syntéza močoviny
• uvolňování aminokyselin do oběhu • 2 – 3x více větvených AK (% objemu)
Přehled katabolismu aminokyselin – meziorgánový vztah Ledviny • glutamin jako zdroj energie • glutamin na a-KG a NH4+ • a-KG pro glukoneogenezi
• NH4+ exkrece nebo syntéza argininu v močovinovém cyklu • exkrece NH4+ pufrační systém - regulace systémové acidémie • [NH4+] : [NH3] = 100 : 1 (pK 9.25)
Přehled katabolismu aminokyselin – meziorgánový vztah Kosterní svaly • syntéza svalových proteinů • katabolismus větvených AK - zdroj energie • aminoskupina transportována jako glutamin a alanin (50 % všech uvolněných AK) • alanin játra, glukoneogeneze • glutamin ledviny
Zdroje NH4 + pro močovinový cyklus
Důležité reakce pro odstranění NH4+ NH4+
NH4+
a-ketoglutarát
glutamát
glutamin NH4+
NH4+ A. Glutamátdehydrogenáza
glutamát z transaminačních reakcí
+
NAD(P)+
přímo do močovin. cyklu
+
a-ketoglutarát
H2O
+
NH4+
+ NAD(P)H
B. Glutaminsyntetáza (játra) ATP
glutamát
+
NH4+
ADP
Glutamin (puriny, pyrimidiny, regulace pH)
C. Glutamináza (játra, ledviny)
glutamin
+
H2O
glutamát
+
NH4+
Glutamátdehydrogenáza Aminoskupina z mnoha aaminokyselin se shromažďuje v játrech ve formě aminoskupiny Lglutamátu. Oxidativní deaminace glutamátu (glutamátdehydrogenáza) uvolnění NH4+ (mitochondrie) v játrech.
Jaterní glutamátdehydrogenáza jediná schopna využívat NAD+ i NADP+ jako akceptory redukujících ekvivalentů.
Transdeaminace - kombinované působení transaminázy a glutamátdehydrogenázy
Odstranění dusíku z aminokyselin Krok 1: odstranění aminoskupiny Krok 2: přesun do jater Krok 3: vstup do mitochondrie Krok 4: příprava dusíku pro vstup do močovinového cyklu Krok 5: močovinový cyklus
Krok 1: odstranění aminoskupiny Přenos aminoskupiny aminokyseliny na a-ketokyselinu původní AK se mění na a-ketokyselinu a naopak:
Transaminaci katalyzují transaminázy (aminotransferázy) s koenzymem pyridoxalfosfátem:
aminokyselina
pyridoxalfosfát
Schiffova báze
Krok 2: přesun aminoskupiny do jater Nejvýznamnější transportní forma aminodusíku v krvi glutamin játra, ledviny Mitochondrie hepatocytů glutamináza uvolnění NH4+, glutamin glutamát.
NH4+ do močovinového cyklu močovina.
Glukózo-alaninový cyklus
Sval
Zdroje glutamátu a NH4+ pro močovinový cyklus v játrech (1)
Zdroje glutamátu a NH4+ pro močovinový cyklus v játrech (2)
Mitochondrie, močovinový cyklus
Látky dopravující aminodusík 1. Glutamát přenáší jednu aminoskupinu UVNITŘ buněk: transaminázy: přenos aminoskupiny na a-ketoglutarát → glutamát Glutamátdehydrogenáza → opačná reakce 2. Glutamin přenáší dvě aminoskupiny MEZI buňkami → uvolní je v játrech 3. Alanin přenáší aminoskupinu ze tkání (svalů) do jater
3 krok: vstup dusíku do mitochondrie
Reakce vzniku karbamoylfosfátu
Krok 4: příprava dusíku pro vstup do močovinového cyklu
Krok 5: močovinový cyklus
- ornithintranskarbamoyláza - argininosukcinátsyntáza - argininosukcinátlyáza - argináza
Aspartát-argininosukcinátový zkrat do citrátového cyklu (oxalacetát aspartát)
Močovinový cyklus – opakování, sled reakcí • Karbamoylfosfát - jeho tvorba v mitochondriích je nezbytným předpokladem pro močovinový cyklus – (karbamoylfosfátsyntetáza) • Citrulin – tvorba z karbamoylfosfátu a ornithinu – (ornithintranskarbamoyláza) • Aspartát poskytuje další dusík pro tvorbu argininosukcinátu v cytosolu – (argininosukcinátsyntháza) • Tvotba argininu a fumarátu – (argininosukcinátlyáza) • Hydrolýza argininu na močovinu a ornithin – (argináza)
Bilance močovinového cyklu NH4+ + HCO3- + 2ATP → karbamoylfosfát + 2ADP + Pi karbamoylfosfát + ornithin → citrulin + Pi citrulin + ATP + aspartát → argininosukcinát + AMP + PPi argininosukcinát → arginin + fumarát arginin → močovina + ornithin Celkem: 2NH4+ + HCO3- + 3ATP močovina + 2ADP + AMP + 4Pi2-
Regulace močovinového cyklu Aktivita je regulována na dvou úrovních: • potravou jsou primárně proteiny hodně močoviny (aminokyseliny se využijí jako zdroj energie) • Dlouhodobé hladovění odbourávání svalových proteinů hodně močoviny také • Rychlost syntézy čtyř enzymů močovinového cyklu a karbamoylfosfátsyntetázy I (CPS-I) v játrech je regulována změnami danými požadavky na aktivitu močovinového cyklu.
Regulace močovinového cyklu • Velmi rychle se enzymy syntetizují
– během hladovění – u diety s vysokým obsahem proteinů • Pomalu se enzymy syntetizují – u dostatečné stravy obsahující cukry a tuky – u bezproteinové diety
Regulace močovinového cyklu N-acetylglutamová kyselina – alosterický aktivátor CPS-I Vysoká koncentrace Arg → stimulace N-acetylace glutamátu acetyl-CoA
Enzymatické poruchy močovinového cyklu
Toxicita amoniaku Jaterní encefalopatie • Vysoká hladina amoniaku v krvi a jiných biologických tekutinách → difúze amoniaku do buněk, přes hematoencefalickou bariéru → zvýšená syntéza glutamátu z a-ketoglutarátu, zvýšená syntéza glutaminu. • vyčerpání a-ketoglutarátu z CNS → inhibice citrátového cyklu a produkce ATP. • Neurotransmitery – glutamát (excitační) a GABA (inhibiční), mohou přispívat k nežádoucím účinkům na CNS – bizarní chování.
Deficience N-acetylglutamátsyntházy: • Nedostatek nebo genetická mutace enzymu (AR) → selhání močovinového cyklu. • Těžká novorozenecká porucha s fatálními následky, není-li zjištěna ihned po porodu. • Hyperamonémie a celková hyperaminoacidemie u novorozenců (játra nejsou schopná syntetizovat N-acetylglutamát). • Mezi časné příznaky patří apatie, zvracení a hluboké bezvědomí . • Léčba: podává se strukturální analog N-karbamoyl-L-glutamát – aktivuje CPS-I, snižuje intenzitu poruchy.
Hyperamonémie I (porucha CPS I) • AR metabolická porucha, spojená s rozvojem mentální retardace a vývojovým opožděním. • Hyperamonémie je pozorována u 0 – 50% množství syntetizované CPS-I v játrech oproti normálu. • Léčba: podává se benzoát a fenylacetát, vzniklý hippurát a Phe-AcGln se vyloučí močí:
Hyperamonémie II (porucha ornithintranskarbamoylázy, OTC): • Nejčastější, nejobvyklejší porucha močovinového cyklu, v důsledku zmutované a neúčinné formy enzymu. • Závažné důsledky • Recesivní na X chromosom vázaná porucha, způsobená řadou různých mutací genu pro OTC – u mužů je porucha závažnější než u žen (ženy jsou asymptomatickými heterozygoty). • Dochází k mentální retardaci a zpoždění vývoje.
Citrulinémie; citrulinurie - porcha argininsukcinátsyntetázy • AR metabolická porucha, neschopnost kondenzace citrulinu s aspartátem. • Hromadění citrulinu v krvi, ve velkém množství je citrulin vylučován do moči. • Citrulinemie typu I - obvykle se projevuje v prvních dnech života. • Citrulinemie typu II - příznaky a symptomy se obvykle projeví až v dospělosti a postižen je hlavně nervový systém. • Léčba – specifická náhrada argininem pro syntézu proteinů a tvorbu kreatinu a ornithinu.
Argininosukcináturie - porucha argininosukcinátlyázy • Vzácné AR onemocnění, argininosukcinát je vylučován ve velkém množství do moči. • Závažnost příznaků se značně liší, je proto těžké určit vhodnou terapii - vhodné je dietní omezení dusíku .
Argininémie - porucha arginázy • Vzácné AR onemocnění, vzniká řada abnormalit ve vývoji a funkci CNS. • Hromadění Arg v krvi a vylučování Arg a prekurzorů a produktů jeho metabolismu v moči. • Léčba – dieta s nízkým obsahem dusíku s obsahem esenciálních aminokyselin.
Hlavní zdroje pro přednášku:
D. L. Nelson, M. M. Cox : LEHNINGER. PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Sixth Edition: Link http://bcs.whfreeman.com/lehninger6e/#824263__839453__ Marks´ Basic Medical Biochemistry A Clinical Approach. Fourth Edition M. Lieberman, A.D. Marks ed., 2013 J.G. Salway: Metabolism at a Glance. Third Edition.
