Základy biochemie KBC / BCH
Metabolismus aminokyselin
Inovace studia biochemie prostřednictvím e-learningu CZ.04.1.03/3.2.15.3/0407
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Metabolismus aminokyselin • Odbourávání proteinů. • Deaminace aminokyselin. • Ornithinový (močovinový) cyklus. Osud uhlíkaté kostry aminokyselin. Biosyntéza aminokyselin. Další produkty metabolismu aminokyselin. Fixace dusíku.
Odbourávání proteinů • Délka existence proteinů se pohybuje od několika minut k týdnům a déle. • Buňky kontinuálně odbourávají proteiny na aminokyseliny a syntetizují proteiny. • Důvodem obměny proteinů je: • 1. Proteiny se skladují, aby se mohly v čase metabolické potřeby odbourat a využít – svalové proteiny. • 2. Odstranění abnormálních proteinů jejichž přítomnost v buňce by buňku vyřadila z činnosti. • 3. Realizovat regulační mechanismy v buňce odstraněním některých enzymů nebo jejich regulátorů.
Poločasy existence některých proteinů krysích jater: • Enzymy s krátkou dobou existence (h) • • • • •
Ornithindekarboxylasa RNA polymerasa I Tyrosinaminotransferasa Serindehydratasa Fosfoenolpyruvátkarboxylasa
0, 1, 2, 4, 5,
Poločas 2 3 0 0 0
• Enzymy s dlouhou dobou existence • • • • •
Aldolasa Glyceraldehydfosfátdehydrogenasa Cytochrom b Laktátdehydrogenasa Cytochrom c
118 130 130 130 150
LYSOSOMY-lysosomální degradace. • LYSOSOMY jsou kulovité organely, nacházející se v cytosolu eukaryotních buněk, od něhož jsou odděleny jednou (dvojvrstevnou) membránou. Jsou místem intracelulárního štěpení (trávení) biologických makromolekul a lipidů; obsahují hydrolytické enzymy (kathepsiny) schopné rozložit pohlcený obsah (např. při fagocytose), eventuálně i vlastní makromolekuly buňky (autolysa, např. za anaerobních podmínek v odumřelém organismu). • Asi 40 různých lysosomálních hydrolas zajišťuje tuto degradační aktivitu; jejich pH-optimum je v kyselé oblasti (v cytosolu jsou inaktivní). Tzv. primární lysosomy, obsahující lysosomální hydrolasy, vznikají odškrcením od Golgiho aparátu. Fůzí s váčky, vzniklými endocytosou (endosomy), vytvářejí posléze tzv. sekundární lysosomy, v nichž probíhá vlastní intracelulární trávení. • U dobře živených buněk je lysosomální degradace neselektivní. U hladovějících je degradace selektivní – zachovávají se důležité enzymy a regulační proteiny. Odbourávají se proteiny obsahující pentapeptidovou sekvenci Lys-Phe-Glu-Arg-Gln (KFERQ).
Ubiquitin • U eukaryotních buněk působí při degradaci také proces spotřebovávající ATP a zahrnující ubiquitin. • Ubiquitin je monomerní protein obsahující 76 aminokyselin. Z jeho názvu plyne jeho všudypřítomnost. • Proteiny určené k degradaci jsou označeny kovalentní vazbou s ubiquitinem. Proces probíhá ve třech stupních za účasti tří enzymů. • A) Ubiquitin aktivační enzym E1 – ubiquitin se za účasti ATP připojí na E1 • B) Ubiquitin konjugační enzym E2 – přenos ubiquitinu na E2 přes terminální karboxyl ubiquitinu a Cys E2 • C) Ubiquitin-protein ligasa E3 – přenos aktivovaného ubiquitinu na ε -aminoskupinu Lys odstraňovaného proteinu (isopeptidová vazba) • Aby byl protein odbourán musí být označen řetězcem
Ubiquitin • Struktura ubiquitinu.
• Isopeptidová vazba ubiquitinu s cílovým proteinem. Gly75
NH
O
O
UBI QUI TI N
Gly76
HN
NH
Lys
H N
O
H N N H
O
C� LOV�PROTEI N
O
Ubiquitynylace proteinů • Struktura ubiquitinu – stužkový model.
• Nobelova cena za chemii 2004 „for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation" • Aaron Ciechanover Technion – Israel Institute of Technology, Haifa, Israel, • Avram Hershko Technion – Israel Institute of Technology, Haifa, Israel and • Irwin Rose University of California, Irvine, USA
Proces ubiquitinylace. E1-aktivační enzym, E2-konjugační enzym, E3- ubiquitin-protein ligasa
Proteasom • Ubiquitinem (ubiquitynylace) označené proteiny se proteolyticky odbourávají v procesu zahrnujícím velký (2 100 kd, 26S) multiproteinový komplex zvaný 26S proteasom, který má na obou koncích čepičku označenou 19S cap. Čepičky rozpoznávají ubiquitynylovaný protein. • Ubiquitynylovaný protein vstoupí do dutiny proteasomu bez odštěpeného řetězce ubiquitinů, které se recyklují. Protein uvnitř dutiny proteasomu je hydrolyticky štěpen na aminokyseliny.
Proteasom • Elektronoptický snímek proteasomů z Xenopus laevis
• Vlevo: červená střední část 26S, žluté čepičky 19S. Vpravo – pohled shora.
Deaminace aminokyselin • Volné aminokyseliny mají původ, buď z degradace buněčných proteinů, nebo z potravy. Žaludeční proteasa pepsin a pankreatické proteasy trypsin, chymotrypsin a elastasa a řada další endo- a exopeptidas hydrolyzují polypetidy na oligopetidy a posléze až na aminokyseliny. Aminokyseliny jsou absorbovány střevní sliznicí a transportovány krevním řečištěm do dalších tkání. • Odbourávání aminokyselin probíhá intracelulárně. Prvním krokem je odstranění α -aminoskupiny. Většinou ve formě amoniaku, který je vylučován, buď přímo, nebo přes další sloučeniny z organismu. • Uhlíkatý skelet aminokyselin (α -oxokyseliny) je odbouráván na CO2 a H2O nebo převeden na glukosu, acetyl CoA nebo ketolátky. • Odstranění α -aminoskupiny: A) Transaminace B) Oxidativní deaminace
Přehled odbourávaní (katabolismu) aminokyselin Aminokyseliny
NH3
Uhl� kov�skelet
CO2 + H2O
Mo� ovina
Glukosa
Acetyl- CoA
Ketonov�l� tky
Transaminace. Přenos aminoskupiny na oxokyselinu. +
O
NH3 R
CH
-
COO
+
-
OOC
Aminokyselina
CH2
CH2
C
COO
2- Oxoglutar� t
+
NH3
O R
-
C
-
COO
2- Oxokyselina
+
-
OOC
CH2
CH2
Glutam� t
CH
-
COO
Transaminace. Enzymy aminotransferasy (transaminasy) s koenzymem pyridoxal-5´-fosfátem (PLP). +
NH3 -
OOC
CH2
CH2
CH
O -
COO
+
-
OOC
Glutam� t
CH2
OOC
CH2
CH2
COO
Oxaloacet� t
+
O -
-
C
C
2- Oxoglutar� t
NH3 -
COO
+
-
OOC
CH2
CH
Aspart� t
-
COO
Prekurzorem PLP je pyridoxin, vitamin B6.
OH
H
H2C HO
H2C
C
OH
2-
O3PO
5ﾴ
H2C
OH 5
+
+
N H
Pyridoxin (vitamin B6)
O
4ﾴ
6
CH3
4
3 +2
1+
N H
Pyridoxal- 5� - fosf� t (PLP)
CH3
PLP je pevně vázán na enzym přes imino vazbu (Schiffova báze) na ε -aminoskupinu Lys. Pyridoxamin-5´-fosfát (PMP). (H2C)4
+
H
N C
2-
O3PO
ENZYM
H -
H2C
O +
+
N H
H2C 2-
O3PO
H2C
NH2 OH
+
CH3
Pyridoxal- 5� - fosf� t nav� zan�na apoenzym
+
N H
CH3
Pyridoxamin- 5� - fosf� t (PMP)
Převedení aminokyseliny na 2-oxokyselinu.Transaminace. Aminoskupina aminokyseliny působí jako nukleofil za tvorby aldiminu. H TRANSAMI NACE
ENZYM R Lys
H R
C NH2
+
-
COO
2-
O3PO
H
+
H
C
C
Lys
N
H O
+
N H
Enzym- PLP Schiffova b� ze
H a c b R C COO
H
+ +
+
N -
H2C
ENZYM
COO
N
+
- Aminokyselina
-
H 2-
O3PO
C
N H -
H2C
O
H 2-
O3PO
-
H2C
O
+
CH3
+
N H
H
C
+
+
N H
CH3
Gemin� ln�diaminov� meziprodukt
CH3
Aminokyselina- PLP Schiffova b� ze (aldimin) Lys ENZYM H2N H+ +
R
C
-
COO
+
N H 2-
O3PO
C
H -
H2C
O +
+
N H
CH3
Rezonanc�stabilizovan� meziprodukt
ENZYM Lys
NH2
Tautomerizace. Aminokyselina-PLP Schiffova báze tautomerizuje na 2-oxokyselinu-PMP Schiffovu bázi – ketimin.
TAUTOMERI ZACE Lys ENZYM H2N H+
Lys ENZYM
+
R
C
H2N H+
Lys ENZYM
+
-
COO
R
+
2-
O3PO
C
R
H O
H 2-
O3PO
C
-
COO
N H -
H2C
C
+ +
N -
H2C
H2N
-
COO
+ +
N H
C
O
H 2-
O3PO
C
H -
H2C
O
+
+
N H
CH3
Rezonanc�stabilizovan�meziprodukt
N H
CH3
N H
Ketimin
CH3
-
OH
Hydrolýza. 2-Oxokyselina-PMP-Schiffova báze je hydrolyzována na PMP a 2-oxokyselinu.
HYDROL�ZA Lys ENZYM H H2N O
Lys ENZYM H2N
R
C
-
COO
R
-
OH
C
Lys ENZYM
COO-
H2N
NH
+ +
NH2
N H 2-
O3PO
C
H -
H2C
O
H 2-
O3PO
C
H
H -
H2C
O +
N H
Ketimin
CH3
+
N H
Karbinolamin
2-
O3PO
C
O H -
H2C
O
+
R
C
-
COO
+
CH3
+
N H
CH3
Pyridoxamin- 5� - fosf� t (PMP)- Enzym
2- Oxokyselina
Transaminace. Převod α -oxokyseliny na aminokyselinu. • Převod zahrnuje stejné tři kroky, ale v opačném pořadí: • A) PMP reaguje s α -oxokyselinou za tvorby Schiffovy báze. • B) α -Oxokyselina-PMP Schiffova báze tautomerizuje za tvorby aminokyselina-PLP Schiffova báze. • C) ε -Aminoskupina Lys v aktivním místě atakuje aminokyselinu-PLP Schiffova báze v transiminační reakci za tvorby aktivní enzym-PLP Schiffova báze a současného uvolnění nově vzniklé aminokyseliny. • V reakci vzniká rezonančně stabilní Cα karbanion stabilizovaný protonizovaným dusíkem pyridinia. Při transaminaci se uvolňuje α proton. Při jiných enzymových reakcích se mohou odštěpovat vazby b a c. Např. odštěpení b vede k dekarboxylaci aminokyseliny za vzniku aminu.
Aminotransferasy • Substráty většiny aminotransferas jsou 2-oxoglutarát a oxaloacetát. Aminotransferasové reakce jsou reversibilní a podílí se tak i na syntéze aminokyselin. • Přítomnosti aminotransferas ve svalových a jaterních buňkách se využívá k diagnostickým účelům. Klinické měření se nazývá SGOT (serum glutamátoxaloacetáttransaminasa), také aspartáttransaminasa, AST, a SGPT (serum glutamátpyruváttransaminasa, nebo alanintransaminasa, ALT). Vysoké aktivity těchto enzymů v krevním séru indikují porušení svalové nebo jaterní tkáně (infarkt myokardu, zánět jater). • Jediná aminokyselina, která nepodléhá transaminaci je
Oxidativní deaminaceglutamátdehydrogenasa (GDH). • GDH je mitochondriální enzym, jediný enzym, který využívá jak NAD+, tak NADP+ jako redoxní koenzym. Oxidace probíhá přenosem hydridového aniontu z α uhlíku Glu na NAD(P)+. Meziproduktem je α -iminoglutarát, který je hydrolyzován na amoniak a α -oxoglutarát. Anaplerotická reakce. GDH je allostericky inhibována GTP a NADH, aktivována ADP a NAD+. NAD(P)+
NAD(P)H + H+
H2O
+
+
NH3 -
OOC
CH2
CH2
Glutam� t
CH
NH4+
NH2 -
COO
- OOC
CH2
CH2
C
t - I minoglutar�
O COO-
-
OOC
CH2
CH2
C
t - Oxoglutar�
-
COO
Ornithinový (močovinový )cyklus. • Živé organismy uvolňují nadbytečný dusík třemi způsoby: A) Vodní živočichové do vody jako amoniak - amonotelní. B) Suchozemští živočichové jako močovinu- ureotelní. C) Ptáci a suchozemští plazi jako močovou kyselinu a její soli – urikotelní. O O NH3
H2N
C
HN
O
NH2 O
AMONI AK
H N
MO� OVI NA
N H
N H
MO�OV� KYSELI NA
Ornithinový (močovinový) cyklus publikován v roce 1932 (první známý metabolický cyklus) H. Krebs a K. Henseleit. Syntéza močoviny probíhá v jaterních buňkách, částečně v matrix, částečně v cytosolu. Jeden dusík z NH3, druhý z Asp a uhlík z CO2. NH3
+
-
HCO3
+ - OOC
+
NH3 CH2
-
CH
COO
Aspart� t 3 ATP 2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi O H2N
C
Mo� ovina
-
NH2
+
OOC
CH HC
-
COO
Fumar� t
Reakce močovinového cyklu – pět enzymů (dva mitochondriální, tři cytosolové). • Karbamoylfosfátsynthetasa (CPS) není součástí cyklu. Katalyzuje kondenzaci a aktivaci NH3 a HCO3- za tvorby karbamoylfosfátu při spotřebě dvou ATP. • U eukaryot existují dvě CPS – CPS I a CPS II. Mitochondriální CPS I má jako zdroj dusíku amoniak a podílí se tak na syntéze močoviny. Reakce je prakticky ireversibilní a rychlost cyklu limitující. • Cytosolová CPS II má jako zdroj dusíku Gln a účastní se biosyntézy pyrimidinových nukleotidů.
Mechanismus působení CPS I • 1. ATP aktivuje HCO3- → karboxyfosfát + ADP. • 2. Amoniak atakuje karboxyfosfát, uvolňuje fosfát za tvorby karbamátu a Pi. • 3. Druhé ATP karbamoylfosfátu.
fosforyluje
karbamát
za
tvorby
ADP O O
-
P
O
-
O
ADP O HO
C
ADP
O -
O
+
O
P -
O
-
-
O
1
Pi
O O
C
2-
OPO3
Karboxyfosf� t
+ NH3
-
2
ATP
O O
C
NH2
Karbam� t
O 2-
O3PO
3 ADP
O
C
Karbamoylfosf� t
NH2
Další enzymy močovinového cyklu: • Ornithintranskarbamoylasa. Přenáší karbamoylovou skupinu na ornithin → citrullin. • Rekce probíhá v mitochondrii – ornithin je transportován dovnitř a citrullin do cytosolu. • Argininosukcinátsynthetasa. Vstup druhého dusíku do cyklu. Ureido kyslík citrullinu je aktivován ATP za tvorby citrullyl-AMP. Poté vstupuje Asp. Difosfát je difosfatasou rozkládán na dva Pi. • Argininosukcinasa. Enzym katalyzuje eliminaci fumarátu a oddělení Arg. Fumarát analogickou reakcí jako v citrátovém cyklu přechází na malát a poté na oxaloacetátreakce probíhají v cytosolu a výsledný oxaloacetát vstupuje do glukoneogeneze. • Arginasa. Enzym katalyzuje hydrolýzu Arg na močovinu a ornithin, který je transportován zpět do mitochondrie. Močovina je odváděna do ledvin a močí ven z těla.
Karbamoylfosfátsynthetasová reakce O R
Glutam� t
-
C
COO
2- Oxokyselina Glutam� tdehydrogenasa
Transaminasa
+
NAD(P)
+
NH3 H+ +
NAD(P)H
R
2- Oxoglutar� t
CH
-
COO
Aminokyselina
O 2 ATP + HCO3- + NH3
H2N
C
O
Karbamoylfosf� t
MI TOCHONDRI E
2-
OPO3
+ 2 ADP + Pi
Mechanismus argininosukcinátsynthetasy
PPi
NH2 AMP
P
P
+
O
C
AMP
O
1
NH
ATP
+
C
+
-
Citrulin
H2N
H
C
C
CH2 -
COO
-
COO
+
NH3 -
COO
Citrulyl- AMP
+
NH2 C
2
H NH C
COO
(CH2)3 H
C
CH2 -
NH
Aspart� t
(CH2)3
NH3
COO
+
NH
(CH2)3 H
C
AMP
H
NH2
+
NH3 -
COO
Argininosukcin� t
-
COO
Lokalizace ornithinového cyklu MI TOCHONDRI E O 2 ATP + HCO3- + NH3
1
H2N
C
O
2-
OPO3
+ 2 ADP + Pi
Karbamoylfosf� t
O
C
NH2
NH Pi + NH3
Ornithin
H
H
2
(CH2)3
(CH2)3
Citrulin
+
C
NH3 -
COO
-
+
C
NH3
COO
-
CH2
COO
Citrulin Ornithin
O H2N
C
NH2
AMP + PPi
H2O H2N
Arginin 4
NH2
Argininosukcin� t H
-
Aspart� t
3 COO-
+
NH2
C
N H COO-
NH
H
C
+
NH3 -
COO
HC
H
NH
C
+
NH3 -
Fumar� t
COO
CH COO-
C
(CH2)3
-
COO
(CH2)3
+
NH3
COO
CH2 +
C
C
ATP
5
Mo� ovina
H
CYTOSOL
Další osud fumarátu v cytosolu
-
-
COO HC
Fumarasa
CH COO-
Fumar� t
-
COO
H2O
Mal� tdehydrogenasa
CH2 HC
COO CH2 C
OH
COO-
Mal� t
NAD(P)+
NAD(P)H + H+
GLUKONEOGENEZE O
COO-
Oxaloacet� t
Regulace močovinového cyklu • Karbamoylfosfátsynthetasa je allostericky aktivována NacetylGlu. Se vzrůstajícím odbouráváním aminokyselin roste koncentrace Glu a syntéza N-acetylGlu - močovinový cyklus se urychluje. • Močovinový cyklus stejně jako glukoneogeneze a ketogeneze je lokalizován v játrech, ale slouží pro celý organismus. • Ostatní enzymy cyklu jsou pod kontrolou koncentrace svých substrátů. COO (CH2)2 H -
C OOC
N H
O C
CH3
N- Acetylglutam� t
Odbourávání uhlíkaté kostry aminokyselin – přehled • Aminokyseliny jsou odbourávány na sloučeniny, které mohou být metabolizovány na CO2 a H2O nebo využity při glukoneogenezi. • Odbouráváním aminokyselin u živočichů se obvykle získává 10 až 15 % metabolické energie. • Dvacet „standardních aminokyselin“ je odbouráváno na sedm metabolických meziproduktů: • Pyruvát, α -oxoglutarát, sukcinyl-CoA, fumarát, oxaloacetát, acetyl-CoA nebo acetoacetát. • Na tomto základě dělíme aminokyseliny do tří skupin: glukogenní, ketogenní a gluko i ketogenní. • Glukogenní aminokyseliny se odbourávají na pyruvát, • 2-oxoglutarát, sukcinyl-CoA, fumarát a oxaloacetát – jsou prekurzory glukosy. • Ketogenní aminokyseliny se odbourávají na acetyl-CoA a acetoacetát a mohou být převedeny na mastné kyseliny a ketolátky. Čistě ketogenní jsou Lys a Leu.
Odbourávání aminokyselin na jeden ze sedmi metabolických meziproduktů citrátového cyklu.
Alanin Cystein Glycin Serin Threonin Tryptofan
I soleucin Leucin Lysin Threonin
Pyruv� t
CO2 Glukosa
Acetyl- CoA Asparagin Aspart� t
Leucin Lysin Fenylalanin Tryptofan Tyrosin
Oxaloacet� t
Aspart� t Fenylalanin Tyrosin
Citr� t
Mal� t
Fumar� t
Acetoacet� t
CI TR�TOV� CYKLUS
I socitr� t
Sukcin� t CO2 2- Oxoglutar� t
Sukcinyl- CoA
I soleucin Methionin Valin
CO2
Arginin Glutam� t Glutamin Histidin Prolin
Ala, Cys, Gly, Ser a Thr se odbourávají na pyruvát. • Ala je transaminován na pyruvát. • Ser je dehydratován serindehydratasou (prosthetická skupina PLP) na aminoakrylát a ten spontánně neenzymově tautomerizuje na iminoderivát, který hydrolyzuje na pyruvát a NH3. • Cys je převáděn na pyruvát různými cestami za odštěpení H2S, SO32- nebo SCN-. • Gly je převáděn na pyruvát přes Ser enzymem serinhydroxymethyltransferasou. Enzym má jako koenzym N ´,N ´-methylen-THF. • Thr je jak glukogenní, tak ketogenní, protože poskytuje pyruvát i acetyl-CoA.
Ala, Cys, Gly, Ser a Thr se odbourávají na pyruvát. NADH + H+
H3C
O
H
C
C
NAD+ OH H
-
COO
H3C
+
NH3
2- Amino- 3- oxobutyr� t
O H3C
-
C
C
COO
H
NH3
+
Threonin
CH
Acetaldehyd
CoA CoA O H3C
C
SCoA
Acetyl- CoA
H H
-
C
COO +
NH3
Glycin
Ala, Cys, Gly, Ser a Thr se odbourávají na pyruvát. H
H
-
C
COO +
NH3
Glycin NADH + NH4+ + CO2 +
NAD+ + H3N
N5, N10- Methylen- THF
-
CH2
THF
COO
Glycin
HS
H
H2C
C
H -
COO
H3C
+
COO +
NH3
Cystein H2O
-
C
+ NH3
H
H2C
C +
NH3
Alanin
Serin 2- Oxoglutar� t Glutam� t
H3C
-
COO
NH3
R� zn� metabolick� dr� hy
(H2S, SO32- , SCN- )
HO
C
-
COO
O
Pyruv� t
NH3
Asp a Asn se odbourávají na oxaloacetát. O H2N
C
CH2
H
O
C
C
O
-
+
NH3
Asparagin
L- Asparaginasa NH4+ O -
O
C
CH2
H
O
C
C +
NH3
Aspart� t
O
-
Asp a Asn se odbourávají na oxaloacetát. O -
O
C
CH2
H
O
C
C
O
-
+
NH3
Aspart� t 2- Oxoglutar� t
Aminotransferasa Glutam� t O -
O
C
O CH2
C O
Oxaloacet� t
C
O
-
Arg, Glu, Gln, His a Pro se odbourávají na Glu a poté na 2oxoglutarát H
H
-
OOC
C
CH2
CH2
NH
C
+
NH2
-
+
NH3
NH2
Arginin
HC
++
OOC
Prolin
N H2
C
N
CH2
COO +
NH C H
-
C NH3
Histidin
1/ 2 O2 Mo� ovina
NH4+
H2O
H -
OOC
C + NH3
HC CH2
+ NH3
CH2
-
Arginin
+
OOC
N
N H
-
OOC
O
CH2
C
N
H
+ NH3
CH2
I midazol- 5- propion� t H2O
Glutam� t
OOC
C + NH3
O CH2
CH2
Glutamin
C
-
H -
NH2
H2O
-
COO
NH
2- Oxoglutar� t
-
CH2
C H
Glutam� t- 5- semialdehyd
H
-
COO
Urokan� t
H C
C
O
C
CH
H2O
H2O
2- Oxoglutar� t H
CH
NH C H
Pyrrolin- 5- karboxyl� t
Glutam� t
C
+
OOC
C
CH2
CH2
-
NH3
HN
COO
+ NH3
N5- Formimino- THF
Glutam� t NADP+
NADPH + NH3 -
OOC
C
CH2
CH2
O
2- Oxoglutar� t
-
COO
H C
OOC
THF
CH2
CH2
-
COO
NH C H
N- Formiminoglutam� t
Ile, Met a Val se odbourávají na sukcinyl-CoA H ATP + H2O
H H3C
S
CH2
CH2 C
Pi + PPi
H3C
+
S
CH2
CH2 C
+
NH3
CH2
-
COO
Adenosin
O
+ NH3
H
Methionin
-
COO
H
H
OH OH
OH
S- Adenosylmethionin (SAM)
Akceptor methylu Biosyntetick� methylace
N 5- Methyl- THF
Methylovan�akceptor H S
H HS
CH2
CH2 C
Homocystein
CH2 C
+
Adenosin
O Adenosin
H2O
-
COO
NH3
CH2
-
COO
+ NH3
CH2
H
H
OH
OH
H
OH
S- Adenosylhomocystein
Ile, Met a Val se odbourávají na sukcinyl-CoA. H HS
CH2
-
CH2 C
COO +
NH3
Homocystein Serin
5 H2O
H2O
H S
CH2
CH2 C
H H2C
C
-
+
-
H
6
COO
NH3 COO
NH3 H3C
Biosynt� za cysteinu
CH2
C
-
COO
+
HS
CH2 C
-
COO +
O
NH3
2- Oxobutyr� t
+
Cystein
CoA- SH + NAD+
NH3
Cystathionin
7 NADH + CO2 H3C
CH2
C
SCoA
O
Propionyl- CoA
8
9
10
-
OOC
CH2
CH2 C O
Sukcinyl- CoA
-
COO
Tetrahydrofolát jako transfer jednouhlíkatých štěpů. H H2N 2
HN
3
N
N
1
8
4
5
H 7 6
N H
O
H CH2 9
H
O
H
COO
N
C
N
CH
10
O CH2
CH2
H
2- Amino- 4- oxo- 6- methylpterin
p- Aminobenzoov� kyselina
Glutam� ty (n=1- 6)
Pteroov�kyselina Pteroylglutamov�kyselina (tetrahydrofol� t, THF)
C
OH
n
Oxidační stupně jednouhlíkatých skupin přenášených THF.
• Oxidační stupeň Přenášená skupina THF derivát
• Methanol • Formaldehyd 10 -methylen-THF • Mravenčany • • methenyl-THF
Methyl (-CH3)
N 5-methyl-THF
Methylen (-CH2-) Formyl (-CH=O) Formimino (-CH=NH) Methenyl –CH=)
N 5, N
N 5 (N 10)-formyl-THF N 5 –formimino-THF N 5,N 10-
Dva stupně redukce folátu na THF.
NADPH + H+ H2N
N
N
H
H
NADP+ H2N
HN
N
H
N 8
7
NADPH + H+
H2N HN
CH2
N
O R
H
Fol� t
H
7,8- Dihydrofol� t (DHF)
H
6
N H O
10 N
H
N
5
CH2
O 10 N
N
H
HN N
H
NADP+
R
CH2
H 10 N
H
5,6,7,8- Tetrahydrofol� t (THF)
R
Tvorba tetrahydrofolátů -
H2N
N
H N H
HO H2C
HN
H C
H
5
N -
COO
+
H3N
+ NH3
Serin
O
-
CH2
COO
NH
CH3
10
Serinhydroxymethyltransferasa
H2N
N
NADH + H+ H N
H
H HN
N O
CH2
Glycin + NAD+
COO
CO2 +
H
5
Glycinov�� t� pn�syst� m
H3N
R
NAD+
reduktasa
THF
-
N H
N 5- Methyl- THF
Glycin
N 5, N 10- Methylen- THF
+
jednouhlíkatý štěp.
H
NH4+
+ NADH
NH C H2
10
N
R
N 5, N 10- Methylen- THF NADP+
N 5, N 10- Methenyl- THF reduktasa
H2N
N
NADPH + H+ H N
H
H HN
H
5+
N
NH
+
O
C H
10
N
N 5, N 10- Methylen- THF
R
Tvorba folátů nesoucích jednouhlíkatý štěp.
THF Histidin
H2N
N
H N
H
HN
N 5- Formimino- THF
H
H
HN
10
C H
N
R
H2N
N 10- Formyl- THF
THF
synthetasa
N
ADP + Pi
HN
ATP H2N
H
N 10- Formyl- THF
5
N H
isomerasa
NH 10
N
R
H
H
H N
N
N H
R
ATP
H
H HN
H
5
N O
ADP + Pi
C
N 10- Formyl- THF
10
C HN
H
H
O
HCO2- + ATP ADP + Pi
H N
NH
N 5- Formimino- THF
H2O
cyklohydrolasa
H
5
O
NH3
N 5, N 10- Methylen- THF N 5, N 10- Methenyl- THF
H
N
NH
+
O
H N
N
H
cyklodeaminasa
5+
N
H2N
NH 10
C H
O
O
N 5- Formyl- THF
N H
R
Sulfonamidy kompetují s p-aminobenzoovou kyselinou při bakteriální syntéze THF. Antibakteriální chemoterapeutika.
O H2N
S
O NH
R
H2N
C
OH
O
Sulfonamidy (R=H, sulfanilamid)
p- Aminobenzoov�kyselina
Odbourávání větvených aminokyselin • Větvené aminokyseliny jako Ile, Leu a Val jsou v prvních třech krocích odbourávány společnými enzymy. • Transaminace na odpovídající α -oxokyseliny. • Oxidativní dekarboxylace na odpovídající acyl-CoA. • Dehydrogenace FAD za tvorby dvojné vazby. • Ostatní reakce jsou analogií oxidace mastných kyselin. • Dehydrogenasa větvených α −ketokyselin katalyzující druhou reakci je homologem pyruvátdehydrogenasy a αoxoglutarátdehydrogenasy. • Genetický nedostatek tohoto enzymu vede k onemocnění zvaném moč javorového syrupu. Moč obsahuje větvené α -ketokyseliny a zapáchá nebo voní jako javorový sirup.
Odbourávání Ile, Val a Leu H
R1 CH R2
-
C
COO +
NH3
(A) I soleucin: R1 = CH3-
, R2 = CH3- CH2-
(B) Valin:
R1 = CH3-
, R2 = CH3-
(C) Leucin:
R1 = H-
, R2 = (CH3)2CH-
2- Oxoglutar� t 1
Glutam� t R1 CH R2
COO
(A) 2- Oxo- 3- methylvaler� t (B) 2- Oxoisovaler� t (C) 2- Oxoisokapron� t
SCoA
(A) 2- Methylbutyryl- CoA (B) I sobutytryl- CoA (C) I sovaleryl- CoA
-
C O
NAD+ + CoA- SH 2
NADH + CO2 R1 CH R2
C O
Pokračování odbourávání Ile, Val a Leu R1 CH R2
C
SCoA
O
FAD 3 FADH2
(A)
(B)
(C) H3C
H3C
CH
C
C
CH3
O
SCoA
Tiglyl- CoA
H2C
C
C
CH3
O
SCoA
C H3C
Methylakrylyl- CoA
3 reakce
3 reakce
O H3C
SCoA
C
SCoA
Acetyl- CoA
Acetyl- CoA H3C
SCoA
O
4 reakce
O C
C
3- Methylkrotonyl- CoA
CoASH
H3C
CH
CH2
C
SCoA
O
Propionyl- CoA
Sukcinyl- CoA
CO2
O -
OOC
CH2
C
Acetoacet� t
CH3
Odbourávání Lys a Trp
• Odbouráváním lysinu v savčích játrech se tvoří acetoacetát a 2 CO2 přes adukt Lys s α -oxoglutarátem – sacharopin. • Celé odbourávání zahrnuje celkem jedenáct dílčích reakcí. • Lys a Leu jsou jediné dvě aminokyseliny, které jsou ketogenní. • Tryptofan se odbourává na Ala a acetoacetát. První čtyři reakce jsou katalyzovány kinureninasou jejíž PLP koenzym umožňuje štěpení vazby Cβ – Cγ za uvolnění Ala. Zbylý Trp skelet je převeden v pěti reakcích na α -ketoadipát, který je také meziproduktem odbourávání Lys. α -Ketoadipát je štěpen na 2 CO2 a acetoacetát v sedmi následných reakcích.
Odbourávání Trp- kinureninasa
H C
CH2
O -
C
COO
C 1
+
NH3 N H
Tryptofan
H CH2 O
NH
-
C
COO +
NH3
CH
O2
N- Formylkynurenin
Odbourávání Trp- kinureninasa
O C
H CH2 O
NH
O -
C
COO
C
CH2
2
+
NH3
H2O
-
C
COO +
NH3
CH
N- Formylkynurenin
H
HCOO-
NH2
Kynurenin
Odbourávání Trp- kinureninasa
O C
H CH2
O -
C
COO +
NH3 NH2
Kynurenin
C 3
H CH2
-
C
COO +
NH3
O2 + NADPH H2O + NADP+ OH
NH2
3- Hydroxykynurenin
Odbourávání Trp- kinureninasa
O C
H CH2
COO-
-
C
COO +
NH3 NH2 OH
3- Hydroxykynurenin
H
4 NH2
H2O
+
H3C
-
C
COO +
OH
3- Hydroxyanthranil� t
NH3
Alanin
Další reakce odbourávání Trp COOH
+
NH2
H3C
-
C
COO +
NH3
OH
3- Hydroxyanthranil� t
Alanin
5 reakcﾴ
O
7 reakc￭ -
OOC OOC
H3C O
2- Oxoadip� t
C
CH2
Acetoacet� t CO2
CO2
-
COO
Fenylalanin a tyrosin se odbourávají na fumarát a acetoacetát Keto i glukogenní • První reakce degradace Phe je hydroxylace fenylalaninu na tyrosin. Poté je dráha degradace společná s Tyr. • Enzym - fenylalaninhydroxylasa kofaktory jsou biopterin a pterin.
(obsahuje
Fe3+),
• Pteriny jsou sloučeniny obsahující pteridinový heterocyklus. Je jistá podobnost mezi pteridinovým kruhem a isoalloxazinovým flavinových koenzymů. Foláty také obsahují pterinový kruh !! • Pteriny se podílejí na biologických oxidacích. Aktivní formou je plně redukovaný 5,6,7,8-tetrahydrobiopterin, tvořící se redukcí 7,8-dihydropterinu NADPH dihydrofolátreduktasou!
Podobnost mezi pteridiny, isoalloxaziny, biopteriny a foláty H N
N
O
N
N N
N
N
C
B
H
O
A H
O
I soalloxazin
R=
N
O
Pterin (2- amino- 4- oxopteridin)
R
H
H
C
C
N
CH3
OH
OH
CH3
COO-
O
Fol� t R=
CH3
Flavin
N
N
N
O
Biopterin H
N
N
N
Pteridin
H2N
N
R
CH2
N H
C
N H
C H
CH2
CH2
COO-
Tvorba, využití a regenerace 5,6,7,8-tetrahydrofolátu H H H2N
N
N 8
N
5
H
H 7 6
N O
H
H
C
C
OH
OH
CH3
7,8- Dihydrobiopterin (BH2) NADPH + H+ Dihydrofol� treduktasa
O2
NADP+
+
H H H2N
N
N 8
N
NAD(P)+
5
H
H
H 7 6
N
H
H
C
C
OH
OH
H
H
H
CH3
H O
CH2
-
C
COO +
NH3 H
H
Fenylalanin
5,6,7,8- Dihydrobiopterin (BH4) Dihydropteridinreduktasa
Fenylalaninhydroxylasa
H H
NAD(P)H
H
N
H
H H
HN
N
H H2N
H H
H
C
C
OH
OH
N
N
N
HO
H H
H
N H O
7,8- Dihydrobiopterin (chinoidn�forma) H2O
CH3
N
C
C
O O
H H
H
OH OH
Pterin- 4a- karbinolamin Pterin- 4a- karbinolamin dehydratasa
CH2
-
C
COO +
NH3
N
H
H
CH3
H
H
Tyrosin
Odbourávání fenylalaninu (fenylalaninhydroxylasa) Tetrahydrobiopterin + O2 H CH2
H
Dihydrobiopterin + H2O -
C
COO
HO
CH2
+
-
C
COO +
NH3
NH3
Fenylalanin
Tyrosin 2- Oxoglutar� t Glutam� t
HO
CH2
-
C
COO
O
p- Hydroxyfenylpyruv� t Askorb� t + O2 Dihydroaskorb� t + H2O + CO2 -
OOC H
C C
OH
H -
+
H3C
COO
C
-
CH2
COO
HO
O
Fumar� t
Acetoacet� t
CH2
-
COO
Homogentis� t O2
-
OOC
C
H
H
C
C O
H2O
CH2
C
CH2
O
4- Fumarylacetoacet� t
-
COO
-
H
C
COO
H
C
C O
CH2
C
CH2
O
4- Maleylacetoacet� t
-
COO
Fenylketonurie a alkaptonurie – poruchy odbourávání Phe • Alkaptonurie se projevuje vylučováním velkého množství homogentisové kyseliny močí, která na vzduchu tmavne. Jedná se deficit homogentisátdioxygenasy. • Fenylketonurie – defekt hydroxylace Phe, zvýšená hladina Phe v krvi (hyperfenylalaninemie) a v moči fenylpyruvát jako produkt transaminace Phe. Pokud není po narození dítěte onemocnění zachyceno, dědičné onemocnění, a neléčeno, dochází k mentální retardaci. Dieta prostá fenylalaninu. Mimo jiné se nesmí sladit Aspartamem, umělé sladidlo (Asp-Phe-methyl ester).
CH2
C O
Fenylpyruv� t
-
COO
Biosyntéza aminokyselin • Mnohé aminokyseliny jsou syntetizovány metabolickými drahami, které jsou přítomné jen u rostlin a mikroorganismů. • Tyto aminokyseliny jsou nutné pro život savců a – nazývají se esenciální. • Ostatní aminokyseliny, které si savci syntetizují sami se nazývají neesenciální. • Všechny neesenciální aminokyseliny, kromě Tyr, se syntetizují ze společných metabolických meziproduktů: pyruvátu, oxaloacetátu, α -oxoglutarátu a 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 • • • • • • • • • • •
Neesenciální.
Arginina Alanin Histidin Asparagin Isoleucin Aspartát Leucin Cystein Lysin Glutamát Methionin Glutamin Fenylalanin Glycin Threonin Prolin Tryptofan Serin Valin Tyrosin a Savci syntetizují Arg v močovinovém cyklu, většina se však štěpí na močovinu a ornithin (děti).
Aminokyseliny Ala, Asp, Asn, Glu, Gln jsou syntetizovány z pyruvátu, oxaloacetátu a α -oxoglutarátu. O
H3C
O
O -
C
COO
C -
Pyruv� t
CH2
Aminokyselina
Aminotransferasa
H3C
-
COO +
NH3
CH2
CH2
-
CH2
3
2- Oxokyselina
O
COO
C
CH2
-
CH2
+
Glutam� t Glutamin
ATP
Glutaminsynthetasa
ATP
ADP
Glutam� t
H
O C
2-
CH2
C
CH2
CH2
-
C
O3PO
COO +
NH3
H C
H2N
5
4
AMP + PPi
O
COO
NH3
Aspart� t
Asparaginsynthetasa
-
C
O
+
NH3
Alanin
H
O -
C
COO
Aminokyselina
Aminotransferasa
H C
-
C
2- Oxoglutar� t
O
2- Oxokyselina O
C
C -
2
2- Oxokyselina H
COO
Aminokyselina
Aminotransferasa
1
-
C
Oxaloacet� t
O
O
O
t - Glutamylfosf� (meziprodukt)
-
COO
+ NH3
5
Asparagin
NH4+ Pi H
O C
CH2
CH2
H2N
-
C
COO +
NH3
Glutam� t
Syntéza Glutaminu a Asparaginu • Zdrojem α -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. Mezproduktem je γ -glutamylfosfát (aktivovaný Glu). Poté NH4+ nahradí fosfát za tvorby Gln. • Syntézu Asn katalyzuje asparaginsyntetasa. aminoskupiny je Gln a ATP se štěpí na AMP + PPi.
Zdrojem
• Gluatminsynthetasa hraje centrální roli v metabolismu dusíku ! • Gln je zdrojem dusíku pro řadu biosyntetických drah.
Glutamát je prekurzorem Pro, Orn a Arg H
O C
CH2
-
CH2
-
C
O
COO +
NH3
Glutam� t ATP 1
ADP H
O C
2-
CH2
CH2
-
C
O3PO
COO +
NH3
Glutam� t- 5- fosf� t NAD(P)H 2
NAD(P)+ Pi H
O C H
CH2
CH2
-
C
COO +
NH3
Glutam� t- 5- semialdehyd
Glu je prekurzorem Pro, Orn a Arg Glutam� t
H
O C
CH2
CH2
H
2- Oxoglutar� t
-
C
COO
+ NH3
H2N
5
H
CH2
HC
-
COO
NAD(P)H 4 +
NAD(P) H2C
CH2
C
C H
H
Ornithin
Mo� ovinov�cyklus
- Pyrrolin- 5- karboxyl� t �
H
N H
COO
3
C H
N
-
C +
CH2
H2C
CH2
NH3
Glutam� t- 5- semialdehyd Samovoln�cyklizace
CH2
-
COO
Prolin
H
+
H2N
C H2N
N H
CH2
CH2
CH2
-
C
COO +
NH3
Arginin
Prekurzorem Ser je 3-fosfoglycerát
-
COO H
C CH2
NAD+
NADH
OH
-
COO C
2-
OPO3
3- Fosfoglycer� t
1
CH2
-
COO
Glutam� t 2- Oxoglutar� t +
O
H3N 2-
OPO3
3- Fosfohydroxypyruv� t
2
C CH2
Pi
H
HO 2-
OPO3
3- Fosfoserin
H
3
CH2
-
C
COO +
NH3
Serin
Syntéza 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 α -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 reakce produkující také N 5 , N 10 –methylen -THF. • Druhou drahou vedoucí ke Gly je přímá kondnzace N 5 , N methylen –THF s CO2 a NH4+ za katalýzy glycinsynthasou.
10
–
Syntézy esenciálních aminokyselin • Esenciální aminokyseliny jsou syntetizovány ze stejných prekurzorů jako neesenciální, ale metabolické dráhy jejich syntézy jsou přítomny pouze u mikroorganismů a rostlin. • Enzymy jejich syntézy u živočichů se ztratily během evoluce, protože aminokyseliny byly dostupné v potravě. • • • •
Skupina aspartátu: Lys, Met a Thr. Skupina pyruvátu: Leu, Ile a Val. Skupina fosfoenolpyruvátu a erythrosa-4-fosfátu: Phe, Tyr a Trp. 5-Fosforibosyl-α -pyrofosfát(PRPP): His.
• Syntézy jsou mnohastupňové. Věnujeme se jen syntéze aromatických aminokyselin v souvislosti se syntézou aromatického benzenového cyklu.
Syntéza Phe, Tyr, a Trp Fosfoenolpyruv� t (PEP)
2-
O
PO3
C
COO
-
Pi
CH2 O
+
-
O
H
COO C CH2
1
C
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2
2-
OPO3
CH2
Erythrosa- 4- fosf� t
2- Oxo- 3- deoxyarabinoheptuloson� t7- fosf� t
-
COO
NH2
6 reakcﾴ
COO
Pyruv� t + glutam� t
-
2-
OPO3
OOC
CH2
Glutamin O
C
H HO
H
Chorism� t
C O
CH2
2
Anthranil� t
-
-
COO
5 HO
H
Prefen� t
-
COO
Syntéza Phe, Tyr a Trp -
-
COO
-
COO
Pyruv� t + glutam� t
CH2
O
2
C
-
5
H
Anthranil� t
-
COO
COO
H HO
C O
CH2
Glutamin
NH2
OOC
HO
Chorism� t
H
Prefen� t 2 reakce
2 reakce
H CH2
H -
COO
C
CH2
+
3 reakce
+
NH3
OH
-
COO
C NH3
Tyrosin
Fenylalanin
H OH
OH
C
C
H
H
Glyceraldehyd- 3- fosf� t CH2
H2O
-
C
COO +
2OPO3
NH3 3
N H
N H
I ndol- 3- glycerol- fosf� t
Serin
CH2
I ndol
4
N H
Tryptofan
Syntéza His. • Pět atomů ze šesti histidinových má původ v 5-fosforibosylα -pyrofosfátu. 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 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. • Všechny C a N atomy hemu mají původ v acetátu a Gly. • Syntéza probíhá částečně v mitochondrii a částečně v cytosolu. • Prekurzory jsou sukcinyl-CoA a Gly. • Dvě hlavní místa syntézy hemu jsou erythroidní buňky syntetizující asi 85 % hemu a játra syntetizující zbytek. • V játrech reguluje syntézu hemu δ -aminolevulinátsythasa, kterou zpětnovazebně inhibuje hem nebo hemin (Fe3+). • V erythroidních buňkách jsou limitující enzymy
Tvorba δ -aminolevulinátu a porfobilinogenu A=acetyl, P=propionyl, M = methyl a V=vinyl(-CH=CH2) MI TOCHONDRI E
CI TR�TOV� CYKLUS
M
V
HC
CH
O -
OOC
CH2
CH2
C
M
SCoA
-
CH2
COO
V
H N HC
Fe2+
Ferrochelatasa
Glycin
CH
Porfyrinogenoxidasa
+
2H
tsynthasa - Aminolevulin�
N
P
+
+
M
N
Sukcinyl- CoA H3N
N H
P
M
Protoporfyrin I X
CO2
M
V
M
V
O -
OOC
CH2
CH2
C
CH2
NH2
HC
- Aminolevulinov�kyselina
CH +
M
+
N
Fe
M
-
CH2
H2C
CH2
CYTOSOL N H
M
Hem
H2C H
CH
P
Porfobilinogen (PBG)
M
NH V
HC
COO OOC
M
HN
P
V
H N
N
ALA
-
CH2 N H
N
P
Porfobilinogensynthasa
H2C
N
H2C
CH2
P
M
Protoporfyrinogen I X
Část syntézy hemu lokalizovaná v cytosolu. A=acetyl, P=propionyl, M = methyl a V=vinyl(-CH=CH2) MI TOCHONDRI E
M
V
O -
OOC
CH2
CH2
C
CH2
H2C
NH2
- Aminolevulinov�kyselina
CH2 N H
M
HN
P
CH2
P -
OOC
CH2
H2C
CH2
M
Protoporfyrinogen I X
COO -
V
H N H2C
ALA Porfobilinogensynthasa
M
NH
2 CO2
Koproporfyrinogenoxidasa
CYTOSOL H2C H
Porfobilinogendeaminasa
N H
A
Porfobilinogen (PBG)
P
M
H2C
4 NH3
CH2 N H
A
Uroporfyrinogendekarboxylasa A
NH
H2C
M
P CH2
P
M
NH
H N H2C
CH2 N H
HN
Uroporfyrinogen I I I deaminasa P
P
A
Uroporfyrinogen I I I
HN
P
4 CO2
P
H N H2C
CH2
P
M
Koproporfyrinogen I I I
Degradace hemu. Biliverdin – zelený lineární tetrapyrrol. (P = propionyl, M = methyl, V = vinyl(-CH=CH2) a E = ethyl). M
V
N +
M
+
N
Fe
M
N
P
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
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
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
M
M
V
A CH
O
N H
Bilirubin 8H Mikrobil� n�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
Sterkobilin je barvivo výkalů a urobilin moči.
M
E
M H
B O
N H
H
P
P
C
H
D C H2
N H
H
M
M
N H
H
A H
2H
Mikrobil� n�enzymy (tlust�st� evo) M
E
O
M
P
P
M
M
H
E
H
M
E
(ledviny)
M
P
P
M
M
E
H
B
H
C
D
H
A
N H
C H2
N H
N
C H2
N H
Sterkobilin
O
N H
Urobilinogen
2H
H
E
O
O
B
H
C
D
H
A
N H
C H2
N H
N
C H2
N H
Urobilin
O
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
seln�kyselina (GABA) - Aminom� N H
Serotonin (5- hydroxytryptamin)
CH2
N
CH2
NH
Histamin
+
NH3
Biosyntéza těchto aminů zahrnuje dekarboxylaci příslušné aminokyseliny. Dekarboxylasy aminokyselin mají jako koenzym PLP.
H R
C
H
O3PO
C -
O
N C
2-
O
+
H -
H2C
O +
+
N H
CH3
Katecholaminy. Dopamin, noradrenalin, adrenalin • Katecholaminy jsou syntetizovány z Tyr hydroxylací za tvorby dihydroxyfenylalaninu • (L-DOPA)-prekurzor melaninu. • L-DOPA je dekarboxylován na dopamin. • Další hydroxylace vede k noradrenalinau. • Posledním stupněm je methylace aminoskupiny noradrenalinu • S-adenosylmethioninem za vzniku adrenalinu.
OH OH
Katechol
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
Syntéza dopaminu. L-DOPA je prekurzor kožního pigmentu melaninu. HO H
C HO
CH2
COO-
C
Melanin
+
NH3
Dihydroxyfenylalanin (L- DOPA) Dekarboxylasa aromatick� ch kyslin
2
CO2
HO C HO
CH2
Dopamin
CH2
+
NH3
Převedení dopaminu na noradrenalin
Askor� t + O2
HO
Dehydroaskorb� t + H2O
C HO
HO
CH2
CH2
+
NH3
3
Dopamin- - hydroxylasa Dopamin
HO
C
OH C
CH2
H
Noradrenalin
+
NH3
Metylace noradrenalinu – adrenalin
S- Adenosyl- methionin
HO C HO
S- Adenosyl- homocystein C
OH C
HO
CH2
H
Noradrenalin
+
NH3
4
HO
Fenylethanolamin- N- methyltransferasa
OH C
CH2
H
Adrenalin
NH
CH3
Oxid dusný – NO • Arginin je prekurzorem původně nazvaného „v endotheliu utvořený relaxační faktor“ (endothelium-derived relaxing factor EDRF). Způsobuje relaxaci hladkého svalstva. • Tímto faktorem je oxid dusnatý 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. • Enzymem tvorby NO je NO-synthasa (NOS). OH H2N
+
C
NH2
H2N
NADPH + O2
NH
OH
N
H2N
C NH
1/ 2 NADPH + O2
+
NADP + H2O
CH2
+
H3N
N C NH
+
1/ 2 NADP + H2O
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
C
COO
-
+
H3N
C
COO
-
+
H3N
C
+
COO
H
H
H
L- Arginin
L- Hydroxyarginin
L- Citrulin
-
NO
Fixace dusíku • Nejdůležitějšími prvky živých systémů jsou O, H, C, N a P. • Prvky O, H a P jsou snadno dostupné v metabolicky vhodných formách (H2O, O2 a Pi). Hlavní formy C a N , CO2 a N2, jsou extrémně stabilní (nereaktivní). Vazebná energie trojné vazby dusíku je 945 kJ.mol-1 (např. ve srovnání s vazbou C – O, 351 kJ.mol-1). • Oxid uhličitý je, kromě několika výjimek, metabolizován (fixován) fotosyntetickými organismy. • Dusík je metabolizován (převeden na metabolicky využitelné formy) jen několika kmeny bakterií zvaných diazotrofy. • Mezi diazotrofy patří některé mořské cyanobakterie a bakterie kolonizující kořenové hlízy bobovitých rostlin jako
Nitrogenasová reakce. • Diazotrofy obsahují enzym nitrogenasu, která katalyzuje reakci: N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP + 16 H2O → 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi • 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.
Nitrogenasa • 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, α 2β 2 heterotetramer obshující Fe a Mo. 2 ADP + 2 Pi (Ferredoxin) (Fe- protein) (MoFeprotein) red N +8 H Schéma toku elektronů při nitrogenasové reakci: red ox
+
2
Fotosynt� za nebo oxidativn� elektronov� transport (Ferredoxin) ox
(Fe- protein) red
(MoFe- protein) ox 2 ATP
8x
2 NH3 + H2
Energetická náročnost redukce N2 • Redukce N2 probíhá v FeMo-proteinu ve třech oddělených stupních. V každém se uplatňuje jeden elektronový pár.
2 H+ + 2 e-
2 H+ + 2 e-
2 H+ + 2 eH
N
N
H
N
N
H
N H
Molekul� rn�dus� k
Diimin
H
2 NH3
N H
Hydrazin
Amoniak
Cyklus dusíku v biosféře • Některé bakterie produkují dusitany (nitrit, NO2-) a poté dusičnany (nitrát, NO3-) oxidací NH3 v procesu zvaném nitrifikace. • Řada organismů převádí nitráty zpět na N2 v procesu zvaném denitrifikace. • Nitráty jsou rostlinami, plísněmi a mnoha bakteriemi redukovány na NH3 v procesu zvaném amonifikace. • Nitrátreduktasa katalyzuje dvouelektronovou nitrátu na nitrit: NO3- + 2 H+ + 2 e- → NO2- + H2O • Nitritreduktasa převádí nitrit na amoniak: NO2- + 7 H+ + 6 e- → NH3 + 2 H2O
redukci
Cyklus dusíku v biosféře DENI TRI FI KACE
N2
-
NO3
Nitr� t
FI XACE DUS� KU
Nitrogenasa
Nitr� treduktasa
-
NO2
Nitrit Nitritreduktasa
NH3 Odbour� n�
Asimilace
BI OMOLEKULY OBSAHUJ � C�DUS� K
NI TRI FI KACE
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. • U mikroorganismů je vstupní reakcí fixovaného dusíku glutaminsynthetasa. Glutaminsynthetasa má jako substrát Glu. • Co je zdrojem dusíku v Glu? • U bakterií a rostlin, ale ne u živočichů, je to enzym glutamátsynthasa:
Reakční mechanismus glutamátsynthasy (Tři aktivní místa). NH3 putuje kanálkem do podjednotky 2 kde reaguje s α oxoglutarátem. Podjednotka - m�sto 3 H
O C
CH2
CH2
-
C
COO
+
H2O
+
H2N
Glutamin
H
O
NH3
3
NH3
H+
+ -
C
CH2
CH2
-
C
COO +
O
NH3
Glutam� t
sto 2 Podjednotka - m� O -
OOC
4
CH2
CH2
-
C
COO
2- Oxoglutar� t - OOC
CH2
CH2
COO-
C
+
H2O
NH
t - I minoglutar�
sto 1 Podjednotka - m�
NADPH + H+
FAD
1 +
NADP
+
FMNH2
H
2 FADH2
5 FMN H -
OOC
CH2
CH2
-
C
COO +
CELKOV� REAKCE: NADPH + H+ + GLUTAMI N + 2- OXOGLUTAR�T
Glutam� t
NH3
2 GLUTAM�T + NADP+
Sumární výsledek asimilace dusíku
• Sumární výsledek glutaminsythetasové a glutamásynthasové reakce: α -Oxoglutarát + NH4+ + NADPH + ATP → glutamát + NADP+ + ADP + Pi • Kombinací těchto dvou enzymových reakcí je asimilován fixovaný dusík (NH4+) do organické sloučeniny (α -oxoglutarát) za tvorby aminokyseliny glutamátu. • Jednou asimilovaný dusík v glutamátu, může být využit k syntéze dalších aminokyselin transaminací !!
