mezioborová integrace výuky zaměřená na rostlinnou biochemii a fytopatologii CZ.1.07/2.2.00/28.0171
Obecný metabolismus.
Biosyntéza aminokyselin (11). Prof. RNDr. Pavel Peč, CSc. Katedra biochemie, Přírodovědecká fakulta UP, Olomouc
Základní schéma vstupu dusíku do metabolismu.
COO
-
H2C CH2 +
H3N N2
NH3
H
COO Glutamát
-
Fixace dusíku. Dusík aminokyselin, purinů, pyrimidinů a všech dalších biomolekul má původ ve vzdušném dusíku. Fixace dusíku spočívá v redukci N2 na HH3 – fixace dusíku. Vazba mezi atomy dusíku je extrémně silná, vazebná energie je 940 kJ/mol. Vyšší organismy nejsou schopné fixovat dusík. Schopnost fixace mají některé bakterie a archaea. Symbiotická Rhizobia na kořenech bobovitých rostlin fixují dusík a zásobují NH3 bakterie i rostliny. Podstatné pro všechny vyšší eukaryotní organismy jsou diazotrofní (dusík vážící) mikroorganismy, které ročně váží 1011 kg, což je 60% nově fixovaného dusíku na Zemi. Blesky a UV světlo poskytují dalších 15% a zbylých 25% je průmyslová výroba (Haberova metoda, směs N2 a H2 za katalýzy Fe, při teplotě 500oC a tlaku 300 atm). ).
Fixace dusíku. Tvorba NH3 z N2 u mikroorganismů probíhá na nitrogenasovém komplexu. Nitrogenasový komplex je složen ze dvou částí. Reduktasa – zdroj elektronů s vysokým redukčním potenciálem. Nitrogenasa – využívá tyto elektrony k redukci N2 na NH3. Nitrogenasový komplex musí být chráněn před O2. Bobovité rostliny mají velmi nízkou koncentraci kyslíku v nodulech, protože kyslík váží na leghemoglobin, analog hemoglobinu. Redukce N2 na NH3 je šestielektronový proces. Biologická redukce produkuje 1 mol H2 vedle dvou molů NH3 z jednoho molu N2 a proto spotřebuje 8 elektronů: N2 + 8 e- + 8 H+ 2 NH3 + H2 Osm potřebných elektronů má původ z redukovaného ferredoxinu (fotosyntéza) nebo z oxidativní fosforylace.
Fixace dusíku. Pro přenos každého elektronu jsou nutné 2 molekuly ATP: N2 + 8 e- + 8 H+ + 16 ATP + 16 H2O 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
Hydrolýza ATP je využita k překonání aktivačních bariér (kinetická průchodnost) spíše než k termodynamické schůdnosti reakce. Obě komponenty - reduktasa i nitrogenasa jsou proteiny železo-síra (klastry – transfer elektronů). Reduktasa je homo dimer dvou identických jednotek (30 kD) vázaných 4Fe – 4S klastrem. Nitrogenasa je a2b2 tetramer (240 kD), obsahuje Mo a proto MoFe protein + 3Fe – 3S klastr.
Fixace dusíku.
Elektrony redukov aný ferredoxin ATP
ADP + Pi N2
Reduktasa (Fe protein)
Nitrogenasa (MoFe protein) NH3
Asimilace amoniaku do aminokyselin. Aminokyseliny glutamát a glutamin hrají hlavní roli v přenosu dusíku na další aminokyseliny. Biosyntéza glutamátu - katalýza glutamátdehydrogenasa: NH4+ + a-oxoglutarát + NADPH + H+ glutamát + NADP+ + H2O Reakce probíhá ve dvou stupních. Nejdříve se vytváří Schiffova báze mezi aminem a karbonylem, která je posléze redukována hydridovým iontem z NADPH: O COO
-
+
NH2
H2O COO
a - Oxoglutarát
-
+
+ NH4
COO
-
NAD(P)H NAD(P)+
COO
+
H3N -
COO
H
-
Glutamát
COO
-
Asimilace amoniaku do aminokyselin. Redukce Schiffovy báze NADPH vede k stereochemické konfiguraci na a uhlíku S (absolutní konfigurace) a L isomer !! Glutamát může přijímat další amoniak za katalýzy glutaminsynthetasou a tvorby glutaminu. +
H3N COO
-
Glutamát
ATP
H COO
-
ADP
COO
O
+
H
NH3 -
O
P O
O -
O acylfosfátový meziprodukt
-
NH3
Pi
+
H
NH3
COO
NH2
-
O glutamin
Glutamátdehydrogenasa a glutaminsynthtasa jsou enzymy přítomné ve všech organismech.
Asimilace amoniaku do aminokyselin. Většina prokaryot má enzym glutamátsynthasu, který katalyzuje redukční aminaci oxoglutarátu na glutamát: a – Oxoglutarát + glutamin + NADPH + H+ 2 glutamát + NADP+ Za nedostatku NH4+ je většina glutamátu syntetizována za katalýzy glutaminsynthtasy a glutamátsynthasy: NH4+ + a-oxoglutarát + NADPH + ATP glutamát + NADP+ + ADP + Pi Tato cesta je náročnější na energii, ale prokaryota ji využívají, protože Km glutamátdehydrogenasy pro NH4+je vysoké ( 1 mM) a enzym není při nízkých hladinách NH4+ saturován. Glutaminsynthasa má naopak vysokou afinitu k NH4+. Potřebná je však hydrolýza ATP.
Uhlíkatý skelet aminokyselin. Biosyntéza uhlíkaté kostry aminokyselin má šest společných metabolických drah: Uhlíkatý skelet má původ v meziproduktech glykolýzy, pentosafosfátové dráhy nebo citrátového cyklu. Oxaloacetát
Pyruv át
Alanin Valin
Aspartát
Leucin
Ribosa - 5 - fosfát
Asparagin Methionin
Threonin
Lysin Histidin
Isoleucin
Uhlíkatý skelet aminokyselin.
3 - Fosfoglycerát
Fosfoenolpyruv át + Erythrosa - 4 - fosfát
Serin Fenylalanin
Tyrosin
Tryptofan
Glycin Tyrosin
a - Oxoglutarát
Glutamát
Glutamin Prolin
Leucin
Cystein
Esenciální a neesenciální aminokyseliny. Většina mikroorganismů syntetizuje všech 20 proteinogeních aminokyselin. Člověk jen 9. Aminokyseliny, které musí být přijímány v potravě se nazývají esenciální. Ostatní neesenciální. Arginin syntetizovaný v močovinovém cyklu je dostatečný pro dospělého člověka, ale ne pro dítě. Deficit, dokonce jen jedné aminokyseliny, má za výsledek negativní dusíkovou bilanci. Syntéza neesenciálních aminokyselin je jednoduchá, kdežto biosyntéza esenciálních je složitá. V průměru je třeba deseti stupňů.
Aminokyseliny esenciální a neesenciální. Neesenciální Alanin Arginin Asparagin Aspartát Cystein Glutamát Glutamin Glycin Prolin Serin Tyrosin
AMINOKYSELINY
Esenciální Histidin Isoleucin Leucin Lysin Methionin Fenylalanin Threonin Tryptofan Valin
Biosyntéza aminokyselin transaminací. Tři oxokyseliny - a-oxoglutarát (glutamát), oxaloacetát (aspartát) a pyruvát (alanin) lze převést na aminokyseliny transaminací. Donorem aminoskupiny je glutamát. Prosthetickou skupinou aminotransferas je pyridoxalfosfát (PLP). Asparagin: Aspartát + NH4+ + ATP asparagin + AMP + PPi + H+ U savců je donorem aminoskupiny asparaginu spíše glutamin než NH4+, což je typické pro bakterie. Motiv hydrolýzy glutaminu má obecnější platnost při biosyntézách. Glutamát je prekurzorem glutaminu, prolinu a argininu.
Mechanismus transaminace při biosyntéze. enzym R +
NH
OPO3
O
2-
NH3
O
H
-
OPO3
-
R
+
H
Glu 2 - oxoglutarát
COO
O
2-
OPO3
O
2-
+
+
+
N CH3 H Pyridoxaminfosfát (PMP)
N CH3 H Interní aldimin
NH
H
-
-
+
H
H2 0
COO
N H
-
CH3 Ketimin
+
H H R
COO
-
R
+
H
COO
-
R
NH3
+
H
L - Aminokyselina
OPO3
H
NH
O
2-
-
OPO3 +
N CH3 H Externíaldimin
2-
COO +
NH
O
-
N CH3 H Chinoidní meziprodukt
-
Chiralita všech aminokyselin. Nejdůležitějším krokem při transaminaci je protonizace chinoidního meziproduktu za vzniku externího aldiminu. U všech aminotransferas jsou zakonzervována dvě rezidua. Lys tvořící Schiffovu bázi s PLP a arginin, který vstupuje do interakce s a-karboxylátovou skupinou ketokyseliny. Chiralita tvořených aminokyselin je dána směrem odkud je tento proton přidán na chinoidní formu. Interakce mezi stabilním (konzervovaným) Arg a akarboxylátovou skupinou napomáhá orientaci substrátu tak, že proton z lysinového zbytku vstupuje na chinoidní meziprodukt ze spodní strany za tvorby aldiminu s L-konfigurací na Ca místě.
Glutamát – prekurzor prolinu a argininu. g-Karboxyl Glu reaguje s ATP za tvorby acylfosfátu (směsný anhydrid), který je redukován NADPH na semialdehyd. Semialdehyd se cyklizuje (ztráta H2O) na D1-pyrrolin-5karboxylát, který poskytne po redukci prolin. Semialdehyd může být podroben transaminaci za tvorby ornithinu a ten v několika stupních převeden na arginin. O O COO
+
COO Glutamát
-
O
+
O
ADP+ Pi
+
H
P O
-
ATP
H3N
-
H3N
O
+
H COO
H
Pi H + NADPH NADP
-
Acylfosfát (meziprodukt)
H3N
H COO
-
Glutamát - g - semialdehyd
3-Fosfoglycerát – prekurzor serinu, cysteinu a glycinu. 3- Fosfoglycerát, meziprodukt glykolýzy, je prekurzorem serinu, cysteinu a glycinu. Serin je prekurzorem cysteinu a glycinu. Konverze serinu na cystein vyžaduje substituci atomu kyslíku za atom síry. Donorem je methionin. Při tvorbě glycinu je methylenová skupina serinu přenesena na tetrahydrofolát. Serin + tetrahydrofolát glycin + N 5,N 10-methylentetrahydrofolát + H2O O
O O
-
O NAD+ NADH + H+ O
P
H
COO
-
3 - Fosfoglycerát
-
P
O Glu 2 - oxoglutarát O -
-
O OH
O OH O 2
-
O
+
O COO
-
P
-
H3N
O H
COO
HO
Pi +
-
3 - Fosfoserin
H3N
H COO
Serin
-
Tetrahydrofolát (THF).
H2N
N N OH
H N 5 N H
H
HN 10
Pteridin
O
H N
p - Aminobenzoan
O
H
COO
-
H
COO
-
COO NH n n=0-4 Glutamát
-
Jednouhlíkaté skupiny. Tetrahydrofolát (THF), také tetrahydropteroylglutamát, je nositelem aktivovaných jednouhlíkatých skupin. Savci syntetizují pteridinový kruh, ale nespojí ho s ostatními dvěma v THF. Získávání THF z potravy nebo ho produkují střevní mikroorganismy. Jednouhlíkatá jednotka je vázána v poloze N-5 nebo N-10 (označeno N 5 a N 10) nebo na obě. Nejvíce redukovanou jednouhlíkatou skupinou je methyl. Vyšší oxidační stav mají formyl, formimino nebo methenyl. Plně oxidovaná jednouhlíkatá skupina je karboxyl, který je přenášen biotinem. Jednouhlíkaté skupiny přenášené THF jsou mezi sebou vzájemně převoditelné.
Přeměny jednouhlíkaté skupiny navázané na tetrahydrofolát (THF). H N
Pyr
Pyr THF
5 N H
Ser
H N
Gly Pyr
CH2 H Pyr HN
N
10
NADPH
N H H
H N
Pyr
NH3
CH2 H +
N
Pyr N
CH
R
Pyr
CH2 H
ATP
Pyr C O
HN H
R
R
H N
Pyr
CH2 H
N ADP + Pi
H N
N
Pyr R
O
CH2 H
+
ADP + Pi H2O
H N
CH3 HN
R NADP
CH2 H Pyr
N
Mrav enčan+ ATP
H N
+
Pyr
H2C
R
Pyr
+
NADPH + H NADP Pyr CH2 H
CH HN
HN R
Jednouhlíkaté skupiny. Alternativní syntéza glycinu z CO2 a NH4+ za katalýzy glycinsynthasy (v opačném směru glycin štěpící enzym): CO2 + NH4+ + N 5,N 10-THF + NADH
glycin + THF + NAD+
Hlavním zdrojem jednouhlíkatých jednotek je přeměna serinu na glycin. Produktem je N 5,N 10-methylenTHF. Prekurzorem serinu je 3-fosfoglycerát (meziprodukt glykolýzy). Jednouhlíkaté skupiny jsou tak produkty sacharidů.
S-Adenosylmethionin (SAM). THF má methylskupinu navázanou v poloze N-5 její potenciál přenosu není dosti vysoký pro většinu biosyntéz. Funkci aktivovaného methylu plní S-adenosylmethionin (SAM). +
H3N
+
COO
-
H
H3N
COO
-
NH2
H N +
ATP
+ Pi + PPi +
S
S CH3
Methionin
N
H3C
N O
N
OH OH S - Adenosylmethionin (SAM)
S-Adenosylmethionin (SAM). Po transferu methylu na substrát přejde SAM na S-adenosylhomocystein, který je hydrolyzován na homocystein a adenosin. Regenerace methioninu je realizována transferem methylu z N 5 – methylTHF na homocystein. Enzym homocysteinmethyltransferasa má jako koenzym methylkobalamin (derivát vitaminu B12). COO H
H N
-
NH 3
+
Pyr
-
NH 3
H
H
+ Pyr
CH3 HN 5
N - methylTHF
+
Pyr
H N H
+
N
HS
Homocystein
COO
Pyr S R
N H
R
CH3 Methionin
HN
THF
Cyklus aktivovaného methylu.
S - Adenosylmethionin
ATP
Aktiv ní - CH3 Methionin
S - Adenosylhomocystein H2O
- CH 3
Homocystein
Biosyntéza ethylenu. +
H3N
COO
-
NH2
H N +
S H3C
N O
OH
N
ACCsynthasa
H2C
ACCoxidasa
CH 2
H2C
N H3N+
COO
CH2
-
OH
SAM
1 - Aminocyklopropan 1 - karboxylv á kyselina (ACC)
SAM je prekurzorem ethylenu, který má funkci plynného rostlinného hormonu. Ethylen indukuje zrání.
Ethylen
Biosyntéza cysteinu. Cystein je syntetizován ze serinu a homocysteinu. Serin se kondenzuje s homocysteinem za tvorby cystathioninu. Enzym cystathionin-b-synthasa. Cystathionin je deaminován a štěpen na cystein a 2-oxobutyrát. Enzym cystathionin-g-lyasa. Oba enzymy mají prosthetickou skupinu PLP. +
H3N
COO
+
-
H3N
O
H + HO HS
O NH 3
-
H2 O
COO
-
H
H2 O
+
S
Serin
NH 4
O O NH 3
Homocystein
O
-
+
COO + H3C O
H
-
+ HS
O NH 3
+
+
Cystathionin
2 - Oxobutyrát
Cystein
-
Homocystein a srdeční onemocnění. Lidé se zvýšenou hladinou homocysteinu nebo jeho disulfidového dimeru homocystinu mají vysoké riziko arteriosklerosy a srdečních onemocnění. Důvod je v mutovaném genu pro cystathionin-b-synthasu. U některých pacientů se daří onemocnění zmírnit podáváním vitaminů. Podáváním vitaminů se sleduje rychlejší degradace homocysteinu. Vitamin B6 a jeho deriváty (PLP) zvyšuje aktivitu cystathionin-bsynthasy (přeměna homocysteinu na cystathionin) a vitamin B12, který podporuje methylaci homocysteinu na methionin.
Biosyntéza aromatických aminokyselin. Fenylalanin, tyrosin a tryptofan jsou esenciální aminokyseliny syntetizované společnou drahou u E. coli. Člověk získává většinu esenciálních aminokyselin z rostlinné potravy. Biosyntéza esenciálních aminokyselin je složitější a komplexnější než biosyntéza neesenciálních. Prekurzory jsou fosfoenolpyruvát (meziprodukt glykolýzy) a erythrosa-4-fosfát (meziprodukt pentosafosfátové dráhy). Chorismátje klíčovým produktem na kterém se další dráhy dělí na prefenátovou (produkty fenylalanin a tyrosin) a anthranilátovou (tryptofan).
Chorismátová biosyntetická dráha. +
H + O COO Pi + + NAD NADH CH 2 HO H -
O 2-
H
OPO3 COO
OH
-
H2O
Pi
+ H
OH
CH2
OPO3
2-
H
OH
H
OH OPO3
-
COO
-
H2O OH
O
H H
HO
OH O
H H
HO
2-
NADPH + H
Fosfoenolpyruv át
Erythrosa 4 - fosfát
NADP 2-
OPO3 COO
-
COO H2C OPO3
COO
H
COO
2-
-
-
COO Pi
H
OH H
H
H
HO
2-
HO
-
ADP ATP
CH2 OPO3
H
COO
-
OH
HO
H
H HO
H
H Šikimát
Pi
-
COO H2C
COO
H HO
H
Chorismát
-
+
+
Herbicid glyfosát –inhibice biosyntézy aromatických aminokyselin. Biosyntéza aromatických aminokyselin je inhibována širokospetrálním herbicidem glyfosátem (Roundup). Pro zvířata a hmyz netoxický. Glyfosát je akompetitivním inhibitorem enzym, který katalyzuje tvorbu 5-enoylpyruvylšikimát-3-fosfátu. Prefenátová dráha: Mutasa převádí chorismát na prefenát, prekurzor aromatického kruhu fenylalaninu a tyrosinu. Reakce analogická v organické chemii známé Diels-Alderově kondenzaci.
O -
-
P OOC
NH2
+
O -
O
Glyfosát (Roundup)
Prefenátová dráha biosyntézy Phe a Tyr. COO
-
COO H2C
COO
-
OOC
CH 2
COO OH + CO 2 O
Fenylpyruv át H HO
H
Chorismát
HO
COO
COO
H
NH 3
+
Fenylalanin
-
COO
-
H
Prefenát NAD
-
H
O Glu 2 - Oxoglutarát
-
-
-
O
+
NH 3
Glu 2 - Oxoglutarát NADH + CO 2 OH p - Hydroxyfenyl pyruv át
OH Tyrosin
+
Biosyntéza tryptofanu chorismátovou drahou přes anthranilát. PRPP = 5 - Fosforibosyl - 1 - pyrofosfát
-
COO H2C
COO
-
COO
COO
2-
H2N
O 3P HN
O H
H H
HO
Chorismát
Gln
PRPP Glutamát + Pyruv át Anthranilát
Glyceraldehyd - 3 - fosfát
2-
O3PO
H Serin
H2O -
H
OOC H3N+
N H Tryptofan
PPi
N H Indol - 3 - glycerol fosfát
H H
H OH
CO 2 + OH
OH
HO N H Indol
H
-
H 2-
O3PO
OH
COO
OH NH
H
OH
OH
-
Biosyntéza tryptofanu. Tryptofansynthasa v E. coli je a2b2 heterotetramer. Podjednotka a katalyzuje tvorbu indol-3-glycerolfosfátu. Každá b podjednotka má PLP v aktivním místě. Katalyzuje kondenzaci idolu se serinem za vzniku tryptofanu. Indol difunduje od jednoho aktivního místa ke druhému. Prochází specifickým kanálkem a nemůže difundovat mimo dráhu kondenzace se serinem. Obě reakce jsou koordinovány. Indol čeká na serin. Serin vytváří s PLP Schiffovu bázi, která je dehydratována za tvorby Schiffovy báze aminoakrylátu což je reaktivní intermediát reagující s indolem. Enzym je odlišný od známých aminotransferas.
Schiffova báze aminoakrylátu ze serinu. Nukleofilní reakce s aminoakrylátem.
HN
H2C 2-
COO NH
+
O3PO O
NH
+
-
CH3
-
Regulace biosyntézy aminokyselin. Rychlost biosyntézy aminokyselin závisí první řadě na množství a aktivitě biosyntetických enzymů. Regulace aktivity enzymů. V biosyntetické dráze se vyskytuje tak zvaný klíčový krok, prakticky ireverzibiloní reakce. Takový krok obvykle inhibuje výsledný produkt dráhy – inhibice konečným produktem. Zůstávají zachovány všechny meziprodukty. Tak např. serin (produkt dráhy) při jehož biosyntéza je klíčovým krokem oxidace 3-fosfoglycerátu katalyzovaná 3-fosfoglycerátdehydrogenasou. Enzym je homotetramer, kde každá podjednotka má aktivní a regulační místo. Vazba serinu vede k jeho inaktivaci.
Regulace biosyntézy aminokyselin. Při regulaci biosyntézy větvených aminokyselin hraje významnou roli společný meziprodukt hydroxyethylthiaminpyrofosfát (hydroxyethyl – TPP). Při syntéze isoleucinu reaguje s a-oxobutyrátem, při syntéze valinu a leucinu reaguje s pyruvátem. Koncentrace a-oxobutyrátu a pyruvátu určují množství isoleucinu na jedné straně a leucinu a valinu na straně druhé. Threonindeaminasa (PLP) katalyzující tvorbu a-oxobutyrátu je allostericky inhibována valinem ! Valin je produkt kompetující dráhy. Regulace vede k vyrovnanému množství větvených aminokyselin. Mnohočetnost enzymů. Klíčová reakce dráhy může být katalyzována více enzymy. Enzymy reagují různou aktivitou na substráty a produkty.
Regulace biosyntézy aminokyselin. Kumulativní zpětnovazebná inhibice. Společný stupeň dráhy je inhibován každým finálním produktem nezávisle. Bakteriální glutaminsynthetasa katalyzuje syntézu Gln z Glu, NH4+ a ATP. Amidoskupina Gln je zdrojem dusíku pro mnoho sloučenin jako např. karbamoylfosfát, Trp, CT, AMP atd. Glutaminsynthetasa je kumulativně inhibována všemi těmito konečnými produkty. Enzym je úplně inhibován, když se na něj naváží všechny konečné produkty. Glutaminsynthetasa je také regulována reversibilní kovalentní modifikací. AMP se váže na specifický Tyr každé podjednotky (fosfodiesterová vazba). Adenylovaný enzym je méně aktivní a více citlivý na inhibitory. Kovalentně navázaný AMP se odštěpuje fosfátolytickou reakcí.
Některé biomolekuly odvozené od aminokyselin.
NH2
NH2 N
N N
N
N H
O
Adenin
HO
N NH2 N H
N H Cytosin
H
HO
H N CH3
HO Adrenalin I
Histamin O
NH 3
HO
N H Serotonin
H
O
+
NH2 +
COO I
I
H3N+
N R
Nikotinamid
HO
I Thyroxin (tetraiodthyronin)
-
SH O -
H N
H OOC +
H3N
N H
H
g Glutamát
COO
-
O
Cystein
Glycin
Glutathion (GSH)
Glutathion je tripeptid obsahující sulfhydrylovou skupinu (g-Glutamylcysteinylglycin). Redukovaná forma se označuje GSH, oxidovaní GSSG. Glutathion o buněčné koncentraci v živočišných buňkách, asi 5 mM, chrání erythrocyty před oxidativní destrukcí a chová se tak jako sulfhydrylový pufr. 2 GSH + RO – OH GSSG + H2O + ROH GSSG je redukován na GSH glutathionreduktasou (flavoprotein s koenzymem NADPH). Poměr GSH / GSSG je ve většině buněk 500. Glutathion hraje významnou roli při detoxifikaci reakcí s H2O2 nebo organickými peroxidy. Glutathionperoxidasa katalyzující tuto reakci obsahuje v aktivním místě aminokyselinu se selenem (selenový analog Cys).
Katalytický cyklus glutathionperoxidasy. ROOH + H
+
GSSG + H
+
-
E - Se Selenát ROH GSH E - Se - S - G Selenosulfid
H2O
-
E - Se OH Selenatá kyselina
GSH
Tvorba NO oxidací argininu.
NOsynthasa, NADPH a O2. NO se váže na guanylátcyklasu (analog adenylátcyklasy) – aktivace přenosu signálu.
H2N
+
HN
+
H + NH2 O2 + NADPH
NH2
HO +
N H2 0 + + NADP
H
C NH2
NH
O O2 + NADPH
H2 0 + + NADP
CH2 NH 0 + . NO
H
+
H3N
H
+
O O
H3N
O
O
-
Arginin
H
+
H3N
O
-
N - - Hydroxyarginin
O
-
Citrullin
Porfyriny. Porfyrinový skelet je základem hemů a chlorofylů. Prvním krokem biosyntézy porfyrinů u savců je kondenzace glycinu se sukcinyl CoA za vzniku d-aminolevulinátu katalyzovaná d-aminolevulinátsynthasou. Základem tvorby porfyrinů je aminokyselina glycin a meziprodukt citrátového cyklu sukcinyl CoA (kataplerotická reakce). -
OOC +
H +
O
-
OOC
CoA + CO 2
-
OOC
+
NH3
O
S +
CoA Sukcinyl CoA
NH3 Glycin
d - Aminolev ulinát
Biosyntéza porfyrinů.
Tvorba porfobilinogenu (2 molekuly d-aminolevulinátu kondenzují na porfobilinogen). Čtyři molekuly porfobilinogenu kondenzují na lineární tetrapyrrol (katalyzuje porfobilinogendeaminasa) -
OOC
8x O +
NH3
d - Aminolev ulinát +
8H + 16 H2O Acetát (A) COO
Propionát (P) COO
(P)
(A)
(P)
(A)
(P)
(A)
(P)
(A)
4x Enzym +
H3N
N H Porfobilinogen
N H
N H
N H
Lineární tetrapyrrol
N H
Uroporfobilinogen III je klíčovým meziproduktem při syntéze vitaminu B12 v bakteriích a chlorofyllu, tak v bakteriích a rostlinách (porfyrinový skelet).
(P)
(A)
(P)
(A)
(P)
(A)
(P)
(A)
(P)
(A)
N H
(A)
HN
NH
Enzym N H
N H
N H
N H
CH3
(A)
H N
(P)
(P)
(P)
(A)
Uroporfobilinogen III
Další reakce modifikují vedlejší řetězce a stupeň saturace porfyrinového kruhu. Koproporfyrinogen III (KoIII) je tvořen dekarboxylcí acetátů uroporfirinogenu III. Protoporfyrin IX je tvořen desaturací a převoden dvou propionátů KoIII na vinyly. (V) = Vinyl (V)
(M)
N H
(M)
M = Methyl (P) (M)
(M) N
N H N
(P)
(P)
Protoporfyrin IX
(M) HN
NH (V)
(M)
N H
(M)
H N
(P)
(P)
(P)
(M)
Koproporfyrinogen III
Degradace hemu. • Vstupem Fe2+ (chelatací, enzym ferrochelatasa) se vytvoří hem, což je prosthetická skupina proteinů jako jsou myoglobin, hemoglobin, katalasa, peroxidasa a cytochrom c. Železo je transportováno plasmou navázáno na transferrin, který váže 2 Fe3+ a je skladováno v tkáních ve ferritinu. Degradace hemu. Normální lidský erythrocyt má životnost asi 120 dnů. Prvním krokem degradace hemu je štěpení a-methinového můstku za tvorby zeleného lineárního tetrapyrrolu biliverdinu. Prostřední methinový můstek biliverdinu je poté redukován biliverdinreduktasou za tvorby červeného pigmentu bilirubinu
Degradace hemu. HEM 2 O 2 + NADPH H2O + CO + NADP Fe
+
+++
O O (M)
(P) H N
NH
(M) HN
(V)
H C (M)
N (V) (M)
Biliv erdin
(P)
NADPH + H NADP
+
+
O O (M)
(P) NH
H N
H
(V)
C H
(V) (M)
(M) HN
(P)
(M)
N H Bilirubin
