Um über die zwanzig Aminosäuren zu sprechen, aus denen Protein und modifizierte Strukturen bestehen, sollten mindestens zwölf spezialisierte Stoffwechselwege beschrieben werden.
Aber warum nutzen Zellen so viele Stoffwechselwege, die Energie benötigen (zum Beispiel, um die katalytischen Stellen von Enzymen zu regenerieren), die jeweils ein enzymatisches Erbe aufweisen, um Aminosäuren zu katabolisieren? Fast alle Aminosäuren können auf spezialisierten Wegen zu Metaboliten verarbeitet werden, die zu einem geringen Teil zur Energiegewinnung verwendet werden (z. B. durch Glukoneogenese und den Weg der Ketonkörper), die jedoch vor allem zur Bildung komplexer Moleküle führen. mit einer hohen Anzahl von Kohlenstoffatomen (zB aus Phenylalanin und Tyrosin werden in den dafür spezialisierten Nebennieren Hormone gebildet); Wäre es einerseits einfach, Energie aus Aminosäuren zu gewinnen, wäre es andererseits schwierig, komplexe Moleküle ausgehend von kleinen Molekülen aufzubauen: Durch den Abbau von Aminosäuren können wir ihr Skelett ausnutzen, um größere Arten zu erhalten.
Zwei oder drei Unzen Aminosäuren werden täglich von einem gesunden Menschen abgebaut: 60-100 g davon stammen aus den durch die Ernährung eingeführten Proteinen, mehr als 2 Unzen werden jedoch aus dem normalen Umsatz von Proteinen gewonnen, die ein wesentlicher Bestandteil des Körpers sind (Aminosäuren) dieser Proteine, die durch Redoxprozesse geschädigt werden, werden durch andere ersetzt und abgebaut).
Die Aminosäuren liefern einen Energiebeitrag in Bezug auf ATP: Nach dem Entfernen der α-Aminogruppe kann das verbleibende Kohlenstoffgerüst der Aminosäuren nach geeigneten Transformationen in den Krebszyklus eintreten. Wenn die Nährstoffversorgung fehlt und die Glukosemenge abnimmt, wird außerdem die Glukoneogenese aktiviert: Als glukoneogenetische Aminosäuren werden solche bezeichnet, die nach entsprechenden Modifikationen in die Glukoneogenese eingebracht werden können; Gluconeogenetische Aminosäuren sind solche, die in Pyruvat oder Fumarat umgewandelt werden können (das Fumarat kann in eine Krankheit umgewandelt werden, die aus den Mitochondrien austritt und im Zytoplasma in Oxaloacetat umgewandelt wird, aus dem Phosphoenol gewonnen werden kann). Stattdessen spricht man von ketogenen Aminosäuren, die in Acetyl-Coenzym A und Essig-Acetat umgewandelt werden können.
Der eben beschriebene ist ein sehr wichtiger Aspekt, da Aminosäuren bei sofortigem Fasten einen Zuckermangel beheben können; Wenn das Fasten anhält, greift der Fettstoffwechsel nach zwei Tagen ein (da die Proteinstrukturen nicht stark angegriffen werden können). Da die Glukoneogenese sehr begrenzt ist, werden in dieser Phase Fettsäuren in Acetyl-Coenzym-A- und Keton-Körper umgewandelt . Durch das weitere Fasten passt sich das Gehirn auch an die Verwendung von Ketonkörpern an.
Die Übertragung der α-Aminogruppe von Aminosäuren erfolgt durch eine Transaminierungsreaktion; Die Enzyme, die diese Reaktion katalysieren, werden als Transaminasen (oder Aminotransferasen) bezeichnet. Diese Enzyme verwenden einen enzymatischen Cofaktor namens Pyridoxalphosphat, der in seine Aldehydgruppe eingreift. Pyridoxalphosphat ist das Produkt der Phosphorylierung von Pyridoxin, einem Vitamin (B6), das hauptsächlich in Gemüse enthalten ist.
Transaminasen haben folgende Eigenschaften:
Hohe Spezifität für ein α-Ketoglutarat-Glutamat-Paar;
Sie haben ihren Namen vom zweiten Paar.
Transaminaseenzyme umfassen immer das α-Ketoglutarat-Glutamat-Paar und unterscheiden sich durch das zweite betroffene Paar.
Beispiele:
Aspartat-Transaminase oder GOT (Glutamat-Oxalacetat-Transaminase): Das Enzym überträgt die α-Aminogruppe von Aspartat auf α-Ketoglutarat, wobei Oxalacetat und Glutamat erhalten werden.
Alanin-Transaminase, dh GTP (Glutamat-Pyruvat-Transaminase): Das Enzym überträgt die α-Aminogruppe von Alanin auf α-Ketoglutarat, wobei Pyruvat und Glutamat erhalten werden.
Die verschiedenen Transaminasen verwenden α-Ketoglurat als Akzeptor der Aminogruppe von Aminosäuren und wandeln es in Glutamat um; während die gebildeten Aminosäuren auf dem Weg der Ketonkörper verwendet werden.
Diese Art der Reaktion kann in beide Richtungen ablaufen, da sie brechen und Bindungen mit gleichem Energiegehalt entstehen.
Transaminasen befinden sich sowohl im Zytoplasma als auch in den Mitochondrien (sie sind meist im Zytoplasma aktiv) und unterscheiden sich in ihrem isoelektrischen Punkt.
Transaminasen können auch Aminosäuren decarboxylieren.
Es muss einen Weg geben, Glutamat wieder in α-Ketoglutarat umzuwandeln: Dies geschieht durch Desaminierung.
Glutamatdehydrogenase ist ein Enzym, das Glutamat in α-Ketoglutarat umwandeln und damit die Aminogruppen der in Form von Glutamat vorkommenden Aminosäuren in Ammoniak umwandeln kann. Was passiert, ist ein oxydoreduktiver Prozess, der das α-Aminoglutarat-Zwischenprodukt passiert: Ammoniak und α-Ketoglutarat werden freigesetzt und kehren in den Kreislauf zurück.
So gelangt die Abgabe der Aminogruppen der Aminosäuren über die Transaminasen (je nach Substrat unterschiedlich) und die Glutamatdehydrogenase, die die Bildung von Ammoniak bestimmt.
Es gibt zwei Arten von Glutamatdehydrogenase: zytoplasmatische und mitochondriale; Der Cofaktor, der ebenfalls Bestandteil dieses Enzyms ist, ist NAD (P) +: Glutamatdehydrogenase verwendet NAD + oder NADP + als Akzeptor der Reduktionskraft. Die zytoplasmatische Form bevorzugt, wenn auch nicht ausschließlich, NADP +, während die mitochondriale Form NAD + bevorzugt. Die mitochondriale Form hat den Zweck, die Aminogruppen zu entsorgen: Sie führt zur Bildung von Ammoniak (das ein Substrat für ein spezialisiertes Enzym der Mitochondrien ist) und NADH (das an die Atmungskette gesendet wird). Die zytoplasmatische Form wirkt in die entgegengesetzte Richtung, das heißt, sie verwendet Ammoniak und α-Ketoglutarat, um Glutamat zu ergeben (das einen Biosyntheseziel hat): Diese Reaktion ist eine reduktive Biosynthese, und der verwendete Cofaktor ist NADPH.
Glutamatdehydrogenase wirkt, wenn die Aminogruppen von Aminosäuren wie Ammoniak (über den Urin) entsorgt werden müssen oder wenn die Aminosäureskelette zur Energieerzeugung benötigt werden: Dieses Enzym verfügt daher über Systeme, die eine gute Energieverfügbarkeit (ATP) als negative Modulatoren anzeigen. GTP und NAD (P) H) und als positive Modulatoren Systeme, die einen Energiebedarf anzeigen (AMP, ADP, GDP, NAD (P) +, Aminosäuren und Schilddrüsenhormone).
Aminosäuren (hauptsächlich Leucin) sind positive Modulatoren der Glutamatdehydrogenase: Wenn Aminosäuren im Zytoplasma vorhanden sind, können sie für die Proteinsynthese verwendet werden oder müssen entsorgt werden, weil sie nicht akkumuliert werden können (dies erklärt, warum Aminosäuren positive Modulatoren sind). .
Ammoniakentsorgung: Harnstoffkreislauf
Fische entsorgen Ammoniak, indem sie es durch die Kiemen in das Wasser einbringen. Die Vögel wandeln es in Harnsäure (die ein Kondensationsprodukt ist) um und beseitigen es mit Kot. Mal sehen, was beim Menschen passiert: Wir haben gesagt, dass Glutamatdehydrogenase Glutamat in α-Ketoglutarat und Ammoniak umwandelt, aber wir haben nicht gesagt, dass dies nur in den Mitochondrien der Leber geschieht.
Eine grundlegende Rolle der Ammoniakentsorgung über den Harnstoffkreislauf spielen mitochondriale Transaminasen.
Kohlendioxid in Form von Bicarbonationen (HCO3-) wird durch den Biotin-Cofaktor aktiviert, der das Carboxy-Biotin bildet, das mit Ammoniak unter Bildung der Carbaminsäure reagiert. Die nachfolgende Reaktion verwendet ATP, um ein Phosphat auf die Carbaminsäure zu übertragen, wobei Carbamylphosphat und ADP gebildet werden (die Umwandlung von ATP in ADP ist die treibende Kraft zur Gewinnung des Carboxibiotins). Diese Phase wird durch Carbamylphosphatsynthetase katalysiert und tritt in den Mitochondrien auf. Carbamylphosphat und Ornithin sind Substrate für das Enzym Ornithin-trans-Carbamylase, das sie in Citrullin umwandelt. Diese Reaktion tritt in den Mitochondrien (von Hepatozyten) auf. Das produzierte Citrullin kommt aus den Mitochondrien und unterliegt im Zytoplasma der Einwirkung der Argininsuccinatsynthase : Es besteht die Fusion zwischen dem Kohlenstoffgerüst von Citrullin und dem eines Aspartats durch einen nucleophilen Angriff und anschließende Wasserabspaltung. Das Enzym Argininsuccinatsynthase benötigt ein ATP-Molekül, daher gibt es eine energetische Kopplung: Die Hydrolyse von ATP zu AMP und Pyrophosphat (letzteres wird dann in zwei Orthophosphatmoleküle umgewandelt) durch Austreiben eines Moleküls von Wasser aus dem Untergrund und nicht aufgrund der Einwirkung des Wassers in das Medium.
Das nächste Enzym ist Argininsuccinase : Dieses Enzym kann das Argininsuccinat im Zytoplasma in Arginin und Fumarat aufspalten.
Der Harnstoffzyklus wird durch das Enzym Arginase vervollständigt: Man erhält Harnstoff und Ornithin; Harnstoff wird von den Nieren (Urin) entsorgt, während das Ornithin in die Mitochondrien zurückkehrt und den Kreislauf wieder aufnimmt.
Der Harnstoffzyklus unterliegt einer indirekten Modulation durch Arginin: Die Akkumulation von Arginin zeigt an, dass es notwendig ist, den Harnstoffzyklus zu beschleunigen; Die Argininmodulation ist indirekt, da Arginin das Enzym Acetylglutamatsynthetase positiv moduliert. Letzterer ist in der Lage, eine Acetylgruppe auf den Stickstoff eines Glutamats zu übertragen: Es entsteht N-Acetylglutamat, das ein direkter Modulator des Enzyms Carbamyl-Phospho-Synthetase ist.
Arginin reichert sich als Metabolit des Harnstoffkreislaufs an, wenn die Produktion von Carbamylphosphat nicht ausreicht, um Ornithin zu entsorgen.
Harnstoff wird nur in der Leber produziert, aber es gibt andere Stellen, an denen erste Reaktionen auftreten.
Das Gehirn und die Muskeln verwenden spezielle Strategien, um Aminogruppen zu eliminieren. Das Gehirn verwendet eine sehr effiziente Methode, bei der ein Enzym Glutaminsynthetase und ein Enzym Glutamase verwendet werden: Ersteres ist in Neuronen vorhanden, während letzteres in der Leber gefunden wird. Dieser Mechanismus ist aus zwei Gründen sehr effizient:
Mit nur einem Vehikel werden zwei Aminogruppen vom Gehirn in die Leber transportiert;
Glutamin ist viel weniger toxisch als Glutamat (Glutamat trägt auch einen neuronalen Transfer und darf die physiologische Konzentration nicht überschreiten).
Bei Fischen bringt ein ähnlicher Mechanismus die Aminogruppe der Aminosäuren zu den Kiemen.
Vom Muskel (Skelett und Herz) gelangen die Aminogruppen über den Glucose-Alanin-Zyklus in die Leber; Das Enzym ist Glutamin-Pyruvat-Transaminase: Es ermöglicht die Transposition der Aminogruppen (die in Form von Glutamat vorliegen), wobei das Pyruvat in Alanin und gleichzeitig das Glutamat in α-Ketoglutarat im Muskel umgewandelt wird und der inverse Prozess in katalysiert wird Leber.
Transaminasen mit unterschiedlichen Aufgaben oder Positionen weisen ebenfalls strukturelle Unterschiede auf und können durch Elektrophorese bestimmt werden (sie haben unterschiedliche isoelektrische Punkte).
Das Vorhandensein von Transaminasen im Blut kann ein Symptom für eine hepatische oder kardiopathische Schädigung sein (dh eine Gewebeschädigung der Leber oder der Herzzellen); Transaminasen sind sowohl in der Leber als auch im Herzen in sehr hohen Konzentrationen vorhanden: Durch Elektrophorese kann festgestellt werden, ob der Schaden in der Leber oder in den Herzzellen aufgetreten ist.
