18. POGLAVJE: OKSIDACIJA AMINOKISLIN Flashcards
OKSIDACIJA AMINOKISLIN
Oksidacija aminokislin je pomembna pot za pridobivanje energije pri mesojedih živalih
Katabolizem aminokislin lahko poteče pod naslednjimi pogoji:
* aminokisline, ki ostanejo po reciklaži proteinov v celicah se lahko razgradijo
* aminokisline, ki jih dobimo s hrano in jih je več kot jih telo potrebuje za sintezo
* proteini v telesu se razgrajujejo, kadar je velik primanjkljaj ogljikovih hidratov (stradanje, diabetes)
poznamo 20 proteinogenih aminokislin; ne oksidirajo se, dokler to res ni potrebno
hidrolizo proteinov katalizirajo proteaze (proteolitični encimi) – cepijo peptidno vez, ločimo jih glede na AK, ki je ključna za katalitični mehanizem
* cisteinske, serinske, treoninske, aspartatne,… proteaze
RAZGRADNJA PROTEINOV
Encimska hidroliza proteinov iz hrane
Klasifikacija proteaz
- pepsin v želodcu cepi proteine na peptide
- tripsin in kimotripsin cepita proteine in večje peptide na manjše peptide v tankem črevesu
- aminopeptidaza in karboksipeptidaza A in B razgradita peptide do aminokislin v tankem črevesu
Klasifikacija proteaz
glede na mesto cepitve substrata
* endopeptidaze: cepijo substrat stran od konca
* eksopeptidaze: cepijo substrat na N ali C koncu (po 1 AK ali več na enkrat)
-N konec: aminopeptidaze
-C konec: karboksipeptidaze
glede na vezavno mesto
* vsaka proteaza ima specifična vezavna mesta – za specifične AK, ki se lahko vežejo na tisto vezavno mesto
* scissile bond – katalitično mesto, kjer se bo substrat razcepil
-tiste AK, ki gredo proti C koncu, označimo P1’, P2’ …(primed side)
-tiste AK, ki gredo proti N koncu, označimo P1, P2,… (nonprimed side)
o vezavna mesta označimo na enak način le da uporabimo S namesto P
Reakcijski mehanizmi
kataliza v enem koraku
kataliza v dveh korakih
cisteinska peptidaza
kataliza v enem koraku
* aspartatne, glutamatne in metalo proteaze
* aktivirajo vodo, voda napade karbonilni ogljik
* peptidna vez se razcepi, dobimo 2 peptida
kataliza v dveh korakih
* cisteinske, serinske in treoninske proteaze
* cistein deluje kot nukleofiul, napade karbonilni ogljik, nastane kovalenten intermediat, C terminalni konec se že odcepi
* v drugem koraku sledi hidroliza
cisteinska peptidaza
* v aktivnem mestu imamo cistein, histidin deluje kot baza in cisteinu vzame proton
* žveplo ima prost elektronski par – deluje kot nukleofil
* pepitdna vez se lepo poravna nad cistein (lahko napade peptidno vez)
* pride do tvorbe kovalentnega intermediata
* elektronski par vzame proton iz histidina, pride do cepitvev vezi
* dobimo prvi substrat
* tiester, ki je ostal na cisteinu se hidrolizira (vztopi voda)
* dodbimo še en produkt in obnovljeno katalitično mesto cisteina
aktivacija pepsina
sekretin in holocistokinin
aktivacija pepsina
-hormon gastrin vzbudi celice da začnejo izločati pepsinigen in HCl
-pepsonogen neaktiven, ker ima zasedeno aktivno mesto
-nizek pH povzroči da je pro konec ohlapen in se odcepi
-dobimo pepsin, ki cepi na N koncu hidrofobnih AK
sekretin in holocistokinin
* v tankem črevesju se začne izolčati sekretin, ki pozvroči izločanje bikarbonata iz pankreasa
* bikarbonat nevtralizira vsebino iz želodca (pH = 7)
* izločati se začne tudi holecistokinin – izločanje pankreatičnih encimov (v neaktivni obliki)
o tripsinogen, kimotripsinogen, prokarboksipeptidazi A in B (pro pomeni neaktivno
o tudi drugi proteini so lahko v pro obliki – dober regulatorni mehanizem)
o aktivacija je ireverzibilna – ko pride do razgradnje peptidne vezi, se ne formira nazaj
o pH=7
o pankreatične encime izločajo eksokrine celice
aktivacija tripsina in kimotripsina
endogeni inhibitorji in žolčnik
aktivacija tripsina in kimotripsina
* enteropeptidaza (enterokinaza) se nahaja v tankem črevesju
* aktivira pankreatične encime
* cepi tripsinogen (prvih 6 AK) – dobimo aktivno obliko tripsina
* tripsin je ključen za aktivacijo kimotripsinogena (cepi ga med 15. in 16. AK), dobimo pi-kimotripsin (je že aktiven, najraje cepi samega sebe; odcepi še med 13 in 16 ter 146 in 149)
* nastane aktivna oblika alfa-kimotripsin
endogeni inhibitorji in žolčnik
* v trebušni slinavki imamo endogene inhibitorje pankreatičnih encimov
* proteini so fleksibilni, pro-deli se gibljejo sem in tja, lahko pride do avtoaktivacije v pankreasu (to bi lahko slabo vplivalo na pankreas)
* primer je tripsinski inhibitor
* žolčnik sprošča žolč, ko jemo mastno hrano
* če imamo žolčne kamne, gredo lahko po žolčevodu in ga zamašijo (na križišču) -> zapre se tudi izvod iz pankreasa, pankreatični encimi ne morejo do črevesja (tudi endogeni inhibitorji ne pomagajo), se aktivirajo znotraj pankreasa, pride do akutnega pankreatitisa, ki lahko vodi v smrt (znak je razbarvano blato)
KATABOLIZEM AMINOKISLIN
Usoda dušika v organizmu
- pride do oksidacije
-najprej se znebimo dušika (v
obliki NH4+), izloči se v ciklu uree
-ostane karbonski skelet, po pretvorbi lahko vstopi v cikel citronske kisline - konvergentni katabolizem
- različne AK vstopijo iz hrane, iz mišic pridejo v obliki alanina, iz ostalih eksahepatičnih tkiv in mišic pa v obliki glutamina (2 aminski skupini, dober prenašalec dušika)
- aminska skupina (NH4+) se odstrani v ciklu uree ali porabi za anabolne procese, kjer dušik potrebujemo
Usoda dušika v organizmu
* rastline ohranijo skoraj ves dušik (morajo z njim varečavti, ker ga skoraj nič ne dobijo)
* mnogi vodni vretenčarji izločijo dušik v obliki amonijevih ionov v vodno okolje
amonitelne živali: izločajo amonijeve ione
* mnogi kopenski vretenčarji in morski psi izločajo dušik v obliki sečnine (urea)
ureotelne živali: izločajo ureo
* nekatere živali, kot npr. ptice in plazilci izločajo dušik v obliki sečne kisline (uric acid)
urikotelne živali: izločajo sečno kislino
ljudje in »nam podobne opice« izločajo sečnino (iz aminokislin) in sečno kislino (iz purinov; dušik iz purinov gre v sečno kislino)
Ostranitev dušika
Mehanizem odstranitve NH4+
Mehanizem odstranitve NH4+ - ENCIMSKA TRANSAMINACIJA
- kofaktor vseh aminotransferaz je piridoksal fosfat PLP (iz B6)
- običajno a-ketoglutarat sprejme aminsko skupino
- dušik se začasno shrani v obliki L-glutaminske kisline
- glutaminska kislina je lahko donor aminske skupine pri sintezi
aminokislin
zagotovo izpitno vprašanje (nariši mehanizem)!!! - vse aminokisline imajo v glavni verigi dušik – odstranimo ga z encimsko transaminacijo (PLP je prostetična skupina, encim je amino transferaza)
- encim prenese skupino na alfa-ketoglutarat, dobimo glutamat
- če prenese skupino na oksaloacetat, dobimo asparaginsko kislino
- ostane nam alfa-keto kislina (lahko se na različne načine preuredi in vstopi v neko metabolično pot)
- nekatere AK imajo dušik tudi v stranski verigi – izjeme
- amino transferaze so dober pokazatelj poškodb v celicah (ALT – alanin aminotransferaza in AST – aspartat aminotransferaza v serumu) – vsebina celic se je znašla v krvi (navadno poškodbe jetrnih celic, mišičnih celic, pri infarktu pogledajo še kreatin kinazo)
Pirodoksal-fosfat (PLP) in pirodoksamin-fosfat
Mehanizem odstranitve aminske skupine z internim aldiminom
Mehanizem katalize racemizacije s PLP
Mehanizem katalize dekarboksilacije s PLP
PLP znat narisat!
* PLP je posrednik, na encim vezan prenašalec aminske skupine
* aldehidna oblika lahko reverzibilno reagira z aminsko skupino – nastane piridoksamin-fosfat (umesni intermediat)
* aminirana oblika lahko reverzibilno reagira s karbonilno skupino
Mehanizem odstranitve aminske skupine z internim aldiminom
* eksterni aldimin PLPja lahko sprejme elektrone, kar omogoči odstranitev alfa-vodika
* PLP tvori Shiffovo bazo z aminokislino (pirodoksal fosfat začasno veže AK)
* pride do prenosa aminske skupine na PLP
* nastane kinonoidni intermediat (pomemben, ker iz njega lahko nastane tudi kaj drugega),
poteče hidroliza
* nastane alfa-keto kislina in pirodoksamin posfat (gor vezana aminska skupina)
* vse reakcije so reverzibilne, spet lahko dobimo interni aldimin (iz alfa-keto glutarata lahko dobimo glutarinsko kislino)
Mehanizem katalize racemizacije s PLP
* iz L aminokisline nastane D aminokislina
Mehanizem katalize dekarboksilacije s PLP
* če se elektronski pari prenesejo, lahko CO2 izstopi (dekarboksilacija AK)
* dobimo amin
* pomembno za tvorbo nevrotransmitorjev in hormonov (niso nabiti)
Transport NH4+ iz mišic in ekstrahepatičnih tkiv
Transport po krvi v obliki glutamina
* odvečen glutamin se večinoma pretvori v ledvicah in jetrih
* glutamin sintetizira glutamin sintetaza (porabi se ATP)
* glutamat se aktivira z glutamin sintetazo
* dobimo gama-glutamil fosfat
* fosforilirana karboksilna skupina je dovzetna za napad amoniaka
* dobimo glutamin (2 dušika) – lahko se prenaša po krvi
* v jetrih jetrna glutaminaza hidrolizira glutamin, dobimo glutamat, NH4+ se lahko izloči kot urea preko ledvic
Prenos na piruvat v mišicah
V mišicah se lahko aminska skupina iz glutaminske kisline prenese na piruvat
* če so mišice zelo obremenjene in delajo anaerobno, se energija dovaja iz glikolize
* v glikolizi dobimo piruvat, ki ga mišice ne morejo aerobično presnoviti, zato se lahko nakopiči laktat
* ta piruvat se lahko pretvori v alanin in transportira v jetra
* če prenesemo aminsko skupino iz katere koli AK na piruvat s transaminacijo, dobimo alanin, ki se po krvi prenese v jetra
* v jetrih poteče obratna reakcija (dobim o glutamat, amoniak se porabi za ureo), dobimo tudi piruvat iz katerega se lahko tvori glukoza -> glukozno-alaninski cikel
* ko ni prisotnega kisika nastaja laktat – Corijev cikel
Reakcije v mitohondrijih jeter
- ostanek se v obliki glutamata presnovi v mitohondrijih jeter
- del reakcij cikla uree poteka v mitohondrijskem matriksu
- potrebujemo transporterje za glutamin, glutamat, aspartat, ornitin in citrulin (v notranji mitohondirjski membrani)
- zunanja mitohondrijska membrana je deloma prepustna
- amoniak lahko dobimo:
-amonijev ion nastane s cepitvijo glutamina (glutaminaza; nastane glutamat)
-z glutamatno dehidrogenazo –oksidativna deaminacija (dobimo amoniak in alfa-ketoglutarat)
- dušik dobimo iz glutamina
vstopa v cikel kot amoniak
karbonil amoniak - dušik vstopa v obliki aspartata
Glutaminaza in oksidativna deaminacija
Reacije prvega dušika
oksidativna deaminacija glutamata
* oksidacija glutamata, ki ji sledi hidroliza
* skupaj gre za oksidativno deaminacijo glutamata
* pri sesalcih poteka reakcija v matriksu mitohondrija
* edina reakcija, ki lahko uporablja tako NAD+ kot tudi NADP+ kot akceptor elektronov
* poteče redukcija, dobimo alfa- ketoglutarat, amonijev ion izstopi
Reacije prvega dušika
NH4+ se porabi za sintezo karbamoil-fosfata (se aktivira z ATPjem) – encim karbamoil- fosfat sintetaza
* amonijev ion se porabi za karbomoil fosfat (aktivirana skupina za nadaljno sintezo)
* porabi se veliko ATPja
o aktivacija bikarbonata in karbamata
* fosatna skupina je dobra izstopajoča skupina
CIKEL UREE
Reakcije v ciklu in encimi
dušik v obliki karbamoil-fosfata vstopi v cikel uree
encimi:
1) ornitin transkarbamoilaza
2) argininsukcinat sintetaza
3) argininosukcinaza
4) arginaza
- samo ena reakcija cikla uree poteka v mitohondriju
- ostale reakcije potekajo v citosolu
- v prvem koraku karbamoil fosfat se združi z ornitinom v citrolin (moraš vedeti kako zgleda ornitin)
- citrolin potuje ven in se aktivira
- v reakcijo vstopi drugi dušik v obliki asparaginske kisline
-nastane iz glutamata, ki vstopi v transaminacijo z oksaloacetatom -> nastane asparaginska kislina in alfa-ketoglutarat (glej sliko nazaj) - ko se citrulin aktivira (ATP se porabi, hidrolizira se do AMP – kot da bi porabili 2 ATPja), vključi se aspartat, nastane argininosukcinat
- argininosukcinaza razgradi argininosukcinat, nastane fumarat (izstopi)
- arginin je intermediat cikla, ne moremo ga vzeti ven
- arginin se hidrolizira do ornitina in uree
- urea in fumarat sta produkta
- urea se z vodo izloči kot urin
Vstop drugega dušika v cikel uree
Drugi dušik vstopi v cikel uree v obliki aspartata
* reakcijo katalizira arginosukcinat sintetaza
* citrulin se aktivira z ATPjem, nastane
citrulin-AMP
* AMP je zelo dobra izstopajoča skupina, PPi se razgradi do anorganskega fosfata – ireverzibilna reakcija
* ker je AMP dobra izstopajoča skupina, lahko aspartat, ki prinese drugi dušik, napade ogljik in izstopi AMP
* dobimo argininosukcinat
- cikel zgleda potraten (ATP -> AMP); v resnici ni tako
- aspartat je nastal s transaminacijo oksaloacetata, kot produkt pa dobimo fumarat
- fumarat se lahko oksidira, kar je energijsko ugodno
- NADH = 2.5 ATP
- 4-2.5 ATP = 1.5 ATP porabe
Regulacija cikla uree
- regulacija sinteze encimov cikla: mesojedci imajo več encimov za cikel uree kot vegetarjanci
- alosterična regulacija
- če poteka razgradnja AK, dobimo veliko acetil CoA in glutaminske kisline
- arginin pozitivno vpliva na N-acetilglutamat sintaze (ni sintetaza!)
-nastane N-acetilglutamatznat narisat!!, ki je v tkivih namenjen regulaciji - N-acetilglutamat je pozitivni alosterični regulator prve reakcije cikla uree, kjer nastane karbomoil fosfat (aktivira karbomoil fosfat sintetazo)
produkt cikla uree je fumarat
* fumarat lahko potencualno vstopi v cikel trikarboksilnih kislin - problem je, ker je nastal v citosolu, cikel pa poteka v matriksu mitohondrija
* fumarat se mora zato v citosolu reducirati v malat (imamo transporterje za malat), lahko vstopi v cikel trikarboksilnih kislin, kjer se oksidira v oksaloacetat (dobimo NADH, ki ga lahko odštejemo od 4 ATP v ciklu uree)
* oksaloacetat lahko vzamemo ven iz cikla, naredimo transaminacijo -> asparaginska kislina
* asparaginsko kislino lahko prenesemo nazaj v citosol, ki lahko vstopi nazaj v cikel uree
* krebsov bicikelJ :)
PRETVARJANJE POSAMEZNIH AMINOKISLIN
znati moraš pretvorbe, ki potekajo v 2 korakih
- glukogene (pri tvorbi dajo ogljikov skelet, lahko sintetiziramo glukozo)
- ketogene (dobimo ketonska telesca – preko acetil-CoA)
- proteini/AK se lahko razgradijo na način, da dobimo glukozo
- proteini niso zaloga hrane! to je le v ekstremnih razmerah (manj mišic, hitreje se zredimo; več mišic, več energije porabimo)
esencialne in neesencialne AK
* Nekaterih aminokislin ne moramo dobiti s hrano
– esencialne
-bakterije lahko vse sintetizirajo same
-pogojno esecncialne – rabimo jih dobiti s hrano, ko naše telo hitro raste oz AK, ki jih lahko presnovimo iz esencialnih
-ne rabiš vedet kere so kere
Kofaktorji pomembni za prenos 1C
dušik smo odstranili, ostane nam C skelet
- biotin za prenos karboksilne skupine
- tetrahidrofolat za vse ostale prenose (dušik je ključen)
- S-adenozilmetionin prenaša metilno skupino in sodeluje pri postranslacijskih modifikacijah (npr. histonov)
Kofaktorji pomembni za prenos 1C
Tetrahidrofolat
Tetrahidrofolat
* ključen za vse prenose razen karboksilne skupine
* aldehidi, alkoholi, metilna skupina…
alkohol in metilna skupina
* serinska hidroksimetil transferaza prenese CH2OH iz serina na tetrahidrofolat, dobimo metilen tetrahidrofolat in glicin
* metilen tetrahidrofolat se reducira in dobimo N5-metil tetrahidrofolat (najbolj reducirana končna oblika)
-metilno skupino lahko prenesemo na homocistein
aldehidna skupina
* aldehidno skupino lahko prenesemo na tetrahidrofolat, pride do redukcije do alkohola in metilen hidrofolata
znat pretvorbo:
serin -> glicin !!!
Kofaktorji pomembni za prenos 1C
S-adenozilmetionin
edina reakcija kako spravimo metilno skupino iz tetrahidrofolata
sinteza S-adenozilmetionina
* je donor metilne kisline
* nastane iz metionina, ki napade ATP, vsi fosfati se naenkrat odcepijo
* dobimo S-adenozilmetionin (poleg reakcije, kjer nastane B12, edini 2 reakciji, kjer gredo vsi 3 fosfati ven)
* odda metilno skupino, ključen faktor pri metil transferazah, kjer odda metilno skupino na nek substrat
* ostane nam S-adenozil homocistein, ki se hidrolizira
* adenozin gre ven, dobimo homocistein, ki sprejme metilno skupino iz metil tetrahidrofolata
-tako se obnovi tetrahidrofolat, sodeluje koencim B12
* spet nastane metionin
znat pretvorbo:
cistein -> metionin!!!
folna kislina
* celice pri otroku se delujo, potrebna je
inteza AK -> nosečnice
* pomanjkanje je lahko rezultat pomanjkanja B12 (v rastlinah ga ni!! - vegetarjanci potrebujejo prehranske dodatke) -> anemija rdečih krvničk (primankovanje kobalamina)
Pretvorbe glukogenih AK
- treonin, glicin, serin, cistein, triptofan in alanin se pretvorijo v piruvat (glukogene)
- iz alanina s transaminacijo dobimo piruvat (za glikolizo ali glukoneogenezo) in glutamat
- glicin se lahko razcepi na CO2 in amoniak (z glicin cepilnim encimom)
- serin za pretvorbo potrebuje serin dehidratazo
… poglej si reakcije, ki imajo max 2 stopnji do piruvata - glicin se lahko pretvori tudi z D-amino kislinsko oksidazo
-nastane glioksilat in oksalat (oksidacija)
-npr. ko pečemo čevapčiče
Pretvorbe ketogenih AK
- triptofan, lizin, fenilalanin, tirozin, leucin in izoleucin se pretvorijo do acetil-CoA
triptofan je zanimiv, ker lahko iz njega nastanejo različni prekurzorji
* niacin (prekurzor NAD in NADP)
* indolacetat (rastliski rastni hormon)
* serotonin (neurotransmiter)
Bolezni in okvare katabolizma AK
fenilalanin
fenilalanin ima zanimivo pot razgradnje
* vključenih veliko encimov
* hitro pride do bolezenskih stanj, če primankuje določenega encima, kopičijo se določeni produkti
* če je okvarjena fenilalanin hidroksilaza, to vodi do fenilketonurije – v urinu prevelike koncentracije fenilalanina pa tudi drugje po telesu
-onemogočen je transport ostalih AK, možgani ne dobijo AK – napačen razvoj možganov in živčnega sistema
-ne smemo zaužiti preveč fenilalanina (draga dieta)
-hidroliziramo AK in odvzamemo fenilalanin – težko, ampak se da
* če nam primankuje homogentizat 1,2- dioksigenaze, se kopiči homogentizat
-črn urin
- pri pretvorbi fenilalalnina v tirozin je kofaktor encima tudi tetrahidrobiopterin prepoznaj!!
- fenilalanin hidroksilaza je mešana oksidaza, en atom iz kisika se porabi za vodo, drug pa se vgradi v substrat
- oksidirana oblika: dihidrobiopterin se lahko nazaj reducira s pomočjo dihidrobiopterin reduktaze (NADH se porablja)
- fenilalanin ne vstopi v normalno razgradnjo pot, pride do transaminacije
- iz piruvata nastane alanin
- nastane fenilpiruvat, ki se lahko dekarboksilira (fenilacetat) ali reducira (fenillaktat)
-če je imel dojenček PKU, so zavohali fenilacetat v urinu
Ostale zanimive pretvorbe AK
arginin
metionin
razvejane ak
asparagin
- arginin rabiš poznat (cikel uree)
- glutamat in glutamin sta ključna v vseh razgradnjih in sinteznih potek (moraš poznati)
- metionin se v 3 korakih razgradi do homocisteina (tvorba S-adenozilmetionina)
- treonin se preko treonin dehidrataze do alfa-butirata
- razvejane AK (valin, izoleucin, leucin)
- dobimo alfa-keto kisline, ki se oksidativno dekarboksilirajo z dehidrogenaznim kompleksom, če je kompleks okvarjen, imajo kisline vonj po javorjevemu sirupu
- asparagin z asparaginazo do aspartata
- aspartat se s transaminacijo pretvori do oksaloacetata
