22. POGLAVJE: SINTEZA AMINOKISLIN Flashcards
Biokemijska vloga dušika
biokemija molekularnega dušika
Biokemijska vloga dušika
* dušik je eden od glavnih elementov, ki sestavljajo žive organizme
* peptidni skelet v proteinih
* funkcionalne stranske verige (His,Lys,Arg,Trp, Asn, Gln) v proteinih
* baze v DNA in RNA
* sestavlja mnoge kofaktorje (NAD,FAD,Biotin…)
* nahaja se v hormonih(npr.adrenalin)
* nahaja se v nevrotransmiterjih (serotonin)
* nahaja se v mnogih pigmentih (klorofil)
* nahaja se v obrambnih molekulah (amanitin)
biokemija molekularnega dušika
* v atmosferi je ogromno dušika (78.1% v/v), a je inertenin ga v taki obliki večina organizmov ne more uporabiti (dušik precej nedostopen, zato so pretvorbene poti zelo pomembne)
-lahko ga naredimo v mikrovalovki
* atmosferski dušik se lahko pretvori v druge dušikove spojine v ne-bioloških procesih:
-NO nastane iz N2 in O2 med nevihto (strele)
-NH3 lahko sintetiziramo iz N2 in H2 v industrijskem procesu (Haberjev proces)
* nekatere bakterije in arhejel ahko fiksirajo atmosferski dušik
o večinoma so to prosto živeči enocelični prokarionti (arheje)
o nekateri živijo v simbiozi z rastlinami (npr. proteobakterije s stročnicami),
o nekaj jih živi v simbiozi z živalmi (spirochaete s termiti)
Cikel dušika
vgradnja in proizvodnja dušikovh spojin
- amonijevi ioni v zemlji ne ostanejo dolgo, ker se lahko oksidira
- bakterije porabijo elektrone, oksidirajo ga v nitrite in nitrate
- denitrificirajoče bakterije, arheje in glive znajo nitrate uporabiti kot zadnji sprejemnik elektronov – nazaj naredijo dušik (krog je
sklenjen)
vgradnja in proizvodnja dušikovh spojin
* večina organizmo v lahko asimilira dušik v obliki amonijaka (NH3)
* bakterije v prsti oksidirajo amonijak v nitrite (NO2-) in nitrate (NO3 -) (reakcija nitrifikacije)
* rastline in mikroorganizmi lahko porabijo dušiki z nitritov in nitratov
* nekatere bakterije lahko uporabijo nitrate kotz adnji akceptor elektronov pri vzpostavljanju protonskega gradienta za ATP sintezo (denitrifikacija)
* nekaj vrst bakterij lahko pretvori amonijak in nitrite v molekularni dušik (anammox- ANaerobic AMMonium OXidation)
Anaerobna oksidacija amonijaka
Anamoks bakterije
Anamoksom
* nitriti imajo nitrit reducirajoč encim, ki iz nitritov in protonov naredijo hidroksil amin
* hidrazin hidrolaza lahko iz amoniaka in hidroksil amina naredi vodo in hidrazin (nepričakovano)
-hidrazin se uporablja v raketnem gorivu, je zelo reaktiven
-lipidni dvosloj tukaj ni povsem normalen; iz laderana (polimer
ciklobutana)
* hidrazin-oksidirajoči encim oksidira hidrazin, nastane dušik in nekaj protonov in elektronov
* vse to poteka v organelu anamoksosomu (znotraj anamoks bakterije; posebna vrsta)
lestvičasti lipidi anamoksosomske membrane
* lipidi te vrste tvorijo še posebej nepropusten dvosloj in preprečujejo prehod toksičnega hidrazina v citoplazmo
* laderan je polimer ciklobutana
* tvorijo laderanski lipidni dvosloj
* hidrazinu je onemogočen prehod
Fiksacija dušika
- reakcijaN2 +3H2 =2NH3
o je exotermna (ΔH0 = -92.4 kJ/mol)
o je eksergonska(ΔG0 = -33.5 kJ/mol)
o je zelo počasna zaradi inertnosti dušika - le nekaj vrst prokariontov ima encime nitrogenaznega kompleksa, ki so potrebni za fiksacijo dušika
o dinitrogenaza-reduktaza (reducira dinitrogenazo)
o dinitrogenaza (reducirana oblika dinitrogenaze lahko reducira dušik) - dinitrogenaza posreduje elektrone N2 in katalizira postopno redukcijo N2 v NH3
o stranski produkt je vodik
okoli 16 ATP se porabi za en N2
Nitrogenaza dobi elektrone
Fiksacija dušika
Nitrogenaza dobi elektrone z oksidacijo piruvata
* piruvat posreduje elektrone feredoksinu ali flavodoksinu
* ta jih prenese na dinitrogenazo-reduktazo
* reduktaza prenese elektrone na dinitrogenazo
* dinitrogenaza prenese elektrone na dušik (?ali na protone- ni znano) in dobimo NH3
* H2 je stranski produkt reakcije
- rabimo vir elektronov (največkrat piruvat)
- piruvat se oksidira (oksidativno dekarboksilira) v acetil-CoA in CO2
- elektroni se prenesejo preko ferodoksina ali reduciranega flavdoksina na dinitrogenazno reduktazo
- dinitrog.r. lahko prenese elektrone na dinitrogenazo, porabi se ATP, pride do konformacijskih sprememb, ki vplivajo na spremembo redukcijskega potenciala
- dinitrogenaza se reducira, prenese 8 elektronov (6 dvema amoniakoma in 2 enemu vodiku)
Za fiksacijo dušika je potrebna hidroliza ATP
* čeprav je reakcija termodinamsko ugodna, je za biološko sintezo NH3 potrebna hidroliza ATP
* energija hidrolize ATP se v tej reakciji porabi za:
o vezavna energija interakcije ATP z dinitrogenazo- reduktazo poveča učinkovitost redukcije dinitrogenaze
o hidroliza ATP v reduktazi je sklopljena z redukcijo encima dinitrogenaze
* verjetno je tudi, da hidroliza ATP prispeva del protonov, ki so potrebni za sintezo amonijaka
Dinitrogenazni kompleks
- dinitrogenaza-reduktaza z vezanim ATP
- dinitrogenazne podenote s 4Fe-4S kompleksi
- je dimer
- imamo 2 nitogenazni-reduktazni domeni
- v sredini so železni klastri
železo-molibdenski kofaktor
* sestavljen je iz
o 7 Fe atomov
o 9 S atomov
o enega atoma molibdena (včasih je lahko vanadij)
* dušik se veže na sredino Mo- FeS “kletke” in je koordiniran z atomom molibdena
* elektroni potujejo na dušik, ki je vezan na molibden preko Fe-S kompleksa
redoks reakcije dinitrogenaze
* skupna reakcija nitrogenaznega kompleksa
N2 + 8H+ + 8e- + 16ATP -> 2NH3 + H2 + 16ADP + !&P
* dinitrogenaza-reduktaza katalizira:
o prenos 8-elektronov na dinitrogenazo
o hidrolizo ATP in sproščanje protonov
* dinitrogenaza katalizira
o prenos 6 elektronov na dušik: nastanek NH3
o prenos 2 elektronov na protone: nastanek H2
mehanizem dinitrogenaze
* še ni natančno pojasnjen
* zelo kompleksna redoks reakcija, ki vključuje različne kovinske ione kot kofaktorje in prenašalce elektronov
* najbolj verjeten mehanizem – serija prenosov po enega elektrona na dušik
* molibden je ključen; ima lahko veliko različnih oksidacijskih stanj
* po en proton in en elektron se postopno prenašata na dušik
* amoniak gre ven, molibdenu se oksidacijsko število veča
Kam se vgradi amonijak?
Amonijak se vgradi v glutamin
* amid v glutaminu je vir “prenosljivega” dušika
* z glutaminom potuje dušik po krvi v jetra
* reakcijo katalizira encim glutamin-sintetaza
* reakcija poteče v dveh korakih
* fosforilacija glutamata ustvari dobro izstopajočo skupino, ki jo lahko nadomesti amonijak
- da dobimo glutamin, moramo aktivirati glutaminsko kislino s fosforilacijo
- maraš znat narisat reakcijo
regulacija glutamin-sintetaze
alosterična regulacija glutamin-sintetaze
* poseben encim (homooligomer), sestavljen iz 12 enakih podenot
* velika vezavna površina, različne konkavne površine
* regulirana z različnimi alosteričnimi regulatorji (prekurzorji nukleotidov, različne AK) – regulacija uravnava koliko je encim aktiven (postopna regulacija)
* kontrola pravilnega zvitja encima: če se sintetizira napačna podenota, se ne more vgraditi v kompleks
vsi alosterični regulatorji zmanjšajo njeno aktivnost
3 načini regulacije:
-alosterična
-post translacijska modifikacija (adeninilacija?)
-transkripcijska
regulacija glutamin-sintetaze s kovalentno modifikacijo
* ključen tirozin se lahko adenililira (veže se gor adenin), encim se zablokira
* adenilil transferaze lahko pripnejo adenin na tirozin (ko je na transferazo vezan protein P2)
* glutamin sintetaza postane neaktivna, ker je adenililirana
* v osrednjem delu: iz alfa ketoglutarata dobimo glutaminsko kislino, nato še glutamin
* če imamo veliko glutamina, ne potrebujemo delujoče glutamin sintetaze, jo inhibiramo
* glutamin inihbira uridinililtransferaze, imamo P2 protein, ki ni uridiniliran, skupaj z adenililtransferazo zablokirata glutamin sintetazo
* v drugem primeru je aktivirana uridinililacijo, uridinililiran P2 aktivira glutamin sintetazo
* regulacija poteka tudi na nivoju transkripcije
Glutamin-amidotransferaza
encimi, dve skupni lastnosti:
1) vezavno mesto za glutamin
2) še eno aktivno mesto
nevezni el par iz cisteina napade glutamin, dobimo glutaminsko kislino
NH3 gre skozi majhen kanalček v encimu, veže se na aktiviran substrat, kamor se dušik vgradi
Metabolični prekurzorji sinteze a.k.
- najbolj pomembne snovi so 3-fosfoglicerat, fosfoenolpiruvat in piruvat
- v ciklu trikarboksilnih kislin sta ključna alfa-ketoglutarat in oksaloacetat
- pomembna sta tudi eritroza 4-fosfat in riboza 5-fosfat (v pentoza fosfatni poti nastane)
- človek ne more sintetizirati vseh AK (esencialne)
*poznati moraš sintezo AK, kjer nista vpletena več kot 2 koraka (serin, glicin, …)
Alfa-ketoglutarat
Alfa-ketoglutarat
-> glutamat
-> glutamin, prolin, arginin
- s transaminacijo dobimo glutamat
- glutamin dobimo z glutamin sintetazo
- za prolin ne rabiš poznati poti, za arginin pa zadnja dva koraka
arginin (cikel uree)
ornitin
(ornitin-karbamoil transferaza)
L-citrulin
(argininsukcinat sintetaza)
argininosukcinat
(argininosukcinaza)
fumarat + arginin
3-fosfoglicerat
3-fosfoglicerat
-> serin
-> glicin, cistein
znat serin in glicin
* 3-fosfoglicerat se oksidira
* glutamat se s transaminacijo pretvori v 3-fosfoserin
* fosfataza odcepi fosfatno skupino, dobimo serin
* iz serina se hidroksimetilna skupina prenese na tetrahidrofolat, dobimo glicin
3-fosfoglicerat
(fosfoglicerat dehidrogenaza)
3-fosfohidroksipiruvat
(fosfoserin aminotransferaza): glutamat -> alfa-ketoglutarat
3-fosfoserin
(fosfoserin fosfataza)
serin
(serin hidroksimetil transferaza)
glicin
Oksaloacetat in piruvat
oksaloacetat
-> aspartat (moraš poznat)
->asparagin, metionin, lizin, treonin
piruvat
-> alanin (moraš poznat), valin, levcin, izolevcin
Fosfoenolpiruvat in eritroza 4-fosfat
Fosfoenolpiruvat + eritroza 4-fosfat
-> fenilalanin, tirozin, triptofan
- skupini prekurzor je korizmat
- iz fosfoenolpiruvata in eritroze 4-fosfata se ciklizirajo spojine
- vmesni produkt je šikiminska kislina, korizmat je prekurzor vseh treh AK
- zanimiv je encim 5-enolpiruvilšikimat 3-fosfat sintaza, ki kot substrat vzame fosfoenolpiruvat (PEP), nastane produkt, ki vodi v sintezo korizmata
- to reakcijo lahko izvajajo samo rastline
- za zatriranje plevela lahko najdemo spojine, ki zavirajo sintezo AK v rastlinah – našli so glifosat (to molekulo moraš prepoznati), inhibira sintezo korizmata (prekurzor aromatskih AK)
o ta herbicit se veliko uporablja
o našli so tudi drugačen soroden encim encimu 5-enolpiruvilšikimat 3-fosfat sintaza – če ga vgradimo v rastlino, potem ji glifosat ne škoduje, lahko pridelujemo samo določeno vrsto npr. koruze, pšenice (transgene rastline)
Riboza 5-fosfat
Riboza 5-fosfat
-> histidin
Regulacija sinteze AK
- regulacija je kompleksna
- AK se sintetizirajo za ugrajevanje v proteine
- sinteza mora biti uravnotežena – povratna inhibicija
- na vsakem koraku imamo različne izocime, ki nadzirajo enake reakcije, nastopajo pa v različnih oblikah
- en produkt deluje na različne metabolne poti, vzajemna regulacija
BIOSINTEZA HEMA
- hem je kofaktor v hemoglobinu
- hem se hitro obnavlja, reakcija poteka hitro, lahko poteka na dva različna načina
- biosinteza lahko poteka iz glicina in sukcinil-CoA, nastane delta-aminolevulinat (moraš poznati reakcijo in jo napisati, tudi produkt)
- v bakterijah in rastlinah imamo glutamat, ki mora biti pritrjen na tRNA molekulo (substrat je tako glutimil-tRNA), sintetizira se delta- aminolevulinat preko glutamat 1-semialdehida
Tvorba porfirinskega obroča
* 8 alinovulinatov tvori porfirinski obroč
* 2 molekuli aminovulinata tvorita porfobilinogen
* se zacikla v obroč
* na vsakem koraku imamo encimsko katalizirane reakcije (stereospecifične)
* če rekacije potečejo neencimsko oz če določen encim manjka, se lahko naredi različna geometrija, železo se ne more vgraditi
Motnje v biosintezi hema
* večina živali sintetizira svoj hem
* mutacije in okvarjena regulacija encimov biosinteze hema vodijo v porfirijo
* mutacija uroporfirinogen III sintaze - nabiranje uroporfirinogena I povzroči:
o rdeč urin
o fluorescenco zob pod UV lučjo
o koža je občutljiva na UV svetlobo
o želja po zunanjem viru hema
Razgradnja hema
- hem razgrajuje hen oksigenaza
- v prvi stropnji nastane produkt biliverdin, ki je zelene barve
- se reducira v bilirubin (rumene barve)
- če imamo preveč bilirubina, imamo zlatenico (rumena koža, beločnice rumene)
- genske bolezni, ki upočasnijo izločanje bilirubina (npr. okvara glukuronil bilirubin sintetaze, ki pripne bilirubin na sladkorje)– Gilbertov sindrom (ni slabo; bilirubin je
antioksidant, manjša možnost infarkta) - bilirubin se izloča v obliki seča in blata (daje barvo)
- ko pademo in dobimo modrico lahko opazujemo barvne spremembe
BIOSINTEZA GLUTATIONA in NEVROTRANSMITERJEV
- glutation (znat narisat) je tripeptid, sestavljen iz glutaminske kisline, cisteina in glicina
- aminokisline se med sabo spojijo
- glutaminska kislina je s cisteinom povezana preko stranske skupine – gama glutamin (ne alfa)
- reakcijo sintetizirajo sintetaze, ki porabljajo ATP
- značilnost tripeptida je, da je lahko v reducirani ali oksidirani obliki (pomaga ohranjati oksidirajoče okolje v celici)
prepoznaj noradrenalin, adrenalin
* nevtrotransmiterji in nekatere druge signalne molekule se lahko sintetizirajo iz tirozina; to so dopamin, noradrenalin in adrenalin
* iz glutaminske kisline nastane GABA
* iz histidina nastane histamin (provnetna molekula)
* iz triptofana pa serotonin
* značilno je, da ne vsebujejo negativno nabitega karboksilnega konca (pride do dekarboksilacije – kofaktor je pirodoksal fosfat) – molekula ni usmerjena, vseeno pa ima pozitiven naboj
BIOSINTEZA NUKLEOTIDOV
- de novo sinteza iz nukleotidnih baz, riboze-5-fosfata, CO2 in NH3
- organske nukleotidne baze se lahko reciklirajo in ponovno uporabijo pri sintezi nukleotidov (fosforibozil transferaze)
- mnogi paraziti (npr. malarija) ne morejo sintetizirati nukleotidov, lahko jih le reciklirajo
o spojine, ki inhibirajo reciklažno pot sinteze so lahko dobra antiparazitska zdravila
Biosinteza purinov
Regulacija sinteze purinov v E. coli
Biosinteza pirimidinskih nukleotidov
- značilno je, da reakcija najprej poteka na ribozi oz 5-fpsfpribozil 1-piropfosfatu
- glutamin da aminsko skupino
- vključene so različne amidotransferaze, glutamin pa prispeva dušik
- nastane inozinat
- inozinat je prekiurzor AMP in GMP
- fosfatno skupino pri sinezi AMP sodeluje GTP, pri sintezi GMP pa je ključen ATP
znat narisat AMP, GMP, …
Regulacija sinteze purinov v E. coli
* ADP inaktivira prvo reakcijo, AMP, GMP in IMP pa inhibirajo drugo reakcijo
* regulacija skrbi za uravnoteženo koncentracijo AMP in GMP
Biosinteza pirimidinskih nukleotidov
* orotat se pripne na PRPP
* na koncu dobimo UTP in CTP
Redukcija ribonukleotidov
- redukcija v deoksiribonukleotide z ribonukleotid reduktazo
- za sintezo DNA
- elektrini za redukcijo pridejo iz NADPH
- preko tioreduksina ali glutationa se elektroni prenesejo na ribonukleotid reduktazo (ena za vse nukleotide)
Struktura ribonukleotid reduktaze
* je dimer, ima 2 katalitični mesti
* ima primarno regulacijsko mesto, kamor se lahko veže ATP ali deoksi ATP (dATP)
* ima mesto, ki določa substratno specifičnost; glede na prisotnost različnih nukleotidov se mu spreminja specifičnost
Redukcija ribonukleotidov
Mehanizem redukcije
Regulacija redukcije ribonukleotidov
Mehanizem redukcije
* v aktivnem mestu imamo tirozin iz katerega nastane radikal
* najprej nastane radikal iz NTP, ki se veže na katalitično mesto
* pride do protonacije OH skupine
* odcepi se voda, drugi cistein prispeva hidridni ion
* dobimo reducirano mesto 2
* radikal se obnovi, dobimo dNTP
* radikal tirozina spet sodeluje v naslednji reakciji (mesto 3, reducira pa se mesto 2)
* vežejo se difosfatni nukleotidi
Regulacija redukcije ribonukleotidov
Ribonukleotid reduktaza ima dva tipa regulatornih mest
* En tip vpliva na aktivnost:
o ATP jo aktivira, dATP jo inhibira (oligomerizira)
* Drugi tip regulatornega mesta vpliva na substratno specifičnost encima tako, da se ohrani uravnoteženo razmerje med nukleotidi
o če je ATP ali dATP veliko -> enicm je manj specifičen za adenin in bolj specifičen
za UDP in CDP itd…
- ATP vedno aktivira, dATP pa vedno inhibira (primarno regulatorno mesto)
- regulacija na substrat specifičnem mestu: če se (d)ATP vezal, to preferenčno povzroči vezavo CDP in UDP
- dTTP inhibira vezavo UDP in CDP
- dTTP pa pospeši vezavo GDP, dGDP pa povzroči vezavo ADP
Vezava dATP sproži oligomerizacijo reduktaze in njeno inaktivacijo
Metilacija dUMP v dTMP
- timidilat-sintaza je tarča zdravil proti raku
- metilna skupina se veže na dUMP, dobimo ji iz tetrahidrofolata (ključna folna kislina)
- reakcijo katalizira timidilat sintaza
- za sintezo DNA potrebujemo dTMP; če nimamo folne kisline, ga ne moremo sintetizirati – v celice se vgrajujejo dUMP -> napake, mutacije (tudi rak)
- nosečnice jejo folno kislino
- levo so predstavljeni inhibitorji timidilat sintaze -> lahko preprečimo širjenje rakavin celic (hkrati pa tudi zdravih; niso selektivni)
Kemoterapevtiki, ki inhibirajo glutamin-amidotransferaze:
* amidotransferaze so pomembne za sintezo purinov in pirimidinov
* niso specifične, povzročimo večjo škodo celicam, ki se hitreje delijo
* če v amidotransferazo vežemo spojino, ki spominja na glutamin, jo lahko zablokiramo
KATABOLIZEM NUKLEOTIDOV
purinov, pirimidinov
Katabolizem purinov
Tvorba sečne kisline
* najprej odcepimo ribozo
* z deaminazo ali z oksidazo pridemo do skupnega prekurzorja – ksantina
* ksantin oksidaza pretvori ksantin v sečno kislino, ki se izloči iz organizma
* putika: bolezensko stanje, ko se kopiči sečna kislina v telesu (predvsem pri moških)
o to lahko preprečimo z alopurinolom, ki inhibira ksantinsko oksidazo
* purinske baze, ki nastajajo, se morajo odstranjevati oz ponovno uporabiti (reciklažna pot)
Recikliranje purinskih baz
* reciklažna poti sinteze purinov
* nazaj pripnemo fosforibozo
* reakcija je ključna za recikliranje
* pri ljudeh, ki imajo gensko okvarjeno fosforibozil transferazo pride do kopičenja organskih baz, kar privede do Lesch-Nyhanovega sindroma, ki prizadane možgane (agresija)
Katabolizem pirimidinov
* ne nastane nič eksotičnega
* gre do malonil-CoA, ki lahko vstopa kot intermediat v različnih metabolnih poteh
