Um über die zwanzig Aminosäuren zu sprechen, aus denen die Proteinstrukturen bestehen, und die modifizierten, müsste man mindestens zwölf spezialisierte Stoffwechselwege beschreiben.
Aber warum nutzen Zellen so viele Stoffwechselwege, die Energie benötigen (z. B. um die katalytischen Zentren von Enzymen zu regenerieren), jeder mit einem enzymatischen Erbe, um Aminosäuren abzubauen? Aus fast allen Aminosäuren lassen sich über spezialisierte Stoffwechselwege Metaboliten gewinnen, die zu einem geringen Teil der Energiegewinnung dienen (z Moleküle mit einer hohen Anzahl von Kohlenstoffatomen (zB aus Phenylalanin und Tyrosin werden in den darauf spezialisierten Nebennieren Hormone gebildet); Wenn es einerseits einfach wäre, aus Aminosäuren Energie zu gewinnen, wäre es andererseits kompliziert, komplexe Moleküle ausgehend von kleinen Molekülen aufzubauen: Der Abbau von Aminosäuren ermöglicht es ihnen, ihr Skelett zu nutzen, um größere Spezies zu erhalten.
Zwei oder drei Hektogramm Aminosäuren werden täglich von einem gesunden Menschen abgebaut: 60-100 g davon stammen aus den mit der Nahrung zugeführten Proteinen, aber mehr als 2 Hektogramm werden aus dem normalen Umsatz von Proteinen gewonnen, die ein wesentlicher Bestandteil des Organismus sind ( Aminosäuren dieser Proteine, die durch Redoxprozesse geschädigt werden, werden durch andere ersetzt und abgebaut).
Aminosäuren liefern einen Energiebeitrag in Form von ATP: Nach Entfernung der α-Aminogruppe kann das verbleibende kohlenstoffhaltige Aminosäuregerüst nach geeigneten Umwandlungen in den Krebszyklus eintreten. Außerdem wird bei Nährstoffmangel und Abnahme der Glucosemenge die Glukoneogenese aktiviert: glukoneogenetische Aminosäuren werden als solche bezeichnet, die nach entsprechenden Modifikationen in die Glukoneogenese eingebaut werden können; glukoneogenetische Aminosäuren sind solche, die in Pyruvat oder in Fumarat (Fumarat kann in Malat umgewandelt werden, das das Mitochondrium verlässt und im Zytoplasma in Oxalacetat umgewandelt wird, aus dem Phosphoenolpyruvat gewonnen werden kann).
Der eben beschriebene Aspekt ist ein sehr wichtiger Aspekt, denn Aminosäuren können bei sofortigem Fasten einen Zuckermangel beheben; Wenn das Fasten andauert, greift nach zwei Tagen der Fettstoffwechsel ein (da die Proteinstrukturen nicht zu stark angegriffen werden können) werden in dieser Phase, da die Gluconeogenese sehr eingeschränkt ist, die Fettsäuren in Acetyl-Coenzym A und Ketonkörper umgewandelt. Ab dem weiteren Fasten passt sich das Gehirn auch an die Ketonkörper an.
Die Übertragung der α-Aminogruppe von Aminosäuren erfolgt durch eine Transaminierungsreaktion; die Enzyme, die diese Reaktion katalysieren, sagen sie tatsächlich, Transaminasen (oder Aminotransferase). Diese Enzyme verwenden einen enzymatischen Cofaktor namens Pyridoxalphosphat, der mit seiner Aldehydgruppe interveniert. Pyridoxalphosphat ist das Produkt der Phosphorylierung von Pyridoxin, einem Vitamin (B6), das hauptsächlich in Gemüse vorkommt.
Transaminasen haben folgende Eigenschaften:
Hohe Spezifität für ein Ketoglutarat-Glutamat-α-Paar;
Sie sind nach dem zweiten Paar benannt.
Transaminaseenzyme beinhalten immer das α-Ketoglutarat-Glutamat-Paar und werden nach dem zweiten beteiligten Paar unterschieden.
Beispiele:
L"Aspartattransaminase dh GOT (Glutamat-Ossalacetat-Transaminase): Das Enzym überträgt die α-Aminogruppe von Aspartat auf α-Ketoglutarat, wodurch Oxalacetat und Glutamat erhalten werden.
L"Alanintransaminase dh GTP (Glutamat-Pyruvat-Transaminase): Das Enzym überträgt die α-Aminogruppe von "Alanin auf" α-Ketoglutarat, wodurch Pyruvat und Glutamat erhalten werden.
Die verschiedenen Transaminasen nutzen α-Ketoglurat als Akzeptor der Aminogruppe von Aminosäuren und wandeln diese in Glutamat um, während die gebildeten Aminosäuren im Stoffwechselweg der Ketonkörper genutzt werden.
Diese Art von Reaktion kann in beide Richtungen erfolgen, da sie aufbrechen und Bindungen mit gleichem Energieinhalt eingehen.
Die Transaminasen befinden sich sowohl im Zytoplasma als auch im Mitochondrium (sie sind meist im Zytoplasma aktiv) und unterscheiden sich in ihrem isoelektrischen Punkt.
Die Transaminasen sind auch in der Lage, Aminosäuren zu decarboxylieren.
Es muss einen Weg geben, Glutamat wieder in α-Ketoglutarat umzuwandeln: Dies geschieht durch Desaminierung.
Dort Glutamatdehydrogenase es ist ein Enzym, das in der Lage ist, Glutamat in α-Ketoglutarat umzuwandeln und somit die Aminogruppen von Aminosäuren, die in Form von Glutamat vorkommen, in Ammoniak umzuwandeln. Was stattfindet, ist ein Redoxprozess, der das Zwischenprodukt α-Aminoglutarat passiert: Ammoniak und α-Ketoglutarat werden freigesetzt und kehren in den Kreislauf zurück.
Der Abbau der Aminogruppen der Aminosäuren erfolgt dann über die Transaminasen (die sich je nach Substrat unterscheiden) und die Glutamat-Dehydrogenase, die die Ammoniakbildung bestimmt.
Es gibt zwei Arten von Glutamatdehydrogenase: zytoplasmatisch und mitochondrial; der Cofaktor, der auch das Cosubstrat dieses Enzyms ist, ist NAD (P) +: Die Glutamatdehydrogenase verwendet entweder 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, Aminogruppen zu entsorgen: Sie führt zur Bildung von Ammoniak (das ein Substrat für ein spezialisiertes Enzym im Mitochondrium ist) und NADH (das an die Atmungskette gesendet wird). Die zytoplasmatische Form arbeitet in die entgegengesetzte Richtung, dh sie verwendet Ammoniak und α-Ketoglutarat, um Glutamat zu ergeben (das eine biosynthetische Bestimmung hat): Diese Reaktion ist eine reduktive Biosynthese und der verwendete Cofaktor ist NADPH.
Glutamat-Dehydrogenase wirkt, wenn es notwendig ist, die Aminogruppen von Aminosäuren wie Ammoniak (über den Urin) zu entsorgen oder wenn die Skelette von Aminosäuren zur Energiegewinnung benötigt werden: Dieses Enzym wird daher als negative Modulatoren die Systeme haben, die eine Indikation sind guter Energieverfügbarkeit (ATP, GTP und NAD(P)H) und als positive Modulatoren die Systeme, die einen Energiebedarf anzeigen (AMP, ADP, GDP, NAD(P)+, Aminosäuren und Schilddrüsenhormone).
Aminosäuren (hauptsächlich Leucin) sind positive Modulatoren der Glutamat-Dehydrogenase: Sind Aminosäuren im Zytoplasma vorhanden, können sie für die Proteinsynthese verwendet werden oder müssen entsorgt werden, da sie nicht akkumuliert werden können (daher sind Aminosäuren positive Modulatoren) ) .
Entsorgung von Ammoniak: Harnstoffkreislauf
Fische entsorgen Ammoniak, indem sie es über die Kiemen ins Wasser einführen, Vögel wandeln es in Harnsäure (ein Kondensationsprodukt) um und scheiden es mit dem Kot aus. Mal sehen, was beim Menschen passiert: Wir haben gesagt, dass Glutamat-Dehydrogenase Glutamat in α- Ketoglutarat und Ammoniak, aber wir haben nicht gesagt, dass dies nur in den Mitochondrien der Leber vorkommt.
Eine grundlegende Rolle bei der Ammoniakentsorgung über den Harnstoffzyklus spielen mitochondriale Transaminasen.
Kohlendioxid in Form von Bicarbonationen (HCO3-) wird durch den Biotin-Cofaktor aktiviert und bildet Carboxybiotin, das mit Ammoniak zu Carbaminsäure reagiert; die nächste 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 für die Gewinnung von Carboxybiotin.) Diese Phase wird katalysiert durch Carbamylphosphat-Synthetase und kommt im Mitochondrium vor. Carbamylphosphat und Ornithin sind Substrate für das Enzym Ornithin-trans-Carbamylase das sie in Citrullin umwandelt; diese Reaktion findet in den Mitochondrien (Hepatozyten) statt. Das produzierte Citrullin verlässt das Mitochondrium und geht im Zytoplasma unter die "Einwirkung von"Argininsuccinatsynthetase: Es findet die Verschmelzung des kohlenstoffhaltigen Gerüsts von Citrullin und dem eines Aspartats durch nukleophilen Angriff und anschließende Wasserabspaltung statt. Das Enzym Argininsuccinat-Synthetase benötigt ein ATP-Molekül, daher kommt es zu einer energetischen Kopplung: Die Hydrolyse des ATP zu AMP und Pyrophosphat (letzteres wird dann in zwei Moleküle Orthophosphat umgewandelt) erfolgt durch Ausstoßen eines Moleküls d "Wasser aus dem Substrat und nicht durch die Wirkung des Wassers des Mediums.
Das "nächste Enzym ist das"Argininsuccinase: Dieses Enzym ist in der Lage, Argininsuccinat im Zytoplasma in Arginin und Fumarat zu spalten.
Der Harnstoffzyklus wird durch das Enzym abgeschlossen Arginase: Harnstoff und Ornithin werden erhalten; Harnstoff wird über die Nieren (Urin) entsorgt, während Ornithin in die Mitochondrien zurückkehrt und den Kreislauf wieder aufnimmt.
Der Harnstoffzyklus unterliegt einer indirekten Modulation durch Arginin: Die Ansammlung von Arginin zeigt an, dass der Harnstoffzyklus beschleunigt werden muss; die Modulation von Arginin ist indirekt, da Arginin das Enzym Acetylglutamatsynthetase positiv moduliert. Letzteres 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 Harnstoffzyklus an, wenn die Produktion von Carbamylphosphat nicht ausreicht, um das Ornithin zu entsorgen.
Harnstoff wird nur in der Leber produziert, aber es gibt auch andere Stellen, an denen die ersten Reaktionen stattfinden.
Gehirn und Muskeln verwenden spezielle Strategien, um Aminogruppen zu eliminieren. Das Gehirn verwendet eine sehr effiziente Methode, bei der ein Enzym verwendet wird Glutaminsynthetase und ein Enzym Glutamase: Der erste kommt in Neuronen vor, der zweite in der Leber. Dieser Mechanismus ist aus zwei Gründen sehr effizient:
Zwei Aminogruppen werden in einem einzigen Vehikel vom Gehirn zur Leber transportiert;
Glutamin ist viel weniger toxisch als Glutamat (Glutamat übernimmt auch den 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 Herzmuskel) gelangen die Aminogruppen über den Glukose-Alanin-Zyklus in die Leber; das beteiligte Enzym ist die Glutamin-Pyruvat-Transaminase: Sie ermöglicht die Transposition von Aminogruppen (die in Form von Glutamat vorliegen), wandelt Pyruvat in Alanin und gleichzeitig Glutamat in α-Ketoglutarat im Muskel um und katalysiert die umgekehrter Prozess in der Leber.
Transaminasen mit unterschiedlichen Aufgaben oder Positionen weisen ebenfalls strukturelle Unterschiede auf und sind elektrophoretisch bestimmbar (sie haben unterschiedliche isoelektrische Punkte).
Das Vorhandensein von Transaminasen im Blut kann ein Symptom einer Leber- oder Herzschädigung sein (dh Gewebeschädigung von Leber- oder Herzzellen); die Transaminasen liegen sowohl in der Leber als auch im Herzen in sehr hohen Konzentrationen vor: Durch Elektrophorese kann festgestellt werden, ob die Schädigung in Leber- oder Herzzellen aufgetreten ist.
