Μεταβολισμός πρωτεϊνών και των αμινοξέων Πρωτεΐνες Πολυσακχαρίτες Λίπη Γαλακτικό Γλυκόζη Αμινοξέα Πρωτεΐνες οργανισμού Δεξαμενή Αζώτου Πυροστα φυλικό Γλυκονεογένεση Γλυκόλυση Acetyl-CoA 6- φωσφορική Γλυκόζη Γλυκογένεση Γλυκογονόλυση Γλυκογόνο Λιπαρά οξέα και Γλυκερόλη NH 3 Β-οξείδωση C 2 Κύκλος Ουρίας Κύκλος Κιτρικού οξέος Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων και οξειδωτική φωσφορυλίωση Ουρία C 2
Κύριες αντιδράσεις μεταβολισμού αμινοξέων 1) Αντίδραση τρανσαμίνωσης: οι αμινομεταφοράσες ή τρανσαμινάσες, καταλύουν τη μεταφορά της α-αμινομάδας από ένα α-αμινοξύ σε ένα α-κετοξύ. 2) Οξειδωτική απαμίνωση: καταλύεται από την αφυδρογονάση του γλουταμινικού, η οποία χρησιμοποιεί ως συμπαράγοντα είτε το NAD + είτε το NADP +. 3) Απομάκρυνση ή μετατροπή της πλευρικής ομάδας -R 4) Αποκαρβοξυλίωση (αποκαρβοξυλάσες) Για τις αντιδράσεις της ομάδας 1, 3 και 4 απαραίτητος συμπαράγοντας είναι η φωσφορική πυριδοξάλη (παράγωγο της βιταμίνης Β 6 ).
Το 1 ο βήμα κατά τον μεταβολισμό των αμινοξέων στο ήπαρ, αποτελεί η απομάκρυνση της α-αμινομάδας Η απαμίνωση επιτυγχάνεται μέσω δύο κύριων αντιδράσεων: Α) Αντίδραση τρανσαμίνωσης: Κατά την αντίδραση τρανσαμίνωσης, η α-αμινομάδα από ένα αμινοξύ, μεταφέρεται σε ένα α-κετοξύ. Ο δέκτης της αμινομάδας είναι συνήθως το α- κετογλουταρικό, για το σχηματισμό του γλουταμινικού. Οι αντιδράσεις καταλύονται από τις τρανσαμινάσες, που απαιτούν την παρουσία της φωσφορικής πυριδοξάλης (PLP). Η PLP λειτουργεί ως ενδιάμεσος φορέας αμινομάδων στο ενεργό κέντρο των αμινοτρανσφερασών. Οι αντιδράσεις τρανσαμίνωσης είναι αντιστρεπτές και χρησιμοποιούνται τόσο για διάσπαση όσο και για τη σύνθεση των αμινοξέων αμινοξύ 1 + α-κετοξύ 2 Τρανσαμινάσες (PLP) α-κετοξύ1 + αμινοξύ2
Παράδειγμα: Τρανσαμίνωση της αλανίνης + NH3 H-C-C - + H C-C - C - Τρανσαμινάση της αλανίνης (ALT, GPT) C-C - + H + NH3 H-C-C - C - Αλανίνη α-κετογλουταρικό πυροσταφυλικό γλουταμινικό Κύκλος του κιτρικού οξέος Προς οξειδωτική απαμίνωση
Β) Παράδειγμα αντίδρασης οξειδωτικής απαμίνωσης Στα ηπατοκύτταρα, το γλουταμινικό (που σχηματίζεται από το α-κετογλουταρικό στις περισσότερες αντιδράσεις απαμίνωσης), μεταφέρεται από το κυτταρόπλασμα στα μιτοχόνδρια όπου υφίσταται οξειδωτική απαμίνωση. Κατά την αντίδραση οξειδωτικής απαμίνωσης, η αμινομάδα του γλουταμινικού απελευθερώνεται υπό την μορφή ιόντων αμμωνίου (NH4 + ) Η αντίδραση καταλύεται από την αφυδρογονάση του γλουταμινικού, που χρησιμοποιεί ως συνένζυμο το NADP + ή το NAD +. + NH 3 H-C-C - C - Γλουταμινικό + H 2 NAD(P) + NAD(P)H + H + Αφυδρογονάση γλουταμινικού C-C - C - -κετογλουταρικό + NH 4 + Κύκλος της ουρίας
Τελική αποτοξίνωση αμμωνίας: Σχηματισμός ουρίας στο ήπαρ Η αμμωνία (ΝΗ 3 ) σε φυσιολογικό ph βρίσκεται με τη μορφή ιόντων αμμωνίου (ΝΗ 4+ ). Η αμμωνία και τα ιόντα της είναι τοξικά για τον οργανισμό. Στον άνθρωπο, η τελική αποτοξίνωση της αμμωνίας γίνεται στο ήπαρ με τον σχηματισμό της ουρίας. Η ουρία δεν είναι τοξική, δεν έχει φορτίο και διαχέεται εύκολα μέσω των κυτταρικών μεμβρανών και απεκκρίνεται με τα ούρα. H 2 N-C-NH 2 ουρία
Κύκλος της ουρίας Η ουρία συντίθεται σε μία κυκλική αλληλουχία αντιδράσεων (τον κύκλο της ουρίας), στην οποία συμμετέχουν 2 αμινοξέα (ορνιθίνη, κιτρουλλίνη) που δεν συμμετέχουν στην πρωτεϊνοσύνθεση. Για το σχηματισμό της ουρίας απαιτούνται δύο άτομα αζώτου και ένα άτομο άνθρακα. Το ένα άτομο αζώτου προέρχεται από το ασπαραγινικό, το δεύτερο από ελεύθερο ιόν ΝΗ 4 + και το άτομο άνθρακα από C 2. Η ορνιθίνη είναι ο φορέας αυτών των ατόμων άνθρακα και αζώτου. Ο κύκλος της ουρίας ξεκινά στα μιτοχόνδρια και συνεχίζεται στο κυτταρόπλασμα
H 2 ουρία L-αργινίνη φουμαρικό H H 2 N H C NH 2 (5) αργινάση C - H 3 N + -C-H NH H 2 N + =C NH 2 NH 4 + + C 2 Λυάση αργινινοηλεκτρικού (4) L-ορνιθίνη C - H 3 N + -C-H C - CH 2 NH H-C- N =C C - NH 2 C - H 3 N + -C-H + NH 3 Κύκλος ουρίας 2 ATP L-αργινινοηλεκτρικό 2 ADP + P i C - H 3 N + -C-H NH Ο =C NH 2 P i Συνθετάση αργινινοηλεκτρικού (3) Φωσφορικό καρβαμύλιο τρανσκαρβαμυλάση της ορνιθίνης L-κιτρουλλίνη Συνθετάση του καρβαμυλοφωσφορικού (2) (1) Η 2 Ν-ΝH-C-P 3 ATP L- ασπαραγινικό Μιτοχονδριακή μήτρα AMP + PP i
Στοιχειομετρία της σύνθεσης της ουρίας C 2 + NH 4+ + 3 ATP + ασπαραγινικό + 2 Η 2 Ο ουρία + 2 ADP + 2 Pi + AMP + PPi+ φουμαρικό Καρβαμυλο φωσφορικό ουρία ορνιθίνη κιτρουλλίνη Κύκλος ουρίας ασπαραγινικό αργινινοηλεκτρικό 1) Δύο μόρια ATP καταναλώνονται για τη σύνθεση του καρβαμυλοφωσφορικού 2) Ένα μόριο ATP καταναλώνεται για τη σύνθεση του αργινινοηλεκτρικού. Κατά την αντίδραση αυτή, το πυροφωσφορικό (PPi) που παράγεται, υδρολύεται άμεσα. αργινίνη φουμαρικό Έτσι, δαπανάται ενέργεια ισοδύναμη τεσσάρων μορίων ΑΤΡ για τη σύνθεση ενός μορίου ουρίας.
Ρύθμιση της ταχύτητας του κύκλου της ουρίας α) Έλεγχος της ενεργότητας του ενζύμου που καταλύει την πρώτη αντίδραση Το Ν-ακετυλο-γλουταμινικό, αποτελεί αλλοστερικό ενεργοποιητή της συνθετάσης του καρβαμυλοφωσφορικού. Η συγκέντρωση των συστατικών ακέτυλο-coa και γλουταμινικού καθώς και της αργινίνης που αποτελεί αλλοστερικό ενεργοποιητή της συνθετάσης του Ν-ακετυλογλουταμινικού, καθορίζουν τη συγκέντρωση του Ν-ακετυλο-γλουταμινικού και κατ επέκταση την ενεργότητα του ενζύμου της συνθετάσης του καρβαμυλοφωσφορικού. β) Έλεγχος σε επίπεδο γονιδιακής έκφρασης. Σε καταστάσεις σίτισης με τροφές πλούσιες σε πρωτεΐνες, επέρχεται αύξηση της συγκέντρωσης των ενζύμων του κύκλου έως και 20 φορές. Η συγκέντρωση των ενζύμων επανέρχεται με την ισορροπημένη διατροφή.
Ο κύκλος της ουρίας συνδέεται με τον κύκλο του κιτρικού οξέος Φωσφορικό καρβαμύλιο Το φουμαρικό μετατρέπεται σε οξαλοξικό, μέσω των αντιδράσεων του κύκλου του κιτρικού οξέος. Το σχηματιζόμενο οξαλοξικό αποτελεί τον αποδέκτη της αμινομάδας των αμινοξέων και μέσω αντίδρασης τρανσαμίνωσης μετατρέπεται σε ασπαραγινικό Το ασπαραγινικό τροφοδοτεί τον κύκλο της ουρίας με το δεύτερο άτομο αζώτου που απαιτείται για τον σχηματισμό της.
καταβολισμός των αμινοξέων ολοκληρώνεται με τον καταβολισμό των ανθρακικών τους σκελετών Από την αποικοδόμηση των αμινοξέων (μετά την απομάκρυνση της αμινομάδας) μπορούν να σχηματιστούν τα κύρια μεταβολικά ενδιάμεσα που μπορούν να μετατραπούν σε γλυκόζη ή να οξειδωθούν στο κύκλο του κιτρικού οξέος. Τα αμινοξέα που αποικοδομούνται σε ακετυλο-coa, ή ακετυλοακέτυλο-coa ονομάζονται κετογενετικά γιατί αποδίδουν κετονοσώματα Τα αμινοξέα που αποικοδομούνται σε πυροσταφυλικό, α-κετογλουταρικό, ηλεκτρυλο-coa, φουμαρικό ή οξαλοξικό, ονομάζονται γλυκογενετικά. Από αυτά είναι δυνατή η σύνθεση γλυκόζης μέσω φωσφοενολοπυροσταφυλικού
καταβολισμός των αμινοξέων ολοκληρώνεται με τον καταβολισμό των ανθρακικών τους σκελετών Γλυκογενετικά Αλανίνη Κυστεΐνη Ασπαραγίνη Ασπαρτικό Γλουταμίνη Γλουταμικό Γλυκίνη Προλίνη Σερίνη Αργινίνη Ιστιδίνη Μεθειονίνη Θρεονίνη Βαλίνη Γλυκογενετικά / Κετογενετικά Τυροσίνη Ισολευκίνη, Φαινυλαλανίνη, Τρυπτοφάνη Κετογενετικά Λευκίνη, Λυσίνη
Γλυκόζη Φωσφοενολοπυ ροσταφυλικό Ασπαραγίνη Ασπαραγινικό Τυροσίνη, Φαινυλαλανίνη, Ασπαραγινικό Αλανίνη, Γλυκίνη Κυστεΐνη,Σερίνη, Θρεονίνη, Τρυπτοφάνη Πυροσταφυλικό Οξαλοξικό Φουμαρικό C 2 C H H C C 2 Ισολευκίνη, Μεθειονίνη, Βαλίνη C 2 C C H 2 C 2 Κύκλος του κιτρικού οξέος Ηλεκτρυλο-CoA SCoA C C H 2 C 2 Ισολευκίνη, Λευκίνη Τρυπτοφάνη Ακετυλο CoA C 2 H C C 2 C H 2 C 2 Κιτρικό C 2 C C H 2 C 2 Ακετοακετυλο- CoA Λευκίνη, Λυσίνη Φαινυλαλανίνη, Τυροσίνη, Τρυπτοφάνη α-κετογλουταρικό Γλουταμινικό, Γλουταμίνη, Ιστιδίνη, Προλίνη, Αργινίνη
Σύνοψη του μεταβολισμού των αμινοξέων Απομάκρυνση της α-αμινομάδας (-ΝΗ 2 ) μέσω: Τρανσαμίνωσης: η αμινομάδα μεταφέρεται στο α-κετογλουταρικό και σχηματίζεται γλουταμινικό Το γλουταμινικό απαμινώνεται οξειδωτικά για να δώσει ΝΗ + 4 Το ΝΗ + 4 μετατρέπεται σε ουρία (κύκλος της ουρίας) Καταβολισμός ανθρακικού σκελετού: Τα άτομα άνθρακα των αμινοξέων μετατρέπονται στα κύρια μεταβολικά ενδιάμεσα τα οποία μπορούν να δημιουργήσουν γλυκόζη ή να οξειδωθούν με τον κύκλο του κιτρικού οξέος