ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣ/ΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Εργαστήριο Βιολογικής Χηµείας Διευθυντής : Καθηγητής Κολιάκος Γεώργιος ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ Καταβολισµός του ανθρακικού σκελετού των αµινοξέων, βιοσύνθεση αµινοξέων, συµπαράγοντες µεταβολισµού Μαρία Νταουντάκη Aναπληρώτρια Kαθηγήτρια
Βρισκόµαστε εδώ Μεταβολισµός αµινοξέων Κύκλος ουρίας
Ποιά είναι η τύχη του ανθρακικού σκελετού των αµινοξέων µετά την αποµάκρυνση της αµινοµάδας τους?
Ο καταβολισµός αµινοξέων οδηγεί σε δρόµους παραγωγής ενέργειας Σε φυσιολογικούς ενήλικες, σχεδόν το 90% των ενεργειακών αναγκών καλύπτεται απο την οξείδωση των υδατανθράκων και λιπιδίων, το υπόλοιπο προέρχεται από την οξείδωση του ανθρακικού σκελετού των αµινοξέων. Ο πρωταρχικός φυσιολογικός ρόλος των αµινοξέων είναι η συµµετοχή τους ως δοµικά στοιχεία στη σύνθεση των πρωτεϊνών..
Οταν υπάρχει πλεόνασμα των αμινοξέων πρέπει να καταβολίζεται. Επίσης, εάν η πρόσληψη των υδατανθράκων είναι ανεπαρκής (όπως κατά τη διάρκεια νηστείας ή ασιτίας) ή εάν οι υδατάνθρακες δεν μπορούν να μεταβολιστούν κατάλληλα λόγω ασθένειας (όπως στο σακχαρώδη διαβήτη), τότε η πρωτεΐνη σώματος γίνεται σημαντικό καύσιμο για την παραγωγή μεταβολικής ενέργειας. Ο καταβολισμός των αμινοξέων παρέχει κανονικά μόνο το 10% της ενέργειας του σώματος,
Τα 20 κοινά αμινοξέα αποικοδομούνται με 20 διαφορετικούς μεταβολικούς δρόμους οι οποίοι καταλήγουν σε μόλις 7 μεταβολικά ενδιάμεσα προιόντα
Χαρακτηρισµός των αµινοξέων σύµφωνα µε τα µεταβολικά ενδιάµεσα προιόντα ακετύλο CoA ακετοακέτυλο CoA κετογενετικά πυρουβικό α-κετογλουταρικό σουκινύλο CoA οξαλοξικό γλυκογενετικά 7 φουμαρικό Μεικτά : γλυκογενετικά και κετογενετικά
Οµάδες αµινοξέων Κετογενετικά λευκίνη λυσίνη Γλυκογενετικά σερίνη θρεονίνη Ασπαρτικό γλουταµικό ασπαραγίνη γλουταµίνη γλυκίνη αλανίνη βαλίνη προλίνη ιστιδίνη αργινίνη µεθιονίνη κυστείνη Μεικτά ισολευκίνη φαινυλαλανίνη τρυπτοφάνη τυροσίνη 8
ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ τα μεταβολικά ενδιάμεσα προιόντα
Η οικογένεια C-3 των αμινοξέων: συγκλίνουν στην παραγωγή πυρουβικού Αλανίνη, σερίνη και κυστεΐνη Οι ανθρακικοί σκελετοί τριών άλλων αμινοξέων μετατρέπονται επίσης σε πυρουβικό. Η γλυκίνη μετατρέπεται σε σερίνη και επομένως σε πυρουβικό. Τα τρία άτομα άνθρακα της τρυπτοφάνης που δεν είναι μέρος του δακτυλίου του ινδολίου εμφανίζονται ως αλανίνη (και, συνεπώς, πυρουβικό) στην αποικοδόμηση αυτής. Η θρεονίνη σε έναν από τους δρόμους αποικοδόμησής της διασπάται σε γλυκίνη και ακεταλδεΰδη.
Tο πυρουβικό ως σηµείο εισόδου στο µεταβολισµό Τρυπτοφάνη Γλυκίνη Αλανίνη Σερίνη Κυστείνη Θρεονίνη Πυρουβικό αµινοακετόνη
Ο καταβολισµός της γλυκίνης σε οξαλικό µέσω του γλυοξυλικού είναι υπεύθυνος για τη δηµιουργία νεφρικών λίθων λόγω της χαµηλής διαλυτότητας του οξαλικού. (οξαλουρία τύπου Ι) Σερίνη
Η οικογένεια C-4 των αµινοξέων: Tο οξαλοξικό αποτελεί σηµείο εισόδου στο µεταβολισµό Ασπαρτικό οξύ Τρανσαµίνωση προς οξαλοξικό Ασπαραγίνη Υδρόλυση προς ασπαρτικό+ NH + 4 Τρανσαµίνωση προς οξαλοξικό
Η οικογένεια C-5 των αμινοξέων μετατρέπεται σε α-κετογλουταρικό μέσω γλουταμικού. Pro Arg Gln His Γλουταμικό οξύ α-κετογλουταρικό οποιοδήποτε αμινοξύ μετατρέπεται σε γλουταμικό ταξινομείται στην οικογένεια
Είσοδος στο σουκινύλο-coa Μεθειονίνη, Βαλίνη και Ισολευκίνη Val Met Iso Προπιονύλο-CoA Μεθυλοµαλονύλο-CoA Σουκινύλο-CoA Η ισολευκίνη είναι µεικτό αµινοξύ επειδή αποδίδει και ακέτυλο CoA 15
κετογενετικά ακετύλο CoA ακετοακέτυλο CoA 16
Η λευκίνη (διακλαδισµένης αλυσίδας αµινοξύ) αποδίδει ακετοξικό και ακέτυλο CoA Λευκίνη ακετοξικό + ακέτυλο CoA
Καταβολισμός μεικτών αμινοξέων
. Οι αντιδράσεις υπεύθυνες για τον καταβολισµό των αµινοξέων µε διακλαδισµένη αλυσίδα λαµβάνουν χώρα σε εξωηπατικούς ιστούς. βαλίνη ισολευκίνη Τρανσαµινάσες των αµινοξέων διακλαδισµένης αλυσίδας Δευδρογονάση α-κετοξέων διακλαδισµένης αλυσίδας λευκίνη α-κετοξέα Νόσος µε ούρα σαν σιρόπι σφενδάµου Ακυλο CoA παράγωγα
Νόσος µε ούρα σαν σιρόπι σφενδάµου ή κετονουρία διακλαδισµένης αλύσου http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/000373.htm Έλλειψη δευδρογονάσης α-κετοξέων διακλαδισμένης αλυσίδας Παρατηρείται αύξηση των α-κετοξέων διακλαδισμένης αλυσίδας 2,4- δινιτροpheνυλυδραζίνη ανίχνευση 20 α-κετοξύ Παράγωγο της 2,4-δινιτροPhe νυλυδραζίνης
Στους χρόνια αλκοολικούς παρατηρείται κετοξέωση: - από τη συσσώρευση των α-κετοξέων στο αίµα - από τη συσσώρευση κετονοσωµάτων Η έλλειψη θειαµίνης λόγω του αλκοολισµού, θα επιφέρει αύξηση των α-κετοξέων στο αίµα, λόγω αδυναµίας της πυρουβικής δεϋδρογονάσης, της α-κετογλουταρικής δεϋδρογονάσης και της δευδρογονάσης των α-κετοξέων µε διακλαδισµένη αλυσίδα να καταλύσουν τις αντιδράσεις τους.
Αποικοδόμηση αρωματικών αμινοξέων: Φαινυλαλανίνη τετραυδροβιοπτερίνη Υδροξυλάση της φαινυλαλανίνης φαινυλαλανίνη Κινονοειδής βιοπτερίνη τυροσίνη
φαινυλαλανίνη Αναγωγάση της διυδροβιοπτερίνης 5,6,7,8 τετραυδροβιοπτερίνη Υδροξυλάση της φαινυλαλανίνης 7,8 διυδροβιοπτερίνη Κινονοειδής τυροσίνη Η υδροξυλάση της φαινυλαλανίνης είναι µια οξυγονάση µεικτής λειτουργίας Role of tetrahydrobiopterin in the phenylalanine hydroxylase reacpon. The H atom shaded
φαινυλαλανίνη τρανσαµινάση Πυρουβικό Στην PKU, αυξάνει η συγκέντρωση της φαινυλαλανίνης στο αίμα και στα ούρα.το φαινυλοπυρουβικό συσσωρεύεται στους ιστούς, αίμα και ούρα. φαινυλοπυρουβικό Αλανίνη φαινυλοξικό φαινυλογαλακτικό
φαινυλοκαιτονουρία 25 http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/001166.htm
φαινυλαλανίνη οµογεντισικό Φαινυλο κετονουρία Υδροξυλάση της Phe Οξειδάση του οµογεντισικού Αλκαπτονουρία Τυροσυναιμία ΙΙ Τρανσαµινάση της Tyr τυροσίνη α-κετογλουταρικό γλουταµικό Ισοµεράση του µαλευλοακετοξικού μαλευλοακετοξικό φουμαρυλακετοξικό υδρολάση Τυροσιναιµία Ι π-oh-φαινυλοπυρουβικό Τυροσυναιµία ΙΙΙ Υδροξυλάση του π-ohφαινυλοπυρουβικού φουμαρικό ακετοξικό οµογεντισικό ακετοακέτυλο CoA
αλκαπτονουρία Έλλειψη οξειδάσης του ομογεντισικού hkp://www.emedicine.com/ped/topic64.htm Ούρα ομογεντισικό αέρας 27 Έγχρωμο πολυμερές προιόν
ΒΙΟΣΥΝΘΕΣΗ ΤΩΝ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ
Εννέα απαραίτητα αμινοξέα VF WITH MLK (Very Full With Milk): V F Valine Phenylalanine W I T H Tryptophan Isoleucine Threonine His}dine M L K Methionine Leucine Lysine 30
Ο ανθρακικός σκελετός των αµινοξέων προέρχεται απο προιόντα της γλυκόλυσης και του κύκλου του κιτρικού
Αµινοξέα που συντίθενται απο προιόντα της γλυκόλυσης
3-φωσφογλυκερικό Σερίνη Γλυκίνη Κυστείνη
3-φωσφογλυκερικό Φωσφογλυκερική δευδρογονάση 3-φωσφο-ΟΗ-πυρουβικό
3-φωσφο-ΟΗ-πυρουβικό Τρανσαµινάση της 3- φωσφοσερίνης γλουταµικό α-κετογλουταρικό 3-φωσφοσερίνη
3-φωσφοσερίνη Φωσφατάση της 3-φωσφοσερίνης Σερίνη Η σερίνη συντίθεται στο ηπαρ και τους νεφρούς
Η Ser αποτελεί κύρια πηγή άνθρακα των μονανθρακικών ομάδων Σερίνη φολικό υδροξυµέθυλο τρανσφεράση της σερίνης Μεθυλένο Η 4 φολικό Γλυκίνη
Ο ρόλος του Η4 φολικού στις βιοσυνθετικές αντιδράσεις αµινοξέα Ουρία, Πηγές άνθρακα 1. ser, gly 2. his, trp Δεξαµενή C1 του H4 φολικού προιόντα Πρόδροµες ενώσεις Βιοσυνθετικοί δρόµοι Michael Palmer 2014
Φορείς µονοανθρακικών οµάδων μεταφέρει το CO 2 τετραυδροφολικό S-αδενοσυλοµεθειονίνη
Δεξαµενή C1 του H4 φολικού Trp His Ser Βάσεις πουρίνης θυµίνη Μεθειονίνη Michael Palmer 2014
Βιοσυνθετικοί δρόµοι : 1. Βάσεις πουρίνης 2. Θυµίνη 3.S-adenosylmethionine φωσφολιπίδια της χολίνης, κρεατίνη, επινεφρίνη, µεθυλίωση του DNA
Αντιδράσεις µεθυλίωσης που συµµετέχει η SAM 1. Μεθυλίωση της φωσφατιδυλοαιθανολαµίνης σε φωσφατίδυλοχολίνη 2. γουανιδινοξικό κρεατίνη 3. νορεπινεφρίνη επινεφρίνη 4. ακετυλοσεροτονίνη µελατονίνη 5. Μεθυλίωση του DNA 6. Μεθυλίωση φαρµάκων (π.χ. mercaptopurine)
Αντιδράσεις µεθυλίωσης που συµµετέχει η SAM 1. Μεθυλίωση της φωσφατιδυλοαιθανολαµίνης σε φωσφατίδυλοχολίνη 2. γουανιδινοξικό κρεατίνη 3. νορεπινεφρίνη επινεφρίνη 4. ακετυλοσεροτονίνη µελατονίνη 5. Μεθυλίωση του DNA 6. Μεθυλίωση φαρµάκων (π.χ. mercaptopurine)
Αναγωγή του φολικού σε τετραυδροφολικό (FH 4 ) Φολικό Στα εντερικά κύτταρα το φολικό µετατρέπεται σε Ν 5 -µεθυλο-fh 4 και µε την πυλαία κυκλοφορία µεταφέρεται στο ήπαρ. Η πρόσληψη του απο το ήπαρ γίνεται µέσω υποδοχέων µε ενδοκυττάρωση ή ενεργή µεταφορά.
Μετατροπές των µονοανθρακικών µονάδων που συνδέονται στο FH 4 τετραυδροφολικό Μυρμηκικό + ATP Ν 5, Ν 10 - Μεθυλένο τετραυδροφολικό NAD+ Ν 5 - Μεθυλο τετραυδροφυλλικό ADP+Pi NADPH Ν 10 -φορμυλοτετραυδροφυλλικό Ν 5, Ν 10 -Μεθενυλο τετραυδροφυλλικό Ν 5 -Φορμιμινο τετραυδροφυλλικό Οι µονανθρακικές οµάδες είναι σε διαφορετικές οξειδωτικές καταστάσεις, µε περισσότερο ανηγµένη τη µεθυλική.
Η S αδενοσύλoµεθειονίνη είναι δότης των µεθυλικών οµάδων Ενεργοποιηµένη µεθυλική οµάδα ATP Μεθειονίνη S-αδενοσυλομεθειονίνη S-αδενοσυλομοκυστείνη SAM Ομοκυστείνη Ser Η µεταφορά της αδενοσυλικής οµάδας απο το ATP στο άτοµο του θείου της Met σχηµατίζει µια οµάδα σουλφονίου και καθιστά δυνατή τη µεταφορά της µεθυλικής οµάδας σε διάφορες ενώσεις Cys
Η οµοκυστείνη καταβολίζεται σε κυστείνη και τελικά σε σουκινύλο-coa. οµοκυστείνη 1 -συνθάση της κυσταθειονίνης αναστολή ενζύµου απο Cys 1 2 Σουκινύλο-CoA προπιονύλο-coa α-κετοβουτυρικό κυσταθειονίνη 2-κυσταθειονινάση (λυάση της κυσταθειονίνης) (ενεργό συνένζυµο PLP)
Η οµοκυστείνη έχει συνθεθεί µε αγγειακά νοσήµατα. Προκαλεί βλάβη στα ενδοθηλιακά κύτταρα των αιµοφόρων αγγείων και προάγει τη δηµιουργία αθηρωµατικής πλάκας. Ατοµα µε αυξηµένα επίπεδα του αµινοξέος έχουν υψηλό κίνδυνο ανάπτυξης καρδιαγγειακών επεισοδίων.
Ο C και το N προέρχονται απο τη Ser ενώ το S απο Met Σύνθεση της κυστείνης
Η κυσταθειονινουρία (παρουσία κυσταθειονίνης στα ούρα) λόγω ανωριµότητας της λυάσης της κυσταθειονίνης είναι συνηθισµένη στα πρόωρα βρέφη. Τα επίπεδα του ενζύµου φθάνουν τα φυσιολογικά ακολουθώντας την ανάπτυξη των βρεφών και το νόσηµα εκλείπει. Η κυσταθειονινουρία στους ενήλικες είναι εξαιτίας της γενετικής έλλειψης του ενζύµου η έλλειψης της βιταµίνης Β6.
Προιόντα του κύκλου του κιτρικού που οδηγούν στη σύνθεση αµινοξέων
u α-κετογλουταρικό: γλουταµικό, γλουταµίνη, προλίνη, αργινίνη, ιστιδίνη Δευδρογονάση γλουταµικό + NAD(P) + + H 2 O a-κετογλουταρικό + NH + 4 + NAD(P)H γλουταµικό + NH 4 + + ATP Συνθετάση της Gln γλουταµίνη + ADP + P i γλουταµινάση γλουταµίνη + H 2 O γλουταµικό + NH 3
u Οξαλοξικό: Ασπαρτική συνθετάση Ασπαραγινάση
ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΒΙΤΑΜΙΝΗΣ Β12 (κοβαλαµίνη)
ομοκυστείνη συνθάση της μεθειονίνης Β12 µέθυλοκοβαλαµίνη Μέθυλ Η 4 φολικό Η 4 φολικό Μεθειονίνη
Μεθειονίνη, Βαλίνη και Ισολευκίνη Met Val Iso i ii Προπιονύλο-CoA Μεθυλοµαλόνυλο-CoA σουκινύλο-coa i-προπιονυλο CoA καρβοξυλάση (βιοτίνη) II-µεθυλοµαλόνυλο µουτάση (δεοξυαδενοσυλοκοβαλαµίνη) 56
ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΒΙΤΑΜΙΝΗΣ Β12 (κοβαλαµίνη)
Η βιταµίνη Β 12 εµπλέκεται στη δράση της συνθάσης της µεθειονίνης στην ανακύκλωση των συνενζύµων του φολικού οξέος και στη δράση της µεθυλοµαλόνυλο µουτάσης. Είναι απαραίτητη για την παραγωγή των ερυθρών και των λευκών αιµοσφαιρίων, καθώς και για τη φυσιολογική ανάπτυξη και λειτουργία του νευρικού ιστού.
ομοκυστείνη συνθάση της μεθειονίνης Β12 µέθυλοκοβαλαµίνη Μέθυλ Η 4 φολικό Η 4 φολικό Μεθειονίνη
IF Υποδοχείς του συµπλέγµατος IF-B12, κουµπιλίνη, αµνιονλεσίνη Β12
Δυσαπορρόφηση της διαιτητικής Β12 δυνατόν να οφείλεται: - αδυναµία (κληρονοµική) των γαστρικών τοιχωµατικών κυττάρων να συνθέτουν επαρκή ενδογενή παράγοντα ή εξ αιτίας µερικής εκτοµής του στοµάχου ή του ειλεού ελλατωµένη παραγωγή ενδογενούς παράγοντα µε την πάροδο των ετών -παγκρεατική ανεπάρκεια ή το υψηλό εντερικό ph, λόγω πολύ µικρής παραγωγής οξέων από το στοµάχι. Οι δύο αυτές καταστάσεις αποτρέπουν τη διάσπαση του συµπλέγµατος R- συνδέτη Β 12, η βιταµίνη παραµένει συνδεδεµένη στην πρωτεΐνη και δε µπορεί να συνδεθεί µε τον ενδογενή παράγοντα. Συγγενής δυσαπορρόφηση της Β 12 µπορεί επίσης να προέλθει από κληρονοµικές µεταλλάξεις είτε της κουµπιλίνης είτε της αµνιονλεσίνης.
Η κλασική κλινική εικόνα της νευρικής δυσλειτουργίας απο έλλειψη Β 12 περιλαµβάνει: -συµµετρικό µούδιασµα των χεριών και των ποδιών, -αίσθηση της αντίληψης των δονήσεων (παλλαισθησία), -εµφάνιση σπαστικών διαταραχών του βαδίσµατος -υπνηλία -τυφλά σηµεία στις κεντρικές περιοχές των οπτικών πεδίων εξαιτίας υποµεθυλίωσης εντός του νευρικού συστήµατος, αποτέλεσµα της αδυναµίας να ανακυκλωθεί η οµοκυστεΐνη σε µεθειονίνη και SAM.
BIOXHMEIA, TOMOΣ II ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ
Κλινικό περιστατικό Kυρία 80 ετών επισκέφτηκε το γιατρό της επειδή αισθάνθηκε αιµωδία στις κνήµες. Το διαιτητικό ιστορικό της έδειξε µια κανονική και υγιεινή διατροφή. Οι βιοχηµικές της εξετάσεις έδειξαν µικρή αύξηση του µεθυλοµαλονικού οξέος. Η µέση ηµερήσια δίαιτα στις Δυτικές χώρες περιέχει 5 30 µg βιταµίνης Β 12, εκ των οποίων 1 5 µg απορροφώνται στο αίµα. (Η προτεινόµενη διαιτητική πρόσληψη [RDA] είναι 2,4 µg/ηµέρα).
Μεθειονίνη, Βαλίνη και Ισολευκίνη Met Val Iso i ii Προπιονύλο-CoA Μεθυλοµαλόνυλο-CoA σουκινύλο-coa i-προπιονυλο CoA καρβοξυλάση (βιοτίνη) II-µεθυλοµαλόνυλο µουτάση (δεοξυαδενοσυλοκοβαλαµίνη) 65
Μεταβολισµός της µεθιονίνης
Η λήψη των βιταµινών Β6, Β12 και φολικού για τη µείωση των επιπέδων της οµοκυστείνης δεν αποτρέπει τον κίνδυνο καρδιοεµβολικών επεισοδίων. Η οµοκυστείνη αποτελεί δείκτη και όχι αιτολογικό παράγοντα των καρδιαγγειακών νοσηµάτων.
Κλινικό περιστατικό Ατοµο 14 ετών παρουσίασε αιφνιδίως επιληπτική κρίση και έγινε εισαγωγή σε Νοσοκοµείο. Πληροφορίες απο το ιστορικό του ασθενούς: Ελαφρά νοητική υστέρηση, περιφερική ιριδεκτοµή (επέµβαση για διόρθωση εκτόπισης των κάτω φακών), λικνιστικό βάδισµα, οστεοπόρωση, σκολίωση. Κατόπιν εξετάσεων βρέθηκαν αλλοιώσεις συµβατές µε µικρό έµφραγµα στο δεξιό ηµισφαίριο του εγκεφάλου, υψηλά επίπεδα Met (980 µm ΦΤ: <30µM), οµοκυστείνης, µη ανιχνεύσιµα επίπεδα κυστίνης (προιόν οξείδωσης της Cys) στο αίµα του ασθενούς. Φυσιολογικές τιµές για Β12 και φολικό Αυξηµένα επίπεδα οµοκυστείνης στα ούρα Συζήτηση για πιθανή οµοκυστινουρία στον ασθενή.
αναγωγάση Ν 5,Ν 10 -µεθυλένο TF4 Συνθάση της µεθειονίνης συνθάση της β-κυσταθειονίνης Οι βιταµίνες Β6, Β12 και φολικό συµβάλλουν στη ρύθµιση των επιπέδων της οµοκυστείνης