Alai

Essentielle og ikke-essentielle aminosyrer

Nonessentielle aminosyrer er de aminosyrer, der syntetiseres af pattedyr, mens de essentielle aminosyrer skal hentes fra kosten. Hvorfor ville en organisme udvikle sig på en sådan måde, at den ikke kunne eksistere i mangel af visse aminosyrer? Det er mest sandsynligt, at disse aminosyrer var let tilgængelige i lavere organismer (planter og mikroorganismer), så det ikke var nødvendigt for den højere organisme at fortsætte med at producere dem. Veje til deres syntese blev valgt fra. Det er altså en stor besparelse, at man ikke behøver at syntetisere yderligere ti aminosyrer (og regulere deres syntese).Ikke desto mindre er det stadig op til os at gøre os bekendt med de syntetiske veje for disse essentielle aminosyrer i planter og mikroorganismer, og det viser sig, at de generelt er mere komplicerede end vejene for syntese af ikkeessentielle aminosyrer, og de er også artsspecifikke.

De tyve aminosyrer kan opdeles i to grupper på 10 aminosyrer. Ti eressentielle og 10 er ikkeessentielle. Dette er dog ikke rigtig en nøjagtig opdeling, da der er overlapning mellem de to grupper, som det fremgår af den tekst, der ledsager de to følgende diagrammer:

Bemærk, at tyrosin virkelig er en essentiel aminosyre, da den er syntetiseret ved hydroxylering af phenylalanin, en essentiel aminosyre.Hos dyr stammer cysteins sulfhydrylgruppe også fra methionin, som er en essentiel aminosyre, så cystein kan også anses for at være essentielt.

De ti “essentielle” aminosyrer er:

Arginin syntetiseres af pattedyr i urinstofcyklusen, men det meste af det hydrolyseres til urinstof og ornithin:

(Link til Dr. Diwan’s webside om AminoAcid Catabolism for flere oplysninger om hydrolyse af urea, samt for gennemgang af aminosyre katabolisme)

Da pattedyr ikke kan syntetisere nok arginin til at opfylde spædbørns og børns metaboliske behov, er det klassificeret som en essentiel aminosyre.

Syntese af ikke-essentielle aminosyrer

Med undtagelse af tyrosin (da dets umiddelbare forløber er phenylalanin, en essentiel aminosyre), syntetiseres alle de ikke-essentielle aminosyrer (og vi vil inkludere arginin her) fra mellemprodukter fra større metaboliske baner. Desuden kan kulstofskeletterne i disse aminosyrer spores til deres tilsvarende a-ketosyrer. Det kunne derfor være muligt at syntetisere en hvilken som helst af de ikke-essentielle aminosyrer direkte ved at transaminere dens tilsvarende a-ketosyre, hvis denne keto-syre findes som et fælles mellemprodukt. En “transaminationsreaktion”, hvor en aminogruppe overføres fra en aminosyre til a-kulstoffet i en keto-syre, katalyseres af en aminotransferase.

Tre meget almindelige a-ketosyrer kan transamineres i ét trin til deres tilsvarende aminosyre:

Pyruvat (glykolytisk slutprodukt) –> alanin

Oxaloacetat (mellemprodukt i citronsyrecyklus) –> aspartat

a-ketoglutarat (mellemprodukt i citronsyrecyklus) –> glutamat

De enkelte reaktioner er:

De enkelte reaktioner er:

Asparagin og glutamin er produkterne af amideringer af henholdsvis aspartat ogglutamat. Således er asparagin og glutamin og de resterende ikkeessentielle aminosyrer ikke direkte resultatet af transaminering af a-ketosyrer, fordi disse ikke er almindelige mellemprodukter i de andre veje. Alligevel vil vi være i stand til at spore kulstofskeletterne for alle disse tilbage til en a-ketosyre.Jeg gør opmærksom på dette ikke på grund af de dybe implikationer, der ligger i det, men snarere som en måde at forenkle indlæringen af de syntetiske veje for de ikke-væsentlige aminosyrer.

Aspartat transamineres til asparagin i en ATP-afhængig reaktionkatalyseret af asparaginsynthetase, og glutamin er aminogruppedonor:

Syntesen af glutamin foregår i to trin, hvor glutamat først “aktiveres” til et g-glutamylphosphatintermediat, efterfulgt af en reaktion, hvor NH3 fortrængerphosphatgruppen:

Så syntesen af asparagin er uløseligt forbundet med syntesen af glutamin, og det viser sig, at glutamin er aminogruppedonor i dannelsen af en lang række biosyntetiske produkter, ligesom det er en lagerform af NH3. Man kunne derfor forvente, at glutaminsyntetase, det enzym, der er ansvarlig for amidering af glutamat, spiller en central rolle i reguleringen af kvælstofmetabolismen. Vi vil nu se nærmere på denne regulering, inden vi går videre til biosyntesen af de resterende ikke-essentielle aminosyrer.

Du har tidligere studeret den oxidative deaminering af glutamat ved hjælp af glutamatdehydrogenase, hvor der dannes NH3 og a-ketoglutarat. Det producerede a-ketoglutarat er derefter tilgængeligt til at acceptere aminogrupper i andre transaminationsreaktioner, men ophobningen af ammoniak som det andet produkt af denne reaktion er et problem, fordi det i høje koncentrationer er giftigt. For at holde NH3-niveauet i et kontrolleret område aktiverer et stigende niveau af a-ketoglutarat glutaminsyntetase, hvilket øger produktionen af glutamin, som afgiver sin aminogruppe i forskellige andre reaktioner.

Reguleringen af glutaminsyntetase er blevet undersøgt i E.Coli, og selv om det er kompliceret, er det værd at se på nogle af dens træk, fordi det vil give os et bedre indblik i reguleringen af krydsende metaboliske baner. Røntgendiffraktion af krystaller af enzymet afslører en hexagonal prisme-struktur (D6-symmetri), der består af 12 identiske underenheder. Enzymets aktivitet kontrolleres af 9 allosteriske feedbackinhibitorer, hvoraf 6 er slutprodukter fra veje, der involverer glutamin:

histidin

tryptofan

carbamoylphosphat (syntetiseret fra carbamoylphosphat-synthetase II)

glucosamin-6-phosphat

AMP (se næste forelæsning)

CTP (se næste forelæsning)

De tre andre effektorer er alanin, serin ogglycin, som bærer information om det cellulære kvælstofniveau.

Enzymet reguleres også ved kovalent modifikation (adenylylering af en tyrresidue), hvilket resulterer i en øget følsomhed over for den kumulative feedbackinhibering fra de ovennævnte ni effektorer. Adenylyltransferase er det enzym, der katalyserer både adenylyleringen og deadenyleringen af E. coli glutaminsynthetase, og dette enzym er komplekseret med et tetramerisk regulatorisk protein, PII.Reguleringen af adenylyleringen og dens omvending sker på PII-niveau, afhængigt af uridyleringen af en anden Tyr-residual, der er placeret på PII.Når PII er uridylyleret, er glutaminsyntetase deadenylyleret; det omvendte sker, når UMP er kovalent bundet til Tyr-resten af PII.Niveauet af uridylylering reguleres igen af aktiviteterne af de to enzymer, uridylyltransferase og uridylyl-fjernende enzym, der begge er placeret på samme protein. Uridylyltransferase aktiveres af a-ketoglutarat og ATP, mens det hæmmes af glutamin og Pi.

Det følgende diagram opsummerer reguleringen af bakteriel glutaminsynthetase (se tekst side 1035) :

Vi kan “gå igennem” denne regulatoriske kaskade ved at se på et specifikt eksempel, nemlig et øget niveau af a-ketoglutarat( hvilket afspejler en tilsvarende stigning i NH3) niveauet:

(1) Uridylyltransferaseaktiviteten øges

(2) PII (i kompleks med adenylyltransferase)uridylyleres

(3) Glutaminsynthetase deadenylyleres

(4) a-ketoglutarat og NH3 danner glutamin og Pi

At styringen af bakteriel glutaminsynthetase er yderst følsom over for niveauet af cellens kvælstofmetabolitter illustreres af, at det glutamin, der netop er produceret i ovenstående kaskade, nu er en hæmmer for yderligere glutaminproduktion.

I klasseøvelse:

Prolin, ornithin og arginin er afledt af glutamat

Det første trin omfatter fosforylering af glutamat med ATP med enzymet g-glutamylkinase, efterfulgt af reduktion til glutamat-5-semialdehyd, som spontant cykliseres (intet enzym er påkrævet) til en intern Schiff-base. Dannelsen af semialdehydet kræver også tilstedeværelse af enten NADP eller NADPH.

Semialdehydet er dog et forgrenet punkt. Den ene gren fører til prolin, mens den anden gren fører til ornithin og argininin. Glutamat-5-semialdehydtransamineres til ornithin, og glutamat er aminogruppedonor. Ornithin, et mellemprodukt fra urinstofcyklus, omdannes til arginin gennem urinstofcyklusen.

For yderligere at fremhæve glutamats betydning omdannes det til den fysiologisk aktive amin, g-aminosmørsyre (GABA), den vigtigste hæmmende neurotransmitter i hjernen:

Det glycolytiske mellemprodukt, 3-fosfoglycerat, omdannes til serin,cystein og glycin.

Bemærk deltagelsen af glutamat som aminogruppedonor. Serin omdannes til glycin i følgende reaktion:

serin + THF –> glycin + N5,N10 -methylen-THF (enzym: serinhydroxymethyltransferase)

Glycin dannes også i en kondensationsreaktion som følger:

N5,N10 -methylen-THF + CO2 + NH4+ –> glycin (enzym: glycinsyntase; kræver NADH)

Cystein syntetiseres fra serin og homocystein (methionin nedbrydningsprodukt):

ser + homocystein ->cystathionin + H2O

cystathionin + H2O –> a-ketobutyrat + cystein + NH3

Syntese af essentielle aminosyrer

Syntesevejene for de essentielle aminosyrer er:

Syntesevejene for de essentielle aminosyrer er:

(1) findes kun i mikroorganismer

(2) er betydeligt mere komplekse end for ikke-essentielle aminosyrer

(3) anvender velkendte metaboliske forløbere

(4) viser variation mellem arter

Med henblik på klassificering kan man betragte følgende 4 “familier”, som er baseret på fælles forløbere:

(1) Aspartat-familie: lysin, methionin, threonin

(2) Pyruvat-familie: leucin,isoleucin,valin

(3) Aromatisk familie:Phenylalanin, Tyrosin, Tryptofan

(4) Histidin

Aspartat-familien

Det første engagerede trin for syntesen af Lys, Met og Thr er det første trin, hvor aspartat fosforyleres til aspartyl-b-fosfat,katalyseret af aspartokinase:

E.coli har 3 isozymer af aspartokinase, der reagerer forskelligt på hver af de 3 aminosyrer med hensyn til enzymhæmning og feedbackhæmning. Biosyntesen af lysin, methionin og threonin styres således ikke som en gruppe.

Vejledningen fra aspartat til lysin har 10 trin.

Vejledningen fra aspartat til threonin har 5 trin

Vejledningen fra aspartat til methionin har 7 trin

Regulering af de tre veje sker også ved de to forgreninger:

b-Aspartat-semialdehyd (homoserin og lysin)

Homoserin (threonin og methionin)

Reguleringen skyldes feedback-hæmning af aminosyreprodukterne fra forgreningerne, som er angivet i parentesen ovenfor.

Vi vil se på et vigtigt trin i syntesen af denne gruppe af 3 aminosyrer, nemlig det trin, hvor homocystein omdannes til methionin, som katalyseres af enzymet methioninsyntase:

I denne reaktion methyleres homocystein til methionin, og C1donoren er N5-methyl-THF. Bemærk, at enzymet kaldes en “synthase” snarere end en synthetase, fordi reaktionen er en kondensationsreaktion, hvor ATP (eller et andet nukleosidtriphosphat) ikke anvendes som energikilde, hvilket skal sammenlignes med en “synthetase”, hvor der kræves en NTP som energikilde.Denne reaktion kan også betragtes som overførsel af amethylgruppe fra N5-methyl-THF til homocystein, så et andet navn for det enzym, der katalyserer den, er homocysteinemethyltransferase.

Det er rimeligt at gennemgå reaktioner, hvor der tilføjes en C1-enhed til en metabolisk forløber, da disse reaktioner ses meget ofte i vores undersøgelse af biokemiske veje. Du har allerede set overførslen af acarboxylgruppen fra biotin-kofaktoren i pyruvatcarboxylase til pyruvat for at danne oxaloacetat (hvorfor kaldes dette ikke for en “transferase” eller en “synthase”?). De fleste carboxyleringsreaktioner anvender biotin som cofaktor.Du har også studeret nedbrydning af methionin, hvor det første trin omfatter overførsel af adenosin til methionin for at danne S-Adenosylmethionin (SAM). Methylgruppen på sulfoniumionen i SAM er meget reaktiv, så det er ikke overraskende, at SAM er et methyleringsmiddel i nogle reaktioner.Tetrahydrofolater er også C1-donorerende midler, og i modsætning til carboxyleringer og SAM-methyleringer kan THF’erne overføre C1-enheder i mere end én oxidationstrin.

N5-methyl-THF , som vi netop har set, overfører methylgruppen (-CH3), hvor C’s oxidationsniveau er methanols (-4). N5,N10-methylen-THF overfører en methylengruppe (-CH2-), og oxidationsniveauet er formaldehydets (0), mens N5-formimino-THF overfører formiminogruppen (-CH=NH), hvor oxidationsniveauet for Catom er formatets (0). Formyl- (-CH=O) og methenyl- (-CH=) grupper overføres også af THF, og disse har begge C i oxidationsniveauet for formiat (+2). THF’s struktur er velegnet til disse overførsler i kraft af dets N5- og N10-grupper, som det fremgår af følgende kemiske struktur:

Vi vil se THF igen, når vi studerer syntesen af thymidylat fra dUMP, katalyseret af enzymet thymidylatsyntase, hvor N5,N10-methylen-THF er methyldonor.

Pyruvatfamilien

Dette er de “forgrenede kædeaminosyrer”, og det er nyttigt at huske dem som en gruppe, ikke kun fordi de alle stammer fra pyruvatcarbonskeletet, men også fordi sygdommen “ahornsirupurinsyge” (MSUD) er et resultat af mangel på forgrenet a-ketoaciddehydrogenase, hvilket resulterer i en ophobning af forgrenede a-ketoacider.

Vi vil blot se på begyndelsen og slutningen af vejene:

Det første trin er fælles for alle 3 aminosyrer:

Pyruvat + TPP –> Hydroxyethyl-TPP (katalyseret af acetolactat-syntase)

Bemærk, at det centrale carbonatom i hydroxyethyl-TPP er et carbanion, og det er stabiliseret af resonansformer.

Hydroxyethyl-TPP kan reagere med endnu et pyruvat til dannelse af a-acetolactat, i hvilket tilfælde vejen fører mod valin og isoleucin, eller det kan reagere med a-ketobutyrat, i hvilket tilfælde vejen fører til isoleucin.

Der er et forgreningssted ved a-ketoisovalerat,som i den ene retning fører til valin og i den anden retning til leucin.

Det sidste trin i dannelsen af hver af disse aminosyrer indebærer overførsel af en aminogruppe fra glutamat til den tilsvarende a-ketosyre af hver af de 3 forgrenede aminosyrer.Her ser vi endnu et eksempel på den betydning, som en bestemt aminosyre, nemlig glutamat, har for aminosyrernes anabole veje.

De aromatiske aminosyrer:

Phosphoenolpyruvat (PEP), et glycolytisk mellemprodukt, kondenseres med kerythrose-4-fosfat, et pentosephosphatvejsintermediat, for at danne2-keto-3-deoxyarabinoheptulosonat-7-fosfat og uorganisk fosfat. Det involverede enzym er en syntase. Dette kondensationsprodukt cykliseres til sidst til chorismat.

Herfra forgrener vejen sig og ender med produktion af tryptofan i den ene ende af grenen og tyrosin og phenylalanin i den anden ende.

Et par højdepunkter fortjener at blive nævnt. For det første spiller glutamin en rolle som donor af en aminogruppe til chorismat for at danne anthranilat ved tryptofan-grenen.Den umiddelbare forløber for tryptofan er indol:

Den “indolring” er det karakteristiske træk ved tryptofanstrukturen. Bemærk, at serin er donor af aminogruppen til indol for at dannetryptofan.

Den gren, der fører til tyrosin og phenylalanin, har et andet forgreningssted ved præfenat. Den eneste forskel mellem de 2 resulterende aminosyrer er, at para-kulstoffet i benzenringen i tyrosin er hydroxyleret. Hos pattedyr hydroxyleres phenylalanin direkte til tyrosin, hvilket katalyseres af enzymet phenylalaninhydroxylase.

Phenylketonuri

Nogle meget vigtige fysiologisk aktive aminer stammer fra tyrosin,og disse er L-DOPA, dopamin, noradrenalin og epinephrin. Vejen fra tyrosin til noradrenalin er vist nedenfor:

Dannelsen af epinephrin fra noradrenalin indebærer overførsel af den højt reaktive methylgruppe fra S-adenosylmethionin til noradrenalin:

Struktur af S-adenosylmethionin, der viser dets reaktive methylgruppe:

Histidinbiosyntese:

Vi vil se lidt mere detaljeret på denne vej, fordi den involverermolekylet 5-fosforibosyl-a-pyrofosfat (som vi fremover vil kalde “PRPP”). PRPP er også involveret i syntesen af puriner og pyrimidiner, som vi snart vil se. I det første trin af histidinsyntesen kondenserer PRPP med ATP og danner et purin, N1-5′-phosphoribosylATP, i en reaktion, der drives af den efterfølgende hydrolyse af det udkondenserede pyrofosfat. Glutamin spiller igen en rolle som aminogruppedonor, og denne gang resulterer det i dannelsen af 5-aminoamidazol-4-carboximideribonukleotid (ACAIR), som er et mellemprodukt i purinbiosyntesen.

Histidin er specielt, idet dets biosyntese i sagens natur er forbundet med nukleotiddannelsens veje. Histidinrester findes ofte på enzymaktive steder, hvor kemien i histidins imidazolring gør det anucleofilt og en god syre/base-katalysator. Vi ved nu, at RNA kan have katalytiske egenskaber, og der har været spekulationer om, at livet oprindeligt var RNA-baseret. Måske skete overgangen til proteinkatalyse fra RNA-katalyse ved oprindelsen af histidinbiosyntesen.

Det fysiologisk aktive amin, histamin, dannes af histidin: