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Essentielle und nicht-essentielle Aminosäuren

Nicht-essentielle Aminosäuren werden von Säugetieren synthetisiert, während die essentiellen Aminosäuren mit der Nahrung aufgenommen werden müssen. Warum sollte sich ein Organismus so entwickeln, dass er in Abwesenheit bestimmter Aminosäuren nicht existieren kann? Wahrscheinlich waren diese Aminosäuren in niederen Organismen (Pflanzen und Mikroorganismen) bereits verfügbar, so dass der höhere Organismus sie nicht mehr herstellen musste. Die Synthesewege für diese Aminosäuren wurden ausgelassen. Die Synthesewege für diese essentiellen Aminosäuren in Pflanzen und Mikroorganismen kennenzulernen, erweist sich im Allgemeinen als komplizierter als die Synthesewege für nicht-essentielle Aminosäuren, und sie sind außerdem artspezifisch.

Die zwanzig Aminosäuren können in zwei Gruppen von 10 Aminosäuren unterteilt werden. Zehn sind essentiell und 10 sind nicht-essentiell. Dies ist jedoch keine exakte Unterteilung, da es Überschneidungen zwischen den beiden Gruppen gibt, wie im Text zu den folgenden beiden Diagrammen angegeben:

Beachten Sie, dass Tyrosin wirklich eine essentielle Aminosäure ist, da es durch Hydroxylierung von Phenylalanin, einer essentiellen Aminosäure, synthetisiert wird.Bei Tieren wird die Sulfhydrylgruppe von Cystein von Methionin abgeleitet, das eine essentielle Aminosäure ist, so dass Cystein ebenfalls als essentiell angesehen werden kann.

Die zehn „essentiellen“ Aminosäuren sind:

Arginin wird von Säugetieren im Harnstoffzyklus synthetisiert, aber der größte Teil wird zu Harnstoff und Ornithin hydrolysiert:

(Link zu Dr. Diwan’s webpage on AminoAcid Catabolism for more information about thehydrolysis of urea, as well as for review of amino acid catabolism)

Da Säugetiere nicht genug Arginin synthetisieren können, um den Stoffwechselbedarf von Säuglingen und Kindern zu decken, wird es als eine essentielle Aminosäure eingestuft.

Synthese der nicht-essentiellen Aminosäuren

Abgesehen von Tyrosin (dessen unmittelbarer Vorläufer Phenylalanin ist, eine essentielle Aminosäure) werden alle nicht-essentiellen Aminosäuren (und dazu gehört auch Arginin) aus Zwischenprodukten der wichtigsten Stoffwechselwege synthetisiert. Außerdem lassen sich die Kohlenstoffgerüste dieser Aminosäuren auf ihre entsprechenden a-Ketosäuren zurückführen. Daher könnte es möglich sein, jede der nicht essentiellen Aminosäuren direkt durch Transaminierung der entsprechenden A-Ketosäure zu synthetisieren, wenn diese Ketosäure als gemeinsames Zwischenprodukt existiert. Eine „Transaminierungsreaktion“, bei der eine Aminogruppe von einer Aminosäure auf den a-Kohlenstoff einer Ketosäure übertragen wird, wird durch eine Aminotransferase katalysiert.

Drei sehr häufige a-Ketosäuren können in einem Schritt zu ihrer entsprechenden Aminosäure transaminiert werden:

Pyruvat (glykolytisches Endprodukt) –> Alanin

Oxaloacetat (Zwischenprodukt des Zitronensäurezyklus) –> Aspartat

a-Ketoglutarat (Zwischenprodukt des Zitronensäurezyklus) –> Glutamat

Die einzelnen Reaktionen sind:

Asparagin und Glutamin sind die Produkte von Amidierungen von Aspartat bzw. Glutamat. Asparagin und Glutamin sowie die übrigen nicht essentiellen Aminosäuren sind also nicht direkt das Ergebnis der Transaminierung von a-Ketosäuren, da diese nicht zu den üblichen Zwischenprodukten der anderen Stoffwechselwege gehören. Dennoch können wir die Kohlenstoffskelette all dieser Säuren auf eine A-Ketosäure zurückführen. Ich erwähne dies nicht, weil es irgendwelche tiefgreifenden Auswirkungen hätte, sondern um das Erlernen der Synthesewege der nicht essentiellen Aminosäuren zu vereinfachen.

Aspartat wird in einer ATP-abhängigen Reaktion, die von der Asparaginsynthetase katalysiert wird, zu Asparagin transaminiert, und Glutamin ist der Aminogruppendonor:

Die Synthese von Glutamin erfolgt in zwei Schritten, in denen Glutamat zunächst zu einem g-Glutamylphosphat-Zwischenprodukt „aktiviert“ wird, gefolgt von einer Reaktion, in der NH3 die Phosphatgruppe verdrängt:

Die Synthese von Asparagin ist also untrennbar mit der von Glutamin verbunden, und es stellt sich heraus, dass Glutamin der Aminogruppendonor bei der Bildung zahlreicher biosynthetischer Produkte ist und außerdem eine Speicherform von NH3 darstellt. Es ist daher zu erwarten, dass die Glutaminsynthetase, das Enzym, das für die Amidierung von Glutamat verantwortlich ist, eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Stickstoffmetabolismus spielt. Wir werden diese Steuerung nun genauer untersuchen, bevor wir uns der Biosynthese der übrigen nicht-essentiellen Aminosäuren zuwenden.

Sie haben bereits die oxidative Desaminierung von Glutamat durch Glutamatdehydrogenase untersucht, bei der NH3 und a-Ketoglutarat entstehen. Das gebildete a-Ketoglutarat steht dann für die Aufnahme von Aminogruppen in anderen Transaminationsreaktionen zur Verfügung, aber die Anhäufung von Ammoniak als weiteres Produkt dieser Reaktion ist ein Problem, da es in hohen Konzentrationen toxisch ist. Um den NH3-Spiegel in einem kontrollierten Bereich zu halten, aktiviert ein steigender a-Ketoglutarat-Spiegel die Glutaminsynthetase, wodurch die Produktion von Glutamin erhöht wird, das seine Aminogruppe in verschiedenen anderen Reaktionen abgibt.

Die Regulierung der Glutaminsynthetase wurde in E. Coli untersucht, und obwohl sie kompliziert ist, lohnt es sich, einige ihrer Merkmale zu betrachten, weil wir dadurch mehr Einblick in die Regulierung sich überschneidender Stoffwechselwege erhalten. Die Röntgenbeugung von Kristallen des Enzyms zeigt eine hexagonale Prismenstruktur (D6-Symmetrie), die aus 12 identischen Untereinheiten besteht. Die Aktivität des Enzyms wird durch 9 allosterische Rückkopplungsinhibitoren gesteuert, von denen 6 Endprodukte von Stoffwechselwegen sind, an denen Glutamin beteiligt ist:

Histidin

Tryptophan

Carbamoylphosphat (wird von Carbamoylphosphat-Synthetase II synthetisiert)

Glucosamin-6-phosphat

AMP (siehe nächster Vortrag)

CTP (siehe nächster Vortrag)

Die anderen drei Effektoren sind Alanin, Serin und Glycin, die Informationen über den zellulären Stickstoffgehalt transportieren.

Das Enzym wird auch durch kovalente Modifikation (Adenylylierung eines Tyrresiduums) reguliert, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber der kumulativen Rückkopplungshemmung durch die oben genannten neun Effektoren führt. Die Adenylyltransferase ist das Enzym, das sowohl die Adenylylierung als auch die Deadenylylierung der E. coli-Glutaminsynthetase katalysiert, und dieses Enzym ist mit einem tetrameren regulatorischen Protein, PII, komplexiert.Die Regulierung der Adenylylierung und ihrer Umkehrung erfolgt auf der Ebene von PII in Abhängigkeit von der Uridylylierung eines anderen Tyr-Rests, der sich auf PII befindet.Wenn PII uridylyliert ist, wird die Glutaminsynthetase deadenylyliert; das Gegenteil tritt ein, wenn UMP kovalent an den Tyr-Rest von PII gebunden ist.Der Grad der Uridylylierung wird wiederum durch die Aktivitäten der beiden Enzyme Uridylyltransferase und Uridylyl-entfernendes Enzym reguliert, die sich beide auf demselben Protein befinden. Die Uridylyltransferase wird durch a-Ketoglutarat und ATP aktiviert, während sie durch Glutamin und Pi gehemmt wird.

Das folgende Diagramm fasst die Regulation der bakteriellen Glutaminsynthetase zusammen (siehe Text Seite 1035):

Wir können diese Regulationskaskade anhand eines konkreten Beispiels „durchwandern“, nämlich der Erhöhung des a-Ketoglutarat-Spiegels (was eine entsprechende Erhöhung des NH3-Spiegels widerspiegelt):

(1) Uridylyltransferase-Aktivität ist erhöht

(2) PII (im Komplex mit Adenylyltransferase) ist uridylyliert

(3) Glutaminsynthetase ist deadenylyliert

(4) a-Ketoglutarat und NH3 bilden Glutamin und Pi

Dass die Steuerung der bakteriellen Glutaminsynthetase äußerst empfindlich auf den Gehalt an Stickstoffmetaboliten in der Zelle reagiert, zeigt die Tatsache, dass das in der obigen Kaskade gerade produzierte Glutamin nun ein Hemmstoff für die weitere Glutaminproduktion ist.

Übung im Unterricht: Erläutern Sie anhand des Regulationsweges die Auswirkung eines steigenden Glutaminspiegels auf die Aktivität der bakteriellen Glutaminsynthetase.

Prolin, Ornithin und Arginin leiten sich von Glutamat ab

Der erste Schritt ist die Phosphorylierung von Glutamat durch ATP mit dem Enzym g-Glutamylkinase, gefolgt von der Reduktion zu Glutamat-5-Semialdehyd, das sich spontan (ohne Enzym) zu einer internen Schiffsbase verzweigt. Die Bildung des Semialdehyds erfordert auch die Anwesenheit von entweder NADP oder NADPH.

Das Semialdehyd ist jedoch eine Verzweigung. Ein Zweig führt zu Prolin, während der andere Zweig zu Ornithin und Arginin führt. Glutamat-5-Semialdehyd wird zu Ornithin transaminiert, und Glutamat ist der Aminogruppendonator. Ornithin, ein Zwischenprodukt des Harnstoffzyklus, wird über den Harnstoffzyklus in Arginin umgewandelt.

Um die Bedeutung von Glutamat weiter hervorzuheben, wird es in das physiologisch aktive Amin g-Aminobuttersäure (GABA) umgewandelt, den wichtigsten hemmenden Neurotransmitter im Gehirn:

Das glykolytische Zwischenprodukt, 3-Phosphoglycerat, wird in Serin, Cystein und Glycin umgewandelt.

Beachten Sie die Beteiligung von Glutamat als Aminogruppendonator. Serin wird in der folgenden Reaktion in Glycin umgewandelt:

Serin + THF –> Glycin + N5,N10 -Methylen-THF (Enzym: Serinhydroxymethyltransferase)

Glycin wird auch in einer Kondensationsreaktion wie folgt gebildet:

N5,N10 -Methylen-THF + CO2 + NH4+ –> Glycin (Enzym: Glycinsynthase; benötigt NADH)

Cystein wird aus Serin und Homocystein (Methionin-Abbauprodukt) synthetisiert:

Ser + Homocystein ->Cystathionin + H2O

Cystathionin + H2O –> a-Ketobutyrat + Cystein + NH3

Synthese der essentiellen Aminosäuren

Die Synthesewege für die essentiellen Aminosäuren sind:

(1) kommen nur in Mikroorganismen vor

(2) sind wesentlich komplexer als bei den nicht-essentiellen Aminosäuren

(3) verwenden bekannte Stoffwechselvorstufen

(4) weisen eine Artenvielfalt auf

Zur Klassifizierung werden die folgenden 4 „Familien“ betrachtet, die auf gemeinsamen Vorstufen beruhen:

(1) Aspartatfamilie: Lysin, Methionin, Threonin

(2) Pyruvatfamilie: Leucin,Isoleucin, Valin

(3) Aromatische Familie:Phenylalanin, Tyrosin, Tryptophan

(4) Histidin

Die Aspartat-Familie

Der erste verbindliche Schritt für die Synthese von Lys, Met und Thr ist der erste Schritt, in dem Aspartat zu Aspartyl-b-phosphat phosphoryliert wird, katalysiert durch Aspartokinase:

E.coli besitzt 3 Isoenzyme der Aspartokinase, die auf jede der 3 Aminosäuren unterschiedlich reagieren, was die Hemmung des Enzyms und die Rückkopplungshemmung betrifft. Die Biosynthese von Lysin, Methionin und Threonin wird also nicht als Gruppe gesteuert.

Der Weg von Aspartat zu Lysin hat 10 Schritte.

Der Weg von Aspartat zu Threonin hat 5 Schritte

Der Weg von Aspartat zu Methionin hat 7 Schritte

Die Regulierung der drei Wege erfolgt auch an den beiden Verzweigungspunkten:

b-Aspartat-Semialdehyd (Homoserin und Lysin)

Homoserin (Threonin und Methionin)

Die Regulation erfolgt durch Rückkopplungshemmung durch die Aminosäureprodukte der Verzweigungen, die in den Klammern oben angegeben sind.

Betrachten wir einen wichtigen Schritt in der Synthese dieser Gruppe von 3 Aminosäuren, nämlich den Schritt, in dem Homocystein in Methionin umgewandelt wird, katalysiert durch das Enzym Methioninsynthase:

In dieser Reaktion wird Homocystein zu Methionin methyliert, und der C1-Donor ist N5-Methyl-THF. Man beachte, dass das Enzym als „Synthase“ und nicht als Synthetase bezeichnet wird, da es sich um eine Kondensationsreaktion handelt, bei der ATP (oder ein anderes Nukleosidtriphosphat) nicht als Energiequelle verwendet wird, im Gegensatz zu einer „Synthetase“, bei der ein NTP als Energiequelle erforderlich ist.Diese Reaktion kann auch als Übertragung einer Amethylgruppe von N5-Methyl-THF auf Homocystein betrachtet werden, so dass ein anderer Name für das Enzym, das diese Reaktion katalysiert, Homocysteinemethyltransferase lautet.

Es ist sinnvoll, Reaktionen zu untersuchen, bei denen eine C1-Einheit zu einem Stoffwechselvorläufer hinzugefügt wird, da diese Reaktionen bei der Untersuchung biochemischer Prozesse sehr häufig vorkommen. Sie haben bereits die Übertragung der Acarboxylgruppe vom Biotin-Cofaktor der Pyruvat-Carboxylase auf Pyruvat zur Bildung von Oxalacetat gesehen (warum wird dies nicht als „Transferase“ oder „Synthase“ bezeichnet?). Die meisten Carboxylierungsreaktionen verwenden Biotin als Cofaktor. Sie haben sich auch mit dem Methioninabbau befasst, bei dem in einem ersten Schritt Adenosin auf Methionin übertragen wird, um S-Adenosylmethionin (SAM) zu bilden. Die Methylgruppe des Sulfonium-Ions von SAM ist sehr reaktiv, so dass es nicht überrascht, dass SAM in einigen Reaktionen als Methylierungsmittel dient.Tetrahydrofolate sind ebenfalls C1-Spender, und im Gegensatz zu den Carboxylierungen und den SAM-Methylierungen können die THFs C1-Einheiten in mehr als einer Oxidationsstufe übertragen.

N5-Methyl-THF überträgt, wie wir gerade gesehen haben, die Methylgruppe (-CH3), wobei die Oxidationsstufe von C die von Methanol (-4) ist. N5,N10-Methylen-THF überträgt eine Methylengruppe (-CH2-) und die Oxidationsstufe ist die von Formaldehyd (0), während N5-Formimino-THF die Formiminogruppe (-CH=NH) überträgt, wobei die Oxidationsstufe des Katoms die von Formiat ist. Auch Formyl- (-CH=O) und Methenyl- (-CH=) Gruppen werden von THF übertragen, die beide das C in der Oxidationsstufe von Formiat (+2) haben. Die Struktur von THF ist aufgrund seiner N5- und N10-Gruppen für diese Übertragungen geeignet, wie die folgende chemische Struktur zeigt:

Wir werden THF wiedersehen, wenn wir die Synthese von Thymidylat aus DUMP untersuchen, die durch das Enzym Thymidylat-Synthase katalysiert wird, bei der N5,N10-Methylen-THF der Methyl-Donor ist.

Die Pyruvat-Familie

Das sind die „verzweigtkettigen“ Aminosäuren, und es ist hilfreich, sie sich als Gruppe zu merken, nicht nur, weil sie alle vom Pyruvat-Karbonskelett abstammen, sondern auch, weil die Krankheit „Ahornsirup-Urin-Krankheit“ (MSUD) eine Folge des Mangels an verzweigtkettiger A-Ketosäure-Dehydrogenase ist, was zu einer Anhäufung von verzweigtkettigen A-Ketosäuren führt.

Wir betrachten nur den Anfang und das Ende der Wege:

Der erste Schritt ist allen 3 Aminosäuren gemeinsam:

Pyruvat + TPP –> Hydroxyethyl-TPP (katalysiert durch Acetolactat-Synthase)

Beachten Sie, dass das zentrale Kohlenstoffatom in Hydroxyethyl-TPP ein Carbanion ist und durch Resonanzformen stabilisiert wird.

Hydroxyethyl-TPP kann mit einem anderen Pyruvat zu a-Acetolactat reagieren, in diesem Fall führt der Weg zu Valin und Isoleucin, oder es kann mit a-Ketobutyrat reagieren, in diesem Fall führt der Weg zu Isoleucin.

Es gibt eine Verzweigung am a-Ketoisovalerat, die in der einen Richtung zu Valin und in der anderen zu Leucin führt.

Der letzte Schritt bei der Bildung jeder dieser Aminosäuren beinhaltet den Transfer einer Aminogruppe von Glutamat auf die entsprechende a-Ketosäure jeder der drei verzweigtkettigen Aminosäuren.Hier sehen wir ein weiteres Beispiel für die Bedeutung einer bestimmten Aminosäure, nämlich Glutamat, für den Anabolismusweg der Aminosäuren.

Die aromatischen Aminosäuren:

Phosphoenolpyruvat (PEP), ein glykolytisches Zwischenprodukt, kondensiert miterythrose-4-phosphat, einem Zwischenprodukt des Pentosephosphatweges, zu2-Keto-3-deoxyarabinoheptulosonat-7-phosphat und anorganischem Phosphat. Das beteiligte Enzym ist eine Synthase. Dieses Kondensationsprodukt wird schließlich zu Chorismat zyklisiert.

Von hier aus verzweigt sich der Weg und endet mit der Produktion von Tryptophan an einem Ende des Zweigs und Tyrosin und Phenylalanin am anderen Ende.

Ein paar wichtige Punkte sind zu erwähnen. Der unmittelbare Vorläufer von Tryptophan ist Indol:

Der „Indolring“ ist das charakteristische Merkmal der Tryptophan-Struktur. Man beachte, dass Serin der Spender der Aminogruppe an Indol ist, um Tryptophan zu bilden.

Der Zweig, der zu Tyrosin und Phenylalanin führt, hat einen weiteren Verzweigungspunkt am Präphenat. Der einzige Unterschied zwischen den beiden entstehenden Aminosäuren besteht darin, dass das para-Kohlenstoffatom des Benzolrings von Tyrosin hydroxyliert ist. In Säugetieren wird Phenylalanin tatsächlich direkt zu Tyrosin hydroxyliert, katalysiert durch das Enzym Phenylalaninhydroxylase.

Phenylketonurie

Einige sehr wichtige physiologisch aktive Amine werden von Tyrosin abgeleitet,Dazu gehören L-DOPA, Dopamin, Noradrenalin und Epinephrin. Der Weg von Tyrosin zu Noradrenalin ist unten dargestellt:

Bei der Bildung von Epinephrin aus Noradrenalin wird die hochreaktive Methylgruppe von S-Adenosylmethionin auf Noradrenalin übertragen:

Struktur von S-Adenosylmethionin, die seine reaktive Methylgruppe zeigt:

Histidin-Biosynthese:

Wir werden diesen Weg etwas ausführlicher betrachten, da er das Molekül 5-Phosphoribosyl-a-pyrophosphat (das wir von nun an als „PRPP“ bezeichnen werden) einschließt. PRPP ist auch an der Synthese von Purinen und Pyrimidinen beteiligt, wie wir gleich sehen werden. Im ersten Schritt der Histidinsynthese kondensiert PRPP mit ATP zu einem Purin, N1-5′-PhosphoribosylATP, in einer Reaktion, die durch die anschließende Hydrolyse des auskondensierten Pyrophosphats angetrieben wird. Glutamin spielt wiederum eine Rolle als Aminogruppendonor, was diesmal zur Bildung von 5-Aminoamidazol-4-carboximideribonucleotid (ACAIR) führt, das ein Zwischenprodukt der Purinbiosynthese ist.

Histidin ist insofern eine Besonderheit, als seine Biosynthese von Natur aus mit den Wegen der Nukleotidbildung verbunden ist. Histidinreste finden sich häufig an enzymaktiven Stellen, wo die Chemie des Imidazolrings von Histidin es zu einem Nukleophil und einem guten Säure/Base-Katalysator macht. Wir wissen heute, dass RNA katalytische Eigenschaften haben kann, und es gibt Spekulationen, dass das Leben ursprünglich auf RNA basierte. Vielleicht fand der Übergang von der RNA-Katalyse zur Proteinkatalyse am Anfang der Histidin-Biosynthese statt.

Aus Histidin wird das physiologisch aktive Amin Histamin gebildet: