Alai

Välttämättömät ja ei-välttämättömät aminohapot

Välttämättömät aminohapot ovat nisäkkäiden itse syntetisoimia, kun taas välttämättömät aminohapot on saatava ravinnosta. Miksi organismi kehittyisi siten, että se ei voisi olla olemassa ilman tiettyjä aminohappoja? Todennäköisesti näiden aminohappojen helppo saatavuus alemmissa eliöissä (kasveissa ja mikro-organismeissa) esti korkeamman eliön tarpeen jatkaa niiden tuottamista. Niiden synteesireitit valikoituivat pois. Kymmenen ylimääräisen aminohapon synteesin (ja niiden synteesin säätelyn) välttäminen merkitsee siis suurta säästöä.Meidän on kuitenkin vielä tutustuttava näiden välttämättömien aminohappojen synteesireitteihin kasveissa ja mikro-organismeissa, ja on käynyt ilmi, että ne ovat yleensä monimutkaisempia kuin muiden kuin välttämättömien aminohappojen synteesireitit, ja ne ovat myös lajikohtaisia.

Kaksikymmentä aminohappoa voidaan jakaa kahteen 10:n aminohapon ryhmään. Kymmenen on välttämättömiä ja 10 ei-välttämättömiä. Tämä ei kuitenkaan oikeastaan ole tarkka jaottelu, sillä näiden kahden ryhmän välillä on päällekkäisyyttä, kuten kahden seuraavan taulukon liitteenä olevasta tekstistä käy ilmi:

Huomaa, että tyrosiini on oikeastaan välttämätön aminohappo, koska se syntetisoidaan hydroksyloimalla fenyylialaniinia, joka on välttämätön aminohappo.Eläimillä myös kysteiinin sulfhydryyliryhmä on peräisin metioniinista, joka on välttämätön aminohappo, joten myös kysteiiniä voidaan pitää välttämättömänä.

Kymmenen ”välttämätöntä” aminohappoa ovat:

Arginiini syntetisoituu nisäkkäissä ureakierrossa, mutta suurin osa siitä hydrolysoituu ureaksi ja ornitiiniksi:

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

Because nisäkkäät eivät kykene syntetisoimaan tarpeeksi arginiinia täyttääkseen imeväisten ja lasten metaboliset tarpeet, se on luokiteltu välttämättömäksi aminohapoksi.

Epäolennaisten aminohappojen synteesi

Tyrosiinia lukuun ottamatta (koska sen välitön esiaste on fenyylialaniini, joka on välttämätön aminohappo) kaikki epäolennaiset aminohapot (ja arginiini on tässä mukana) syntetisoidaan tärkeimpien aineenvaihduntareittien välituotteista. Lisäksi näiden aminohappojen hiilirunko on jäljitettävissä niitä vastaaviin a-ketohappoihin. Näin ollen voisi olla mahdollista syntetisoida mikä tahansa ei-välttämättömistä aminohapoista suoraan transaminoimalla sitä vastaava a-ketohappo, jos kyseinen ketohappo on olemassa yhteisenä välituotteena. Transaminaatioreaktiota, jossa aminoryhmä siirretään aminohaposta ketohapon a-hiileen, katalysoi aminotransferaasi.

Kolme hyvin yleistä a-ketohappoa voidaan transaminoida yhdessä vaiheessa vastaavaksi aminohapoksi:

pyruvaatti (glykolyyttinen lopputuote) –> alaniini

oksaloasetaatti (sitruunahappokierron välituote) –> aspartaatti

a-ketoglutaraatti (sitruunahappokierron välituote) –> glutamaatti

Yksittäiset reaktiot ovat:

Asparagiini on aspartaatin ja glutamaatti glutamaatin amidaatiotuotteita. Näin ollen asparagiini ja glutamiini sekä muut ei-välttämättömät aminohapot eivät ole suoraan a-ketohappojen transaminaation tulosta, koska ne eivät ole muiden reittien yleisiä välituotteita. Pystymme kuitenkin jäljittämään näiden kaikkien hiilirungot takaisin a-ketohappoon. En tee tätä siksi, että sillä olisi mitään syvällisiä seurauksia, vaan pikemminkin siksi, että näin voidaan yksinkertaistaa olennaisten aminohappojen synteettisten polkujen oppimista.

Aspartaatti transaminoituu asparagiiniksi ATP:stä riippuvassa reaktiossa, jota katalysoi asparagiinisyntetaasi, ja glutamiini on aminoryhmän luovuttaja:

Glutamiinin synteesi on kaksivaiheinen, jossa glutamaatti ”aktivoituu” ensin g-glutamyylifosfaattivälituotteeksi, minkä jälkeen seuraa reaktio, jossa NH3:n avulla fosfaattiryhmä syrjäytetään:

Asparagiinin synteesi on siis kiinteästi sidoksissa glutamiinin synteesiin, ja käy ilmi, että glutamiini on aminoryhmän luovuttaja lukuisien biosynteettisten tuotteiden muodostumisessa sekä NH3:n varastointimuoto. Näin ollen voidaan olettaa, että glutamiinisyntetaasilla, entsyymillä, joka vastaa glutamaatin amidaatiosta, on keskeinen rooli typpiaineenvaihdunnan säätelyssä. Seuraavaksi tarkastelemme tätä säätelyä tarkemmin, ennenkuin siirrymme muiden ei-välttämättömien aminohappojen biosynteesiin.

Olette aiemmin tutkineet glutamaatin oksidatiivista deaminointia glutamaattidehydrogenaasin toimesta, jossa syntyy NH3:a ja a-ketoglutaraattia. Tuotettu a-ketoglutaraatti on sitten käytettävissä aminoryhmien vastaanottamiseen muissa transaminaatioreaktioissa, mutta ammoniakin kertyminen tämän reaktion toisena tuotteena on ongelmallista, koska suurina pitoisuuksina se on myrkyllistä. Jotta NH3:n määrä pysyisi kontrolloidulla alueella, a-ketoglutaraatin nouseva määrä aktivoi glutamiinisyntetaasin, mikä lisää glutamiinin tuotantoa, joka luovuttaa aminoryhmänsä useissa muissa reaktioissa.

Glutamiinisyntetaasin säätelyä on tutkittu E. colissa, ja vaikka se on monimutkaista, on syytä tarkastella joitakin sen piirteitä, koska näin saamme paremman ymmärryksen toisiinsa liittyvien aineenvaihdunnallisten polkujen säätelystä. Entsyymin kiteiden röntgendiffraktio paljastaa kuusikulmaisen prismarakenteen (D6-symmetria), joka koostuu 12 identtisestä alayksiköstä. Entsyymin aktiivisuutta säätelee 9 allosterista takaisinkytkentäistä inhibiittoria, joista 6 on glutamiinia sisältävien reittien lopputuotteita:

histidiini

tryptofaani

karbamoyylifosfaatti (syntetisoituu karbamoyylifosfaattisyntetaasi II:sta)

glukosamiini-6-fosfaatti

AMP (ks. seuraava luento)

CTP (ks. seuraava luento)

Kolme muuta efektoria ovat alaniini, seriini jaglysiini, jotka välittävät tietoa solun typpitasosta.

Ensiymiä säätelee myös kovalenttinen modifikaatio (Tyrresiduen adenylylaatio), joka lisää herkkyyttä edellä mainittujen yhdeksän efektorin kumulatiiviselle feedbackinhibitiolle. Adenylyyttitransferaasi on entsyymi, joka katalysoi sekä E. coli -glutamiinisyntetaasin adenylylaation että deadenylylaation, ja tämä entsyymi on kompleksissa tetrameerisen säätelijäproteiinin, PII:n, kanssa.Adenylylaation ja sen käänteislylaation sääteleminen tapahtuu PII:n tasolla,riippuen PII:ssä sijaitsevan toisen Tyr-jäämän uridylylaatiosta.Kun PII on uridylyloitunut, glutamiinisyntetaasi deadenylyloituu; päinvastoin tapahtuu, kun UMP kiinnittyy kovalenttisesti PII:n Tyr-jäännökseen.Uridylyloitumisen tasoa säätelevät puolestaan samassa proteiinissa sijaitsevien kahden entsyymin, uridylyylitransferaasin ja uridylyylia poistavan entsyymin, toiminta. Uridyylitransferaasi aktivoituu a-ketoglutaraatin ja ATP:n vaikutuksesta, kun taas glutamiini ja Pi estävät sen toimintaa.

Seuraavassa kaaviossa on yhteenveto bakteerien glutamiinisyntetaasin säätelystä (ks. tekstin sivu 1035) :

Voidaan ”kävellä” tämän säätelykaskadin läpi tarkastelemalla spesifistä esimerkkiä, nimittäin lisääntynyttä a-ketoglutaraattipitoisuutta( joka heijastelee vastaavaa lisääntynyttä NH3-pitoisuutta):

(1) Uridylyyttitransferaasin aktiivisuus lisääntyy

(2) PII (kompleksissa adenylyyttitransferaasin kanssa)uridylylysoituu

(3) Glutamiinisyntetaasi deadenylylysoituu

(4) a-ketoglutaraatista ja NH3:sta muodostuu glutamiinia ja Pi:tä

Mitä bakteerien glutamiinisyntetaasin ohjaus on erittäin herkkä solun typpiaineenvaihduntatuotteille, osoittaa se, että edellä mainitussa kaskadissa äsken tuotettu glutamiini on nyt glutamiinin jatkotuotannon estäjä.

Luokkaharjoitus: Selitä säätelyreitin avulla glutamiinin nousevan määrän vaikutus bakteerien glutamiinisyntetaasin aktiivisuuteen.

Proliini, ornitiini ja arginiini johdetaan glutamaatista

Ensimmäisessä vaiheessa glutamaatti fosforyloidaan ATP:llä g-glutamyylikinaasientsyymin avulla, minkä jälkeen se pelkistyy glutamaatti-5-semialdehydiksi, joka syklysoituu spontaanisti (entsyymiä ei tarvita) sisäiseksi Schiffin emäkseksi. Semialdehydin muodostuminen edellyttää myös joko NADP:n tai NADPH:n läsnäoloa.

Semialdehydi on kuitenkin haarautumiskohta. Toinen haara johtaa proliiniin, kun taas toinen haara johtaa ornitiiniin ja arginiiniin. Glutamaatti-5-semialdehydi transaminoituu ornitiiniksi ja glutamaatti on aminoryhmän luovuttaja. Ornitiini, joka on ureasyklin välituote, muunnetaan arginiiniksi ureasyklin kautta.

Voidaksemme korostaa glutamaatin merkitystä entisestään, se muunnetaan fysiologisesti aktiiviseksi amiiniksi, g-aminovoihapoksi (GABA), joka on aivojen tärkein inhiboiva välittäjäaine:

Glykolyyttinen välituote, 3-fosfoglyseraatti, muunnetaan seriiniksi, kysteiiniksi ja glysiiniksi.

Huomaa glutamaatin osallistuminen aminoryhmän luovuttajana. Seriini muuntuu glysiiniksi seuraavassa reaktiossa:

seriini + THF –> glysiini + N5,N10 -metyleeni-THF (entsyymi: seriinihydroksimetyylitransferaasi)

Glysiini muodostuu myös kondensaatioreaktiossa seuraavasti:

N5,N10 -metyleeni-THF + CO2 + NH4+ –> glysiini (entsyymi: glysiinisyntaasi; vaatii NADH:n)

Kysteiini syntetisoidaan seriinistä ja homokysteiinistä (metioniinin hajoamistuote):

ser + homokysteiini ->kystationiini + H2O

kystationiini + H2O –> a-ketobutyraatti + kysteiini + NH3

Välttämättömien aminohappojen synteesi

Välttämättömien aminohappojen synteettiset reitit ovat:

(1) esiintyvät vain mikroelimissä

(2) huomattavasti monimutkaisempia kuin ei-essentiaalisten aminohappojen

(3) käyttävät tuttuja metabolisia esiasteita

(4) osoittavat lajivaihtelua

Luokittelun kannalta tarkastellaan seuraavia neljää ”perhettä ”jotka perustuvat yhteisiin esiasteisiin:

(1) Aspartaattiperhe: lysiini, metioniini, treoniini

(2) Pyruvaattiperhe: lysiini, metioniini, treoniini:

(3) Aromaattiset Perhe: Leusiini, isoleusiini, valiini

(3) Aromaattiset Perhe: Leusiini, isoleusiini, valiini:Fenyylialaniini, tyrosiini, trryptofaani

(4) Histidiini

Aspartaattiperhe

Lysin, Met:n ja Thr:n synteesin ensimmäinen sitoutunut vaihe on ensimmäinen vaihe, jossa aspartaatti fosforyloidaan aspartyyli-b-fosfaatiksi,jota katalysoi aspartokinaasi:

E.coli:lla on 3 aspartokinaasin isotsyymiä, jotka reagoivat eri tavalla kumpaankin 3 aminohappoon entsyymin eston ja takaisinkytkentäeston suhteen. Lysiinin, metioniinin ja treoniinin biosynteesiä ei siis ohjata ryhmänä.

Aspartaatista lysiiniksi muodostuvassa polussa on 10 vaihetta.

Aspartaatista treoniiniksi muodostuvassa polussa on 5 vaihetta

Aspartaatista metioniiniksi muodostuvassa polussa on 7 vaihetta

Kolmen polun säätelyä tapahtuu myös kahdessa haarautumispisteessä:

b-aspartaatti-semialdehydi (homoseriini ja lysiini)

homoseriini (treoniinija metioniini)

Säätely johtuu haarojen aminohappotuotteiden aiheuttamasta takaisinkytkennän estosta, joka on merkitty yllä olevissa suluissa.

Tarkastelemme yhtä tärkeää vaihetta tämän kolmen aminohapon ryhmän synteesissä, nimittäin vaihetta, jossa homokysteiini muuttuu metioniiniksi,jota katalysoi entsyymi metioniinisyntaasi:

Tässä reaktiossa homokysteiini metyloituu metioniiniksi, ja C1-donori on N5-metyyli-THF. Huomaa, että entsyymiä kutsutaan ”syntaasiksi” eikä syntetaasiksi, koska reaktio on kondensaatioreaktio, jossa ATP:tä (tai muuta nukleosiditrifosfaattia) ei käytetä energianlähteenä.Tätä on verrattava ”syntetaasiin”, jossa NTP:tä tarvitaan energianlähteenä.Tätä reaktiota voidaan tarkastella myös ametyyliryhmän siirtona N5-metyyli-THF:stä homokysteiiniin, joten toinen nimi sitä katalysoivalle entsyymille on homokysteiinimetyylitransferaasi.

On järkevää tarkastella reaktioita, joissa C1-yksikkö lisätään aineenvaihdunnan esiasteeseen, koska näitä reaktioita nähdään hyvin yleisesti biokemiallisten reittiemme tutkimuksessa. Olette jo nähneet akarboksyyliryhmän siirron pyruviittikarboksylaasin biotiinikofaktorista pyruviittiin oksaloasetaatin muodostamiseksi (miksi tätä ei kutsuta ”transferaasiksi” tai ”syntaasiksi”?). Useimmissa karboksylaatioreaktioissa käytetään biotiinia kofaktorina.Olet myös tutkinut metioniinin hajoamista, jossa ensimmäisessä vaiheessa adenosiini siirretään metioniiniin S-adenosyylimetioniinin (SAM) muodostamiseksi. SAM:n sulfoniumionin metyyliryhmä on erittäin reaktiivinen, joten ei ole yllättävää, että SAM toimii metyloivana aineena joissakin reaktioissa.Tetrahydrofolaatit ovat myös C1:n luovuttajia, ja toisin kuin karboksylaatiot ja SAM:n metylaatiot, THF:t voivat siirtää C1-yksiköitä useammassa kuin yhdessä hapetusasteessa.

N5-metyyli-THF ,kuten äsken nähtiin, siirtää metyyliryhmän (-CH3), jossa C:n hapetusaste on metanolin hapetusaste(-4). N5,N10-metyleeni-THF siirtää metyleeniryhmän (-CH2-) ja hapetusaste on formaldehydin (0), kun taas N5-formimino-THF siirtää formiminoryhmän (-CH=NH), jossa Catomin hapetusaste on formiaatin. Formyyli- (-CH=O) ja metenyyliryhmät (-CH=) siirtyvät myös THF:n avulla, ja näissä molemmissa C on formiaatin hapetusasteessa (+2). THF:n rakenne soveltuu näihin siirtoihin sen N5- ja N10-ryhmien ansiosta, kuten seuraavasta kemiallisesta rakenteesta käy ilmi:

Kohtaamme THF:n uudelleen tutkiessamme tymidylaatin synteesiä dUMP:stä, jota katalysoi tymidylaattisyntaasin entsyymi, jossa metyylin luovuttajana on N5,N10-metyleeni-THF.

Pyruvaattiperhe

Nämä ovat ”haaraketjuisia” aminohappoja, ja on hyödyllistä muistaa ne ryhmänä, ei ainoastaan siksi, että ne kaikki ovat peräisin pyruvaatin hiilihydraattirungosta, vaan myös siksi, että sairaus ”vaahterasiirapin virtsatietulehdus” (Maple Syrup Urine Disease, MSUD) on seurausta haaraketjuisen a-ketohappodehydrogenaasin vajeesta, joka johtaa haaraketjuisten a-ketohappojen kertymiseen.

Tarkastellaan vain polkujen alkua ja loppua:

Ensimmäinen vaihe on yhteinen kaikille kolmelle aminohapolle:

Pyruviitti + TPP –> Hydroksietyyli-TPP (katalysoi asetolaktaattisyntaasi)

Huomatkaa, että hydroksietyyli-TPP:ssä oleva keskeinen karbonaattiatomi on karbanioni, ja se stabiloituu resonanttimuodostelmilla.

Hydroksietyyli-TPP voi reagoida toisen pyruvaatin kanssa muodostaen a-asetolaktaattia, jolloin reitti johtaa kohti valiinia ja isoleusiinia, tai se voi reagoida a-ketobutyraatin kanssa, jolloin reitti johtaa isoleusiiniin.

A-ketoisovaleraatin kohdalla on haarautumiskohta, joka johtaa toiseen suuntaan valiiniin ja toiseen suuntaan leusiiniin.

Kunkin aminohapon muodostumisen viimeisessä vaiheessa aminoryhmä siirtyy glutamaatista vastaavaan a-ketohappoon kustakin kolmesta haaraketjuisesta aminohaposta.Tässä nähdään jälleen yksi esimerkki yhden tietyn aminohapon, nimittäin glutamaatin, merkityksestä aminohappojen anabolisille poluille.

Aromaattiset aminohapot:

Fosfoenolipyruvaatti (PEP), glykolyyttinen välituote, kondensoituu pentoosifosfaattipolun pentoosifosfaattipolun välituotteen, enterotroosi-4-fosfaatin, kanssa muodostaen2-keto-3-deoksiarabinoheptulosonaatti-7-fosfaattia ja epäorgaanista fosfaattia. Osallistuva entsyymi on syntaasi. Tämä kondensaatiotuote syklisoituu lopulta korismatiksi.

Tästä polku haarautuu päätyen tryptopaanin tuotantoon haaran toisessa päässä ja tyrosiinin ja fenyylialaniinin tuotantoon toisessa päässä.

Maininnan ansaitsevat muutamat kohokohdat. Ensinnäkin glutamiinilla on rooli aminoryhmän luovuttajana korismatille antranilaatin muodostamiseksi tryptofaanihaarassa.Tryptofaanin välitön esiaste on indoli:

”Indolirengas” on tryptofaanirakenteen tunnusomainen piirre. Huomaa, että seriini on aminoryhmän luovuttaja indolille, jolloin muodostuu tryptofaani.

Tyrosiiniin ja fenyylialaniiniin johtavalla haaralla on toinen haarautumiskohta prefenaatissa. Ainoa ero kahden syntyvän aminohapon välillä on, että tyrosiinin bentseenirenkaan para-hiili hydroksyloituu. Nisäkkäissä fenyylialaniini hydroksyloituu suoraan tyrosiiniksi fenyylialaniinihydroksylaasin katalysoimana.ja näitä ovat L-DOPA, dopamiini, noradrenaliini ja adrenaliini. Seuraavassa on esitetty reitti tyrosiinista noradrenaliiniksi:

Epinefriinin muodostuminen noradrenaliinista edellyttää S-adenosyylimetioniinin erittäin reaktiivisen metyyliryhmän siirtämistä noradrenaliiniin:

S-adenosyylimetioniinin rakenne, jossa näkyy sen reaktiivinen metyyliryhmä:

Histidiinin biosynteesi:

Tarkastelemme tätä reittiä hieman yksityiskohtaisemmin, koska siihen liittyy molekyyli 5-fosforibosyyli-a-pyrofosfaatti (johon viitataan tästä eteenpäin nimellä ”PRPP”). PRPP osallistuu myös puriinien ja pyrimidiinien synteesiin, kuten pian nähdään. Histidiinisynteesin ensimmäisessä vaiheessa PRPP kondensoituu ATP:n kanssa muodostaen puriinin, N1-5′-fosforibosyyliATP:n, reaktiossa, jota ohjaa myöhemmin kondensoituvan pyrofosfaatin hydrolyysi. Glutamiini toimii jälleen aminoryhmändonorina, ja tällä kertaa tuloksena on 5-aminoamidatsoli-4-karboksimideribonukleotidi (ACAIR), joka on puriinien biosynteesin välituote.

Histidiini on erityinen siinä mielessä, että sen biosynteesi liittyy luonnostaan nukleotidien muodostumisen polkuihin. Histidiinijäämiä esiintyy usein entsyymiaktiivisissa paikoissa, joissa histidiinin imidatsolirenkaan kemia tekee siitä anukleofiilin ja hyvän happo-/emäskatalysaattorin. Nyt tiedämme, että RNA:lla voi olla katalyyttisiä ominaisuuksia, ja on arveltu, että elämä on alun perin perustunut RNA:han. Ehkä siirtyminen proteiinikatalyysiin RNA-katalyysistä tapahtui histidiinin biosynteesin alkulähteillä.

Histidiinistä muodostuu fysiologisesti aktiivista amiinia, histamiinia: