Alai

Essentiële en niet-essentiële aminozuren

Niet-essentiële aminozuren zijn die welke door zoogdieren worden gesynthetiseerd, terwijl de essentiële aminozuren uit voedingsbronnen moeten worden verkregen. Waarom zou een organisme zo evolueren dat het niet zou kunnen bestaan bij afwezigheid van bepaalde aminozuren? Waarschijnlijk maakte de onmiddellijke beschikbaarheid van deze aminozuren in lagere organismen (planten en micro-organismen) het voor het hogere organisme overbodig om ze te blijven produceren. De paden voor hun synthese werden uitgekozen. Het niet hoeven synthetiseren van nog eens tien aminozuren (en het reguleren van hun synthese) betekent dus een grote besparing.Desondanks moeten we ons vertrouwd maken met de synthetische routes voor deze essentiële aminozuren in planten en micro-organismen, en het blijkt dat deze over het algemeen gecompliceerder zijn dan de routes voor niet-essentiële aminozuursynthese en dat zij ook soortspecifiek zijn.

Twintig aminozuren kunnen worden verdeeld in twee groepen van 10 aminozuren. Tien zijn essentieel en 10 zijn niet-essentieel. Dit is echter geen nauwkeurige tweedeling, want er is overlap tussen de twee groepen, zoals wordt aangegeven in de tekst bij de volgende twee grafieken:

Merk op dat tyrosine echt een essentieel aminozuur is, omdat het wordt gesynthetiseerd door de hydroxylering van fenylalanine, een essentieel aminozuur.Ook, in dieren, is de sulfhydrylgroep van cysteïne afgeleid van methionine, dat een essentieel aminozuur is, zodat cysteïne ook kan worden beschouwd als essentieel.

De tien “essentiële” aminozuren zijn:

Arginine wordt door zoogdieren in de ureumcyclus gesynthetiseerd, maar het grootste deel daarvan wordt gehydrolyseerd tot ureum en ornithine:

(Link naar Dr. Diwan’s webpagina over aminozuurkatabolisme voor meer informatie over de hydrolyse van ureum, en voor een overzicht van aminozuurkatabolisme)

Omdat zoogdieren niet genoeg arginine kunnen synthetiseren om aan de metabolische behoeften van zuigelingen en kinderen te voldoen, is het geclassificeerd als een essentieel aminozuur.

Synthese van niet-essentiële aminozuren

Met uitzondering van tyrosine (omdat zijn onmiddellijke voorloper fenylalanine is, een essentieel aminozuur), worden alle niet-essentiële aminozuren (en we zullen arginine hier opnemen) gesynthetiseerd uit tussenproducten van belangrijke metabolische routes. Bovendien zijn de koolstofskeletten van deze aminozuren te herleiden tot hun corresponderende a-ketoaciden. Daarom zou het mogelijk kunnen zijn om een van de niet-essentiële aminozuren rechtstreeks te synthetiseren door transaminering van het corresponderende a-ketozuur, als dat ketozuur bestaat als een gemeenschappelijk tussenproduct. Een “transaminatiereactie”, waarbij een aminogroep wordt overgedragen van een aminozuur naar de a-koolstof van een ketozuur, wordt gekatalyseerd door een aminotransferase.

Drie veel voorkomende a-ketozuren kunnen in één stap worden getransamineerd tot hun overeenkomstige aminozuur:

Pyruvaat(glycolytisch eindproduct) –> alanine

Oxaloacetaat (tussenproduct citroenzuurcyclus) –> aspartaat

a-ketoglutaraat (tussenproduct citroenzuurcyclus) –> glutamaat

De afzonderlijke reacties zijn:

Asparagine en glutamine zijn de producten van amidaties van respectievelijk aspartaat en glutamaat. Asparagine en glutamine, en de overige niet-essentiële aminozuren, zijn dus niet rechtstreeks het resultaat van transaminering van a-ketozuren, omdat dit geen gemeenschappelijke tussenproducten zijn van de andere routes. Toch zullen we in staat zijn om de koolstofskeletten van al deze aminozuren te herleiden tot een a-ketozuur. Ik zeg dit niet vanwege de diepgaande implicaties die het met zich meebrengt, maar meer als een manier om het leren van synthetische routes van dannonessentiële aminozuren te vereenvoudigen.

Aspartaat wordt getransamineerd tot asparagine in een ATP-afhankelijke reactie die wordt gekatalyseerd door asparaginesynthetase, en glutamine is de aminogroepdonor:

De synthese van glutamine verloopt in twee stappen, waarbij glutamaat eerst wordt “geactiveerd” tot een g-glutamylfosfaat-tussenproduct, gevolgd door een reactie waarbij NH3 de fosfaatgroep verdringt:

De synthese van asparagine is dus intrinsiek verbonden met die van glutamine, en het blijkt dat glutamine de aminogroep-donor is bij de vorming van talloze biosynthetische producten, en tevens een opslagvorm is van NH3. Daarom zou men verwachten dat glutaminesynthetase, het enzym dat verantwoordelijk is voor de amidatie van glutamaat, een centrale rol speelt in de regeling van het stikstofmetabolisme. We zullen deze regeling nu in meer detail bekijken, alvorens over te gaan tot de biosynthese van de overige niet-essentiële aminozuren.

U hebt eerder de oxidatieve deaminatie van glutamaat door glutamaatdehydrogenase bestudeerd, waarbij NH3 en a-ketoglutaraat worden gevormd. Het geproduceerde a-ketoglutaraat is vervolgens beschikbaar voor het accepteren van aminogroepen in andere transaminatiereacties, maar de ophoping van ammoniak als het andere product van deze reactie is een probleem omdat het, in hoge concentraties, giftig is. Om het niveau van NH3 binnen een gecontroleerd bereik te houden, activeert een stijgend niveau van a-ketoglutarate glutamine synthetase, waardoor de produktie van glutamine toeneemt, die zijn aminogroep afstaat in verschillende andere reacties.

De regulatie van glutamine synthetase is bestudeerd in E.Coli en, hoewel gecompliceerd, is het de moeite waard enkele van zijn kenmerken te bekijken omdat dit ons meer inzicht zal geven in de regulatie van kruisende metabole paden. Röntgendiffractie van kristallen van het enzym onthult een hexagonale prismastructuur (D6-symmetrie) bestaande uit 12 identieke subeenheden. De activiteit van het enzym wordt gecontroleerd door 9 allosterische feedbackremmers, waarvan er 6 eindproducten zijn van routes waarbij glutamine betrokken is:

histidine

tryptofaan

carbamoylfosfaat (gesynthetiseerd uit carbamoylfosfaat synthetase II)

glucosamine-6-fosfaat

AMP (zie volgende lezing)

CTP (zie volgende lezing)

De andere drie effectoren zijn alanine, serine en glycine, die informatie dragen over het cellulaire stikstofniveau.

Het enzym wordt ook gereguleerd door covalente modificatie (adenylylering van een Tyrresidu), die resulteert in een verhoogde gevoeligheid voor de cumulatieve feedbackinhibitie door de bovengenoemde negen effectoren. Adenylyltransferase is het enzym dat zowel de adenylylering als deadenylylering van E. coli glutaminesynthetase katalyseert, en dit enzym is gecomplexeerd met een tetramerisch regulerend eiwit, PII.De regulering van de adenylylering en het omgekeerde gebeurt op het niveau van PII, afhankelijk van de uridylylering van een ander Tyr-residu, dat zich op PII bevindt.Wanneer PII is ge-uridylyleerd, wordt glutaminesynthetase gede-denylyleerd; het omgekeerde gebeurt wanneer UMP covalent aan het Tyr-residu van PII is gehecht. Het niveau van de uridylylering wordt op zijn beurt gereguleerd door de activiteiten van de twee enzymen, uridylyltransferase en uridylylverwijderend enzym, die zich beide op hetzelfde eiwit bevinden. Uridylyltransferase wordt geactiveerd door a-ketoglutaraat en ATP, terwijl het wordt geremd door glutamine en Pi.

Het volgende diagram vat de regulatie van bacterieel glutaminesynthetase samen (zie tekst blz. 1035) :

We kunnen deze regulerende cascade “doorlopen” door te kijken naar een specifiek voorbeeld, namelijk verhoogde niveaus van a-ketoglutaraat (hetgeen een overeenkomstige stijging van NH3) niveaus weerspiegelt:

(1) Uridylyltransferase activiteit is verhoogd

(2) PII (in complex met adenylyltransferase) is geuridylyleerd

(3) Glutamine synthetase is gedeadenylyleerd

(4) a-ketoglutaraat enketoglutaraat en NH3 vormen glutamine en Pi

Dat de regeling van bacteriële glutaminesynthetase uiterst gevoelig is voor het niveau van de stikstofmetabolieten van de cel, wordt geïllustreerd door het feit dat de glutamine die zojuist in de bovenstaande cascade is geproduceerd, nu een remmer is van verdere glutamineproductie.

In de klas oefening: Gebruik de regulerende route om het effect van een stijgend glutamineniveau op de activiteit van bacteriële glutaminesynthetase te verklaren.

Proline, ornithine en arginine worden afgeleid van glutamaat

De eerste stap omvat fosforylering van glutamaat door ATP met het enzym g-glutamylkinase, gevolgd door reductie tot glutamaat-5-semialdehyde dat spontaan (geen enzym nodig) tot een interne Schiff base cirkelt. De vorming van het semialdehyde vereist ook de aanwezigheid van hetzij NADP of NADPH.

Het semialdehyde is echter een vertakking. Eén tak leidt naar proline, terwijl de andere tak leidt naar ornithine en arginine. Glutamaat-5-semialdehyde wordt getransamineerd tot ornithine en glutamaat is de aminogroepdonor. Ornithine, een tussenproduct van de ureumcyclus, wordt via de ureumcyclus omgezet in arginine.

Om het belang van glutamaat verder te onderstrepen, wordt het omgezet in het fysiologisch actieve amine, g-aminoboterzuur (GABA), de belangrijkste remmende neurotransmitter in de hersenen:

Het glycolytische tussenproduct, 3-fosfoglyceraat, wordt omgezet in serine, cysteïne en glycine.

Let op de rol van glutamaat als donor van aminogroepen. Serine wordt in de volgende reactie omgezet in glycine:

serine + THF –> glycine + N5,N10 -methyleen-THF (enzym: serinehydroxymethyltransferase)

Glycine wordt ook gevormd in een condensatiereactie die als volgt verloopt:

N5,N10 -methyleen-THF + CO2 + NH4+ –> glycine (enzym: glycine synthase; vereist NADH)

Cysteïne wordt gesynthetiseerd uit serine en homocysteïne (afbraakproduct van methionine):

ser + homocysteïne ->cystathionine + H2O

cystathionine + H2O –> a-ketobutyraat + cysteïne + NH3

Synthese van essentiële aminozuren

De synthesetrajecten voor de essentiële aminozuren zijn:

(1) alleen aanwezig in micro-organismen

(2) aanzienlijk complexer dan voor niet-essentiële aminozuren

(3) gebruiken bekende metabolische precursors

(4) vertonen variatie in soorten

Voor classificatiedoeleinden, beschouw de volgende 4 “families” die zijn gebaseerd op gemeenschappelijke precursors:

(1) Aspartaat Familie: lysine, methionine, threonine

(2) Pyruvaat Familie: leucine, isoleucine, valine

(3) Aromatische Familie:Fenylalanine, Tyrosine, Tryptofaan

(4) Histidine

De Aspartaat Familie

De eerste gecommitteerde stap voor de synthese van Lys, Met en Thr is de eerste stap, waarbij aspartaat wordt gefosforyleerd tot aspartyl-b-fosfaat, gekatalyseerd door aspartokinase:

E.coli heeft 3 isozymes van aspartokinase die verschillend reageren op elk van de 3 aminozuren, met betrekking tot enzymremming en terugkoppelingsremming. De biosynthese van lysine, methionine en threonine worden dus niet als groep gecontroleerd.

De route van aspartaat naar lysine heeft 10 stappen.

De route van aspartaat naar threonine heeft 5 stappen

De route van aspartaat naar methionine heeft 7 stappen

Regulatie van de drie routes vindt ook plaats op de twee vertakkingspunten:

b-Aspartaat-semialdehyde (homoserine en lysine)

Homoserine (threonine en methionine)

De regulatie resulteert uit terugkoppelingsremming door de aminozuurproducten van de vertakkingen, aangegeven tussen de haakjes hierboven.

We zullen één belangrijke stap in de synthese van deze groep van 3 aminozuren beschouwen, namelijk de stap waarin homocysteïne wordt omgezet in methionine, gekatalyseerd door het enzym methioninesynthase:

In deze reactie wordt homocysteïne gemethyleerd tot methionine, en de C1-donor is N5-methyl-THF. Merk op dat het enzym een “synthase” wordt genoemd in plaats van een synthetase, omdat de reactie een condensatiereactie is waarbij ATP (of een ander nucleosidetrifosfaat) niet als energiebron wordt gebruikt. Dit is te vergelijken met een “synthetase” waarbij een NTP nodig is als energiebron.Deze reactie kan ook worden gezien als de overdracht van een amethylgroep van N5-methyl-THF naar homocysteïne, dus een andere naam voor het enzym dat deze reactie katalyseert is homocysteïnemethyltransferase.

Het is redelijk om reacties waarbij een C1-eenheid wordt toegevoegd aan een metabolische precursor te bekijken, omdat deze reacties zeer vaak voorkomen in onze studie van biochemische paden. De overdracht van de acarboxylgroep van de biotinecofactor van pyruvaatcarboxylase naar pyruvaat om oxaloacetaat te vormen is al eerder aan de orde geweest (waarom wordt dit geen “transferase” of “synthase” genoemd?). De meeste carboxyleringsreacties gebruiken biotine als cofactor.Je hebt ook de afbraak van methionine bestudeerd, waarbij de eerste stap bestaat uit de overdracht van adenosine aan methionine om S-Adenosylmethionine (SAM) te vormen. De methylgroep op het sulfoniumion van SAM is zeer reactief, zodat het niet verbazend is dat SAM in sommige reacties een methylerende stof is.Tetrahydrofolaten zijn ook C1-donerende stoffen en, in tegenstelling tot de carboxyleringen en de SAM-methyleringen, kunnen de THF’s C1-eenheden in meer dan één oxidatietoestand overdragen.

N5-methyl-THF, zoals we zojuist hebben gezien, draagt de methylgroep (-CH3) over, waarbij het oxidatieniveau van C dat van methanol(-4) is. N5,N10-methyleen-THF draagt een methyleengroep (-CH2-) over en het oxidatieniveau is dat van formaldehyde (0), terwijl N5-formimino-THF de formimino groep (-CH=NH) overbrengt, waarbij het oxidatieniveau van de Catom dat van formiaat is. Formyl- (-CH=O) en methenyl- (-CH=) groepen worden eveneens door THF overgedragen en deze hebben beide de C in het oxidatieniveau van formiaat (+2). De structuur van THF is geschikt voor deze overdrachten dankzij zijn N5- en N10-groepen, zoals blijkt uit de volgende chemische structuur:

Wij zullen THF opnieuw zien wanneer wij de synthese bestuderen van thymidylaat uit dUMP, gekatalyseerd door het enzym thymidylaatsynthase waarin N5,N10-methyleen-THF de methyldonor is.

De Pyruvate Family

Dit zijn de “vertakte keten” aminozuren, en het is nuttig om ze als groep te onthouden, niet alleen omdat ze allemaal afkomstig zijn van het pyruvaat carbonskelet, maar ook omdat de ziekte “maple syrup urine disease” (MSUD)het resultaat is van een tekort aan vertakte-keten a-ketoaciddehydrogenase, resulterend in een opeenhoping van vertakte-keten a-ketoaciden.

We bekijken alleen het begin en het einde van de pathways:

De eerste stap is gemeenschappelijk voor alle 3 aminozuren:

Pyruvate + TPP –> Hydroxyethyl-TPP (gekatalyseerd door acetolactate synthase)

Merk op dat het centrale carbonatoom in hydroxyethyl-TPP een carbanion is en het wordt gestabiliseerd door resonantievormen.

Hydroxyethyl-TPP kan met een ander pyruvaat reageren tot a-acetolactaat, in welk geval de route naar valine en isoleucine gaat, of het kan reageren met a-ketobutyraat, in welk geval de route naar isoleucine gaat.

Er is een vertakking bij a-ketoisovaleraat, die in de ene richting leidt naar valine en in de andere richting naar leucine.

De laatste stap in de vorming van elk van deze aminozuren behelst de overdracht van een aminogroep van glutamaat naar de overeenkomstige a-ketozuur van elk van de drie vertakte-keten aminozuren.Hier zien we een ander voorbeeld van het belang van één bepaald aminozuur, namelijk glutamaat, voor de anabole paden voor aminozuren.

De aromatische aminozuren:

Phosphoenolpyruvate (PEP), een glycolytisch tussenproduct, condenseert meterythrose-4-fosfaat, een tussenproduct van de pentose-fosfaat route, om2-keto-3-deoxyarabinoheptulosonate-7-fosfaat en anorganisch fosfaat te vormen. Het enzym dat hierbij betrokken is, is een synthase. Dit condensatieproduct cycliseert uiteindelijk tot chorismaat.

Van hieruit vertakt de route zich, eindigend in de produktie van tryptofaan aan het ene uiteinde van de tak, en tyrosine en fenylalanine aan het andere uiteinde.

Een paar belangrijke punten verdienen vermelding. Ten eerste speelt glutamine een rol als donor van een aminogroep aan chorismaat om anthranilaat te vormen aan de tryptofaan-tak.De onmiddellijke precursor van tryptofaan is indool:

De “indoolring” is het karakteriserende kenmerk van de tryptofaanstructuur. Merk op dat serine de donor is van de aminogroep aan indool om tryptofaan te vormen.

De tak die leidt naar tyrosine en fenylalanine heeft nog een vertakkingspunt bij prefenaat. Het enige verschil tussen de 2 resulterende aminozuren is dat de para-koolstof van de benzeenring van tyrosine wordt gehydroxyleerd. In zoogdieren wordt fenylalanine inderdaad rechtstreeks gehydroxyleerd tot tyrosine, gekatalyseerd door het enzym fenylalaninehydroxylase.

Phenylketonurie

Een aantal zeer belangrijke fysiologisch actieve aminen zijn afgeleid van tyrosine,en dat zijn L-DOPA, dopamine, noradrenaline en epinefrine. De route van tyrosine naar norepinefrine is hieronder weergegeven:

Bij de vorming van epinefrine uit norepinefrine wordt de zeer reactieve methylgroep van S-adenosylmethionine overgedragen op norepinefrine:

Structuur van S-adenosylmethionine met zijn reactieve-methylgroep:

Biosynthese van histidine:

We zullen deze route wat gedetailleerder bekijken, omdat er het molecuul 5-fosforibosyl-a-pyrofosfaat bij betrokken is (dat we vanaf nu “PRPP” zullen noemen). PRPP is ook betrokken bij de synthese van purines en pyrimidines, zoals we zo dadelijk zullen zien. In de eerste stap van de synthese van histidine condenseert PRPP met ATP tot een purine, N1-5′-fosforibosylATP, in een reactie die wordt aangestuurd door de daaropvolgende hydrolyse van het pyrofosfaat dat condenseert. Glutamine speelt opnieuw een rol als aminogroepdonor, ditmaal resulterend in de vorming van 5-aminoamidazool-4-carboximideribonucleotide (ACAIR), dat een tussenproduct is in de biosynthese van purine.

Histidine is bijzonder in die zin dat de biosynthese ervan inherent verbonden is met de paden van nucleotide-vorming. Histidineresiduen worden vaak aangetroffen op enzymactieve plaatsen, waar de chemie van de imidazoolring van histidine het tot een anucleofiel en een goede zuur/base-katalysator maakt. Wij weten nu dat RNA katalytische eigenschappen kan hebben, en er is gespeculeerd dat het leven oorspronkelijk op RNA was gebaseerd. Misschien heeft de overgang van RNA-katalyse naar eiwitkatalyse plaatsgevonden aan het begin van de histidine-biosynthese.

Het fysiologisch actieve amine, histamine, wordt gevormd uit histidine: