Alai

Aminokwasy istotne i nieistotne

Aminokwasy nieistotne to te, które są syntetyzowane przez ssaki, podczas gdy aminokwasy istotne muszą być pozyskiwane ze źródeł dietetycznych. Dlaczego organizm ewoluowałby w taki sposób, że nie mógłby istnieć przy braku pewnych aminokwasów? Najprawdopodobniej łatwa dostępność tych aminokwasów w organizmach niższych (roślinach i mikroorganizmach) eliminowała potrzebę dalszego ich wytwarzania przez organizm wyższy. Ścieżki do ich syntezy zostały wybrane. Nie trzeba syntetyzowaćadditional dziesięć aminokwasów (i regulować ich syntezę) stanowi duży economy, then.Nevertheless, pozostaje nam zapoznać się z syntetycznych ścieżek dla tych niezbędnych aminokwasów w roślinach i mikroorganizmach, i okazuje się, że są one ogólnie bardziej skomplikowane, że ścieżki dla syntezy nieistotnych aminokwasów i są one również gatunkowo-specific.

Dwadzieścia aminokwasów można podzielić na dwie grupy 10 aminokwasów. Dziesięć są niezbędne i 10 są nieistotne. Jednakże, to naprawdę nie jest dokładnaichotomia, ponieważ istnieje nakładanie się między tymi dwoma grupami, jak wskazano w tekście towarzyszącym następujące dwa wykresy:

Glutamina

Glicyna

Prolina

Seryna

Tyrozyna (syntetyzowana z fenyloalaniny)

Zauważ, że tyrozyna jest naprawdę niezbędnym aminokwasem, jak to jestsynthesized przez hydroksylacji fenyloalaniny, niezbędne aminokwasy.Ponadto, u zwierząt, grupa sulfhydrylowa cysteiny pochodzi z metioniny, która jest aminokwasem niezbędnym, więc cysteina może być również uważana za niezbędną.

Dziesięć „niezbędnych” aminokwasów to:

Arginina jest syntetyzowana przez ssaki w cyklu mocznikowym, ale większość z niej ulega hydrolizie do mocznika i ornityny:

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

Because mammals cannot synthesize enough arginine to meet the metabolic needssof infants and children, it is classified as an essential amino acid.

Synteza aminokwasów egzogennych

Z wyjątkiem tyrozyny (jej bezpośrednim prekursorem jest fenyloalanina, aminokwas egzogenny), wszystkie aminokwasy egzogenne (w tym arginina) są syntetyzowane z produktów pośrednich głównych szlaków metabolicznych. Co więcej, szkielety węglowe tych aminokwasów są identyfikowalne z odpowiadającymi im a-ketokwasami. Dlatego może być możliwe, abysyntetyzować każdy z nieistotnych aminokwasów bezpośrednio przez transaminację odpowiadającego mu a-ketokwasu, jeśli ten ketokwas istnieje jako wspólnyintermediate. Reakcja transaminacji”, w której grupa aminowa jest przenoszona z aminokwasu na węgiel a kwasu ketonowego, jest katalizowana przez aminotransferazę.

Trzy bardzo powszechne a-ketokwasy mogą być transaminowane w jednym etapie do odpowiadającego im aminokwasu:

pirogronian(końcowy produkt glikolityczny) –> alanina

oksalooctan (produkt pośredni cyklu kwasu cytrynowego) –> asparaginian

a-ketoglutaran (produkt pośredni cyklu kwasu cytrynowego) –> glutaminian

Poszczególne reakcje to:

Asparagina i glutamina są produktami amidacji odpowiednio asparaginianu i glutaminianu. Tak więc, asparagina i glutamina, a pozostałe nieistotne aminokwasy nie są bezpośrednio wynikiem transaminacji a-ketokwasów, ponieważ nie są one wspólne półprodukty innych ścieżek. Mimo to, będziemy w stanie prześledzić szkielety węglowe wszystkich z nich z powrotem do a-ketokwasu.I zrobić ten punkt nie ze względu na jakiekolwiek głębokie implikacje nieodłączne w nim, alerather jako sposób na uproszczenie nauki syntetycznych ścieżek thenonessential aminokwasów.

Asparaginian jest transaminowany do asparaginy w reakcji zależnej od ATP, katalizowanej przez syntazę asparaginy, a glutamina jest donorem grupy aminowej:

Synteza glutaminy jest dwuetapowa, w której glutaminian jest najpierw „aktywowany” do g-glutamylofosforanowego półproduktu, a następnie zachodzi reakcja, w której NH3 wypiera grupę fosforanową:

So, synteza asparaginy jest nieodłącznie związana z syntezą glutaminy, i okazuje się, że glutamina jest donorem grupy aminowej w tworzeniunumerous produktów biosyntezy, jak również jest formą przechowywania NH3. Dlatego można by się spodziewać, że syntaza glutaminy, enzym odpowiedzialny za amidację glutaminianu, odgrywa główną rolę w regulacji metabolizmu azotu. Przyjrzymy się teraz tej kontroli bardziej szczegółowo, zanim przejdziemy do biosyntezy pozostałych aminokwasów nieistotnych.

Badałeś wcześniej oksydacyjną deaminację glutaminianu przez dehydrogenazę glutaminianową, w której powstaje NH3 i a-ketoglutaran. Powstały a-ketoglutaran jest dostępny do przyjmowania grup aminowych w innych reakcjach transaminacji, ale akumulacja amoniaku jako drugiego produktu tej reakcji stanowi problem, ponieważ w wysokich stężeniach jest on toksyczny. Aby utrzymać poziom NH3 w kontrolowanym zakresie, rosnący poziom a-ketoglutaranu aktywuje syntezę glutaminy, zwiększając produkcję glutaminy, która oddaje swoją grupę aminową w różnych innych reakcjach.

Regulacja syntetazy glutaminy była badana w E.Coli i, choć skomplikowana, warto przyjrzeć się niektórym jej cechom, ponieważ da nam to większy wgląd w regulację krzyżujących się szlaków metabolicznych. Dyfrakcja rentgenowska kryształów enzymu ujawnia strukturę heksagonalnego pryzmatu (symetria D6) złożonego z 12 identycznych podjednostek. Aktywność enzymu jest kontrolowana przez 9 allosterycznych inhibitorów zwrotnych, z których 6 jest produktami końcowymi szlaków z udziałem glutaminy:

histydyna

tryptofan

fosforan karbamoilu (syntetyzowany z syntetazy karbamoilofosforanu II)

glukozamina-6-fosforan

AMP (patrz następny wykład)

CTP (patrz następny wykład)

Pozostałe trzy efektory to alanina, seryna i glicyna, które przenoszą informacje dotyczące poziomu azotu w komórce.

Następujący schemat podsumowuje regulację bakteryjnej syntetazy glutaminianu (patrz tekst strona 1035) :

Możemy „przejść” przez tę regulacyjną kaskadę, patrząc na konkretny przykład, mianowicie zwiększony poziom a-ketoglutaranu (odzwierciedlający odpowiedni wzrost poziomu NH3):

(1) Aktywność urydyltransferazy jest zwiększona

(2) PII (w kompleksie z adenylyltransferazą) jest urydylowana

(3) Syntetaza glutaminy jest deadenylowana

(4) a-ketoglutaran i NH3 tworzą glutaminę i Pi

To, że kontrola bakteryjnej syntetazy glutaminy jest niezwykle wrażliwa na poziom metabolitów azotowych komórki, ilustruje fakt, że właśnie wyprodukowana glutamina w powyższej kaskadzie jest teraz inhibitorem dalszej produkcji glutaminy.

Ćwiczenie w klasie: Wykorzystaj ścieżkę regulacyjną do wyjaśnienia wpływu rosnącego poziomu glutaminy na aktywność bakteryjnej syntetazy glutaminowej.

Prolina, ornityna i arginina pochodzą z glutaminianu

Pierwszy etap obejmuje fosforylację glutaminianu przez ATP z udziałem enzymu g-glutamylo-kinazy, a następnie redukcję do glutaminianu-5-semialdehydu, który spontanicznie ulega cyklizacji (bez udziału enzymu) do wewnętrznej zasady Schiffa. Tworzenie semialdehydu wymaga również obecności NADP lub NADPH.

Semialdehyd jest punktem rozgałęzienia, jednak. Jedna gałąź prowadzi do prolinewile druga gałąź prowadzi do ornityny i argininy. Glutaminian-5-semialdehydeis transaminowane do ornityny i glutaminian jest donorem grupy aminowej. Ornityna, półprodukt cyklu mocznikowego, jest przekształcana do argininy poprzez cykl mocznikowy.

Aby jeszcze bardziej podkreślić znaczenie glutaminianu, jest on przekształcany do fizjologicznie aktywnej aminy, kwasu g-aminomasłowego (GABA), głównego neuroprzekaźnika hamującego w mózgu:

Pośredni produkt glikolityczny, 3-fosfoglicerynian, jest przekształcany do seryny, cysteiny i glicyny.

Uwaga na udział glutaminianu jako donora grupy aminowej. Seryna jest przekształcana do glicyny w następującej reakcji:

seryna + THF –> glicyna + N5,N10 -metylen-THF (enzym: hydroksymetylotransferaza serynowa)

Glicyna powstaje również w reakcji kondensacji w następujący sposób:

N5,N10 -metylen-THF + CO2 + NH4+ –> glicyna (enzym: syntaza glicyny; wymaga NADH)

Cysteina jest syntetyzowana z seryny i homocysteiny (methionine breakdownproduct):

ser + homocysteina ->cystationina + H2O

cystationina + H2O –> a-ketobutyrat + cysteina + NH3

Synteza aminokwasów egzogennych

Szlakami syntetycznymi dla aminokwasów egzogennych są:

(1) obecne tylko w mikroorgansymach

(2) znacznie bardziej złożone niż dla aminokwasów nieistotnych

(3) wykorzystują znane prekursory metaboliczne

(4) wykazują zmienność gatunkową

Dla celów klasyfikacji rozważ następujące 4 „rodziny”, które opierają się na wspólnych prekursorach:

(1) Rodzina asparaginianowa: lizyna,metionina,treonina

(2) Rodzina pirogronianowa: leucyna,izoleucyna, walina

(3) Rodzina Aromatyczna:Fenyloalanina, Tyrozyna, Tryptofan

(4) Histydyna

Rodzina Asparaginianowa

Pierwszym zaangażowanym krokiem do syntezy Lys, Met i Thr jest pierwszy etap, w którym asparaginian jest fosforylowany do aspartylo-b-fosforanu,katalizowany przez aspartokinazę:

E.E. coli ma 3 izozymy aspartokinazy, które odpowiadają w różny sposób na każdy z 3 aminokwasów, w odniesieniu do inhibicji enzymu i inhibicji zwrotnej. Biosynteza lizyny, metioniny i treoniny nie są zatem kontrolowane jako grupa.

Ścieżka od asparaginianu do lizyny ma 10 kroków.

Ścieżka od asparaginianu do treoniny ma 5 kroków

Ścieżka od asparaginianu do metioniny ma 7 kroków

Regulacja tych trzech ścieżek występuje również w dwóch punktach rozgałęzienia:

b-Asparaginian-semialdehyd (homoseryna i lizyna)

Homoseryna (treonina i metionina)

Regulacja wynika z hamowania zwrotnego przez produkty aminokwasowe rozgałęzień, wskazane w nawiasach powyżej.

W tej reakcji homocysteina jest metylowana do metioniny, a C1donorem jest N5-metylo-THF. Należy zauważyć, że enzym ten nazywany jest „syntazą”, a nie syntezą, ponieważ reakcja ta jest reakcją kondensacji, w której ATP (lub inny trifosforan nukleozydu) nie jest wykorzystywany jako źródło energii. Należy to porównać z „syntezą”, w której NTP jest wymagany jako źródło energii.Reakcja ta może być również postrzegana jako przeniesienie grupy ametylowej z N5-metylo-THF do homocysteiny, więc inna nazwa enzymu katalizującego tę reakcję to homocysteinemethyltransferase.

Rozsądne jest dokonanie przeglądu reakcji, w których jednostka C1 jest dodawana do prekursora metabolicznego, ponieważ reakcje te są bardzo często spotykane w naszych badaniach szlaków biochemicznych. Widzieliście już przeniesienie grupy akarboksylowej z kofaktora biotynowego karboksylazy pirogronianowej do pirogronianu w celu przekształcenia go w oksalooctan (dlaczego nie nazywa się tego „transferazą” lub „syntazą”?). Większość reakcji karboksylacji wykorzystuje biotynę jako kofaktor. Badałeś również rozkład metioniny, w którym pierwszy etap obejmuje przeniesienie adenozyny do metioniny w celu utworzenia S-Adenozylometioniny (SAM). Grupa metylowa na jonie sulfonowym SAM jest wysoce reaktywna, więc nie jest zaskakujące, że SAM jest czynnikiem metylującym w niektórych reakcjach.Tetrahydrofolany są również donorami C1 i, w przeciwieństwie do karboksylacji i metylacji SAM, THF mogą przenosić jednostki C1 w więcej niż jednym stanie utlenienia.

N5-metylo-THF, jak właśnie widzieliśmy, przenosi grupę metylową (-CH3), w której stopień utlenienia C jest taki jak metanolu(-4). N5,N10-metylen-THF przenosi grupę metylenową (-CH2-), a poziom utlenienia jest taki jak formaldehydu (0), podczas gdy N5-formimino-THF przenosi grupę formiminową (-CH=NH), w której poziom utlenienia katomu jest taki jak mrówczanu. Grupy formylowe (-CH=O) i metenylowe (-CH=) są również przenoszone przez THF i obie mają C na stopniu utlenienia mrówczanu (+2). Struktura THF jest odpowiednia do tych przeniesień na mocy jego grup N5 i N10, jak pokazano w następującej strukturze chemicznej:

Zobaczymy THF ponownie, gdy badamy syntezę tymidylanu z dUMP, katalizowaną przez enzym syntazy tymidylanu, w którym N5,N10-metylen-THF jest donorem metylu.

Rodzina pirogronianów

To są aminokwasy o „rozgałęzionym łańcuchu” i pomocne jest zapamiętanie ich jako grupy, nie tylko dlatego, że wszystkie pochodzą z karbonskletu pirogronianu, ale również dlatego, że choroba „syropu klonowego” (MSUD) jest wynikiem niedoboru rozgałęzionej a-ketokwasowej dehydrogenazy, co powoduje nagromadzenie rozgałęzionych a-ketokwasów.

Spójrzymy tylko na początek i koniec szlaków:

Pierwszy krok jest wspólny dla wszystkich 3 aminokwasów:

Pirogronian + TPP –> Hydroksyetyl-TPP (katalizowany przez syntazę acetolaktanu)

Zauważ, że centralny atom węgla w hydroksyetylo-TPP jest karbanionem i jest stabilizowany przez formy rezonansowe.

Hydroksyetylo-TPP może reagować z innym pirogronianem tworząc a-acetolaktat, w którym to przypadku ścieżka prowadzi w kierunku waliny i izoleucyny, lub może reagować z a-ketomaślanem, w którym to przypadku ścieżka prowadzi do izoleucyny.

Jest punkt rozgałęzienia w a-ketoizowaleratew którym, w jednym kierunku prowadzi do waliny i, w drugim, do leucyny.

Ostatni etap w tworzeniu każdego z tych aminokwasów obejmuje transfer grupy aminowej z glutaminianu do odpowiedniego a-ketokwasu każdego z 3 aminokwasów rozgałęzionych.Tutaj widzimy kolejny przykład znaczenia jednego szczególnego aminokwasu, mianowicie glutaminianu, dla szlaków anabolicznych dla aminokwasów.

Aminokwasy aromatyczne:

Fosfoenolopirogronian (PEP), pośredni glikolityczne, kondensuje z erytrozy-4-fosforan, pośredni pentozo-fosforanu szlaku, aby utworzyć2-keto-3-deoxyarabinoheptulosonate-7-fosforan i fosforan nieorganiczny. Zaangażowanym enzymem jest syntaza. Ten produkt kondensacji ostatecznie cyklizuje do chorismate.

Od tego miejsca ścieżka rozgałęzia się, kończąc się produkcją tryptofanu na jednym końcu gałęzi oraz tyrozyny i fenyloalaniny na drugim końcu.

Kilka wysokich punktów zasługuje na wzmiankę. Po pierwsze, glutamina odgrywa rolę jako donorof grupy aminowej do chorismate do tworzenia antranilate na tryptophanbranch.The bezpośredni prekursor tryptofanu jest indol:

The „pierścień indolowy” jest cechą charakterystyczną struktury tryptofanu. Zauważ, że seryna jest donorem grupy aminowej do indolu, aby utworzyć tryptofan.

Gałąź, która prowadzi do tyrozyny i fenyloalaniny ma inny punkt rozgałęzienia w prephenate. Jedyną różnicą między 2 aminokwasów wynikających jest to, że para węgiel pierścienia benzenowego tyrozyny jest hydroksylowany. Rzeczywiście, u ssaków, fenyloalanina jest bezpośrednio hydroksylowana do tyrozyny, katalizowana przez enzym hydroksylazę fenyloalaniny.

Fenyloketonuria

Niektóre bardzo ważne fizjologicznie aktywne aminy pochodzą od tyrozyny,i są to L-DOPA, dopamina, noradrenalina i epinefryna. Droga od tyrozyny do noradrenaliny jest przedstawiona poniżej:

Tworzenie epinefryny z noradrenaliny obejmuje przeniesienie wysoce reaktywnej grupy metylowej S-adenozylometioniny do noradrenaliny:

Structure of S-Adenosyl Methionine Showing Its ReactiveMethyl Group:

Histidine Biosynthesis:

Przyjrzymy się tej ścieżce nieco bardziej szczegółowo, ponieważ wiąże się ona z cząsteczką 5-fosforybozylo-a-pirofosforanu (którą od teraz będziemy nazywać „PRPP”). PRPP jest również zaangażowana w syntezę puryn i pirymidyn, jak się wkrótce przekonamy. W pierwszym etapie syntezy histydyny, PRPP kondensuje z ATP, tworząc purynę, N1-5′-fosforybozyloATP, w reakcji, która jest napędzana przez następującą po niej hydrolizę skondensowanego pirofosforanu. Glutamina ponownie odgrywa rolę jako donor grupy aminowej, tym razem prowadząc do powstania 5-aminoamidazolo-4-karboksyimideribonukleotydu (ACAIR), który jest pośrednikiem w biosyntezie puryn.

Histydyna jest szczególna w tym, że jej biosynteza jest nieodłącznie związana z drogami powstawania nukleotydów. Reszty histydyny są często spotykane w miejscach aktywnych enzymatycznie, gdzie chemia pierścienia imidazolowego histydyny czyni ją anukleofilem i dobrym katalizatorem kwasów/zasad. Wiemy teraz, że RNA może mieć właściwości katalityczne i spekuluje się, że życie było pierwotnie oparte na RNA. Być może przejście do katalizy białek z katalizy RNA nastąpiło w momencie rozpoczęcia biosyntezy histydyny.

Fizjologicznie aktywna amina, histamina, powstaje z histydyny:

.