Alai

Aminoacizi esențiali și neesențiali

Aminoacizii neesențiali sunt cei care sunt sintetizați de mamifere, în timp ce aminoacizii esențiali trebuie să fie obținuți din surse alimentare. De ce ar evolua un organism în așa fel încât să nu poată exista în absența anumitor aminoacizi? Cel mai probabil, disponibilitatea imediată a acestor aminoacizi în organismele inferioare (plante și microorganisme) a făcut ca organismul superior să nu mai fie nevoit să continue să-i producă. Căile de sinteză a acestora au fost excluse. Faptul că nu trebuie să sintetizeze zece aminoacizi suplimentari (și să reglementeze sinteza lor) reprezintă deci o economie majoră.Cu toate acestea, ne rămâne să ne familiarizăm cu căile de sinteză pentru acești aminoacizi esențiali în plante și microorganisme și se pare că acestea sunt în general mai complicate decât căile de sinteză a aminoacizilor neesențiali și sunt, de asemenea, specifice fiecărei specii.

Cei douăzeci de aminoacizi pot fi împărțiți în două grupe de 10 aminoacizi. Zece suntesențiali și 10 sunt neesențiali. Cu toate acestea, aceasta nu este de fapt o dihotomie exactă, deoarece există o suprapunere între cele două grupe, așa cum este indicat în textul care însoțește următoarele două diagrame:

Rețineți că tirozina este într-adevăr un aminoacid esențial, deoarece este sintetizată prin hidroxilarea fenilalaninei, un aminoacid esențial.De asemenea, la animale, grupa sulfhidrilă a cisteinei este derivată din metionină,care este un aminoacid esențial, astfel încât cisteina poate fi, de asemenea, considerată esențială.

Cei zece aminoacizi „esențiali” sunt:

Arginina este sintetizată de mamifere în ciclul ureei, dar cea mai mare parte este hidrolizată în uree și ornitină:

(Legătura cu dr. Diwan’s webpage on AminoAcid Catabolism pentru mai multe informații desprehidroliza ureei, precum și pentru o trecere în revistă a catabolismului aminoacizilor)

Pentru că mamiferele nu pot sintetiza suficientă arginină pentru a satisface nevoile metabolice ale sugarilor și copiilor, aceasta este clasificată drept un aminoacid esențial.

Sinteza aminoacizilor neesențiali

În afară de tirozină (deoarece precursorul său imediat este fenilalanina, un aminoacid esențial), toți aminoacizii neesențiali (și vom include aici și arginina) sunt sintetizați din intermediari ai căilor metabolice majore. Mai mult, scheletele de carbon ale acestor aminoacizi pot fi urmărite până la acetoacizii a-cetoacizii corespunzători. Prin urmare, ar putea fi posibil să se sintetizeze oricare dintre aminoacizii neesențiali direct prin transaminarea cetoacidului a-cetoacidului său corespunzător, dacă acest cetoacid există ca intermediar comun. O „reacție de transaminare”, în care o grupare amino este transferată de la un aminoacid la carbonul a- al unui cetoacid, este catalizată de o aminotransferază.

Trei a-cetoacizi foarte comuni pot fi transaminați într-o singură etapă în aminoacidul lor corespunzător:

Piruvat (produs final glicolitic) –> alanină

Oxaloacetat (intermediar în ciclul acidului citric) –> aspartat

cetoglutarat (intermediar în ciclul acidului citric) –> glutamat

Reacțiile individuale sunt:

Asparagina și glutamina sunt produsele amidațiilor aspartatului și, respectiv, ale glutamatului. Astfel, asparagina și glutamina, precum și restul aminoacizilor neesențiali nu sunt rezultatul direct al transaminării acizilor cetoacizi, deoarece aceștia nu sunt intermediari comuni ai celorlalte căi. Cu toate acestea, vom fi capabili să urmărim scheletele de carbon ale tuturor acestor aminoacizi până la un cetoacid. Fac această precizare nu pentru implicațiile profunde care îi sunt inerente, ci mai degrabă pentru a simplifica învățarea căilor sintetice ale aminoacizilor neesențiali.

Aspartatul este transaminat la asparagină într-o reacție dependentă de ATP catalizată de asparagina sintetază, iar glutamina este donatorul de grupări amino:

Sinteza glutaminei este una în două etape în care glutamatul este mai întâi „activat” la un intermediar de g-glutamilfosfat, urmată de o reacție în care NH3 deplasează gruparea fosfat:

Așadar, sinteza asparaginei este intrinsec legată de cea a glutaminei și se pare că glutamina este donatorul de grupe amino în formarea a numeroși produse biosintetice, fiind și o formă de stocare a NH3. Prin urmare, este de așteptat ca glutamina sintetaza, enzima responsabilă pentru amidarea glutamatului, să joace un rol central în reglarea metabolismului azotului. Vom analiza acum mai în detaliu acest control, înainte de a trece la biosinteza celorlalți aminoacizi neesențiali.

Ați studiat anterior dezaminarea oxidativă a glutamatului de către glutamatul dehidrogenază, în care se produce NH3 și acetoglutarat. A-cetoglutaratul produs este apoidisponibil pentru acceptarea grupărilor amino în alte reacții de transaminare, daracumularea amoniacului ca celălalt produs al acestei reacții este o problemăpentru că, în concentrații mari, este toxic. Pentru a menține nivelul de NH3într-un interval controlat, un nivel crescând de a-cetoglutarat activează glutamina sintetaza, crescând producția de glutamină, care își donează grupa amino în diverse alte reacții.

Reglarea glutaminei sintetaza a fost studiată în E.Coli și, deși complicată, merită să analizăm unele dintre caracteristicile sale, deoarece acest lucru ne va oferi mai multe informații despre reglarea căilor metabolice care se intersectează. Difracția cu raze X a cristalelor de enzimă relevă o structură de prismă hexagonală (simetrie D6) compusă din 12 subunități identice. Activitatea enzimei este controlată de 9 inhibitori alosterici de reacție, dintre care 6 sunt produse finale ale căilor care implică glutamina:

histidină

triptofan

carbamoil fosfat (sintetizat de carbamoilfosfat sintetaza II)

glucozamină-6-fosfat

AMP (vezi prelegerea următoare)

CTP (vezi prelegerea următoare)

Ceilalți trei efectori sunt alanina, serina și glicina, care transportă informații privind nivelul de azot celular.

Enzima este, de asemenea, reglată prin modificare covalentă (adenilarea unei tirside), ceea ce are ca rezultat o creștere a sensibilității la inhibiția cumulativă de feedback de către cei nouă efectori de mai sus. Adeniltransferaza este enzima care catalizează atât adenilarea, cât și deadenilarea glutaminesintetazei din E. coli, iar această enzimă este complexată cu o proteină regulatoare tetramerică, PII.Reglarea adenilării și a inversării acesteia are loc la nivelul PII, în funcție de uridilarea unui alt reziduu Tyr, situat pe PII.Atunci când PII este uridilată, glutamina sintetaza este deadenilată; invers se întâmplă atunci când UMP este atașat covalent la reziduul Tyr din PII.Nivelul de uridilare este, la rândul său, reglementat de activitățile celor două enzime, uridiltransferaza și enzima de eliminare a uridilului, ambele situate pe aceeași proteină. Uridililtransferaza este activată de acetoglutarat și ATP, în timp ce este inhibată de glutamină și Pi.

Schema de mai jos rezumă reglarea glutaminesintetazei bacteriene (a se vedea textul de la pagina 1035) :

Ne putem „plimba” prin această cascadă de reglaj analizând un exemplu specific, și anume creșterea nivelului de acetoglutarat ( care reflectă o creștere corespunzătoare a nivelului de NH3):

(1) Activitatea uridiltransferazei este crescută

(2) PII (în complex cu adeniltransferaza)este uridilat

(3) Glutamina sintetaza este deadilată

(4) a-ketoglutarat și NH3 formează glutamină și Pi

Ce controlul glutaminei sintetazei bacteriene este extrem de sensibil la nivelul metaboliților azotați ai celulei este ilustrat de faptul că glutamina care tocmai a fost produsă în cascada de mai sus este acum un inhibitor al producției ulterioare de glutamină.

Exercițiu în clasă: Folosiți calea de reglare pentru a explicaefectul creșterii nivelului de glutamină asupra activității glutaminesintetazei bacteriene.

Prolina, ornitina și arginina sunt derivate din glutamat

Primul pas implică fosforilarea glutamatului de către ATP cu ajutorul enzimei g-glutamilkinaza, urmată de reducerea la glutamat-5-semialdehidă, care se ciclează spontan (nu este necesară nicio enzimă) la o bază Schiff internă. Formarea semialdehidei necesită, de asemenea, prezența fie a NADP, fie a NADPH.

Semialdehida este, totuși, un punct de ramificare. O ramură duce la prolinăîn timp ce cealaltă ramură duce la ornitină și arginină. Glutamatul-5-semialdehidăeste transaminată la ornitină, iar glutamatul este donatorul de grupe amino. Ornitina, un intermediar al ciclului ureei, este transformată în arginină prin ciclul ureei.

Pentru a sublinia și mai mult importanța glutamatului, acesta este transformat în amina activă din punct de vedere fiziologic, acidul g-aminobutiric (GABA), principalul neurotransmițător inhibitor din creier:

Intermediarul glicolitic, 3-fosfogliceratul, este transformat în serină, cisteină și glicină.

Rețineți participarea glutamatului ca donator de grupe amino. Serina esteconvertită în glicină în următoarea reacție:

serină + THF –> glicină + N5,N10 -metilen-THF (enzima: serină hidroximetiltransferază)

Glicina este, de asemenea, formată într-o reacție de condensare după cum urmează:

N5,N10 -metilen-THF + CO2 + NH4+ –> glicină (enzima: N5,N10 -metilen-THF + CO2 + NH4+ –> glicină (enzima: glicină-sintetază; necesită NADH)

Cisteina se sintetizează din serină și homocisteină (produs de descompunere a metioninei):

ser + homocisteină ->cistationină + H2O

cistationină + H2O –> acetobutirat + cisteină + NH3

Sinteza aminoacizilor esențiali

Cariile de sinteză pentru aminoacizii esențiali sunt:

(1) prezente numai în microorganisme

(2) considerabil mai complexe decât pentru aminoacizii neesențiali

(3) utilizează precursori metabolici cunoscuți

(4) prezintă variații între specii

În scopul clasificării, luați în considerare următoarele 4 „familii „care se bazează pe precursori comuni:

(1) Familia aspartatului: lizină,metionină,treonină

(2) Familia piruvatului: leucină,izoleucină, valină

(3) Familia aromatică:fenilalanina, tirozina, triptofan

(4) Histidina

Familia aspartatului

Prima etapă angajată pentru sinteza Lys, Met și Thr este prima etapă, în care aspartatul este fosforilat în aspartil-b-fosfat,catalizată de aspartokinaza:

E.coli are 3 izozime de aspartokinază care răspund diferit la fiecare dintre cei 3 aminoacizi, în ceea ce privește inhibiția enzimatică și inhibiția de reacție. Biosinteza lizinei, metioninei și treoninei nu sunt, deci,controlate ca grup.

Calea de la aspartat la lizină are 10 pași.

Calea de la aspartat la treonină are 5 pași

Calea de la aspartat la metionină are 7 pași

Reglarea celor trei căi are loc, de asemenea, la cele două puncte de ramificare:

b-Aspartat-semialdehidă (homoserină și lizină)

Homoserină (treonină și metionină)

Regularea rezultă din inhibiția prin feedback de către produșii de aminoacizi ai ramificațiilor, indicați în parantezele de mai sus.

Vom lua în considerare o etapă importantă în sinteza acestui grup de 3 aminoacizi, și anume etapa în care homocisteina este transformată în metionină,catalizată de enzima metionină-sintetază:

În această reacție, homocisteina este metilată în metionină, iar C1donatorul este N5-metil-THF. Rețineți că enzima se numește „sintetază „mai degrabă decât sintetază, deoarece reacția este o reacție de condensare în care ATP (sau un alt nucleozid trifosfat) nu este utilizat ca sursă de energie.Aceasta trebuie comparată cu o „sintetază” în care este necesar un NTP ca sursă de energie.Această reacție poate fi privită, de asemenea, ca un transfer al grupării metil de la N5-metil-THF la homocisteină, astfel încât un alt nume pentru enzima care o catalizează este homocisteinemetiltransferaza.

Este rezonabil să trecem în revistă reacțiile în care o unitate C1 este adăugată la un precursor metabolic, deoarece aceste reacții se întâlnesc foarte des în studiul nostru al căilor biochimice. Ați văzut deja transferul grupării acarboxil de la cofactorul biotin al piruvatului carboxilază la piruvat pentru a forma oxaloacetat (de ce nu se numește aceasta „transferază” sau „sinteză”?). Majoritatea reacțiilor de carboxilare utilizează biotina ca și cofactor.Ați studiat, de asemenea, descompunerea metioninei, în care prima etapă implică transferul adenozinei la metionină pentru a forma S-adenozilmetionină (SAM). Grupa metil de pe ionul sulfoniu al SAM este foarte reactivă, așa că nu este surprinzător să constatăm că SAM este un agent de metilare în unele reacții.Tetrahidrofolatele sunt, de asemenea, agenți donatori de C1 și, spre deosebire de carboxilări și metilații SAM, THF-urile pot transfera unități C1 în mai multe stări de oxidare.

N5-metil-THF ,așa cum tocmai am văzut, transferă grupa metil (-CH3), în care nivelul de oxidare al C este cel al metanolului(-4). N5,N10-metilen-THF transportă o grupare metilen(-CH2-), iar nivelul de oxidare este cel al formaldehidei (0), în timp ce N5-formimino-THFtransferă grupa formimino (-CH=NH), în care nivelul de oxidare al Catomului este cel al formiatului. Grupările formil (-CH=O) și metil (-CH=) sunt, de asemenea, transferate de THF și ambele au C în nivelul de oxidare al formatului (+2). Structura THF-ului este potrivită pentru aceste transferuri în virtutea grupărilor sale N5 și N10, așa cum se arată în următoarea structură chimică:

Vom vedea din nou THF-ul când vom studia sinteza timidilatului din dUMP, catalizată de enzima timidilat-sintetază, în care N5,N10-metilen-THF este donatorul de metil.

Familia piruvatului

Aceștia sunt aminoacizii cu „lanț ramificat” și este util să ne amintim de ei ca grup, nu numai pentru că toți provin din scheletul de carbon al piruvatului, ci și pentru că boala „boala siropului de arțar în urină” (MSUD) este un rezultat al deficienței de a-cetoaciddehidrogenază cu lanț ramificat, ceea ce duce la o acumulare de a-cetoacizi cu lanț ramificat.

Ne vom uita doar la începutul și la sfârșitul căilor:

Prima etapă este comună tuturor celor 3 aminoacizi:

Piruvat + TPP –> Hidroxietil-TPP (catalizată de acetolactat-sintetază)

Rețineți că atomul de carbon central din hidroxietil-TPP este un carbanion și este stabilizat de formele de rezonanță.

Hidroxietil-TPP poate reacționa cu un alt piruvat pentru a forma a-acetatolactat, caz în care calea se îndreaptă spre valină și izoleucină, sau poate reacționa cu a-cetobutirat, caz în care calea se îndreaptă spre izoleucină.

Există un punct de ramificare la a-cetoizovaleratcare, într-o direcție duce la valină și, în cealaltă, la leucină.

Etapa finală în formarea fiecăruia dintre acești aminoacizi implică transferul unei grupări amino de la glutamat la a-cetoacidul corespunzător din fiecare dintre cei 3 aminoacizi cu lanț ramificat.Vedem aici un alt exemplu al importanței unui anumit aminoacid, și anume glutamatul, pentru căile anabolice ale aminoacizilor.

Aminoacizii aromatici:

Fosfoenolpiruvatul (PEP), un intermediar glicolitic, se condensează cu eritroza-4-fosfat, un intermediar al căii pentozei-fosfat, pentru a forma 2-ceto-3-deoxiarabinoheptulosonat-7-fosfat și fosfat anorganic. Enzima implicată este o sintază. Acest produs de condensare se ciclicizează în cele din urmă în corismat.

De aici, calea se ramifică, ajungând la producerea de triptofan la un capăt al ramurii, și de tirozină și fenilalanină la celălalt capăt.

Merită menționate câteva puncte importante. În primul rând, glutamina joacă un rol de donator al unei grupări amino la corismat pentru a forma antrănilat la ramificația triptofanului. precursorul imediat al triptofanului este indolul:

„Inelul indol” este trăsătura care caracterizează structura triptofanului. Rețineți că serina este donatorul grupei amino la indol pentru a formatriptofan.

Ramificația care duce spre tirozină și fenilalanină are un alt punct de ramificare la prefenat. Singura diferență între cei 2 aminoacizi rezultați este aceea că carbonul para al inelului benzenic al tirozinei este hidroxilat. Într-adevăr, la mamifere, fenilalanina este direct hidroxilată în tirozină, catalizată de enzima fenilalanină hidroxilază.

Fenilcetonuria

Câteva amine foarte importante din punct de vedere fiziologic și active sunt derivate din tirozină,și acestea sunt L-DOPA, dopamina, norepinefrina și epinefrina. Calea de la tirozină la norepinefrină este prezentată mai jos:

Formarea epinefrinei din norepinefrină implică transferul grupării metil foarte reactive a S-adenozilmetioninei la norepinefrină:

Structura S-adenozil metioninei care prezintă grupa sa metil reactivă:

Biosinteza histidinei:

Vom analiza această cale puțin mai detaliat, deoarece implică molecula 5-fosforibosil-a-pirofosfat (la care ne vom referi ca „PRPP” de acum încolo). PRPP este, de asemenea, implicat în sinteza purinelor și pirimidinelor, după cum vom vedea în curând. În prima etapă a sintezei histidinei, PRPP se condensează cu ATP pentru a forma o purină, N1-5′-fosforibosilATP, într-o reacție care este determinată de hidroliza ulterioară a pirofosfatului care se condensează. Glutamina joacă din nou un rol de donor al grupului de aminoacizi, de data aceasta ducând la formarea 5-aminoamidazolului-4-carboximideribonucleotidului (ACAIR), care este un intermediar în biosinteza purinelor.

Histidina este specială prin faptul că biosinteza sa este legată în mod inerent de căile de formare a nucleotidelor. Reziduurile de histidină se găsesc adesea în situsuri enzimatice active, unde chimia inelului imidazol al histidinei o face anucleofilă și un bun catalizator acid/bază. Știm acum că ARN-ul poate avea proprietăți catalitice și s-a speculat că viața a fost inițial bazată pe ARN. Poate că tranziția la cataliză proteică de la cataliză ARN a avut loc la originea biosintezei histidinei.

Amina activă din punct de vedere fiziologic, histamina, este formată din histidină:

.