Alai

Essentiella och icke-essentiella aminosyror

Nonessentiella aminosyror är sådana som syntetiseras av däggdjur, medan de essentiella aminosyrorna måste erhållas från kosten. Varför skulle en organism utvecklas så att den inte kan existera i avsaknad av vissa aminosyror? Det är troligt att den enkla tillgången till dessa aminosyror i lägre organismer (växter och mikroorganismer) gjorde att den högre organismen inte behövde fortsätta att producera dem. Vägarna för deras syntes valdes bort. Att inte behöva syntetisera ytterligare tio aminosyror (och reglera deras syntes) innebär alltså en stor besparing.Det återstår dock för oss att bekanta oss med syntesvägarna för dessa essentiella aminosyror i växter och mikroorganismer, och det visar sig att de i allmänhet är mer komplicerade än vägarna för syntesen av icke-essentiella aminosyror, och att de dessutom är artspecifika.

De tjugo aminosyrorna kan delas in i två grupper om tio aminosyror. Tio är essentiella och tio är icke-essentiella. Detta är dock inte riktigt en korrekt indelning, eftersom det finns en överlappning mellan de två grupperna, vilket framgår av den text som åtföljer följande två diagram:

Bemärk att tyrosin egentligen är en essentiell aminosyra, eftersom den syntetiseras genom hydroxylering av fenylalanin, en essentiell aminosyra.Hos djur härstammar också sulfhydrylgruppen i cystein från metionin, som är en essentiell aminosyra, så cystein kan också betraktas som essentiell.

De tio ”essentiella” aminosyrorna är:

Arginin syntetiseras av däggdjur i ureacykeln, men det mesta hydrolyseras till urea och ornitin:

(Länk till Dr. Diwan’s webbsida om AminoAcid Catabolism för mer information om hydrolysen av urea, samt för en genomgång av aminosyrakatabolism)

Och eftersom däggdjur inte kan syntetisera tillräckligt med arginin för att tillgodose spädbarns och barns ämnesomsättningsbehov, klassificeras det som en essentiell aminosyra.

Syntes av icke-essentiella aminosyror

Med undantag för tyrosin (eftersom dess omedelbara föregångare är fenylalanin, en essentiell aminosyra) syntetiseras alla icke-essentiella aminosyror (och vi kommer att inkludera arginin här) från intermediärer i större metaboliska vägar. Dessutom kan kolskeletten för dessa aminosyror spåras till motsvarande a-ketosyror. Det skulle därför kunna vara möjligt att syntetisera någon av de icke-essentiella aminosyrorna direkt genom att transaminera dess motsvarande a-keto-syra, om denna keto-syra finns som en gemensam mellanprodukt. En ”transaminationsreaktion”, där en aminogrupp överförs från en aminosyra till a-kolet i en ketosyra, katalyseras av ett aminotransferas.

Tre mycket vanliga a-ketosyror kan transamineras i ett steg till motsvarande aminosyra:

Pyruvat (glykolytisk slutprodukt) –> alanin

Oxaloacetat (mellanprodukt i citronsyracykeln) –> aspartat

a-ketoglutarat (mellanprodukt i citronsyracykeln) –> glutamat

De enskilda reaktionerna är:

Asparagin och glutamin är produkter av amidationer av aspartat respektive glutamat. Asparagin och glutamin och de återstående icke essentiella aminosyrorna är således inte direkt resultatet av transaminering av a-ketosyror eftersom dessa inte är vanliga intermediärer i de andra vägarna. Vi kommer ändå att kunna spåra kolskeletten för alla dessa till en a-ketosyra.Jag påpekar detta inte för att det skulle ha några djupgående konsekvenser, utan snarare för att förenkla inlärningen av de syntetiska vägarna för de oviktiga aminosyrorna.

Aspartat transamineras till asparagin i en ATP-beroende reaktionkatalyserad av asparaginsyntetas, och glutamin är aminogruppsdonatorn:

Syntesen av glutamin sker i två steg där glutamat först ”aktiveras” till en g-glutamylfosfatintermediär, följt av en reaktion där NH3 förskjuter fosfatgruppen:

Syntesen av asparagin är således knuten till syntesen av glutamin, och det visar sig att glutamin är donatorn av aminogrupper vid bildandet av ett stort antal biosyntetiska produkter, samt att det är en lagringsform för NH3. Därför kan man förvänta sig att glutaminsyntetas, det enzym som ansvarar för amidering av glutamat, spelar en central roll i regleringen av kväveomsättningen. Vi kommer nu att titta närmare på denna reglering, innan vi fortsätter med biosyntesen av de återstående icke-essentiella aminosyrorna.

Du har tidigare studerat den oxidativa deamineringen av glutamat med hjälp av glutamatdehydrogenas, där NH3 och a-ketoglutarat bildas. Den a-ketoglutarat som produceras är sedan tillgänglig för att ta emot aminogrupper i andra transaminationsreaktioner, men ackumuleringen av ammoniak som den andra produkten av denna reaktion är ett problem eftersom den i höga koncentrationer är giftig. För att hålla nivån av NH3 i ett kontrollerat intervall aktiverar en stigande nivå av a-ketoglutarat glutaminsyntetas, vilket ökar produktionen av glutamin, som avstår sin aminogrupp i olika andra reaktioner.

Regleringen av glutaminsyntetas har studerats i E.Coli och även om det är komplicerat är det värt att titta på några av dess särdrag, eftersom detta kommer att ge oss en bättre insikt i regleringen av korsande metaboliska vägar. Röntgendiffraktion av kristaller av enzymet avslöjar en hexagonal prismastruktur (D6-symmetri) som består av 12 identiska underenheter. Aktiviteten hos enzymet styrs av nio allosteriska återkopplingshämmare, varav sex är slutprodukter från vägar som involverar glutamin:

histidin

tryptofan

karbamoylfosfat (syntetiserat från karbamoylfosfat-syntetas II)

glukosamin-6-fosfat

AMP (se nästa föreläsning)

CTP (se nästa föreläsning)

De övriga tre effektorer är alanin, serin ochglycin, som bär information om den cellulära kvävenivån.

Enzymet regleras också genom kovalent modifiering (adenylylering av en Tyrresidue), vilket resulterar i en ökad känslighet för den kumulativa återkopplingshämningen från de nio ovanstående effektorerna. Adenylyltransferas är det enzym som katalyserar både adenylylering och deadenylering av E. coli glutaminsyntetas, och detta enzym är sammansatt med ett tetrameriskt reglerande protein, PII.Regleringen av adenylyleringen och dess omvändning sker på PII:s nivå, beroende på uridylering av en annan Tyr-resurs, som finns på PII.När PII är uridylylerat är glutaminsyntetas deadenylylerat; det omvända inträffar när UMP är kovalent knutet till PII:s Tyrrest.Nivån på uridyleringen regleras i sin tur av aktiviteterna hos de två enzymerna, uridylyltransferas och uridylyl-avlägsnande enzym, som båda är lokaliserade på samma protein. Uridylyltransferaset aktiveras av a-ketoglutarat och ATP, medan det hämmas av glutamin och Pi.

Följande diagram sammanfattar regleringen av bakteriellt glutaminsyntetas (se text sidan 1035) :

Vi kan ”gå igenom” denna reglerande kaskad genom att titta på ett specifikt exempel, nämligen ökade nivåer av a-ketoglutarat( vilket återspeglar en motsvarande ökning av NH3) nivåer:

(1) Uridylyltransferasaktiviteten ökar

(2) PII (i komplex med adenylyltransferas) uridylyleras

(3) Glutaminsyntetas deadenylyleras

(4) a-ketoglutarat och NH3 bildar glutamin och Pi

Det faktum att kontrollen av bakteriellt glutaminsyntetas är ytterst känslig för nivån på cellens kvävemetaboliter illustreras av det faktum att det glutamin som nyss producerats i ovanstående kaskad nu är en hämmare av fortsatt glutaminproduktion.

Inför klassens övning:

Prolin, ornitin och arginin framställs av glutamat

Det första steget innebär fosforylering av glutamat med ATP med enzymet g-glutamylkinas, följt av reducering till glutamat-5-semialdehyd som spontant cykliseras (inget enzym krävs) till en inre Schiff-bas. Bildningen av semialdehyden kräver också närvaro av antingen NADP eller NADPH.

Semialdehyden är dock en förgreningspunkt. Den ena grenen leder till prolin medan den andra grenen leder till ornitin och arginin. Glutamat-5-semialdehydtransamineras till ornitin och glutamat är aminogruppsdonatorn. Ornithin, en intermediär i ureacykeln, omvandlas till arginin genom ureacykeln.

För att ytterligare belysa glutamats betydelse omvandlas det till den fysiologiskt aktiva aminen g-aminosmörsyra (GABA), den viktigaste hämmande neurotransmittorn i hjärnan:

Den glykolytiska intermediären, 3-fosfoglycerat, omvandlas till serin, cystein och glycin.

Notera att glutamat deltar som donator av aminogrupper. Serin omvandlas till glycin i följande reaktion:

serin + THF –> glycin + N5,N10 -metylen-THF (enzym: serinhydroximetyltransferas)

Glycin bildas också i en kondensationsreaktion enligt följande:

N5,N10 -metylen-THF + CO2 + NH4+ –> glycin (enzym: Glycinsyntas; kräver NADH)

Cystein syntetiseras från serin och homocystein (nedbrytningsprodukt av metionin):

ser + homocystein ->cystathionin + H2O

cystathionin + H2O –> a-ketobutyrat + cystein + NH3

Syntes av essentiella aminosyror

Syntesvägarna för de essentiella aminosyrorna är:

(1) finns endast i mikroorganismer

(2) är betydligt mer komplexa än för icke-essentiella aminosyror

(3) använder välkända metaboliska prekursorer

(4) uppvisar artvariation

För klassificeringens skull kan man betrakta följande fyra ”familjer” som bygger på gemensamma prekursorer:

(1) Aspartatfamiljen: lysin, metionin, threonin

(2) Pyruvatfamiljen: (3) Aromatisk familj: (1) Pruvatfamilj: Leucin, isoleucin och valin:Fenylalanin, Tyrosin, Tryptofan

(4) Histidin

Asparatfamiljen

Det första bestämda steget för syntesen av Lys, Met och Thr är det första steget, där aspartat fosforyleras till aspartyl-b-fosfat,katalyserat av aspartokinas:

E.coli har tre isoenzymer av aspartokinas som reagerar olika på var och en av de tre aminosyrorna med avseende på enzymhämning och återkopplingshämning. Biosyntesen av lysin, metionin och threonin styrs alltså inte som en grupp.

Vägen från aspartat till lysin har 10 steg.

Vägen från aspartat till threonin har 5 steg

Vägen från aspartat till metionin har 7 steg

Reglering av de tre vägarna sker också vid de två förgreningarna:

b-Aspartat-semialdehyd (homoserin och lysin)

Homoserin (threonin och metionin)

Regleringen beror på återkopplingshämning av aminosyreprodukterna från förgreningarna, som anges inom parentes ovan.

Vi kommer att betrakta ett viktigt steg i syntesen av denna grupp av tre aminosyror, nämligen det steg i vilket homocystein omvandlas till metionin,som katalyseras av enzymet metioninsyntas:

I denna reaktion metyleras homocystein till metionin och C1donatorn är N5-metyl-THF. Observera att enzymet kallas ”syntas” snarare än syntetas, eftersom reaktionen är en kondensationsreaktion där ATP (eller ett annat nukleosidtrifosfat) inte används som energikälla, vilket ska jämföras med ett ”syntetas” där NTP krävs som energikälla.Denna reaktion kan också betraktas som överföring av ametylgrupp från N5-metyl-THF till homocystein, så ett annat namn på det enzym som katalyserar den är homocysteinemetyltransferas.

Det är rimligt att gå igenom reaktioner där en C1-enhet läggs till en metabolisk prekursor , eftersom dessa reaktioner är mycket vanliga i vår studie av biokemiska vägar. Du har redan sett överföringen av acarboxylgruppen från biotin-kofaktorn i pyruvatkarboxylas till pyruvat för att bilda oxaloacetat (varför kallas detta inte för ett ”transferas” eller ett ”synthas”?). De flesta karboxyleringsreaktioner använder biotin som kofaktor.Du har också studerat nedbrytning av metionin, där det första steget innebär överföring av adenosin till metionin för att bilda S-adenosylmetionin (SAM). Metylgruppen på SAM:s sulfoniumjon är mycket reaktiv, så det är inte förvånande att SAM är en metylerande agent i vissa reaktioner.Tetrahydrofolater är också C1-donatorer och till skillnad från karboxyleringar och SAM-metyleringar kan THF:erna överföra C1-enheter i mer än ett oxidationstillstånd.

N5-metyl-THF överför, som vi just har sett, metylgruppen (-CH3), där C:s oxidationsnivå är metanolens (-4). N5,N10-metylen-THF överför en metylengrupp (-CH2-) och oxidationsnivån är den för formaldehyd (0), medan N5-formimino-THF överför formiminogruppen (-CH=NH), där oxidationsnivån för Catom är den för format. Formyl- (-CH=O) och methenylgrupper (-CH=) överförs också av THF och dessa har båda C i oxidationsnivån för formiat (+2). THF:s struktur är lämplig för dessa överföringar på grund av dess N5- och N10-grupper, vilket framgår av följande kemiska struktur:

Vi kommer att se THF igen när vi studerar syntesen av tymidylat från dUMP, som katalyseras av enzymet tymidylat-syntas där N5,N10-metylen-THF är metyldonatorn.

Pyruvatfamiljen

Dessa är de förgrenade aminosyrorna, och det är bra att komma ihåg dem som en grupp, inte bara för att de alla härstammar från pyruvatkarbonskelettet, utan också för att sjukdomen ”Maple Syrup Urine Disease” (MSUD) är ett resultat av brist på förgrenat a-ketoaciddehydrogenas, vilket resulterar i en uppbyggnad av förgrenade a-ketosyror.

Vi ska bara titta på början och slutet av vägarna:

Det första steget är gemensamt för alla 3 aminosyrorna:

Pyruvat + TPP –> Hydroxietyl-TPP (katalyseras av acetolaktatsyntas)

Observera att den centrala kolatomen i hydroxietyl-TPP är en karbanjon och den stabiliseras av resonansformer.

Hydroxyetyl-TPP kan reagera medett annat pyruvat för att bilda a-acetolaktat, i vilket fall vägen leder till valin och isoleucin, eller så kan det reagera med a-ketobutyrat, i vilket fall vägen leder till isoleucin.

Det finns en förgreningspunkt vid a-ketoisovaleratsom i ena riktningen leder till valin och i andra riktningen till leucin.

Det sista steget i bildandet av var och en av dessa aminosyror innebär att en aminogrupp överförs från glutamat till motsvarande a-ketosyra för var och en av de tre grenade aminosyrorna.Här ser vi ytterligare ett exempel på betydelsen av en viss aminosyra, nämligen glutamat, för den anabola vägen för aminosyror.

De aromatiska aminosyrorna:

Phosphoenolpyruvat (PEP), en glykolytisk intermediär, kondenserar med erytros-4-fosfat, en intermediär i pentosfosfatvägen, för att bilda2-keto-3-deoxyarabinoheptulosonat-7-fosfat och oorganisk fosfat. Det involverade enzymet är ett syntas. Denna kondensationsprodukt cykliseras så småningom till chorismat.

Härifrån förgrenar sig vägen och slutar med produktion av tryptofan i ena grenänden och tyrosin och fenylalanin i den andra änden.

Flera höjdpunkter förtjänar att nämnas. För det första spelar glutamin en roll som donator av en aminogrupp till chorismat för att bilda anthranilat vid tryptofangrenen Den omedelbara föregångaren till tryptofan är indol:

Den ”indolringen” är det karakteristiska draget i tryptofanstrukturen. Observera att serin är donatorn av aminogruppen till indol för att bilda tryptofan.

Den gren som leder till tyrosin och fenylalanin har en annan grenpunkt vid prefenat. Den enda skillnaden mellan de två resulterande aminosyrorna är att para-kolet i bensenringen i tyrosin hydroxyleras. Hos däggdjur hydroxyleras fenylalanin direkt till tyrosin, vilket katalyseras av enzymet fenylalaninhydroxylas.

Fenylketonuri

Några mycket viktiga fysiologiskt aktiva aminer härstammar från tyrosin,Dessa är L-DOPA, dopamin, noradrenalin och adrenalin. Vägarna från tyrosin till noradrenalin visas nedan:

Bildningen av adrenalin från noradrenalin innebär att den högreaktiva metylgruppen från S-adenosylmethionin överförs till noradrenalin:

Strukturen av S-adenosylmethionin som visar den reaktiva metylgruppen:

Histidinbiosyntes:

Vi kommer att titta på denna väg lite mer detaljerat, eftersom den involverarmolekylen 5-fosforibosyl-a-pyrofosfat (som vi i fortsättningen kommer att kalla ”PRPP”). PRPP är också inblandat i syntesen av puriner och pyrimidiner, vilket vi snart kommer att se. I det första steget av histidinsyntesen kondenserar PRPP med ATP för att bilda ett purin, N1-5′-fosforibosylATP, i en reaktion som drivs av den efterföljande hydrolysen av den pyrofosfat som kondenseras ut. Glutamin spelar återigen en roll som aminogruppdonor, vilket denna gång resulterar i bildandet av 5-aminoamidazol-4-carboximideribonukleotid (ACAIR), som är en intermediär i purinbiosyntesen.

Histidin är speciellt genom att dess biosyntes är naturligt kopplad till nukleotidbildningens vägar. Histidinrester återfinns ofta på enzymaktiva platser, där kemin i histidinets imidazolring gör den anukleofil och en bra syra/bas-katalysator. Vi vet nu att RNA kan ha katalytiska egenskaper, och det har spekulerats i att livet ursprungligen var RNA-baserat. Kanske skedde övergången till proteinkatalys från RNA-katalys vid ursprunget av histidinbiosyntesen.

Den fysiologiskt aktiva aminen, histamin, bildas från histidin: