Ak chcete hovoriť o dvadsiatich aminokyselinách, ktoré tvoria proteín a modifikované štruktúry, malo by sa opísať najmenej dvanásť špecializovaných metabolických ciest.
Prečo však bunky používajú toľko metabolických ciest, ktoré vyžadujú energiu (napríklad na regeneráciu katalytických miest enzýmov), z ktorých každá má enzymatické dedičstvo, na katabolizáciu aminokyselín? Takmer všetky aminokyseliny sa môžu získať prostredníctvom špecializovaných ciest metabolitmi, ktoré sa v malej časti používajú na výrobu energie (napríklad prostredníctvom glukoneogenézy a cesty ketónových teliesok), ale predovšetkým vedú k tvorbe komplexných molekúl. s vysokým počtom atómov uhlíka (napríklad z fenylalanínu a tyrozínu, hormóny sa produkujú v nadobličkách špecializovaných na tento účel); ak by bolo na jednej strane ľahké produkovať energiu z aminokyselín, na druhej strane by bolo zložité vybudovať komplexné molekuly vychádzajúce z malých molekúl: katabolizmus aminokyselín nám umožňuje využiť ich kostru na získanie väčších druhov.
Dvaja alebo tri unce aminokyselín denne degraduje zdravý jedinec: 60-100 g z nich pochádza z proteínov zavedených diétou, ale viac ako 2 unce sa získajú z normálneho obratu proteínov, ktoré sú neoddeliteľnou súčasťou tela (aminokyseliny). týchto proteínov, ktoré sú poškodené redox procesmi, sú nahradené inými a katabolizované).
Aminokyseliny poskytujú energetický príspevok v zmysle ATP: po odstránení a-aminoskupiny môže zostávajúci uhlíkový skelet aminokyselín po vhodných transformáciách vstúpiť do krebsovho cyklu. Okrem toho, keď chýba dostatok živín a znižuje sa množstvo glukózy, aktivuje sa glukoneogenéza: glukoneogénne aminokyseliny sa nazývajú tie, ktoré sa po vhodných modifikáciách môžu zaviesť do glukoneogenézy; glukoneogénne aminokyseliny sú tie, ktoré môžu byť premenené na pyruvát alebo fumarát (fumarát môže byť premenený na chorý, ktorý vychádza z mitochondrií a v cytoplazme je transformovaný na oxaloacetát, z ktorého je možné získať fosfoenol). Namiesto toho sa uvádza, že tie, ktoré sa môžu konvertovať na acetylkoenzým A a octan octan, sa považujú za ketogénne aminokyseliny.
Práve opísaný je veľmi dôležitý aspekt, pretože aminokyseliny môžu napraviť nedostatok cukru v prípade okamžitého hladovania; ak pretrváva hladovanie, metabolizmus lipidov zasiahne po dvoch dňoch (pretože proteínové štruktúry nie je možné veľa napadnúť), v tejto fáze, keďže glukoneogenéza je veľmi obmedzená, sa mastné kyseliny konvertujú na acetylkoenzým A a ketónové telieska, Od ďalšieho pôstu sa mozog prispôsobuje aj použitiu ketónových tiel.
Prenos a-aminoskupiny z aminokyselín nastáva transaminázovou reakciou; enzýmy, ktoré katalyzujú túto reakciu, sa nazývajú transaminázy (alebo aminotransferázy ). Tieto enzýmy používajú enzymatický kofaktor nazývaný fosfoxal fosfát, ktorý zasahuje do svojej aldehydovej skupiny. Pyridoxal fosfát je produktom fosforylácie pyridoxínu, ktorý je vitamínom (B6) obsiahnutým hlavne v zelenine.
Transaminázy majú nasledujúce vlastnosti:
Vysoká špecificita pre a-ketoglutarát-glutamátový pár;
Vezmú si svoje meno z druhého páru.
Enzýmy transaminázy vždy obsahujú dvojicu a-ketoglutarát-glutamát a rozlišujú sa podľa druhého páru.
Príklady:
Aspartát transamináza alebo GOT (glutamát-oxal acetát transamináza): enzým prenáša a-aminoskupinu z aspartátu na a-ketoglutarát, čím sa získa oxalacetát a glutamát.
Alanín transamináza, tj GTP (glutamát-pyruvát transamináza): enzým prenáša a-aminoskupinu z alanínu na a-ketoglutarát, čím sa získa pyruvát a glutamát.
Rôzne transaminázy používajú a-ketoglurát ako akceptor aminoskupiny aminokyselín a konvertujú ho na glutamát; zatiaľ čo vytvorené aminokyseliny sa používajú v ceste ketónových telies.
Tento typ reakcie môže prebiehať v oboch smeroch, pretože sa zlomia a vytvoria sa väzby s rovnakým energetickým obsahom.
Transaminázy sú ako v cytoplazme, tak v mitochondriách (väčšinou sú aktívne v cytoplazme) a líšia sa v ich izoelektrickom bode.
Transaminázy sú tiež schopné dekarboxylovať aminokyseliny.
Musí existovať spôsob, ako premeniť glutamát späť na α-ketoglutarát: toto sa deje deamináciou.
Glutamát dehydrogenáza je enzým schopný transformácie glutamátu na a-ketoglutarát, a teda premeny aminoskupín aminokyselín nachádzajúcich sa vo forme glutamátu na amoniak. Čo sa stane, je oxydoreduktívny proces, ktorý prechádza medziproduktom a-amino-glutarátu: amoniak a a-ketoglutarát sa uvoľňujú a vracajú do obehu.
Likvidácia aminoskupín aminokyselín tak prechádza cez transaminázy (rôzne v závislosti od substrátu) a glutamátdehydrogenázu, ktorá určuje tvorbu amoniaku.
Existujú dva typy glutamát dehydrogenázy: cytoplazmatická a mitochondriálna; kofaktor, ktorý je tiež súčasne zložkou tohto enzýmu, je NAD (P) +: glutamát dehydrogenáza používa NAD + alebo NADP + ako akceptor redukčnej energie. Cytoplazmatická forma preferuje, aj keď nie výlučne, NADP +, zatiaľ čo mitochondriálna forma preferuje NAD +. Účelom mitochondriálnej formy je likvidácia aminoskupín: vedie k tvorbe amoniaku (ktorý je substrátom pre špecializovaný enzým mitochondrií) a NADH (ktorý je poslaný do respiračného reťazca). Cytoplazmatická forma pracuje v opačnom smere, to znamená, že používa amoniak a a-ketoglutarát na získanie glutamátu (ktorý má biosyntetickú destináciu): táto reakcia je redukčná biosyntéza a použitý kofaktor je NADPH.
Glutamát dehydrogenáza funguje, keď aminoskupiny aminokyselín, ako je amoniak (cez moč), musia byť zlikvidované alebo keď sú potrebné kostry aminokyselín na výrobu energie: tento enzým bude mať preto systémy, ktoré indikujú dobrú energetickú dostupnosť (ATP) ako negatívne modulátory. GTP a NAD (P) H) a ako pozitívne modulátory, systémy, ktoré indikujú potrebu energie (AMP, ADP, GDP, NAD (P) +, aminokyseliny a hormóny štítnej žľazy).
Aminokyseliny (hlavne leucín) sú pozitívnymi modulátormi glutamát dehydrogenázy: ak sú v cytoplazme prítomné aminokyseliny, môžu byť použité na syntézu proteínov, alebo musia byť zlikvidované, pretože nemôžu byť akumulované (čo vysvetľuje, prečo sú aminokyseliny pozitívne modulátory).,
Likvidácia amoniaku: cyklus močoviny
Ryby zneškodňujú čpavok zavedením do vody cez žiabre; vtáky ho konvertujú na kyselinu močovú (čo je kondenzačný produkt) a eliminujú ju výkalmi. Pozrime sa, čo sa deje u ľudí: povedali sme, že glutamát dehydrogenáza konvertuje glutamát na α-ketoglutarát a amoniak, ale nepovedali sme, že sa to deje len v mitochondriách pečene.
Zásadnú úlohu likvidácie amoniaku prostredníctvom cyklu močoviny pokrývajú mitochondriálne transaminázy.
oxid uhličitý vo forme hydrogenuhličitanového iónu (HCO3-) je aktivovaný kofaktorom biotínu tvoriacim karboxy-biotín, ktorý reaguje s amoniakom za vzniku kyseliny karbamovej; následná reakcia používa ATP na prenos fosfátu na kyselinu karbamovú, ktorá tvorí karbamylfosfát a ADP (premena ATP na ADP je hnacou silou na získanie karboxibiotínu). Táto fáza je katalyzovaná karbamyl fosfátsyntetázou a vyskytuje sa v mitochondriách. Karbamyl fosfát a ornitín sú substrátmi pre enzým ornitín trans karbamylázu, ktorý ich premieňa na citrulín; táto reakcia sa vyskytuje v mitochondriách (hepatocytov). Vyrobený citrulín pochádza z mitochondrií a v cytoplazme prechádza pôsobením arginínsukcinátsyntázy : dochádza k fúzii medzi uhlíkovým skeletom citrulínu a štruktúrou aspartátu prostredníctvom nukleofilného ataku a následnej eliminácie vody. Enzým arginín-sukcinátsyntáza vyžaduje molekulu ATP, preto existuje energetická väzba: hydrolýza ATP na AMP a pyrofosfát (ktorý sa potom premieňa na dve molekuly ortofosforečnanov) vypudením molekuly vody zo substrátu a nie vplyvom pôsobenia vody v médiu.
Ďalším enzýmom je arginínsukcináza : tento enzým je schopný rozštiepiť arginínsukcinát na arginín a fumarát vo vnútri cytoplazmy.
Cyklus močoviny je doplnený enzýmom arginázou : získa sa močovina a ornitín; močovina sa likviduje obličkami (močom), kým sa ornitín vracia do mitochondrií a obnovuje cyklus.
Cyklus močoviny podlieha nepriamej modulácii arginínom: akumulácia arginínu naznačuje, že je potrebné urýchliť cyklus močoviny; modulácia arginínu je nepriama, pretože arginín pozitívne moduluje enzým acetylglutamátsyntetázu. Ten je schopný prenášať acetylovú skupinu na dusík glutamátu: vzniká N-acetylglutamát, ktorý je priamym modulátorom enzýmu karbamyl-fosfo-syntetázy.
Arginín sa akumuluje ako metabolit močovinového cyklu, ak produkcia karbamylfosfátu nie je dostatočná na likvidáciu ornitínu.
Močovina sa produkuje len v pečeni, ale existujú aj iné miesta, kde dochádza k počiatočným reakciám.
Mozog a svaly používajú špeciálne stratégie na elimináciu aminoskupín. Mozog využíva veľmi účinnú metódu, v ktorej sa používa enzým glutamínsyntetáza a enzým glutamáza : prvá je prítomná v neurónoch, zatiaľ čo druhá sa nachádza v pečeni. Tento mechanizmus je veľmi účinný z dvoch dôvodov:
Dve aminoskupiny sa transportujú z mozgu do pečene len s jedným nosičom;
Glutamín je omnoho menej toxický ako glutamát (glutamát tiež prenáša neuróny a nesmie prekročiť fyziologickú koncentráciu).
V rybách podobný mechanizmus prináša aminoskupinu aminokyselín do žiabier.
Zo svalu (kostrového a srdcového) sa aminoskupiny dostávajú do pečene cez cyklus glukóza-alanín; zúčastneným enzýmom je glutamín-pyruvát-transamináza: umožňuje transpozíciu aminoskupín (ktoré sú vo forme glutamátu), premenu pyruvátu na alanín a súčasne glutamát na a-ketoglutarát vo svale a katalyzujú inverzný proces v pečeň.
Transaminázy s rôznymi úlohami alebo polohami majú tiež štrukturálne rozdiely a môžu byť stanovené elektroforézou (majú rôzne izoelektrické body).
Prítomnosť transamináz v krvi môže byť príznakom poškodenia pečene alebo kardiopatie (tj poškodenia pečene alebo buniek srdca v tkanive); transaminázy, sú vo veľmi vysokých koncentráciách tak v pečeni, ako aj v srdci: prostredníctvom elektroforézy je možné zistiť, či k poškodeniu došlo v pečeňových alebo srdcových bunkách.
