Aby porozmawiać o dwudziestu aminokwasach, które tworzą białko i zmodyfikowane struktury, należy opisać co najmniej dwanaście wyspecjalizowanych szlaków metabolicznych.
Ale dlaczego komórki wykorzystują tak wiele szlaków metabolicznych, które wymagają energii (na przykład do regeneracji miejsc katalitycznych enzymów), z których każda ma dziedzictwo enzymatyczne, aby katabolizować aminokwasy? Prawie wszystkie aminokwasy można uzyskać dzięki wyspecjalizowanym drogom metabolity, które w małej części są wykorzystywane do wytwarzania energii (na przykład poprzez glukoneogenezę i ścieżkę ciał ketonowych), ale przede wszystkim prowadzą do tworzenia złożonych cząsteczek, z dużą liczbą atomów węgla (na przykład z fenyloalaniny i tyrozyny, hormony są wytwarzane w nadnerczach, które są wyspecjalizowane w tym celu); gdyby z jednej strony łatwo było wyprodukować energię z aminokwasów, z drugiej skomplikowane byłoby zbudowanie złożonych cząsteczek wychodzących z małych cząsteczek: katabolizm aminokwasów pozwala nam wykorzystać ich szkielet do uzyskania większych gatunków.
Dwie lub trzy uncje aminokwasów są rozkładane codziennie przez zdrową osobę: 60-100 g z nich pochodzi z białek wprowadzonych przez dietę, ale ponad 2 uncje są uzyskiwane z normalnego obrotu białek, które są integralną częścią ciała (aminokwasy tych białek, które są uszkodzone przez procesy redoks, są zastępowane przez inne i katabolizowane).
Aminokwasy dają wkład energetyczny w kategoriach ATP: po usunięciu grupy α-aminowej pozostały szkielet węglowy aminokwasów, po odpowiednich transformacjach, może wejść w cykl krebsa. Ponadto, gdy brakuje składników odżywczych i zmniejsza się ilość glukozy, aktywowana jest glukoneogeneza: aminokwasy glukoneogenetyczne nazywa się tymi, które po odpowiednich modyfikacjach można wprowadzić do glukoneogenezy; aminokwasy glukoneogenetyczne to te, które można przekształcić w pirogronian lub fumaran (fumaran można przekształcić w chorego, który wychodzi z mitochondriów iw cytoplazmie przekształca się w szczawiooctan, z którego można uzyskać fosfoenol). Zamiast tego mówi się, że te, które można przekształcić w acetylokoenzym A i octan octu, są aminokwasami ketogennymi.
Opisany właśnie jest bardzo ważnym aspektem, ponieważ aminokwasy mogą zaradzić brakowi cukru w przypadku natychmiastowego postu; jeśli post trwa, metabolizm lipidów interweniuje po dwóch dniach (ponieważ struktur białkowych nie można zaatakować zbyt wiele), to w tej fazie, ponieważ glukoneogeneza jest bardzo ograniczona, kwasy tłuszczowe są przekształcane w acetylokoenzym A i ciała ketonowe, Od dalszego postu mózg przystosowuje się również do używania ciał ketonowych.
Przeniesienie grupy α-aminowej z aminokwasów następuje poprzez reakcję transaminacji; enzymy, które katalizują tę reakcję, nazywane są transaminazami (lub aminotransferazami ). Enzymy te wykorzystują kofaktor enzymatyczny zwany fosforanem pirydoksalu, który interweniuje w jego grupie aldehydowej. Fosforan pirydoksalu jest produktem fosforylacji pirydoksyny, która jest witaminą (B6) zawartą głównie w warzywach.
Transaminazy mają następujące właściwości:
Wysoka specyficzność dla pary α-ketoglutaran-glutaminian;
Zabierają swoje imię od drugiej pary.
Enzymy transaminazy zawsze obejmują parę α-ketoglutaran-glutaminian i wyróżniają się drugą zaangażowaną parą.
Przykłady:
Transaminaza asparaginianowa lub GOT (transaminaza octanu glutaminianu-szczawianu): enzym przenosi grupę α-aminową z asparaginianu do α-ketoglutaranu, uzyskując szczawiooctan i glutaminian.
Transaminaza alaninowa, tj. GTP ( transaminaza glutaminianowo-pirogronianowa): enzym przenosi grupę α-aminową z alaniny na α-ketoglutaran, uzyskując pirogronian i glutaminian.
Różne transaminazy wykorzystują α-ketogluran jako akceptor grupy aminowej aminokwasów i przekształcają go w glutaminian; podczas gdy powstające aminokwasy są wykorzystywane na drodze ciał ketonowych.
Ten typ reakcji może zachodzić w obu kierunkach, ponieważ pękają i powstają wiązania o tej samej zawartości energii.
Transaminazy znajdują się zarówno w cytoplazmie, jak iw mitochondriach (są w większości aktywne w cytoplazmie) i różnią się punktem izoelektrycznym.
Transaminazy są również zdolne do dekarboksylacji aminokwasów.
Musi istnieć sposób na przekształcenie glutaminianu z powrotem w α-ketoglutaran: dzieje się to przez deaminację.
Dehydrogenaza glutaminianowa jest enzymem zdolnym do przekształcania glutaminianu w α-ketoglutaran, a zatem przekształcania grup aminowych aminokwasów znajdujących się w postaci glutaminianu w amoniak. To, co się dzieje, to proces oksydoredukcyjny, który przechodzi przez pośredni α-amino glutaran: amoniak i α-ketoglutaran są uwalniane i wracają do krążenia.
Tak więc usuwanie grup aminowych aminokwasów przechodzi przez transaminazy (różne w zależności od substratu) i dehydrogenazę glutaminianową, co determinuje tworzenie się amoniaku.
Istnieją dwa rodzaje dehydrogenazy glutaminianowej: cytoplazmatyczny i mitochondrialny; kofaktorem, który jest również składnikiem tego enzymu, jest NAD (P) +: dehydrogenaza glutaminianowa wykorzystuje NAD + lub NADP + jako akceptor zmniejszania mocy. Postać cytoplazmatyczna preferuje, choć nie wyłącznie, NADP +, podczas gdy forma mitochondrialna preferuje NAD +. Postać mitochondrialna ma na celu pozbycie się grup aminowych: prowadzi do tworzenia amoniaku (który jest substratem dla wyspecjalizowanego enzymu mitochondrialnego) i NADH (który jest wysyłany do łańcucha oddechowego). Forma cytoplazmatyczna działa w przeciwnym kierunku, to znaczy wykorzystuje amoniak i α-ketoglutaran do otrzymania glutaminianu (który ma miejsce biosyntetyczne): ta reakcja jest biosyntezą redukcyjną, a zastosowanym kofaktorem jest NADPH.
Dehydrogenaza glutaminianowa działa, gdy grupy aminowe aminokwasów, takie jak amoniak (poprzez mocz) muszą zostać usunięte lub gdy szkielety aminokwasów są potrzebne do wytworzenia energii: ten enzym będzie zatem miał systemy, które wskazują na dobrą dostępność energii (ATP) jako negatywne modulatory. GTP i NAD (P) H) oraz jako pozytywne modulatory, systemy wskazujące na zapotrzebowanie na energię (AMP, ADP, GDP, NAD (P) +, aminokwasy i hormony tarczycy).
Aminokwasy (głównie leucyna) są pozytywnymi modulatorami dehydrogenazy glutaminianowej: jeśli aminokwasy są obecne w cytoplazmie, mogą być użyte do syntezy białek lub muszą zostać usunięte, ponieważ nie mogą być gromadzone (to wyjaśnia, dlaczego aminokwasy są pozytywnymi modulatorami),
Usuwanie amoniaku: cykl mocznikowy
Ryby usuwają amoniak, wprowadzając go do wody przez skrzela; ptaki przekształcają go w kwas moczowy (który jest produktem kondensacji) i eliminują go z kałem. Zobaczmy, co dzieje się u ludzi: powiedzieliśmy, że dehydrogenaza glutaminianowa przekształca glutaminian w α-ketoglutaran i amoniak, ale nie powiedzieliśmy, że dzieje się to tylko w mitochondriach wątroby.
Podstawowa rola usuwania amoniaku w cyklu mocznikowym obejmuje transaminazy mitochondrialne.
dwutlenek węgla, w postaci jonu wodorowęglanowego (HCO3-), jest aktywowany przez kofaktor biotyny tworzący karboksylową biotynę, która reaguje z amoniakiem, dając kwas karbaminowy; kolejna reakcja wykorzystuje ATP do przeniesienia fosforanu do kwasu karbaminowego, tworząc fosforan karbamylu i ADP (konwersja ATP do ADP jest siłą napędową do uzyskania karboksybiotyny). Faza ta jest katalizowana przez syntetazę fosforanu karbamylu i występuje w mitochondriach. Fosforan karbamylowy i ornityna są substratami dla enzymu karbamylazy trans ornityny, która przekształca je w cytrulinę; ta reakcja zachodzi w mitochondriach (hepatocytów). Wytworzona cytrulina wychodzi z mitochondriów iw cytoplazmie przechodzi pod działanie syntazy bursztynianu argininy : następuje połączenie szkieletu węglowego cytruliny z szkieletem asparaginianu poprzez atak nukleofilowy, a następnie eliminację wody. Enzym syntaza bursztynianu argininy wymaga cząsteczki ATP, dlatego istnieje sprzężenie energetyczne: hydroliza ATP do AMP i pirofosforanu (ten ostatni jest następnie przekształcany w dwie cząsteczki ortofosforanu) przez wydalenie cząsteczki wody z podłoża, a nie z powodu działania wody w podłożu.
Kolejnym enzymem jest bursztynian argininy : ten enzym jest w stanie podzielić bursztynian argininy na argininę i fumaran wewnątrz cytoplazmy.
Cykl mocznikowy jest uzupełniany przez enzym arginazę : otrzymuje się mocznik i ornitynę; mocznik jest usuwany przez nerki (mocz), podczas gdy ornityna wraca do mitochondriów i wznawia cykl.
Cykl mocznika podlega pośredniej modulacji argininą: akumulacja argininy wskazuje, że konieczne jest przyspieszenie cyklu mocznikowego; Modulacja argininy jest pośrednia, ponieważ arginina pozytywnie moduluje enzym syntetazę glutaminianu acetylu. Ten ostatni jest w stanie przenieść grupę acetylową do azotu glutaminianu: tworzy się N-acetylo-glutaminian, który jest bezpośrednim modulatorem syntetazy karbamylofosfo.
Arginina gromadzi się jako metabolit cyklu mocznikowego, jeśli wytwarzanie fosforanu karbamylu nie jest wystarczające do usunięcia ornityny.
Mocznik jest wytwarzany tylko w wątrobie, ale istnieją inne miejsca, w których zachodzą reakcje początkowe.
Mózg i mięśnie stosują specjalne strategie eliminowania grup aminowych. Mózg wykorzystuje bardzo skuteczną metodę, w której stosuje się enzym syntetazę glutaminową i enzym glutamazę : pierwszy jest obecny w neuronach, a drugi w wątrobie. Ten mechanizm jest bardzo wydajny z dwóch powodów:
Dwie grupy aminowe są transportowane z mózgu do wątroby tylko jednym nośnikiem;
Glutamina jest o wiele mniej toksyczna niż glutaminian (glutaminian niesie również transfer neuronów i nie może przekraczać stężenia fizjologicznego).
W rybach podobny mechanizm sprowadza grupę aminową aminokwasów do skrzeli.
Z mięśnia (szkieletowego i sercowego) grupy aminowe docierają do wątroby poprzez cykl glukozowo-alaninowy; zaangażowanym enzymem jest transaminaza glutaminowo-pirogronianowa: umożliwia ona transpozycję grup aminowych (w postaci glutaminianu), przekształcając pirogronian w alaninę i jednocześnie glutaminian w α-ketoglutaran w mięśniu i katalizując proces odwrotny w wątroba.
Transaminazy o różnych zadaniach lub pozycjach również mają różnice strukturalne i można je określić za pomocą elektroforezy (mają różne punkty izoelektryczne).
Obecność transaminaz we krwi może być objawem uszkodzenia wątroby lub kardiopatycznego (tj. Uszkodzenia tkanek wątroby lub komórek serca); transaminazy są w bardzo wysokich stężeniach zarówno w wątrobie, jak iw sercu: dzięki elektroforezie można ustalić, czy uszkodzenie wystąpiło w komórkach wątroby czy serca.
