Biochemie – Katabolismus dusíkatých látek Josef Trögl

Dusíkaté látky Dusík patří mezi základní biogenní prvky Na geochemickém cyklu dusíku se významně podílí živé organismy Dusíkaté látky mají v organismu univerzální nezastupitelné úlohy

Dusíkaté látky Aminokyseliny – stavební jednotky bílkovin, výchozí látky pro syntézu dalších N-látek, biologická zásoba dusíku Bílkoviny – řada úloh (katalytické, stavební, obranné…) Dusíkaté báze – uchovávání a přenos genetické informace, buněčná energetika Biologické aminy – ochrana, komunikace, součást kofaktorů Alkaloidy – rostlinné látky – dusíkaté heterocykly Aminocukry – buněčné stěny (bakterie - peptidoglykan, houby - chitin), glykoproteiny…

Biologické aminy Obvykle vznikají dekarboxylací aminokyselin Zásadité – soli s organickými kyselinami Vysoká biologická aktivita (=vysoký účinek nízké koncentrace)

Biologické aminy Amin Původ Význam ethanolamin serin stavba fosfolipidů, prekurzor cholinu cysteamin cystein Koenzym A spermin, spermidin methionin ochrana prokaryotické DNA (polymerní) histamin histidin vasodilatans, alergie b-alanin aspartát panthotenát, CoA serotonin 5-hydroxy-tryptofan hormón, přenos vzruchů

Alkaloidy Široká skupina látek rostlinného původu (pospáno cca 7000) Sekundární metabolity Heterocyklické dusíkaté látky (často i více cyklů a atomů N) převážně zásadité (=obvykle ve formě solí s organickými kyselinami) Obvykle ve směsi typické pro rostlinný druh Triviální názvy dle rostliny nikotinové purinové tropanové

Katabolismus bílkovin Bílkoviny jsou štěpeny na peptidy až aminokyseliny Hydrolytické enzymy – proteázy endopeptidázy – štěpí bílkoviny uprostřed řetězce, často extracelulární exopeptidázy – odštěpují aminokyseliny z konce řetězce aminopeptidázy – z N konce karboxypeptidázy – z C konce Obvykle nespecifické – štěpení většiny peptidových vazeb specifické proteázy – aktivace konkrétních enzymů (př. enterokinasa odštěpuje hexapeptid z trypsinogenu  trypsin) Několik typů aktivních míst – dělení proteáz serinové, cysteinové, metaloproteázy, aspartátové

Trávení bílkovin u savců Žaludek pepsin – spíše u dospělých - nespecifická kyselá proteáza chymosin (sýřidlo) – hlavně mláďata – specificky štěpí kasein (mléčná bílkovina) – vazba Phe-Met  srážení Pankreatická šťáva – překrývající se specifita trypsin chymotripsin (A, B, C) elastáza karboxypeptidáza (A, B) Střevní šťáva aminopeptidázy dipeptidázy – štěpí dipeptidy

Další proteázy Kathepsiny – odbourávání tkáňových bílkovin živočichů obvykle v lysozómech Papain – rostlinná proteáza Subtilisin – bakteriální Thrombin – srážení krve Odbourávání buněčných bílkovin Inaktivace – (vratná) – v cytoplazmě Částečná hydrolýza – v cytoplazmě Kompletní rozklad – lysozómy, vakuoly

Metabolismus aminokyselin Buněčný pool aminokyselin – trvalý obsah buněčných aminokyselin Vznik rozklad bílkovin (potrava, vlastní bílkoviny) syntéza příjem potravou Spotřeba syntéza bílkovin syntéza jiných N látek rozklad – energie, přeměna na glukózu nebo mastné kyseliny

Metabolismus aminokyselin Aminokyseliny mohou sloužit jako zdroj uhlíku, dusíku a energie Obvykle převládá syntéza nad rozkladem aminokyseliny nejsou primárně energetický zdroj výjimky – hladovění, přebytek bílkovin v potravě, kultivace bakterií na aminokyselinách a bílkoviných hydrolyzátech (pepton, trypton) Respirační i fermentativní metabolismus

Pyridoxalfosfát =PLP Prosthetická skupina aminotransferáz Odvozen od pyridoxinu (vitamín B6) pyridoxin pyridoxalfosfát (pyridoxol)

Pyridoxalfosfát Kovalentní vazba aminokyseliny Kovalentní vazba na lysin bílkoviny Nekovalentní vazby na bílkovinu

Pyridoxalfosfát Kovalentní vazba PLP na lysin apoenzymu Nekovalentní vazby dalších skupin Vazba aminokyseliny přes aminoskupinu konkurenční reakce k vazbě na enzym  PLP se uvolní, ale zůstane vázaný na enzymu nekovalentně oslabení vazeb – vyšší reaktivita – specificky dle katalyzované reakce

Pyridoxalfosfát Transaminace Dekarboxylace racemizace Aldolové štěpení

Metabolismus aminokyselin Prvním krokem katabolismu je deaminace = odstranění aminoskupiny transaminace = přenos aminokyseliny na oxokyselinu NH3+-CH(R1)-COO- + O=C(R2)-COO- O=C(R1)-COO- + NH3+-CH(R2)-COO- enzymy aminotransferázy (transaminázy) nejčastější příjemce 2-oxoglutarát (citr.cyklus)  glutamát oxidační deaminace enzymy aminooxidázy NH3+-CH(R)-COO- + NAD+ + H2O O=C(R)-COO- + NH4+ + NADH ptáci, savci, účast FMN – přímá redukce kyslíkem NH3+-CH(R)-COO- + FMN O=C(R)-COO- + NH4+ + FMNH2 FMNH2 + O2  FMN + H2O2 H2O2  H2O + O2 (kataláza)

Metabolismus NH4+ Osud odštěpeného amoniaku přímé vyloučení přeměna na odpadní formu a vyloučení (detoxikace) anabolické reakce – syntéza N-látek

Odpadní formy dusíku Živočichové - vylučování Amoniak Kyselina močová Močovina Alantoin Guanin Rostliny – ukládání (vakuoly) močovina aminokyseliny (arginin, citrulin, glutamin) alantoin, kyselina allantová L-kanavanin

Odpadní formy dusíku Močovina kyselina. močová allantoin

Odpadní formy dusíku Amoniak – toxický – vylučován jen vodními organismy (ředění) – amonotelní organismy Kyselina močová – urikotelní organismy vejcorodí (ptáci, plazi), paryby vývoj v nedostatku vody krystalická odpadní forma Močovina – ureotelní organismy savci vývoj v dostatku vody

NH4+ + NH3 + CO2  H2N-CO-NH2 + 2 H2O Močovinový cyklus Močovinový cyklus – cyklická sekvence reakcích vedoucí ke vzniku močoviny z CO2 a NH4+ detoxikace amoniaku na neškodnou odpadní formu NH4+ + NH3 + CO2  H2N-CO-NH2 + 2 H2O H. A. Krebs, K.Henseleit 1932 =ornitinový cyklus, ureosyntetický cyklus, malý Krebsův cyklus Katabolická dráha s anabolickým charakterem – spotřeba energie (1 ATP) – „daň“ za detoxikaci U ureotelních organismů v játrech (ostatní buňky neexprimují potřebné enzymy – vazba NH4+ na glutamát  glutamin)

Močovinový cyklus + NH4+ + ATP ↔ +ADP + Pi kys.glutamová glutamin Enzym glutaminsyntetáza Transport do jater O N H 2

Močovinový cyklus 1. Syntéza karbamoylfosfátu NH4+ + CO2 + 2 ATP  ADP + Pi + karbamoylfosfát Enzym karbamoylfosfátsynthasa (amoniak) V matrix jaterních mitochondrií dostatek CO2 i ATP Amoniak uvolněn převážně z glutaminu N H 2 C PO 4 2- O

Močovinový cyklus 2. Syntéza citrulinu +  Pi + karbamoylfosfát ornithin citrulin Enzym ornithinkarbamoylfosfáttransferáza (citrulinfosforyláza) Následuje transport do cytoplazmy COOH N H 2 O

Močovinový cyklus 3. Syntéza argininosukcinátu (vstup druhé aminoskupiny) + + ATP  citrulin aspartát argininosukcinát + AMP + PPi Enzym argininosukcinátsynthetáza COOH N H 2 COOH N H 2

Močovinový cyklus 4. Štěpení argininosukcinátu  +  + argininosukcinát arginin fumarát Enzym argininosukcynátlyáza

Močovinový cyklus 5. Štěpení argininu + H2O  arginin + ornithin močovina Enzym argináza Ornithin se vrací do matrix a uzavírá cyklus od bodu 2

Bilance cyklu Vznik jedné molekuly močoviny Spotřeba 4 jednotek ATP Vznik 1 molekuly fumarátu  citrátový cyklus  oxalacetát Vznik 3 ATP Celková bilance -1 ATP Oxalacetát se transaminuje na aspartát – uzavření cyklu bodem 3 Močovina je vyloučena ledvinami

Interakce močovinového cyklu

Odbourávání C-řetězců aminokyselin Deaminované aminokyseliny jsou zapojovány do metabolismu Řada drah  zapojení do citrátového cyklu a anabolismu Glukogenní aminokyseliny – vzniká pyruvát (C3) nebo metabolit na pyruvát převoditelný výchozí pro syntézu glukózy Ketogenní aminokyseliny – vzniká acetylkoenzym A (C2), nemůže být použit pro syntézu glukózy, ale jen mastných kyselin Řada aminokyselin dává glukogenní i ketogenní produkt Pyruvát může být přeměněn na AcSCoA

Odbourávání C-řetězců aminokyselin Vznikající meziprodukt Aminokyselina Glukogenní pyruvát Ser, Ala, Cys, Gly, Thr, Met, Trp 2-oxoglutarát Glu, Gln, Arg, Pro, His oxalacetát Asp, Asn fumarát Phe, Tyr, Asp sukcinyl-CoA Val, Ile, Met, Thr Ketogenní acetyl-CoA Leu, Phe, Tyr, Lys, Trp acetoacetát Leu, Ile, Trp

Odbourávání C-řetězců aminokyselin Specifické reakce dekarboxylace oxidační deaminace zásaditých aminokyselin izomerace (přenosy methylových skupin) oxygenace při štěpení aromatického kruhu – přímá účast O2 Využití ostatních metabolických drah b-oxidace obrácení některých syntézních dějů (syntéza izoprenoidů)

Nukleotidy nukleosid N H 2 O P - nukleotid báze

Metabolismus nukleových kyselin Štěpní polynukleotidových řetězců (DNA, RNA) – enzymy nukleázy endonukleázy – štěpení uprostřed řetězce exonukleázy – odštěpování nukleotidů z konce Specifické ribonukleázy a deoxyribonukleázy Fosfatázy (mononukleotidázy) – odštěpují fosfáty Nukleosidázy – štěpí glykosidické vazby různá specifita obvykle zapojují fosfát (fosforolytické štěpení)  vznik pentóza-1-fosfátu (popř. pentóza-1-difosfátu)

Štěpení dusíkatých bází Pyrimidinové báze – řada metabolických drah různé organismy různé báze redukční štěpení kruhu za účasti NADPH vznik CO2, NH3, b-aminokyseliny Purinové báze – oxidace a deaminace na kyselinu močovou (urát) konečný odpadní produkt (primáti, ptáci, některý hmyz a plazi) další oxidace na allantoin (dvoukřídlý hmyz, savci, plazi, plži) další oxidace na močovinu a glyoxylát (obojživelníci, mlži, ryby) u člověka se ukládají uráty v kloubech – dna – vrozené vady, nadměrná konzumace nukleových kyselin

Štěpení dusíkatých bází kyselina močová allantoin glyoxylát