1 Metabolismus bílkovin a aminokyselin © Biochemický ústav LF MU v Brně (J.S. + E.T.) 2016 2 METABOLISMUS PROTEINŮ A AMINOKYSELIN •denně odbouráváno kolem 300–600 g proteinů •v potravě přijato kolem 80-100 g proteinů •nová syntéza proteinů kolem 300–600 g proteinů •nadbytek přijatých proteinů může být využit na syntézu tuků 3 Denní příjem proteinů * fyziologické minimum 0,4 g bílkovin / kg těl. hmotnosti * doporučený příjem dospělí 0,8 - 0,9 g/kg děti, těhotné 1,2 - 1,5 g/kg infuze až 1,8 g/kg 4 Obsah proteinů v potravinách (%) Vysoký % tvrdé sýry 25-30 tvarůžky 30 tvaroh tvrdý 30 maso 20 luštěniny 25-30 tvaroh měkký 20 • Střední % vejce 13 těstoviny 12 kvasnice 11 pečivo 8-10 rýže 7 Nízký brambory 2 ovoce, zelenina 0,5-2 5 Biologická hodnota proteinů závisí na * obsahu esenciálních AK a jejich vzájemném poměru * stravitelnosti bílkovin 6 Esenciální aminokyseliny * 8 z 20 aminokyselin je esenciálních (nepostradatelných) * s rozvětveným řetězcem • (valin, leucin, isoleucin) * aromatické (fenylalanin, tryptofan) * dále (threonin, methionin, lysin) * semiesenciální (histidin, arginin) 7 Skutečná stravitelnost (PD) relativní množství dusíku (%) absorbované z potravy vzhledem k celkovému dusíku přijatému potravou PD (%) = [N(absorb. prot.) / N(přijaté prot.)] × 100% 8 Biologická hodnota proteinů relativní množství dusíku (%) využité k syntéze endogenních proteinů z celkového dusíku absorbovaného do organismu z potravy BV (%) = [N(endog. prot.) / N(absorb. prot.)] × 100% 9 Aminokyselinové skóre vztažené na stravitelnost proteinů (PDCAAS) 10 Biologická hodnota proteinů (%) * vaječný bílek 97 * laktalbumin mléka 90 * hovězí 77 * vepřové 71 * kasein 68 * ovesné vločky 62 * pšenice 53 (¯ Lys) * fazole 46 (¯ Met) * čočka 45 (¯ Met) * želatina 25 (¯ Trp) 11 Aminokyselinové skóre (PDCAAS, %) * vaječný bílek 100 * laktalbumin mléka 100 * kasein 100 * hovězí 92 * kuřecí 78 * soja 92 * fazole 70 (¯ Met) * pšenice 42 (¯ Lys) * želatina 0 (¯ Trp) 12 BHživočišných b. > BH rostlinných b. meats veg_01 13 13 Degradace proteinů Exogenní proteiny •lumen GIT •žaludek – pepsin •střevo – pankreatické proteasy (trypsin, chymotrypsin atd.) Endogenní proteiny •intracelulární proteasy •lyzosomy •ubikvitin-proteasom •kaspasy •kalpainy • 14 Trávení proteinů proteiny pepsin Trypsin Pepsinogen - aktivace HCl nebo auto katalyticky Karboxypeptidasy aminopeptidasy AK - resorpce do portální žíly pH 1-2 Chymotrypsin Elastasa Enzymy štěpící proteiny v GIT jsou produkovány jako neaktivní proenzymy, aktivace nastane odštěpením peptidové sekvence 15 PROENZYM ® ENZYM (způsob aktivace proenzymu) pepsinogen ® pepsin (HCl nebo autokatalyticky) trypsinogen ® trypsin (enterokinasa) proelastasa ® elastasa (trypsin) chymotrypsinogen ® chymotrypsin (trypsin) Aktivace proenzymů 16 Trávení proteinů * žaludek sekrece HCl způsobuje denaturaci proteinů a aktivuje pepsinogen pepsin – štěpí proteiny na polypeptidy * ústní dutina žádné trávení bílkovin 17 * tenké střevo trypsin, chymotrypsin, elastasa – z pankreatu, štěpení na kratší peptidy další enzymy: karboxypeptidasa (z pankreatu) aminopeptidasa (z buněk střevní sliznice) ® dokončují štěpení až na AK resorpce AK z trávicího traktu 18 Resorpce AK z trávícího traktu •Kotransport s Na+ •nejen AK, ale i dipeptidy, tripeptidy •Resorbuje se asi 98 % AK •Z buněk střevní sliznice transport do portální žíly ® do jater 19 Lepek •V endospermu semen některýchobilnin, především pšenice, žita, ječmene se nachází lepek (gluten). •jeho součástí je bílkovina gliadin s vysokým obsahem prolinu a glutaminu •u geneticky predisponovaných jedinců vyvolat autoimunitní onemocnění celiakii (celiakální sprue). •Jedinou efektivní léčbou je vynechání všech potravin, obsahujících gliadin (bezlepková strava). 20 Přehled metabolismu proteinů Intracelulární degradace GIT 1. syntéza proteinů 2. syntéza dusíkatých látek 3. odbourání AK 21 21 Asp Ser, Gly, Thr, Ala, Cys, Trp Většina aminokyselin je glukogenních pyruvát glukosa fumarát sukcinyl-CoA 2-oxoglutarát oxaloacetát acetoacetate ketogenní 22 22 Využití aminokyselin v resorpční fázi •AK jsou částečně odbourány v enterocytech (Gln) •AK jsou využívány v játrech (proteosyntéza plasmatických bílkovin) •Nadbytek AK ® syntéza MK a TAG •Val, Leu, Ile (BCAA) nejsou metabolizovány v játrech, jsou metabolizovány ve svalech a mozku 23 Degradace endogenních proteinů Endogenní proteiny •V cytosolu (proteasom) - intracelulární proteiny •V lyzosomech - extracelulární proteiny 24 Proteasomy degradují hlavně bílkoviny s krátkým poločasem (regulační) a poškozené proteiny UB + Krátké peptidy Protein-UB AK cytosolové peptidasy 25 Přehled metabolismu aminokyselin GIT 1. syntéza proteinů 2. syntéza dusíkatých látek 3. odbourání AK 26 Obecné rysy metabolismu AK * AK je přeměňována na jinou dusíkatou látku např. dekarboxylací vznikají aminy, AK nebo její část se zabuduje do skeletu purinů nebo pyrimidinů * AK je odbourávána (odstraňuje se aminoskupina, AK se přeměňuje na acetylCoA nebo jiný meziprodukt citr. cyklu) * AK je zabudována do bílkoviny 27 Dusíkaté sloučeniny syntetizované z AK * Purinové báze (adenin, guanin) * Pyrimidinové báze (cytosin, uracil, thymin) * Hem (obsažen v hemoglobinu, myoglobinu, cytochromech …) * Biogenní aminy (histamin, etanolamin, cholin …) * Hormony a neurotransmitery (adrenalin, thyroxin, serotonin, noradrenalin …) * Kreatinfosfát, karnitin … 28 Jak se aminokyselina zbaví aminoskupiny ? Nejčastěji: Transaminační reakce (katalyzované aminotransferázami) AK + 2-oxoglutarát Û oxokyselina + glutamát Při transaminační reakci se aminoskupina přenáší na oxokyselinu. Z aminokyseliny se stává oxokyselina, která je dále odbourána. Akceptorem aminoskupiny je 2-oxoglutarát, který se přeměňuje na glutamát. Odbourání AK 29 Obecná rovnice transaminace 30 Alaninaminotransferasa (ALT): alanin + 2-oxoglutarát pyruvát + glutamát Příklady transaminačních reakcí alanin 2-oxoglutarát pyruvát glutamát 31 Aspartátaminotransferasa (AST) aspartát + 2-oxoglutarát oxalacetát + glutamát Příklady transaminačních reakcí 32 Kofaktorem transamináz je pyridoxalfosfát Zdrojem je vitamin B6 – pyridoxal, pyridoxin (pyridoxol), pyridoxamin Zdroje B6: - ryby - játra, ledviny - kvasnice - vejce - celozrnné obilniny - některé druhy zeleniny (ztráty vařením) pyridoxal 33 Jak se glutamát zbaví aminoskupiny ? Oxidační deaminace glutamátu glutamátdehydrogenázou glutamát + NAD+ + H2O ® NH3 + 2-oxoglutarát + NADH + H+ * reakce probíhá v játrech (ledviny a další tkáně) * při reakci se uvolňuje amoniak NH3 Aminoskupina z většiny AK je přenesena na 2-oxoglutarát za vzniku glutamátu: 34 Dehydrogenační deaminace glutamátu 35 •dehydrogenační deaminace glutamátu •bakteriální fermentace proteinů v tlustém střevě • amoniak difuzí přechází do portální krve Þ portální krev má relativně vysokou konc. NH3 Þ odstraněn játry Dva hlavní zdroje amoniaku v organismu 36 Amoniak je pro buňky velmi toxický a musí být odstraňován hyperamonemie: NH3 > 50 mmol/l Klinické příznaky od 53 mmol/l (jaterní encefalopatie) Pozn: Portální krev 100 – 300 mmol/l 37 Hlavní cestou odstraňování amoniaku je syntéza močoviny v játrech. Močovina (diamid kyseliny uhličité, urea) * nízkomolekulární látka * dobře rozpustná ve vodě * nereaktivní * neutrální (nebazická) koncentrace v plazmě: 2,5 – 8,3 mmol / l 38 Celkově: CO2 + 2 NH4+ ® H2N-CO-NH2 + H2O + 2 H+ močovina (urea) Probíhá v močovinovém cyklu (série reakcí enzymově katalyzovaných) Při reakci se spotřebují 3 moly ATP / mol močoviny Močovina je krví transportována do ledvin, zde je vylučována močí člověk denně vyloučí 20 - 35 g močoviny Reakce vzniku močoviny 39 Koncentrace močoviny v séru •c (urea v séru) = 2 – 8 mmol/l –závisí na příjmu proteinů • •↓ c (urea) – těžké jaterní poruchy (jaterní kóma) •↑ c (urea) – těžké poruchy funkce ledvin • (syndrom urémie) 40 glutamát + ATP + NH3 ® glutamin + ADP + Panorg Játra, ledviny, střevo: glutamin + H2O → glutamát + NH3 Ve tkáních, které nemohou syntetizovat močovinu, probíhá syntéza glutaminu. Glutamin je rovněž transportní formou NH2 skupiny. Glutaminsynthetasa (mozek, sval, játra) Amoniak vznikající ve svalu může být transportován i pomocí alaninu, který vzniká transaminací z pyruvátu: Alaninaminotransferasa (ALT): pyruvát + glutamát → alanin + 2-oxoglutarát transport do jater 41 Role glutaminu v metabolismu •Glutamin je hlavní aminokyselinou plazmy (30–35 % aminodusíku v plazmě). •Pool glutaminu v krvi slouží k zajištění řady základních metabolických pochodů. Funkce glutaminu Syntéza proteinů Zdroj energie enterocyty, lymfocyty, makrofágy, fibroblasty Donor dusíku pro syntézy puriny, pyrimidiny, NAD+, aminocukry, asparagin, další sloučeniny Donor glutamátu pro syntézy glutathion, GABA, ornitin, arginin, prolin, další sloučeniny 42 Insulin •je anabolický hormon •zvyšuje proteosyntézu v kosterním svalu Kortisol •Stimuluje proteolýzu ve svalu při hladovění Hormony ovlivňující metabolismus proteinů 43 Proteiny jako zdroj energie * probíhá při nedostatku jiných živin (lipidy, cukry) * jen ve tkáních, které dokáží * detoxikovat amoniak (játra, kosterní sval, …) * vyloučit amoniak (ledviny, střevo) Krátkodobé hladovění (12h - 3dny) » ztráta bílkovin 75 g /den Dlouhodobé hladovění - adaptace » ztráta bílkovin 20 g /den 44 Symptomy Kwashiorkor Marasmus Příčina: Nedostatečný příjem Nedostatečný příjem proteinů proteinů a energie Porucha růstu + + + + + + Ochabnutí svalů + + + + Tukové zásoby + + – Hypoalbuminemie + + + + Edémy + + + – Nedostatek bílkovin ve výživě 45 Dědičná porucha metabolismu Phe Hyperfenylalaninémie + Fenylketonurie •deficit hydroxylasy nebo deficit BH4 •zvýš. hladina Phe a metabolitů v krvi •vylučování fenylpyruvátu močí 46 Metabolity fenylalaninu 47 Dusíková bilance D N = příjem N /den - výdej N /den Příjem N - bilancuje se množství přijatých bílkovin. Vychází se z předpokladu, že obsah N v bílkovinách je cca 16 % Npříjem = hmotnost prot x 0,16 g 48 Výdej N - počítá se na základě koncentrace močoviny v moči Vychází se z předpokladu, že močovina je hlavní formou dusíku získanou metabolismem AK • stanoví se koncentrace močoviny v moči (mol/l , přepočet na g/l) • přepočte se na množství močoviny vyloučené za den (x objem moči) • přepočte se na celkový dusík vyloučený močí Výdej dusíku [g N / den] 49 Dusíkaté látky v moči Dusíkatá látka denní výdej močovina 10,5 g (84 % N moče) amonné soli 0,57 g (4,5 % N moče) kreatinin 0,55 g (4,5 % N moče) aminokyseliny 0,5 g (4 % N moče) kyselina močová 0,23 g (2 % N moče) ostatní dusíkaté látky (1 % N moče) celkový denní výdej N 12,5 g 50 Pozitivní dusíková bilance - D N > 0 růst, těhotenství, rekonvalescence Negativní dusíková bilance D N < 0 metabolický stres, snížený příjem proteinů, těžké infekce, horečnatá onemocnění, operace, popáleniny Vyrovnaná dusíková bilance D N» 0 fyziologický stav dospělce