KATABOLISMUS PROTEINŮ, KATABOLISMUS AMINOKYSELIN, ORNITHINOVÝ CYKLUS (močovinový cyklus, malý Krebsův cyklus) KATABOLISMUS PROTEINŮ - PROTEOLÝZA v Proteiny patří mezi nejdůležitější a současně nejvíce zastoupené biomolekuly lidského těla. v Souhrn všech aminokyselin v těle nazýváme aminokyselinový pool. v Denně se u zdravého dospělého člověka degraduje proteolýzou asi 300–500 g proteinů vlastního těla na aminokyseliny. v Dalším zdrojem aminokyselin jsou proteiny obsažené v potravě, které představují přibližně 70–100 g za den. v Posledním zdrojem aminokyselin je biosyntéza neesenciálních aminokyselin, kterou tělo získá denně 30–40 g aminokyselin. v Přibližně stejné množství aminokyselin, jako uvolňuje proteolýza, se procesem proteosyntézou zpětně inkorporuje do proteinů. v Lidský organismus denně odbourá asi 120 g aminokyselin. v řetězec aminokyseliny se rozdělí na aminoskupinu (a ostatní atomy dusíku) a na uhlíkový řetězec – každý z nich má vlastní metabolickou dráhu. v Aminokyseliny mohou také sloužit jako prekurzory významných látek – např. biogenních aminů, hemu či purinových a pyrimidinových bází. • •Poločas života proteinů - se u různých typů proteinů výrazně liší. v strukturní proteiny jsou trvalejší – mají delší poločas. v molekuly mnoha enzymů naopak existují jen velmi krátce – jen několik desítek minut či hodin. v Proteolýza je kompletní degradace proteinů na volné aminokyseliny. v V průběhu proteolýzy se uplatňují enzymy proteázy a peptidázy: Ø trávicí trakt Ø lysozomy – hlavně exogenní prot. a staré organely Ø proteazomy – hlavně vnitrobuněčných proteinů • •Exopeptidázy: v aminopeptidázy a karboxypeptidázy – štěpící proteiny / peptidy na koncích jejich řetězců. •Endopeptidázy: v trypsin, chymotrypsin či pepsin – štěpící vnitřní vazby proteinů / peptidů. • • •Ubikvitin-proteazomový systém v Ubikvitin je malý buněčný protein, který se vyskytuje ve všech eukaryotních buňkách. v slouží jako značka, která předurčuje protein k jeho degradaci v proteazomech. v tento proces nazýváme ubikvitinace (popřípadě polyubikvitinace – pokud je navázáno více molekul ubikvitinu). •PROTEAZOM: v je to proteinový komplex uvnitř (v jádře a v cytoplasmě) všech eukar. buněk. v jeho funkcí je hydrolytická degradace nepotřebných nebo poškozených vnitrobuněčných proteinů. v Některé role proteazomu zřejmě nesouvisí s jeho schopností štěpit proteiny: Ø reguluje transkripci jednotlivých genů Ø angažuje se v opravě DNA a v přestavbě chromatinu. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/Proteasome.jpg KATABOLISMUS AMINOKYSELIN v Existuje 20 (21 - selenocystein) základních proteinogenních aminokyselin, využitelných pro proteosyntézu. v katabolismus jejich uhlíkatých skeletů pokrývá přibližně 10–15 % energetických nároků lidského těla. vAminokyseliny také mohou sloužit jako prekurzory pro biosyntézu jak sacharidů (glukoneogeneze) tak lipidů. v v Katabolismus aminokyselin ® 2 základní fáze: Ø odstranění aminoskupiny Ø degradace uhlíkaté kostry aminokyseliny Odstranění aminoskupiny z aminokyseliny v je to klíčový krok katabolismu aminokyselin. v dusík z aminoskupin se nedá využít pro produkci energie a musí být z těla odstraněn. v to se děje jednak jeho přeměnou na močovinu (asi z 95 %), jednak jeho uvolněním v tubulárních buňkách ledvin z glutaminu jako NH3/NH4+ (asi z 5 %). • v odstranění aminoskupiny probíhá: Ø transaminací (u většiny aminokyselin) Ø přeměnou glutamát / glutamin Ø oxidační deaminací Transaminace aminokyselin v Transaminace jsou volně reverzibilní reakce katalyzované transaminázami (aminotransferázami). v Během transaminace se vymění aminoskupina α-aminokyseliny s oxoskupinou 2-oxokyseliny. v z aminokyseliny se vytváří 2-oxokyselina a z původní 2-oxokyseliny vzniká aminokyselina. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/Transamination.jpg 2-oxoglutarová kyselina L-Alanin Pyrohroznová kyselina Glutamová kyselina Přeměna glutamát / glutamin v Přeměnu karboxylové skupiny glutamátu (v postranním řetězci) na amidovou skupinu glutaminu katalyzuje cytosolický enzym glutaminsyntetáza. v K reakci je kromě enzymu potřeba ATP a NH4+. v Tato reakce slouží v buňkách CNS jako hlavní detoxikační mechanismus odstraňující toxický NH3 z mozkové tkáně. v Vznikající glutamin je nejvýznamnější transportní forma aminodusíku (amoniaku) v krvi. v zajišťuje transport amoniaku (ve formě aminoskupin) ze všech tkání krví do jater a ledvin. Multimediální učební texty z výživy rostlin v glutamin má nejvyšší plazmatickou koncentraci ze všech aminokyselin – 0,6 mmol/l (alanin – 0,3 mmol/l). v v jeho molekule jsou vázány dvě aminoskupiny/amoniaky. v glutamin rovněž slouží k inkorporaci amoniaku při různých biosyntetických reakcích – např. při tvorbě purinových bází. v v Uvolnění NH3 z glutaminu katalyzuje mitochondriální enzym glutamináza. v reakce probíhá formou hydrolytické deaminace v hepatocytech a buňkách tubulů ledvin. v Vzniklý amoniak se v jaterních mitochondriích zapojuje do ornithinového (močovinového) cyklu, v ledvinách je vyloučen do moči, kde slouží jako její pufr. • Oxidační deaminace v Během oxidační deaminace se za souběžného uvolnění NH3 (NH4+) aminoskupina přeměňuje na ketoskupinu. v glutamát je jediná aminokyselina, která se v lidském těle deaminuje dostatečnou rychlostí. v Přeměnu katalyzuje glutamátdehydrogenáza uložená v matrix mitochondrie, hlavně jaterních buněk. • v Glutamát + NAD+ → 2-iminoglutarát + NADH + H+ v 2-iminoglutarát + H2O → α-ketoglutarát + NH4+ v v uvedené reakce jsou plně reverzibilní ® z α-KG a NH4+ lze zpětně nasyntetizovat glutamát. Metabolismus jednotlivých aminokyselin - ppt stáhnout v Vzniklý NH4+ vstupuje do ornithinového (močovinového) cyklu. v α-ketoglutarát se může využít v transaminacích či v Krebsově cyklu. •ZÁVĚR: • v většina aminokyselin prochází při své degradaci transaminací. v většina aminodusíku z aminokyselin se přímo či nepřímo nakonec koncentruje v molekule glutamátu/glutaminu. v z glutaminu se amoniak odštěpuje hydrolytickou deaminací v jaterních a ledvinových buňkách. v z glutamátu se amoniak odštěpuje oxidační deaminací (glutamátdehydrogenázová reakce). v odštěpený amoniak vstupuje do ornithinového cylku (v jaterních buňkách), kde je detoxikován na močovinu. ORNITHINOVÝ CYKLUS v princip objasněn r. 1932 – Hans Krebs a Kurt Henseleit. v Ureosyntetický cyklus (močovinový, ornithinový) slouží k odbourávání dusíku z těla převedením na hydrofilní močovinu. v Močovina se pak vyloučí společně s močí ven z těla a tělo se tak zbaví toxického amoniaku. v Močovinový cyklus probíhá pouze v jaterních buňkách, kde dochází k reakcím amoniaku s dalšími složkami cyklu. v Produktem je močovina, která putuje krevním oběhem do ledvin, kde se vylučuje (rozpuštěná ve vodě) močí. • v Zdrojem amoniaku jsou především: Ø aminokyseliny Ø purinové a pyrimidinové dusíkaté báze Ø meziprodukty biosyntézy hemu Ø v Ornithinový cyklus probíhá částečně v mitochondriích a částečně v cytoplasmě jaterních buněk. v Vyloučení toxického amoniaku je naprosto zásadní pro přežití organismu. v Molekuly NH3 jsou pro tělo toxické a již malá koncentrace může být smrtelná. v Nejcitlivější orgánem na koncentraci amoniaku v krvi je mozek. vDusík je proto do jater přenášen zabudován v aminokyselinách glutaminu a alaninu. v Amoniak volně prochází tělesnými bariérami, např. i hematoencefalickou bariérou. v Při zvýšení jeho koncentrace v těle se vychýlí rovnováhy některých metabolických drah. v při nadbytku amoniaku se např. pomalu zvyšuje koncentrace glutaminu, jehož tvorba ale současně spotřebovává a-ketoglutarát z Krebsova cyklu. v postupně klesá rychlost Krebsova cyklu a tím i produkce energie v buňkách. • Glutamín – Wikipédia glutamin alanin Alanin - Wikiwand v Ornithinový (močovinový) cyklus lokalizovaný jak v matrix mitochondrie, tak v cytosolu jaterních buněk představuje energeticky náročný proces, do něhož vstupují tři substráty: Ø AMONIAK Ø OXID UHLIČITÝ Ø ASPARTÁT (aminoskupina asparagové kyseliny) • v Ornitinový cyklus je propojen s Krebsovým cyklem skrze fumarát a 2-oxoglutarát. v v ve formě močoviny odchází u savců 80- 90 % celkového dusíku. v 10 % slouží k neutralizaci kyselin – je vyloučen ledvinami. v http://ciselniky.dasta.mzcr.cz/hypertext/200640/hypertext/KPAAS_soubory/image004.jpg Propojení ornithinového (močovinového) a Krebsova cyklu Reakční mechanismus ornithinového cyklu 1.Tvorba karbamoylfosfátu: v NH3 + CO2 + 2ATP → karbamoylfosfát + Pi + 2ADP v probíhá v matrix mitochondrií. v katalyzováno enzymem karbamoylfosfátsyntasa, ten pro svou činnost vyžaduje přítomnost Mg2+ a N-acetylglutamát. v 2.Reakce karbamoylfosfátu s ornithinem (tvorba citrulinu): v karbamoylfosfát + ornithin → citrullin + Pi v probíhá v matrix mitochondrie. v katalyzováno L-ornithin-karbamoyltransferasou. v v v https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/be/Urea_cycle.svg/800px-Urea_cycle.svg.png rnithin ornithin karbamoylfosfát citrulin argininsukcinát fumarát arginin močovina 3.Reakce citrulinu a aspartátu (tvorba argininsukcinátu): v citrulin + ATP + aspartát → argininsukcinát + AMP + PPi v probíhá v cytosolu. v katalyzováno argininsukcinátsyntetázou. • v 4.Štěpení (rozpad) argininsukcinátu: v Argininsukcinát → arginin + fumarát v probíhá v cytosolu. v katalyzuje enzym argininsukcinasa. v fumarát se může účastnit citrátového cyklu. v v v v 5.Tvorba močoviny (hydrolýza argininu): v arginin → ornithin + močovina v je to hydrolytické štěpení argininu. v probíhá v cytosolu. v katalyzováno enzymem arginináza. v močovina přechází do krve, ornithin se vrací do matrix mitochondrie. GLUKÓZO - ALANINOVÝ CYKLUS vAlanin se jednak spolupodílí na přenosu amoniaku krví, jednak slouží skrze pyruvát jako významný zdroj uhlíků pro proces glukoneogeneze. v Glukóza-alaninový cyklus je meziorgánová metabolická dráha probíhající mezi svalovými buňkami a játry. v Pyruvát vzniklý ve svalových buňkách, podléhá transaminaci za vzniku alaninu. v Alanin se uvolní do krve, která jej transportuje do jater, kde se transaminací zpětně přeměňuje na pyruvát, jenž se může zapojit do procesu glukoneogeneze. v Vzniklá glukóza se krví dostává do svalů a celý cyklus se uzavírá. v Přenesená aminoskupina (amoniak) směřuje do ornithinového (močovinového) cyklu. https://www.wikiskripta.eu/images/7/74/Glukozo-alaninovy-cyklus-01-01.jpg ODBOURÁVÁNÍ UHLÍKATÝCH KOSTER AMINOKYSELIN v každá aminokyselina má vlastní specifickou dráhu odbourávání uhlíkatého řetězce. v Dráhy, kterými se tak děje, jsou různě složité. v Odbourávání uhlíkaté kostry všech aminokyselin končí některou z těchto sedmi látek: 1.pyruvát 2.Acetyl-CoA 3.acetoacetyl-CoA 4.α-ketoglutarát 5.sukcinyl-CoA 6.fumarát 7.oxalacetát • v tyto produkty pak vstupují do energetického metabolismu. v mohou být dále oxidovány na oxid uhličitý a vodu v Krebsově cyklu. v mohou pokračovat do biosyntéz: Ø z některých může vzniknout glukóza Ø z jiných ketolátky nebo mastné kyseliny Ø vPodle toho rozlišujeme tzv. glukogenní a ketogenní aminokyseliny. v •KETOGENNÍ AMINOKYSELINY v odbourávání jejich uhlíkaté kostry vede k tvorbě acetyl-CoA a acetoacetyl-CoA ® leucin a lysin (začínají na písmeno L). •GLUKOGENNÍ AMINOKYSELINY v odbourávání jejich uhlíkaté kostry vede k tvorbě zbylých pěti produktů: pyruvátu, α-ketoglutarátu, suc-CoA, fumarátu a oxalacetátu ® serin, threonin, cystein, methionin, aspartát, glutamát, asparagin, glutamin, glycin, alanin, valin, prolin, histidin a arginin. v •KETO- I GLUKOGENNÍ AMINOKYSELINY v Existují i aminokyseliny se dvěma degradačními produkty jejich uhlíkatých koster – jeden z nich je glukogenní a druhý ketogenní. v Jsou označovány jako keto- i glukogenní aminokyseliny ® patří mezi ně isoleucin, fenylalanin, tyrosin a tryptofan. • • https://www.wikiskripta.eu/images/thumb/3/38/Degradace_aminokyselin.png/480px-Degradace_aminokyseli n.png Odbourávání uhlíkatých koster aminokyselin