Aminosyrenedbryting og ureaproduksjon RCHCOONH 3 Winnie Eskild IMBV

Aminosyrenedbryting og ureaproduksjon R-CH-COONH 3+ Winnie Eskild, IMBV 2004

Katabolisme av aminosyrer • Aminosyrer som brytes ned kommer fra 3 kilder: – Overskudd av inntak fra proteiner. Proteinene spaltes først i aminosyrer som deretter nedbrytes. Kroppen kan ikke lagre ekstra proteiner – Daglig utskifting av proteiner – Muskel som brytes ned i forbindelse med sult eller sykdom, diabetes

Katabolisme av aminosyrer • De fleste aminosyrer brukes på nytt • Som karbohydrater og fett kan også størsteparten av en aminosyre brytes ned i det vevet som vil bruke den til energiproduksjon • Aminosyrenes karbonskjelett kan enten oksideres til CO 2 og H 2 O eller det kan brukes som utgangspunkt for syntese av glukose via glukoneogenese reaksjonsveien

Katabolisme av aminosyrer • Aminosyrenes aminogruppe brytes ned i spesielle reaksjoner i leveren • Kroppen har derfor en transportoppgave når det gjelder å få aminogrupper fra alle perifert degraderte aminosyrer til leveren

Oversikt over aminosyre katabolismen

Aminogruppens metabolske skjebne • Nitrogen er vanskelig å håndtere i metabolismen fordi det er for inert for biokjemiske prosesser • Organismen tar derfor vare på og gjenutnytter sine aminogrupper • Tre aminosyrer spiller en spesiell rolle i aminosyremetabolismen: Glutamat, glutamin og alanin • I levercellenes cytosol overføres de fleste aminogrupper til -ketoglutarat som omdannes til glutamat

Aminogruppens metabolske skjebne • Glutamat transporteres inn i mitokondriet hvor aminogruppen metaboliseres • I de fleste andre vev overføres aminogruppen til glutamat som omdannes til glutamin • Glutamin transporteres til leveren hvor aminogruppen metaboliseres

Aminogruppens metabolske skjebne • I muskel overføres aminogruppen til pyruvat som omdannes til alanin • Alanin transporteres til leveren hvor aminogruppen metaboliseres

Nitrogen utskilles på tre måter • NH 4+ utskilles av fisk, amfibier. Vannet de lever i løser det opp • Urea utskilles av vertebrater, haier. Krever en del vann, skånsomt for vev • Urinsyre utskilles av fugler, krypdyr. Krystalliserer, veier lite og krever ikke vann Ammonoteliske organismer Ureoteliske organismer Urikoteliske organismer

Samling av NH 2 -grupper i glutamat Transamineringsreaksjonen • Overføring av en aminogruppe fra et molekyle til et annet kalles en transaminering • Reaksjonen katalyseres av transaminaser eller aminotransferaser • Hver aminosyre har sin spesifikke aminotransferase som har navn etter den aminosyre som gir fra seg en aminogruppe i reaksjonen • Eksempel: alanin aminotransferase overfører -NH 2 fra alanin til ketoglutarat • Aminotransferaser bruker pyridoksalfosfat som kofaktor

Pyridoksalfosfat • Pyridoksalfosfat er kovalent bundet til en lysinsidekjede i enzymet, prostetisk gruppe • Pyridoksalfosfat bærer amino -gruppen under reaksjonen

Pyridoksalfosfat • Pyridoksalfosfat er en prostetisk gruppe • PLP er bundet med en kovalent dobbelbinding til en lysinsidekjede i enzymet, Schiff base • Pyridoksalfosfat bærer amino-gruppen under reaksjonen • Dobbelbindingen til enzymet erstattes av en enkelbinding til aminogruppen

Fri NH 4+ er toksisk • Noe fri NH 4+ dannes bl. a. i hjernen • Enzymet glutamin syntetase katalyserer innkorporering av NH 4+ i glutamin • Glutamin sendes via blodsirkulasjonen til leveren. • Glutamin er neutralt, ikke toksisk og passerer lett cellemembranen

Glutamin transporterer aminogrupper fra periferien til leveren § Glutamin transporteres inn i mitokondriet i lever eller nyre § Enzymet glutaminase frigjør amid NH 2 -gruppen § NH 4+ går til ureasyklus § Glutamat går inn i glutamatpoolen i mitokondriet

Oksidativ deaminering • Glutamat bærer aminogrupper fra mange aminosyrer i leveren • Etter overføring til mitokondriet gjennomgår glutamat oksidativ deaminering • Enzymet er glutamat dehydrogenase med NAD+/NADP+ som kofaktor • -ketoglutarat går til sitronsyresyklus eller glukoneogenese • Allosterisk enzym, GTP hemmer, ADP stimulerer aktiviteten

Alanin som -NH 2 -transportør • Glukose-alanin syklus • Arbeidende muskel har anaerob glykolyse => pyruvat kan ikke gi mere energi • Pyruvat får overført en -NH 2 -gruppe og blir til alanin • Føres med blodet til leveren hvor NH 2 gruppen overføres til -ketoglutarat av enzymet alanin aminotransferase og pyruvat omdannes til glukose • Glutamat overføres til mitokondriet hvor aminogruppen frigjøres av enzymet glutamat dehydrogenase • Glukose sendes tilbake til muskelen

Samling av NH 4+ • Aminogrupper fra perifere vev og fra reaksjoner i cytosol frigjøres for å bli ført inn i ureasyklus

Samling av NH 4+ • Aminogrupper fra perifere vev og fra reaksjoner i cytosol frigjøres for å bli ført inn i ureasyklus

Ureasyklus • Ureasyklus omdanner aminogrupper til urea • Prosessen involverer enzymer i mitokondriet såvel som i cytosol • Omdannelsen av aminogrupper til urea starter i mitokondriet og sluttføres i cytosol • Ureasyklus inngår i tett samspill med sitronsyresyklus. Dette samspillet kalles ofte for Krebs bisyklus (Sitronsyre syklus = Krebs syklus)

Syntese av karbamoylfosfat • Enzymet er karbamoylfosfat syntetase I, et allosterisk enzym, N-acetylglutamat stimulerer • Reaksjonen har flere trinn og krever investering av 2 ATP • CO 2 + H 2 O <=> HCO 3 - + H+ • Bikarbonat reagerer først med ATP og fører til dannelse av en karbonsyre-fosforsyre anhydrid

Syntese av karbamoylfosfat • Deretter spaltes anhydridbindingen og en ammoniumion koples på C-atomet. Vi får dannet karbamat

Syntese av karbamoylfosfat • Karbamat fosforyleres ved bruk av ATP og vi får dannet karbamoylfosfat som har en anhydrid-binding • Karbamoylfosfat kan betraktes som aktivert NH 4+

Første trinn i ureasyklus foregår i mitokondriet • Karbamoylfosfat overfører sin karbamoylgruppe til ornitin og det dannes citrullin. Pi frigis • Reaksjon drives av hydrolysen av anhydridbindingen mellom karbamoylgruppen og fosfatgruppen • Enzymet er ornitin transkarbamoylase • Ornitin er en aminosyre, finnes bare som metabolismeintermediat • Citrullin forlater mitokondriet

Cytosoliske trinn i ureasyklus • • Citrullin til argininosuccinat Citrullin aktiveres ved påkopling av AMP på karbamoyl C-atomet Enzymet er argininosuccinat syntetase For å drive reksjonen fremover hydrolyseres pyrofosfat til 2 Pi

Cytosoliske trinn i ureasyklus • Aminogruppe nr. 2 skal nå hentes inn • Enzymet er argininosuccinat syntetase • Dette gjøres ved å bytte ut AMP med aspartat, som bindes via sin amino-gruppe til ureidogruppen i citrullin (det som var karbamoyl Catomet) • Det er nå dannet argininosuccinat

Cytosoliske trinn i ureasyklus • Her spaltes argininosuccinat til arginin og fumarat • Enzymet er argininosuccinat lyase

Cytosoliske trinn i ureasyklus • Fumarat går tilbake til mitokondriet • Via sitronsyresyklus gjendannes det til oksaloacetat • Oksaloacetat kan få overført en ny aminogruppe fra glutamat og derved bli omdannet til aspartat • Aspartat forlater mitokondriet og reagerer med citrullin

Cytosoliske trinn i ureasyklus • Enzymet arginase spalter arginin i ornitin og urea • Ornitin går tilbake inn i mitokondriet, klar til å hente en ny karbamoylgruppe • Urea passerer over i blodet og utskilles av nyrene til urinen • De cytosoliske enzymene i ureasyklus sitter tett assosiert på cytosolsiden av indre mitokondriemembran => substratkanalisering og dermed høy effektivitet

Ureasyklus

Krebs bisyklus Fumarase og malat dehydrogenase finnes som både cytosoliske og mitokondrielle isoenzymer

Regulering av ureasyklus Proteiner brytes ned og aminosyrer forbrennes til energi etter inntak av overskudd av protein eller ved langvarig sult Den økte frisetting av aminogrupper øker hastigheten i ureasyklus Det fins korttids- og langtidsregulering for ureasyklus • Langtidsregulering: her reguleres syntesen av ureasyklusenzymene i leveren • Syntesehastigheten for disse enzymene er høy ved sult eller proteinrik kost, mens den lav hos planteetere • Korttidsregulering: her reguleres aktiviteten til allerede syntetiserte enzymer • Aktiviteten til karbamoylfosfat syntetase reguleres allosterisk

Reguleringav karbamoylfosfat syntetase I • Karbamoylfosfat syntetase I er allosterisk stimulert av N-acetylglutamat • Ved høye nivåer av aminogrupper dannes N-acetylglutamat ved reaksjon mellom glutamat og acetyl-Co. A Reaksjonen katalyseres av N-acetylglutamat syntase • Dette enzymet er det første i reaksjonsveien som syntetiserer arginin fra glutamat • Resten av enzymene i denne reaksjonsveien finnes ikke i leveren, bare i andre vev med aminosyresyntese • Reaksjonen tjener derfor bare reguleringsformål

Nettoreaksjon for ureasyntese • 2 NH 4+ + HCO 3 - + 3 ATP + H 2 O => urea + 2 ADP + 4 Pi + AMP + 5 H + • Det koster altså 4 ATP • Fumarat kan kompensere dette noe. Omdannelse til oksaloacetat går via et oksidasjonstrinn og produserer en NADH. Når denne sender elektronene sine gjennom elektrontransportkjeden får vi dannet 2, 5 ATP • Nettokostnad for dannelse av urea er derfor nærmere 1, 5 ATP

NH 4+ er giftig • Det er viktig å bli kvitt NH 4+ på en kontrollert måte • NH 4+ er en svak syre, mens NH 3 er en relativt sterk base • Alkanisering anses å være en del av problemet, dette er spesielt farlig for hjernen • NH 3 menes også å forstyrre hjernens ATP produksjon og syntesen av nevrotransmittere • Assimilering av NH 4+ inn i biomolekyler katalyseres bl. a. av – glutamin syntetase som omdanner glutamat til glutamin. Dette enzymet har lav Km for NH 4+ og finnes i alle organismer