Katabolismus duskatch ltek Josef Trgl Duskat ltky Dusk

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 • Aminosacharidy – buněčné stěny (bakterie - peptidoglykan, houby - chitin), hyaluronová kyselina, glykoproteiny…

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

5 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, Co. A serotonin 5 -hydroxytryptofan hormón, přenos vzruchů

6 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 • • • Obvykle nespecifické – štěpení většiny peptidových vazeb – • aminopeptidázy – z N konce karboxypeptidázy – z C konce specifické proteázy – aktivace konkrétních enzymů (př. enterokinasa odštěpuje hexapeptid z trypsinogenu trypsin), srážení krve 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 1. 2. 3. 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 B 6) pyridoxin (pyridoxol) pyridoxalfosfát

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 Aldolové štěpení Dekarboxylace racemizace

Metabolismus aminokyselin • Prvním krokem katabolismu je deaminace = odstranění aminoskupiny transaminace = přenos aminokyseliny na oxokyselinu • NH 3+-CH(R 1)-COO- + O=C(R 2)-COO- O=C(R 1)-COO- + NH 3+-CH(R 2)-COO– enzymy aminotransferázy (transaminázy) – nejčastější příjemce 2 -oxoglutarát (citr. cyklus) glutamát • oxidační deaminace – enzymy aminooxidázy NH 3+-CH(R)-COO- + NAD+ + H 2 O O=C(R)-COO- + NH 4+ + NADH – ptáci, savci, účast FMN – přímá redukce kyslíkem NH 3+-CH(R)-COO- + FMN O=C(R)-COO- + NH 4+ + FMNH 2 + O 2 FMN + H 2 O 2 H 2 O + O 2 (kataláza)

Metabolismus NH 4+ • 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

2 1 Močovinový cyklus • Močovinový cyklus – cyklická sekvence reakcí vedoucí ke vzniku močoviny z CO 2 a NH 4+ – detoxikace amoniaku na neškodnou odpadní formu NH 4+ + NH 3 + CO 2 H 2 N-CO-NH 2 + 2 H 2 O • 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 NH 4+ na glutamát glutamin)

2 2 Močovinový cyklus NH 2 O + NH 4+ + ATP ↔O kys. glutamová • Enzym glutaminsyntetáza • Transport do jater OH NH 2 glutamin +ADP + Pi

2 3 Močovinový cyklus 1. Syntéza karbamoylfosfátu H 2 N C PO 4 NH 4+ + CO 2 + 2 ATP ADP + Pi + O karbamoylfosfát • Enzym karbamoylfosfátsynthasa (amoniak) • V matrix jaterních mitochondrií – dostatek CO 2 i ATP • Amoniak uvolněn převážně z glutaminu 2 -

2 4 Močovinový cyklus 2. Syntéza citrulinu + karbamoylfosfát ornithin HN O Pi + COOH NH 2 citrulin • Enzym ornithinkarbamoylfosfáttransferáza (citrulinfosforyláza) • Následuje transport do cytoplazmy

2 5 Močovinový cyklus 3. Syntéza argininosukcinátu (vstup druhé aminoskupiny) H 2 N + COOH + ATP COOH HN citrulin aspartát HN NH 2 HN COOH argininosukcinát + AMP + PPi • Enzym argininosukcinátsynthetáza

2 6 Močovinový cyklus 4. Štěpení argininosukcinátu + argininosukcinát • Enzym argininosukcynátlyáza arginin fumarát

2 7 Močovinový cyklus 5. Štěpení argininu + H 2 O arginin + ornithin močovina • Enzym argináza • Ornithin se vrací do matrix a uzavírá cyklus od bodu 2

2 8 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

2 9 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 (C 3) nebo metabolit na pyruvát převoditelný • • – • • • výchozí pro syntézu glukózy Ketogenní aminokyseliny – vzniká acetylkoenzym A (C 2), nemůže být u živočichů použit pro syntézu glukózy, ale jen mastných kyselin Řada aminokyselin dává glukogenní i ketogenní produkt Pyruvát může být přeměněn na Ac. SCo. A

Odbourávání C-řetězců aminokyselin Vznikající meziprodukt Glukogenní pyruvát 2 -oxoglutarát oxalacetát fumarát sukcinyl-Co. A Ketogenní acetyl-Co. A acetoacetát Aminokyselina Ser, Ala, Cys, Gly, Thr, Met, Trp Glu, Gln, Arg, Pro, His Asp, Asn Phe, Tyr, Asp Val, Ile, Met, Thr Leu, Phe, Tyr, Lys, Trp 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 O 2 Využití ostatních metabolických drah – – b-oxidace obrácení některých syntézních dějů (syntéza izoprenoidů)

Katabolismus nukleových kyselin

Katabolismus nukleových kyselin nukleosid NH 2 N nukleotid O O P O- N O O P O H N báze O O- N H H OH

Katabolismus 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 CO 2, NH 3, 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

Štěpení dusíkatých bází kyselina močová glyoxylát allantoin