Stoffwechsel von Aminogruppen Katja Arndt 30 10 2006

Stoffwechsel von Aminogruppen Katja Arndt, 30. 10. 2006

Aminosäure-Metabolismus Nahrungsproteine Aminosäure-Pool andere N-haltige Substanzen Proteine, Enzyme Kohlenstoff-Skelett Acteyl-Co. A NH 4+ Pyruvat, Intermediate des Citrat-Cyclus ATP-Produktion oder Harnstoff Glukose K. Arndt, 10/2006

Stoffwechsel der Aminogruppen periphere Organe Glutamin Leber Umbau Niere Abbau Harnstoff K. Arndt, 10/2006

Warum Aminostoffwechsel ? • Aminosäuren wichtig für Protein-Biosynthese. • Zellen können Amino-Gruppe nicht vollständig zu N 2 oxidieren. • Primäres Abbauprodukt ist Ammoniak (= NH 3) – toxisch! • Umwandlung in nicht-toxisches, gut wasserlösliches Molekül: Harnstoff K. Arndt, 10/2006

Entsorgung des Stickstoffs • Transaminierung : Übertragung der Amino-Gruppe auf anderes Molekül. • Desaminierung : Abspaltung der Amino-Gruppe, Bildung von Ammoniak, Umbau zu Harnstoff. • Decarboxylierung : Abspaltung der Carboxyl-Gruppe resultiert in Biogenen Aminen, z. B. Histamin, GABA(mengenmäßig unbedeutend). Coenzym: Pyridoxalphosphat (PLP, PALP) (aus Vit. B 6: Pyridoxal) K. Arndt, 10/2006

Die wichtigsten Moleküle beim Aminostoffwechsel COO− | H 3 N+ — C α — H | R 1 α-Aminosäure COO− | O = Cα | R 1 α-Ketosäure COO− | H 3 N+ — C α — H | CH 3 Alanin COO− | O = Cα | CH 3 Pyruvat α-Ketopropionsäure Brenztraubensäure COO− | H 3 N+ — C α — H | CH 2 | COO− Aspartat COO− | H 3 N+ — C α — H | CH 2 | COO− Glutamat COO− | O = Cα | CH 2 | COO− Oxalacetat COO− | O = Cα | CH 2 | COO− α-Ketoglutarat α-Ketobernsteinsäure COO− | H 3 N+ — C α — H | CH 2 | H 2 N — C = O Glutamin K. Arndt, 10/2006

Transaminierung: Überblick COO− | H 3 N+ — C α — H | R 1 COO− | O = Cα | R 2 α-Aminosäure 1 α-Ketosäure 2 Transaminase (PALP) COO− | O = Cα | R 1 α-Ketosäure 1 COO− | H 3 N+ — C α — H | R 2 α-Aminosäure 2 K. Arndt, 10/2006

Transaminierung: Überblick COO− | H 3 N+ — C α — H | R 1 α-Aminosäure 1 COO− | O = Cα | CH 2 | COO− Transaminase (PALP) α-Ketoglutarat COO− | O = Cα | R 1 α-Ketosäure 1 COO− | H 3 N+ — C α — H | CH 2 | COO− Glutamat COO− | O = Cα | CH 2 | COO− Oxalacetat COO− | H 3 N+ — C α — H | CH 2 | COO− Aspartat K. Arndt, 10/2006

Mechanismus der Transaminierung – Teil 1 Schiffsche Base (Aldimin, C=N) aus PALP und Aminosäure Einlagerung Aminosäure PALP (Pyridoxalphosphat) Abspaltung α-Ketosäure PAMP (Pyridoxaminphosphat) K. Arndt, 10/2006

Mechanismus der Transaminierung – Teil 2 PALP (Pyridoxalphosphat) Abspaltung Aminosäure PAMP (Pyridoxaminphosphat) Einlagerung α-Ketosäure Schiffsche Base (Aldimin, C=N) aus PALP und Aminosäure K. Arndt, 10/2006

Für die Klinik wichtige Aminotransferasen • Aspartat-Aminotransferase (AST, ASAT) Aspartat/Glutamat-Aminotransferase alter Name: Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT, SGOT) COO − | O = Cα | CH 2 | COO − | H 3 N+ — Cα — H | CH 2 | COO − Aspartat-Aminotransferase COO − | O = Cα | CH 2 | COO − Oxalacetat α-Ketoglutarat COO − | + H 3 N — Cα — H | CH 2 | COO − Glutamat Enzym der Leber (Mitochondrien), gelangt bei Leberschädigung in Blutplasma. K. Arndt, 10/2006

Für die Klinik wichtige Aminotransferasen • Alanin-Aminotransferase (ALT, ALAT) Alanin/Glutamat-Aminotransferase alter Name: Glutamat-Pyruvat-Transaminase (GPT, SGPT) COO − | O = Cα | CH 2 | COO − H 3 N+ | — Cα — H | CH 3 Alanin-Aminotransferase COO − | O = Cα | CH 3 Pyruvat α-Ketoglutarat COO − | + H 3 N — Cα — H | CH 2 | COO − Glutamat Enzym der Leber (Zytoplasma), gelangt bei Leberschädigung in Blutplasma. K. Arndt, 10/2006

Bedeutung in der Diagnostik K. Arndt, 10/2006

Bedeutung in der Diagnostik K. Arndt, 10/2006

Glukose-Alanin-Zyklus • Energieversorgung des Muskels. • Abtransport von NH 4+ aus dem Muskel zur Leber. K. Arndt, 10/2006

Desaminierung • Entfernung der Aminogruppe, Bildung von Ammoniak. • Bis auf GLDH sind alle Desaminierungen irreversibel. • Oxidative Desaminierung – Aminogruppe oxidiert, dann hydrolysiert zu α-Ketosäure – Elektronen auf NAD+ oder NADP+ übertragen • Hydrolytisch Desaminierung – Abspaltung der Säureamidgruppe (Gln, Asn) • Eliminierende Desaminierung – Eliminierung von NH 3 und Ausbildung einer Doppelbindung – seltene Reaktion K. Arndt, 10/2006

Oxidative Desaminierung COO − | H 3 N+ — Cα — H | CH 2 | COO − NAD(P)+ NAD(P)H + H+ Glutamat. Dehydrogenase (Gl. DH) COO − | O = Cα | CH 2 | COO − α-Ketoglutarat COO − | H 2 N+ = Cα | CH 2 | COO − α-Iminoglutarat (Schiffsche Base) H 2 O NH 4+ Trans-Deaminierung: Combination von Transaminase mit Glutamat-Dehydrogenase Enzym der Leber (nur Mitochondrien), gelangt bei Leberschädigung in Blutplasma. K. Arndt, 10/2006

Hydrolytische Desaminierung COO− | — Cα — H | CH 2 | H 2 N — C = O H 3 N+ N für Purin- und Pyrimidinbiosynthese Niere: NH 4+ zur Kontrolle des Urin p. H Nerven: Inaktivierung des Neurotransmitters Glutamat Muskel: Substrat für Gluconeogenese in Leber H 2 O Glutaminase (aktiviert durch Pi) COO− | H 2 N — Cα — H | CH 2 | − O — C = O Glutamat Glutamin. Synthetase ATP → ADP + Pi NH 4+ Leber: Harnstoffsynthese Niere: Sekretion Glutamin → Glutamat Asparagin → Aspartat K. Arndt, 10/2006

Decarboxylierung • Entstehung biogener Amine. • Pyridoxalphosphat (PALP) als Coenzym. • fast alle Aminosäuren CO 2 COO − | + H 3 N — Cα — H | R Aminosäure. Decarboxylase (PALP) α-Aminosäure H | + H 3 N — Cα — H | R biogenes Amin z. B. . • Histidin → Histamin (Mastzellen) • Glutamat → GABA (Glutamat γ-Aminobutyrat) (Rückenmark) • Phenylalanin, Tyrosin → → → Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin • Tryptophan → → Serotonin (Gewebehormon, ZNS) → Melatonin (Epiphyse) • Cystein → → Taurin (Leber, Gallensäure) • Serin → Ethanolamin (Membranbaustein) → Cholin → Acetylcholin (NS) • Lysin → Kadaverin K. Arndt, 10/2006

Stoffwechsel der Aminogruppen Peripherie NH 3 versch. AS Glutamat Glutamin Leber Glutamin NH 3 Niere COO− | H 3 N+ — C α — H | CH 2 | H 2 N — C = O Glutamin Glutamat α-Ketoglutarat NH 3 Harnstoff K. Arndt, 10/2006

Mitochondrium HCO 3− Carbamoylphosphat. Synthetase O || H 2 N—C~ P Carbamoyl. Phosphat Cytosol α-Ketoglutarat, 2[H] NH 4+ Glutamat 2 ATP 2 ADP+Pi Ornithin. Carbamoyl. Transferase P NH 2 | C=O | CH 2—NH | CH 2 | H—C—NH 3+ | COO− Citrullin CH 2—NH 3+ | CH 2 | H—C—NH 3+ | COO− Ornithin Arginase H 2 N—C—NH 2 || O Harnstoff Glutamat ATP AMP+PPi COO− | H 3 N+—Cα—H | CH 2 | COO− Aspartat Arginiosuccinat. Synthase NH 2+ COO− || | C—HN—CH | | CH 2—NH CH 2 | | CH 2 COO− | CH 2 | H—C—NH 3+ | COO− NH 2+ Argininosuccinat || C—NH 2 | CH 2—NH Arginiosuccinat| Lyase CH 2 | CH 2 H—C—COO− | || H—C—NH 3+ − H—C—COO | COO− Fumarat Arginin K. Arndt, 10/2006

Mitochondrium HCO 3− Carbamoylphosphat. Synthetase O || H 2 N—C~ P Carbamoyl. Phosphat Cytosol α-Ketoglutarat, 2[H] NH 4+ Glutamat 2 ATP 2 ADP+Pi Ornithin. Carbamoyl. Transferase P NH 2 | C=O | CH 2—NH | CH 2 | H—C—NH 3+ | COO− ATP AMP+PPi Harnstoffcyclus Ornithin Arginase Song: OE Kabarett, Charité H 2 N—C—NH 2 || O Harnstoff Aspartat Arginiosuccinat. Synthase Citrullin CH 2—NH 3+ | CH 2 | H—C—NH 3+ | COO− | H 3 N+—Cα—H | CH 2 | COO− NH 2+ COO− || | C—HN—CH | | CH 2—NH CH 2 | | CH 2 COO− | CH 2 | H—C—NH 3+ | COO− NH 2+ Argininosuccinat || C—NH 2 | CH 2—NH Arginiosuccinat| Lyase CH 2 | CH 2 H—C—COO− | || H—C—NH 3+ − H—C—COO | COO− Fumarat Arginin K. Arndt, 10/2006

Literatur Bücher: • Löffler, Petrides: Biochemie & Pathobiochemie, Springer Verlag, 7. Auflage, 2003. • Horn, et al. : Biochemie des Menschen, Thieme Verlag, 3. Auflage, 2005. • Doenecke, Koolman, Fuchs, Gerok: Karlsons. Biochemie und Pathobiochemie, Thieme Verlag, 15. Auflage, 2005. • Berg, Tymoczko, Stryer: Biochemistry, W. H. Freeman & Co bzw. Spektrum Verlag, 5. Auflage, 2002/2003. (http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/books oder http: //bcs. whfreeman. com/biochem 5/ ). www. molbiotech. uni-freiburg. de/ka/lehre/dat/Stoffwechsel_Aminogruppen. ppt K. Arndt, 10/2006