Metabolizam aminokiselina

SadrajMetabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod piruvat (serin, glicin, cistein, alanin) ................................. 2 Serin .................................................................................................................................................. 2 Glicin ................................................................................................................................................. 3 Cistein ............................................................................................................................................... 4 Alanin ................................................................................................................................................ 5 Metabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod -ketoglutarat (glutaminska kiselina, glutamin, prolin, arginin, histidin) ................................................................................................................................................. 5 Glutamat ........................................................................................................................................... 5 Glutamin ........................................................................................................................................... 5 Prolin ................................................................................................................................................. 6 Arginin............................................................................................................................................... 7 Histidin .............................................................................................................................................. 8 Metabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod oksaloacetat (asparaginska kiselina, asparagin) ............... 9 Aspartat ............................................................................................................................................ 9 Asparagin ........................................................................................................................................ 10 Metabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod sukcinil-CoA (metionin, treonin, valin) i sukcinil-CoA i acetil-CoA (izoleucin) ....................................................................................................................................... 10 Metionin.......................................................................................................................................... 10 Treonin ............................................................................................................................................ 11 Valin i izoleucin ............................................................................................................................... 11 Metabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod acetil-CoA i fumarat (fenilalanin i tirozin) i acetil-CoA i alanin (triptofan) ............................................................................................................................................. 12 Fenilalanin i tirozin.......................................................................................................................... 12 Triptofan ......................................................................................................................................... 14 Metabolizam ketogenih aminokiselina (leucin i lizin) ..................................................................................... 15 Leucin .............................................................................................................................................. 15 Lizin ................................................................................................................................................. 16 Katabolizam aminokiselina razgranatog lanca (valin, izoleucin, leucin) ......................................................... 16 Mesta ukljuivanja aminokiselina u ciklus trikarbonskih kiselina ................................................................... 17

w3x

1

Metabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod piruvat (serin, glicin, cistein, alanin)Iz glikolitikih intermedijera nastaju etiri aminokiseline: serin, glicin, cistein i alanin. Serin, koji predstavlja prekursor za glicin i cistein, sintetie se iz 3-fosfoglicerata, a alanin nastaje transaminacijom piruvata, produkta glikolize (slika 1). Razgradnjom ovih aminokiselina, njihovi atomi ugljenika se prevode u piruvat ili intermedijere glikolize ili glukoneogeneze i tako se mogu pretvoriti u glukozu ili se mogu oksidovati do CO 2.

Ilustracija 1. Aminokiseline koje nastaju iz glikolitikih intermedijera. Ove aminokiseline mogu biti sintetisane iz glukoze. Njihovi ugljenici mogu u jetri da se rekonvertuju u glukozu.

SerinSerin se u organizmu moe sintetisati iz: 1. 3-fosfoglicerata, to je glavni put; metilentetrahidrofolat. Serin, kao to je ved reeno, nastaje iz 3-fosfoglicerata. 3-fosfoglicerat se prvo oksiduje u 3fosfohidroksipiruvat, koji zatim u reakciji transaminacije sa glutamatom daje fosfoserin (slika 2). Fosfoserin se dejstvom fosfoserin fosfataze prevodi u serin. Glavna mesta sinteze serina su jetra i bubrezi.

2. glicina, pod katalitikim dejstvom hidroksimetiltransferaze, pri emu je donor C-atoma N5, N10-

Ilustracija 2. Glavni put sinteze serina iz glukoze predstavljen je sa leve strane, a razgradnje sa desne. Nivo serina se odrava jer serin prouzrokuje represiju sinteze 3-fosfoglicerat dehidrogenaze. Serin takoe inhibira fosfoserin fosfatazu.

w3x

2

Serin mogu koristiti mnoga tkiva i uglavnom se razgrauje transaminacijom do hidroksipiruvata, nakon ega slede redukcija i fosforilacija da bi se na kraju dobio intermedijer glikolize, 2-fosfoglicerat, koji zatim daje PEP i na kraju piruvat. Serin takoe moe uestvovati u -eliminaciji hidroksilne grupe, pri emu formira piruvat (reakcija je katalizovana serin dehidrogenazom). Regulatorni mehanizmi odravaju nivo serina u telu. Kada nivo serina padne, sinteza serina raste indukcijom 3-fosfoglicerat dehidrogenaze i otputanjem povratne inhibicije fosfoserin fosfataze, koju prouzrokuje visok nivo serina. Kada nivo serina raste, sinteza se smanjuje jer je sinteza dehidrogenaze smanjena, a fosfataza je inhibirana (slika 2). Putevi u metabolizmu serina: 1. 2. put prevoenja serina u glicin serin hidroksimetiltransferazom je glavni kataboliki put. Nastali glicin se u najvedoj meri razlae u mitohondrijama pod dejstvom multienzimskog kompleksa; deaminacija serina u piruvat je od manjeg znaaja pri normalnoj koncentraciji serina u jetri, ali pri povedanom unosu proteinske hrane dolazi do formiranja piruvata koji predstavlja supstrat za glukoneogenezu (serin je glikogena aminokiselina); dekarboksilacija serina je reakcija u kojoj nastaje holamin ijom metilacijom nastaje holin koji moe da se razlae preko betaina i sfingomijelina; serin moe reagovati sa homocisteinom pri emu nastaje cistationin ijom razgradnjom nastaje aminokiselina cistein.

3. 4.

GlicinGlicin u najvedoj meri nastaje iz serina, ali moe da se dobije i iz treonina. Glavni put prevoenja serina u glicin jeste reverzibilna reakcija za koju su neophodni piridoksal-fosfat i FH4 (slika 3). Uz nastanak glicina dolazi do 5 10 formiranja N , N -metilentetrahidrofolata. U sporednom putu graenja glicina dolazi do razgradnje treonina u reakciji koja lii na aldolaznu, jer treonin sadri hidroksilnu grupu koja se nalazi 2 ugljenika od karbonilne grupe. Prevoenje glicina u glioksalat pomodu oksidaze je put razgradnje glicina koji je medicinski znaajan. Kada se glioksalat jednom stvori, moe se oksidovati do oksalata koji se taloi u bubrenim tubulima, to vodi do stvaranja bubrenog kamena. Oko 40% stvorenih oksalata potie od metabolizma glicina u jetri. Oksalati iz hrane se slabo apsorbuju u GIT-u, pa tako nemaju znaajan uticaj na ekskreciju oksalata u urinu. Stvaranje energije iz glicina se odvija putem dehidrogenaznog kompleksa koji oksiduje glicin do ugljendioksida, amonijaka i ugljenika kog prihvata tetrahidrofolat. Ovaj kompleks se sastoji od etiri razliita proteina: P 5 10 protein (PLP-zavisna glicin dekarboksilaza), H protein (lipoamid aminometiltransferaza), T protein (N , N metilentetrahidrofolat sintetiudi enzim), L protein (NAD-zavisna flavoprotein dihidrolipoil-dehidrogenaza).

Ilustracija 3. Metabolizam glicina. Glicin moe da nastane iz serina (glavni put) i treonina. Za reakciju koja je katalisana 5 10 serinhidroksimetil-transferazom neophodno je prisustvo tetrahidrofolata, koji se pri tome prevodi u N , N metilentetrahidrofolat (reakcija je povratna, te u istoj reakciji serin moe nastati iz glicina). Glicin takoe gradi glioksalat, koji se prevodi u oksalat ili u CO2 i H2O.p

w3x

3

Glicin u organizmu ima veliki znaaj. Uestvuje u sintezi proteina (u velikoj je meri zastupljen u kolagenima) i sintezi niza organskih jedinjenja (kreatin, glutation, porfirin, purini, glikoholna kiselina, hipurna kiselina, serin).

CisteinAtomi ugljenika i azota koji se ugrauju u cistein potiu iz serina, a atom sumpora iz metionina (slika 4). U reakciji serina i homocisteina (koji nastaje iz metionina), koju katalizuje enzim cistationin -sintaza, nastaje cistationin. Cepanjem cistationina (enzim: cistationaza) nastaju cistein i -ketobutirat, koji formira sukcinil-CoA. Oba enzima, cistationin sintaza i cistationaza zahtevaju prisustvo PLP.

Ilustracija 4. Sinteza i razgradnja cisteina. Cistein se sintetie od atoma ugljenika i azota iz serina i atoma sumpora iz homocisteina koji nastaje iz metionina. Razgradnjom cisteina sumpor se prevodi u sulfat, koji se izluuje u urin ili prevodi u univerzalni donor sulfata, PAPS (3'-fosfoadenozin-5'-fosfosulfat). Ugljenini skelet cisteina prevodi se u piruvat.

Cistein inhibira cistationin -sintazu i na taj nain regulie sopstvenu sintezu kako bi se njegova koliina prilagodila koliini cisteina koja se obezbedi hranom. Za sintezu cisteina u organizmu sumpor se preuzima iz esencijalne aminokiseline metionina, pa i cistein postaje esencijalan kada nema dovoljne koliine metionina za njegovu sintezu. Nasuprot tome, odgovarajuda opskrbljenost cisteinom tedi metionin, odnosno umanjuje koliinu metionina koja mora endogeno da se razloi u cilju sinteze cisteina. Prevoenje metionina u homocistein i homocisteina u cistein ima glavnu ulogu u razgradnji ove dve aminokiseline. Ovo je jedini put razgradnje homocisteina, pa deficit vitamina B6 ili kongenitalni deficit cistationin sintaze dovodi do homocistinemije koja je u vezi sa kardiovaskularnim oboljenjima. Dakle, cistein je vrlo znaajan u sintezi cistina, to je posebno vano za formiranje sekundarne i tercijarne strukture proteina kao i za aktivnost tzv. tioenzima. Osim toga cistein slui za sintezu glutationa, koji sainjavaju jo i glutamat i glicin, to se odvija pomodu dva enzima: -glutamil-cistein sintetaze i glutation sintetaze. Takoe, cistein predstavlja prekursor taurina koji se ubraja u biogene amine. On se sintetie u raznim organima i ima razliite funkcije (konjugovanje une kiseline, emulgovanje masti, aktivacija pankreasne lipaze, reapsorpcija masnih kiselina i liposolubilnih proteina...).

w3x

4

AlaninAlanin u organizmu postoji u dva oblika: -alanin i -alanin. -alanin nastaje iz piruvata reakcijom transaminacije, koju katalizuje alanin-aminotransaminaza (ALT). Piruvat prima amino-grupu od glutamata, a reakcija je povratna. Ovaj oblik moe nastati i katabolizmom triptofana (slika 17). Katabolizam alanina se vri transaminacijom i deaminacijom. Na oba naina nastaje piruvat. -alanin nastaje dekarboksilacijom asparaginske kiseline (za ta je potreban PLP), ili katabolizmom pirimidinskih baza. Alanin je glavna aminokiselina glukoneogeneze jer se sintetie u mnogim tkivima za transport azota u jetru. Alanin u krvi uglavnom je poreklom iz miida.

Metabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod (glutaminska kiselina, glutamin, prolin, arginin , histidin)Glutamat

-ketoglutarat

Petougljenini skelet glutamata nastaje iz -ketoglutarata, u reakciji transaminacije ili uz katalitiko delovanje glutamat-dehidrogenaze. Poto -ketoglutarat nastaje iz glukoze, ovaj molekul je takoe prekursor glutamata (slika 20). Razgradnjom glutamata, on se prevodi u -ketoglutarat, bilo transaminacijom, ili dejstvom glutamat dehidrogenaze. U jetri, -ketoglutarat vodi formiranju malata, koji uestvuje u glukoneogenezi. Tako glutamat moe nastati iz glukoze i obrnuto (slika 5), pa je glutamat glikogena aminokiselina.

Ilustracija 5. Aminokiseline povezane sa glutamatom. Ove aminokiseline sadre ugljenini skelet koji se moe prevesti u glutamat, koji se u jetri moe prevesti u glukozu. Sve ove aminokiseline osim histidina (esencijalna aminokiselina!) mogu se resintetisati iz glukoze.

Glutamat se koristi za sintezu mnogih drugih aminokiselina (glutamina, prolina, ornitina i arginina) (slika 5) i predstavlja glutamilnu jedinicu glutationa (-glutamil-cisteinil-glicin). Glutation je vaan antioksidans. Takoe, glutamat ima znaajnu ulogu u sintezi N-acetil-glutamata (acetilacijom glutamata) i u formiranju -aminobuterne kiseline (GABA nastaje dekarboksilacijom glutamata). Neposredno posle ribozomalne sinteze postsintetskom modifikacijom produkata nastaje karboksiglutaminska kiselina. Karboksilacija ostataka glutamata vri se u preprotrombinu i drugim proteinima MEOSom koji zahteva prisustvo vitamina K, O2 i CO2.

GlutaminGlutamin nastaje iz glutamata u prisustvu enzima glutamin sintetaze, koja dodaje NH4 na karboksilnu grupu bonog niza, formirajudi na taj nain amid (slika 6). Naime, najpre dolazi do stvaranja kompleksnog jedinjenja (enzim2+ ATP-Mg ) koji reaguje sa glutamatom i prevodi ga u aktivirani oblik, -glutamil-fosfat. U slededoj reakciji ovo makroenergetsko jedinjenje reaguje sa amonijakom i nastaje glutamin. Sinteza se odvija u razliitim organima mozgu, bubrezima, miidima, jetri.+

w3x

5

Ilustracija 6. Sinteza i razgradnja glutamina. Razliiti enzimi kataliu adiciju i eliminaciju amidnog azota i glutamina.

Glutamin sintetaza je jedan od samo tri enzima kod ljudi koji moe fiksirati amonijak u organski molekul (druga dva su glutamat dehidrogenaza i karbamoil-fosfat sintetaza 1). Glutamin se ponovo prevodi u glutamat dejstvom drugog enzima, glutaminaze, koja je posebno znaajna u bubrezima. Amonijak koji nastaje odlazi u bubrege i + + ukljuuje se u proces acidobazne razvnotee (NH3 + H NH4 ). Sa druge strane, u jetri, amonijak koji se oslobaa glutaminaznom reakcijom koristi se za sintezu uree i/ili pirimidinskih baza. Glutamin i glutamat su najprisutnije aminokiseline u krvi. Dakle, glutamin ima veliki znaaj u detoksikaciji amonijaka, to je naroito bitno za CNS. Glutamin igra ulogu rezrervoara u perifernim tkivima, koji moe da se koristi za razliite reakcije, kao to su sinteza heksozamina, purina, + pirimidina ili NAD . Glutamin je izvor glutamata s obzirom da ove dve aminokiseline lako prelaze jedna u drugu to je posebno bitno u CNS, jer glutamin lake prolazi hematoencefalnu barijeru. Glutamin uestvuje i u detoksikaciji fenilacetata tako to se konjuguje sa njim, a potom izluuje urinom.

ProlinProlin se moe sintetisati iz glutaminske kiseline, kao i iz arginina i ornitina (arginin se prevodi u ornitin, a ornitin transaminacijom daje glutamat semialdehid koji dalje metabolie u prolin). Kada govorimo o sintezi prolina iz glutamata, prvo to se deava jeste fosforilacija glutamata, a zatim prevoenje u glutamat semialdehid redukcijom karboksilne grupe bonog niza do aldehida (slika 7). Ovaj semialdehid spontano prelazi u ciklini oblik (formira ifovu bazu izmeu aldehida i -amino grupe), ijom redukcijom nastaje prolin. Hidroksiprolin nastaje nakon to se prolin ugradi u polipeptidni lanac (u kolagenim i fibroznim vlaknima) 2+ pomodu prolil hidroksilaznog sistema, koji koristi molekulski kiseonik, Fe , -ketoglutarat i askorbinsku kiselinu (vitamin C). U reakciji hidroksilacije prolina -ketoglutarat se dekarboksilie u sukcinat koji u prisustvu CoA daje sukcinil-CoA. Katabolizam prolina se odvija tako to se prolin oksiduje (enzim: prolin oksidaza), a zatim na nastali proizvod deluje dehidrogenaza. Dobija se glutamat semialdehid, koji oksiduje u glutamat (dehidrogenaza). Dalja pria je poznata: procesom transaminacije glutamat daje -ketoglutarat koji se ukljuuje u Krebsov ciklus, pa je zbog toga prolin glikogena aminokiselina. Sinteza i razgradnja prolina su pod dejstvom razliitih enzima ali su intermedijeri isti. Hidroksiprolin ima potuno drugaiji put razgradnje. Prisustvo hidroksilne grupe hidroksiprolinu omogudava reakciju slinu aldolaznoj kada se prsten hidrolizuje, to nije sluaj sa prolinom.

w3x

6

Ilustracija 7. Sinteza i razgradnja prolina. Reakcije 1, 3, i 4 odvijaju se u mitohondijrama, a reakcija 2 u citosolu. Sinteza i razgradnja ukljuuju razliite enzime. Rakcija ciklizacije (formiranje ifove baze) nije enzimska, ved spontana.

ArgininMetabolizam arginina i ornitina veoma su povezani. Arginin se svrstava u esencijalne, a ornitin u neesencijalne aminokiseline, s tim to ornitin ne ulazi u sastav proteina. Uprkos tome to se oznaava kao esencijalna aminokiselina, arginin se u izvesnoj meri ipak stvara u organizmu ljudi (za razliku od ostalih esencijalnih aminokiselina), ali u vrlo malim koliinama. Povezanost moemo objasniti time to ornitin, intermedijer ciklusa uree, nastaje u reakciji transaminacije glutamat semialdehida (enzim: ornitin aminotransferaza ovaj enzim najaktivniji je u epitelnim delijama tankog creva) (slika 8). Arginin nastaje u narednim reakcijama ciklusa uree, i to iz argininosukcinata dejstvom enzima argininosukcinat liaze. Koliina koja nastane dovoljna je za odraslog oveka, ali nije dovoljna da podri rast organizma. Zato je tokom rasta arginin esencijalna aminokiselina.

Ilustracija 8. Sinteza i razgradnja arginina. Ugljenini skelet ornitina izvodi se iz glutamat semialdehida, koji se dobija iz glutamata. Ornitin se prevodi u arginin u ciklusu uree. Delovanjem arginaze arginin se prevodi nazad u ornitin uz oslobaanje uree.

w3x

7

Vano je napomenuti da se ciklus uree usporava ako se arginin koristi za biosintezu proteina (jer se smanjuje nivo ornitina), to dalje stimulie graenje ornitina iz glutamata (negativna povratna sprega). Arginin se razlae na ureu i ornitin uz katalitiko delovanje arginaze. Ako ornitina ima vie nego to je potrebno za ciklus uree, dolazi do njegove transaminacije u glutamat semialdehid, koji se potom redukuje u glutamat. Prevoenje aldehida u primarni amin je jedinstvena reakcija transaminacije i zahteva PLP. Arginin je bazna aminokiselina u velikoj meri zastupljena u proteinima, naroito u protaminima i histonima (bazni proteini). Znaaj arginina je, kao to je pomenuto, to to predstavlja izvor ornitina u ciklusu uree. On uestvuje u sintezi kreatina, kao i u sintezi azot-monoksida (pod dejstvom NO-sintetaze, dolazi do cepanja arginina na azotmonoksid i citrulin). S obzirom na uticaj na sintezu ornitina, arginin uestvuje i u sintezi poliamina (spermin i spermidin), prolina, hidroksiprolina, glutamata i citrulina. Ornitin je intermedijer u ciklusu sinteze uree. Dekarboksilacijom ornitina dobija se putrescin (prekursor poliamina), a transaminacijom sa -ketoglutaratom dobija se glutamat semialdehid, koji daje glutamat, koji moe predi u -ketoglutarat, intermedijer TCA. Zbog toga su arginin i ornitin glikogene aminokiseline.

HistidinHistidin pripada esencijalnim aminokiselinama, te njegova sinteza nije moguda u organizmu ljudi. Meutim, razgradnjom njegovog petougljeninog skeleta moe se dobiti glutaminska kiselina. Prvo se vri deaminacija histidina + histidazom, pri emu se dobija urokanat, a oslobaa NH 4 . Imidazolon propionaza hidrolitiki raskida imidazolov prsten 5 + i nastaje N -formiminoglutamat (FIGLU). Zatim dolazi do prenosa formimino grupe na FH4, a otputaju se NH4 i glutamat (slika 9). Glutamat transaminacijom daje -ketoglutarat, koji je intermedijer TCA, pa se histidin ubraja u glikogene kiseline.

Ilustracija 9. Razgradnja histidina. Obeleeni delovi histidina formiraju glutamat. Ostatak molekula daje ugljenik + tetrahidrofolatnom pool-u, a NH4 se otputa.

Sporedni metaboliki putevi obuhvataju transaminaciju histidina u imidazol-piruvat ijom redukcijom nastaje imidazol-laktat, a oksidativnom dekarboksilacijom imidazol-acetat. Osim toga, histidin dekarboksilacijom daje histamin.

w3x

8

Histidin ima ulogu u izgradnji proteina, u formiranju karnozina i anserina u miidima, kao i u nastanku histamina. Histamin je tkivni hormon koji se iz delija oslobaa pri alergijskim upalnim procesima zbog degranulacije mastocita i bazofila koji sadre histidin u svojim granulama. Deluje vazodilatatorno i povedava permeabilnost krvnih sudova, zbog ega dovodi do pojave edema i pada krvnog pritiska. Histaminaze razgrauju histamin oksidativnom deaminacijom. Krajnji proizvod ove reakcije je imidazol-acetat koji se izluuje urinom. Delom se histamin inaktivira nakon prevoenja u N-metilhistamin, koji se nakon oksidacije i dehidrogenacije prevodi u N-metilimidazol-acetat.

Metabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod oksal oacetat (asparaginska kiselina, asparagin)AspartatTransaminacijom oksaloacetata (donor atoma azota je glutamin) nastaje aspartat. Reakcija je reverzibilna, tako da aspartat moe ponovo da se prevede u oksaloacetat (slika 10), koji moe da se ukljui u TCA, pa je aspartat glikogena kiselina.

Ilustracija 10. Sinteza i razgradnja aspartata i asparagina. Potrebno je uoiti da je amidni azot asparagina poreklom iz glutamina + (amidni azot glutamina potie od NH4 ).

Iako glavni put razgradnje aspartata podrazumeva njegovo prevoenje u oksaloacetat, ugljenini skelet aspartata moe graditi fumarat u ciklusu uree. Reakcijom se sintetie citosolni fumarat koji se mora prevesti u malat (dejstvom citoplazmatske fumaraze) da bi se ponovo transportovao u mitohondrije. Razgradnja se takoe odigrava i u metabolizmu purinskih nukleotida. Aspartat reaguje sa inozin-monofosfatom i formira intermedijer (adenilosukcinat), ijim se cepanjem formiraju adenozin-monofosfat i fumarat. Metaboliki putevi aspartata ukljuuju: 1. 2. 3. 4. 5. dekarboksilaciju, kojom nastaje -alanin koji ulazi u sastav pantotenske kiseline, CoA i karnozina i anserina; sintezu uree (pod dejstvom enzima argininosukcinat sintetaze citrulin i aspartat grade argininosukcinat, koji se dalje razlae na asparagin i fumarat); sintezu pirimidinskih baza; sintezu purinskih baza; sintezu asparagina.

w3x

9

AsparaginAsparagin nastaje iz aspartata (slika 10). Atom azota amidne grupe asparagina potie od glutamina. Za razliku + od ove reakcije, pri sintezi glutamina iz glutamata atom azota obezbeuje amonijum-jon (NH4 ). Meutim, reakcija hidrolize asparagina u aspartat, uz oslobaanje amonijum jona, koju katalizuje asparaginaza, analogna je reakciji katalizovanoj glutaminazom.

Metabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod sukcinil -CoA (metionin, treonin, valin) i sukcinil-CoA i acetil-CoA (izoleucin)Esencijalne aminokiseline metionin, treonin, valin i izoleucin razgradnjom daju propionil-CoA. Ono to je zajedniko katabolizmu ovih aminokiselina je prevoenje propionil-CoA u sukcinil-CoA. Propionil-CoA takoe nastaje oksidacijom masnih kiselina sa neparnim brojem C-atoma. Propionil-CoA se karboksilie u reakciji za koju je neophodan biotin i gradi D-metilmalonil-CoA, koji se racemizuje i daje L-metilmalonil-CoA, koji predstavlja supstrat za reakciju u kojoj nastaje sukcinil-CoA, intermedijer TCA. Za odvijanje reakcije neophodan je vitamin B12.

MetioninPut razlaganja metionina je identian biosintezi cisteina (slika 4). Metionin se prevodi u S-adenozilmetionin (SAM), koji predaje metil-grupu drugim jedinjenjima i tako prelazi u S-adenozilhomocistein (SAH), a on u homocistein (slika 11). Regeneracija metionina iz homocisteina je moguda u prisustvu FH4 i vitamina B12. Alternativnim putem se iz homocisteina u prisustvu PLP obezbeuje sumpor koji se ugrauje u cistein (slika 4). Pri tome se ugljenini skelet homocisteina metabolie do -ketobutirata, koji se oksidativnom dekarboksilacijom prevodi u propionil-CoA, a on dalje u sukcinil-CoA (slika 11).

Ilustracija 11. Prevoenje aminokiselina u sukcinil-CoA. Aminokiseline Met, Thr, Ile i Val su esencijalne aminokiseline koje se u organizmu prevode u sukcinil-CoA preko metilmanoli-CoA. Ugljenini skelet serina prevodi se u cistein i ne transformie se u sukcinil Co-A na ovaj nain.

Metionin u organizmu ima viestruki znaaj. Uestvuje u: sintezi proteina, transmetilacionim reakcijama Metionin slui kao donor metil grupe koja se moe preneti na neki akceptor, u enzimski katalisanim reakcijama (metiltransferaze). To je znaajno za sintezu mnogih jedinjenja (adrenalin, kreatin, anserin, sarkozin, betain, karnitin, holin, poliamini...). Svoju ulogu metionin ostvaruje zahvaljujui metil-grupi vezanoj za sumpor. U ovim reakcijama

w3x

10

koristi se aktivna grupa koja se dobija adenilacijom metionina pomodu ATPa. Aktivni metionin koji tom prilikom nastaje je S-adenozilmetionin. Metil-grupa aktivnog metionina moe lako da se prenosi na akceptor jer poseduje visokoenergetski prenosni potencijal. Odvajanjem metil grupe, SAM prelazi u SAH. sintezi cisteina i cistina Sinteza cisteina predstavlja glavni put u metabolizmu metionina. Metionin je glikogena aminokiselina.

TreoninU organizmu oveka, treonin se prvenstveno razgrauje procesom deaminacije PLP-zavisnom dehidratazom do amonijaka i -ketobutirata, koji zatim podlee oksidativnoj dekarboksilaciji i prevodi se u propionil-CoA, kao to je sluaj kod metionina (slika 11). Propionil-CoA se zatim karboksilie, da bi se dobio metilmalonil-CoA ijom izomerizacijom nastaje sukcinil-CoA. Propionil-CoA iz -ketobutirata moe da nastane i preko -ketobutirat dehidrogenaznog kompleksa. Razgradnja se moe vriti i raskidanjem veze izmeu i C-atoma u molekulu treonina aldolazom (PLPzavisan enzim). Tada se ovom reakcijom dobijaju glicin i acetaldehid. Na taj nain treonin moe da poslui za sintezu serina iz glicina, dok acetaldehid oksidacijom daje acetat koji prelazi u acetil-CoA.

Valin i izoleucinOve aminokiseline poseduju razgranat ugljovodnini lanac koji u organizmu ne moe da se sintetie pa se ubrajaju u esencijalne aminokiseline. Ravaste aminokiseline (valin, izoleucin, leucin) su univerzalne hranljive materije. One se u manjoj meri razgrauju u mitohondrijama svih tkiva, dok se najvedi deo oksiduje u miidima. Ravaste aminokiseline ine do 25% sadraja prosenog proteina, zbog ega predstavljaju veoma znaajne hranljive materije. Razgradnja valina i izoleucina znaajna je iz dva razloga: na ovaj nain se oslobaa energija i obezbeuju se prekursori za dopunu intermedijera ciklusa limunske kiseline (anapleroza). Iz ugljeninog skeleta ovih aminokiselina nastaje sukcinil-CoA. Razlaganje ovih aminokiselina zapoinje transaminacijom. Aktivnost enzima koji katalizuje reakciju varira izmeu razliitih tkiva, ali najveda aktivnost zapaena je u miidima. Nastala -ketokiselina zatim podlee oksidativnoj dekarboksilaciji uz katalitiko delovanje kompleksa dehidrogenaze -ketokiseline i u prisustvu kofaktora. Kao to je sluaj i sa prvim enzimom, najvia aktivnost enzimskog kompleksa je zapaena u miidnom tkivu. Posle ove faze, aminokiseline se razlau paralelnim putevima (slika 12) u reakcijama analognim -oksidaciji masnih kiselina. Pri tome nastaju NADH i FAD(2H), koji se dalje ukljuuju u metabolike procese za koje je neophodna energija.

Ilustracija 12. Razgradnja ravastih aminokiselina. Valin se prevodi u propionil-CoA (glikogena AK), izoleucin u propionil-CoA i acetil-CoA (glikogena i ketogena AK), a leucin u acetoacetat i acetil-CoA (ketogena AK).

w3x

11

Metabolizam aminokiselina iji je krajnji proizvod acetil -CoA i fumarat (fenilalanin i tirozin) i acetil-CoA i alanin (triptofan)Sedam aminokiselina dovodi do nastanka acetil-CoA ili acetoacetata pa se svrstavaju u ketogene aminokiseline. Od ovih, izoleucin, treonin, i aromatine aminokiseline (fenilalanin, tirozin i triptofan) prevode se u jedinjenja od kojih nastaju i glukoza i acetil-CoA ili acetocetat (slika 13). Leucin i lizin ne dovode do stvaranja glukoze, pa predstavljaju ketogene aminokiseline.

Ilustracija 13. Ketogene aminokiseline. Neke od ovih aminokiselina (Trp, Phe, Tyr) su i ketogene i glikogene. Leu i Lys su striktno ketogene.

Fenilalanin i tirozinFenilalanin i tirozin su aromatine aminokiseline srodne po hemijskoj strukturi. Njihov metabolizam je usko povezan. Fenilalanin je esencijalna aminokiselina, dok se tirozin moe sintetisati u organizmu iz fenilalanina, pa pripada grupi fakultativno esencijalnih aminokiselina. Najvedim delom fenilalanin se razgrauje procesom hidroksilacije ime se prevodi u tirozin. Manjim delom metabolie se transaminacijom u fenil-piruvat iz koga nastaje fenil-laktat i oksidativnom dekarboksilacijom kada nastaje fenil-acetat (slika 16). Fenilalanin se hidroksiluje oksidazom sa viestrukim funkcijama (fenilalanin-hidroksilaza) (slika 14). Za ovu reakciju neophodno je i prisustvo kofaktora, HB4 kao donora vodonika (slika 15). Reakcija se odvija u prisustvu 2+ molekularnog kiseonika i jona Fe . Kada se fenilalanin prevede u tirozin, dolazi do oksidativnog razlaganja, a kao proizvodi nastaju fumarat i acetoacetat. Nedostatak enzima ukljuenih u razlaganje ovih aminokiselina dovodi do fenilketonurije, tirozinemije i alkaptonurije. Da bi se reakcija odvijala neophodan je molekulski kiseonik i HB 4 (tetrahidrobiopterin) kao kofaktor koji se prevodi u BH2 (kvininoid-dihidrobiopterin) (slika 15). HB4 se u organizmu sintetie iz GTP-a. Kao to je sluaj i sa drugim kofaktorima, u telu se nalaze ograniene koliine, tako da BH 2 mora biti preveden u HB4 kako bi se nastavila produkcija + tirozina. To se vri dejstvom dihidrobiopterin reduktaze uz pomod NADH+H . Dalji metabolizam tirozina (pa tako i fenilalanina) podrazumeva transaminaciju u p-hidroksifenilpiruvat (enzim: tirozin aminotransferaza), a zatim preko homogentizata (enzim: homogentizat oksidaza zahteva molekularni 2+ kiseonik, Cu , vitamin C raskida benzenov prsten; fumarilacetoacetat hidrolaza) razgradnja ide do fumarata i acetoacetata. Dakle, fenilalanin i tirozin su i glikogene i ketogene aminokiseline.

w3x

12

Ilustracija 14. Razgradnja fenilalanina i tirozina. Od karboksilnog ugljenika nastaje CO 2, a od ostalih ugljenika fumarat i acetoacetat. Nedostatak enzima (sivi pravougaonik) dovodi do navedenih bolesti (PKU = fenilketonurija).

Ilustracija 15. Hidroksilacija fenilalanina. Fenilalanin-hidroksilaza je oksidaza sa viestrukim funkcijama, odnosno katalizuje reakciju u kojoj se jedan atom iz molekula kiseonika ugrauje u vodu, a drugi u proizvod, tirozin. Kofaktor BH 4 nastaje iz GTP i u ovom procesu se oksiduje u BH2 Da bi se nastavila sinteza tirozina iz fenilalanina, HB2 se mora redukovati nazad u BH4.

w3x

13

Dalji metabolizam tirozina (pa tako i fenilalanina) podrazumeva transaminaciju u p-hidroksifenilpiruvat (enzim: tirozin aminotransferaza), a zatim preko homogentizata (enzim: homogentizat oksidaza zahteva molekularni 2+ kiseonik, Cu , vitamin C raskida benzenov prsten; fumarilacetoacetat hidrolaza) razgradnja ide do fumarata i acetoacetata. Dakle, fenilalanin i tirozin su i glikogene i ketogene aminokiseline. Metaboliki putevi tirozina u organizmu ukljuuju: 1. 2. dekarboksilaciju, kojom nastaje tiramin, biogeni amin sa vazokonstriktornim dejstvom, dakle: povedava i krvni pritisak; 2+ oksidaciju dejstvom tirozinaze (fenol oksidaza, zahteva prisustvo Cu , O2) do dihidroksifenilalanina (DOPA), ijom daljom oksidacijom nastaje dopahinon. Posle niza reakcija dolazi do zatvaranja indol prstena i formira se dopahrom, ijom dekarboksilacijom nastaje indolhinon. Dopahrom i indolhinon polimerizuju i daju razliite melanine, ija boja zavisi od molekulske mase (nia masa crvena boja, veda masa crno-braon boja (eumelanin)). Melanin titi od UV zraenja i od slobodnih radikala. jodinaciju tirozinskih rezidua pod dejstvom tirozin jodinaze, to omogudava stvaranje 3monojodtirozina i 3, 5-dijodtirozina od kojih nastaju hormoni titaste lezde: trijodtironin i tetrajodtironin (tiroksin). hidroksilaciju dejstvom tirozin hidroksilaze, pri emu nastaje DOPA i ijom dekarboksilacijom nastaje 2+ dopamin. Dopamin -hidroksilaza (neophodno prisustvo Cu i vitamina C) prevodi dopamin u noradrenalin iz koga metilacijom uz uede SAM nastaje adrenalin.

3.

4.

Kateholamini se metaboliu katehol-O-metiltransferazom (COMT) i monoaminooksidazom (MAO) i nastaju metilisani i deaminisani metaboliti, koji se dalje metaboliu do 3-metoksi-4-hidroksimandeline kiseline i homovanilinske kiseline.

Ilustracija 16. Manjim delom metabolie se transaminacijom u fenil-piruvat iz koga nastaje fenil-laktat i oksidativnom dekarboksilacijom kada nastaje fenil-acetat.

TriptofanTriptofan je esencijalna aminokiselina. Unosi se u organizam putem hrane, mada su potrebe za njim relativno male. Glavni put razgradnje triptofana je kinurenin-antranilni put (slika 17), koji je vaan i za sintezu nikotinamida. Najpre dolazi do otvaranja petolanog, indolovog, prstena (enzim: triptofan oksigenaza inducibilan enzim, indukuju 2+ ga kortikosteroidi, insulin, glukagon kao i sam triptofan, a u svom sastavu sadri Fe ). Nastaje N-formil-kinurein, koji se hidrolitiki razlae na kinurenin i formijat. Katabolizam zatim ide u slededem smeru: kinurenin u sporednom putu zatvara prsten i prelazi u ksantureinsku kiselinu, dok u glavnom putu hidroksilie u 3-hidroksikinurenin; 3-hidroksikinurenin u sporednom putu daje ksantureinsku kiselinu, dok se u glavnom putu cepa na alanin i 3-hidroksiantrilnu kiselinu delovanjem kinureninaze (neophodan vitamin B6);

w3x

14

3-hidroksiantrilna kiselina se nakon cepanja prstena prevodi u nestabilno jedinjenje 2-amino-3-karboksi semialdehid koje dalje ima dvostruku sudbinu: 1. glavni put: dekarboksilacija i ciklizacija u pikolinsku kiselinu, koja se izluuje urinom u obliku konjugata sa glicinom, ili se semialdehid dalje metabolie do glutiril-CoA koji se metabolie do acetoacetata, koji se zatim pretvara u acetil-CoA. Usled ovoga triptofan je ketogena aminokiselina, ali zbog odavanja alanina spada i u glikogene aminokiseline. 2. sporedni put: izdvaja se voda i stvara se kinolska kiselina koja reaguje sa PRPP (enzim: kinolinatfosforiboziltransferaza) pri emu nastaje mononukleotid nikotinske kiseline. Mononukleotid se fosforilie ATP-om i nastaje deamido-NAD, koji se amidira glutaminom u NAD. NADP nastaje u kinaznoj reakciji od NAD i ATP kao supstrata.

Vaan put u metabolizmu triptofana, sinteza serotonina, odvija se u dve faze: 1. 2. hidroksilacija triptofana pod dejstvom triptofan hidroksilaze, nakon ega nastaje 5-hidroksitriptofan (proces ukljuuje molekularni kiseonik i prisustvo HB4); dekarboksilacija 5-hidroksitriptofana pod dejstvom 5-hidroksitriptofan dekarboksilaze (B6), pri emu dolazi do formiranja serotonina.

Serotonin je vaan tkivni hormon koji izaziva vazokonstrikciju, povedava tonus glatke muskulature creva, a u CNS-u ima funkciju stimulativnog neurotransmitera. Dalje metabolisanje serotonina ide oksidativnom deaminacijom pomodu monoaminooksidaza (MAO) u 5-hidroksiindolacetat koji se izluuje urinom. Normalno samo 1% triptofana prelazi u serotonin. Acilovanjem serotonina uz pomod acetil-CoA u N-acetil-serotonin, a zatim metilovanjem uz pomod SAM, nastaje melatonin. Melatonin inhibira hipofizealnu sekreciju gonadotropina i ACTH. Dekarboksilacijom triptofana nastaje triptamin, ijom oksidativnom dekarboksilacijom nastaje indolacetat.

Ilustracija 17. Razgradnja triptofana. Jedan od atoma ugljenika prstena formira formijat. Alifatini deo triptofana gradi alanin. Kinurenin je intermedijer, koji se moe prevesti u veliki broj proizvoda koji se ekskretuju urinom (npr. ksanturenska kiselina). On se razgrauje na CO2 i acetil-CoA ili se prevodi u nikotinamidni ostatak NAD ili NADP, koji takoe moe nastati iz vitamina niacina.

Metabolizam ketogenih aminokiselina (leucin i lizin)LeucinLeucin zajedno sa izoleucinom i valinom predstavlja esencijalnu aminokiselinu sa razgranatim ugljovodoninim nizom, a ova grupa aminokiselina je velikim delom ukljuena u opti metabolizam (energetski metabolizam, metabolizam proteina, integracija sa metabolizmom ugljenih hidrata).

w3x

15

Leucin je jedina striktno ketogena aminokiselina. Njegova razgradnja ide u smeru razgradnje na acetoacetat i acetil-CoA (slika 12).

LizinLizin je takoe esencijalna aminokiselina, baznog je karaktera sa relativno sporim metabolizmom, tako da se njena razgradnja vri kada se on nalazi u vedim koncentracijama. Katabolizam lizina vri se preko semialdehida -aminoadipinske kiseline, koji nastaje na dva naina: 1. reduktivni put: lizin se kondenzuje sa -ketoglutaratom u saharopin (enzim: saharopin dehidrogenaza). Isti enzim vri i dehidrogenaciju i hidrolizu saharopina pri emu se izdvaja glutamat i semialdehid -aminoadipinske kiseline. oksidativnom deaminacijom lizina u -poloaju (enzim: lizin dehidrogenaza) nastaje keto grupa koja zatvara prsten i nastaje dihidropipekolina kiselina, ijom redukcijom nastaje semialdehid aminoadipinske kiseline.

2.

Sledi transaminacija i nastaje -ketoadipinska kiselina, koja u slededoj reakciji oksidativne dekarboksilacije prelazi u glutaril-CoA. On se oksiduje u glutakonil-CoA, a njegovom dekarboksilacijom nastaje krotonil-CoA, a zatim + hidroksibutiril-CoA, ijom dehidrogenacijom nastaje acetoacetat (koenzim reakcije je NAD ), koji ulazi u metabolizam lipida. Ostali metaboliki putevi lizina: 1. 2. 3. dekarboksilacija lizina, kojom nastaje kadaverin, toksian amin koji se u vedoj meri stvara pri trulenim procesima. sinteza proteina lizina ima najvie u kolagenima i elastinima, a hidroksilirani oblik (hidroksilizin) se nalazi u sastavu glukoproteida. tri uzastopne metilacije lizin prevode u trimetil lizin, koji se zatim hidroksilie, a potom sledi cepanje na glicin i -butirobetain aldehid koji se oksiduje u -butirobetain. Nakon toga se -butirobetain oksiduje u odgovarajudu kiselinu koja se hidroksilie uz uede -ketoglutarata u karnitin (enzim: 2+ butirobetainhidroksilaza neophodan Fe i vitamin C). Karnitin ima ulogu u transportu dugolananih masnih kiselina kroz unutranju membranu mitohondrija (npr. karnitin palmitoiltransferaza).

Dakle, leucin i lizin ne dovode do stvaranja glukoze, pa predstavljaju ketogene aminokiseline.

Katabolizam aminokiselina razgranatog lanca ( valin, izoleucin, leucin)Ove aminokiseline poseduju razgranat ugljovodnini lanac koji u organizmu ne moe da se sintetie pa se ubrajaju u esencijalne aminokiseline. Ravaste aminokiseline (valin, izoleucin, leucin) su univerzalne hranljive materije. One se u manjoj meri razgrauju u mitohondrijama svih tkiva, dok se najvedi deo oksiduje u miidima. Ravaste aminokiseline ine do 25% sadraja prosenog proteina, zbog ega predstavljaju veoma znaajne hranljive materije. Razgradnja valina i izoleucina znaajna je iz dva razloga: na ovaj nain se oslobaa energija i obezbeuju prekursori za dopunu intermedijera ciklusa limunske kiseline (anapleroza). Iz ugljeninog skeleta ovih aminokiselina nastaje sukcinil-CoA. Treda aminokiselina ravastog niza, leucin, ne razlae se na sukcinil-CoA. Ona je striktno ketogena i proizvodi njene razgradnje su acetoacetat i acetil-CoA. Nedostatak dehidrogenaze -ketokiseline koja katalizuje oksidativnu dekarboksilaciju ravastih aminokiselina izaziva bolest sa simptomom mirisa urina na javorov sirup. Usled toga dolazi do nagomilavanja ovih aminokiselina i njihovih -ketoanaloga nastalih transaminacijom. Oni se pojavljuju u urinu, dajudi mu karakteristian miris na javorov sirup ili nagoreli eder. Nagomilavanje -ketokiselina izaziva neuroloke komplikacije. Ova bolest nastaje zbog poremedenog metabolizma tri esencijalne aminokiseline, pa se teko tretira dijetetskom redukcijom. Katabolizam ovih aminokiselina je veoma slian zbog samih slinosti u strukturi. Transaminacija jednom istom aminotransferazom daje odgovarajude -ketokiseline, a njihovom daljom oksidativnom dekarboksilacijom nastaju odgovarajudi acil-CoA. Aminotransferaza je u vidu multienzimskog kompleksa, koji je slian PDH kompleksu, a za + aktivnost su mu neophodni NAD , CoA, tiaminpirofosfat. Acil-CoA se dalje oksiduju dehidrogenazama (flavoproteini) u odgovarajude , nezasidene acil-CoA, koji imaju metabolike puteve do konanih proizvoda, a to su: 1. propionil-CoA iz valina; 2. propionil-CoA i acetil-CoA iz izoleucina; 3. acetoacetat i acetil-CoA iz leucina.

w3x

16

Ilustracija 18. Razgradnja ravastih aminokiselina. Valin se prevodi u propionil-CoA (glikogena AK), izoleucin u propionil-CoA i acetil-CoA (glikogena i ketogena AK), a leucin u acetoacetat i acetil-CoA (ketogena AK).

Mesta ukljuivanja aminokiselina u ciklus trikarbonskih kiselinaU toku biosinteze neesencijalnih aminokiselina, azotna komponenta (NH 2-grupa) se dobija transaminacijom sa odreenom aminokiselinom (najede je to glutamat) ili prihvatanjem amonijaka (koga opet moe da prenosi glutamin). Ugljovodonini skelet se dobija od glukoze i to: od intermedijera glikolize (serin, glicin, alanin, cistein) (slika 19); od intermedijera ciklusa trikarboksilnih kiselina (ostale neesencijalne aminokiseline);

Ilustracija 19. Aminokiseline koje nastaju iz glikolitikih intermedijera. Ove aminokiseline mogu biti sintetisane iz glukoze. Njihovi ugljenici mogu u jetri da se rekonvertuju u glukozu.

Interakcije sa ovim metabolikim putevima su reverzibilne, to znai da se u toku razgradnje dobijaju pomenuti intermedijeri koji mogu da uu u glikolitiki put ili TCA. Naravno, tu postoje i neke esencijalne aminokiseline koje katabolizmom daju metabolite koji se koriste za druge puteve (Phe, Trp, Thr, Ile, Leu i Lys), a iji metaboliti su acetil-CoA (za sintezu masnih kiselina) ili ketonska tela.

w3x

17

Ilustracija 20. Aminokiseline ijim razlaganjem nastaju piruvat ili intermedijeri ciklusa limunske kiseline. Ovo su glikogene aminokiseline, jer iz njih moe da se sintetie glukoza u jetri. Iz grupe fumaratnih aminokiselina nastaje citoplazmatski fumarat.

Tabela 1. Podela aminokiselina

Glukogene aminokiseline Alanin Arginin Asparagin Aspartat Cistein Glutamat Glutamin Glicin Prolin Serin Histidin Metionin Treonin Valin

Glukogene i ketogene aminokiseline Tirozin

Ketogene aminokiseline

Neesencijalne

Esencijalne

Izoleucin Fenilalanin Triptofan

Lizin Leucin

w3x

18