Aby mówić o dwudziestu aminokwasach składających się na struktury białkowe oraz o tych zmodyfikowanych, należałoby opisać co najmniej dwanaście wyspecjalizowanych szlaków metabolicznych.
Ale dlaczego komórki wykorzystują tak wiele szlaków metabolicznych, które wymagają energii (na przykład do regeneracji miejsc katalitycznych enzymów), każdy o dziedzictwie enzymatycznym, do katabolizowania aminokwasów? Z prawie wszystkich aminokwasów możliwe jest pozyskiwanie wyspecjalizowanymi szlakami metabolitów, które w niewielkim stopniu wykorzystywane są do produkcji energii (np. poprzez glukoneogenezę i szlak ciał ketonowych), ale przede wszystkim prowadzą do powstania kompleksu cząsteczki o dużej liczbie atomów węgla (np. z fenyloalaniny i tyrozyny w wyspecjalizowanych do tego celu nadnerczach wytwarzane są hormony); gdyby z jednej strony wytwarzanie energii z aminokwasów było proste, z drugiej skomplikowane byłoby budowanie złożonych molekuł zaczynając od małych molekuł: katabolizm aminokwasów pozwala im wykorzystać ich szkielet do uzyskania większych gatunków.
Dwa lub trzy hektogramy aminokwasów są codziennie degradowane przez zdrowego osobnika: 60-100 g pochodzi z białek wprowadzonych z dietą, a ponad 2 hektogramy z normalnego obrotu białek stanowiących integralną część organizmu ( aminokwasy tych białek, które są uszkadzane przez procesy redoks, są zastępowane innymi i katabolizowane).
Aminokwasy wnoszą wkład energetyczny w postaci ATP: po usunięciu grupy α-aminowej pozostały szkielet węglowy aminokwasów, po odpowiednich przekształceniach, może wejść w cykl Krebsa. Ponadto, gdy brakuje podaży składników odżywczych i zmniejsza się ilość glukozy, następuje aktywacja glukoneogenezy: mówi się, że aminokwasy glukoneogenetyczne to te, które po odpowiednich modyfikacjach można wprowadzić do glukoneogenezy; aminokwasy glukoneogenetyczne to takie, które można przekształcić w pirogronian lub fumaran (fumaran może zostać przekształcony w jabłczan, który opuszcza mitochondrium, a w cytoplazmie jest przekształcony w szczawiooctan, z którego można otrzymać pirogronian fosfoenolu).
Ten właśnie opisany jest bardzo ważnym aspektem, ponieważ aminokwasy mogą zaradzić niedoborowi cukru w przypadku natychmiastowego postu; jeśli post utrzymuje się, po dwóch dniach interweniuje metabolizm lipidów (ponieważ struktury białkowe nie mogą być zbytnio atakowane) to właśnie w tej fazie, ponieważ glukoneogeneza jest bardzo ograniczona, kwasy tłuszczowe są przekształcane w acetylokoenzym A i ciała ketonowe. Od dalszego postu mózg również przystosowuje się do używania ciał ketonowych.
Przeniesienie grupy α-aminowej z aminokwasów następuje poprzez reakcję transaminacji; enzymy, które katalizują tę reakcję, mówią w rzeczywistości, transaminazy (lub aminotransferaza). Enzymy te wykorzystują kofaktor enzymatyczny zwany fosforanem pirydoksalu, który interweniuje z jego grupą aldehydową. Fosforan pirydoksalu jest produktem fosforylacji pirydoksyny, która jest witaminą (B6) występującą głównie w warzywach.
Transaminazy mają następujące właściwości:
Wysoka specyficzność dla pary ketoglutaran-glutaminian α;
Ich nazwa pochodzi od drugiej pary.
Enzymy transaminaz zawsze obejmują parę α-ketoglutaran-glutaminian i są rozróżniane według drugiej zaangażowanej pary.
Przykłady:
L"transaminaza asparaginianowa czyli GOT (Glutamate-Ossal Octan Transaminaza): enzym przenosi grupę α-aminową z asparaginianu do α-ketoglutaranu, otrzymując szczawiooctan i glutaminian.
L"transaminaza alaninowa tj. GTP (transaminaza glutaminianowo-pirogronowa): enzym przenosi grupę α-aminową z „alaniny do” α-ketoglutaranu, otrzymując pirogronian i glutaminian.
Różne transaminazy wykorzystują α-ketogluran jako akceptor grupy aminowej aminokwasów i przekształcają ją w glutaminian, podczas gdy powstające aminokwasy są wykorzystywane w szlaku ciał ketonowych.
Ten rodzaj reakcji może zachodzić w obu kierunkach, ponieważ pękają i tworzą wiązania o tej samej zawartości energii.
Transaminazy znajdują się zarówno w cytoplazmie, jak iw mitochondrium (są głównie aktywne w cytoplazmie) i różnią się punktem izoelektrycznym.
Transaminazy są również zdolne do dekarboksylacji aminokwasów.
Będzie musiał istnieć sposób na przekształcenie glutaminianu z powrotem w α-ketoglutaran: odbywa się to poprzez deaminację.
Tam dehydrogenaza glutaminianowa jest enzymem zdolnym do przekształcania glutaminianu w α-ketoglutaran, a tym samym przekształcania grup aminowych aminokwasów występujących w postaci glutaminianu w amoniak. Zachodzi proces redoks, który przechodzi przez pośredni α-aminoglutaran: uwalniany jest amoniak i α-ketoglutaran, które wracają do obiegu.
Następnie usuwanie grup aminowych aminokwasów przebiega przez transaminazy (różne w zależności od podłoża) i dehydrogenazę glutaminianową, która warunkuje powstawanie amoniaku.
Istnieją dwa rodzaje dehydrogenazy glutaminianowej: cytoplazmatyczna i mitochondrialna; kofaktorem będącym jednocześnie kosubstratem tego enzymu jest NAD(P)+: dehydrogenaza glutaminianowa wykorzystuje NAD+ lub NADP+ jako akceptor mocy redukującej. Forma cytoplazmatyczna preferuje, choć nie wyłącznie, NADP+, podczas gdy forma mitochondrialna preferuje NAD+. Forma mitochondrialna ma na celu pozbycie się grup aminowych: prowadzi do powstania amoniaku (który jest substratem dla wyspecjalizowanego enzymu w mitochondriach) i NADH (który trafia do łańcucha oddechowego). Postać cytoplazmatyczna działa w przeciwnym kierunku, to znaczy wykorzystuje amoniak i α-ketoglutaran do wytworzenia glutaminianu (który ma przeznaczenie biosyntetyczne): ta reakcja jest biosyntezą redukcyjną, a stosowanym kofaktorem jest NADPH.
Dehydrogenaza glutaminianowa działa, gdy konieczne jest pozbycie się grup aminowych aminokwasów, takich jak amoniak (w moczu) lub gdy szkielety aminokwasów są potrzebne do produkcji energii: enzym ten będzie zatem miał jako modulatory ujemne układy, które są wskazówką dobrej dostępności energii (ATP, GTP i NAD(P)H) oraz jako modulatory dodatnie, systemy wskazujące na zapotrzebowanie na energię (AMP, ADP, GDP, NAD(P)+, aminokwasy i hormony tarczycy).
Aminokwasy (głównie leucyna) są dodatnimi modulatorami dehydrogenazy glutaminianowej: jeśli aminokwasy są obecne w cytoplazmie, można je wykorzystać do syntezy białek lub należy je zutylizować, ponieważ nie mogą się akumulować (to wyjaśnia, dlaczego aminokwasy są modulatorami dodatnimi ) .
Usuwanie amoniaku: cykl mocznikowy
Ryby pozbywają się amoniaku wprowadzając go do wody przez skrzela; ptaki przekształcają go w kwas moczowy (który jest produktem kondensacji) i eliminują go z kałem. Zobaczmy, co dzieje się u ludzi: powiedzieliśmy, że dehydrogenaza glutaminianowa przekształca glutaminian w α- ketoglutaran i amoniak, ale nie powiedzieliśmy, że występuje to tylko w mitochondriach wątroby.
Fundamentalną rolę w usuwaniu amoniaku poprzez cykl mocznikowy odgrywają transaminazy mitochondrialne.
Dwutlenek węgla w postaci jonu wodorowęglanowego (HCO3-) jest aktywowany przez kofaktor biotyny tworzący karboksybiotynę, która reaguje z amoniakiem dając kwas karbaminowy; następna reakcja wykorzystuje ATP do przeniesienia fosforanu na kwas karbaminowy tworząc fosforan karbamylu i ADP (przemiana ATP w ADP jest siłą napędową otrzymywania karboksybiotyny).Ta faza jest katalizowana przez syntetaza fosforanu karbamylu i występuje w mitochondrium. Substratami dla enzymu są fosforan karbamylu i ornityna trans karbamylaza ornityny który zamienia je w cytrulinę; ta reakcja zachodzi w mitochondriach (hepatocytach). Wytworzona cytrulina opuszcza mitochondrium i w cytoplazmie podlega „działaniu”syntetaza bursztynianu argininy: zachodzi fuzja między szkieletem węglowym cytruliny i asparaginianu poprzez atak nukleofilowy, a następnie eliminację wody. Enzym syntetazy bursztynianu argininy wymaga cząsteczki ATP, więc zachodzi energetyczne sprzężenie: hydroliza ATP do AMP i pirofosforanu (ten ostatni jest następnie przekształcany w dwie cząsteczki ortofosforanu) następuje poprzez wypchnięcie cząsteczki d "wody z substratu a nie przez działanie wody medium.
„Następnym enzymem jest”sukcynaza argininowa: enzym ten jest zdolny do rozbijania bursztynianu argininy na argininę i fumaran w cytoplazmie.
Cykl mocznikowy jest uzupełniany przez enzym arginaza: otrzymuje się mocznik i ornitynę; mocznik jest usuwany przez nerki (mocz), natomiast ornityna wraca do mitochondrium i wznawia cykl.
Cykl mocznikowy podlega pośredniej modulacji przez argininę: akumulacja argininy wskazuje, że cykl mocznikowy musi zostać przyspieszony; modulacja argininy jest pośrednia, ponieważ arginina pozytywnie moduluje enzym syntetazę acetyloglutaminianu. Ten ostatni jest zdolny do przeniesienia grupy acetylowej na azot glutaminianu: powstaje N-acetyloglutaminian, który jest bezpośrednim modulatorem enzymu syntetazy karbamylofosforowej.
Arginina kumuluje się jako metabolit cyklu mocznikowego, jeśli produkcja fosforanu karbamylu nie jest wystarczająca do usunięcia ornityny.
Mocznik jest produkowany tylko w wątrobie, ale są też inne miejsca, w których zachodzą początkowe reakcje.
Mózg i mięśnie stosują specjalne strategie eliminowania grup aminowych. Mózg wykorzystuje bardzo wydajną metodę, w której wykorzystuje się enzym syntetaza glutaminy i enzym glutamaza: pierwszy jest obecny w neuronach, a drugi w wątrobie. Ten mechanizm jest bardzo wydajny z dwóch powodów:
Dwie grupy aminowe są transportowane z mózgu do wątroby w jednym nośniku;
Glutamina jest znacznie mniej toksyczna niż glutaminian (glutaminian również przeprowadza transfer neuronalny i nie może przekraczać stężenia fizjologicznego).
U ryb podobny mechanizm doprowadza grupę aminową aminokwasów do skrzeli.
Z mięśnia (szkieletowego i sercowego) grupy aminowe docierają do wątroby poprzez cykl glukozowo-alaninowy; zaangażowanym enzymem jest transaminaza glutamino-pirogronianowa: umożliwia ona transpozycję grup aminowych (które występują w postaci glutaminianu), przekształcenie pirogronianu w alaninę i jednocześnie glutaminianu w α-ketoglutaran w mięśniu oraz katalizowanie odwrotny proces w wątrobie.
Transaminazy o różnych zadaniach lub pozycjach również mają różnice strukturalne i można je określić za pomocą elektroforezy (mają różne punkty izoelektryczne).
Obecność transaminaz we krwi może być objawem uszkodzenia wątroby lub serca (tj. uszkodzenia tkanki komórek wątroby lub serca); transaminazy są w bardzo wysokich stężeniach zarówno w wątrobie, jak iw sercu: poprzez elektroforezę można ustalić, czy uszkodzenie nastąpiło w komórkach wątroby czy serca.
