Stoffwechsel von Proteinen und Aminosäuren

Stoffwechsel von Proteinen
und Aminosäuren
Löffler/Petrides/Heinrich:
Biochemie und Pathobiochemie, 8. Auflage (2007)
S. 56-59, 69-79, 314-323, 427-476, 644-646
www.lehrbuch-medizin.de
Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie, 7. Auflage (2003)
S. 46-100, 294-299, 461-517, 1096-1097
Übersicht
1. Proteine, Aminosäuren (AS)
2. Extrazelluläre Proteinverdauung
3. Proteolyse-Mechanismen
4. Resorption
5. Intrazellulärer Proteinabbau
6. Aminosäureabbau A: Aminostickstoff
6.1 Schlüsselreaktionen
6.2 Pyridoxalphosphat
6.3 Aminosäuretransport
6.4 Harnstoffzyklus
7. Aminosäureabbau B: Kohlenstoffgerüste
7.1 Schlüsselreaktionen
7.2 Coenzyme
7.3 Aminosäuren und C1-Stoffwechsel
8. AS-Stoffwechsel unter besonderen Bedingungen
Proteine
• hochmolekulare Naturstoffe
• Grundelemente: Aminosäuren,
kettenartig verknüpft
• enthalten z.T. Nicht-EiweißAnteile:
Kohlenhydrate,
Lipide,
Mineralstoffe
• in pflanzlichen und tierischen
Lebensmitteln
• als Energiequelle:
untergeordnete Bedeutung
Aminosäuren (AS)
• aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H),
Sauerstoff (O) und Stickstoff (N)
• Grundbausteine der Proteine:
20 (+1) proteinogene L-αAminosäuren bilden die
Proteinsequenz (=Primärstruktur)
Struktur der Aminosäure-Seitenketten I
Aminosäuren mit hydrophober Seitenkette
(Ile)
Struktur der Aminosäure-Seitenketten II
Aminosäuren mit polarer, ungeladener Seitenkette
__
NH2
Struktur der Aminosäure-Seitenketten III
Aminosäuren mit geladener Seitenkette
positiv geladen = basisch
negativ geladen = sauer
Aminosäuren werden in Gruppen synthetisiert
Histidin
• Kohlenstoff-Skelett stammt aus
Kohlenhydrat-Stoffwechsel
• Biosynthesen nichtessentieller
AS: höchstens 3 Enzyme
Serin-Familie
Aromaten(Shikimisäure-)
Familie
PyruvatFamilie
Citratcyclus
AspartatFamilie
GlutamatFamilie
• essentielle(*) AS nur in Pflanzen
und Mikroorganismen gebildet
• in der tierischen Zelle fehlen 3
Schlüsselenzyme zur Bildung
dieser AS (Energieeinsparung)
Essentielle und nichtessentielle Aminosäuren
Struktur
Azidität
Essentiell
nicht- und bedingt essentiell
aliphatisch
neutral
Valin (Val, V)
Leucin (Leu, L)
Isoleucin (Ile, I)
Threonin (Thr, T)
Methionin (Met, M)
Glycin (Gly, G)
Alanin (Ala, A)
Serin (Ser, S)
Cystein (Cys, C)
Asparagin (Asn, N)
Glutamin (Gln, Q)
aliphatisch
sauer
Asparaginsäure (Asp, D)
Glutaminsäure (Glu, E)
aliphatisch
basisch
Lysin (Lys, K)
Arginin (Arg, R)
aromatisch
neutral
Phenylalanin (Phe, F)
Tyrosin (Tyr, Y)
heterozyklisch neutral
Tryptophan (Trp, W)
Prolin (Pro, P)
heterozyklisch basisch
Histidin (His, H)
Essentielle Aminosäuren im Stoffwechsel
• 1. Abbauschritt (Entfernung der Aminogruppe)
ist oft reversibel
= α-Ketosäuren können diese AS ersetzen
(Transaminierung)
nicht bei Lysin (Lys), Threonin (Thr)
• Histidin: kann aus Erythrozyten und Muskulatur
mobilisiert werden
• Tyrosin (Tyr) und Cystein (Cys): bedingt essentiell
= werden aus essentiellen AS synthetisiert
• Arginin (Arg) kann essentiell werden (z.B. in
Wachstum, Schwangerschaft)
Nichtessentielle Aminosäuren
• einfach gebaute Seitenkette
• Biosynthese und Abbau:
gleiche Zwischenprodukte, aber
unterschiedliche Enzyme (außer Transaminierung)
= individuelle Regulation von Auf- und Abbau
• höchste Konzentration im Blut:
Blut Glutamin (Gln) und
Alanin (Ala)
• hohe intrazelluläre Konzentration: Glycin (Gly), Alanin
(Ala), Aspartat (Asp), Glutamat (Glu) und Glutamin
(Gln)
Nicht-kanonische proteinogene AS
können – bei entsprechendem Signal - ebenfalls
während der Translation eingebaut werden
Selenocystein (A), Pyrrolysin (B), N-Formylmethionin (C)
z.B. in
GlutathionPeroxidase
Nicht proteinogene AS und AS-Derivate
• α-, ß- oder γ-ständige Aminogruppe(n)
• Derivate der (proteinogenen) AS enstehen meist
durch Decarboxylierung Æ biogene Amine
• Intermediate in Stoffwechselwegen
• Bestandteile von Coenzymen
• Signalüberträger
Ornithin,
Ornithin,Citrullin
Citrullin
ß-Alanin
ß-Alanin
γ-Aminobuttersäure
γ-Aminobuttersäure(GABA)
(GABA)
Taurin
Taurin(Aminoethylsulfonsäure)
(Aminoethylsulfonsäure)
4-Hydroxy-Prolin,
4-Hydroxy-Prolin,5-Hydroxy-Lysin
5-Hydroxy-Lysin
γ-Carboxy-Glutamat
γ-Carboxy-Glutamat
Harnstoffzyklus
Harnstoffzyklus
Coenzym
CoenzymA-Vorstufe
A-Vorstufe
Neurotransmitter
Neurotransmitter
Gallensäure-Konjugation
Gallensäure-Konjugation
im
imKollagen
Kollagen
Ca-bindende
Ca-bindendeProteine
Proteine
(Gerinnungsfaktoren)
(Gerinnungsfaktoren)
Peptidbindung = Säureamid-Bindung
Mechanismus:
Eigenschaften:
Dehydratation
energieaufwändig
planar
starr
mesomeriestabilisiert
(partielle Doppelbindung)
Polypeptide – Proteine I
Sekundärstrukturen
antiparallel
α-Helix
parallel
ß-Faltblatt
= Anordnungen
der Polypeptidkette
mit der maximalen Zahl an
Wasserstoffbrückenbindungen
Polypeptide – Proteine II
Tertiärstruktur =
Quartärstruktur =
Sekundärstrukturelemente
in räumlicher Anordnung
Untereinheiten bilden
Funktionseinheit
z.B. Ribonuclease A
z.B. Hämoglobin
Kräfte: Wasserstoffbrücken,
Disulfidbrücken (-S-S-),
van der Waals-Kräfte (hydrophobe Wechselwirkungen, Aromaten)
Proteinumsatz
Synthese und
Abbau = turnover
Deutschland:
~70 kg schwere Person:
100 g Zufuhr
300 - 400 g Umsatz an
Körperprotein
pro Tag
Proteinverdauung
Aufschluss der Nahrungseiweiße EXTRAZELLULÄR durch
Proteasen (Proteinasen, Peptidasen) des Verdauungstraktes
in Magen,
Duodenum:
im Dünndarm:
Proteasen:
Proteasen:gehören
gehörenzur
zurEnzymklasse
Enzymklasseder
derHydrolasen:
Hydrolasen:
S-S‘
S-S‘++HH2200Æ
ÆS-OH
S-OH++H-S‘
H-S‘
‚Fließband‘ Verdauungstrakt
Beleg-/Parietalzellen: pH-Wert ~ 2
Hauptzellen: Pepsinogen Æ Pepsin
Azinuszellen: Zymogengranula
liefert inaktive Proenzyme der Endound Carboxypeptidasen
Bürstensaum enthält membranständige Enteropeptidase und
Aminopeptidasen Æ
proteolytische Aktivierung der Exo- und
Endopeptidasen (pH > 8)
Enterozyten: Aufnahme von
Aminosäuren (35 %), Di- und
Tripeptiden (65 %)
Pfortader (Vena portae)
Leber: Aminosäurepool
Proteolyse im Verdauungstrakt
wo?
Enzym
Vorstufe
Aktivierung
durch
pH
Typ
Optimum
Magen
Pepsin
~ogen
Pepsin, sr. pH
1.5 - 2.5
Pankreas,
Duodenum
(Duo)
Trypsin
~ogen
7.5 - 8.5
Chymotrypsin
~ogen
Enteropeptidase, Trypsin
Elastase
Pro~
Trypsin
Carboxypeptidase A
Pro~
Carboxypeptidase B
Pro~
Aminopeptidase
Pro~
Duo am Aminopeptidase
Bürsten Enteropeptidase
epithel
intestin. Aminopeptidase
Mukosa Di-, Tripeptidase
Endopeptidase
C-terminale
Exopeptidase
N-terminale
Exopeptidase
Endopeptidase
N-term. Exopep.
Pepsine spalten ca.
15 % der
Nahrungsproteine
•
•
im Magen: HCl-Konzentration
bis 0.1 mol/l Æ pH = 1
HCl-Sekretion stimuliert durch
Gastrin (Peptidhormon)
•
Säuredenaturierung der
Nahrungsproteine
•
Mucine (Glycoproteine):
Schleimschicht Æ pH-Gradient;
bei Fehlen: Gastritis, Magenund Duodenal-Ulcus
Pepsine sind saure Proteasen
Pepsin:
Pepsin:SÄURE-BASEN-KATALYSE:
SÄURE-BASEN-KATALYSE:
•• Asp
Aspprotoniert
protoniertÆ
Ænucleophiler
nucleophilerAngriff
Angriffauf
aufCarbonyl-C
Carbonyl-Cdes
desPeptids
Peptids
•• 2x
2xProtonentransfer
Protonentransfer
•• Spaltung
Spaltungder
derPeptidbindung
Peptidbindung
Magen ohne Pepsine?
Rennin
Rennin(Chymosin,
(Chymosin,Lab):
Lab):
im
imMagen
Magenin
inden
denersten
erstenMonaten
Monatennach
nach
Geburt
Geburt(statt
(stattPepsin)
Pepsin)
Autoaktivierung
Autoaktivierung(pH
(pH3-5)
3-5)
löst
löstMilchgerinnung
Milchgerinnungaus:
aus:
Schutzkolloid
Schutzkolloidder
derMilch
Milch(kappa-Casein)
(kappa-Casein)
wird
wirdproteolytisch
proteolytischgespalten
gespalten
Pepsin-Wein (z.B. von Schering) bei agastrischem
Syndrom (Achylie, psychisch-nervöse Hemmung der
Magensaftsekretion)
Wie geht es nach dem Magen weiter?
Trypsin
Chymotrypsin
Exopeptidasen
Zymogenaktivierung im Duodenum
limitierte
Proteolyse
Trypsin und Chymotrypsin: Serinproteasen
katalytische
Triade
Chymotrypsin:
Chymotrypsin:KOVALENTE
KOVALENTEKATALYSE
KATALYSE++SÄURE-BASEN-KATALYSE
SÄURE-BASEN-KATALYSE
(a)
(a)Wasserstoff
Wasserstoffvon
vonSer
Sernach
nachHis
His
(b)
(b)nucleophiler
nucleophilerAngriff
Angriffauf
aufCarbonyl-C
Carbonyl-Cdes
desPhe
Phe
+
Æ
ÆHH+Transfer
Transferauf
aufAmid-N
Amid-N
Æ
Æ(c)
(c)Spaltung
Spaltungder
derPeptidbindung;
Peptidbindung;Wasseranlagerung
Wasseranlagerungspaltet
spaltetAcylbindung
Acylbindung
Carboxypeptidase A: Metalloprotease
METALL-KATALYSE:
METALL-KATALYSE:
•• Zn-Ion
Zn-Ionist
istan
an22His
His(oder
(oder
Arg)
Arg)und
und11Glu
Glukomplexiert
komplexiert
•• Zn
Znpolarisiert
polarisiertCarbonylCarbonylgruppe
gruppe
•• nucleophiler
nucleophilerAngriff
Angriffeines
eines
Hydroxylions
Hydroxylions
•• Spaltung
Spaltungder
derPeptidPeptidbindung
bindung
Resorption in den Enterozyten
Peptidtransporter
• Di-, Tri, evtl. Tetrapeptide
werden schneller als AS
resorbiert
• H+-Symport (Protonengradient,
Na/K-ATPase-gekoppelt)
• Carrierprotein ist stereospezifisch
• nimmt auch Antibiotika auf
Neugeborene
Neugeborenekönnen
könnenintakte
intakteProteine
Proteinedurch
durchPinozytose
Pinozytoseinindie
die
Enterozyten
Enterozytenaufnehmen,
aufnehmen,da
da
••nur
nurwenig
wenigProteasen
Proteasenim
imVerdauungskanal
Verdauungskanal
••Kolostrum
Kolostrumenthält
enthältProteaseinhibitoren
Proteaseinhibitoren
••funktionelle
funktionelleIg‘s
Ig‘saus
ausder
derMuttermilch
Muttermilchzusätzlich
zusätzlichzu
zuplacentaren
placentaren
Aminosäuretransportsysteme
• sekundär aktive Aufnahme,
gegen Konzentrationsgefälle
• mittels Na+-Symport (wie
Glucoseaufnahme)
• Bürstensaum (Darmepithel und
Nierentubulus):
L-Aminosäuren-spezifische
Carrierproteine für
verschiedene Gruppen von AS:
neutrale
verzweigtkettige + aromatische,
basische
saure Aminosäuren
Defekte der Proteinverdauung und Resorption
• exkokrine Pankreasinsuffizienz bei Parenchymverlust oder
Sekretfluss-Störungen
• Atrophie / Epitheldefekte der Dünndarmzotten:
Oligo- und Polypeptide resorbiert Æ Allergien
z.B. Sprue:
Sprue verminderte Peptidspaltung an/in Mukosazellen
Proteine gelangen in tiefere Darmabschnitte Æ bakterieller
Abbau Æ (neuro-)toxische Amine, z.B.:
Lysin
Lysin
Tyrosin
Tyrosin
Histidin
Histidin
Tryptophan
Tryptophan
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Cadaverin
Cadaverin
Tyramin
Tyramin
Histamin
Histamin
Indol
Indol++Scathol
Scathol(Methylindol)
(Methylindol)
Pfortader (Vena portae)
Leber: Entgiftung
Defekte einzelner Enzyme / Carrierproteine
• hereditäre Defekte proteolytischer Enzyme
z.B. Trypsinogen, Enteropeptidase
Æ Therapie: orale Zufuhr
• Gendefekte von Aminosäuretransportern, z.B.:
Hartnup-Krankheit:
Hartnup-Krankheit:
•• Aufnahmestörung
Aufnahmestörungneutraler
neutralerAS
AS
(Trp)
(Trp)ininDarm
Darmund
undNiere
Niere
•• autosomal
autosomalrezessiv,
rezessiv,~~1:15.000
1:15.000
•• Serotoninmangel,
Serotoninmangel,Pellagra
Pellagraund
und
Indolvergiftung
Indolvergiftung
Cystinose:
Cystinose:
•• verminderte
verminderteAbgabe
Abgabevon
vonCystin
Cystinaus
aus
Lysosomen
Lysosomen
•• autosomal
autosomalrezessiv,
rezessiv,1:50.000
1:50.000
•• Cystingehalt
CystingehaltininRetina,
Retina,Niere
Nierestark
stark
erhöht
erhöht
•• Rachitis,
Rachitis,Anämie,
Anämie,Niereninsuffizienz
Niereninsuffizienz
•• tubuläres
tubuläresFanconi-Syndrom
Fanconi-Syndrom
Sekundäre Aminosäuretransport-Störungen
• angeborene oder erworbene Primärschäden, z.B. im
Zuckerstoffwechsel, Anämien, Rachitis,
Schwermetallvergiftungen, Vitamin- oder Mineralmangel
generalisierte
generalisierterenale
renaleHyperaminoazidurie
Hyperaminoazidurie
• Hyperaminoacidurie in Verbindung mit Glykosurie,
Phosphaturie und evtl. Hyperurikämie
==tubuläres
-SYNDROM:
SYNDROM
tubuläresFANCONI
FANCONI-SYNDROM:
verminderte
verminderteReabsorption
Reabsorptionvon
vonGlucose,
Glucose,Aminosäuren,
Aminosäuren,
Phosphat,
Phosphat,Harnsäure,
Harnsäure,Bicarbonat
Bicarbonat
Intrazelluläre Proteolyse
Wege der intrazellulären Proteolyse
Limitierte Proteolyse Æ Signalübertragung:
Prohormon-Konvertasen
Caspasen Æ Apoptose
Protein-Abbau:
• vorwiegend in Proteasomen bzw. Lysosomen
• Calpaine – cytosolische Serinproteasen:
Ca++-abhängig, Umsatz von Muskelprotein
• fehlerhafte (entfaltete) ER-Proteine:
Retransport ins Cytosol, proteosomaler Abbau
(ER-Stress ÅÆ UPR = unfolded protein response)
• mTOR = Sensor des intrazelluären AS-Status‘
beschleunigter
bei
beschleunigterProteinabbau
Proteinabbaubei
Stress,
Stress,Hitze,
Hitze,kataboler
katabolerStoffwechsellage
Stoffwechsellage
gefördert
gefördert durch
durchGlucagon,
Glucagon,Adrenalin,
Adrenalin,Glucocorticoide
Glucocorticoide
und
und↓↓[Insulin]
[Insulin]
Die Protein-Müllabfuhr: Das Proteasom
• im Cytoplasma, auch im Kern
• Multienzymkomplex, Endoprotease
• 30.000 / Zelle
• ATP-abhängiger
Abbau fehlgefalteter
ATP
und geschädigter Proteine
• diese Proteine sind meist durch
Ubiquitin markiert
Produkte:
Produkte:Dekapeptide
Dekapeptide
Æu.a.
Æu.a.zur
zurBeladung
Beladungvon
von
Peptid-Rezeptoren
Peptid-Rezeptoren(MHC-I)
(MHC-I)
Æ
ÆTransport
Transportan
andie
dieZelloberfläche
Zelloberfläche
(immunologische
(immunologische SELBST-Erkennung)
SELBST-Erkennung)
• weiterer cytosol. Abbau: Aminopeptidasen
Ubiquitinierung
Ubiquitin (Ub):
(Ub)
Protein, 76 AS
konserviert
E1 = Ubiquitinaktivierendes Enzym
Bindung
des
Ubiquitins:
Thioesterbindung
E2 = Ubiquitinkonjugierendes Enzym
E3 = Ubiquitin-Ligase
ubiquitiniert werden:
- Proteine mit kurzer Halbwertzeit
- Proteine mit spezifischen
Erkennungssequenzen
- fehlgefaltete Proteine
Isopeptidbindungen
Proteasomen-assoziierte Krankheiten
erhöhte Proteasomenaktivität:
• Cystische Fibrose (Mukoviszidose):
fehlgefaltetes Chloridkanalprotein Æ erhöhter Abbau Æ Schleimablagerung
• Überfunktion der E3-Ligase Siah1 Æ Zellkern-Proteasomen aktiviert
Æ Apoptose
• bestimmte Anämien
• durch virale Proteine:
‚high risk‘ HPV-E6-Protein: ↑ Ubiquitinierung + proteosomaler Abbau
des Tumorsuppressors p53 Æ Cervixkarzinom
CMV: schwere Ketten des MHC-I-Komplexes aus ER zurück ins
Cytosol Æ proteosomaler Abbau Æ Immunabwehr ↓
Proteasomen-assoziierte Krankheiten II
sekundäre Unterfunktion des Proteasoms:
• Morbus Parkinson:
Parkinson
mutiertes Parkin (E3-Ligase) Æ Ubiquitinierungsstörung + gestörte Aktivität von Siah1 (s.o.), Pin1
Æ Degeneration Substantia nigra
• Morbus Alzheimer:
Alzheimer jeder Fünfte über 80 Jahre!
Amyloid-beta: Abbau vermindert Æ Demenz
• Chorea Huntington (Veitstanz):
Überlastung des Proteasoms durch mutiertes Huntingtin
Æ Hirndegeneration Æ Hyperkinese, Demenz
M. Parkinson
‚Mägen‘ in der Zelle: Lysosomen
• im Cytoplasma
• Zellorganell
• 300 Vesikel / Zelle
• pH 4.5 – 5: ca. 50 saure
Hydrolasen (aus Golgi-App.)
• Proteinabbau durch
Kathepsine, Elastase,
Kollagenase u.a.
Endoproteinasen
Lysosomen II
Abbau aufgenommener und intrazellulärer Biomoleküle
und Partikel (z.B. defekte Organellen)
= NICHT NUR PROTEINE
• z.B. Uterus nach Geburt:
2 kg Æ 50 g in 9 Tagen
• Mikroorganismen: Abbau im
Phagolysosom
Produkte:
Produkte:Oligopeptide
Oligopeptide
Beladung
BeladungAntigenAntigenpräsentierender
präsentierender
Rezeptoren
Rezeptoren(MHCII)
(MHCII)
Æ
Æimmunologische
immunologische
FREMD-Erkennung
FREMD-Erkennung
Abbau extrazellulärer Proteine (Plasmaproteine)
im Lysosom
Glykoproteine: enthalten N-AcetylNeuraminsäure = Sialinsäure
(NANA)
Blutgefäßwände: Neuraminidase
Æ entfernt NANA Æ Gal exponiert
Albumin: nicht glykosyliert
z.g.T. in den Nieren mit dem
Ultrafiltrat ausgeschieden
Wiederaufnahme in die
Tubulusepithelzellen der Niere
z.g.T. Wiederaufnahme ins Blut
lysosomaler Abbau
Galaktose bewirkt Rezeptorvermittelte Endozytose in Leberzellen
Æ lysosomaler Abbau
Abbau
Abbauvon
vonPeptidhormonen
Peptidhormonen
ähnlich
ähnlichAlbumin
Albumin
Lysosomen-assoziierte Krankheiten
• Intralysosomale Speicherkrankheiten = Abbaustörungen
Defekte in einzelnen lysosomalen Enzymen, betreffen je eine Stoffklasse:
Mucopolysaccharidosen (z.B. Morbus Hunter)
Mucolipidose Typ II (I-Zell-Krankheit)
Sphingolipidosen (z.B. Morbus Gaucher, Tay-Sachs)
Lipidspeicherkrankheiten (z.B. Morbus Niemann-Pick Typ II)
Glycogenose: M. Pompe (Glycogenose Typ II)
Æneurologische Symptome (Minderentwicklung), Minderwuchs,
Hautveränderungen
• rheumatoide Arthritis:
Arthritis extrazelluläre Freisetzung lysosomaler
Enzyme
Lysosomen-assoziierte Krankheiten II
Kathepsine:
Überproduktion/Sezernierung:
korreliert mit Invasivität von Tumorzellen;
Kathepsin K: Kollagenabbau Æ Osteolyse
Mangel:
Kathepsin K: Skelettanomalien
„Hereditärer Kathepsin K-Mangel führt in Folge einer KollagenKathepsin
D: Osteochondrodysplasie und
Persistenz zur Pycnodysostosis,
die durch
Osteosklerose
charakterisiert ist. Defekte
imMorbus
Kathepsin
D-Gen
(Neuronale Ceroid-Lipofuszinose
NCL =
Batten)
verursachen eine letale Form der neuronalen Ceroid-Lipofuszinose mit
Lipopigmentablagerungen;
Verlust von
zerebro-kortikalen und retinalen
connataler progressiver
Neurodegeneration.“
Nervenzellen im Kindesalter
(Löffler, S. 323)
= Blindheit, Abbau Psychomotorik, Epilepsie
Lysosomen und Schönheit
•• Falten
Falten // Runzeln
Runzeln durch
durch gesteigerte
gesteigerte
Kollagenase-Aktivität
Kollagenase-Aktivität im
im Lysosom
Lysosom
((UV-induziert!)
UV-induziert!)
induziert
•• Altersflecken
Altersflecken durch
durch mangelnden
mangelnden
lysosomalen
lysosomalen Abbau
Abbau von
von endogenen
endogenen
Pigmenten
Pigmenten