Biochemie- Seminar 8 - Aminosäuren II

Biochemie- Seminar 8
Erarbeitet von Ferdi, Leif, Enno
Biochemie- Seminar 8
Verweise mit [DR] bezieht sich auf „Duale Reihe - Biochemie“ von Rassow, Hauser, Netzker und
Deutzmann in 2. Auflage; : [L] steht für „Biochemie und Pathobiochemie“ von Löffler, Petrides,
Heinrich in 8.Auflage.
Ammoniak, Harnstoffzyklus, Glukose-Alanin-Zyklus, Kreatinphosphat
von Ferdi
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IM SKRIPT FOLIEN 34-59 AMINOSÄUREN 2009!
Pro Tag werden beim erwachsen ca. 300 g Proteine angebaut, daraus entstehen AS
Diese AS dienen zur Synthese neuer Proteine, werden dem Energiestoffwechsel zugeführt
oder dienen zu Synthesen anderer Stoffe wie z.Bsp Amoniak
Alanin und Glutamin sind dabei wichtige Stickstoftransporter
Glutamin dienst dem Transports von Stickstoff von der Peripherei der Leber zur Niere und
wird dort zu Ammoniak abgebaut
Ammoniak ( NH4+) ist zelltoxisch und darf nicht in Zellen akkumulieren ( sich anhäufen)
Erhöhte zelluläre Ammoniakkonzentrationen führen zur Lethargie und mentaler
Retardierung (ZNS-Symptomatik)
Genauer Mechanismus der Toxizität ist nicht
bekannt
Dient zur Neutralisation von Säuren im Urin
Bedeutung der Ammoniakeliminierung
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Ammoniak entsteht über den Aminosäurestoffwechsel und wird über tubuläre
Desaminierung von Glutamin und über die Ausscheidung als Amoniumionen ausgescheiden
Ca. 20-50 mmol pro Tag
Säugetiere wandeln Ammoniak in der Leber zu Harnstoff um ( ca. 30g pro Tag), der dann
über Urin ausgeschieden wird
Harnstoff ist neben Glutamin die wichtigste Transportform des Stickstoffs auf dem Weg von
der Leber zur Niere, Ammoniak ungeeignet da in höheren Konzentration giftig
Harnstoff kann auch in der Niere durch katalysierte Hydrolyse der AS Arginin gebildet
werden
Harnstoff ist gut wasserlöslich, ungeladen und leicht zu sezernieren
Unter allen stickstoffhaltigen Verbindungen die im Urin ausgeschieden werden, stellt
Harnstoff den größten Teil
Ammoniakquellen des Körpers
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Zu diesem Thema verweise ich auf diese unwahrscheinlich übersichtliche Abbildung:
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Reaktionen des Harnstoffzyklus
1.
2.
3.
4.
5.
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Der HZ ist eine wichtige Voraussetzung für die Ausscheidung überschüssigen Sticksstoffs
Läuft nur in der Leber ab
5 Reaktionen bilden einen zyklischen Stoffwechselweg
Es sind Enzyme in den Mitochondrien und im Cytosol beteiligt
Die beiden Stickstoffatome stammen aus freiem Ammoniak bzw. Aspartat
Freies Ammoniak entsteht in der mitochondrialen Matrix beim Abbau von Glutamin über
Glutamat zu α-Ketoglutarat
C und O stammen von Bicarbonat
Dient dazu ausgehend von Orthinin wieder Arginin zu synthetisieren
Schritt: Bildung von Carbamoylphosphat aus NH3 und CO2 in der mitochondrialen Matrix
Schlüssselreaktion;Schrittmacher
Erfordert Hydrolyse zweier Energiereicher Bindungen
Durch Carbamoyl-Phosphat Synthetase 1 katalysiert
Eines der am stärksten exprimierten Proteine in den Lebermitochondrien (bis zu 20% der
Matrixproteine)
Allosterische Aktivierung durch N-Acetylglutamat (Acetyl-CoA + Glutamat NAcetylglutamat)
2 ATP + NH3 + Bicarbonat Carbamoyl-P + 2ADP
Wichtig ist die CPS 1 nicht mit der CPS2 zu verwechseln, die im Zytosol die erste Reaktion der
Pyrimidinbiosynthese mit Glutamin als Stickstoffspender katalysiert
Schritt: Ornithin-Transcarbamoylase; Reaktion von Carbamoylphosphat mit Ornithin unter
Bildung von Citrullin
Übertragung des Carbamoylrestes auf Ornithin ( nichtproteinogene AS)
Ebenfalls in der mitochondrialen Matrix
Das Produkt Citrullin wird ins Cytosol exportiert
[DR] S. 147 verwendet anders Enzym, Ornithin-Carbamoyl-Transferase
Schritt: Argininosuccinat-Synthetase
Cytosolisches Enzym
2.Ammoniakgruppe wird vom Aspartat geliefert,
ATP-abhängige Reaktion
Erfordert die Hydrolyse zweier energiereicher Verbindungen
Einführung des zweiten Stickstoffatoms durch Reaktion des Citrullins mit Asparat unter
Bildung von Argininosuccinat im Zytosol
Schritt: Argininsuccinase
Cytosolisches Enzym
Spaltung von Argininosuccinat in Arginin und Fumarat im Zytosol
Fumarat ist ein Metabolit des Citratzyklus
Arginin ist eine proteinogene As, aus ihr entsteht Harnstoff
[DR] S. 147 sagt das katalysierende Enzym sei Argininosuccinat-Lyase
Schritt: Arginase
Cytosolisches Enzym
Hydrolyse von Arginin unter Bildung von Harnstoff und Ornithin im Zytosol
Harnstoff gelangt durch Urea transporters ( spez. Transportproteine) aus dem Zytosol ins
Blut
Ornithin wird durch das Transportprotein Citrulllin in Mitochondrien reimporiert und steht
dort für einen weiteren Reaktionszyklus zur Verfügung
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Bilanz des Harnstoffzyklus
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Es gibt nur 2 ATP-abhängige Schrittte ( Carbmoylphosphat-Synthetase in Mitochondrien und
Argininosuccinat-Synthetase im Cytosol), aber 3 ATP verbraucht da CMP-S. benötigt 2 ATP
Außerdem wird ATP bei der Arginosuccinat-Synthetase nicht zu ADP+P sondern zu
AMP+Phosphat hydrolysiert , welches in der Zelle schnell zu 2 Phosphationen hydrolysiert
wird
So werden letztlich vier energiereiche Bindungen gespalten
Oder anders:
o Benötigt 3 ATP +Ammoniak + Aspartat+ Bicarbonat
o Bildung von Harnstoff + Fumurat + 2 ADP +2 Pi + AMP + PPi.
o Fumurat wird in den Citratzyklus zurückgeführt.
Der gebildete Harnstoff erhält sein C-Atom und ein N-Atom aus dem Carbamoylphosphat
Das zweite N-Atom stammt aus der α-Aminogruppe des Aspartas
Stöchimometrie: H4+ + HCO3- + 3 ATP + H2O + Aspartat wird zu Harnstoff + 2 ADP + AMP + 4
Pi + Fumarat
Schlüsselstellung von Glutamat für den Harnstoffzyklus
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Wie auch das Skript begnüge man sich mit dieser Abbildung, die so viel sagt:
Stellung des Harnstoffzyklus im Aminosäurestoffwechsel
Urea Cycle steht hier für den Harnstoffzyklus, auf den die oben genannten Syntheseprodukte des ASStoffwechsel wirken, wie z.Bsp. Ammoniak und Aspartat.
Reaktionen des Harnstoffzyklus im Darm und in der Niere
-
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[L], S. 451
Auch Enterozyten im Darm haben sehr aktiven AS-Stoffwechsel, vor allem Oxidation saurer
AS:
o Glutamin, Glutamat und Aspartat
Die Darmschleimhaut produziert Alanin und fixiert NH4+ in Form von Citrullin
Ein Viertel des in der Leber gebildeten Harnstoffs gelangt durch Diffusion aus dem Blut ins
Darmlumen
Dort wird er durch Urease der Darmbaktereien wieder in Ammoniak (NH4+) und Bicarbonat
(HCO3-) gespalten
Enterozyten können diie Produkte wieder durch Bildung von Citrullin durch CPS-1, Ornithin
wird hier auch aus Glutamathergestellt
Citrullin wird hier dann nicht wieder von der Leber aufgenommen sondern dient v.a. der
renalen Argininsynthese
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Wichtig ist das die Möglichkeit der Citrullinsynthese im Darm besteht
-
Argininsynthese in Niere:
o 1. Abgabe in das Blut
o 2. Verwendung zur Harnstoffsynthese (Harnkonzentrierung)
o 3. Glutaminspaltung (Säureneutralisation durch Ammoniak)
o 4. Bildung von Serin aus Glycin
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Entstheung von Kreatinphosphat
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Harnstoffzyklus liefert im Nebenschluss Kreatinphosphat, welches eine Energiereserve im
Kohlenstoffwechsel darstellt
Arginin und Glycin kondensieren zu Guanidinoacetat und Orthinin
Guanidionacetat wird zu Kreatin methyliert
Kreatin wird durch Kreatinkinase zu Kreatinphosphat phosphoryliert
Glucose-Alanin-Zyklus
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Aminosäuren werden im Muskel katabolisiert, wobei das Kohlenstoffgerüst zur
Energiegewinnung oxidiert wird.
Dies bedeutet, dass toxisches Ammoniak aus dem Muskelgewebe elimiert, zur Leber
transportiert und in Harnstoff umgewandelt werden muss.
Die Aminogruppe von Glutamat wird auf Pyruvat übertragen unter Bildung von Alanin.
Alanin wird über das Blut zur Leber transportiert, wo es zu Pyruvat deaminiert wird.
Pyruvat wird zu Glucose umgewandelt, das demMuskel als Energiequelle zur Verfügung
steht.
Im Prinzip:
o Glucose kommt von Leber ins Blut und wird von der Muskulatur aufgenommen und
durch Glykolyse zu Pyruvat abgebaut
o Pyruvat nimmt die beim AS-Abbau frei gewordenen Aminogruppen im Muskel auf
o Dabei einstseht wieder Alanin
Regulation des Harnstoffzyklus
-
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Schrittmacherenzym ist die Carbamyolphosphat-Synthetase 1, welche den ersten Schritt
ktalysiert
Sie wird allosterisch durch N-Acetylglutamat aktiviert
In Mitochondrien N-Acetylglutamat Konzentration höher, je mehr Glutamat und Acetyl-CoA
vorhanden sind
Über N-Acetylglutamat wird zum einen signalisiert , das vermehrt Substrat (Glutamat)
umgesetzt werden kann , zum anderen , dass aussreichend Energie zur Verfügung steht ,da
viel Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingespeist wird
So verändert sich der AS-Metabolismus und damit der Harnstoffzyklus je nach
Sättigungszustand
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Prinzipien des Aminosäureabbaus
von Leif
glukogene und ketogene Aminosäuren
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Unterteilung der AS nach ihren Abbauprodukten
eine größere Gruppe von AS liefert bei ihrem Abbau Produkte, die zu Glukose aufgebaut
werden können = glukogene Aminosäuren („Zucker- erzeugend“)
o Aspartat
 Aspartat Oxalacetat
o Asparagin
o
o
o
o
o
Glutamat
Glutamin
Arginin
Histidin e
Prolin
 Glutamat  α- Ketoglutarat
o
o
Valin e
Methionin
 Succinyl- CoA
o
o
o
o
o
Alanin
Cystein
Glycin
Serin
Threonin
 Pyruvat
o
die Endprodukte können in der Glukoneogenese zu Glukose aufgebaut werden
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eine kleinere Gruppe von AS liefert bei ihrem Abbau Ketonkörper (= ketogene
Aminosäuren), die im Citratzyklus abgebaut oder zur Biosynthese von Fettsäuren und
Ketonkörpern verwendet werden
o Leucin e
 Acetyl-CoA
o Lysin e
-
manche Aminosäuren werden zu zwei Produkten abgebaut (= glukogen UND ketogen):
o Tyrosin
 Fumarat (G)/ Acetoacetat (K)
o Phenylalanin e
o
o
Tryptophan e  Pyruvat (G)/ Acetyl-CoA (K)
Isoleucin e
 Succinyl-CoA (G)/ Acetyl-CoA (K)
[e = essentiell]
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Unterscheidung Abbau essentieller und nicht-essentieller Aminosäuren
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Abbau der nicht oder bedingt essentiellen Aminosäuren ist dicht mit Citratzyklus verknüpft;
nur Serin und Glycin entstehen aus einem Glycolyse- Zwischenprodukt
[L] S. 440 Abb. 13.9b
-
zum Abbau siehe oben „glukogene und ketogene Aminosäuren“
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„der Abbau der essentiellen Aminosäuren liefert nur fünf Endprodukte“
Abbau essentieller Aminosäuren komplizierter als der der nicht-essentiellen, trotzdem
geringe Zahl an Endprodukten (s.o. „glukogene und ketogene Aminosäuren)
meisten ess. Aminosäuren werden schon zu Beginn des Abbaus transaminiert oder
desaminiert – dabei entstehen meist α-Ketosäuren
o nur Histidin wird über besonderen Weg zu Glutamat abgebaut
o α–Aminogruppen von Methionin und Tryptophan enden als Aminogruppen nichtessentieller Aminosäuren (Cystein bzw. Alanin)
[L] S. 411 Abb. 13.10
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einzige α-Ketosäure die nicht oxidativ carboxyliert wird ist Oxalacetat [Produkt wäre
Malonyl-CoA, welches hydrolysiert zu Malonat die Succinat-Dehydrogenase hemmt]
für die oxidative Decarboxylierung sind Multienzymkomplexe zuständig
Abbau der einzelnen Aminosäuren
Alanin, Aspartat, Glutamat, Glutamin, Asparagin
- lassen sich durch eine, höchstens zwei Reaktionen in α-Ketosäure überführen [ Vorstufen
oder Zwischenprodukte des Citratzyklus]
- „Alanin, Aspartat, Glutamat lassen sich durch Aminotransferasen ineinander überführen“
o stehen über zwei Transaminierungsreaktionen miteinander im Gleichgewicht
o Aspartat- Aminotransferase (ASAT; in vielen Geweben) und Alanin- Aminotansferase
(ALAT; in der Leber) kommen als cytosolische und mitochondriale Isoenzyme vor 
Malat- Shuttle
[Enzymdiagnostik: ASAT und ALAT liefern zusammen mit γ-Glutamyltransferase (γGT) Hinweise auf Lebererkrankungen]
- „Glutamin und Asparagin werden ATP-abhängig gebildet und durch Hydrolasen abgebaut“
o Glutamin wird durch Glutaminase hydrolytisch desaminiert; NH4+ wird frei; es
entsteht Glutamat
o Asparagin wird, ebenfalls unter NH4+- Freisetzung, durch Asparaginase in Aspartat
desaminiert
o Aspartat und Glutamat können durch Aspartat- Aminotransferase ineinander
überführt werden
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Serin, Glycin, Threonin
- metabolisch eng verwandt
- „Glycin und Serin lassen sich leicht ineinander umwandeln“
o hierzu dient die Serin- Hydroxymethyltransferase (SHMT); [benötigte
Hydroxymethylgruppe stammt aus N5,N10-Methylen-THF vom Abbau eines weiteren
Glycin- Moleküls (s. nächster Stichpunkt)]
o Glycin lässt sich durch „Glycin spaltendes System“ (GSC) spalten und/oder in Serin
umwandeln
o für Serin- und Threonin- Abbau gibt es mehrere Wege:
 direkte Desaminierung von Serin zu Pyruvat
 durch Serindehydratase oder Serin-Pyruvat-Transaminase
 Transaminierung von threonin zu Hydroxypyruvat
 durch Serindehydratase [kein Fehler!]
 SHMT- katalysierter Abbau zu Glycin
 Umwandlung in Cystein
Prolin, Ornithin, Arginin
- bilden zusammen mit Glutamin die Glutamatfamilie: werden aus Glutamat synthetisiert und
können zu ihm abgebaut werden
- Stoffwechselschritte für Synthese und Abbau sind weitgehend reversibel und bewirken den
Umbau der betreffenden AS ineinander
o gemeinsame Zwischenprodukte sind Glutamat-γ-semialdehyd und Δ1Pyrrolincarboxylat
- ein Abbauweg von Arginin führt über Agmantin und Putrescin zum Succinat [nicht im Detail
dargestellt]
Cystein und Methionin (schwefelhaltige Aminosäuren)
- Stoffwechsel von Cystein und Methionin ist eng verzahnt: Cystein erhält aus MethioninAbbau seine SH-Gruppe
- Abbau von Methionin ([L] S. 463 Abb. 13.27) durchläuft Teile des sog. Methioninzyklus –
hierbei wird S-Methylgruppe entfernt
o entstehendes Homocystein wird von Cystathionin-β-Synthase auf Serin übertragen
 Cystathionin entsteht
o dessen Spaltung durch Cystathionin-γ-Lyase liefert Cystein und α-Ketobutyrat [
Succinyl-CoA oder α-Aminobutyrat]
- Abbau von Cystein kann mehrere Wege gehen
o im menschlichen Stoffwechsel vorherrschend:
 O2- abhängige Oxidation zu Cysteinsulfinat, anschließend Transaminierung
durch Aspartat-Aminotransferase zu Sulfinylpyruvat [hierbei entsteht auch
Glutamat]
 dieses zufällt alsbald zu Pyruvat und Sulfit [ wird oxidiert zu Sulfat]
o möglich ist auch die Überführung in Pyruvat durch Abspaltung von Hydrogensulfid
(HS-) durch Aminoacrylat
Valin, Leucin, Isoleucin (verzweigtkettige Aminosäuren)
- sind für den Menschen essentiell, Abbauwege zeigen Übereinstimmungen
- [L] S. 467 Abb. 13.31 (Abbildung zu groß um sie hier reinzustellen)
Tyrosin, Tryptophan (aromatische Aminosäuren)
- Vorstufen für wichtige Signalstoffe ([L] Tab. 13.12)
- Tyrosinabbau wird eingeleitet durch Transaminierung
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Abbau von Tryptophan siehe [L] S.472 Abb. 13.35
Histidin und Lysin
- Abbau von Histidin zu Glutamat
- Abbau von Lysin im menschlichen Organismus hauptsächlich über den Saccharopin- Weg
Phenylalanin und Tyrosin
von Enno
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Phenylalanin (essentiell) ist Ausgangsstoff für Tyrosin (bedingt essentiell)
Tyrosin ist Vorstufe für Katecholamine Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin sowie Melanine
(UV-Schutz in Haut und Haar)
Abbau Phenylalanin und Tyrosin
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unterscheiden sich beide nur in einer OH-Gruppe
 haben gleichen Abbauweg
1. Tyrosin-Synthese
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katalysiert durch Phenylalanin-Hydroxylase (PAH)
o = Monooxygenase
o hauptsächlich in der Leber vorkommendes Enzym
o Cofaktoren: O2 und 5,6,7,8-Tetrahydrobiopterin (BH4)
ein O wird an Substrat übertragen, andere O zur Bildung von H2O
BH4 zu Dihydrobiopterin oxidiert
o durch NADPH wieder zu BH4 regeneriert
2. Tyrosinabbau
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durch Transaminierung eingeleitet  p-Hydroxyphenylpyruvat
p-Hydroxyphenylpyruvat durch p-Hyroxyphenylpyruvat-Hydroxylase (Dioxygenase,
Fe2+-haltig, Cosubstrat = Ascorbinsäure) gespalten
o erstes Intermediat: aromatische Homogentisat
o zweites Intermediat: Maleylacetacetat
Isomerisierung von Maleylacetacetat (cis) zu Fumarylacetacetat (trans)
Hydrolytische Spaltung zu Fumarat und Acetoacetat
Phenylketonurie (PKU)
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Defekt der Phenylalanin-Hydroxylase (PAH)
häufigste genetische Anomalie im AS-Stoffwechsel
o mind. 500 verschiedene Mutationen der PAH bekannt
o bei 1:10.000 Neugeborenen
Phenylalanin nicht mehr / vermindert zu Tyrosin umgebaut
o Ansammlung im Blut um das 50-fache (normal 3-12 mg/l)
o Tyrosin wird zur essentiellen AS
Phenylalanin kann nicht über Tyrosin abgebaut
o alternative Stoffwechselwege nötig (sonst mit sehr geringer Aktivität)
1. Transaminierung von Phenylalanin  Phenylpyruvat (-Ketosäure)
2. Reduktion zu Phenyllactat oder Decarboxylierung zu Phenylacetyl-CoA (als
Phenylacetylglutamin im Urin nachweisbar)
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3. Decarboxylierung zu Phenylethylamin,
anschließend Desaminierung zu Phenylacetat
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Symptome:
o schwerwiegendste Symptome sind geistige Retardierung bis hin zum Schwachsinn
sowie progressiv verlaufende neurologische Ausfälle
o biochemisch noch nicht ganz geklärt
 wahrscheinlich Störung des Transmitter-Gleichgewichts
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Diagnostik
o veraltet: Guthrie-Test
 Bluttest am 5. Lebenstag
 Wachstum von Bakterien, die auf Phenylalanin angewiesen sind
(Mangelmutanten)
 bei Wachstum  Verdacht auf Phenylalanin-Stoffwechselstörung
o heute: Untersuchungen mit Tandem-Massenspektrometrie
o Phenylalanin-Konzentrationen > 240 µmol/l verdächtig
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Therapie
o phenylalaninarme Diät (250-500 mg / d)
o Substitution von Tyrosin
Alkaptonurie
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Defekt der Homogentisat-1,2,-Dioxygenase (Öffnung des aromatischen Rings)
bislang keine Therapie möglich
Homogentisinsäure wird über die Niere ausgeschieden  Oxidation zu Benzochinonen bei
Kontakt mit Luftsauerstoff (Braun-/Schwarzfärbung des Urins)
Braunfärbung der Haut (Genital- und Achselbereich) durch Ablagerungen von
Polymerisationsprodukten der Homogentisinsäure
Ablagerungen von Polymerisationsprodukten der Homogentisinsäure in Knorpel
(degenerative Gelenkerkrankung, Hörstörungen), Bindegewebe von Herzklappen
(Klappendysfunktion) und Gefäßen (Aortenaneurysma)
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