Stoffwechsel von Aminosäuren
Werbung
Kapitel: Aminosäuren 1 Stoffwechsel von Aminosäuren (AS) Repetition Die Aminosäuren besitzen im Stoffwechsel der Zellen vier Funktionen: • Aminosäuren sind die 20 Bausteine für die Biosynthese der Proteine. Wie bei allen Körperbausteinen mit Ausnahme der Desoxyribonucleinsäuren besteht auch bei den Proteinen ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Auf- und Abbau. Die Halbwertszeit der einzelnen Proteine schwankt zwischen Minuten und Stunden bei einigen Enzymen, Tagen bis Wochen bei Plasmaproteinen und Monaten bei Strukturproteinen wie dem Kollagen. Die Halbwertszeit wird auch durch das Organ in dem das betreffende Protein zu finden ist, bestimmt. • Aus den Aminosäuren entstehen in einem Mehrschrittprozess die Proteine, die charakteristisch für eine Zelle sind und das Proteom darstellen. Der Abbau von Proteinen zu Aminosäuren erfolgt unter dem Einfluss von Proteinasen, die Aminosäureseitenketten erkennen, die sich in Nachbarschaft der gespaltenen Peptidbindung befinden. Im Cytosol sind diese Proteinasen oft Bestandteil von Proteasomen. • Aminosäuren wirken als Stickstoff- bzw. Aminogruppendonatoren bei der Biosynthese anderer stickstoffhaltiger Verbindungen wie Purinen, Pyrimidinen, Kreatinphosphat oder Stickstoffmonoxid (NO). • Aminosäuren spielen eine grosse Rolle bei der Glucosehomöostase, da neben Metaboliten der Glycolyse und dem aus der Lipolyse stammenden Glycerin nur die glucogenen Aminosäuren als Substrat für die Gluconeogenese zur Verfugung stehen. • Aminosäuren wirken im Gehirn als exzitatorische und inhibitorische Neurotransmitter (Glutamat, GABA und Glycin). Abbau der Proteine und Aminosäuren Alle Aminosäuren, die in Proteinen vorkommen, befinden sich auch in freier Form im Blut, in der extrazellularen Flüssigkeit und in den Zellen. Dieser Pool von freien Aminosäuren hat seinen Zufluss aus Nahrungsproteinen, welche im Darm in Aminosäuren zerlegt werden, und aus dem intrazellularen Abbau von körpereigenen Proteinen. Die Aminosäuren des Pools werden einerseits verwendet für den Aufbau körpereigener Proteine und für die Synthese von anderen N-haltigen Verbindungen, andrerseits werden sie bei einem Überangebot zu CO2 oxidiert und - bei Glucose-Mangel teilweise zu Glucose verwandelt. Kapitel: Aminosäuren 2 Schema des Aminosäurenstoffwechsels Umwelt Organismus Proteine Proteine Aminosäurenpool NH2 O C NH2 NH4+ Acetoacetat Acetyl-CoA CO2 + H2O Aminosäurenderivate: •Nucleotide •Porphyrine •Kreatin •N-haltige Lipide C-Gerüst Glucose Pyruvat und Dicarbonsäuren des Citratzyklus Unter AS-Pool (70g) versteht man die Gesamtheit aller im Organismus vorhandenen Aminosäuren. Aus dem AS-Pool gelangen die AS in die Stoffwechselwege des Anabolismus (Protein-Synthese, etc.) oder des Katabolismus. Täglich werden im Organismus eines erwachsenen Mannes – bei einem Gesamtbestand von etwa 10 kg Protein - ca. 300 g Protein synthetisiert. Ein Minimum an Aminosäuren (~30g/Tag) (obligatorischer AS-Verlust) wird auch bei ausreichender Zufuhr von Kohlehydraten und Fett abgebaut unter ATP-Gewinn. Der AS-Abbau wird gesteigert bei - proteinreicher Kost und - wenn Kohlehydrat- und Fettreserven aufgebraucht sind, d.h. im Endstadium des Verhungerns. Der gesunde Erwachsene befindet sich bei einer täglichen Zufuhr von 32 g hochwertigem Protein im Stickstoffgleichgewicht, d. h. bei dieser Zufuhr halten sich Stickstoffaufnahme mit der Nahrung und Stickstoffabgabe mit den Faeces, dem Urin und über die Haut (durch Schweissabgabe, Epidermisabschilferung und Haarausfall) die Waage. Kapitel: Aminosäuren 3 Grundsätzlich bestehen 2 Möglichkeiten des Abbaus von AS 1. Zur ATP-Gewinnung (Hauptweg) a) Entfernung von N b) Oxydation des C-Skeletts 2. Zur Synthese von biologisch aktiven Verbindungen c) Decarboxylierung Æ Biogene Amine d) Oxydation der Amine durch Amin-Oxidasen Der Abbau der AS läuft über mehrere Reaktionen: 1. Desaminierung/Transaminierung NH2-Gruppe Æ NH3 oder Aspartat 2. Harnstoffbildung N-Atom aus NH3 und Aspartat ÆHarnstoff 3. Abbau des Kohlenstoffgerüstes AS und der α-Ketocarbonsäure Æ Zwischenprodukte Der grösste Teil des Stickstoffs der Aminosäuren wird im Urin als Harnstoff ausgeschieden. Das eine N-Atom des Harnstoffs stammt aus NH4+, das andere aus Aspartat. In der Leber wird der Stickstoff der meisten Aminosäuren durch Transaminierung so verschoben, dass er schliesslich im Glutamat vorliegt. Dieses kann entweder mit Oxalacetat transaminieren zu Aspartat oder seinen Stickstoff als Ammonium-Ion abgeben. NH4+ und die Aminogruppe von Aspartat werden anschliessend mit HCO3- im Harnstoffzyklus zu Harnstoff kondensiert. Die Entfernung des Stickstoffs aus den Aminosäuren hinterlässt Kohlenstoff-Skelette, welche nun - ebenfalls in der Leber - zu Glucose und Ketonkörpern umgebaut werden können. AS-Stickstoff wird über 3 aufeinander folgende Vorgänge eliminiert (Desaminierung): • Intermolekulare Verschiebung der Aminogruppe (Transanimierung) ↓ • Abspaltung von NH3 vom C-Gerüst (oxidative Desanimierung) ↓ • Erzeugung einer ungiftigen Transportform (Glutamin) bzw. eines ausscheidbaren Nhaltigen Derivates (Harnstoff) Kapitel: Aminosäuren 4 Weg des Aminosäuren-N zum Harnstoff oxidative Desaminierung COO - Transaminierung N von anderen Aminosäuren COO NH 3 CH + C CH2 CH2 CH2 CH2 COO - COO Glutamat COO CH + NH 4 + - a-Ketoglutarat - NH 3 + NH2 C CH2 COO - O - Aspartat O HCO 3 - NH2 Harnstoff Harnstoff Bildung Aminosäuren-Desaminierung A. Transaminierung (Transaminasen) B. Oxidative Desaminierung (Glutamat-Dehydrogenase, GLDH) Die erste Reaktion beim Abbau einer Aminosäure ist fast immer die Entfernung ihrer αAminogruppe mit dem Ziel, überschüssigen Stickstoff auszuscheiden und das zurückbleibende Kohlenstoffgerüst abzubauen. Die Desaminierung der meisten Aminosäuren erfolgt durch Transaminierung, der Übertragung ihrer Aminogruppe auf eine α-Ketocarbonsäure; dabei entsteht die α-Ketocarbonsäure der ursprünglichen Aminosäure und eine neue Aminosäure. Diese Reaktionen werden von Aminotransferasen (Transaminasen) katalysiert. Die Transaminierung führt natürlich nicht zu einer Netto-Desaminierung. Die eigentliche Desaminierung erfolgt vor allem über die oxidative Desaminierung von Glutamat durch Glutamat-Dehydrogenase, wobei Ammoniak entsteht. Kapitel: Aminosäuren 5 Transaminierung Die α-NH2-Gruppe der AS wird auf eine α-Ketocarbonsäure übertragen, wobei als NH2Gruppe-Akzeptoren vor allem α-Ketoglutarat aber auch Oxalacetat zur Verfügung stehen. NH2-Akzeptoren Oxalacetat α-Ketoglutarat COOH COOH C CH 2 CH 2 C COOH CH 2 O O Pyridoxal-5’-Phosphat (PLP) H PLP ist ein Derivat von Pyridoxin (Vit. B6) OH O C -2 O3 PO COOH H2 C CH2 OH N -2 O3PO H2C CH3 OH N CH3 Der Aminogruppen-Akzeptor der Aminotransferasen ist das Coenzym Pyridoxal-5' phosphat (PLP), ein Derivat von Pyridoxin (Vitamin B6). Durch Aminierung entsteht daraus Pyridoxamin-5'-phosphat (PMP). PLP ist kovalent an das Enzym über eine Imin-Bindung (Schiff-Base) verknüpft, die durch die Kondensation seiner Aldehydgruppe mit der ε−Aminogruppe eines Lys-Restes des Enzyms entsteht. Die Aminotransferase-Reaktion läuft über einen Ping-Pong-Mechanismus ab, dessen zwei Stufen jeweils drei Einzelschritte umfassen: Stufe 1: Umwandlung einer Aminosäure in eine Ketocarbonsäure Schrittt 1: Transaminierung Schritt 2 : Tautomerisierung Schritt 3: Hydrolyse Stufe 2: Umwandlung einer Ketocarbonsäure in eine Aminosäure Schritte 1-3: umgekehrte Reihenfolge Kapitel: Aminosäuren 6 Transaminierung COOH COOH CH NH 2 CH CH 3 Alanin CH 2 N CH 2 CH COOH HO CH 2O H3C COOH CH N CH CH 3 NH 2 Lys Glutamat P N Pyridoxalphosphat (PLP) COOH CH CH N CH 2 CH 2 COOH N N Stufe 1 Stufe 2 COOH C N COOH CH 2 CH 2 CH 3 N C CH 2 CH 2 N H 2O N H2N CH 2 COOH COOH C - H2O C O CH 3 Pyruvat O CH 2 COOH CH 2 N Pyridoxaminphosphat (PMP) COOH α-Ketoglutarat Bilanz: Aminosäure1 + α-Ketosäure2 -----> Aminosäure2 + α-Ketosäure1 Durch Aminotransferasen, die für die jeweiligen Aminosäuren spezifisch sind, werden die Aminogruppen auf die α-Ketosäuren α-Ketoglutarat bzw. Pyruvat unter Bildung von Glutamat bzw. Alanin übertragen. Durch zwei Aminotransferasen, die in hohen Konzentrationen in Leber, Myocard und Gehirn vorkommen, kann die Aminogruppe von Alanin auf α-Ketoglutarat unter Bildung von Glutamat und Pyruvat übertragen werden. Es handelt sich um die Aspartat-Aminotransferase oder Glutamat-Oxalacetat Transaminase (ASAT oder GOT) bzw. die Alanin-Aminotransferase oder Glutamat-Pyruvat-Transaminase (ALAT oder GPT). Aspartataminotransferase (AST) GOT Asp + α-Ketoglutarat <-----> Glu + Oxalacetat Alaninaminotransferase (ALT) GPT Ala + α-Ketoglutarat <-----> Glu + Pyruvat Kapitel: Aminosäuren 7 Oxidative Desaminierung Glutamat wird im Mitochondrium oxidativ durch Glutamat-Dehydrogenase desaminiert; es ist das einzige Enzym, das - zumindest in einigen Organismen - sowohl NAD + als auch NADP+ als Redox-Coenzym akzeptiert. Oxidative Desaminierung COO H C - COO NH 3 + CH 2 + NAD + + H2O GLDH O + CH 2 CH 2 COO C - NH 4 + + N ADH + H + CH 2 - COO Glutamat - α-Ketoglutarat GLDH-Reaktion wird durch Koppelung mit der Transaminasereaktion zum Hauptweg für Bildung von Ammoniak. Citratzyklus NADH + H+ α-Ketoglutarat α-AS ASAT/ALAT a-KS 3 Produkte: GLDH H2 O Glutamat α-Ketoglutarat NADH NH4+ NH4+ NAD+ Æ Citratzyklus, Transaminasen (Rezykl.) Æ Harnstoff Gleichgewicht der GLDH-Reaktion liegt stark auf der Seite von Glutamat. Reaktion läuft nur dann in nennenswertem Umfang nach rechts ab, wenn NH4+ sofort abgefangen wird (In der Leber geschieht das durch Synthese von Glutamin und Harnstoff). Kapitel: Aminosäuren 8 Speicherung und Transport von Ammoniak als Glutamin Da Ammoniak schon in verhältnismässig niedrigen Konzentrationen als Zellgift (Nervensystem!) wirkt, ist eine Umwandlung in andere Verbindungen nötig. Eine wichtige Reaktion, die in vielen Organen ablaufen kann, ist die energetisch günstige Bildung von Glutamin aus Glutaminsäure und Ammoniak. Sie wird durch das Enzym GlutaminSynthetase katalysiert und erfolgt nach der Gleichung: - COO ATP + CH NH3 + + NH4 CH2 ADP + Pi - COO + CH NH3 CH2 + H2O CH2 CH2 - COO Glutamat CO NH2 Glutamin Glutamin dient im Stoffwechsel als NH2-Donator für die meisten Aminogruppen, ausgenommen die α-Aminogruppen der Aminosäuren; ausserdem für die Purin-Synthese und für die Pyrimidin-Synthese; ferner ist es eine Transportform des Ammoniaks im Organismus. Glutamin kann nämlich leicht hydrolytisch gespalten werden zu Glutamat und Ammoniak; das entsprechende Enzym, die Glutaminase, findet sich vor allem in der Niere, und das Ammoniak des Harns entsteht zum erheblichen Teil durch diese Reaktion. Transport von Aminogruppen durch den Aspartatzyklus Kapitel: Aminosäuren 9 Aspartatzyklusreaktionen. Auf eine Reihe von Ketoverbindungen kann eine Aminogruppe dadurch übertragen werden, dass die Aminogruppe der Aminosäure Aspartat mit der Ketoverbindung unter Energieverbrauch (ATP oder GTP) zu einem Kondensationsprodukt zusammentritt und das Kondensationsprodukt durch eine Lyasereaktion in die aminierte Verbindung und Fumarat gespalten wird. Aspartat wird aus Fumarat durch die Fumarase-, Malatdehydrogenase- und Glutamat-Oxalacetat-Transaminase-Reaktion unter gleichzeitigem Gewinn eines Reduktionsäquivalentes ( 1 mol NADH = 3 mol ATP) regeneriert und steht für den erneuten Umlauf zur Verfügung. Alle genannten Reaktionen, auch die Teilreaktionen des Citratzyklus (!), laufen im Cytosol ab. Ausscheidung von Stickstoff bei Vertebraten Lebende Organismen können überschüssigen Stickstoff, der aus dem Aminosäureabbau stammt, auf drei Wegen ausscheiden. Viele im Wasser lebende Tiere geben einfach Ammoniak an das umgebende Milieu ab. Wo Wasser nicht so reichlich vorhanden ist, wurden Mechanismen entwickelt, die Ammoniak in weniger toxische Abfallprodukte umwandeln, für deren Ausscheidung dann weniger Wasser erforderlich ist. Eines dieser Produkte ist Harnstoff der von den meisten landlebenden Vertebraten ausgeschieden wird; ein weiteres ist Harnsäure, die von Vögeln und landlebenden Reptilien abgesondert wird. AS-Stickstoff Ammoniakausscheider Æ ammnotelisch Harnstoffausscheider Æ ureotelisch Harnsäureausscheider Æ uricotelisch Harnstoff-Synthese (Harnstoff-Zyklus) Harnstoff wird in der Leber durch die Enzyme des Harnstoff-Zyklus synthetisiert. Er wird dann in den Blutstrom abgegeben und von den Nieren mit dem Urin ausgeschieden. Die Grundzüge des Harnstoff-Zyklus wurden 1932 von Hans Krebs und Kurt Henseleit aufgeklärt (es war der erste bekannte Stoffwechsel-Zyklus überhaupt). Eine 7o kg schwere Normalperson bildet in 24 h etwa 0,5 mol (30 g) Harnstoff. Bei proteinreicher Ernährung kann die Harnstoffbildung bis auf das Dreifache ansteigen. Diese Kapitel: Aminosäuren 10 Steigerung ist deshalb möglich, weil die Enzyme im Überschuss vorhanden sind und weil sich außerdem die Enzymaktivitäten bei proteinreicher Nahrung um das Zwei- bis Dreifache erhöhen können. HCO 3 - + NH 4 NH 2 O C Harnstoff NH 2 + CH 2 NH 3 2ATP NH 3 COO NH 2 C O P CH 2 ARG CH O Carbamoyl-P H2O + NH 2 CH 2 NH CH 2 2ADP + Pi C + CH 2 CPS NH 2 CH 2 + NH 3 CH - Ornithin Arginin COO + - COO - CH CH - COO Fumarat ASL OTC Malat (Citrat-Zyklus) Pi NH 2 NH 2 C C O CH 2 NH CH 2 NH CH 2 CH 2 ASS CH 2 CH COO + CH - Citrullin COO COO CH Mitochondrium im Harnstoffzyklus: NH 3 + - Argininosuccinat + CH 2 - COO Aspartat Enzyme COO - - CH AMP + PPi + H2O - NH 3 COO CH 2 CH 2 +ATP NH 3 + NH Cytosol Harnstoffzyklus Carbamoylphosphat-Synthetase (CPS), Ornithin-Trans- cabamoylase (OTC), Argininsuccinat-Synthase (ASS), Argininsuccinat-Lyase (Argininosuccinase) (ASL), Arginase (ARG). Die Bildung des Harnstoffs verläuft in 5 Schritte. Die ersten zwei Schritte finden im Mitochondrium statt, die übrigen im Cytosol: 1. Schritt: Durch das Enzym Carbamylphosphat-Synthetase I (CPS) wird unter Verbrauch von zwei Molekülen ATP aus Bicarbonat und Ammoniak das Phosphorsäureanhydrid der Carbaminsäure, das Carbamoylphosphat, gebildet. Carbamoylphosphat ist auch der Ausgangspunkt der Pyrimidinbiosynthese. Für diese Reaktion wird es jedoch durch eine cytosolische CPS II gebildet, die Glutamin, Bicarbonat und zwei Moleküle ATP benötigt. Kapitel: Aminosäuren 11 2. Schritt: Zunächst wird der Carbamylrest von Carbamylphosphat auf die nicht proteinogene Aminosäure Ornithin übertragen (Ornithin-Transcarbamylase). Dabei entstehen Citrullin, eine ebenfalls nicht proteinogene Aminosäure, und anorganisches Phosphat. Das Reaktionsgleichgewicht liegt stark auf der Seite der Citrullinbildung. 3. Schritt: Citrullin tritt durch die Mitochondrienmembran in das Cytosol über, wo alle weiteren Reaktionen des Kreisprozesses ablaufen. Auf den an Ornithin gebundenen Carbamylrest (Citrullin) soll im nächsten Schritt eine weitere Aminogruppe übertragen werden. Dabei kondensiert die Carbonylgruppe von Citrullin mit der Aminogruppe von Aspartat unter Bildung von Argininosuccinat (Argininosuccinat-Synthetase). Auch diese Reaktion ist ATP-abhängig, das entstehende Pyrophosphat wird durch eine Pyrophosphatase gespalten, wobei das Reaktionsgleichgewicht in Richtung Argininosuccinatbildung verschoben wird. 4. Schritt: Die anschließende Spaltung der C-N-Bindung (Argininosuccinat-Lyase) in die Produkte Fumarat und die proteinogene Aminosäure Arginin ist im Gegensatz zu den vorhergehenden Reaktionen reversibel. Durch diese beiden Reaktionen ist die Aminogruppe von Aspartat auf Citrullin übertragen worden. 5. Schritt: Der Kreisprozess der Harnstoffbiosynthese wird durch die hydrolytische Abspaltung der Guanidinogruppe von Arginin geschlossen. Dabei entstehen Harnstoff und Ornithin. Bilanz • Energieverbrauch: 3ATP Æ 2ADP, 2Pi, AMP, PPi(2Pi) • Bedarf für die Regeneration: 4 ATP • Energiekompensierung (durch Fumarat): 1 NADH = 3 ATP Bemerkenswert an den beschriebenen Reaktionen ist, dass durch den Kreisprozess das Trägermolekül Ornithin ständig regeneriert wird und auch der Aminogruppendonator Aspartat durch wenige enzymatische Schritte erneuert werden kann, wobei ein Reduktionsäquivalent gewonnen wird. Somit werden dem Hepatocyten bei der Biosynthese von Harnstoff lediglich zwei Ammoniakmoleküle, Bicarbonat und Energie entzogen. Hyperammoniämien Homozygote bzw. gemischt heterozygote Defekte der Harnstoffzyklus-Enzyme führen zu einem Zusammenbruch Ammoniakkonzentration des Harnstoffzyklus (Hyperammoniämien). Ohne mit einem entsprechende Anstieg der Therapie, d.h. Hämodialyse in der Akutphase, treten Gehirnschaden (Hirnödem mit verkleinertem Ventrikelsystem, Abflachung der Gyri) und der Tod der Patienten ein. Ammoniak ist extrem Kapitel: Aminosäuren 12 neurotoxisch in höheren Konzentrationen und eine Belastung für die GLDH (α-Ketoglutarat ↓), Glu-Synthase (GABA ↓) und Neurotransmittersynthese (Dopamin ↓). Die Harnstoffsynthese produziert ein Proton, welches zur Neutralisierung eines Teils des beim AS-Abbau freigesetzten HCO3- dient. Blockierung der Harnstoffsynthese (Enzymdefekte) führt zu Alkalose. 1. HCO3- + 2NH4+ Æ H‘Stoff + 2H2O + H+ 2. H+ + HCO3- Æ CO2 + H2O Σ 2 HCO3- + 2NH4+ Æ H‘Stoff + 3 H2O + CO2 Enzymdefekte des Harnstoffzyklus 1. Cabamoylphosphat-Synthase (CPS)-Mangel 2. Ornithin-Transcabamoylase (OTC)-Mangel 3. Argininsuccinat-Synthase (ASS)-Mangel 4. Argininsuccinat-Lyase (Argininosuccinase) (ASL)-Mangel 5. Arginase (ARG)-Mangel 6. N-Acetyglutamat-Synthase (NAGS)-Mangel Differentialdiagnose (Beispiel ASL-Magel) PLASMA Gln Ala Asn ASL ↑ ↑/n ↑/n Cit Arg-suc Orn Lys Arg ↑↑ ↑↑↑ n n ↓/n Kapitel: Aminosäuren 13 Abbau des Kohlenstoffgerüstes der Aminosäuren Die Abbauprodukte von Aminosäuren sind im allgemeinen Intermediate des Citronensäurezyklus oder deren Vorstufen, so dass sie zu CO, und H 2 O verarbeitet oder in der Gluconeogenese eingesetzt werden können. Tatsachlich liefert der oxidative Aminosäureabbau typischerweise 10 bis 15% der im Stoffwechsel erzeugten Energie eines Tieres. D i e Standard-Aminosäuren können zu sieben verschiedenen Intermediaten des Stoffwechsels abgebaut werden, nämlich Pyruvat, α-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat, Oxalacetat, Acetyl-CoA oder Acetoacetat. Die Aminosäuren lassen sich je nach katabolischem Weg in zwei Gruppen einteilen: 1. Glucogene (glucoplastische) AS Æ Synthese v. Kohlehydraten 2. Ketogene (ketoplastische) AS Æ Fettsäuren und Ketokörper Ala, Gly Cys, Ser Thr, Trp Glucose CO2 PEP Pyruvat CO2 Asp Asn Tyr Phe Asp CO2 Leu Lys Phe Tyr Leu Ile Trp, Thr Acetyl-CoA Acetoacetat Lipide Citrat Oxalacetat CitronensäureZyklus CO2 a-Katoglutarat Fumarat Glu Gln His Pro Arg CO2 Succinly-CoA Ile Met Thr Val ketogene AS glucogene AS So ist z. B. Alanin glucogen, weil sein Transaminierungsprodukt Pyruvat über die Gluconeogenese in Glucose umgewandelt werden kann. Leucin dagegen ist ketogen, da sein Kohlenstoffgerüst zu Acetyl-CoA und Acetoacetat abgebaut wird. Kapitel: Aminosäuren Ala Gly Cys Ser Thr Trp 14 Æ Pyruvat Das Abbauprodukt von fünf Aminosäuren (Alanin, Cystein, Glycin, Serin und Threonin) ist Pyruvat. Tryptophan gehört eigentlich auch zu dieser Gruppe, da eines seiner Abbauprodukte - Alanin - durch Transaminierung zu Pyruvat konvertiert wird. Abbau des Glycins Glycin wird durch Serin-Hydroxymethyltransferase - ein PLP-haltiges Enzym - in Serin umgewandelt. Dieses Enzym verwendet N5,N10-Methylen-Tetrahydrofolat (5,10-MTHF) als Coenzym, das die für diese Umwandlung benötigte C1-Einheit liefert. Die bei der Umwandlung von Glycin in Serin eingesetzte Methylen-Gruppe aus N5,N10-Methylen-THF stammt aus einem zweiten Abbauweg fur Glycin; dieser wird vom glycinabbauenden Enzymkomplex (bei der Rückreaktion als Glycin-Spaltsystem bezeichnet) katalysiert. Es handelt sich dabei um einen Multienzymkomplex. Die Synthese des Glycins erfolgt über eine Serin-Aldolase. Abbau des Glycins CO2 + NH4+ Gly NADH H2C NAD+ COO 5,10-MTHF 2 NH 3 1 THF C OH NH 3 COO 1. Gly Ö Ser (Ö Pyruvat) 2. Gly Ö CO2 + NH4+ Gly Ser-Aldolase H2C H + - - + Ser Pyruvat + NH4+ Ser-Dehydratase (PLP) ] Ser-Hydroxymethyltransferase (PLP-Enzym) ] Gly-Spaltsystem (THF-abhängig) Die menschliche Erbkrankheit nichtketotische Hyperglycinamie (NKH), die sich durch geistige Retardierung und Akkumulation grösser Mengen von Glycin in den Körperflüssigkeiten auszeichnet, beruht auf einem Fehlen des glycinabbauenden Enzymkomplexes. Kapitel: Aminosäuren Ile Val Leu 15 Æ Acetoacetat Æ Pyruvat Beim Abbau von Isoleucin, Leucin und Valin, die verzweigte Ketten haben, sind die Enzyme bei den ersten drei Reaktionen: (1) Transaminierung zur entsprechenden αKetocarbonsdure, (2) oxidative Decarboxylierung zum entsprechenden Acyl-CoA und (3) Dehydrierung durch FAD unter Bildung einer Doppelbindung. Danach verläuft der Isoleucinabbau wie bei der Fettsäureoxidation: (4) Hydratisierung der Doppelbindung, (5) Dehydrierung durch NAD + und (6) thiolytische Spaltung zu AcetylCoA und Propionyl-CoA, das anschliessend zu Succinyl-CoA ,verarbeitet" wird. Valin wird analog abgebaut: Nach der Hydratisierung der Doppelbindung (7), wird (8) die CoAThioester-Bindung hydrolysiert, dann erst folgt (9) die zweite Dehydrierungsreaktion. Die Thioesterbindung wird in der letzten Reaktion (10) - einer oxidativen Decarboxylierung anstelle einer thiolytischen Spaltung - als Propionyl-CoA regeneriert. Abbau der Verzweigkettigten Aminosäuren und bekannte Enzymdefekte n n n o o o p p p q t r u v s nm Kapitel: Aminosäuren 16 1. Schritt: Transaminierung (PLP); Cytosol NH 2 CH3 CH 2 CH Isoleucin CH COOH CH3 α-KG Transaminierung (PLP) Glu O β CH 3 CH2 CH C COOH α CH 3 α-Keto-β-Metyl-Valeriansäure 2. Schritt: oxidative Decarboxylierung (CoSH, NAD+, FAD); innere Mitochondienmembran O CH 3 CH 2 CH α-Keto-β-Metyl-Valeriansäure C CH 3 Oxosäurendehydrogenase (Enzymkoplex) CoSH NAD+ FAD O CO2 CH 3 CH 2 CH α-Methylbutyryl-CoA COOH CH 3 C SCoA Kapitel: Aminosäuren 17 3. Schritt: Dehydrierung (FAD); Mitochondrien O CH 3 CH 2 CH α-Methylbutyryl-CoA C CH 3 SCoA Acyl-CoA-Dehydrogenase FAD O CH 3 CH C C CH3 Tiglyl-CoA SCoA Ahornsirup-Krankheit ist die Folge eines Defektes beim Abbau verzweigtkettiger Aminosäuren α-Ketoisovalerat-Dehydrogenase, die beim Abbau von Aminosäuren mit verzweigten Ketten Reaktion 2 katalysiert, ist ein Multienzymkomplex, der neben seinem terminal oxidierenden Agens NAD+ die Coenzyme TPP, Lipoamid und FAD einsetzt. Ein genetischer Defekt in diesem Enzymkomplex ist die Ursache der Ahornsirup-Krankheit (Meaplesyrup urine disease, MSUD); die daraus folgende Akkumulation von α-Ketocarbonsäuren (αKeto-β-Methylvaleriansäure) mit verzweigten charakteristischen von Ahornsirup Geruch Ketten verleiht dem (würzig-süsslich). Wird Urin der den Anteil verzweigtkettiger Aminosäuren in der Nahrung nicht reduziert, führt die Krankheit schnell zum Tod. α-Ketosäuren-Dehydogenase Komplex • 6 Genloci: 2 Proteine und 4 regulatorische Enzyme • MSUD Häufigkeit: 1:200'000 Neugeborene (Mennoiten 1:176) • Phenotyp: Apathie, Trinkschwäche, Krämpfe, Coma Kapitel: Aminosäuren Phe Tyr 18 Æ Fumarat Æ Acetoacetat Die erste Reaktion des Abbaus von Phenylalanin ist die Hydroxylierung zu Tyrosin, so dass der weitere Abbau der beiden Aminosäuren auf einem einzigen Weg erfolgt. Die Endprodukte des sechsstufigen Abbaus sind Fumarat, Bestandteil des CitronensäureZyklus, und Acetoacetat. Abbau der aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin Phenylalaninhydroxylase CH 2 CHNH 2 Tetrahydrobiopterin +O2 -H2O OH OH CH 2 CH 2 CHNH 2 C +H2O CH 2 COOH OH Homogentisinsäure O Isomerase O Dioxygenase +O2 p-Hydroxyphenylpyruvat O HOOC Ascorbat +O2 -CO2 COOH Tyrosin Fumarat Acetoacetat Dioxygenase α-Ketoglutarat (PLP) COOH COOH Phenylalanin OH Transaminase O O COOH COOH COOH Fumarylacetoacetat (trans) Maleylacetoacetat (cis) Phenylketonurie (PKU) und Hyperphenylalaninämien PKU und Hyperphenylalaninämien sind eine Gruppe von angeborenen StoffwechselErkrankungen, die auf eine ungenügende Oxidation des Phenylalanins zurückzuführen sind. Die gemeinsame biochemische Abnormität ist eine Anhäufung von Phenylalanin im Gewebe und Blut. Je nach Schweregrad der Hyperphenylalaninämie werden drei Formen unterschieden (klassische PKU, milde PKU und benigne Hyperphenylalaninämie). Asbjörn Fölling (Norwegen) fand 1934 im Urin eines Patienten grosse Mengen Phenylbrenztraubensäure. Drei Jahre später wurde diese Krankheit als „Phenylketonurie“ beschrieben und erst 1947 konnte mittels eines Phenylalaninbelastungstestes der metabolische Defekt bei diesen Patienten identifiziert werden. Es wurde festgestellt, dass es sich dabei um einen Phenylalaninhydroxylase-Mangel handelt. Bickel und Mitarbeiter (Heidelberg) führten eine wirksame Therapie mit einer phenylalaninarmen Diät ein und Kapitel: Aminosäuren 19 Guthrie und Susi propagieren seit 1961 das Screening auf Hyperphenylalaninämie bei Neugeborenen mit dem von ihnen entwickelten bakteriellen Hemmtest (Guthrietest). Phenylketonurie (PKU): Entstehung von Metaboliten PAH COO CH 2 CH NH 3 - NH 3 HO Phenylalanine a-Ketoglutarat COO CH 2 CH + - + Tyrosin Transaminasen (PLP) Glutalat CH 2 C COO - Phenylpyruvat O NADH +H+ NAD + Dehydrogenase NADH +H+ NAD+ CoA CO2 H2O CH 2 COO CH 2 CO - SCoA CH 2 CH COO - OH Phenylacetat CoA Phenylacetyl-CoA Phenyllactat Das überschüssige Phenylalanin wird auf einem sonst unbedeutenden Weg zu Phenylpyruvat transaminiert. Phenylalanin-Hydroxylase-Mangel erklärt auch ein anderes allgemeines PKU-Symptom: Die Betroffenen haben hellere Haar- und Hautfarbe als ihre gesunden Geschwister. Die Tyrosin-Hydroxylierung, die erste Reaktion bei der Bildung des schwarzen Hautpigments Melanin, wird durch erhöhte Phenylalaninspiegel gehemmt. Phenylalanin hemmt zudem zwei geschwindigkeitsbestimmende Enzyme in der Biosynthese von Dopamin und Serotonin (Tyrosin- und Tryptophanhydroxylase). Phenylketonurie • Häufigkeit: 1:15’000 Neugeborene • Erbgang: Autosomal-rezessiv • Phenotyp (unbehandelt): Hypotonie der Rumpfmuskulatur, Hypertonie der Extremitäten, Epilepsie, Ptose • Therapie: Phenylalaninarme Diät (neu: BH4-Cofaktor Therapie) Kapitel: Aminosäuren 20 Neugeborenen Screeing Ein Enzymdefekt führt zu einem Block in einer Reaktionskette des Intermediärstoffwechsels. Die dem Block folgenden Metaboliten werden nicht oder nur in erheblich verminderter Menge gebildet und die Vorstufen akkumulieren (Phenylalanin). Jedem Neugeborenen werden in der ersten Lebenswoche aus der Ferse einige Tropfen Blut für den so genannten „GuthrieTest“ entnommen. Die Neugeborenen werden, neben der PKU, auch auf einige andere behandelbare Stoffwechselstörungen getestet. Bei dem „Guthrie-Test“ auf PKU werden die Bakteriensporen (B. subtilis) zusammen mit dem Inhibitor (β-Thienylalanin; Antimetabolit) in einem phenylalanin-freien Agar auf Platten gegossen. Auf diese Agarplatte werden Trockenblutproben (Filterpapier) aufgelegt. Durch die Gegenwart von Phenylalanin in diesen Proben wird die Wirkung des kompetitiven Inhibitors (β-Thienylalanin) aufgehoben und die Bakterien bilden einen Wachstumshof. Die Größe dieses Wachstumhofes ist dem Gehalt der Blutprobe an Phenylalanin proportional. Phenylalanin im Blut (normal) < 0.12 mmol/l Tetrahydrobiopterin (BH4): Cofaktor der Hydroxylierung von aromatischen Aminosäuren Die Hydroxylierung von Phenylalanin durch das Fe(III)-haltige Enzym PhenylalaninHydroxylase benötigt einen Cofaktor: Tetrahydrobiopterin, ein Pterin-Derivat. Pterine enthalten ein Pteridinring, welcher auch in der Folsäure enthalten ist (siehe Kapitel: C1Stoffwechsel). Pterine sind wie Flavine an biologischen Oxidationen beteiligt. Die aktive Form von Biopterin ist die vollreduzierte Form 5,6,7,8-Tetrahydrobiopterin. Sie wird durch drei Enzyme (GTP-Cyclohydrolase, PTP-Synthase und Sepiapterin-Reduktase) aus GTP gebildet. In der Phenylalanin-Hydroxylase-Reaktion wird 5,6,7,8- Tetrahydrobiopterin über eine Zwischenstufe (Carbinolamin) zur chinoiden Form von 7,8Dihydrobiopterin oxidiert. Dieses Chinoid wird anschliessend durch das NADH-abhängige Enzym Dihydropteridin-Reduktase reduziert und der aktive Cofaktor regeneriert. Kapitel: Aminosäuren 21 Funktion des Tetrahydrobiopterins als Redox-Cofaktor O GTP HN H2N N H N OH OH N H O +O2 PAH N H2N OH O H N N Phe OH N H 5,6,7,8-Tetrahydrobiopterin +NADH - NAD+ OH CH 2 CHNH2 COOH DHPR PAH OH OH O H2N -H2O N N N N H O OH PCD q-Dihydrobiopterin N H2N N OHH N N H OH Tyr OH Tetrahydrobiopterin4a-carbinolamine CH 2 CHNH2 COOH PCD = Pterin-4a-Carbinolamindehydratase DHPR = Dihydropteridin-Reduktase Enzyme, die auf diese Weise zwei miteinander gekoppelte Oxidationen katalysieren (Oxidation von Phenylalanin zu Tyrosin und 5,6,7,8-Tetrahydrobiopterin zu q-7,8-Dihydrobiopterin), werden als gemischt funktionelle Oxidasen (Hydroxylasen, Monooxygenasen) bezeichnet. Allgemeine Reaktion: XH + CoeH2 + O2 Æ X-OH + H2O + Coe Tetrahydrobiopterin-Mangel Seit 1974 wurde über einige Patienten mit atypischer Hyperphenylalaninämie berichtet, die trotz Früherkennung und Behandlung mit phenylalaninarmer Diät progressive neurologische Störungen und einen zunehmenden Entwicklungsrückstand zeigten und zum Teil daran starben. Man fand bei diesen Patienten ein Defekt in der Biosynthese des BH4, das im Gegensatz zur Folsäure, kein Vitamin darstellt, sondern im gesunden Menschen nach Bedarf in katalytisch kleinen Mengen synthetisiert wird. Die Bedeutung dieser Stoffwechselkrankheiten, die alle als BH4-Mangel bezeichnet werden können, ist trotz ihrer Seltenheit (2-3 : 1’000’000) gross. Das Risiko eines Hirnschadens bei konventioneller Behandlung eines neuentdeckten Patienten mit Hyperphenylalaninämie muss vermieden werden. Kapitel: Aminosäuren 22 BH4-Mangel (Info: www.bh4.org) • Häufigkeit: 1:1’000’000 Neugeborene • Erbgang: Autosomal-rezessiv • Phenotyp (unbehandelt): Hypotonie der Rumpfmuskulatur, Hypertonie der Extremitäten, Epilepsie, Ptose, • Therapie: BH4-Cofaktor Therapie, Neurotransmitter-Vorstufen (L-Dopa/Carbidopa/5-hydroxytryptophan) Abbau des Tyrosins (Abb. S. 18) Tyrosin verliert seine Aminogruppe über die Transaminierung auf a-Ketoglutarat oder Pyruvat. Das verantwortliche Enzym, die Tyrosinaminotransferase, ist sowohl im Cytosol als auch in den Mitochondrien nachweisbar. Das entstandene p-Hydroxyphenylpyruvat wird durch die cytosolische p-Hydroxyphenylpyruvat-Dioxygenase, eine kupferhaltige mischfunktionelle Oxygenase in Leber und Nieren, in Homogentisat umgewandelt. Bei dieser Reaktion, die die Anwesenheit von Ascorbinsäure (Vitamin C) oder einem anderen Reduktionsmittel erfordert, erfolgt gleichzeitig die Hydroxylierung des Benzolrings in Parastellung sowie eine Wanderung der Pyruvatseitenkette, aus der durch Dehydrierung und Decarboylierung eine Acetatseitenkette entsteht. Im nächsten Schritt wird der Benzolring durch die Einführung von molekularem Sauerstoff gespalten. Katalysator ist die Homogentisatdioxygenase, ein eisenabhängiges Protein. Das Reaktionsprodukt Maleylacetoacetat wird durch eine Glutathion-abhängige cistrans-Isomerisierung in Fumarylacetoacetat umgewandelt und anschliessend hydrolytisch in Fumarat und Acetacetat gespalten. Fumarat ist ein direkter Bestandteil des Citratcyclus, Acetoacetat, ein Ketonkörper, wird nach Aktivierung zu Acetoacetyl-CoA in 2 Moleküle Acetyl-CoA gespalten. Tyrosinämien Drei angeborene Stoffwechseldefekte im Tyrosinabbau sind bekannt: • Tyrosinämie Typ 1 (Fumaryl-Acetoacetase-Mangel) • Tyrosinämie Typ 2 (Tyrosinaminotransferase-Mangel) • Alkaptonurie (Homogentisinsäure-Dioxigenase-Mangel) Bei der Tyrosinämie Typ 1 (Inzidenz 1:100’00) handelt sich um eine autosomal-rezessiv vererbte Abbaustörung von Tyrosin, die zur Bildung des toxischen Metabolites Succinylaceton (aus Fumarylacetoacetat und Maleylacetoazetat) führt. Die toxischen Kapitel: Aminosäuren 23 Metabolite greifen in die Hämsynthese ein und verursachen eine progrediente Hepatopathie mit schlechter Prognose, die entweder im ersten Lebensjahr zum Leberversagen und Tode oder - bei langsamerem, chronischen Verlauf - zur Leberzirrhose, häufig hepatozellulärem Karzinom und Tod in der späten Kindheit führt. Während früher allein die Lebertransplantation die einzige Möglichkeit war, das Leben zu retten, steht heute mit dem NTBC [2-(2-Nitro-4-trifluoromethylbenzoyl)-1,3-zyklohexandion] ein potenter Inhibitor des Abbaus des Tyrosins auf einer Stufe vor der Furmaylacetoacetase (p-Hydroxyphenylpyruvat-Dioxygenase) zur Verfügung, der verhindert, dass die toxischen Metaboliten anfallen. Alkaptonurie ist die erste, zu Beginn dieses Jahrhunderts von Archibald Garrod erkannte, angeborene Stoffwechselkrankheit, die zur Ausscheidung grosser Mengen von Homogentisinsäure führte. Die Symptome der Alkaptonurie sind relativ milde und treten erst im Erwachsenenalter auf. Typischerweise entwickeln Alkaptonuriker im Laufe des Lebens eine Arthritis; ihr Urin färbt sich infolge Luftoxidation des ausgeschiedenen Homogentisats dunkel. Aminosäuren als Vorstufer wichtiger Biomoleküle Bestimmte Aminosäuren sind Vorstufen wichtiger Biomoleküle, einschliesslich der Nucleotide und Nucleotid-Coenzyme, Häm, verschiedener Hormone, Neurotransmitter und Glutathion. Tyr Æ Katecholamine Æ Melanin Æ Thyroxin Biosynthese der Katecholamine aus Tyrosin Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin werden zusammen als Katecholamine bezeichnet, da sie die Amin-Derivate von Katechol sind. Die Umwandlung von Tyrosin in die verschiedenen Katecholamine läuft über eine Tyrosin-Hydroxylase (BH4-Abhängig), AADecarboxylase (B6-Abhängig), Dopamin-β-Hydroxylase (Vit.C-Abhängig; Cu-Enzym) und Phenylethanolamin-N-Methyltransferease (SAM-Abhängig; siehe Kapitel „C1-Stoffwechsel). Kapitel: Aminosäuren 24 Biosynthese der Katecholamine Biosynthese von Melanin aus Tyrosin Melanin ist einer der wichtigsten Pigmenstoffe der Natur (Schutz vor ionisierter UVStrahlung). Es wird aus Tyrosin in mehreren Stufen gebildet und hat quantitativ für den TyrAbbau keine Bedeutung. Die ganze Reaktionsfolge wird von einem einzigen Enzym, der Monophenol-Monooxygenase (früher Tyrosinase genannt), katalysiert. Der Bildungsort sind die Melanozyten in Basalschicht von Haut und Auge. Kapitel: Aminosäuren 25 Melaninbiosynthese OH OH MonophenolHO Monooxygenase H Ringschluss O CH 2 CH 2 CHNH 2 CHNH 2 COOH COOH Tyrosin L-Dopa H O COOH Decarboxylase N H H -CO2 O N H O Indol-5,6-chinon Polymerisation Dopachrom O O NH Polymertypen: Polymertypen: Eumelanine Eumelanine(schwarz-braun) (schwarz-braun) Phäomelanine Phäomelanine(gelb-rotbraun) (gelb-rotbraun) Triochrome Triochrome(rot); (rot);Cys Cys HN O Melanin Melaninmangel • Monophenol-Monooxygenase-Mangel (Albinismus) o Rote Augenfarbe o Weisse Haut o Flaches blondes Haar o Sehr Lichtempfindlich o Gefahr von Melanomen • Vitiligio o weisse Flecken o Ursache unklar • • PKU (reduzierte Zufuhr von Tyrosin) Kupfermangel (Monooxygenase = Cu-Enzym) O Kapitel: Aminosäuren 26 Biosynthese von Aminosäuren Viele Aminosäuren können nur von Pflanzen und Mikroorganismen synthetisiert werden. Da Säuger diese Aminosäuren mit der Nahrung aufnehmen müssen, bezeichnet man sie als essentielle Aminosäuren. Aminosäuren, die von Säugern selbst gebildet werden können, nennt man nichtessentiell. Die für Menschen essentiellen und nichtessentiellen Aminosäuren sind unten aufgeführt. Arginin wird zwar im Harnstoff-Cyclus synthetisiert, da aber Kinder (nicht Erwachsene) während ihrer normalen Entwicklung mehr davon benötigen, als dieser Stoffwechselweg liefern kann, rechnet man es zu den halbessentiellen Aminosäuren. Essentielle Nichtessentielle Arginin* Alanin Histidin Asparagin Isoleucin Aspartat Leucin Cystein Lysin Glutamat Methionin Glutamin Phenylalanin Glycin Threonin Prolin Tryptophan Serin Valin Tyrosin Biosynthese nichtessentieller Aminosäuren Alle nichtessentiellen Aminosäuren, ausser Tyrosin, werden auf einfachen Wegen synthetisiert, die von vier Grundbausteinen des Stoffwechsels ausgehen: Pyruvat, Oxalacetat, α-Ketoglutarat und 3-Phosphoglycerat. Tyrosin entsteht in einem Schritt durch Hydroxylierung der essentiellen Aminosäuren Phenylalanin, ist also strenggenommen ebenfalls als essentiell anzusehen. Biosynthese aus Pyruvat, Oxalacetat und α-Ketoglutarat durch Transaminierung Ala: Pyruvat Æ Ala Asp, Asn: Ocalacetat Æ Asp (Asn) Glu, Gln: α-Ketoglutarat Æ Glu (Gln) Kapitel: Aminosäuren 27 Biosynthese von Alanin, Aspartat, Glutamat, Asparagin und Glutamin Pyruvat Oxalacetat AS AS Transaminasen AS Transaminasen α-KS Alanin α-Ketoglutarat Transaminasen α-KS α-KS Aspartat Glutamat ATP NH3 ATP Asn-Synthase AMP+PPi Gln-Synthase ADP+Pi Asparagin Glutamin Synthese von Prolin, Ornithin und Arginin aus Glutamat Bei der Umwandlung von Glutamat in Prolin sind 4 Enzyme beteiligt. Glu Æ Glu-5-P Æ Glu-5-semialdehyd Æ Æ Prolin Bei der Umwandlung von Glutamat in Ornithin sind 5 Enzyme beteiligt. Glu Æ N-Acetyl-Glu Æ N-Acetyl-Glu-P Æ N-Acetyl-Glu-semialdehyd Æ N-Acetyl-Orn Æ Orn Arginin wird im Harnstoffzyklus aus Ornithin synthetisiert. Synthese von Serin, Cystein und Glycin aus 3-Phosphoglycerat 3-Phosphoglycerat Æ 3-Phosphohydroxypyruvat Æ 3-Phosphoserin Æ Serin Serin + Homocystein Æ Cystathionin Æ Cystein (siehe Seite 31) Serin Æ Glycin (siehe Seite 14)
