Aminokyseliny

1. Aminokyseliny • V této přednášce byly použity materiály z prezentací • Mgr. Mirky Rovenské, PhD • Doc. RNDr. Jany Novotné, CSc. • oběma srdečně děkuji

10. METABOLISMUSAMINOKYSELIN

11. Dvacet standardních aminokyselin

12. Neesenciální Esenciální Semiesenciální* Alanin Asparagin Aspartát Glutamát Serin Fenylalanin Histidin Isoleucin Leucin Lysin Methionin Threonin Tryptofan Valin Arginin Cystein Glutamin Glycin Prolin Tyrosin Neesenciální a esenciální aminokyseliny u člověka *pouze v určitém období růstu a během nemoci.

13. TĚLESNÉ PROTEINY 250 – 300 g/den Odbourávání Proteosyntéza Trávení AMINOKYSELINY Transaminace Přeměna ulíkové kostry GLYKOLÝZA KREBSŮV CYCLUS MOČOVINA NH3 GLUKÓZA CO2 KETOLÁTKY ACETYL CoA METABOLISMUS AMINOKYSELIN NEBÍLKOVINNÉ DERIVÁTY Porfyriny Puriny Pyrimidiny Neurotransmitery Hormony Složené lipidy Aminocukry PROTEINY Z POTRAVY

14. Enzymy štěpící proteiny • Endopeptidázy • Žaludeční - pepsin • Pankreatické - trypsin, chymotrypsin, elastáza • Exopeptidázy • (tenké střevo) • aminopeptidázy, karboxypeptidázy, dipeptidázy • Pepsin (pH 1.5 – 2.5) – štěpí peptidovou vazbu před Tyr, Phe, mezi Leu, Glu • Trypsin (pH 7.5 – 8.5) – štěpí peptidovou vazbu mezi Lys a Arg • Chymotrypsin (pH 7.5 – 8.5) – štěpí peptidovou vazbu mezi Phe a Tyr • Pankreatická elastáza (pH 7.5 – 8.5) – štěpí peptidovou vazbu za Ala, Gly a Val • Hydrolyzují polypetidy na oligopetidy a až na aminokyseliny. Aminokyseliny jsou absorbovány střevní sliznicí,transportovány tkání. • Odbourávání aminokyselin probíhá intracelulárně. Prvním krokem je odstranění a-aminoskupiny, většinou ve formě amoniaku, který je vylučován, buď přímo, nebo přes další sloučeniny z organismu.

15. Deaminace a-ketokyselina Transaminace NH2 CH COOH R amin Oxidativní dekarboxylace Katabolismus aminokyselin a-ketokyselina + aminokyselina Základním předpokladem pro odbourávání aminokyselin je odstranění a-aminoskupiny transaminací a deaminací. Dekarboxylacívznikají biologicky aktivní aminy.

16. TRANSAMINACE Aminotransferázy (transaminázy) jsou specifické pro jeden pár aminokyseliny s její odpovídající a-ketokyselinou. Aminotransferázy mají v aktivním centru prosthetickou skupinu – pyridoxalfosfát (PLP)

17. + O N H 3 + - - - OOC C H C H C COO R C H COO 2 2 Aminokyselina a-Ketoglutarát + N H O 3 + - - - OOC C H C H C H COO R C COO 2 2 a-Ketokyselina Glutamát Transaminace. Přenos aminoskupiny na ketokyselinu

18. Transaminace. Přenos aminoskupiny na ketokyselinu + N H O 3 + - - - - OOC C H C H C H COO OOC C H C COO 2 2 2 Glutamát Oxaloacetát Aspartátaminotransferáza (AST) + O N H 3 + - - - - OOC C H C H C COO OOC C H C H COO 2 2 2 a-Ketoglutarát Aspartát

19. Aminotransferázy Substráty většiny aminotransferáz jsou a-ketoglutarát a oxaloacetát. Aminotransferázové reakce jsou reversibilní a podílí se tak i na syntéze aminokyselin. Aminotransferázy jsou důležité v klinické praxi Přítomnosti aminotransferáz ve svalových a jaterních buňkách se využívá k diagnostickým účelům. Klinické měření se nazývá: SGOT (serum glutamátoxaloacetáttransamináza), také aspartáttransamináza, AST a SGPT (serum glutamátpyruváttransamináza) nebo alanintransamináza, ALT. Vysoké aktivity těchto enzymů v krevním séru indikují porušení svalové nebo jaterní tkáně (infarkt myokardu, zánět jater, ).

20. Transport aminodusíku při odbourávání svalových proteinů Glukózo-alaninový cyklus Alanin vyplavený ze svalu a periferních tkání, je použit pro glukoneogenezi v játrech a glukóza je opětovně vychytávána svalem a periferními tkáněmi, kde z něho vzniká pyruvát. Ten je transaminován na alanin atd. Aminodusík z alaninu je v játrech použit pro syntézu močoviny. (Obdoba cyklu Coriových). Obrázek převzat z učebnice: D. L. Nelson, M. M. Cox :LEHNINGER. PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY Fifth edition

21. Glutamát uvolňuje svoji aminoskupinu v játrech jako amoniak L-Glutamátdehydrogenáza odstraňuje v játrechaminoskupinu z uhlíkaté kostry glutamátu • v játrech se hromadí glutamát vzniklý transaminací z jiných aminokyselin • aminoskupina se oxidativní deaminací z glutamátu uvolní glutamátdehydrogenázovou reakcí jako amoniak (reakce probíhá v mitochondriích) • glutamátdehydrogenáza je jako jediná z enzymů schopna využívat NAD+ i NADP+ jako akceptoryredukujících ekvivalentů • kombinované působení aminotransferázy a glutamátdehydrogenázy se nazývá transdeaminace. Obrázek převzat z: http://web.indstate.edu/thcme/mwking/nitrogen-metabolism.html

22. Glutamin transportuje amoniak z krevního řečiště Je nejvýznamnější transportní formou aminodusíku v krvi glutaminsyntetáza Ve své molekule nese hned dvě –NH2 skupiny pocházející z odbourávání AMK. Glutamin je transportován do jater a NH4 se v mitochondriích hepatocytů uvolní za pomoci glutaminázy, glutamin se mění zpět na glutamát. NH3 se glutaminázou mění na močovinu. Obrázek převzat z učebnice: Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley‑Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0‑471‑15451‑2

23. glukóza alanin, glycin cystein, serin tryptofan isoleucin leucin* tryptofan leucin*,lysin* fenylalanin tyrosin, tryptofan PEP pyruvát acetyl CoA acetoacetylCoA lipidy aspartát asparagin oxalacetát isoleucin methionin threonin valin fumarát acetyl CoA citrát glutamin glutamát histidin prolin arginin tyrosin fenylalanin aspartát sukcynyl CoA a-ketoglutarát Dvacet aminokyselin se odbourává na sedm produktů, které jsou součástí citrátového cyklu

24. Glukogenní aminokyseliny Metabolisují se na a-ketoglutarát, pyruvát, oxaloacetát, fumarát nebo sukcinyl CoA Aspartát Asparagin Arginin Phenylalanin Tyrosin Isoleucin Methionin Valin Glutamin Glutamát Prolin Histidin Alanin Serin Cystein Glycin Threonin Tryptofan

25. Ketogennía aminokyselinyMetabolisují se na acetyl CoA nebo acetoacetát Současně jsou i glukogemmí Metabolisují se na a-ketoglutarát, pyruvát, oxaloacetát, fumarát nebo sukcinyl CoA Fenylalanin Tyrosin Isoleucin Threonin Tryptofan Leucin a Lysin jsou pouze ketogenní

26. Metabolismus některých aminokyselin

27. Metabolismus methioninu Tvorba aktivovaného methioninu= S-adenosylmethionin (SAM) SAM slouží jako prekurzor pro řadu methylačních reakcí, např. konverze noradrenlinu na adrenalin. Po ztrátě CH3 vzniká S-adenosylhomocystein (SAH). Převzato zhttp://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.html

28. Biosyntéza cysteinu z methioninu Regenerace Met za přítomnosti N5-methyl- tetrahydrofolátu (vitaminy: folát + B12) • SAM se přes SAH mění na homocystein. • Homocystein kondenzuje se serinem na cystathion. • Cystathionáza rozštěpí cystathion na cystein a a-ketoglutarát. * Celá rerakce se nazývá transsulfurace *nefunkční enzym vede ke vzniku homocystinurii. Převzato zhttp://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.html

29. Homocystinurie Vrozená porucha metabolismu Met, geneticky podmíněná defektem enzymu cystathionin-β-syntázy. V moči je vysoká koncentrace homocysteinu a methioninu. Deformity kostí a poruchy zraku způsobené atypickým uložením čočky, předčasná ateroskleróza neléčený stav vede k opožděnému mentálnímu vývoji. . Vysoká chemická reaktivita homocysteinu a působení vzniku volných radikálů narušují jiné enzymy a mitochondrie buněk.

30. Bioyntéza tyrosinu z fenylalaninu Tetrabiopterin redukuje fenylalaninhydroxylázu a sám je zpět redukován NADH-dependentní dihydropteridinreduktázou. Chybějící nebo defektní fenylalaninhydroxyláza způsobuje hyperfenylalaninemie (koncentrace Phe > 120 mM). Převzato zhttp://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.html

31. Fenylketonurie Vrozená porucha metabolismu Phe, geneticky podmíněná defektem enzymu fenylalaninhydroxyláza. Nahromaděný Phe (1000 mM v plasmě) se stává hlavním donorem aminoskupiny a odčerpává v nervové tkáni a-ketoglutarát. V nervové tkáni chybí a-ketoglutarát pro Krebsův cyklus, snižuje se aerobní metabolismus. Neléčený stav vede k mentální retardaci.

32. valin isoleucin leucin a-ketoglutarátglutamát (transaminace) a-ketoisovalerát a-keto-b-methylbutyrát a-ketoisokaproát NAD+ oxidativní dekarboxylace dehydrogenáza a-ketokyselin* CO2 NADH + H+ isovaleryl CoA a-methylbutyryl CoA isobutyrylCoA Dehydrogenázový komplex rozvětvených a-ketokyselin acetyl CoA acetyl CoA propionylCoA + + propionyl CoA acetoacetát Odbourávání rozvětvených aminokyselin

33. Choroba javorového sirupu (aminoacidémie rozvětvených aminokyselin) Vrozená genetická porucha metabolismu rozvětvených aminokyselin, geneticky podmíněná defektem enzymů. Rozvětvené aminokyseliny a jejich a-ketokyseliny se dostávají ve vysokých koncentracích do moči. Mechanismus toxicity není znám. Neléčený stav vede k abnormálnímu vývoji mozku a mentální retardaci.

34. Selenocystein Nadávno zařazen mezi proteinogenní aminokyseliny jako 21 AK. Nachází se v aktivním místě různých enzymů, včetně antioxidačního enzymu glutathionperoxidázy a 5-deiodináz. Do proteinu se inkorporuje tRNA s UCA antikodonem. Záměna selenocysteinu za Cys vede ke značnému snížení enzymové aktivity (nedostatek Se v potravě).

35. Enzymy katalyzující reakce metabolismu bílkovin obsahují kofaktory komplex vitaminů B THIAMIN B1 (thiamindifosfát) oxidativní dekarboxylace a-ketokyselin RIBOFLAVIN B2 (flavinmononukleotid FMN, flavinadenindinukleotid FAD) oxidázaa-aminokyselin NIACIN B3 – kyselina nikotinová, (nikotinamidadenindinukleotid NAD+ Nikotinamidadenindinukleotidfosfát NADP+) dehydrogenázy, reduktázy PYRIDOXIN B6 (pyridoxalfosfát) transaminační reakce a dekarboxylace KYSELINA LISTOVÁ (tetrahydrofolát) enzymy metabolismu aminokyselin KYSELINA ASKORBOVÁ odbourání tyrosinu syntéza kolagenu

36. Přeměna aminokyselin na specialisované produkty Glycin hem, purin, konjugace na žlučové kyseliny, kreatin Histidin histamin Ornithin a arginin kreatin, polyaminy (spermidin, spermin) Tryptofan serotonin (melatonin) Tyrosin andrenalin a noradrenalin Kyselina glutamová g-aminomáselná kyselina (GABA) Biologicky aktivní aminokyseliny Neurotransmitery – glycin a kyselina glutamová

37. PŘEMĚNA AMINOKYSELIN NA ODVOZENÉ PRODUKTY

38. Glycin Glycin se podílí na biosyntéze hemu, purinu a kreatinu Syntéza hemu • a-dusík a uhlík glycinu jsou zabudovány do pyrrolového jádra, součásti porfyrinu (prostetická skupina hemu). • 1. Kondenzace glycinu a sukcynyl-CoA, za přítomnosti d-amino-levulátsyntázy(ALAsyntasa)v mitochondrii.

39. 2. Transport d-aminolevulové kyseliny (ALA) do cytosolu. • 3. ALAdehydratasadimerizuje dvě molekuly ALA na porfobilinogen Převzato z: http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb2/part1/heme.htm

40. Převzato z: http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb2/part1/heme.htm Glycin Jako součást purinu Převzato z učebnice: D. L. Nelson, M. M. Cox: Lehninger Principle of Biochemistry. Fourt Deition.

41. NH2 Glycin Syntéza kreatinu a kreatininu NH3+ C = NH2 Gly NH CH2 Arg V ledvinách NH COO- (CH2)3 CH NH3+ CH2 amidinotransferasa COO- COO- Kreatinin NH2 Ornithin C = NH2 neenzymaticky guanidinoacetát Pi + H2O O- SAM = V játrech Met O P O- metyltransfetrasa SAH NH2 NH kreatinkinasa C = NH2 C = NH Kreatinfosfát Kreatin N CH3 N CH3 CH2 CH2 ADP ATP COO- COO-

42. Kreatinfosfát je zásobní forma vysokoenergetického fosfátu. Přechází na kreatin při vysoké potřebě energie (cvičení), předání fosfátu na ADP, vznik ATP • Kreatin a kreatinfosfát se nacházejí ve svalech, mozku a v krvi. • Produkce kreatininu je úměrná svalové hmotě. • Kreatinin je vylučován ledvinami, hladina exkrece (clearence) se používá pro měření renální funkce.

43. Sulfhydrylová skupina GSH redukuje peroxidy (vznik během transportu kyslíku). • Oxidovaná forma – glutathiondisulfid (GSSG). • (glutathionreduktasa + NADPH – redukce GSSG na dva GSH). Glycin Syntézaglutathionu • Glutathion (GSH) je tripeptid glutamátu, cysteinu a glycinu. • Hlavní endogenní reduktant a antioxidant, neutralizace volných radikálů a ROS, udržuje vit C a E v jejich redukované formě. • Velmi významný pro erytrocyty (oxidující prostředí uvnitř nich). • Konjuguje se s xenobiotiky, detoxifikace (glutathion-S-reduktasa) • Účast na transportu aminokyselin přes buněčnou membránu (cyklus g-glutamylu). • Kofaktor některých enzymatických reakcí. • Pomáhá při novém uspořádání disulfidických vazeb proteinů. • Součást glutathionperoxidasy,, různých oxidoreduktas. Oxidovaná forma Převzato zhttp://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb2/part1/heme.htm

44. Biologicky aktivní aminy vznikají z aminokyselin dekarboxylací Katecholaminy Dopamin, adrenalin a noradrenalin g-Aminomáselná kyselina (GABA) Serotonin Histamin Polyaminy spermin a spermidin

45. Syntéza katecholaminů z tyrosinu Dopamin, adrenalin, noradrenalin, • Tyrosin nevyužitý pro syntézu proteinů se přemňuje na katecholaminy. • Katecholaminy* jako neurotransmitery působení na a a b-adrenergní receptory (účinky na hladký sval, myokard, lipolýzu, glukoneogenezi). • Syntéza katecholaminů: • Tyrosin je transportován do místa jeho syntézy (buňky dřeně nadledvin, neurony sekretující katecholaminy). • Katecholaminy jsou skladovány ve vesikulech a jsou vázány na ATP a protein chromatin A. *Katechol = dihydroxybenzen

46. Noradrenalin Fenylethanolamin N-metyltransferasa tyrosinhydroxylasa Adrenalin Dopamin b-hydroxylasa dekarboxylasa • Hydroxylace na DOPA (3, 4-dihydrofenylalanin) • Konverze DOPA na dopamin • Konverze dopaminu na noradrenalin • Methylace noradrenalinu na adrenalin. Převzato zhttp://themedicalbiochemistrypage.org/amino-acid-metabolism.html

47. Všechny katecholaminy jsou degradovány dvěma enzymatickými systémy Monoaminooxidázou (MAO) Katechol-O-metyltransferasou (COMT) MAO Oxidativně deaminuje primárná amin a uhlík, na kterém byla původně aminoskupina navázána, zoxiduje ho na karoxyl. COMT Přenáší metyl (SAMaSAH) na OH skupinu katecholového jádra (vzniká methoxyskupina). Vzniká kyselina vanilmandlová. Kyselina vanilmandlová jako produkt působení MAO a COMT na katecholaminy

48. g-aminomáselná kyselina (GABA) Inhibiční neurotransmiter. Spolu s glycinem působí v CNS (mícha a mozkový kmen). Snížená produkce GABA vede k epileptickým záchvatům. Analoga GABA se používají jako antiepileptika. (hladinu GABA lze zvýšit podáním inhibitorů enzymu GABA aminotransferasy).

49. Dráha syntézy serotoninu a melatoninu z tryprofanu • Serotonin: • Je ve vysoké koncentraci obsažen v destičkách, gastrointestinálním traktu, neuronech v mozku. • Je jedním ze základních neurotransmiterů. (Umožňuje komunikaci mezi jednotlivými synapsemi v mozku a ovlivňuje nálady, emoce, paměť, bolest, spánek, chuť k jídlu). • Nedostatek způsobuje snížení přenosu nervových vzruchů. (antidepresiva inhibují zpětné vychytávání serotoninu, prodlužují účinek serotoninu). Serotonin působí přes specifické receptory (identifikovány a klonovány byly receptory 5HT1 -5HT7. Většina receptů je spojena s G-proteinem, ovlivňují adenylátcyklázu nebo fosfolypázu Cg. 5HT3je třída receptorů jsou iontové kanály). K některým receptorům mají vysokou afinitu antidepresiva - Prozac. Převzato z článku: http://www.vesmir.cz/clanek.php3?CID=3581

50. Derivát serotoninu. Hraje důležitou roli v udržování normálního biorytmu organizmu, zejména cyklu spaní a bdění. Produkován epifýzou hlavně během spánku. Produkce probíhá cyklicky. Působí přes vysokoafinitní receptory spojeny s G-proteiny. (U člověka byly nalezeny jak v mozku v suprachiazmatických jádrech, tak i v podvěsku mozkovém, ledvinách a ve střevě, u zvířat také v sítnici a v cévách). Je účinný ve vychytávání volných radikálů a protože je dobře rozpustný v tucích, prochází tedy lipidovou membránou – na zvířecích modelech omezil riziko vzniku rakoviny.