Stoffwechsel von Aminogruppen

1. Stoffwechsel von Aminogruppen Katja Arndt, 30.10.2006

2. Aminosäure-Metabolismus Nahrungsproteine Aminosäure-Pool andere N-haltige Substanzen Proteine, Enzyme Kohlenstoff-Skelett NH4+ Pyruvat, Intermediate des Citrat-Cyclus Harnstoff Acteyl-CoA oder ATP-Produktion Glukose

3. Stoffwechsel der Aminogruppen periphere Organe Glutamin Leber Niere Umbau Abbau Harnstoff

4. Warum Aminostoffwechsel ? • Aminosäuren wichtig für Protein-Biosynthese. • Zellen können Amino-Gruppe nicht vollständig zu N2 oxidieren. • Primäres Abbauprodukt ist Ammoniak (= NH3) – toxisch! • Umwandlung in nicht-toxisches, gut wasserlösliches Molekül: Harnstoff

5. Entsorgung des Stickstoffs • Transaminierung: Übertragung der Amino-Gruppe auf anderes Molekül. • Desaminierung: Abspaltung der Amino-Gruppe, Bildung von Ammoniak, Umbau zu Harnstoff. • Decarboxylierung: Abspaltung der Carboxyl-Gruppe resultiert in Biogenen Aminen, z.B. Histamin, GABA (mengenmäßig unbedeutend). Coenzym: Pyridoxalphosphat (PLP, PALP) (aus Vit. B6: Pyridoxal)

6. Die wichtigsten Moleküle beim Aminostoffwechsel COO− | H3N+ — Cα— H | R1 COO− | H3N+ — Cα— H | CH3 COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | COO− COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | CH2 | COO− COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | CH2 | H2N — C = O α-Aminosäure Alanin Aspartat Glutamat Glutamin COO− | O = Cα | R1 COO− | O = Cα | CH3 COO− | O = Cα | CH2 | COO− COO− | O = Cα | CH2 | CH2 | COO− Pyruvat α-Ketopropionsäure Brenztraubensäure α-Ketosäure Oxalacetat α-Ketobernsteinsäure α-Ketoglutarat

7. Transaminierung: Überblick COO− | H3N+ — Cα— H | R1 COO− | O = Cα | R2 COO− | O = Cα | R1 COO− | H3N+ — Cα— H | R2 α-Aminosäure 1 α-Ketosäure 2 Transaminase (PALP) α-Ketosäure 1 α-Aminosäure 2

8. Transaminierung: Überblick COO− | O = Cα | CH2 | CH2 | COO− COO− | H3N+ — Cα— H | R1 COO− | O = Cα | R1 COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | CH2 | COO− COO− | O = Cα | CH2 | COO− α-Aminosäure 1 Transaminase (PALP) α-Ketoglutarat Oxalacetat COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | COO− α-Ketosäure 1 Glutamat Aspartat

9. Mechanismus der Transaminierung – Teil 1 Schiffsche Base (Aldimin, C=N) aus PALP und Aminosäure Abspaltung α-Ketosäure Einlagerung Aminosäure PALP (Pyridoxalphosphat) PAMP (Pyridoxaminphosphat)

10. Mechanismus der Transaminierung – Teil 2 PALP (Pyridoxalphosphat) PAMP (Pyridoxaminphosphat) Abspaltung Aminosäure Einlagerung α-Ketosäure Schiffsche Base (Aldimin, C=N) aus PALP und Aminosäure

11. Für die Klinik wichtige Aminotransferasen COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | COO− COO− | O = Cα | CH2 | CH2 | COO− COO− | O = Cα | CH2 | COO− COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | CH2 | COO− • Aspartat-Aminotransferase (AST, ASAT) Aspartat/Glutamat-Aminotransferase alter Name: Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT, SGOT) Aspartat Aspartat-Aminotransferase α-Ketoglutarat Oxalacetat Glutamat Enzym der Leber (Mitochondrien), gelangt bei Leberschädigung in Blutplasma.

12. Für die Klinik wichtige Aminotransferasen COO− | H3N+ — Cα— H | CH3 COO− | O = Cα | CH2 | CH2 | COO− COO− | O = Cα | CH3 COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | CH2 | COO− • Alanin-Aminotransferase (ALT, ALAT) Alanin/Glutamat-Aminotransferase alter Name: Glutamat-Pyruvat-Transaminase (GPT, SGPT) Alanin α-Ketoglutarat Alanin-Aminotransferase Pyruvat Glutamat Enzym der Leber (Zytoplasma), gelangt bei Leberschädigung in Blutplasma.

13. Bedeutung in der Diagnostik

14. Bedeutung in der Diagnostik

15. Glukose-Alanin-Zyklus • Energieversorgung des Muskels. • Abtransport von NH4+ aus dem Muskel zur Leber.

16. Desaminierung • Entfernung der Aminogruppe, Bildung von Ammoniak. • Bis auf GLDH sind alle Desaminierungen irreversibel. • Oxidative Desaminierung • Aminogruppe oxidiert, dann hydrolysiert zu α-Ketosäure • Elektronen auf NAD+ oder NADP+ übertragen • Hydrolytisch Desaminierung • Abspaltung der Säureamidgruppe (Gln, Asn) • Eliminierende Desaminierung • Eliminierung von NH3 und Ausbildung einer Doppelbindung • seltene Reaktion

17. Oxidative Desaminierung COO− | O = Cα | CH2 | CH2 | COO− COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | CH2 | COO− COO− | H2N+ = Cα | CH2 | CH2 | COO− NAD(P)+ NAD(P)H + H+ Glutamat Glutamat-Dehydrogenase (GlDH) α-Iminoglutarat (Schiffsche Base) Trans-Deaminierung: Combination von Transaminase mit Glutamat-Dehydrogenase H2O NH4+ α-Ketoglutarat Enzym der Leber (nur Mitochondrien), gelangt bei Leberschädigung in Blutplasma.

18. Hydrolytische Desaminierung N für Purin- und Pyrimidinbiosynthese Niere: NH4+ zur Kontrolle des Urin pH Nerven: Inaktivierung des Neurotransmitters Glutamat Muskel: Substrat für Gluconeogenese in Leber COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | CH2 | H2N — C = O H2O Glutamin Glutaminase (aktiviert durch Pi) Glutamin- Synthetase ATP → ADP + Pi COO− | H2N —Cα — H | CH2 | CH2 | − O — C = O NH4+ Leber: Harnstoffsynthese Niere: Sekretion Glutamin → Glutamat Asparagin → Aspartat Glutamat

19. Decarboxylierung • Entstehung biogener Amine. • Pyridoxalphosphat (PALP) als Coenzym. • fast alle Aminosäuren CO2 COO− | H3N+ — Cα— H | R H | H3N+ — Cα— H | R Aminosäure-Decarboxylase (PALP) α-Aminosäure biogenes Amin • z.B.... • Histidin → Histamin (Mastzellen) • Glutamat → GABA (Glutamat γ-Aminobutyrat) (Rückenmark) • Phenylalanin, Tyrosin → → → Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin • Tryptophan → → Serotonin (Gewebehormon, ZNS) → Melatonin (Epiphyse) • Cystein → → Taurin (Leber, Gallensäure) • Serin → Ethanolamin (Membranbaustein) → Cholin → Acetylcholin (NS) • Lysin → Kadaverin

20. Stoffwechsel der Aminogruppen Peripherie versch. AS COO− | H3N+ — Cα— H | CH2 | CH2 | H2N — C = O Glutamin NH3 Glutamat Glutamin Leber Niere Glutamin NH3 Glutamat α-Ketoglutarat NH3 Harnstoff Harnstoff

21. Mitochondrium Cytosol P α-Ketoglutarat, 2[H] COO− | H3N+—Cα—H | CH2 | COO− Aspartat HCO3− NH4+ Glutamat Glutamat 2 ATP Carbamoyl-phosphat-Synthetase ATP NH2 | C = O | CH2—NH | CH2 | CH2 | H—C—NH3+ | COO− Citrullin 2 ADP+Pi AMP+PPi O || H2N—C~ P Carbamoyl-Phosphat Ornithin-Carbamoyl-Transferase Arginiosuccinat-Synthase NH2+ COO− || | C—HN—CH | | CH2—NH CH2 | | CH2 COO− | CH2 | H—C—NH3+ | COO− Argininosuccinat CH2—NH3+ | CH2 | CH2 | H—C—NH3+ | COO− Ornithin NH2+ || C—NH2 | CH2—NH | CH2 | CH2 | H—C—NH3+ | COO− Arginin Arginiosuccinat-Lyase Arginase H—C—COO− || H—C—COO− Fumarat H2N—C—NH2 || O Harnstoff

22. Mitochondrium Cytosol P α-Ketoglutarat, 2[H] COO− | H3N+—Cα—H | CH2 | COO− Aspartat HCO3− NH4+ Glutamat Glutamat 2 ATP Carbamoyl-phosphat-Synthetase ATP NH2 | C = O | CH2—NH | CH2 | CH2 | H—C—NH3+ | COO− Citrullin 2 ADP+Pi AMP+PPi O || H2N—C~ P Carbamoyl-Phosphat Ornithin-Carbamoyl-Transferase Arginiosuccinat-Synthase NH2+ COO− || | C—HN—CH | | CH2—NH CH2 | | CH2 COO− | CH2 | H—C—NH3+ | COO− Argininosuccinat Harnstoffcyclus CH2—NH3+ | CH2 | CH2 | H—C—NH3+ | COO− Ornithin NH2+ || C—NH2 | CH2—NH | CH2 | CH2 | H—C—NH3+ | COO− Arginin Arginiosuccinat-Lyase Arginase H—C—COO− || H—C—COO− Fumarat H2N—C—NH2 || O Harnstoff Song: OE Kabarett, Charité

23. Literatur Bücher: • Löffler, Petrides: Biochemie & Pathobiochemie, Springer Verlag, 7. Auflage, 2003. • Horn, et al.: Biochemie des Menschen, Thieme Verlag, 3. Auflage, 2005. • Doenecke, Koolman, Fuchs, Gerok: Karlsons Biochemie und Pathobiochemie, Thieme Verlag, 15. Auflage, 2005. • Berg, Tymoczko, Stryer: Biochemistry, W.H.Freeman & Co bzw. Spektrum Verlag, 5. Auflage, 2002/2003. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books oder http://bcs.whfreeman.com/biochem5/ ). www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka/lehre/dat/Stoffwechsel_Aminogruppen.ppt