Aminosyrenedbryting og ureaproduksjon r-ch-coo nh3+

Aminosyrenedbryting og ureaproduksjon

• R-CH-COO-

• NH3+

Katabolisme av aminosyrer

• Aminosyrer som brytes ned kommer fra 3 kilder:

• Overskudd av inntak fra proteiner. Proteinene spaltes først i aminosyrer som deretter nedbrytes. Kroppen kan ikke lagre ekstra proteiner
• Daglig utskifting av proteiner
• Muskel som brytes ned i forbindelse med sult eller sykdom, diabetes

Katabolisme av aminosyrer

• De fleste aminosyrer brukes på nytt

• Som karbohydrater og fett kan også størsteparten av en aminosyre brytes ned i det vevet som vil bruke den til energiproduksjon

• Aminosyrenes karbonskjelett kan enten oksideres til CO2 og H2O eller det kan brukes som utgangspunkt for syntese av glukose via glukoneogenese reaksjonsveien

Katabolisme av aminosyrer

• Aminosyrenes aminogruppe brytes ned i spesielle reaksjoner i leveren

• Kroppen har derfor en transportoppgave når det gjelder å få aminogrupper fra alle perifert degraderte aminosyrer til leveren

Oversikt over aminosyre katabolismen

Aminogruppens metabolske skjebne

• Nitrogen er vanskelig å håndtere i metabolismen fordi det er for inert for biokjemiske prosesser

• Organismen tar derfor vare på og gjenutnytter sine aminogrupper

• Tre aminosyrer spiller en spesiell rolle i aminosyremetabolismen: Glutamat, glutamin og alanin

• I levercellenes cytosol overføres de fleste aminogrupper til -ketoglutarat som omdannes til glutamat

Aminogruppens metabolske skjebne

• Glutamat transporteres inn i mitokondriet hvor aminogruppen metaboliseres

• I de fleste andre vev overføres aminogruppen til glutamat som omdannes til glutamin

• Glutamin transporteres til leveren hvor aminogruppen metaboliseres

Aminogruppens metabolske skjebne

• I muskel overføres aminogruppen til pyruvat som omdannes til alanin

• Alanin transporteres til leveren hvor aminogruppen metaboliseres

Nitrogen utskilles på tre måter

• NH4+ utskilles av fisk, amfibier. Vannet de lever i løser det opp

• Urea utskilles av vertebrater, haier. Krever en del vann, skånsomt for vev

• Urinsyre utskilles av fugler, krypdyr. Krystalliserer, veier lite og krever ikke vann

Samling av NH2-grupper i glutamat Transamineringsreaksjonen

• Overføring av en aminogruppe fra et molekyle til et annet kalles en transaminering

• Reaksjonen katalyseres av transaminaser eller aminotransferaser

• Hver aminosyre har sin spesifikke aminotransferase som har navn etter den aminosyre som gir fra seg en aminogruppe i reaksjonen

• Eksempel: alanin aminotransferase overfører -NH2 fra alanin til -ketoglutarat

• Aminotransferaser bruker pyridoksalfosfat som kofaktor

Pyridoksalfosfat

• Pyridoksalfosfat er kovalent bundet til en lysinsidekjede i enzymet, prostetisk gruppe

• Pyridoksalfosfat bærer amino-gruppen under reaksjonen

Pyridoksalfosfat

• Pyridoksalfosfat er en prostetisk gruppe

• PLP er bundet med en kovalent dobbelbinding til en lysinsidekjede i enzymet, Schiff base

• Pyridoksalfosfat bærer amino-gruppen under reaksjonen

• Dobbelbindingen til enzymet erstattes av en enkelbinding til aminogruppen

Fri NH4+ er toksisk

• Noe fri NH4+ dannes bl. a. i hjernen

• Enzymet glutamin syntetase katalyserer innkorporering av NH4+ i glutamin

• Glutamin sendes via blodsirkulasjonen til leveren.

• Glutamin er neutralt, ikke toksisk og passerer lett cellemembranen

Glutamin transporterer aminogrupper fra periferien til leveren

Oksidativ deaminering

• Glutamat bærer aminogrupper fra mange aminosyrer i leveren

• Etter overføring til mitokondriet gjennomgår glutamat oksidativ deaminering

• Enzymet er glutamat dehydrogenase med NAD+/NADP+ som kofaktor

• -ketoglutarat går til sitronsyresyklus eller glukoneogenese

• Allosterisk enzym, GTP hemmer, ADP stimulerer aktiviteten

Alanin som -NH2-transportør

• Glukose-alanin syklus

• Arbeidende muskel har anaerob glykolyse => pyruvat kan ikke gi mere energi

• Pyruvat får overført en -NH2-gruppe og blir til alanin

• Føres med blodet til leveren hvor NH2-gruppen overføres til -ketoglutarat av enzymet alanin aminotransferase og pyruvat omdannes til glukose

• Glutamat overføres til mitokondriet hvor aminogruppen frigjøres av enzymet glutamat dehydrogenase

• Glukose sendes tilbake til muskelen

Samling av NH4+

• Aminogrupper fra perifere vev og fra reaksjoner i cytosol frigjøres for å bli ført inn i ureasyklus

Samling av NH4+

• Aminogrupper fra perifere vev og fra reaksjoner i cytosol frigjøres for å bli ført inn i ureasyklus

Ureasyklus

• Ureasyklus omdanner aminogrupper til urea

• Prosessen involverer enzymer i mitokondriet såvel som i cytosol

• Omdannelsen av aminogrupper til urea starter i mitokondriet og sluttføres i cytosol

• Ureasyklus inngår i tett samspill med sitronsyresyklus. Dette samspillet kalles ofte for Krebs bisyklus (Sitronsyre syklus = Krebs syklus)

Syntese av karbamoylfosfat

• Enzymet er karbamoylfosfat syntetase I, et allosterisk enzym, N-acetylglutamat stimulerer

• Reaksjonen har flere trinn og krever investering av 2 ATP

• CO2 + H2O <=> HCO3- + H+

• Bikarbonat reagerer først med ATP og fører til dannelse av en karbonsyre-fosforsyre anhydrid

Syntese av karbamoylfosfat

• Deretter spaltes anhydridbindingen og en ammoniumion koples på C-atomet. Vi får dannet karbamat

Syntese av karbamoylfosfat

• Karbamat fosforyleres ved bruk av ATP og vi får dannet karbamoylfosfat som har en anhydrid-binding

• Karbamoylfosfat kan betraktes som aktivert NH4+

Første trinn i ureasyklus foregår i mitokondriet

• Karbamoylfosfat overfører sin karbamoylgruppe til ornitin og det dannes citrullin. Pi frigis

• Reaksjon drives av hydrolysen av anhydridbindingen mellom karbamoylgruppen og fosfatgruppen

• Enzymet er ornitin transkarbamoylase

• Ornitin er en aminosyre, finnes bare som metabolismeintermediat

• Citrullin forlater mitokondriet

Cytosoliske trinn i ureasyklus

• Citrullin til argininosuccinat

• Citrullin aktiveres ved påkopling av AMP på karbamoyl C-atomet

• Enzymet er argininosuccinat syntetase

• For å drive reksjonen fremover hydrolyseres pyrofosfat til 2 Pi

Cytosoliske trinn i ureasyklus

• Aminogruppe nr. 2 skal nå hentes inn

• Enzymet er argininosuccinat syntetase

• Dette gjøres ved å bytte ut AMP med aspartat, som bindes via sin amino-gruppe til ureidogruppen i citrullin (det som var karbamoyl C-atomet)

• Det er nå dannet argininosuccinat

Cytosoliske trinn i ureasyklus

• Her spaltes argininosuccinat til arginin og fumarat

• Enzymet er argininosuccinat lyase

Cytosoliske trinn i ureasyklus

• Fumarat går tilbake til mitokondriet

• Via sitronsyresyklus gjendannes det til oksaloacetat

• Oksaloacetat kan få overført en ny aminogruppe fra glutamat og derved bli omdannet til aspartat

• Aspartat forlater mitokondriet og reagerer med citrullin

Cytosoliske trinn i ureasyklus

• Enzymet arginase spalter arginin i ornitin og urea

• Ornitin går tilbake inn i mitokondriet, klar til å hente en ny karbamoylgruppe

• Urea passerer over i blodet og utskilles av nyrene til urinen

• De cytosoliske enzymene i ureasyklus sitter tett assosiert på cytosolsiden av indre mitokondriemembran => substratkanalisering og dermed høy effektivitet

Ureasyklus

Krebs bisyklus

Regulering av ureasyklus

• Proteiner brytes ned og aminosyrer forbrennes til energi etter inntak av overskudd av protein eller ved langvarig sult

• Den økte frisetting av aminogrupper øker hastigheten i ureasyklus

• Det fins korttids- og langtidsregulering for ureasyklus

• Langtidsregulering: her reguleres syntesen av ureasyklusenzymene i leveren

• Syntesehastigheten for disse enzymene er høy ved sult eller proteinrik kost, mens den lav hos planteetere

• Korttidsregulering: her reguleres aktiviteten til allerede syntetiserte enzymer

• Aktiviteten til karbamoylfosfat syntetase reguleres allosterisk

Reguleringav karbamoylfosfat syntetase I

• Karbamoylfosfat syntetase I er allosterisk stimulert av N-acetyl-glutamat

• Ved høye nivåer av aminogrupper dannes N-acetylglutamat ved reaksjon mellom glutamat og acetyl-CoA Reaksjonen katalyseres av N-acetyl-glutamat syntase

• Dette enzymet er det første i reaksjons-veien som syntetiserer arginin fra glutamat

• Resten av enzymene i denne reaksjonsveien finnes ikke i leveren, bare i andre vev med aminosyre-syntese

• Reaksjonen tjener derfor bare reguleringsformål

Nettoreaksjon for ureasyntese

• 2 NH4+ + HCO3- + 3 ATP + H2O =>

• urea + 2 ADP + 4 Pi + AMP + 5 H+

• Det koster altså 4 ATP

• Fumarat kan kompensere dette noe. Omdannelse til oksaloacetat går via et oksidasjonstrinn og produserer en NADH. Når denne sender elektronene sine gjennom elektrontransportkjeden får vi dannet 2,5 ATP

• Nettokostnad for dannelse av urea er derfor nærmere 1,5 ATP

NH4+ er giftig

• Det er viktig å bli kvitt NH4+ på en kontrollert måte

• NH4+ er en svak syre, mens NH3 er en relativt sterk base

• Alkanisering anses å være en del av problemet, dette er spesielt farlig for hjernen

• NH3 menes også å forstyrre hjernens ATP produksjon og syntesen av nevrotransmittere

• Assimilering av NH4+ inn i biomolekyler katalyseres bl.a. av

• glutamin syntetase som omdanner glutamat til glutamin. Dette enzymet har lav Km for NH4+ og finnes i alle organismer