Aminosavak

Az aminosavak olyan szerves vegyületek, amelyek egy karboxilcsoporthoz kapcsolt szénatomból, hidrogénatomból, aminocsoportból és egy R csoportból (oldallánc) állnak. Emberben (és más eukariótákban) 21 különböző proteinogén aminosav létezik (amelyek közül 20-at a DNS kódol), valamint a szelenocisztein, amely egy speciális transzlációs mechanizmus révén integrálódik. Az aminosavak feloszthatók esszenciális aminosavakra (a szervezet nem tudja szintetizálni) és nem esszenciális aminosavakra (a szervezet szintetizálja). Az aminosavszármazékok közé tartozik a glicin, glutamát, hisztidin, arginin, triptofán és fenilalanin. Az aminosav katabolizmus olyan folyamatok összessége, amelyek mindegyikének meghatározott célja van, ideértve a metabolikus üzemanyagok (pl. piruvát, acetil-CoA) előállítását, újrafelhasználást az új fehérjék szintézisében, valamint az aminosavszármazékok létrehozását.

Áttekintés

Struktúra

• Az aminosav egy szénatomhoz kapcsolódik:
• Karboxilcsoport (-COOH),
• Hidrogénatom,
• Aminocsoport (-NH2),
• Változó R csoport (oldallánc): Meghatározza az egyedi tulajdonságokat,
• Csak az L-konfigurációjú aminosavak épülnek be a fehérjékbe,
• Emberben 21 standard proteinogén aminosav van:
• 20-at a DNS kódol a fehérjeszintézishez,
• A szelenocisztein egy speciális transzlációs újrakódolás révén keletkezik.

Tulajdonságok

Sav-bázis tulajdonságok

• Áttekintés:
• Az aminosavak nettó töltése és így polaritása a környező pH és a rendelkezésre álló protonoktól függ. A töltéssel rendelkező aminosavak polárossá/hidrofillé válhatnak,
• Savdiszociációs állandó (pKa):
• A gyenge sav vagy bázis erősségét jelzi,
• Az a pH, amelyben az ionizált és nem ionizált formák azonos koncentrációban vannak jelen,
• Valamennyi aminosavnak legalább két ionizálható csoportja van, amelyek mindegyikének megvan a maga pKa értéke,
• Az α-karboxil-csoport pKa értéke = 2,
• Az α-aminocsoport pKa értéke = 9-10,
• A savas/bázikus aminosavak más pKa-val rendelkeznek ionizálható oldallánc-csoportjuk miatt, amely változó,
• Savas aminosavak: Az oldalcsoportok negatív töltésűek (mindkettő pKa értéke ∼4),
• Asp,
• Glu,
• Bázikus aminosavak:
• Gyengén bázikus: Az oldalsó csoportnak nincs töltése (∼7,4),
• His: pKa = 6,
• Az imidazolgyűrűből származó 2 nitrogén mind bázikus, mind savas tulajdonságokat ad (amfoter). Az alacsony pKa ellenére is bázikusnak tekinthető, mert a bázikus nitrogén (a szabad elektronokkal együtt) egy donorcsoport protonjához kapcsolódhat, majd a savas nitrogénon keresztül továbbadhatja egy másik csoportnak,
• Az oldalsó csoportok pozitív töltésűek. Megtalálhatók a hisztonokban, amelyek a negatív töltésű DNS-t kötik meg,
• Lys: pKa = 10,5,
• Arg: pKa = 12,5.

Aminosav-származékok

• Glicin:
• (+ szukcinil-CoA + piridoxin) → porfirin → hem,
• (+ aszpartát + glutamin) → purinok,
• Glutamát:
• (+ piridoxin) → GABA,
• (+ glicin + cisztein) → glutation,
• Hisztidin (+ piridoxin) → hisztamin + CO₂ (dekarboxilezés),
• Arginin:
• (+ NADPH + tetrahidrobiopterin) → nitrogén-oxid,
• Karbamid,
• A kreatinin arginin + glicinből szintetizálódik,
• Triptofán:
• (+ piridoxin + riboflavin) → niacin (= B₃-vitamin) → NAD⁺/NADP⁺,
• (+ tetrahidrobiopterin + piridoxin) → szerotonin → melatonin,
• Fenilalanin:
• (+ tetrahidrobiopterin) → tirozin (+ tetrahidrobiopterin) → L-Dopa (+ piridoxin) → dopamin (+ C-vitamin) → noradrenalin (+ S-adenozil-metionin) → adrenalin,
  
• Tirozin → tiroxin (T4) → T3,
• L-Dopa → melanin.

Az aminosavak katabolizmusa

Áttekintés

• A fehérje katabolizmus során az aminosavak különböző anyagcsere folyamatokon mennek keresztül, különböző célokkal, beleértve:
• Aminosav katabolizmus, amely az alábbiak szintéziséhez vezet:
• Metabolikus üzemanyagok (pl. piruvát, acetil-CoA képződése),
• Karbamid a felesleges nitrogén kiválasztására,
• Újrafelhasználás az új fehérjék szintézisében:
• Aminosav származékok létrehozása,
• A metabolizmus lokalizációja:
• Esszenciális aminosavak: Alapvetően a májban,
• Nonesszenciális aminosavak: Szerte a testben,
• Az aminosavak anyagcseréje:
• Biokémiai reakciók:
• Az aminocsoport hasítása (transzaminálás vagy dezaminálás útján),
• A karboxilcsoport hasítása (dekarboxilezés útján),
• A piridoxál-foszfát (PLP) fontos kofaktor, a B₆-vitamin származéka, amely a szerin transzaminálásában, dekarboxilezésében és dezaminálásában kerül alkalmazásra,
• Az aminosavak szénvázának katabolizmusa: Újra felhasználható a szénhidrát- vagy lipid-anyagcsere, vagy a citromsav-ciklus részeként,
• Urea ciklus: A felesleges nitrogén az urea ciklus révén karbamiddá alakul, és kiválasztódik a vizelettel.

Az aminosav metabolizmus biokémiai reakciói

Transzamináció

• Leírás: Aminosav csoport átvitele egy aminosavról egy α-ketoacid csoportra lebontás céljából vagy α-ketosavra nonesszenciális aminosav szintézis céljából,
• Enzimek:
• Transzaminázok, különösképpen:
• Alanin-aminotranszferáz (ALT),
• Aszpartát-aminotranszferáz (AST),
• Fontos kofaktor: Piridoxal-foszfát (PLP), a B₆-vitamin származéka, transzaminációs és dekarboxiáliciós reakciókhoz,
• Lokalizáció: A transzaminázok a test legtöbb sejtjében megtalálhatók, de a koncentrációjuk nagyobb a májban és a szívben,
• Leggyakoribb példák:
• ALT: Alanin + α-ketoglutarát ⇄ piruvát + glutamát,
• AST: Aszpartát + α-ketoglutarát ⇄ oxaloacetát + glutamát,
• Az összes aminosav (a treonin és a lizin kivételével) a katabolizmusa bizonyos pontján transzamináción megy keresztül.

A glutamát az aminosavak metabolizmusának fontos része, a legtöbb transzaminációs reakcióban részt vesz.

Deamináció

• Leírás: Reakció, amelyben az aminosavból egy aminocsoport ammóniumként szabadul fel,
• Példák:
• Glutamát-dehidrogenáz: Glutamát + NAD (P)⁺ + H₂O ⇄ α-ketoglutarát + NH⁺₄ + NAD(P) H + H⁺,
• Szerin-dehidratáz: Szerin + PLP ⇄ NH⁺₄ + piruvát,
• Glutamináz: Glutamin + H₂O → glutamát + ammónium (irreverzibilis),
• Aszparagináz: Aszparagin + H₂O → aszpartát + ammónium (irreverzibilis).

Dekarboxiláció

• Leírás: Az aminosavak α-karboxilcsoportjának felszabadulása a CO₂ hasításával,
• Példa: Biogén aminok szintézise aromás L-aminosav-dekarboxiláz (más néven DOPA-dekarboxiláz) útján, amely szintén PLP-t használ.

Az aminosavak szénvázának katabolizmusa

Az aminosavak szénváz anyagcseréje

• Glükogén aminosavak:
• Piruváttá és a citromsav ciklus metabolitjaivá metabolizálódik, majd:
• CO₂-vé oxidálódik a citromsav ciklusban az energia előállításához VAGY
• A glükoneogenezis szubsztrátjaként felhasználódik,
• Melléktermékek:
• Piruvát:
• A glicin, az alanin, a szerin és a cisztein terméke,
• Treonin → glicin és szerin → piruvát,
• Szukcinil-CoA:
• Metionin és valin: A propionil-CoA és metilmalonil-CoA révén szukcinil-CoA-vá metabolizálódik,
• Metionin-ciklus: Metionin → S-adenozil-metionin (SAM) → S-adenozil-homocisztein → homocisztein → metionin,
• S-adenozil-metionin (SAM): Fontos szerepet játszik a metilációs folyamatokban, mint kofaktor (metilcsoportját anabolikus utakra adja),
• Homocisztein: A SAM demetilizációja homociszteint eredményez, amely tovább metabolizálható cisztationinná, majd ciszteinné,
• α-ketoglutarát,
• Glutamin, arginin, hisztidin, prolin → glutamát → α-ketoglutarát,
• Fumarát,
• Oxaloacetát,
• Az aszpartát → oxaloacetáttá transzaminálása,
• Az aszparagin → aszpartát → oxaloacetáttá dezaminálása,
• Glükogén/ketogén aminosavak:
• Tirozin és fenilalanin: Fumaráttá és acetil-CoA-vá metabolizálódik,
• Tirozin: Transzamináció tirozin-transzaminázon keresztül, amely aztán több lépésben metabolizálódik fumaráttá és acetil-CoA-vá,
• Fenilalanin: Először tirozinná metabolizálódik fenilalanin-hidroxilázon keresztül (O₂ és redukálószer, tetrahidrobiopterin szükséges), majd tovább metabolizálódik a fent leírtak szerint,
• Triptofán: Alaninná és acetil-CoA-vá metabolizálódik, ezáltal nikotinamidot is létrehozva,
• Izoleucin:
• Transzamináció propionil-CoA-vá és acetil-CoA-vá,
• A propionil-CoA tovább metabolizálódik metilmalonil-CoA-vá szukcinil-CoA-vá,
• Treonin:
• Glükogén útvonalak:
• → ketobutirát → propionil-CoA (a dehidratázon keresztül),
• → amino-aceton → piruvát (a dehidrogenázon keresztül),
• Ketogén útvonalak:
• → Glicin + acetaldehid → acetil-CoA (az aldolázon keresztül),
• + CoA → glicin + acetil-CoA (a dehidrogenáz segítségével, liázzal párosítva),
• Ketogén aminosavak: A lizin és a leucin acetil-CoA-vá metabolizálódik, majd:
• Az acetilcsoport szén-dioxiddá oxidálódik a citromsav ciklusban az energia előállításához VAGY
• Ketontestek szintetizálódnak belőle, VAGY
• Zsírsavak vagy koleszterin szintetizálódik belőle.

A lizin és a leucin az egyedüli tisztán ketogén aminosavak.

Az urea-ciklus

• Leírás:
• Olyan reakcióciklus, amely során ammóniából (NH₃), hidrogén-karbonátból (HCO^-₃) és az aszpartát aminocsoportjából karbamidot ((NH₂)₂CO) termelnek,
• 3 ATP-t igényel,
• A klinikai alkalmazásban az ureát (karbamid; BUN) mérni szokták,
• Funkció: A nitrogén renális kiválasztása urea formájában,
• Lokalizáció: Elsősorban a májsejtek citoszoljában és mitokondriumában, valamint a vesesejtekben,
• Ammónia:
• Az ammónia a szervezetben különböző anyagcsere-utak eredményeként fejlődik ki,
• Toxikus volta miatt az ammóniát a szállításhoz glutaminhoz vagy alaninhoz köti a szervezet,
• Glutamin ciklus (leggyakoribb): Az ammónia transzportja a glutaminhoz kötődő amincsoportként a májba,
  • A glutamin-szintetáz szabad ammóniát köt a glutamáthoz, hogy glutamint képezzen,
  • Az ammónia ezután a hepatocitákban történő oxidatív dezaminálás útján hasad le a glutamátból
• Alanin ciklus:
  • Az ammónia, mint aminocsoport transzportja az alanin által a vázizmokból a májba,
  • Az ALT hozta létre az izomban lévő piruvátból, és az ALT-n keresztül a májban visszaváltozik piruváttá.

A nonesszenciális aminosavak szintézise

A nem esszenciális aminosavak szintézise főleg a májban történik. A szénváz vagy a citromsav ciklusból, vagy a szénhidrát-katabolizmusból származik.

Az aminosav-metabolizmussal kapcsolatos patológiák

Hiperammonémia

• Normál intrakraniális ammónia fiziológia:
• A glutamát és az ammónia kémiai egyensúlyban van a glutaminnal, amelyet a glutamin szintetáz enzim közvetít,
• A glutamát a glutamát-dekarboxiláz szubsztrátjaként szolgál a GABA szintézishez,
• Ez a mechanizmus tartja kontroll alatt a GABA koncentrációt és így a GABAerg tónust,
• Patofiziológia:
• A megemelkedett plazma ammóniaszint a glutamát dehidrogenáz és a glutamin szintetáz hatására megzavarja a glutamin, a glutamát, az α-ketoglutarát és a GABA egyensúlyát, ami megnövekedett glutamin szintet és csökkent glutamát szintet eredményez → alacsony GABA szintézis és GABAerg tónus → a hyperammonaemiás encephalopathia tipikus jellemzői:
• Glutamin felesleg → az asztrociták ozmotikus károsodása → sejtduzzanat és diszfunkció → agyi ödéma,
• Neurotranszmitter imbalansz → stimuláló neurotranszmisszió gátlása és gátló neurotranszmisszió aktivációja,
• Alacsony α-ketoglutarát → a citromsav ciklus gátlása,
• Etiológia:
• Szerzett: Leggyakoribb felnőtteknél,
• Májelégtelenség: A vérben természetesen előforduló nitrogén metabolitok toxikus szintjei ↑ → hepaticus encephalopathia,
• Veseelégtelenség: A vese képtelen az ammónia felesleget ureaként kiválasztani,
• Súlyos dehidratáció,
• A vékonybél baktériumok elszaporodása: A bélben levő ureáztermelő szervezetek túl sok ammóniát termelnek,
• Gyógyszerek (pl. valproátsav toxicitás → karnitin hiány),
• Reye-szindróma,
• Örökletes: Leggyakrabban gyermekeknél,
• Urea-ciklus zavarok, különösen ornitin-transzkarbamiláz-deficiencia, karbamoil-foszfát-szintetáz-1-hiány, N-acetil-glutamát-szintáz-hiány,
• Szerves savak: Leggyakrabban metilmalonsavas acidémia,
• Egyéb ritka okok, ideértve a kongenitális laktátacidózist, kétbázisú aminosavuria állapotokat, a mitokondriális zsírsav oxidációjának veleszületett hibáit,
• Tünetek:
• Gyermekek:
• Étvágytalanság, letargia,
• Hipotonia,
• Konvulziók,
• Légzési distressz,
• Felnőttek:
• Hányás,
• Flapping tremor (asterixis) (flap: szárnycsapkodás; extrém mértékű kitérés),
• Homályos látás, elkent beszéd,
• Agyödéma (a glutaminszint változásának következtében bekövetkező ozmotikus shift miatt), konvulziók, aluszékonyság és kóma,
• Menedzsment:
• A kiváltó októl függ,
• A fehérjebevitel csökkentése,
• Plazma ammónia szintet csökkentő gyógyszerek:
• Laktulóz: csökkenti a gyomor-bél pH-értékét, ezáltal fixálja az NH⁺₄ szintet és elősegíti annak kiválasztását,
• Antibiotikumok (rifaximin vagy neomicin): Csökkentik a bélbaktériumok számát, amelyek felesleges ammóniát termelnek,
• Fenilbutirát, fenilacetát vagy benzoát: Glicinnel vagy glutaminnal vízben oldódó komplexet képez, amelyek a vesén keresztül ürülhetnek ki.

Proteinek és peptidek

Mind a proteinek, mind a peptidek aminosavakból álló biomolekulák, különbséget köztük az alapján teszünk, hogy hány aminosav alkotja őket. A proteinek legalább 50 aminosavból álló nagyméretű biomolekulák, amelyek peptidkötéssel kapcsolódnak egymáshoz, ezzel szemben a peptidek mérete kisebb, kevesebb, mint 50 aminosav alkotja őket. A proteinek számos funkciót látnak el, többek között az élettani funkciókat szabályozzák, fenntartják a sejtek szerkezetét, ám funkcióik szorosan összefügg a konformációjukkal. A táplálékkal bevitt proteineket a gyomorsav denaturálja, majd a pepszin és a proteázok monopeptidekre, dipeptidekre, tripeptidekre és tetrapeptidekre hasítja. Ezek a végtermékek a vékonybélben protonszimportereken és Na⁺-csatolt hordozófehérjéken keresztül szívódnak fel. Intracellulárisan az endogén proteineket az ubikvitin proteaszóma-rendszer, míg az endocitózissal bevitt táplálékfehérjéket a lizoszómák bontják le. A sérült vagy rosszul feldolgozott proteinek/peptidek felhalmozódását számos neurológiai betegségben, például az Alzheimer-kórban, a Parkinson-kórban, a Huntington-kórban, a Creutzfeldt-Jakob-betegségben és a miotonikus izomdisztrófiában figyelték meg.

A protein struktúra

• Kompozíció:
• Proteinek: ≥50 aminosavból álló láncból állnak, amelyek több peptidkötéssel kapcsolódnak egymáshoz (polipeptidlánc),
• Peptidek: <50 aminosavból álló lánc,
• Peptidkötés: Kovalens kötés (-CO-NH-), amely akkor jön létre, ha egy aminosav karboxilcsoportja reakcióba lép egy másik aminosav aminocsoportjával (NH₂). A reakció egy H₂O-molekula felszabadulását okozza (azaz kondenzációs reakció),
• Struktúra: Négy szintben határozzuk meg,
• Primer szerkezet: Az aminosavak szekvenciája a polipeptidláncban,
• Szekunder szerkezet: Az azonos polipeptidlánc részei közötti H⁺-kötések mintázata alapján kialakult hajtogatott szerkezet (pl. α-hélix és β-redő),
• Tercier szerkezet: Ugyanazon polipeptidlánc elsődleges és másodlagos szerkezetének háromdimenziós elrendeződése, amelyet az aminosavak oldalláncok közötti különböző típusú kölcsönhatások határoznak meg,
• Kvaterner szerkezet: Két vagy több egyedi polipeptidlánc (alegység) háromdimenziós elrendeződése egy több alegységből álló komplexben (azaz multimerben),
• Denaturáció: A fehérje kvaterner, tercier és szekunder szerkezetének lebomlása; gyakori okai a pH, a hőmérséklet vagy a környező vegyi anyagok változásai (pl. oxidáció, dezamináció, glikoziláció).

A transzláció és a protein szintézis

A génexpresszió az a folyamat, amelynek során a genetikai információ a DNS-től az RNS-en át a fehérjéig áttevődik. A DNS-nek RNS-é történő átírását transzkripciónak nevezzük; a protein szintézist RNS-sablonokból transzlációnak, amely egy riboszomális folyamat. A riboszómák nagy, molekuláris komplexek, riboszomális RNS-ből (rRNS) és fehérjékből épülnek fel. A riboszómák egy RNS-sablonhoz, más néven messenger-RNS-hez (mRNS) kötődnek, amellyel megindul a peptid képződése. A folyamat során a transzfer-RNS (tRNS) sorban felismeri az mRNS egy-egy aminosavnak megfeleltethető nukleotid-tripletjeit, így egyik aminosav a másikhoz kapcsolódva egy növekvő polipeptid láncot eredményez. A transzláció nem zajlik végtelenül, véget ér, ha az mRNS egy meghatározott nukleotid szekvenciáját éléri (stop kodon). A riboszóma ezt követően disszociál, az mRNS és az újonnan szintetizált fehérje felszabadul. Mielőtt a fehérjék működőképesek lennének, megfelelő strukturára kell szert tenniük, illetve a megfelelő helyre kell szállítódniuk. A fehérjék a transzláció során kezdenek háromdimenziós szerkezetükbe rendeződni az aminosav szekvenciának, a helyi kémiai törvényszerűségeknek és reakcióknak megfelelően. Különböző specializált fehérjék (folding katalizátorok, chaperonok) is segítik az újonnan képződött fehérjék megfelelő strukturálódását és a megfelelő rendeltetési helyükre (pl. citoszol, organellumok, extracelluláris mátrix) való eljutását. A fehérjék transzlációs sebessége a sejt aktuális állapotához és a testi igényekhez igazodik, és bizonyos tápanyagok jelenléte vagy hiánya befolyásolja.

A táplálékfehérjék emésztése és felszívódása

• Folyamat:
1. Gyomor:
• A gyomorsav denaturál,
• A pepszín hasít,
2. Duodenum: További hasítás a hasnyálmirigy- és bélproteázok által,
3. Enterociták:
• Di-, tri- és tetrapeptidek felszívódása, valószínűleg egy H⁺-szimporteren keresztül,
• Önálló aminosavak felszívása: Na⁺-kapcsolt hordozófehérjék segítségével, speciális aminocsoportok számára (semleges, elágazó láncú, aromás, savas, bázikus),
4. Keringés → v. portae → máj,
• Proteázok: Peptidkötéseket hidrolízis útján hasító enzimek,
• Zimogének:
• A proteázok először inaktív formában vannak jelen, így nem emésztik meg azokat a fehérjéket, amelyek elválasztották,
• Példa: A hasnyálmirigy-proteázok először inaktív prekurzorok (zimogének) formájában szekretálódnak, mielőtt a nyombélben aktiválódnak.

A tripszinogént először az enteropeptidáz aktiválja. A keletkező tripszin ezután más zimogéneket is aktivál, beleértve a saját maga koncentrációjának növelését is (pozitív feedback).

Protein degradáció

Áttekintés

• Az endogén (a sejtekben szintetizált) fehérjéket a proteaszómák, az exogén fehérjéket a lizoszómák bontják le.

Ubikvitin proteaszóma rendszer (UPS)

• Leírás:
• Az ubikvitináción keresztül a fehérjéket a proteaszómák bontják le,
• Proteaszóma: Két egységből álló, hordószerű fehérjekomplex, amely a megjelölt vagy megsérült fehérjéket bontja peptidekre a peptidkötések ATP-hidrolízise révén,
• Nem minden ubikvitinált fehérje van jelölve lebontásra (pl. a hisztonfehérjék esetében az ubikvitináció nem degradációhoz vezet, hanem szabályozó hatású),
• A fehérjéhez adható egyetlen ubikvitinmolekula (monoubikvitiláció), vagy egy ubikvitinlánc (poliubikvitiláció) is,
• Út:
1. Ubikvitináció: Az ubikvitinnek a szubsztrátfehérje lizin-maradványainak ε-aminocsoportjához történő hozzáadása; három szakaszban történik,
• Aktiváció: Az ubikvitint aktiváló enzimek végzik (E1),
• Konjugáció: Az ubikvitin-konjugáló enzimek végzik (E2),
• Ligáció: Az ubikvitin ligázok végzik (E3),
2. Degradáció:
• A poliubikvitinált fehérjéket a proteaszómák felismerik,
• A fehérjéket a peptidkötések hidrolízise útján peptidekre bontják.

Lizoszómák

• Az idegen fehérjék endocitózissal jutnak be a sejtekbe, és endoszómát alkotnak,
• Az endoszómák a lizoszómákkal egyesülnek,
• A lizoszomális hidrolázok a peptidkötések hidrolízise révén a fehérjéket peptidekre bontják.