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Zusammenfassung - Vorlesung: Stoffwechsel der Aminosäuren...

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Stoffwechsel der Aminosäuren Rolle der Aminosäuren

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Bausteine für Biosynthese körpereigener Proteine Oxidationsschutz (Glutathion, Taurin) Wirken als „Stickstoff“- bzw. Aminogruppendonatoren (Purine, Pyrimidine, Kreatinphosphat, biogene Amine, NO) Große Rolle bei Glucosehomöostase (glucogene As als Substrate der Gluconeogenese Säure/Basen-Haushalt/NH3, H+ Wirken im Gehrin als exzitatorische und inhibitorische Neurotransmitter (Glutamat, GABA, Glycin) Stickstoff wertvoll (nicht aus der Natur zu holen)

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Hoher Energiegehalt notwendig, um N zu fixieren Aminosäuren-Aufnahme unspezifisch  Regulation über Ausscheidung

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Abbau von Proteinen durch Proteasen Hydrolytische Spaltung einer Peptidbindung im Inneren eines Proteinsubstrates

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vollständige Hydrolyse eines Proteins durch Endo- und Exopeptidasen

Endopeptidasen o spalten Peptidbindungen im Inneren eines Proteins o nur wenn Protein denaturiert ist Exopeptidasen o Spalten C- oder N-terminal die endständige AS ab Peptidasen o Spaltung kurzkettiger Peptide Einteilung nach WIrkort o Verdauung o Blutgerinnung o Komplement o U.a. Einteilung nach Katalysemechanismus (Einteilung nach aktivem Zentrum) o Serinproteasen o Cysteinproteasen o Metallproteasen o Aspartatproteasen

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Zellulärer Abbau von Proteinen 

T½ von Proteinen variiert zwischen Minuten und Jahren

Zellen synthetisieren kontinuierlich Proteine aus Aminosäuren (unter Energieverbrauch) und bauen sie (unter Energieverbauch) wieder ab 1. 2. 3. 4.

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Eliminierung von abnormalen Proteinen (z.B. Mutationen, Oxidationen) Generierung antigener Proteinfragmente Regulation des zellulären Metabolismus (Zellzyklus, Differenzierung, Entwicklung) Regulatorische Proteine haben häufig kurze Halbwertzeit (schnelle Anpassung an veränderte Bedingungen) Halbwertszeit von Proteinen in Abhängigkeit von der N-terminalen AS  Lebensdauer cytosolischer Proteine vom Aminoterminus bestimmt  N-End-Regel  Biologischen Halbwertszeiten schwanken stark  Oft Reflex auf spezielle funktionelle Anforderungen oder spezifische Lokalisationen

Proteasomaler Proteinabbau (cytosolischer und nucleärer Proteine)

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E1: ubiquitinaktivierendes Enzym o Adenylierung von Ubiquitin o Übertragung auf eines seiner Cysteinreste E2: Ubiquitinkonjugierendes Enzym o Transfer auf einen Cys-Rest von E2 E3: Ubiquitin-Protein-Ligase o Übertragung auf einen Lys-Rest am Zielprotein

Ubiqutin wird an hinfällige Proteine gekoppelt  Markierung Aktivierung von Ubiquitin unter ATP-Verbrauch Ubiquitin-Ligase überträgt aktiviertes Protein auf Lysin Ubitquitinylierte Proteine werden in Proteasomen unter ATP-Verbrauch zu kleinen Fragmenten abgebaut Polyubiquitinierung: Proteine, die Proteasom überäußert werden, oft mehrfach ubiquitinyliert

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Proteasom     

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~30000 Proteasomen pro Zelle Fassartiger Kernbereich Kernbereich: 4 Ringen und 7 UE Innenwand: proteolytische Zentren Zugang beidseits (kontrolliert von Proteinpartikeln) o Binden ubiquitinylierte Proteine o Entfalten Proteine o Fädeln sie in Proteasom ein Kein Ubiquitin Abbau  Freisetzung Wichtig regulierte Prozesse o Gentranskription o Zellzyklus o Organbildung o Entzündungsreaktionen o Tumorsuppresion o Cholesterinstoffwechsel o Antigenprozessierung

Lysosomaler Abbau   

Lysosomen enthalten Vielzahl von Hydrolasen Freisetzung führt zum Zelluntergang Lysosomaler Proteinabbau in Vakuolen

Ubiquitinunabhängiger nicht-lysosomaler Proteinabbau   

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>30 cytoplasmatische protein- und peptidabbauende Enzyme die Ubiqutinunabhängig wirken Sind auf bestimmte Proteine spezialisiert (Zellproliferation, Immunologische Erkennung, Membranintegrität) Calpaine o Ca2+-abhängige neutrale Cysteinproteasen im Cytoplasma o Aktivität durch cystolischen Inhibito Calastatin kontrolliert o Verschiedense Funktionszusammenhänge werden diskutiert o Ausfall einer Calpainform führt zu Entstehung Muskeldystrophie ATP-abhängige Proteasen in Mitochondrienmatrix, bzw. membraninneren wirksam Mutationen im Gen der ATP-abhängigen Protease Paraplegin verursachen Entstehung autosomal rezessiv vererbbare Form einer spastischen Lähmung (Paraplegie)

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Aminosäureumsatz  

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Zufuhr von 30g Protein  Stickstoffgleichgewicht Tägliche Proteinzufuhr o ~100g durch nahrung o 50 – 70g durch sezernierte Proteine und abgeschilferte Darmmucosazellen Gesamtkörperprotein: ~10000 Täglicher Proteinumsatz: ~300g ~ ¼ der resorbierten AS gelangen in Systemkreislauf Ausnahme: verzweigtkettige AS (Valin, Leucin, Isoleucin) Gewebskonzentration der meisten AS entspricht Konzentration im Plasma Ausnahme: Glycin, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Glutamin, Alanin Glutamin im Muskel 30-fach erhöht ¾ der resorbierten AS gelangen in Leber

Zentrale Stellung der Leber im Aminosäurestoffwechsel    

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Großteil der resorbierten AS wird aufgenommen (~80%) Biosynthese von Proteinen (Leber und Plasma, z.B. Albumin) AS_Umwandlung in Ketocarbonsäuren unter Ammoniakabspaltung Ketocarbonsäuren o Liponeogenese o Gluconeogenese o Proteinbausteine Ammoniak o Biosynthese N-haltiger Verbindungen o Entsorgung in Form von Harnstoff Pufferfunktion

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Abbau der Aminosäuren 1. Desaminierung a. Transaminierung b. Oxidative Desaminierung c. Nichtdehydrierende Desaminierung 2. Abbau/Verwertung des Kohlenstoffgerüsts

Transaminierung    

Reversibel Im Zytosol (fast aller Zellen) entfernen α-Aminogruppe der Aminosäuren Katalyse durch Aminotransferase (=Transaminasen)

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Akzeptoren o Α-Ketoglutarat  Glutamat o Oxalacetat  Aspartat o Pyruvat  Alanin Coenzym: Pyridoxalphosphat (P[A]LP, Vitamin B6 Derivat)

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Transaminasereaktion 

Glutamat-Pyruvat-Transaminase (GPT, oder Alanin-Aminotransferase)

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Transaminasen wie GOT oder GPT sind typische Leberenzyme  wichtig für Enzymdiagnostik im Serum Leberleitenzyme  hohe Transaminase  Leberschädigung Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT, Aspartat-Aminotransferase)

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Oxalacetat gelangt in Citratzyklus Glutamat wird in der Leber oxidative desaminiert zu α-Ketoglutarat + NH4+ α-Ketoglutarat steht wieder zur Aspartat-Aminotransferase zur Verfügung weitere Ammoniak-Quellen o nichtdrehydrierende Desaminierung (Ser, Thr, Cys, His) o hydrolytische Freisetzung beim Abbau von Purinen und Pyrimidinen o Aminosäurenoxidasen Ammoniak entsteht bei jeder Transaminierung

Substitution von Aminosäuren durch α-Ketocarbonsäure bei Hyperammoniämin  

Ammiumionen fördern Alkalose Gilt nicht für Threonin und Lysin

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Peridoxalphosphat ist wichtigstes Coenzym im Aminosäurestoffwechsel  

Aldehydgruppe im PLP bildet intermediär eine kovalente Schiff-Base unter Beteiligung des εAminogruppe eines Lysinrestes im aktiven Zentrum Verdrängung der ε-Aminogruppe durch α-Aminogruppe der externen Aminosäure

1. 2. 3. 4.

Externes Aldimin verliert ein Protoen und bildet chinoides Zwischenprodukt Durch Reprotonierung am Aldehyd entsteht Ketemin Ketemin wird zur α-Ketosäure und Pyriddoxaminphosphat hydrolisiert Zweite Hälfte der Reaktion ist Umkehr der Reaktionen 1-3

Oxidative Desaminierung (Glutanatdehydrogenase)   

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Glutamatdehydrogenase katalysierte Regenerationen von α-Ketoglutarat durch oxidative Desaminierung Enzym kann NAD+ oder NADP+ als Oxidans nutzen positive Effektoren o ADP o GDP Negative Effektoren o ATP o GTP freigesetzteAmmoniumionen und α-Ketoglutarat regenerieren  Transaminierung

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Grundzüge Ammoniakstoffwechsel

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Ammoniak ist essentiell In freier Form in geringen Mengen toxisch Ammoniumionen deprotonieren leicht zu toxischem Ammoniak Wenig Ammoniumionen genügen um Alkalose zu verhindern Ammoniak entsteht bei jeder Transaminierung  Ammoniakspiegel Blut: 30-40µM  pK-Wert Ammoniak/Ammoniumionen: ~9,7  pH 7-7,4 ca. 99% als NH4+-Ion  Alkalose verschiebt GG nach links Fixierung von Ammoniak durch Glutamatdehydrogenase und Glutaminsynthetase (mitochondrial) Glutaminsynthetase in Leber nur in Subpopulation von perivenösen Zellen

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Enzyme des Harnstoffzyklus in gesamter Leber mit Ausnahme perivenöser Zellen

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Glutamat als Drehscheibe im Aminostickstoff-Stoffwechsel  Fixierung von NH3 mit α-Ketoglutarat  Transfer der Aminogruppe auf Pyruvat unter Bildung von Alanin, dem wesentlichen Transportstoff im Plasma  Transaminierung auf Oxalacetat unter Bildung von Asparaginsäure, wichtig für Biosynthese und Harnstoffbildung  Fixierung von NH3 unter Glutamin-Bildung; Glutamin Aminogruppendonator und Transportform im Plasma  Freisetzung von überschüssigem NH3 durch Desaminierung  Harnstoffbildung

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Nur wenige Organe besitzen komplette Enzymausstattung für alle genannten Stoffwechselrozesse Hydrolytische Spaltung von Glutamin zu Glutamat und NH4+ durch Glutaminase findet v.a. in Niere statt Ammoniumionen des Harbs stammen überwiegend aus dieser Reaktion

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Ammoniaktransport aus extrahepatischen Organen

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In allen Organen mehr oder weniger intensiver Aminosäurestoffwechsel, aber o Nur in Leber kann mit Hilfe Harnstoffzyklus überschüssiges Ammoniak entgiftet werden Extrahepatische Organe können Ammoniak fixieren, aber o Müssen bei großem Angebot Citratzyklus α-Ketoglutarat entziehen o Während in Leber zur Harnstoffsynthsese nur Bicarbonat, Ammoniak und Energie benötigt werden Pyruvat: Intermediat für Gluconeogenese

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Harnstoff wird in Leber durch anorganische Vorstufen gebildet Harnstoff ≠ Harnsäure Niedriger Harnstoff: Leberinsuffizienz

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periportale Zellen können nicht alle Ammoniumionen aus Zelle extrahieren --> perivenöse Zellen: Bildung Ammoniumionen unter Bildung von Gltamat. Ausfall: Hyperanomänie

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Schlüsselreaktion: Carbamoyl-phosphat-Synthetas 1  allosterische Regulation 1. Aminogruppe aus Argininosucchinat aus Mitochondrien 2. Aminogruppe aus Argininosucchinat aus Aspartat

Enzym: N-Acetylglutamat: allosterischer Aktivator  

Arginin: Intermediat von Harnstoff Fumarat: unter Abbau von Aminosäuren und Bildung Harnstoff geht es in Gluconeogenese

Metabolisierung des Aminosäure-Kohlenstoffgerüstes 

Abbau aller Aminosäuren endet in 7 Endprodukten o Pyruvat o Acetyl-CoA Intermediate des Citratzyklus o Oxalacetat o α-Ketoglutarat o Acetoacetyl-CoA o Succinyl-CoA o Fumarat

schwarz: glucogen  Gluconeogenese rot: ketoge  Fettsäuresynthese blau: ketogen-glucogen

Zuckerbildung; kann immer Oxalacetat gebildet werden; Carbonsäureskelett resynthetisieren Endprodukte: Aceto-/Acetyl-CoA; kann kein Zucker aufgebaut werden Endprodukte: 1 ketogenes, 1 glucogenes

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Abbau kleiner Aminosäuren zu Pyruvat 

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Tetrahydrofolat (THF) o Entsteht aus Folsäure o Universeller Überträger von C1-Einheiten verschiedener Oxidationsstufen Biotin o Universeller Überträger von Carboxalgruppen (-COOH) o Kovalent an ε-Aminosgruppe eines Lysyslrestes von Pyruvat-Carboxylase gebunden (prosthetische Gruppe)

Abbau Asparagin und Asparaginsäure  ALL: akute lymphatische Leukämie  häufigste Leukämie im Kindesalter  Leukämie-Zellen extrahieren aus Plasma Asparagin zur Verwertung  Asparaginase (Enzym): Asparagin wird desaminiert  Entstehung Aspartat

Abbau Phenylalanin 

Entstehung essentielles Thyrosin  

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Phenylalanin-Hydroxylase o Einführung einer Hydroxylgruppe durch eine Monooxygenase o Monooxygenasen bauen ein Sauerstoffatpm des O2 in Kohlenstoffsubstrat ein o Anderes O mir Hilfe reduzierten Cosubstrates zu H2O umgesetzt Phenylketonurie (PKU) o Akkumulation von Phenylalanin in allen Körperflüssigkeiten o Unbehandelt: schwere geistige Retardierung o Grund: Mangel/Fehlen Phenylalanin-Hydroxylase o Heterozygote sind symptomfrei o Autosomal rezessiv o Diät mit phenylalanin-armer Kost, Substitution von Tyrosin, Aspatam-Verbot 11

Abbau Methionin      

Aktivierung mit ATP  S-Adenosymethionin: wichtigster Methylgruppendonor im Stoffwechsel Methylhistidin Methylisierte Basen (DNA) Kreatin außerhalb Aminosäure-Stoffwechsel Adrenalin Cholin

Abbau zu Succhinyl-CoA 

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Verzweigtketten-Dehydrogenase katalysiert oxidative Decarboxylierung von o Leucin o Isoleucin o Valin Defekt des Enzyms: Ahornsirup-Erkrankung o Akkumulation der Vorstufen im Urin Methylmalonyl-CoA-Mutase katalysiert intramolekulare Umlagerung über mehrere radikalsiche Intermediate Coenzym B12 an Methionin-Synthese beteiligt  Vitamin B12-Mangel: perioniziöse Anämie

Biogene Aminosäuren 

Entfernung Carboxylgruppe  biogene AS

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Abbau o Mono- oder DIaminooxidasen analog zur oxidativen Decarboxylierung o Hemmstoffe von MAO blockieren Abbau von Dopamin, Sertonin, Adrenalsin, Noradrenalin o Hemmstoffe von MAO erhöhen deren Konzentration, wirken stark antriebserrgend, Einsetzen bei Behandlung von Depressionen

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Biosynthese von Aminosäuren

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aus Citratzyklus o Oxalacetat o α-Ketoglutarat aus Glykolyse o Pyruvat o 3-Phosphoglycerat o Phosphoenopyruvat Aus Pentanphosphatweg o Erythrose-4-Phosphat o Ribose-5-Phosphat Grün: essentiellen Aminosäuren Gerahmt: Aminosäuren als Durchgangsstation

Aminosäure als Stickstofflieferant 

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Glutamin o N3-Pyrimidine o N3, N9 – Purine o Aminogruppe des Guanins o γ-Aminosgruppe des Asparagins o Aminozucker Aspartat o N1-Purine, Pyrimidine o Aminogruppe des Adenins o Harnstoff

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Glutathion-Stoffwechsel 

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Tripeptid o Glutamat o Cystein o Glycin Bildung Im Zytosol aller Zellen  Oxidationsschutzstoff Entsteht mit Hilfe Glutathion-Synthetase Starkes Reduktionsmittel Intrazelluläre Konzentration: ~5µM Kann toxische Oxidantien reduzieren  entgiften Im Erythrozyten werden Enzyme und Zellmembran gegen oxidative Noxen geschützt Thiolgruppe schützt durch Elektronenabgabe  Dimerisierung der Disulfidbrücke Regenerierung durch NADPH/H+

Alanin und Glutamin im Blut  Menschliches Blutplasma enthält normalerweise für Synthese von Proteinen erforderlichen Aminosäuren, aber nicht in gleicher Konzentration  Alanin und Glutamin in viel höherer Konzentration als anderen AS  Haupttransportformen von Aminogruppen von Muskulatur/extrahepatischen Geweben zur Leber Verteilung Amin Stoffwechsel  Viel Alanin, wenig Asparagin  Symptome Asparagin-Mangel  Keine Symptome: Stickstoff in Alanin kann Transaminierung auf Oxalacetat übergehen  Entstehung Asparagin Transaminierung und Harnstoffzyklus  Asparagin-Aminotransferase hat von allen Aminotransferasen in der Leber höchste Aktivität  Eine der im Harnstoff eingebauten Aminogruppen wird von Asparagin übertragen, das währen der Transaminierung von Glutaminsäure zu Oxalacetat erzeugt wird  Reaktion wird druch Asparagin-Aminotransferase katalysiert  Knapp die Hälfte aller Aminogruppen, die als Harnstoff ausgeschieden werden, muss AsparaginAminotransferase durchlaufen  Harnstoff o Ungeladen o Nicht toxisch o Diffundiert leicht durch Membranen

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