Rozdział 7 PRZEMIANA BIAŁEK

Transkrypt

1 Rozdział 7 PRZEMIAA BIAŁEK Przemiany białek mają zasadnicze znaczenie dla wszystkich procesów metabolicznych typowych dla żywej materii. Z punktu widzenia dialektyki samo zjawisko życia można uznać za sposób występowania ciał białkowych, stanowiących podstawową substancję budującą każdy żywy organizm. Dlatego też głównym celem przemian metabolicznych wszystkich komórek jest produkcja białek. Można uznać, że metabolizm węglowodanów, lipidów, kwasów nukleinowych czy składników mineralnych wspomaga przemianę białek. Przemiana węglowodanów jest źródłem związków potrzebnych do syntezy aminokwasów i kwasów nukleinowych, i wraz z przemianą tłuszczowców dostarcza substancji, które w wyniku utlenienia uwalniają energię wykorzystywaną do syntezy wiązań peptydowych. Produkty przemian aminokwasów mogą stanowić substraty do syntezy nukleotydów, które z kolei zużywane są do budowania cząsteczek kwasów nukleinowych uczestniczących w biosyntezie białek. Przemiana substancji mineralnych sprzyja regulacji procesów związanych z syntezą białek, w wyniku aktywności kompleksów enzymatycznych, w których funkcję efektorów pełnią składniki mineralne. Różnorodne i złożone procesy przekształcania substancji i przenoszenia energii komórkowej odgrywają więc rolę pomocniczą w odniesieniu do białkowych procesów metabolicznych. ajważniejszym elementem procesów związanych z przemianami białek jest mechanizm, za pośrednictwem którego w procesie biosyntezy budowane są łańcuchy polipeptydów o określonej sekwencji aminokwasów, stanowiącej pierwszorzędową strukturę cząsteczki białkowej. Wiadomo, że struktura ta decyduje o charakterze kolejnych, w tym o strukturze trzeciorzędowej, odpowiedzialnej za aktywność funkcjonalną danej cząsteczki. W tym aspekcie budowanie nowych białek ma zasadnicze znaczenie dla prawidłowej realizacji czynności życiowych organizmów na każdym etapie wzrostu i rozwoju. Specyficzność cząsteczek białkowych warunkowana swoistością ich syntezy jest jednym z podstawowych czynników determinujących zróżnicowanie organizmów. Szczegółowe badania dróg syntezy i rozpadu białek pozwoliły na wykazanie prawidłowości odpowiadających za ich specyficzność strukturalną (keratyny, kolagen) i funkcjonalną (enzymy, hormony), a także na określenie ich udziału w rozwoju, dziedziczeniu oraz w procesach fizjologicznych i patologicznych organizmów. Przedstawiony powyżej, w dużym uproszczeniu, zakres funkcji i wynikają-

2 Rozdział 7. Przemiana białek 221 cej z nich roli białek wskazuje na ich wiodące znaczenie w przebiegu wszystkich procesów życiowych każdego organizmu Rozpad białek i aminokwasów Drogi degradacji białek. Zasadniczą, choć nie jedyną drogą rozkładu białek w organizmie jest ich hydroliza przebiegająca na terenie lizosomów, tj. organelli komórkowych, zawierających enzymy hydrolityczne odpowiedzialne za degradację związków wielkocząsteczkowych do metabolitów niskocząsteczkowych. Proces ten nie wymaga energii magazynowanej w ATP i dotyczy przede wszystkim białek o długim okresie półtrwania. Białka krótkożyjące ulegają rozpadowi w cytozolu w sposób zależny od ATP. W tkankach układu pokarmowego zwierząt czy organach spichrzowych roślin procesy hydrolizy białek zachodzą z dużą intensywnością. W wątrobie myszy w ciągu dnia degradacji ulega około 40% ogólnej zawartości białek rybosomowych, mitochondrialnych, jądrowych i cytosolowych, przy średnim okresie ich półtrwania wynoszącym 5 dni (od około doby do 3 miesięcy). Badania ostatnich lat wskazują, że okres półtrwania białka w komórce zależy od -końcowego aminokwasu jego cząsteczki. Jeśli w reakcji zależnej od ATP nastąpi jego związanie z C-końcową resztą glicyny ubikwityny (białko o masie cząsteczkowej 8565 Da zbudowane z 76 aminokwasów) cząsteczka białka ulega degradacji. ajbardziej podatne na wiązanie ubikwityny są wyliczone w porządku malejącym arg, lys, asp, asn, trp, leu, phe, his, glu, tyr, gly i ile, podczas gdy met, ser, ala, thr, val, glu, cys, rzadko ulegające podobnemu łączeniu uznawane są za chroniące przed hydrolizą. W związku z tym okres półtrwania białek determinowany jest tworzeniem kompleksów ubikwityna -końcowy aminokwas cząsteczki białka. Dla białek cytoplazmatycznych o następujących -końcowych aminokwasach wynosi on odpowiednio: arg 2 min, asp, lys, leu i phe 3 min, pro 7 min, gln i tyr 10 min, glu i ile 30 min, gly, ala, ser, val, tre i met 20 godzin. Efektem proteolizy białek może być ich częściowy rozkład do peptydów lub pełny do wolnych aminokwasów. Przy częściowej, tzw. ograniczonej, proteolizie trawieniu ulega tylko część wiązań peptydowych, wynikiem czego jest tworzenie peptydów. Proces ten katalizują proteinazy (peptydylo-peptydohydrolazy). Z kolei peptydy przy udziale odpowiednich peptydaz mogą być hydrolizowane do aminokwasów. Mechanizm tego procesu został opisany w rozdziale 3. W rezultacie działania różnorodnych peptydohydrolaz (proteinaz i peptydaz) w procesie hydrolizy białek powstają początkowo peptydy, a następnie wolne aminokwasy, będące końcowymi produktami degradacji cząsteczek białkowych. Przykładem katalizy enzymatycznej proteinaz może być mechanizm działania chymotrypsyny przedstawiony na rys. 7.1.

3 Podstawy biochemii 222 Rys Uproszczony schemat hydrolizy wiązania peptydowego w centrum aktywnym chymotrypsyny Centrum aktywne chymotrypsyny zawiera resztę seryny (195 pozycja w łańcuchu polipeptydowym) i histydyny (57 pozycja w łańcuchu peptydowym). Analogiczne fragmenty łańcucha polipeptydowego cząsteczki enzymu, oznaczone po lewej i prawej strony linią łamaną, zawierają reszty seryny i histydyny z ich grupami funkcyjnymi. W centrum aktywnym enzymu, dokładnie naprzeciw reszty seryny i histydyny, znajduje się wiązanie peptydowe hydrolizowanego białka utworzone przez reszty phe (lub tyr, trp, leu), z kompleksującym (substratowym) centrum enzymu. W wyniku oddziaływania pary elektronowej grupy hydroksylowej atomu tlenu seryny z grupą karboksylową wiązania peptydowego dochodzi do przemieszczenia protonu grupy hydroksylowej seryny do rodnika imidazolowego reszty histydyny oraz do acylowania seryny i rozerwania wiązania peptydowego. Jednocześnie proton z imidazolowego rodnika his przenoszony jest na grupę aminową rozrywanego wiązania peptydowego (I). W następstwie acylowania rodnika seryny (II) w centrum aktywne enzymu wnika cząsteczka wody inicjująca rozpad acylowej pochodnej enzymu (III), przywracając pierwotną konfigurację centrum aktywnego (IV) gotowego przyjąć nową cząsteczkę substratu lub atakować wiązanie peptydowe utworzone z reszt phe, tyr, try, lub leu. Rola proteinaz nie ogranicza się tylko do degradacji białek do peptydów rozkładanych w toku dalszej hydrolizy do wolnych aminokwasów. Coraz częściej zwraca

4 Rozdział 7. Przemiana białek 223 się uwagę na ich zdolność do selektywnego rozszczepiania łańcuchów polipeptydowych, w rezultacie czego powstają funkcjonalnie aktywne formy białek i peptydów, w tym na przykład peptydy wykazujące aktywność hormonalną. Procesy ograniczonej proteolizy są formą kontroli i przebiegu wielu ważnych procesów fizjologicznych, w tym krzepnięcia krwi lub syntezy aktywnej formy insuliny. W ostatnich latach szczególną uwagę zwrócono na proteinazy, których działanie uaktywniają jony Ca +2. Są to kalpainy, enzymy o masie cząsteczki wynoszącej 110 kda, złożonej z podjednostki katalitycznej (80 kda) i regulatorowej (30 kda). Rozszczepiają one wiązania peptydowe końcowych domen cząsteczek białkowych, wpływając na przemiany substancji mineralnych i regulując procesy metaboliczne. Ich aktywność hamuje kalpostatyna. Aktywny transport aminokwasów przez błony biologiczne. Wolne aminokwasy powstające w wyniku hydrolizy białek w szczególności są wykorzystywane do ich resyntezy i tylko niektóre z nich ulegają dalszej degradacji. prócz tego, poziom wolnych aminokwasów w komórce systematycznie uzupełniany jest w procesie syntezy de novo obejmującej pełny zestaw aminokwasów proteinogenicznych u organizmów autotroficznych oraz aminokwasów endogennych u organizmów heterotroficznych. Istniejące systemy transportu aminokwasów przez błony komórkowe powodują ich przenoszenie i doprowadzanie do miejsc, w których biorą udział w procesach przemiany materii. Taki system translokacji aminokwasów przez błony biologiczne przebiegający przy udziale białek transportowych jest charakterystyczny dla histydyny, leucyny, izoleucyny i waliny. Problem aktywnego przenoszenia aminokwasów przez błony biologiczne badany był m.in. przez A. Mastera (1973), który zaproponował hipotezę transportu aminokwasów przez błony biologiczne za pośrednictwem cyklu γ-glutamylotransferazowego, w którym główną rolę odgrywa enzym transferaza γ-glutamylowa (rys. 7.2). Translokacja aminokwasów przez błony biologiczne zachodzi również za pomocą białek-przenośników (rozdział 2). W taki sposób przenoszone są histydyna, leucyna, izoleucyna oraz walina. Przemiany aminokwasów. Ilość aminokwasów uwalnianych w trakcie rozpadu białek z reguły nie odpowiada ilości tych, które są włączane w nowo syntetyzowane łańcuchy polipeptydowe. Dlatego pełna ilość wolnych aminokwasów, będących produktami hydrolizy białek i peptydów, powinna ulegać przekształceniu w inne aminokwasy lub prostsze związki wydalane z organizmu. Procesy przekształcenia aminokwasów mogą zachodzić w wyniku trzech rodzajów reakcji: z udziałem grupy α-aminowej, grupy karboksylowej lub rodnika aminokwasu.

5 Podstawy biochemii 224 Rys Cykl γ-glutamylotransferazowy Transferaza γ-glutamylowa wbudowana jest do błony komórkowej. Enzym ten realizuje translokację aminokwasów z przestrzeni wewnątrzkomórkowej za pomocą reakcji przeniesienia reszty kwasu γ-glutaminowego z glutationu lub innego γ-glutamylopeptydu do transportowanego aminokwasu, a następnie przeniesienia powstałego przenośnika, tzn. pochodnej kwasu γ-glutaminowego, wewnątrz komórki (lub wewnątrz błony). Tam pod wpływem transferazy γ-glutamylowej przenośnik rozkłada się do wolnego aminokwasu, który w ten sposób został przeniesiony przez błonę, oraz kwasu piroglutaminowego, powstawanie którego praktycznie w całości przesuwa równowagę reakcji rozpadu dipeptydu przenośnika w prawo. W wyniku szeregu procesów enzymatycznych (prawa strona rysunku) zachodzi resynteza glutationu (lub innego peptydu γ-glutamylowego, jeżeli bierze on udział w przeniesieniu aminokwasów), a cykl może powtarzać się. Dwa pierwsze rodzaje reakcji mają podobny przebieg u wszystkich aminokwasów. Grupa α-aminowa ulega dezaminacji a grupa karboksylowa dekarbokrylacji. W odróżnieniu od nich reakcje zachodzące z udziałem rodników mają charakter specyficzny dla danego aminokwasu.

6 Rozdział 7. Przemiana białek 225 sobny rodzaj reakcji polega na tworzeniu wiązania peptydowego pomiędzy grupą α-aminową jednego aminokwasu a grupą karboksylową drugiego. Proces ten prowadzi do syntezy peptydów i białek. Poniżej przedstawione zostały trzy rodzaje reakcji prowadzących do przekształceń aminokwasów. Reakcje z udziałem grupy aminowej. Grupa α-aminowa aminokwasów przekształcana jest na drodze dezaminacji w wyniku 4 rodzajów reakcji: 1) oksydacyjna dezaminacja: RC( 2 )C + 1/2 2 RCC + 3 Ketokwas 2) redukcyjna dezaminacja: RC( 2 )C + 2[] RC 2 C + 3 Kwas nasycony 3) hydrolityczna dezaminacja: RC( 2 )C + 2 RC()C + 3 ydroksykwas 4) wewnątrzcząsteczkowa dezaminacja: RC 2 C( 2 )C R C=C C + 3 Kwas nienasycony Wszystkie przedstawione powyżej reakcje przebiegają w organizmach przy udziale specyficznych enzymów i charakteryzują się zróżnicowanym stopniem rozpowszechnienia w przyrodzie. ajczęściej występuje dezaminacja oksydacyjna, natomiast trzy pozostałe reakcje spotykane są bardzo rzadko i tylko u pojedynczych grup organizmów. Proces dezaminacji oksydacyjnej przebiega w dwóch etapach. Początkowo aminokwas utleniany zostaje do iminokwasu przy udziale specyficznej dehydrogenazy oraz koenzymu AD + lub ADP +, który następnie hydrolizuje do ketokwasu i amoniaku: C(C 2 ) 2 C( 2 )C + + AD ( P) AD( F ) + 2 C(C 2 ) 2 -C(=)C C(C 2 ) 2 CC Dehydrogenaza glutaminianowa 3 Kwas glutaminowy Kwas iminoglutarowy Kwas α-ketoglutarowy bie reakcje są odwracalne w związku z czym z kwasu α-ketoglutarowego i a- moniaku może powstać cząsteczka kwasu glutaminowego. iekiedy dehydrogenazy aminokwasów mogą mieć charakter flawoprotein, jak na przykład charakteryzująca się wysoką aktywnością dehydrogenaza α-aminokwasów wyizolowana z komórek jedwabnika. Cząsteczka dehydrogenazy glutaminianowej o masie Da zbudowana jest z 6 podjednostek o ciężarach Da. Każda z nich posiada centrum wiązania substratu, koenzymu oraz aktywatorów (ADP i GDP) i inhibitorów (ATP, GTP i fosforan pirydoksalu). Pierwszorzędową strukturę podjednostek dehydrogenazy

7 Podstawy biochemii 226 glutaminianowej izolowanych z różnych komórek charakteryzuje wysoki stopień homologii. ajczęściej spośród rzadko występujących w tkankach roślin i zwierząt dehydrogenaz L-aminokwasów (w odróżnieniu od ich izomerów D) reprezentowana jest dehydrogenaza kwasu L-glutaminowego. W związku z tym prawdopodobne jest, że większość L-aminokwasów ulega dezaminacji na drodze przekształcenia kwasu α-ketoglutarowego, zgodnie z następującą reakcją: C(C 2 ) 2 CC + CC( 2 )R Transaminaza RCC + C(C 2 ) 2 C( 2 )C hydroksyglutaranianowa Kwas α-ketoglutarowy Aminokwas Ketokwas Kwas glutaminowy (Kwas 2-oksoglutarowy) Kwas glutaminowy ulega oksydacyjnej dezaminacji, a uwalniany kwas α-ketoglutarowy może ponownie wchodzić w reakcję z innymi α-aminokwasami. Transaminazy katalizują przeniesienie grupy aminowej z aminokwasu na α-ketokwas. Reakcja między L-aminokwasami i kwasem α-ketoglutarowym jest odwracalna i dlatego może prowadzić do syntezy L-aminokwasów z ketokwasów i kwasu glutaminowego. Reakcje dezaminacji charakterystyczne dla przemian aminokwasów stanowią ważne dla każdego organizmu ogniwo wiążące przemiany związków azotowych z przemianami, jakim ulegają cukry i tłuszcze. Pomimo że głównymi produktami dezaminacji aminokwasów są α-ketokwasy, w niektórych szczególnych i mało rozpowszechnionych przypadkach w wyniku tych reakcji mogą powstawać kwasy alkenowe i alkanowe, a także hydroksykwasy. Dezaminacja przebiega w sposób swoisty dla określonych aminokwasów. Cysteina i metionina ulegają dezaminacji na drodze odszczepienia amoniaku i siarkowodoru lub metylo-merkaptanu (C 3 S), hydroksyaminokwasy, tj. seryna i treonina, poprzez odszczepianie amoniaku i wody, natomiast aminokwasy heterocykliczne poprzez dehydrogenację pierścienia (prolina) z dalszym przekształceniem jej produktu. Końcowymi produktami tych reakcji są ketokwasy i kwasy nienasycone. Reakcje z udziałem grupy karboksylowej. Przemiany aminokwasów z udziałem grupy C sprowadzają się do ich dekarboksylacji i powstawania aminoacyloadenilatów. Dekarboksylacja aminokwasów przebiega według przedstawionego poniżej schematu w tkankach roślin, zwierząt oraz mikroorganizmów. Dekarboksylaza RC( 2 )C RC C 2 Grupą prostetyczną enzymów uczestniczących w procesach dekarboksylacji jest fosforan pirydoksalu, który tworząc kompleksy ze specyficznymi białkami daje początek wszystkim dekarboksylazom L-aminokwasów. Wyizolowano i scharakteryzowano dekarboksylazy kwasu asparaginowego i glutaminowego, a także waliny, lizyny, argininy, histydyny, tyrozyny i tryptofanu.

8 Rozdział 7. Przemiana białek 227 Produktami reakcji dekarboksylacji aminokwasów są aminy, które ze względu na wysoką aktywność biologiczną nazywane są aminami biogennymi. Przykłady niektórych przedstawiono poniżej. Produktem dekarboksylacji histydyny przy udziale dekarboksylazy histydynowej (karboksyliaza L-histydynowa, dimer o masie cząsteczkowej Da) jest histamina: Wspomaga ona pracę gruczołów wydzielania wewnętrznego i obniża ciśnienie krwi. Podczas dekarboksylacji tyrozyny i tryptofanu tworzą się odpowiednio: tyramina i tryptamina: C 2 C 2 2 Tyramina Tryptamina łatwo przechodzi w 5-hydroksytryptaminę (serotoninę), związek o różnorodnym znaczeniu fizjologicznym, mający m.in. wpływ na odczuwanie wrażeń bólowych podczas procesów zapalnych. Dekarboksylacja lizyny i argininy prowadzi do powstawania odpowiednio kadaweryny i agmatyny: 2 (C 2 ) C()(C 2 ) 4 2 Kadaweryna Agmatyna Duże znaczenie przypisuje się także tetrametylenodiaminie (putrescyna), która powstaje podczas dekarboksylacji ornityny: 2 (C 2 ) 3 C( 2 ) C rnityna Dekarboksylaza 2 (C 2 ) C 2 ornitynowa Putrescyna Tetrametylendiamina jest prekursorem syntezy spermidyny i sperminy. bie substancje są poliaminami, które obok diamin odpowiedzialne są za strukturalne właściwości i funkcjonalną aktywność rybosomów. ie tylko aminy i diaminy są produktami dekarboksylacji aminokwasów. Podczas dekarboksylacji kwasu glutaminowego powstaje kwas γ-aminomasłowy: Tryptamina C 2 C 2 2

9 C C( 2 ) (C 2 ) 2 C Kwas glutaminowy Podstawy biochemii 228 Dekarboksylaza 2 C 2 (C 2 ) 2 C + C 2 glutaminianowa Kwas γ-aminomasłowy Kumulowany jest w tkance mózgowej i pełni rolę inhibitora neurohumoralnego. Analogicznie z kwasu asparginowego tworzy się β-alanina biorąca udział w syntezie kwasu pantotenowego: C C( 2 ) C 2 C Kwas asparaginowy Dekarboksylaza 2 C 2 C 2 C + C 2 asparaginianowa β-alanina Drugą ważną reakcją aminokwasów z udziałem grupy karboksylowej jest tworzenie aminoacyloadenylanów. Równanie tej reakcji podano przy opisie enzymów z grupy ligaz, szczegółowo zostanie ono omówione w dalszej części rozdziału. Przekształcenia grup bocznych (rodników) aminokwasów. Rodnikiem aminokwasu nazywana jest ta część jego cząsteczki, która nie bierze udziału w tworzeniu łańcucha polipeptydowego. Zależnie od jej budowy chemicznej może podlegać charakterystycznym dla siebie reakcjom. Wiele z nich dotyczy procesów przemian aminokwasów. Jednym z rodzajów przekształceń aminokwasów z udziałem rodników jest przejście jednych aminokwasów w inne, dzięki czemu znacząco wzrasta możliwość syntezy nowych aminokwasów niezbędnych dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Zjawisko to ilustrują poniższe przykłady. Podczas utleniania fenyloalaniny powstaje tyrozyna: ADP + ADP ydroksylaza fenyloalaninowa C 2 2 C 2 2 C C 2 C C Fenyloalanina Tyrozyna ydroliza argininy prowadzi do utworzenia ornityny: 2 2 C() (C 2 ) 3 C( 2 ) C 2 (C 2 ) 3 C( 2 ) C + 2 C 2 Arginaza Arginina rnityna Mocznik

10 Rozdział 7. Przemiana białek 229 rnityna może podlegać przemianom, w wyniku których utworzony zostaje kwas glutaminowy lub prolina: 2 C 2 C 2 C 2 1 / 2 2 Dezaminacja utleniająca C 2 C 3 C rnityna Procesy utleniania-redukcji, przebiegające z udziałem zawierających siarkę rodników cysteiny i cystyny, mogą powodować przemianę jednego aminokwasu w drugi w wyniku reakcji analogicznej do reakcji utleniania glutationu katalizowanej cysteinoreduktazą. Całkowite utlenianie grupy tiolowej cysteiny prowadzi do utworzenia kwasu cysteinowego, z którego w procesie dekarboksylacji powstaje tauryna: Utlenianie CC( 2 )C 2 S C C 2 C 2 C Półaldehyd kwasu glutaminowego Dekarbok sylacja CC( 2 )C 2 S 3 2 C 2 C 2 S 3 + C 2 Cysteina Kwas cysteinowy Tauryna atomiast tauryna w połączeniach z kwasami żółciowymi (kwas taurocholowy) bierze udział w procesie wchłaniania tłuszczów. Szeroko rozpowszechniona reakcja demetylacji metioniny, uniwersalnego dawcy grup metylowych w reakcjach transmetylacji, zachodzi przy udziale metylotransferazy. Aminokwas, łącząc się z ATP, przechodzi bezpośrednio w aktywną metioninę : 2 Cyklizacja i redukcja utlenianie 2 C C 2 C 2 C 2 C Kwas glutaminowy Prolina C C 3 S (C 2 ) 2 2 C C Metionina + P~ P~ P C 2 Kwas adenozynotrójfosforowy ATP Transferaza VL-metionina S-adenozylowa

11 Podstawy biochemii C 3 S + (C 2 ) 2 C C - C + P P Trójfosforan P S-Andenozylometionina ("aktywna metionina") 2 Reakcję katalizuje transferaza L-metionino-S-adenozylowa (enzym o masie Da i optymalnym p 9.5). astępnie grupa metylowa z S-adenozylometioniny przenoszona jest na związek ulegający metylowaniu. Przykładem może być reakcja metylowania glicyny: 2 4 P P 4 C 3 C C S + Glicyna (C 2 ) 2 2 C C - C 2 Transferaza glicynometylowa S-Adenozylometionina

12 Rozdział 7. Przemiana białek C C 2 C 2 -Metyloglicyna (sarkazyna) + S (C 2 ) 2 2 C C C 2 S-Adenozylohomocysteina Reakcja z udziałem rodnika treoniny polega na jego odszczepieniu w postaci aldehydu octowego, a katalizowana jest przez aldolazę treoninową, której grupą prostetyczną jest fosforan pirydoksalu. bok aldehydu octowego drugim produktem rozpadu treoniny jest glicyna: Aldolaza treoninowa C 3 C()C( 2 )C C 3 C + 2 C 2 C Treonina Acetaldehyd Glicyna Rodniki aminokwasów mogą ulegać także reakcjom utleniania lub metylowania, towarzyszącym procesom dekarboksylacji i dezaminacji aminokwasów. W rezultacie, szczególnie w przypadkach aminokwasów cyklicznych, powstają związki posiadające duże znaczenie fizjologiczne. Przykładem może być powstająca w wyniku przemian tyrozyny adrenalina mająca działanie hormonalne. Tryptofan jest prekursorem biosyntezy kwasu nikotynowego (witamina PP) i kwasu indolilowego (substancja wzrostowa); cysteina kwasów merkapturowych odpowiadających za neutralizowanie związków aromatycznych, a arginina argininofosforanu i innych guanidynofosforanów magazynujących energię. Jak widać, w procesach przemian aminokwasów powstają związki biorące udział w regulacji przemiany materii, co świadczy o kluczowej roli metabolitów białkowych w ogólnej przemianie materii każdego organizmu. Końcowe produkty rozpadu aminokwasów. Jak już wspomniano, w rezultacie rozpadu aminokwasów powstają C 2, 3, aminy, ketokwasy oraz inne substancje złożone podlegające dalszym przemianom. Aminy drogą dezaminacji oksydacyjnej przechodzą w kwasy karboksylowe: R C R C AD + ksydaza R C monoaminowa Dehydrogenaza R C + AD + + aldehydowa

13 Podstawy biochemii 232 Analogicznie przebiega reakcja dezaminacji oksydacyjnej diamin z udziałem oksydazy diaminowej. Ketokwasy i kwasy karboksylowe, powstające w rezultacie rozpadu aminokwasów, stopniowo utleniają się do C 2 i 2, podobnie jak pozostałe substancje organiczne, które oprócz wymienionych związków uwalniają także 3. Końcowymi produktami rozpadu aminokwasów są 2, C 2 i 3. Woda stanowi rezerwuar dla procesów metabolicznych, tlenek węgla (IV) jest wydalany z organizmu, natomiast amoniak może ulegać dalszym przemianom wymagającym dokładnej analizy. Tylko u niektórych przedstawicieli hydrosfery (pijawki, kraby, rak rzeczny, szczerbatka, czernica) 3 bezpośrednio lub w postaci soli amonowych wydalany jest do środowiska. W związku z tym, że amoniak już w niewielkich stężeniach wykazuje działanie szkodliwe dla organizmów, u większości z nich przekształcany jest w neutralne związki azotowe. ależą do nich aspargina, glutamina i mocznik. Szczególnie u kręgowców główną formą wydalania azotu jest mocznik. Uważa się, że kwas asparginowy i glutaminowy umożliwiają pierwotne związanie 3 w chwili jego pojawienia się w komórce, dając w wyniku reakcji amidy, tj. asparginę i glutaminę. Reakcje katalizują syntetazy: asparginowa i glutaminowa. Enzymy te są ligazami uczestniczącymi w tworzeniu wiązań C, należącymi do podgrupy ligaz kwasowo amonowych, czyli amidosyntetaz aktywnych w obecności ATP. Równanie reakcji biosyntezy asparginy zachodzi w następujący sposób: CC( 2 )C 2 C + ATP + 3 Syntetaza asparaginowa ADP + 3 P 4 + CC( 2 )C 2 C 2 Kwas asparginowy Aspargina Analogicznie przebiega reakcja biosyntezy glutaminy przy udziale glutaminosyntetazy (ligaza L-glutaminian-amonowa). Reakcje powstawania asparaginy i glutaminy rozpowszechnione są w świecie roślin, jakkolwiek przykłady występowania tych związków można znaleźć także wśród zwierząt. Syntetaza asparaginowa została wykryta w ciele tłuszczowym owadów, natomiast obecność syntetazy glutaminowej stwierdzono w mięśniach, mózgu, wątrobie i nerkach ssaków oraz w hemolimfie owadów. W tkankach ssaków synteza asparaginy bierze początek od glutaminy, której grupa aminowa zostaje przeniesiona na grupę γ-karboksylową kwasu asparaginowego w obecności syntetazy asparagionowej zależnej od glutaminy, równolegle z przekształceniem ATP w AMP z wydzieleniem pirofosforanu. Amidowanie kwasu asparaginowego i glutaminowego może mieć miejsce także, gdy oba aminokwasy są związane w cząsteczce białka. Wiadomo, że rodniki aminokwasów wchodzących w skład łańcucha polipeptydowego łatwo wchodzą w reakcje chemiczne. Jedną z nich jest reakcja amidowania białka:

14 Rozdział 7. Przemiana białek 233 Tak więc oprócz wolnych aminokwasów również cząsteczki białka mogą być akceptorami 3, wiążąc go w miejscu jego utworzenia w procesach przemiany materii. Amidacja jest przykładem potranslacyjnej modyfikacji białek mającej udział w ich syntezie, a jej zróżnicowany poziom jest jedną z podstawowych przyczyn mikroheterogenności białka. Mocznik, oprócz kwasu moczowego oraz kreatyny, jest podstawowym produktem przemiany azotowej ssaków. Syntetyzowany jest w wątrobie, gdzie znajdują się wszystkie enzymy niezbędne dla tego procesu. U zwierząt nie posiadających odpowiedniego aparatu enzymatycznego i nie mogących syntetyzować mocznika azot wydalany jest w przeważającej większości w formie amoniaku, a tylko w niewielkich ilościach jako aminokwasy, mocznik i kwas moczowy. Mocznik może powstawać także u roślin, gdzie jego synteza przebiega w sposób podobny jak u zwierząt. Z 3, C 2 i ATP przy udziale fosfotransferazy (kinaza karbamoilowa) syntetyzowany jest karbamilofosforan, z którego następnie grupa karbaminowa przenoszona jest przez karbamoilotransferazę ornitylową na grupę δ-aminową ornityny, powstającej podczas hydrolizy argininy. W rezultacie tej reakcji syntetyzowana jest cytrulina: 2 2 C ~ P + 2 (C 2 ) 3 C 2 Karbamoilotransferaza ornitylowa C (C 2 ) P 4 Karbamoilofosforan C rnityna C 2 C Cytrulina

15 Podstawy biochemii 234 Dalsze reakcje przebiegające przy udziale dwóch enzymów pozwalają na wprowadzenie do grupy karbaminowej ( 2 C ) cytruliny oraz atomu azotu wskutek czego grupa karbaminowa ulega przekształceniu w grupę guanidynową ( 2 C() ) i cytrulina przechodzi w argininę. Donorem grupy aminowej jest kwas asparaginowy, a związkiem przejściowym na drodze od cytruliny do argininy kwas argininobursztynowy: Końcową reakcją w biosyntezie mocznika jest hydroliza argininy, w wyniku której uwolniony zostaje mocznik i odtworzona ornityna, zdolna do ponownego oddziaływania z karbamoilofosforanem. W ten sposób cykl przedstawionych reakcji, prowadzących do powstania mocznika, może ulegać odtworzeniu. Cykl syntezy mocznika ze względu na udział ornityny nazwano cyklem ornitynowym (rys. 7.3).

16 Rozdział 7. Przemiana białek 235 Rys Cykl ornitynowy (objaśnienie w tekście) Kwas fumarowy może ulegać przekształceniu w kwas szczawiooctowy, który na drodze transaminacji przechodzi w kwas asparaginowy. W związku z tym związanie cząsteczki 3 i odtworzenie kwasu asparaginowego umożliwia przejście reakcji cyklu ornitynowego, którego podstawowym efektem jest synteza cząsteczki mocznika z dwóch cząsteczek 3 i jednej cząsteczki C 2, uwalnianych przede wszystkim w wyniku rozpadu aminokwasów. Tworzenie nowych aminokwasów. mawiane uprzednio tworzenie nowych aminokwasów dotyczyło sytuacji, w których produktem wyjściowym dla syntezy nowych były gotowe aminokwasy ulegające przekształceniom dając nowe produkty na drodze wtórnej syntezy. Pierwotna synteza aminokwasów w organizmie realizowana jest poprzez redukcyjne aminowanie ketokwasów lub proste aminowanie kwasów nienasyconych. Proste aminowanie kwasów nienasyconych jest reakcją specyficzną głównie dla bakterii i roślin. Aminowanie kwasu fumarowego katalizowane przez liazę asparginianową przebiega zgodnie z równaniem: CC=CC + 3 Liaza CC( 2 )C 2 C asp arg inianamonowa Kwas fumarowy Kwas asparaginowy Reakcja jest odwracalna, a przebiegając od kwasu asparaginowego powoduje jego dezaminację. Immobilizowana liaza asparginianamonowa znalazła zastosowanie w produkcji kwasu L-asparaginowego, który naturalnie syntetyzowany jest na drodze transaminacji metabolitów cyklu Krebsa, tj. oksoglutaranu i szczawiooctanu.

17 Podstawy biochemii 236 Redukcyjne aminowanie jest podstawowym sposobem powstawania nowych cząsteczek aminokwasów. Reakcja ta jest odwróceniem oksydacyjnej dezaminacji aminokwasów. Jej równanie przedstawione powyżej i odczytane od strony prawej do lewej prowadzi do redukcyjnego aminowania kwasu α-ketoglutarowego. Reakcji redukcyjnego aminowania ulega też kwas pirogronowy: Dehydrogenaza C 3 CC AD + + C 3 C( 2 )C + AD alaninowa Zasadniczo możliwe jest redukcyjne aminowanie każdego ketokwasu, ale w związku ze znikomą aktywnością większości, oprócz specyficznych dla kwasu glutaminowego i alaniny naturalnych dehydrogenaz, synteza wszystkich pozostałych aminokwasów białkowych na tej drodze nie ma praktycznego znaczenia. Tylko dwa wymienione wyżej aminokwasy powstają z kwasu pirogronowego i α-ketoglutarowego, czyli ze związków stanowiących produkty rozpadu węglowodanów i kwasów tłuszczowych. Drogą redukcyjnego aminowania dochodzi do syntezy kwasu asparaginowego oraz alaniny i kwasu glutaminowego, czyli tzw. aminokwasów pierwotnych. Pozostałe, tzw. aminokwasy wtórne, są efektem przekształceń odpowiednich ketokwasów lub innych aminokwasów w procesach matabolicznych (rys. 7.4). Rys Wzajemne zależności reakcji leżących u podstaw biosyntezy pierwotnych i wtórnych aminokwasów: 1, 2, 3 aminokwasy pierwotne: kwas glutaminowy, alanina i kwas asparaginowy; a dehydrogenaza glutaminowa, b dehydrogenaza alaninowa, c aspartaza

18 Rozdział 7. Przemiana białek 237 Procesy syntezy aminokwasów mają odmienny charakter u roślin i u zwierząt. U roślin, poza 18 aminokwasami spotykanymi zawsze w białkach, wytwarzana jest duża ilość aminokwasów niebiałkowych. Całkowita liczba aminokwasów zidentyfikowanych u organizmów roślinnych sięga kilkuset, przy czym niektóre z nich charakterystyczne są tylko dla określonego gatunku i decydują o przynależności do odpowiedniego taksonu. W odróżnieniu od roślin zwierzęta nie syntetyzują wszystkich aminokwasów. Z 18 aminokwasów, które wchodzą w skład białek zwierzęta mogą syntetyzować około połowy, a pozostałe muszą być dostarczane organizmowi w gotowej formie. Aminokwasy syntetyzowane w organizmach zwierzęcych nazywane są aminokwasami endogennymi, natomiast aminokwasy, które są dostarczane z pożywieniem egzogennymi. Zestaw aminokwasów endogennych i egzogennych może się zmieniać w zależności od gatunku zwierzęcia, ale w większości przypadków do aminokwasów egzogennych zalicza się: walinę, leucynę, izoleucynę (o łańcuchach rozgałęzionych), treoninę, metioninę, lizynę (pochodzące biogenetycznie od kwasu L-2amino-3- formylopropionowego) oraz fenyloalaninę i tryptofan (zawierające pierścień aromatyczny). Interesujące jest, że aminokwasy endogenne w większości przypadków posiadają ujemny stopień utlenienia atomów węgla, podczas gdy aminokwasy niezamienne mają zawsze dodatni. Fakt ten może świadczyć o tym, że aminokwasy zamienne są ewolucyjnie młodsze (powstały w utleniającej atmosferze planety) od niezamiennych. iedostateczna ilość jednego lub kilku aminokwasów egzogennych dostarczanych z pożywieniem zakłóca prawidłowy rozwój zwierząt w związku niskim poziomem syntezy określonych białek. Białka roślinne zawierają niewiele lizyny, metioniny i tryptofanu, dlatego też deficyt tych aminokwasów spotykany jest najczęściej w pożywieniu zwierząt. iepełnowartościowe pasze również nie zawierają odpowiedniej ilości treoniny. Wzbogacenie pasz w aminokwasy egzogenne pozwala harmonizować wzrost organizmu, zwiększa przyrost masy ciała na każdą jednostkę pokarmową, poprawia wykorzystanie białek w diecie podstawowej, szybko podwyższając efektywność hodowli. Wprowadzenie do racji paszowej 0,2-0,5% lizyny zwiększa produktywność hodowli świń i drobiu o 10-13% i zmniejsza zużycie białka paszowego do 25%. pisana sytuacja dotyczy aminokwasów szeregu L, ponieważ właśnie te odmiany izomeryczne są niezbędne dla syntezy białek. W związku z tym, że drogą syntezy chemicznej można otrzymać tylko równomolowe mieszaniny obu form izomerycznych szeregów D i L, tzw. racematy, podstawowa pula aminokwasów niezbędnych dla potrzeb hodowli zwierząt uzyskiwana jest z hodowli bakteryjnych, z których można izolować L-aminokwasy w ilości około kilku gramów na 1 litr pożywki.