Om te praten over de twintig aminozuren waaruit eiwitten en gemodificeerde structuren bestaan, moeten ten minste twaalf gespecialiseerde metabole routes worden beschreven.
Maar waarom gebruiken cellen zoveel metabole routes die energie vereisen (bijvoorbeeld om de katalytische sites van enzymen te regenereren), elk met een enzymatisch erfgoed, om aminozuren te kataboliseren? Vrijwel alle aminozuren kunnen, via gespecialiseerde routes, metabolieten worden verkregen die voor een klein deel worden gebruikt om energie te produceren (bijvoorbeeld door gluconeogenese en het pad van ketonlichamen) maar die vooral leiden tot de vorming van complexe moleculen, met een hoog aantal koolstofatomen (bijvoorbeeld van fenylalanine en tyrosine, worden hormonen geproduceerd in de bijnieren die gespecialiseerd zijn voor dit doel); als het aan de ene kant gemakkelijk is om energie te produceren uit aminozuren, aan de andere kant zou het ingewikkeld zijn om complexe moleculen te bouwen uitgaande van kleine moleculen: het katabolisme van aminozuren stelt ons in staat hun skelet te exploiteren om grotere soorten te verkrijgen.
Twee of drie ons aminozuren worden dagelijks afgebroken door een gezond individu: 60-100 g ervan komen voort uit de eiwitten die door het dieet worden geïntroduceerd, maar meer dan 2 gram worden verkregen uit de normale turnover van eiwitten die een integraal onderdeel van het lichaam zijn (aminozuren van deze eiwitten, die zijn beschadigd door redox-processen, worden vervangen door anderen en gekataboliseerd).
De aminozuren geven een energiebijdrage in termen van ATP: na het verwijderen van de a-aminogroep kan het resterende koolstofskelet van de aminozuren, na geschikte transformaties, de krebs-cyclus binnengaan. Verder, wanneer de toevoer van voedingsstoffen ontbreekt en de hoeveelheid glucose afneemt, wordt gluconeogenese geactiveerd: gluconeogenetische aminozuren worden die genoemd die, na geschikte modificaties, in gluconeogenese kunnen worden geïntroduceerd; gluconeogenetische aminozuren zijn aminozuren die kunnen worden omgezet in pyruvaat of fumaraat (het fumaraat kan worden omgezet in een ziek die uit de mitochondriën komt en in het cytoplasma wordt omgezet in oxaalacetaat waaruit fosfoenol kan worden verkregen). In plaats daarvan wordt gezegd dat die die kunnen worden omgezet in acetyl co-enzym A en azijn-acetaat ketogene aminozuren zijn.
De zojuist beschreven is een zeer belangrijk aspect, omdat aminozuren een gebrek aan suiker kunnen verhelpen in het geval van onmiddellijk vasten; als het vasten aanhoudt, grijpt het lipidemetabolisme na twee dagen in (omdat eiwitstructuren niet veel kunnen worden aangetast), het is in deze fase dat, aangezien gluconeogenese zeer beperkt is, vetzuren worden omgezet in acetylcoenzym A en ketonlichamen . Van verder vasten, passen de hersenen zich ook aan het gebruik van ketonlichamen aan.
De overdracht van de a-aminogroep van aminozuren vindt plaats door een transaminatiereactie; de enzymen die deze reactie katalyseren, worden transaminasen (of amino-transferasen) genoemd. Deze enzymen maken gebruik van een enzymatische cofactor die pyridoxaalfosfaat wordt genoemd en dat ingrijpt met zijn aldehydegroep. Pyridoxaalfosfaat is het product van de fosforylering van pyridoxine, een vitamine (B6) die voornamelijk in groenten voorkomt.
Transaminasen hebben de volgende eigenschappen:
Hoge specificiteit voor een a-ketoglutaraat-glutamaat-paar;
Ze nemen hun naam van het tweede paar.
Transaminase-enzymen hebben altijd betrekking op het a-ketoglutaraat-glutamaat-paar en onderscheiden zich door het tweede betrokken paar.
Voorbeelden:
Aspartaattransaminase of GOT (glutamaat-oxaalacetaat-transaminase): het enzym draagt de a-aminogroep over van aspartaat naar a-ketoglutaraat, waarbij oxalacetaat en glutamaat worden verkregen.
Alanine-transaminase, dwz GTP (Glutamate-Pyruvate Transaminase): het enzym draagt de a-aminogroep over van alanine naar a-ketoglutaraat, waarbij pyruvaat en glutamaat worden verkregen.
De verschillende transaminasen maken gebruik van a-ketogluraat als acceptor van de aminogroep van aminozuren en zetten het om in glutamaat; terwijl de aminozuren die worden gevormd worden gebruikt in het pad van ketonlichamen.
Dit type reactie kan in beide richtingen plaatsvinden, omdat ze breken en verbindingen met dezelfde energie-inhoud worden gevormd.
Transaminasen zitten zowel in het cytoplasma als in de mitochondriën (ze zijn meestal actief in het cytoplasma) en verschillen in hun iso-elektrisch punt.
Transaminasen kunnen ook aminozuren decarboxyleren.
Er moet een manier zijn om glutamaat terug te zetten in a-ketoglutaraat: dit gebeurt door deaminatie.
Glutamaatdehydrogenase is een enzym dat in staat is glutamaat in a-ketoglutaraat om te zetten en daarom de aminogroepen van de aminozuren die in de vorm van glutamaat worden gevonden om te zetten in ammoniak. Wat gebeurt is een oxydoreductief proces dat door het tussenproduct a-aminoglutaraat gaat: ammoniak en a-ketoglutaraat worden vrijgegeven en komen weer in omloop.
Aldus gaat de verwijdering van de aminogroepen van de aminozuren door de transaminasen (verschillend afhankelijk van het substraat) en het glutamaatdehydrogenase, dat de vorming van ammoniak bepaalt.
Er zijn twee soorten glutamaatdehydrogenase: cytoplasmatisch en mitochondriaal; de cofactor, die ook een co-bestanddeel van dit enzym is, is NAD (P) +: glutamaatdehydrogenase gebruikt NAD + of NADP + als acceptor van reducerend vermogen. De cytoplasmatische vorm geeft de voorkeur aan, hoewel niet uitsluitend, aan NADP +, terwijl de mitochondriale vorm de voorkeur heeft boven NAD +. De mitochondriale vorm heeft als doel de aminogroepen af te zetten: het leidt tot de vorming van ammonia (wat een substraat is voor een gespecialiseerd enzym van de mitochondriën) en NADH (dat naar de ademhalingsketen wordt gestuurd). De cytoplasmatische vorm werkt in de tegenovergestelde richting, dat wil zeggen dat het ammonia en a-ketoglutaraat gebruikt om glutamaat te geven (dat een biosynthetische bestemming heeft): deze reactie is een reductieve biosynthese en de gebruikte cofactor is NADPH.
Glutamaatdehydrogenase werkt wanneer de aminogroepen van aminozuren zoals ammoniak (via urine) moeten worden weggegooid of wanneer de skeletten van aminozuren nodig zijn om energie te produceren: dit enzym zal daarom systemen hebben die wijzen op goede energiebeschikbaarheid (ATP) als negatieve modulatoren. GTP en NAD (P) H) en als positieve modulatoren, systemen die wijzen op een behoefte aan energie (AMP, ADP, GDP, NAD (P) +, aminozuren en schildklierhormonen).
Aminozuren (vooral leucine) zijn positieve modulators van glutamaatdehydrogenase: als aminozuren in het cytoplasma aanwezig zijn, kunnen ze worden gebruikt voor eiwitsynthese, of ze moeten worden weggegooid omdat ze niet kunnen worden geaccumuleerd (dit verklaart waarom aminozuren positieve modulatoren zijn) .
Verwijdering van ammoniak: ureumcyclus
Vissen ontdoen zich van ammoniak door het via de kieuwen in het water te brengen; de vogels zetten het om in urinezuur (wat een condensatieproduct is) en elimineren het met uitwerpselen. Laten we eens kijken wat er gebeurt bij mensen: we hebben gezegd dat glutamaat dehydrogenase glutamaat omzet in a-ketoglutaraat en ammoniak, maar we hebben niet gezegd dat dit alleen in de mitochondria van de lever gebeurt.
Een fundamentele rol van ammoniakverwijdering, via de ureumcyclus, wordt gedekt door mitochondriale transaminasen.
koolstofdioxide, in de vorm van waterstofcarbonaat (HCO3-), wordt geactiveerd door de biotine co-factor die het carboxybiotine vormt en reageert met ammoniak om het carbaminezuur te geven; de daaropvolgende reactie gebruikt ATP om een fosfaat over te brengen naar het carbaminezuurvormende carbamylfosfaat en ADP (de omzetting van ATP in ADP is de drijvende kracht voor het verkrijgen van de carboxibiotine). Deze fase wordt gekatalyseerd door carbamylfosfaatsynthetase en komt voor in de mitochondriën. Carbamylfosfaat en ornithine zijn substraten voor het enzym ornithine trans carbamylase dat ze omzet in citrulline; deze reactie vindt plaats in de mitochondria (van hepatocyten). De geproduceerde citrulline komt uit de mitochondriën en gaat in het cytoplasma onder de werking van het argininesuccinaatsynthase : er is de fusie tussen het koolstofskelet van citrulline en dat van een aspartaat door een nucleofiele aanval en de daaropvolgende eliminatie van water. Het enzym argininesuccinaatsynthase vereist een ATP-molecuul en daarom is er een energetische koppeling: de hydrolyse van ATP naar AMP en pyrofosfaat (de laatste wordt vervolgens omgezet in twee orthofosfaatmoleculen) door een molecule uit te drijven van water uit het substraat en niet vanwege de werking van het water in het medium.
Het volgende enzym is argininesuccinase : dit enzym kan het argininesuccinaat in arginine en fumaraat in het cytoplasma splitsen.
De ureumcyclus wordt voltooid door het enzym arginase : ureum en ornithine worden verkregen; ureum wordt afgevoerd door de nieren (urine), terwijl de ornithine terugkeert naar de mitochondriën en de cyclus hervat.
De ureumcyclus is onderhevig aan indirecte modulatie door arginine: de accumulatie van arginine geeft aan dat het noodzakelijk is om de ureumcyclus te versnellen; arginine modulatie is indirect omdat arginine het enzym acetylglutamaat synthetase positief moduleert. De laatste is in staat om een acetylgroep over te dragen aan de stikstof van een glutamaat: N-acetylglutamaat wordt gevormd dat een directe modulator is van het enzym carbamyl-fosfo-synthetase.
Arginine accumuleert als een metaboliet van de ureumcyclus als de productie van carbamylfosfaat niet voldoende is om ornithine af te voeren.
Ureum wordt alleen in de lever geproduceerd, maar er zijn andere plaatsen waar de eerste reacties plaatsvinden.
De hersenen en spieren gebruiken speciale strategieën om aminogroepen te elimineren. De hersenen maken gebruik van een zeer efficiënte methode waarbij een enzym glutamine synthetase en een enzym glutamase worden gebruikt: de eerste is aanwezig in neuronen, terwijl de laatste wordt gevonden in de lever. Dit mechanisme is om twee redenen zeer efficiënt:
Twee aminogroepen worden met slechts één voertuig van de hersenen naar de lever getransporteerd;
Glutamine is veel minder toxisch dan glutamaat (glutamaat draagt ook neuronale overdracht en mag de fysiologische concentratie niet overschrijden).
In vis brengt een vergelijkbaar mechanisme de aminogroep van aminozuren naar de kieuwen.
Vanuit de spier (skelet en hart) bereiken de aminogroepen de lever via de glucose-alaninecyclus; het betrokken enzym is glutamine-pyruvaattransaminase: het maakt de transpositie van de aminogroepen mogelijk (die in de vorm van glutamaat zijn), het pyruvaat omzetten in alanine en tegelijkertijd het glutamaat in a-ketoglutaraat in de spier en het omgekeerde proces katalyseren in lever.
Transaminasen met verschillende taken of posities hebben ook structurele verschillen en kunnen worden bepaald door elektroforese (ze hebben verschillende iso-elektrische punten).
De aanwezigheid van transaminasen in het bloed kan een symptoom zijn van hepatische of cardiopathische schade (dat wil zeggen weefselbeschadiging van lever of hartcellen); transaminasen, zijn in zeer hoge concentraties, zowel in de lever als in het hart: door elektroforese kan worden vastgesteld of de schade optrad in lever- of hartcellen.
