Stoffwechsel von Aminogruppen Katja Arndt, 30.10.2006

Aminosäure-Metabolismus Nahrungsproteine Aminosäure-Pool andere N-haltige Substanzen Proteine, Enzyme Kohlenstoff-Skelett NH4+ Pyruvat, Intermediate des Citrat-Cyclus Harnstoff Acteyl-CoA ATP-Produktion oder Glukose

Stoffwechsel der Aminogruppen periphere Organe Glutamin Leber Niere Umbau Abbau Harnstoff

Warum Aminostoffwechsel ? Aminosäuren wichtig für Protein-Biosynthese. Zellen können Amino-Gruppe nicht vollständig zu N2 oxidieren. Primäres Abbauprodukt ist Ammoniak (= NH3) – toxisch! Umwandlung in nicht-toxisches, gut wasserlösliches Molekül: Harnstoff Freies Ammoniak kann reutilisiert werden -> Aminosäuren NH3 ist lipidlöslich, kann durch Membran NH4+ ist wasserlöslich, schlecht membrangängig Wenn zuviel Ammoniak, dann Ausscheidung: Umbau zu Harnstoff in Leber: 90-95% freies Ammoniak über Niere: 5-10% Bei längerandauerndem Hunger weniger Harnstoff, mehr Ammoniak Ammoniak ist essentielle Substanz, aber schon in geringen Mengen schwere cerebrale Schäden Ammoniakvergiftung: Flattertremor der Hände verwaschene Sprache Sehstörungen Koma und Tod in schweren Fällen Fixierung von Ammoniak über a-Ketoglutarat zu Glutamat und Glutamin

Entsorgung des Stickstoffs Transaminierung: Übertragung der Amino-Gruppe auf anderes Molekül. Desaminierung: Abspaltung der Amino-Gruppe, Bildung von Ammoniak, Umbau zu Harnstoff. Decarboxylierung: Abspaltung der Carboxyl-Gruppe resultiert in Biogenen Aminen, z.B. Histamin, GABA (mengenmäßig unbedeutend). Coenzym: Pyridoxalphosphat (PLP, PALP) (aus Vit. B6: Pyridoxal)

Die wichtigsten Moleküle beim Aminostoffwechsel COO− | H3N+ — Cα — H R1 COO− | H3N+ — Cα — H CH3 COO− | H3N+ — Cα — H CH2 COO− | H3N+ — Cα — H CH2 COO− | H3N+ — Cα — H CH2 H2N — C = O α-Aminosäure Alanin Aspartat Glutamat Glutamin COO− | O = Cα R1 COO− | O = Cα CH3 COO− | O = Cα CH2 COO− | O = Cα CH2 Pyruvat α-Ketopropionsäure Brenztraubensäure α-Ketosäure Oxalacetat α-Ketobernsteinsäure α-Ketoglutarat

Transaminierung: Überblick COO− | H3N+ — Cα — H R1 COO− | O = Cα R2 α-Aminosäure 1 α-Ketosäure 2 Transaminase (PALP) COO− | O = Cα R1 COO− | H3N+ — Cα — H R2 α-Ketosäure 1 α-Aminosäure 2

Transaminierung: Überblick COO− | H3N+ — Cα — H R1 COO− | O = Cα CH2 COO− | O = Cα CH2 α-Aminosäure 1 Transaminase (PALP) α-Ketoglutarat Oxalacetat COO− | O = Cα R1 COO− | H3N+ — Cα — H CH2 COO− | H3N+ — Cα — H CH2 α-Ketosäure 1 Glutamat Aspartat

Mechanismus der Transaminierung – Teil 1 Schiffsche Base (Aldimin, C=N) aus PALP und Aminosäure Abspaltung α-Ketosäure Einlagerung Aminosäure PALP (Pyridoxalphosphat) PAMP (Pyridoxaminphosphat)

Mechanismus der Transaminierung – Teil 2 PALP (Pyridoxalphosphat) PAMP (Pyridoxaminphosphat) Abspaltung Aminosäure Einlagerung α-Ketosäure Schiffsche Base (Aldimin, C=N) aus PALP und Aminosäure

Für die Klinik wichtige Aminotransferasen Aspartat-Aminotransferase (AST, ASAT) Aspartat/Glutamat-Aminotransferase alter Name: Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (GOT, SGOT) COO− | H3N+ — Cα — H CH2 COO− | O = Cα CH2 Aspartat Aspartat-Aminotransferase α-Ketoglutarat COO− | O = Cα CH2 COO− | H3N+ — Cα — H CH2 Oxalacetat Glutamat Enzym der Leber (Mitochondrien), gelangt bei Leberschädigung in Blutplasma.

Für die Klinik wichtige Aminotransferasen Alanin-Aminotransferase (ALT, ALAT) Alanin/Glutamat-Aminotransferase alter Name: Glutamat-Pyruvat-Transaminase (GPT, SGPT) COO− | O = Cα CH2 COO− | H3N+ — Cα — H CH3 Alanin α-Ketoglutarat Alanin-Aminotransferase COO− | O = Cα CH3 COO− | H3N+ — Cα — H CH2 Aussage über Schwere der Leberschädigung: Nur ALT im Blut -> Mitochondrien unversehrt, Schädigung nicht zu groß ALT und AST -> auch Mitochondrien betroffen -> Schwere Zellschädigung Pyruvat Glutamat Enzym der Leber (Zytoplasma), gelangt bei Leberschädigung in Blutplasma.

Bedeutung in der Diagnostik

Bedeutung in der Diagnostik

Glukose-Alanin-Zyklus Energieversorgung des Muskels. Abtransport von NH4+ aus dem Muskel zur Leber.

Desaminierung Entfernung der Aminogruppe, Bildung von Ammoniak. Bis auf GLDH sind alle Desaminierungen irreversibel. Oxidative Desaminierung Aminogruppe oxidiert, dann hydrolysiert zu α-Ketosäure Elektronen auf NAD+ oder NADP+ übertragen Hydrolytisch Desaminierung Abspaltung der Säureamidgruppe (Gln, Asn) Eliminierende Desaminierung Eliminierung von NH3 und Ausbildung einer Doppelbindung seltene Reaktion

Oxidative Desaminierung COO− | H3N+ — Cα — H CH2 NAD(P)+ NAD(P)H + H+ COO− | H2N+ = Cα CH2 Glutamat Glutamat-Dehydrogenase (GlDH) COO− | O = Cα CH2 α-Iminoglutarat (Schiffsche Base) Oxidative Desaminierung Aminogruppe oxidiert zu Iminogruppe (C=N, Schiffsche Base) Elektronen in Form von Wasserstoff auf NAD+ oder NADP+ übertragen hydrolytische Spaltung der Iminogruppe führt zur a-Ketosäure und Ammoniak H2O Trans-Deaminierung: Combination von Transaminase mit Glutamat-Dehydrogenase NH4+ α-Ketoglutarat Enzym der Leber (nur Mitochondrien), gelangt bei Leberschädigung in Blutplasma.

Hydrolytische Desaminierung N für Purin- und Pyrimidinbiosynthese Niere: NH4+ zur Kontrolle des Urin pH Nerven: Inaktivierung des Neurotransmitters Glutamat Muskel: Substrat für Gluconeogenese in Leber COO− | H3N+ — Cα — H CH2 H2N — C = O H2O Glutamin Glutaminase (aktiviert durch Pi) Glutamin- Synthetase ATP → ADP + Pi COO− | H2N — Cα — H CH2 − O — C = O NH4+ http://www.bmb.leeds.ac.uk/illingworth/bioc1010/index.htm Glutamine supplies most of the nitrogen required for purine and pyrimidine biosynthesis, and for the manufacture of amino sugars. When necessary it can be degraded back to glutamate by the enzyme glutaminase: glutamine + H2O = glutamate + NH4+ Glutaminase is activated by inorganic phosphate. It is obvious that glutamine synthetase and glutaminase constitute a potential futile cycle, and the arrangement must be delicately regulated to avoid wasteful hydrolysis of ATP. The two enzymes are commonly present in different cells, and this seems to be particularly important in the liver and in the central nervous system. In liver, the urea cycle enzymes, glutamate:pyruvate transaminase and glutaminase are concentrated in the periportal cells, whereas glutamine synthetase is concentrated in the perivenous cells near the hepatic veins. In addition to the numerous biosynthetic uses for glutamine, kidney tubules can use ammonia derived from glutamine to control the urinary pH, and avoid large cation losses under acidotic conditions. In neural tissues, formation of glutamine is thought to terminate the action of glutamate, an excitatory neurotransmitter. Glutamine is a particularly important fuel for the cells lining the gut, and has been used experimentally in the treatment of gastrointestinal disease. Large amounts of glutamine and alanine are released from muscle cells during starvation, and these are important substrates for hepatic gluconeogenesis under fasting conditions. Leber: Harnstoffsynthese Niere: Sekretion Glutamin → Glutamat Asparagin → Aspartat Glutamat

Aminosäure-Decarboxylase Decarboxylierung Entstehung biogener Amine. Pyridoxalphosphat (PALP) als Coenzym. fast alle Aminosäuren CO2 COO− | H3N+ — Cα — H R H | H3N+ — Cα — H R Aminosäure-Decarboxylase (PALP) α-Aminosäure biogenes Amin z.B.... Histidin → Histamin (Mastzellen) Glutamat → GABA (Glutamat γ-Aminobutyrat) (Rückenmark) Phenylalanin, Tyrosin → → → Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin Tryptophan → → Serotonin (Gewebehormon, ZNS) → Melatonin (Epiphyse) Cystein → → Taurin (Leber, Gallensäure) Serin → Ethanolamin (Membranbaustein) → Cholin → Acetylcholin (NS) Lysin → Kadaverin

Stoffwechsel der Aminogruppen Peripherie versch. AS COO− | H3N+ — Cα — H CH2 H2N — C = O Glutamin NH3 Glutamat Glutamin Leber Niere Glutamin NH3 Glutamat α-Ketoglutarat NH3 Harnstoff Harnstoff

Mitochondrium Cytosol α-Ketoglutarat, 2[H] COO− | H3N+—Cα—H CH2 Aspartat HCO3− NH4+ Glutamat Glutamat 2 ATP Carbamoyl-phosphat-Synthetase ATP NH2 | C = O CH2—NH CH2 H—C—NH3+ COO− Citrullin 2 ADP+Pi AMP+PPi O || H2N—C~ P Carbamoyl-Phosphat Ornithin-Carbamoyl-Transferase Arginiosuccinat-Synthase NH2+ COO− || | C—HN—CH | | CH2—NH CH2 | | CH2 COO− | CH2 H—C—NH3+ COO− Argininosuccinat P CH2—NH3+ | CH2 H—C—NH3+ COO− Ornithin NH2+ || C—NH2 | CH2—NH CH2 H—C—NH3+ COO− Arginin Arginiosuccinat-Lyase Arginase H—C—COO− || Fumarat H2N—C—NH2 || O Harnstoff

Harnstoffcyclus Mitochondrium Cytosol α-Ketoglutarat, 2[H] COO− | H3N+—Cα—H CH2 Aspartat HCO3− NH4+ Glutamat Glutamat 2 ATP Carbamoyl-phosphat-Synthetase ATP NH2 | C = O CH2—NH CH2 H—C—NH3+ COO− Citrullin 2 ADP+Pi AMP+PPi O || H2N—C~ P Carbamoyl-Phosphat Ornithin-Carbamoyl-Transferase Arginiosuccinat-Synthase NH2+ COO− || | C—HN—CH | | CH2—NH CH2 | | CH2 COO− | CH2 H—C—NH3+ COO− Argininosuccinat P CH2—NH3+ | CH2 H—C—NH3+ COO− Ornithin Harnstoffcyclus NH2+ || C—NH2 | CH2—NH CH2 H—C—NH3+ COO− Arginin Arginiosuccinat-Lyase Arginase H—C—COO− || Fumarat H2N—C—NH2 || O Harnstoff Song: OE Kabarett, Charité

Literatur Bücher: Löffler, Petrides: Biochemie & Pathobiochemie, Springer Verlag, 7. Auflage, 2003. Horn, et al.: Biochemie des Menschen, Thieme Verlag, 3. Auflage, 2005. Doenecke, Koolman, Fuchs, Gerok: Karlsons Biochemie und Pathobiochemie, Thieme Verlag, 15. Auflage, 2005. Berg, Tymoczko, Stryer: Biochemistry, W.H.Freeman & Co bzw. Spektrum Verlag, 5. Auflage, 2002/2003. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books oder http://bcs.whfreeman.com/biochem5/ ). www.molbiotech.uni-freiburg.de/ka/lehre/dat/Stoffwechsel_Aminogruppen.ppt