Σύνθεση αμινοξέων 1

Να γνωρίσουμε τα αμινοξέα, τα απαραίτητα και τα μη απαραίτητα και τι σημαίνει αυτός ο διαχωρισμός Nα κατηγοριοποιήσουμε τη σύνθεση των αμινοξέων σε 6 βιοσυνθετικές οικογένειες, να γνωρίσουμε τα πρόδρομα μόρια και τις πορείες από όπου προέρχονται αυτά τα πρόδρομα μόρια Να περιγράψουμε τις αντιδράσεις σύνθεσης των αμινοξέων Να γνωρίσουμε κάποια από τα βιομόρια που προέρχονται από τα αμινοξέα ΔΕ ΧΡΕΙΑΖΕΤΑΙ ΝΑ ΑΠΟΣΤΗΘΙΣΕΤΕ ΤΙΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ Στόχος 2

Δομή αμινοξέων 3

Τα αμινοξέα 4

5

Εισαγωγή Δομικές μονάδες πρωτεϊνών Πηγή αζώτου για  Aζωτούχες βάσεις - πυριμιδίνες (ασπαρτικό και carbamoyl PO4) & πουρίνες (ασπαρτικό, γλυκίνη, γλουταμικό) των DNA και RNA  Nευροδιβιβαστες (σεροτονίνη από τρυπτοφάνη)  Πορφυρίνες - σύνθεση της αίμης στις αιμοσφαιρίνες (γλυκίνη, ηλεκτρυλο- CoA)  Ορμόνες όπως η ισταμίνη, η θυροξίνη και η επινεφρίνη  Η πολυμερική χρωστική μελανίνη  Ο νικοτιναμιδικός δακτύλιος του NAD + (τρυπτοφάνη)  Η πολική (υδρόφιλη) κεφαλή των σφιγγολιπιδίων  Γλουταθειόνη (γλουταμικό-κυστεΐνη-γλυκίνη) 6

Κάποιοι οργανισμοί μπορούν να συνθέσουν & τα 20 αμινοξέα για τις ανάγκες τους Άλλοι συνθέτουν μόνο έναν αριθμό αμινοξέων & βασίζονται στη διατροφή για να τους παρέχει τα υπόλοιπα. Ο άνθρωπος & τα περισσότερα θηλαστικά μπορούν να συνθέσουν 11 από τα 20 – τα μη απαραίτητα αμινοξέα Για άλλα 9 δεν υπαρχουν μεταβολικές πορείες στον άνθρωπο οπότε πρέπει να παρέχονται μέσω της διατροφής – τα απαραίτητα αμινοξέα Τα αμινοξέα 7

Τα απαραίτητα αμινοξέα ΒαλίνηΘρεονίνη ΜεθειονίνηΙσολευκίνη ΙστιδίνηΛυσίνη ΛευκίνηΤρυπτοφάνη Φαινυλαλανίνη Very Many Happy Little Pigs Take Iced Lemon Tea. 8

Αλανίνη, Σερίνη, Γλυκίνη, Προλίνη, Αργινίνη, Ασπαραγίνη, Ασπαρτικό, Γλουταμίνη, Γλουταμικό, Κυστεΐνη, Τυροσίνη Σε ορισμένες καταστάσεις, ο διαχωρισμός μεταξύ μη απαραίτητων & απαραίτητων αμινοξέων δεν είναι σαφής Η σύνθεσή τους εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα των αντιδρώντων Ορισμένα μη απαραιτητα αμινοξέα γίνονται απαραίτητα εαν συντίθενται από ένα απαραιτητο το οποίο απουσιάζει από τη διατροφή. Π.χ. τυροσίνη, κυστεΐνη, αργινίνη Τα μη απαραίτητα αμινοξέα 9

Η σύνθεση της τυροσίνης στα θηλαστικά απαιτεί φαινυλαλανίνη Ανεπαρκείς ποσότητες φαινυλαλανίνης έχουν ως αποτέλεσμα την ανάγκη πρόσληψης και τυροσίνης μέσω της διατροφής Τα αμινοξέα 10

Η σύνθεση της κυστεΐνης απαιτεί το άτομο θείου της μεθειονίνης Έλλειψη σε μεθειονίνη καθιστά και την κυστεΐνη απαραίτητη Τα αμινοξέα 11

Η αργινίνη συντίθεται από τον λεγόμενο «κύκλο της ουρίας» Η ποσότητα που συντίθεται είναι επαρκής για έναν ενήλικα … … αλλά όχι για ένα βρέφος που βρίσκεται στην ανάπτυξη. Τα αμινοξέα 12

Έλλειψη σε ένα αμινοξύ  Αποικοδομείται σωματική πρωτεΐνη…  …περισσότερη πρωτεΐνη αποικοδομείται παρά συντίθεται…  …περισσότερο αζώτο αποβάλλεται από ότι προσλαμβάνεται…  …αρνητικό ισοζύγιο αζώτου Τα αμινοξέα 13

Γιατι ένας οργανισμός να εξελιχθεί έτσι ώστε να μη μπορεί να υπάρξει απουσία κάποιων αμινοξέων; Η διαθεσιμότητα κάποιων αμινοξέων στους κατώτερους οργανισμούς (φυτά, μικροοργανισμοί) κατέστησε περιττή την ανάγκη σύνθεσής τους από τους ανώτερους οργανισμούς. Οι μεταβολικές πορείες για τη σύνθεσή τους εξελικτικά αποδυναμώθηκαν Γιατί αυτός ο διαχωρισμός; 14

Eνεργειακά ασύμφορο για έναν ανώτερο οργανισμό να παράγει τα ένζυμα, τα αμινοξέα & να έχει μηχανισμούς που να ρυθμίζουν το κάθε βήμα της όλης διαδικασίας. Το να μη χρειάζεται να συντεθούν 9 αμινοξέα (& να ρυθμιστούν οι βιοσυνθετικές πορείες) εξοικονομεί ενέργεια Οι πορείες βιοσύνθεσης των απαραίτητων αμινοξέων είναι πιο περίπλοκες από αυτές των μη απαραίτητων Πολλά βακτήρια προτιμούν να χρησιμοποιούν αμινοξέα από το περιβάλλον τους παρά να τα συνθέσουν, ακόμα & αν έχουν τον βιοσυνθετικό μηχανισμό Γιατί αυτός ο διαχωρισμός; 15

Πρόβλημα η πρόσληψη αζώτου σε μορφή που θα είναι εύχρηστη από το κύτταρο (καθήλωση αζώτου) To άζωτο βρίσκεται στο περιβάλλον στη μορφή διατομικού αερίου (N % του ατμοσφαιρικού αέρα) ή νιτρικού (NO -3 ). Το άζωτο εισέρχεται στα βιολογικά συστήματα με τη μορφή ιόντων αμμωνίου (NH 4 + ). Διαζωτροφικοί οργανισμοί (nitrogen fixing) είναι αυτοί που μπορούν να προσλάβουν ατμοσφαιρικό άζωτο N 2 και να το μετατρέψουν σε αμμωνία. Π.χ. τα Rhizobia ζουν συμβιωτικά με άλλα βακτήρια στις ρίζες των ψυχανθών φυτών Πρόσληψη αζώτου 16

έδαφος Ατμοσφαιρικό άζωτο (Ν 2 ) Ριζικό φυμάτιο (οζίδιο) Φυτικό κύτταρο με συμβιωτικά βακτήρια Πολυενζυμικό σύστημα καθήλωσης του αζώτου Καθήλωση αζώτου 17

Το ένζυμο που είναι υπεύθυνο είναι το σύμπλεγμα της αζωτάσης (nitrogenase complex) Αποτελείται από μια αναγωγάση και μια αζωτάση Αναγωγάση: υδρόλυση ΑΤΡ (πρωτεΐνη Fe) Αζωτάση: μεταφορά ηλεκτρονίων και αναγωγή του N 2 σε NH 3 (πρωτεΐνη MoFe) Η μεταφορά των ηλεκτρονίων από την αναγωγάση στην αζωτάση είναι συζευγμένη με την υδρόλυση ΑΤΡ Καθήλωση αζώτου 18

Καθήλωση αζώτου/νιτρώδες ανιόν - Nitrate assimilation η πορεία με την οποία τα φυτά, τα βακτήρια και οι μύκητες ανάγουν το νιτρικό σε αμμωνία Η πρώτη αναγωγή μετατρέπει το νιτρικό σε νιτρώδες (NO -2 ), με χρήση ηλεκτρονίων από το NADH. Η δεύτερη αναγωγή μετατρέπει το νιτρώδες σε αμμωνία με χρήση ηλεκτρονίων από τη φερρεδοξίνη (στους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς) ή NADPH (σε άλλους οργανισμούς) Καθήλωση αζώτου 19

Τα ηλεκτρόνια προέρχονται από την ανηγμένη φερρεδοξίνη Δημιουργείται κατά τη φωτοσύνθεση (φωτοσύστημα Ι) …ή από οξειδωτικές διεργασίες (πυροσταφυλικό) Η αζωτάση είναι πολύ ευαίσθητη στο οξυγόνο Τα ψυχανθή φυτά (leguminous plants) παράγουν στα ριζικά τους φυμάτια ψυχανθοαιμοσφαιρίνη (leghemoglobin) Το πρωτεϊνικό τμήμα αυτής της πρωτεΐνης παράγεται από το φυτό ενώ η ομάδα της αίμης από το συμβιωτικό βακτήριο Διατήρηση χαμηλής συγκέντρωσης του οξυγόνου. Καθήλωση αζώτου 20

Νιτροποίηση (nitrification) είναι η μετατροπή της αμμωνίας σε νιτρώδες και νιτρικό, και χρησιμοποιείται ως πηγη ενέργειας σε ορισμένα βακτήρια. Απονιτροποίηση (denitrification - denitration) είναι η μετατροπή του νιτρικού σε N 2, αντίδραση που διεξάγεται από οργανισμούς που χρησιμοποιούν νιτρικό ως τελικό δέκτη ηλεκτρονίων κατά την παραγωγή ενέργειας. Ο κύκλος του αζώτου είναι η μετατροπή αζωτούχων ενώσεων (αμμώνιο, νιτρώδες, νιτρικό) σε διατομικό αέριο άζωτο και το αντίθετο, από διάφορους οργανισμούς Κύκλος του αζώτου 21

22 Κύκλος του αζώτου

Συνεργασία πολλών μεταβολικών πορειών Ποικιλία πορειών μεταξύ διαφορετικων οργανισμών πηγή ανθρακικών σκελετών είναι η γλυκόλυση, ο κύκλος του Κrebs, η πορεία φωσφορικών πεντοζών πηγή αζώτου είναι το ιόν αμμωνίου ΝΗ 4 + που ενσωματώνεται στα αμινοξέα μέσω του γλουταμινικού & της γλουταμίνης Σύνθεση 23

Η σύνθεση των αμινοξέων μπορεί να χωριστεί σε έξι βιοσυνθετικές οικογένειες, ανάλογα με το ποιο μόριο αποτελεί την αρχή της πορείας α-κετογλουταρικό γλουταμικό, γλουταμίνη, αργινίνη και προλίνη Οξαλοξικό ασπαρτικό, ασπαραγίνη, ισολευκίνη, λυσίνη, μεθειονίνη, και θρεονίνη PΕΡ & 4-φωσφοερυθρόζη φαινυλαλανίνη, τρυπτοφάνη, και τυροσίνη 3-φωσφογλυκερικό κυστεΐνη, γλυκίνη, και σερίνη Πυροσταφυλικό αλανίνη, λευκίνη, και βαλίνη 5-φωσφο-ριβόζη ιστιδίνη Σύνθεση αμινοξέων 24

‘Ολα ξεκινούν με μια ένωση που προέρχεται από τον βασικό μεταβολισμό Η χρήση αυτών των ενώσεων εξοικονομεί ενέργεια στο κύτταρο μια και δε χρειάζεται να τα συνθεσει εκ νέου Σύνθεση αμινοξέων 25

Σύνθεση αμινοξέων 6 μεταβολικές ομάδες 7 πρόδρομα μόρια Όλα προϊόντα από μεταβολικές πορείες πρόδρομα μόρια αμινοξέα ως πρόδρομα μόρια απαραίτητα αμινοξέα 26

Σύνθεση αμινοξέων Ένα κοινό στοιχείο σε όλα τα αμινοξέα είναι η αμινομάδα στο α-ατομο άνθρακα Άμεσα ή έμμεσα, η αμινομάδα σε όλα τα αμινοξέα προέρχεται από αμμωνία μέσω του γλουταμικού Όλοι οι οργανισμοί έχουν τα ένζυμα αφυδρογονάση του γλουταμινικού και Συνθάση της γλουταμίνης Όλοι οι οργανισμοί συνθέτουν γλουταμινικό και γλουταμίνη τα οποία παίζουν ρόλο στη σύνθεση άλλων αμινοξέων 27

α-κετογλουταρικό Το α-κετογλουταρικό παράγεται κατά τον κύκλο του Krebs Από αυτό παράγεται το γλουταμικό και από το γλουταμικό η γλουταμίνη, η προλίνη και η αργινίνη 28

Η αφυδρογονάση του γλουταμικού καταλύει την αντίδραση αμίνωσης του α-κετογλουταρικού προς γλουταμικό με τη χρήση NADPH. α-κετογλουταρικό +ΝΗ 3 +NADP  ΓΛΟΥΤΑΜΙΚΟ +NADPH + Η + Η αντίδραση λαμβάνει χώρα μέσω της δημιουργίας μιας πρωτονιωμένης βάσης Schiff α-κετογλουταρικόΓλουταμικό 29

Η ημίνη που παράγεται από την αντίδραση μιας πρωτοταγούς αμίνης με καρβονυλική ένωση (αλδεϋδη/κετόνη) Βάση Schiff Οι βάσεις Schiff πρωτονιώνονται πολύ εύκολα 30

Το γλουταμικό μπορεί επίσης να συντεθεί από αργινίνη και από προλίνη κατά τη διάρκεια των καταβολικών τους πορειών ή Από α-κετογλουταρικό με τρανσαμίνωση από αργινίνη ή ασπαρτικό Η πολυπλοκότητα της βιοσύνθεσης του γλουταμικού αντικατοπτρίζει τον κεντρικό ρόλο που έχει στο μεταβολισμό Στο E. coli αποτελεί μεγάλο ποσοστό των πρωτεϊνικών αμινοξέων Ως μείζων δότης αμινομάδας, περίπου το 80% του κυτταρικού αζώτου περνά μέσω του γλουταμικού (σε πειράματα όπου κύτταρα αναπτύχθηκαν σε θρεπτικό υλικό όπου η μόνη πηγή αζώτου ήταν η αμμωνία) α-κετογλουταρικόΓλουταμικό 31

Η συνθάση της γλουταμίνης καταλύει την αμιδίωση του γλουταμινικού προς γλουταμίνη με τη χρήση ΑΤΡ. Γλουταμικό + αμμωνία + ΑΤΡ  ΓΛΟΥΤΑΜΙΝΗ + ADP + Pi α-κετογλουταρικόΓλουταμίνη ΝΗ 4 + Συνθετάση της γλουταμίνης ΝΗ 2 32

Η συνθάση της γλουταμίνης έχει μεγαλύτερη συγγένεια για το ιόν αμμωνίου από ότι η αφυδρογονάση του γλουταμικού. Για να χρησιμοποιηθεί πιο αποδοτικά το αμμώνιο πρέπει να αναγεννηθεί το γλουταμικό Το υπεύθυνο ένζυμο λέγεται «συνθάση του γλουταμικού» και μεταφέρει μια αμινομάδα από τη γλουταμίνη στο α- κετογλουταρικό, παράγοντας δύο μόρια γλουταμικού Αυτό το ένζυμο υπάρχει σε πολλούς προκαρυωτικούς οργανισμούς α-κετογλουταρικόΓλουταμικό 33

α-κετογλουταρικόΓλουταμικό 34

α-κετογλουταρικόΓλουταμικό-Γλουταμίνη Φυλογενετικές αναλύσεις του γονιδίου της συνθάσης της γλουταμίνης έδειξαν ότι είναι από τα παλαιότερα λειτουργικά γονίδια στην ιστορία της εξέλιξης. Οι αντιδράσεις που καταλύονται από τη συνθάση της γλουταμίνης (GS) και της συνθάσης του γλουταμικού (glutamine - α-oxoglutarate aminotransferase, ή GOGAT) είναι γνωστες ως «κύκλος GS/GOGAT». 35

Προλίνηα-κετογλουταρικό Ένα μόριο ATP και δύο μόρια NADPH + H + χρησιμοποιούνται ανά μόριο προλίνης που παράγεται. Πιθανό φωσφορικό ενδιάμεσο 36

Αργινίνηα-κετογλουταρικό Η σύνθεση της αργινίνης περιλαμβάνει 8 βήματα ξεκινώντας από το γλουταμικό Δύο μόρια ATP και ένα μόριο NADPH + και H + χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση ενός μορίου αργινίνης 37

α-κετογλουταρικόΑργινίνη 38

Συνολική αντίδραση 2 γλουταμικό + ακετυλο-CoA + ασπαρτικό + 2ATP + φωσφορικό καρβαμοΰλιο + NADPH + H + + H2O   αργινίνη + οξικό + CoA + φουμαρικό + 2- κετογλουταρικό + AMP + 3Pi + NADP + + ADP Τουλάχιστον τρεις εναλλακτικές βιοσυνθετικές πορείες για την αργινίνη έχουν βρεθεί στα βακτήρια α-κετογλουταρικόΑργινίνη 39

α-κετογλουταρικόΑργινίνη Η μετατροπή της ορνιθίνης σε αργινίνη γίνεται κατά τη διάρκεια του κύκλου της ουρίας 40

α-κετογλουταρικό γλουταμικό γλουταμίνη προλίνη αργινίνη Γλουταμική ημιαλδεΰδη Ορνιθίνη Κιτρουλίνη α-κετογλουταρικό 41

Οξαλοξικό Το οξαλοξικό είναι παράγωγο του κύκλου του κιτρικού οξέος 42

ΟξαλοξικόΑσπαρτικό Το ασπαρτικό συντίθεται με αντίδραση τρανσαμίνωσης με ένα βήμα από το οξαλοξικό Αντιστρεπτή μεταφορά αμινομάδας από το γλουταμικό στο οξαλοξικό Αμινοτρανσφεράση του ασπαρτικού (glutamate-oxaloacetate transaminase GOT) Γλουταμικό + οξαλοξικό  ΑΣΠΑΡΤΙΚΟ + α-κετογλουταρικό Το ασπαρτικό είναι συστατικό των πρωτεΐνών και συμμετέχει σε πολλές άλλες βιοσυνθετικές πορείες. Περίπου το 27% του συνολικού πρωτεΐνικού αζώτου περνά από το ασπαρτικό. 43

ΟξαλοξικόΑσπαραγίνη Αμιδίωση του ασπαρτικού με τρανσαμίνωση ή απευθείας προσθήκη αμμωνίας Χημικά ανάλογη αντίδραση με γλουταμικό  γλουταμίνη Υδρόλυση ΑΤΡ Τα βακτήρια χρησιμοποιούν ιόν αμμωνίου απευθείας Τα θηλαστικά χρησιμοποιούν γλουταμίνη ως δότη αμινομάδας Συνθάση της ασπαραγίνης Ασπαρτικό + Αμμωνία +ΑΤΡ  ΑΣΠΑΡΑΓΙΝΗ +ΑΜΡ+ πυροφωσφορικό+ Η+ ή Ασπαρτικό + γλουταμίνη +ΑΤΡ  ΑΣΠΑΡΑΓΙΝΗ + γλουταμικό +ΑΜΡ+ πυροφωσφορικό 44

ΟξαλοξικόΑσπαραγίνη 45

ΟξαλοξικόΜεθειονίνη Η μεθειονίνη συντίθεται απο το οξαλοξικό μέσω ασπαρτικού. Το ηλεκτρυλο-CoA συμμετέχει και η κυστεΐνη παρέχει μια θειομάδα. Το οξαλοξικό μετατρέπεται πρώτα σε ομοσερίνη. Στην ομοσερίνη προστίθεται μια θειομάδα σε δύο βήματα Τέλος, η μεθειονίνη συντίθεται με προσθήκη μιας μεθυλομάδας. 46

Στην τελευταία αντίδραση, η μεταφορά μεθυλομάδας πραγματοποιείται από την τρανσμεθυλάση της ομοκυστεΐνης Φορεις μεθυλομάδας παρουσία ή απουσία του συνενζύμου μεθυλο-κοβαλαμίνη παράγωγο της βιταμίνης Β12 Ανάλογα με το είδος και τις περιβαλλοντικές συνθήκες Το αποτέλεσμα αυτών των αντιδράσεων είναι ο κύκλος της μεθυλομάδας (methyl cycle): ΟξαλοξικόΜεθειονίνη 47

ΟξαλοξικόΘρεονίνη Η σύνθεση της θρεονίνης και της λυσίνης ξεκινά με τη μετατροπή του οξαλοξικού σε ασπαρτική ημιαλδεϋδη. Αυτή η πορεία κοστίζει ενεργειακά ένα μόριο ΑΤΡ και δύο μόρια NADPH + H+ 48

ΟξαλοξικόΘρεονίνη Η βιοσύνθεση της θρεονίνης απέχει τρία βήματα από την ημιαλδεΰδη Πρώτα, μια δεύτερη αναγωγική αντίδραση δίνει την ομοσερίνη Μια φωσφορυλίωση δίνει την φωσφο-ομοσερίνη Τέλος, η φωσφο- ομοσερίνη μετατρέπεται σε θρεονίνη 49

ΟξαλοξικόΙσολευκίνη Η σύνθεση της ισολευκίνης αρχίζει από θρεονίνη με απαμίνωση σε α-κετοβουτυρικό 1 μόριο NADPH + H+ καταναλώνονται ανά μόριο αμινοξέων 50

ΟξαλοξικόΛυσίνη Η σύνθεση της λυσίνης αποτελείται από διαφορετικές αντιδράσεις σε διαφορετικά είδη βακτηρίων Ένα σχετικά γενικό pathway παρουσιάζεται. Η σύνθεση περιλαμβάνει προσθήκη πυροσταφυλικού στην ασπαρτική ημιαλδεΰδη, χρήση ενός CoA ενδιαμέσου (ακετυλο ή ηλεκτρυλο) & προσθήκη μιας αμινομάδας από το γλουταμικό Η ομάδα του CoA προστατεύει την αμινομάδα από επίθεση κατά την αντίδραση της τρανσαμίνωσης από το γλουταμικό. NADPH+ & H+ απαιτούνται για την αναγωγή στο δεύτερο βήμα. 51

ασπαρτικό + ATP + 2NADPH + 2H + + ηλεκτρυλο-CoA + γλουταμικό + πυροσταφυλικό   λυσίνη + ADP + 2NADP + + CoA + 2κετογλουταρικό + ηλεκτρικό + CO 2 + Pi Το διαμινοπιμελικό είναι πρόδρομος της λυσίνης και διαφόρων στοιχείων του κυτταρικού τοιχώματος Οι συνθέσεις της λυσίνης, της μεθειονίνης και της θρεονίνης έχουν δύο κοινές αντιδράσεις, τη σύνθεση της ασπαρτικής ημιαλδεΰδης Η πρώτη αντίδραση καταλύεται από 3 ισοένζυμα, ένα για κάθε αμινοξύ Το καθένα από τα ισοένζυμα ρυθμίζεται από το αντίστοιχο τελικό προϊόν/αμινοξύ ΟξαλοξικόΛυσίνη 52

οξαλοξικό ασπαρτικό ασπαραγίνη ομοσερίνη μεθειονίνη θρεονίνη ισολευκίνη λυσίνη Ασπαρτική-β- ημιαλδεΰδη διαμινοπιμελικό 53

ΡΕΡ και 4-φωσφο-ερυθρόζη Το φωσφοενολοπυροσταφυλικό είναι παράγωγο της γλυκολυτικής πορείας Η φωσφοερυθρόζη είναι παράγωγο της πορείας των φωσφορικών πεντοζών 54

ΡΕΡ και 4-φωσφο-ερυθρόζη Η σύνθεση των αρωματικών αμινοξέων ξεκινά με τη σύνθεση του χορισμικού μέσω σικιμικού Η φαινυλαλανίνη και η τυροσίνη συντίθενται μέσω προφαινικού ενώ η τρυπτοφάνη μέσω ανθρανυλικου 55

ΡΕΡ και 4-φωσφο-ερυθρόζηΧορισμικό Ένα μόριο NADPH / H + και ένα μόριο ATP καταναλώνεται για κάθε μόριο χορισμικού που παράγεται. 56

ΡΕΡ και 4-φωσφο-ερυθρόζηΦαινυλαλανίνη Το χορισμικό μετατρέπεται σε φαινυλοπυροσταφυλικό σε δύο βήματα Η φαινυλαλανίνη συντίθεται με τρανσαμίνωση του φαινυλοπυροσταφυλικού από το γλουταμικό Ενεργειακά αυθόρμητη 57

ΡΕΡ και 4-φωσφο-ερυθρόζηΤυροσίνη Η σύνθεση της τυροσίνης είναι παρόμοια με της φαινυλαλανίνης αλλά οι αντιδράσεις εκτελούνται από διαφορετικά ένζυμα, κάτω από διαφορετικούς παράγοντες ρύθμισης. NADH παράγεται κατά τη σύνθεση του 4-υδροξυ-φαινυλο-πυροσταφυλικού. Η τυροσίνη συντίθεται με τρανσαμίνωση, παρόμοια με αυτήν στη σύνθεση της φαινυλαλανίνης. 58

Επίσης, η τυροσίνη μπορεί να συντεθεί με υδροξυλίωση της φαινυλαλανίνης (στα θηλαστικά). Το υπεύθυνο ένζυμο είναι η υδροξυλάση της φαινυλαλανίνης (phenylalanine hydroxylase) Η αντίδραση αυτή είναι και το πρώτο βήμα στον καταβολισμό της φαινυλαλανίνης Έλλειψη αυτού του ενζύμου οδηγεί σε φαινυλκετονουρία (PKU) και καθιστά την τυροσίνη απαραίτητη. Φαινυλαλανίνη + Ο 2 + NADPH + H   Τυροσίνη + NADP + + H 2 O ΡΕΡ και 4-φωσφο-ερυθρόζηΤυροσίνη 59

ΡΕΡ και 4-φωσφο-ερυθρόζηΤρυπτοφάνη Η σύνθεση της τρυπτοφάνης είναι πιο πολύπλοκη και γίνεται σε 5 βήματα από το χορισμικό Το πρώτο βήμα είναι τρανσαμίνωση από το γλουταμικό και πυροσταφυλικό αποσπάται από το χορισμικό Στα επόμενα 3 βήματα έχουμε προσθήκη ΡRΡΡ, που συνεισφέρει στον πενταμελή δακτύλιο. Υδρόλυση πυροφοσφωρικού από ΡRΡΡ παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια Στο τελευταίο βήμα η σερίνη δίνει την αμινομάδα της στην τρυπτοφάνη. 60

χορισμικό + γλουταμίνη + PRPP + σερίνη   γλουταμικό + πυροσταφυλικό + πυροφωσφορικό + CO2 + H2O + 3-φωσφο-γλυκεραλδεΰδη + τρυπτοφάνη Η σύνθεση της τρυπτοφάνης είναι πολύ δαπανηρή ενεργειακά Χρειάζονται 78 μόρια ATP για κάθε μόριο τρυπτοφάνης που συντίθεται ΡΕΡ και 4-φωσφο-ερυθρόζηΤρυπτοφάνη 61

φωσφοενολοπυροσταφυλικό φαινυλαλανίνη Σικιμικό 4-φωσφοερυθρόζη Προφαινικό τρυπτοφάνη τυροσίνη Χορισμικό Ινδόλιο 62

3-φωσφο-γλυκερικό Το 3-φωσφογλυκερικό είναι ενδιάμεσο της γλυκολυτικής πορείας 63

3-φωσφο-γλυκερικόΣερίνη Η βιοσύνθεση της σερίνης & της γλυκίνης αποτελεί ένα μείζον μεταβολικό μονοπάτι που παίζει κεντρικό ρόλο στη σύνθεση άλλων αμινοξέων, νουκλεοτιδίων και φωσφολιπιδίων Για E. coli που αναπτύσσεται σε γλυκόζη, το 15% του προσλαμβανόμενου άνθρακα περνάει μέσω της πορείας της σερίνης 64

3-φωσφο-γλυκερικόΣερίνη Η σύνθεση της σερίνης και της γλυκίνης ξεκινά με οξέιδωση του 3-φωσφογλυκερικού σε 3-φωσφο-υδρόξυ-γλυκερικό και αναγωγή του NAD σε NADH Με τρανσαμίνωση από το γλουταμικό σχηματίζεται 3- φωσφοσερίνη η οποία δίνει σερίνη με αποφωσφορυλίωση Η πορεία δεν έχει ενεργειακές απαιτήσεις – αντίθετα, παράγει κατά κάποιο τρόπο ενέργεια με τη μορφή του NADH 65

3-φωσφο-γλυκερικόΣερίνη Αφυδρογονάση του 3-φωσφογλυκερικού φωσφογλυκερικό + NAD+  3-φωσφο-υδροξυ-πυροσταφυλικό + NADH Αμινοτρανσφεράση της 3-φωσφοσερίνης φωσφο-υδροξυ-πυροσταφυλικό + γλουταμικό   3-φωσφοσερίνη + α-κετογλουταρικό Φωσφατάση της φωσφοσερίνης φωσφοσερίνη + Η2Ο  ΣΕΡΙΝΗ + Ρί Η πορεία ρυθμίζεται κυρίως με ανατροφοδοτική αναστολή της αφυδρογονάσης του φωσφογλυκερικού. Η αμινοτρανσφεράση της φωσφοσερίνης είναι ένζυμο που απαιτεί φωσφορική πυριδοξάλη κι επίσης είναι απαραίτητη για τη σύνθεση της φωσφορικής πυριδοξάλης Ρύθμιση επιπεδων του συνενζύμου 66

3-φωσφο-γλυκερικόΣερίνη 67

3-φωσφο-γλυκερικόΚυστεΐνη Η σύνθεση της κυστεΐνης γίνεται σε δύο βήματα. Πρώτα η σερίνη και το ακετυλο-CoA σχηματίζουν την ακετυλοσερίνη Έπειτα, από την πορεία καθήλωσης του θείου, προστίθεται η σουλφυδριλομάδα Ακετυλοτρανσφεράση της σερίνης Σερίνη + ακετυλο-CoA  Ο-ακετυλοσερίνη + CoA Συνθάση της κυστεΐνης Ο-ακετυλοσερίνη + υδρόθειο  ΚΥΣΤΕΪΝΗ + οξικό Η πορεία ρυθμίζεται γενετικά στο επίπεδο της συνθάσης της κυστεΐνης Δύο ισοένζυμα υπό τον μεταγραφικό έλεγχο του κυστεϊνο-εξαρτώμενου μεταγραφικού παράγοντα CysB Οι συνθάσες δρουν και ως αποθήκες θείου σε περιόδους ασιτίας/έλλειψης θείου Ανατροφοδοτική αναστολή ακετυλοτρανσφεράσης από κυστεΐνη 68

3-φωσφο-γλυκερικόΚυστεΐνη Η κυστεΐνη μπορεί να συντεθεί και με διάσπαση της κυσταθειονίνης Κυσταθειονινάση Κυσταθειονίνη + Η 2 Ο  ΚΥΣΤΕΪΝΗ + α-κετοβουτυρικό + ΝΗ

3-φωσφο-γλυκερικόΓλυκίνη Η σερίνη μετατρέπεται σε γλυκίνη με αφαίρεση της πλευρικής αλυσίδας Η αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο τρανσυδροξυμεθυλάση της σερίνης Συνένζυμο: φωσφορική πυριδοξάλη Ο άνθρακας μεταφέρεται στο τετραϋδροφυλλικό Αυτή η πορεία είναι η κύρια πηγή ομάδων ενός ατόμου άνθρακα με τη μορφή του 5,10-μεθυλενο-τετραϋδροφυλλικό. Τρανσυδροξυμεθυλάση της σερίνης Σερίνη + τετραϋδροφυλλικό   ΓΛΥΚΙΝΗ + μεθυλενοτετραϋδροφυλλικό + Η2Ο 70

3-φωσφογλυκερικό σερίνη κυστεΐνη γλυκίνη 71

Πυροσταφυλικό Το πυροσταφυλικό είναι το τελευταίο προϊόν της γλυκόλυσης 72

ΠυροσταφυλικόΑλανίνη Η αλανίνη παράγεται σε ένα βήμα, με τρανσαμίνωση του πυροσταφυλικού Συνήθως, η αμινομαδα προέρχεται από το γλουταμικό αν και έχει βρεθεί πορεία όπου ο δότης είναι η βαλίνη Αμινοτρανσφεράση εξαρτώμενη από φωσφορική πυριδοξάλη Τρανσαμινάση γλουταμικού-πυροσταφυλικού Πυροσταφυλικό + γλουταμικό  αλανίνη + α-κετογλουταρικό 73

ΠυροσταφυλικόΒαλίνη Συγκρίνοντας τις βιοσυνθετικές πορείες της ισολευκίνης και της βαλίνης βλέπουμε ότι η μόνη διαφορά είναι η αντικατάσταση μιας αιθυλομάδας αντί για μια μεθυλομάδα στο α-άτομο άνθρακα των ενδιαμέσων. Τα ενδιάμεσα προϊόντα έιναι παρόμοια – τα ιδια ένζυμα καταλύουν 4 αντιδράσεις 74

Πυροσταφυλικό 75

ΠυροσταφυλικόΛευκίνη Η σύνθεση της λευκίνης αρχίζει με το τελευταίο ενδιάμεσο της σύνθεσης της βαλίνης, το α-κετο-ισοβαλερικό. Πρώτα, προστίθεται μια ακετυλομάδα από το ακετυλο-CoA Μεταφορά ηλεκτρονίων στο NAD+ και απόσπαση ενός ατόμου άνθρακα με τη μορφή CO 2 4 βήματα παρακάτω. Τέλος με τρανσαμίνωση από το γλουταμικό στο α-κετο-ισοκαπροϊκό προκυπτει η λευκίνη 76

Πυροσταφυλικό αλανίνη βαλίνη ισολευκίνη θρεονίνη α-κετοβουτυρικό α-κετοϊσοβαλερικό λευκίνη 77

5-φωσφο-ριβόζη Η 5-φωσφοριβόζη είναι παράγωγο της πορείας των φωσφορικών πεντοζών 78

5-φωσφο-ριβόζηΙστιδίνη Η βιοσύνθεση της ιστιδίνης είναι μια πολύπλοκη διαδικασία συνυφασμένη με τη βιοσύνθεση των πουρινών Η πορεία αυτή είναι η ίδια σε όλους τους οργανισμούς που συνθέτουν ιστιδίνη Τα πρώτα 5 βήματα απομακρύνουν τη ριβόζη από το PRPP και τη μετατρέπουν σε φωσφορική ιμιδαζολογλυκερόλη. Αφου σχηματιστεί ο ιμιδαζολικός δακτύλιος, μεταφέρεται μια αμινομαδα από το γλουταμικό Η αμίνη που προκύπτει οξειδώνεται σε ιστιδίνη στο τελευταίο βήμα Η όλη πορεία απαιτεί ΑΤΡ και για ενέργεια αλλά και για πρώτες ύλες 79

80

PRPP + ATP + 3H2O + γλουταμίνη + 2 NAD   AICAR + ιστιδίνη + γλουταμικό + 2NADH + 2H + + 2PP + Pi Η βιοσύνθεση της ιστιδίνης ρυθμίζεται από 8 γονίδια που κωδικοποιούν 9 ένζυμα που καταλύουν 10 αντιδράσεις σε 11 συνολικά βήματα Αυτό συμβαίνει λόγω της ύπαρξης δι-λειτουργικών ενζύμων και ενός ολοενζύμου που αποτελείται από 2 διαφορετικα γονιδιακά προϊόντα Η βιοσύνθεση της ιστιδίνης έχει κοινα στοιχεία με τη βιοσύνθεση των πουρινών/νουκλεοτιδίων. Οι κοινοί μεταβολίτες είναι το PRPP και το 5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide (AICAR). 5-φωσφο-ριβόζηΙστιδίνη 81

5-φωσφοριβόζη ιστιδίνη 5-φωσφο-1-πυροφωσφορική ριβόζη (Phosphoribosyl Pyrophosphate ) 82

Το γλουταμικό συντίθεται από το α-κετογλουταρικό Η γλουταμίνη είναι το αμίδιο του γλουταμικού Η προλίνη συντίθεται από το γλουταμικό σε 4 βήματα Η αλανίνη συντίθεται με αμίνωση του πυροσταφυλικού από το γλουταμικό Το ασπαρτικό με αμίνωση του οξαλοξικού από το γλουταμικό Η ασπαραγίνη είναι το αμίδιο του ασπαρτικού Η φαινυλαλανίνη, η τυροσίνη και η τρυπτοφάνη συντίθενται από φωσφοενολοπυροσταφυλικό και 4-φωσφοερυθρόζη μέσω σικιμικού Η τυροσίνη συντίθεται επίσης με υδροξυλίωση της φαινυλαλανίνης Η αργινίνη από τον κύκλο της ουρίας με ανθρακικό σκελετό από γλουταμικό Η σερίνη με οξείδωση, τρανσαμίνωση & υδρόλυση του 3-φωσφο-γλυκερικού Η γλυκίνη συντίθεται με απομάκρυνση της πλευρικής αλυσίδας της σερίνης Η μεθειονίνη συντίθεται από ομοκυστεΐνη με μεταφορά μεθυλομάδας Η κυστεΐνη συντίθεται με μεταφορά θειομάδας από ομοκυστεΐνη σε σερίνη Η θρεονίνη και η λυσίνη από το οξαλοξικό μέσω ασπαρτικής ημιαλδεΰδης Η ισολευκίνη συντίθεται από θρεονίνη Τα διακλαδιζόμενα αμινοξέα λευκίνη και βαλίνη από πυροσταφυλικό Η ιστιδίνη συντίθεται με μια πολύπλοκη πορεία από 5-φωσφοριβόζη Σύνθεση αμινοξέων - επισκόπηση 83

Ρύθμιση σύνθεσης αμινοξέων Η ρύθμιση της βιοσύνθεσης των αμινοξέων γίνεται με  Ρύθμιση της ποσότητας του ενζύμου – ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων – αργή ρύθμιση  Ρύθμιση της ενζυμικής δραστικότητας – τροποποίηση της δομής – ταχύτατες αλλαγές (sec-msec) 84

Η πρώτη μη αντιστρεπτή αντίδραση σε μια μεταβολική πορεία αποτελεί συνήθως σημείο ρύθμισης κι ελέγχου Τα τελικά προϊόντα ειτε αναστέλλουν τη δράση κάποιων ενζύμων είτε καταστέλλουν τη σύνθεση κάποιων από αυτά Η συνθετάση της γλουταμίνης είναι το κύριο σημείο ρύθμισης στο μεταβολισμό του αζώτου Ρύθμιση σύνθεσης αμινοξέων 85

Met, Lys, Thr 86

Ρύθμιση σύνθεσης αμινοξέων Η αμινομάδα της γλουταμίνης ενσωματώνεται σε μια ποικιλία ενώσεων: AMP, GMP, CTP ιστιδίνη, τρυπτοφάνη, ασπαραγίνη PABA, NAD 6-φωσφο-γλυκοζαμίνη Φωσφορικό καρβαμοΰλιο Η γλουταμίνη παίζει ρόλο δότη αμινομάδας για πολλές αντιδράσεις και δρα ως αποθήκη αμινομάδων 87

Ρύθμιση σύνθεσης αμινοξέων Στην E. coli η συνθετάση της γλουταμίνης αποτελείται από 12 όμοιες υπομονάδες των 51,6kD Οι υπομονάδες είναι διατεταγμένες στις κορυφές δύο κανονικών εξαγώνων σε παράλληλα επίπεδα που εφάπτονται μεταξύ τους Το ένζυμο υπόκειται 1. Σε αλλοστερική ρύθμιση 2. Σε ρύθμιση με ομοιοπολική μεταβολή στην πρωτοταγή δομή του 88

Αλλοστερική ρύθμιση συνθετάσης γλουταμίνης  Αλλοστερικά ρυθμίζεται από 9 ενώσεις που κάθε μια έχει το δικό της κέντρο σύνδεσης  Οι 6 από αυτές τις ενώσεις αποτελούν τελικά προϊόντα πορειών που ξεκινούν από τη γλουταμίνη (ιστιδίνη, τρυπτοφάνη, φωσφοκαρβαμιδικό όξύ, ΑΜΡ, CTP, και 6- φωσφογλυκοσαμίνη) (αναστολή από τελικό προϊόν)  Οι άλλες τρεις (αλανίνη, σερίνη, γλυκίνη) αποτελούν δείκτες ύπαρξης αναγκαίας ποσότητας οργανικού αζώτου στο κύτταρο Αν συνδεθούν όλοι (και οι 9) η συνθετάση της γλουταμίνης αναστέλλεται σχεδόν πλήρως (cummulative feedback inhibition) 89

 Στα θηλαστικά η συνθετάση της γλουταμίνης ενεργοποιείται από το ΑΤΡ και το α-κετογλουταρικό  Η δράση της συνθετάσης της γλουταμίνης ρυθμίζεται και από ορισμένα δισθενή ιόντα με ειδικά κέντρα σύνδεσης Αλλοστερική ρύθμιση συνθετάσης γλουταμίνης 90

Ομοιοπολική τροποποίηση συνθετάσης γλουταμίνης Η δραστικότητα της συνθετάσης της γλουταμίνης τροποποιείται και με ομοιοπολική τροποποίηση της πρωτοταγους δομής της Η χαρακτηριστική ομάδα ενός καταλοίπου τυροσίνης σε κάθε μια από τις υπομονάδες του ενζύμου υφίσταται αδενυλίωση/ αποαδενυλίωση Η συνθετάση της γλουταμίνης αδενυλιώνεται από την αδενυλάση ενός ενζύμου (PA form) και αποαδενυλιώνεται από την αποαδενυλάση (PD form). Η εναλλαγή μεταξύ της PΑ και PD γίνεται από μια ουριδυλομεταφοράση η οποία με τη σειρά της ρυθμίζεται από τα επίπεδα του α-κετογλουταρικού και της γλουταμίνης 91

Χαμηλά επίπεδα ΝΗ3  υψηλά επίπεδα α-κετογλουταρικού  χαμηλά επίπεδα γλουταμίνης  ουριδυλιωση PA σε PD  αποαδενυλίωση συνθετάσης γλουταμίνης  ενεργοποίηση του ενζύμου Υψηλά επίπεδα ΝΗ3  χαμηλά επίπεδα α-κετογλουταρικού  υψηλά επίπεδα γλουταμίνης  αποουριδυλιωση PD σε PA  αδενυλίωση συνθετάσης γλουταμίνης  αποενεργοποίηση του ενζύμου Ομοιοπολική τροποποίηση συνθετάσης γλουταμίνης 92

Η συνθετάση της γλουταμίνης υπόκειται και σε μεταγραφικό έλεγχο Το γονίδιο της συνθετάσης ενεργοποιείται μεταγραφικά από έναν ενισχυτή που ανταποκρίνεται στα επίπεδα της αδενυλάσης /αποαδενυλάσης Έτσι, σε υψηλές τιμές ΝΗ3 η μεταγραφή της συνθάσης αναστέλλεται από τα υψηλά επίπεδα της ΡΑ μορφής Αντίθετα, χαμηλά επίπεδα ΝΗ3 συνεπάγονται και χαμηλά επίπεδα ΡΑ μορφής, οπότε και έχουμε ενεργοποίηση της μεταγραφής της συνθάσης Ρύθμιση σύνθεσης ενζύμου 93

Εφόσον το άζωτο ενσωματώνεται ως αμμωνία στα αμινοξέα μέσω του γλουταμικού και της γλουταμίνης, αυτά τα αμινοξέα παιζουν το ρόλο της πηγής αζώτου Η σύνθεση των ανθρακικών σκελετών ρυθμίζεται με επανατροφοδοτική αναστολή όπου το προϊόν της πορείας αναστέλλει την ενζυμική λειτουργία Ρύθμιση σύνθεσης αμινοξέων 94

S-Aδενοσυλο-Mεθειονίνη Η SAM παράγεται από μεθειονίνη και ATP σε μια αντίδραση που καταλύεται από το ένζυμο αδενοσυλοτρανφεράση της μεθειονίνης [EC ]. 95

S-Aδενοσυλο-Mεθειονίνη 96

Η SAM είναι ο κύριος δότης μεθυλομάδων (fully-reduced one- carbon units) Επειδή είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένο με τρεις διαφορετικές ομάδες, το θείο της SAM είναι φορτισμένο θετικά Αυτό συνεπάγεται υψηλότερο δυναμικό μεταφοράς της μεθυλομάδας από ότι το μεθυλο-τετραϋδροφυλλικό. S-Aδενοσυλο-Mεθειονίνη (SAM) 97

Μεθυλομεταφορά (τρανσμεθυλίωση - transmethylation), θειομεταφορα (trans-sulfuration), και αμινοπροπυλίωση είναι οι αντιδράσεις που χρειάζονται τη SAM. Αναβολικές διεργασίες – η περισσότερη ποσότητα της SAM παράγεται και χρησιμοποιείται από το ήπαρ. Η μεθυλομάδα (CH3) που συνδέεται με το άτομο θείου της μεθειονίνης της SAM είναι πολυ δραστική. Αυτό επιτρέπει τη μεταφορά του σε υποστρώματα-δέκτες σε αντιδράσεις τρανσμεθυλίωσης. Πολλές μεταβολικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν μεταφορά μεθυλομάδας από τη SAM σε διάφορες ενώσεις (νουκλεϊκά οξέα, πρωτεΐνες, λιπίδια). S-Aδενοσυλο-Mεθειονίνη 98

Οι αντιδράσεις που παράγουν, χρησιμοποιούν και αναγεννούν τη SAM είναι γνωστές ως «ο κύκλος της SAM» Στο πρώτο βήμα, οι SAM-εξαρτώμενες μεθυλάσες χρησιμοποιούν SAM σαν υπόστρωμα & παράγουν S-αδενόσυλο-ομοκυστεΐνη Η S-αδενόσυλο-ομοκυστεΐνη υδρολύεται σε ομοκυστεΐνη και αδενοσίνη από την υδρολάση της S-αδενόσυλο-ομοκυστεϊνης Η ομοκυστεΐνη ανακυκλώνεται σε μεθειονίνη με μεταφορά μεθυλομάδας από το 5-μεθυλο-τετραϋδροφυλλικό, από το ένζυμο συνθάση της μεθειονίνης Αυτή η μεθειονίνη μετατρέπεται σε SAM ολοκληρώνοντας τον κύκλο. Ο κύκλος της SAM 99

Ο κύκλος της SAM 100

Αποικοδόμηση αμινοξέων 101

Καταβολισμός αμινοξέων 102

Αμινομάδα αμινοξέων Αμινομάδες στις πλευρικές αλυσίδες Νo use για παραγωγή ενέργειας Απομάκρυνση αζώτου 1. Τρανσαμίνωση αμινομάδας από αμινοξύ σε α-κετογλουταρικό Συσσώρευση γλουταμικού 2. Απελευθέρωση αζώτου από γλουταμικό  κύκλος ουρίας - ήπαρ Ανθρακικός σκελετός διαφορετικός για κάθε αμινοξύ  διαφορετική πορεία Γλυκογενετικά αμινοξέα – ενδιάμεσα κύκλου Krebs/πυροσταφυλικό Κετογενετικά αμινοξέα – ακετοξικό (κετονοσώματα) Άζωτο αμινοξέων 103

104

105

106

Η τρανσαμίνωση λύνει το πρόβλημα της απομάκρυνσης του αζώτου Ανάγκη αναγέννησης α- κετογλουταρικού Αφυδρογονάση του γλουταμικού Απελευθέρωση αζώτου ως αμμωνία - Τοξική Ήπαρ Κύκλος ουρίας Μετατροπή σε ουρία  απελευθέρωση στην κυκλοφορία  απέκκριση από τους νεφρούς NH3 + HCO3- + Aspartate   (NH2)2CO + fumarate Τρανσαμίνωση 107

Γλουταμίνη  γλουταμικό + NH3+ (γλουταμινάση) Γλουταμικό  α-κετογλουταρικό (τρανσαμινάση) Ασπαραγίνη  ασπαρτικό + NH3+ (ασπαραγινάση) Ασπαρτικό  οξαλοξικό (τρανσαμινάση) Γλυκογενετικά Glu/Gln & Asp/Asn 108

Απλή αντίδραση τρανσαμίνωσης προς παραγωγή πυροσταφυλικού Αντιστροφή σύνθεσης Γλυκογενετικό Αλανίνη 109

Αργινίνη  ουρία + ορνιθίνη (αργινινάση) Ορνιθίνη  γλουταμική ημιαλδεΰδη (τρανσαμινάση) 1. Γλουταμική ημιαλδεΰδη  προλίνη 2. Γλουταμική ημιαλδεΰδη  γλουταμικό   α-κετογλουταρικό Προλίνη  γλουταμική ημιαλδεΰδη Αντιστροφή της σύνθεσης Γλυκογενετικά Αργινίνη, προλίνη 110

Ο κύκλος της ουρίας Τα περισσότερα είδη του ζωικού βασιλείου μετατρέπουν την περίσσεια αμμωνίας σε ουρία πριν την αποβολή της από τον οργανισμό Η ουρία είναι λιγότερο τοξική από την αμμωνία Ηπατικά κύτταρα Τα 2 άτομα Ν της ουρίας προέρχονται από την αμμωνία (αφυδρογονάση του γλουταμικού) και την αμινομάδα του ασπαρτικού 111

Ο κύκλος της ουρίας Το πρώτο βήμα είναι η σύνθεση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου από αμμωνία (N) και HCO3- (carbonyl C) Συνθάση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου Ι Δεσμεύει την αμμωνία και το όξινο ανθρακικό στον κύκλο της ουρίας Ρύθμιση κύκλου 112

Ο κύκλος της ουρίας Ο αλλοστερικός ενεργοποιητής της συνθάσης του φωσφορικού καρβαμοϋλίου είναι το Ν-ακέτυλο-γλουταμικό. Συντίθεται από ακέτυλο-CoA και γλουταμικό όταν τα ενδοκυτταρικά επίπεδα του γλουταμικού είναι υψηλά Υψηλό [γλουταμικό]  υψηλά επίπεδα ελεύθερων αμινοξέων (από αποσύνθεση πρωτεΐνης ή από τη διατροφή) 113

Ο κύκλος της ουρίας 114

Ο κύκλος της ουρίας λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα Eκτός την αντίδραση που καταλύεται από την τρανσκαρβαμοϋλάση της ορνιθίνης (μιτοχόνδρια). Τα υπόλοιπα ένζυμα βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα Συνθάση του αργινινοηλεκτρικού Λυάση του αργινινοηλεκτρικού Αργινάση Άρα, σε κάθε κύκλο, η κιτρουλλίνη θα πρέπει να συντίθεται στα μιτοχόνδρια και να μεταφέρεται στο κυτταρόπλασμα Ομοίως, η ορνιθίνη θα πρέπει να μεταφέρεται στα μιτοχόνδρια Μεταφορέας ορνιθίνης-κιτρουλλίνης στην έσω μιτοχονδριακή μεμβράνη Ο κύκλος της ουρίας 115

Ο κύκλος της ουρίας Αναγέννηση ασπαρτικού από φουμαρικό από κυτταροπλασματικά ένζυμα (ισοένζυμα του κύκλου του Krebs) Το φουμαρικό παράγεται με διάσπαση του αργινινοηλεκτρικού Το φουμαρικό μετατρέπεται σε οξαλοξικό (Φουμαράση και αφυδρογονάση του μηλονικού) Το οξαλοξικό μετατρέπεται σε ασπαρτικό με τρανσαμίνωση Το ασπαρτικό επανεισέρχεται στον κύκλο της ουρίας έχοντας αμινομάαδα από ένα άλλο αμινοξύ (δίκυκλο της ουρίας) Μερική έλλειψη σε ένζυμο του κύκλου της ουρίας οδηγεί σε υπεραμμωναιμία Ολική έλλειψη σε ένα από τα ένζυμα είναι θανατηφόρο λόγω της τοξικότητας της αμμωνίας, κυρίως στον εγκέφαλο 116

117

Σερίνη, Γλυκίνη Σερίνη  γλυκίνη  CO2 + NH3 Παραγωγή N5,N10-methyleneTHF Σερίνη  3-φωσφογλυκερικό (αντιστροφή σύνθεσης, διαφορετικά ένζυμα) Σερίνη  πυροσταφυλικό (απαμίνωση από ser/thr dehydratase) Γλυκίνη  σερίνη  …αποικοδόμηση σερίνης Γλυκίνη  CO2 + NH3 Γλυκογενετικά 118

Θρεονίνη Τουλάχιστον 3 καταβολικές πορείες 1. Θρεονίνη  α-αμινο-κετοβουτυρικό Αφυδρογονάση της θρεονίνης Ι. α-αμινο-κετοβουτυρικό  ακετυλο-CoA + γλυκίνη ΙΙ. α-αμινο-κετοβουτυρικό  αμινοακετόνη  πυροσταφυλικό 2. Θρεονίνη  α-κετοβουτυρικό  προπιονυλο-CoA   ηλεκτρυλο-CoA Αφυδρατάση της σερίνης/θρεονίνης 3. Θρεονίνη  ακετυλο-CoA + πυροσταφυλικό Αλδολάση της θρεονίνης Γλυκογενετικό & κετογενετικό 119

Διάφορες πορείες Η απλούστερη παράγει H 2 S & πυροσταφυλικό (αποσουλφουράση) Η κύρια καταβολική πορεία είναι μέσω της διοξυγενάσης στης κυστεΐνης Οξείδωση SH κυστεΐνης σε σουλφινικό μεσω κυστεϊνο- σουλφινικού (αποκαρβοξυλίωση και οξείδωση παράγει ταυρίνη) Το κυστεϊνοσουλφινικό τρανσαμινώνεται και αποσουλφουρυλιώνεται σε θειώδες (HSO3-) και πυροσταφυλικό Γλυκογενετικό Κυστεΐνη 120

Βranched-chain amino acids BCAAs Καταβολισμός  NADH & FADH2 Τα 2 πρώτα βήματα καταβολισμού για τα 3 αμινοξέα καταλύονται από τα ίδια ένζυμα 1.Τρανσαμίνωση προς α-κετογλουταρικό Παραγωγή 3 διαφορετικών α-κετο-οξέων 2. Οξείδωση (branched-chain a-keto acid dehydrogenase) 3 CoA παράγωγα Βαλίνη  προπιονυλο-CoA  ηλεκτρυλο-CoA (γλυκογενετικό) Ισολευκίνη  ακετυλο-CoA & προπιονυλο-CoA (γλυκογενετικό + κετογενετικό) Λευκίνη  ακετυλο-CoA & ακετοακέτυλο-CoA (κετογενετικό) Βαλίνη, λευκίνη, ισολευκίνη 121

Ο καταβολισμός της φαινυλαλανίνης ξεκινά με την υδροξυλίωσή της σε τυροσίνη Μετατροπή σε φουμαρικό και ακετοξικό (κετογενετικά και γλυκογενετικά) Τυροσίνη, Φαινυλαλανίνη 122

Λυσίνη Τρανσαμίνωση ε-αμινομάδας στο α-κετογλουταρικό Απουσία PLP Ακετοακετυλο-CoA Πρόδρομο μόριο για τη σύνθεση της καρνιτίνης Τροποποιημένη λυσίνη σε πρωτεΐνες 123

Ιστιδίνη Απελευθέρωση α-αμινομάδας από την ιστιδινάση (εισαγωγή διπλού δεσμού) Urocanate Τελικό προϊόν: γλουταμικό  α-κετογλουταρικό Γλυκογενετικό 124

Τρυπτοφάνη Το πρώτο βήμα στον καταβολισμό της W καταλύεται από μια οξυγονάση που ανοίγει τον ινδολικό δακτύλιο Ακετοξικό 2 μόρια αλανίνης Γλυκογενετικό και κετογενετικό Σύνθεση σεροτονίνης 125

 Aζωτούχες βάσεις - πυριμιδίνες (ασπαρτικό φωσφορικό καρβαμοΰλιο) & πουρίνες (ασπαρτικό, γλυκίνη, γλουταμικό) των DNA και RNA  Nευροδιβιβαστες (σεροτονίνη από τρυπτοφάνη)  Πορφυρίνες - σύνθεση της αίμης στις αιμοσφαιρίνες (γλυκίνη, ηλεκτρυλο- CoA)  Ορμόνες όπως η ισταμίνη, η θυροξίνη και η επινεφρίνη  Η πολυμερική χρωστική μελανίνη  Ο νικοτιναμιδικός δακτύλιος του NAD+ (τρυπτοφάνη)  Η πολική (υδρόφιλη) κεφαλή των σφιγγολιπιδίων  Γλουταθειόνη (γλουταμικό-κυστεΐνη-γλυκίνη) Πηγή αζώτου για 126

πυριμιδίνες (ασπαρτικό) Aζωτούχες βάσεις πουρίνες (ασπαρτικό, γλουταμικό, γλυκίνη) 127

Νευροδιαβιβαστής Η σεροτονίνη συντίθεται από τρυπτοφάνη Δύο ένζυμα: Υδροξυλάση της τρυπτοφάνης (TPH) & αποκαρβοξυλάση (DDC). Σεροτονίνη 128

Η αίμη συντίθεται από γλυκίνη και ηλεκτρυλο-CoA (αμινολεβουλινικό-dALA) Δύο μόρια dALA δίνουν έναν πυρρολικό δακτύλιο 4 πυρρολικοί δακτύλιοι σχηματίζουν το τετραπυρρολικό ουροπορφυρινογόνο Περαιτέρω μετατροπές – στον άνθρωπο το κύριο τελικό προϊόν είναι η πρωτοπορφυρίνη ΙΧ που συνδέεται με σίδηρο προς παραγωγή αίμης Πορφυρίνες 129

Ορμόνες Θυροξίνη Οι ορμόνες του θυρεοειδούς αδένα τρι-ιωδο-θυρονίνη και τετρα- ιοδο-θυρονίνη (θυροξίνη) είναι παράγωγα της τυροσίνης Έλεγχος των μεταβολικών πορειών Η θυροξίνη παράγεται ενσωματώνοντας άτομα ιωδίου στους δακτυλίους μορίων τυροσίνης. 130

H ισταμίνη συντίθεται από την ιστιδίνη με αποκαρβοξυλίωση. Η αντίδραση καταλύεται από το ένζυμο «αποκαρβοξυλάση της ιστιδίνης» Ισταμίνη Ορμόνες 131

επινεφρίνη Ορμόνες Η αδρεναλίνη (επινεφρίνη) είναι ορμόνη και νευροδιαβιβαστής Παράγεται από τυροσίνη σε 4 βήματα 132

Η πολυμερική χρωστική μελανίνη παράγεται από τυροσίνη Μελανίνη 133

Ο νικοτιναμιδικός δακτύλιος του NAD+ παράγεται από τρυπτοφάνη (ασπαρτικό σε μερικα βακτήρια και φυτα) NAD+ 134

Η πολική κεφαλή των σφιγγολιπιδίων Η σύνθεση των σφιγγολιπιδίων ξεκινά με την ένωση ενός μορίου παλμιτοϋλο-CoA και σερίνης προς κετοδιυδροσφιγγοσίνη Σφιγγολιπίδια 135

Γλουταθειόνη (γλουταμικό(γ-πεπτιδικός)-κυστεΐνη-γλυκίνη) Γλουταθείο – συμμετέχει σε μεταβολικές πορείες και διεργασίες αποτοξίνωσης Μέσο ενδοκυτταρικής μεταφοράς αμινοξέων Γλουταθειόνη 136