 Αν. Καθηγητής Βιοχημείας  Ιατρική Σχολή - ΕΚΠΑ

ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ

«…Η λέξη πρωτεΐνη την οποία σας προτείνω θα επιθυμούσα να προέρχεται από το πρωτείος, διότι φαίνεται να είναι η πρωτογενής, η κύρια ουσία της ζωικής διατροφής την οποία τα φυτά προετοιμάζουν για τα φυτοφάγα και την οποία τα τελευταία προμηθεύουν κατόπιν στα σαρκοφάγα…» J.J. Berzelius επιστολή προς τον G.J. Mulder, 1838

 Όλες οι πρωτεΐνες ( από τα αρχέγονα βακτήρια έως τις πιο περίπλοκες μορφές ζωής ) κατασκευάζονται από το ίδιο σύνολο 20 αμινοξέων που συνδέονται ομοιοπολικά με χαρακτηριστικές γραμμικές αλληλουχίες  Τα κύτταρα παράγουν πρωτεΐνες με εντυπωσιακά διαφορετικές ιδιότητες ( ένζυμα, ορμόνες, αντισώματα, μυϊκές ίνες ) συνδέοντας τα ίδια 20 αμινοξέα σε πολλούς διαφορετικούς συνδυασμούς και αλληλουχίες

 Οι πρωτεΐνες είναι πολυμερή αμινοξέων  Τα αμινοξέα έχουν κοινά ονόματα τα οποία πολλές φορές σχετίζονται με την πηγή από την οποία απομονώθηκε πρώτη φορά το αμινοξύ

 Και τα 20 συνήθη αμινοξέα είναι α - αμινοξέα  Φέρουν ένα άτομο άνθρακα στο οποίο προσδένεται μια καρβοξυλομάδα και μία αμινομάδα  Διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τις πλευρικές αλυσίδες τους οι οποίες ονομάζονται ομάδες R, οι οποίες ποικίλουν σε μέγεθος, δομή και ηλεκτρικό φορτίο και επηρεάζουν την υδατοδιαλυτότητα τους

 Τα επιπρόσθετα άτομα άνθρακα σε μια ομάδα R συνήθως ορίζονται ως β, γ, δ, ε … αρχίζοντας από το α - άτομο άνθρακα  Σε όλα τα κοινά αμινοξέα εκτός από την γλυκίνη, το α - ατομο άνθρακα συνδέεται με τέσσερις διαφορετικές ομάδες : μια καρβοξυλομάδα, μια αμινομάδα, μια ομάδα R και ένα άτομο υδρογόνου.  Το α - ατομο άνθρακα είναι ένα κέντρο χειρομορφίας

 Λόγω της τετραεδρικής διάταξης των τροχιακών δεσμών γύρω από το α - ατομο άνθρακα, οι τέσσερις διαφορετικές ομάδες μπορούν να προσλάβουν δύο μοναδικές χωροταξικές διατάξεις  Συνεπώς τα αμινοξέα έχουν δύο πιθανά στερεοϊσομερή (D-L)  Τα αμινοξέα των πρωτεϊνών είναι αποκλειστικά L- στερεοϊσομερή

 L- αμινοξέα είναι όσα έχουν την α - αμινομάδα στα αριστερά ενώ D- αμινοξέα όσα έχουν την α - αμινομάδα στα δεξιά

 Τα αμινοξέα ομαδοποιούνται σε 5 κύριες κατηγορίες με βάση τις ιδιότητες των ομάδων R και ιδίως την πολικότητα τους ( τάση να αλληλεπιδρούν με το ύδωρ σε βιολογικό pH)  H πολικότητα των ομάδων R ποικίλλει από τις μη πολικές και υδρόφοβες έως τις πολύ πολικές και υδρόφιλες ομάδες

1. Μη πολικές αλειφατικές ομάδες : ( γλυκίνη, αλανίνη ) οι ομάδες R είναι μη πολικές και υδρόφοβες 2. Αρωματικές ομάδες R : ( φαινυλαλανίνη, τυροσίνη, τρυπτοφάνη ) σχετικά μη πολικές - υδρόφοβες 3. Πολικές, μη φορτισμένες ομάδες R : ( σερίνη, κυστεινη, ασπαραγίνη, γλουταμίνη ) πιο υδατοδιαλυτές - υδρόφιλες επειδή περιέχουν λειτουργικές ομάδες που σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με το ύδωρ 4. Θετικά φορτισμένες ( βασικές ) ομάδες R : ( λυσίνη, αργινίνη ) υδρόφιλές ομάδες 5. Αρνητικά φορτισμένες ( όξινες ) ομάδες R : ( ασπαρτικό, γλουταμικό ) υδρόφιλες ομάδες με δεύτερη καρβοξυλομάδα

 ΔΟΜΙΚΕΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ  ΠΗΓΗ ΑΖΩΤΟΥ ΓΙΑ ΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΝΟΥΚΛΕΟΤΙΔΙΩΝ  ΠΗΓΗ ΑΖΩΤΟΥ ΓΙΑ ΝΕΥΡΟΔΙΑΒΙΒΑΣΤΕΣ : ΚΑΤΕΧΟΛΑΜΙΝΕΣ, ΣΕΡΟΤΟΝΙΝΗ,ACH, GABA, κτλ.  ΝΕΥΡΟΔΙΑΒΙΒΑΣΤΕΣ ( γλυκίνη, γλουταμικό, ασπαρτικό )  ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΑΙΜΗΣ ( πορφυρίνες ) Η ΒΙΟΣΥΝΘΕΣΗ ΤΩΝ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ ΓΙΝΕΤΑΙ ΣΤΟ ΗΠΑΡ ΓΙΑ ΤΑ 11 ΜΗ - ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΑΜΙΝΟΞΕΑ ΤΑ ΥΠΟΛΟΙΠΑ ΠΡΟΣΛΑΜΒΑΝΟΝΤΑΙ ΜΕ ΤΗΝ ΤΡΟΦΗ

ΤΑ ΦΥΤΑ ΚΑΙ ΤΑ ΒΑΚΤΗΡΙΑ ΣΥΝΘΕΤΟΥΝ ΚΑΙ ΤΑ 20 ΚΟΙΝΑ ΑΜΙΝΟΞΕΑ. ΤΑ ΘΗΛΑΣΤΙΚΑ ΖΩΑ ΣΥΝΘΕΤΟΥΝ ΠΕΡΙΠΟΥ ΤΑ ΜΙΣΑ (Μη απαραίτητα αμινοξέα) ΤΑ ΥΠΟΛΟΙΠΑ ΑΜΙΝΟΞΕΑ ΤΩΝ ΘΗΛΑΣΤΙΚΩΝ ΠΡΟΣΛΑΜΒΑΝΟΝΤΑΙ ΑΠΌ ΤΙΣ ΤΡΟΦΕΣ (απαραίτητα αμινοξέα)

Η αποδόμηση των πρωτεϊνών των τροφών στα ξεχωριστά αμινοξέα τους πραγματοποιείται στον γαστρεντερικό σωλήνα Η είσοδος των πρωτεϊνών στο στομάχι διεγείρει το γαστρικό βλεννογόνο σε έκκριση γαστρίνης Η γαστρίνη διεγείρει την έκκριση υδροχλωρικού οξέος από τα τοιχωματικά κύτταρα και πεψινογόνου από τα κύτταρα των γαστρικών αδένων

Γαστρικό pH Αντισηπτικό μέσο Αποδιατατικός παράγοντας που ξεδιπλώνει τις σφαιρικές πρωτείνες και κάνει τους εσωτερικούς πεπτιδικούς δεσμούς πιο ευπαθείς σε ενζυμική υδρόλυση

Το πεψινογόνο μετατρέπεται σε ενεργό πεψίνη Η πεψίνη υδρολύει τις πρωτείνες διασπώντας πεπτιδικούς δεσμούς που βρίσκονται στην αμινοτελική πλευρά των αρωματικών αμινοξέων Phe, Trp, Tyr Οι μακριές πολυπεπτιδικές αλυσίδες διασπώνται σε ένα μίγμα μικρότερων πεπτιδίων

Η εντεροπεπτιδάση που εκκρίνεται από τα εντερικά κύτταρα μετατρέπει το θρυψινογόνο στην ενεργή μορφή του: θρυψίνη Η ενεργός θρυψίνη ενεργοποιεί το χυμοθρυψινογόνο και τις προκαρβοξυπεπτιδάσες Η θρυψίνη και η χυμοθρυψίνη υδρολύουν ακόμα περισσότερο τα πεπτίδια που έχουν παραχθεί στο στομάχι με τη δράση της πεψίνης

 Η πέψη των πρωτεινών αρχίζει στο στόμαχο και γίνεται στο γαστροεντερικό σωλήνα  Γαστρίνη + HCl (pH πολύ χαμηλό ).  Ακολουθουν ενεργοποιήσεις ζυμογόνων  Διάσπαση πρωτεινών σε αμινοξέα

Τα ελεύθερα αμινοξέα μεταφέρονται στο εσωτερικό των επιθηλιακών κυττάρων του λεπτού εντέρου Εισέρχονται στα αιμοφόρα τριχοειδή των λαχνών και κατευθύνονται προς το ήπαρ

 Η σύνθεση των ενζύμων υπό μορφή ανενεργών ζυμογόνων προφυλάσσει τα εξωκρινή κύτταρα από το ενδεχόμενο καταστροφικής πρωτεόλυσης  Σε απόφραξη του παγκρεατικού πόρου τα ζυμογόνα των πρωτεολυτικών ενζύμων ενεργοποιούνται πρόωρα μέσα στα παγκρεατικά κύτταρα και καταστρέφουν τον παγκρεατικό ιστό

 Τα αμινοξέα υφίστανται οξειδωτική αποδόμηση σε τρείς διαφορετικές μεταβολικές συνθήκες : 1. Κατά τη φυσιολογική σύνθεση και αποδόμηση των κυτταρικών πρωτεϊνών μερικά αμινοξέα που απελευθερώνονται από τη διάσπαση των πρωτεϊνών δεν είναι απαραίτητα για τη σύνθεση νέων πρωτεϊνών και υφίστανται οξειδωτική αποδόμηση

 Τα αμινοξέα υφίστανται οξειδωτική αποδόμηση σε τρείς διαφορετικές μεταβολικές συνθήκες : 2. Όταν η δίαιτα περιέχει άφθονες πρωτεΐνες και τα προσλαμβανόμενα αμινοξέα υπερβαίνουν τις ανάγκες του οργανισμού για πρωτεινοσύνθεση, τα πλεονάσματα καταβολίζονται επειδή αμινοξέα δεν αποθηκεύονται

 Τα αμινοξέα υφίστανται οξειδωτική αποδόμηση σε τρείς διαφορετικές μεταβολικές συνθήκες : 3. Κατά τη διάρκεια νηστείας ή σε ανεξέλεγκτο Σ. Δ., όταν υπάρχει στέρηση υδατανθράκων ή αδυναμία σωστής χρησιμοποίησης τους, οι κυτταρικές πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται ως καύσιμα

 Σε αυτές τις μεταβολικές συνθήκες τα αμινοξέα χάνουν τις αμινομάδες τους και μετατρέπονται σε α - ακετοξέα ( ανθρακικοί σκελετοί των αμινοξέων )  Τα α - ακετοξέα υφίστανται οξείδωση σε CO2 και H20 ή παρέχουν μονάδες τριών και τεσσάρων ατόμων άνθρακα οι οποίες μπορεί με νεογλυκογένεση να μετατραπούν σε γλυκόζη.  A ν χάσουν τη καρβοξυλομάδα τους, μετατρέπονται σε αμίνες [ βιογενείς αμίνες ] πού είναι πολύ δραστικές. Αυτές μετατρέπονται σε ιμίνες και τέλος σε αμμωνία ( που πρέπει να αποτοξινωθεί ).

Γενική επισκόπηση του καταβολισμού των αμινοξέων

 Η α - αμινομάδα μεταφέρεται στο α - ατομο άνθρακα του α - κετογλουταρικού σχηματίζοντας το L- γλουταμικό

 Τα ένζυμα που καταλύουν την αφαίρεση των αμινομάδων ονομάζονται αμινοτρανσφεράσες ή τρανσαμινάσες  Τα κύτταρα εμφανίζουν διαφορετικούς τύπους τρανσαμινασών

 Οι αμινοτρανσφεράσες ονομάζονται σύμφωνα με το αμινοξύ - δότη ( πχ αμινοτρανσφεράση της αλανίνης, αμινοτρανσφεράση του ασπαρτικού )  Οι αμινοτρανφεράσες έχουν την ίδια προσθετική ομάδα ( φωσφορική πυριδοξάλη ) και τον ίδιο μηχανισμό αντίδρασης  Η φωσφορική πυριδοξάλη (VitB6) λειτουργεί ως ενδιάμεσος φορέας αμινομάδων στο ενεργό κέντρο των αμινοτρανσφερασών μετατρέπομενη σε φωσφορική πυριδοξαμίνη.

Αμινοξύ χ + κετοοξύ ψ κετοοξύ χ + αμινοξύ ψ Αλανίνη + α - κετογλουταρικό ↔ πυροσταφυλικό + γλουταμικό

 Ο προσδιορισμός των επιπέδων της αμινοτρασφεράσης της αλανίνης (ALT – GPT) και της αμινοτρανσφεράσης του ασπαρτικού (AST – GOT) έχει ιδαίτερη σημασία στη διάγνωση των βλαβών της καρδιάς και του ήπατος  Στο οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου, τα τραυματισμένα ή ανοξαιμικά μυοκαρδιακά κύτταρα διαρρέουν προς την κυκλοφορία τα ένζυμα : κινάση της κρεατινίνης (CK-MB), SGOT, SGPT  Τα ένζυμα SGOT, SGPT είναι οι σημαντικότεροι δείκτες ηπατικής δυσλειτουργίας και αυξάνονται κατά την καταστροφή των ηπατοκυττάρων

Το γλουταμικό και η γλουταμίνη λειτουργούν ως ένα είδος γενικού σημείου συλλογής των αμινομάδων

 Κετοοξύ + ΝΗ 4 +  αμινοξύ ( πχ γλουταμικό )  Γλουταμινικό + ΝΗ 4 +  γλουταμίνη  Ετσι γίνεται μερική αποτοξίνωση της τοξικής για τον οργανισμό αμμωνίας.  Ολική αποτοξίνωση μέσω σχηματισμού ουρίας

 Η αμμωνία είναι τοξική για τους ιστούς και τα επίπεδα της στο αίμα ρυθμίζονται προσεκτικά  Μεγάλο μέρος της ελεύθερης αμμωνίας μετατρέπεται σε μια μη τοξική ένωση η οποία εξάγεται από τους εξωηπατικούς ιστούς στη κυκλοφορία του αίματος και μεταφέρεται στο ήπαρ ή τους νεφρούς

 Η αμμωνία συνδυάζεται με γλουταμικό αποδίδοντας γλουταμίνη με τη δράση της συνθετάσης της γλουταμίνης ΣΥΝΘΕΤΑΣΗ ΓΛΟΥΤΑΜΙΝΗΣ ΣΥΝΘΕΤΑΣΗ ΓΛΟΥΤΑΜΙΝΗΣ

 Η γλουταμίνη είναι μη τοξική μεταφορική μορφή της αμμωνίας  Η συγκέντρωση γλουταμίνης στο αίμα είναι πολύ υψηλότερη άλλων αμινοξέων  Η περίσσεια της γλουταμίνης μεταφέρεται με το αίμα στο έντερο, το ήπαρ και τους νεφρούς  Η γλουταμίνη στο ήπαρ στα μιτοχόνδρια με το ένζυμο γλουταμινάση απελευθερώνει NH4+ και μετατρέπεται σε γλουταμικό ΄όπως φαίνεται στην επόμενη διαφάνεια.

 Η παραγωγή της ουρίας συμβαίνει σχεδόν αποκλειστικά στο ήπαρ και είναι το πεπρωμένο του μεγαλύτερου μέρους της αμμωνίας που καταλήγει στο ήπαρ  Η ουρία που παράγεται, μέσω της κυκλοφορίας του αίματος μεταφέρεται στους νεφρούς από όπου απεκκρίνεται με τα ούρα  Ο κύκλος της ουρίας πραγματοποιείται σε δύο κυτταρικά διαμερίσματα. Αρχίζει στα ηπατικά μιτοχόνδρια και τα τρία επόμενα βήματα συμβαίνουν στο κυτταροδιάλυμα

 Αύξηση της παραγωγής ουρίας γίνεται :  Όταν υπάρχει περίσσεια αμμωνίας ( που πρέπει να αποβληθεί από τον οργανισμό )  Δηλαδή όταν αυξάνει ο ρυθμός αποικοδόμησης των αμινοξέων

 Είναι γνωστές πολλές κληρονομικές διαταραχές του μεταβολισμού που σχετίζονται με τα ένζυμα του κύκλου της ουρίας  Πλήρης έλλειψη ενός ενζύμου δεν είναι συμβατή με τη ζωή  Στην περίπτωση ελαττωμένης δραστικότητας ενός από αυτά, παρουσιάζονται διαταραχές λόγω αυξημένων επιπέδων αμμωνίας στο αίμα, που μπορούν να αντιμετωπιστούν με διατροφή φτωχή σε πρωτεΐνες  Οι πιο γνωστές διαταραχές είναι οι υπεραμμωνιαιμίες τύπου Ι ( ανεπάρκεια στη συνθετάση του φωσφο - καρβαμιδικού ) και τύπου ΙΙ

 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΑΜΙΝΙΚΗΣ ΟΜΑΔΑΣ (- ΝΗ 2 ) Η ΑΜΙΝΙΚΗ ΟΜΑΔΑ ΜΕΤΑΤΡΕΠΕΤΑΙ ΣΕ ΝΗ 4 + ΜΕΣΩ Η ΑΜΙΝΙΚΗ ΟΜΑΔΑ ΜΕΤΑΤΡΕΠΕΤΑΙ ΣΕ ΝΗ 4 + ΜΕΣΩ α ) τρανσαμίνωσης : η αμινική ομάδα μεταφέρεται στο α ) τρανσαμίνωσης : η αμινική ομάδα μεταφέρεται στο α - κετογλουταρικό και σχηματίζεται γλουταμινικό α - κετογλουταρικό και σχηματίζεται γλουταμινικό β ) Το γλουταμινικό απαμινώνεται για να δώσει ΝΗ 4 + β ) Το γλουταμινικό απαμινώνεται για να δώσει ΝΗ 4 + γ ) Το ΝΗ 4 + μετατρέπεται σε ουρία ( κύκλος της ουρίας ) γ ) Το ΝΗ 4 + μετατρέπεται σε ουρία ( κύκλος της ουρίας )  ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΑΝΘΡΑΚΙΚΟΥ ΣΚΕΛΕΤΟΥ ΤΑ ΑΤΟΜΑ ΑΝΘΡΑΚΑ ΤΩΝ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ ΜΕΤΑΤΡΕΠΟΝΤΑΙ ΣΕ ΚΥΡΙΑ ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΑ ΕΝΔΙΑΜΕΣΑ ΤΑ ΟΠΟΙΑ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΣΟΥΝ ΓΛΥΚΟΖΗ Η ΝΑ ΟΞΕΙΔΩΘΟΥΝ ΜΕ ΤΟΝ ΚΥΚΛΟ ΤΟΥ ΚΙΤΡΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ

 Στο μυ, από πυροσταφυλικό με τρανσαμίνωση με γλουταμικό παράγεται αλανίνη.  Η αλανίνη πηγαίνει στο ήπαρ όπου ξανασχηματίζεται πυροσταφυλικό μέσω τρανσαμίνωσης.  Το πυροσταφυλικό μπορεί να δώσει γλυκόζη μέσω γλυκονεογένεσης.