Μεταβολισμός πρωτεϊνών ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ Σχολή Επιστημών Ανθρώπινης Κίνησης και Ποιότητας Ζωής Τμήμα Νοσηλευτικής Μεταβολισμός πρωτεϊνών Ανδρέα Παόλα Ρόχας Χιλ Επίκουρη Καθηγήτρια Βιολογίας-Βιοχημείας

Καταβολισμός των πρωτεϊνών Η ημερησία διακίνηση πρωτεϊνών στον ανθρώπινο οργανισμό είναι περίπου δεκαπλάσια της πρόσληψης και της απέκκρισής τους.

Καταβολισμός των πρωτεϊνών

Καταβολισμός των πρωτεϊνών

Πρωτεάσες Είναι ένζυμα ενδοκυτταρικά και εξωκυτταρικά Έχουν τη δυνατότητα να υδρολύουν πεπτιδικούς δεσμούς και ευθύνονται για τη πρωτεόλυση Διακρίνονται σε Ενδοπρωτεάσες οι οποίες υδρολύουν συγκεκριμένους πεπτιδικούς δεσμούς στο εσωτερικό της πεπτιδικής αλύσου Εξωπρωτεάσες που δρουν στο είτε αμινοτελικό άκρο (αμινοπεπτιδάσες) είτε στο καρβοξυτελικό άκρο (καρβοξυπεπτιδάσες).

Εξωκυττάρική πρωτεόλυση Στην εντερική οδό Σύμφωνα με τη δομή του ενεργού κέντρο διακρίνουμε σερινοπρωτεάσες, κυστεϊνοπρωτεάσες, ασπαραγινοπρωτεάσες, και μεταλλοπρωτεάσες. Εξωκυττάρική πρωτεόλυση Στην εντερική οδό Είναι σημαντική για την απορρόφηση πεπτιδίων και αμινοξέων από τη προσλαμβανόμενη τροφή. Οι πρωτεΐνες διασπώνται μέχρι το επίπεδο των αμινοξέων ή το πολύ διπεπτιδίων και τριπεπτιδίων. Στο στομάχι παράγεται η πεψίνη, στο παγκρέας η θριψίνη, η χυμοθριψίνη, η αμινοπεπτιδάση, η καρβοξυπεπτιδάση και η ελαστάση. Τα ένζυμα αυτά συντίθενται ως ανενεργά προένζυμα και ενεργοποιούνται μέσω περιορισμένης πρωτεόλυσης.

Στο εξωκύτταρικό χώρο Πραγματοποιούνται σημαντικοί κατταράκτες πρωτεολιτικών αντιδράσεων όπως: το σύστημα της πήξης του αίματος, το ινωδολυτικό σύστημα, το σύστημα του συμπληρώματος. Από βιολογικά ανενεργά μόρια μέσω περιορισμένης πρωτεόλυσης προκύπτουν βιολογικά δραστικά μόρια.

Ενδοκυττάρική πρωτεόλυση 1) Περιορισμένη ενδοκυτταρική πρωτεόλυση Απόσπαση των σηματοδοτικών πεπτιδίων πρωτεϊνών που συντίθεται στα ριβισώματα του ενδοπλασματικού δικτύου. Απαραίτητο ένζυμο είναι η πεπτιδάση της σηματοδοτικής αλληλουχίας Στην απελευθέρωση δραστικών πεπτιδίκών ορμονών από τις αντίστοιχες προορμόνες μέσω των προορμονομετατροπασών. Κατά τις σηματοδοτικές αλυσίδες που οδηγούν στην απόπτωση, μέσω της δράσης θειολοπρωτεασών που καλούνται κασπάσες

Λυσοσωματική πρωτεόλυση Τα λυσσοσώματα βρίσκονται σε όλα σχεδόν τα κύτταρα Ο κύριος ρόλος είναι η αποικοδόμηση ενδοκυτταρικού υλικού (ή αυτού που ενδοκυτταρώνεται). Μετά από σύντηξη των κυστιδίών με το πρωτογενές λυσόσωμα, σχηματίζεται το δευτερογενές λυσόσωμα εντός του οπόιου συμβαίνει η υδρολυτική αποδόμηση. Για την αποδόμηση των πρωτεϊνών τα λυσοσώματα περιέχουν καθεψίνη, κολλαγονάσες, ελαστάση και διάφορες πεπτιδάσες. Τα ένζυμα των λυσοσωμάτων δρούν σε pH 4-6.

Σύστημα εξαρτώμενο από το ATP Εντοπίζεται στο πρωτεάσωμα Το πρωτεάσωμα περιέχει ως κύριο συστατικό την πολυκαταλυτική πρωτεάση η οποία μπορεί να διασπά πεπτιδικούς δεσμούς έπειτα από βασικά, υδρόφοβα και όξινα αμινοξέα. Η ταυτόχρονη κατανάλωση ATP εξυπηρετεί την αποδιάταξη της αποδομούμενης πρωτεΐνης. Για τη λειτουργία του πρωτεασώματος χρειάζεται πρώτα οι πρωτεΐνες προς αποδόμηση να υποστούν σήμανση με ουβικτίνη

Ουβικουϊτίνη Μικρή πρωτεΐνη αποτελούμενη από 76 αμινοξέα Η καρβοξυτελικη γλυκίνη της ουβικουϊτίνης ενεργοποιείται με ATP και προκύπτει ακύλο-ΑΜP-ουβικουϊτίνη Με τη δράση του ενζύμου Ε1, το οποίο ενεργοποιείται από τη ουβικουϊτίνη, προκύπτει ένα ενδιάμεσο προϊόν ουβικουϊτίνης και E1 μέσω ομοιοπολικής θειοεστερικής σύνδεσης

Από αυτό το ενδιάμεσο, το κατάλοιπο ουβικουϊτινης μεταφέρεται στην πρωτεΐνη μεταφορέα ουβικουϊτινης E2 Οι λιγάσες της ουβικουϊτινης καταλύουν τη μεταφορά του καταλοίπου ουβικουϊτινης σε ε-αμινομάδες καταλοίπων λυσίνης στην πρωτεϊνη αποδέκτη Οι σημασμένες πρωτεΐνες αποικοδομούνται στα πρωτεασώματα. Τα αμινοξέα που προκύπτουν χρησιμοποιούνται για την βιοσύνθεση πρωτεϊνών ή καταβολίζονται

Η σηματοδότηση της ουβικουϊτινης είναι σημαντική για Την αποδόμηση των πρωτεϊνών του κυτταροπλάσματος εντός του πλαισίου της κανονικής διακίνησης πρωτεϊνών στο κύτταρο. Την αποδόμηση κατά την υποστροφή ιστών και οργάνων (μετά το τοκετό) Την μερική αποδόμηση πρωτεϊνών του κυτταροπλάσματος για να προκύψουν πεπτίδια προς αντιγονοπαρουσίαση Την αποδόμηση πρωτεϊνών που συνετέθησαν η διετάχθησαν ελαττωματικά

Μεταβολισμός των αμινομάδων των αμινοξέων Τα αμινοξέα είναι σημαντικά γιατί : Είναι υπόστρωμα για τη γλυκονεογένεση Χρησιμεύουν ως δότες αμινομάδων και ατόμων Ν κατά τη βιοσύνθεση αζωτούχων ενώσεων Το άζωτο που προκύπτει κατά την αποδόμηση των αμινοξέων αποβάλλεται στα ούρα υπό μορφή αζωτούχων ενώσεων (ποσοτικά υπέρτερη η ουρία) Τα αμινοξέα μπορούν να χρησιμοποιούν για τη παραγωγή ενέργειας αποδομούμενα προς CO2 και Η2Ο μετά από απομάκρυνση της αμινομάδας τους.

Αμινομεταφοράσες (τρανσαμινάσες) Ένζυμα που συμμετέχουν στην μεταφορά των αμινοομάδων μεταξύ αμινοξέων και α-κετοξέων. Συνένζυμο όλων των αμινομεταφορασών είναι η φωσφορική πυριδοξάλη (προέρχεται από τη βιταμίνη Β6) Οι αμινομεταφορασες δείχνουν υψηλή εκλεκτικότητα για το α-κεταγλυταρικό και το οξαλοξεικό ως αποδέκτες αμινομάδων, με προϊόντα το γλουταμινικό και ασπαραγινικό, αντιστοίχως.

Μέσω των αμινομεταφορασών οι αμινομάδες που απελευθερώνονται κατά τη διάσπαση αμινοξέων, συγκετρώνονται στο γλουταμινικό, το οποίο μπορεί να απαμινωθεί οξειδωτικά με σχηματισμό παράλληλα αμμωνίας. Οι αμινομεταφοράσες επί παθήσεων του ήπατος ή του μυοκαρδίου απελευθερώνονται στο αίμα από τους ιστούς (χρησιμοποιείται για διάγνωση)

Οι αντιδράσεις που καταλύουν οι αμινομεταφοράσες είναι πλήρως αντιστρεπτές. Οι αντιδράσεις τρανσαμίνωσης δεν εξυπηρετούν μόνο την μεταφορά των αμινομάδων κατά την αποδόμηση, άλλα.. κατά την αντίστροφη πορεία είναι δυνατό να συντεθούν διαφορά αμινοξέα από τα α-κετοανάλογα τους μέσω της μεταφοράς μιας αμινομάδας από το γλουταμινικό.

Αμμωνία Η συγκέντρωση της αμμωνίας στο αίμα είναι σχετικά χαμηλή (0,06 mmol/l). Αποβάλλονται στα ούρα 30-50 mmol αμμωνίας ανά 24 ώρες, εκ των οποίων προέρχεται σημαντικό τμήμα του αζώτου της ουρίας. Άρα η απελευθέρωση της αμμωνίας στον οργανισμό είναι ιδιαιτέρως υψηλή.

Η οξειδωτική απαμίνωση του γλουταμικού Η αφυδρογονάση του γλουταμινικού καταλύει την αντιστρεπτή οξειδωτική απαμίνωση του γλουταμικού. Στο γλουταμινικό συγκλίνουν μέσο των αμινομεραφορασών οι αμινομάδες διαφόρων αμινοξέων και μπορούν να απελευθερωθούν από αυτό υπό μορφή ουρίας. Είναι δυνατόν μεγάλες συγκεντρώσεις αμμωνίας, και κατάλληλες μεταβολικές συνθήκες να οδηγήσουν σε αντίστροφη πορεία και το α-κεταγλουταρικό να υποστεί αναγωγική προσθήκη αμινομάδας με προϊόν το γλυταμινικό.

Απαμίνωση άλλων αμινοξέων Η αμινική ομάδα της γλουταμίνης απομακρύνεται ως αμμωνία μέσω της δράσης της γλουταμινάσης. Τα αμινοξέα σερίνη, κυστείνη, γλυκίνη καθώς και θρεονίνη η μεθειονίνη και η ιστιδίνη απαμινώνονται μη οξειδωτικά με σχηματισμό αμμωνίας. Πέραν αυτών υπάρχουν σε διάφορους ιστούς οξειδάσες των αμινοξέων, των οποίων η ποσοτική συμμετοχή στο μεταβολισμό των αμινοξέων είναι άγνωστη..

Απομάκρυνση της αμμωνίας Η αμμωνία είναι δηλητήριο για το κύτταρο και είναι απαραίτητο να αδρανοποιηθεί υπό τη μορφή ουρίας και τελικώς να απεκκριθεί από τους νεφρούς. Η μετατροπή αυτή συμβαίνει αποκλειστικά στο ήπαρ, και οι απαιτούμενες αντιδράσεις σχηματίζουν τον κύκλο της ουρίας

Τα αμινοξέα αλανίνη (και γλουταμίνη) μεταφέρουν αμινομάδες κι αμμωνία στο αίμα Κατά τη νηστεία διασπώνται στους σκελετικούς μύες σημαντικές ποσότητες αμινοξέων Οι απελευθερούμενες αμινομάδες πρέπει να μεταφερθούν δια της αιματικής οδού στο ήπαρ (εκεί μπορεί να γίνει η βιοσύνθεση της ουρίας). Μέσω αμινομεταφορασών οι αμινομάδες από αποδομούμενα αμινοξέα συγκεντρώνονται στο γλυταμινικό Με τη δράση της ΑLT (αμινομεταφοράση της αλανίνης) μεταφέρονται στο πυροσταφυλικό με τελικό προϊόν αλανίνη

Η αλανίνη μέσω της κυκλοφορίας μεταφέρεται στο ήπαρ Μέσω της ALT η αμινομάδα της αλανίνης μεταφέρεται στο κετογλουταρικό και σχηματίζεται γλυταμινικό Το γλυταμινικό απαμινώνεται οξειδωτικά και παρέχει αμμωνία στο κύκλο της ουρίας

Οι αμινικές ομάδες των αμινοξέων γλουταμίνη και το ασπαραγικό χρησιμεύουν ως δότες αζώτου κατά τη βιοσύνθεση μεγάλου αριθμού αζωτούχων ενώσεων.

Μεταβολισμός του ανθρακικού σκελετού των αμινοξέων Τα απαραίτητα αμινοξέα χαρακτηρίζονται από ότι ο οργανισμός δεν μπορεί να συνθέσει το ανθρακικό τους σκελετό (δεν διαθέτει τα ανάλογα ένζυμα) Αποτελούν αναντικατάστατα διατροφικά στοιχεία που συντίθενται από φυτά και μικροοργανισμούς Τα μη απαραίτητα αμινοξέα μπορούν να συντεθούν πλήρως από τον οργανισμό με αφετηρία συχνά α-κετοξέα που σχηματίζονται κατά το διάμεσο μεταβολισμό

Κατά την αποδόμηση των αμινοξέων προκύπτουν ενδιάμεσα προϊόντα του κύκλου του κιτρικού οξέος. Τα μη απαραίτητα αμινοξέα μπορούν να διακριθούν σε γλουκογενετικά (παρέχουν υπόστρωμα για τη γλυκοεογένεση) και κετογενετικά (αποικοδομούνται προς ακετυλο-CoA)

Βιοσύνθεση μη απαραιτήτων αμινοξέων

Τρανσαμίνωση-οξειωτική αποκαρβοξυλίωση-αποδόμηση Τα αμινοξέα με διακλαδιζόμενη αλυσίδα (πχ ισολευκίνη) αποδομούνται αναλόγως της β-οξείδωσης των λιπαρών οξέων: Τρανσαμίνωση-οξειωτική αποκαρβοξυλίωση-αποδόμηση Κατά την αποδόμηση της η τρυπτοφάνη μπορεί να καλύψει τις ανάγκες του οργανισμού σε βιταμίνη νικοτινικό οξύ Πολλά αμινοξέα έπειτα από φωσφορυλίωση (εξαρτώμενη από φωσφορική πυριδοξάλη) αποδίδουν τις καλούμενες αμίνες με υψηλή βιολογική δραστικότητα, οι οποίες χρησιμεύον ως ορμόνες και νευροδιαβιβαστές

Από τη φαινυλαλανίνη προκύπτει μέσω υδροξυλίωσης η τυροσίνη Μέσω αποκαρβοξυλίωσης, υδροκυλίωσης και μεθυλίωσης της τυροσίνης προκύπτουν οι νευροδιαβιβαστές και οι ορμόνες ντοπαμίνη, νορεπινεφρίνη και επινεφρίνη Η ντοπαμίνη αποδίδει τη ντοπακινόνη και πολυμερίζεται προς μελανίνη. Τα μόρια τυροσίνης που συνδέονται με τη θυρεοσφαιρίνη ιωδιώνονται και αντιδρούν περαιτέρω με έναν ιωδιωμένο αρωματικό δακτύλιο άλλου μορίου τυροσίνης και προκύπτουν οι θυρεοειδικές ορμόνες θυροξίνη (Τ4) και τριωδοθυρονίνη (Τ3)

Παθολογική βιοχημεία Οι διαταραχές του μεταβολισμού των αμινοξέων διακρίνονται σε εκείνες του μεταβολισμού των αμινομάδων και σε εκείνες του ανθρακικού σκελετού των αμινοξέων Επίκτητη επί βαρέων ηπατοπαθειών ελάττωση της βιοσύνθεσης ουρίας Αυξάνει την συγκέντρωση αμμωνίας στο αίμα Μεγάλες ποσότητες της αμμωνίας αυτής παρατηρούνται στο ήπαρ και τον εγκέφαλο κι αδρανοποιούνται

Επίκτητη επί βαρέων ηπατοπαθειών ελάττωση της βιοσύνθεσης ουρίας Η αδρανοποίηση αυτή συμβαίνει μέσω της μετατροπής προς γλουταμινικό και γλυταμίνη των οποίων η συγκέντρωση αυξάνεται. (εργαστηριακά ανιχνεύονται υψηλές συγκεντρώσεις στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό) Ελλατώνεται η συγκέντρωση του α-κετογλουταρικού, αναστέλλεται ο κύκλος του κιτρικού οξέος και ο σχηματισμός του ΑΤP Οι διαταραχές αυτές στο μεταβολισμό του εγκεφάλου (εγκεφαλοπάθεια) αδυνατεί να αδρανοποιήσει δυνητικά νευροτοξικές ουσίες, όπως τα σωμάτια φαινόλης και τα σωμάτια ινδόλης (είναι δομικά όμοια με τη νορεπινεφρίνη)

Γενετικές διαταραχές του κύκλου της ουρίας Όλα τα ένζυμα που συμμετέχουν στο κύκλο της ουρίας είναι δυνατό να επηρεάζονται από γενετικές διαταραχές Η συχνότητα τους είναι 1:25000 και η θεραπεία είναι εφικτή μόνο μέσω μεταμοσχεύσεως του ήπατος. Η εξαίρεση είναι η έλλειψη λυάσης του αργινινοηλεκτρικού. Οι συσσωρεμένες ποσότητες του αργινινοηλεκτρικού αποβάλλονται μέσω των νεφρών και διατηρείται χαμηλή η συγκέντρωση αμμωνίας στο αίμα. Αλλίως παρεμποδίζεται η αναγέννηση της ορνιθίνης και αναστέλεται η παραγωγή αργινινοηλεκτρικού. Θεραπευτικά χορηγειται αργινίνη, η οπόια με απόσπαση ουρίας μετατρέπεται σε ορνιθίνη και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δομικός λίθος των πρωτεϊνων.

Φαινυλκετονουρία Είναι η συχνότερη ενζυμική διαταραχή του μεταβολισμού των αμινοξέων (1: 10000). Η αιτία είναι η ελαττωμένη ή και ανύπαρκτη δραστηριότητα της υδροξυλάσης της φαινυλαλανίνης στο ήπαρ, λόγω μεταλλαγών στο γονίδιο που την κωδικοποιεί. Αποτέλεσμα αυτού η μη ικανότητα μετατροπής της φαινυλαλανίνης σε τυροσίνη με συνέπεια να αυξάνεται κατά πολύ η συγκέντρωση της τόσο στο αίμα όσο και στους ιστούς. Η αποδόμηση της φαινυλαλανίνης εκτρέπεται προς άλλες μεταβολικές οδούς

Η φαινυλανανίνη τρανσαμινώνεται προς φαινυλοπυροσταφυλικό Με οξειδωτική αποκαρβοξυλιωση του φαινυλοπυροσταφυλικού προκύπτει φαινυλοξικό, με αναγωγή αυτού προκύπτει φαινυλογαλακτικό Με σύζευξη με γλουταμίνη σχηματίζεται φαινυλακετογλουταμίνη Τα ενδιάμεσα προϊόντα που σχηματίζονται κατά το ελαττωματικό μεταβολισμό της φαινυλαλανίνης είναι τοξικά καθώς μεταξύ άλλων αναστέλλουν τη μυελίνωση

Προκαλεί διαταραχή της νοητικής ανάπτυξης του πάσχοντος. Η μοναδική θεραπεία είναι η πτωχή δίαιτα σε φαινυλαλανίνη για να παραμένουν χαμηλές οι συγκεντρώσεις των τοξικών ενδιάμεσων προϊόντων. Είναι απαραίτητο η δίαιτα να ξεκινήσει το συντομότερο δυνατόν Τα νεογνά εξετάζονται για πιθανή φαινυλκετονουρία