ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΖΩΤΟΥ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ Ι ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΔιευθυντηΣ: ΚαθηγητηΣ ΑθανασιοΣ Γ. Παπαβασιλειου ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ Ι ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΖΩΤΟΥ ΓΕΡΑΣΙΜΟΣ ΣΙΑΣΟΣ MD, PhD ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ gsiasos@med.uoa.gr

Εισαγωγή Το άζωτο είναι το τέταρτο συχνότερο στοιχείο στη μάζα των έμβιων όντων, μετά τον άνθρακα, το υδρογόνο και το οξυγόνο Το μεγαλύτερο μέρος του αζώτου περιέχεται σε αμινοξέα και νουκλεοτίδια Η πιο σημαντική πηγή αζώτου είναι ο αέρας, ο οποίος κατά 4/5 συνίσταται σε μοριακό άζωτο N2 Λίγα είδη μπορούν να μετατρέψουν το ατμοσφαιρικό άζωτο σε μορφές χρήσιμες για τους ζωντανούς οργανισμούς Οι μεταβολικές διεργασίες διαφορετικών ειδών λειτουργούν συντονισμένα ώστε να διασώζουν και να ξαναχρησιμοποιούν το βιολογικώς διαθέσιμο άζωτο σε ένα τεράστιο κύκλο αζώτου

Κύκλος αζώτου Αρχικά το ατμοσφαιρικό άζωτο δεσμεύεται από αζωτοδεσμευτικά βακτήρια για την παραγωγή αμμωνίας Τα βακτήρια του εδάφους οξειδώνουν την αμμωνία αρχικά σε νιτρικά και τελικά σε νιτρώδη («νιτροποίηση») Τα φυτά και πολλά βακτήρια ανάγουν με την δράση ορισμένων αναγωγασών τα νιτρώδη σε αμμωνία η οποία ενσωματώνεται σε αμινοξέα από τα φυτά

Κύκλος αζώτου Τα ζώα χρησιμοποιούν τα φυτά ως πηγή αμινοξέων, τόσο μη απαραίτητων όσο και απαραίτητων για τη σύνθεση των πρωτεϊνών τους Η ισορροπία μεταξύ δεσμευμένου και ατμοσφαιρικού αζώτου διατηρείται από βακτήρια που μετατρέπουν τα νιτρώδη σε Ν2 υπο αναερόβιες συνθήκες («απονιτροποίηση»)

Κύκλος αζώτου Το πρώτο προϊόν της δέσμευσης του αζώτου είναι η αμμωνία Η αμμωνία μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε άμεσα είτε αφού προηγουμένως μετατραπεί σε άλλες διαλυτές ενώσεις όπως νιτρικά, νιτρώδη ή αμινοξέα

Κύκλος αζώτου Ο τριπλός δεσμός του αζώτου είναι πολύ σταθερός (ενέργεια δεσμού 930kJ/mol) επομένως η δέσμευση του αζώτου έχει εξαιρετικά υψηλή ενέργεια ενεργοποίησης και υπό κανονικές συνθήκες το ατμοσφαιρικό άζωτο είναι χημικά αδρανές Το υψηλό εμπόδιο ενεργοποίησης υπερπηδείται με πρόσδεση και υδρόλυση ATP (συνολικά 16 μόρια ATP)

Κύκλος αζώτου Η βιολογική δέσμευση του αζώτου επιτελείται από το σύμπλοκο της νιτρογενάσης Το σύμπλοκο της νιτρογενάσης είναι ένα πρωτεινικό σύμπλοκο με κρίσιμα συστατικά την αναγωγάση της δινιτρογενάσης και τη δινιτρογενάση Ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το πυροσταφυλικό στη δινιτρογενάση μέσω της φερρεδοξίνης και της αναγωγάσης της δινιτρογενάσης

Κύκλος αζώτου Το σύμπλοκο της δινιτρογενάσης είναι εξαιρετικά ασταθές σε αερόβιες συνθήκες Η αναγωγάση αδρανοποιείται στον αέρα και η δινιτρογενάση έχει χρόνο ημιζωής 10 min Πολλά βακτήρια ζουν μόνο υπό αναερόβιες συνθήκες

Ενσωμάτωση αμμωνίας σε βιομόρια Η αμμωνία ενσωματώνεται στα βιομόρια μέσω του γλουταμικού και της γλουταμίνης τα οποία παρέχουν το κρίσιμο σημείο εισόδου Το αμιδικό άζωτο της γλουταμίνης είναι η πηγή αμινομάδας σε ευρύ φάσμα βιοσυνθετικών διεργασιών Το ένζυμο που καταλύει την αντίδραση μεταξύ γλουταμικού και αμμωνίας για παραγωγή γλουταμίνης ονομάζεται συνθετάση της γλουταμίνης

Ενσωμάτωση αμμωνίας σε βιομόρια Η ενεργότητα της συνθετάσης της γλουταμίνης ρυθμίζεται τόσο αλλοστερικά όσο και με ομοιοπολική τροποποίηση Εκτός από το σημαντικό ρόλο της ενσωμάτωσης της αμμωνίας στα βακτήρια, παίζει κεντρικό ρόλο στο μεταβολισμό των αμινοξέων στα θηλαστικά, καθώς μετατρέπει την τοξική ελεύθερη αμμωνία σε γλουταμίνη προς μεταφορά στο αίμα

Ενσωμάτωση αμμωνίας σε βιομόρια Αλλοστερικοί αναστολείς του ενζύμου είναι η αλανίνη, η γλυκίνη και τουλάχιστον έξι τελικά προιόντα του μεταβολισμού της γλουταμίνης Από μόνος του κάθε αναστολέας επιφέρει μερική αναστολή Η συνδυαστική δράση πολλών αναστολέων υπερβαίνει το άθροισμα του αποτελέσματος καθενός ξεχωριστά Και οι 8 μαζί ουσιαστικά αδρανοποιούν το ένζυμο

Ενσωμάτωση αμμωνίας σε βιομόρια Το δεύτερο επίπεδο ρύθμισης της συνθετάσης της γλουταμίνης γίνεται με ομοιοπολική τροποποίηση μέσω αδενυλίωσης της τυροσίνης η οποία εντοπίζεται κοντά στο ενεργό κέντρο του ενζύμου Όσο περισσότερες υπομονάδες αδενυλιωθούν τόσο μικρότερη θα είναι η ενζυμική ενεργότητα Η αδενυλίωση και η αποαδενυλίωση προάγονται από την αδενυλοτρανσφεράση

Ενσωμάτωση αμμωνίας σε βιομόρια Η ενεργότητα της αδενυλοτρανσφεράσης ρυθμίζεται με πρόσδεση στη ρυθμιστική πρωτείνη ΡΙΙ, της οποίας η ενεργότητα ρυθμίζεται με ομοιοπολική τροποποίηση (ουριδινυλίωση) σε ένα κατάλοιπο τυροσίνης Το σύμπλοκο της ΑΤ με ουριδινυλιωμένη ΡΙΙ διεγείρει την αποαδενυλίωση, ενώ το ίδιο σύμπλοκο με αποουριδιλιωμένη ΡΙΙ διεγείρει την αδενυλίωση της συνθετάσης της γλουταμίνης

Ενσωμάτωση αμμωνίας σε βιομόρια Τοσο η ουριδινυλίωση όσο και η αποουριδινυλίωση της ΡΙΙ επιτελούνται από το ένζυμο ουριδυλοτρανσφεράση Η ουριδινυλίωση αναστέλλεται από την πρόσδεση γλουταμίνης στην ουριδυλοτρανσφεράση Η ουριδινυλίωση διεγείρεται από την πρόσδεση α-κετογλουταρικού και ATP στην ουριδυλοτρανσφεράση

Ενσωμάτωση αμμωνίας σε βιομόρια Πάνω από 12 βιοσυνθετικές αντιδράσεις χρησιμοποιούν ως κύρια πηγή αμινομάδων την γλουταμίνη Τα ένζυμα που καταλύουν αυτές τις αντιδράσεις ονομάζονται αμιδοτρανσφεράσες της γλουταμίνης Όλα έχουν δύο δομικές περιοχές: - μία περιοχή πρόσδεσης της γλουταμίνης και -μία περιοχή πρόσδεσης του άλλου υποστρώματος το οποίο λειτουργεί ως δέκτης αμινομάδων

Ενσωμάτωση αμμωνίας σε βιομόρια Ένα διατηρημένο κατάλοιπο κυστείνης στην περιοχή πρόσδεσης της γλουταμίνης διασπά τον αμιδικό δεσμό της γλουταμίνης και σχηματίζει ένα ομοιοπολικό ενδιάμεσο γλουταμυλο-ενζύμου Η αμινομάδα που παράγεται δεν εκλύεται αλλά μεταφέρεται διαμέσου ενός «διαύλου αμμωνίας» σε ένα δεύτερο ενεργό κέντρο, όπου αντιδρά με το δεύτερο υπόστρωμα για να σχηματίσει το αμινωμένο προιόν Το ομοιοπολικό ενδιάμεσο υδρολύεται αποδίδοντας ελεύθερο ένζυμο και γλουταμικό