Om te praten over de twintig aminozuren waaruit de eiwitstructuren en de gemodificeerde zijn opgebouwd, zou het nodig zijn om ten minste twaalf gespecialiseerde metabole routes te beschrijven.
Maar waarom gebruiken cellen zoveel metabole routes die energie vereisen (bijvoorbeeld om de katalytische plaatsen van enzymen te regenereren), elk met een enzymatisch erfgoed, om aminozuren te kataboliseren? Van bijna alle aminozuren is het mogelijk om via gespecialiseerde routes metabolieten te verkrijgen die voor een klein deel worden gebruikt om energie te produceren (bijvoorbeeld door gluconeogenese en de route van ketonlichamen), maar die vooral leiden tot de vorming van complexe moleculen met een hoog aantal koolstofatomen (bijvoorbeeld uit fenylalanine en tyrosine worden hormonen geproduceerd in de bijnieren die hiervoor gespecialiseerd zijn); als het enerzijds eenvoudig zou zijn om energie uit aminozuren te halen, anderzijds zou het ingewikkeld zijn om complexe moleculen te bouwen uitgaande van kleine moleculen: het katabolisme van aminozuren stelt hen in staat hun skelet te exploiteren om grotere soorten te verkrijgen.
Twee of drie hectogrammen aminozuren worden dagelijks afgebroken door een gezond persoon: 60-100 g daarvan zijn afkomstig van de eiwitten die met het dieet worden geïntroduceerd, maar meer dan 2 hectogrammen worden verkregen uit de normale omzet van eiwitten die een integraal onderdeel van het organisme zijn ( aminozuren van deze eiwitten, die worden beschadigd door redoxprocessen, worden vervangen door andere en worden afgebroken).
Aminozuren leveren een energiebijdrage in termen van ATP: na verwijdering van de α-aminogroep kan het resterende koolstofhoudende skelet van aminozuren, na geschikte transformaties, in de krebs-cyclus terechtkomen. Bovendien, wanneer de toevoer van voedingsstoffen ontbreekt en de hoeveelheid glucose afneemt, wordt de gluconeogenese geactiveerd: gluconeogenetische aminozuren zijn naar verluidt die aminozuren die, na passende modificaties, in de gluconeogenese kunnen worden geïntroduceerd; gluconeogenetische aminozuren zijn die kunnen worden omgezet in pyruvaat of in fumaraat (fumaraat kan worden omgezet in malaat dat het mitochondrion verlaat en in het cytoplasma wordt omgezet in oxaalacetaat waaruit fosfoenolpyruvaat kan worden verkregen).
De zojuist beschreven is een zeer belangrijk aspect omdat aminozuren een suikertekort kunnen verhelpen in geval van onmiddellijk vasten; als het vasten aanhoudt, grijpt na twee dagen het lipidenmetabolisme in (omdat de eiwitstructuren niet te veel kunnen worden aangevallen) het is in deze fase dat, aangezien de gluconeogenese zeer beperkt is, de vetzuren worden omgezet in acetyl-co-enzym A en ketonlichamen. Van verder vasten passen de hersenen zich ook aan om de ketonlichamen te gebruiken.
De overdracht van de α-aminogroep van aminozuren vindt plaats via een transamineringsreactie; de enzymen die deze reactie katalyseren, zeggen ze in feite, transaminasen (of aminotransferase). Deze enzymen gebruiken een enzymatische cofactor, pyridoxaalfosfaat genaamd, die ingrijpt met zijn aldehydegroep. Pyridoxaalfosfaat is het product van de fosforylering van pyridoxine, een vitamine (B6) die voornamelijk in groenten voorkomt.
Transaminasen hebben de volgende eigenschappen:
Hoge specificiteit voor een ketoglutaraat-glutamaat -paar;
Ze zijn vernoemd naar het tweede koppel.
Transaminase-enzymen hebben altijd betrekking op het α-ketoglutaraat-glutamaatpaar en worden onderscheiden volgens het tweede betrokken paar.
Voorbeelden:
L"aspartaat transaminase dwz GOT (Glutamaat-Ossalacetaat Transaminase): het enzym brengt de α-aminogroep over van aspartaat naar α-ketoglutaraat, waarbij oxaalacetaat en glutamaat worden verkregen.
L"alanine transaminase dwz GTP (Glutamaat-Pyruvaat Transaminase): het enzym draagt de α-aminogroep over van "alanine naar" α-ketoglutaraat, waarbij pyruvaat en glutamaat worden verkregen.
De verschillende transaminasen gebruiken α-ketogluraat als acceptor van de aminogroep van aminozuren en zetten deze om in glutamaat; terwijl de gevormde aminozuren worden gebruikt in de route van de ketonlichamen.
Dit type reactie kan in beide richtingen plaatsvinden, omdat ze breken en bindingen vormen met dezelfde energie-inhoud.
De transaminasen bevinden zich zowel in het cytoplasma als in het mitochondrion (ze zijn meestal actief in het cytoplasma) en verschillen in hun iso-elektrisch punt.
De transaminasen zijn ook in staat aminozuren te decarboxyleren.
Er zal een manier moeten zijn om glutamaat weer om te zetten in α-ketoglutaraat: dit gebeurt door deaminering.
Daar glutamaat dehydrogenase het is een enzym dat in staat is glutamaat om te zetten in α-ketoglutaraat en daardoor de aminogroepen van aminozuren die in de vorm van glutamaat worden gevonden, om te zetten in ammoniak. Er vindt een redoxproces plaats dat door het intermediaire -aminoglutaraat gaat: ammoniak en α-ketoglutaraat komen vrij en keren terug naar de circulatie.
Vervolgens verloopt de verwijdering van de aminogroepen van de aminozuren via de transaminasen (die verschillen naargelang het substraat) en de glutamaatdehydrogenase, die de vorming van ammoniak bepaalt.
Er zijn twee soorten glutamaatdehydrogenase: cytoplasmatisch en mitochondriaal; de cofactor, die ook het cosubstraat van dit enzym is, is NAD (P)+: glutamaatdehydrogenase gebruikt NAD+ of NADP+ als acceptor van reducerend vermogen. De cytoplasmatische vorm geeft, hoewel niet uitsluitend, de voorkeur aan NADP+, terwijl de mitochondriale vorm de voorkeur geeft aan NAD+. De mitochondriale vorm heeft tot doel aminogroepen te verwijderen: het leidt tot de vorming van ammoniak (dat een substraat is voor een gespecialiseerd enzym in het mitochondrion) en NADH (dat naar de ademhalingsketen wordt gestuurd). De cytoplasmatische vorm werkt in de tegenovergestelde richting, dat wil zeggen, het gebruikt ammoniak en α-ketoglutaraat om glutamaat te geven (dat een biosynthetische bestemming heeft): deze reactie is een reductieve biosynthese en de gebruikte cofactor is NADPH.
Glutamaatdehydrogenase werkt wanneer het nodig is om de aminogroepen van aminozuren zoals ammoniak (via de urine) af te voeren of wanneer de skeletten van aminozuren nodig zijn om energie te produceren: dit enzym zal daarom als negatieve modulatoren de systemen hebben die een indicatie zijn van goede energiebeschikbaarheid (ATP, GTP en NAD(P)H) en als positieve modulatoren de systemen die een energiebehoefte aangeven (AMP, ADP, GDP, NAD(P)+, aminozuren en schildklierhormonen).
Aminozuren (voornamelijk leucine) zijn positieve modulatoren van glutamaatdehydrogenase: als aminozuren in het cytoplasma aanwezig zijn, kunnen ze worden gebruikt voor eiwitsynthese, of moeten ze worden verwijderd omdat ze niet kunnen worden geaccumuleerd (dit verklaart waarom aminozuren positieve modulatoren zijn ) .
Afvoer van ammoniak: ureumcyclus
Vissen voeren ammoniak af door het via de kieuwen in het water te brengen, vogels zetten het om in urinezuur (wat een condensatieproduct is) en elimineren het met uitwerpselen. Laten we eens kijken wat er bij mensen gebeurt: we hebben gezegd dat glutamaatdehydrogenase glutamaat omzet in α- ketoglutaraat en ammoniak, maar we hebben niet gezegd dat dit alleen in de mitochondriën van de lever voorkomt.
Een fundamentele rol bij de verwijdering van ammoniak, via de ureumcyclus, wordt gespeeld door mitochondriale transaminasen.
Kooldioxide, in de vorm van bicarbonaat-ion (HCO3-), wordt geactiveerd door de biotine-cofactor die carboxybiotine vormt, dat reageert met ammoniak om carbaminezuur te geven; de volgende reactie gebruikt ATP om een fosfaat over te brengen op het carbaminezuur dat carbamylfosfaat en ADP vormt (de omzetting van ATP in ADP is de drijvende kracht voor het verkrijgen van carboxybiotine) Deze fase wordt gekatalyseerd door carbamylfosfaatsynthetase en komt voor in het mitochondrion. Carbamylfosfaat en ornithine zijn substraten voor het enzym ornithine-trans-carbamylase die ze omzet in citrulline; deze reactie vindt plaats in de mitochondriën (hepatocyten). De geproduceerde citrulline verlaat het mitochondrion en gaat in het cytoplasma onder de "werking van"argininesuccinaatsynthetase: er is de fusie tussen het koolstofhoudende skelet van citrulline en dat van een aspartaat door een nucleofiele aanval en daaropvolgende eliminatie van water. Het argininesuccinaatsynthetase-enzym vereist een ATP-molecuul, dus er is een energetische koppeling: de hydrolyse van het ATP tot AMP en pyrofosfaat (de laatste wordt vervolgens omgezet in twee moleculen orthofosfaat) vindt plaats door de verdrijving van een molecuul d "water uit het substraat en niet door de werking van het water van het medium.
Het "volgende enzym is de"argininesuccinase: dit enzym kan argininesuccinaat in het cytoplasma splitsen in arginine en fumaraat.
De ureumcyclus wordt voltooid door het enzym arginase: ureum en ornithine worden verkregen; ureum wordt afgevoerd door de nieren (urine), terwijl ornithine terugkeert naar het mitochondrion en de cyclus hervat.
De ureumcyclus is onderhevig aan indirecte modulatie door arginine: de accumulatie van arginine geeft aan dat de ureumcyclus moet worden versneld; de modulatie van arginine is indirect omdat arginine het acetylglutamaatsynthetase-enzym positief moduleert. Deze laatste is in staat een acetylgroep op de stikstof van een glutamaat over te dragen: er wordt N-acetylglutamaat gevormd dat een directe modulator is van het carbamyl-fosfosynthetase-enzym.
Arginine hoopt zich op als een metaboliet van de ureumcyclus als de productie van carbamylfosfaat niet voldoende is om de ornithine af te voeren.
Ureum wordt alleen in de lever geproduceerd, maar er zijn ook andere plaatsen waar de eerste reacties plaatsvinden.
De hersenen en spieren gebruiken speciale strategieën om aminogroepen te elimineren. De hersenen gebruiken een zeer efficiënte methode waarbij een enzym wordt gebruikt glutamine synthetase en een enzym glutamase: de eerste is aanwezig in neuronen, terwijl de tweede in de lever wordt gevonden. Dit mechanisme is om twee redenen zeer efficiënt:
Twee aminogroepen worden in één enkel voertuig van de hersenen naar de lever getransporteerd;
Glutamine is veel minder toxisch dan glutamaat (glutamaat zorgt ook voor neuronale overdracht en mag de fysiologische concentratie niet overschrijden).
Bij vissen brengt een soortgelijk mechanisme de aminogroep van aminozuren naar de kieuwen.
Vanuit de spier (skelet en hart) bereiken de aminogroepen de lever via de glucose-alaninecyclus; het betrokken enzym is het glutamine-pyruvaat-transaminase: het maakt de omzetting van aminogroepen mogelijk (die in de vorm van glutamaat zijn), zet pyruvaat om in alanine en tegelijkertijd glutamaat in α-ketoglutaraat in de spier en katalyseert de omgekeerd proces in de lever.
Transaminasen met verschillende taken of posities hebben ook structurele verschillen en kunnen worden bepaald door elektroforese (ze hebben verschillende iso-elektrische punten).
De aanwezigheid van transaminasen in het bloed kan een symptoom zijn van lever- of hartbeschadiging (dwz weefselbeschadiging aan lever- of hartcellen); de transaminasen zijn zowel in de lever als in het hart in zeer hoge concentraties: door middel van elektroforese kan worden vastgesteld of de schade in de lever- of hartcellen is opgetreden.
