1. A nitrogén körforgása

Átírás

1 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-plp segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis

2 A nitrogén körforgása Az aminosavak N-tartalma ammóniából, ez pedig végső soron légköri N 2 -ből származik. (diazotrófok) Aminosavak nem tárolódnak Aminosavak felhasználása: - fehérjeszintézis - N-forrás nukleotidok, neurotranszmitterek, porfirin-vegyületek számára Aminosavak lebontása (gerincesekben főként májban): - N-tartalom eltávolítása (urea, húgysav vagy ammónia formájában; nem szerepel az energia-anyagcserében) - a többi molekularész szintetikus utakra kerül

4 A táplálékkal felvett fehérjék proteázok és peptidázok segítségével aminosavakká bomlanak.

5 A sejtekben található fehérjék meghatározott idő után lebomlanak és újraszintetizálódnak. Minden fehérjére jellemző a féléletideje. Fehérje-lebontás: - Fiziológiás turnover - Hibásan szintetizálódott illetve károsodott fehérjék Emlősökben pl. az ornitin dekarboxiláz féléletideje 11 perc (egyik legrövidebb), a hemoglobin féléletideje 110 nap, a krisztalin szemlencse-fehérje pedig gyakorlatilag turnover nélküli. - N-terminális aminosav szerepe (ubikvitin-konjugáció, ld. később) * Kémiai módosítás: Arg-tRNS-protein transzferáz arginint kapcsol az Asp és Glu N-terminálisokra. L-arginil-tRNS + protein = trns + L-arginil-protein N-terminális deamidáz eltávolítja az amid csoportot az N- terinális Asn és Gln aminosavakról. Amid + H 2 O = karbonsav + ammónia *

6 A proteaszómákban lebomló fehérjék először ubikvitinnel megjelölődnek. Ubikvitin: - minden eukariótában megtalálható - szekvenciája erősen konzervált

7 Az ubikvitin és a célfehérje között izopeptid kötés alakul ki.

8 Az ubikvitin-jelölésben három enzim vesz részt. Az E 1 (ubikvitin-aktiváló enzim) hatására az ubikvitin adenilálódik és az enzimmel tioésztert képez, majd az E 2 (ubikvitin-konjugáló enzim) egy SH csoportjára tevődik át, végül az E 3 ubikvitin-protein ligáz kapcsolja izopeptid kötéssel az ubikvitint a célfehérje egy lizin oldalláncára.

9 - Enzim izoformák száma: E1 (egy v. kevés) < E2 (egy család) < E3 (több család) -> szubsztrát-specificitás finomhangolása - A lebontandó fehérje N-terminális aminosavát az E3 ismeri fel. - Számos fehérje ubikvitinálása nem a lebontásban, hanem a működés szabályozásában játszik szerepet.

10 A poliubikvitin láncban egy ubikvitin-egység Lys48 aminosava a következő egység C-terminusához kapcsolódik.

11 A 20 S proteaszóma 28 homológ és alegységből épül fel. Négy egymás felett elhelyezkedő gyűrűben 7-7 alegység helyezkedik el. A proteáz aktivitás a hordó belsejében, a -alegységeken mutatható ki. A hordó szerkezet az aktívhelyket a külvilágtól elzárja; a proteaszóma így csak a belsejébe jutott szubsztrátot bontja le. Támadás a célfehérje peptidkötésének karbonilcsoportjára, acilenzim képződése

12 A proteaszóma mindkét végén egy-egy 19 S szedimentációs állandójú regulátor sapkával van lezárva. A sapkafehérje is több alegységből épül fel: van közöttük ubikvitinkötő fehérje és hat ATPáz (AAA+) alegységet is kimutattak, amelyek a P-loop NTPáz családba tartoznak. A sapkának szerepe van a célfehérje letekerésében és a proteaszómába való bejuttatásában. A proteaszomális fehérjedegradáció számos biológiai folyamatot szabályoz (génexpresszió, sejtciklus, napi ritmus stb.).

14 A transzaminázok és a glutamát dehidrogenáz működése során -ketosavak és ammónia keletkezik. Az ammónia halak esetén közvetlenül, madarak esetén húgysav, emlősök esetén urea (karbamid) formában ürül. Urea szintézis Transzamináz Glutamát dehidrogenáz

15 Transzaminálás Az aminosavak lebontása során az első lépés az aminocsoport átadása transzaminálással -ketoglutársavra. Az aminocsoport a glutaminsavban akkumulálódik és az aminosavnak megfelelő ketosav keletkezik. Az aminotranszferázok prosztetikus csoportja a piridoxálfoszfát (PLP).

16

17 A PLP tautomer formái - Piridingyűrű: gyengén bázikus - Fenolos OH: gyengén savas - Aldehid: Schiff-bázist tud képezni aminocsoporttal; ezt a fenolát negatív töltése stabilizálja

18 Az aminotranszferáz enzim egy lizinjéhez kötött piridoxálfoszfát reagál az aminosav aminocsoportjával.

19 Először az aldimin kötésrendszere (az aminosav α-szénatomjáról történő) átmeneti protonvesztés során átrendeződik, kinonoid itermedier szerkezetté.

20 A kinonoid intermedier (az aldehid szénatomon történő) protonfelvétel után ketiminné alakul.

21 Végül felszabadul a ketosav és piridoxaminfoszfát keletkezik.

22 A piridoxaminfoszfát (PMP) egy másik ketosav-molekula aminosavvá alakítása révén piridoxálfoszfáttá (PLP) regenerálódik. A transzaminálási reakció összegzése: α-ketoglutársav glutaminsav α-ketoglutársav glutaminsav

25 A transzaminálással keletkező glutaminsav a glutamát dehidrogenáz enzim segítségével -ketoglutaráttá oxidálódik. A gerincesek májában vizsgált glutamát dehidrogenáz NAD-dal és NADP-vel is működik. Baktériumokban és növényekben külön NAD-dal és külön NADP-vel működő enzimet mutattak ki. A NAD-dal működő a glutamát lebontásában, a NADPH-val működő pedig az ammónia asszimilációjában vesz részt.

26 A glutamát dehidrogenáz működése során először a glutamát Cα-N kötésének dehidrogenációjával Schiff-bázis intermedier képződik. Ezután a Shiff-bázis hidrolízisével ketosav (α-ketoglutársav) képződik. A reakció endergonikus, azt az ammóniumion eltávolítása hajtja. A GDH mitokondriumokban lokalizált.

29 Urea szintézis Az urea szintézis prekurzora a karbamoil-foszfát. A karbamoil-foszfát szintézise bikarbonát anion aktiválásával kezdődik.

30 Az aktivált karboxilcsoport ammóniával reagálva karbaminsavat képez.

31 Végül újabb ATP felhasználásával karbamoil-foszfát szintetizálódik. A bikarbonát + ammónia -> karbamoilfoszfát reakció mindhárom lépését ugyanaz az enzim katalizálja.

32 Urea szintézise: urea ciklus Az urea szintézisében két nem fehérje-felépítő aminosav vesz részt. Első lépésben az ornitin karbamoilfoszfáttal reagál és citrulin keletkezik. Ornithine transcarbamoylase deficiency is an inherited disorder that causes ammonia to accumulate in the blood. Ammonia, which is formed when proteins are broken down in the body, is toxic if the levels become too high. The nervous system is especially sensitive to the effects of excess ammonia.

33 A citrulin aszpartáttal kondenzálódik, így argininoszukcinát keletkezik.

34 Az argininoszukcinát argininre és fumársavra hasad.

35 Az argináz hatására urea és ornitin keletkezik

36 Az urea szintézis reakciói ciklusba rendezhetőek.

37 Az urea ciklus kapcsolatban van az intermedierek révén a citrát ciklussal.

39 Az aminosavak szénláncának lebontása piruváton, acetil-coa-n keresztül vagy közvetlenül a citrátciklusba torkollik. Sárga: ketogén aminosavak - zsírsav-anyagcsere, ketontestek (Leu, Lys tisztán ketogén) Rózsaszín: glükogén aminosavak