Aminosäurenstoffwechsel: Abbau, Transport und Harnstoffzyklus

Grundlagen der Aminosäuren und Stickstoffausscheidung

Essenzielle Aminosäuren: Ile, Leu, Val, Thr, Met (Cys), Trp, Phe (Tyr), Lys, Arg, His
Nichtessenzielle Aminosäuren: Ala, Asparagin, Aspartat, Glutamat, Gly, Pro, Ser

Beseitigung von Ammoniak:

• Ammoniotelische Organismen: Exkretion von Ammoniak (invertebrate und Wassertiere)
• Ureotelische Organismen: Harnstoff (Landtiere: Schlangen, Amphibien und Säugetiere)
• Purinotelische Organismen: Harnsäure (Reptilien und Vögel)

Themenübersicht zum Aminosäuren-Pool

Wir betrachten den intrazellulären Aminosäuren-Pool und dessen Zusammensetzung:

Quellen des Aminosäuren-Pools

• Exogene Proteine:
  • Magen (Pepsin, HCl) -> große Polypeptide
  • Lumen (Endo- und Exopeptidasen) -> Peptide und Aminosäuren
  • Intestinale Resorption (Di- und Aminopeptidasen) -> Aminosäuren gelangen über das Blut in die Zellen zum intrazellulären Pool
• Metabolische Vorstufen: Synthesewege zur Pool-Auffüllung
• Endogene Proteine: Lysosomale und zytoplasmatische Proteolyse (Proteinumsatz)

Verwendung des Aminosäuren-Pools

• Endogene Proteine: Ribosomale Biosynthese
• Spezifische Peptide und Moleküle: Glutathion, Oxytocin, Vasopressin etc.
• Purin- und Pyrimidinbasen: Nukleoside, Nukleotide (NTPs, Coenzyme etc.)
• Porphyrin-Ring: Cytochrome, Hämoglobin -> Gallenfarbstoffe
• Membranlipide: Phosphoglyceride, Sphingosin
• Neurotransmitter: GABA, Serotonin, Acetylcholin
• Hormone: Thyroxin, Adrenalin und andere Katecholamine
• Andere biologische Amine: Histamin, Melanin, Spermin, Dopamin

Überschüssige Aminosäuren: Das Ammoniumion (NH₄⁺) wird in die Leber transportiert, um in Form von Harnstoff ausgeschieden zu werden. Das verbleibende Kohlenstoffgerüst wird zur Energiegewinnung genutzt: Umwandlung zu Pyruvat oder Einschleusung in den Citratzyklus als Acetyl-CoA.

Proteinumsatz

Dient der Speicherung von Nährstoffen als Proteine, dem Abbau abnormaler Proteine und der Regulierung des Zellstoffwechsels.

• Lysosomaler Abbau: Etwa 50 hydrolytische Enzyme (Cathepsine im sauren pH-Bereich)
• Zytosolischer Abbau: Proteasen, die durch Calciumionen (Ca²⁺) aktiviert werden (Calpine, große neutrale Protease), sowie das ATP-abhängige Proteasom. Markierung durch Ubiquitinierung (E1 -> E2 über Thiolgruppe, Lysin) x 3/4, Abbau oxidierter Reste oder N-terminaler Peptide oft aufgrund von PEST-Sequenzen.

Aminosäurenstoffwechsel

Findet hauptsächlich in der Leber (70-80%), der Skelettmuskulatur und dem Fettgewebe statt.

• Gemeinsame Reaktionen: Abspaltung der Aminogruppe und Verwertung des Kohlenstoffgerüsts.
• Spezifische Reaktionen: Biosynthese und Abbau von Kohlenstoff-Skeletten sowie Synthese von Stickstoffverbindungen.

1. Desaminierung

• Transaminierung:
  [Aminosäure 1 + Ketosäure 2 <- (Transaminasen) -> Ketosäure 1 + Aminosäure 2]
  (Ketosäure 2: a-Ketoglutarat; Aminosäure 2: Glutamat)
  (Ketosäure 2: Oxalacetat; Aminosäure 2: Aspartat)
  (Ketosäure 2: Pyruvat; Aminosäure 2: Alanin [Alanin-Glukose-Zyklus: Transport vom Muskel zur Leber / Pyruvat -> Glukose für Muskel und Gehirn]).
• Oxidative Desaminierung:
  [Glutamat + H₂O + NAD(P)⁺ -> (Glutamat-Dehydrogenase) -> NAD(P)H + H⁺ + NH₄⁺ + a-Ketoglutarat + GTP/ADP]
  Minderheitlicher Weg: Aminosäure + FAD -> (L-Aminosäure-Oxidase) -> FADH₂ -> Keto-Säure + NH₄⁺.

Ammoniumtransport

A) Umwandlung von Glutamat zu Glutamin: Glutamat + NH₄⁺ + ATP -> (Glutaminsynthetase) -> ADP + P_i -> Glutamin. In der Leber: Glutamin + H₂O -> (Glutaminase) -> NH₄⁺ + Glutamat.
B) Alanin-Glutamat-Mechanismus (Alanin-Zyklus).
C) Gamma-Glutamyl-Zyklus: Glutathion + Aminosäure (auf der Außenseite der Membran) -> Cys-Gly + Gamma-Glutamyl-Aminosäure. Transport in das Zellinnere -> Pyroglutamat + ATP -> (Pyroglutamase) -> ADP + P_i -> Glutamat + Cys + ATP -> ADP + P_i -> Gamma-Glutamyl-Cys + ATP -> ADP + P_i + Gly -> Glutathion.

Harnstoffzyklus

1. Erwerb des 1. N-Atoms: CO₂ (aus dem Citratzyklus) + NH₄⁺ + 2 ATP -> (Carbamoylphosphatsynthetase I) -> 2 ADP + P_i + Carbamoylphosphat.
2. Start des Zyklus und Produktion von Citrullin: Carbamoylphosphat + Ornithin -> (Ornithin-Transcarbamylase) -> Citrullin + P_i (Verlassen der Mitochondrien).
3. Inkorporation des 2. N-Atoms: Citrullin + Aspartat + ATP -> (Argininosuccinat-Synthase) -> Argininosuccinat + AMP + PP_i (Verbrauch von Äquivalenten von 2 ATP).
4. Spaltung von Argininosuccinat: Argininosuccinat -> (Argininosuccinat-Lyase) -> Arginin + Fumarat. Das Fumarat wird zu L-Malat (Fumarase + H₂O) und weiter zu Oxalacetat umgesetzt (Malat-Dehydrogenase + NAD⁺ -> NADH + H⁺), welches wieder zu Aspartat transaminiert werden kann.
5. Freisetzung von Harnstoff aus Arginin: Arginin + H₂O -> (Arginase) -> Harnstoff + Ornithin. Das Ornithin wandert zurück in das Mitochondrium für den nächsten Zyklus.