PRZEMIANY AZOTOWE

Przemiany azotowe

to przemiany, jakim podlega

azot

- czyli w jaki

sposób

azot jest usuwany z aminokwasów i przekształcany w mocznik.

Przemiany azotowe dotyczą

białek

, ponieważ te są głównym nośnikiem

azotu w organizmie. Azot jest zawarty w:

• grupach aminowych aminokwasów

• grupach amidowych glutaminy i asparaginy

• pierścieniu tryptofanu, proliny i hydroksyproliny

• grupach guanidynowych argininy.
Aminokwasy są elementem budulcowym białek.

Amoniak, pochodzący z azotu aminokwasów, jest dla ludzi potencjalnie toksyczny.

Człowiek usuwa amoniak przekształcając go w

nietoksyczny mocznik

w cyklu

mocznikowym, którego prawidłowy przebieg jest niezwykle istotny dla
utrzymania zdrowia.

Aminokwasy stanowią źródło azotu dla wielu innych niż białka związków:

nukleotydów, neurotransmitterów i grup prostetycznych.

PRZEMIANY

AZOTOWE

TURNOVER BIAŁEK - OBRÓT METABOLICZNY

Białka żywych organizmów są stale odnawiane poprzez

nieprzerwany proces degradacji i resyntezy z wolnych
aminokwasów.

• Każdego dnia organizm dorosłego człowieka degraduje 1-2% całkowitego

białka organizmu (głównie białka mięśni). 75-80% uwolnionych
aminokwasów jest wówczas ponownie wykorzystywane do syntezy białka.

Znaczenie

obrotu metabolicznego

:

•

usuwanie

nieprawidłowych

białek

•

usuwanie białek

niepotrzebnych

, które spełniły już swoje

zadanie np. przeciwciał lub enzymów wykorzystanych
przez substraty

•

regulacja stężenia poszczególnych białek; dostosowanie do

potrzeb tkanki czy narządu

•

bardzo

szybki

obrót mają

enzymy

o znaczeniu

regulacyjnym

OKRES PÓŁTRWANIA BIAŁEK

 duże różnice dla poszczególnych białek


krótki

dla białek enzymatycznych (minuty, godziny,

dni)



długi

- dla białek strukturalnych (mięśni, tkanki

łącznej i tkanki nerwowej) (miesiące, lata)

 decyduje o tym podatność białka na działanie proteaz
 rozróżnia się

białka o szybkim obrocie i małej puli

tkankowej

oraz

powolnej przemianie i dużej puli

tkankowej

TURNOVER BIAŁEK - OBRÓT METABOLICZNY

TURNOVER BIAŁEK - OBRÓT METABOLICZNY

OBRÓT BIAŁEK WĄTROBY-

wątroba reguluje zaopatrzenie

tkanek w aminokwasy:

 większość to szybko się odnawiające - około 10% całej puli

białek

wątroby; białka o wolnym obrocie - 24%

 w ciągu doby wątroba odnawia 50% puli swoich białek; tj. 50g/dobę czyli

1/3 obrotu białek całego organizmu

okresy półtrwania niektórych białek

:

 dekarboksylaza ornitynowa - 11 minut
 syntetaza ALA - 60 minut
 dehydrogenaza glutaminianowa - 6 godzin
 b-glukuronidaza - 30 dni

BIAŁKA MIĘŚNI:

 obrót wolniejszy niż białek wątroby;

najmniejszy obrót

aktyna

 w stanach zwiększonego metabolizmu zwiększa się obrót

białek mięśni

 zwiększony w stanach patologicznych: dieta bezbiałkowa

lub ubogo białkowa, głód, cukrzyca, po pobudzeniu

hormonami kory nadnerczy, w przebiegu ostrych zakażeń,

bezczynności.

TURNOVER BIAŁEK - OBRÓT METABOLICZNY

B

IAŁKA TKANKOWE

P

ULA AMINOKWASÓW

Białka pokarmowe

Azotowe substancje niebiałkowe

 Porfiryny, puryny, pirymidyny, ami-

nocukry, fosfolipidy, aminy

S

YNTEZA AMINOKWASÓW

K

ATABOLIZM AMINOKWASÓW

Ł

AŃCUCHY WĘGLOWE

NH

3

G

LUKOZA

CO

2

+ H

2

O

MOCZNIK

NH

4

+

BILANS PRZEMIANY BIAŁEK I

AMINOKWASÓW

AMINOKWAS

Y

Większość mikroorganizmów i roślin wytwarza cały

podstawowy zestaw aminokwasów, wiele

organizmów wyższych, w tym ludzi, straciło zdolność

syntezy niektórych z nich (

z powodu braku

enzymów

). Istnieje więc konieczność pobierania

odpowiedniej ilości aminokwasów z pożywieniem.

Aminokwasy, które muszą być pobierane z

pożywieniem, w celu utrzymania zdrowia i

podtrzymania wzrostu, to

aminokwasy egzogenne.

Aminokwasy endogenne

z kolei to te, które organizm

sam wytwarza z dostarczanego azotu i dwutlenku

węgla.

Aminokwasy endogenne syntetyzowane są w dość

prostych reakcjach, natomiast szlaki powstawania

aminokwasów egzogennych są bardziej

skomplikowane.

Aminokwasy niezbędne (egzogenne):

•

histydyna (His)(±)

•

arginina (Arg) (±)

•

izoleucyna (Ile)

•

leucyna (Leu)

•

lizyna (Lys)

•

metionina (Met)

•

fenyloalanina (Phe)

•

treonina (Thr)

•

tryptofan (Trp)

•

walina (Val)

AMINOKWASY

Aminokwasy nie niezbędne (endogenne):

AMINOKWASY

•

alanina (Ala)

• asparagina (Asn)
• kwas asparaginowy (Asp)
• cysteina (Cys)
• glutamina (Gln)
• kwas glutaminowy (Glu)
• glicyna (Gly)
• prolina (Pro)
• seryna (ser)
• tyrozyna (Tyr)

aminokwasy

————

—

—

————

———

————

—

—



—

—

—



—

—

mocznik

(produkt rozpadu aminokwasów)

aminy biogenne

wytwarzanie energii, katabolizm

synteza białek, anabolizm

AMINOKWASY

BILANS

AZOTOWY

Bilans azotowy

–

jest to różnica między całkowitym

azotem spożytym, a całkowitym azotem wydalonym w
kale, moczu, pocie, złuszczonym nabłonku.

• bilans azotowy zrównoważony

- czyli ilość azotu

przyswojonego i wydalonego są równe.

Dorosły, zdrowy, prawidłowo odżywiający się człowiek –

bilans azotowy zerowy

(wyrównany), jest w stanie

równowagi azotowej.

BILANS AZOTOWY

•

bilans azotowy dodatni

– więcej azotu zostaje

przyswojonego niż wydalonego. W okresie ciąży, karmienia,
wzrostu i dojrzewania, w czasie rekonwalescencji po
przebytych chorobach.

•

bilans azotowy ujemny

– jest wynikiem choroby

(zaawansowana choroba nowotworowa, stan po operacji),
świadczy o postępującym ubytku białka z organizmu. Więcej
białek ulega degradacji niż jest syntetyzowanych. Dzieje się
tak w okresie głodu, na diecie bezbiałkowej, przy niedostatku
białka w diecie lub niewłaściwym jego składzie, w chorobach
wyniszczających, w wieku starczym (upośledzone wchłanianie,
 rozpad białka, upośledzone jego wykorzystanie).

Niedobór choćby jednego aminokwasu może być

przyczyną ujemnego bilansu.

Pożywienie ubogie

w węglowodany i tłuszcze

może spowodować zachwianie

równowagi azotowej nawet wtedy, gdy pokrycie zapotrzebowania białkowego jest
wystarczające.

Niedostarczenie odpowiedniej ilości

węglowodanów i tłuszczów w diecie

wymaga znaczniejszej ilości białka, którego aminokwasy stają się surowcem
energetycznym.

Przebieg procesów metabolicznych zależy od najmniejszej ilości

niezbędnego czynnika pokarmowego 

wykorzystanie białka zależy od

najmniejszej ilości aminokwasu niezbędnego obecnego w spożywanym białku.

Minimum białkowe

(zabezpiecza pokrycie strat azotu)

=

0.5 g/kg/dobę

Norma żywieniowa 0,9-1,0 g/kg/dobę

3:2 stosunek białek zwierzęcych do roślinnych

BILANS AZOTOWY

Zaobserwowano, że karmienie zwierząt pewnymi

aminokwasami prowadzi u tych zwierząt do

zwiększonej

glukoneogenezy

i akumulacji glikogenu w wątrobie, a

karmienie innymi, nasila proces

ketogenezy

.

Istnieje też grupa aminokwasów, która indukuje

oba

procesy

.

Te obserwacje stały się podstawą podziału aminokwasów

na:

•

glukogenne

•

ketogenne

•

glutoketogenne

AMINOKWASY GLUKOGENNE I KETOGENNE

• Aminokwasy glukogenne

– szkielety węglowodorowe przekształcają się do:

-

pirogronianu

- -ketoglutaranu
- bursztynylo-CoA
- szczawiooctanu

Synteza glukozy z tych aminokwasów jest możliwa dzięki temu, że produkty cyklu

kwasu cytrynowego i pirogronian ulegają przekształceniu w
fosfoenolopirogronian, a ten w glukozę.

•

Aminokwasy ketogenne

– są degradowane do:

-

acetylo-CoA

- acetoacetylo-CoA

Z nich powstają ciała ketonowe lub kwasy tłuszczowe.

AMINOKWASY GLUKOGENNE I KETOGENNE

AMINOKWASY

GLUKOKETOGENNE

•

Aminokwasy glukoketogenne

– szkielety

węglowodorowe rozpadają się na dwa fragmenty:
-

jeden jest substratem w gukoneogenezie

- drugi fragment jest ciałem ketonowym
(

acetooctan

) lub substratem w procesie

ketogenezy (

acetylo~S-CoA

)

AMINOKWASY GLUKOGENNE I KETOGENNE

•

Aminokwasy glukogenne (są substartami w

glukoneogenezie):

Alanina

Walina

Seryna

Arginina

Cysteina

Glutaminian

Glicyna

Glutamina

Treonina

Histydyna

Asparagina

Prolina

Asparaginian

Metionina

•

Aminokwasy ketogenne:

Leucyna
Lizyna

•

Aminokwasy glukoketogenne:

Izoleucyna
Fenyloalanina
Tryptofan
Tyrozyna

PRZEMIANY AMINOKWASÓW

GLUKOGENNYCH

Asp

– w wyniku transaminacji

przekazuje grupę aminową na
ketokwas, stając się

szczawiooctanem.

Gly, Ala, Ser, Cys, Hyp

– w

wyniku transaminacji powstaje

pirogronian

, ten ulega

dekarboksylacji do
szczawiooctanu.

Gln

– pod działaniem

dehydrogenazy glutaminianowej
lub aminotransferazy ulega
przemianie w

-ketoglutaran

.

Wiele aminokwasów
glukogennych przekształca się
do substratów glukoneogenezy
poprzez inne aminokwasy:

Ala



Trp i Hyp

Gln



Arg, His, Glu, Pro,

Ornityna

Ser



Gly

PRZEMIANY AMINOKWASÓW KETOGENNYCH

Leu

– ulega

transaminacji,
przekształca się w

acetooctan

.

Lys

– nie podlega

transaminacji,
przekształca się w

acetoacetylo~S-CoA

,

który może być
traktowany jako
aktywna postać

acetooctanu

.

PRZEMIANY AMINOKWASÓW

GLUKOKETOGENNYCH

Phe

i

Tyr

– ulegają

przemianom w wyniku
wielu reakcji z udziałem
kilku enzymów do

acetooctanu

i

fumaranu

.

Wrodzony niedobór tych
enzymów jest przyczyną
chorób metabolicznych:

•

fenyloketourii

(hydroksylaza
fenyloalaninowa;
zaburzenia funkcji układu
nerwowego)

•

tyrozynemii

•

alkaptonurii

PRZEMIANY AMINOKWASÓW

Aminokwasy będące w nadmiarze są degradowane, a

nie magazynowane.

Źródłem wolnych aminokwasów jest:

–

rozpad białek pokarmowych

–

rozpad białek komórkowych

–

rozpad białek pozakomórkowych

–

biosynteza aminokwasów

TRAWIENIE BIAŁEK I AMINOKWASÓW

Rozpad białek zachodzi na drodze

proteolizy

przy udziale

enzymów

proteolitycznych, które hydrolizują wiązania peptydowe

.

Hydroliza

to dodanie cząsteczki wody do wiązania

peptydowego.

Każdemu rozpadowi wiązania peptydowego towarzyszy

odtworzenie

wolnej grupy aminowej jednego aminokwasu i wolnej grupy
karboksylowej drugiego aminokwasu.

PPROTEOLIZA

+

H

3

N————C—C—N—C————C

O

—

—

—

—

—

—

—

H

H

H

R

n

R

n+1

O

O

-

O

— —

—

H

2

O

proteaza

+

H

3

N————C—C + H

3

N

+

—C————C

R

n

—

—

—

—

R

n+1

H

H

— —

— —

O

—

—

O

O

substrat białkowy

dwa produkty proteolizy

PPROTEOLIZA

Enzymy katalizujące proces proteolizy to:

•

proteazy

•

proteinazy

•

peptydazy

Łańcuch białkowy zawiera jeden
aminokwas N-końcowy i jeden aminokwas
C-końcowy.

Egzopeptydazy

- odłączają od białka

pojedyncze końcowe aminokwasy.

-

aminopeptydazy

-

karboksypeptydazy

Endopeptydazy

– przecinają wewnętrzne wiązania w peptydach,

tworząc krótsze peptydy. Aminopeptydazy i karboksypeptydazy
usuwają wówczas odpowiednio aminokwasy z C- i N- końców.

TRAWIENIE BIAŁEK W PRZEWODZIE
POKARMOWYM

Żołądek

– błona śluzowa wydziela sok żołądkowy

(przejrzysty płyn, lekko żółty, pH 1,0, zawierający HCl,
H

2

O, mucynę, sole i enzymy trawienne).

Trawienie białek jest główną funkcją żołądka

.

•

Kwas solny

- białka ulegają denaturacji (utrata struktury

trzeciorzędowej poprzez rozerwanie wiązań wodorowych).

•

Pepsyna

, endopeptydaza (zymogen-pepsynogen):

– rozkłada zdenaturowane białka do peptonów (dużych
polipeptydów)
- rozkłada wiązania peptydowe w obrębie głównej
struktury polipeptydowej
- hydrolizuje wiązania utworzone przez aminokwasy
aromatyczne (tyrozynę) lub dikarboksylowe (glutaminian)

Zawartość żołądka przedostaje się do światła

dwunastnicy

:

-

sok trzustkowy i żółć

(pH zasadowe) – środowisko

niezbędne dla działania enzymów soku trzustkowego i
jelitowego; zahamowana aktywność pepsyny.

Dwunastnica

– sok trzustkowy (wodnisty, nielepki płyn, pH

7,5-8,0. Zawiera liczne enzymy wydzielane jako zymogeny:

•

trypsyna

– wiązania peptydowe utworzone przez

aminokwasy zasadowe

•

chymotrypsyna

– wiązania utworzone przez aminokwasy

pozbawione ładunku elektrycznego (aromatyczne)

•

elastaza

– wiązania utworzone przez małe aminokwasy

Enzymy te są

endopeptydazami

, działają na białka i peptydy,

rozkładając je do polipeptydów i dipeptydów.

•

karboksypeptydaza

– uwalnia aminokwasy od C-końca

TRAWIENIE BIAŁEK W PRZEWODZIE

POKARMOWYM

Jelito cienkie

– sok jelitowy, wydzielany przez gruczoły

dwunastnicze i jelitowe zawiera:

•

karboksypeptydazę A

•

karboksypeptydazę B

•

aminopeptydazę

•

dipeptydazę

Końcowym produktem trawienia białek są wolne

aminokwasy.

TRAWIENIE BIAŁEK W PRZEWODZIE POKARMOWYM

Skutkiem działania enzymów jest rozłożenie

składników pokarmowych do postaci, w której
mogą być wchłaniane i przyswajane.

TRAWIENIE BIAŁEK W PRZEWODZIE POKARMOWYM

WCHŁANIANIE

Wchłanianie aminokwasów z przewodu pokarmowego

polega na ich transporcie do krążenia wrotnego lub
naczyń limfatycznych.

Wolne aminokwasy, jako rozpuszczalne w wodzie,

są wchłaniane przez nabłonek jelitowy i z krwią
żyły wrotnej dostają się do wątroby.

Jelito cienkie jest głównym narządem
trawiennym i wchłaniającym.

1 – mikrokosmki
2 – naczynie limfatyczne
3 – komórki nabłonkowe
4 – naczynia krwionośne

PRZEMIANY AMINOKWASÓW

Aminokwasy będące w nadmiarze są degradowane, a

nie magazynowane.

Źródłem wolnych aminokwasów jest:

–

rozpad białek pokarmowych

–

rozpad białek komórkowych

–

rozpad białek pozakomórkowych

–

biosynteza aminokwasów

ROZPAD BIAŁEK WEWNĄTRZKOMÓRKOWYCH

Wewnątrzkomórkowe białka

są degradowane przez

wewnątrzkomórkowe proteazy w dwóch
głównych szlakach:

•

białka pozakomórkowe, związane z błoną oraz długo
żyjące białka wewnątrzkomórkowe są degradowane
w lizosomach bez udziału ATP

•

białka wewnątrzkomórkowe, nieprawidłowe, krótko
żyjące wymagają do degradacji ATP i ubikwityny

Białka przeznaczone do degradacji są znakowane

ubikwityną.

Ubikwityna

to małe białko (8,5kDa) występujące we

wszystkich komórkach eukariotycznych.

Aminokwasem C-końcowym jest glicyna.
Jej grupa karboksylowa wytwarza wiązanie peptydowe z

grupą -aminową reszty lizyny białka przeznaczonego

do degradacji.

ROZPAD BIAŁEK WEWNĄTRZKOMÓRKOWYCH

To, czy białko zostanie zdegradowane przez ubikwitynę

zależy od rodzaju aminokwasu obecnego na jego N-
końcu

:

•

metionina i seryna opóźniają

•

arginina i kwas asparaginowy przyspieszają degradację.

Cząsteczka białka wiąże kilka cząsteczek ubikwityny.

Ubikwityna wyznacza wiele wewnątrzkomórkowych białek

do degradacji – jest znacznikiem.

Nieprawidłowe funkcjonowanie lub jej brak jest powodem

wielu chorób: stanów zapalnych, nowotworów, choroby
Alzheimera.

ROZPAD BIAŁEK WEWNĄTRZKOMÓRKOWYCH

Wiązanie substratu białkowego przeznaczonego do

proteolizy przez ubikwitynę

Białko
(substrat)

ubikwityna

A
monoubikwityn
acja

B
poliubikwitynacja

•

Różne białka degradowane są z różną prędkością.
Okres półtrwania białek waha się od kilku minut do
kilku dni a nawet tygodni.

•

Szybkość rozkładu białek zależy od stanu
fizjologicznego narządu, np.w mięśniu macicy będącej
w stanie „spoczynku” proteoliza jest powolna, a w
okresie poporodowej inwolucji bardzo szybka.

•

Degradacja białek mięśni szkieletowych zwiększa się
podczas głodu

LOSY GRUPY AMINOWEJ

Wolne aminokwasy, pochodzące z białek pożywienia lub z

degradacji białek endogennych są metabolizowane w
identyczny sposób i rozkładane w wątrobie.

Ich -aminowy azot jest usuwany przez

:

•

transaminację

– przekazanie grupy aminowej na

akceptor (ketokwas)

•

deaminację oksydacyjną

– odłączenie grupy aminowej

w postaci amoniaku

- Azot aminokwasowy zostaje przekształcony w

mocznik.

-

Szkielet węglowy ulega przemianie w:

•

ciała ketonowe (z aminokwasów ketogennych)

•

glukozę (z aminokwasów glukogennych)

Transaminacja

–

grupa -aminowa zostaje przeniesiona na

jeden z trzech -ketokwasów

:

•

szczawiooctan

•

pirogronian



-ketoglutaran

Reakcje katalizują

aminotransferazy

: alaninowa,

asparaginianowa, glutaminianowa

Dawcami grup aminowych są prawie wszystkie aminokwasy

oprócz tych, które nie posiadają grupy aminowej.

Aminokwas pozbawiony grupy aminowej staje się ketokwasem.

Ketokwas, który przyjął grupę aminową, staje się
aminokwasem.

W każdej reakcji transaminacji powstaje nowy aminokwas i nowy

ketokwas

. Znaczenie transaminacji:

powstające produkty ułatwiają przemianę azotu.

LOSY GRUPY AMINOWEJ

Deaminacja

– odłączenie grupy aminowej od

aminokwasu w postaci amoniaku (NH

3

)

Deaminacja oksydacyjna

– odłączenie grupy

aminowej i utlenienie węgla  do grupy ketonowej.

C

C

C

H-C-H H-

C-H

H-C-H

H-C-H H-

C-H

H-C-H

H-C-NH

3

C=NH

C=O

C

C

C

LOSY GRUPY AMINOWEJ

-
-
-

-

—

—

—

—

—

—

O

-

O

-

O

O

glutaminian







-

-

-
-

dehydrogenaza
glutaminianowa

glutiminian









—

—

—

—

—

—

O

O

O

-

O

-

H

2

O

H

2

O

-
-
-
-

O

-

O

-

—

—

O

O

—

—

—

—

+NH

3

-ketoglutaran

(NADP

+

)

NAD

+

(NADPH

+

+H

+

)

NADH+H

+

Znaczenie: oddzielenie azotu od glutaminianu i wbudowanie go do mocznika.

Amoniak powstaje w procesach

:

•

deaminacji aminokwasów

•

deaminacji zasad purynowych i pirymidynowych

Nawet znikome ilości amoniaku są

toksyczne dla ośrodkowego układu
nerwowego.

W warunkach prawidłowych wątroba szybko usuwa

amoniak z krwi żyły wrotnej. Przy upośledzonej
funkcji wątroby, stężenie amoniaku we krwi
obwodowej jest tak wysokie, że dochodzi do
zatrucia: drgawki, bełkotliwa mowa, upośledzenie
ostrości widzenia, śpiączka i zgon.

LOSY GRUPY AMINOWEJ

DETOKSYKACJA AMONIAKU

Amoniak musi podlegać detoksykacji

na drodze różnych procesów:

•

człowiek i większość kręgowców lądowych
przekształca amoniak i wydala go w postaci
mocznika

•

ptaki i gady lądowe w postaci kwasu
moczowego

•

wiele zwierząt wodnych wydala amoniak
bezpośrednio do środowiska

DETOKSYKACJA AMONIAKU

Jedną z dróg detoksykacji amoniaku jest

synteza glutaminy

:

część amoniaku jest wiązana przez grupę karboksylową kwasu
glutaminowego z wytworzeniem glutaminy. Reakcja

prowadzona

jest przez występującą w nerkach

syntetazę glutaminy

, przy

udziale ATP. Glutamina dostarcza grup aminowych do syntezy

puryn i

pirymidyn.

C

C

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

H-C-NH

3+

H-C-NH

3+

C

C

-

-
-

-

——

—

—

——

O

-

O

O

O

-

+NH

3



ATP

ADP+Pi

syntetaza

glutaminy

—

—— —

——

O

-

O

O

NH

2

-
-
-
-

glutaminian

glutamina

Głównym mechanizmem usuwania amoniaku jest:

• tworzenie glutaminy – w mózgu
• tworzenie mocznika – w wątrobie

Głównym szlakiem wydalania azotu u ludzi jest

mocznik

syntetyzowany w wątrobie, uwalniany

do krwi i wydalany przez nerki.

Mocznik stanowi 80-90% uwalnianego azotu.

Proces przekształcania toksycznego amoniaku w

nietoksyczny mocznik nosi nazwę cyklu
mocznikowego

(lub ornitynowego lub małego

cyklu Krebsa)

DETOKSYKACJA AMONIAKU

CYKL MOCZNIKOWY

•

Mocznik tworzy się z NH

3

, CO

2

i asparaginianu

w

mitochondriach i cytosolu wątroby.

•

Proces wymaga 3 moli ATP i udziału 5 enzymów

•

W syntezie uczestniczy 6 aminokwasów:

-

asparaginian, arginina, ornityna, cytrulina i argininobursztynian

są nośnikami atomów, z których ostatecznie powstaje mocznik

-

jeden aminokwas działa jako aktywator enzymu

Arginina i asparaginian to aminokwasy białkowe, pozostałe trzy w

białkach nie występują.

Tworzenie mocznika jest procesem cyklicznym.
Ornityna jest regenerowana, nie ma zysków i start aminokwasów.
Zużywa się jon amonowy, CO

2

, ATP i asparaginian.

CYKL MOCZNIKOWY

1. Cykl mocznikowy
rozpoczyna się od syntezy

karbamoilofosforanu

z

CO

2

i

NH

3

. Reakcja

katalizowana jest przez
enzym:

syntetazę

karbomoilofosforanową

, a

niezbędnym kofaktorem do
tej reakcji jest N-
acetyloglutaminian.

W reakcji tej zużywane są
dwie cząsteczki ATP.

Karbamoilofosforan jest
związkiem bogatym w
energię.

2. Pod wpływem

karbamoilotransferazy L-
ornitynowej

grupa

karbamoilowa jest
przenoszona na ornitynę z
wytworzeniem

cytruliny

.

CYKL MOCZNIKOWY

3.

3.

Cytrulina

przenika do cytozolu.

Następnie pod wpływem

syntetazy

arginiobursztynianowej

asparaginian i cytrulina tworzą

arginiobursztynian

.

W reakcji tej zużywana jest
cząsteczka ATP.

4. Rozszczepienie
arginiobursztynianu do

argininy

i

fumaranu

. Katalizuje tę reakcję

liaza argininonbursztynianowa.

5. Hydrolityczne rozszczepienie
grupy guanidynowej argininy
przez

arginazę

na

mocznik

i

ornitynę

.

Uwolniona ornityna wchodzi w
reakcję z kolejną cząsteczką
karbamoilofsforanu.

•

Bilans cyklu mocznikowego:

2 NH

3

+ CO

2

+ asparaginian + 3ATP  mocznik + fumaran +

2ADP + 2Pi + AMP + Ppi

Cząsteczka mocznika posiada dwa atomy azotu – jeden

pochodzi z amoniaku, drugi z asparaginianu.

Regulacja cyklu mocznikowego zachodzi na drodze:

-

aktywacji allosterycznej – aktywatorem allosterycznym
syntetazy karbamoilofosforanowej I jest N-
acetyloglutaminian

-

indukcji substratowej – pobudzanie biosyntezy enzymów
przez wzrost stężenia substratów

-

odtwarzania ornityny.

CYKL MOCZNIKOWY

•

Ponieważ

cykl mocznikowy przekształca toksyczny amoniak w

nietoksyczny mocznik

, wszelkie zaburzenia syntezy mocznika

powodują zatrucie amoniakiem, w wyniku jego akumulacji w
tkankach i płynach ustrojowych.

•

Stężenie mocznika w surowicy krwi jest ważnym parametrem
biochemicznym w diagnostyce chorób nerek (>300-400mg/dl 

upośledzona funkcja nerek).

- Znanych jest 5 hiperamonemii - objawy są podobne, wymioty w

wieku niemowlęcym, nerwowość, opóźniony rozwój umysłowy;

-

hiperamonemia typu I - niedobór syntetazy karbamoilofosforanowej

-

cytrulinemia – znaczne ilości cytruliny w moczu

-

acyduria argininobursztynianowa – łamliwe rosnące kępami włosy,
zgon w dzieciństwie

CYKL MOCZNIKOWY

AMINOKWASY ŹRÓDŁEM ZWIĄZKÓW

BIOLOGICZNIE CZYNNYCH

Aminokwasy

są

prekursorami

wielu

związków

biologicznie czynnych, takich jak:

•

aktywne fragmenty jednowęglowe,

•

barwniki porfirynowe (hem),

•

zasady purynowe i pirymidynowe,

•

hormony i neuroprzekaźniki,

•

karnityna,

•

kreatyna,

•

melaniny,

•

aminy i poliaminy.

AMINY BIOGENNE

W wyniku

dekarboksylacji niektórych aminokwasów

powstają związki biologicznie czynne, które noszą nazwę

amin biogennych

.

Aminy biogenne dzielimy na:

• alifatyczne (monoaminy i poliaminy)

• katecholowe (fenolowe: noradrenalina, adrenalina i

dopamina)

• heterocykliczne (imidazolowe: histamina oraz indolowe:

serotonina)

•

Serotonina:

- powstaje w wyniku hydroksylacji tryptofanu i jego
dekarboksylacji
- jest przekaźnikiem w centralnym układzie
nerwowym
- kurczy mięśnie gładkie naczyń tętniczych i
drobnych oskrzeli, zwęża naczynia krwionośne
- obficie gromadzi się w płytkach krwi
- w rakowiaku (srebrzak- guz chromochłonny
jelita) -zwiększone wytwarzanie serotoniny:
zamiast 1%, 60% tryptofanu zamienia się w
serotoninę

AMINY BIOGENNE

•

Histamina:

- hormon tkankowy
- pobudza sekrecję HCl przez nabłonek śluzówki
żołądka
- rozszerza naczynia włosowate i zwiększa ich
przepuszczalność, wpływa na ciśnienie krwi
- jest produktem dekarboksylacji histydyny
- uwalnia się w dużych ilościach w tkankach objętych
urazem lub stanem zapalnym
- odgrywa główną rolę w reakcjach alergicznych
- uwolnienie histaminy doprowadza do wstrząsu
anafilaktycznego, astmy, pokrzywki, kataru
siennego

AMINY BIOGENNE

•

GABA – kwas -aminomasłowy:

- główny neuroprzekaźnik hamujący w układzie
nerwowym
- odpowiada za zmniejszenie pobudliwości i
zwiotczenie mięśni
- zablokowanie jego działania spowoduje
zespół niespokojnych nóg, a znaczny brak
doprowadzi do konwulsji, a nawet śmierci

AMINY BIOGENNE

•

Adrenalina i noradrenalina

-

powstają w gruczołach

dokrewnych, ich prekursorem jest tyrozyna.

•

Adrenalina:

-

pełni rolę w mechanizmie powstania stresu, w błyskawicznej reakcji

człowieka na zagrożenie (przyspieszone bicie serca, wzrost ciśnienia
krwi, rozszerzenie oskrzeli i źrenic, co ułatwia przyspieszone
oddychanie)
- hamuje perystaltykę jelit, wydzielanie soków trawiennych i śliny
- reguluje poziom glukozy we krwi przez nasilenie rozpadu glikogenu w
wątrobie do glukozy
- wyrzut adrenaliny do krwi jest mechanizmem uruchamianym w
hipogligemii
- podana dożylnie działa szybko i krótko – reanimacja!! Ma wtedy
pobudzić kurczliwość mięśnia sercowego, poprawić skuteczność
defibrylacji elektrycznej
- stosowana we wstrząsie anafilaktycznym i napadach astmy

AMINY BIOGENNE

•

Noradrenalina:

-

silny wzrost ciśnienia tętniczego

- działa podobnie do adrenaliny, ale po zastosowaniu dużych
dawek
- stosowana w stanach nadciśnienia tętniczego

•

Tyramina:

-

występuje w pokarmach pochodzenia roślinnego i zwierzęcego,

serach twardych, czekoladzie, mięsie czerwonym, śledziach
- osoby uczulone na tyraminę po spożyciu pokarmów mogą
cierpieć na migreny – ból wywołany jest gwałtownym skokiem
ciśnienia tętniczego
- kumuluje się u osób z defektem enzymu rozkładającego
tyraminę, może wystąpić kołatanie serca, zapaść i śmierć

AMINY BIOGENNE

PORFIRYN

Y

•

Porfiryny to związki heterocykliczne, zawierające
cztery pierścienie pirolowe: A, B, C i D.

•

Pentagonalny pierścień pirolowy posiada cztery
atomy węgla oraz atom azotu

•

Porfiryny występują w całym świecie żywym

•

Biologicznie czynne porfiryny zawierają jon metalu
związany przez azot: Mg, Fe, Zn, Ni, Co, Cu, Sr.

pierścień

pirolowy

układ porfirynowy

HEM

•

W organizmach zwierzęcych najobficiej występującą
porfiryną jest

hem

•

Stanowi on grupę prostetyczną białek zwanych

hemoproteinami

•

Do hemoprotein należą:
-

białka transportowe: hemoglobina, mioglobina

-

białka enzymatyczne: cytochromy, katalaza,

peroksydaza

-

cytochrom (roślinny barwnik porfirynowy)

•

Hemoproteiny biorą udział w transporcie tlenu,
transporcie elektronów, metabolizmie leków

•

Hem

jest barwnikiem pirolowym, zawierającym jon

Fe

2+

lub Fe

3+

związany kowalencyjnie z dwoma

atomami azotu w pierścieniach pirolowych

•

Hem nadaje białku i krwi czerwony kolor

•

Głównym miejscem biosyntezy hemu są
wewnątrzszpikowe, prekursorowe krwinki czerwone
syntetyzujące hemoglobinę oraz wątroba,
syntetyzująca enzymy zawierające hem

•

Początkowa reakcja i trzy ostatnie etapy biosyntezy
hemu zachodzą w mitochondriach, a etapy
pośrednie w cytozolu.

HEM

•

Wszystkie atomy węgla i azotu zawarte w porfirynach pochodzą z

glicyny i bursztynylo~S-CoA

•

Kondensacja

4 cząsteczek porfobilinogenu

prowadzi do powstania

uroporfirynogenu III

.

•

Kolejne reakcje prowadzą do przekształcenia

uroporfirynogenu III

w

protoporfirynę IX

.

•

Ostatni etap biosyntezy hemu to wprowadzenie do

protoporfiryny

IX

jonu Fe

2+

przez

ferrochelatazę

.

ZARYS SYNTEZY

HEMU

ZARYS SYNTEZY

HEMU

PORFIRIE

•

Porfirie – spowodowane przez zaburzenia w biosyntezie
porfiryn

•

Wynikają z wrodzonych, czasem z nabytych defektów
działania enzymów biosyntezy hemu

•

Dochodzi do akumulacji i zwiększonego wydalania
metabolitów pośrednich

•

Wyróżnia się dwa główne typy porfirii:
- porfiria erytropoetyczna – defekt metabolizmu porfiryn w
komórkach erytroidalnych

- porfiria wątrobowa – defekt metabolizmu porfiryn w

wątrobie

•

Skutkiem porfirii jest niedobór hemu.

•

Porfirie to zaburzenia na tle neuropsychicznym,
nadwrażliwość skóry na światło (aktywność nocna, wilkołaki).

•

Krwinka czerwona żyje około 120 dni, po czym
rozpada się w układzie siateczkowo-śródbłonkowym
wątroby, śledziony i szpiku kostnego.

•

Z

hemoglobiny

pochodzi około

85% hemu

przeznaczonego do degradacji.

•

Część białkowa hemoglobiny może być ponownie
wykorzystana jako taka lub w formie składowych
aminokwasów.

•

Część porfirynowa hemu pozbawiona żelaza jest
degradowana.

KATABOLIZM

HEMU

•

Katabolizm hemu

zachodzi dzięki obecności złożonego układu

enzymatycznego –

oksygenazy hemowej

. Enzym ten

doprowadza do uwolnienia

Fe

3+

, CO

oraz zielonego barwnika –

biliwerdyny

.

•

Biliwerdyna drogą redukcji przekształca się w czerwono-
pomarańczową

bilirubinę

. Bilirubina i jej pochodne to barwniki

żołciowe.

•

Bilirubina jest słabo rozpuszczalna w wodzie, musi być
transportowana do wątroby w postaci związanej z albuminą.

•

Metabolizm bilirubiny zachodzi w wątrobie i polega na

sprzęganiu

z:

- kwasem glukuronowym
- tauryną
- glicyną
- kwasem siarkowym

Sprzęganie zwiększa rozpuszczalność bilirubiny.

KATABOLIZM

HEMU

KATABOLIZM

HEMU

hem

biliwerdyn

a

bilirubin

a

2 O

2

+

NADP
H

CO +
H

2

O

+

NADP

+

oksygenaza

hemowa

reduktaza

biliwerdyny

NADPH + H

+

NADP

+

SPRZĘGANIE

BILIRUBINY

diglukuronid bilirubiny

(dobrze rozpuszczalny w

wodzie)

bilirubin
a

2 kwas UDP-
glukuronowy

2 UDP

transferaza

UDP-

glukuronianowa

(

2 oddzielne

etapy)

PRZEKSZTAŁCANIE BILIRUBINY W JELICIE

•

Diglukuronid bilirubiny

jest hydrolizowany w jelicie przez

β-glukuronidazę

i

redukowany

przez

bakterie

do

bezbarwnego urobilinogenu.

•

Część urobilinogenu przenika z jelita do krwi i jest wydalana
przez nerki, przekształcając się w

żółtą urobilinę

(barwnik

moczu).

•

Większość urobilinogenu jest utleniana przez bakterie
jelitowe do

brązowej sterkobiliny

(barwnik kału).

•

Bilirubina jest usuwana z organizmu drogą jelitową.

•

Nadmierny rozpad bilirubuny i zaburzenia jej usuwania
prowadzą do żółtaczki.

ŻÓŁTACZK

A

Żółtaczka

to wzrost stężenia bilirubiny w osoczu, prowadzący do jej

odkładania się w tkankach.

•

Objawami są żółcenie się białkówek oczu oraz skóry.

•

Wyróżniamy kilka typów żółtaczek:

-

Żółtaczka hemolityczna

– wynikająca ze wzmożonego rozpadu krwinek

czerwonych;

-

Żółtaczka zastoinowa

(obstrukcyjna) – jest następstwem zamknięcia odpływu

żółci z wątroby na skutek przeszkody mechanicznej (kamień w drogach
żółciowych, guz nowotworowy);

-

Żółtaczka miąższowa

– jest skutkiem uszkodzenia komórek wątrobowych

przez czynnik zakaźny toksyczny;

-

Żółtaczka noworodków

(objaw fizjologiczny) – wynikająca ze wzmożonego

rozpadu krwinek, będących nośnikami hemoglobiny płodowej oraz niskiej
aktywności transferazy UDP-glukuronianowej.

HEMOGLOBINA