PRZEMIANY ZWĄZKÓW AZOTOWYCH

Przemiany te pełnią inną rolę u organizmów zwierzęcych niż u roślin i mikroorganizmów.

U zwierząt odczuwany jest ciągły nadmiar azotu, gdyż jest on dostarczany z pokarmem w formie białek, kw. nukleinowych i różnych pochodnych azotowych. Rośliny odczuwają ciągły niedobór azotu, muszą być nawożone ( z wyjątkiem motylkowych) i w przeciwieństwie do zwierząt organiczne związki azotowe tych org. wytwarzane są u nich z azotu nieorganicznego i szkieletów węglowych powstałych w fotosyntezie.

Mikroorganizmy korzystają zarówno z azotu nieorg., jak i org. Niektóre z nich mają zdolność wiązania azotu cząsteczkowego (przekształcenie N₂ w NH₄+).

U człowieka głównym źródłem azotu są białka. Muszą być one rozłożone do aminokwasów, które wykorzystywane są do syntezy białek własnych organizmów.

Niezależnie od źródła pochodzenia białek (białka pokarmowe, czy też białka wewnątrzcząsteczkowe) ulegają rozkładowi do aminokwasów. Za proces rozkładu białka odpowiadają enzymy proteolityczne.

Enzymy rozkładające białka w przewodzie pokarmowym to enzymy trawienne proteolityczne, natomiast białka rozkładające białka poza przewodem kom. to enzymy proteolityczne komórkowe.

Wszystkie enzymy proteolityczne dzielimy na:

• endopeptydazy (rozkładające wiązania peptydowe wewnątrz łańcucha polipeptydowego)

• egzopeptydazy (rozkładające skrajne wiązania peptydowe)

-aminopeptydazy - odłączają pojedyncze aminokwasy od N-końca łańcucha wolną grupę NH₂,

- karboksypeptydazy - odłączają pojedyncze aminokwasy od C-końca łańcucha polipeptydowego

Wszystkie enzymy proteolityczne dzielimy wg budowy centrum aktywnego

- peptydazy cysteinowe (grupy SH - cysteiny)

- peptydazy serynowe (grupa OH - seryny)

- aspartylowa (grupa karboksylowa -COOH; COO^- - kwasu asparginowego)

- en. proteolityczne zwierzęce posiadające jony metali w centrum aktywnym (np. cynk)

- inne np. metioninowe, glutaminowe

NAJWAŻNIEJSZE ENZYMY TRAWIENNE

• pepsyna - fosfoproteina wywarzana przez komórki śluzówki dna żołądka w formie pepsynogenu. W soku żołądkowym pepsynogen przekształca się w pepsynę (aktywna forma), rozkłada wiązania peptydowe miedzy grupami karboksylowymi aminokwasów aromatycznych i dikarboksylowymi; a grupami innych aminokwasów. Optimum pH 1, 2 - 2,5. Endopeptydaza aspartylowa.

• podpuszczka - wywarzana w żołądku przeżuwaczy, jako proenzym prolenina. Przekształca rozpuszczalną kazeinę w nierozpuszczalną parakazeinę - w ten sposób wydłuża czas obecności kazeiny w żołądku i zwieksza efoktywność jej wykożystania. Optimum pH 3,5 - 4. Endopeptydaza aspartylowa. Zastosowanie w przemyśle serowarskim (sery podpuszczkowe)

• trypsyna - wytwarzana przez komórki trzustki, jako trypsynogen. transportowane jest do jelita cienkiego, jako trypsynogen, gdzie przekształca sie w trypsyne i rozkłada białka, hydrolizuje wiązania peptydowe, tworzone przez grupy karboksylowe aminokwasów zasadowych (lizyna, arginina), a grupami NH₂ innych aminokwasów. Optimum pH 7,5 - 8,5. Endopeptydaza serynowa.

• chymotrypsyna- wytwarzana przez komórki trzustki jako chymotrypsynogen. Aktywacja w jelicie cienkim. Rozkłada wiązania peptydowe między grupami karboksylowymi aminokwasów aromatycznych, a grupami NH₂ pozostałych aminokwasów. Optimum pH 7,5- 8,0. Endopeptydaza serynowa.

• elastaza i keratynaza- wytwarzane są i działają tak jak trypsyna i chymotrypsyna. Elastaza nie wykazuje wysokiej specyficności do rodzaju wiązania peptydowego, lecz jako jedyna rozkłada elastynę (białko ścięgien). Keratynaza rozkłada keratynę (strukturalnie).

• karboksypeptydaza A - odłącza od C-końca łańcucha polipeptydowego niemal wszystkie aminokwasy z wyjątkiem proliny, aminokwasów zasadowych. Wytwarza je trzustka. Działa w jelicie cienkim

• karboksypeptydaza B- odłącza prolinę i aminokwasy zasadowe od C-końca. Działa w pH 7,5- 8,5

• aminopeptydaza leucynowa- odczepia od N- końca większość aminokwasów białkowych. Najwyższą aktywność wykazuje w stosunku do substratu, który na N - końcu ma leucynę. Jest wytwarzany przez trzustkę.

Wewnątrzkomórkowe - odpowiedzialne za wymianę białek w organizmie, odnowę i utrzymanie równowagi miedzy pulą białek, a ilością produktów ich rozkładów.

U zwierząt są głównie w lizosomach komórek nerek, śledziony i wątroby.

Enzymy zwierzęce to:

- katepsyny I i II - to endopeptydazy

- katepsyny III aminopeptydaza

- katepsyny IV - karboksypeptydaza

Są w dużych ilościach w lizosomach, komórkach nerek, wątroby, śledziony. Optimum pH 4,0 - 5,0. Wytwarzane w formach aktywnych. Aktywacja może mieć miejsce pod wpływem jonów metali związków z grupy SH, kwasu askorbinowego.

Enzymy roślinne to:

- papaina

- bromelaina

- ficyna

W wyniku współdziałania egzo i endogennych cząsteczki białka są rozkładane do aminokwasów. Z białek pokarmowych powstają aminokwasy, które absorbowane są przez wyściełające je jelito cienkie komórki nabłonka do krwioobiegu, z krwią do całego organizmu. Część aminokwasów pochodzących z rozkładu białek jest wykorzystywana ponownie do syntezy białek. Część jest rozkładana do azotu nieorganicznego i kwasów organicznych. Nadmiar rozkładany i po utlenieniu usuwany z organizmu. Aminokwasy będące produktami hydrolizy białek podlegają różnym przemianom.

PRZEMIANY AMINOKWASÓW JAKO PRODUKTÓW

Rozkład białek

Najwazniejsze reakcje:

- transaminacji

- deaminacji

- dekarboksylacji

Transaminacji - przemieszczenie grupy aminowej z aminokwasu na 2 - oksokwas. Inne funkcje u roślin niż u zwierząt.

*U roślin z niedoborem azotu reakcje te służą rozprowadzeniu azotu aminowego z aminokwasów pierwotnych na różne 2 - oksokwasy, które po przyjęciu tych grup stają się aminokwasami białkowymi (pierwotne powstają bezpośrednio z włączenia NH₄⁺ do 2 - oksokwasów) (Kwas grutaminowy - glutaminian; kwas asparaginowy, alaninę)

*U zwierząt z nadmiarem azotu - muszą go usuwać. Rola reakcji polega na przeniesieniu azotu aminowego z rozkładu białek na 2- oksokwasy, które po przyjęciu NH₂ mogą wejść w procesy deaminacyjne (są to kwas glutaminowy, alanina, kwas asparaginowy)

Deaminacji - uwolnienie z aminokw NH₃⁺ lub NH₄⁺ z wytworzeniem 2-oksokwasu lub kwasu nienasyconego. Są dwa główne typy

- oksydacyjna - wymiana koenzymów oksydoreduktaz

- nieoksydacyjna - przebiega bez udziału koenzymów oksydoreduktaz.

W ramach oksydacyjnej wyróżniamy odwracalną i nieodwracalną.

Reakcje dekarboksylacji przy udziale dekarboksylaz (klasa liazy, współpracuje z fosforanem pirydoksalu jako koenzym) produktami reakcji są aminy biogenne oraz CO2. Aminy pełnią funkcje metaboliczne. Niektóre np. cysteamina (z dekarboksylacji cysteiny) oraz b-alanina (z dekarboksylacji kwasu asparaginowego) wchodzą w skład koenzymu A. Inne, np. etanoloamina (z dekarboksylacji seryny), są składnikami kefalin - grupy fosfoglicerydów (tłuszczów). Jeszcze inne mogą być hormonami, przenośnikami impulsów nerwowych itd.. Reakcje dekarboksylacji przebiegają przy udziale enzymów bakteryjnych. Człowiek nie ma zdolności do syntezy dekarboksylaz, stąd w przewodzie pokarmowym są wytwarzane przez jego mikroflorę.

Powstałe w procesie transaminacji i deaminacji kwasy organiczne mogą być wykorzystywane do syntezy wielu związków. Nadmiar tych kwasów wchodzi w przemiany cyklu Krebsa i utlenia się do CO₂ i H₂O. Jony amonowe powstałe w procesie deaminacji również mogą być substratami w wielu procesach anabolicznych, podczas gdy nadmiar ich (u zwierząt) jest usuwany z organizmu. U większości kręgowców lądowych jon amonowy przekształcany jest w mocznik i usuwany z organizmu. U ptaków i gadów lądowych jon amonowy przekształcany jest w kwas moczowy, który jest wydalany. U ryb i płazów wodnych bezpośrednio NH₄ jest usuwany z organizmu. U organizmów ??? jon amonowy żeby mógł być przekształcony w cyklu mocznikowym w mocznik wcześniej musi być włączony w karbamoilofosforan przy udziale syntetazy karbamoilofosforanowej. Powstały karbamoilofosforan rozpoczyna cykl mocznikowy wchodząc w reakcję z L-ornityną. Reakcję tę katalizuje karbamoilo transferaza ornitynowa. Energia potrzebna do tej reakcji czerpana jest z rozpady wiązania makroergicznego obecnego w karbamoilofosforanie. Produktem tej reakcji jest L-cytrulina w drugiej reakcji cyklu katalizowanej przez syntetazę (ligazę) argininobursztynianową bierze udział L-cytrulina i kwas asparaginowy oraz ATP. Powstały w tej reakcji argininobursztynian w kolejnej reakcji katalizowanej przez liazę argininobursztynianową rozpada się w L-argininę i fumaran. Fumaran jest produktem ubocznym. Natomiast L-arginina jest rozkładana w czwartej reakcji cyklu katalizowanej przez arginazę (hydrolaza). L-arginina jest przekształcana w mocznik i L-ornitynę. L-ornityna rozpoczyna kolejny cykl. Azoty obecne w moczniku pochodzą od:

• NH₄⁺ z reakcji deaminacji.

• A drugi z grupy aminowej kwasu asparaginowego.

Atom węgla w moczniku pochodzi od CO₂ z wyniku reakcji dekarboksylacji (ogólnie). Cykl mocznikowy pełni inną funkcję u roślin, niż u zwierząt. U roślin funkcja ta sprowadza się do syntezy L-argininy. Druga funkcja to magazynowanie azotu w formie mocznika i L-argininy. U zwierząt rola tego cyklu polega przede wszystkim na wytworzeniu mocznika, który może być usunięty z organizmu, czyli jest to sposób pozbycia się nadmiaru azotu. Cykl mocznikowy przebiega w cytoplazmie z wyjątkiem pierwszej z czterech reakcji, gdyż ta przebiega w mitochondriach. Tam też odbywa się synteza karbamoilofosforanu.

Obieg azotu w przyrodzie:

Zarówno u organizmów zwierzęcych, roślinnych jak i mikroorganizmów jedyną formą azotu nieorganicznego, która może być bezpośrednio włączona do zw. organicznych jest forma amonowa. Rośliny mają zdolność do pobierania i gromadzenia dużych ilości azotanów. Są one nietoxyczne dla roślin. Ta forma azotu gromadzona jest u roślin w formie dwóch pul:

• zapasowej

• metabolicznej

Jedynie pula metaboliczna podlega przekształceniu w formę amonową, są one zlokalizowane w różnych strukturach subkomórkowych tj:

• pula metaboliczna w cytoplazmie

• pula zapasowa w wakuoli

W procesie redukcji azotanów do jonów amonowych uczestniczą 2 enzymy:

• reduktaza azotanowa

• reduktaza azotynowa

NO₃^- + NAD(P)H + 2H⁺
NO₂^- + NAD(P)⁺ + H₂O

Proces redukcji azotanów do azotynów przebiega w cytoplazmie

Drugi enzym reduktaza azotynowa działa w chloroplastach

NO₂^- + 6Fd_zred + 8H⁺
NH₄⁺ + 6Fd_utl + H₂O

Pomimo, że dla zwierząt azotany nie są toksyczne to jednak surowce pochodzenia roślinnego zawierające wysokie poziomy azotanów nie mogą być wykorzystywane w przemyśle spożywczym. Wynika to z faktu, że w czasie przechowywania surowca zwłaszcza w warunkach niedostępności światła zahamowany jest 2 stopień redukcji azotanów tj. zahamowana jest reakcja katalizowana przez reduktazę azotynową. W warunkach tych spada poziom ferredoksyny i gromadzą się azotyny - związki bardzo toksyczne dla człowieka.

Jony amonowe mogą być włączone do związków organicznych w postaci grupy aminowej, grupy amidowej, grupy karbamoilofosforanowej.

U roślin podstawową drogą asymilacji NH₄ jest cykl GS/GOGAT to jest cykl synetazy glutaminowej i syntetazy glutaminianowej. Cykl ten funkcjonuje zarówno w chloroplastach roślin, plastydach korzeni oraz w cytoplazmie. W chloroplastach w cyklu tym bierze udział chloroplastowa izoforma GS oraz Fd zależna forma GOGAT. W cytoplazmie w cyklu tym biorą udział cytoplazmatyczna izoforma GS i NAD(P)⁺ zależna forma GOGAT. U zwierząt cykl ten nie funkcjonuje. U zwierząt rolę enzymów asymilujących NH₄ pełnią:

• dehydrogenaza glutaminianowa

• syntetaza glutaminy

• amoniakoliaza asparaginowa katalizująca reakcję odwracalną

Synteza karbamoilofosforanu przebiega zarówno u roślin, zwierząt i mikroorganizmów i w znacznym stopniu reakcja ta służy procesowi syntezy zasad azotowych zwłaszcza pirymidynowych. Związek ten jest substratem wyjściowym do ich syntezy.

---