Metabolizm białek

Fizjologia

Instytut Ochrony Zdrowia

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Pile

2008/09

1. Źródła metaboliczne wolnych aminokwasów

2. Metabolizm grup aminowych

3. Cykl mocznikowy

4. Metabolizm szkieletu węglowodorowego aminokwasów

5. Związki biologiczne czynne powstałe z aminokwasów

Obrót metaboliczny białek

Białka – nośnik azotu (grupy aminowe, amidowe, pierścień
heterocykliczny, guanidyna)
Większość aminokwasów powstałych z rozpadu białek jest powtórnie
wykorzystana, reszta (ok. 25%) ulega degradacji i musi być zastąpiona
aminokwasami z pożywienia.

Bilans azotowy – to porównanie ilości azotu przyswojonego do
wydalonego w ciągu doby.

Bilans azotowy:

- jest zrównoważony u dorosłego i zdrowego człowieka
- może być dodatni w okresie wzrostu, dojrzewania, ciąży lub

rekonwalescencji

- ujemny jest często objawem choroby, wskazuje na ubytek

białka organizmu

1. Źródła metaboliczne wolnych aminokwasów

Wolne

aminokwasy

–

produkty

rozpadu

białek,

proteolizy

katalizowanej przez enzymy proteolityczne (proteazy, proteinazy,
peptydazy, egzopeptydazy (aminopeptydazy i karboksypeptydazy),
endopeptydazy

Aminokwasy w komórkach są zużywane do syntezy:

- peptydów i białek,
- hormonów,
- barwników,
- neuroprzekaźników,
- zasad purynowych i pirymidynowych,
- koenzymów
- fosfolipidów

Aminokwasy występujące w nadmiarze:

- nie mogą być magazynowane w organizmie
- są wydalane (z moczem)
- degradowane (substraty w ketogenezie lub glukoneogenezie)

Rozkład białek pokarmowych

Enzymy soków trawiennych:

- pepsyna w soku żołądkowym (pH 1-2)
- trypsyna, chymotrypsyna, elastaza, karboksypeptydaza w soku

trzustkowym (pH 8)

- aminopeptydaza w soku jelitowym

Rozkład białek wewnątrzkomórkowych

Zachodzi pod wpływem proteaz wewnątrzkomórkowych w szlaku:

- lizosomalnym
- pozalizosomalnym

Białka przeznaczone do zniszczenia znaczone są ubikwityną, peptydem
łączącym

się

jego

glicyną

z lizyną białka

Półokres trwania białek waha się od kilku minut do dni i tygodni. Szybkość
rozkładu zależy od stanu fizjologicznego narządu.

Lizosomy

to organelle zawierające enzymy hydrolityczne, wśród nich

katepsyny (A, B, C, D,…S),

które doszczętnie degraduję białka

wewnątrzkomórkowe

Proteasomy

to kompleksy wieloenzymatyczne o kształcie cylindra, z

28 podjednostek.

Podjednostki  tworzą kanał, w którym znajdują się centra aktywne

proteaz.

Rozkład białek pozakomórkowych

Macierz pozakomórkowa zawiera połowę wszystkich białek organizmu
ludzkiego, głównym jest kolagen, następnie elastyna, glikoproteiny błon
podstawnych, rdzenie białkowe proteoglikanów

Degradacja tych białek zachodzi przy udziale

metaloproteinaz macierzy

pozakomórkowej (MMP).

Zawierają jon cynku w miejscach aktywnych.

Syntetyzowane i wydzielane poza komórki jako nieaktywne prekursory –

zymogeny

.

Wszystkie MMP są endopeptydazami, najlepiej poznane są

kolagenazy i

żelatynazy

.

Powodują wstępną degradację białek, dalsze etapy odbywają się w komórce
dzięki proteazom wewnątrzkomórkowym.

Aktywność

MMP

jest

regulowana

przez

tkankowe

inhibitory

metaloproteinaz (TIMP

).

Trawienie kolagenu – kolagenoliza – pod wpływem kolagenazy tkankowej
tropokolagen rozkłada się na produkty: A i B. Tracą strukture potrójnej
helisy, wnikaja do komórki drogą endocytozy i tam trawione są przez
proteazy wewnątrzkomórkowe.

Inne MMP trawią rdzenie białkowe proteoglikanów; lamininę,
fibronektynę i elastynę.

2. Metabolizm grup aminowych aminokwasów

Miejsce rozkładu -

wątroba

• Grupa aminowa

przekazywana jest na inny akceptor (ketokwas) lub

odłączona w postaci amoniaku

• Szkielet węglowodorowy

jest przekształcany w ciała ketonowe (a-sy

ketogenne) lub w glukozę (a-sy glukogenne)

Reakcje:

• Transaminacja
• Oksydacyjna deaminacja

Transaminacja: przeniesienie grupy -aminowej na jeden z ketokwasów

Enzymy:

swoiste transaminazy

Przenośnik grupy aminowej:

fosforan pirydoksalu

Oksydacyjna deaminacja: odłączanie grupy –NH

2

w postaci amoniaku

Enzymy: oksydazy aminokwasowe, współdziałają z nukleotydami
flawinowymi FMN lub FAD
Zredukowane

nukleotydy

przekazują

atomy

wodoru

na

tlen

cząsteczkowy, powstaje H

2

O

2

• Detoksykacja amoniaku

NH

3

jest związkiem toksycznym; ma właściwości zasadowe, wiąże

proton tworząc jon NH

4

+

, co przesuwa równowagę kwasowo-

zasadową tkanek i płynów ustrojowych w kierunku zasadowym.

Amoniak ulega detoksykacji poprzez przekształcenie w mocznik
(nietoksyczny)
i wydalenie.

• Cykl mocznikowy (

lub ornitynowy, Krebsa-Henseleita

):

• CO

2

, NH

3

i 2 ATP tworzą karbamoilofosforan, związek

bogatoenergetyczny,

• ten łączy się z ornityną i tworzą cytrulinę,

•

po

kondensacji

z

asparaginianem

powstaje

asparaginobursztynian

• rozpad do argininy i fumaranu

• hydroliza argininy uwalnia mocznik i odtwarza ornitynę

Bilans cyklu mocznikowego:

2 NH

3

+ CO

2

+ asparaginian + 3ATP

→

mocznik + fumaran + 2 ADP +

2 Pi + AMP + PPi

Stężenie mocznika

w surowicy krwi jest ważnym markerem

biochemicznym w diagnostyce chorób nerek.

Osocze zdrowego człowieka zawiera 20-40 mg mocznika na decylitr.
Wzrost stężenia do 300-400 mg/dl wskazuje na wadliwą filtrację nerek.

Enzym ureaza

(bakteryjny, roślinny) pozwala utrzymać równowagę w

obiegu

azotu

i

węgla

w przyrodzie. Ureaza przekształca mocznik w CO

2

i NH

3

, które

wykorzystywane są przez organizmy autotroficzne do różnych biosyntez.

Regulacja cyklu mocznikowego

Synteza mocznika jest procesem ciągłym, nawet w przypadku
niedoboru

białka

w organizmie człowieka.

Pojemność cyklu mocznikowego zależy głównie od dostępności
ornityny.

Defekty w biosyntezie mocznika:

• hiperamonemia - akumulacja amoniaku w tkankach i
płynach ustrojowych,

• wynikać może z wrodzonego niedoboru jednego z enzymów
biorących

udział

w cyklu mocznikowym,

• ciężkie uszkodzenie wątroby przez czynnik zakaźny lub
toksyczny.

Metabolizm

energetyczny

szkieletów

węglowodorowych

aminokwasów

Aminokwasy są mniej istotnym źródłem energii niż glukoza lub kwasy
tłuszczowe.

Aminokwasy glukogenne

:

- alanina, seryna, cysteina, asparaginian, glutaminian
- przekształcają się w pirogronian, szczawiooctan (metabolit w
glukoneogenezie)

oraz

-ketoglutaran

Aminokwasy ketogenne

:

- leucyna, lizyna
- przekształcają się w acetooctan, -hydroksymaślan lub aceton

Aminokwasy glukoketogenne:

- fenyloalanina, tyrozyna, izoleucyna, treonina, tryptofan
-

tworzą substraty zarówno dla glukoneogenezy jak i ciał

ketonowych

Związki biologiczne czynne powstałe z aminokwasów

1. Aktywne fragmenty jednowęglowe: aktywny aldehyd mrówkowy,

donor grupy metylowej powstają z seryny, która ulega przemianie w
glicynę

2. Hormony i neuroprzekaźniki powstają z tyrozyny (tyroksyna,

trijodotyronina, dopamina, adrenalina, noradrenalina)

3. Melaniny powstają z tyrozyny (tworzą ziarniste struktury barwy

czarnej,

występują

m. in. w skórze, włosach, siatkówce oka)

4. Kwas nikotynowy powstaje z tryptofanu

5. Cysteina przekształca się w taurynę

6. Siarka cysteiny utlenia się do siarczanu

7. Metionina uczestniczy w transmetylacji

8. Karnityna powstaje z lizyny i metioniny (przenośnik reszt kwasów

tłuszczowych

długołańcuchowych

przez

wewnętrzną

błonę

mitochondrialną)

9. Kreatyna powstaje z aminokwasów: glicyny, argininy i metioniny.
Kreatyna jest akceptorem reszt fosforanowych z ATP, przekształca
się w fosfokreatynę
Niewykorzystana fosfokreatyna ulega przemianie w kreatyninę
wydalaną z moczem

10. Dekarboksylacja

aminokwasów dostarcza amin biogennych:

- histamina – hormon tkankowy, pobudza sekrecje HCl

przez

nabłonek

śluzówki żołądka, rozszerza naczynia włosowate

- serotonina – 5-hydroksytryptamina, neurotransmiter w

cun,

kurczy

mięśnie gładkie małych naczyń tęniczych

- etanoloamina – składnik glicerofosfolipidów

- kwas -aminomasłowy - neurotransmiter

11. Tlenek azotu powstaje z argininy

- wykazuje wiele funkcji biologicznych, w tym:

- obniża ciśnienie krwi

- reguluje krzepliwość krwi

- uczestniczy w przekazywaniu sygnałów

wewnątrz

i

między-

komórkami