Harnstoffzyklus

Zusammenfassung

Transaminierung ist ein Prozess, bei dem Aminogruppen von Aminosäuren entfernt und auf Akzeptor-Ketosäuren übertragen werden, um die Ketosäureversion der ursprünglichen Aminosäure zu erzeugen.

Muskelzellen können Aminosäuren als Energiequellen nutzen, und die Leber kann die Aminogruppen (als Ammoniumionen) über den Harnstoffzyklus entgiften. Alanin ist eine vorherrschende Aminosäure in den meisten Proteinen. Sie kann im Blutkreislauf von peripheren Geweben zur Leber transportiert werden, wo sie in Glukose umgewandelt werden kann. Alanin wird zu Pyruvat transaminiert, und aus Pyruvat kann durch Gluconeogenese Glucose gebildet werden. Die Glukose kann dann über den Blutkreislauf in den Muskel (zur Energieverwertung) transportiert werden. Dieses System, das Muskel- und Leberstoffwechsel miteinander verbindet, wird als Alaninzyklus bezeichnet.

Transamidierung ist die katalytische Bildung einer kovalenten Bindung zwischen einer freien Amingruppe und einer Gamma-Carboxamidgruppe. Transamidinasen katalysieren die Bildung von γ-Glutamyl-ε-Lysin-Bindungen, die an der Gewebeheilung beteiligt sind. Transamidinasen sind an der Synthese von Aminozuckern (z. B. Glucosamin-6-phosphat) beteiligt. Diese Enzyme sind auch an der Glykosylphosphatidylinositol-Verankerung von Proteinen an Zellmembranen beteiligt.

Die Deaminierung von Aminosäuren wird durch Ammoniaklyase-Enzyme katalysiert. Beispiele sind Serindehydratase und Threonindehydratase, die beide Pyridoxalphosphat als Coenzym haben. Serindehydratase wandelt Serin in Pyruvat und Ammoniak um, und Threonindehydratase wandelt Threonin in α-Ketobutyrat und Ammoniak um. Ein weiteres Mitglied dieser Enzymgruppe ist die Histidase (Histidin-Ammoniak-Lyase), die die Aminogruppe von Histidin abspaltet, um in Leber und Haut Transurocaninsäure zu bilden. Oxidative Desaminierung erfolgt in der Leber durch Glutamat-Dehydrogenase, wobei Glutamat+Wasser+NAD+ α-Ketglutarat+Ammoniak+NADH+H+ bildet.

Aminosäuren können durch d-Aminosäure-Oxidase oxidiert werden, die sich in Leber- und Nierenperoxisomen befindet. d-Aminosäuren kommen in der Nahrung vor allem in pflanzlichen Lebensmitteln vor, da Pflanzen keine d-Aminosäure-Oxidase enthalten. Die katalytischen Produkte sind eine Iminosäure und H2O2. Der Mensch besitzt auch das Enzym Aminosäure-Racemase, das d- und l-Aminosäuren miteinander verbindet. Leber- und Nierenperoxisomen enthalten geringe Mengen an l-Aminosäure-Oxidase, die bei einem Überschuss an l-Aminosäuren für die Proteinbiosynthese und für andere Wege nützlich ist.

l-Aminosäure-Racemase wandelt l-Aminosäuren (die natürlichen Formen in Proteinen) in d-Aminosäuren um. Dieses Enzym ist besonders wichtig im Gehirn, da d-Serin in großen Mengen im Corpus Callosum und im Hippocampus vorkommt.

l-Aminosäure-Decarboxylase mit Pyridoxalphosphat als Coenzym entfernt CO2 aus Aminosäuren, um die entsprechenden Amine zu erhalten. Die aromatische l-Aminosäure-Decarboxylase katalysiert die Decarboxylierung von Tryptophan, 5-Hydroxytryptophan, l-Dihydroxyphenylalanin, 3,4-Dihydroxyphenylserin, Tyrosin, Phenylalanin und Histidin.

Essentielle Aminosäuren sind solche, die im Körper fehlen oder in einem Umfang synthetisiert werden, der für Wachstum und Erhaltung nicht ausreicht. Es sind dies: Methionin, Tryptophan, Lysin, Phenylalanin, Threonin, Valin, Leucin und Isoleucin. Darüber hinaus sind Histidin und Arginin für Kinder essenziell. Die nicht-essentiellen Aminosäuren sind: Glutamat, Glutamin, Aspartat, Asparagin, Alanin, Cystein, Tyrosin, Prolin, Serin und Glycin (und Ornithin). Methionin und Tryptophan haben ein einziges Codon, die anderen Aminosäuren haben zwei oder drei Codons. Die meisten Proteine beginnen ihre Übersetzung mit dem Startcodon AUG. AUG kodiert für Methionin, die N-terminale Aminosäure aller eukaryontischen Proteine; es ist jedoch möglich, das N-terminale Methionin durch posttranslationale Modifikation zu entfernen. Aus Homocystein, das sich von S-Adenosylmethionin ableitet, kann Cystein entstehen. Taurin wird folgendermaßen synthetisiert: Methionin → Cystein → Cysteinsulfinat → Hypotaurin → Taurin. Obwohl Taurin eine Aminosäure ist, wird es nicht in Proteine eingebaut. Es ist jedoch ein Konjugat mit Gallensäuren und wirkt als Antioxidans, Modulator von Kalzium-Signalen, Stabilisator von Membranen und Apoptose-Inhibitor.

Glutathion (GSH) ist ein Tripeptid (Glutamylcysteinylglycin), wird aber ohne mRNA synthetisiert. Bei zwei GSH-Molekülen können die Cysteine zu einem Disulfid (-S-S-) oxidiert werden, und diese Umwandlung (2GSH ←→ GSSG) stellt ein kritisches Redoxmittel in der Zelle dar. Die Enzymfamilie der Glutathion-S-Transferasen schützt die Zellen vor Schäden durch Xenobiotika und bestimmte Medikamente, indem sie GSH bildet, das diese Stoffe, einschließlich bestimmter Karzinogene, auflöst und ihre Ausscheidung ermöglicht. GSH ist am γ-Glutamylzyklus beteiligt, der den Transport von Aminosäuren von außerhalb der Zelle in das Zellinnere fördert. Der erste Schritt in diesem Zyklus ist die Übertragung der γ-Glutamylgruppe von GSH auf eine Aminosäure, ein Peptid oder auf Wasser durch die γ-Glutamyltranspeptidase der Zellmembran (γ-l-Glutamylpeptid+Aminosäure ←→ Peptid+γ-l-Glutamyl-Aminosäure). Dieser Stoffwechselweg ist Teil der Synthese und des Abbaus von GSH, das bei der Entgiftung von Drogen und Xenobiotika wirkt. Leukotrien C4 (LTC4) enthält GSH, und dieses Leukotrien hat eine kontraktile Wirkung auf das Gewebe der Atemwege.

Tyrosin ist die Vorstufe von Katecholaminen (Epinephrin und Norepinephrin) sowie des wichtigsten Körperpigments, Melanin. Tyrosin kann aus Phenylalanin durch Phenylalaninhydroxylase (PAH) in Leber und Niere gebildet werden. Dieses Enzym beseitigt überschüssiges Phenylalanin. Mutationen (es sind mehr als 400 Mutationen des Gens für die PAH bei Kindern bekannt) im Gen für dieses Enzym führen zu Phenylketonurie. Katecholamine werden im Nebennierenmark synthetisiert: Phenylalanin+PAH → Tyrosin+Tyrosinhydroxylase → DOPA+aromatische l-Aminosäure-Decarboxylase → Dopamin+Dopamin-β-Hydroxylase → Noradrenalin+S-Adenosylmethionin (SAM, als Methylspender)+Phenylethanolamin-N-Methyltransferase (PNMT) → Epinephrin. Als Reaktion auf Stress wird in der Nebennierenrinde Cortisol gebildet. Auf seinem Weg in den allgemeinen Kreislauf fließt das Cortisol durch das Nebennierenmark und induziert dort die PNMT, um die Ausschüttung von Katecholaminen zu erhöhen, die bei Stress ebenfalls erhöht sind.

Tryptophan ist in der Zirbeldrüse die Vorstufe der Neurotransmitter Serotonin (bei Tageslicht) und Melatonin (bei Dunkelheit). N-Acetyltransferase wandelt Serotonin in N-Acetylserotonin um, und Hydroxyindol-O-Methyltransferase wandelt N-Acetylserotonin in Melatonin um. Die Zirbeldrüse spielt eine Rolle beim Schlaf und bei der Bewegungsaktivität und hat Einfluss auf den Hypothalamus, die Nebenschilddrüse und die Bauchspeicheldrüse. Tryptophan wird über den Kyureninweg in Chinolinsäure umgewandelt, und Chinolinsäure kann in geringen Mengen in Niacin umgewandelt werden, eine Vorstufe der Nicotinamid-Nukleotid-Coenzyme.

Arginin kann in Kreatin umgewandelt werden. Die Niere wandelt Arginin in Guanidoessigsäure um, die in der Leber in Kreatin umgewandelt wird. Der größte Teil des Kreatins im Körper befindet sich in der Skelettmuskulatur, wo Kreatinphosphat eine Energiereserve darstellt. Bei hohem Energiebedarf (Muskelkontraktion) wandelt die Kreatinphosphokinase mit ADP Kreatinphosphat in Kreatin plus ATP um. Kreatinphosphat wird im Muskel spontan zu Kreatinin umgewandelt, wo es auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Kreatinin wird von der Niere ausgeschieden, ohne rückresorbiert zu werden, so dass seine Clearance im Urin ein Maß für die glomeruläre Filtration der Nieren darstellt. Arginin ist ein Vorläufer von Stickstoffmonoxid (NO) in einer Reaktion, die von der Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS) katalysiert wird. Es gibt drei Formen von NOS, iNOS, Enos und nNOS. NO ist ein biologisches Signal, das den Blutdruck, die Neurotransmission, das Lernen und das Gedächtnis steuert.

Histidin wird durch die Wirkung der Histidin-Decarboxylase in Histamin umgewandelt. Die Magensäuresekretion wird durch Histamin über Histamin-H2-Rezeptoren stimuliert. Mastzellen setzen Histamin frei, um die allergische Reaktion zu vermitteln und über Histamin-H1-Rezeptoren eine Vasodilatation und Bronchokonstriktion zu erzeugen. Die Imidazolgruppe von Histidin, die in protonierter oder unprotonierter Form vorliegen kann, ist Bestandteil der aktiven Zentren vieler Enzyme.

Glutamat erzeugt Glutamin durch die Glutamatdehydrogenase-Reaktion. Es ist auch an vielen Transaminasereaktionen beteiligt und ist ein Bestandteil von Glutathion. Glutamat bildet auch γ-Aminobuttersäure (GABA), einen wichtigen inhibitorischen Neurotransmitter im Gehirn. Durch die Wirkung von Glutamat-Dehydrogenase und Glutamat-Transaminase wird Glutamat in α-Ketoglutarat umgewandelt, das eine Vorstufe von Prolin und Ornithin sein kann oder zur Energiegewinnung in den TCA-Zyklus gelangt.

Serin kann durch die Serin-Hydroxymethyltransferase-Reaktion, bei der Tetrahydrofolat-Coenzym verwendet wird, zu Glycin umgewandelt werden.

Aminosäuren können, wenn ihre Konzentrationen den Bedarf der Proteinsynthese übersteigen, zu Verbindungen metabolisiert werden, die in den TCA-Zyklus zur ATP-Produktion gelangen können. Aminosäuren, die in den TCA-Zyklus gelangen, sind ketogen oder glucogen, da erstere in Fettsäuren und letztere in Glukose umgewandelt werden können. Verzweigtkettige Aminosäuren werden nicht von der Leber, sondern von Muskeln, Fettgewebe, Nieren und Gehirn katabolisiert. Sie werden von der Aminotransferase für verzweigtkettige Aminosäuren in die entsprechenden Ketosäuren umgewandelt. Die verzweigtkettige α-Ketosäure-Dehydrogenase wandelt die Ketosäuren in CoA-Derivate um. Wenn dieses Enzym durch eine Mutation seines Gens nicht funktioniert, reichern sich verzweigtkettige Aminosäuren im Blut und Urin an und führen zur „Ahornsirupkrankheit“

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