Összefoglaló
A karbamidciklussal kapcsolatos betegséget hiperammonémia formájában az anyagcsere olyan betegségének illusztrálására használják, amely kifejezetten a karbamidciklus hibájához kapcsolódik. A karbamidciklus egyik enzimjének hiánya egy olyan specifikus betegségállapothoz vezet, amelyben az ammónia, amely egy toxin, felhalmozódhat a vérben (hiperammonémia). Amikor a májban feleslegesen termelődik glutamin, azt a glutamináz átalakítja ammóniává. A máj karbamidciklusa az ammóniát karbamiddá alakítja, amely a vizelettel ürül. A TCA-ciklus és a karbamidciklus általános reakciói így foglalhatók össze:
A glutaminsintáz és a glutamináz ammóniumiont használ fel, illetve ammóniumiont termel reakcióik során:
A transzamináció olyan folyamat, amelyben aminosavakról aminocsoportokat távolítanak el és visznek át akceptor ketosavakra, hogy az eredeti aminosav ketosavváltozatát hozzák létre.
Az izomsejtek az aminosavakat energiaforrásként használhatják, a máj pedig az aminocsoportokat (ammóniumionokként) a karbamidcikluson keresztül méregteleníti. Az alanin a legtöbb fehérjében uralkodó aminosav. A véráramban a perifériás szövetekből a májba szállítható, ahol glükózzá alakítható. Az alanin transzaminálódik piruváttá, és a piruvátból glükoneogenezis révén glükóz képződhet. A glükóz ezután a véráram útján az izomba szállítható (energiafelhasználás céljából). Ezt az izom- és májanyagcserét összekötő rendszert nevezzük alanin-ciklusnak.
A transzamidáció egy szabad amincsoport és egy gamma-karboxamidcsoport közötti kovalens kötés katalitikus kialakulása. A transzamidinázok katalizálják a szövetgyógyulásban szerepet játszó γ-glutamil-ε-lizin kötések kialakulását. A transzamidinázok részt vesznek az aminocukrok (pl. glükozamin-6-foszfát) szintézisében. Ezek az enzimek a fehérjék sejtmembránokhoz való glikozil-foszfatidil-inozitol lehorgonyzásában is részt vesznek.
Az aminosavak dezaminálását az ammónia-liáz enzimek katalizálják. Ilyen például a szerin-dehidratáz és a treonin-dehidratáz, mindkettőnek koenzimje a piridoxál-foszfát. A szerin-dehidratáz a szerint piruváttá és ammóniává alakítja, a treonin-dehidratáz pedig a treonint α-ketobutiráttá és ammóniává alakítja. Az enzimek e csoportjának másik tagja a hisztidáz (hisztidin-ammónia-liáz), amely a májban és a bőrben a hisztidinből transzurokánsav képzése céljából eltávolítja az aminocsoportot. A májban oxidatív deaminálás történik a glutamát-dehidrogenáz által, amelyben a glutamát+víz+NAD+ α-ketglutarát+ammónia+NADH+H+ képződik.
Az aminosavakat a máj és a vese peroxiszómáiban található d-aminosav-oxidáz oxidálhatja. d-aminosavak a táplálékban különösen a növényi élelmiszerekben fordulnak elő, mivel a növények nem tartalmaznak d-aminosav-oxidázt. A katalitikus termékek egy iminosav és H2O2. Az emberben is megtalálható az aminosav-racemáz enzim, amely a d- és l-aminosavakat egymásba alakítja. A máj és a vese peroxiszómái kis mennyiségben tartalmaznak l-aminosav-oxidázt, amely akkor lenne hasznos, ha a fehérje bioszintézisek és más útvonalak számára l-aminosavak többlete állna rendelkezésre.
Az l-aminosav racemáz az l-aminosavakat (a fehérjék természetes formáit) d-aminosavakká alakítja át. Ez az enzim különösen fontos az agyban, mivel a d-szerin nagy mennyiségben van jelen a corpus callosumban és a hippokampuszban.
l-Aminosavdekarboxiláz piridoxálfoszfát koenzimmel CO2-t távolít el az aminosavakból, hogy a megfelelő aminokat kapja. Az aromás l-aminosav-dekarboxiláz katalizálja a triptofán, az 5-hidroxi-triptofán, az l-dihidroxifenil-alanin, a 3,4-dihidroxifenil-szerin, a tirozin, a fenilalanin és a hisztidin dekarboxilációját.
Az esszenciális aminosavak azok, amelyek hiányoznak a szervezetből, vagy olyan mértékben szintetizálódnak, amely nem elegendő a növekedéshez és fenntartáshoz. Ezek a következők: metionin, triptofán, lizin, fenilalanin, treonin, valin, leucin és izoleucin. Ezen kívül a hisztidin és az arginin nélkülözhetetlen a gyermekek számára. A nem esszenciális aminosavak a következők: glutamát, glutamin, aszpartát, aszparagin, alanin, cisztein, tirozin, prolin, szerin és glicin (és ornitin). A metionin és a triptofán egyetlen kodonnal rendelkezik, a többi aminosav azonban két vagy három kodonnal. A legtöbb fehérje a fordítást a startkódonnal, az AUG-gal kezdi. Az AUG kódolja a metionint, amely minden eukarióta fehérje N-terminális aminosava; az N-terminális metionin azonban poszttranszlációs módosítással eltávolítható. Az S-adenozil-metioninból származó homocisztein ciszteint hozhat létre. A taurin a következőképpen szintetizálódik: metionin → cisztein → cisztein-szulfinát → hipotaurin → taurin. Bár a taurin aminosav, nem épül be a fehérjékbe. Az epesavakkal azonban konjugálódik, és antioxidánsként, a kalciumszignalizáció modulátoraként, a membránok stabilizátoraként és apoptózisgátlóként aktív.
A glutation (GSH) egy tripeptid (glutamilciszteinilglicin), de mRNS nélkül szintetizálódik. Két GSH molekula esetén a ciszteinek oxidálódhatnak diszulfiddá (-S-S-), és ez az interkonverzió (2GSH ←→ GSSG) kritikus redoxágens a sejtben. A glutation-S-transzferáz enzimcsalád védi a sejteket a xenobiotikumok és bizonyos gyógyszerek okozta károsodástól azáltal, hogy GSH-t képez, amely szolubilizálja azokat, beleértve bizonyos rákkeltő anyagokat, és lehetővé teszi a kiválasztásukat. A GSH részt vesz a γ-glutamil-ciklusban, amely fokozza az aminosavak transzportját a sejten kívülről a sejt belsejébe. E ciklus első lépése a GSH γ-glutamilcsoportjának átvitele egy aminosavra, egy peptidre vagy vízre a sejtmembrán γ-glutamiltranszpeptidáz által (γ-l-glutamilpeptid+aminosav ←→ peptid+γ-l-glutamil-aminosav). Ez az útvonal része a GSH szintézisének és lebontásának, amely a gyógyszerek és xenobiotikumok méregtelenítésében működik. A leukotrién C4 (LTC4) GSH-t tartalmaz, és ez a leukotrién összehúzó hatással van a légúti szövetekre.
A tirozin a katekolaminok (adrenalin és noradrenalin), valamint a fő testpigment, a melanin előanyaga. A tirozin fenilalaninból fenilalanin-hidroxiláz (PAH) segítségével képződhet a májban és a vesében. Ez az enzim eltávolítja a felesleges fenilalanint. Az ezen enzim génjének mutációi (a PAH-t kifejező gén több mint 400 mutációja ismert gyermekeknél) fenilketonúriához vezetnek. A katekolaminok a mellékvesekéregben szintetizálódnak: fenilalanin+PAH → tirozin+tirozin-hidroxiláz → DOPA+aromás l-aminosav dekarboxiláz → dopamin+dopamin β-hidroxiláz → noradrenalin+S-adenozil-metionin (SAM, mint metil-donor)+feniletanolamin-N-metiltranszferáz (PNMT) → adrenalin. Stresszre adott reakcióban a mellékvesekéregben kortizol termelődik. Az általános keringésbe jutva a kortizol a mellékvese medullán keresztül áramlik, és ott indukálja a PNMT-t, hogy növelje a stresszben szintén emelkedett katekolaminok kibocsátását.
A tobozmirigyben található triptofán a szerotonin (nappali fényben) és a melatonin (sötétben) neurotranszmitterek előanyaga. Az N-acetiltranszferáz a szerotonint N-acetil-szerotoninná, a hidroxi-indol-O-metiltranszferáz pedig az N-acetil-szerotonint melatoninná alakítja. A tobozmirigy szerepet játszik az alvásban, a mozgásszervi aktivitásban, és hatással van a hipotalamuszra, a mellékpajzsmirigyre és a hasnyálmirigyre. A kriptofán a kyurenin útvonalon keresztül kinolinsavvá alakul, és a kinolinsav kis mennyiségben niacinná, a nikotinamid nukleotid koenzimek előanyagává alakítható.
Az arginin kreatinná alakítható. A vese az arginint guanidoecetsavvá alakítja, amely a májban kreatinná alakul át. A szervezetben lévő kreatin nagy része a vázizomzatban található, ahol a kreatinfoszfát energiatartalék. Nagy energiaigény esetén (izomösszehúzódás) a kreatin-foszfokináz ADP-vel a kreatin-foszfátot kreatinná és ATP-vé alakítja. A kreatinfoszfát spontán ciklizálódik kreatininné az izomban, ahol állandó szinten tartják. A kreatinin a vese által kiválasztódik anélkül, hogy visszaszívódna, így a vizeletben történő kiürülése a vese glomeruláris filtrációjának mértékét adja. Az arginin a nitrogén-oxid (NO) prekurzora a nitrogén-oxid-szintáz (NOS) által katalizált reakcióban. A NOS-nak három formája létezik, az iNOS, az Enos és az nNOS. Az NO a vérnyomást, a neurotranszmissziót, a tanulást és a memóriát szabályozó biológiai jel.
A hisztidin a hisztidin dekarboxiláz hatására hisztaminná alakul. A gyomorsav szekréciót a hisztamin a hisztamin H2 receptorokon keresztül serkenti. A hízósejtek hisztamint szabadítanak fel az allergiás válasz közvetítésére, hogy a hisztamin H1 receptorokon keresztül értágulatot és hörgőszűkületet hozzanak létre. A hisztidin imidazolcsoportja, amely protonált vagy protonálatlan formában is létezhet, számos enzim aktív helyének alkotórésze.
A glutamát glutamát dehidrogenáz reakción keresztül glutamint hoz létre. Számos transzaminázreakcióban is részt vesz, és a glutation egyik összetevője. A glutamát γ-aminovajsavat (GABA) is képez, amely fontos gátló neurotranszmitter az agyban. A glutamát-dehidrogenáz és a glutamát-transzamináz hatására a glutamát α-ketoglutaráttá alakul át, amely a prolin, valamint az ornitin előanyaga lehet, vagy beléphet a TCA-ciklusba az energiatermelés céljából.
A szerinből glicin keletkezhet a szerin-hidroximetiltranszferáz reakció révén, amely a tetrahidrofolát koenzimet használja fel.
Az aminosavak, ha koncentrációjuk meghaladja a fehérjeszintézis szükségleteit, olyan vegyületekké metabolizálhatók, amelyek beléphetnek a TCA-ciklusba ATP előállítására. Azok az aminosavak, amelyek belépnek a TCA-ciklusba, ketogének vagy glükogének, amennyiben az előbbiek zsírsavakká, az utóbbiak pedig glükózzá alakíthatók. Az elágazó láncú aminosavakat nem a máj, hanem az izom, a zsír, a vese és az agy katabolizálja. Ezeket az elágazó láncú aminosavak aminotranszferáza alakítja át a megfelelő ketosavakká. Az elágazó láncú α-ketosav-dehidrogenáz a ketosavakat CoA-származékokká alakítja át. Ha ez az enzim génjének mutációja miatt nem működik, az elágazó láncú aminosavak felhalmozódnak a vérben és a vizeletben, és “juharszirup-kórt” eredményeznek.”