PRZEMIANA BIAŁEK

Rozdział 7
PRZEMIANA BIAŁEK
Przemiany białek mają zasadnicze znaczenie dla wszystkich procesów metabolicznych typowych dla żywej materii. Z punktu widzenia dialektyki samo zjawisko
życia można uznać za „sposób występowania ciał białkowych”, stanowiących podstawową substancję budującą każdy żywy organizm. Dlatego też głównym celem
przemian metabolicznych wszystkich komórek jest produkcja białek.
Można uznać, że metabolizm węglowodanów, lipidów, kwasów nukleinowych
czy składników mineralnych wspomaga przemianę białek. Przemiana węglowodanów jest źródłem związków potrzebnych do syntezy aminokwasów i kwasów nukleinowych, i wraz z przemianą tłuszczowców dostarcza substancji, które w wyniku utlenienia uwalniają energię wykorzystywaną do syntezy wiązań peptydowych.
Produkty przemian aminokwasów mogą stanowić substraty do syntezy nukleotydów, które z kolei zużywane są do budowania cząsteczek kwasów nukleinowych
uczestniczących w biosyntezie białek. Przemiana substancji mineralnych sprzyja
regulacji procesów związanych z syntezą białek, w wyniku aktywności kompleksów enzymatycznych, w których funkcję efektorów pełnią składniki mineralne.
Różnorodne i złożone procesy przekształcania substancji i przenoszenia energii
komórkowej odgrywają więc rolę pomocniczą w odniesieniu do białkowych procesów metabolicznych.
Najważniejszym elementem procesów związanych z przemianami białek jest
mechanizm, za pośrednictwem którego w procesie biosyntezy budowane są łańcuchy polipeptydów o określonej sekwencji aminokwasów, stanowiącej pierwszorzędową strukturę cząsteczki białkowej. Wiadomo, że struktura ta decyduje o charakterze kolejnych, w tym o strukturze trzeciorzędowej, odpowiedzialnej za aktywność funkcjonalną danej cząsteczki. W tym aspekcie budowanie nowych białek ma
zasadnicze znaczenie dla prawidłowej realizacji czynności życiowych organizmów
na każdym etapie wzrostu i rozwoju. Specyficzność cząsteczek białkowych warunkowana swoistością ich syntezy jest jednym z podstawowych czynników determinujących zróżnicowanie organizmów.
Szczegółowe badania dróg syntezy i rozpadu białek pozwoliły na wykazanie
prawidłowości odpowiadających za ich specyficzność strukturalną (keratyny, kolagen) i funkcjonalną (enzymy, hormony), a także na określenie ich udziału w rozwoju, dziedziczeniu oraz w procesach fizjologicznych i patologicznych organizmów. Przedstawiony powyżej, w dużym uproszczeniu, zakres funkcji i wynikają-
Rozdział 7. Przemiana białek
221
cej z nich roli białek wskazuje na ich wiodące znaczenie w przebiegu wszystkich
procesów życiowych każdego organizmu.
7.1. Rozpad białek i aminokwasów
Drogi degradacji białek. Zasadniczą, choć nie jedyną drogą rozkładu białek
w organizmie jest ich hydroliza przebiegająca na terenie lizosomów, tj. organelli
komórkowych, zawierających enzymy hydrolityczne odpowiedzialne za degradację
związków wielkocząsteczkowych do metabolitów niskocząsteczkowych. Proces
ten nie wymaga energii magazynowanej w ATP i dotyczy przede wszystkim białek
o długim okresie półtrwania. Białka krótkożyjące ulegają rozpadowi w cytozolu
w sposób zależny od ATP. W tkankach układu pokarmowego zwierząt czy organach spichrzowych roślin procesy hydrolizy białek zachodzą z dużą intensywnością. W wątrobie myszy w ciągu dnia degradacji ulega około 40% ogólnej zawartości białek rybosomowych, mitochondrialnych, jądrowych i cytosolowych, przy
średnim okresie ich półtrwania wynoszącym 5 dni (od około doby do 3 miesięcy).
Badania ostatnich lat wskazują, że okres półtrwania białka w komórce zależy od
N-końcowego aminokwasu jego cząsteczki. Jeśli w reakcji zależnej od ATP nastąpi jego związanie z C-końcową resztą glicyny ubikwityny (białko o masie cząsteczkowej 8565 Da zbudowane z 76 aminokwasów) cząsteczka białka ulega degradacji. Najbardziej podatne na wiązanie ubikwityny są wyliczone w porządku malejącym arg, lys, asp, asn, trp, leu, phe, his, glu, tyr, gly i ile, podczas gdy met, ser,
ala, thr, val, glu, cys, rzadko ulegające podobnemu łączeniu uznawane są za chroniące przed hydrolizą. W związku z tym okres półtrwania białek determinowany
jest tworzeniem kompleksów ubikwityna – N-końcowy aminokwas cząsteczki
białka. Dla białek cytoplazmatycznych o następujących N-końcowych aminokwasach wynosi on odpowiednio: arg – 2 min, asp, lys, leu i phe – 3 min, pro – 7 min,
gln i tyr – 10 min, glu i ile – 30 min, gly, ala, ser, val, tre i met – 20 godzin.
Efektem proteolizy białek może być ich częściowy rozkład do peptydów lub
pełny do wolnych aminokwasów. Przy częściowej, tzw. ograniczonej, proteolizie
trawieniu ulega tylko część wiązań peptydowych, wynikiem czego jest tworzenie
peptydów. Proces ten katalizują proteinazy (peptydylo-peptydohydrolazy). Z kolei
peptydy przy udziale odpowiednich peptydaz mogą być hydrolizowane do aminokwasów. Mechanizm tego procesu został opisany w rozdziale 3.
W rezultacie działania różnorodnych peptydohydrolaz (proteinaz i peptydaz)
w procesie hydrolizy białek powstają początkowo peptydy, a następnie wolne aminokwasy, będące końcowymi produktami degradacji cząsteczek białkowych. Przykładem katalizy enzymatycznej proteinaz może być mechanizm działania chymotrypsyny przedstawiony na rys. 7.1.
Podstawy biochemii
222
Rys. 7.1. Uproszczony schemat hydrolizy wiązania peptydowego w centrum aktywnym chymotrypsyny
Centrum aktywne chymotrypsyny zawiera resztę seryny (195 pozycja w łańcuchu polipeptydowym) i histydyny (57 pozycja w łańcuchu peptydowym). Analogiczne fragmenty łańcucha polipeptydowego cząsteczki enzymu, oznaczone po lewej i prawej strony linią łamaną, zawierają
reszty seryny i histydyny z ich grupami funkcyjnymi. W centrum aktywnym enzymu, dokładnie
naprzeciw reszty seryny i histydyny, znajduje się wiązanie peptydowe hydrolizowanego białka
utworzone przez reszty phe (lub tyr, trp, leu), z kompleksującym (substratowym) centrum enzymu.
W wyniku oddziaływania pary elektronowej grupy hydroksylowej atomu tlenu seryny z grupą
karboksylową wiązania peptydowego dochodzi do przemieszczenia protonu grupy hydroksylowej seryny do rodnika imidazolowego reszty histydyny oraz do acylowania seryny i rozerwania
wiązania peptydowego. Jednocześnie proton z imidazolowego rodnika his przenoszony jest na
grupę aminową rozrywanego wiązania peptydowego (I). W następstwie acylowania rodnika
seryny (II) w centrum aktywne enzymu wnika cząsteczka wody inicjująca rozpad acylowej pochodnej enzymu (III), przywracając pierwotną konfigurację centrum aktywnego (IV) gotowego
przyjąć nową cząsteczkę substratu lub atakować wiązanie peptydowe utworzone z reszt phe, tyr,
try, lub leu.
Rola proteinaz nie ogranicza się tylko do degradacji białek do peptydów rozkładanych w toku dalszej hydrolizy do wolnych aminokwasów. Coraz częściej zwraca
Rozdział 7. Przemiana białek
223
się uwagę na ich zdolność do selektywnego rozszczepiania łańcuchów polipeptydowych, w rezultacie czego powstają funkcjonalnie aktywne formy białek i peptydów, w tym na przykład peptydy wykazujące aktywność hormonalną. Procesy
ograniczonej proteolizy są formą kontroli i przebiegu wielu ważnych procesów
fizjologicznych, w tym krzepnięcia krwi lub syntezy aktywnej formy insuliny.
W ostatnich latach szczególną uwagę zwrócono na proteinazy, których działanie
uaktywniają jony Ca+2. Są to kalpainy, enzymy o masie cząsteczki wynoszącej 110
kDa, złożonej z podjednostki katalitycznej (80 kDa) i regulatorowej (30 kDa).
Rozszczepiają one wiązania peptydowe końcowych domen cząsteczek białkowych,
wpływając na przemiany substancji mineralnych i regulując procesy metaboliczne.
Ich aktywność hamuje kalpostatyna.
Aktywny transport aminokwasów przez błony biologiczne. Wolne aminokwasy
powstające w wyniku hydrolizy białek w szczególności są wykorzystywane do ich
resyntezy i tylko niektóre z nich ulegają dalszej degradacji. Oprócz tego, poziom
wolnych aminokwasów w komórce systematycznie uzupełniany jest w procesie
syntezy de novo obejmującej pełny zestaw aminokwasów proteinogenicznych u organizmów autotroficznych oraz aminokwasów endogennych u organizmów heterotroficznych. Istniejące systemy transportu aminokwasów przez błony komórkowe
powodują ich przenoszenie i doprowadzanie do miejsc, w których biorą udział
w procesach przemiany materii. Taki system translokacji aminokwasów przez błony biologiczne przebiegający przy udziale białek transportowych jest charakterystyczny dla histydyny, leucyny, izoleucyny i waliny.
Problem aktywnego przenoszenia aminokwasów przez błony biologiczne badany
był m.in. przez A. Mastera (1973), który zaproponował hipotezę transportu aminokwasów przez błony biologiczne za pośrednictwem cyklu γ-glutamylotransferazowego, w którym główną rolę odgrywa enzym transferaza γ-glutamylowa (rys. 7.2).
Translokacja aminokwasów przez błony biologiczne zachodzi również za pomocą
białek-przenośników (rozdział 2). W taki sposób przenoszone są histydyna, leucyna,
izoleucyna oraz walina.
Przemiany aminokwasów. Ilość aminokwasów uwalnianych w trakcie rozpadu
białek z reguły nie odpowiada ilości tych, które są włączane w nowo syntetyzowane łańcuchy polipeptydowe. Dlatego pełna ilość wolnych aminokwasów, będących
produktami hydrolizy białek i peptydów, powinna ulegać przekształceniu w inne
aminokwasy lub prostsze związki wydalane z organizmu. Procesy przekształcenia
aminokwasów mogą zachodzić w wyniku trzech rodzajów reakcji: z udziałem grupy α-aminowej, grupy karboksylowej lub rodnika aminokwasu.
Podstawy biochemii
224
Rys. 7.2. Cykl γ-glutamylotransferazowy
Transferaza γ-glutamylowa wbudowana jest do błony komórkowej. Enzym ten realizuje translokację aminokwasów z przestrzeni wewnątrzkomórkowej za pomocą reakcji przeniesienia reszty
kwasu γ-glutaminowego z glutationu lub innego γ-glutamylopeptydu do transportowanego
aminokwasu, a następnie przeniesienia powstałego przenośnika, tzn. pochodnej kwasu γ-glutaminowego, wewnątrz komórki (lub wewnątrz błony). Tam pod wpływem transferazy γ-glutamylowej przenośnik rozkłada się do wolnego aminokwasu, który w ten sposób został przeniesiony przez błonę, oraz kwasu piroglutaminowego, powstawanie którego praktycznie w całości
przesuwa równowagę reakcji rozpadu dipeptydu – przenośnika w prawo. W wyniku szeregu
procesów enzymatycznych (prawa strona rysunku) zachodzi resynteza glutationu (lub innego
peptydu γ-glutamylowego, jeżeli bierze on udział w przeniesieniu aminokwasów), a cykl może
powtarzać się.
Dwa pierwsze rodzaje reakcji mają podobny przebieg u wszystkich aminokwasów. Grupa α-aminowa ulega dezaminacji a grupa karboksylowa dekarbokrylacji.
W odróżnieniu od nich reakcje zachodzące z udziałem rodników mają charakter
specyficzny dla danego aminokwasu.
Rozdział 7. Przemiana białek
225
Osobny rodzaj reakcji polega na tworzeniu wiązania peptydowego pomiędzy
grupą α-aminową jednego aminokwasu a grupą karboksylową drugiego. Proces ten
prowadzi do syntezy peptydów i białek. Poniżej przedstawione zostały trzy rodzaje
reakcji prowadzących do przekształceń aminokwasów.
Reakcje z udziałem grupy aminowej. Grupa α-aminowa aminokwasów przekształcana jest na drodze dezaminacji w wyniku 4 rodzajów reakcji:
1) oksydacyjna dezaminacja:
RCH(NH2)COOH + 1/2O2 → RCOCOOH + NH3
Ketokwas
2) redukcyjna dezaminacja:
RCH(NH2)COOH + 2[H] → RCH2COOH + NH3
Kwas nasycony
3) hydrolityczna dezaminacja:
RCH(NH2)COOH + H2O → RCH(OH)COOH + NH3
Hydroksykwas
4) wewnątrzcząsteczkowa dezaminacja:
RCH2CH(NH2)COOH → R−CH=CH−COOH + NH3
Kwas nienasycony
Wszystkie przedstawione powyżej reakcje przebiegają w organizmach przy
udziale specyficznych enzymów i charakteryzują się zróżnicowanym stopniem
rozpowszechnienia w przyrodzie. Najczęściej występuje dezaminacja oksydacyjna,
natomiast trzy pozostałe reakcje spotykane są bardzo rzadko i tylko u pojedynczych grup organizmów.
Proces dezaminacji oksydacyjnej przebiega w dwóch etapach. Początkowo
aminokwas utleniany zostaje do iminokwasu przy udziale specyficznej dehydrogenazy oraz koenzymu NAD+ lub NADP+, który następnie hydrolizuje do ketokwasu
i amoniaku:
NAD ( P ) + ⇔ NAD ( F ) H + H +
HOOC(CH2)2CH(NH2)COOH
Kwas glutaminowy
⇔
Dehydrogenaza glutaminianowa
H 2O
HOOC(CH2)2-C(=NH)COOH
Kwas iminoglutarowy
⇔
HOOC(CH2)2COCOOH
NH 3
Kwas α-ketoglutarowy
Obie reakcje są odwracalne w związku z czym z kwasu α-ketoglutarowego i amoniaku może powstać cząsteczka kwasu glutaminowego.
Niekiedy dehydrogenazy aminokwasów mogą mieć charakter flawoprotein, jak
na przykład charakteryzująca się wysoką aktywnością dehydrogenaza α-aminokwasów wyizolowana z komórek jedwabnika.
Cząsteczka dehydrogenazy glutaminianowej o masie 336.000 Da zbudowana
jest z 6 podjednostek o ciężarach 56.000 Da. Każda z nich posiada centrum wiązania substratu, koenzymu oraz aktywatorów (ADP i GDP) i inhibitorów (ATP, GTP
i fosforan pirydoksalu). Pierwszorzędową strukturę podjednostek dehydrogenazy
Podstawy biochemii
226
glutaminianowej izolowanych z różnych komórek charakteryzuje wysoki stopień
homologii.
Najczęściej spośród rzadko występujących w tkankach roślin i zwierząt dehydrogenaz L-aminokwasów (w odróżnieniu od ich izomerów D) reprezentowana jest
dehydrogenaza kwasu L-glutaminowego. W związku z tym prawdopodobne jest,
że większość L-aminokwasów ulega dezaminacji na drodze przekształcenia kwasu
α-ketoglutarowego, zgodnie z następującą reakcją:
Transaminaza
HOOC(CH2)2COCOOH + HOOCCH(NH2)R
⇔
hydroksyglutaranianowa
Kwas α-ketoglutarowy Aminokwas
(Kwas 2-oksoglutarowy)
RCOCOOH + HOOC(CH2)2CH(NH2)COOH
Ketokwas
Kwas glutaminowy
Kwas glutaminowy ulega oksydacyjnej dezaminacji, a uwalniany kwas α-ketoglutarowy może ponownie wchodzić w reakcję z innymi α-aminokwasami.
Transaminazy katalizują przeniesienie grupy aminowej z aminokwasu na α-ketokwas. Reakcja między L-aminokwasami i kwasem α-ketoglutarowym jest odwracalna i dlatego może prowadzić do syntezy L-aminokwasów z ketokwasów
i kwasu glutaminowego. Reakcje dezaminacji charakterystyczne dla przemian aminokwasów stanowią ważne dla każdego organizmu ogniwo wiążące przemiany
związków azotowych z przemianami, jakim ulegają cukry i tłuszcze.
Pomimo że głównymi produktami dezaminacji aminokwasów są α-ketokwasy,
w niektórych szczególnych i mało rozpowszechnionych przypadkach w wyniku
tych reakcji mogą powstawać kwasy alkenowe i alkanowe, a także hydroksykwasy.
Dezaminacja przebiega w sposób swoisty dla określonych aminokwasów. Cysteina i metionina ulegają dezaminacji na drodze odszczepienia amoniaku i siarkowodoru lub metylo-merkaptanu (CH3SH), hydroksyaminokwasy, tj. seryna i treonina,
poprzez odszczepianie amoniaku i wody, natomiast aminokwasy heterocykliczne –
poprzez dehydrogenację pierścienia (prolina) z dalszym przekształceniem jej produktu. Końcowymi produktami tych reakcji są ketokwasy i kwasy nienasycone.
Reakcje z udziałem grupy karboksylowej. Przemiany aminokwasów z udziałem
grupy COOH sprowadzają się do ich dekarboksylacji i powstawania aminoacyloadenilatów.
Dekarboksylacja aminokwasów przebiega według przedstawionego poniżej
schematu w tkankach roślin, zwierząt oraz mikroorganizmów.
Dekarboksylaza
RCH(NH2)COOH
→
RCH2NH2 + CO2
Grupą prostetyczną enzymów uczestniczących w procesach dekarboksylacji jest
fosforan pirydoksalu, który tworząc kompleksy ze specyficznymi białkami daje
początek wszystkim dekarboksylazom L-aminokwasów. Wyizolowano i scharakteryzowano dekarboksylazy kwasu asparaginowego i glutaminowego, a także waliny, lizyny, argininy, histydyny, tyrozyny i tryptofanu.
Rozdział 7. Przemiana białek
227
Produktami reakcji dekarboksylacji aminokwasów są aminy, które ze względu
na wysoką aktywność biologiczną nazywane są aminami biogennymi. Przykłady
niektórych przedstawiono poniżej.
Produktem dekarboksylacji histydyny przy udziale dekarboksylazy histydynowej (karboksyliaza L-histydynowa, dimer o masie cząsteczkowej 110.000 Da) jest
histamina:
Wspomaga ona pracę gruczołów wydzielania wewnętrznego i obniża ciśnienie
krwi.
Podczas dekarboksylacji tyrozyny i tryptofanu tworzą się odpowiednio: tyramina i tryptamina:
HO
5
CH2 CH2 NH2
4
8
6
7
Tyramina
9
3
1
N
CH2 CH2 NH2
2
H
Tryptamina
Tryptamina łatwo przechodzi w 5-hydroksytryptaminę (serotoninę), związek
o różnorodnym znaczeniu fizjologicznym, mający m.in. wpływ na odczuwanie
wrażeń bólowych podczas procesów zapalnych.
Dekarboksylacja lizyny i argininy prowadzi do powstawania odpowiednio kadaweryny i agmatyny:
H2N(CH2)5NH2
H2NC(NH)(CH2)4NH2
Kadaweryna
Agmatyna
Duże znaczenie przypisuje się także tetrametylenodiaminie (putrescyna), która
powstaje podczas dekarboksylacji ornityny:
H2N−(CH2)3−CH(NH2)−COOH
Ornityna
Dekarboksylaza
→
ornitynowa
H2N−(CH2)4 −NH2 + CO2
Putrescyna
Tetrametylendiamina jest prekursorem syntezy spermidyny i sperminy. Obie
substancje są poliaminami, które obok diamin odpowiedzialne są za strukturalne
właściwości i funkcjonalną aktywność rybosomów.
Nie tylko aminy i diaminy są produktami dekarboksylacji aminokwasów. Podczas dekarboksylacji kwasu glutaminowego powstaje kwas γ-aminomasłowy:
Podstawy biochemii
HOOC−CH(NH2)−(CH2)2−COOH
Dekarboksylaza
→
glutaminianowa
228
H2N−CH2−(CH2)2−COOH + CO2
Kwas γ-aminomasłowy
Kwas glutaminowy
Kumulowany jest w tkance mózgowej i pełni rolę inhibitora neurohumoralnego.
Analogicznie z kwasu asparginowego tworzy się β-alanina biorąca udział w syntezie kwasu pantotenowego:
HOOC−CH(NH2)−CH2−COOH
Dekarboksylaza
→
asparaginianowa
H2N−CH2−CH2−COOH + CO2
β-Alanina
Kwas asparaginowy
Drugą ważną reakcją aminokwasów z udziałem grupy karboksylowej jest tworzenie aminoacyloadenylanów. Równanie tej reakcji podano przy opisie enzymów
z grupy ligaz, szczegółowo zostanie ono omówione w dalszej części rozdziału.
Przekształcenia grup bocznych (rodników) aminokwasów. Rodnikiem aminokwasu nazywana jest ta część jego cząsteczki, która nie bierze udziału w tworzeniu
łańcucha polipeptydowego. Zależnie od jej budowy chemicznej może podlegać
charakterystycznym dla siebie reakcjom. Wiele z nich dotyczy procesów przemian
aminokwasów.
Jednym z rodzajów przekształceń aminokwasów z udziałem rodników jest
przejście jednych aminokwasów w inne, dzięki czemu znacząco wzrasta możliwość syntezy nowych aminokwasów niezbędnych dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Zjawisko to ilustrują poniższe przykłady.
Podczas utleniania fenyloalaniny powstaje tyrozyna:
NADPH + H
3
4
5
+
6
2
O2
1
CH
NADP
+
OH
Hydroksylaza
fenyloalaninowa
H 2O
CH2
H 2N
+
CH2
H2N
COOH
CH
COOH
Tyrozyna
Fenyloalanina
Hydroliza argininy prowadzi do utworzenia ornityny:
H 2O
H2N−C(NH)−NH−(CH2)3−CH(NH2)−COOH
Arginina
→
Arginaza
H2N−(CH2)3−CH(NH2)−COOH + H2N−CO−NH2
Ornityna
Mocznik
Rozdział 7. Przemiana białek
229
Ornityna może podlegać przemianom, w wyniku których utworzony zostaje
kwas glutaminowy lub prolina:
COOH
CH2
NH2
/2 O
CH2
ian
lt en
u
C
2
H
CH2
Dezaminacja
utleniająca
CH2
CH
O
1
CH2
NH2
NH3
COOH
Ornityna
CH2
CH
NH2
COOH
CH2
CH
ie
C
i r ykli
ed za
uk cja
cja
NH2
COOH
Kwas
glutaminowy
Półaldehyd
kwasu
glutaminowego
N
COOH
H
Prolina
Procesy utleniania-redukcji, przebiegające z udziałem zawierających siarkę
rodników cysteiny i cystyny, mogą powodować przemianę jednego aminokwasu
w drugi w wyniku reakcji analogicznej do reakcji utleniania glutationu katalizowanej cysteinoreduktazą.
Całkowite utlenianie grupy tiolowej cysteiny prowadzi do utworzenia kwasu
cysteinowego, z którego w procesie dekarboksylacji powstaje tauryna:
Dekarbok −
sylacja
Utlenianie
HOOCCH(NH2)CH2SH
→
HOOCCH(NH2)CH2SO3H
Cysteina
→
NH2CH2 CH2SO3H + CO2
Kwas cysteinowy
Tauryna
Natomiast tauryna w połączeniach z kwasami żółciowymi (kwas taurocholowy)
bierze udział w procesie wchłaniania tłuszczów.
Szeroko rozpowszechniona reakcja demetylacji metioniny, uniwersalnego dawcy grup metylowych w reakcjach transmetylacji, zachodzi przy udziale metylotransferazy. Aminokwas, łącząc się z ATP, przechodzi bezpośrednio w „aktywną
metioninę”:
NH2
N
CH3
S
(CH2) 2
H2N
CH
COOH
Metionina
+
HO
OH
OH
OH
P~O
P ~O
P
O
O
O
N
N
N
O
CH2
O
H
H
OH
OH
H
Kwas adenozynotrójfosforowy
H
ATP
Transferaza
VL-metionina
S-adenozylowa
Podstawy biochemii
230
NH2
N
CH3
S
+
(CH2) 2
H 2N
CH
N
N
CH
N
OH
O
H
H
+
H
P
H
OH
COO
HO
OH
O
O
OH
P
OH
O
O
P
OH
O
Trójfosforan
S-Andenozylometionina
("aktywna metionina")
H2O
H4P2O7 + H 3PO4
Reakcję katalizuje transferaza L-metionino-S-adenozylowa (enzym o masie
100.000 Da i optymalnym pH 9.5). Następnie grupa metylowa z S-adenozylometioniny przenoszona jest na związek ulegający metylowaniu. Przykładem
może być reakcja metylowania glicyny:
NH2
N
CH3
HOOC
CH2
Glicyna
NH2
+
N
++
S
CH2
(CH2) 2
NH2CH
COO
N
-
N
O
H
H
H
H
OH
OH
S-Adenozylometionina
Transferaza
glicynometylowa
Rozdział 7. Przemiana białek
231
NH2
N
N
N
HOOC
CH2
NH
CH2
+
CH2
S
N-Metyloglicyna
(sarkazyna)
(CH2) 2
NH2CH
N
O
H
H
H
COOH
H
OH
OH
S-Adenozylohomocysteina
Reakcja z udziałem rodnika treoniny polega na jego odszczepieniu w postaci
aldehydu octowego, a katalizowana jest przez aldolazę treoninową, której grupą
prostetyczną jest fosforan pirydoksalu. Obok aldehydu octowego drugim produktem rozpadu treoniny jest glicyna:
Aldolaza
treoninowa
CH3CH(OH)CH(NH2)COOH
→
CH3CHO + H2NCH2COOH
Treonina
Acetaldehyd
Glicyna
Rodniki aminokwasów mogą ulegać także reakcjom utleniania lub metylowania,
towarzyszącym procesom dekarboksylacji i dezaminacji aminokwasów. W rezultacie, szczególnie w przypadkach aminokwasów cyklicznych, powstają związki posiadające duże znaczenie fizjologiczne. Przykładem może być powstająca w wyniku
przemian tyrozyny adrenalina mająca działanie hormonalne. Tryptofan jest prekursorem biosyntezy kwasu nikotynowego (witamina PP) i kwasu indolilowego (substancja wzrostowa); cysteina – kwasów merkapturowych odpowiadających za neutralizowanie związków aromatycznych, a arginina – argininofosforanu i innych guanidynofosforanów magazynujących energię.
Jak widać, w procesach przemian aminokwasów powstają związki biorące
udział w regulacji przemiany materii, co świadczy o kluczowej roli metabolitów
białkowych w ogólnej przemianie materii każdego organizmu.
Końcowe produkty rozpadu aminokwasów. Jak już wspomniano, w rezultacie
rozpadu aminokwasów powstają CO2, NH3, aminy, ketokwasy oraz inne substancje
złożone podlegające dalszym przemianom. Aminy drogą dezaminacji oksydacyjnej
przechodzą w kwasy karboksylowe:
R−CH2-NH2 + H2O + O2
R−CHO + H2O + NAD+
Oksydaza
→
monoaminowa
Dehydrogenaza
→
aldehydowa
R−CHO + NH3 + H2O2
R−COOH + NADH +H+
Podstawy biochemii
232
Analogicznie przebiega reakcja dezaminacji oksydacyjnej diamin z udziałem
oksydazy diaminowej.
Ketokwasy i kwasy karboksylowe, powstające w rezultacie rozpadu aminokwasów, stopniowo utleniają się do CO2 i H2O, podobnie jak pozostałe substancje organiczne, które oprócz wymienionych związków uwalniają także NH3. Końcowymi produktami rozpadu aminokwasów są H2O, CO2 i NH3. Woda stanowi rezerwuar dla procesów metabolicznych, tlenek węgla (IV) jest wydalany z organizmu,
natomiast amoniak może ulegać dalszym przemianom wymagającym dokładnej
analizy.
Tylko u niektórych przedstawicieli hydrosfery (pijawki, kraby, rak rzeczny,
szczerbatka, czernica) NH3 bezpośrednio lub w postaci soli amonowych wydalany
jest do środowiska. W związku z tym, że amoniak już w niewielkich stężeniach
wykazuje działanie szkodliwe dla organizmów, u większości z nich przekształcany
jest w neutralne związki azotowe. Należą do nich aspargina, glutamina i mocznik.
Szczególnie u kręgowców główną formą wydalania azotu jest mocznik.
Uważa się, że kwas asparginowy i glutaminowy umożliwiają pierwotne związanie NH3 w chwili jego pojawienia się w komórce, dając w wyniku reakcji amidy,
tj. asparginę i glutaminę. Reakcje katalizują syntetazy: asparginowa i glutaminowa.
Enzymy te są ligazami uczestniczącymi w tworzeniu wiązań C−N, należącymi do
podgrupy ligaz kwasowo–amonowych, czyli amidosyntetaz aktywnych w obecności ATP. Równanie reakcji biosyntezy asparginy zachodzi w następujący sposób:
Syntetaza
asparaginowa
HOOCCH(NH2)CH2COOH + ATP + NH3
Kwas asparginowy
→
ADP + H3PO4 + HOOCCH(NH2)CH2CONH2
Aspargina
Analogicznie przebiega reakcja biosyntezy glutaminy przy udziale glutaminosyntetazy (ligaza L-glutaminian-amonowa).
Reakcje powstawania asparaginy i glutaminy rozpowszechnione są w świecie
roślin, jakkolwiek przykłady występowania tych związków można znaleźć także
wśród zwierząt. Syntetaza asparaginowa została wykryta w ciele tłuszczowym
owadów, natomiast obecność syntetazy glutaminowej stwierdzono w mięśniach,
mózgu, wątrobie i nerkach ssaków oraz w hemolimfie owadów. W tkankach ssaków synteza asparaginy bierze początek od glutaminy, której grupa aminowa zostaje przeniesiona na grupę γ-karboksylową kwasu asparaginowego w obecności
syntetazy asparagionowej zależnej od glutaminy, równolegle z przekształceniem
ATP w AMP z wydzieleniem pirofosforanu.
Amidowanie kwasu asparaginowego i glutaminowego może mieć miejsce także, gdy oba aminokwasy są związane w cząsteczce białka. Wiadomo, że rodniki
aminokwasów wchodzących w skład łańcucha polipeptydowego łatwo wchodzą
w reakcje chemiczne. Jedną z nich jest reakcja amidowania białka:
Rozdział 7. Przemiana białek
233
Tak więc oprócz wolnych aminokwasów również cząsteczki białka mogą być
akceptorami NH3, wiążąc go w miejscu jego utworzenia w procesach przemiany
materii. Amidacja jest przykładem potranslacyjnej modyfikacji białek mającej
udział w ich syntezie, a jej zróżnicowany poziom jest jedną z podstawowych przyczyn mikroheterogenności białka.
Mocznik, oprócz kwasu moczowego oraz kreatyny, jest podstawowym produktem przemiany azotowej ssaków. Syntetyzowany jest w wątrobie, gdzie znajdują
się wszystkie enzymy niezbędne dla tego procesu. U zwierząt nie posiadających
odpowiedniego aparatu enzymatycznego i nie mogących syntetyzować mocznika
azot wydalany jest w przeważającej większości w formie amoniaku, a tylko w niewielkich ilościach jako aminokwasy, mocznik i kwas moczowy. Mocznik może
powstawać także u roślin, gdzie jego synteza przebiega w sposób podobny jak
u zwierząt.
Z NH3, CO2 i ATP przy udziale fosfotransferazy (kinaza karbamoilowa) syntetyzowany jest karbamilofosforan, z którego następnie grupa karbaminowa przenoszona jest przez karbamoilotransferazę ornitylową na grupę δ-aminową ornityny,
powstającej podczas hydrolizy argininy. W rezultacie tej reakcji syntetyzowana jest
cytrulina:
NH2
O
H 2N
C
NH2
OH
O ~P
O
OH
Karbamoilofosforan
+
Karbamoilotransferaza
(CH2) 3
CH
C
O
NH
NH2
ornitylowa
+
(CH2) 3
COOH
CH
Ornityna
COOH
NH2
Cytrulina
H3PO4
Podstawy biochemii
234
Dalsze reakcje przebiegające przy udziale dwóch enzymów pozwalają na
wprowadzenie do grupy karbaminowej (H2N−CO−NH−) cytruliny oraz atomu
azotu wskutek czego grupa karbaminowa ulega przekształceniu w grupę guanidynową (H2N−C(NH)−NH−) i cytrulina przechodzi w argininę.
Donorem grupy aminowej jest kwas asparaginowy, a związkiem przejściowym
na drodze od cytruliny do argininy – kwas argininobursztynowy:
Końcową reakcją w biosyntezie mocznika jest hydroliza argininy, w wyniku
której uwolniony zostaje mocznik i odtworzona ornityna, zdolna do ponownego
oddziaływania z karbamoilofosforanem. W ten sposób cykl przedstawionych reakcji, prowadzących do powstania mocznika, może ulegać odtworzeniu. Cykl syntezy
mocznika ze względu na udział ornityny nazwano cyklem ornitynowym (rys. 7.3).
Rozdział 7. Przemiana białek
235
Rys. 7.3. Cykl ornitynowy (objaśnienie w tekście)
Kwas fumarowy może ulegać przekształceniu w kwas szczawiooctowy, który
na drodze transaminacji przechodzi w kwas asparaginowy. W związku z tym związanie cząsteczki NH3 i odtworzenie kwasu asparaginowego umożliwia przejście
reakcji cyklu ornitynowego, którego podstawowym efektem jest synteza cząsteczki
mocznika z dwóch cząsteczek NH3 i jednej cząsteczki CO2, uwalnianych przede
wszystkim w wyniku rozpadu aminokwasów.
Tworzenie nowych aminokwasów. Omawiane uprzednio tworzenie nowych aminokwasów dotyczyło sytuacji, w których produktem wyjściowym dla syntezy nowych były gotowe aminokwasy ulegające przekształceniom dając nowe produkty
na drodze wtórnej syntezy. Pierwotna synteza aminokwasów w organizmie realizowana jest poprzez redukcyjne aminowanie ketokwasów lub proste aminowanie
kwasów nienasyconych.
Proste aminowanie kwasów nienasyconych jest reakcją specyficzną głównie
dla bakterii i roślin. Aminowanie kwasu fumarowego katalizowane przez liazę
asparginianową przebiega zgodnie z równaniem:
HOOCCH=CHCOOH + NH3
Kwas fumarowy
Liaza
⇔
asp arg inianamonowa
HOOCCH(NH2)CH2COOH
Kwas asparaginowy
Reakcja jest odwracalna, a przebiegając od kwasu asparaginowego powoduje
jego dezaminację. Immobilizowana liaza asparginianamonowa znalazła zastosowanie w produkcji kwasu L-asparaginowego, który naturalnie syntetyzowany jest
na drodze transaminacji metabolitów cyklu Krebsa, tj. oksoglutaranu i szczawiooctanu.
Podstawy biochemii
236
Redukcyjne aminowanie jest podstawowym sposobem powstawania nowych
cząsteczek aminokwasów. Reakcja ta jest odwróceniem oksydacyjnej dezaminacji
aminokwasów. Jej równanie przedstawione powyżej i odczytane od strony prawej
do lewej prowadzi do redukcyjnego aminowania kwasu α-ketoglutarowego.
Reakcji redukcyjnego aminowania ulega też kwas pirogronowy:
CH3COCOOH + NH3 + NADH + H+
Dehydrogenaza
⇔
alaninowa
CH3CH(NH2)COOH + NAD+ + H2O
Zasadniczo możliwe jest redukcyjne aminowanie każdego ketokwasu, ale
w związku ze znikomą aktywnością większości, oprócz specyficznych dla kwasu
glutaminowego i alaniny naturalnych dehydrogenaz, synteza wszystkich pozostałych aminokwasów białkowych na tej drodze nie ma praktycznego znaczenia. Tylko dwa wymienione wyżej aminokwasy powstają z kwasu pirogronowego i α-ketoglutarowego, czyli ze związków stanowiących produkty rozpadu węglowodanów
i kwasów tłuszczowych.
Drogą redukcyjnego aminowania dochodzi do syntezy kwasu asparaginowego
oraz alaniny i kwasu glutaminowego, czyli tzw. aminokwasów pierwotnych. Pozostałe, tzw. aminokwasy wtórne, są efektem przekształceń odpowiednich ketokwasów lub innych aminokwasów w procesach matabolicznych (rys. 7.4).
Rys. 7.4. Wzajemne zależności reakcji leżących u podstaw biosyntezy pierwotnych
i wtórnych aminokwasów:
1, 2, 3 – aminokwasy pierwotne: kwas glutaminowy, alanina i kwas asparaginowy; a – dehydrogenaza glutaminowa, b – dehydrogenaza alaninowa, c – aspartaza
Rozdział 7. Przemiana białek
237
Procesy syntezy aminokwasów mają odmienny charakter u roślin i u zwierząt.
U roślin, poza 18 aminokwasami spotykanymi zawsze w białkach, wytwarzana jest
duża ilość aminokwasów niebiałkowych. Całkowita liczba aminokwasów zidentyfikowanych u organizmów roślinnych sięga kilkuset, przy czym niektóre z nich
charakterystyczne są tylko dla określonego gatunku i decydują o przynależności do
odpowiedniego taksonu.
W odróżnieniu od roślin zwierzęta nie syntetyzują wszystkich aminokwasów.
Z 18 aminokwasów, które wchodzą w skład białek zwierzęta mogą syntetyzować
około połowy, a pozostałe muszą być dostarczane organizmowi w gotowej formie.
Aminokwasy syntetyzowane w organizmach zwierzęcych nazywane są aminokwasami endogennymi, natomiast aminokwasy, które są dostarczane z pożywieniem –
egzogennymi.
Zestaw aminokwasów endogennych i egzogennych może się zmieniać w zależności od gatunku zwierzęcia, ale w większości przypadków do aminokwasów egzogennych zalicza się: walinę, leucynę, izoleucynę (o łańcuchach rozgałęzionych),
treoninę, metioninę, lizynę (pochodzące biogenetycznie od kwasu L-2amino-3formylopropionowego) oraz fenyloalaninę i tryptofan (zawierające pierścień aromatyczny). Interesujące jest, że aminokwasy endogenne w większości przypadków
posiadają ujemny stopień utlenienia atomów węgla, podczas gdy aminokwasy niezamienne mają zawsze dodatni. Fakt ten może świadczyć o tym, że aminokwasy
zamienne są ewolucyjnie młodsze (powstały w utleniającej atmosferze planety) od
niezamiennych.
Niedostateczna ilość jednego lub kilku aminokwasów egzogennych dostarczanych z pożywieniem zakłóca prawidłowy rozwój zwierząt w związku niskim poziomem syntezy określonych białek. Białka roślinne zawierają niewiele lizyny,
metioniny i tryptofanu, dlatego też deficyt tych aminokwasów spotykany jest najczęściej w pożywieniu zwierząt. Niepełnowartościowe pasze również nie zawierają
odpowiedniej ilości treoniny. Wzbogacenie pasz w aminokwasy egzogenne pozwala harmonizować wzrost organizmu, zwiększa przyrost masy ciała na każdą jednostkę pokarmową, poprawia wykorzystanie białek w diecie podstawowej, szybko
podwyższając efektywność hodowli. Wprowadzenie do racji paszowej 0,2-0,5%
lizyny zwiększa produktywność hodowli świń i drobiu o 10-13% i zmniejsza zużycie białka paszowego do 25%.
Opisana sytuacja dotyczy aminokwasów szeregu L, ponieważ właśnie te odmiany izomeryczne są niezbędne dla syntezy białek. W związku z tym, że drogą
syntezy chemicznej można otrzymać tylko równomolowe mieszaniny obu form
izomerycznych szeregów D i L, tzw. racematy, podstawowa pula aminokwasów
niezbędnych dla potrzeb hodowli zwierząt uzyskiwana jest z hodowli bakteryjnych,
z których można izolować L-aminokwasy w ilości około kilku gramów na 1 litr
pożywki.