Abbau von Aminosäuren

Überblick

Verstoffwechselung der Aminosäuren über 3 Stoffwechselwege möglich:

1. Synthese neuer Proteine Proteine Proteine und Peptide
2. Bildung von Aminosäurederivaten
3. Energiegewinnung(Katabolismus)
   • Aufspaltung komplexer Moleküle in kleinere Einheiten → Erzeugung von Energie oder Verwendung der Moleküle in anabolen Reaktionen
   • Entfernung oder Austausch von funktionellen Gruppen
     • Transaminierung, Desaminierung und Decarboxylierung
     • Freigebung von überschüssigem Stickstoff in Form von Ammonium ( NH4 ⁺) → Umwandlung in Harnstoff im Harnstoffzyklus Harnstoffzyklus Harnstoffzyklus → Ausscheidung über den Urin
   • Katabolismus des restlichen Kohlenstoffgerüsts
     • Im Allgemeinen können alle 20 Aminosäuren in 1 von 6 Zwischenprodukten zerlegt werden: Pyruvat Pyruvat Glykolyse, Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels, Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels, Alpha-Ketoglutarat, Succinyl-CoA und Fumarat.
     • Ketogene Aminosäuren metabolisieren zu Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels → Verwendung im Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels, der Ketogenese oder der Fettsäuresynthese
     • Glucogene Aminosäuren werden durch Gluconeogenese Gluconeogenese Gluconeogenese in Glucose umgewandelt.
     • Einige Aminosäuren sind sowohl glucogen als auch ketogen.

Aminosäurederivate

Aminosäuren können zur Synthese vieler Stoffe verwendet werden. Das Bild unten zeigt die wichtigsten von Aminosäuren abgeleiteten Substanzen beim Menschen.

Transamination

Die Transaminierung ist die Übertragung einer Aminogruppe von einer Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren auf eine Alpha-Ketosäure (anstelle einer Alpha-Amino-Gruppe (NH ₂) besitzt diese eine Alpha-Keto-Gruppe (=O)).

• Die ursprüngliche Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren gibt eine Aminogruppe ab und nimmt stattdessen eine Ketogruppe auf → sie wird zu einer Alpha-Ketosäure.
• Die ursprüngliche Alpha-Ketosäure gibt ihre Ketogruppe ab und nimmt eine Aminogruppe auf → sie wird zu einer nicht-essenziellen Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren.
• Katalysator sind Aminotransferase-Enzyme.
  • Spezifisch für ein bestimmtes Aminosäure-Paar oder eine Gruppe mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung
  • Coenzym Pyridoxalphosphat (PALP, ein Derivat von Vitamin B6 Vitamin B6 Wasserlösliche Vitamine und deren Mangelerscheinungen) essenziell
  • In hoher Konzentrationen in der Leber Leber Leber lokalisiert

Dieser Prozess ist bedarfsabhängig. Wenn ein Aminosäure-Typ im Überschuss vorhanden ist, kann die Aminogruppe dieser Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren übertragen werden, um andere Aminosäure-Typen herzustellen, die der Körper derzeit dringender benötigt.

Alle gängigen Aminosäuren können über den Weg der Transamination reagieren, außer Lysin, Threonin, Prolin Prolin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren und Hydroxyprolin, die über eine Dehydrogenase katabolisiert werden.

Transaminasen

• Alanin-Aminotransferase (ALT oder ALAT) überträgt eine Aminogruppe von Alanin Alanin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren auf Alpha-Ketoglutarat und bildet Pyruvat Pyruvat Glykolyse und Glutamat.
• Aspartat-Aminotransferase (AST oder ASAT) überträgt eine Aminogruppe von Aspartat auf Alpha-Ketoglutarat und bildet Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels und Glutamat.

Beide Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme katalysieren reversible Reaktionen, die für den Transport von Stickstoff aus dem Gewebe in die Leber Leber Leber und in den Harnstoffzyklus Harnstoffzyklus Harnstoffzyklus essenziell sind.

Reaktionsschritte:

1. PALP reagiert mit der Aminogruppe der Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren und setzt H₂O frei.
2. Es bildet sich eine Schiff’sche Base, die die Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren destabilisiert.
3. Ein Wasserstoffatom wandert, wodurch die Doppelbindungen sich verschieben: Aldimin → Ketimin.
4. H₂O lagert sich an die Doppelbindung an → es entsteht Pyridoxaminphosphat (PAMP) und eine alpha-Ketosäure
5. PAMP kann nun mit einer Alpha-Ketosäure reagieren → Entstehung einer Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren und Wiederherstellung von PALP.

Desaminierung

Die Desaminierung ist eine Reaktion, bei der eine Aminogruppe von einer Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren entfernt und dadurch freies zytotoxisches Ammoniak freigesetzt wird:

Ammoniak → Ammonium → Harnstoff ( Harnstoffzyklus Harnstoffzyklus Harnstoffzyklus in der Leber Leber Leber)

Drei Arten der Desaminierung

1. Oxidative Desaminierung

• Durch Oxidation wird die Aminogruppe in eine Iminogruppe umgewandelt.
• NAD ⁺ bzw. NADP ⁺ wird zu NADH/H bzw. NADPH/H reduziert.
• Der Aminogruppe wird H₂O hinzugefügt, wodurch diese in eine Alpha-Keto-Gruppe umgewandelt wird → Freisetzung von Ammoniak

2. Hydrolytische Desaminierung

H₂O reagiert mit der Aminogruppe → irreversible Bindung einer OH-Gruppe → Abspaltung der Aminogruppe in Form von Ammoniak

3. Eliminierende Desaminierung:

• Kleine Aminosäuren ( Serin Serin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren oder Cystein Cystein Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren) eliminieren H₂O (oder Schwefelwasserstoff für schwefelhaltige Aminosäuren).
  • PALP als notwendiges Coenzym.
• Durch Hydrolyse wird die Aminogruppe abgespalten, wodurch Pyruvat Pyruvat Glykolyse entsteht.

Decarboxylierung

• Abspaltung einer Carboxylgruppe von einer Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren unter Freisetzung von CO₂
• Katalysiert durch das Enzym Decarboxylase
• PALP als Coenzym
• Entstandenen Amine erfüllen wichtige Funktionen im Körper = Biogene Amine
  • Histidin → Histamin (entscheidende Rolle bei allergischer Reaktion)
  • Weitere Beispiele: Glutamat → Gamma-Aminobuttersäure (GABA), 3,4-Dihydroxyphenylalanin → Dopamin

Katabolismus des Kohlenstoffskeletts

Der Katabolismus von Aminosäuren beinhaltet anaplerotische Reaktionen (chemische Reaktionen, die Substrate des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels bilden).

Der Abbau des Kohlenstoffgerüsts von Aminosäuren kann nach den Stoffwechselwegen klassifiziert werden, für die ihre katabolen Produkte als Zwischenprodukte dienen.

• Glucogene Aminosäuren →Zwischenprodukte der Gluconeogenes
• Ketogene Aminosäuren → Zwischenprodukte der Ketogenese
• Glucogene und ketogene Aminosäuren → beide Wege möglich

Alle Aminosäuren werden in 1 von 6 Zwischenprodukten zerlegt (siehe grüne Kästchen in der nachfolgenden Grafik): Pyruvat Pyruvat Glykolyse, Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels, Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels, Alpha-Ketoglutarat, Succinyl-CoA und Fumarat.

Glucogene Aminosäuren

Metabolisierung zu Pyruvat Pyruvat Glykolyse oder zu Metaboliten des Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels:

• Pyruvat Pyruvat Glykolyse (aus Serin Serin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren, Cystein Cystein Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren, Glycin, Alanin Alanin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren und Threonin)
  • Threonin → Glycin → Serin Serin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren → Pyruvat Pyruvat Glykolyse
• Succinyl-CoA (aus Methionin, Isoleucin, Valin und Threonin über Propionyl-CoA und Methylmalonyl-CoA)
• Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels (aus Asparagin über Aspartat)
• α-Ketoglutarat (aus Glutamin Glutamin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren, Arginin, Histidin, Prolin Prolin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren über Glutamat)
• Fumarat (aus Asparagin, Phenylalanin, Tyrosin über Aspartat)

Katabolische Produkte wandern entweder zur Energiegewinnung in den Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels oder werden als Substrate für die Gluconeogenese Gluconeogenese Gluconeogenese verwendet.

Ketogene Aminosäuren

Direkte Metabolisierung zu Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels → 1 von 3 möglichen Stoffwechselwegen:

• Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels → Produktion von ATP
• Ketogenese → Produktion von Ketonkörpern
• Synthese von Fettsäuren Fettsäuren Fettsäuren und Lipide, Cholesterin Cholesterin Cholesterinstoffwechsel oder anderen Lipiden

Glucogene und ketogene Aminosäuren

Metabolisierun zu Zwischenprodukten von lipidischen sowie glucogenen Stoffwechselwegen:

• Isoleucin → Propionyl-CoA → Methylmalonyl-CoA → Succinyl-CoA und Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels
• Phenylalanin → Tyrosin → Fumarat und Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels
• Threonin → Propionyl-CoA und Pyruvat Pyruvat Glykolyse (über Glycin + Acetaldehyd), Succinyl-CoA
• Tryptophan → Alanin Alanin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren und Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels

Eselsbrücke

Stoffwechselwege der Kohlenstoffgerüste von Aminosäuren:

• Glucogen: “I Met His Valentine, she is so sweet” (in Englisch)
  • Methionin
  • Histidin
  • Valin
• Ketogen: “The onLy pureLy ketogenic amino acids” (in Englisch)
  • Leucin
  • Lysin

Klinische Relevanz

Die folgenden Erkrankungen entstehen durch Störungen des Aminosäurestoffwechsels. Einige der aufgeführten Erkrankungen sind Teil des Neugeborenenscreenings ( Phenylketonurie Phenylketonurie Störungen des Aminosäurestoffwechsels, Ahornsirupkrankheit Ahornsirupkrankheit Störungen des Aminosäurestoffwechsels, Tyrosinämie Typ 1).

• Phenylketonurie Phenylketonurie Störungen des Aminosäurestoffwechsels: ein Defekt der Phenylalanin-Hydroxylase, der zu einer Beeinträchtigung der Umwandlung von Phenylalanin in Tyrosin und anschließender Akkumulation von Phenylalanin führt. Es kommt zu einer vermehrten Bildung von Phenylpyruvat. Symptome sind unter anderem eine psychomotorische Entwicklungsverzögerung und Krampfanfälle Krampfanfälle Krampfanfälle im Kindesalter. Unbehandelt kann die Phenylketonurie Phenylketonurie Störungen des Aminosäurestoffwechsels zu einer geistigen Retardierung führen.
• Ahornsirupkrankheit Ahornsirupkrankheit Störungen des Aminosäurestoffwechsels: ein Defekt der Dehydrogenase, der zur Ansammlung von verzweigtkettigen Aminosäuren führt. Symptome sind kognitive Behinderung, süß riechender Urin und Dystonie Dystonie Dystonie. Unbehandelt führt die Erkrankung in den ersten Lebenswochen zum Tod.
• Homocystinurie: ein Mangel des Enzyms Cystathionin-β-Synthase, der zu einer Akkumulation von Homocystein führt. Symptome sind unter anderem Hautrötungen, Entwicklungsverzögerung, Linsenluxation, Gefäßerkrankung und Osteoporose Osteoporose Osteoporose. Es kann zu lebensgefährlichen, thromboembolischen Ereignissen kommen.
• Tyrosinämie: ein Mangel an Fumarylacetoacetat-Hydrolase, dem letzten Enzym im Tyrosin-Abbau. Symptome sind unter anderem Lebererkrankungen(malignes Leberzellkarzinom), mangelhafte Gewichtszunahme, periphere Nervenerkrankungen und Nierendefekte
• Alkaptonurie: ein Mangel an Homogentisinsäureoxygenase, der den normalen Abbau von Tyrosin zu Fumarat beeinträchtigt. Symptome sind unter anderem eine bläulich-schwarze Verfärbung der Sklera Sklera Anatomie des Auges, ochronotische Arthropathie und Verkalkungen verschiedener Gewebe.