Die biochemischen Prozesse, die während des Aminosäurenstoffwechsels ablaufen, dienen dem Auf- und Abbau der Aminosäuren. In folgendem Beitrag werden vor allem die drei wichtigsten Reaktionen des Stoffwechsels, also die Transaminierung, die Desaminierung und die Decarboxylierung in einem kompakten Überblick erklärt, sodass Sie perfekt auf zukünftige Prüfungen vorbereitet sind.
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aminosäurestoffwechsel

Bild: “Amino acid catabolism revised” von Mikael Häggström. Lizenz: Public Domain


Definition der Aminosäuren

struktur von einer aminosäure

Bild: “General structure of an aminoacid” von Ppfk. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Aminosäuren bilden mittels Peptidbindungen Polymere. Diese Polymere sind vielmehr als Proteine bekannt und stellen neben den Kohlenhydraten und Fetten, Hauptnahrungs- und Körperbestandteil dar. Da Aminosäuren, wie der Name vermuten lässt, eine stickstoffhaltige Aminogruppe in ihrem Grundgerüst haben (NH2, NH, N), sind Proteine ein wichtiger Stickstoffdonator. Stickstoff ist essentiell für zahlreiche Verbindungen und Funktionen. Daher sind Proteine als wichtiger Nahrungsbestandteil nur teilweise für die Energiebereitstellung interessant (sie liefern natürlich trotzdem ihren nicht unerheblichen Beitrag zur Gesamtenergiemenge), vielmehr ist der Organismus an ihnen als Aminosäurelieferant interessiert. Mittels der gelieferten und im Organismus bereits vorhandenen Aminosäuren werden neue Proteine aufgebaut.

Proteine

Funktion der Proteine

Proteine dienen als:

  • Baustoff, zum Beispiel das Keratin in den Finger-und Fußnägeln
  • Transportstoff, zum Beispiel das Albumin im Blutkreislauf
  • Signalstoff, zum Beispiel als G-Protein in der Signaltransduktion
  • Werkzeug, zum Beispiel Enzyme zum Auf-und Abbau von Strukturen

Proteine sind so elementar, dass ihre Bauanleitung auf der DNA in unserem Erbgut festgeschrieben ist. Nur mit ihrer Hilfe kann ein Organismus überhaupt funktionsfähig aufgebaut werden, da die notwendigen Werkzeuge und Bauarbeiter stets Proteine sind. Aminosäuren sind so wichtig, dass sie nicht einfach so verschleudert werden dürfen. Außerdem erfordern ständige Abbau- und Umbauprozesse im Körper ein ausgeklügeltes Recyclingsystem: der Aminosäurestoffwechsel.

Aufbau der Proteinogenen Aminosäuren

Selenocysteine

Bild: “Selenocysteine” von Teuteul. Lizenz: gemeinfrei

Es existieren mindestens 1000 verschiedene Proteine, jedoch sind für den menschlichen Organismus hauptsächlich die proteinogenen Aminosäuren von Bedeutung. Proteinogene Aminosäuren, zu denen 20 bzw. 21 Aminosäuren zählen, bilden die Grundbausteine der Proteine. Manchmal wird auch die semiessentielle Aminosäure Selenocystein den proteinogenen Aminosäuren zugeordnet, weswegen die Zahl 21 auftaucht.

Ähnlich wie beim Alphabet, bei dem verschiedene Kombinationen aus den Buchstaben neue Wörter bilden, werden aus den Aminosäuren die verschiedensten Proteine aufgebaut, die entsprechend vielfältige Aufgaben wahrnehmen. Aminosäuren gelangen als Protein verpackt mittels beispielsweise Soja, Milch oder Fleisch in den Organismus.

Transportproteine

Über die Verdauungsmechanismen werden sie in Aminosäuren aufgespalten und gelangen durch spezifische Transporter in den Blutkreislauf. Von da aus werden sie wiederum mit Hilfe von Transportproteinen in die Körperzellen eingeschleust. Die Verstoffwechselung der postprandial anflutenden Aminosäuren erfolgt vorwiegend in Leber und Niere. Durch Abbau von Strukturen (z.B. Muskelprotein) entstehen ebenfalls ständig freie Aminosäuren, so dass sich also stets ein gewisser Pool an freien Aminosäuren ergibt. Für die einzelne Aminosäure im Aminosäurepool gibt es drei Reisemöglichkeiten:

  1. Einbau in Struktur- und Gewebeproteine bei der Erneuerung von Gewebsstrukturen
  2. Katabolismus: Desaminierung (Entfernung der Aminogruppe) und Oxidation des Kohlenstoffgerüsts zu CO2 und ATP bzw. Umwandlung in Energiespeicher wie Glykogen oder Lipide und Harnstoffsynthese aus der Aminogruppe.
  3. Anabolismus: Synthese von stickstoffhaltigen Verbindungen wie Purinbasen, Kreatin, Adrenalin.

Die drei wichtigsten Reaktionen im Aminosäurestoffwechsel sind die Transaminierung, die Desaminierung und die Decarboxylierung. Je nach aktueller Stoffwechsellage, erfolgt eine Umschichtung der vorhandenen Aminosäuren oder deren kompletter Abbau.

Transaminierung von Aminosäuren

Eine der zentralsten Reaktionen im Aminosäurestoffwechsel ist die Transaminierung. Dabei wird, wie der Name bereits vermuten lässt, die Aminogruppe transferiert. Dadurch kann eine Aminosäure, die gerade nicht gebraucht wird, zu einer anderen Aminosäure, die eben gerade benötigt wird, umgebaut werden. Die Umverteilung der Aminogruppe erfolgt geschickterweise auf eine alpha-Ketosäure, die im Prinzip das Pendant zu den alpha-Aminosäuren bildet. Alpha-Ketosäuren unterscheiden sich in ihrer Struktur von den alpha-Aminosäuren lediglich dadurch, dass sie eine Ketogruppe statt Aminogruppe aufweisen.

Transaminierung zwischen aminosäure und ketosäure

Bild: “aminotransfer reaction between an amino acid and an alpha-keto acid.” von Alcibiades. Lizenz: gemeinfrei

schiffsche base

Bild: “Imin_Allgemeine Formel” von Jü. Lizenz: gemeinfrei

Durch die Transaminierung entsteht aus der alpha-Ketosäure eine neue Aminosäure, die dem Stoffwechsel zur Verfügung steht. Das zuständige Enzym wird Aminotransferase genannt. Die Aminotransferase benötigt für ihre Arbeit aber noch einen Kollegen: das Pyridoxalphosphat (PALP). Dies ist ein aus dem Vitamin B6 (Pyridoxin) durch Phosphorylierung hergestelltes Coenzym. Das PALP hat eine Aldehydgruppe (H-C=O), die bei der Transaminierung mit der Aminogruppe der Aminosäure reagiert (unter Abspaltung von H2O). Dabei entsteht eine Schiff`sche Base (R-NH2). Diese Reaktion macht die Aminosäure instabil und es kommt zur Atomwanderung des Wasserstoff-Atoms, wodurch sich die Doppelbindung verschiebt und aus dem vorherigen Aldimin (H-C=O) ein Ketimin (R-C=O) wird.

Die nun erfolgende Anlagerung von Wasser an eben jene Doppelbindung führt zur Bildung der alpha-Ketosäure. Das PALP ist bei dieser Reaktion zum PAMP (Pyridoxaminphosphat) reduziert worden. Das macht aber gar nichts, denn auch die Rückreaktion ist eine gängige Variante, um wieder eine Aminosäure zu generieren. Hierbei reagiert das Pyridoxaminphosphat mit einer weiteren alpha-Ketosäure und das PALP ist wieder hergestellt.

Die zwei wichtigsten Transaminasen sind die Alanin-Aminotransferase, ALAT bzw. ALT und die Asparagin-Aminotransferase, ASAT bzw. AST. Die ALAT überträgt eine Aminogruppe vom Alanin auf alpha-Ketoglutarat, wodurch Pyruvat und Glutamat entstehen (daher früher auch unter dem Namen Glutamat-Pyruvat-Transaminase, GPT bekannt).  Die ASAT überträgt die Aminogruppe vom Asparagin auf alpha-Ketoglutarat, wodurch Oxalaceteat und Glutamat entstehen. Beide Transaminasen sind wichtige diagnostische Marker, die bei einem Anstieg der Werte im großen Blutbild auf einen vermehrten Untergang von Zellen in der Leber (ALAT) und Herz (ASAT und ALAT) hinweisen.

Pyridoxalphosphat

Das Pyridoxalphosphat, oder kurz das PALP, ist das bedeutendste Coenzym im Aminosäurestoffwechsel. Bei PALP handelt es sich um die biologisch aktive Form des Pyridoxals – der Aldehydform des Vitamin B6. Vitamin B6 taucht auch als Amin (Pyridoxamin) und Alkohol auf (Pyridoxin). Die Vitamin B6-Derivate sind ineinander überführbar. Sie werden mit der Nahrung aufgenommen und sind sowohl in tierischer (Pyridoxal und Pyridoxamin) als auch pflanzlicher Nahrung (Pyridoxin) vertreten.

Pyridoxalphosphat

Bild: “Pyridoxalphosphat” von NEUROtiker. Lizenz: gemeinfrei

Verhältnismäßig vitamin-B6-reich sind Weizenkeime. PALP ist im Aminosäurestoffwechsel als Coenzym bei Transaminierungsreaktionen, Decarboxylierungsreaktionen (z.B. bei der Bildung biogener Amine) und Desaminierungsreaktionen beteiligt. Das PALP bindet an einen Lysinrest des jeweiligen Enzyms der Reaktion, z.B. an die Alaninaminotransferase (ALT) und bildet eine Schiffsche Base mit der Aminosäure. Der im Pyrimidinring enthaltene Stickstoff des PALP hat eine starke elektronenziehende Wirkung, wodurch es zu Bindungsverschiebungen kommt.

Desaminierung von Aminosäuren

Bei bestehendem Überangebot an Stickstoff in Form von Aminosäuren irgendwo im Körper muss dieser entsorgt werden. Die Desaminierung dient dem Abbau der Aminosäure. Allerdings entsteht dabei freies und zelltoxisches Ammoniak, welches schnell weiter zu Harnstoff verstoffwechselt werden muss. Die energieaufwändige Harnstoffsynthese findet in der Leber statt, demnach muss der überschüssige Stickstoff aus der Peripherie zunächst zur Leber gelangen. Dies erfolgt mittels dreier zentraler Aminosäuren:  dem Alanin (Aufbau aus Pyruvat), dem Glutamin (Aufbau aus Aspartat) und dem Aspartat (Aufbau aus Oxalacetat).

Desaminierung

Bild: “Die Desaminierung von Alpha-Aminosäuren unter dem katalytischen Einfluss von D-Aminosäureoxidase.” von Kuebi. Lizenz: gemeinfrei

Bei der Desaminierung werden drei verschiedene Reaktionen unterschieden:

  • die oxidative Desaminierung
  • die hydrolytische Desaminierung
  • die eliminierende Desaminierung.

Oxidative Desaminierung

Wie bei der Transaminierung wird auch bei der oxidativen Desaminierung mittels einer Dehydrogenase eine Schiff`sche Base gebildet, genauer entsteht aus der Aminogruppe durch Oxidation eine Iminogruppe (C=N).  Elektronenempfänger sind die Coenzyme NADbzw. NADP+, welche bei diesem Vorgang zum NADH/H bzw. NADHPH/H reduziert werden. Unter Wasseranlagerung entsteht aus der Iminogruppe nun eine alpha-Ketosäure, wobei Ammoniak (NH3) freigesetzt wird. Da diese Reaktion umkehrbar ist, spricht man gelegentlich auch von einer Fixierungs- und Freisetzungsreaktion, was sich auf den dabei freigesetzten oder neu gebundenen Ammoniak bezieht.

Beispiel: Glutamat-Dehydrogenase-Reaktion mittels der Glutamatdehydrogenase: Glutamat – Iminosäure – alpha-Ketoglutarat

Hydrolytische Desaminierung

Bei der hydrolytischen Desaminierung reagiert Wasser mit der Aminogruppe. Dabei wird irreversibel eine Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) angelagert und die Aminogruppe in Form von Ammoniak abgespalten. Bei der Glutaminasereaktion von Glutamin zu Glutamat heißt das zuständige Enzym Glutaminase. Die Reaktion findet auch bei der Aminosäure Asparagin zu Aspartat statt (das zuständige Enzym heißt zufälligerweise Asparaginase).

Eliminierende Desaminierung

Kleine Aminosäuren, wie Serin oder Cystein, können auch durch die eliminierende Desaminierung von ihrem Stickstoff (in Form von Ammoniak) und Abspaltung von Wasser bzw. Schwefelwasserstoff bei schwefelhaltigen Aminosäuren befreit werden. Für diese Reaktion ist wieder PALP als Partner notwendig. Durch diese Hydratisierung entsteht eine Doppelbindung und nach nachfolgender Hydrolyse wieder eine α-Ketosäure.

Decarboxylierung von Aminosäuren

Erfolgt eine Abspaltung der Carboxylgruppe aus der Aminosäure, entsteht ein Amin und CO2 als Nebenprodukt. Die Reaktion wird von dem Enzym Decarboxylase katalysiert, welches hierfür noch als Partner das PALP benötigt. Die entstandenen Amine erfüllen ebenfalls wichtige Funktionen im Körper, weshalb man sie als biogene Amine bezeichnet.

Ein bekannter Vertreter ist das Histamin, welches aus der Decarboxylierung der basischen Aminosäure Histidin entsteht. Das zuständige Enzym heißt dementsprechend Histidin-Decarboxylase. Histamin ist ein wichtiger Mediator und spielt beispielsweise bei der allergischen Sofortreaktion eine Rolle. Weitere bekannte stoffwechselrelevante biogene Amine sind z.B. GABA (Gamma-Aminobuttersäure aus Glutaminsäure) und Dopamin (aus 3,4-Dihydroxyphenylalanin).

Zentrale Aminosäuren

Es gibt vier Aminosäuren und ihre Ketosäuren, die quasi als Drehscheibe des Aminosäurestoffwechsels bezeichnet werden können, da sie von besonderer Bedeutung sind und die wichtigsten Stoffwechselwege über diese Aminosäuren ablaufen:

  • Glutamat und alpha-Ketoglutarat
  • Glutamin und alpha-Ketoglutarat
  • Alanin und Pyruvat
  • Aspartat und Oxalacetat

Glutamin, Glutamat und alpha-Ketoglutarat

struktur Glutamin

Bild: “Struktur von Glutamin” von NEUROtiker. Lizenz: gemeinfrei

Glutamin ist die Aminosäure, die am häufigsten im Blutplasma anzutreffen ist. Glutamin transportiert Stickstoff in sämtliche Körperzellen, die diesen beispielsweise zum Aufbau von Purin und Pyrimidin in der Nukleotidbiosynthese benötigen. Auch als Aminogruppendonor wird Glutamin gebraucht: In der Niere erfolgt die Desaminierung des Glutamins, um freien Ammoniak zu gewinnen.

Das Ammoniak wird im proximalen Tubulus sezerniert und neutralisiert dort die Säuren im Urin unter Bildung von Ammoniumionen (NH4+). Bei diesem Vorgang entsteht aus Glutamin über Glutamat das alpha-Ketoglutarat, welches direkt in den Citratcyklus eingespeist werden kann. Damit werden gleich zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen, denn das alpha-Ketoglutarat füllt damit den Citratcyklus wieder auf, wenn Oxalacteat für die Gluconeogenese abgezogen wurde.

Alanin und Pyruvat

struktur Pyruvat

Bild: “Struktur von Pyruvat” von NEUROtiker. Lizenz: gemeinfrei

Die Aminosäure Alanin ist das Pendant zur alpha-Ketosäure Pyruvat bzw. zu deren Salz (Brenztraubensäure, alpha-Ketopropionsäure). Über Pyruvat und Alanin können Aminosäuren in den Citratcyklus eingeschleust und zu CO2 und Energie abgebaut werden. Möglich ist jedoch auch der Aufbau von Glucose in der Gluconeogenese ausgehend vom Pyruvat oder dessen Verstoffwechselung zu Laktat unter anaeroben Bedingungen.

Alanin – Pyruvat

1) CO2 + ATP

oder 2) Glucose

oder 3) Lactat

Wird Alanin im Muskel abgebaut, gelangt es zunächst über den Blutkreislauf zur Leber. Dort erfolgt über die Transaminierung, ausgehend vom so entstandenen Pyruvat, die Synthese von Glucose in der Gluconeogenese. Die Glucose gelangt wieder über den Blutkreislauf zur Muskulatur und dient dort in der Muskelzelle zur Energiebereitstellung durch den Abbau der Glukose in der Glykolyse.

Dabei entsteht wiederum Pyruvat. Pyruvat erhält über die Transaminierungsreaktion eine Aminogruppe einer Aminosäure aus dem Abbau von Muskelprotein. Das Alanin gelangt  zur Leber, wo es wiederum zu Pyruvat transaminiert und zum Glukoseaufbau in der Gluconeogenese zur Verfügung steht.  Das Enzym, welches für das hin und her transferieren der Aminogruppen zuständig ist, heißt Alanin-Aminotransferase (ALT, ALAT).

Aspartat und Oxalacteat

Ein weiteres wichtiges Reaktionspaar sind die Aminosäuren Asparagin und Oxalacetat (alpha-Ketobernsteinsäure). Deren Transformation erfolgt mittels des Enzyms Asparagin-Aminotransferase (AST, ASAT), dessen Konzentration ebenfalls als diagnostischer Marker im Blutbild bestimmt wird. Die ASAT katalysiert die Übertragung der Aminogruppe vom Asparagin auf alpha-Ketoglutarat, wodurch Oxalacetat und Glutamat entstehen. Aus diesem Grunde war dieses Enzym früher auch unter dem etwas sperrigen Namen Glutamat-Oxalacatet-Transaminase (GOT) bekannt.

Eine Erhöhung der ASAT im Blut kann auf Erkrankungen der Leber und des Herzes hinweisen, da das Enzym in den Hepatocyten und in den Herzmuskelzellen mengenmäßig stark vorkommt und bei Zerstörung dieser Zellen die Transaminasen im Blut ansteigen. Oxalacetat kann in den Citratcyklus oder in die Gluconeogenese einsteigen. Glutamat kann weiter zum alpha-Ketoglutarat transformiert werden oder beispielsweise in der oxidativen Desaminierung zur Ammoniaksynthese in der Niere verwendet werden.

Störungen im Aminosäurestoffwechsel

Eine relativ häufig auftretende genetisch bedingte Störung im Aminosäurestoffwechsel ist die Phenylketonurie, PKU (betrifft ca. 1 Neugeborenes von 10 000). Jedes Neugeborene wird auf PKU getestet (u.a. mit dem Guthrie-Test), da mit einer streng eingehaltenen Diät die Folgen der Erkrankung weitestgehend vermieden werden können.

Phenylketonurie Schema

Bild: “Schema der Phenylketonurie” von Pacelchen. Lizenz: gemeinfrei

Durch einen Defekt des Enzyms Phenylalanin-Hydroxylase kommt es zur Anreicherung der Aminosäure Phenylalanin im Gewebe. Der Körper baut  Phenylalanin nun zur Ketonsäure Phenylpyruvat um. Dieses Produkt wird teilweise ausgeschieden, was den Namen Phenyl-Keton-Urien erklärt, teilweise aber auch weiter verstoffwechselt, wodurch dummerweise zelltoxische Substrate entstehen. Diese verursachen vor allem im ZNS an den Myelinscheiden Schäden. Die Folgen der Erkrankung sind geistige Retardierung. Das Neugeborenen-Screening zielt darauf ab, Erkrankte zu identifizieren und sie einer gezielten phenylalaninarmen und tyrosinreichen Kost zuzuführen (Tyrosin wird durch den Defekt zur essentiellen Aminosäure). Auf diese Weise können Schädigungen verhindert oder zumindest eingedämmt werden.

Beliebte Prüfungsfragen zum Aminosäurestoffwechsel

1) Welche Aussage zu Aminotransferasen trifft nicht zu?

  1. Aminotransferasen übertragen Aminogruppen zwischen Aminosäuren und alpha-Ketosäuren.
  2. Während der Reaktion wird die Aminogruppe von Aminosäuren auf Pyridoxalphosphat übertragen.
  3. Aspartat-Aminotransferase (GOT) benutzt alpha-Ketopropionsäure als alpha-Ketosäure.
  4. Alanin-Aminotransferase (GPT) benutzt alpha-Ketogutarsäure als alpha-Ketosäure.
  5. Bei der Phenylketonurie wird die Aminosäure Phenylalanin vermehrt zu Phenylpyruvat transaminiert.

2) Histamin, ein Mediator der allergischen Sofortreaktion, entsteht enzymatisch aus Histidin durch …

  1. …Decarboxylierung.
  2. …Desaminierung.
  3. …Hydroxylierung.
  4. …Methylierung.
  5. …Transaminierung.

3. Ammoniak ist für den menschlichen Organismus, insbesondere für das Gehirn, toxisch. Es ist daher wichtig, dass eine zu hohe Ammoniak-Konzentration verhindert wird. Die direkte Fixierung von molekularem Ammoniak durch kovalente Bindung an ein Substratmolekül kann katalysiert werden durch die …

  1. …Alanin-Aminotrannsferase.
  2. …Aspartat-Aminotransferase.
  3. …Glutamat-Dehydrogenase.
  4. …Glutaminase.
  5. …Transglutaminase.

Quellen

Horn, Florian: Biochemie des Menschen. 5. Auflage. Georg Thieme Verlag. Stuttgart. 2012

Duale Reihe: Biochemie. 2. Auflage. Georg-Thieme-Verlag. Stuttgart. 2008

Schwarze Reihe: 1. ÄP. Biochemie. 19. Auflage. Georg-Thieme-Verlag. Stuttgart. 2008

Biesalski, Hans Konrad: Taschenatlas der Ernährung. 2. Auflage. Georg-Thieme-Verlag. Stuttgart. 2002

Lösungen zu den Fragen: 1C, 2A, 3C



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