Lämmastikku sisaldavate ühendite metabolism

1. Lämmastiku tsükkel biosfääris2. Aminohapete biosüntees3. Aminohapete katabolism4. Ammooniumi elimineerimine organismist5. Aminohapped kui prekursorid biosünteesis

Lämmastiku tsükkel

Lämmastik esineb mitme oksüdatsiooniastmega kujul erinevates anorgaanilistes ühendites ja orgaanilistes ühendites nii atmosfääris kui biosfääris

Anorgaanilised ühendid

nitraat NO3- +5

nitrit NO2- +3

lämmastik N2 0ammoonium NH4

+ -3

Biokeemia

aminohappedvalgudpürimidiinidpuriinidbiogeensed amiinidporfüriinid

Lämmastiku tsükkel

Mullabakteritel on oluline roll biosfääri lämmastiku ringes

•Nitrogenaasi sisaldavad lämmastikku fikseerijad N2 NH3

•Nitrosomonas liigid NH3 NO2-

•Nitrobacter liigid NH3 NO3-

•Denitrifitseerijad NO3- N2

Oluline roll lämmastiku fikseerimisel on elektrilahendustel atmosfääris

Paljud organismid kasutavad lämmastiku allikana orgaanilisi ühendeid

Lämmastiku fikseerimine

N N + 3H2 2NH3

Väga raskesti lõhutavkolmikside

Lämmastikku fikseerivates organismides katalüüsib vastavat reaktsiooni dinitrogenaasi kompleks. Vajab tubevat redutseerivat agenti ja kulutab suure hulga ATP energiat protsessi sooritamiseks

dinitrogenaasireduktas

dinitrogenaasireduktas

dinitrogenaas dinitrogenaas

dinitrogenaasireduktas+16ATP

dinitrogenaasireduktas+16ATP

ferredoksiinvõi flavodoksiin

ferredoksiinvõi flavodoksiin

Mo-Fe valk

Fe-S valk

16ATP16 ADP+16 Pi

2NH4+

N2 + 2H+H2

AH2 A

oksüdeerunud

redutseerunud

Lämmastiku fikseerimine

•Tugev redutseeriv agent elektronide allikana•ATP allikas•Elektrone ülekandev valk, mis muutub tugevaks taandajaks•Mo-Fe valk (dinitrogeeni reduktaas)•Mitteheemset Fe sisaldav Fe-S valk•N2 elektronide finaalse akseptorina

Summaarne reaktsioon

N2 + 10H+ + 8e- + 16ATP 2NH4+ + 16ADP + 16 Pi + H2

Aminohapete biosüntees

•Elusorganismid on võimelised lülitama ammooniumi orgaaniliste ühendite koossisu•Olulised on karbamoüülfosfaadi, glutamaadi ja glutamiini sünteesi reaktsioonid•Glutamiin ja glutamaat on kasutusel aminohapete ja teiste ühendite sünteesil•Karbamoüülfosfaat on kasutusel näiteks karbamiidi ja pürimidiinide sünteesil

Glutamaadi süntees

-ketoglutaraat on tsitraaditsükli vaheühend, mille kaudu on glutamaadi süntees seotud tsitraaditsükliga

Glutamiini süntees

Glutamiini süntetaas on allosteeriliselt reguleeritud. Paljud metaboolsete radade lõppproduktid nagu histidiin, trüptofaan, AMP, CTP jt inhibeerivad glutamiini süntetaasi.

Kõikidel organismidel on olemas glutamaadi dehüdrogenaas ja glutamiini süntetaas.

Kõrgematel taimedel ja prokarüootidel on olemas lisaks glutamaadi süntaas:

-ketoglutaraat + glutamiin + NADPH + H+ 2 glutamaat + NADP+

Aminohapete biosüntees

Igal aminohappel on unikaalne biosünteesi rada, mis üldiselt on konserveerunud erinevatel organismidel.

•Eristatakse 6 aminohapete perekonda vastavalt ühisele eellasmolekulile tsentraalses metabolismis•Aminohapete süsinikskelet pärineb glükolüüsi, tsitraaditsükli või pentoosfosfaadi raja intermediaatide hulgast•Aminorühm pärineb tüüpiliselt glutamaadi koosseisust

PüruvaatAlaniinValiin Leutsiin

Riboos-5-fosfaatHistidiin

-ketoglutaraatGlutamaat Glutamiin Proliin Arginiin

3-fosfoglütseraatSeriin Tsüsteiin Glütsiin

OksaloatsetaatAspartaat Asparagiin Metioniin Lüsiin Treoniin Isoleutsiin

Fosfoenoolpüruvaat+Erütroos-4-fosfaatTrüptofaanFenüülalaniin Türosiin

Asendatavad aminohapped

•Asendatavad aminohapped on sellised, mille biosünteesi rajad on loomadel olemas•Vastavad biosünteesi rajad on tüüpiliselt lihtsamad

Püruvaat + glutamaat alaniin + -ketoglutaraat

Oksaloatsetaat + glutamaat asparataat + -ketoglutaraat

Alaniiniaminotransferaas

Aspartaadi aminotransferaas

Seriini biosüntees

Glütsiini biosüntees

•Glütsiin sünteesitakse seriinist lähtudes•Sünteesil kasutatakse ebaharilikku 1C ülekannet•Reaktsioonis osaleb kofaktorina tetrahüdrofolaat

Hädavajalikud aminohapped

•Produtseeritakse taimede ja bakterite poolt•Biosünteesi rajad on pikemad ja keerukamad

Fenüülalaniini, türosiini ja trüptofaani biosüntees. Kõigil on 2 ühist etappi, fenüülalaniinil ja türosiinil 3.

Aminohapete katabolism

•Ca 75% aminohapetest kasutatakse valkude sünteesiks•Aminohapped saavad pärineda toidust saadud valkudest või endogeensete valkude degradatsioonist•Endogeensete valkude degradatsioon toimub pidevalt ja teatud hulk valke on pidevalt välja vahetamisel- protein turnover•Valgumolekulide eluiga rakus varieerub oluliselt

Mõnede valkude poolestusajad

Ensüümid 5-10 minHemoglobiin 120 päevaLihasvalgud 180 päevaKollageen 1000 päeva

Aminohapete metabolismi üldskeem

Aminohapped

Organismivalk

Valk toidust

Sünteesmaksas

Lämmastikuühendid

Uureatsükkel

Tsitraaditsükkel

C-skelett

lämmastik

katabolismseedimine

Aminohapete katabolism

Aminohappeid ei kasutata metaboolse kütusena pidevalt, vaid ainult järgmistel tingimustel

•Liiga palju valku toidus•Valkude retsükleerimine normaalsel tasemel•Nälg/diabeet

Aminohapete kataboolsed rajad

•Igal aminohappel on unikaalne degradatsiooni rada•Kõik aminohapped konverteeritakse põhimetabolismi ühenditeks minimaalsete kulutustega

Aminohapete katabolism

•Aminohapped ei moodusta depood analoogiliselt lipiididele ja sahhariididele•Aminohapete liia korral või teiste energiaallikate puudumisel kasutab organism aminohappeid energia saamiseks•Erinevalt süsivesikutest on aminohapete metabolismis olemas ammooniumi kujul lämmastiku eemaldamise probleem•Ammoonium tuleb organismist eemaldada kuna on toksiline

aminorühma eemaldamine

aminorühma eemaldamine on 2 etapiline protsessTransaminatsioon- aminotransferaasid kannavad aminorühma -ketoglutaraadi koosseisu tekitades glutamaadi või oksaloatsetaadi koosseisu tekitades aspartaadi

Oksüdatiivne deamineerimine- Aminorühma eemaldamine glutamaadi koosseisust ammooniumiooni produtseerimisega

B6 vitamiin ja transamineerimine

Aminotransferaaside koosseisu kuulub prosteetilise rühmana püridoksaalfosfaat, mis tekib vitamiin B6-st.

Aminorühma eemaldamise reaktsioonide summaarne skeem

-aminohape-ketoglutaraat

-ketohape

glutamaat

oksaloatsetaat

aspartaat

transamineerimineOksüdatiivnedeamineerimine

Uurea tsüklisse

NAD+ +H2O

NADH + NH4+

Süsinikskeleti katabolism

•Aminohapped degradeeeritakse üheks või kaheks seitsmest vaheühendist•Kõik süsinikskeletid suunduvad lõppkokkuvõttes tsitraaditsüklisse

Ketogeensed aminohapped•Produtseerivad ketokehasid•Degradeeritakse atsetüül-CoA-ks või atsetoatsetüülCoA-ks

Glükogeensed aminohapped•Degradeeritakse püruvaadiks, -ketoglutaraadiks, suktsinüül-CoA-ks, fumaraadiks või oksaloatsetaadiks•Glükogeensed aminohapped on seega eellasteks glükoosi neogeneesil

Süsinikskeleti katabolism: hargnenud kõrvalahelaga alifaatsedaminohapped

Isoleutsiin, leutsiin ja valiin – katabolismis sarnased reaktsioonid

•Transaminatsioon katalüüsitud hargnenud ahelaga transaminaasi poolt• -ketoproduktid dekarboksüleeritakse järgnevalt ensüümkompleksi poolt, mis sarnaneb püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksile•Edasine katabolism on erinev

Fenüülalaniini katabolism

•Esimese reaktsioonina toimub hüdroksüleerimine türosiiniks•Järgnevalt toimub transamineerimine

Fenüülketonuuria•Geneetiline defekt fenüülalaniini hüdroksülaasi geenis•Sagedus 1:13000•Põhjustab füüsilist ja vaimset alaarengut•Ravi- fenüülalaniini piiramine toidus kuni 10a vanuseks saamiseni

Lisaks fenüülketonuuria on tuntud veel teisi fenüülalaniini metabolismi häireid

Ammooniumiooni elimineerimine

Kõik üleliigsed aminohapped deamineeritakseTekkiv ammooniumioon on toksiline ja tuleb kõrvaldada organismist

Uurea tsükkel- energiamahukas tsükliline rada ammooniumi konverteerimiseks

Toimub maksasTulemuseks uurea ehk karbamiidi

moodustumineUurea elimineeritakse uriini abil

Uurea tsükli blokeerimine on letaalneTeist alternatiivi ammooniumi eemaldamiseks poleOn rida geneetilisi defekte, mis mõjutavad

arginaaskarbamoüülfosfaadi süntaasOrnitiini transkarbamoülaas

Aminohapped on prekursoriteks teistele biomolekulidele

Porfüriinid- heem, klorofüll, tsütokroomid

Heem- ca 900 miljardit Hg molekuli tekib igas sekundis täiskasvanud organismis, 1 Hg- 4 heemi

Esiteks tekib -aminolevulinaat glütsiini ja suktsinüülCoA kondensatsioonil

2 ALA molekuli kondenseerimisel tekib porfobilinogeen, mis on reguleeritav etapp

4 porfobilinogeeni kondenseerimisel tekib protoporfüriin IX

protoporfüriin IX seob Fe iooni, moodustub heemM

Puriin ja pürimidiinnukleotiidide süntees

Nukleotiidid koosnevad järgmistest komponentidest:•Lämmastik alus- puriin või pürimidiid•Suhkur- riboos või desoksüriboos•Fosfaat

Nukleotiidid kuuluvad DNA, RNA, FAD, NAD+, CoASH, SAM koosseisu

Nukleotiide sünteesitakse kas

de novo (rada olemas kõigis organismides)päästerada kasutades

Puriinide ja pürimidiinide biosüntees

Päästerada90% toiduga saadavatest lämmastikalustest retsükleeritakse, võimalik oluliselt energiat kokku hoida. Päästerada olulisem puriinide korral

Olulised ensüümid

Adeniini fosforibosüüli transferaas Guaniini-hüpoksantiini fosforibosüüli transferaas

Adeniin + PRPP AMP + PPi

Guaniin + PRPP GMP + PPi

de novo süntees- süntees uuest lähtematerjalist

Põhietapid•Heterotsüklilise tuuma süntees•Riboosfosfaadi liitmine•Täiendav protsessing•Puriinidel ja pürimidiinidel erinev strateegia•Puriinide lämmastikalus moodustatakse PRPP küljes•Pürimidiinide korral liidetakse PRPP alles peale esmase heterotsükli sünteesi•Tsüklite erinevad aatomid on pärit mitmetest lähteühenditest