За да се говори за двадесетте аминокиселини, които съставляват протеини и модифицирани структури, трябва да бъдат описани поне дванадесет специализирани метаболитни пътя.
Но защо клетките използват толкова много метаболитни пътища, които изискват енергия (например за регенериране на каталитичните места на ензими), всеки с ензимно наследство, за да катаболизира аминокиселините? Почти всички аминокиселини могат да бъдат получени чрез специализирани пътища на метаболитите, които се използват в малка част за производство на енергия (например чрез глюконеогенеза и пътя на кетоновите тела), но които преди всичко водят до образуването на сложни молекули, с голям брой въглеродни атоми (например от фенилаланин и тирозин, в надбъбречните жлези, които са специализирани за тази цел, се произвеждат хормони); ако от една страна би било лесно да се произведе енергия от аминокиселини, от друга страна би било трудно да се конструират сложни молекули, като се започне от малки молекули: катаболизмът на аминокиселините дава възможност да се експлоатира техният скелет за получаване на по-големи видове.
Два или три хектолитра аминокиселини се разграждат ежедневно от здрав индивид: 60-100 g от тях се получават от протеините, въведени с диетата, но над 2 ets се получават от нормалния оборот на протеините, които са неразделна част от организма (аминокиселини) от тези протеини, които са повредени от окислително-редуциращи процеси, се заменят с други и се катаболизират).
Аминокиселините дават енергичен принос от гледна точка на АТР: след като са отстранени а-аминогрупата, оставащият карбонатен скелет на аминокиселините, след подходящи трансформации, може да влезе в цикъла на кребса. Освен това, когато липсва снабдяването с хранителни вещества и намалява количеството на глюкозата, се активира глюконеогенезата: ние наричаме глюконеогенетични аминокиселини тези, които след подходящи модификации могат да бъдат въведени в глюконеогенезата; Глюконеогенетичните аминокиселини са тези, които могат да бъдат превърнати в пируват или фумарат (фумаратът може да се превърне в пациент, напускащ митохондриите и в цитоплазмата се трансформира в оксалоацетат, от който може да се получи фосфоенолов пируват). Вместо това се казва, че кетогенните аминокиселини са тези, които могат да бъдат превърнати в ацетил коензим А и оцет-ацетат.
Току-що описаното е много важен аспект, защото аминокиселините могат да отстранят липсата на захар в случай на незабавно гладуване; ако гладуването продължава, след два дни се извършва липиден метаболизъм (тъй като не можете да атакувате твърде много протеиновите структури), в тази фаза, тъй като глюконеогенезата е много ограничена, мастните киселини се превръщат в ацетилкоензим А и в кетонни тела, От по-нататъшен пост дори мозъкът се адаптира, за да използва кетонни тела.
Прехвърлянето на а-аминогрупата от аминокиселините става чрез реакция на трансаминиране; за ензимите, които катализират тази реакция, се казва, че са трансаминази (или амино трансферази). Тези ензими използват ензимен кофактор, наречен пиридоксал фосфат, който се намесва със своята алдехидна група. Пиридоксал фосфатът е продукт на фосфорилиране на пиридоксин, който е витамин (В6), съдържащ се главно в зеленчуците.
Трансаминазите имат следните свойства:
Висока специфичност за α кетоглутарат-глутаматната двойка;
Те вземат името от втората двойка.
Трансаминазните ензими винаги включват α кетоглутарат-глутаматната двойка и се различават в зависимост от втория участващ чифт.
Примери:
Аспартат трансаминаза или GOT (глутамат оксалат трансаминаза): ензимът прехвърля а-аминогрупата от аспартата към а-кетоглутарата, получавайки оксалацетата и глутамата.
Аланиновият трансаминаза или GTP (глутамат-пируват трансаминаза): ензимът прехвърля а-аминогрупата от аланин в а-кетоглутарат, за да се получи пируват и глутамат.
Различните трансаминази използват а-кетоглурат като акцептор на аминогрупата на аминокиселини и го превръщат в глутамат; докато аминокиселините, които се образуват, се използват по пътя на кетоновите тела.
Този тип реакция може да се прояви и в двете посоки, тъй като те се разкъсват и образуват връзки със същото енергийно съдържание.
Трансаминазите са както в цитоплазмата, така и в митохондрията (те са предимно активни в цитоплазмата) и се различават по изоелектричната си точка.
Трансаминазите могат също да декарбоксилират аминокиселини.
Трябва да има начин за превръщане на глутамата обратно в α-кетоглутарат: това се прави чрез деаминиране.
Глутамат дехидрогеназата е ензим, способен да трансформира глутамат в а-кетоглутарат и следователно, превръщане на аминогрупи в аминокиселини, които се намират под формата на глутамат в амоняк. Това, което се случва, е процес на редуциране на окисляването, който преминава през междинния а-аминоглутарат: амонякът и α-кетоглутарата се освобождават и се връщат в циркулацията.
По този начин, изхвърлянето на амино амино групи преминава през трансаминазите (различни в зависимост от субстрата) и глутамат дехидрогеназата, която определя образуването на амоняк.
Има два вида глутамат дехидрогеназа: цитоплазмена и митохондриална; кофакторът, който също е косубстрат на този ензим, е NAD (P) +: глутамат дехидрогеназа използва като акцептор за редуцираща мощност, или NAD + или NADP +. Цитоплазмената форма предпочита, макар и не изключително, NADP +, докато митохондриалната форма предпочита NAD +. Митохондриалната форма има за цел да изхвърли аминогрупите: води до образуването на амоняк (който е субстрат за специализиран митохондриален ензим) и NADH (който се изпраща в дихателната верига). Цитоплазмената форма работи в обратна посока, т.е. използва амоняк и а-кетоглутарат, за да се получи глутамат (който има биосинтетично предназначение): тази реакция е редуктивна биосинтеза и използваният кофактор е NADPH.
Глутамат дехидрогеназата действа, когато е необходимо да се изхвърлят аминокиселините като амоняк (чрез урината) или когато скелетите на аминокиселините са необходими за производството на енергия: този ензим ще има, като отрицателни модулатори, системите, които са индекс на добра енергийна наличност (АТР, GTP и NAD (P) H) и като положителни модулатори, системи, които показват необходимост от енергия (AMP, ADP, GDP, NAD (P) +, аминокиселини и тироидни хормони).
Аминокиселините (главно левцин) са положителни модулатори на глутаматдехидрогеназата: ако в цитоплазмата присъстват аминокиселини, те могат да се използват за синтез на протеини, или трябва да се изхвърлят, защото не могат да се натрупват (това обяснява защо аминокиселините са положителни модулатори),
Изхвърляне на амоняк: цикъл на урея
Рибите изхвърлят амоняк, като го поставят във вода през хрилете; птиците го превръщат в пикочна киселина (която е продукт на кондензация) и я отстраняват с фекалиите. Да видим какво се случва при хората: казваме, че глутамат дехидрогеназата превръща глутамата в а-кетоглутарат и амоняк, но не казваме, че това се случва само в митохондриите на черния дроб.
Фундаменталната роля на изхвърлянето на амоняк през цикъла на урея е покрита от митохондриални трансаминази.
въглероден диоксид, под формата на бикарбонатен йон (НСОз), се активира от биотин кофактора, образувайки карбоксибиотин, който реагира с амоняк, за да се получи карбаминовата киселина; последващата реакция използва АТР за прехвърляне на фосфат върху карбаминовата киселина, образувайки карбамил фосфат и ADP (превръщането на АТР в ADP е движещата сила за получаване на карбоксироботин). Тази фаза се катализира от карбамил фосфат синтаза и се появява в митохондрията. Карбамил фосфат и орнитин са субстрати за ензитин орнитин транс карбамилазата, която ги превръща в цитрулин; тази реакция протича в митохондриите (на хепатоцитите). Полученият цитрулин, напуска митохондрия и в цитоплазмата преминава под действието на аргинин сукцинат синтетазата : има сливане между въглеродния скелет на цитрулин и този на аспартата чрез нуклеофилна атака и последващо елиминиране на водата. Ензимът аргинин сукцинат синтаза, изисква молекула от АТР, затова има енергично свързване: хидролизата на АТР до АМР и пирофосфат (последният се превръща в две ортофосфатни молекули) се извършва чрез изхвърляне на молекула. вода от субстрата, а не поради водно действие на средата.
Следващият ензим е аргинин сукциназа : този ензим е способен да раздели аргининовия сукцинат на аргинин и фумарат вътре в цитоплазмата.
Цикълът на урея се завършва с ензима аргиназа : се получават урея и орнитин; уреята се оттича от бъбреците (урината), докато орнитинът се връща в митохондриите и възобновява цикъла.
Цикълът на урея е подложен на индиректна модулация от аргинин: натрупването на аргинин показва, че е необходимо да се ускори цикъла на урея; Аргининовата модулация е непряка, защото аргининът положително модулира ензима ацетил глутамат синтаза. Последният е в състояние да прехвърли ацетилна група върху азота на глутамата: образува N-ацетил глутамат, който е директен модулатор на ензима карбамил-фосфо-синтетаза.
Аргининът се натрупва като метаболит на карбамидния цикъл, ако производството на карбамил-фосфат не е достатъчно за изхвърляне на орнитин.
Уреята се произвежда само в черния дроб, но има и други места, където се провеждат първоначалните реакции.
Мозъкът и мускулите използват специфични стратегии за елиминиране на аминогрупите. Мозъкът използва много ефективен метод, при който се използват ензим глутамин синтаза и ензим глутамаза : първият присъства в невроните, докато последният се намира в черния дроб. Този механизъм е много ефективен по две причини:
Две амино групи се транспортират от мозъка към черния дроб с едно средство;
Глутаминът е много по-малко токсичен от глутамата (глутаматът също извършва невронален трансфер и не трябва да надвишава физиологичната концентрация).
В рибата подобен механизъм води аминогрупата на аминокиселините към хрилете.
От мускулите (скелетни и сърдечни) аминогрупите достигат до черния дроб чрез цикъла глюкозо-аланин; участващият ензим е глутаминов пируват трансаминаза: той позволява транспониране на аминогрупите (които са под формата на глутамат), превръщайки пирувата в аланин и едновременно с това глутамат в α-кетоглутарат в мускулите и катализирайки обратния процес в черен дроб.
Трансаминазите с различни задачи или позиции също имат структурни различия и могат да бъдат определени чрез електрофореза (те имат различни изоелектрични точки).
Наличието на трансаминази в кръвта може да бъде симптом на чернодробно или кардиопатично увреждане (т.е. увреждане на тъканите на черния дроб или сърдечните клетки); Трансаминазите са в много висока концентрация както в черния дроб, така и в сърцето: чрез електрофореза може да се установи дали увреждането е настъпило в черния дроб или сърдечните клетки.
