Kémia | Felsőoktatás » Nitrogén anyagcsere

1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis A nitrogén körforgása Az aminosavak N-tartalma

ammóniából, ez pedig végső soron légköri N2-ből származik. (diazotrófok) Aminosavak felhasználása: - fehérjeszintézis - N-forrás nukleotidok, neurotranszmitterek, porfirin-vegyületek számára N2 fixáció A pillangósok gyökerén szimbiózisben élő Rhizobium baktériumok a legfontosabb nitrogénfixálók. Az bioszféra éves produkciója 1011 kg N2 megkötése. (A Nif géncsoport 18 gént tartalmaz) N2-fixáció globális megoszlása 60 % biológiai N2 fixáció 15 % villámlás, UV-sugárzás 25 % ipari folyamatok N2 + 3H2 -> 2NH3 G0 = -33,5 kJ/mol Az ammónia képződése termodinamikailag kedvező. A N2-fixáció során történő ATP-felhasználás az igen magas kinetikai gát leküzdéséhez szükséges. „Azote” (Lavoisier): „élettelen” (inert sajátság) N≡N kötési energia 942 kJ/mol Haber-Bosch ipari ammónia-szintézis: 500°C, 300 atm, Fe katalizátor A nitrogenáz komplex dinitrogenáz-reduktázból és dinitrogenázból áll és

az alábbi reakciót katalizálja. N2 + 8 e- + 8 H+ +16 ATP + 16 H2O (fotoszintézis, oxidatív folyamatok) O2-szint alacsonyan tartása: leghemoglobin 2 NH3 + H2 + 16 ADP +16 Pi A dinitrogenáz-reduktáz két azonos alegységből álló, vas-kén centrummal összekapcsolt P-loop NTPáz fehérje. A dinitrogenáz-reduktáz szerepe az, hogy az erősen negatív redoxpotenciálú ferredoxinról elektronokat szállítson a dinitrogenáz komponensre. Az ATP-hidrolízis okozta konformáció-változás elősegíti az elektrontranszfert a dinitogenázra. A dinitrogenáz egység 2 2 tetramer, amely két FeS és két FeMo centrumot tartalmaz. Az elektronok a P cluster FeS centrumára érkeznek és tevődnek át a különleges FeMo redox centrumra, ahol a nitrogén fixálása játszódik le. Homocitrát két 4Fe-3S részklaszter + 1 központi szulfidion két M-3Fe-3S részklaszter + 3 központi szulfidion A FeMo centrum köti a nitrogént és fellazítja az N2 molekula

kötésrendszerét. 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis Az ammónia asszimilációja A

glutamát dehidrogenáz baktériumokban és növényekben NADPH koenzim jelenlétében az -ketoglutarát – glutamát reakcióval hasznosítja az ammóniát. A gerincesek májában található enzim nem tesz különbséget NADH és NADPH között. Schiff-bázis királis! Sztereokémiai kontroll A glutamát dehidrogenáz aktívhelye sztereospecifikusan az akirális -ketoglutarátból az L konfigurációjú glutamátot szintetizálja. A többi aminosav szintézisekor a szereokémiai kontroll (azaz a megfelelő kiralitású vegyületek szintézisének biztosítása) PLP által közvetített transzaminációs reakciókban valósul meg. 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív

dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis Az ammónia hasznosításában és szállításában a glutamin amid nitrogénnek fontos szerepe van. A glutaminsavba a glutamin szintetáz épít be újabb ammóniumiont acilfoszfát intermedieren keresztül. A glutamin szintetáz minden organizmusban megtalálható. Baktériumokban és növényekben primer szerepe az ammónia asszimilációja. Heterotróf élőlényekben a glutamin központi

szerepet játszik a nitrogéntartalmú vegyületek anyagcseréjében. A glutamin szintetáz (E. coli) szerkezete Az enzim 12 azonos alegységből áll, melyek két hexagonális gyűrűbe rendeződnek. Az enzim többszörös reguláció alatt áll, működését egyrészt kumulatív allosztérikus visszacsatolás (feedback), másrészt reverzibilis kovalens módosítás szabályozza. A glutamin szintetáz kumulatív alloszterikus feedback regulációja Az enzimet a gutaminból kiinduló szintézisek különböző végtermékei részlegesen gátolják - ezek gátló hatása összeadódik. A glicin és az alanin az aminosavanyagcsere általános állapotának indikátoraiként szabályozzák az ammónia belépését a nitrogéntartalmú vegyületek anyagcseréjébe. A glutamin szintetáz szabályozása reverzibilis kémiai módosítással Az enzim minden alegységén egy specifikus tirozin oldallánc reverzibilisen adenilálható. Az adenilált enzim kevésbé aktív, és

fokozott érzékenységet mutat a kumulatív allosztérikus inhibitorokra. Az adenilálást és deadenilálást ugyanaz az adeniltranszferáz (AT) enzim végzi a hozzá kapcsolódó P regulátor fehérje állapotától függően. A regulátor fehérje két alakjának átalakítását az uridiltranszferáz végzi, melynek működését metabolitok szabályozzák. (Kaszkád reakció) 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin

szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis Az ammónia asszimilációjának harmadik lehetséges módja a karbamoilfoszfát szintézise 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát

dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis E. coli mind a 20 aminosavat képes szintetizálni, az ember csak 11-et. A sok szintetikus lépést igénylő aminosavak váltak esszenciálissá, mert az evolúció során valamelyik szintetikus részlépés kiesett. Aminosav(ak) deficienciája -> Negatív nitrogén mérleg: a fehérje-lebontás mértéke meghaladja a fehérje-szintézisét -> a nitrogén a táplálékkal elfogyaszottnál nagyobb mennyiségben ürül. Az aminosav szintézisek a prekurzor alapján családokba rendezhetők. (vastag betű = esszenciális aminosav) 1 lépés Az aminosavak széntartalma a glikolízis, a

pentózfoszfát útvonal és a citromsavciklus intermediereiből származik. 1 lépés 1 lépés de novo 10 lépés, fenilalaninból 1 lépés de novo 10 lépés, ornitinből 3 lépés az urea ciklusban 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin

nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis Nukleotidok biológiai szerepei • Nukleinsav szintézis (DNS, RNS) • Energiaforgalom (ATP, GTP, NAD, FAD) • Bioszintetikus folyamatok (UDP-glükóz, glikogén) • Jelátvitel (cAMP, cGMP, GTP, ATP/kinázok) • Nukleotid szintézis enzimek: terápiás célpontok (rák) Nukleotid szintézis „de novo” és „salvage” útvonalai De novo: egyszerűbb vegyületekből - pirimidin nukleotidok: bázis szintézise, ezután ribózra kapcsolás - purin nukleotidok: ribózalapú szerkezetre Salvage: kész bázisok ribózra kapcsolása (PRPP: 5-foszforibozil-1-pirofoszfát) A dezoxiribonukleotidok a ribonukleotidokból szintetizálódnak. 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció

Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis Pirimidin nukleotidok de novo szintézise CPS (karbamoilfoszfát szintetáz) (Gln oldalláncból) Pirimidingyűrű szintézise: Orotát szintézise karbamoil-foszfátból és aszpartátból aszpartát transzkarbamoiláz

kondenzáció, gyűrűképződés oxidáció Orotát ribózra kapcsolása (ribóz-5-foszfát (pentózfoszfát útvonal) + ATP --> ) pirimidin foszforibozil-transzferáz Orotidilát dekarboxilezése, UMP képződése Orotidilát dekarboxiláz: 1/78 M év -> 1/s (1017-szeres sebességfokozás) Nukleozid mono-, di- és trifoszfátok átalakulásai A specifikus nukleozid monofoszfát kinázok ATP-t használnak foszfátdonorként: UMP + ATP = UDP + ADP (UMP kináz) A széles specificitású nukleozid difoszfát kinázok az NDP-NTP átalakulást katalizálják: XDP + YTP = XTP + YDP CTP keletkezése UTP aminációjával A reakció a karbamoil-foszfát szintézishez hasonlóan játszódik le. Pirimidin nukleotidok szintézisének összefoglalása 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3.

Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis Az egyszénatomos, ún. C1 intermedierek transzferében a tetrahidrofólsav koenzim játszik fontos szerepet Emlősökben nem szintetizálódik: tápanyagból vagy bélflórából kerül felvételre A tetrahidrofolsavhoz kapcsolódó C1 intermedierek

átalakulásai =>timin =>purin nukleotidok => metionin 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise

Timidilát szintézis A purinváz atomjainak eredete 8 az Asp-nak csak az aminocsoportja marad a vázban, fumarát távozik 2 3 N10-formil-THF-ról 9 N10-formil-THF-ról 4 10 gyűrűzáródás, IMP képződés 6-7 karboxil kapcsolódás (hidrogénkarbonátból) és transzfer (N3-ról C4-re) 1 PRPP-ből 5Pribozilamin 5 imidazolgyűrű záródása AMP és GMP keletkezése IMP-ből 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll

Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis A dezoxinukleotidok a ribonukleotidok redukciója során szintetizálódnak. Ribonukleotid reduktáz: A ribóz C2 atomját redukálja (OH csoportot H-ra cseréli) Szubsztrátok: NDP-k Végső redukálószer: NADPH (több köztes lépésen keresztül) A ribonukleotid reduktáz szerkezete, katalitikus és alloszterikus kötőhelyei Regulates substrate specificity Regulates overall activity A ribonukleotid reduktáz regulációja A katalizis általános sebességét meghatározó kötőhely ATP-t (aktivátor) vagy dATP-t (gátlózer) tud kötni A szubsztrát-specifitást meghatározó allosztérikus hely biztosítja, hogy a képződő

dezoxinukleotidok megfelelő arányban keletkezzenek. 1. A nitrogén körforgása 2. Fehérjék lebontása Táplálékfehérjék lebontása aminosavakká Saját fehérjék lebontása Féléletidő szabályozása Ubikvitin konjugáció Proteaszómális lebontás 3. Aminosavak lebontása Transzaminálás: aminocsoport eltávolítása glutamátra transzamináz-PLP segítségével Glutamát oxidatív dezaminálása (glutamát dehidrogenáz) Ammónia beépítése ureába: karbamoil-foszfát szintézis, urea ciklus Aminosavak szénláncának lebontása 4. Nitrogénfixáció 5. Ammónia-asszimiláció Glutamát dehidrogenáz, sztereokémiai kontroll Glutamin szintetáz Karbamoil-foszfát szintézis 6. Aminosavak szintézise, esszenciális és nem-esszenciális aminosavak 7. Nukleotid-szintézis: de novo és salvage útvonalak Pirimidin nukleotidok szintézise Tetrahidrofólsav koenzim, C1 intermedierek Purin nukleotidok szintézise Dezoxiribonukleotidok szintézise Timidilát szintézis

dTMP szintézise dUMP-ből Timidilát szintáz Metildonor: N,N-metilén-tetrahidrofolát Uracil C5 nem jó nukleofil; enzim tiolát csoportja segíti elő a támadást az N5,N10-metilén szénatomra Hidridion transzfer a tetrahidrofolátról -> metiléncsoport metillé alakul Protonelvonás a C5 atomról -> SH felszabadulás A timidilát szintézis számos sejtosztódásra ható kemoterápia célpontja dihidrofolát analóg A fluorodezoxiuridilát öngyilkos inhibitor mechanizmusa Uracil C5 deprotonációt a H-F szubsztitúció megakadályozza Stabil kovalens enzim-adduktum képződik