1 Metabolismus bílkovin a aminokyselin © Biochemický ústav LF MU 2013 - (H.P.) 2 Aminokyseliny • základní stavební jednotky proteinů • pořadí aminokyselin v proteinech je geneticky kódované • 20 základních aminokyselin a-aminokyselina L-aminokyselina 3 Význam některých aminokyselin Glycin, Prolin, Lysin: vysoký obsah v kolagenu Tyrosin: prekurzor adrenalinu, noradrenalinu, melaninu, hormonů štítné žlázy Tryptofan: prekurzor serotoninu, melatoninu, Cystein: součást GSH, tvorba „disulfidových můstků“ v proteinech) Arginin: součást ureosyntetického cyklu (tvorba močoviny), zdroj NO Histidin: pufrační schopnosti bílkovin, histamin (alergické reakce) Glutamová kyselina: tvorba GABA Glutamin: účast při biochemických syntézách (donor aminoskupiny) Methionin: účast při syntéze např. adrenalinu (donor methylu) Valin, Leucin, Isoleucin : zvyšování hydrofobicity bílkovin Serin, threonin,tyrosin: účast při fosforylaci proteinů (regulace metabolismu) 4 Esenciální aminokyseliny • • 9 aminokyselin z 20 je esenciálních (nepostradatelných) • Valin Leucin Isoleucin Phenylalanin Tryptofan Threonin Methionin Lysin Histidin • semiesenciální AK : arginin – v období růstu 5 Proteiny (bílkoviny) • vznik z aminokyselin • AK jsou spojeny peptidovou vazbou • biopolymery ( > 50 AK ) Vznik peptidové vazby ( -CO-NH- ) 6 Charakteristika proteinů • biopolymery ( > 50 AK ) • charakteristická struktura a prostorové uspořádání • vznikají proteosyntézou 7 Syntéza bílkovin - proteosyntéza DNA RNA proteiny transkripce translace Konečný děj exprese genetické informace Jádro Cytoplasma (ribozomy) Syntéza bílkovin probíhá v cytoplasmě na ribozomech 8 Translace • iniciace - tvorba iniciačního komplexu • elongace - prodlužování polypeptidového řetězce • terminace - ukončení syntézy • CAC GUG AK5 CAA GUU AK6 mRNA Větší ribozomální podjednotka Menší ribozomální podjednotka AK3 AK4 AK2 Met 9 Funkce bílkovin • strukturní buněčné struktury, svalové buňky extracelulární - kolagen • metabolické enzymy (katalyzátory) transport látek přes membrány transportní bílkoviny • nutriční • obranná imunoglobuliny (protilátky) • informační signální proteiny (obranný význam) receptorové bílkoviny 10 Význam bílkovin pro lidský organismus • zdroj AK potřebných pro syntézu bílkovin tělu vlastních • • zdroj N pro syntézu dusíkatých sloučenin (porfyriny, biogenní aminy, puriny, pyrimidiny apod. • zdroj energie 11 Denní příjem proteinů • fyziologické minimum: 0,4g bílkovin/kg tělesné hmotnosti • • doporučené příjem: Dospělý: 0,8 g/kg Děti a těhotné: 1,2 g/kg 12 Průměrný obsah proteinů v potravinách (%) Potravina Proteiny (%) Tvarůžky Tvrdé sýry Luštěniny Tvaroh měkký Maso Vejce Obilniny,rýže Mléko Brambory Ovoce,zelenina 30 25 25 20 20 13 8 4 2 1 13 Další zdroje bílkovin Alternativní zdroje bílkovin: sojové maso – cca 45% bílkovin extrudované sojové bílkoviny Proteinové suplementy: vysoký obsah proteinů (20-90%) většinou na bázi sušené syrovátky mohou představovat metabolickou zátěž pro trávící systém, játra, ledviny Exotické zdroje bílkovin: klokaní maso, pštrosí maso, hlavonožci, mořské plody 14 Kvalita proteinů Závisí na - obsahu esenciálních AK a jejich vzájemném poměru - stravitelnosti proteinu Pojmy: • skutečná stravitelnost: % N absorbované z potravy k celkovému přijatému N potravou • biologická hodnota: % N využitelného na syntézu endogenních bílkovin z celkového absorbovaného N • aminokyselinové skore: množství limitující AK v proteinu vzhledem k množství stejné AK v referenčním proteinu násobeno skutečnou stravitelností 15 Protein Biologická hodnota (%) Vaječný bílek Syrovátka Vejce Kasein (mléko) Hovězí maso Vepřové maso Ovesné vločky Pšeničná mouka Luštěniny Želatina 100 100 96 80 80 70 60 53 46 25 Biologická hodnota proteinů v potravinách (%) 16 Biologická hodnota proteinů BV – biological value BVživočiš. prot. > BVrostl. prot. Neplnohodnotné proteiny: Pšenice - deficitní na Lys, Trp, Thr, Met Luštěniny - deficitní na Met, Cys 17 Přehled metabolismu proteinů a aminokyselin Intracelulární degradace GIT Degradace exogenních proteinů Odbourání AK syntéza proteinů syntéza dusíkatých látek 18 Odbourání proteinů Exogenní proteiny: - trávení - probíhá v gastrointestinálním traktu žaludek (pepsin) tenké střevo (trypsin, chymotrypsin) Endogenní proteiny: - v cytosolu (proteasom) – intracelulární proteiny - v lysosomech - extracelulární proteiny 19 Odbourání endogenních proteinů V cytoplasmě (proteasom): - specifické (závislá na ATP) - proteiny jsou značeny ubikvitinem - proteasom dutý cylindrický útvar uvnitř dutiny specifické proteasy -odbourání intracelulárních proteinů (s kratším poločasem) 20 Odbourání endogenních proteinů V lysosomech: - nespecifické (nezávislá na ATP) - lysosom obsahuje hydrolasy kathepsin, kolagenasa, elastasa…(štěpení peptid.vazby) hyaluronidasa ….(štěpení glykosidové vazby) - odbourání extracelulárních proteinů Plasmatická membrána Lipidová dvojvrstva Hydrolytické enzymy Transportní proteiny 21 Obrat endogenních proteinů - cca 125-220 g/den - - biologický poločas pro proteiny je různý Laktátdehydrogenáza – 4 dny Albumin – 19 dní Elastin – celý život (?) - vzniklé AK jsou využity k resyntéze proteinů a dalších dusíkatých látek 22 Trávení exogenních proteinů Schematicky Žaludek → duodenum → tenké střevo →……… • Enzymy štěpící proteiny v GIT jsou produkovány jako neaktivní proenzymy • Aktivace nastane odštěpením peptidové sekvence trypsin chymotrypsin elastasa karboxypeptidasy aminopeptidasy pepsin AK - resorpce do portální žíly 23 Aktivace proenzymů Proenzym Enzym Aktivace proenzymu Pepsinogen Pepsin HCl nebo autokatalyticky Trypsinogen Trypsin Enterokinasa Proelastasa Elastasa Trypsin Chymotrypsinogen Chymotrypsin Trypsin 24 Trávení proteinů Ústní dutina: žádné trávení bílkovin Žaludek: sekrece HCl – denaturace bílkovin, aktivace pepsinogenu pepsin – štěpení proteinu na polypeptidy chymosin - štěpení mléčné bílkoviny 25 trypsin, chymotrypsin, elastasa: štěpení polypeptidů na kratší polypeptidy další enzymy (karboxypeptidasy, aminopeptidasy) dokončení štěpení na aminokyseliny resorpce aminokyselin (AK) z trávicího traktu Tenké střevo : 26 Přehled metabolismu AK NH3 • Acetyl-CoA • meziprodukty citrátového cyklu CO2, H2O, energie Glukosa, glykogen (z glukogenních AK) Mastné kyseliny, lipidy, ketolátky Neproteinové dusíkaté látky syntéza bílkovin močovina 27 Obecné rysy metabolismu AK • AK je přeměňována na jinou dusíkatou látku např. dekarboxylací vznikají aminy, AK nebo její část se zabuduje do skeletu purinů nebo pyrimidinů • AK je odbourávána odstraňuje se aminoskupina, AK se přeměňuje na acetylCoA nebo jiný meziprodukt citr. cyklu • AK je zabudována do bílkoviny - syntéza bílkovin 28 Dusíkaté sloučeniny syntetizované z AK - Purinové báze (adenin, guanin) - Pyrimidinové báze (cytosin, uracil, thymin) - Hem (obsažen v hemoglobinu, myoglobinu, cytochromech …) - Biogenní aminy (histamin, etanolamin, cholin …) - Hormony a neurotransmitery (adrenalin, thyroxin, serotonin, noradrenalin …) - Další dusíkaté látky: kreatinfosfát, karnitin … Odbourání AK Katabolická dráha aminokyselin - odstraňuje se aminoskupina - nejčastěji pochodem transaminace - - zbývající uhlíkatý skelet se dále metabolizuje 30 Transaminační reakce (nejčastěji) - katalyzované aminotransferázami (kofaktor-pyridoxal fosfát: zdroj vitamin B6) AK + 2-oxoglutarát ® oxokyselina + glutamát Jak se zbaví AK aminoskupiny? Obecná rovnice transaminace Alaninaminotransferasa (ALT): alanin + 2-oxoglutarát pyruvát + glutamát Příklady transaminačních reakcí Aspartátaminotransferasa (AST) aspartát + 2-oxoglutarát oxalacetát + glutamát Kofaktor transamináz: pyridoxalfosfát zdroj – vitamin B6 33 - Dehydrogenační deaminace glutamátu glutamátdehydrogenázou (GDH) glutamát + NAD+ + H2O NH3 + 2-oxoglutarát + NADH + H+ Jak se zbaví glutamát aminoskupiny? • zdroj amoniaku (NH3) v těle 34 - Dehydrogenační deaminace glutamátu - Bakteriální fermentace proteinů v tlustém střevě amoniak difuzí přechází do portální krve Þ Þ portální krev má relativně vysokou konc. NH3 Þ Þ amoniak odstraněn játry Hlavní zdroje amoniaku v těle • Důležité při jaterním selhávání •nízkoproteinová dieta •probiotika – živé mikrorganismy, podporují kvasné procesy na úkor hnilobných (laktobacily, bifidobakterie) •prebiotika – nestravitelné složky potravy, které selektivně stimulují růst probiotik (laktulosa, oligofruktosa, inulin, vláknina) •střevní antibiotika – lokálně působící (neomycin, metronidazol), krajní řešení, krátkodobé Jak omezit vznik amoniaku v lidském těle? 36 NH3 je toxický ! Musí být z těla odstraněn MC900434409[1] 37 Jak se odstraní amoniak ? Syntéza močoviny: hlavní cesta odstraňování amoniaku ureosyntetický cyklus probíhá v játrech ! reakce je endergonní – spotřeba 3 moly ATP na 1 mol močoviny CO2 + 2 NH4+ ® H2N-CO-NH2 + H2O + 2 H+ Močovina je krví transportována do ledvin a vylučována močí. 38 Močovina Urea (diamid kyseliny uhličité) • nízkomolekulární látka • dobře rozpustná ve vodě • neutrální • přispívá k osmolalitě plasmy osmolalita » 2 [Na+] + [glukosa] + [urea] mmol/kg H2O člověk denně močí vyloučí 20 - 35 g močoviny 39 Koncentrace močoviny v séru koncentrace močoviny v plazmě: 2,5 – 8,3 mmol / l Zvýšená koncentrace močoviny v séru • těžké poruchy funkce ledvin - syndrom urémie • nadměrný rozpad proteinů v katabolických stavech (sepse, popáleniny, nádory, horečky apod.) Snížená koncentrace močoviny v séru • těžké jaterní poruchy (jaterní kóma) • nedostatek bílkovin v potravě 40 Další způsoby odstranění amoniaku z těla a) Syntéza glutaminu: Ve tkáních, kde neprobíhá syntéza močoviny se syntetizuje glutamin. Glutamin je transportní forma NH2 skupiny Enzym: glutaminsynthetasa glutamát + ATP + NH3 ® glutamin + ADP + Panorg b) Syntéza alaninu: Amoniak vznikající ve svalu může být transportován i pomocí alaninu, který vzniká transaminací z pyruvátu. Alanin se pak transportuje do jater, kde je substrátem pro glukoneogenezi Glutamin je krví transportován do ledvin. V ledvinách je postupně deaminován na glutamát a oxoglutarát a amonné ionty se vylučují močí. Proteiny NH3 glutamát glutamát + urea (exkrece močí) 2-oxoglutarát + glutamin proteolýza dehydrogenační deaminace detoxikace v játrech deaminace v ledvinách aminokyseliny transaminace detoxikace v jiných tkáních NH4+ (exkrece močí) NH4+ (exkrece močí) deaminace v ledvinách Katabolická dráha dusíku - souhrn 42 Dusíková bilance D N = příjem N /den - výdej N /den Příjem N - bilancuje se množství přijatých bílkovin. N příjem = hmotnost prot x 0,16 g Výdej N - počítá se na základě koncentrace močoviny v moči [g N / den] 43 Hodnocení dusíkové bilance Pozitivní dusíková bilance: D N > 0 růst, těhotenství, rekonvalescence Negativní dusíková bilance: D N < 0 snížený příjem proteinů popáleniny těžké infekce operace horečnatá onemocnění metabolický stres Vyrovnaná dusíková bilance: D N » 0 fyziologický stav dospělého člověka