•1 •Metabolismus bílkovin a aminokyselin •© Biochemický ústav LF MU v Brně (MK, JS, ET) 2018 •2 METABOLISMUS PROTEINŮ A AMINOKYSELIN •denně odbouráváno kolem 300–600 g proteinů •v potravě přijato kolem 80-100 g proteinů •nová syntéza proteinů kolem 250–600 g proteinů •nadbytek přijatých proteinů může být využit na syntézu tuků kreatin Metabolický obrat proteinů je kontinuální a dynamický pochod, při kterém jsou proteiny neustále degradovány a syntetizovány. V těle je udržována relativně velká hotovost (angl. pool) aminokyselin a prostřednictvím krve je zajištěno jejich dodávání do jednotlivých tkání. Obrat proteinů ovlivňován stavem organismu (nemoc, stres). Např. zánět zvýší syntézu proteinů akutní fáze v játrech a současně zvýší odbourání proteinů ve svalech, aby aminokyseliny byly dostupné pro játra. Takže při zánětu bude pozorováno jak zvýšené odbourávání, tak zvýšená syntéza. Obvykle se oba procesy svou rychlostí liší, takže výsledná bilance bude závislá na jejich porovnání. Za normálních okolností, při standardní výživě je u zdravého člověka denně odbouráváno kolem 300–600 g proteinů. Za stejnou dobu je v potravě přijato kolem 80-100 g proteinů, což přináší další aminokyseliny. Jednotlivé tkáně pak potřebují aminokyseliny pro novou syntézu proteinů (přibližně 300–600 g/den), syntézu neurotransmiterů a dalších dusíkatých sloučenin. Čistý denní metabolický obrat proteinů činí v průměru 250–300 g/d. •3 •Denní příjem proteinů * fyziologické minimum 0,4 g bílkovin / kg těl. hmotnosti * doporučený příjem • dospělí 0,8 - 0,9 g/kg • děti, těhotné 1,2 - 1,5 g/kg • infuze až 2,0 g/kg minimální přívod kvalitního proteinu činí 0,4 g/kg/den za předpokladu malé fyzické zátěže. Tento příjem je nutný ke krytí bazálních ztrát vznikajících při metabolických pochodech v organismu. Pro normální aktivitu je zapotřebí asi dvojnásobek tohoto množství, u kvalitního proteinu činí 0,8 g/kg/den za předpokladu, že je zajištěn dostatečný příjem energie. U dětí, těhotných a kojících žen, v rekonvalescenci, nemocných léčených metabolicky náročnými způsoby léčby (např. dialýza), aktivních sportovců ap., jsou horní limity příjmu proteinů vyšší (individuálně 1,3–2,0 g/kg/den). •4 •Obsah proteinů v potravinách (%) •Vysoký % •tvrdé sýry 25-30 •tvarůžky 30 •tvaroh tvrdý 30 •maso 20 •luštěniny 25-30 •tvaroh měkký 20 • •Střední % •vejce 13 •těstoviny 12 •kvasnice 11 •pečivo 8-10 •rýže 7 •Nízký •brambory 2 •ovoce, zelenina 0,5-2 •5 •Biologická hodnota proteinů závisí na * obsahu esenciálních AK a jejich vzájemném poměru * stravitelnosti bílkovin •6 Esenciální aminokyseliny * 9 z 20 aminokyselin je esenciálních (nepostradatelných) * s rozvětveným řetězcem • (valin, leucin, isoleucin) * aromatické (fenylalanin, tryptofan, histidin) * dále (threonin, methionin, lysin) • * semiesenciální (arginin), podmíněně esenciální (tyrosin, cystein) •7 •Skutečná stravitelnost (PD) •relativní množství dusíku (%) absorbované z potravy vzhledem k celkovému dusíku přijatému potravou • •PD (%) = [N(absorb. prot.) / N(přijaté prot.)] × 100% • •8 •Biologická hodnota proteinů •relativní množství dusíku (%) využité k syntéze endogenních proteinů z celkového dusíku absorbovaného do organismu z potravy • •BV (%) = [N(endog. prot.) / N(absorb. prot.)] × 100% •9 •Aminokyselinové skóre vztažené na stravitelnost proteinů (PDCAAS) •10 •PDCAAS, % vybraných potravin * vaječný bílek 100 * laktalbumin mléka 100 * kasein 100 * hovězí 92 * kuřecí 78 * soja 92 * fazole 70 (¯ Met) * pšenice 42 (¯ Lys) * želatina 0 (¯ Trp) •11 •PDCAASživočišných b. > PDCAAS rostlinných b. meats veg_01 Vegetariánský způsob stravování s eliminací masných výrobků lze považovat z hlediska proteinového metabolismu za postačující za předpokladu příjmu kvalitních proteinů mléčných a vaječných. Přísná veganská dieta nepovolující žádné živočišné proteiny by měla respektovat složení potravy odpovídající komplementaritě proteinů (např. kombinace luštěnin a rýže). Komplementární proteiny přitom musí být konzumovány současně. Tato dieta by neměla být užívána u rostoucího organismu, nemocných v nevyrovnaném metabolickém stavu, v těhotenství ap. •12 •12 •Degradace proteinů •Exogenní proteiny •lumen GIT •žaludek – pepsin •střevo – pankreatické proteasy (trypsin, chymotrypsin atd.) •Endogenní proteiny •intracelulární proteasy •lyzosomy •ubikvitin-proteasom •kaspasy, kalpainy • •13 •Trávení proteinů • •proteiny •pepsin •Trypsin •Pepsinogen - aktivace HCl nebo auto katalyticky •Karboxypeptidasy •aminopeptidasy •AK - resorpce do portální žíly •pH 1-2 •Chymotrypsin •Elastasa • •Enzymy štěpící proteiny v GIT jsou produkovány jako neaktivní proenzymy, aktivace nastane odštěpením peptidové sekvence •14 •PROENZYM ® ENZYM (způsob aktivace proenzymu) •pepsinogen ® pepsin (HCl nebo autokatalyticky) •trypsinogen ® trypsin (enterokinasa) •proelastasa ® elastasa (trypsin) •chymotrypsinogen ® chymotrypsin (trypsin) Aktivace proenzymů •15 •Trávení proteinů * žaludek sekrece HCl způsobuje denaturaci proteinů a aktivuje pepsinogen •pepsin – štěpí proteiny na polypeptidy * ústní dutina • žádné trávení bílkovin •16 * tenké střevo •trypsin, chymotrypsin, elastasa – z pankreatu, štěpení na kratší peptidy •další enzymy: •karboxypeptidasa (z pankreatu) •aminopeptidasa (z buněk střevní sliznice) ® dokončují štěpení až na AK •resorpce AK z trávicího traktu •17 Resorpce AK z trávícího traktu •Kotransport s Na+ •nejen AK, ale i dipeptidy, tripeptidy •Resorbuje se asi 98 % AK •Z buněk střevní sliznice transport do portální žíly ® do jater •18 Lepek •V endospermu semen některýchobilnin, především pšenice, žita, ječmene se nachází lepek (gluten). •Jeho součástí je bílkovina gliadin s vysokým obsahem prolinu a glutaminu. •U geneticky predisponovaných jedinců vyvolat autoimunitní onemocnění celiakii (celiakální sprue). •Jedinou efektivní léčbou je vynechání všech potravin, obsahujících gliadin (bezlepková strava). •19 •19 •Využití aminokyselin v resorpční fázi •AK jsou částečně odbourány v enterocytech (Gln) •AK jsou využívány v játrech (proteosyntéza plasmatických bílkovin) •Nadbytek AK ® syntéza MK a TAG •Val, Leu, Ile (AK s větveným řetězcem) nejsou metabolizovány v játrech, jsou metabolizovány ve svalech a mozku •20 •Degradace endogenních proteinů •Endogenní proteiny •V cytosolu (proteasom) - intracelulární proteiny •V lyzosomech - extracelulární proteiny Lyzosomy jsou specializované organely obsahující kyselé digestivní hydrolasy, které mají pH optimum 4,5 – 5,0. Lyzosomy slouží k rozkladu nejrůznějších biomolekul a dalšího nežádoucího materiálu v buňce. Obsahují nukleasy, fosfatasy, glykosidasy, esterasy a proteasy. Cysteinové lyzosomální proteasy jsou známé jako kathepsiny. Lyzosomy degradují zejména membránové a extracelulární proteiny, které se do buňky dostaly endocytosou, případně intracelulární proteiny za stresových podmínek, bez spotřeby ATP. •21 Proteasomy degradují hlavně bílkoviny s krátkým poločasem (regulační) a poškozené proteiny • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •UB + Krátké peptidy •Protein-UB •AK •cytosolové •peptidasy Proteasom je dutý cylindrický útvar z 28 polypeptidů. Za spotřeby ATP dojde k rozbalení proteinů určených k degradaci (jsou označené ubikvitinem) a jejich translokaci dovnitř proteasomu, kde dojde k jejich rozštěpení na krátké peptidy (8 AK). Tyto jsou uvolněny do cytosolu a rozštěpeny nespecifickými peptidasami na volné AK. Tento proteolytický systém je mnohem selektivnější, náročnější na logistiku i energii. Vyžaduje značkování cílového proteinu ubikvitinem (Ub) za spotřeby ATP. Ub je malý regulační protein o 76 AK. •22 •Přehled metabolismu proteinů •intracelulární •degradace •GIT •syntéza proteinů •syntéza dusíkatých •látek •odbourání AK •23 •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 •24 •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 …) * Kreatinfosfát, karnitin … •25 •25 •Asp • •Ser, Gly, Thr, Ala, Cys, Trp •Většina aminokyselin je glukogenních •pyruvát •glukosa •fumarát •sukcinyl-CoA •2-oxoglutarát •oxaloacetát •acetoacetát •ketogenní •26 •Jak se aminokyselina zbaví aminoskupiny ? •Nejčastěji: •Transaminační reakce (katalyzované aminotransferázami) •AK + 2-oxoglutarát Û oxokyselina + glutamát •Při transaminační reakci se aminoskupina přenáší na oxokyselinu. Z aminokyseliny se stává oxokyselina, která je dále odbourána. •Akceptorem aminoskupiny je 2-oxoglutarát, který se přeměňuje na glutamát. •Odbourání AK •27 •Obecná rovnice transaminace •28 •Alaninaminotransferasa (ALT): •alanin + 2-oxoglutarát pyruvát + glutamát •Příklady transaminačních reakcí • •alanin 2-oxoglutarát pyruvát glutamát • •29 •Aspartátaminotransferasa (AST) •aspartát + 2-oxoglutarát oxalacetát + glutamát •Příklady transaminačních reakcí • • •30 •Kofaktorem transamináz je pyridoxalfosfát •Zdrojem je vitamin B6 – pyridoxal, pyridoxin (pyridoxol), pyridoxamin •Zdroje B6: •- ryby •- játra, ledviny •- kvasnice •- vejce •- celozrnné obilniny •- některé druhy zeleniny (ztráty vařením) •pyridoxal •31 •Jak se glutamát zbaví aminoskupiny ? •Oxidační deaminace glutamátu glutamátdehydrogenázou •glutamát + NAD+ + H2O ® NH3 + 2-oxoglutarát + NADH + H+ • * reakce probíhá v játrech (ledviny a další tkáně) * při reakci se uvolňuje amoniak NH3 •Aminoskupina z většiny AK je přenesena na 2-oxoglutarát za vzniku glutamátu: •32 •Dehydrogenační deaminace glutamátu •33 •dehydrogenační deaminace glutamátu •bakteriální fermentace proteinů v tlustém střevě • amoniak difuzí přechází do portální krve Þ portální krev má relativně vysokou konc. NH3 Þ odstraněn játry •štěpení glutaminu (v enterocytech, hepatocytech, neuronech) Hlavní zdroje amoniaku v organismu •34 •Amoniak je pro buňky velmi toxický a musí být odstraňován •hyperamonemie: NH3 > 50 mmol/l •Klinické příznaky od 53 mmol/l (jaterní encefalopatie) • •Pozn: Portální krev 100 – 300 mmol/l • •35 •Hlavní cestou odstraňování amoniaku je syntéza močoviny v játrech. •Močovina (diamid kyseliny uhličité, urea) • * nízkomolekulární látka * dobře rozpustná ve vodě * nereaktivní * neutrální (nebazická) •koncentrace v plazmě: 2 – 8 mmol / l •36 •Celkově: •CO2 + 2 NH4+ ® H2N-CO-NH2 + H2O + 2 H+ • močovina (urea) •Probíhá v močovinovém cyklu (série reakcí enzymově katalyzovaných). •Při reakci se spotřebují 3 moly ATP / mol močoviny. •Močovina je krví transportována do ledvin, zde je vylučována močí. •Člověk denně vyloučí 20 - 35 g močoviny. •Reakce vzniku močoviny •37 Koncentrace močoviny v séru •c (urea v séru) = 2 – 8 mmol/l –závisí na příjmu proteinů • •↓ c (urea) – těžké jaterní poruchy (jaterní kóma) •↑ c (urea) – těžké poruchy funkce ledvin • (syndrom urémie) •38 • • •glutamát + ATP + NH3 ® glutamin + ADP + Panorg •Játra, ledviny, střevo: glutamin + H2O → glutamát + NH3 •Ve tkáních, které nemohou syntetizovat močovinu, probíhá syntéza glutaminu. Glutamin je rovněž transportní formou NH2 skupiny. •Glutaminsynthetasa (mozek – gliové buňky, sval, játra) •Amoniak vznikající ve svalu může být transportován i pomocí alaninu, který vzniká transaminací z pyruvátu: • • •Alaninaminotransferasa (ALT): •pyruvát + glutamát → alanin + 2-oxoglutarát •transport do jater •39 Role glutaminu v metabolismu •Glutamin je hlavní aminokyselinou plazmy (30–35 % aminodusíku v plazmě). •Pool glutaminu v krvi slouží k zajištění řady základních metabolických pochodů: Funkce glutaminu Syntéza proteinů všechny tkáně Zdroj energie enterocyty, lymfocyty, makrofágy, fibroblasty Donor dusíku pro syntézy puriny, pyrimidiny, NAD+, aminocukry, asparagin, další sloučeniny Donor glutamátu pro syntézy glutathion, GABA, ornitin, arginin, prolin, další sloučeniny • •40 Insulin •je anabolický hormon •zvyšuje proteosyntézu v kosterním svalu Kortisol •Stimuluje proteolýzu (proteasom ve svalu při hladovění Hormony ovlivňující metabolismus proteinů •41 •Proteiny jako zdroj energie • * probíhá při nedostatku jiných živin (lipidy, cukry) * jen ve tkáních, které dokáží * detoxikovat amoniak (játra, kosterní sval, …) * vyloučit amoniak (ledviny, střevo) •Krátkodobé hladovění (12h - 3dny) » ztráta bílkovin 75 g /den •Dlouhodobé hladovění - adaptace » ztráta bílkovin 20 g /den •42 •Symptomy Kwashiorkor Marasmus • •Příčina: Nedostatečný příjem Nedostatečný příjem • proteinů proteinů a energie • •Porucha růstu + + + + + + •Ochabnutí svalů + + + + •Tukové zásoby + + – •Hypoalbuminemie + + + + •Edémy + + + – Nedostatek proteinů ve výživě •43 •Dusíková bilance •D N = příjem N /den - výdej N /den •Příjem N - bilancuje se množství přijatých bílkovin. •Vychází se z předpokladu, že obsah N v bílkovinách je cca 16 % •Npříjem = hmotnost prot x 0,16 g •44 •Výdej N - počítá se na základě koncentrace močoviny v moči •Vychází se z předpokladu, že močovina je hlavní formou dusíku získanou metabolismem AK • stanoví se koncentrace močoviny v moči (mol/l , přepočet na g/l) • přepočte se na množství močoviny vyloučené za den (x objem moči) • přepočte se na celkový dusík vyloučený močí • • •Výdej dusíku • •[g N / den] •45 •Dusíkaté látky v moči • •Dusíkatá látka denní výdej •močovina 10,5 g (84 % N moče) •amonné soli 0,57 g (4,5 % N moče) •kreatinin 0,55 g (4,5 % N moče) •aminokyseliny 0,5 g (4 % N moče) •kyselina močová 0,23 g (2 % N moče) •ostatní dusíkaté látky (1 % N moče) •celkový denní výdej N 12,5 g • •46 • Pozitivní dusíková bilance - • D N > 0 růst, těhotenství, rekonvalescence • Negativní dusíková bilance • D N < 0 metabolický stres, snížený příjem proteinů, těžké infekce, horečnatá onemocnění, operace, popáleniny • Vyrovnaná dusíková bilance • D N» 0 fyziologický stav dospělce Příklady významných reakcí a produktů metabolismu jednotlivých aminokyselin •Dekarboxylace •Syntéza katecholaminů •Syntéza kreatinfosfátu •Syntéza hormonů štítné žlázy z tyrosinu •Syntéza serotoninu a melatoninu z tryptofanu (serotonin – „hormon radosti a štěstí“, melatonin – „hormon tmy a spánku“ • • • • 47 Dekarboxylace • • • •Glutamát → GABA (neurotransmiter) •Histidin → histamin (mediátor alergické reakce) •Serin → ethanolamin (součást fosfolipidů) •DOPA → dopamin (katecholamin) •Cystein → cysteamin (součást koenzymu A) 48 R-CH-NH2 → R-CH2-NH2 + CO2 COOH •49 Dědičná porucha metabolismu Phe Hyperfenylalaninemie + fenylketonurie •deficit hydroxylasy nebo deficit BH4 •zvýš. hladina Phe a metabolitů v krvi •vylučování fenylpyruvátu močí •50 Metabolity fenylalaninu Syntéza katecholaminů 51 hydroxylace methylace Syntéza kreatinfosfátu 52 Arg + Gly → guanidinacetát + Met → kreatin kreatin + ATP ↔ kreatinfosfát + ADP Kreatinfosfát je zdrojem energie pro pracující sval. Neenzymovou reakcí z kreatinu vzniká kreatinin vylučovaný ledvinami. Syntéza kreatinfosfátu probíhá postupně ve třech různých tkáních (ledviny, játra, svaly) ze třech různých aminokyselin (Glycin, Arginin, Methionin). Syntéza hormonů štítné žlázy 53