CURS

Metabolismul proteinelor

Metabolismul aminoacizilor

1. Biosinteza aminoacizilor

Analiza procesului de biosinteză a aminoacizilor cuprinde două aspecte principale și

anume Biosinteza de-novo din precursori anorganici (proces ce are loc în nodozitățile platelor

leguminoase) și biosinteza din alți compuși bio-organici (proces specific tuturor celulelor vii).

a. Biosinteza AA din compuși anorganici

Reducerea azotului molecular

Circuitul azotului în natură reprezintă un fenomen fără de care viața pe Terra ar fi

imposibilă. Acest circuit este datorat unei multitudini de interacțiuni complexe între toate formele

de viață. Dintre toate etapele circuitului azotului, o importanță deosebită o prezintă mecanismele

fixării azotului atmosferic cu formare de compuși organici și în special de AA și apoi în final de

proteine care se acumulează în organismele vegetale. Această componentă a circuitului azotului

în natură este posibilă datorită existenței unei strânse interdependențe între microorganisme și

plantele superioare.

Primele etape ale fixării azotului molecular și anume transformarea acestuia în amoniac au

loc în nodozitățile leguminoaselor și sunt realizate de către bacteriile fixatoare de azot N ce aparțin

genului Rhizobium ce trăiesc în simbioză în aceste nodozități. Există și alte plante capabile să

fixeze azotul atmosferic datorită simbiozei cu unele microorganisme și în sfârșit există și

microorganisme libere (Klebsiella pneumoniae, cianobacteriile etc) capabile să realizeze acest

proces. Capacitatea de fixare a azotului molecular este controlată de un grup de gene denumite

gene Nif, mai bine studiate fiind cele din celulele de K. pneumoniae. La această bacterie precum

și în cele(celulele) de Rhizobium libere, genele Nif sunt represate dar în celule de Rhizobium din

nodozități acestea sunt depresate, chiar și în prezenta cationilor NH4 + . Multe cercetări de

biotehnologie încearcă să realizeze introducerea genelor Nif în celulele plantelor superioare ce nu

sunt capabile să fixeze azotul molecular.

Cercetările electrono-microscopice efectuate pe nodozitățile rădăcinilor de soia au arătata

că acestea posedă un sistem membranar dublu care provine probabil din peretele celular al plantei

gazdă. Acest sistem membranar înconjoară grupuri de bacteroizi. Se numesc bacteroizi, celulele

bacteriilor aparținând genului Rhizobium care au pătruns în țesutul radicular și s-au transformat

în urma procesului simbiotic.

Extractele acelulare obținute din nodozități în atmosferă de Argon Ar (deoarece Oxigenul

inactivează enzima) și în prezență de polivinil-pirolidon ( care îndepărtează compușii fenolici

inhibitori ai enzimei) pot fixa azotul în prezența ATP-ului, a cationilor metalelor bivalente și a

feredoxinei reduse.

Aceste extracte conțin un complex enzimatic numit nitrogenază, alcătuit din două

componente: proteina 1 care este o molibdo-feredoxină și proteina 2 care este o azo-feredoxină.

Proteina 2 este foarte sensibilă la acțiunea oxigenului și este o Fe-S proteină dimer alcătuită din

două catene polipeptidice identice cu masa moleculară de 30k Da. Dimerul conține 4 atomi de

Fe, 4 atomi de S labil și 12 grupe tiolice titrabile. Proteina 1 este alcătuită din două catene

polipeptidice diferite cu masele moleculare de 51k și respectiv 60k Da, care sunt asociate într-un

tetramer cu o structură de tipul α-2-β-2. Tetramerul conține 2 atomi de Molibden Mo, câte 24 de

atomi de Fe, 24 atomi de S labil și aproape 30 de grupe tiolice titrabile.

Complexul enzimatic activ al nitrogenazei este format din 2 dimeri ai proteinei 2 și un

tetramer al proteinei 1.

Pentru reducerea azotului la amoniac NH3 sunt necesari 6 electroni care sunt acceptați în

trei etape cu formarea di-imidei și hidrazinei în calitate de produși intermediari.

Transferul protonilor și electronilor de la NADPH este asigurat de proteina 2, apoi de

proteina 1, iar aceasta din urmă interacționează direct cu N molecular. Locul cuplării acestui

transfer cu hidroliza ATP-ului în vederea eliberării de energie a fost stabilit prin metoda

rezonanței electronice paramagnetice. Prin adăugarea de ATP și Mg 2+ s-a observat o modificare

a semnalului rezonanței electronice caracteristică centrilor Fe-S din proteina 2, în timp ce proteina

1 a rămas nemodificată.

În același timp, ATP-ul se leagă puternic de proteina 2, micșorându-i potențialul său redox.

Rolul ATP-ului în transportul electronilor este probabil acela de sursă de energie, dat fiind faptul

că acest transport de electroni are loc contra gradientului de potențial, adică de la potențialul

electropozitiv spre cel electronegativ.

Mecanismul procesului de reducere a azotului nu este pe deplin elucidat, dar se presupune

că molecula de azot acceptă electroni de la ambii atomi de Molibden Mo.

În ultimul timp se consideră că situsul nitrogenazei răspunzător de legarea azotului conține

un cofactor în care Fierul, Molibdenul și Sulful se găsesc în raportul de 8:1:6.

În nodozitățile leguminoaselor există o componentă leghemoglobină, codificată în

genomul plantei gazdă care este sintetizată în celulele acesteia. Leghemoglobina nu participă în

mod direct la procesul fixării azotului și se caracterizează printr-o afinitate mare față de oxigen.

După biosinteză, leghemoglobina se localizează în sistemul membranar al bacteroizilor și

protejează nitrogenaza față de acțiunea inhibantă a oxigenului. În același timp, leghemoglobina

alimentează bacteroidul cu acea cantitate minimă de oxigen necesară respirației, proces în care se

formează ATP-ul necesar reluării ciclului de fixare a azotului.

Transformarea nitratului (NO 2 - ) în amoniac NH3

Nitrații constituie sursa cea mai importantă de azot exogen pentru majoritatea plantelor.

Acești anioni se formează în sol în principal din cationii de amoniu NH4 + care la rândul lor apar

în urma proceselor de descompunere a substanțelor organice din sol.

Această transformare reprezintă procesul biochimic cel mai important al activității

microbiene din sol și poartă numele de nitrificare. La realizarea procesului de nitrificare participă

bacterii aparținând genurilor Nitrosomonas (care realizează oxidarea NH4 + NO2 - ) și respectiv

Nitrobacter (capabile să realizeze oxidarea ionului NO2NO3 - ).

Deși majoritatea plantelor pot absorbi cationii de amoniu din sol NH4 + , din punct de vedere

cantitativ, acest proces este mai puțin important decât absorbția nitraților. Aceștia sunt absorbiți

de către celulele vegetale sub acțiunea permeazelor, enzime a căror biosinteză este indusă de

prezența azotaților în mediu.

Nitrat-reductaza este un complex enzimatic ce realizează reducerea anionilor azotat în

două etape. Din punct de vedere structural, acest complex este o molibdo-flavo-proteină, cu masa

moleculară de 200k Da și nu este exclus să fie un dimer. Activitatea nitrat-reductazei este diferită

de la o plantă la alta și se corelează cu raportul dintre N azotul organic și cel din nitrați. La speciile

cu activitate scăzută a nitrat-reductazei, cum ar fi Lagossipium (bumbac), peste 95% din azotul

total în reprezintă cel din nitrații liberi. În schimb, la plantele cu activitate crescută a nitrat

reductazei, ca de exemplu la spanac, nitrații sunt absenți în sucul celular. Nitrat-reductaza din

cianobacterii nu poate accepta electronii direct de la NAD(PH). În acest caz, donorul in-vivo este

reprezentat de feredoxină. Aceasta catalizează reducerea nitratului la amoniac cu formarea în

calitate de produși intermediari a nitroxilului NOH și hidroxilaminei NH2-OH. Enzima din spanac

are o masă moleculară de 61k-70k Da și are molecula formată din două subunități. În structura

ei, mai intră o feroporfirină numită sirohem care participă direct la transportul electronilor.

Includerea amoniacului în aminoacizi și proteine

Până prin anii 40, AA erau considerați ca fiind elemente structurale relativ stabile ce

pătrund în organism odată cu hrana. Experimentele efectuate ulterior au demonstrat faptul că

azotul aminic are capacitatea de a putea fi ușor transferat de la un schelet hidrocarbonat la altul.

Astfel s-a demonstrat că acizii Aspartic Asp și Glutamic Glu sunt legați de ciclul Krebs și sunt

capabili să-și schimbe rapid grupările aminice cu cele ale altor aminoacizi prin transaminare (cale

comuna de degradare a AA).

Amoniacul poate fi inclus în glutamat prin aminare reductivă, ceea ce face ca acidul

glutamic să ocupe un loc central în biosinteza aminoacizilor.

Acizii Asp și Glu pot fi astfel considerați ca fiind transportori solubili și netoxici ai

amoniacului ce se include în grupările aminice și amidice ale acestora. Există deci, o strânsă

interdependență între procesul Azot-fixării pe de o parte și biosinteza AA și proteinelor pe de altă

parte.

Principalele reacții prin care amoniacul este inclus în scheletul hidrocarbonat al

glutamatului pot fi sistematizate astfel.

Acidul glutamic astfel format poate trece în glutamină prin aminare reductivă în prezența

ATP-ului în calitate de donor de energie.

Pe de altă parte, acidul glutamic poate transfera gruparea sa aminică acidului aspartic cu

formare de asparagină Asn, poate servi drept precursor în biosinteza carbamilfosfatului(carbamoil-fosfat),

glucozaminei, bazelor azotate purinice, cititdin-trifosfatului, paraamino-benzoatului,

histidinei, etc. în funcție de condițiile concrete din celulă poate avea loc și

procesul invers catalizat de glutaminază, respectiv asparaginază. Pentru fiecare amidă, există

două enzime specifice ce realizează procesul de dezaminare în două etape distincte. În cazul

glutaminei Gln transformările sunt următoarele:

Asparagina suferă aceleași transformări sub acțiunea asparaginazei I și respectiv, II, cu

formare de acid-oxalilacetic.

Conform datelor experimentale existente, reacția catalizată de glutamat-dehidrogenază

(glutamat-sintetază) reprezintă principala cale de includere reversibilă a amoniacului în acid

glutamic Glu. Rolul reducătorului în această reacție poate fi jucat fie de NADH fie de NADPH.

În celulele eucariote, glutamat-dehidrogenaza este localizată preponderent în mitocondrii. În

continuare, sub acțiunea transaminazelor intra- și extra- mitocondriale, azotul glutamatului se

redistribuie prin includerea în alți aminoacizi.

Transportul aminoacizilor

Transportul AA prin membrana celulară reprezintă unul din cele mai complexe tipuri de

transport activ. În 1963, Meyer arată că pătrunderea AA în celulă nu poate fi o simplă difuzie.

Acest lucru se explică prin faptul că în interiorul celulelor concentrația aminoacizilor este de 5-6

(x) ori mai mare decât în afara lor, deci se realizează un transport activ contra-gradientului de

concentrație. Fiind un transport activ, prima condiție a realizării lui o constituie asigurarea

energiei necesare. În urma unor experimente privind transportul aminoacizilor s-au constata

următoarele:

- În condiții anaerobe, procesul de transport al aminoacizilor este stopat. Dacă se

utilizează inhibitori ai respirației, are loc de asemenea o stopare a transportului

aminoacizilor.

- Transportul aminoacizilor este conjugat cu procese de fosforilare, cu participarea

ATP-ului; nu este clar unde are loc procesul fosforilării, unii autori considerând că

se fosforilează aminoacidul iar alții că se fosforilează transportorul.

- Transportul aminoacizilor necesită prezența în mediu a ionilor de K și Na. În urma

unor studii privind transportul aminoacizilor prin membrana eritrocitară s-a

observat că ionii de Na asigură formarea complexului activ al transportorului. Pe

de altă parte, rolul sodiului nu constă numai în implicarea sa în transportul

aminoacizilor, fiind cunoscut faptul că ATP-aza membranară este Na-K

dependentă.

Transportorii aminoacizilor sunt polipeptide cu mase moleculare de 24k-30k Da și cu o

viață foarte scurtă, având timpul de înjumătățire de doar 10-12 ore. Moleculele proteice ale

transportorilor prezintă situsuri receptoare capabile de așa-numitul efect de recunoaștere.

Alegerea aminoacidului ce urmează a fi transportat are loc prin intermediul acestor situsuri la

suprafața externă a membranei. În cazul transportorilor de tip A, ce asigură pătrunderea în celulă

a aminoacizilor prin transport activ se consideră existența a doi receptori, si anume, unul pentru

Na și al doilea pentru aminoacid. S-a demonstrat că după pătrunderea în celulă, aminoacizii nu

intră direct în căile metabolice. Prin utilizarea metodei izotopilor radioactivi, constatându-se

faptul că aminoacizii formează așa numita rezervă sau fond de aminoacizi. În acest fond, AA se

află într-un echilibru dinamic, într-o stare labilă, în sensul că unii aminoacizi intră în acest fond

iar alții se utilizează în procesele de biosinteză sau se degradează.

Rezerva de aminoacizi este mereu completată cu noi aminoacizi ce provin din următoarele surse:

- Pătrunderea din mediul exterior a aminoacizilor sintetizați de-novo

- Aminoacizii ce iau naștere în urma unor transformări enzimatice cum ar fi

transaminarea

- Hidroliza proteinelor tisulare sub acțiunea catepsinelor

- Formarea de aminoacizi din produșii intermediari ai altor căi metabolice

Pe de altă parte, aminoacizii ies din rezervă, transformându-se pe diferite căi: biosinteza

proteinelor, formarea de creatinină, formarea de baze azotate purinice și pirimidinice, formarea

de uree, de porfirine etc.(Screenshot_8.jpg-17.02)

De fapt, noțiunea de rezervă de AA are un sens ceva mai larg. În afară de AA, acest fond

mai conține și alți compuși cu masă moleculară mică, cum ar fi CoA, dinucleotide, unii produși

intermediari de metabolism (glucozo-6-fosfat, piruvat, intermediari Krebs), toate acestea formând

o fază complexă labilă.

Biosinteza aminoacizilor in alți compuși bio-organici

Spre deosebire de ceilalți compuși biochimici, aminoacizii prezintă căi de biosinteză mult

mai complexe și mai numeroase.

Biosinteza glicocolului- glicina

În majoritatea organismelor vii drept precursor al biosintezei glicinei este folosită serina.

Aceasta, sub acțiunea serin-hidroximetil-transferazei și în prezența ionilor de Mn și a piridoxalfosfatului

în calitate de cofactor enzimatic, suferă o reacție de clivare a unor fragmente C1

Acceptorul grupărilor monocarbonate este acidul tetrahidrofolic, care trece în acid N-5-N-

10-metilen-tetrahidrofolic. Este posibil ca în timpul reacției enzimatice, atomul de carbon β al

serinei să fie transferat la acidul tetrahidrofolic după ce gruparea aminică a serinei a format o bază

Schieff cu piridoxal-fosfatul.

Baza Schieff este ulterior hidrolizată cu formare de glicocol și acid N-5-N-10-metilentetrahidrofolic.

Precursorul neazotat în biosinteza glicinei este acidul glioxilic care la plante și

microorganisme rezultă din fotosinteză și ciclul glioxilatului. Formarea glicocolului din acid

glioxilic poate avea loc printr-o reacție de aminare reductivă directă sau printr-o reacție de

transaminare.

Biosinteza alaninei

Acest aminoacid poate fi sintetizat de către organismele vii pe mai multe căi. Una din căile

de biosinteză cel mai des întâlnită în toate organismele vii constă în transaminarea piruvatului sub

acțiunea catalitică a alanin-aminotransferazei

Din unele tulpini de microorganisme, a fost izolată, purificată și cristalizată enzima

aspartat-β-decarboxilaza, o enzimă oligomeră, formată din 12-14 subunități, fiecare conținând în

calitate de cofactor câte un mol de piridoxal-fosfat. Această enzimă catalizează β-decarboxilarea

acidului aspartic cu formare de α-alanină.

Speciile genului Bacillus posedă enzima alanin-dehidrogenaza-dezaminantă ce catalizează

reacția de aminare reductivă a piruvatului cu formarea de α-alanină. Enzima utilizează în calitate

de cofactor NADH-ul, care îndeplinește în această reacție și funcție de cosubstrat cu rol de agent

reducător.

β-alanina se sintetizează la microorganisme prin α-decarboxilarea aspartatului sub acțiunea

decarboxilazei specifice.

În organismele mamiferelor, β-alanina poate fi sintetizată pe două căi diferite, și anume:

degradarea bazelor azotate pirimidinice(C, U) și respectiv prin utilizarea în calitate de precursor

a propionil-CoA

Prin degradarea bazelor azotate pirimidinice

Calea de biosinteza a β-alaninei prin utilizarea în calitate de precursor a propionil-CoA

începe prin dehidrogenarea acestuia din urmă, urmată de hidratare cu formare de β-hidroxipropionil-CoA.

Prin hidroliză enzimatică se eliberează acidul β-hidroxi-propionic care se

oxidează apoi la semialdehidă malonică iar aceasta din urmă, prin transaminare, formează β-

alanina.

Biosinteza serinei

O cale bine studiată a biosintezei serinei la microorganisme, plante și animale constă în

condensarea glicocolului cu un compus C1 activ, proces în care, un rol extrem de important îl

joacă derivații acidului tetrahidrofolic. În calitate de donor de compus C1 activ, care va deveni

carbonul β al serinei, cel mai adesea poate servi acidul N-5-N-10-hidroximetil-tetrahidrofolic.

Procesul de clivare din molecula donorului a restului hidroxi-metil și grefarea acestuia pe

molecula glicocolului este catalizat de serin-hidroximetil-transferază, enzimă piridoxal-5-fosfat

dependentă.

O altă cale de biosinteză a serinei utilizează în calitate de precursor acidul-3-fosfogliceric

care se întâlnește în toate celulele vii în calitate de produs intermediar al metabolismului glucidic.

Indiferent de proveniența acestuia calea metabolică de conversie în serină este identică atât în

organismele animale, cât și la plante. În prima etapă a acestei căi metabolice acidul-3-

fosfogliceric suferă o reacție de dehidrogenare sub acțiunea 3-fosfoglicerat-dehidrogenazei cu

formare de acid 3-fosfo-hidroxipiruvic.

Pe baza datelor existente în prezent în literatura de specialitate se poate considera că la

plante funcționează ambele căi de biosinteză a serinei. Predominarea uneia sau alteia din cele

două secvențe metabolice depinde de specia plantei iar in-vitro de condițiile de experiență cum

ar fi durata experienței, aportul dintre concentrațiile de CO2 și O2, intensitatea și calitatea

radiațiilor luminoase etc. în experiențele foarte scurte de fixare a CO2 la lumină, experiențe de

ordinul secundelor, serina se sintetizează în principal din acidul-3-fosfogliceric, în timp ce în

experiențele mai lungi, de peste 20 de minute, calea biosintetică predominantă o reprezintă cea

care utilizează glicocolul drept precursor.

La țesuturile vegetale, serina poate fi sintetizată din acid hidroxi-piruvic, printr-o reacție

de transaminare sau aminare reductiva directă.

Biosinteza serinei din acidul hidroxi-piruvic liber a fost demonstrată de asemenea pentru

bacteriile aparținând speciilor Acetobacter suboxidans și Neurospora crassa. La plante, calea

acidului fosfo-hidroxi-piruvic este caracteristică țesuturilor în care are loc o proliferare intensă a

celulelor, iar calea biosintetică ce utilizează glicocolul predomină în frunzele verzi.

Biosinteza valinei

În urma experimentelor efectuate pe plante și microorganisme s-a stabilit că biosinteza

valinei, izoleucinei și leucinei are loc pe căi asemănătoare.

Biosinteza valinei se realizează prin utilizarea în calitate de precursori a acidului piruvic

și a aldehidei acetice active sub formă de α-hidroxietil-tiamin-pirofosfat. Procesul biosintetic

debutează prin condensarea acestor doi compuși sub acțiunea catalitică a α-aceto-β-hidroxi-acidsintetazei

cu formare de acid α-aceto-lactic. În faza următoare acționează reducto-izomeraza

capabilă să convertească acidul α-aceto-lactic în acid-α,β-dihidroxi-izovalerianic. În realitate au

loc două transformări diferite, si anume: transpoziția intramoleculară și respectiv, reducerea

grupei carbonilice în gruparea alcoolică. Reducto-izomeraza este relativ larg răspândită în

microorganisme și plante. În continuare sub acțiunea unei dehidrataze specifice acidul-α, β,

dihidroxi-izovalerianic se dehidrogenează cu formar de acid α-ceto-izovalerianic care prin

transaminare formează valina. (a/n prima enzimă alfa-aceto-beta-hidroxi acid sintetaza)

Biosinteza izoleucinei

Calea de biosinteză a izoleucinei este foarte asemănătoare cu cea prin care se

sintetizează valina.

În calitate de precursori sunt utilizate treonina și acetaldehida activă, în prima etapă

acționând enzima L-treonin-dezaminaza ce convertește treonina în acid-α-ceto-butiric. Acesta

din urmă dă apoi o reacție de condensare cu acetaldehida activă cu formare de acid α-acetoα-hidroxibutiric.

Printr-o reacție de transpoziție are loc apoi rearanjarea restului etil din

poziția α în poziția β și reducerea grupei cetonice în gruparea alcoolică secundară. Se obține

astfel acidul α, β-dihidroxi-β-metilvalerianic care prin deshidratare trece în acid α-ceto-βmetilvalerianic.

În etapa finală are loc o reacție de transaminare cu formarea izoleucinei.

Se presupune că fiecare etapă a biosintezei valinei și ultimele etape ale biosintezei

izoleucinei sunt catalizate de enzime comune pentru ambele căi.

Biosinteza leucinei

Procesul de biosinteză a leucinei are un punct comun cu cel prin care se sintetizează

valina și nu este legat genetic de biosinteza izoleucinei.

În calitate de precursori ai procesului biosintetic sunt utilizați acidul α-cetoizovalerianic

și acetil-CoA. Sub acțiunea α-izopropil-malat-sintetazei aceștia sunt mai întâi

condensați cu formare de acid β-carboxi-β-hidroxi-izocaproic iar acesta din urmă suferă o

reacție de deshidratare generând acidul α-izopropil-maleic. Rehidratarea acestuia conduce la

formarea β-izopropil-malic iar oxidarea grupării alcoolice secundare din molecula acidului β-

izopropil-malic la grupare cetonică conduce la conversia acestuia în acid β-izopropiloxaloacetic.

Acesta pierde gruparea carboxilică din poziția β prin decarboxilare enzimatică

când se formează acidul α-ceto-izocaproic. Ultima etapă a biosintezei leucinei o constituie

aminarea acidului α-ceto-izocaproic. La microorganisme această etapă se poate realiza fie

prin transaminare enzimatică, așa cum se întâmplă la bacteriile lactice, fie pe calea aminării

reductive ca în cazul bacteriilor aparținând genului Bacillus.

Biosinteza cisteinei

Cisteina se sintetizează în organismele vii printr-un mecanism complex ce utilizează în

calitate de precursor metionina. Această cale metabolică debutează printr-o reacţie de

transmetilare a metioninei sub acţiunea transmetilazei specifice când metionina trece în

homocisteină. La reacţiile de mai sus nu sunt implicate substratele libere ci sub formele lor

active (S-adenozil-metionină şi respectiv S-adenozil-homocisteină.) După formarea

homocisteinei active, restul adenozil este clivat prin hidroliză, punându-se în libertate

homocisteina. Aceasta din urmă dă apoi o reacţie de condensare enzimatică cu serina sub

acţiunea cistationin-sintetazei cu formare de cistationină. La rândul ei, cistationina suferă o

reacţie de hidroliză sub acţiunea cistationazei rezultând cisteină şi homoserină. Cistationsintetaza

este o enzimă cheie a acestei căi metabolice. Ea este localizată în hepatocite şi este o

enzimă piridoxalfosfat-dependentă:

S – CH 3

I

CH 2 + ATP

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

P i PPi

COOH

Metioninã

N

+

H 3 C – S – CH 2 N

I

CH 2 O

I

CH 2

I

H 2 N – CH

I

COOH

I I

NH 2

I

N

N

FH 4 (CH 3 )FH 4

Transmetilazã

S-Adenozil-metioninã

N

NH 2

I

N

N

NH 2

I

N

S – CH 2 N

I

CH 2 O

I

CH 2

I

H 2 N – CH

I

COOH

I I

N

H 2 O

N

HO – CH 2

O

I I

N

+

S-Adenozil-homocisteinã

Adenozinã

COOH

I

+

CH – NH 2

I

CH 2

I

CH 2 – SH

Homocisteinã

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2

I

CH 2 – SH

+

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2 – OH

H 2 O

Cistationinsintetaza

COOH

I

CH – NH 2 COOH

I

I

CH 2

CH – NH 2

I

I

CH 2 —— S —— CH 2

Homocisteinã

Serinã

Cistationinã

H 2 O

Cistationaza

CH 3 –CH 2

I

HOOC–C=O

NH 3

CH 2 – SH

I

CH – NH 2

I

COOH

Cistetinã

Sulful din tioaminoacizi este prezent sub formă redusă, cu toate că plantele şi

animalele îl iau din sol şi respectiv îl primesc prin hrană sub forma ionului sulfat (SO 2– 4 )

Reducerea sulfaţilor este un proces complex care decurge în două etape. Prima fază o

reprezintă formarea adenil-sulfatului care reacţionează în etapa următoare cu o nouă moleculă

de ATP generând 3’-fosfoadenil-sulfatul. Reacţia dintre adenil-sulfat şi ATP constă în

fosforilarea adenil-sulfatului la carbonul 3’, iar produsul rezultat reprezintă aşa-numitul

„sulfat activ”:

N

NH 2

I

N

N

N

O O O

II II II

CH 2 – O – P – O ~ P – O ~ P – OH

I

OH

I

OH

I

OH

SO 4

2–

PP i

I

I

ATP

N

NH 2

I

N

N

N

O

II

O

II

CH 2 – O – P – O ~ S – OH

I

OH O II

I

I

Adenil-sulfat

N

NH 2

I

N

ATP ADP

N N CH 2 – O – P – O ~ S – OH

I

OH O II

I

OH

I I

O–P=O

I

OH

O

II

3'–Fosfoadenil-sulfat

O

II

Sulfonil-anhidridele (adenil-sulfatul şi 3’-fosfoadenil-sulfatul) pot fi hidrolizate pe

cale enzimatică de către adenilsulfatază şi respectiv fosfoadenilsulfatază. Sulfatul eliberat în

urma acestor reacţii este redus de către plante printr-un mecanism necunoscut încă, iar de

către levuri sub acţiunea unor sisteme enzimatice NADPH-dependente. Cu ajutorul metodei

izotopilor radioactivi s-a stabilit că la plante această reducere are loc mai intens la lumină, în

cursul procesului fotosintetic şi decurge după schema:

2–

2–

SO 4 SO 3 H 2 S

Hidrogenul sulfurat rezultat este utilizat de levuri pentru biosinteza cisteinei din serină:

CH 2 – OH

I

CH – NH 2

I

COOH

Serinã

CH 2 – SH

I

+ H 2 S

CH – NH 2 + H 2 O

I

COOH

Cistetinã

Se presupune că la plantele superioare biosinteza cisteinei ar avea loc pe această cale,

prin utilizarea serinei în calitate de precursor.

Biosinteza metioninei

Procesul de biosinteză a metioninei a fost studiat mai intens la microorganisme.

Acestea utilizează în calitate de precursor acidul aspartic care, sub acţiunea unei kinaze

specifice, trece în acid 4-fosfo-aspartic. Asupra acestuia acţionează oxidoreductaza, o enzimă

NADPH-dependentă, când se formează -semialdehida acidului aspartic care este redusă la

homoserină de către homoserin-dehidrogenază:

COOH

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Acid

aspartic

O

ATP ADP C – O ~ P NADPH+H + NADP +

I

CH 2

P i

I

CH – NH

Aspartat-kinaza

2

I

Oxidoreductaza

COOH

Acid 4-fosfo-

-aspartic

O

C – H

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

-Semialdehida

acidului aspartic

NADH+H + NAD +

Homoserin-

-dehidrogenaza

CH 2 – OH

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Homoserinã

Homoserina astfel formată suferă apoi o reacţie de condensare cu succinil-CoA cu

formare de O-succinil-homoserină care, sub acţiunea cistationin-sintetazei, generează

cistationina. Prin dezaminarea hidrolitică a acesteia are loc concomitent şi clivarea unui rest

de acid piruvic, cu formare de homocisteină:

CH 2 – OH

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Succinil-CoA

CoA - SH

H 2 O

CH 2 — O — C = O

I

I

CH 2 CH 2

I

I

CH – NH 2 CH 2

I

I

COOH COOH

Homoserinã

O-Succinil-

-homoserinã

Cisteinã Succinat

H 2 O

Cistationin-sintetaza

CH 2 — S —

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

H 2 O

Piruvat

NH 3

Cistationinã

CH 2 – SH

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Homocisteinã

La microorganisme şi mamifere (în hepatocite), homocisteina astfel formată suferă o

reacţie de transmetilare cu formare de metionină. Donorul de radicali metil poate fi metiltetrahidrofolatul

(metil-THF) şi metil-cobalamina la microorganisme, respectiv betaina şi

dimetil-tetina în hepatocitele mamiferelor. La rândul său, metil-cobalamina se formează prin

metilarea vitaminei B 12 de către S-adenozilmetionină (SAM):

CH 2 – SH

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Homocisteinã

metil-THF

THF

metil-B 12

B 12

betainã

dimetil-glicocol

dimetil-tetinã

metil-tetinã

SAM

THF

metil-THF

CH 2 – S – CH 3

I

CH 2

I

CH – NH 2 Metioninã

I

COOH

La microorganisme, metionina formată joacă rol de inhibitor, acţionând printr-un

mecanism de tip feed back asupra aspartat-kinazei.

Biosinteza acidului aspartic şi asparaginei

Metabolismul acidului aspartic este strâns legat de numeroase procese ale

metabolismului intermediar, el realizând una din conexiunile dintre metabolismul proteic şi

cel glucidic.

Acizi nucleici

Baze azotate

pirimidinice

Baze azotate

purinice

Acid glutamic

Acid fumaric

ACID ASPARTIC

Asparaginã

-Alaninã

Homoserinã

Acid

oxalil-acetic

Treoninã

Metioninã

Acid

asparagin-succinic

Ciclul Krebs

Reprezentarea schematică a rolului acidului aspartic şi asparaginei în metabolismul intermediar

(Dumitru, I.F. – 1980)

Una din căile de biosinteză a acidului aspartic utilizează glutamatul în calitate de

precursor. Prin transaminare cu oxaloacetat sub acţiunea aspartat-aminotransferazei, se

formează acidul aspartic şi respectiv acidul -cetoglutaric:

CH 2 – CH 2 – CH – COOH

I

I

COOH NH 2

Acid glutamic

+

HOOC – CH 2 – C – COOH

II

O

Acid oxaloacetic

Aspartat-aminotransferaza

HOOC – CH – CH 2 – COOH

I

NH 2

Acid aspartic

+

CH 2 – CH 2 – C – COOH

I

II

COOH O

Acid -cetoglutaric

La plante, acidul aspartic se poate forma şi în cursul unui proces de aminare reductivă

a fumaratului catalizată de aspartat-amoniac-lază:

HOOC – CH = CH – COOH + NH 3

Acid fumaric

Aspartatamoniacliazã

HOOC – CH – CH 2 – COOH

I

NH 2

Acid aspartic

Amoniacul, care reprezintă pentru plante o substanţă toxică, este făcut în felul acesta

inofensiv şi folosit deci în biosinteza aminoacizilor. Cantitatea lui în plante este uneori atât de

mare încât biosinteza acidului aspartic nu este suficientă pentru neutralizarea acţiunii lui

toxice. Excesul de amoniac este legat sub formă de amide ale acizilor glutamic şi aspartic, în

unele plante predominând asparagina, iar în altele glutamina. Acidul aspartic constituie

precursorul în biosinteza asparaginei într-o reacţie enzimatică catalizată de asparaginsintetază:

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2

I

COOH

+ NH 3

ATP

Asparagin-sintetazã

ADP + P i H 2 O

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2

I

C = O

I

NH 2

Acid aspartic

Asparaginã

Energia necesară sintezei legăturii amidice este furnizată de ATP. În alte organisme

vegetale, formarea asparaginei poate să se realizeze şi pe o altă cale, de exemplu prin reacţia

de dublu schimb dintre glutamină şi aspartat:

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2

I

CH 2

I

C = O

I

NH 2

Glutaminã

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2

I

COOH

COOH

I

CH – NH 2

I

+ CH 2 +

I

CH 2

I

COOH

Acid

aspartic

Acid

glutamic

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2

I

C = O

I

NH 2

Asparaginã

Biosinteza acidului glutamic şi glutaminei

Acidul glutamic şi amida sa (glutamina) îndeplinesc în organismele vii un rol deosebit

de important, participând la reacţiile de transaminare nu numai a cetoacizilor dar şi a altor

compuşi şi deci la biosinteza unui număr relativ mare de substanţe celulare. Acidul glutamic

mai face legătura cu metabolismul glucidelor, deoarece acidul -cetoglutaric rezultat din

reacţiile de transaminare reprezintă totodată un produs intermediar al ciclului acizilor

tricarboxilici. În acelaşi timp, acidul glutamic este utilizat în celula vie pentru biosinteza

bazelor azotate purinice, a glucozaminei, prolinei, ornitinei, glutationului, vitaminelor din

grupa acidului folic etc.

Biosinteza acidului glutamic se poate realiza prin aminarea reductivă a acidului -

cetoglutaric sub acţiunea glutamat-dehidrogenazei:

COOH

I

C = O

I

CH 2

+ NH 3

I

CH 2

I

COOH

Acid -cetoglutaric

NADPH+H + NADP + H 2 O

Glutamat-dehidrogenaza

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2

I

CH 2

I

COOH

Acid

glutamic

Acest proces de fixare a amoniacului este deosebit de important pentru metabolismul

azotului la microorganisme şi plante El se întâlneşte şi la animale însă în acest caz

mecanismul lui biochimic este deocamdată incomplet elucidat.

Amoniacul utilizat în această reacţie poate rezulta fie din amidele acizilor monoaminodicarboxilici,

fie chiar din acidul glutamic care a fost dezaminat oxidativ. Glutamatdehidrogenaza,

enzima ce catalizează acest proces de fixare a azotului amoniacal, are o masă

moleculară mare şi nu necesită prezenţa unei grupări prostetice. Ea este localizată în

citoplasmă, aceasta reprezentând compartimentul celular în care se realizează reacţia de

aminare reductivă a -cetoglutaratului. Biosinteza acestei enzime la levuri şi la Neurospora

sp. este inhibată de prezenţa în mediu a acidului glutamic. În mitocondrii există o altă

glutamat-dehidrogenază NAD + –dependentă, inhibată de ATP şi stimulată de ADP, aceasta

catalizând acelaşi proces dar direcţionând metabolismul acidului glutamic pe calea -

cetoglutaratului, deci în scopul procurării energiei celulare. Compartimentarea celulară a

acestor două enzime este de natură să moduleze biosinteza şi degradarea acidului glutamic în

funcţie de necesităţile energetice ale celulei. Amoniacul este fixat şi în procesul de biosinteză

a glutaminei, proces catalizat de glutamin-sintetază şi care are loc în două etape distincte:

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2

I

CH 2

I

COOH

Acid

glutamic

COOH

COOH

I

I

ATP ADP CH – NH 2 NH

I

3 H 3 PO 4

CH 2

I

CH 2 O

I II

C – O – P – OH

II I

O OH

Acid -glutamilfosforic

CH – NH 2

I

CH 2

I

CH 2

I

C – NH 2

II

O

Glutaminã

Glutamin-sintetaza poate folosi ca substrat pentru biosinteza glutaminei D- şi L-

stereoizomerii acidului glutamic. Enzima are o masă moleculară cuprinsă între 500.000 şi

600.000 Da în funcţie de specia de la care a fost izolată şi are molecula formată din 12

subunităţi identice, fiecare cu o masă moleculară de 45.000, respectiv 50.000 Da.

Acid glutamic

NH 3

Carbamil-fosfat

Ornitinã

Ala

Gly

ATP

CTP

AMP

His

Glucozamino-

-6-fosfat

Prolinã

-Semialdehida

acidului glutamic

Glutation

ACID GLUTAMIC

GLUTAMINÃ

Acid folic

-amida acidului

-cetoglutaric

Glucozamina

Glicoproteine

Baze azotate

purinice

ACID -CETO-

GLUTARIC

Acid -aminoadipic

Acizi nucleici

Ciclul Krebs

Transaminãri

Lizinã

Reprezentarea schematică a reacţiilor metabolismului intermediar în care este implicată glutaminsintetaza

(Dumitru, I.F. – 1980).

La E. coli această enzimă este inhibată prin adenilarea subunităţilor ei de către ATPglutamin-sintetaza-adenilil-transferază

care transferă gruparea 5’-adenilil din ATP la un

hidroxil fenolic al unui rest de tirozină din catena polipeptidică a subunităţilor enzimei.

Această reacţie este activată de ionii de Mg 2+ . O altă enzimă de deadenilare, cu o masă

moleculară de aproximativ 130.000 Da este asociată cu ATP-glutamin-sintetaza-adenililtransferaza

şi catalizează clivarea hidrolitică a grupării 5’-adenilil, în prezenţa ionilor de

Mn 2+ , reactivând enzima glutamin-sintetaza.

Glutamin-sintetaza poate deci exista sub trei forme: o formă activă, o formă adenilată

când cele 12 subunităţi sunt adenilate prin legarea la fiecare subunitate a câte unui rest de

acid 5’-adenilic, enzima fiind în acest caz inactivă şi o formă inhibată, când la situsurile

alosterice ale celor 12 subunităţi sunt legate resturile unor inhibitori alosterici cum ar fi

glicocolul, alanina, AMP, CTP, triptofanul, histidina etc. Acest proces complicat de reglare a

biosintezei glutamin-sintetazei printr-o enzimă reglatoare deosebit de complexă este

explicabil prin rolul important al acestui compus în reacţiile metabolismului intermediar.

O analiză atentă a metabolismului majorităţii aminoacizilor evidenţiază faptul că ei

trec în mod obligatoriu prin stadiile de transformare în alanină, acid glutamic şi acid aspartic.

Biosinteza hidroxiprolinei

În procesul de biosinteză a hidroxiprolinei se utilizează în calitate de precursor acidul

glutamic care, într-o primă etapă, este redus la -semialdehida corespunzătoare. La rândul ei,

-semialdehida acidului glutamic se poate forma şi din ornitină în urma unei reacţii de

dezaminare:

H 2 O

H 2 C — CH 2

I I

C CH – COOH

O H

I

NH 2

NADH+H + NAD + Ornitinã

Acid glutamic

-Semialdehida

acidului glutamic

NH 3

H 2 C — CH 2

I I

HOOC CH – COOH

I

Glutamatdehidrogenaza

NH 2

Ornitindezaminaza

H 2 C — CH 2

I I

H 2 C CH – COOH

I I

NH 2 NH 2

-Semialdehida acidului glutamic se găseşte într-un echilibru dinamic cu acidul 5-

pirolin-2-carboxilic care este în permanenţă redus cu formare de prolină:

H 2 C — CH 2

I I

C CH – COOH

O H

I

NH 2

H 2 O

N

– COOH

-Semialdehida

acidului glutamic

Acid 5-pirolin-

2-carboxilic

NADH+H + NAD +

N

I

H

– COOH

Prolinã

Prolina este apoi hidroxilată, de cele mai multe ori când se află deja în stadiul de

peptidă sau chiar în proteina sintetizată, acest proces necesitând prezenţa în mediu a acidului

ascorbic.

Biosinteza lizinei

La plantele superioare, la alge, fungi, bacterii şi alte organisme vii, procesul de

biosinteză a lizinei utilizează în calitate de precursori acidul piruvic şi acidul aspartic care

generează lizina printr-o cale metabolică foarte complexă cunoscută sub numele de calea

acidului diamino-pimelic. În prima etapă a procesului, acidul piruvic şi semialdehida

acidului aspartic dau o reacţie de condensare cu formare de acid 2,3-dihidro-dipicolinic.

Această reacţie este catalizată de o enzimă specifică numită „enzimă de condensare”:

COOH

I

C = O

I

CH 3

Acid piruvic

H – C = O

I

CH

+ 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Semialdehida

acidului aspartic

H 2 O

COOH

I

C = O

I

CH

II

CH

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

HOOC N COOH

H 2 O

Acid 2,3-dihidrodipicolinic

În prezenţa unei reductaze specifice NADP + -dependente, acidul 2,3-dihidrodipicolinic

este transformat apoi în acid piperidein-2,6-dicarboxilic:

HOOC

N

Acid 2,3-dihidrodipicolinic

COOH

Reductaza

2NADPH+H + 2NADP + Acid piperidein-2,6-

HOOC

N

dicarboxilic

COOH

Acest acid este hidrolizat cu formare de acid -amino--ceto-pimelic care, prin

condensare cu succinil-CoA, formează acidul N-succinil--amino--ceto-pimelic. În

continuare, acesta poate fi transaminat cu ajutorul acidului glutamic ca sursă de grupări amino

sub acţiunea N-succinil-diaminopimelat-glutamat-aminotransferazei cu formare de acid N-

succinil--diaminopimelic:

HOOC

N

Acid piperidein-2,6-

dicarboxilic

COOH

H 2 O

COOH

I

C = O

I

CH 2

Succinil-CoA CoA-SH

I

CH 2

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Acid -amino- -

ceto-pimelic

COOH

I

C = O

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH – CO – (CH 2 ) 2 – COOH

I

COOH

Acid N-succinil- -amino-

-ceto-pimelic

Glutamat

Transaminaza

-Cetoglutarat

COOH

I

H 2 N – C – H

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH – CO – (CH 2 ) 2 – COOH

I

COOH

Acid N-succinil- -

diamino-pimelic

Acidul N-succinil--diamino-pimelic astfel format suferă în continuare o reacţie de

deacilare sub acţiunea N-succinil-diaminopimelat-deacilazei cu formare de acid -diaminopimelic

şi eliminare de acid succinic:

CH 2 – COOH

I

COOH

CH 2 – COOH

I

H 2 N – C – H

H 2 O

I

(CH 2 ) 3

Deacilaza

I

CH – NH – CO – (CH 2 ) 2 – COOH

I

COOH

Acid N-succinil-diamino-pimelic

COOH

I

H 2 N – C – H

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH 2

I

COOH

Acid -diaminopimelic

Sub acţiunea unei racemaze specifice, acidul--diamino-pimelic este convertit în

acid mezo--diamino-pimelic care, sub acţiunea unei decarboxilaze specifice

piridoxalfosfat-dependente formează lizina:

COOH

I

H 2 N – C – H

I

(CH 2 ) 3

I Racemazã

CH – NH 2

I

COOH

COOH

I

CH – NH 2

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH 2

I

COOH

CO 2

Decarboxilaza

CH 2 – NH 2

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH 2

I

COOH

Acid -diaminopimelic

Acid mezo- diamino-pimelic

Lizinã

Biosinteza lizinei pe calea acidului diamino-pimelic este controlată printr-un

mecanism de retroinhibiţie, lizina rezultată putând inhiba reacţia de condensare a -

semialdehidei acidului aspartic cu acidul piruvic.

La reprezentanţii unor clase de fungi inferiori şi superiori, lizina este sintetizată pe o

altă cale metabolică, cunoscută sub numele de calea saccharopinei, ce utilizează în calitate de

precursori acetil-CoA şi acidul -cetoglutaric. Sub acţiunea homocitrat-sintetazei, aceştia dau

o reacţie de condensare generând acidul homocitric:

O

II

CH 3 – C ~ S – CoA

+

COOH

I

CH 2

I

CH 2

I

C = O

I

COOH

H 2 O

COOH

I

CoA – SH CH 2

I

CH 2

I

HO – C – COOH

I

CH 2 – COOH

Acetil-CoA -Cetoglutarat Acid homocitric

Sub acţiunea cis-homoaconitazei, acidul homocitric suferă o reacţie de deshidratare cu

formare acid cis-homoaconitic. Acesta adiţionează apoi o moleculă de apă sub acţiunea unei

hidrataze specifice când rezultă acidul cis-homoizocitric. Sub acţiunea homoizocitratdehidrogenazei,

care este o enzimă NAD + -dependentă, acesta se oxidează la acid oxaloglutaric

în prezenţa ionilor de Mg 2+ :

COOH

I

CH 2

I

CH 2

I

HO – C – COOH

I

CH 2 – COOH

H 2 O

Acid homocitric Acid cishomoaconitic

Cis-homoaconitaza

COOH

I

CH 2 H 2 O

I

CH 2

I Hidrataza

C – COOH

II

CH – COOH

Acid oxaloglutaric

COOH

COOH

I NAD + NADH+H + I

CH 2

CH 2

I

I

CH 2

CH 2

I

Homoizocitratdehidrogenaza

H – C – COOH

I

CH – COOH

I

I

HO – CH – COOH

O = C

I

COOH

Acid homoizocitric

Oxalo-glutaratul astfel format se decarboxilează sub acţiunea catalitică a

decarboxilazei sale specifice dând naştere acidului -cetoadipic care suferă apoi o reacţie de

transaminare sub acţiunea -aminoadipat-glutamat-aminotransferazei formând acidul -

amino-adipic. Acesta din urmă este apoi redus de către aminoadipat-reductază şi în prezenţa

ATP-ului şi a ionilor de Mg 2+ . Produsul format (-semialdehida acidului -aminoadipic) este

redus sub acţiunea catalitică a semialdehid-glutamat-reductazei în prezenţa acidului glutamic

şi a NADPH-ului dând naştere în final unui compus complex numit saccharopină. Denumirea

acestuia derivă de la genul Saccharomyces care sintetizează lizina preponderent pe această

cale:

COOH

I

CH 2

I

CH 2

I

H – C – COOH

I

O = C

I

COOH

Acid oxaloglutaric

CO 2

Decarboxilaza

COOH

I

(CH 2 ) 3

I

C = O

I

COOH

Acid -cetoadipic

Aminotransferazã

COOH

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH 2

I

COOH

NADPH+H +

ATP ADP+ P NADP + i

H 2 O

Mg2 +

Aminoadipat-reductaza

O

C H

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH 2

I

COOH

NADPH+H + NADP +

Glu H 2 O

COOH

I

CH 2 ———NH ——— CH

I

I

(CH 2 ) 3

CH 2

I

I

CH – NH 2

CH 2

I

I

COOH

COOH

Semialdehida

acidului -aminoadipic

Saccharopina

În ultima etapă a acestei căi metabolice intervine enzima saccharopin-dehidrogenaza

care hidrolizează saccharopina cu formare de lizină şi acid -cetoglutaric:

COOH

I

CH 2 ———NH ——— CH

I

I

(CH 2 ) 3

CH 2

I

I

CH – NH 2

CH 2

I

I

COOH

COOH

Saccharopina

H 2 O

NAD + NADH+H +

Acid -aminoadipic

Semialdehid-glutamatreductaza

Saccharopindehidrogenaza

CH 2 – NH 2

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH 2

I

COOH

Lizinã

+

COOH

I

C = O

I

CH 2

I

CH 2

I

COOH

Biosinteza argininei şi ornitinei

Calea principală de biosinteză a ornitinei şi argininei, precum şi enzimele implicate în

aceste procese în organismele animale sunt cele din ciclul ureogenetic. Această cale

metabolică debutează prin formarea carbamil-fosfatului, iar penultima fază o reprezintă

sinteza argininei care prin hidroliză eliberează sub formă de uree amoniacul fixat iniţial şi

formează ornitina (vezi ciclul ureogenetic).

O altă cale de biosinteză a ornitinei utilizează în calitate de precursor acidul glutamic.

Acesta poate forma ornitină fie prin intermediul -semialdehidei acidului glutamic, fie pe

calea N-acetil-glutamatului.

N-Acetil-

-glutamat

Glutamat

-Fosfo-N-acetil-

-glutamat

-Semialdehida

acidului glutamic

Ornitinã

-Semialdehida acidului

N-acetil-glutamic

Acid -cetoglutaric

N-acetil-

-ornitinã

Reprezentarea schematică a ciclului N-acetil-ornitinei

Biosinteza ornitinei pe calea N-acetil-glutamatului debutează prin acilarea grupei –

NH 2 din molecula acidului glutamic urmată de reducerea grupei –COOH din poziţia şi

transaminarea grupei aldehidice astfel formate:

Acetil-CoA CoA-SH ATP ADP

COOH

COOH

I

I

CH 2 CH 2

I Glutamat-Acetil CoAtransferaza

I

Acetil-glutamat-

CH 2

I

CH 2

-kinaza

I

CH – NH 2

CH – NH – CO – CH 3

I

I

COOH

COOH

Glutamat

N-Acetil-glutamat

O

O

NAD(P)H+H + NAD(P) +

C O~ P

H

I

3 PO C 4

H

I

CH 2

CH 2

I

I

CH 2

CH 2

I

I



I

I

COOH

COOH

-Fosfo-N-acetil-

-glutamat

-Semialdehida acidului

N-acetil-glutamic

Glutamat

Transaminare

-Cetoglutarat

CH 2 – NH 2

I

CH 2

H 2 O CH 3 –COOH

I

CH 2

Deacilaza

I


I

COOH

N-Acetil-ornitinã

CH 2 – NH 2

I

CH 2

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Ornitinã

La Escherichia coli, conversia glutamatului în ornitină se face pe calea -

semialdehidei acidului glutamic:

COOH NADH+H+ NAD +

H

I

2 O

CH 2

I

Glutamat-

CH 2 -dehidrogenaza

I

CH – NH 2

I

COOH

H – C = O CH 2 – NH 2

I

I

CH 2

CH 2

I Transaminare I

CH 2

CH 2

I

I

CH – NH 2

CH – NH 2

I

I

COOH

COOH

Glutamat

-Semialdehida

acidului glutamic

Ornitinã

La alte microorganisme, N-acetil-ornitina suferă o reacţie de oxidare a grupei –()NH 2

urmată de deacilare trecând în acid glutamic. În felul acesta se închide aşa-numitul ciclu al N-

acetil-ornitinei.

Întrucât -semialdehida acidului glutamic este un produs intermediar al biosintezei

prolinei, excesul acesteia determină accelerarea biosintezei ornitinei prin ocolirea ciclului N-

acetil-ornitinic.

În contimuare, ornitina formată intră în ciclul ureogenetic, iar arginina rezultată inhibă

printr-un mecanism de tip feed back activitatea acetil CoA transferazei care conţine un centru

alosteric cu o afinitate înaltă faţă de arginină.

Biosinteza fenilalaninei, tirozinei şi triptofanului

Biosinteza nucleului aromatic al fenilalaninei, tirozinei şi triptofanului se realizează

din precursori alifatici. Acest proces a fost studiat şi elucidat pe culturile diferitelor

microorganisme. În acest scop, celulele bacteriene au fost iradiate cu raze Röentgen sau U.V.

pentru obţinerea unor mutante şi apoi cultivate pe un mediu de cultură adecvat în care s-a

adăugat penicilină. Acest antibiotic distruge numai bacteriile care se multiplică şi este

indiferent faţă de celulele bacteriene care nu se înmulţesc, adică faţă de mutante.

CO 2

H 2 O

Prefenat-

-hidrataza

Acid

prefenic

Prefenat-

-dehidrohenaza

NAD + NADH+H +

Acid

fenilpiruvic

CO 2

Acid p-hidroxi-

-fenilpiruvic

Transaminare

Transaminare

Fenilalaninã

Tirozinã

Fenilalanin-4-

-hidroxilaza

O 2

Fe 2+

H2 O

Tetrahidropteridinã

Dihidropteridinã

NADP + NADPH+H +

Biosinteza fenilalaninei şi tirozinei la plante şi animale prin utilizarea acidului prefenic

în calitate de precursor

Mutantele sunt apoi cultivate pe un mediu de cultură în care se adaugă aminoacizi

aromatici. Folosindu-se de mutantele auxotrofe de E. coli şi Aerobacter aerogenes care

necesită pentru creşterea lor fenilalanină, tirozină şi triptofan, Davis a descoperit că acidul

shichimic răspândit la unele plante superioare în cantităţi relativ crescute poate substitui aceşti

trei aminoacizi în cazul mutantelor menţionate. În afară de acidul shichimic, la plantele

superioare au mai fost identificaţi acizii 5-dehidroshichimic şi 5-dehidrochimic:

HOOC –

OH

– OH

HOOC –

O

O

HOOC

– OH – OH

HO

Acid

shichimic

OH

OH

Acid 5-dehidroshichimic

Acid 5-dehidrochimic

OH

S-a demonstrat, atât la E. coli, cât şi la plantele superioare, existenţa următoarelor

reacţii de intertransformare:

O

OH

HOOC –

– OH

NADPH+H + NADP + HOOC – – OH

OH


OH

Acid

shichimic

HOOC

HO

O

– OH

OH


H 2 O

HOOC –

O

– OH

OH


HOOC

HO

O

– OH

OH


NADPH+H + NADP + OH

HOOC

– OH

HO

OH

Acid 5-hidrochimic

Folosind glucoză marcată pentru culturile mutante auxotrofe, Sprison şi colaboratorii

au demonstrat că atomii C 1 , C 2 , şi C 7 ai acidului shichimic se formează din atomii C 1 , C 2 şi C 3

ai glucozei şi respectiv din atomii C 5 , C 6 şi C 4 , ceea se lasă să se presupună existenţa unor

produşi intermediari cu trei atomi de carbon. Acidul piruvic însă s-a dovedit a fi un precursor

puţin probabil în biosinteza acidului shichimic la plantele superioare. S-a demonstrat în

schimb că un derivat al sedoheptulozo-fosfatului (acidul 2-ceto-3-deoxi-7-fosfo-arabinoheptulozonic),

sintetizat la rândul său din eritrozo-4-fosfat şi fosfoenolpiruvat, poate fi folosit

în biosinteza acidului shichimic.

Prezenţa altor intermediari între acidul 5-dehidrochimic şi aminoacizii aromatici a fost

evidenţiată prin izolarea în mediu alcalin din culturile unor mutante, a acidului prefenic.

Acidul prefenic este precursor în biosinteza fenilalaninei şi tirozinei, aceste secvenţe

anabolice fiind diferite la plante şi animale.

La plante, acidul prefenic este transformat în acid fenil-piruvic sau acid p-hidroxifenil-piruvic

care prin transaminare formează aminoacizii corespunzători:

HO –

COOH

CH 2 – C – COOH

II

O

Acid prefenic

NAD +

NADH+H + H 2 O CO2

Prefenatdehidrogenazã

CH 2 – C – COOH

II

O

Transaminare

O 2

H 2 O

CH 2 – CH – COOH

I

NH 2

Acid fenilpiruvic

Fenilalanin-4-

-hidroxilaza

Fenilalanina

HO –


I

NH 2

Tirozinã

Ultima reacţie constă în hidroxilarea fenilalaninei şi este cuplată cu reacţia de trecere a

tetrahidropteridinei în dihidropteridină:

Fenilalaninã

THP

NADP +

O 2

Fe 2+

Tirozinã

H 2 O

DHP

NADPH+H +

O altă cale de biosinteză a tirozinei constă în decarboxilarea acidului prefenic cu

formare de acid p-hidroxi-fenil-piruvic care este supus apoi transaminării trecând în tirozină,

fără a mai trece prin etapa formării fenilalaninei. Această cale este specifică plantelor

superioare:

HO –

COOH

CH 2 – C – COOH

II

O

Acid prefenic

NAD + NADH+H +CO 2

Prefenatdecarboxilaza

HO –

CH 2 – C – COOH

II

O

Acid hidroxifenil-piruvic

Transaminare

HO –


I

NH 2

Tirozinã

În cazul utilizării acidului 5-dehidrochimic în calitate de precursor, acesta poate forma

acidul prefenic pe o cale metabolică specifică numită calea chorismatului. În prima etapă,

acidul 5-dehidrochimic este deshidratat cu formare de acid 5-dehidroshichimic care se reduce

la acid shichimic. Sub acţiunea shichimat-kinazei, acidul shichimic se fosforilează la acid 5-

fosfo-shichimic. Prin condensarea acestuia cu fosfoenolpiruvatul se formează acidul 3-enolpiruvil-5-fosfo-shichimic,

iar clivarea radicalului ortofosfat sub acţiunea chorismat-sintetazei

conduce la formarea acidului chorismic:

HOOC

HO

O

– OH

OH


H 2 O

HOOC –

O

– OH

OH

NADPH+H +


Dehidroshichimatdehidrogenaza

NADP +

OH

ATP

ADP

O – P

HOOC – – OH

OH

Acid shichimic

Acid 5-fosfoshichimic

Shichimatkinaza

HOOC –

– OH

OH

H 3 PO 4

FEP

O – P

sintetaza

H 3 PO 4

O – C – COOH

II

HOOC – – OH

Chorismat-

CH 2

Acid 3-enolpiruvil-fosfo-shichimic

HOOC –

– OH

Acid

chorismic

O – C – COOH

II

CH 2

La această etapă căile de biosinteză se despart, acidul chorismic putând fi convertit

atât în acid prefenic (şi deci utilizat în biosinteza fenilalaninei şi tirozinei), cât şi în triptofan.

În primul caz acţionează chorismat-mutaza care catalizează reacţia de izomerizare a acidului

chorismic în acid prefenic:

HOOC –

– OH

O – C – COOH

II

CH 2

Acid

chorismic

Chorismatmutaza

HO –

COOH

CH 2 – C – COOH

II

O

Acid

prefenic

Fenilalaninã

Tirozinã

În cazul biosintezei triptofanului, acidul chorismic acceptă grupa aminică de la

glutamină sub acţiunea antranilat-sintetazei, trecând în acid antranilic. Acesta din urmă

reacţionează apoi cu fosforibozil-pirofosfatul trecând în fosforibozil-antranilat. Prin

deciclizarea nucleului furanozic al restului de riboză ia naştere carboxifenil-aminodeoxiribulozo-5-fosfatul,

iar deshidratarea şi decarboxilarea acestuia conduce la indol-

glicerol-3-fosfat. În ultima etapă acţionează complexul enzimatic al triptofan-sintetazei care

condensează indol-glicerol-3-fosfatul cu serina formând triptofanul:

HOOC –

– OH

Gln Glu

Piruvat COOH

O – C – COOH

Acid II

CH

chorismic 2

Antranilat-sintetaza

NH

Acid 2

antranilic

Fosforibozilpirofosfat

PP i

Fosforibozil-

COOH

NH –

O

CH 2 – O – P

I

H 2 O

I

I

H H

HO

COOH

I I

C – C – C – CH 2 – O – P

I I

CH OH OH

NH

Carboxifenil-amino-deoxiribulozo-5-fosfat

H 2 O CO 2

N

H

antranilat

Indol-glicerol-

3-fosfat

H H

I I

C – C – CH 2 – O – P

I I

OH OH

Serinã

Triptofan-sintetaza

Gliceraldehid-

- 3- fosfat

N

H

Triptofan


I

NH 2

Triptofan-sintetaza este o enzimă piridoxalfosfat-dependentă. Acest complex

enzimatic a fost obţinut în stare cristalină şi s-a constatat că structura sa cuaternară este de

tipul 2 2 . Catenele şi au putut fi separate şi li s-a determinat structura primară. Sub

formă separată, aceste subunităţi pot cataliza ultima reacţie cu viteze relativ mici, în timp ce

ansamblul lor cuaternar asigură un randament mult mai ridicat.

Relativ recent (Goodwin, T. W. & Mercer, E. I. - 1986) a fost elucidată calea de

biosinteză a acidului shichimic prin utilizarea glucozei în calitate de precursor. Aceasta

formează eritrozo-4-fosfatul (pe calea pentozo-fosfaţilor) care dă o reacţie de condensare cu

fosfoenolpiruvatul (rezultat de asemenea din glucoză pe calea Embden-Meyerhoff-Parnas) cu

formare de acid 5-dehidrochimic. Această reacţie se realizează în mai multe etape cu formarea

unor intermediari instabili. Prin deshidratare, acidul 5-dehidrochimic trece în acid 5-

dehidroshichimic, iar acesta formează acidul shichimic prin dehidrogenare sub acţiunea

shichimat-dehidrogenazei NADPH-dependente:

O

D-Glucozã

H – C = O

I

H – C – OH

I

H – C – OH

I

CH 2 – O – P

D-eritrozo-

-4-fosfat

FEP

H 2 O

2-Dehidro-3-deoxi-

-fosfoheptonat-aldolaza

H H

O

P — O — C – COOH

P – O – CH 2 CH 2

H

HO

C

C

C = O

H

H

OH

H

O

P — O — C – COOH

P – O – CH 2

H C

HO

H

C

CH 2

OH

C

H

OH

HO

COOH

H 2 O

2 H 3 PO 4

COOH

3-Dehidrochimatdehidrataza

5-Dehidrochimat-

-sintaza

O

H

OH

OH

H


NADPH + H + NADP +

O

OH

OH

Shichimatdehidrogenaza


COOH

HO

OH

OH

Acid shichimic

Acidul shichimic astfel format reprezintă precursorul comun al aminoacizilor

aromatici care iau naştere prin căile metabolice menţionate mai sus.

Acidul shichimic este un intermediar important şi în biosinteza altor compuşi cum ar fi

lignina, coenzima Q sau plastochinonele.

Biosinteza histidinei

Procesul de biosinteză a histidinei a fost intens studiat, însă elucidarea mecanismului

său a întâmpinat numeroase dificultăţi, pe de o parte din cauza particularităţilor structurale ale

acestui aminoacid heterociclic, iar pe de altă parte din cauză că este vorba de o cale

metabolică cu totul particulară comparativ cu biosinteza celorlalţi aminoacizi.

Calea de biosinteză a histidinei a putut fi stabilită numai pe unele mutante de

Salmonella typhimurium şi ale colibacilului. Prima etapă a acestui proces este catalizată de

fosforibozil-pirofosfat-ATP-pirofosforilază şi constă în reacţia dintre o moleculă de ATP şi

una de ribozo-5-fosfat cu formare de N + –5’–fosforibozil–AMP şi eliminare de pirofosfat:

ATP +

I

I

O

I

CH 2 – O – P

I

PP i

Fosforibozil-pirofosfat-

-ATP-pirofosforilaza

Ribozo-5-fosfat

P – O – CH 2

O

I

I

+

N

NH 2

I

N

I

I

N

N

I

O

CH 2 – O – P

I

N + –5'–Fosforibozil–AMP

I

I

Enzima ce catalizează această reacţie este alosterică şi este inhibată de prezenţa

histidinei în mediul de cultură al microorganismelor. În cazul biosintezei histidinei, inhibiţia

este coordonată deoarece excesul aminoacidului în mediu determină o represie a biosintezei

tuturor enzimelor ce mediază procesul.

După deciclizare, fosforibozil-AMP-ul suferă o reacţie de deshidratare după care, prin

tautomerie ceto-enolică, restul ribozil trece în rest de cetoză:

P – O – CH 2

O

I

I

+

N

NH 2

I

N

I

I

N

N

I

O

CH 2 – O – P

I

I

I

N + –5'–Fosforibozil–AMP

OH

I

H – C —––– NH

I

H – C – OH

I

H – C – OH

I

H – C – OH

I

CH 2 – O – P

N

O

II

C – NH 2

I N

N O

I

I

I

CH 2 – O – P

I

H 2 O

H – C —––– NH

I

C – OH

I

H – C – OH

I

H – C – OH

I

CH 2 – O – P

N

O

II

C – NH 2

N

I

N O

I

I

I

CH 2 – O – P

I

Tautomerie

H 2 C —––– NH

I

O = C

I

H – C – OH

I

H – C – OH

I

CH 2 – O – P

N

O

II

C – NH 2

N

I

N O

I

I

I

CH 2 – O – P

I

N

N

H

O

II

C – NH 2

N

I

H – C – OH

I

H – C – OH

I

CH 2 – O – P

H 2 O

N

I

O

CH 2 – O – P

I

Imidazolglicerol-fosfat

I

I

N

N

N

H

N

H

H 2 O

CH 2

I

C = O

I

CH 2 – O – P

transaminare

CH 2

I

H – C – NH 2

I

CH 2 – O – P

H 3 PO 4

Imidazolacetal-fosfat

L-Histidinolfosfat

N

N

H

NAD + NADH+H +

1/2O 2

I

N

N

H

CH 2

I

H – C – NH 2

I

CH 2 – OH

L-Histidinol

CH 2

H – C – NH 2

I

COOH

Histidinã

Catabolismul aminoacizilor

Căi comune de degradare a aminoacizilor

Aminoacizii sintetizaţi în celulele vii sunt folosiţi pentru biosinteza de proteine

specifice organismelor respective, de enzime şi de hormoni de natură polipeptidică şi proteică

sau pot fi metabolizaţi cu formarea unor compuşi intermediari utilizaţi la rândul lor în sinteza

bazelor azotate sau a altor compuşi.

Alaninã

Cisteinã

Cistinã

Glicocol

Serinã

Treoninã

Hidroxiprolinã

Piruvat

Leucinã

Lizinã

Triptofan

Fenilalaninã

Tirozinã

Acetoacetil-CoA

Izoleucinã

Acetil-CoA

Argininã

Citrulinã

Histidinã

Ornitinã

Prolinã

Izoleucinã

Metioninã

Valinã

Acid

glutamic

Citrat

-Cetoglutarat

Succinil-CoA

Succinat

Ciclul

Krebs

GABA

Fumarat

Asparaginã

Acid aspartic

Oxaloacetat

Reprezentarea schematică a căilor de degradare ale scheletelor hidrocarbonate ale aminoacizilor

(Lentner, C. – 1986)

Ei pot suferi de asemenea o degradare oxidativă completă şi în acest caz servesc ca

sursă energetică. O serie de reacţii de degradare sunt comune tuturor aminoacizilor, iar restul

hidrocarbonat se degradează apoi pe căi diferite, specifice fiecărui aminoacid.

Principalele căi comune de degradare a aminoacizilor sunt dezaminarea,

decarboxilarea şi transaminarea, iar pentru unii dintre ei transmetilarea şi transamidinarea.

Dezaminarea aminoacizilor

Procesul de dezaminare reprezintă procesul de eliminare a grupării aminice sub formă

de amoniac cu formarea acizilor corespunzători, adică a -cetoacizilor, -hidroxiacizilor,

acizilor carboxilici saturaţi şi nesaturaţi etc. Produşii rezultaţi în urma dezaminării

aminoacizilor sunt apoi metabolizaţi în celulă, fiind utilizaţi, fie în procese de biosinteză a

altor constituenţi celulari, fie că sunt degradaţi în scopul formării energiei necesare întreţinerii

proceselor biochimice În funcţie de natura enzimelor ce catalizează aceste procese şi de

structura chimică a produşilor formaţi, dezaminarea aminoacizilor poate fi reductivă,

hidrolitică, oxidativă sau desaturantă.

a) Dezaminarea reductivă are loc atunci când aminoacidul este transformat în acidul

carboxilic corespunzător cu eliberare de amoniac, donorul hidrogenului necesar reducerii fiind

NADH-ul. Aminoacizii se dezaminează reductiv sub acţiunea aminoacid-reductazelor

specifice NADH-dependente:

R – CH – COOH

I

NH 2

Aminoacid

NADH+H + NAD +

Aminoacid-reductaza

R – CH 2 – COOH + NH 3

Acid carboxilic

b) Dezaminarea hidrolitică realizează înlăturarea azotului aminic sub formă de

amoniac cu formarea -hidroxiacidului corespunzător:

R – CH – COOH

I

NH 2

Aminoacid

H 2 O

Aminoacid-hidrolaza

R – CH – COOH + NH 3

I

OH

Hidroxiacid

c) Dezaminarea oxidativă a aminoacizilor constă în eliminarea azotului aminic sub

formă de amoniac cu formarea -cetoacidului corespunzător, sub acţiunea aminoacidoxidazelor

specifice:

R – CH – COOH

I

NH 2

Aminoacid

1/2O 2 R – C – COOH + NH 3

II

O

Aminoacid-oxidaza

Cetoacid

La animalele superioare şi în organismul uman predomină dezaminarea aminoacizilor

pe cale oxidativă. Acest lucru a fost demonstrat prin cercetările efectuate de Krebs, Green şi

alţii care au stabilit că în aceste organisme (în special în ficat, rinichi, creier etc.), dar şi în

plantele superioare, unele bacterii, veninul de şarpe etc., se întâlnesc aminoacid-oxidazele ce

catalizează dezaminarea oxidativă atât a L-aminoacizilor cât şi a D-aminoacizilor. Enzimele

ce acţionează asupra aminoacizilor din seria L se mai numesc şi aminoacid-dehidrogenaze-

dezaminante şi sunt NAD + sau NADP + –dependente. Ele sunt incluse în subclasa E.C.–1.4.

care cuprinde dehidrogenazele aminoacizilor şi aminooxidazele. Împărţirea în subsubclase se

face în funcţie de natura acceptorului: NAD + pentru E.C.–1.4.1., NADP + pentru E.C.–1.4.2.,

oxigenul pentru E.C.–1.4.3., diferiţi compuşi disulfidici pentru E.C.–1.4.4. etc. În organismele

animale este foarte activă glutamat-dehidrogenaza pentru care acceptorul echivalenţilor

reducători este NAD + -ul:

COOH

I

H 2 O NAD+ NADH+H + COOH

I

CH 2 CH 2

I

I +

CH 2 Glutamat-dehidrogenaza CH 2

I

I

NH 3

CH – NH 2

C = O

I

I

COOH

COOH

Acid glutamic

Acid -ceto-glutaric

Reacţia de dezaminare oxidativă decurge în două etape. În prima fază are loc un

proces de dehidrogenare a aminoacidului cu formarea -iminoacidului corespunzător. În

această etapă acceptorul de hidrogen este FAD-ul în calitatea sa de coenzimă a aminoacidoxidazei,

dar care joacă în această reacţie şi rol de cosubstrat. În etapa a II-a are loc

adiţionarea elementelor apei cu formarea -cetoacidului corespunzător şi eliminarea

amoniacului:

FAD FADH 2

H 2 O NH 3

R – CH – COOH

I

NH 2

R – C – COOH

II

NH

R – C – COOH

O II

-Aminoacid -Iminoacid -Cetoacid

În numeroase organisme s-a pus în evidenţă faptul că în realitate există două categorii

de flavoenzime ce catalizează acest proces care se deosebesc între ele prin natura cofactorului.

Unele din ele sunt specifice L-aminoacizilor, poartă numele de L-aminoacid-oxidaze, au

FMN-ul drept cofactor şi sunt localizate în reticulul endoplasmatic:

R – CH – COOH

I

NH 2

-Aminoacid

E-FMN E-FMNH 2

L-aminoacid-oxidaza

R – C – COOH

O II

-Cetoacid

+ NH 3

Enzimele din cealaltă categorie sunt specifice D-aminoacizilor, se numesc D-

aminoacid-oxidaze, au drept cofactor FAD-ul şi sunt localizate în microsomii hepatocitelor:

R – CH – COOH

I

NH 2

-Aminoacid

E–FAD E–FADH 2

D-aminoacid-oxidaza

R – C – COOH

O II

-Cetoacid

+ NH 3

Flavin-nucleotidele reduse ale acestor oxidaze (FMNH 2 şi FADH 2 ) reacţionează direct

cu oxigenul molecular cu formarea peroxidului de hidrogen care, la rândul său, este

descompus de către catalază în apă şi oxigen. Acest proces conjugat se realizează în

peroxisomii hepatocitelor.

d) Dezaminarea desaturantă este procesul prin care aminoacizii eliberează azotul

aminic sub formă de amoniac cu formarea acizilor nesaturaţi corespunzători:

NH 3

R – CH 2 – CH – COOH

I

NH 2

Aminoacid

R – CH = CH – COOH

Acid -nesaturat

Decarboxilarea aminoacizilor

Procesul de eliminare a grupelor –COOH din moleculele aminoacizilor este catalizat

de enzime specifice numite aminoacid-decarboxilaze care conţin în calitate de cofactor

piridoxal-fosfatul. Prin decarboxilare, aminoacizii proteinogeni formează monoamine,

diamine, - şi -aminoacizi etc., în funcţie de structura chimică a aminoacidului supus

decarboxilării. Reacţia generală de decarboxilare a aminoacizilor poate fi reprezentată astfel:

R – CH – COOH

I

NH 2

-Aminoacid

CO 2

Aminoacid-decarboxilaza

R – CH 2 – NH 2

Aminã

Aminoacizii diaminomonocarboxilici formează prin decarboxilare diaminele

corespunzătoare. Astfel, prin decarbo-xilarea lizinei se formează cadaverina, iar ornitina trece

în putresceină. Aceste diamine au un miros specific, iar procesul de decarboxilare este

deosebit de intens în cadavre unde se realizează sub acţiunea decarboxilazelor din microflora

de putrefacţie. Mirosul specific de cadavru este datorat diaminelor care se formează în

cantităţi crescute:

H 2 N – (CH 2 ) 4 – CH – COOH

CO 2

I

NH 2 Lezin-decarboxilaza

Lizinã

H 2 N – (CH 2 ) 5 – NH 2

Cadaverinã

CO 2

H 2 N – (CH 2 ) 3 – CH – COOH

I

H 2 N – (CH 2 ) 4 – NH 2

NH 2

Ornitin-decarboxilaza

Ornitinã

Putresceinã

Putresceina se mai formează şi prin decarboxilarea argininei. În acest caz se formează

mai întâi agmatina în calitate de compus intermediar, iar aceasta se descompune prin hidroliză

în uree şi putresceină:

H 2 N– C – NH – (CH 2 ) 3 – CH 2 – NH 2

II

NH

Agmatinã

H 2 O

CO 2

H 2 N– C – NH – (CH 2 ) 3 – CH – COOH

II

I

NH

Arginindecarboxilaza

NH 2

Argininã

Agmatin-ureohidrolaza

H 2 N – (CH 2 ) 4 – NH 2 H 2 N – C – NH 2

+ II

O

Putresceinã

Uree

Decarboxilarea lizinei, argininei şi ornitinei se realizează şi in vivo. Diaminele

rezultate nu se acumulează însă ci sunt utilizate de organism în calitate de precursori în

biosinteza unor poliamine biologic active cum ar fi spermina şi spermidina. Acestea se

întâlnesc în cantităţi apreciabile în unele ţesuturi (ficat, pancreas, plămâni etc.) şi în unele

microorganisme (Escherichia coli, Aspergillus nidulans etc.). Biosinteza poliaminelor mai

utilizează în calitate de precursor, alături de diamine şi propilamina. Aceasta din urmă se

formează în organism sub formă de S-adenozil-metilmercapto-propilamină prin

decarboxilarea S-adenozil-metioniei:

N

N

N

N

O

+

CH 2 – S – CH 3

I

(CH 2 ) 2

I

CH – NH 2

I

COOH

CO 2

S-Adenozil-metionindecarboxilaza


N

N

N

N

O

+

CH 2 – S – CH 3

I

(CH 2 ) 2

I

CH 2 – NH 2

Restul propilamină din S-(3’-adenozil)-5’-metilmercapto-propilamină se condensează

apoi cu o moleculă de putresceină cu formare de metiltioadenozină şi spermidină:

N

N

N

N

O

N

+

CH 2 – S – CH 3

I H 2 N–(CH 2 ) 4 –NH 2

(CH 2 ) 2

I

CH 2 – NH 2

N

N

N

O

CH 2 – S – CH 3

+

S-(3'-Adenozil)-5'-metilmercaptopropilaminã

S-(3'-Adenozil)-5'-metilmercaptopropilaminã

Metiltioadenozinã

+

H 2 N – (CH 2 ) 4 – NH – (CH 2 ) 3 – NH 2

Spermidinã

Pentru biosinteza sperminei se repetă procesul de decarboxilare a S-

adenozilmetioninei, iar restul propilamină din S-adenozilmetil-mercapto-propilamina formată

se transferă pe o moleculă de spermidină:

H 2 N – (CH 2 ) 4 – NH – (CH 2 ) 3 – NH 2

Spermidinã

•CH 2 –CH 2 –CH 2 –NH 2

H 2 N – (CH 2 ) 3 – HN – (CH 2 ) 4 – NH – (CH 2 ) 3 – NH 2

Sperminã

Poliaminele joacă roluri diverse, încă incomplet elucidate, în organismele vii. Nu este

exclus ca ele să joace un rol de stabilizare a structurilor membranare şi ribozomale, să

îndeplinească un rol de factor de creştere pentru unele microorganisme etc. Ele mai joacă un

rol important în reglarea biosintezei acizilor nucleici şi proteinelor.

Alţi aminoacizi formează prin decarboxilare unele amine biologic active sau care

servesc drept precursori în biosinteza unor compuşi biologic activi. Astfel, fenilalanina şi

tirozina formează prin decarboxilare feniletilamina şi respectiv tiramina, iar histidina şi acidul

glutamic formează histamina şi respectiv acidul -aminobutiric (GABA):

CO 2

CO 2

– CH 2 – CH – COOH

– CH 2 – CH 2 – NH 2

I

Fenilalanindecarboxilaza

NH 2

Fenilalaninã

Feniletilaminã

HO – – CH 2 – CH – COOH

HO –

I

Tirozindecarboxilaza

– CH 2 – CH 2 – NH 2

NH 2

Tirozinã

Tiraminã

N

N

H

– CH 2 – CH – COOH CO 2

I

NH 2

Histidin-decarboxilaza

Histidinã

N

N H

– CH 2 – CH 2 – NH 2

Histaminã

CO

HOOC – CH 2

2 – CH 2 – CH – COOH

I

NH 2

Acid glutamic Glutamat-decarboxilaza

HOOC – CH 2 – CH 2 – CH 2 – NH 2

Acid -aminobutiric

Majoritatea aminelor biogene îndeplinesc funcţii biochimice şi fiziologice bine

determinate în organismele vii. Unele dintre ele se utilizează în practica medicală datorită

acţiunii lor farmacodinamice deosebite. Tiramina formată prin decarboxilarea tirozinei este o

substanţă biologic activă ce manifestă o acţiune vasoconstrictoare, ca şi triptamina rezultată

prin decarboxilarea triptofanului. Tot din triptofan se formează şi serotonina care participă la

fenomenul de transmitere a fluxului nervos, la reglarea presiunii sanguine, a respiraţiei,

temperaturii corpului etc. Din histidină se formează histamina, o amină biogenă cu acţiune

vasodilatatoare. Ea se formează în cantităţi mari în zonele inflamate şi este implicată în

transmiterea senzaţiei dureroase. Un neurotransmiţător cu rol de inhibiţie în sistemul nervos

central este acidul -aminobutiric (GABA) care rezultă prin decarboxilarea acidului glutamic.

Tioetanolamina formată prin decarboxilarea cisteinei intră în structura coenzimei A.

De asemenea, ea este utilizată în practica medicală în tratamentul bolii de iradiere.

Cadaverina, putresceina şi poliaminele (spermina şi spermidina) interacţionează în mod

specific cu catenele polinucleotidice influenţând conformaţia spaţială a acizilor nucleici.

Triptofan-decarboxilaza nu prezintă o specificitate strictă de substrat. S-a demonstrat

că această enzimă catalizează atât decarboxilarea triptofanului cu formare de triptamină, cât şi

a unor derivaţi ai acestuia cum ar fi 5-hidroxitriptofanul (când se formează serotonina) şi 3,4-

dihidroxi-fenilalanina (DOPA) cu formare de DOP-amină. Aceste reacţii prezintă o

importanţă biochimică şi fiziologică deosebită. Astfel, serotonina rezultată prin decarboxilarea

hidroxitriptofanului este un intermediar în calea de biosinteză a melatoninei în pinealocite, iar

DOP-amina este un hormon din clasa catecolaminelor şi serveşte în acelaşi timp drept

precursor în biosinteza noradrenalinei şi adrenalinei:

N H

Triptofan

CO 2


– CH 2 – CH 2 – NH 2

NH 2 Triptofan-decarboxilaza

N H

I

Triptaminã

HO

N H

CO 2


I

NH 2 Triptofan-decarboxilaza

HO

N H

– CH 2 – CH 2 – NH 2

5-Hidroxitriptofan

5-Hidroxitriptaminã

(Serotoninã)

HO

HO

CO 2


I

NH 2

Triptofan-decarboxilaza

3,4-Dihidroxifenilalaninã

(DOPA)

HO

HO

– CH 2 – CH 2 – NH 2

Dihidroxifeniletilaminã

(DOP-aminã)

Melatonina este sintetizată în pinealocite prin utilizarea serotoninei în calitate de

precursor. Principala sa funcţie biologică o constituie inhibarea activităţii gonadale la

mamifere:

H 3 C – O –

– CH 2 – CH 2 – NH – CO – CH 3

N

H

Melatoninã

Un alt derivat rezultat prin decarboxilarea tirozinei este octopamina (4-hidroxifeniletanolamina):

HO – – CH – CH 2 – NH 2

I

OH

Octopaminã

Acest produs al degradării parţiale a tirozinei a fost identificat în glandele salivare ale

octapodelor şi joacă un rol de pseudo-neurotransmiţător.

Prin decarboxilarea cisteinei sub acţiunea cistein-decarboxilazei se formează

cisteamina (tioetanolamina) care reprezintă grupa funcţională a coenzimei A:

CO


2

I I

SH NH 2 Cistein-decarboxilaza

Cisteinã

HS – CH 2 – CH 2 – NH 2

Tioetanolaminã

Doi derivaţi ai cisteinei – acidul cisteinic şi acidul cistein-sulfinic – se decarboxilează

cu o viteză relativ crescută formând taurina şi respectiv hipotaurina, acestea din urmă

reprezentând precursori esenţiali în biosinteza acizilor biliari:

CH 2 – SO 2 H

I

CH – NH 2

I

COOH

Acid cistein

sulfinic

CO 2

CH 2 – SO 2 H

I

CH 2 – NH 2

Hipotaurina

CH 2 – SO 3 H

I

CH – NH 2

I

COOH

Acid cisteinic

CO 2

CH 2 – SO 3 H

I

CH 2 – NH 2

Taurina

Deoarece aminele rezultate prin decarboxilarea aminoacizilor manifestă o acţiune

fiziologică importantă, ele au primit numele de amine biogene. Unele dintre ele prezintă

importante proprietăţi farmacodinamice (în special histamina şi tiramina). Alte amine biogene

îndeplinesc un important rol de precursori în biosinteza unor hormoni derivaţi de la

aminoacizi (triptamina, serotonina, DOP-amina etc.), iar la unele plante mulţi alcaloizi se

sintetizează prin utilizarea în calitate de precursori a aminelor biogene. Multe amine biogene

sunt deosebit de toxice pentru organismul uman şi animal, din care cauză, excesul lor în

organism poate fi letal. O cantitate relativ crescută de amine biogene se poate forma prin

alterarea alimentelor de origine animală bogate în proteine, sub acţiunea decarboxilazelor

microorganismelor. Acest fenomen explică toxiinfecţiile alimentare cauzate de consumul de

preparate din carne alterată, mai ales cele din ficat şi peşte care sunt alimentele cele mai uşor

alterabile.

La consumuri exagerate de proteine de origine animală, procesul de decarboxilare a

aminoacizilor este deosebit de intens datorită necesităţii degradării rapide a excesului de

aminoacizi. Aminele biogene formate în acest caz sub acţiunea decarboxilazelor endogene pot

determina apariţia gutei.

Formarea aminelor biogene toxice poate avea loc şi în organismele vegetale. În

anumite condiţii nefavorabile de dezvoltare, în ţesuturile plantelor se acumulează cantităţi

mari de amine biogene care provoacă intoxicaţii. De exemplu, insuficienţa potasiului în sol

determină intensificarea formării putresceinei care influenţează nefavorabil frunzele.

În condiţiile unui metabolism echilibrat, organismele vii au capacitatea de a

metaboliza în continuare aminele biogene toxice prin oxidarea lor sub acţiunea unor enzime

specifice. De exemplu, monoaminoxidazele (MAO) catalizează dezaminarea oxidativă a

monoaminelor cu formarea aldehidelor corespunzătoare, amoniacului şi apei oxigenate:

R – CH 2 – NH 2 + O 2 + H 2 O R – C = O + NH 3 + H 2 O

Monoaminoxidaza

2

I

H

Aceste reacţii sunt cuplate de regulă cu acţiunea catalazei sau peroxidazei deoarece

unul din produşii de reacţie (H 2 O 2 ) este, de asemenea, toxic pentru celula vie.

Oxidarea diaminelor are loc sub acţiunea diaminoxidazelor specifice (DAO) şi

conduce la formarea amino-aldehidelor corespunzătoare, amoniacului şi apei oxigenate:

O 2

H 2 O

H 2 N – (CH 2 ) n – NH 2

DAO

H 2 N – CH 2 ) n-1 – C = O

I

H

+ H 2 O 2 + NH 3

Aldehidele rezultate se pot oxida în continuare cu formarea acizilor corespunzători.

Datorită acţiunii lor de degradare a aminelor biogene toxice, monoaminoxidazele şi

diaminoxidazele îndeplinesc în organismul viu o funcţie extrem de importantă şi anume cea

de detoxifiere, aceste enzime fiind la fel de răspândite ca şi decarboxilazele aminoacizilor

deoarece acţiunea lor este conjugată.

Decarboxilarea aminoacizilor poate conduce şi la formarea altor compuşi. Astfel, prin

decarboxilarea acidului glutamic sub acţiunea glutamat-decarboxilazei se formează acidul -

aminobutiric (GABA) care este un important mediator al inhibiţiei în sistemul nervos central.

În mod similar, aspartat-decarboxilaza catalizează conversia acidului aspartic în -alanină,

aceasta fiind o componentă a coenzimei A şi a altor substanţe biologic active:

CO 2

HOOC – CH 2 – CH 2 – CH – COOH

I Glutamat-decarboxilaza

NH 2

Acid glutamic

HOOC – (CH 2 ) 3 – NH 2

Acid -amino-

-butiric

CO 2

HO – CH 2 – CH 2 – NH 2

HOOC – CH 2 – CH – COOH

I

NH 2

Acid aspartic

Aspartat-decarboxilaza

HOOC – (CH 2 ) 2 – NH 2

– Alaninã

Prin decarboxilarea serinei sub acţiunea serin-decarboxilazei se formează etanolamina

ce poate juca rol de precursor în biosinteza fosfolipidelor (cefalinelor şi lecitinelor) când

esterifică acidul L--fostadidic, fie sub formă de etanolamină (colamină), fie sub formă de

colină. Aceasta din urmă se formează din etanolamină prin metilare treptată, donorul de

grupări metil fiind S-adenozil-metionina:

CO 2


I I

OH NH 2 Serin-decarboxilaza

Serinã

Etanolaminã

(colaminã)

•CH 3

•CH 3

HO – CH 2 – CH 2 – NH – CH 3

Metiletanolaminã

HO – CH 2 – CH 2 – N

Dimetiletanolaminã

•CH 3

CH

CH 3

3

+

HO – CH 2 – CH 2 – N CH 3

CH 3

CH

Colinã

3

În afară de rolul de neurotransmiţător, în organismele animale, acetilcolina mai este

implicată în procesul de dilatare a vaselor sanguine cu diminuarea corespunzătoare a tensiunii

arteriale. Ea mai determină totodată şi peristaltismul intestinal. Colina se întâlneşte atât în

organismele vegetale, cât şi în cele animale unde intră în structura fosforil-colinei, glicerolfosforil-colinei,

fosfatidil-colinei (lecitinei), plasmalogenelor şi sfingomielinei. Un alt compus

biologic activ, sintetizat în organismele animale prin utilizarea serinei în calitate de precursor,

este carnitina (acidul 4-trimetil-3-hidroxi-butanoic):

+

HOOC – CH 2 – CH – CH 2 – N

I

OH

Carnitinã

CH 3

CH 3

CH 3

Carnitina se întâlneşte în toate ţesuturile animale unde este implicată în metabolismul

lipidelor sub forma derivaţilor de tip acil-carnitină. Mai exact, carnitina realizează transportul

transmembranar al acizilor graşi.

Transaminarea aminoacizilor

Reacţia de transaminare a aminoacizilor are loc sub acţiunea catalitică a

aminotransferazelor (transaminazelor) şi constă în transferul grupei –NH 2 de la un -

aminoacid la un -cetoacid cu formarea unui nou aminoacid şi a unui nou cetoacid.

NH 3

NAD(P)H

-Cetoglutarat

Aspartat

1 2

H 2 O

NAD(P) +

Glutamat

Oxaloacetat

1 – glutamat-dehidrogenaza

2 – aspartat-aminotransferaza

Reprezentarea schematică a cuplării reacţiilor de transaminare şi dezaminare

Reacţia de transaminare mai poate fi considerată ca un tip special de dezaminare a

aminoacizilor, însă fără formare de amoniac:

COOH

I

CH – NH 2 +

I

R 1

COOH

I

C = O

I

R 2

Aminotransferazã

COOH COOH

I I

C = O + CH – NH 2

I I

R 1 R 2

Reacţia de transaminare a fost pusă în evidenţă prima dată în 1938 de către Braunstein

şi Kritzman. Ulterior s-a demonstrat că ea este larg răspândită, atât în lumea vegetală cât şi în

cea animală. Din cei 22 aminoacizi proteinogeni, un număr de 11 suferă în mod obişnuit

reacţii de transaminare: alanina, fenilalanina, triptofanul, tirozina, valina, arginina, acidul

aspartic, asparagina, izoleucina, cisteina şi lizina. Aminotransferazele ce catalizează aceste

reacţii conţin în calitate de cofactor enzimatic piridoxal-fosfatul. Reacţiile de transaminare

sunt reacţii reversibile, iar în condiţii normale constanta de echilibru are o valoare apropiată

de unitate.

Aminotransferazele sunt localizate atât intramitocondrial cât şi în faza solubilă a

citoplasmei celulelor eucariote, iar rolul este extrem de diferit.

Pe parcursul reacţiei de transaminare, piridoxal – 5 – fosfatul (PALP) trece reversibil

în pirodixamin-5-fosfat (PAMP):

H – C = O

HO I

– CH 2 – O – P

HO

CH 2 – NH 2

I

– CH 2 – O – P

H 3 C

N

Piridoxal-5-fosfat (PALP)

H 3 C

N

Piridoxamin-5-fosfat (PAMP)

În lipsa substratului, gruparea aldehidică a piridoxal-fosfatului formează o legătură

aldiminică cu grupa -amino a unui rest de lizină localizat în centrul activ al enzimei (cu care

formează o bază Schiff). Aceasta este forma activă a aminotransferazelor ce poate lega

aminoacidul care urmează a fi transaminat.

Reacţia de transaminare este alcătuită din două procese complexe diferite. În prima

etapă a transaminării, gruparea aminică a aminoacidului reactant (substratul S 1 ) suferă o

reacţie de condensare cu grupa aldehidică a cofactorului enzimatic, deplasând grupa -amino

a restului de lizină din centrul activ al enzimei:

HO CH 3

E – N = CH – N +

CH 2 – O – P

E

R 1 – CH – COOH

I

NH 2

S 1

HO CH 3

R 1 – CH – N = CH – N E – NH 2

I

COOH

CH 2 – O – P

ES 1 (aldiminã)

Se formează o nouă bază Schiff între aminoacid şi piridoxal-fosfat care este o aldimină

şi care rămâne legată de apoenzimă prin legături slabe, necovalente (ceea ce înseamnă că în

acest caz cofactorul enzimatic este coenzimă). În etapa următoare are loc o izomerizare când

legătura dublă îşi schimbă poziţia, aldimina trecând în cetimină. Aceasta din urmă, suferă apoi

o reacţie de hidroliză cu formarea -cetoacidului şi eliberarea cofactorului sub formă de

piridoxamin-5-fosfat:

HO CH 3

R 1 – CH – N = CH – N E – NH 2

I

COOH

CH 2 – O – P

ES 1 (aldiminã)

HO CH 3

R 1 – C = N – CH 2 – N

I

COOH

CH 2 – O – P

EP 1 (cetiminã)

E – NH 2

H 2 O

HO CH 3

R 1 – C – COOH

II

O

Cetoacid

+ H2 N – CH 2 – N E – NH 2

CH 2 – O – P

E

Cealaltă componentă a procesului de transaminare o constituie formarea noului

aminoacid. În urma acestor reacţii are loc totodată şi regenerarea enzimei, mai exact refacerea

formei aldehidice a cofactorului enzimatic.

Această serie de transformări debutează prin interacţiunea complexului enzimatic

(apoenzimă – piridoxamin-5-fosfat) cu -cetoacidul reactant, care este acceptorul grupării

aminice. Se formează complexul ES 2 sub formă de cetimină, aceasta trece apoi prin

izomerizare în aldimină şi, în final acest complex suferă o reacţie de hidroliză cu formarea -

aminoacidului şi regenerarea enzimei active, adică a complexului apoenzimă – piridoxal-5-

fosfat (PALP). Cu alte cuvinte, succesiunea reacţiilor ce au loc este inversă cu cea a

componentei care realizează conversia aminoacidului în cetoacid:

HO CH 3

H 2 O

E – NH 2 H 2 N – CH 2 – N

E

CH 2 – O – P

+

R 2 – C – COOH

II

O

-Cetoacid

HO CH 3

R 2 – C = N – CH 2 – N

I

COOH

CH 2 – O – P

E – NH 2

ES 2 (Cetiminã)

HO CH 3

H 2 O

R 2 – CH – N = CH – N

I

COOH

CH 2 – O – P

E – NH 2

ES 2 (Aldiminã)

HO CH 3

R 2 – CH – NH 2

I

COOH

-Aminoacid

+

E – N = CH – N

CH 2 – O – P

E

Aminoacid-aminotransferazele sunt larg răspândite în ţesuturile vegetale şi animale,

precum şi în microorganisme, în prezent cunoscându-se peste 30 de aminotransferaze

specifice. Unele dintre ele sunt mai intens studiate, datorită importanţei lor practice. Printre

acestea se numără alanin-aminotransferaza şi respectiv aspartat-aminotransferaza, enzime ce

catalizează următoarele reacţii:

COOH

I

COOH

I

COOH

I

COOH

I

CH 2 CH 2

CH 2 CH 2

I

I

PALP

I I

CH – NH 2 + CH 2

C = O + CH 2

I

I Aspartat-aminotransferaza I I

COOH C = O (TGO)

COOH CH – NH 2

I

I

COOH

COOH

Acid aspartic Acid

-cetoglutaric

Acid

oxalilacetic

Acid glutamic

COOH

I

CH – NH 2 +

I

CH 3

Alaninã

COOH

I

CH 2

I

CH 2

I

C = O

I

COOH

Acid

-cetoglutaric

PALP

Alanin-aminotransferaza

(TGP)

COOH COOH

I I

C = O + CH 2

I I

CH 3 CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Acid Acid glutamic

piruvic

Determinarea activităţii acestor două enzime în serul sanguin se efectuează în mod

curent în laboratoarele clinice pentru diagnosticul unor maladii ale ficatului şi inimii.

În general, aminotransferazele prezintă o înaltă specificitate faţă de ambele substrate,

având însă o mai mare afinitate faţă de cetoacid decât faţă de aminoacid (K M cetoacid < K M

aminoacid). Pentru metabolismul proteic, transaminarea aminoacizilor prezintă o importanţă

deosebită deoarece aceste reacţii fac parte din căile de degradare a unor aminoacizi şi, în

acelaşi timp, de biosinteză a altora. Pe de altă parte, participarea -cetoacizilor face ca aceste

reacţii să reprezinte puncte de întretăiere ale căilor metabolismului proteic, glucidic şi lipidic.

În urma acestor reacţii, alături de cetoacid, se formează acidul glutamic care, la rândul său se

poate dezamina oxidativ sau poate intra în alte căi de degradare sau biosinteză. Fiind

reversibilă, reacţia de transaminare serveşte la biosinteza aminoacizilor neesenţiali prin

utilizarea în calitate de precursori a acidului glutamic şi a -cetoacizilor corespunzători.

Reacţiile de transaminare mai fac parte din unele secvenţe metabolice cum ar fi cele de

biosinteză a ureei, acidului -aminobutiric etc.

Transamidinarea şi transmetilarea aminoacizilor

Spre deosebire de decarboxilare, dezaminare şi transaminare care se întâlnesc la toţi

aminoacizii, reacţiile de transamidinare şi transmetilare sunt procese enzimatice pe care le

suferă doar unii aminoacizi, în urma lor formându-se o serie de compuşi cum ar fi creatina,

carnitina, ornitina, canavalina, canavanina şi altele. Enzimele ce catalizează aceste reacţii se

numesc transamidinaze şi respectiv transmetilaze (sau metiltransferaze). Enzimele din prima

categorie au fost evidenţiate în rinichi, ficat şi pancreas, sunt înalt specifice şi folosesc

arginina în calitate de donor de grupări amidinice. Metiltransferazele se întâlnesc în

majoritatea ţesuturilor şi utilizează S-adenozilmetionina în calitate de donor de radicali metil.

Un exemplu concret de reacţie de transmetilare este reacţie dintre S-adenozilmetionină

şi metionină cu formare a S-adenozil-homocisteină şi S-metil-metionină:

+

H 3 C – S — CH 2

I O

CH 2

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

N

N

N

N

+

NH 2

CH 2 – S – CH 3

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH


Metioninã

NH 2

+

H – S – CH 2

I O

CH 2

I

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

N

N

N

N

+

+

CH 2 – S – CH 3

I I

CH 2 CH 3

I

CH – NH 2

I

COOH

S-Adenozil-homocisteinã

S-Metil-metioninã

Transferul grupelor metil, alături de reacţiile prin care se transferă alte grupe C 1 active,

(formil, hidroximetil etc.) joacă un rol extrem de important în metabolismul intermediar.

1.5.99.2.

Sarcozinã

1.5.99.1.

Glicocol

2.1.2.1.

Serinã

2.7.8.8.

2.1.1.5.

1.2.1.8.

1.1.99.1.

Betainã

–CHO

–CH 3

Tetrahidrofolat

4.1.1.65

2.1.1.17

2.7.1.32.

2.7.7.15.

Colinã

3.1.4.4.

2.7.8.2.

Fosfatidilcoline

(lecitine)

Dimetilglicocol

Betainaldehidã

Fosfatidilserinã

Fosfatidiletanolaminã

Fosfatidil-metiletanolaminã

Fosfatidil-dimetiletanolaminã

Reprezentarea schematică a principalelor reacţii din metabolismul intermediar ce au loc cu transfer de

grupări C 1 active (1.1.99.1. – Colin dehidrogenaza; 1.2.1.8. – Betainaldehid dehidrogenaza; 1.5.99.1. – Sarcozin

dehidrogenaza; 2.1.1.5. – Betain-homocistein metiltransferaza; 2.1.1.17. – Fosfatidiletanolamin metiltransferaza; 2.1.2.1. –

Glicin hidroximetiltransferaza; 2.7.1.32. – Colin kinaza; 2.7.7.15 – Colinfosfat-citidilil transferaza; 2.7.8.2. – Colin

fosfotransferaza; 2.7.8.8. – CDP-diacilglicerol-serin-O-fosfatidil transferaza; 3.1.4.4. – Fosfolipaza D; 4.1.1.65 –

Fosfatidilserin decarboxilaza.

Produşi finali ai metabolismului aminoacizilor

Degradarea completă a aminoacizilor conduce la formarea de apă, dioxid de carbon,

amoniac şi energie. Apa rezultată poate fi eliminată din organism sau poate participa la

procesele metabolice celulare, dioxidul de carbon se poate elimina, de asemenea, fără nici o

dificultate din organism sau poate participa la formarea anionilor carbonat-bicarbonat, iar

amoniacul este convertit în compuşi azotaţi netoxici.

Ciclul ureogenetic

Amoniacul rezultat în urma proceselor de dezaminare a aminoacizilor, precum şi din

alte procese metabolice ale acestor biomolecule este un produs toxic pentru celula vie, chiar şi

în concentraţii relativ mici. La mamifere, acest produs final de metabolism este convertit în

uree, fiind apoi eliminat pe cale renală.

Primele observaţii asupra acestei căi metabolice au fost făcute de către Krebs care a

observat că ornitina, citrulina şi arginina accelerează producerea de uree în prezenţa

amoniacului, fără ca ele însele să se consume. Clarificarea completă însă a mecanismului prin

care amoniacul este convertit in vivo în uree a fost realizată mult mai târziu.

Această cale metabolică debutează prin mobilizarea amoniacului sub acţiunea

carbamilfosfat-sintetazei care, în prezenţă de ATP ca sursă de energie şi radicali ortofosfat,

catalizează reacţia de condensare a amoniacului cu dioxidul de carbon cu formare de

carbamil-fosfat:

HCO 3

-

+ NH 4

+

2ATP

Mg 2+

2ADP + Pi

Carbamilfosfatsintetaza

O

II

O

II

H 2 N – C – O – P – OH

I

OH

În hepatocite au fost descoperite două enzime ce catalizează acest proces şi anume

carbamilfosfat-sintetaza I localizată în mitocondriile celulelor hepatice şi carbamilfosfatsintetaza

II, prezentă în citoplasmă. Reacţia de formare a carbamil-fosfatului este accelerată

de N-acetil-glutamat sau de alţi derivaţi acil-glutamici identificaţi în ţesutul hepatic.

Mecanismul de participare a N-acetil-glutamatului este deocamdată incomplet elucidat. Se

pare că el acţionează asupra enzimei ca un modulator alosteric.

Viteza de formare a carbamil-fosfatului se află sub controlul argininei care inhibă

printr-un mecanism de tip feed back viteza de formare a N-acetil-glutamatului care, la rândul

său, stimulează biosinteza carbamil-fosfatului. Carbamilfosfat-sintetaza II prezentă în citosol

a fost identificată şi la bacterii unde catalizează reacţia de biosinteză a carbamil-fosfatului prin

utilizarea glutaminei în calitate de donor de grupări aminice:

ATP ADP + P

CH 2 – CH 2 – CH – COOH

i

I

I Mg 2+ K +

-

C = O NH2 + HCO 3

+ H 2 O

I

Carbamilfosfat

NH sintetaza II

2

Glutaminã

O O

II II

H 2 N – C – O – P – OH+ CH 2 – CH 2 – CH – COOH

I I

I

OH COOH NH 2

Carbamil-fosfat Acid glutamic

La bacterii, formarea carbamil-fosfatului are loc în absenţa N-acetil-glutamatului, iar

consumul de energie este mult mai mic, fiind necesară o singură moleculă de ATP.

În etapa următoare a procesului acţionează enzima numită ornitin-transcarbamilază

ce catalizează reacţia de condensare a carbamil-fosfatului cu ornitina, cu formare de citrulină:

O

II

O

II

H 2 N – C – O – P – OH

I

OH

Carbamil-fosfat

+ H 2 N – (CH 2 ) 3 – CH – COOH

I

Ornitinã

În prezenţa arginino-succinat-sintetazei, a ATP-ului şi a ionilor de magneziu,

citrulina astfel formată dă o reacţie de condensare cu acidul aspartic generând acidul argininosuccinic:

H 3 PO 4

Ornitintranscarbamilaza

NH 2

O

II

I

NH 2

H 2 N – C – NH – (CH 2 ) 3 – CH – COOH

Citrulinã

O

II

I

NH 2

H 2 N – C – NH – (CH 2) 3 – CH – COOH

COOH

I

+ CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Citrulinã

Acid aspartic

ATP

Mg 2+

Argininosuccinatsintetaza

AMP + PP i

HN

CH 2 – COOH

I

NH – CH – COOH

C

I

NH – (CH 2 ) 3 – CH – COOH

I

NH 2

Acid arginino-succinic

Reacţia de mai sus este, în principiu, reversibilă însă, în condiţii fiziologic normale,

pirofosfatul rezultat este hidrolizat rapid sub acţiunea pirofosfatazei, ceea ce face ca echilibrul

reacţiei să se deplaseze spre dreapta. În etapa următoare acţionează arginino-succinat liaza

care scindează acidul arginino-succinic cu formare de arginină şi acid fumaric:

HN

CH 2 – COOH

I

NH – CH – COOH

C

I

NH – (CH 2 ) 3 – CH – COOH

I

NH 2

Acid arginino-succinic

Argininosuccinat

liaza

H – C – COOH

II

HOOC – C – H

Acid fumaric

+

+

H 2 N – C – NH – (CH 2 ) 3 – CH – COOH

II

I

NH

NH 2

Argininã

Arginino-succinat liaza este o enzimă larg răspândită în organismul mamiferelor, fiind

prezentă preponderent în ficat, rinichi şi creier, iar reacţia catalizată de ea are lor în citosol,

spre deosebire de reacţiile precedente care se realizează în mitocondrii.

Ultima etapă a ciclului ureogenetic constă în scindarea argininei în ornitină şi uree,

proces ce are loc exclusiv în ficat. Acest lucru este argumentat de faptul că enzima ce

catalizează această reacţie – arginaza – este localizată exclusiv în hepatocite. Molecula sa

este alcătuită din două subunităţi identice legate între ele prin intermediul ionilor de Mg 2+ şi

are o masă moleculară de 120.000 Da. Scindarea argininei se face pe cale hidrolitică, iar

ornitina rezultată poate relua un nou ciclu de transformare a carbamil-fosfatului. Această cale

metabolică este cunoscută sub numele de ciclu ureogenetic sau ciclul Krebs – Henseleit:

NH 2

I

HN = C

I

H 2 O

NH 2

NH

I HN NH 2 H 2 N

I

(CH 2 ) 3

(CH + C

2 ) 3

I

I

Arginaza CH – NH 2 OH

I

CH – NH 2

I

I

COOH

COOH

Argininã Ornitinã Uree

C

II

O

NH 2

Ureea formată în această cale metabolică este transportată pe cale sanguină la rinichi,

fiind eliminată apoi prin urină. Pentru fiecare moleculă de uree formată se consumă o

moleculă de dioxid de carbon şi o moleculă de amoniac care reprezintă precursorii atomului

de carbon şi respectiv a unuia din atomii de azot ai ureei. Celălalt atom de azot este cedat de

acidul aspartic care, la rândul său, este regenerat continuu în cursul proceselor de

transaminare ce au loc între glutamat şi oxaloacetat.

Ciclul ureogenetic este strâns legat de metabolismul tuturor aminoacizilor, dar, în

acelaşi timp, mediază legătura cu metabolismul glucidic şi lipidic prin oxaloacetatul, malatul

şi fumaratul care se formează în calitate de produşi intermediari.

Aminoacid

I

Cetoacid

I

Aminoacid

II

Cetoacid

II

-Cetoglutarat

Glutamat

-Cetoglutarat

Glutamat

NAD +

Oxaloacetat

NADH +

Aspartat

ATP

NH 4

+

CO 2

Malat

Citrulinã

Argininosuccinat

Carbamilfosfat

Ornitinã

Argininã

Fumarat

UREE

Integrarea ciclului ureogenetic în metabolismul aminoacizilor

Purine

Amine

L-Aminoacizi

Dezaminare

Dezaminare

Transaminare

Acid glutamic

Glutamatdehidrogenaza

Acid aspartic

Glutaminã

Asparaginã

Dezaminare

NH 3

CO 2

ATP

Acid oxaloacetic

Carbam ilfosfat

Ciclul

Krebs

Citrulinã

Acid fumaric

Acid argininosuccinic

Ciclul

ureogenetic

Uree

Ornitinã

Argininã

Interdependenţa dintre ciclul ureogenetic şi ciclul acizilor tricarboxilici

Fixarea amoniacului sub forma amidelor aminoacizilor dicarboxilici

O altă cale de neutralizare a amoniacului în organismele animale şi vegetale o constituie

biosinteza amidelor acizilor glutamic şi aspartic, în urma aminării rezultând glutamină şi respectiv

asparagină. Formarea celor două amide are loc sub acţiunea glutamin-sintetazei şi respectiv

asparagin-sintetazei, în prezenţa ionilor de magneziu şi cu consum de energie:

H 2 N – CH – COOH

+

+ NH 4

I

CH 2 – CH 2 – COOH

Acid glutamic

ATP

ADP+P i

Mg 2+

Glutamin-sintetaza


I

CH 2 – CH 2 – C – NH 2

II

O

Glutaminã


I

CH 2 – COOH

Acid aspartic

+ NH 4

+

ATP

ADP+P i

Mg 2+

Asparagin-sintetaza


I

CH 2 – C – NH 2

II

O

Asparaginã

Asparagina şi glutamina, alături de aminoacizii formaţi prin aminarea reductivă directă a

-cetoacizilor, constituie o importantă formă de transport şi depozitare a amoniacului în

organismul animal, iar la plante reprezintă o formă de asimilare şi acumulare a amoniacului din

sol în sistemul radicular. Ulterior, aceste amide vor servi drept surse de grupări aminice şi amidice

în diferite secvenţe biosintetice. Reacţiile inverse se realizează prin hidroliză, sub acţiunea

glutaminazei şi respectiv asparaginazei.

Catabolismul radicalului hidrocarbonat al aminoacizilor

Căile de degradare ale aminoacizilor constau în formarea unor metaboliţi intermediari

importanţi ce pot fi ulterior convertiţi în alte substanţe, sau pot fi catabolizaţi complet cu formare

de CO2, H2O şi eliberare de energie sub formă de ATP. Toate resturile hidrocarbonate ale

aminoacizilor sunt degradate cu formarea a numai 7 metaboliţi intermediari: acid piruvic, acetil-

CoA, aceto-acetil-CoA, acid -cetoglutaric, succinil-CoA, acid fumaric şi acid oxalil-acetic.

Aminoacizii care sunt degradaţi până la acetil-CoA şi aceto-acetil-CoA se numesc

aminoacizi cetogenici, deoarece conduc la formarea aşa-numiţilor corpi cetonici, iar aminoacizii

care se degradează cu formare de acid piruvic, acid -cetoglutaric, succinil-CoA, acid fumaric şi

acid oxalil-acetic poartă numele de aminoacizi glucogenici deoarece aceşti intermediari sunt

precursori în biosinteza glucozei. Dintre aminoacizii proteinogeni, numai leucina este tipic

cetogenică. Izoleucina, lizina, fenilalanina, tirozina şi triptofanul sunt atât cetogenici cât şi

glucogenici, iar alanina, acidul aspartic şi acidul glutamic sunt aminoacizi tipic glucogenici.

Degradarea scheletului hidrocarbonat al aminoacizilor conduce, în final, la o serie de

produşi ce intră apoi în ciclul Krebs. În funcţie de locul de joncţiune cu ciclul acizilor tricarboxilici,

aminoacizii se împart în mai multe grupe:

1) aminoacizi ce intră în ciclul Krebs prin acetil-CoA. Aici intră un număr de zece care se

împart la rândul lor în două subgrupe:

a) aminoacizi ce formează acetil-CoA pe calea piruvatului (glicocolul, alanina,

serina, treonina şi cisteina);

b) aminoacizi ce formează acetil-CoA având drept intermediar acetoacetil-CoA

(fenilalanina, tirozina, leucina, triptofanul şi lizina);

2) aminoacizi ce intră în ciclul Krebs la nivelul oxalo-acetatului (acidul aspartic şi

asparagina);

3) aminoacizi ce intră în ciclul Krebs la nivelul fumaratului (fenilalanina şi tirozina);

4) aminoacizi ce intră în ciclul Krebs la nivelul succinil-CoA (metionina, valina şi

izoleucina);

5) aminoacizi ce formează în calitate de produs intermediar acidul glutamic care, prin

transaminare trece în -ceto-glutarat (arginina, histidina, prolina şi glutamina).

Aminoacizii din grupa l.b. prezintă o serie de căi de degradare care se întrepătrund cu

formarea, în calitate de produs final, a acetil-CoA. Aceasta din urmă se degradează apoi în ciclul

acizilor tricarboxilici.

Fenilalaninã

Triptofan Lizinã Tirozinã Leucinã

Glutaril-CoA

Acid oxalilacetic

Acetoacetil-CoA

Acetil-CoA

Ciclul

Krebs

Interdependenţa catabolismului aminoacizilor cetogenici cu ciclul acizilor

tricarboxilici

Scheletul hidrocarbonat al aminoacizilor din grupa 5 (arginină, prolină, histidină şi

glutamină) intră, de asemenea, în ciclul acizilor tricarboxilici. În acest caz însă, punctul de

conexiune îl reprezintă -cetoglutaratul al cărui precursor direct este acidul glutamic. Arginina şi

glutamina formează acidul glutamic pe calea -semialdehidei glutamatului, în timp ce histidina şi

glutamina trec direct în acid glutamic. Acesta din urmă formează prin transaminare acid -

cetoglutaric care se degradează în continuare în ciclul Krebs.

Argininã

Prolinã

-Semialdehida

acidului glutamic

Histidinã

Glutaminã

Acid

glutamic

Acid -ceto-

-glutaric

Ciclul

Krebs

Conversia unor aminoacizi în -cetoglutarat şi conexiunea catabolismului acestora cu ciclul acizilor tricarboxilici

Interdependenţa dintre catabolismul aminoacizilor şi ciclul acizilor tricarboxilici reprezintă

un alt exemplu de conexiune dintre metabolismul glucidic, lipidic şi proteic.

Glicocol

Alaninã

Serinã

Treoninã

Cisteinã

Piruvat

Argininã

Histidinã

Prolinã

Glutaminã

Citrat

Izocitrat

Glutamat

Acetil-CoA

Oxaloacetat

Ciclul

Krebs

-Cetoglutarat

Acetoacetil-CoA

Malat

Succinil-CoA

Fenilalaninã

Tirozinã

Leucinã

Triptofan

Lizinã

Acid aspartic

Asparaginã

Fumarat

Succinat

Fenilalaninã

Tirozinã

Metioninã

Valinã

Izoleucinã

Reprezentarea schematică a interdependenţei dintre metabolismul glucidic, lipidic şi proteic la nivelul ciclului acizilor tricarboxilici

Căi speciale de degradare a aminoacizilor

Pe lângă transformările biochimice generale, comune tuturor aminoacizilor, aceştia pot

participa la procese catabolice specifice în funcţie de structura lor chimică şi de rolul biologic al

fiecăruia.

Catabolismul glicocolului

Căile de degradare ale glicinei sunt în strânsă interdependenţă cu cele de biosinteză a

glucidelor, porfirinelor, bazelor azotate purinice, glutationului, serinei, creatinei etc., precum şi cu

procesele de detoxifiere a organismului animal.

Calea de degradare a glicocolului cu formare de creatină este extrem de importantă, dat

fiind faptul că produsul rezultat – creatina – joacă un rol deosebit în transportul intracelular al

energiei. În organismul animal şi uman, creatina se sintetizează prin utilizarea glicocolului,

argininei şi metioninei, procesul biosintetic realizându-se în două etape. Prima etapă se realizează

mai ales în rinichi şi constă în transferul grupei amidinice (guanidinice) de la molecula argininei

la cea a glicocolului sub acţiunea glicin-amidino-transferazei cu formare de acid guanidinacetic

sau glicociamină:

În etapa următoare are loc transferul grupei metil de la S-adenozilmetionină la acidul

guanidinacetic sub acţiunea guanidinacetat-metil-transferazei, cu formare de acid

metilguanidinacetic:

NH 2

I

NH – C = NH

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH 2

I

COOH

NH 2

NH 2

+

I

I

CH 2

C = NH

I

I

COOH Glicinamidinotransferaza

I

NH

CH 2

I

COOH

+

Argininã Glicinã Acid guanidinacetic

NH 2

I

(CH 2 ) 3

I

CH – NH 2

I

COOH

Ornitinã

+

NH 2 H 3 C — S – Adenozil

I

I

C = NH

CH 2

I

NH +

I

CH 2 Guanidinacetatmetiltransferaza

I

I

CH 2

CH – NH 2

I

I

COOH

COOH

Acid guanidinacetic

S-Adenozilmetioninã

NH 2

S – Adenozil

I

I

C = NH

CH

I

2

+ I

N – CH 3 CH 2

I

I

CH 2

CH – NH 2

I

I

COOH

COOH

Creatinã S-Adenozil

homocisteinã

Această etapă se realizează atât în rinichi cât şi în ficat. Creatina astfel sintetizată în aceste

organe este transportată pe cale sanguină în alte ţesuturi şi în special în muşchi, creier, inimă etc.

În celulele animale, creatina participă la transportul grupelor fosfat macroergice datorită capacităţii

de a se fosforila reversibil cu ajutorul ATP-ului sub acţiunea creatin-kinazei:

ATP

ADP

HN = C – NH 2

I

H 3 C – N – CH 2 – COOH

Creatinã

Creatin-kinaza

HN = C – NH ~ PO 3 H 2

I

H 3 C – N – CH 2 – COOH

Creatinfosfat

Creatin-fosfatul care se formează se acumulează în muşchiul aflat în repaus. El constituie

o rezervă de grupe fosfat cu potenţial energetic superior pentru contracţia musculară. Creatinkinaza

este localizată atât intra- cât şi extra-mitocondrial.

Aceste două forme asigură fosforilarea reversibilă a creatinei. În mitocondrii acţionează

creatin-kinaza mitocondrială (CKm) care fosforilează creatina pe seama radicalului fosfat şi a

energiei din moleculele de ATP rezultate din fosforilarea oxidativă (catena respiratorie). Creatinfosfatul

penetrează apoi membranele mitocondriale, iar în citosol are loc procesul invers, de

defosforilare, sub acţiunea creatin-kinazei citoplasmatice (CKc). Această ultimă reacţie este

cuplată cu reacţia de sinteză a ATP-ului din ADP-ul citoplasmatic, cu ajutorul radicalilor fosfat şi

a energiei din creatin-fosfat. Acest proces poartă numele de „navetă de creatin-fosfat”

(phosphocreatine shuttle). Noile molecule de ATP formate servesc apoi la contracţia musculară.

Muschi

relaxat

ATP-aza

Muschi

contractat

ATP

ADP

CK c

CITOSOL

Creatinã

Creatin-fosfat

Creatinã

Creatin-fosfat

CK m

MITOCONDRIE

ATP

ADP

Fosforilare

oxidativã

(Catena

respiratorie)

Reprezentarea schematică a transportului de energie din compartimentul mitocondrial în cel citoplasmatic în contracţia musculară

Unele nevertebrate utilizează arginin-sulfatul pentru a stoca radicalii fosfat cu potenţial

energetic ridicat.

Produsul final al degradării creatinei este creatinina (care din punct de vedere structural

este anhidrida creatinei):

HN = C – NH ~ PO 3 H 2

I

H 3 C – N – CH 2 – COOH

Creatinfosfat

H 3 PO 4

H

HN = C – N

C = O

H 3 C – N – CH 2

Creatininã

Creatinina astfel formată este eliminată pe cale urinară (în condiţii normale aproximativ

1,5 g/24 ore). În distrofia musculară, creatinina se elimină în cantitate mult mai mare datorită

incapacităţii sistemului muscular de a o stoca.

O altă cale de degradare a glicocolului este legată de capacitatea acestui aminoacid de a

îndeplini o importantă funcţie de detoxifiere. Astfel, prin condensarea sa cu acidul benzoic din

produsele alimentare de origine vegetală se formează acidul hipuric (benzoil-glicina), procesul

având loc în hepatocite:

COOH

I

O = C – NH – CH 2 – COOH

I

+ H 2 N – CH 2 – COOH

H 2 O

Acid benzoic Glicocol Acid hipuric

Sub acţiunea glicocol-oxidazei, glicina este dezaminată oxidativ, trecând în acid glioxilic:

CH 2 – COOH

I

NH 2

Glicocol

+ O 2 + H 2 O

NH 3 H 2 O 2

O

II

CH – COOH

Acid glioxilic

Acidul glioxilic poate apoi să se decarboxileze cu formarea unui fragment „C1” activ sau

să se oxideze până la acid oxalic:

CO 2 + "C 1 "

H

IC

= O

I

COOH

Acid glioxilic

COOH

I

COOH

Acid oxalic

Oxidarea accelerată a acidului glioxilic în acid oxalic poate fi cauza oxaluriei primare, o

boală ereditară caracterizată prin depunerea oxalatului de calciu în ţesutul renal sau în alte ţesuturi

sub formă de calculi.

Glicocolul mai participă la biosinteza nucleului pirolic şi deci a porfirinelor. O altă cale de

degradare a glicinei o reprezintă ciclul acetato-glicinic ai cărui produşi finali sunt CO2 şi NH3.

Acesta debutează prin condensarea glicocolului cu acetil-CoA, cu formarea acidului -amino-cetobutiric:

CH 2 – NH 2

O

I + II

COOH CH 3 – C~

S – CoA

CoA – SH

CH 3

I

C = O

I

CH – NH 2

I

COOH

Glicocol Acetil-CoA Acid -amino- -cetobutiric

Prin decarboxilare sub acţiunea aminocetobutirat-decarboxilazei, acidul -amino-cetobutiric

trece în aminoacetonă. Aceasta din urmă suferă o reacţie de dezaminare oxidativă cu

formare de metil-glioxal, iar oxidarea grupării aldehidice a acestuia conduce la acid lactic. În fine,

sub acţiunea lactat-dehidrogenazei, acidul lactic este oxidat la acid piruvic, iar decarboxilarea

oxidativă a acestuia conduce la acetil-CoA care reia ciclul:

CH 3

I

C = O

I

CH – NH 2

I

COOH

CO 2

Aminocetobutirat

decarboxilaza

CH 3

I

C = O

I

CH 2 – NH 2

[O]

NH 3

CH 3

I

C = O

I

C = O

I

H

Acid -amino- -cetobutiric

Aminoacetonã

Metilglioxal

NAD +

NADH+H +

CH 3

I

C = O

I

COOH

Acid piruvic

CoA-SH CO 2

O

II

CH 3 – C ~ S – CoA

Acetil-CoA

Catabolismul -alaninei, serinei şi cisteinei

O caracteristică comună a acestor trei aminoacizi o constituie faptul că fiecare din ei

prezintă câte o cale de degradare cu formare de acid piruvic. În cazul serinei, aceasta suferă mai

întâi o reacţie de deshidratare cu formarea acidului -amino-acrilic care prin izomerizare trece în

acid -imino-piruvic. Acesta din urmă suferă apoi o reacţie de dezaminare hidrolitică dând acidul

piruvic:

[O] + NADH+H

+ NAD

CH 3

I

CH – OH

I

Metilglioxaldehidrogenaza

COOH

Acid lactic

Lactatdehidrogenaza

Piruvatdehidrogenaza

CH 2 – CH – COOH H 2 O CH 2 = C – COOH

I I

I

OH NH 2 NH

Serindehidrataza

2

Serinã

Acid -amino-

acrilic

Aminoacrilatizomeraza

CH 3 – C – COOH

II

NH

Acid -iminopiruvic

H 2 O

NH 3

CH 3 – C – COOH

O II

Acid piruvic

Alanina trece direct în acid piruvic prin transaminare sub acţiunea alaninaminotransferazei:

CH 3 –CH–COOH

I

NH 2

+

CH 2 –CH 2 –C–COOH

I II

COOH O

Alaninaminotransferaza

-Alaninã

Acid -cetoglutaric

CH 3 –C–COOH

O II

Acid piruvic

+

CH 2 –CH 2 –CH–COOH

I I

COOH NH 2

Acid glutamic

Degradarea cisteinei cu formare de acid piruvic începe prin eliminarea grupei sulfhidril sub

acţiunea cistein-desulhidrazei specifice. În urma acestei reacţii se formează acidul -amino-acrilic

care se degradează apoi pe aceiaşi cale ca în cazul serinei:


I

SH

I

NH 2

Cisteinã

H 2 S

Cisteindesulfhidraza

CH 2 = C – COOH

I

NH 2

Acid -aminoacrilic

CH 3 – C – COOH

II

O

Acid piruvic

Prin conversia cisteinei în acid piruvic, catabolismul acesteia este strâns legat de ciclul

acizilor tricarboxilici, iar sulful din molecula cisteinei se poate elimina, poate participa la formarea

esterilor sulfurici sau poate intra în căile de biosinteză a mucopolizaharidelor.

Cisteinã

H 2 S

NH 3

Piruvat

Acid

sulfinic

SO 3

2–

Acid sulfinil-

-piruvic

SO 4

2–

H 2 O

2H +

Eliminare Esteri

sulfurici

Piruvat

Mucopolizaharide

Ciclul

Krebs

Reprezentarea schematică a interdependenţei dintre catabolismul cisteinei, ciclul Krebs şi biosinteza mucopolizaharidelor

O cale importantă de degradare a cisteinei la animale o constituie oxidarea sa în acid

sulfeinic, care poate fi oxidat în continuare în acid cisteic. Prin decarboxilarea acestuia din urmă

se formează taurina care participă la biosinteza acizilor biliari conjugaţi, îndeplinind însă şi alte

roluri:

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2 – SH

Cisteinã

O 2

Cisteinoxidaza

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2 – SO 2 H

Acid cisteinsulfinic

[O]

COOH

I

CH – NH 2

I

CH 2 – SO 3 H

Acid cisteic

CO 2

Cisteat

decarboxilaza

CH 2 – NH 2

I

CH 2 – SO 3 H

Taurina

Cisteinã

Acid cistein-sulfinic

1/2 O 2

Hipotaurinã

CO 2

Acid cistinic

1/2 O

CO 2

2 Taurinã

Acizi

biliari

Utilizarea cisteinei în calitate de precursor în biosinteza acizilor biliari

Prin conversia cisteinei în taurină se realizează o legătură între catabolismul acestui

aminoacid şi biosinteza acizilor biliari.

O cale importantă de degradare a serinei o constituie conversia sa în glicocol, această

secvenţă metabolică reprezentând totodată una din căile de biosinteză a glicocolului:

CH 2 – OH

I

CH – NH 2

I

COOH

Serinã

THF

Metilen-THF

Glicocolhidroximetiltransferaza

CH 2 – NH 2

I

COOH

Glicinã

Serina mai poate participa la biosinteza colaminei, colinei şi, implicit, a fosfatidilserinei şi

fosfoproteinelor. Conversia serinei în colină debutează prin decarboxilarea enzimatică sub

acţiunea serin-decarboxilazei cu formare de colamină (etanolamină). Aceasta poate accepta

succesiv câte un radical metil de la S-adenozilmetionină transformându-se în colină:

CH 2 – OH

I

CH – NH 2

I

COOH

Serinã

CO 2

Serindecarboxilaza

CH 2 – OH

I

CH 2 – NH 2

Colaminã

(etanolaminã)

Transmetilazã

CH 2 – OH

I

CH 2 – NH – CH 3

S-adenozilmetioninã

Monometilaminoetanol


CH 2 – OH

+ CH 3

I CH 3

HO – CH 2 – CH 2 – N CH 3

CH 2 – N Transmetilazã

CH 3

CH 3


Transmetilazã

Dimetilaminoetanol

Colinã

Colamina şi colina joacă rol de precursori în biosinteza fosfatidelor (lecitine şi cefaline).

În ţesuturile animale, colina mai îndeplineşte rolul de vitamină şi, de asemenea, participă la

biosinteza acetilcolinei cu rol de mediator chimic la nivelul sinapselor. Grupa alcoolică a colinei

se poate oxida cu formare de betaină care, prin demetilare treptată, trece în dimetilglicocol şi

respectiv sarcozină:

+ CH 3

HO – CH 2 – CH 2 – N CH 3

CH 3

Colinã

O 2

H 2 O

+ CH 3

HOOC– CH 2 – N CH 3

CH 3

Betainã

– CH 3

HOOC – CH 2 – N

Dimetilglicocol

– CH 3

CH 3

CH 3

HOOC – CH 2 – NH – CH 3

Sarcozinã

În funcţie de necesităţile imediate (de exemplu în configurarea structurilor superioare ale

proteinelor), cisteina se poate oxida cu formare de cistină în urma unei reacţii reversibile catalizată

de cistein-reductază, care este o enzimă NAD + -dependentă. Această reacţie este extrem de

importantă pentru formarea punţilor disulfidice:

CH 2 – SH

I

CH – NH 2

I

COOH

+

SH – CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

NAD + NADH+H +

Cistin-reductaza

CH 2 — S — S — CH 2

I

I

CH – NH 2 CH – NH 2

I

I

COOH

COOH

Cisteinã

Cisteinã

Cistinã

Fiind reversibilă, această reacţie funcţionează ca un sistem redox cu largi implicaţii la nivel

celular. În funcţie de sensul în care este deplasat echilibrul acestei transformări, se realizează

activarea sau inhibiţia unor importante enzime tiolice din celula vie.

Cistina se poate forma şi din serină. Sub acţiunea cistein-sintetazei, care este o enzimă

piridoxalfosfat-dependentă, serina reacţionează cu hidrogenul sulfurat generând cisteina. Aceasta

se oxidează apoi la cistină, în urma unei reacţii reversibile catalizată de cistin-reductază (sau

cistin-oxidoreductază):

2

CH 2 – OH

I

CH – NH 2

I

COOH

H 2 S H 2 O

PALP

Cistein-sintetaza

2

CH 2 – SH

I

CH – NH 2

I

COOH

Serinã

Cisteinã

NAD + NADH+H +

Cistin-oxidoreductaza

CH 2 – S — S – CH 2

I

I

CH – NH 2 CH – NH 2

I

I

COOH COOH

Cistinã

O altă cale de degradare a cisteinei constă în decarboxilarea sa cu formare de

tioetanolamină, un produs intermediar important ce este apoi utilizat în biosinteza coenzimei A:

CO 2


CH 2 – CH 2

I I

I I

SH NH 2

Cisteindecarboxilaza

SH NH 2

Cisteinã

Tioetanolaminã

Căile de degradare a cisteinei permit obţinerea unor produşi intermediari de metabolism

implicaţi în diferite procese metabolice la nivel celular. Pe de altă parte, aceşti metaboliţi

intermediari servesc drept precursori în alte căi metabolice, ceea ce conduce la existenţa a

numeroase puncte de conexiune între metabolismul cisteinei pe de o parte şi cel al glucidelor şi

lipidelor pe de altă parte.

3-Mercaptopiruvat

Cistinã

Piruvat

CISTEINÃ

Sulfoalaninã

CoA - SH

Feomelanine

Glutation

Principalele căi de degradare a cisteinei

CISTEINÃ

3-Mercaptopiruvat

Piruvat

Piruvat-3-

sulfonat

Alaninosulfonat

H 2 O

Hipotaurinã

H 2 O

Sulfit

Acid

cisteic

Taurinã

Sulfat

Acizi biliari

conjugati

Interdependenţa dintre căile de degradare a cisteinei şi alte căi metabolice

Catabolismul fenilalaninei şi tirozinei

Prima etapă a principalei căi de degradare a fenilalaninei o constituie hidroxilarea ei cu

formare de tirozină sub acţiunea fenilalanin-4-hidroxilazei, enzimă numită şi monooxigenază,

sau oxigenază cu funcţie mixtă deoarece un atom din molecula oxigenului trece în produsul

reacţiei, iar celălalt în apă:

O 2

H 2 O


I


I

NH 2 Fenilalanin - 4 -

NH 2

Fenilalaninã

- hidroxilaza

Tirozinã

Această reacţie este ireversibilă, fapt ce explică de ce tirozina nu poate înlocui fenilalanina

în alimente.

În maladia metabolică congenitală numită oligofrenie fenilpiruvică sau fenilcetonurie,

fenilalanin-4-hidroxilaza are o activitate scăzută din care cauză fenilalanina nu este convertită în

tirozină. Excesul de fenilalanină neoxidată se transformă prin transaminare, dezaminare sau prin

decarboxilare oxidativă cu formarea acizilor fenil-piruvic, fenil-lactic şi respectiv fenil-acetic care

apar în urina bolnavilor.

Tirozina rezultată prin oxidarea fenilalaninei şi cea provenită direct din proteine poate fi

degradată în continuare până la acid acetilacetic şi acid fumaric sau poate reprezenta precursorul

unor hormoni şi al pigmenţilor biliari. Degradarea în acid fumaric şi acid acetilacetic debutează

prin transaminarea tirozinei cu formare de acid p-hidroxifenil-piruvic. Acesta este supus apoi

acţiunii dioxigenazei care catalizează concomitent o reacţie de oxidare şi una de transpoziţie

trecând în acid 2,5-dihidroxifenil-piruvic. Acţionează apoi dihidroxifenilpiruvat-decarboxilaza

sub acţiunea căreia acidul 2,5-dihidroxifenil-piruvic trece în acid homogentizinic:


I

NH 2

Fenilalaninã

HO –


I

NH 2

Tirozinã

Glutamat

[O]

Tirozin-aminotransferaza

HO –

– CH 2 – C – COOH

II

O

Acid p-hidroxifenilpiruvic

Dioxigenaza

HO –

– OH

O

II

CH 2 – C – COOH

Acid 2,5-dihidroxifenil

piruvic

CO 2

HO – – OH

CH 2 – COOH

Acid 2,5-dihidroxifenil

acetic (homogentizinic)

Acidul homogentizinic se elimină din organism de cale renală. Un organism sănătos

elimină însă acest produs de metabolism în cantităţi foarte mici. Cea mai mare parte a acidului

homogentizinic se degradează în continuare cu formare de acetil-CoA care intră în ciclul acizilor

tricarboxilici. Sub acţiunea homogentizinat-oxidazei, acidul 2,5-dihidroxifenil-acetic trece în acid

maleil-acetilacetic prin desfacerea nucleului benzenic. Forma enolică a acestui intermediar trece

prin tautomerie în forma cetonică (acidul fumaril-acetilacetic). Acesta din urmă este apoi clivat

hidrolitic cu formare de acid fumaric şi acid acetilacetic:

HO –

– OH

CH 2 – COOH

Acid homogentizinic

-Cetoglutarat

Hidroxifenilpiruvatdecarboxilaza

Homogentizinatoxidaza

H H OH O

I I I II

HOOC – C = C – C = CH – C – CH 2 – COOH

Acid maleil-acetilacetic

O

H

I

I

II

O

II

H 2 O

HOOC – C = C – C – CH 2 – C – CH 2 – COOH

I

H

Acid fumaril-acetilacetic

Fumaril -

acetoacetaza

H

I

HOOC– C = C – COOH

I

H

Acid fumaric

+

O

II

CH 3 – C – CH 2 – COOH

Acid acetilacetic

Degradarea fenilalaninei şi tirozinei cu formare de acid fumaric şi acid acetilacetic

demonstrează faptul că aceşti aminoacizi sunt cetogenici şi respectiv glucoformatori. În maladia

cunoscută sub numele de alcaptonurie, activitatea homogentizinat-oxidazei este foarte scăzută sau

absentă. Din această cauză, în organism se acumulează cantităţi mari de acid homogentizinic care

se elimină masiv prin urină.

O serie de experienţe efectuate cu tirozină şi fenilalanină marcate radioactiv au demonstrat

faptul că hormonii medulosuprarenalei au drept precursor comun fenilalanina, iar tirozina este un

intermediar al acestei căi metabolice. Biosinteza acestor hormoni reprezintă o altă cale de

degradare a fenilalaninei şi tirozinei. În prima etapă a acestei secvenţe metabolice are loc conversia

fenilalaninei în tirozină. Tirozina astfel formată, precum şi tirozina provenită din hidroliza

proteinelor trece apoi în dihidroxifenilalanină (DOPA) sub acţiunea tirozin-oxidazei. 3,4-

Dihidroxifenilalanina astfel formată pierde gruparea sa carboxilică sub acţiunea DOPAdecarboxilazei

formând DOP-amina, unul din principalii hormoni sintetizaţi de

medulosuprarenală:

2 Fenilalanin-4-hidroxilaza

O 2 H 2 O


I

NH Fenilalaninã

[o]

HO –


I

NH 2

Tirozinã

Tirozinoxidaza

HO

HO –


I

NH 2

CO 2


(DOPA)

HO

HO – – CH 2 – CH 2 – NH 2

DOP-aminã

Prin hidroxilarea DOP-aminei sub acţiunea DOP-amin-oxidazei se formează

noradrenalina (norepinefrina), iar metilarea acesteia conduce la formarea adrenalinei (epinefrinei).

Rolul de donor de grupări metil este îndeplinit de S-adenozilmetionină:

HO

HO – – CH 2 – CH 2 – NH 2

DOP-aminã

[O]

Tot din tirozină se formează şi hormonii tiroidieni. În acest caz, resturile de tirozină din

tiroglobulină (!) se iodurează treptat cu formare de 3-monoiod-tirozină (MIT) şi respectiv 3,5-

diiod-tirozină (DIT). Prin condensarea unui mol de monoiod-tirozină cu un mol de diiod-tirozină

se formează 3,3’,5’-triiod-tironina (T3), iar condensarea a doi moli de diiod-tirozină conduce la

formarea celui mai important hormon tiroidian care este 3,5,3’,5’-tetraiod-tironina sau tiroxina

(T4).

DOPAdecarboxilaza

DOPaminoxidaza

HO

OH

I

HO – – CH – CH 2 – NH 2

Noradrenalinã

(Norepinefrinã)

•CH 3

HO

OH

I

HO – – CH – CH 2 – NH – CH 3

Adrenalinã

(Epinefrinã)

(I)

HO –

I

I

– O –

I

T 3 (T 4 )

– CH 2 – CH – CO – R

I

NH

I

R'

Ultima etapă a procesului biosintetic o reprezintă scindarea proteolitică a tiroglobulinei,

proces stimulat de TSH şi inhibat de concentraţiile mari de iod, în urma căruia se eliberează cei

doi hormoni tiroidieni ce intră în circulaţia sanguină.

Transformarea fenilalaninei şi tirozinei în pigmenţi melaninici reprezintă un proces normal

de metabolizare a acestor doi aminoacizi, proces specific celulelor epidermei din organismul

animal şi uman. Schematic, reacţiile ce au loc pot fi reprezentate astfel:

HO

HO –

– CH 2 – CH – COOH I


I

NH 2 NH 2

Tirozinã


(DOPA)

O

O


I

NH 2

DOPA-chinonã

O

O

— COOH

N

H

DOPA-crom

HO

CO 2

HO

HO

N

H

— COOH

HO

N

H

Leuco-DOPA-crom

5,6-Dihidroxi-indol

O

H

N

O

O

N

H

Polimerizare

O

O

Indolil-5,6-chinonã

O

Melaninã

N

H

Este interesant faptul că această cale metabolică de conversie a tirozinei în melanină este

catalizată de o singură enzimă numită catecoloxidază sau tirozinază care este o metaloenzimă ce

conţine cupru. Această enzimă catalizează de fapt reacţia de oxidare a tirozinei cu formare de

DOPA-chinonă, iar celelalte reacţii decurg spontan, sub acţiunea luminii, acest proces biosintetic

realizându-se în celule specializate denumite melanocite.În unele boli cum ar fi sarcomul melanic

şi boala Addison, melanogeneza este mult intensificată, iar excesul de melanină se elimină pe cale

urinară. Melanogeneza se modifică de asemenea în boala congenitală cu caracter ereditar

cunoscută sub numele de albinism. În acest caz, în melanocite lipseşte catecoloxidaza din care

cauză sinteza melaninei se diminuează puternic sau chiar se întrerupe.

După cum s-a arătat mai sus, prin decarboxilarea tirozinei sub acţiunea tirozindecarboxilazei

specifice, se formează tiramina. Unele microorganisme sunt capabile să

dezamineze oxidativ tiramina cu formare de acid p-fidroxifenil-acetic care prin decarboxilare

enzimatică dă naştere p-crezolului, iar acesta se poate demetila în fenol:


I I

NH 2

I

OH

Tirozinã

CO 2


CH 2 – CH 2 – NH 2

I

I

OH

Tiraminã

O 2

Tiramindezaminaza

NH 3

CH 2 – COOH

I

CO 2

CH 3

I

CH 3

I

OH

Acid p-hidroxifenilacetic

I

OH

p-Crezol

p-Hidroxifenilacetatdecarboxilaza

p-Crezoldemetilaza

I

OH

Fenol

La plante, fenilalanina şi tirozina prezintă căi specifice de degradare. Astfel, la multe specii

vegetale, fenilalanina este convertită în acid trans-cinamic în urma reacţiei de dezaminare

catalizată de fenilalanin-dezaminază:

Fenilalaninã


I

NH 2

NH 3

H

I

– C = C – COOH

I

H

Acid transcinamic

Fenilalanindezaminaza

Tirozina suferă o reacţie similară la cereale sub acţiunea tirazei, cu formare de acid transhidroxicinamic

sau acid trans-cumaric:

NH 3

HO –


I

NH 2

Tirozinã

Tirozindezaminaza

(tiraza)

HO –

O altă cale de degradare a fenilalaninei şi tirozinei o constituie conversia acestor aminoacizi

în acid fenilacetic şi respectiv acid p-hidroxi-fenilacetic. În cazul fenilalaninei, aceasta suferă o

reacţie de decarboxilare enzimatică cu formare de fenil-etilamină:

Feniletilamina astfel formată poate apoi trece prin hidroxilare în tiramină (care se poate

forma şi prin decarboxilarea tirozinei). La rândul ei, tiramina se poate degrada oxidativ, fie cu

formare de acid p-hidroxi-fenilacetic, fie cu formare de acid p-hidroximandelic:

O 2 + H 2 O H 2 O 2 + NH 3

– CH 2 – CH 2 – NH 2 Monoaminoxidaza

– CH 2 – CHO

Feniletilaminã

Fenilacetaldehidã

H 2 O

NAD + NADH+H +

H

I

– C = C – COOH

I

H

Acid transcumaric

CO 2


– CH 2 – CH 2 – NH 2

I

Fenilalanindecarboxilaza

NH 2

Fenilalaninã

Feniletilaminã

Fenilacetaldehiddehidrogenaza

– CH 2 – COOH

Acid fenilacetic

Tirozina suferă o reacţie de decarboxilare sub acţiunea tirozin-decarboxilazei cu formare

de tiramină. La această etapă, căile metabolice se despart. La unele organisme, sub acţiunea

monoaminoxidazei (MAO) specifice tiramina se poate dezamina oxidativ cu formare de p-hidroxifenilacetaldehidă

care, la rândul ei, se oxidează în acid p-hidroxifenil-acetic sub acţiunea

aldehidoxidazei:

HO –


I

NH 2

Tirozinã

CO 2

O 2 + H 2 O H 2 O 2 +NH 3

HO –

– CH 2 – CH 2 – NH 2

Monoaminoxidaza

Tiraminã

HO –


p-Hidroxifenilacetaldehidã

H 2 O

NAD +

– CH 2 – CHO

La alte organisme, tiramina poate forma octopamină (4-hidroxifenil-etanolamină) sub

acţiunea DOP-amin-4-monooxigenazei. Dezaminarea oxidativă a octopaminei sub acţiunea

monoaminoxidazei conduce la 4-hidroxifenil-glicolaldehidă care este convertită în acid 4-hidroximandelic

de către aldehid-dehidrogenază:

Aldehidoxidaza

NADH+H +

HO –

– CH 2 – COOH

O 2

H 2 O

HO –

Tiraminã

– CH 2 – CH 2 – NH 2

Acid p-hidroxifenilacetic

DOP-amin-4-

monooxigenaza

O 2 +H 2 O H 2 O 2 +NH 3

HO –

– CH – CH 2 – NH 2

I

OH

Octopaminã

Monoaminoxidaza

HO –

– CH – CHO

I

OH

H 2 O NAD+ NADH+H + – CH – COOH

Aldehiddehidrogenaza

HO –

I

OH

4-Hidrofenilglicolaldehidã

Acid 4-hidroximandelic

O altă cale de degradare a fenilalaninei şi tirozinei o constituie calea metabolică prin care

aceşti aminoacizi sunt convertiţi în ubichinonă. Atât tirozina ca atare cât şi cea rezultată prin

hidroxilarea fenilalaninei suferă mai întâi o reacţie de transaminare cu formare de acid p-

hidroxifenil-piruvic care, sub acţiunea hidroxifenil-lactat dehidrogenazei se reduce la acid p-

hidroxifenil-lactic. Prin deshidratarea acestuia la nivelul catenei laterale ia naştere acidul p-

hidroxi-cinamic ce se oxidează la acid p-hidroxibenzoic într-o succesiune de reacţii încă incomplet

elucidate:


I I

NH2

I

OH

Tirozinã

Tirozinaminotransferaza

-Cetoglutarat

Glutamat

CH 2 – C – COOH

I II

O

I

OH

Acid p-hidroxifenil-piruvic

NADH+H + NAD +

Acid p-hidroxifenil-lactic

Hidroxifenillactat

dehidrogenaza


I I

OH

I

OH

H 2 O

Dehidrataza

CH = CH – COOH

I

COOH

I

I

OH

Acid p-hidroxicinamic

Acidul p-hidroxibenzoic astfel rezultat se condensează cu mai multe unităţi izoprenice (în

funcţie de specie) sub acţiunea hidroxibenzoat-poliprenil-transferazei cu formare de acid 4-

hidroxi-5-poliprenil-benzoic care suferă apoi o reacţie de hidroxilare în poziţia 3, sub acţiunea

hidroxi-poliprenilbenzoat-3-hidroxilazei trecând în acid 3,4-dihidroxi-5-poliprenil-benzoic.

Gruparea hidroxilică din poziţia 3 astfel introdusă acceptă un radical metil de la S-adenozilmetionină

şi se formează acidul 3-metoxi-4-hidroxi-5-poliprenil-benzoic asupra căruia acţionează

o decarboxilază specifică ce elimină gruparea carboxil cu formare de 6-metoxi-2-poliprenil-fenol:

I

OH

Acid p-hidroxibenzoic

COOH

I

Pirofosfat

I

OH

Acid p-hidroxibenzoic

Poliprenilpirofosfat

Hidroxibenzoat-polipreniltransferaza

COOH

I

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H

I

OH

Acid 4-hidroxi-5-

poliprenil-benzoic

1/2O 2

Hidroxipoliprenilbenzoat-3-hidroxilaza

HO

COOH

I

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H

I

OH

Acid 3,4-dihidroxi-5-

poliprenil-benzoic

S-adenozilmetionin-3,4-

dihidroxi-5-poliprenil-Ometil-transferaza


S-adenozilhomocisteinã

HO

COOH

I

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H

I

OH

Acid 3-metoxi-4-hidroxi-5-

poliprenil-benzoic

CO 2

Decarboxilaza

H 3 C – O

I

OH

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H

6-Metoxi-2-poliprenil-fenol

Produsul intermediar astfel format suferă o nouă oxidare la C4 sub acţiunea

metoxipoliprenilfenol-4-hidroxilazei cu formare de 6-metoxi-2-poliprenil-1,4-hidrochinonă care

se oxidează în prezenţa unei dehidrogenaze NAD + -dependente la 6-metoxi-2-poliprenil-1,4-

benzochinonă. Asupra acesteia acţionează o metiltransferază specifică ce introduce un radical

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H

H 3 C – O I

OH

6-Metoxi-2-poliprenil-fenol

1/2O 2

H 3 C – O

OH

I

I

OH

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H

metil la C3 când se formează 6-metoxi-3-metil-2-poliprenil-1,4-benzochinonă (sau 5-demetoxiubichinonă):

Metoxipoliprenilfenol-4-hidroxilaza

6-Metoxi-2-poliprenil-

1,4-hidrochinonã

NAD + NAHD+H +

H 3 C – O

O

II

II

O

Metiltransferaza

Metoxipoliprenil-hidrochinonãdehidrogenaza

6-Metoxi-2-poliprenil-

-1,4-benzochinonã

5-Demetoxi-ubichinona rezultată trece apoi în 5-demetil-ubichinonă (5 – hidroxi – 6 –

metoxi – 3 – metil – 2 – poliprenil - 1,4 – benzochinonă) prin hidroxilare la C 5 sub acţiunea 5-

hidroxilazei. Ultima reacţie a acestei căi metabolice este catalizată de o metiltransferază specifică

ce transferă un radical metil de la S-adenozil-metionină la 5-demetil-ubichinonă cu formare de

ubichinonă:

H 3 C – O

O

II

II

O

CH 3

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H


CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H


6-Metoxi-3-metil-2-poliprenil-

-1,4-benzochinonã

H 3 C – O

O

II

II

O

CH 3

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H

1/2O 2

5-Hidroxilaza

6-Metoxi-3-metil-2-poliprenil-

-1,4-benzochinonã

HO

H 3 C – O

O

II

II

O

CH 3

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H

5-Hidroxi-6-metoxi-3-metil-2-

-poliprenil-1,4-benzochinonã

(5-demetil-ubichinonã)

Metiltransferaza

H 3 C – O

H 3 C – O

O

II

II

O

CH 3

CH 3

I

–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H

Ubichinonã

La organismele animale, fenilalanina se poate elimina din organism pe cale renală sub

formă de fenil-acetil-glutamină. Sub acţiunea fenilalanin-transaminazei, fenilalanina trece în acid

fenil-piruvic care suferă o reacţie de decarboxilare oxidativă sub acţiunea fenilpiruvatdecarboxilazei,

formând acidul fenil-acetic. În ultima fază a acestei secvenţe metabolice are loc o

reacţie de condensare cu glutamina cu formare de fenil-acetil-glutamină care se elimină prin urină:

CO 2

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Fenilalaninã



Fenilalanin-

-transaminaza

CH 2

I

C = O

I

COOH

Acid fenil-piruvic

Fenil-piruvat-

-decarboxilaza

O

CH 2

I

COOH

Gln

Acid fenil-acetic

C — NH 2

I

CH 2

I

CH 2

I

CH 2

– CO – NH – CH – COOH

Fenil-acetil-glutaminã

În organismele animale se întâlneşte o cale specială de degradare a fenilalaninei, proces ce

se realizează în două etape distincte: prima etapă are loc sub acţiunea florei intestinale şi conduce

la formarea de acid benzoic. În această etapă, fenilalanina este mai întâi transaminată cu formare

de acid fenil-piruvic care elimină un radical oxalat într-o reacţie neenzimatică cu formare de

benzaldehidă care se oxidează la acid benzoic:

O 2

Oxalat

I

Transaminare

CH 2

I

CH – NH 2

I

COOH

Fenilalaninã

I

CH 2

I

C = O

I

COOH

Acid fenil-

-piruvic

Spontan

H 2 O

NADP + NADPH+H +

I

H – C = O

Benzaldehidã

Benzaldehid-

-oxidaza

I

COOH

Acid benzoic

Acidul benzoic astfel format este transportat pe cale sanguină în ficat unde se realizează a

doua etapă de degradare care constă în inactivarea acestuia sub formă de acid hipuric:

CoA–SH ATP

AMP+PP i

I

COOH

Acid benzoic

Benzoil-CoA-

-sintetaza

I

O = C ~ S - CoA

Benzoil-CoA

Gly

CoA–SH

Hipurat-

-sintetaza

I

O = C – NH – CH 2 – COOH

Acid

hipuric

Acidul hipuric reprezintă forma netoxică a acidului benzoic şi se elimină din organism pe

cale renală. Acest metabolit reprezintă totodată un indicator al stării fiziologice a ficatului,

deoarece doar hepatocitele normale sunt capabile să condenseze acidul benzoic cu glicocolul.

Biosinteza proteinelor

Procesul propriu-zis de biosinteză a proteinelor se realizează la nivelul ribozomilor în mai multe

etape: activarea aminoacizilor, iniţierea translaţiei, translaţia propriu-zisă, terminarea translaţiei şi

modificarea post-translaţională a proteinelor.

Activarea aminoacizilor

Biosinteza proteinelor este, poate, cel mai complex proces biochimic ce are loc in vivo. Prima

etapă a acestui proces biosintetic este reprezentată de etapa de recunoaştere. În această etapă, fiecare

aminoacid dizolvat în citosol recunoaşte prin intermediul unei enzime specifice ARNt-ul său specific cu

care formează un complex activ de tipul aminoacil-ARNt. Această recunoaştere este înalt specifică în

sensul că fiecărui aminoacid proteinogen îi corespunde un anumit ARNt şi se realizează datorită înaltei

specificităţi de substrat a enzimei ce catalizează această reacţie şi care se numeşte aminoacil-ARNtsintetaza.

Această enzimă conţine trei situsuri de legare, din care două sunt înalt specifice: un situs de

legare a aminoacidului, unul pentru ARNt şi al treilea situs (cu o specificitate mai largă) pentru legarea

ATP-ului.

Interacţiunea dintre aminoacil-ARNt-sintetază şi substratul nucleotidic (ARNt) depinde de

succesiunea nucleotidică a acestuia din urmă. S-a demonstrat astfel, că înlăturarea a două dublete

nucleotidice (succesiunea GG de la extremitatea catenei poliribonucleotidice şi succesiunea AC

localizată aproximativ la mijlocul acesteia), sau înlocuirea lor cu alte nucleotide, determină pierderea

capacităţii moleculei de ARNt de a se lega la centrul activ al enzimei. S-a concluzionat de aceea că aceste

fragmente nucleotidice sunt direct implicate în mecanismul legării moleculei de ARNt la nivelul centrului

activ al aminoacil-ARNt-sintetazei.

Reprezentarea succesiunilor nucleotidice din ARN t ce interacţionează cu centrul activ al aminoacil-ARN t-sintetazei

Studiul mecanismului „recunoaşterii” fiecărei molecule de aminoacid de către ARNt-ul său

specific reprezintă unul din aspectele care s-au bucurat de o atenţie deosebită din partea cercetătorilor.

Procesul recunoaşterii directe este exclus dat fiind faptul că extremitatea catenei de ARNt ce leagă

aminoacidul este universală, adică absolut identică pentru toate moleculele de ARNt. S-a demonstrat

experimental că recunoaşterea ARNt de către aminoacidul său specific se face indirect, prin intermediul

aminoacil-ARNt-sintetazei, adică la nivelul enzimei implicate direct în activarea aminoacizilor. Numai

acest mecanism explică existenţa a 20 de enzime necesare biosintezei complecşilor aminoacil-ARNt

pentru cei 20 de aminoacizi proteinogeni. Aceasta înseamnă că aminoacil-ARNt-sintetazele sunt efectiv

implicate în transmiterea informaţiei genetice deoarece catalizează legarea fiecărui aminoacid de ARNtul

său specific.

Implicarea ARNt în succesiunea reacţiilor ce alcătuiesc procesul de biosinteză proteică este

actualmente pe deplin elucidată. Există însă un detaliu (demonstrat experimental) ce merită o atenţie

deosebită. Antibioticul numit puromicină distruge multe specii de microorganisme prin blocarea

biosintezei proteinelor în celulele acestora. S-a demonstrat experimental că puromicina nu acţionează în

primele etape ale procesului în care se formează complecşii aminoacil-ARNt, ci intervine abia în etapa a

3-a în care se realizează biosinteza propriu-zisă a catenelor polipeptidice, chiar şi în concentraţii foarte

mici de doar 0,03 M. Acţiunea s-a se explică prin faptul că puromicina este un analog structural al

nucleotidului terminal din ARNt.

NH 2

N(CH 3 ) 2

N

N

N

N

N

N

HO – CH 2

N

HO – CH 2

N

O

O

NH

I

O = C – CH – CH 2

I

NH 2

– O – CH 3

O

I

O = C – CH – R

I

NH 2

Puromicinã

Nucleotidul terminal

din ARN t

Analogia structurală dintre puromicină şi nucleotidul terminal al catenei de ARN t

Altfel spus, acţiunea puromicinei este un exemplu tipic de acţiune a unui antimetabolit care,

datorită similitudinii structurale, înlocuieşte molecula de aminoacil-ARNt inserându-se în catena

polipeptidică şi stopând desfăşurarea în continuare a procesului elongării. Experimental s-a demonstrat

că în prezenţa acestui antibiotic, biosinteza catenelor polipeptidice se întrerupe la nivelul formării de

oligopeptide ce conţin la capătul C-terminal un rest de puromicină.

Formarea complexului aminoacil-ARNt debutează prin activarea aminoacidului cu ajutorul

energiei din ATP, procesul având loc sub acţiunea aceloraşi aminoacil-ARNt-sintetaze:


I

R

ATP

PP i

Aminoacil-ARN t -sintetaza

O

II

E — [H 2 N – CH – C ~ O – AMP]

I

R

Aminoacid

Aminoacil-AMP

(complex ES)

Se formează deci complexul hiperreactiv dintre enzimă şi două din cele trei substrate, adică

aminoacidul şi molecula de ATP. Acest complex interacţionează apoi cu cel de-al treilea substrat care

este ARNt-ul specific aminoacidului activat:

proteinelor.

O

II

E — [H 2 N – CH – C ~ O – AMP]

I

R

Aminoacil-AMP

ARN t AMP Enzimã

O

II

H 2 N – CH – C ~ ARN t

I

R

Aminoacil-ARNt

Sub această formă, aminoacizii sunt apţi de a intra în procesul propriu-zis de biosinteză a

Biosinteza propriu-zisă a proteinelor (translaţia)

Complecşii aminoacil–ARNt sintetizaţi în citoplasmă sunt transportaţi spre ribozomi unde are loc

procesul propriu-zis de biosinteză a catenelor polipeptidice ce vor alcătui viitoarele molecule proteice.

Etapa ribozomală a biosintezei proteinelor poartă numele de translaţie deoarece acest proces constă în

traducerea (sau translarea) informaţiei genetice stocată în succesiunea mononucleotidelor ce formează

ARNm în succesiunea resturilor de aminoacizi din proteina nou sintetizată. Translaţia informaţiei

genetice din ARNm în structura primară a proteinelor se realizează la rândul ei în trei etape distincte:

– iniţierea translaţiei;

– elongarea sau translaţia propriu-zisă;

– terminarea translaţiei.

Iniţierea translaţiei

În această etapă are loc recunoaşterea semnalului de start din catena polinucleotidică a ARNm,,

asocierea subunităţilor robozomale, legarea complexului aminoacil–ARNt corespunzător la aceste

subunităţi şi formarea complexului ribozomal activ. Alegerea complexului aminoacil–ARNt

corespunzător se face în funcţie de complementaritatea dintre bazele azotate ce intră în alcătuirea

punctului de start şi bazele azotate din anticodonul existent în ARNt. Existenţa punctului de start strict

localizat creează posibilitatea ca procesul biosintetic să înceapă de la o secvenţă strict determinată a

nucleotidelor din ARNm numită codon de iniţiere. Cel mai frecvent, codonul de iniţiere este codonul

metioninei, adică tripleta AUG.

situs A

În structura ribozomului se întâlnesc două situsuri specifice:

– situsul A, numit şi situs acceptor sau situs aminoacilic;

– situsul P, numit şi situs donor sau situs peptidilic.

situs P

Iniţierea biosintezei proteice debutează prin asocierea moleculei de

ARNm la suprafaţa subunităţii mici a ribozomului, într-un punct

situat la aproximativ 10 nucleotide de capătul 5’ al catenei, deoarece

„citirea” programului genetic stocat în ARNm se face în sensul

5’→3’. În limitele unei subunităţi ribozomale se pot încadra spaţial doar doi codoni. Formarea

complexului ARNm – subunitate mică este declanşată de aşa-numitul factor de iniţiere IF-3. La

complexul binar astfel format se ataşează apoi complexul aminoacil-ARNt iniţiator şi o moleculă de

GTP, acest proces fiind dependent de factorul de iniţiere IF-2. La procariote, complexul aminoacil-

ARNt iniţiator este reprezentat de N-formil-metionil-ARNt, ceea ce înseamnă că procesul biosintetic

începe întotdeauna cu N-formil-metionina, iar la eucariote, procesul de biosinteză a catenelor

polipeptidice începe întotdeauna cu metionina.

Iniţiatorul se fixează în situsul P al ribozomului, moment în care anticodonul din molecula de

ARNt iniţiator se împerechează în mod specific (în funcţie de complementaritatea bazelor azotate) cu

codonul AUG sau GUG din ARNm. Iniţierea se desăvârşeşte prin legarea subunităţii ribozomale mari cu

formarea ribozomului funcţional activ.

Elongarea catenei polipeptidice (translaţia propriu-zisă)

Biosinteza oricărei catene polipeptidice începe întotdeauna de la capătul N-terminal care este

ocupat de N-formil-metionină la procariote, iar la eucariote de metionină. La rândul ei, faza de elongare

a catenei polipeptidice se realizează în trei etape distincte:

a) legarea următorului complex aminoacil-ARNt;

b) transpeptidarea;

c) translocaţia.

Prima etapă a elongării debutează cu stabilirea în situsul A al complexului aminoacil-ARNt

corespunzător codonului liber din acest situs. Recunoaşterea acestui codon din ARNm se face datorită

complementarităţii bazelor sale azotate cu tripleta de baze azotate ale anticodonului din ARNt care

transportă aminoacidul specificat de acel codon.

Aminoacil-ARN t I

Aminoacil-ARN t II

A

P

ARN m

Datorită acestor complementarităţi între succesiunile de baze azotate ale codonului din ARNm şi

anticodonului din ARNt, succesiunea resturilor de aminoacizi din viitoarea catenă polipeptidică este

decisă dinainte.

Transpeptidarea. După legarea celei de-a doua molecule de aminoacil-ARNt, se desfăşoară a

doua etapă a elongării care presupune sinteza legăturii peptidice între cei doi aminoacizi sub acţiunea

peptidil-transferazei:

O

O

II

II

H 2 N – CH – C ~ ARN t I + H 2 N – CH – C ~ ARN t II

I

R 1

Aminoacil-ARNt I

I

R 2

Aminoacil-ARNt II

ARN t I

Peptidil-transferazã

După ce s-a format legătura peptidică, ARNt care a cedat aminoacidul rămâne încă în situsul P,

iar dipeptidil-ARNt format se află încă legat de situsul A.

H 2 N – CH – C – N – CH – C ~ ARN t II

I I I

R 1 H R2

Dipeptidil-ARN t II

Cea de-a treia fază a elongării o reprezintă translocaţia. Acest fenomen se realizează în prezenţa

factorului de elongare EF-G numit şi translocază şi constă în glisarea ribozomului de-a lungul

moleculei de ARNm, pe parcursul unei triplete. Factorul EF-G determină eliberarea moleculei de ARNt

I din situsul P. În momentul următor, în situsul P astfel eliberat se transferă dipeptidil-ARNt II. Se

eliberează astfel situsul A care, la rândul lui, este capabil să lege un nou aminoacil-ARNt.

O

II

O

II

Met

Gly

Tre

50 S

Ala

Val

Ser

ARNt

ARN t

ARN t ARN t

ARN t

A C U

G G U G C U G U C A G U

C C A U G A C G A C A G U C A G G A

etc.

ARN m

30 S

Reprezentarea schematică a fazei de elongare a catenei polipeptidice

Terminarea translaţiei

Finalizarea procesului de biosinteză a catenei polipeptidice are loc atunci când complexul

aminoacil-ARNt n ajunge la aşa-numitul codon de terminare sau codon non-sens. Există trei codoni

non-sens care stopează acest proces şi anume tripletele UAA, UAG şi UGA. Aceşti codoni îşi manifestă

rolul lor de stopare a elongării catenei polipeptidice datorită faptului că în citoplasmă nu există nici un

ARNt care să conţină anticodoni complementari cu codonii de terminare.

Codonii de terminare aflaţi în situsul A sunt recunoscuţi de unele proteine specifice solubile

numite factori de eliberare care sunt notate cu EF-1 şi EF-2. Factorul EF-1 recunoaşte codonii UAA şi

UAG, iar factorul EF-2 recunoaşte codonii UAA şi UGA. Celulele eucariote conţin doar un singur factor

de terminare notat cu CRF care este capabil să recunoască toţi cei trei codoni non-sens. Deseori se

întâlneşte şi situaţia când doi codoni non-sens sunt localizaţi succesiv pentru o mai bună garanţie a

terminării translaţiei.

În urma interacţiunii specifice a factorului de eliberare cu codonul non-sens şi cu ribozomul, are

loc o modificare a specificităţii de acţiune a peptidil-transferazei din subunitatea mare a ribozomului. În

acest moment, enzima catalizează transferul restului peptidil din complexul peptidil-ARNt aflat în situsul

P pe molecula de apă:

O

II

H 2 N – CH – CO – NH – CH – CO –.............–NH – CH – C ~ ARN

I

R 1

I

R 2

I

R n

t n

H 2 O

ARNt n

H 2 N – CH – CO – NH – CH – CO–.......... – NH – CH – COOH

I

I

I

R 1

R 2

Rn

Aceasta înseamnă că are loc hidroliza legăturii esterice dintre radicalul peptidil şi ARNt, iar în

urma acestui proces catena polipeptidică nou sintetizată de detaşează de ribozom.

Acest mecanism al biosintezei catenelor polipeptidice demonstrează faptul că doar structura

primară a proteinelor este codificată genetic. Nivelele superioare de organizare structurală ale

proteinelor, fiind condiţionate în mod direct de structura loc primară, se desăvârşesc post-translaţional

datorită interacţiunilor specifice dintre resturile de aminoacizi ce intră în alcătuirea catenelor

polipeptidice respective.

Modificarea post-translaţională a proteinelor

Deseori, catenele polipeptidice eliberate de pe ribozom suferă unele modificări posttranslaţionale.

La procariote de exemplu, este îndepărtată gruparea formil de la restul de N-formilmetionină

cu care începe procesul biosintetic.

Cum nu toate catenele polipeptidice posedă la extremitatea loc N-terminală restul de metionină,

atât la procariote cât şi la eucariote se realizează deseori hidroliza specifică a restului de metionină chiar

şi în timpul elongării, sub acţiunea unor aminopeptidaze specifice.

După încheierea translaţiei pot avea loc şi alte modificări în structura catenelor polipeptidice cum

ar fi: formarea punţilor disulfidice, hidroxilarea prolinei şi lizinei în cazul colagenului şi altor proteine,

ataşarea resturilor glucidice la asparagină în cazul glicoproteinelor, fosforilarea grupelor –OH ale

resturilor de serină sau treonină, legarea grupărilor prostetice de apoproteine etc. În urma acestor

modificări se conturează structura spaţială finală a proteinelor, de aceasta depinzând modul în care ele

îşi vor exercita funcţiile biologice specifice.

Unele particularităţi ale biosintezei proteinelor

Viteza de biosinteză a proteinelor este, în general, foarte mare. La bacterii de exemplu, se

încatenează între 20 şi 40 de aminoacizi pe secundă, iar la eucariote aproximativ un aminoacid pe

secundă. Această viteză crescută de încatenare poate fi explicată, printre altele, prin faptul că moleculele

de ARNm pot fi translate simultan de mai mulţi ribozomi. Complecţii activi formaţi din ARNm, doi sau

mai mulţi ribozomi şi catena polipeptidică aflată în creştere se numesc polisomi.

Catenã

polipeptidicã

ARN m

Alcătuirea unui sistem polisomic

Deşi biosinteza proteinelor are loc cu o viteză mare, aminoacizii sunt condensaţi în lanţurile

polipeptidice în succesiunea strictă indicată de structura primată a ARNm prin împerecherea codonilor

acestuia cu anticodonii din ARNt. Cu toate acestea, pot avea loc unele inserări greşite ale resturilor de

aminoacizi. Acest fapt poate fi explicat prin aceea că orice codon 3’– xyz – 5’ din ARNm se cuplează

antiparalel cu anticodonul 5’– x’y’z’– 3’ din ARNt. Primele două nucleotide din codon, începând cu

capătul 5’ sunt constante, iar ultimul nucleotid, cel de la capătul 3’, poate fi diferit. Acest grad de libertate

explică parţial „degenerarea codului genetic”. De exemplu, cei patru codoni care codifică treonina au

întotdeauna secvenţa AC la capătul 5’, dar se deosebesc prin nucleotidul din poziţia 3’ care poate fi U,

C, A sau G. Acest aspect al degenerării codului genetic este cunoscut sub numele de ipoteza concordanţei

neechivalente. Anticodonii unor ARNt conţin deseori nucleotide modificate la capătul 5’ cum ar fi de

exemplu acidul inozinic (IMP). Acestea corespund poziţiei neechivalente în codon. Drept urmare, o

anumită moleculă de ARNt poate recunoaşte unul, doi sau chiar trei codoni diferiţi în care primele două

nucleotide sunt identice.

Numărul de catene polipeptidice care se sintetizează pe o moleculă de ARNm este diferit la

procariote şi eucariote. Capătul 5’ al catenei de ARNm din celulele eucariote începe cu 7-metilguanozina.

Se presupune că acest derivat al guaninei joacă un rol important în citirea punctului de start

al biosintezei catenei polipeptidice. Întotdeauna, codonul AUG aflat cel mai aproape de acest capăt al

ARNm constituie codonul de iniţiere. Nici un alt codon de tip AUG nu poate juca acest rol de iniţiere.

Aceasta înseamnă că la eucariote, pe fiecare moleculă de ARNm se poate sintetiza o singură catenă

polipeptidică.

La procariote, ARNm nu are adausuri la capete dar conţine mai mulţi codoni de iniţiere şi de

terminare pe aceiaşi catenă polinucleotidică. Fragmentul din ARNm care codifică în acest caz o catenă

polipeptidică se numeşte cistron. Deci, ARNm la procariote este de obicei policistronic, în timp ce la

eucariote este întotdeauna monocistronic.

Reglarea celulară a biosintezei proteinelor

Celula vie are capacitatea de a-şi regla biosinteza proteinelor în funcţie de condiţiile variabile de

existenţă. Celulele tuturor organismelor vii conţin unele proteine ce se sintetizează cu aceiaşi viteză,

indiferent de condiţiile de mediu. Aceste proteine sunt cunoscute sub numele de proteine constitutive.

Alte proteine se sintetizează cu viteze variabile, în funcţie de modificările condiţiilor de viaţă. Viteza de

biosinteză a acestor proteine este reglată la nivel celular prin două mecanisme complexe numite inducţie

şi represie.

Inducţia este procesul prin care are loc declanşarea sau intensificarea biosintezei proteinelor

(inclusiv enzimelor) ca urmare a pătrunderii în celulă a unei anumite substanţe. Proteinele a căror

biosinteză se reglează prin intermediul inducţiei se numesc proteine inductibile. Substanţele care

stimulează viteza de biosinteză a proteinelor inductibile se numesc inductori. De regulă, inductorul este

reprezentat de substratul unei enzime induse, un compus înrudit structural cu acesta etc.

Represia este fenomenul prin care are loc întreruperea biosintezei unei proteine sau a unui grup

de proteine (inclusiv enzime) care poartă numele de proteine represibile. Rolul de represor poate fi jucat

de produsul final al unei secvenţe metabolice, unele substanţe micromoleculare etc.

Reglarea biosintezei proteinelor în general şi a enzimelor în special pe calea inducţiei şi represiei

se realizează la nivelul transcrierii, adică la nivelul biosintezei ARNm pe o catenă de ADN utilizată drept

matriţă. Conform ipotezei elaborată de Jacob şi Monod, la baza procesului de reglare a biosintezei

proteinelor la procariote se află operonul. Acesta este reprezentat de o serie de gene structurale care

codifică prin intermediul ARNm biosinteza proteinelor corespunzătoare. În imediata vecinătate a genelor

structurale sunt localizate genele operatoare care controlează intrarea în funcţiune şi respectiv

decuplarea genelor structurale, determinând în felul acesta nivelul activităţii lor, adică viteza cu care sunt

folosite la procesul biosintetic. Este posibil ca fiecare grup de gene structurale care codifică biosinteza

unor proteine cu funcţii conexe să posede o genă operatoare proprie.

Gena operatoare, împreună cu genele structurale formează operonul. Gena operatoare se

învecinează în cromozom cu o genă numită promotor care este capabilă să recunoască ARN-polimeraza

şi să declanşeze transcrierea genelor structurale. Activitatea promotorului depinde de gena operatoare şi

de interacţiunea acesteia cu diferite substanţe şi se află sub controlul genei reglatoare care nu este vecină

cu operonul, ea fiind localizată într-o cu totul altă zonă a cromozomului, deoarece îşi exercită funcţia

prin intermediul unei proteine specifice numită represor.

Toţi represorii se leagă cu gena operatoare şi blochează biosinteza ARNm şi deci şi biosinteza

proteinelor corespunzătoare. Represorul poate trece dintr-o formă activă în una inactivă şi invers, numai

forma activă fiind capabilă să interacţioneze cu gena operatoare. Mecanismul inducţiei şi represiei constă

în următoarele: represorul, sintetizat pe ARNm-ul care reprezintă copia genei reglatoare, se leagă de gena

operatoare.

Genã reglatoare

Genã operatoare

OPERON

Gene structurale

A

B

ADN

ARN m

ARN m

represor

enzima 1 enzima 2 proteine

inductor

represor

inactiv

Reprezentarea schematică a mecanismului reglării biosintezei proteinelor prin inducţie

În consecinţă, este blocat accesul ARN-polimerazei la promotor şi nu se poate realiza transcrierea

genelor structurale. În această situaţie nu se sintetizează ARNm, deci nici proteinele corespunzătoare.

Când în celulă apare inductorul, acesta interacţionează cu represorul, modificându-i conformaţia şi deci

inactivându-l. Represorul inactiv îşi pierde afinitatea faţă de gena operatoare, iar aceasta, eliberându-se

de sub blocajul represorului, cuplează transcrierea genelor structurale pe care le controlează. În felul

acesta este permisă biosinteza ARNm-ului corespunzător şi deci a proteinelor codificate de acesta.

Genã reglatoare

Genã operatoare

OPERON

A

Gene structurale

B

ADN

represie

ARN m

ARN m

represor

activ

S P 1 P 2

P

represor

enzima 1 enzima 2 proteine

corepresor

Reprezentarea grafică a mecanismului reglării biosintezei proteinelor prin represie

CURS

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?