CURS
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
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
CH – NH – CO – CH 3
CH – NH – CO – CH 3
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
CH – NH – CO – CH 3
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
Acid 5-dehidroshichimic
OH
Acid
shichimic
HOOC
HO
O
– OH
OH
Acid 5-dehidrochimic
H 2 O
HOOC –
O
– OH
OH
Acid 5-dehidroshichimic
HOOC
HO
O
– OH
OH
Acid 5-dehidrochimic
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 –
CH 2 – CH – COOH
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 –
CH 2 – CH – COOH
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
Acid 5-dehidrochimic
H 2 O
HOOC –
O
– OH
OH
NADPH+H +
Acid 5-dehidroshichimic
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
CH 2 – CH – COOH
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
Acid 5-dehidrochimic
NADPH + H + NADP +
O
OH
OH
Shichimatdehidrogenaza
Acid 5-dehidroshichimic
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
S-Adenozil-metioninã
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 – COOH
– CH 2 – CH 2 – NH 2
NH 2 Triptofan-decarboxilaza
N H
I
Triptaminã
HO
N H
CO 2
– CH 2 – CH – COOH
I
NH 2 Triptofan-decarboxilaza
HO
N H
– CH 2 – CH 2 – NH 2
5-Hidroxitriptofan
5-Hidroxitriptaminã
(Serotoninã)
HO
HO
CO 2
– CH 2 – CH – COOH
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
CH 2 – CH – COOH
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
CH 2 – CH – COOH
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
S-Adenozil-metioninã
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
H 2 N – CH – COOH
I
CH 2 – CH 2 – C – NH 2
II
O
Glutaminã
H 2 N – CH – COOH
I
CH 2 – COOH
Acid aspartic
+ NH 4
+
ATP
ADP+P i
Mg 2+
Asparagin-sintetaza
H 2 N – CH – COOH
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:
CH 2 – CH – COOH
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
S-adenozilmetioninã
CH 2 – OH
+ CH 3
I CH 3
HO – CH 2 – CH 2 – N CH 3
CH 2 – N Transmetilazã
CH 3
CH 3
S-adenozilmetioninã
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 – COOH
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
– CH 2 – CH – COOH
I
HO – – CH 2 – CH – COOH
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:
– CH 2 – CH – COOH
I
NH 2
Fenilalaninã
HO –
– CH 2 – CH – COOH
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
– CH 2 – CH – COOH
I
NH Fenilalaninã
[o]
HO –
– CH 2 – CH – COOH
I
NH 2
Tirozinã
Tirozinoxidaza
HO
HO –
– CH 2 – CH – COOH
I
NH 2
CO 2
3,4-Dihidroxifenilalaninã
(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
HO – – CH 2 – CH – COOH
I
NH 2 NH 2
Tirozinã
3,4-Dihidroxifenilalaninã
(DOPA)
O
O
– CH 2 – CH – COOH
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:
CH 2 – CH – COOH
I I
NH 2
I
OH
Tirozinã
CO 2
Tirozindecarboxilaza
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
– CH 2 – CH – COOH
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 –
– CH 2 – CH – COOH
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 – COOH
– 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 –
– CH 2 – CH – COOH
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 –
Tirozindecarboxilaza
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:
CH 2 – CH – COOH
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
CH 2 – CH – COOH
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-adenozilmetioninã
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
S-adenozilmetioninã
CH 3
I
–[–CH 2 – CH = C – CH 2 –]n– H
S-adenozilhomocisteinã
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
S-adenozilmetioninã
S-adenozilhomocisteinã
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:
H 2 N – CH – COOH
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