Aminosav anyagcsere AS Protein szintézis Energia N-tartalmú vegyületek szintézise degra- dáció AS Felvétel (transzport) Szintézis (nem esszenciális) Fehérje emésztés Szintézis (növények, állatok)

Aminosavak + Gyerekeknél lassú szintézis Nem esszenciális: 17 enzim Ala Asp Asn Cys Glu Gln Gly Pro Ser Tyr Arg+ His+ Ile Leu Lys Met Phe Thr Trp Val Szemiesszenciális: Arg Posttranszlációs: Gla Hyl Hyp + Gyerekeknél lassú szintézis

Lys O2 CO2 Fe2+ Lys-hidroxiláz C-vit Szénhidrát oldalláncok (kollagén) H O Lys-hidroxiláz = - N – C – C - C-vit Lys CH2 CH2 O2 CO2 H –C - OH -keto- glutarát szukcinát CH2 C = O NH2 C = O O- COO- 5 - Hyl Szénhidrát oldalláncok (kollagén) O2 Fe3+ Enzim – Fe2+ C - Vit „Vissza” redukál skorbut

Pro-hidroxiláz Pro O2 CO2 C-vit Fe2+ Kollagén stabilitás (Tm) H O = Fe2+ - N – C – C - Pro H2C CH2 O2 CO2 HC – O H -keto- glutarát szukcinát 4-Hyp Kollagén stabilitás (Tm) hiány:érfalban „törékenység” „túlstabilitás”: öregedés, rugalmatlanság

CO2 Karboxiláz K-vitamin hidrokinon O2 Dehidrogenáz NADPH H2O Epoxid Glu Gla CH2 CH2 K-vitamin (karboxiláz- kofaktor) H C - COOH  CH2 COOH COOH O2 Dehidrogenáz NADPH hidrokinon H2O Epoxid Kinon Reduktáz -- Dikumarin

Nitrogén fixálás N N + 3H2 2NH3 N N + 3H2 2NH3 A nitrogén redukált formában lép be az aminosavak szintézisébe: N N + 3H2 2NH3 N N + 3H2 2NH3 vas katalizátor 500 C° 300 atm (légköri: 0.03 atm) Nitrogenáz, (biológiai rendszerben) Mr ≈ 220 000 Nitrogenáz, (biológiai rendszerben) Mr ≈ 220 000 NADH NAD Ferredoxin 6 e- N2 Reduktáz SH Fe Mo -fehérje 2NH4+ 12 ATP 12 H2O 12ADP 12 Pi 4 H+ Csak bizonyos mikroorganizmusok (egyes talajbaktériumok, kékes-zöld algák, stb) képesek Nitrogén átalakításra

Az ammónia Glu-ba és Gln-ba épül be (minden organizmusban) COOH C NH2 CH2 COOH C O CH2 NADPH = H NH4 H2O -keto glutarát NH4 Glutamát dehidrogenáz ATP + Glutamin szintetáz Gln ADP Pi NADPH COOH C NH2 CH2 C – NH2 Glutamát szintáz (prokariotákban) H NADP 2Glu O =

Esszenciális aminosav bioszintézis szabályozása

Fehérjék, mint tápanyagok 40g/nap (1-2 g esszenciális aminosav) 70kg embernél  30 g fehérje és N-tartalmú vegyületek szintézise  10 g lebomlás Fehérje-éhezés: 30g/nap szöveti fehérje lebontás Kwashiorkor (fehérje) Marasmus (fehérje + energia) Energia-raktárak (kJoule) 250 190 Máj 1700 1900 Agy 30 Izom 5000 100800 Zsírszövet 300 570000 170 Zsír Glikogén Fehérje Vér

ε = Szerin proteázok működése O HO C R1 O C R1 R2 N NH2 R2 H H O ═ O C = R1 R2 N NH2 R2 H H O Ser His N ═ ε

= O C N H O O = C Asp Asp Tiol proteáz (papain, tumor procoaguláns) O OH H O Zn2+ O C = O O = C Asp C = O Asp Glu Karboxil proteáz (pepszin, lizoszóma virus AIDS virus) Cink proteáz (Karboxipeptidáz A) S Cys Tiol proteáz (papain, tumor procoaguláns)

Fehérje emésztés Gyomor: A táplálék fehérjéi peptidekre és aminosavakra hidrolizálódnak a gastrointestinális traktusban. Gyomor: Pepszin: Mr = 35 000, savanyú proteáz+ (pH 1-2) , elsősorban denaturált fehérjéket emészt aromás aminosavak (Tyr) és dikarbonsavak (Glu) mellett. „Nagy” peptidek keletkeznek. A fehérjék totális gasztrektómia után is felszívódhatnak (a gyomor „nem–esszenciális” emésztőszerv) + Karboxil proteáz

Fehérje emésztés Bél: Tripszin* Mr = 25 000, pH optimuma: 7.5-8.5. Arg és Lys mellett hidrolizál peptid kötéseket. Tripszin aktiválja a kimotripszinogént. Kimotripszin * Mr = 25 000, endopeptidáz. Aromás aminosavak (Phe, Trp, Tyr) mellett hidrolizál peptid kötéseket. Elasztáz * o Mr = 30 000, endopeptidáz. Nem specifikus elasztinra. Gly, Ala, Ile, mellett hidrolizál peptid kötéseket. Karboxipeptidáz –A+ Mr = 30 000, C-terminális aminosavat ismer fel * szerin proteáz + zink proteáz o pankreász PMN

Az emésztő enzimek aktivitásának szabályozása A gastrointestinális proteázok nagy része inaktiv prekurzor (zymogén, proenzim) formában szintetizálódik. Proteáz destrukció (önemésztődés) ellen a szervezet inhibitor rendszerrel védekezik.

Zimogén aktivációk AC AC C AC A

A pepszinogén aktivációja a gyomorban A pepszinogént, Mr 40 000, a gyomor szekréciós sejtjei termelik, szekrécióját gasztrin indukálja (a gasztrin-t a HCl stimulálja). Asp Asp Lys Asp Asp Arg Lys pH < 5 pH = 7 Pepszinogén Leu Leu -Ile Asp Asp Ile Pepszin Asp Asp Pathológia

A pancreas emésztő enzimek aktivációja Tripszinogén, kimotripszinogén, proelasztáz és prokarboxipeptidáz a pankreászban szintetizálódik és tárolódik 1-proteáz inhibitor (1 – antitripszin) és tripszin-inhibitor jelenlétében. Kolecisztokinin (pancreozymin) Epe Gyomor tartalom Pancreas Entero peptidáz Duodenum Ser Tripszinogen N-Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys-Ile-Val His Asp Ser His Asp Ile-Val Konformáció változás Tripszin

Tripszin a pancreas zimogének közös aktivátora His Ser 245 1 Arg –Ile16 Asp s s Proelasztáz Prokarboxi peptidáz Kimotripszinogen Elasztáz Ser Karboxipeptidáz Ile His s s Asp Acut pancreatitis, Abszorpcios problémák Arg Kimotripszin

A pancreas tripszin inhibitor (PTI) A tripszin aktiv centruma nagy affinitással (Kd 10 –13 M) kötődik az inhibitorhoz (Mr 6 000), komplementaritás és elektrosztatikus kölcsönhatások. Egy peptid kötés (Lys15 – Ala16) elhasad a PTI-ben, de a hidrolízis sebessége lassú: A komplex fél-élet ideje több hónap. PTI PTI Lys15-Ala Lys-Ala NH+3 Asp – His - Ser O = C – O- Tripszin Asp189

Az 1-Proteáz inhibitor (1PI) (1-antitripszin) Az elasztáz legjelentősebb inhibitora, vér plazma szintje >20M, acute fázis fehérje (Mr 53 000). Az inhibitor egy karboxil csoportja és az enzim Ser hidroxil csoportja (aktiv centrum) között észter kötés alakul ki, ami csak rendkívül lassan hidrolízálódik el. Az inhibitor Met358 nélkülözhetetlen az enzimhez történő kötődésban: 1PI Dohányosoknál a Met metioninszulfoxiddá oxidálódhat Ser - OH O Enzim = HO - C Met –CH2 –S - CH3 Met Met –CH2 –S - CH3 = O Met Arg 1PI: deficiencia emphysemához vezet 1PI AT 4M 40M PMN: Elasztáz + Mieloperoxidáz

Szöveti proteázok TIMP 2M Szerepet játszanak: trofoblaszt implantációban, embrió morfogenezisben, szöveti újramodellezésben, angiogenesisben, bakteriális invázióban és tumor metastázisban. Makrofágok, neutrofilek, endotél sejtek termelik. Kollagének Fibronektin Laminin Elasztin Kollagenázok (metalloproteáz-1 Metalloproteáz-2 és-3 Elasztáz (leukocita-PMN) Prokollagenázok Prometallo proteázok MP-1 MP-20 Plazmin uPA TIMP Tumor (-SH proteáz, uPA) Baktérium, vírus, PMN, EC. 2M

TIMP (Tissue inhibitors of metalloproteinases – 1 – 4) Rheumatoid arthritis Atherosclerosis Tumor metastasis Aortic aneurysm

Matrix Metalloproteázok (MMP) Propeptid FN Transzmembrán Katalitikus HP Cys Zn2+ MMP Aktiváció: FN: Fibronectin-like repeate HP: Hemopexin P NO -SH Zn Zn Zn S- Pro Intermedier Enzim Matrilizin (MP-7) Zn2+ Kollagenázok (MP-1, MP-8) Stromelizinek (MP-3), MP-10) Zn2+ Zselatinázok (MP-2, MP-9) Zn2+ Zn2+ Membrán- metalloproteázok (MP-14, MP-15, MP-17)

Kollagének Prokollagén Peptidázok szuperhélix Intracellularis „Ehlers-Danlos” szindroma (flexibilis izület, bőr) Peptidázok Prokollagén s s s szuperhélix s Intracellularis Fibroblast Extracellularis Tropocollagén 39% Gly 1 Gly mutáció „Osteogenesis imperfecta” Öregedés: rugalmasság csökkenés Erek: „törékenység” Keresztkötött tropocollagén Mikrofibrillumok

Kollagének degradációja Sebgyógyulás, rheumathoid arthritis, tumor metasztázis „Clostridium hystolyticum” (gáz-gangrena) Kollagenázok Prokollagenázok Plazmin MMP Degradációs termékek

A fehérjék intracelluláris degradációja A vérplazma glikoproteinjei és a sejten belüli fehérjék nagy része a lizoszomákban (katepszinek) degradálódnak. Proteinek fél-életideje: 30 perc-150 óra Receptor-mediált endocitózis ATP-függő fehérje emésztés Antigén-antitest komplexek, LDL, transkobalamin II (B12 –vitamin), protein hormonok (inzulin), növekedési faktorok (epidermál-, nerve-), vírusok, toxinok, stb. receptor-mediált endocitózissal kerülnek degradációra. Rövid életű, anyagcsere szabályozó enzimek, abnormális proteinek (transzlációs hiba), károsodott fehérjék (oxidative) ubiquitinnel kapcsolódva (ATP-függő) kerülnek lebontásra.

Y Y Az asziál-glikoproteinek emésztése Máj Sia Gal GA Cukorváz Endotel sejt Gal Sziáliláz GA Cukorváz Gal – GA – Cukorváz -Fehérje Fehérje Y Aszial- glikoprotein receptor Máj Sia: sziálsav Protein CH3 – C – NH Gal O COOH Y = O R Lizoszóma OH OH Gal: galaktóz GA: N-acetilglukozamin aminosavak

Az ubiquitin (UB) Rövid élettartalmú anyagcserét szabályozó enzimek Abnormális fehérjék (szintézisben tévesztések) Károsodott fehérjék (denaturáció, oxidació, részleges proteolysis) Lys protein NH2 O Gly – C - OH E1 - SH Ubiquitin Mr = 8500 UB – C – S Enzim (protein) = N O E2 - SH E3 - SH ATP AMP UB Gly – C - NH – Lys protein = O izopeptid kötés Aminosavak Degradáció

Az aminosavak transzportja Bél lumen Aminosavak Peptidek Fehérjék AP TS Aminopeptidáz Di- és tripeptid peptidézok Citoszol Diffuzió transzport Portális vér Abszorpció lényegtelen, de immunválaszhoz elégséges TS: Na+ függő transzport rendszerek Máj Hartnup betegség Gyulladások, ferőzések Felszívódási zavarok tumorok

Amino acid transport (γ – Glutamyl Cycle) COOH H C – NH2 γ-Glutamyl transpeptidase (transferase) R Cell membrane Glutatione (GSH) cytosol (Glu) ( Cys) ( Gly) NH2 O H O ═ ═ ═ Cys - Gly HOOC - C - CH2 - CH2 - C - N - C - C - N -CH2 - COOH COOH H - C – NH2 CH2 C = O N – H H- C – R H H CH2 H SH Peptidase Gly Cys COOH Oxoproline H C – NH2 R

no GSH: hemolytic anemia H2C CH2 H C C O COOH N 5 - Oxoproline GSH * H - C – NH2 CH2 C = O N – H H- C – R Genetic defect ADP Pi GSH- synthetase ATP Gly γ-Glutamyl- cysteine ADP Pi γ-Glutamyl- cystein- synthetase Genetic defect Cys ATP Glu Glutamyl- cyclotransferase 5 - Oxoprolinase H2C CH2 H C C O COOH N 5 - Oxoproline ADP Pi ATP no GSH: hemolytic anemia

Glukóz-alanin ciklus Glukóz Ala v. Portae-ban: As  1 mM, KM  2 mM Glu: KM  100 M Val : KM  20 mM Izom Glukóz Glukóz Glukoz Piruvát Piruvát Aminosavak Ala NH4 Ala Urea Ala Máj Val Vese Agy Gln Ser „Aminosav pool”

Redukált és oxidált glutation Cys ADP Pi Gly ADP Pi ATP ATP (GSH) Glu Glu - Cys Glu – Cys - Gly Glutamil- cisztein szintetáz Glutation szintetáz SH >500 R – O - OH Glutation reduktáz Glutation peroxidáz R –OH H2O Detoxikáció: hidrogén peroxid és organikus peroxid (az aerob élet „rettenetes” melléktermékei) NADPH Glu – Cys - Gly s ~1 s halogénnel szubsztituált aromás és alifás vegyületek vízoldékonnyá válnak (vese ki tudja választani) Glu – Cys - Gly (GSSG) GSH ~ 5 mM a sejtekben GSH-GSSG „szulfhidril buffer” ACC-200: N –acetil-cisztein „antioxidáns” (EC-PMN interactio)

Glutathion peroxidase (E-Se) The enzyme contains a covalently bound selenium atom (S); in its active site in a Cys analog,where S is replaced by Se R O OH R OH H+ E Se- selenolate H+ GSSG E Se OH selenic acid GSH E Se SG selenosulfide GSH SeH CH2 O N C C H H E H2O ═

Aminosav metabolizmus: a nem esszenciálisak szintézise, aminosavak lebomlása-átalakulása „Általános reakciók”: 1. Glu-dehidrogenáz 2. Transzaminázok 3. C – töredékek Tetrahidrofolát (THF) S-Adenozil Met

Glu-dehidrogenáz = Glutamát dehidrogenáz NADPH COOH COOH C NH2 C O CH2 H2O -keto glutarát Glu Glutamát dehidrogenáz

A transzaminázok (aminotranszferázok) által katalizált reakciók Aminosav 1 -ketosav 2 Aminosav 2 -ketosav 1 R1 R2 R2 R1 + H – C - COOH + H – C - COOH = H – C - COOH H – C - COOH NH2 = O NH2 O

Aminotransferases, call also transaminases (AT) contain pyridoxal phosphate (PP), a derivative of pyridoxine (vitamin B6), which forms Schiff-base intermediate In native enzyme without substrate Lys (CH2)4 N C H P Schiff base ═ R2 R1 H – C - COOH = H – C - COOH NH2 NH2 R1 H – C - COOH N C H P ═ Aldimine α-ketoacid R1 α-ketoacid C - COOH H2O R1 = R2 O H+ C - COOH = NH2 CH2 P C - COOH N = Ketimine O H2O CH2 P Pyridoxamine phosphate Sum: AA1 + α-keto A2 AA2 + α-keto A1

═ ═ α – helix dipole Van der Waals Hydrophob ═ Lys (CH2)4 NH2 Arg+ O H H O- O P O- O CH2 Arg+ ═ O C H ═ C¯ N+ O….HO Tyr α – helix dipole CH3 Van der Waals Hydrophob N+ H O O Asp ═

Aminotransferases in Hospitals SGPT glutamate + pyruvate alanine + α – ketoglutarate glutamate – pyruvate transaminase ALAT (alanin – aminotransferase) sGOT glutamate + oxalacetate α – ketoglutarate + aspartate glutamate – oxaloacetate transaminase ASAT (aspartate – aminotransferase) LDH lactate dehydrogenases GLDH glutamate dehydrogenase In myocardial infarction: sGOT peak at 20 hs, LDH1 toxic liver damage: sGOT peak at <12 hs, LDH5 Ketosteril (esszenciális aminosav ketosav formája) mentesít NH+4 –től és pótol esszenciális aminosavakat (lehetővé teszi a fehérje diétát pl. vesebetegeknek)

Egy szénatomos csoportok transzfer reakciói: a tetrahidrofolát (THF) p-Amino benzoate H2N H2 Glutamate N H 5 N CH2 O COOH OH H = 10 N C – N –C – CH2 –CH2 -- COOH Pteridine H H H

Tetrahidofolate (THF): carries activated one- carbon units THF is essential (from diet or intestinal microorganism)

Sulfonamide H O = N S N R ═ O H H (antibiotikum)

Most reduced Most oxidized Reactive portion of THF C N5 C N10 Most reduced Most oxidized CH3 CH2 CHO CHNH CH CO2 ═ Methyl Methylene Formyl Formimino Methenyl carried by carried also by S-adenosyl-Met (more efficient) They are interconvertable, serving as donors as well as acceptor biotin

Ser Gly

Folsav THF p-Amino benzoate Glutamate = Pteridine H2N H Glutamate N N CH2 O COOH OH = 10 N C – N –C – CH2 –CH2 -- COOH Pteridine H H H NADPH Dihidrofolat reduktáz Folsavanalógok (Metotrexát, aminopterin) NADP H N N H2N H2 N H 5 N CH2 O COOH OH H = THF 10 N C – N –C – CH2 –CH2 -- COOH H H H

Folsavhiány: A legáltalánosabb vitamin elégtelenség („harmadik világ”, „alacsony társadalmi réteg”; infekcio, malária, vérzések, terhesség, drog, stb…..) Első jel: megaloblasztos anémia Tumor kemoterápia

S-adenozil-metionin COOH H C – NH2 CH2 CH2 H3C S+ CH2 O H H OH OH NH2 Adenin (A) Metionin CH2 H N N H3C S+ CH2 O Ribóz (R) H H OH OH

Met Activated-methyl cycle Acceptors CH3 S-Adenosyl homocystein - Pi Acceptors Pi COOH PPi H C – NH2 CH3 CH2 Pi CH2 H3C S+ C5 R A S-Adenosyl homocystein - methyl transferase Methionine-adenosyl - transferase ATP S-Adenosyl methionine COOH COOH H C – NH2 H C – NH2 Activated-methyl cycle CH2 CH2 CH2 CH2 S CH3 Adenosyl S-Adenosyl-homocysteine S Met Homocysteine - methyltransferase (Vit B12) N5 – methyl – THF CH3 H2O COOH diet H C – NH2 CH2 CH2 Adenosyl SH Homocysteine

Homocystein és atherosclerosis Táplálék Homo Cys: Thrombosis (endotel károsodás* TM diszfunkció, gátolt fibrinolizis, vérlemezke aggregáció, AT csökkenés, oxid- LDL raktározás) Met (1-2 g/nap) S-adenozil-Met - CH3 S – A - Homocys Met Metil-transferáz B12 Ser Homo-Cys THF Ser Gly NADPH  Cisztation szintáz B6  Reduktáz 5-metil- THF Cisztation Cys Sulfát vizelet Homo-Cys a vérben: 80% fehérjéhez disulfid  18% Homocys-Cys Homocys-Homocys  2% Szabad Homocys Genetika, öregedés, vese elégtelenség, B12 /Folat hiány, Férfi >nő * NO tPA TF PGl  Gyakori (5%)  Ritka