Nem esszenciális aminosavak szintézise Aminosavak átalakulásai (lebomlás)

A nem esszenciális aminosavak bioszintézise Glucose 3 – Phosphoglycerate Pyruvate Ac – CoA Gly Ser Tyr Phe* Cys Met* Ala Glu Asp Oxalo- Citrate acetate -keto- glutarate Succinyl- CoA Glu Gln Arg Pro Gln Glu Citric cycle Asn Glu: „central role”

A tirozin (Tyr) bioszintézise Fenilpiruvát COOH C CH2 COOH C = O CH2 Fenillaktát Fenilacetát H NH2 Transzamináz Phe* Fenilketonuria: Mentál retardáció (magas Phe szint gátolja a szerotonin bioszintézist, szellemi visszamaradottság). Elmegyógyintézetekben a betegek 1%-a fenolketonuriás volt. Várható élettartam: 25 év Dg: Phe a vérben DNS próba fenilalanin hidroxilázra Th: fehérje mentes diéta (+Phe- mentes aminosavak). IQ ~93 ( ha diéta 1 év után IQ~53) THB O2 Fenilalanin hidroxiláz DHB H2O COOH C CH2 H NH2 Tyr OH O Tiroxin Melanin Norepinefrin (noradrenalin) O H Dihidropteridin reduktáz = R H N = R H N N H-N H2N N N H Dihidro biopterin (DHB) H2N N N H NAD NADH Tetrahidrobiopterin (THB)

A Cys bioszintézise Homocystein Ser Met H H HOOC – C – CH2 – CH2 – SH HO – CH2 – C – COOH NH2 NH2 Homocystein Ser Homocystin - uria Cystathionine* synthase (PP) H2O H H HOOC – C – CH2 – CH2 – S – CH2 – C – COOH NH2 NH2 Cystathionine H2O NH+4 Cystathioninase (PP) HOOC – C – CH2 – CH3 Cystathionuria ═ H O α - ketobutyrate * In Synthase defect homocystein is accumulated in blood : thrombomodulin in urine: homocystin HS – CH2 – C – COOH Cys NH2

A Gly bioszintézise Ser Gly H Ethanolamine HO – CH2 – C – COOH NH2 THF Serine transhydroxy methylase H2O Methylene – THF H – C ═ O COOH NH4 HCO3 Metilén – THF COOH C – NH2 H2 Glyoxylate in liver: Gly - transaminase Gly glyoxylate H – C ═ O COOH oxidation COOH oxalate hyperoxaluria

Az aminosavak degradációja Protein 75% Aminosav 25% Katabolizmus Az aminosav felesleg nem raktározódik (mint a zsírsavak és a glukóz): energia forrásként szolgálhat. Az -amino csoportokból urea szintetizálódik (ornitin ciklus). A szénváz a citrát ciklusba kerül.

R H – C – NH2 COOH Ornitin- ciklus NH4 Glukóz Citrulin Piruvát Acetil-CoA PEP Ornitin Arg- szuccinát Oxálacetát Citrát Aceto-acetil CoA Arg Szuccinil -ketoglutarát CoA O = NH2 - C - NH2 Urea Citrát kör

A nitrogén sorsa N a vizeletben (%): Urea 86 Kreatinin 4.5 Ammonia 2.8 Urát 1.7 Egyéb 5 Ser Thr Májban: Oxidativ dezaminálás Dehidratáz Bélbaktériumok Aminosav -keto-glutarát NADH NH4 Aminotransferázok Glutamát dehidrogenáz Gln -ketosav Glu NAD Aminotransfer Urea Az NH4 (normál szintje 25-40 M vérben) rendkívül toxikus a központi idegrendszerre vizio, tremor, konfuzió kóma halál (pl. súlyos májbetegségek) Az agy rendelkezik glutamin szintetázzal

Ammónium eliminálása (Ornitin ciklus) (Krebs and Henseleit*, 1932) „szabad” (bélből) NH4+ + CO2 + 3ATP + H2O + Asp Urea + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi + Fumarate Glu H2O NH4+ CO2 Carbamoyl – phosphate synthetase anhydride bond (high transfer potential) 2ATP O O ═ ═ 2ADP Pi O¯ P O C NH2 O¯ + Carbamoyl - P Transfer + Carbamoyl – P used for pyrimidine synthesis is produced by a slightly different mechanism Ornithine

Ornitine cycle Carbamoyl – P Ornithine – transcarbamoylase Cytosol Mithochondria Ornithine – transcarbamoylase COOH C – NH2 (CH2)3 N – H C NH2 COOH C – NH2 CH2 Cytosol H H COOH C – NH2 (CH2)3 N H2 H Ornitine Asp Citruline ═ O ATP Hydrolysis NH2 C = O Ornitine cycle Arginino succinate – synthetase Arginase AMP PPi Pi Urea Condensation COOH C – NH2 (CH2)3 N – H C NH2 COOH C – NH2 (CH2)3 N – H C N H H H2O COOH C – H CH2 HN ═ HN ═ H Arg Arginino – succinase (liáz) Fehérjeszintézis Argininosuccinate H C COOH HOOC C H ═ Fumarate

Glu Gln Gln-áz -ketoglutarát N-acetil-Glu Bél NH4 ( 40%) 2ATP CO2 3 Gln Gln szintetáz Gln- szintetáz Gln-áz Gln-áz ATP HN4  -ketoglutarát 5 Glu 4 Ac-CoA 2 Glu-dehid- rogenáz N-acetil-Glu Bél NH4 ( 40%) (20%) 3 1  2 4 2ATP Karbamoil-P szintetáz CO2 Máj-vér: ( 40%) Asp, Thr, Gly Ser, Glu, Gln O = P - C - NH2 2 4 Ornitin ciklus Urea Karbamoil szintáz (Rate-limiting step)

Karbamoil-P Ornitin Urea NO Arg Citrullin Endotel Makrofág Bél NO Arg Citrullin Endotel Makrofág Máj: NO hatások: Agy (Ca2+ - függő): neurotransmitter Erek (Ca2+ - függő): vasodilator Makrofág (Ca2+- független): citotoxikus (tumor) Arg-szukcinát Citrullin Bél Vese Citrullin Citrullin Ornitin Glu Gln Arg Endotel Arg Arg Citrullin Szövetek Ornitin poliaminok

PEP Pyruvate Ac – CoA AcAc CoA Glucose Fatty acids AA AA AA Glu PEP Pyruvate Ac – CoA AcAc CoA NH+4 CO2 Citrate ketons α – keto – glu Glu Carbamoyl – P Citruline Oxaloacetate Asp α – keto – glutarate AA Citrát kör Ornithine Arginino succinate Ornitin ciklus Malate AA Fumarate Succinyl – CoA Urea Arg AA AA

Nitrogén monoxid szintáz (Mr ~150 000) Arg NH C – NH2 NH2 = BH4 FMN FADH2 NADP Malát O2 Biopterin reduktáz domain CO2 H2O BH2 FMNH2 FAD NADPH Piruvát Arg NH C – N - OH NH2 COOH C – NH2 (CH2)3 N – H C = O NH2 H N-quanidino-hidroxil arginin H = O2 NO Nitrogen monoxid H2O Citrullin Citrullin

Az ornitin ciklus enzim defektusai Bármely reakció teljes blokkja összeegyeztethetetlen az élettel; csak részleges blokkok CO2 NH+4 Karbamoil –P – szintetáz I tipusú hiperammonémia Karbamoil - P km Citrullin Arginino szukcinát – szintetáz Citrullinuria Ornitin transzkarba- moiláz II tipusú hiperammonémia (pirimidin metabolitok is emelkedettek) Ornitin Arginino – szuccinát Urea Arginino – szukcináz Argininoszukcinát acidémia argináz Arg Hiperargininémia A cerebrospinál folyadékban hányás, letargia, mentál retardáció NH+4 Glu Gln Th: fehérjementes diéta esszenciális aminosavak keto formái („Ketosteril”)

Fate of carbon skeleton in amino acid degradation Amino acids, after deamination, may lead to glucose or ketone body formation; amino acids as energy sources: Glucose Ketogenic and glucogenic amino acids Gly Ser PEP Ile Leu Lys Pyruvate Ala Cys S2O2 2- Acetyl-CoA Acetoacetate Ketone bodies Trp Oxaloacetate Trp Tyr Phe Asp Asn Malate -ketoglutarát Lys Fumarate Glu Gln Tyr Phe Succinyl-CoA His Pro Orn Arg Methylmalonyl-CoA Val Ile Met Thr

Catabolism of Phe and Tyr (both ketogenic and glucogenic) Phenylketonuria (PKU) hyperphenilalaninemia I Melanine Epinephrine Thyroxine COOH C CH2 COOH C CH2 H NH2 Phenylalanine hydroxilase (monooxygenase) O2 H2O H NH2 Tyr Tyrosinemia type II Phe -ketoglutarát OH Tyrosine transaminase O O H = = Glu R H = N N N H-N = COOH C = O CH2 H2N Dihydro- pteridine N N H Quinonoid Dihydro- biopterin reductase p-Hydroxphenyl piruvat Tetrahydro- biopterin NADH NAD OH Hyperphenyl- alaninemia II-V

= COOH C = O CH2 p-Hydroxphenyl piruvat O2 OH Hydroxyphenylpiruvate hydroxilase (a dioxygenase) Homogentisate oxidase CO2 Alcaptonuria CH2 - COOH OH HO Homogentisate O2 O = Isomerase CH3 – C – CH2 - COOH Hydrolase Acetoacetate H HOOC – C = C - COOH H Fumarate

Phe és Tyr anyagcsere zavarok

Fenilketonuria (PKU)     Melanin Tyr Phe DOPA THB Noradrenalin „klasszikus” O2 Phe- hydroxiláz O2 Tyr- hidroxiláz Tyr Phe DOPA  THB „kofaktoros” Tyr- transzamináz THB DHB Noradrenalin NADH DHB-reduktáz Adrenalin Homogentizinsav  Tirozinémia ( szem és bőr léziók) Homogentizát- oxidáz  Acetoacetát  Alkaptonuria. Benignus: homo- gentizánt a vizeletben, polimerizáció, „pigment arthritis” (Ochronosis) Fumársav

THB: tetrahidrobiopterin (BH4) („kofaktoros” - PKU) Tyr- hydroxiláz Tyr DOPA O2 Trp THB DHB Trp-hidroxiláz THB DHB DHB-reduktáz CO2 Arg THB DHB NO-szintáz Szerotonin NO Citrullin PKU: Fenilketonuria

Adrenalin Trp-lebomlás

Serotonin synthesis Trp 5 – Hydroxyindole acetate O2 THB DHB NH+4 COOH C CH2 H NH2 Trp N H 5 – Hydroxyindole acetate O2 - CH2 -COOH HO - THB DHB Tryptophane hydroxilase N H Inhibitors NH+4 (in brain) Mono amine oxidase (MAO) COOH C CH2 H NH2 CO2 O2 Decarboxylase (Vitamin B6) - CH2 –CH2 NH2 HO - HO - N N H Serotonin (5-Hydroxytryptamine) 5 – Hydroxy -tryptophan

Serotonin actions Neutrotransmitter: LSD competition (hallucination), Control of temperature, sleep, mood etc. Vasoconstriction Growth hormon secretion Intestinal carcinoma: Argentaffinoma Serotonin 60% of Try (normally 1%) is converted to Serotonin. Decreased NAD production (pellagra symptoma)

Hét főbűn (serotonin) Accidia „lustaság, restség” Luxuria „bujaság, kéjelgés” Superbia „gőg, kevélység” Ira „harag, düh” Invidia „irigység, féltékenység” Avaritia „kapzsiság, fösvénység” Gula „torkosság, falánkság” A szerotonin neutrotranszmitter működésének eltérései állhatnak mögötte. Receptor, transzporter, enzim biokémiai és molekuláris genetika Triptofán étrend

Catabolism of Ile (both ketogenic and glucogenic) COOH C – NH2 C – CH3 CH2 CH3 COOH C = O C – CH3 CH2 CH3 HS-CoA CO2 NAD NADH C –S - CoA C – CH3 CH2 CH3 Isoleucine transaminase O = H H H Ketoisocaproate dehidrogenase -keto Glu Glu -keto isocaproate Isovaleryl-CoA FAD Ile Isovaleryl-CoA dehydrogenase FADH2 O = C –S - CoA C – CH3 C = O CH3 H2O Dehydrogenase O = C –S - CoA C – CH3 C - OH CH3 O = C –S - CoA C – CH3 CH CH3 H H H = Hydratase NADH NAD H Methylcrotonyl-CoA

Propionyl-CoA Methyl-malonyl-CoA HS -CoA Thr Met O Val = CH3 – C – S – CoA Acetyl-CoA CH3 CH2 C = O S - CoA COOH C – CH3 C = O S -CoA CO2 ATP H Carboxylase (Biotin) Propionyl-CoA Methyl-malonyl-CoA Methyl-malonyl-CoA- mutase (Vit-B12) COOH CH2 C - S -CoA O = Succinyl-CoA

Catabolism of Val, Thr, Met

Coenzyme B12 catalyzes intramolecular rearrangement *: Cobalamin (Vitamin B12) Coenzyme B12 catalyzes intramolecular rearrangement *: Methylmalonyl CoA mutase H COOH H - C - C – H H C – S – CoA O H COOH H - C - C – H H C – S – CoA O = Coenzyme B12 = Methylmalonyl CoA Succinyl-CoA Ser THF Gly Citrate cycle Porphyrins Heme * also methyltransferase

B-12 Vitamin (kobalamin)

B-12 - Koenzim B – 12 Vitamin (Kobalamin) + ATP NH2 N N N N O¯ O¯ O- 6 7 5 2 4 8 3 9 N N O¯ O¯ O- B – 12 Vitamin (Kobalamin) 5 + O – P – O – P – O- – P – O – CH2 O ═ ═ ═ 1 4 O O O 3 2 OH OH ATP NH2 N N 1 6 7 5 2 8 4 3 9 N N 5 – CH2 O Co B-12 - Koenzim 1 4 3 2 OH OH

Vitamin B12 transports Microorganism Vitamin B12 B12- Complex Trans- in Blood in Liver B12- Complex In Ileum Stored B12 Trans- cobalamin II Releasing factor in Stomach Intrinsic factor (kDa 59) B12 Gastrec- tomy ATP Vitamin B12 Transferase Coenzyme –B12

pyrimidine, in Erythro- nucleic acids cytes Anemia Heme If Coenzyme B12 Coenzyme - B12 – Homocys- CH3 - transferase Acidosis Methyl malonate Homocystein Mutase - CH3 Succinyl - CoA Met Neurologic disorder THF -CH3 Citrate cycle „Folate- trap” THF For synthesis of dTMP, purine, pyrimidine, in Erythro- nucleic acids cytes Anemia Heme Th: If transferase defect or B12 deficiency, Coenzyme B12 i.m If mutase defect, lethal Th: Coenzyme B12 or vitamin B12

Histamine CO2 Histidine decarboxylase His Histamine CH2 COOH C CH2 CO2 H NH2 H NH2 Histidine decarboxylase N N - H N N - H His Histamine Produced and stored mainly in mast cells. In circulation: Dilation of capillaries : local edema, Decrease of blood pressure, if sever: shock Histamin stimulates HCl secretion Histamin is released in anaphylaxis, allergy Bronchoconstriction Antihistamines Ergot-alkaloid (smooth muscle contraction in uterus) Histamine is inactivated in the liver by methylation and oxidation ( N – methyl, N' – acetyl-histamine)

Thyroxin In cell DNA In blood, T4 is bound to T4: Thyroid hormon COOH C CH2 H NH2 In blood, T4 is bound to Thyroxine binding-globulin (TBG) (63kDa) Reservoir of T4 (association/ dissociation) T4: Tetraiodothyronine (tiroxin) I I O I I OH In cell TBG – T4 in Blood Thyroid hormon Receptor (40 kDa) T3 in Cell T3 rT3 (reverse: inactive) DNA binding domain Hormon binding domain Several hundreds of thyroid- induced enzymes: O2 consumption, cardiac output, cAMP, CNS excitation, etc. DNA

Thyroxine (3, 5, 3’, 5’ –Tetraiodothyronine: T4) Hypothalamus TRH Pituitary TSH (28 kDa) I Food Dehalogenase Thyroid TBG – T4 Hypertrophy T4 (Gravesdisease) I ATP Thyroid peroxidase Tyr Tyr Thyreoglobuline I in blood/thyroid: 1:100 Proteolysis T4 in Blood TBG