Skip to main content
Global

6.5: חומצות אמינו ומחזור האוריאה

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    207882

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מקור: BiochemFFA_6_5.pdf. ספר הלימוד כולו זמין בחינם מהמחברים בכתובת http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

    בניגוד לחלק מהמסלולים המטבוליים המתוארים עד לנקודה זו, חילוף החומרים של חומצות אמינו אינו מסלול אחד. ל -20 חומצות האמינו יש חלקים מסוימים בחילוף החומרים שלהם החופפים זה לזה, אך אחרים שונים מאוד מהשאר. בדיון על חילוף החומרים של חומצות אמינו, נקבץ מסלולים מטבוליים לפי תכונות מטבוליות נפוצות שיש להם (במידת האפשר). ראשית, נשקול את המסלולים האנבוליים.

    טרנסמינציה

    לפני תחילת הדיון במסלולים, כדאי לדון בתגובה המשותפת לחילוף החומרים של רוב חומצות האמינו ותרכובות אחרות המכילות חנקן והיא טרנסמינציה. בתאים, חנקן הוא חומר מזין שעובר ממולקולה אחת לאחרת במעין תהליך מסירה. תגובת טרנסמינציה נפוצה מוצגת בעמוד הבא.

    תגובה ספציפית מסוג זה מוצגת באיור 6.134.

    גלוטמט וגלוטמין ממלאים תפקידים מרכזיים בטרנסמינציה, שכל אחד מהם מכיל קבוצת אמין אחת יותר מאשר α-ketoglutarate וגלוטמט, בהתאמה. תגובות טרנסמינציה, כפי שצוין קודם לכן, מתרחשות על ידי מנגנון פינג-פונג וכוללות החלפות של אמינים וחמצן בתגובות בסיס שיף. שתי חומצות אמינו, גלוטמין ואספרגין הן תוצרים של השגת אמין בקבוצות ה- R שלהן בתגובות הכוללות יון אמוניום.

    הסינתזה משתנה

    חשוב גם להכיר בכך שאורגניזמים שונים במידה ניכרת בחומצות האמינו שהם יכולים לסנתז. בני אדם, למשל, אינם יכולים לייצר 9 מתוך 20 חומצות האמינו הדרושות לייצור חלבונים, ומספרן שניתן לסנתז בכמויות הדרושות משתנה בין מבוגרים לילדים.

    חומצות אמינו שלא ניתן לייצר על ידי אורגניזם חייבות להיות בתזונה ונקראות חומצות אמינו חיוניות. חומצות אמינו לא חיוניות הן אלו שאורגניזם יכול לייצר בכמויות מספיקות (איור 6.135). למרות שלחומצות אמינו אין מסלול חילוף חומרים משותף, הן מאורגנות לעתים קרובות ב"משפחות "של חומצות אמינו עם תגובות מטבוליות חופפות המשותפות לחברי כל קבוצה. כדי לייעד משפחות חומצות אמינו בטקסט נשתמש בגופן כחול לכותרות כדי להבדיל ביניהן.

    משפחת α-קטוגלוטרטים

    משפחה זו של חומצות אמינו נובעת מ- α-ketoglutarate של מחזור חומצת הלימון. הוא כולל את חומצות האמינו חומצה גלוטמית, גלוטמין, פרולין וארגינין. זה נקרא גם משפחת הגלוטמט, מכיוון שכל חומצות האמינו בה נובעות מגלוטמט.

    גלוטמט

    α-ketoglutarate מומר בקלות לגלוטמט בתגובות טרנסמינציה, כפי שצוין לעיל. זה יכול להיות מיוצר גם על ידי האנזים גלוטמט דהידרוגנאז, המזרז את התגובה למטה (הפוך) ליצירת גלוטמט.

    בכיוון קדימה, התגובה היא מקור ליון אמוניום, החשוב הן למחזור האוריאה והן למטבוליזם של גלוטמין. מכיוון שהוא תוצר לוואי של מחזור חומצת לימון ביניים, גלוטמט יכול אפוא להתחקות אחר שורשיו לכל אחד מתוצרי הביניים של המחזור. ציטראט ואיזוציטראט, למשל, יכולים להיחשב כמבשרי גלוטמט. בנוסף, גלוטמט יכול להתבצע על ידי טרנסמינציה מ-α-ketoglutarate בתגובות טרנסמינציה רבות הכוללות חומצות אמינו אחרות.

    גלוטמין

    סינתזה של גלוטמין ממשיכה מגלוטמט באמצעות קטליזה של האנזים גלוטמין סינתטאז, אחד האנזימים הרגולטוריים החשובים ביותר בכל חילוף החומרים של חומצות אמינו (איור 6.136).

    ויסות האנזים מורכב, עם אפקטורים אלוסטריים רבים. ניתן לשלוט בו גם על ידי שינוי קוולנטי על ידי אדנילילציה של שארית טירוסין באנזים (איור 6.137). באיור, PA ו-PD הם חלבונים רגולטוריים המקלים על המרה של האנזים.

    אמוניה המשמשת בתגובה המזרזת על ידי גלוטמט סינתטאז נובעת בדרך כלל מהפחתת ניטריטים, פירוק חומצות אמינו או פוטורספירציה. מכיוון שהוא בונה אמוניה לחומצת אמינו, גלוטמין סינתטאז מסייע בהפחתת ריכוז האמוניה הרעילה - שיקול חשוב ברקמת המוח. כמה מעכבים של גלוטמין synthetase הם, למעשה, את המוצרים של מטבוליזם גלוטמין. הם כוללים היסטידין, טריפטופן, קרבמויל פוספט, גלוקוזאמין-6-פוספט, CTP ו- AMP. אתר מצע הגלוטמט הוא יעד למעכבים אלנין, גליצין וסרין. אתר המצע ATP הוא יעד למעכבים GDP, AMP ו- ADP. עיכוב מוחלט של האנזים נצפה כאשר כל אתרי המצע של האנזים הרב-יחידות קשורים במעכבים. רמות נמוכות יותר של מעכבים גורמות לפעילות חלקית או מלאה, תלוי בכמויות בפועל.

    פרולין

    סינתזה של פרולין מתחילה במספר תגובות הפועלות על גלוטמט. הם מוצגים למטה בתיבת הטקסט הירוקה.

    ה-L-glutamate-5-semialdehyde, המיוצר כך, הוא נקודת הסתעפות לסינתזה של פרולין או אורניטין. בדרך לייצור פרולין, מחזור ספונטני גורם להיווצרות חומצה 1-פירולין-5-קרבוקסילית (איור 6.138).

    זה, בתורו, מצטמצם ליצירת פרולין על ידי פירולין-5-קרבוקסילט רדוקטאז.

    ארגינין

    ארגינין היא מולקולה המסונתזת במחזור האוריאה, ולכן כל מולקולות מחזור האוריאה יכולות להיחשב כמבשרות. החל מציטרולין, סינתזה של ארגינין יכולה להמשיך כפי שמוצג בעמוד הבא. ניתן לראות את מחזור האוריאה כאן.

    מסלול ביוסינתטי חלופי לייצור ארגינין מציטרולין כרוך בהיפוך התגובה המזרזת על ידי סינתאז תחמוצת החנקן. הוא מזרז תגובה יוצאת דופן להפחתת חמישה אלקטרונים המתנהלת באופן הבא

    דרך נוספת לסנתז ארגינין ביולוגית היא על ידי היפוך תגובת הארגינאז של מחזור האוריאה

    ניתן להכין ארגינין גם החל מגלוטמט. מסלול 5 שלבים זה המוביל לצפרות מודגם בראש העמוד הבא (אנזימים בכחול). אורניטין, כפי שצוין לעיל ניתן להמיר בקלות לארגינין.

    האמצעי האחרון לייצור ארגינין הוא על ידי היפוך המתילציה של דימתילארגינין אסימטרי (ADMA - איור 6.140). ADMA הוא תוצר לוואי מטבולי של שינוי חלבון. זה מפריע לייצור תחמוצת החנקן ועשוי למלא תפקיד במחלות לב וכלי דם, סוכרת, בעיות זיקפה ומחלות כליות.

    משפחת סרין

    סרין היא חומצת אמינו לא חיונית המסונתזת ממספר מקורות. נקודת התחלה אחת היא תוצר הביניים של הגליקוליזה, 3-פוספוגליצרט, (3-PG) בתגובה המזרזת על ידי 3-PG דהידרוגנאז.

    טרנסמינציה על ידי פוספוזרין אמינוטרנספראז מייצרת O-פוספוזרין. לאחר מכן מסירים את הפוספט על ידי פוספוזרין פוספטאז, ליצירת סרין. תגובות אלה מוצגות להלן. פוספטאז פוספוזרין חסר במחלה הגנטית המכונה תסמונת וויליאמס-בורן.

    סרין יכול להיות נגזר גם מגליצין ולהיפך. הנתיבים המטבוליים שלהם שזורים זה בזה כפי שנראה להלן. סרין חשוב למטבוליזם של פורינים ופירימידינים, והוא המבשר לגליצין, ציסטאין וטריפטופן בחיידקים, כמו גם לספינגוליפידים וחומצה פולית. סרין באתר הפעיל של פרוטאזות סרין חיוני לקטליזה. סרין באתר הפעיל של אצטילכולין אסטראזות הוא היעד של גזי עצבים וקוטלי חרקים.

    יעד שינוי קוולנטי

    סרין בחלבונים יכול להיות המטרה של גליקוזילציה או זרחון. D-serine היא חומצת האמינו D השנייה הידועה כמתפקדת בבני אדם. הוא משמש כנוירו -מודולטור לקולטני NMDA, בכך שהוא משמש כאגוניסט משותף, יחד עם גלוטמט. D-serine נחקר כטיפול בסכיזופרניה במכרסמים וכסמן ביולוגי אפשרי לאלצהיימר.

    גליצין

    כאמור, חילוף החומרים של גליצין שזור זה בזה של סרין. זה ניכר בתגובה המזרזת על ידי סרין הידרוקסימתילטרנספראז.

    יש לציין כי התגובה הקודמת נחוצה גם למיחזור מולקולות חומצה פולית, החשובות לתגובות פחמן בודדות בסינתזת נוקלאוטידים.

    בעלי חוליות יכולים גם לסנתז גליצין בכבד שלהם באמצעות האנזים גליצין סינתאז.

    גליצין הוא מרכיב שופע מאוד של קולגן. הוא משמש בסינתזה של נוקליאוטידים פורין ופורפירינים. זהו נוירוטרנסמיטר מעכב והוא אגוניסט משותף של קולטני NMDA עם גלוטמט. גליצין זוהה בחומר משביט Wild 2.

    ציסטאין

    ציסטאין יכול להיות מסונתז ממקורות שונים. מקור אחד הוא חילוף החומרים של חומצת האמינו האחרת המכילה גופרית, מתיונין. זה מתחיל ביצירת S-Adenosyl-Methionine (SAM), המזרז על ידי מתיונין אדנוזילטרנספראז.

    SAM הוא תורם מתיל לתגובות העברת מתיל וזה השלב הבא במסלול - תרומה של קבוצת מתיל (מזורזת על ידי טרנסמתילאז)

    SAH (S-Adenosylhomocysteine) מבוקע על ידי S-אדנוזילהומוציסטאין הידרולאז,

    ניתן למחזר הומוציסטאין בחזרה למתיונין על ידי פעולה של מתיונין סינתאז

    בדרך לייצור ציסטאין, הומוציסטאין מגיב כדלקמן (מזורז על ידי cystathionine β-synthase).

    לבסוף, ציסטתיונאז מזרז שחרור ציסטאין

    β-ketobutyrate ניתן לחילוף חומרים לפרופיוניל-CoA ולאחר מכן לסוקסיניל-CoA לשימוש בסופו של דבר במחזור חומצת הלימון.

    דרך נוספת לייצור ציסטאין היא תהליך דו-שלבי שמתחיל בסרין, המזרז תחילה על ידי סרין-O-acetyltransferase

    ולאחר מכן על ידי סינתאז ציסטאין

    ציסטאין יכול להשתחרר גם מציסטין על ידי ציסטין רדוקטאז

    לבסוף, ניתן לייצר ציסטאין מחומצה ציסטאית על ידי פעולה של ציסטאין ליאז

    משפחת אספרטאט

    מטבוליזם של חומצה אספרטית דומה לזה של גלוטמט. חומצה אספרטית יכולה לנבוע מטרנסמינציה של מחזור חומצת לימון ביניים (אוקסלואצטט).

    אספרטט יכול להיווצר גם מאספרגין על ידי האנזים אספרגינאז.

    יתר על כן, אספרטט יכול להיות מיוצר על ידי היפוך של תגובה במחזור אוריאה (ראה כאן)

    אספרטט הוא גם מבשר לארבע חומצות אמינו החיוניות בבני אדם. הם מתיונין, איזולאוצין, תראונין וליסין. מכיוון שניתן לייצר אוקסלואצטט מאספרטט, אספרטט הוא חומר ביניים חשוב לגלוקונאוגנזה כאשר חלבונים הם מקור האנרגיה.

    אספרגין

    גם אספרגין היא חומצת אמינו המיוצרת בתגובת טרנסמינציה פשוטה. במקרה זה, המבשר הוא אספרטט ותורם האמין הוא גלוטמין (מזורז על ידי אספרגין סינתטאז)

    מתיונין

    מטבוליזם של מתיונין חופף לחילוף החומרים של חומצת האמינו האחרת המכילה גופרית, ציסטאין. מתיונין אינו מיוצר בבני אדם (חיוני) ולכן המסלול המוצג באיור 6.141 הוא מחיידקים.

    התהליך מתחיל עם זרחון של אספרטט. המספרים עבור כל שלב קטליטי באיור מיועדים לאנזימים הבאים:

    1 - אספרטוקינאז
    2 - אספרטט-סמיאלדהיד דהידרוגנאז
    3 - הומוסרין דהידרוגנאז 4 - הומוזרין O-transuccinylase 5 - ציסטתיונין-γ-סינתאז 6 - ציסטתיונין-β-ליאז 7 - מתיונין
    סינתאז


    למרות שבני אדם אינם יכולים לייצר מתיונין במסלול המוצג באיור, הם יכולים למחזר מתיונין מהומוציסטאין (תוצר של חילוף החומרים S-adenosylmethionine). תגובה זו מחייבת את האנזים מתיונין סינתאז וויטמין B12 כגורם משותף.

    מסלול חלופי להמרת הומוציסטאין למתיונין כולל אנזים כבד בולט, בטאינ-הומוציסטאין מתילטרנספראז. אנזים זה מזרז את התגובה למטה.

    בתגובה זו מועברת קבוצת מתיל להומוציסטאין מגליצין בטאין לייצור המתיונין. גליצין בטאין הוא אמין טרימתיל של גליצין המצוי בצמחים. זהו תוצר לוואי של חילוף החומרים של כולין.

    חיידקים, מיטוכונדריה וכלורופלסטים משתמשים בצורה שונה של מתיונין, N-formyl-methionine (איור 6.142), כחומצת האמינו הראשונה המשולבת בחלבונים שלהם. פורמילציה של מתיונין מתרחשת רק לאחר חיבור מתיונין ל- tRNA שלו לתרגום. תוספת של קבוצת הפורמיל מזורזת על ידי האנזים מתיוניל-tRNA פורמילטרנספראז

    תראונין

    למרות שתרונין דומה מבחינה כימית לסרין, המסלול המטבולי המוביל לתראונין אינו חופף לזה של סרין. כפי שניתן לראות באיור, אספרטט הוא נקודת מוצא לסינתזה. שני זרחונים/דה-פוספורילציות ושתי הפחתות עם אלקטרונים מ- NADPH גורמות לייצור תראונין.

    אנזימים באיור 6.143 הם כדלקמן:

    1 אספרטוקינאז
    2 β-אספרטאט סמיאלדהיד דהידרוגנאז 3 הומוסרין
    דהידרוגנאז 4 הומוזרין קינאז 5 תראונין סינתאז

    פירוק תראונין מייצר אצטיל-CoA וגליצין. זה יכול גם לייצר α-ketobutyrate, אשר ניתן להמיר succinyl-CoA לחמצון במחזור חומצת לימון.

    ליסין

    כדי להגיע מאספרטט לליצין, מעורבים תשע תגובות ושני שלבים לא אנזימטיים, כפי שניתן לראות באיור 6.144. אנזימים המעורבים בביוסינתזה של ליסין כוללים (המספרים תואמים לתגובות ממוספרות באיור 6.144):

    1 - אספרטוקינאז
    2 - אספרטט-סמיאלדהיד דהידרוגנאז
    3 - 4-הידרוקסי-טטרהידרודיפיקולינט סינתאז 4 - 4-הידרוקסי-טטרהידרודיפיקולינט רדוקטאז 5 - 2,3,4,5-טטרהידרופירידין-2,6-דיקרבוקסילאט N-succinyltransferase 6 - סוקסיניל-דיאמינופימלט טרנסאמינאז 7 - סוקסיניל-דיאמינופידאז 7 - סוקסיניל-דיאמינופידאז 7 - סוקסיניל-דיאמינופימלט 7 - סוקסיניל-דיאמינופימלט 7 - סוקסיניל-דיאמינופימלט 7 - סוקסיניל-דיאמינופימלט 7 - סוקסיניל-דיאמינופימלט
    7 - סוקסיניל-דיאמינופימלט 7 - סוקסיניל-דיאמינופימלט 7 - סוקסיניל-דיאמינופימלט 7 דסוקינילאז 8 - דימינופימלט אפימראז 9 - דיאמינופימלט דקרבוקסילאז




    דל בדגני דגנים

    ליסין היא חומצת האמינו החיונית שנמצאת בכמות הקטנה ביותר בדגני דגנים, אך נמצאת בשפע בקטניות. מלבד הסינתזה והפירוק שלו, ליסין יכול להיות מתילט, אצטילציה, הידרוקסילציה, בכל מקום, סומוילציה, נדילציה, ביוטינילציה, מוגלת וקרבוקסילציה בתוך חלבונים המכילים אותו. הידרוקסילציה של ליסין חשובה לחיזוק קולגן ואצטילציה/מתילציה של ליסין בחלבוני היסטון ממלאים תפקידים בשליטה על ביטוי גנים ואפיגנטיקה. מלבד השימוש בו לייצור חלבונים, ליסין חשוב לספיגת הסידן, להחלמה מפציעות ולייצור הורמונים.

    ליסין דרך הפה שימש כטיפול בזיהומי הרפס (פצעים בקור) אך יעילותו אינה מבוססת ולא ברור באיזה מנגנון הוא יפחית את משך הזיהום או יפחית את מספר התפרצויות הזיהום הנגיפי..

    חומצות אמינו ארומטיות

    ניתן ליצור את חומצות האמינו הארומטיות, טריפטופן, פנילאלנין וטירוסין החל משתי מולקולות פשוטות - PEP ואריתרוז-4-פוספט (איור 6.145). כל שלוש חומצות האמינו הארומטיות הן גם מקורות חשובים להורמונים, נוירוטרנסמיטורים ואפילו פיגמנט העור מלנין.

    סינתזת טריפטופן

    חומצת האמינו הפרוטאוגנית עם קבוצת ה- R הגדולה ביותר, טריפטופן היא חומצת אמינו חיונית המובחנת מבנית על ידי קבוצת האינדול שלה. חומצת האמינו מיוצרת בחיידקים וצמחים מחומצה שיקימית או אנתרנילט וסרין משמש בסינתזה שלה.

    אריתרוז-4-פוספט ופוספנולפירובט (PEP) משמשים גם כאבני בניין של טריפטופן. מסלול הסינתזה שלו מוצג באיורים 6.146 עד 6.148.

    אריתרוז-4-פוספט ופוספואנולפירובאט (PEP) מחוברים ולאחר מכן, לאחר הידרוליזה אחת, התייבשות אחת, חמצון אחד והפחתה אחת, המוצר הוא חומצה שיקימית (איור 6.147).

    חומצה שיקימית מומרת לחומצה כוריסמית בשלושה שלבים, כפי שמוצג באיור 6.147. לבסוף, סינתזה של טריפטופן מחומצה כוריסמית מוצגת באיור 6.148.

    תקנה

    ויסות סינתזת טריפטופן בחיידקים מתרחש בחלקו באמצעות תהליך הנקרא הנחתה הפועל דרך האופרון trp. במנגנון זה, רמות נמוכות של טריפטופן מאטות תנועה ריבוזומלית (ותרגום) דרך האופרון. זה חשוב במיוחד מכיוון שלחיידקים יכולים להיות שעתוק ותרגום בו זמנית. האטת התרגום עקב רמות טריפטופן נמוכות מאפשרת לעכב מנגנון סיום שעתוק. מכיוון שהתרגום מאט רק כאשר מחסור בטריפטופן, סיום מוקדם של התעתיק מתרחש כאשר הטריפטופן נמצא בשפע (ראה גם כאן).

    מלבד חשיבותו לייצור חלבונים, טריפטופן הוא מבשר חשוב לסרוטונין (נוירוטרנסמיטר), מלטונין (הורמון), ניאצין (ויטמין) ואוקסין (הורמון צמחי). שני המסלולים המובילים מטריפטופן לשלוש ממולקולות אלה מוצגים באיור 6.149.

    מלטונין

    מלטונין הוא תרכובת העשויה מטריפטופן שנמצאת בספקטרום רחב של מערכות ביולוגיות, כולל צמחים, בעלי חיים, פטריות וחיידקים. אצל בעלי חיים הוא פועל כהורמון לסנכרון קצב היממה, ומסמן את תחילת החושך בכל יום. יש לו השפעות על תזמון השינה, השפעות עונתיות, והוא יכול להשפיע על לחץ הדם, בין תופעות פיזיולוגיות אחרות. זה יכול לחצות קרומי תאים, כמו גם את מחסום הדם-מוח. מלטונין הוא נוגד חמצון חזק ומספק פונקציות הגנה לחומצות גרעין. הוא משמש לפעמים כדי לעזור בטיפול בהפרעות שינה. כמה דיווחים הצביעו על כך שלילדים עם אוטיזם יש מסלולי מלטונין חריגים עם רמות נמוכות של ההורמון.

    אור כחול

    ייצור המלטונין מושפע מאור כחול ועשוי להיות קשור לחריגות שינה אצל אנשים המשתמשים בצגי מחשב לאחר רדת החשיכה. כדי להגן מפני זה, קיימות תוכנות מחשב מסוימות המפחיתות את תפוקת האור הכחול של המסך בערבים. ניתן להשיג גם משקפי ראייה מיוחדים החוסמים אור כחול. למרות שמלטונין קשור לשינה אצל בעלי חיים מסוימים (כולל בני אדם), בעלי חיים ליליים מופעלים על ידי העלאת רמות המלטונין. אורכי יום/לילה משתנים במהלך השנה משנים את ייצור המלטונין ומספקים אותות ביולוגיים של עונות השנה. אלה חשובים במיוחד בהרגלי הצביעה והרבייה העונתיים של בעלי חיים מסוימים. מלטונין קיים בדובדבנים, בננות, ענבים, אורז, דגנים, שמן זית, יין ובירה.

    סרוטונין

    סרוטונין, או 5-הידרוקסיטריפטמין, הוא מוליך עצבי מונואמין שמקורו בטריפטופן. טסיות הדם אוגרות סרוטונין ומשחררות אותו כאשר הן נקשרות לקריש דם, וגורמות להתכווצות כלי הדם. סרוטונין ממלא תפקיד בתפקודים קוגניטיביים ומשפר את הזיכרון והלמידה. סרוטונין נחשב כתורם לתחושות של אושר ורווחה. כמה תרופות נפוצות נגד דיכאון, כולל פרוזאק, פקסיל וזולופט, פועלות לווסת את פעולת הסרוטונין בסינפסות.

    ניאצין

    ניאצין ידוע גם בשם ויטמין B3 וחומצה ניקוטינית. ניאצין יכול להיות מיוצר מטריפטופן ואנשים שיש להם חוסר יכולת לספוג טריפטופן במערכת העיכול מפגינים תסמינים הדומים למחסור בניאצין.

    מחסור קיצוני בניאצין בתזונה מוביל למחלה המכונה פלגרה, בעוד שכמויות לא מספיקות של ניאצין בתזונה קשורות לבחילה, אנמיה, כאבי ראש ועייפות. תזונה המורכבת בעיקר מדגנים כמו תירס עלולה להוביל למחסור בניאצין, מכיוון שהניאצין במקורות אלה אינו זמין ביולוגית בקלות. טיפול בדגן באלקלי, כמו בפרקטיקה המקסיקנית המסורתית של השריית תירס בסיד, יכול לגרום לניאצין להיספג ביתר קלות מהמזון.

    ניאצין קשור לפירידין וצורת האמיד שלו היא ניקוטינאמיד, מרכיב חשוב ב- NAD+/NADH ו- NADP+/NADPH. זוגות המולקולות האחרונים חיוניים כמקבלים/נשאים של אלקטרונים עבור רוב תגובות הפחתת החמצון התאיות.

    אוקסינים

    אוקסינים הם הורמוני גדילה צמחיים שמקורם בטריפטופן. החשוב שבהם הוא חומצה אינדול-3-אצטית (איור 6.151). אוקסינים מעורבים כמעט בכל היבט של צמיחה והתפתחות צמחים. הם מפעילים חלבונים, כמו expansins ואנזימים שונים המשנים את מבנה רכיבי דופן התא, כדי לשחרר את דפנות התא של הצמח ולעורר התארכות תאים. בנוכחות ציטוקינינים, אוקסינים מעוררים חלוקת תאים. אוקסינים מעורבים גם בשמירה על מריסטמים ובדפוסי תאים ואורגנוגנזה. אוקסינים חיוניים לביסוס פרימורדיה שורשית וכן להארכת שערות השורש. לאוקסינים תפקידים חשובים בארגון הקסילם והפלום של הצמחים, וידוע זה מכבר שניתן לגרום לרקמת קאלוס צמחית להתמיין לזרעים או שורשים, בהתאם לריכוזים היחסיים של אוקסינים וציטוקינינים המסופקים במדיום.

    Agrobacterium tumefaciens, חיידק המדביק מגוון רחב של צמחים, מכניס DNA משלו, כולל גנים הדרושים לסינתזה של הורמונים צמחיים, לתאי המארח שלו. ייצור יתר של אוקסינים לאחר מכן מגרה את הצמיחה של גידולים (הנקראים כתר מרה) על הצמח (איור 6.153).

    פנילאלנין

    פנילאלנין היא חומצת אמינו חיונית והידרופובית בבני אדם המהווה מבשר לטירוסין ומכיוון שטירוסין הוא מבשר למספר קטכולאמינים חשובים, פנילאלנין הוא, אם כן, מבשר להם.

    PKU

    פנילאלנין קשור למחלה הגנטית פנילקטונוריה (PKU) הנובעת מחוסר יכולת לחילוף חומרים של חומצת האמינו אצל אנשים חסרי (או חסרים) באנזים פנילאלנין הידרוקסילאז. אם לא מטופלים, המחלה עלולה לגרום לנזק מוחי ואף למוות, אך אם היא מתגלה מוקדם, ניתן לנהל אותה בקלות על ידי מעקב קפדני אחר צריכת התזונה של חומצת האמינו. בגלל זה, יילודים נבדקים באופן שגרתי עבור PKU. פנילאלנין הוא מרכיב בממתיק המלאכותי המכונה אספרטיים (Nutrasweet - איור 6.154) וכתוצאה מכך מסוכן לאנשים הסובלים מהפרעה זו.

    ביוסינתזה של פנילאלנין בחיידקים חופפת לסינתזה של טריפטופן. הענף מתרחש בחומצה כוריסמית שבה האנזים chorismate mutase מזרז סידור מחדש מולקולרי לייצור פרפנט.

    התקפת פרוטון על prephenate גורמת לאובדן מים ופחמן דו חמצני כדי להניב פנילפירובאט.

    טרנסמינציה של פנילפירובאט מניבה פנילאלנין.

    לחלופין, פנילאלנין יכול להשיג את קבוצת האמינים שלו בתגובת טרנסמינציה מאלנין.

    הידרוקסילציה של פנילאלנין על ידי חומצת אמינו ארומטית הידרוקסילאז (פנילאלנין הידרוקסילאז) מניבה טירוסין.

    טירוסין

    מכיוון שטירוסין מיוצר מפנילאלנין והאחרון הוא חומצת אמינו חיונית בבני אדם, לא ברור אם לסווג טירוסין כחיוני או לא חיוני. יש המגדירים אותה כחומצת אמינו חיונית מותנית. אחרים פשוט מסווגים את זה כלא חיוני.

    כפי שצוין לעיל, טירוסין יכול להתעורר כתוצאה של hydroxylation של פנילאלנין. בנוסף, צמחים יכולים לסנתז טירוסין על ידי חמצון של prephenate ואחריו טרנסמינציה של 4-hydroxyphenylpyruvate שהתקבל (איור 6.155).

    קבוצת ההידרוקסיל על טירוסין היא יעד לזרחון על ידי אנזימי חלבון קינאז המעורבים במסלולי העברת אותות (איור 6.156). כאשר הם ממוקמים בממברנות, אנזימים אלה מכונים קולטן טירוסין קינאזות והם ממלאים תפקידים חשובים בשליטה בהתנהגות/תגובה תאית.

    במערכת צילום II של כלורופלסטים, טירוסין, בלב המערכת, פועל כתורם אלקטרונים להפחתת כלורופיל מחומצן. המימן מקבוצת ההידרוקסיל של טירוסין הולך לאיבוד בתהליך, ודורש הפחתה מחדש על ידי ארבעה אשכולות מנגן ליבה.

    טירוסין חשוב גם ביחידת המשנה הקטנה של רדוקטאזות ריבונוקלאוטידים מסוג I, שם הוא יוצר רדיקל יציב בפעולה הקטליטית של האנזים (ראה כאן).

    מטבוליטים של טירוסין

    טירוסין הוא מבשר לקטכולאמינים, כגון L-dopa, דופמין, נוראדרנלין ואפינפרין (איור 6.157). הורמוני בלוטת התריס triiodothyronine (T3) ותירוקסין (T4) מסונתזים גם הם מטירוסין. כפי שמוצג באיור 6.158, זה כרוך בסדרה של יוד של שרשראות צד של טירוזינים של חלבון המכונה תירוגלובולין. שילובים של טירוזינים מיודדים מולידים תירוקסין וטריודוטירונין. אלה נבקעים לאחר מכן מהחלבון ומשתחררים לזרם הדם.

    חמצון ופילמור של טירוסין מעורב בסינתזה של משפחת פיגמנטים המלנין. טירוסין מעורב בסינתזה של לפחות שני סוגים - eumelanin ו pheomelanin (איור 6.159).

    מולקולה נוספת שמקורה בטירוסין היא חלק הבנזוקינון של קואנזים Q (CoQ). מסלול זה דורש את האנזים HMG-CoA Reductase ומכיוון שאנזים זה מעוכב על ידי תרופות סטטינים להורדת כולסטרול, CoQ יכול להיות מוגבל באנשים המטופלים ברמות כולסטרול גבוהות.

    דופמין

    דופמין ממלא מספר תפקידים חשובים במוח ובגוף. חבר במשפחות הקטכולמין והפנתילאמין, שמו נובע מהעובדה שמדובר באמין המיוצר על ידי הסרת קבוצת קרבוקסיל מ- L-DOPA. דופמין מסונתז במוח ובכליות. הוא מיוצר גם בצמחים, אם כי תפקידו בצמחים אינו ברור. המרה של דופמין לנוראדרנלין (איור 6.157) דורשת ויטמין C.

    דופמין הוא מוליך עצבי, המשתחרר על ידי תא עצב אחד ואז נוסע על פני סינפסה כדי לאותת על תא עצב סמוך. דופמין ממלא תפקיד מרכזי בהתנהגות המתווכת של המוח. תגמולים, כמו אוכל או אינטראקציה חברתית, מעלים את רמות הדופמין במוח, וכך גם תרופות ממכרות. מסלולי דופמין מוחיים אחרים מעורבים בשליטה מוטורית ובניהול שחרור הורמונים שונים.

    שליח כימי

    מחוץ למערכת העצבים, דופמין הוא שליח כימי מקומי. בכלי הדם הוא מעכב את שחרור הנוראדרנלין וגורם להתרחבות כלי דם. בכליות, זה מגביר את הפרשת הנתרן ואת תפוקת השתן. זה מפחית את תנועתיות מערכת העיכול ומגן על רירית המעי במערכת העיכול ובמערכת החיסון, זה מפחית את פעילות הלימפוציטים. ההשפעה של דופמין על הלבלב היא הפחתת ייצור האינסולין. למעט כלי הדם, הדופמין מסונתז באופן מקומי ומפעיל את השפעותיו ליד התאים המשחררים אותו.

    אפינפרין

    אפינפרין (נקרא גם אדרנלין) הוא קטכולמין הקשור כימית לנוראדרנלין שהוא הורמון בעל יישומים רפואיים. הוא משמש לטיפול באנפילקסיס, התקף לב, קרופ, ובמקרים מסוימים גם אסטמה, כאשר טיפולים אחרים אינם פועלים, בשל יכולתו להעדיף ברונכודילציה.

    אפינפרין הוא התרופה המועדפת לטיפול באנפילקסיס. התרכובת עשויה להינתן באמצעות שאיפה, על ידי הזרקה תוך ורידית או הזרקה תת עורית ומפעילה השפעות דרך הקולטנים α- ו- β-adrenergic. בגוף, הוא מיוצר ומשוחרר על ידי בלוטות יותרת הכליה וכמה נוירונים.

    אפקטים

    השפעות פיזיולוגיות של אפינפרין עשויות לכלול פעימות לב מהירות, לחץ דם מוגבר, תפוקת לב, התרחבות אישונים, ריכוז סוכר בדם והזעה מוגברת. השפעות פיזיות אחרות עשויות לכלול רעידות, חרדה מוגברת וקצב לב לא תקין.

    נוראפינפרין

    נוראדרנלין (נקרא גם נוראדרנלין) הוא מולקולת קטכולמין הפועלת כהורמון ומעביר עצבי. הוא דומה מבחינה כימית לאפינפרין, ונבדל רק בהיעדר קבוצת מתיל על האמין שלו. נוראדרנלין מיוצר ומשתחרר על ידי מערכת העצבים המרכזית (locus coeruleus של המוח) ומערכת העצבים הסימפתטית. התרכובת משתחררת לזרם הדם מבלוטת יותרת הכליה ומשפיעה על קולטנים α- ו- β-adrenergic.

    נוראפינפרין נמצא ברמות הנמוכות ביותר במהלך השינה וברמות הגבוהות ביותר שלו בזמן לחץ (תגובת קרב או בריחה). תפקידו העיקרי של נוראדרנלין הוא להכין את הגוף לפעולה. זה מגביר את הערנות, משפר את תפקודי הזיכרון ועוזר למקד את תשומת הלב. נוראפינפרין מגביר את קצב הלב ולחץ הדם, מגביר את רמת הגלוקוז בדם ואת זרימת הדם לשרירי השלד ומפחית את זרימת הדם למערכת העיכול.

    שיקולים רפואיים

    ניתן להזריק נוראדרנלין כדי להתגבר על לחץ דם נמוך באופן קריטי ותרופות המתנגדות להשפעותיו משמשות לטיפול במצבי לב. חוסמי α, למשל, משמשים למאבק בהפרעות לב וכלי דם ופסיכיאטריות. חוסמי β מתנגדים לקבוצה שונה של השפעות נוראדרנלין מאשר חוסמי α ומשמשים לטיפול בגלאוקומה, כאבי ראש מיגרנה ובעיות לב וכלי דם אחרות.

    משפחת פירובט

    למשפחת חומצות האמינו שמקורן בפירובט יש ארבעה חברים, שלכל אחד מהם שרשרת צד אליפטית פשוטה לא יותר מארבעה פחמנים. הפשוטה ביותר היא אלנין.

    אלנין

    אלנין היא חומצת האמינו המיוצרת בצורה הקלה ביותר מפירובט. הטרנסמינציה הפשוטה המזרזת על ידי טרנסמינאז אלנין מייצרת אלנין מפירובט.

    מסלולים חלופיים לסינתזה של אלנין כוללים קטבוליזם של ולין, לאוצין ואיזולאוצין.

    מחזור גלוקוז-אלנין

    מחזור הגלוקוז-אלנין הוא מחזור חנקן חשוב הקשור למחזור הקורי המתרחש בין תאי שריר וכבד בגוף (ראה כאן). בתוכו, פירוק הגלוקוז בשרירים מוביל לפירובט. כאשר רמות החנקן גבוהות, פירובט מועבר לאלנין, המיוצא להפטוציטים.

    בתאי הכבד מתרחשת הטרנסמינציה האחרונה של מחזור הגלוקוז-אלנין. קבוצת האמין של אלנין מועברת ל-α-ketoglutarate לייצור פירובט וגלוטמט. לאחר מכן ניתן ליצור גלוקוז על ידי גלוקונאוגנזה מפירובט. חשוב לציין, פירוק הגלוטמט מניב יון אמוניום, שניתן להפוך אותו לאוריאה להפרשה, ובכך להפחית את עומס הגוף של אמינים שעלולים להיות רעילים. מסלול זה עשוי להיות חשוב במיוחד במוח.

    דרך נוספת להסרת עודפי אמוניום מרקמה היא על ידי הצמדתו לגלוטמט לייצור גלוטמין. גלוטמט הוא מוליך עצבי, ולכן יש דרך חלופית להסרת אמינים (מחזור גלוקוז-אלנין) חשובה, במיוחד במוח.

    לאוצין

    כמו ולין ואיזולאוצין, לאוצין היא חומצת אמינו חיונית בבני אדם. ברקמת השומן ובשרירים, לאוצין משמש בסינתזת סטרול. זוהי חומצת האמינו היחידה שמעוררת סינתזת חלבון שרירים, וכתוסף תזונה אצל חולדות מיושנות היא מאטה את השפלת השרירים. לאוצין הוא מפעיל של mTOR, חלבון אשר, כאשר הוא מעוכב, הוכח כמגדיל את תוחלת החיים ב Saccharomyces cerevisiae, C. elegans, ו תסיסנית מלנוגסטר.

    מטבוליזם של לאוצין, ולין ואיזולאוצין (נקרא גם חומצות אמינו מסועפות שרשרת - BCAAs) מתחיל בדקרבוקסילציה של פירובט והצמדת שבר ההידרוקסיאתיל הדו-פחמני לתיאמין פירופוספט (איור 6.161). חילוף החומרים של איזולאוצין ממשיך עם התקשרות של שני חלקי הפחמן ההידרוקסיליים (הידרוקסיאתיל-TPP) ל-α-ketobutyrate והוא מכוסה בסעיף המתאר את חומצת האמינו הזו (ראה כאן).

    חילוף החומרים של ואלין ולאוצין ממשיך עם התקשרות של חתיכת ההידרוקסיאתיל מ-TPP לפירובט אחר ליצירת α-אצטולקטט. סידור מחדש של α-אצטולקטט על ידי מוטאז אצטולקטט יוצר 3-הידרוקסי-3-מתיל-2-אוקסובוטנואט.

    הפחתה עם NAD (P) H על ידי חומצה אצטוהידרוקסית איזומרורדוקטאז מניבה α, β-דיהידרוקסיאיזובאלרט.

    אובדן מים, מזורז על ידי דיהידרוקסיאסיד דהידרטאז מייצר α-ketoisovalerate.

    מולקולה זו מהווה נקודת הסתעפות לסינתזה של לאוצין וואלין. תוספת של קבוצת אצטיל מאצטיל-CoA מניבה α-איזופרופילמלט (מזורז על ידי סינתאז α-איזופרופילמלט).

    סידור מחדש, מזורז על ידי איזופרופילמלט דהידרטאז, מוליד β-איזופרופילמלט.

    חמצון על ידי איזופרופילמלט דהידרוגנאז ו- NAD+, נותן α-ketoisocaproate.

    טרנסמינציה שלו (מזורזת על ידי לאוצין אמינוטרנספרז ושימוש בגלוטמט) נותנת את התוצר הסופי של לאוצין (החלק העליון של העמודה הבאה).

    ואלין

    חומצת אמינו חיונית בבני אדם, ולין נגזרת בצמחים מפירובט וחולקת חלק ממסלול הסינתזה המטבולית שלה עם לאוצין ופרוסה קטנה ממנה עם איזולאוצין. חילוף החומרים של כל שלוש חומצות האמינו מתחיל בדקרבוקסילציה של פירובט והתקשרות של שבר ההידרוקסיאתיל הדו-פחמני לתיאמין פירופוספט (איור 6.161), כפי שצוין לעיל.

    כפי שנראה קודם לכן, α-ketoisovalerate היא המולקולה בנקודה במסלול המטבולי שבו סינתזה של ענפי וואלין מזו של לאוצין. למעשה, α-ketoisovalerate נמצא במרחק צעד אחד בלבד מוולין. טרנסמינציה של α-ketoisovalerate המזרזת על ידי ואלין איזולאוצין אמינוטרנספרז נותנת ולין.

    איזולאוצין

    סינתזה של איזואלאוצין (חומצת אמינו חיונית בבני אדם) מתחילה בצמחים ובמיקרואורגניזמים עם פירובט ו-α-ketobutyrate (תוצר לוואי של חילוף החומרים של תראונין - תראונין דימינאז - איור 6.162).

    חילוף החומרים של איזולאוצין ממשיך עם התקשרות ל-α-קטובוטיראט של תוצר ההידרוקסיאתיל-TPP של פירובט דקרבוקסילציה ליצירת α-aceto-α-hydroxybutyrate. התגובה מזורזת על ידי סינתאז אצטולקטט. סידור מחדש והפחתה על ידי איזומרורדוקטאז חומצה אצטוהידרוקסית ו-NAD (P) H מניב α, β-דיהידרוקסי-β-מתילוולראט. מוצג בעמוד הבא.

    אובדן מים (מזורז על ידי חומצה דיהידרוקסית דהידרטאז) נותן α-keto-β-methylvalerate.

    תרנסמינציה (באמצעות גלוטמט וואלין איזולאוצין טרנסמינאז) מניבה איזולאוצין.

    מעניין לציין שכמה מהאנזימים של חילוף החומרים בוואלין מזרזים תגובות במסלול האיזולוצין. למרות שהמצעים שונים במקצת, הם מספיקים כמו תוצרי הביניים של הוואלין כדי שהם מוכרים כמצעים.

    לאיזולוצין יש מרכז א-סימטרי שני בתוכו, אך רק צורה איזומרית אחת מבין ארבעת האפשריים משני המרכזים נמצאת ביולוגית.

    תקנה של סינתזה

    ויסות הסינתזה של חומצות האמינו המסועפות בשרשרת (BCAAs - ולין, לאוצין ואיזולוצין) הוא מורכב. מולקולת המפתח בוויסות היא α-ketobutyrate, המסונתז בתאים כתוצר פירוק של תראונין. האנזים המזרז את הסינתזה שלו הוא תראונין דימינאז (איור 6.162), המווסת באופן אלוסטרי. האנזים מעוכב על ידי המוצר שלו (איזולאוצין) ומופעל על ידי ואלין, תוצר של מסלול מקביל.

    לפיכך, כאשר ריכוז הוולין גבוה, האיזונים משתנים לטובת ייצור איזולאוצין ומכיוון שאיזולאוצין מתחרה בוואלין ולאוצין על הידרוקסיאתיל-TPP, הסינתזה של שתי חומצות האמינו הללו יורדת. כאשר ריכוז האיזולוצין עולה, תראונין דימינאז מעוכב, ומעביר את האיזון חזרה לייצור של ואלין ולאוצין.

    הנחתה

    מנגנון בקרה נוסף לוויסות סינתזת לאוצין מתרחש בחיידקים ומכונה הנחתה. בשיטה זו, הצטברות של לאוצין מאיצה את תהליך התרגום של חלק מעותק ה-mRNA של אופרון לאוצין (רצפי קידוד לאנזימים הדרושים לייצור לאוצין). זה, בתורו, גורם לשעתוק הגנים של אופרון לאוצין להפסיק בטרם עת, ובכך לעצור את ייצור האנזימים הדרושים לייצור לאוצין.

    כאשר רמות הלוצין יורדות, התרגום מאט, מונע את הפסקת השעתוק בטרם עת ומאפשר ליצור אנזימים מטבוליים של לאוצין. לפיכך, רמות הלוצין בתא שולטות בסינתזה של אנזימים הדרושים להכנתו.

    משפחת היסטידין

    סינתזה של היסטידין מתרחשת ממש בכיתה בפני עצמה - אין חומצות אמינו אחרות במשפחת הסינתזה שלה. חומצת האמינו מיוצרת בצמחים (ארבידופסיס, במקרה זה) על ידי מסלול שמתחיל בריבוז-5-פוספט. המסלול הכולל מוצג בתיבות הטקסט הירוקות בשני העמודים הבאים. קיצורים המשמשים בתיבות מוצגים להלן.

    שמות אנזים

    1 = ריבוז-פוספט דיפוספוקינאז
    2 = ATP-פוספוריבוסילטרנספראז
    3 = פוספוריבוסיל-ATP פירופוספוהידרולאז
    4 = פוספוריבוסיל-AMP ציקלוהידרולאז
    5 = פרופאר-I (N'- [(5'פוספוריבוסיל) פורמימינו] -5-אמינואימידאזול-4-קרבוקסמיד ריבונוקלאוטיד איזומראז) 6 = אימידאזול גליצרולרולטיד סינתאז פוספט (IGPS) 7 = מידאזול גליצרול-פוספט דהידרטאז 8 = היסטידינול-פוספט אמינוטרנספרז 9 = היסטידינול-פוספט פוספטאז




    10 = היסטידינול דהידרוגנאז

    קיצורים בשימוש

    1 - PRPP = פוספוריבוסיל פירופוספט 2.
    PRATP = פוספוריבוסיל ATP 3.
    PRAMP = פוספוריבוסיל AMP 4.
    ProFAR = (נ′- [(5′-פוספוריבוסיל) פורמימינו] -5-אמינואימידאזול-4-קרבוקסמיד) ריבונוקלאוטיד 5.
    PRFAR = (נ′- [(5-פוספוריבולוזיל) פורמימינו] -5-אמינואימידאזול-4-קרבוקסמיד) ריבונוקלאוטיד 6.
    IGP = אימידאזול גליצרול-פוספט 7.
    AICAR =
    5′-פוספוריבוסיל-4-קרבוקסימיד-5-אמינואימידאזול 8. IAP = אימידאזול אצטול-פוספט 9. α-KG = α-קטוגלוטרט

    היסטידין הוא מעכב משוב של ATP-phosphoribosyltransferase ובכך מסייע לווסת את הסינתזה שלו. היסטידין היא חומצת האמינו היחידה המכילה טבעת אימידאזול. זה ניתן ליינון ויש לו pKa של בערך 6. כתוצאה מכך, קבוצת ה- R של היסטידין יכולה לרווח/לאבד פרוטון בערכי pH הקרובים לתנאי התא.

    סלנוציסטאין

    אנלוגי ציסטאין המכונה בדרך כלל חומצת האמינו ה -21, סלנוציסטאין (איור 6.163) היא חומצת אמינו יוצאת דופן שנמצאת מדי פעם בחלבונים. למרות שזה נדיר, סלנוציסטאין נמצא בחלבונים בחיידקים, ארכאים ואיקריוטים.

    בניגוד לחומצות אמינו כגון פוספוזרין, הידרוקסיפרולין או אצטיל-ליסין, המתעוררות כתוצאה משינויים שלאחר התרגום, סלנוציסטאין מובנה למעשה בשרשראות פפטידים גדלות בריבוזומים במהלך תהליך התרגום.

    אף קודון לא מציין סלנוציסטאין, ולכן כדי לשלב אותו בחלבון, tRNA הנושא אותו חייב להיקשר לקודון שבדרך כלל מציין STOP (UGA). קריאה חלופית זו של ה-UGA תלויה ביצירת מבנה לולאת סיכת ראש מיוחד ב-mRNA המקודד סלנופרוטאינים.

    סלניום הוא רעיל למדי, ולכן ריכוזי הסלולר והתזונתי הם בדרך כלל נמוכים ביותר. ידוע כי כ-25 חלבונים אנושיים מכילים את חומצת האמינו. אלה כוללים חמישה גלוטתיון פרוקסידאזות, ושלושה תרדוקסין רדוקטאזות. Iodothyronine deiodinase, אנזים מפתח הממיר תירוקסין לצורת T3 הפעילה, מכיל גם סלנוציסטאין באתר הפעיל שלו. כל החלבונים הללו מכילים סלנוציסטאין יחיד.

    חלבון אוקריוטי המכונה סלנופרוטאין P, המצוי בפלסמת הדם של בעלי חיים, מכיל עשרה שאריות סלנוציסטאין ונחשב לתפקד כנוגד חמצון ו/או בניקוי רעלים ממתכות כבדות. מלבד סלנוציסטאין, ידועות לפחות שתי צורות ביולוגיות אחרות של חומצת סלנו-אמינו. אלה כוללים 1) סלנומתיונין (איור 6.164), חומצת אמינו המופיעה באופן טבעי באגוזי ברזיל, דגני בוקר, פולי סויה וקטניות עשב ו -2) צורות מתילציה של סלנוציסטאין, כגון SE-methylselenocysteine, נמצאות באסטרגלוס, אליום, ו מינים של בראסיקה.

    עצור קודון

    הפרטים של תהליך התרגום יתוארו במקומות אחרים בספר, אך כדי להכניס סלנוציסטאין לחלבון, ה- tRNA נושא זוגות סלנוציסטאין עם קודון עצירה (UGA) ב- mRNA בריבוזום. כך, במקום לעצור את התרגום, סלנוציסטאין יכול להשתלב בחלבון גדל והתרגום ממשיך במקום לעצור.

    ארבעה גנים מעורבים בהכנת סלנוציסטאין לשילוב בחלבונים. הם ידועים בשם קודי sel A, sel B, sel C ו-sel D. Sel C עבור ה-tRNA המיוחד הנושא סלנוציסטאין. חומצת האמינו שהוכנסה בתחילה על tRNA הסלנוציסטאין אינה סלנוציסטאין, אלא סרין. פעולה של sel A ו- sel D נחוצה כדי להמיר את הסרין לסלנוציסטאין.

    ביניים בתהליך הוא סלנופוספט, שהוא תורם הסלניום. זה נגזר מ- H2Se, הצורה בה נמצא סלניום בתא. ל- tRNA הנושא סלנוציסטאין מבנה מעט שונה מאשר tRNA אחרים, ולכן הוא דורש סיוע בתרגום. הגן sel B מקודד לחלבון דמוי EF-TU המסייע לשלב את הסלנוציסטאין בחלבון במהלך התרגום.

    קידוד מחדש של ה- UGA

    שימוש בקודונים של UGA לשילוב סלנוציסטאין בחלבונים עלול להמיט הרס אם נעשה באופן שגרתי, שכן UGA, למעשה, כמעט תמיד מתפקד כקודון עצירה ומשמש רק לעתים רחוקות לקידוד לסלנוציסטאין. למרבה המזל, קיים מנגנון להבטיח שקריאת קודון UGA כסלנוציסטאין מתרחשת רק כאשר ה- mRNA מקודד לסלנופרוטאין.

    מבנים יוצאי דופן ב- mRNA

    ה-mRNA לחלבונים המכילים סלנוציסטאין יוצרים מבני mRNA יוצאי דופן סביב קודון UGA שגורמים לריבוזום "להחמיץ" אותו כקודון עצירה ומאפשרים לשלב את ה-tRNA עם סלנוציסטאין במקום זאת.

    פירוליסין

    כמו סלנוציסטאין, פירוליסין היא חומצת אמינו נדירה, יוצאת דופן, מקודדת גנטית שנמצאת בחלק מהתאים. חלבונים המכילים אותו הם אנזימים המעורבים במטבוליזם של מתאן ועד כה נמצאו רק ארכאים מתנוגניים ומין אחד של חיידק. חומצת האמינו נמצאת באתר הפעיל של האנזימים המכילים אותה. לפעמים היא מכונה חומצת האמינו ה -22.

    סינתזה של חומצת האמינו ביולוגית מתחילה בשני ליזינים. האחד מומר ל- (3R) -3-מתיל-D-אורניטין, המחובר לליסין השני. לאחר חיסול קבוצת אמינים, מחזור והתייבשות, נוצר L-pyrrolysine. פירוליסין מחובר ל- tRNA יוצא דופן (תוצר גן pYLT) על ידי פעולה של סינתטאז tRNA aminoacyl המקודד על ידי הגן pyls. tRNA יוצא דופן זה יכול להתאים לקודון העצירה של UAG במהלך התרגום ולאפשר שילוב של פירוליסין בשרשרת הפוליפפטיד הגדלה במהלך התרגום באופן דומה לשילוב של סלנוציסטאין.

    מחזור אוריאה

    מחזור האוריאה מחזיק בהבחנה שהוא המחזור המטבולי הראשון שהתגלה - בשנת 1932, חמש שנים לפני מחזור חומצת הלימון. זהו מסלול מטבולי חשוב לאיזון חנקן בגופם של בעלי חיים והוא מתרחש בעיקר בכבד ובכליות.

    אורגניזמים, כמו בני אדם, המפרישים אוריאה נקראים ureotelic. אלה המפרישים חומצת שתן (ציפורים, למשל) נקראים אוריקוטליים ואלו המפרישים אמוניה (דגים) הם אמונוטליים. אמוניה, כמובן, נוצרת על ידי חילוף חומרים של אמינים והיא רעילה, ולכן ניהול רמות שלה הוא קריטי לכל אורגניזם. הפרשת אמוניה על ידי דגים היא אחת הסיבות לכך שאקווריום דורש מעת לעת ניקוי והחלפת מים.

    אי ספיקת כבד יכולה להוביל להצטברות של פסולת חנקנית ומחמירה את הבעיה. כפי שמוצג באיור 1.166, המחזור מכיל חמש תגובות, כאשר כל סיבוב של המחזור מייצר מולקולה של אוריאה. מתוך חמש התגובות, שלוש מתרחשות בציטופלזמה ושתיים מתרחשות במיטוכונדריון. (התגובה המייצרת קרבמויל פוספט, המזרזת על ידי סינתטאז קרבמויל פוספט אינה מוצגת באיור.)

    סינתזת אורניטין

    למרות שלמחזור אין באמת נקודת התחלה, מקום נפוץ להתחיל בו דיון הוא עם מולקולת האורניטין. כפי שנדון במקומות אחרים בספר זה, אורניטין חוצה את המסלולים המטבוליים של ארגינין ופרולין.

    אורניטין נמצא בציטופלזמה ומועבר לתוך המיטוכונדריון על ידי אנטי-פורט אורניתין-ציטרולין של הממברנה המיטוכונריאלית הפנימית. במטריצה של המיטוכונדריון מתרחשות שתי תגובות הרלוונטיות למחזור. הראשון הוא היווצרות של פוספט קרבמויל מביקרבונט, אמוניה ו- ATP המזרזים על ידי סינתטאז קרבמויל פוספט I.

    לאחר מכן פוספט קרבמויל משתלב עם אורניטין בתגובה המזרזת על ידי אורניטין טרנסקרבמוילאז ליצירת ציטרולין.

    הציטרולין מועבר החוצה אל הציטופלזמה על ידי האנטי-פורט אורניתין-ציטרולין שהוזכר לעיל. בציטופלזמה, ציטרולין משתלב עם L-aspartate תוך שימוש באנרגיה של ATP ליצירת ציטרוליל-אמפר (ביניים) ואחריו ארגינינוסוקסינאט. התגובה מזורזת על ידי סינתאז ארגינינוסוקסינאט.

    לאחר מכן, פומרט מפוצל מארגינינוסוקסינאט על ידי ליאז ארגינינוסוקסינאט ליצירת ארגינין.

    מים משמשים את הארגינאז כדי לבקע ארגינין לאוריאה ואורניטין, ומשלימים את המחזור.

    אוריאה פחות רעילה מאמוניה ומשתחררת בשתן. חלק מהאורגניזמים מייצרים חומצת שתן מאותה סיבה.

    ראוי לציין כי חומצה אספרטית, אמוניה וביקרבונט נכנסים למחזור ומיוצרים על ידה פומרט ואוריאה. נקודות שיש לקחת כוללות 1) אמוניה מומרת לאוריאה באמצעות ביקרבונט והאמין מאספרטט; 2) אספרטט מומר לפומרט שמשחרר יותר אנרגיה מאשר אם הוסבו אספרטאט לאוקסלואצטט, שכן המרה של פומראט למלט לאוקסלואצטט במחזור חומצת הלימון מייצרת NADH, אך המרה ישירה של אספרטט לאוקסלואצטט אינה; ו-3) גלוטמט ואספרטאט הם מתנהג כמו מעבורות כדי להעביר אמוניה לתוך המחזור. גלוטמט, כפי שנראה להלן, הוא נבלות של אמוניה.

    ויסות מחזור אוריאה

    מחזור האוריאה נשלט הן באופן אלוסטרי והן על ידי ריכוז המצע. המחזור דורש N-acetylglutamate (NAG) להפעלה אלוסטרית של סינתטאז קרבמויל פוספט I. האנזים המזרז סינתזה של NAG, NAG synthetase, מופעל על ידי ארגינין וגלוטמט. לפיכך, אינדיקטור לרמות אמין גבוהות, ארגינין ומעביר חשוב של קבוצות אמין, גלוטמט, מגרה את האנזים שמפעיל את המחזור.

    התגובה המזרזת על ידי סינתטאז NAG היא

    ברמת המצע, כל האנזימים האחרים של מחזור האוריאה נשלטים על ידי ריכוזי המצעים עליהם הם פועלים. רק בריכוזים גבוהים האנזימים מנוצלים במלואם.

    מחסור מוחלט בכל אנזים במחזור אוריאה הוא קטלני בלידה, אך למוטציות המביאות לביטוי מופחת של אנזימים יכולות להיות השפעות מעורבות. מכיוון שהאנזימים בדרך כלל אינם מגבילים לתגובות אלו, הגדלת המצע יכולה לעתים קרובות להתגבר על כמויות אנזימים מופחתות עד לנקודה על ידי הפעלה מלאה של אנזימים הקיימים בכמויות מופחתות.

    הצטברות אמוניה

    עם זאת, אם הליקויים מספיקים, אמוניום יכול להצטבר וזה יכול להיות בעייתי למדי, במיוחד במוח, שם עלולים להיווצר ליקויים נפשיים או עייפות. הפחתת ריכוז האמוניום מסתמכת על תגובת הגלוטמט דהידרוגנאז (על שם התגובה ההפוכה).

    אמוניה נוספת יכולה להילקח על ידי גלוטמט בתגובת הגלוטמין סינתטאז.

    התוצאה של תגובות אלו היא שריכוזי α-ketoglutarate וגלוטמט יופחתו וריכוז הגלוטמין יגדל. עבור המוח, זהו מצב יין/יאנג. הסרת אמוניה היא טובה, אך הפחתת ריכוז α-ketoglutarate פירושה שפחות אנרגיה יכולה להיווצר על ידי מחזור חומצת הלימון. יתר על כן, גלוטמט הוא כשלעצמו מוליך עצבי חשוב ומבשר של מוליך עצבי אחר - חומצה γ-aminobutyric (GABA).

    ייצור אנרגיה

    מנקודת מבט אנרגטית, ניתן לומר כי מחזור האוריאה נשבר או מייצר כמות קטנה של אנרגיה, אם כוללים את האנרגיה המופקת בשחרור אמוניה מגלוטמט (NADH אחד). ישנם שני NADHs המיוצרים (כולל זה להמרת fumarate לאוקסלואצטט), הנותנים 4-6 ATPs, תלוי באיזו יעילות התא מבצע הובלת אלקטרונים וזרחון חמצוני.

    המחזור לוקח 3 ATP ומייצר 2 ADPs ו- AMP אחד. מכיוון ש- AMP שווה ערך ל -2 ATP, המחזור משתמש ב -4 ATP. לפיכך, המחזור נשבר אפילו במקרה הגרוע ביותר או מייצר 2 ATPs במקרה הטוב.

    קטבוליזם של חומצות אמינו

    חומצות אמינו מחולקות לפי המסלולים המעורבים בהשפלתם. ישנן שלוש קטגוריות כלליות. אלה המניבים תוצרי ביניים במסלול הגליקוליזה נקראים גלוקוגניים ואלו המניבים תוצרי ביניים של אצטיל-CoA או אצטואצטט נקראים קטוגניים. אלה המערבים את שניהם נקראים גלוקוגניים וקטוגניים. אלה מוצגים באיורים 6.167 ו- 6.168.

    כפי שניתן לראות בשתי הדמויות, חומצות אמינו מייצרות במידה רבה תוצרי פירוק הקשורים לחומרי ביניים של מחזור חומצת הלימון או הגליקוליזה, אך זו אינה התמונה המלאה. כמה חומצות אמינו, כמו טריפטופן, פנילאלנין וטירוסין מניבות הורמונים או נוירוטרנסמיטורים על חילוף חומרים נוסף (כפי שצוין קודם לכן). אחרים כמו ציסטאין ומתיונין חייבים להיפטר מהגופרית שלהם וכל חומצות האמינו חייבות להיפטר מחנקן, מה שיכול לקרות דרך מחזור האוריאה, הטרנסמינציה או שניהם.

    קטבוליזם של טירוסין

    פירוק טירוסין (איור 6.169) הוא תהליך בן חמישה שלבים המניב אצטואצטט ופומרט. האנזימים המעורבים כוללים 1) טירוסין טרנסמינאז; 2) p-hydroxylphenylpyruvate dioxygenase; 3) הומוגנטיזאט דיאוקסיגנאז; 4) maleylacetoacetate cis-trans-isomerase; ו- 5) 4-פומריל אצטואצטט הידרולאז.

    פירוק לאוצין הוא תהליך רב-שלבי המניב בסופו של דבר את גוף הקטון אצטואצטט ואצטיל-CoA. חומצות אמינו מסועפות (BCAAs - ולין, לאוצין ואיזולאוצין) מסתמכות על אמינו-טרנספרז מסועף שרשרת (BCAT) ואחריו שרשרת מסועפת α-ketoacid dehydrogenase (BCKD) לקטבוליזם.

    פירוק איזולאוצין מניב תוצרי ביניים שהם קטוגניים וגלוקוגניים כאחד. אלה כוללים אצטיל-CoA ופרופיוניל-CoA.

    פירוק ואלין הוא תהליך רב-שלבי המניב בסופו של דבר פרופיוניל-CoA.