Stoffwechsel von Proteinen
und Aminosäuren
Löffler/Petrides/Heinrich:
Biochemie und Pathobiochemie, 8. Auflage (2007)
S. 56-59, 69-79, 314-323, 427-476, 644-646
www.lehrbuch-medizin.de
Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie, 7. Auflage (2003)
S. 46-100, 294-299, 461-517, 1096-1097
Übersicht
1. Proteine, Aminosäuren (AS)2. Extrazelluläre Proteinverdauung3. Proteolyse-Mechanismen4. Resorption5. Intrazellulärer Proteinabbau6. Aminosäureabbau A: Aminostickstoff
6.1 Schlüsselreaktionen6.2 Pyridoxalphosphat6.3 Aminosäuretransport6.4 Harnstoffzyklus
7. Aminosäureabbau B: Kohlenstoffgerüste7.1 Schlüsselreaktionen7.2 Coenzyme7.3 Aminosäuren und C1-Stoffwechsel
8. AS-Stoffwechsel unter besonderen Bedingungen
Proteine
• hochmolekulare Naturstoffe
• Grundelemente: Aminosäuren, kettenartig verknüpft
• enthalten z.T. Nicht-Eiweiß-Anteile: Kohlenhydrate,
Lipide, Mineralstoffe
• in pflanzlichen und tierischen Lebensmitteln
• als Energiequelle: untergeordnete Bedeutung
Aminosäuren (AS)
• aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N)
• Grundbausteine der Proteine: 20 (+1) proteinogene LL--αα--
AminosAminosääurenuren bilden die Proteinsequenz (=Primärstruktur)
Struktur der Aminosäure-Seitenketten I
Aminosäuren mit hydrophober Seitenkette
(Ile)
Struktur der Aminosäure-Seitenketten II
Aminosäuren mit polarer, ungeladener Seitenkette
__ NH2
Struktur der Aminosäure-Seitenketten III
Aminosäuren mit geladener Seitenkette
positiv geladen = basisch
negativ geladen = sauer
Aminosäuren werden in Gruppen synthetisiert
Pyruvat-Familie
Serin-Familie
Glutamat-Familie
Aspartat-Familie
Aromaten-(Shikimi-säure-)Familie
Histidin
• Biosynthesen nichtessentiellerAS: höchstens 3 Enzyme
• essentielle(*) AS nur in Pflanzen und Mikroorganismen gebildet
• in der tierischen Zelle fehlen 3 Schlüsselenzyme zur Bildung dieser AS (Energieeinsparung)
• Kohlenstoff-Skelett stammt aus Kohlenhydrat-Stoffwechsel
Citratcyclus
Essentielle und nichtessentielle Aminosäuren
Histidin (His, H)basischheterozyklisch
Prolin (Pro, P)Tryptophan (Trp, W)neutralheterozyklisch
Tyrosin (Tyr, Y)Phenylalanin (Phe, F)neutralaromatisch
Arginin (Arg, R)Lysin (Lys, K)basischaliphatisch
Asparaginsäure (Asp, D)Glutaminsäure (Glu, E)
saueraliphatisch
Glycin (Gly, G)Alanin (Ala, A)
Serin (Ser, S)Cystein (Cys, C)Asparagin (Asn, N)Glutamin (Gln, Q)
Valin (Val, V)Leucin (Leu, L)Isoleucin (Ile, I)Threonin (Thr, T)Methionin (Met, M)
neutralaliphatisch
nicht- und bedingt essentiellEssentiellAziditätStruktur
Essentielle Aminosäuren im Stoffwechsel
• 1. Abbauschritt (Entfernung der Aminogruppe) ist oft reversibel
= αα--KetosKetosääurenuren können diese AS ersetzen (Transaminierung)
nichtnicht bei Lysin (Lys), Threonin (Thr)
• Histidin: kann aus Erythrozyten und Muskulatur mobilisiert werden
• Tyrosin (Tyr) und Cystein (Cys): bedingt essentiell = werden aus essentiellen AS synthetisiert
• Arginin (Arg) kann essentiell werden (z.B. in Wachstum, Schwangerschaft)
Nichtessentielle Aminosäuren
• einfach gebaute Seitenkette
• Biosynthese und Abbau: gleiche Zwischenprodukte, aber unterschiedliche Enzyme (außer Transaminierung) = individuelle Regulation von Auf- und Abbau
• höchste Konzentration im BlutBlut: Glutamin (Gln) und Alanin (Ala)
• hohe intrazelluläreintrazelluläre Konzentration: Glycin (Gly), Alanin (Ala), Aspartat (Asp), Glutamat (Glu) und Glutamin (Gln)
Nicht-kanonische proteinogene AS
können – bei entsprechendem Signal - ebenfalls während der Translation eingebaut werden
Selenocystein (A), Pyrrolysin (B), N-Formylmethionin (C)
z.B. in Glutathion-Peroxidase
Nicht proteinogene AS und AS-Derivate
• α-, ß- oder γ-ständige Aminogruppe(n)• Derivate der (proteinogenen) AS enstehen meist
durch Decarboxylierung biogene Amine
• Intermediate in Stoffwechselwegen• Bestandteile von Coenzymen• Signalüberträger
Ornithin, Citrullin Harnstoffzyklusß-Alanin Coenzym A-Vorstufeγ-Aminobuttersäure (GABA) NeurotransmitterTaurin (Aminoethylsulfonsäure) Gallensäure-Konjugation4-Hydroxy-Prolin, 5-Hydroxy-Lysin im Kollagenγ-Carboxy-Glutamat Ca-bindende Proteine
(Gerinnungsfaktoren)
Ornithin, Citrullin Harnstoffzyklusß-Alanin Coenzym A-Vorstufeγ-Aminobuttersäure (GABA) NeurotransmitterTaurin (Aminoethylsulfonsäure) Gallensäure-Konjugation4-Hydroxy-Prolin, 5-Hydroxy-Lysin im Kollagenγ-Carboxy-Glutamat Ca-bindende Proteine
(Gerinnungsfaktoren)
Peptidbindung = Säureamid-Bindung
Mechanismus: Dehydratationenergieaufwändig
Eigenschaften: planarstarrmesomeriestabilisiert(partielle Doppelbindung)
Polypeptide – Proteine I
Sekundärstrukturen = Anordnungender Polypeptidkettemit der maximalen Zahl anWasserstoff-brückenbindungen
α-Helix ß-Faltblatt
antiparallel parallel
Polypeptide – Proteine II
Tertiärstruktur =Sekundärstrukturelementein räumlicher Anordnung
Quartärstruktur =Untereinheiten bildenFunktionseinheit
z.B. Ribonuclease A z.B. Hämoglobin
Kräfte: Wasserstoffbrücken, Disulfidbrücken (-S-S-),van der Waals-Kräfte (hydrophobe Wechselwirkungen, Aromaten)
ProteinumsatzSynthese undAbbau = turnover
Deutschland:~70 kg schwere Person:
100 g Zufuhr300 - 400 g Umsatz an Körperprotein
pro Tag
Proteinverdauung
Aufschluss der Nahrungseiweiße EXTRAZELLULÄR durch Proteasen (Proteinasen, Peptidasen) des Verdauungstraktes
in Magen,Duodenum:
im Dünn-darm:
Proteasen: gehören zur Enzymklasse der Hydrolasen:S-S‘ + H20 S-OH + H-S‘Proteasen: gehören zur Enzymklasse der Hydrolasen:S-S‘ + H20 S-OH + H-S‘
‚Fließband‘ Verdauungstrakt
Beleg-/Parietalzellen: pH-Wert ~ 2Hauptzellen: Pepsinogen Pepsin
Azinuszellen: Zymogengranulaliefert inaktive Proenzyme der Endo-und Carboxypeptidasen
Bürstensaum enthält membran-ständige Enteropeptidase und Aminopeptidasen proteolytische Aktivierung der Exo- und Endopeptidasen (pH > 8)
Enterozyten: Aufnahme von Aminosäuren (35 %), Di- und Tripeptiden (65 %)
Pfortader (Vena portae)
Leber: Aminosäurepool
Proteolyse im Verdauungstrakt
7.5 - 8.5
TrypsinPro~Elastase
Pan-kreas, Duo-denum(Duo)
Di-, TripeptidaseN-term. Exopep.Aminopeptidaseintestin.
Mukosa
EndopeptidaseEnteropeptidaseAminopeptidaseDuo am
Bürstenepithel
N-terminale Exopeptidase
Pro~Aminopeptidase
Pro~Carboxypepti-dase B
Pro~Carboxypepti-dase A
C-terminaleExopeptidase
~ogenChymotrypsinEnteropepti-dase, Trypsin
~ogenTrypsinEndopeptidase1.5 - 2.5Pepsin, sr. pH~ogenPepsinMagen
TyppH Optimum
Aktivierung durch
Vor-stufe
Enzymwo?
• im Magen: HCl-Konzentration bis 0.1 mol/l pH = 1
• HCl-Sekretion stimuliert durchGastrin (Peptidhormon)
• Säuredenaturierung der Nahrungsproteine
• Mucine (Glycoproteine): Schleimschicht pH-Gradient;bei Fehlen: Gastritis, Magen-und Duodenal-Ulcus
Pepsine spalten ca. 15 % der
Nahrungsproteine
Pepsine sind saure Proteasen
Pepsin: SÄURE-BASEN-KATALYSE:• Asp protoniert nucleophiler Angriff auf Carbonyl-C des Peptids• 2x Protonentransfer• Spaltung der Peptidbindung
Pepsin: SÄURE-BASEN-KATALYSE:• Asp protoniert nucleophiler Angriff auf Carbonyl-C des Peptids• 2x Protonentransfer• Spaltung der Peptidbindung
Magen ohne Pepsine?
Rennin (Chymosin, Lab):
im Magen in den ersten Monaten nach Geburt (statt Pepsin)
Autoaktivierung (pH 3-5)
löst Milchgerinnung aus:
Schutzkolloid der Milch (kappa-Casein) wird proteolytisch gespalten
Rennin (Chymosin, Lab):
im Magen in den ersten Monaten nach Geburt (statt Pepsin)
Autoaktivierung (pH 3-5)
löst Milchgerinnung aus:
Schutzkolloid der Milch (kappa-Casein) wird proteolytisch gespalten
Pepsin-Wein (z.B. von Schering) bei agastrischem Syndrom (Achylie, psychisch-nervöse Hemmung der
Magensaftsekretion)
Wie geht es nach dem Magen weiter?
Trypsin
Chymotrypsin
Exopeptidasen
Zymogenaktivierung im Duodenum
limitierteProteolyse
Trypsin und Chymotrypsin: Serinproteasen
kata-lytischeTriade
Chymotrypsin: KOVALENTE KATALYSE + SÄURE-BASEN-KATALYSE(a) Wasserstoff von Ser nach His (b) nucleophiler Angriff auf Carbonyl-C des Phe
H+ Transfer auf Amid-N(c) Spaltung der Peptidbindung; Wasseranlagerung spaltet Acylbindung
Chymotrypsin: KOVALENTE KATALYSE + SÄURE-BASEN-KATALYSE(a) Wasserstoff von Ser nach His (b) nucleophiler Angriff auf Carbonyl-C des Phe
H+ Transfer auf Amid-N(c) Spaltung der Peptidbindung; Wasseranlagerung spaltet Acylbindung
Carboxypeptidase A: Metalloprotease
METALL-KATALYSE:
• Zn-Ion ist an 2 His (oder Arg) und 1 Glu komplexiert
• Zn polarisiert Carbonyl-gruppe
• nucleophiler Angriff eines Hydroxylions
• Spaltung der Peptid-bindung
METALL-KATALYSE:
• Zn-Ion ist an 2 His (oder Arg) und 1 Glu komplexiert
• Zn polarisiert Carbonyl-gruppe
• nucleophiler Angriff eines Hydroxylions
• Spaltung der Peptid-bindung
Resorption in den Enterozyten
Peptidtransporter
• Di-, Tri, evtl. Tetrapeptidewerden schneller als AS resorbiert
• H+-Symport (Protonengradient, Na/K-ATPase-gekoppelt)
• Carrierprotein ist stereo-spezifisch
• nimmt auch Antibiotika auf
Neugeborene können intakte Proteine durch Pinozytose in die Enterozyten aufnehmen, da• nur wenig Proteasen im Verdauungskanal• Kolostrum enthält Proteaseinhibitoren• funktionelle Ig‘s aus der Muttermilch zusätzlich zu placentaren
Neugeborene können intakte Proteine durch Pinozytose in die Enterozyten aufnehmen, da• nur wenig Proteasen im Verdauungskanal• Kolostrum enthält Proteaseinhibitoren• funktionelle Ig‘s aus der Muttermilch zusätzlich zu placentaren
Aminosäuretransportsysteme
• sekundär aktive Aufnahme, gegen Konzentrationsgefälle
• mittels Na+-Symport (wie Glucoseaufnahme)
• Bürstensaum (Darmepithel und Nierentubulus):L-Aminosäuren-spezifische CarrierproteineCarrierproteine für verschiedene Gruppen von AS: neutraleverzweigtkettige + aromatische, basischesaure Aminosäuren
Defekte der Proteinverdauung und Resorption
• exkokrine Pankreasinsuffizienz bei Parenchymverlust oder Sekretfluss-Störungen
• Atrophie / Epitheldefekte der Dünndarmzotten: Oligo- und Polypeptide resorbiert Allergien
z.B. SprueSprue: verminderte Peptidspaltung an/in MukosazellenProteine gelangen in tiefere Darmabschnitte bakterieller Abbau (neuro-)toxische Amine, z.B.:
Lysin CadaverinTyrosin TyraminHistidin HistaminTryptophan Indol + Scathol (Methylindol)
Lysin CadaverinTyrosin TyraminHistidin HistaminTryptophan Indol + Scathol (Methylindol)
Pfortader (Vena portae)
Leber: Entgiftung
Defekte einzelner Enzyme / Carrierproteine
• hereditäre Defekte proteolytischer Enzymez.B. Trypsinogen, Enteropeptidase
Therapie: orale Zufuhr
• Gendefekte von Aminosäuretransportern, z.B.:
Hartnup-Krankheit: • Aufnahmestörung neutraler AS
(Trp) in Darm und Niere• autosomal rezessiv, ~ 1:15.000• Serotoninmangel, Pellagra und
Indolvergiftung
Hartnup-Krankheit: • Aufnahmestörung neutraler AS
(Trp) in Darm und Niere• autosomal rezessiv, ~ 1:15.000• Serotoninmangel, Pellagra und
Indolvergiftung
Cystinose:• verminderte Abgabe von Cystin aus
Lysosomen• autosomal rezessiv, 1:50.000• Cystingehalt in Retina, Niere stark
erhöht• Rachitis, Anämie, Niereninsuffizienz• tubuläres Fanconi-Syndrom
Cystinose:• verminderte Abgabe von Cystin aus
Lysosomen• autosomal rezessiv, 1:50.000• Cystingehalt in Retina, Niere stark
erhöht• Rachitis, Anämie, Niereninsuffizienz• tubuläres Fanconi-Syndrom
Sekundäre Aminosäuretransport-Störungen
• angeborene oder erworbene Primärschäden, z.B. im Zuckerstoffwechsel, Anämien, Rachitis,
Schwermetallvergiftungen, Vitamin- oder Mineralmangel
generalisierte renale Hyperaminoaziduriegeneralisierte renale Hyperaminoazidurie
• Hyperaminoacidurie in Verbindung mit Glykosurie, Phosphaturie und evtl. Hyperurikämie
= tubuläres FANCONI-SYNDROM:verminderte Reabsorption von Glucose, Aminosäuren,
Phosphat, Harnsäure, Bicarbonat
= tubuläres FANCONItubuläres FANCONI--SYNDROMSYNDROM:verminderte Reabsorption von Glucose, Aminosäuren,
Phosphat, Harnsäure, Bicarbonat
Intrazelluläre Proteolyse
Wege der intrazellulären ProteolyseLLimitierte Proteolyseimitierte Proteolyse Signalübertragung:
Prohormon-KonvertasenCaspasen Apoptose
ProteinProtein--Abbau:Abbau:• vorwiegend in Proteasomen bzw. Lysosomen• Calpaine – cytosolische Serinproteasen:
Ca++-abhängig, Umsatz von Muskelprotein• fehlerhafte (entfaltete) ER-Proteine:
Retransport ins Cytosol, proteosomaler Abbau(ER-Stress UPR = unfolded protein response)
• mTOR = Sensor des intrazelluären AS-Status‘
beschleunigter Proteinabbau bei Stress, Hitze, kataboler Stoffwechsellage
gefördert durch Glucagon, Adrenalin, Glucocorticoide und ↓ [Insulin]
beschleunigter Proteinabbau bei Stress, Hitze, kataboler Stoffwechsellage
gefördert durch Glucagon, Adrenalin, Glucocorticoide und ↓ [Insulin]
Die Protein-Müllabfuhr: Das Proteasom
• im Cytoplasma, auch im Kern• Multienzymkomplex, Endoprotease• 30.000 / Zelle •• ATPATP-abhängiger Abbau fehlgefalteter
und geschädigter Proteine• diese Proteine sind meist durch
UbiquitinUbiquitin markiert
Produkte: Dekapeptide
u.a. zur Beladung vonPeptid-Rezeptoren (MHC-I)
Transport an die Zelloberfläche (immunologische SELBST-Erkennung)
Produkte: Dekapeptide
u.a. zur Beladung vonPeptid-Rezeptoren (MHC-I)
Transport an die Zelloberfläche (immunologische SELBST-Erkennung)
• weiterer cytosol. Abbau: Aminopeptidasen
Ubiquitinierung
Ubiquitin (Ub)Ubiquitin (Ub): Bindungdes
Ubiquitins:Protein, 76 ASkonserviert
E1 = Ubiquitin-aktivierendes Enzym
E2 = Ubiquitin-konjugierendes Enzym
E3 = Ubiquitin-Ligase
Thio-ester-
bindung
ubiquitiniert ubiquitiniert werden:- Proteine mit kurzer Halbwertzeit- Proteine mit spezifischen
Erkennungssequenzen- fehlgefaltete Proteine
Iso-peptid-
bindungen
Proteasomen-assoziierte Krankheiten
erhöhte Proteasomenaktivität:•• Cystische FibroseCystische Fibrose (Mukoviszidose):
fehlgefaltetes Chloridkanalprotein erhöhter Abbau Schleimablagerung
• Überfunktion der E3-Ligase Siah1 Zellkern-Proteasomen aktiviert Apoptose
• bestimmte Anämien
• durch virale Proteine:‚high risk‘ HPV‚high risk‘ HPV--E6E6--Protein:Protein: ↑ Ubiquitinierung + proteosomaler Abbau
des Tumorsuppressors p53 Cervixkarzinom
CMV:CMV: schwere Ketten des MHC-I-Komplexes aus ER zurück ins Cytosol proteosomaler Abbau Immunabwehr ↓
Proteasomen-assoziierte Krankheiten II
sekundäre Unterfunktion des Proteasoms:
•• Morbus ParkinsonMorbus Parkinson: mutiertes Parkin (E3-Ligase) Ubiquitinierungs-störung + gestörte Aktivität von Siah1 (s.o.), Pin1
Degeneration Substantia nigra
•• Morbus AlzheimerMorbus Alzheimer: jeder Fünfte über 80 Jahre!Amyloid-beta: Abbau vermindert Demenz
•• Chorea HuntingtonChorea Huntington (Veitstanz):Überlastung des Proteasoms durch mutiertes Huntingtin
Hirndegeneration Hyperkinese, Demenz
M. Parkinson
‚Mägen‘ in der Zelle: Lysosomen
• im Cytoplasma• Zellorganell• 300 Vesikel / Zelle
• pH 4.5 – 5: ca. 50 saure saure HydrolasenHydrolasen (aus Golgi-App.)
• Proteinabbau durch Kathepsine, Elastase, Kollagenase u.a. Endoproteinasen
Lysosomen II
• z.B. Uterus nach Geburt: 2 kg 50 g in 9 Tagen
• Mikroorganismen: Abbau imPhagolysosomPhagolysosom
Produkte: Oligopeptide
Beladung Antigen-präsentierenderRezeptoren (MHCII)
immunologischeFREMD-Erkennung
Produkte: Oligopeptide
Beladung Antigen-präsentierenderRezeptoren (MHCII)
immunologischeFREMD-Erkennung
Abbau aufgenommener und intrazellulärer Biomoleküleund Partikel (z.B. defekte Organellen)
= NICHT NUR PROTEINENICHT NUR PROTEINE
Abbau extrazellulärer Proteine (Plasmaproteine) im Lysosom
Glykoproteine: enthalten N-Acetyl-Neuraminsäure = Sialinsäure (NANA)Blutgefäßwände: Neuraminidase
entfernt NANA Gal exponiert
Galaktose bewirkt Rezeptor-vermittelte Endozytose in Leberzellen
lysosomaler Abbau
Albumin: nicht glykosyliert
z.g.T. in den Nieren mit dem Ultrafiltrat ausgeschieden
Wiederaufnahme in die Tubulusepithelzellen der Niere
z.g.T. Wiederaufnahme ins Blut
lysosomaler Abbau
Abbau von Peptidhormonen ähnlich Albumin
Abbau von Peptidhormonen ähnlich Albumin
Lysosomen-assoziierte Krankheiten
•• Intralysosomale SpeicherkrankheitenIntralysosomale Speicherkrankheiten = Abbaustörungen
Defekte in einzelnen lysosomalen Enzymen, betreffen je eine Stoffklasse:Mucopolysaccharidosen (z.B. Morbus Hunter)
Mucolipidose Typ II (I-Zell-Krankheit)Sphingolipidosen (z.B. Morbus Gaucher, Tay-Sachs)
Lipidspeicherkrankheiten (z.B. Morbus Niemann-Pick Typ II)Glycogenose: M. Pompe (Glycogenose Typ II)
neurologische Symptome (Minderentwicklung), Minderwuchs, Hautveränderungen
•• rheumatoide Arthritisrheumatoide Arthritis: extrazelluläre Freisetzung lysosomaler Enzyme
Lysosomen-assoziierte Krankheiten II
KathepsineKathepsine::
Überproduktion/Sezernierung:korreliert mit Invasivität von Tumorzellen;Kathepsin K: Kollagenabbau Osteolyse
Mangel:
„Hereditärer Kathepsin K-Mangel führt in Folge einer Kollagen-Persistenz zur Pycnodysostosis, die durch Osteochondrodysplasie und
Osteosklerose charakterisiert ist. Defekte im Kathepsin D-Gen verursachen eine letale Form der neuronalen Ceroid-Lipofuszinose mit
connataler progressiver Neurodegeneration.“
(Löffler, S. 323)
Kathepsin K: Skelettanomalien
Kathepsin D:
(Neuronale Ceroid-Lipofuszinose NCL = Morbus Batten)
Lipopigmentablagerungen; Verlust von zerebro-kortikalen und retinalen Nervenzellen im Kindesalter
= Blindheit, Abbau Psychomotorik, Epilepsie
Lysosomen und Schönheit
• Falten / Runzeln durch gesteigerte Kollagenase-Aktivität im Lysosom
(UV-induziert!)
• Altersflecken durch mangelnden lysosomalen Abbau von endogenen Pigmenten
• Falten / RunzelnFalten / Runzeln durch gesteigerte Kollagenase-Aktivität im Lysosom
(UVUV--induziertinduziert!)
• AltersfleckenAltersflecken durch mangelnden lysosomalen Abbau von endogenen Pigmenten