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