AZOTLU BİYOMOLEKÜLLERİN METABOLİZMASI Protein Metabolizması Doç. Dr. A. Eser ELÇİN Proteinler • Makromoleküldür. • Karbon, Hidrojen, Oksijen, Azot ve Kükürt içerir. • Azot %16 sını içerir. Anorganik azottur. • Organizmanın azot gereksinimi karşılayan tek ekzojen kaynaktır. Amino Asitler Aminoasitler, proteinlerin yapı taşlarıdır. Birçok bileşiğin sentezinde çıkış maddeleridir. Aminoasitler hiçbir hücre tipinde depolanmazlar, bu nedenle günlük belirli bir miktardaki amino asidin (özellikle esansiyel olanların), protein şeklinde besinlerle birlikte alınması gereklidir. Proteinlerin Organizmadaki Fonksiyonları 1- Vücut dokularının onarım ve yapımında kullanım. 2- Enzim, hormon gibi yaşamsal olayları düzenleyen kimyasal regülatörlerin bileşiminde yer alma. 3- Vücuttaki asit-baz dengesini normal düzeyde tutmak için tampon vazifesi görmek. 4- Kalıtsal faktörler için kromozom ve genlerin yapısında bulunmak. 5- Kasların kontraksiyonunda görev almak. 6- Enerji veren diğer besin unsurları (Karbonhidrat ve yağ) yeteri kadar alınmazsa veya diyetle fazla protein alınırsa enerji sağlamak. Karbonhidratlardan 4 kalori/gram Aminoasitlerden 4 kalori/gram Lipitlerden 9 kalori/gram enerji sağlanır. Ancak proteinlerin temel görevi enerji sağlamak değildir. Amino Asit Metabolizması şek. 14.2 Protein Yıkımı • Proteinler için tamir mekanizması olmadığı için değişen yada bozulan proteini organizma yıkıp yeniden yaparak fonksiyonunu kazandırır. Bu işleme PROTEİN DÖNÜŞÜMÜ denir. • Günde yaklaşık 300 g protein yıkılır. • 20-35 gram azota eşdeğer aa serbestleştiği, bun da %75-80 ‘inin tekrar protein sentezinde kullanılır. • 5-7 g arasında her gün azot kaybı olur. • İdrar , dışkı, deri ve diğer yollarla atılır. (şek.14.3) Yapısal biyolojik sinyaller • Yarı ömürleri iki saatten kısa proteinler • Prolin (P), Glutamik asit(E), Serin(S), Treonin(T) PEST-12. ve 60. aa • İlk aa fenilalanin, lösin, lizin, aspartik asit, arginin KISA • İlk aa metyonin, serin, alanin, treonin, valin, glisin UZUN Hücresel Biyolojik sinyaller • Yüksek sıcak dayanıklılık • Etiket-Ubikitin (proteazom yolu) proteini Aa lerin sınıflanması •Eksojen-Esansiyel Yarı esansiyel EndojenNonEsansiyel Valin Glisin Lösin Alanin İzolösin Arginin, histidin Serin Treonin Sistein Metyonin Aspartat, asparagin Lizin Glutamat, glutamin Fenilalanin Prolin Triptofan Tirozin Proteinlerin Sindirimi ve Emilimi • Mide • IB • Pankreas • Damar Mide hücreleri tarafından salgılanan ve mide özsuyunda bulunan pepsin adı verilen bir enzim yine mide özsuyundaki HCI proteinlerin yardımıyla peptid bağlarını yıkar. Çeşitli büyüklükte peptidler ve amino asitler meydana getirir. İnce bağırsağa geçen bu karışım burada tripsin, kimotripsin ve karboksipeptitaz enzimlerinin etkisi ile proteinlerin çoğunluğu amino asitlere yıkılarak emilirler. Protein metabolizması, aslında amino asitlerin metabolizmasıdır. Besinlerle alınan proteinler organizma için yabancı maddelerdir. Organizmanın yararlanabilmesi için bu proteinlerin, sindirim sistemi tarafından temel yapı taşlarına yani amino asitlere kadar yıkılmaları gerekir. Proteinlerin sindirimi midede başlar ve bağırsaklarda devam eder. Aktif Pepsin Besinlerden kaynaklanan amino asitlere ek olarak önemli miktarda amino asit doku metabolizması sırasında sentezlenmektedir, ayrıca hücreler içindeki proteinler devamlı olarak yıkılmakta ve yeniden sentezlenmektedir. Amino Asitlerin Hücre İçi Reaksiyonları • Transaminasyon: Bir amino asidin amino grubunun bir keto aside taşınması (yeni amino asitler oluşur) • Deaminasyon: Amino asitlerdeki amino grubunun amonyak şeklinde ayrılması (keto asitler oluşur) • Amino asitlerden metil ve diğer 1 karbonlu birimlerin sağlanması (çeşitli bileşikler oluşur) • Dekarboksilasyon: Amino asidin yapısındaki karboksil grubunun CO2 halinde ayrılması (biyojen aminler oluşur) Transaminasyon • Transaminaz enzimlerinin aracılığı ile amin grubunun bir amino asitten bir alfa-keto asite nakledilmesi sonucu yeni bir amino asit ve yeni bir alfa keto asitin oluşması olayına transaminasyon denilmektedir. • Transaminasyon reaksiyonu katalize eden enzimlere "transaminazlar"dır. • Glutamik asitten, oksal asetik asite amin grubunu transfer eden enzim glutamik oksal asetik transaminaz (GOT) dır. • Bir diğer enzim ise Glutamik pirüvik transaminaz (GPT) enzimidir. • Bu iki enzim klinik biyokimyada karaciğer fonksiyonları yönünden çok önemlidir. Transaminasyon Pirüvat --> Alanin Okzalasetat --> Aspartat Alfa-ketoglutarat --> Glutamat COO− COO− COO− CH2 COO− CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 HC NH3+ COO− + C O COO− C O COO− + HC NH3+ COO− aspartate α-ketoglutarate oxaloacetate glutamate Aminotransferase (Transaminase) Glutamik pirüvik transaminaz (GPT) enzimi Deaminasyon Oksidatif Deaminasyon H2 − OOC C glutamate H2 C H2O NH3+ C H COO− NAD(P)+ NAD(P)H O H2 H2 OOC C C C α-ketoglutarate − COO− + NH4+ Glutamate Dehydrogenase Oksitleyici Deaminasyon Amino Asit + FAD + H2O a-Keto Asit + NH4+ FADH2 FADH2 + O2 FAD + H2O2 Katalaz: 2 H2O2 2 H2O + O2 tepkimesini katalizler Serin gibi amino grubuna komşu bir hidroksil grubu bulunan aminoasitlerin katabolizması farklıdır. + H2O NH4 H2O HO CH2 H C COO− NH3+ serine Serine Dehydratase H2C C COO− O H3C C COO− NH3+ aminoacrylate pyruvate Hidrolitik Deaminasyon Glikojenik ve Ketojenik Aminoasitler Esansiyel ve Esansiyel-Olmayan Amino Asitler • Esansiyel amino asitler: Vücutta sentezlenemezler, dışarıdan alınmaları zorunludur. Bunlar: valin, lösin, izolösin, treonin, metionin, fenilalanin, triptofan, lizin ve gelişmekte olanlarda arjinin ile histidin. Esansiyel olmayan amino asitler: Vücutta glikoliz ve sitrat döngüsündeki ara ürünlerden sentezlenebilirler. Bunlar: glisin, alanin, serin, sistein, prolin, tirozin, glutamat, glutamin, aspartat, asparajin ve erişkinlerde arjinin ile histidin. Pirüvata Dönüşen Amino Asitler Okzalasetata Dönüşenler Asetoasetil CoA’ya dönüşen aminoasitler α-ketoglutarat’a dönüşen aminoasitler NH3’ın Atılması • Deaminasyon sonunda açığa çıkan NH3 toksik bir maddedir. • Krebs çevriminde görevli α-ketoglutaratı glutamata çevirir. Bu durumda beyindeki solunum durur. • Keton cisimleri artar. • pH değişir. • NH3’ın uzaklaştırılması organizma türüne göre farklı şekilde gerçekleşir. Amonyağın Atılması O H2N C H2N Memelilerde Üre H N HN O O O N H N H Kuş ve sürüngenlerde Ürik Asit Üre Çevrimi CPSI: Karbamil P sentetaz OTC: Ornitin Transkarbamilaz Karbamil Fosfat Sentezi Toplu Üre Reaksiyonları Kaslardan NH3 Taşınması Deaminasyon sonucunda açığa çıkan NH3’ın karaciğere taşınmasında iki yolu vardır. Kaslarda glikoz-alanin çevrimi ile taşınma olur Diğer Dokularda NH3 Taşınması • Glutamin sentetazın etkisi ile amonyak ve glutamattan glutamin sentezlenmesidir.Glutamin kanla karaciğere gelir ve orada glutaminaz enziminin etkisi ile glutamat ve amonyağa ayrılır. • Glutamat Glutamat Üre NH3 ATP, NH3 Glutamin sentaz • Glutamin H2O Glutamin HEM Molekülünün Parçalanması Azot Tutulması ve Aminoasit Biyosentezi • Biyokimyasal sentezler için gerekli olan azot sınırlı olduğundan kullanımında ekonomik davranır. Çok az kısmını atarlar. • Atmosferde bulunan çok miktardaki azot çok az canlı tarafından tutularak kullanılır. • Azot dengesi: Normal halde yetişkinlerde organizmaya giren azot ile organizmadan çeşitli yollarla atılan azot arasında bir denge vardır. Büyümekte olan çocuklarda, gebelikte ve hastalıktan sonraki iyileşme devresinde alınan azot, dışarıdan atılan azottan fazladır. Bu duruma"pozitif azot dengesi" denir. • Ateşli hastalıklarda yeterli protein alınmaması halinde, albuminüri veya diğer katabolik hastalıklarda vücuda girenden daha fazla dışarı atılır. Bua "negatif azot dengesi" denir. Azotun Tutulması • Azot bakterileri azotu tutup amonyağa çevirirler.Bunda görevli enzim nitrogenaz enzimidir. • Nitrogenaz enzimi N2 de bulunan güçlü üçlü bağı indirger. Azotun Tutulması N2 + 8 H+ + 8 e- + 16 ATP 2 NH3 + H2 + 16 ATP + 16 Pi Nitrit ve Nitratın İndirgenmesi • Toprakta bulunan bazı bakteriler ihtiyaçları olan enerjiyi sağlamak için amonyak molekülünü nitrit ve nitrata çevirirler. Bu bakterilerin sayısı çok fazla olduğundan toprak nitrat bakımından zengindir. • Varolan nitratın indirgenmesi iki basamakta olur. • NADPH, FAD, Fe4S4, Mo6+ ,NO3-, NO2sırasında e akışı olur. • NADPH + H+ + NO3NADP+H2O + NO2 • 3NADPH + 4H+ + NO23NADP+2H2O + NH3 Amonyak Tutulması • Canlılarda NH3 tutulma reaksiyonlarından birisi de glutamatın, glutamine dönüşmesidir. • Burada görevli enzim glutamin sentetazdır. • Azot metabolizmasında glutamin çok önemli bir yer tutar. NH3 tutulmasında görevli enzimin düzenlenmesi çok önemlidir. Bu düzenleme kümülatiftir. Yani bir tek inhibitör enzimi inhibe edemez. Ancak bütün inhibitörler birden bağlanırsa enzim inhibe olur. NH3 Tutulması III Net 2 mol amonyak tutulmuş olur. Amino Asit Biyosentezi Transaminasyonla aspartat sentezi Transaminasyonla Alanin Sentezi Transaminasyonla Asparagin Sentezi Glutamattan Prolin Sentezi Krebs Çevrimi Ara Ürünlerinden Amino Asit Sentezi 1. 3. 2. 4. Serin Sentezi GLİSİN –Sentezler • HEM • Kreatin • Glutatyon • Purin Beyin ve Omurilikte inhibitör nörotransmitter olarak görev yapar. Glisin Sentezi Bazı aminoasitlerin ve önemli bazı bileşiklerin sentezi