Biochemie und Pathobiochemie: Aminosäuren-Stoffwechsel

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Allgemeines

Sämtliche Proteine sind aus 20 (21+) α-Aminosäuren aufgebaut. Dabei werden nur die L-Formen der α-Aminosäuren verwendet. Etwa die Hälfte dieser Aminosäuren ist für die meisten Tiere, und somit auch den Menschen, essentiell und muss mit der Nahrung aufgenommen werden. Neben der Proteinbiosynthese werden die Aminosäuren für die Bildung zahlreicher Funktionsmoleküle und Signalstoffe verwendet.

Die Biosynthese der essentiellen proteinogenen L-Aminosäuren

Aminosäure	Ursprung	Enzyme	Quelle
Threonin	Aspartat	5	KEGG, WP
Lysin	Aspartat	6 - 9	KEGG
Methionin	Aspartat und Cystein	7 (+ 2 für Cystein)	KEGG, KEGG, WP
Phenylalanin	Erythrose-4-phosphat (HMP-Weg) und PEP (Glycolyse)	10	KEGG
Tryptophan	Erythrose-4-phosphat (HMP-Weg) und PEP (Glycolyse)	12	KEGG
Histidin	PRPP (HMP-Weg)	10	KEGG
Valin	Pyruvat	6	KEGG
Leucin	Pyruvat	5	KEGG
Isoleucin	Pyruvat (und Threonin)	10 (- 12)	KEGG

Zu den essentiellen Aminosäuren gehören Threonin, Lysin und Methionin, die aromatischen Aminosäuren Phenylalanin, Tryptophan und Histidin sowie die verzweigtkettigen Aminosäuren Valin, Leucin und Isoleucin. Der Körper hat aufgrund des ausreichenden Angebots in der Nahrung die Enzyme für die Biosynthese dieser Aminosäuren verloren. Die Frage, warum sich gerade bei diesen Aminosäuren das „Outsourcing“ gelohnt haben könnte, lässt sich beantworten, wenn man sich die Synthesewege anschaut. Diese sind gerade bei den essentiellen Aminosäuren besonders aufwendig (viele Reaktionsschritte) und energieintensiv.

Pflanzen produzieren sich wegen den limitierten Möglichkeiten der Nahrungsaufnahme und der einfachen Energieversorgung (Photosynthese) auch weiterhin aus Glucose alle Aminosäuren und alle anderen zum Leben notwendigen komplexeren Moleküle selbst.

Die Biosynthese der nicht-essentiellen proteinogenen Aminosäuren

Glucose
⇓ Glycolyse
3-Phosphoglycerat	⇒	L-Serin ⇒ Glycin
⇓ Glycolyse
Pyruvat (α-Ketopropionsäure)	⇔	L-Alanin
⇓ 1. Schritt der Gluconeogenese
Oxalacetat (α-Ketobernsteinsäure)	⇔	L-Aspartat ⇔ L-Asparagin
⇓ Citratzyklus
α-Ketoglutarat (α-Ketoglutarsäure)	⇔	L-Glutamat ⇔ L-Glutamin
		⇓ L-Glutamat-5-semialdehyd ⇔ L-Prolin ⇓ ⇑ Ornitin ⇔ Harnstoffzyklus ⇔ L-Arginin

Farbcode: Stickstoffaufnahme/-abgabe

Die Synthesewege der nicht-essentiellen Aminosäuren sind sehr übersichtlich. Sie beinhalten nur wenige Reaktionsschritte und zweigen von der Glycolyse, dem Citratzyklus und dem Harnstoffzyklus ab.

Zuerst werden die α-Aminosäuren Serin, Alanin, Aspartat und Glutamat durch Aminierung oder Transaminierung (Stickstoffaufnahme bzw. -übertragung) am C_α-Atom der entsprechenden α-Ketosäuren gebildet, die aus Glycolyse und Citratzyklus stammen. Davon leiten sich weitere Aminosäuren ab: Glycin aus Serin, Asparagin aus Aspartat sowie Glutamin, Prolin und Arginin aus Glutamat. Damit wäre bereits die Biosynthese von 9 proteinogenen Aminosäuren abgedeckt. 3 weitere - Tyrosin, Cystein und Selenocystein - gehen aus den essentiellen Aminosäuren Phenylalanin und Methionin hervor.

Im Einzelnen erfolgt die Synthese wie folgt:

Glycin und Serin werden aus 3-Phosphoglycerat (Glycolyse) synthetisiert. 3-Phosphoglycerat wird zuerst zur α-Ketosäure 3-Phosphohydroxypyruvat oxidiert und dann Pyridoxalphosphat-abhängig zu Serin transaminiert. Aus Serin wird Glycin gebildet.
Alanin wird durch Pyridoxalphosphat-abhängige Transaminierung aus Pyruvat gebildet.
Aspartat entsteht durch Pyridoxalphosphat-abhängige Transaminierung aus Oxalacetat (Citratzyklus). Aus Aspartat kann Asparagin hergestellt werden.
Glutamat wird durch Aminierung oder Pyridoxalphosphat-abhängige Transaminierung aus α-Ketoglutarat (Citratzyklus) gebildet. Aus Glutamat können dann Glutamin, Prolin und über den Harnstoffzyklus Arginin synthetisiert werden.
Das schwefelhaltige Cystein entsteht aus Serin beim Abbau der schwefelhaltigen essentiellen Aminosäure Methionin (siehe hier). Aus Serin kann Selenocystein gebildet werden, eine seltene Aminosäure, die im genetischen Code kein eigenes Codon besitzt und deswegen gegenüber den 20 herkömmlichen proteinogenen Aminosäuren einen gewissen Sonderstatus hat.
Tyrosin wird aus der essentiellen Aminosäure Phenylalanin generiert (siehe hier).

Abbau der proteinogenen L-Aminosäuren

Aminosäure	Ketogene Produkte	Glucogene Produkte
Alanin		Pyruvat
Glycin -> Serin		Pyruvat
Threonin	Acetaldehyd	Pyruvat, Succinyl-CoA
Cystein		Pyruvat
Asparagin -> Aspartat		Oxalacetat / Fumarat
Glutamin -> Glutamat		α-Ketoglutarat
Prolin -> Glutamat		α-Ketoglutarat
Arginin -> Glutamat		α-Ketoglutarat
Histidin -> Glutamat		α-Ketoglutarat
Methionin		Succinyl-CoA
Lysin	Acetyl-CoA
Phenylalanin -> Tyrosin	Acetoacetat	Fumarat
Tryptophan	Acetyl-CoA	Pyruvat
Valin		Succinyl-CoA
Leucin	Acetoacetat, Acetyl-CoA
Isoleucin	Acetyl-CoA	Succinyl-CoA
Farbcode: Essentielle Aminosäuren

Glucogene Aminosäuren werden zu Pyruvat oder zu den Intermediaten des Citratzyklus (Oxalacetat, α-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat) abgebaut und können zur Gluconeogenese herangezogen werden. Ketogene Aminosäuren werden zu Acetaldehyd, zum Ketonkörper Acetoacetat oder direkt zu Acetyl-CoA degradiert.

In den meisten Fällen steht am Anfang des Aminosäurenabbaus die Abspaltung der Aminogruppe durch Transaminierung. Der Stickstoff wird über Glutamat und Aspartat in den Harnstoffzyklus eingeschleust und als Harnstoff oder direkt als Ammoniak über die Niere ausgeschieden.

Posttranslationale Modifikation der proteinogenen Aminosäuren

Nachdem die L-Aminosäuren in Proteine eingebaut wurden können sie durch kovalente Modifikation weiter verändert werden. Damit lassen sich die Eigenschaften und Funktionen eines Proteins auch noch nach seiner Fertigstellung verändern. Bespiele:

Die Hydroxyl-Gruppen der Serin-, Threonin- und Tyrosin-Reste können phosphoryliert oder mit Glycanen (O-Glycosylierung) versehen werden. Die Phosphorylierung und die dadurch bewirkte Konformationsänderung des Proteins wird z.B. für das An- und Abschalten von Enzymen (sog. Interkonversion) verwendet.
Die γ-Amid-Gruppe von Asparagin kann ebenfalls glycosyliert werden (N-Glycosylierung).
Histidin kann zum 3-Methylhistidin metyliert werden.
Prolin und Lysin können hydroxyliert werden, so dass γ-Hydroxyprolin und δ-Hydroxylysin entsteht. Das findet man z.B. bei der Kollagen-Synthese.
Glutamat kann in der γ-Position carboxyliert werden. Die γ-Carboxylierung ist z.B. bei der posttranslationalen Modifikation der Vitamin K-abhängigen Gerinnungsfaktoren anzutreffen.

Nicht-proteinogene Aminosäuren

Im Intermediarärstoffwechsel fallen auch zahlreiche nicht-proteinogene Aminosäuren an. Beispiele sind die α-Aminosäuren Ornithin (Harnstoffzyklus), Homocystein (Methionin-Abbau), 5-Hydroxy-Tryptophan (Serotonin-Biosynthese), die β-Aminosäure β-Alanin (Uracil-Abbau) und die γ-Aminosäure γ-Aminobuttersäure (GABA, Glutamat-Stoffwechsel).

Rolle der Aminosäuren für die Zelle bzw. den Organismus

Erzeugung einer Peptidbindung.

Die proteinogenen L-Aminosäuren sind die Bausteine sämtlicher Proteine (Enzyme, Strukturproteine usw.). Dafür werden die Aminosäuren am Ribosom zu einer langen Peptid-Kette verknüpft. Die Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren entsteht, indem die Amino-Gruppe der einen Aminosäure mit der Carboxyl-Gruppe der nächsten Aminosäure unter Wasserabspaltung reagiert.
Die Abbauprodukte der Aminosäuren - aus der Nahrung oder aus dem körpereigenen Proteinbestand - können zur Energiegewinnung und zur Synthese von Fettsäuren und Cholesterin genutzt werden und die glucogenen Aminosäuren zusätzlich auch zum Wiederauffüllen des Citratzyklus zur Gluconeogenese.
Im Vielzeller fungieren viele Aminosäuren (Glutamat, Glycin, Aspartat) und ihre Derivate (GABA, L-Thyroxin, Dopamin, Adrenalin und Noradrenalin, Serotonin und Histamin) als Transmittersubstanzen bzw. Hormone.
Aus oder unter Beteiligung von Aminosäuren werden weitere wichtige Moleküle gebildet wie z.B. Carnitin (aus Lysin), Taurin (aus Cystein), Kreatin (aus Arginin und Glycin), Häm (mit Glycin), Coenzym A (mit Cystein) oder Sphingolipide (mit Serin).

Glutamat - Die Drehscheibe des Stickstoff-Stoffwechsels

Stickstoff in Form von Ammoniak (NH₃) oder Aminogruppen (-NH₂) kann im Stoffwechsel reversibel auf Pyruvat, Oxalacetat und α-Ketoglutarat übertragen werden, die aus der Glycolyse und dem Citratzyklus stammen. Dadurch werden Alanin, Glutamat (und Glutamin) und Aspartat gebildet. Dies hat mehrerlei Bedeutung:

Beseitigung von freiem (giftigen) Ammoniak, das insbesondere aus dem Aminosäurenabbau stammt.
Verwendung des fixierten Stickstoffs für die Biosynthese von Aminosäuren, Harnstoff (zur Stickstoffausscheidung) und anderen stickstoffhaltigen Verbindungen wie Purine und Pyrimidine.
Durch die Umkehrung der Aminogruppenübertragung können die genannten Aminosäuren (durch die Nahrung aufgenommen oder durch Muskelabbau in Hungerzeiten freigesetzt) entsprechend Substrat liefern zur Energieerzeugung oder zur Gluconeogenese, sowie zur Wiederauffüllung des Citratzyklus mit C4-Körpern.

Der Stickstoff aus freiem Ammoniak wird zuerst im Glutamat fixiert und dann auf weitere Moleküle übertragen. Glutamat nimmt daher eine zentrale Stellung ein. Als Coenzym der Transaminasen dient häufig Pyridoxalphosphat (PLP, Vitamin B6). Das Vitamin ist auch an vielen anderen Reaktionen im Aminosäurenstoffwechsel beteiligt.

Reaktionen			Enzym	Abk.
α-Ketoglutarat + NH₃	⇔	Glutamat	Glutamatdehydrogenase	GLDH
Glutamat + NH₃	⇔	Glutamin	Glutaminsynthetase
Glutamat + Pyruvat	⇔	α-Ketoglutarat + Alanin	Glutamat-Pyruvat-Transaminase bzw. Alanin-Aminotransferase	GPT bzw. ALAT
Glutamat + Oxalacetat	⇔	α-Ketoglutarat + Aspartat	Glutamat-Oxalacetat-Transaminase bzw. Aspartat-Aminotransferase	GOT bzw. ASAT

Über die Verstoffwechselung von Aminosäuren gelangt Stickstoff auch in andere Stoffwechselwege. Dabei dienen insbesondere Glutamat, Glutamin und Aspartat als Stickstoff-Donatoren. Der Amino-Stickstoff wird benötigt u.a. für:

Aminozucker-Stoffwechsel (Glutamin)
Porphyrin-Biosynthese (Glycin)
Purin-Biosynthese (Glycin, Glutamin, Aspartat)
Pyrimidin-Stoffwechsel (Glutamin, Aspartat)
Glycin- und Serinbiosynthese (Glutamat)
Harnstoffbiosynthese (Glutamat, Aspartat)
Kreatin-Biosynthese (Glycin, Arginin)
Sphingolipid-Biosynthese (Serin)

Ausgeschieden wird der Stickstoff in Form von Harnstoff, der v.a. in der Leber gebildet wird und den Körper über die Niere verlässt.

Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin

Da die Enzyme GOT, GPT und GLDH überwiegend in der Leber vorkommen kann ihre Bestimmung im Blutserum zur Diagnostik von Leberschädigungen verwendet werden. Die GPT kommt fast ausschließlich im Zytoplasma vor, die GOT zu 30 % im Zytoplasma und zu 70 % in den Mitochondrien, die GLDH ausschließlich in den Mitochondrien. Daher kann aus dem Muster der Werte auf das Ausmaß der Zellschädigung rückgeschlossen werden. Dabei bestimmt man gerne den Ritis-Quotient = GOT/GPT. Bei leichten Zellschäden ist v.a. die GPT erhöht (Ritis-Q. < 1), bei schweren Schäden mit Beeinträchtigung der Zellorganellen dominieren die GOT und GLDH (Ritis-Q. > 1). Diese Parameter bieten aufgrund ihrer kurzen Halbwertszeit (GOT 17 h, GPT 47 h) und der guten Korrelation zwischen Schadensausmaß und Spiegelhöhe eine gute Momentaufnahme und sind gut zur Verlaufsbeobachtung geeignet. Die GOT kann auch bei Herzinfarkt oder muskulären Schäden erhöht sein.

Weblinks: Laborlexikon: GPT, GOT, GLDH

Weblinks

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