Glutamat & Co: Nicht-essenzielle Aminosäuren

Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren

Essenzielle Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren sind Aminosäuren, die über die Nahrung aufgenommen werden müssen. Die zwölf nicht-essenziellen Aminosäuren können wiederum vom menschlichen Organismus produziert werden und müssen nicht mit der Nahrung zugeführt werden. Zu diesen Aminosäuren zählen Alanin, Arginin, Asparagin, Asparaginsäure, Cystein, Glutaminsäure, Glutamin, Glycin, Histidin, Prolin, Serin und Tyrosin. Störungen des Aminosäurestoffwechsels durch Enzymdefekte führen zu schweren Erkrankungen, die sich oft schon früh manifestieren, z.B. die Ahornsirupkrankheit Ahornsirupkrankheit Störungen des Aminosäurestoffwechsels oder Phenylketonurie Phenylketonurie Störungen des Aminosäurestoffwechsels.

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Inhalt

Übersicht

α-Ketoglutarat-Biosynthesefamilie

3-Phosphoglycerat-Biosynthesefamilie

Oxalacetat-Biosynthesefamilie

Pyruvat-Biosynthesefamilie

Phosphoenolpyruvat-Biosynthesefamilie

Klinische Relevanz

Quellen

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Übersicht

Aminosäuren (AS) sind die Bausteine für Proteine Proteine Proteine und Peptide und die Stoffwechselzwischenprodukte verschiedener Reaktionen. Es werden essenzielle und nicht-essenzielle Aminosäuren unterschieden. Essenzielle Aminosäuren müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, da der Körper sie nicht selber produzieren kann. Nicht-essenzielle Aminosäuren können vom Organismus selbst hergestellt werden. Einige Aminosäuren gelten als partiell essenziell, da sie zwar grundsätzlich synthetisiert werden können, jedoch unter Umständen nicht in ausreichenden Mengen (Histidin, Arginin).

Essenzielle Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren:
- Phenylalanin
- Valin
- Threonin
- Tryptophan
- Methionin
- Leucin
- Isoleucin
- Lysin
Nicht-essenzielle Aminosäuren:
- Alanin
- Arginin
- Asparagin
- Asparaginsäure (Aspartat)
- Cystein
- Glutamin
- Glutaminsäure (Glutamat)
- Glycin
- Histidin
- Prolin
- Serin
- Tyrosin
Aminosäuren können anhand der Synthesewege in Familien gruppiert werden, die nach gemeinsamen Metaboliten benannt sind.

Biosynthetische Familien

**Tabelle: Übersicht biosynthetischer Aminosäure-Familien**
Gemeinsamer Metabolit	Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren	Abbauweg
α-Ketoglutarat	Glutamat	Glucogene AS
	Glutamin	Glucogene AS
	Prolin	Glucogene AS
	Arginin	Glucogene AS
3-Phosphoglycerat	Serin	Glucogene AS
	Glycin	Glucogene AS
	Cystein	Glucogene AS
Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels	Aspartat	Glucogene AS
	Asparagin	Glucogene AS
	Methionin*	Glucogene AS
	Threonin*	Ketogene oder glucogene AS
	Lysin*	Ketogene AS
	Isoleucin*	Ketogene oder glucogene AS
Pyruvat Pyruvat Glykolyse	Alanin	Glucogene AS
	Valin*	Glucogene AS
	Leucin*	Ketogene AS
Phosphoenolpyruvat & Erythrose-4-Phosphat	Tryptophan*	Ketogene oder glucogene AS
	Phenylalanin*	Ketogene oder glucogene AS
	Tyrosin	Ketogene oder glucogene AS

* Essenzielle Aminosäuren, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen. Die Produktion dieser Aminosäuren erfolgt i. d. R. in prokaryotischen Organismen und Pflanzen.
AS: Aminosäure

Aminosäure-Biosynthese Synthese von nicht-essentiellen Aminosäuren — Übersicht der Aminosäurebiosynthese
CoA: Coenzym A
Bild von Lecturio. Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

α-Ketoglutarat-Biosynthesefamilie

Übersicht

Glutamat, Glutamin, Prolin und Arginin können aus α-Ketoglutarat synthetisiert werden, das im Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels produziert wird.
- Transaminierung Transaminierung Abbau von Aminosäuren als eine wesentliche Synthesereaktion
- Aminotransferase als wichtiges beteiligtes Enzym
Glutamat dient als Vorläufer für die Produktion von Glutamin, Prolin und Arginin.
- α-Ketosäure + Glutamat ⇄ Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren + α-Ketoglutarat
- Glutamat selbst entsteht durch Aminierung von α-Ketoglutarat: α-Ketoglutarat + NH₄⁺ ⇄ -Glutamat

Synthese von Glutamat

Glutamat wird durch eine Aminierung von α-Ketoglutarat gebildet.

α-Ketoglutarat + NH ₄⁺ ⇄ Glutamat
Glutamat dient als Vorläufer für Glutamin, Prolin und Arginin.

Synthese von Glutamin

Glutamat dient als Vorläufer für Glutamin.

Umwandlung von Glutamat in Glutamin durch Glutamin-Synthetase
Glutamin-Synthetase verwendet:
- Adenosintriphosphat (ATP)
- NH₄⁺ (Hilft, die Ansammlung von Ammoniak zu verhindern)
Glutamin-Synthetase-Hemmer:
- Aminosäuren: Glycin, Alanin, Serin, Histidin, Tryptophan
- Nukleotide: Adenosinmonophosphat (AMP), Cytidintriphosphat (CTP)
- Weitere: Carbamoylphosphat, Glucosamin-6-phosphat
- Die Bildung dieser Inhibitoren ist Glutamin-abhängig, sodass bei hohen Glutaminspiegeln eine negative Rückkopplung einsetzt.
Aktivierung der Glutamin-Synthetase:
- Aktivtät der Glutamin-Synthetase in ihrer desadenylierten Form
- Adenylierung und Desadenylierung durch Adenylyltransferase

Die Glutaminsynthese erfolgt durch die Glutamin-Synthetase:
Diese Reaktion benötigt ATP.
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Synthese von Prolin

Glutamat dient als Vorläufer für Prolin.

Schritte der Synthese von Prolin aus Glutamat:

Phosphorylierung:
- Katalyse durch Glutamat-Kinase und γ-Glutamylphosphat-Reduktase
- Verwendung von ATP und Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH)
- Bildung von Glutamat-5-semialdehyd
Oxidation und Dephosphorylierung:
- Spontane Cyclisierungsreaktion
- Bildung von Pyrrolin-5-carboxylat
Reduktion:
- Katalyse durch Pyrrolin-5-carboxylat-Reduktase
- Verwendung von NADH
- Bildung von Prolin

Reaktionen, die zur Prolinsynthese beitragen — Cyclisierungs- und Reduktionsreaktionen der Prolinsynthese:
Diese Schritte erfordern ATP und NADH.
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Synthese von Arginin

Glutamat dient als Vorläufer für Arginin.

Synthesewege von Arginin:

Reversible 2-Stufen-Reaktion
- Bildung aus Citrullin, Aspartat und ATP
- Argininosuccinat als Zwischenprodukt
Reversible Demethylierung aus asymmetrischem Dimethylarginin (ADMA)
Reversible Reaktion von Ornithin und Harnstoff
Reversible Reaktion von Citrullin, Stickoxid und Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADP⁺)

Die 4 Möglichkeiten, Arginin herzustellen — Die vier Möglichkeiten der Argininsynthese.
ADMA: Asymmetrisches Dimethylarginin
NADPH und NADP ⁺: Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat
P_i: Anorganisches Phosphat
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3-Phosphoglycerat-Biosynthesefamilie

Serin, Glycin und Cystein sind Aminosäuren, die aus 3-Phosphoglycerate (3-PG) gebildet werden können. Serin ist die erste in dieser Gruppe produzierte Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren und dient als Vorläufer zu Produktion von Glycin und Cystein.

Synthese von Serin

Schritte der Synthese von Serin aus 3-Phosphoglycerat:

Oxidation von 3-Phosphoglycerat
- Katalyse durch Phosphoglycerat-Dehydrogenase
- Bildung von 3-Phosphohydroxypyruvat
- Hemmung durch hohe Serinkonzentrationen
Transaminierung Transaminierung Abbau von Aminosäuren von 3-Phosphohydroxypyruvat
- Katalyse durch Phosphoserin-Aminotransferase
- Bildung von 3-Phosphoserin
Hydrolyse von 3-Phosphoserin
- Katalyse durch Phosphoserin-Phosphatase
- Bildung von Serin

Serin wird über 3 Reaktionen hergestellt — Die Synthese von Serin erfolgt in drei Schritten, beginnend mit 3-Phosphoglycerat (3-PG) und NAD⁺
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Synthese von Glycin

Glycin wird aus Serin in einer Demethylierungsreaktion gebildet.

Katalyse durch Serin-Hydroxymethyltransferase
Verwendung von Tetrahydrofolat

Glycin wird aus Serin hergestellt — Bildung von Glycin aus Serin:
Hier erfolgt eine Demethylierung von Serin.
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Synthese von Cystein

Cystein wird aus Serin und Homocystein in zwei Schritten synthetisiert:

Verbindung von Homocystein und Serin zu Cystathionin
- Katalyse durch Cystathionin-β-Synthase
- Homocystein als Schwefelquelle
Umwandlung von Cystathionin in Cystein
- Katalyse durch Cystathionin-γ-Lyase
- Bildung von α-Ketobutyrat als weiteres Produkt

Die Bildung von Cystein aus Serin und Homocystein.
Bild : „Cysteine biosynthesis“ von David E. Lizenz: Public Domain

Oxalacetat-Biosynthesefamilie

Übersicht

Aspartat, Lysin, Threonin, Asparagin, Methionin und Isoleucin haben Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels als gemeinsamen Metabolit.

Aspartat und Asparagin sind die einzigen nicht-essenziellen Aminosäuren dieser Familie.
Zunächst Umwandlung von Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels in Aspartat
Daraufhin Umwandlung von Aspartat in Asparagin

Synthese von Aspartat

Aspartat wird durch eine Transaminierungsreaktion gebildet.

Katalyse durch Aspartat-Aminotransferase: Übertragung einer Aminogruppe von einer anderen Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren auf Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels (α-Ketosäure)
Bildung von Aspartat aus Oxalacetat Oxalacetat Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels

Synthese von Asparagin

Asparagin wird durch eine Amidierungsreaktion gebildet.

Katalysiert durch Asparagin-Synthetase
Bildung von Asparagin aus Aspartat

Pyruvat-Biosynthesefamilie

Übersicht

Alanin, Valin und Leucin haben Pyruvat Pyruvat Glykolyse als gemeinsamen Metaboliten. Alanin ist die einzige Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren dieser Gruppe, die vom menschlichen Organismus gebildet werden kann.

Pyruvat Pyruvat Glykolyse ist ein Endprodukt der Glykolyse Glykolyse Glykolyse.
Die negative Rückkopplung erfolgt durch das Endprodukt (z.B. Alanin).

Synthese von Alanin

Alanin wird in zwei Schritten gebildet.

Umwandlung von α-Ketoglutarat in Glutamat:
- Katalyse durch Glutamatdehydrogenase
- Verwendung von Ammoniak und NADH
Übertragung einer Aminogruppe von Glutamat auf Pyruvat Pyruvat Glykolyse zur Bildung von Alanin:
- Katalyse durch Alanin-Aminotransferase
- Abhängigkeit von Pyruvat Pyruvat Glykolyse aus der Glykolyse Glykolyse Glykolyse

Phosphoenolpyruvat-Biosynthesefamilie

Übersicht

Phosphoenolpyruvat ist der gemeinsame Metabolit der aromatischen Aminosäuren Phenylalanin, Tryptophan und Tyrosin bei ihrer Synthese in pflanzlichen Organismen. Phenylalanin und Tryptophan sind essenzielle Aminosäuren, Tyrosin ist eine nicht-essenzielle Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren.

Synthese von Tyrosin

Phenylalanin dient als Vorläufer für Tyrosin

Katalyse der Reaktion durch die Phenylalanin-Hydroxylase.
Mangel an Phenylalanin-Hydroxylase führt zu einer Phenylketonurie Phenylketonurie Störungen des Aminosäurestoffwechsels.
Tyrosin ist die Vorstufe für wichtige Neurotransmitter (Gruppe der Katecholamine):
- Dopamin
- Noradrenalin
- Adrenalin

Die Umwandlung von L-Phenylalanin in L-Tyrosin — Der erste Schritt zeigt die Umwandlung von L-Phenylalanin zu L-Tyrosin.
Tyrosin und Phenylalanin sind Vorläufer einer Reihe wichtiger Neurotransmitter.
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Klinische Relevanz

Phenylketonurie Phenylketonurie Störungen des Aminosäurestoffwechsels (PKU): Defekt der Phenylalanin-Hydroxylase, der die Umwandlung von Phenylalanin zu Tyrosin beeinträchtigt und zur Akkumulation von Phenylalanin führt. Klinisch zeigt sich eine psychomotorische Entwicklungsverzögerung und Krampfanfälle Krampfanfälle Krampfanfälle im Kindesalter, der Schweiß hat oft einen muffigen Geruch. Abhilfe verschafft eine Phenyalanin-arme Ernährung.
Ahornsirupkrankheit Ahornsirupkrankheit Störungen des Aminosäurestoffwechsels: Defekt des α-Ketosäure-Dehydrogenase-Komplexes verzweigtkettiger Aminosäuren, der zur Akkumulation dieser Aminosäuren führt. Die Folge sind neurologische Schäden, nach Ahornsirup riechender Urin und Dystonie Dystonie Dystonie. Die Therapie besteht in der Vermeidung von verzweigtkettigen Aminosäuren. In schweren Fällen kann eine Lebertransplantation erforderlich sein.
Homocystinurie: Defekt der Cystathionin-β-Synthase, der zu einer Akkumulation von Homocystein führt. Mögliche Symptome sind Flush, Retardierung, Linsenluxation, Gefäßerkrankungen und Osteoporose Osteoporose Osteoporose. Therapeutisch wird eine spezielle Diät empfohlen.
Alkaptonurie: Mangel an Homogentisat-Dioxygenase, der den normalen Abbau von Tyrosin zu Fumarat beeinträchtigt. Es resultiert eine bläulich-schwarze Verfärbung (Ochronose) des Bindegewebes sowie Arthrose Arthrose Arthrose und die Verkalkungen verschiedener Gewebe. Es gibt derzeit keine Therapie der Alkaptonurie, jedoch bleibt die Lebenserwartung unbeeinträchtigt.

Quellen

Reitzer, L. (2009). Amino acid synthesis. In: Encyclopedia of Microbiology, 3. Aufl. Academic Press, S. 1–17. https://doi.org/10.1016/B978-012373944-5.00063-8 .
Rose A. J. (2019). Amino acid nutrition and metabolism in health and disease. Nutrients 11:2623. https://doi.org/103390/nu11112623 .
Young V. R. (2000). Protein and amino acids. In: Gershwin M.E., German J.B., Keen CL (Eds.), Nutrition and Immunology. Totowa, NJ: Humana Press. https://doi.org/10.1007/978-1-59259-709-3_5
Hou, Y., Wu, G. (2018). Nutritionally essential amino acids. Advances in Nutrition 9:849–851. https://doi.org/10.1093/advances/nmy054.
Püschel G, Kühn H, Kietzmann T, Höhne W, Christ B, Doenecke D, Koolman J. (2018). Taschenlehrbuch Biochemie. 2. Auflage. Thieme-Verlag. doi:10.1055/b-006-163310
Suttorp N, Möckel M, Siegmund B, Dietel M. (2020). Harrisons Innere Medizin. Ed. 20. Auflage. ABW Wissenschaftsverlag. doi:10.1055/b000000107