Aminohapposynteesi
Aminohapposynteesi on sarja biokemiallisia prosesseja (metaboliareittejä), joilla tuotetaan monia aminohappoja muista kemiallisista yhdisteistä. Näiden prosessien lähtöaineita ovat erilaiset yhdisteet, joita organismi saa ravintonsa tai kasvualustansa kautta. Kaikki organismit eivät voi syntetisoida kaikkia aminohappoja. Esimerkiksi ihmiset voivat syntetisoida vain kaksitoista kahdestakymmenestä aminohaposta.
Biologisten systeemien yleinen ongelma on saada käyttöönsä helposti hyödynnettävässä muodossa olevaa typpeä. Jotkin tietyt mikro-organismit ovat ratkaisseet ongelman pelkistämällä inertin N≡N -molekyylin (typpikaasu) kahdeksi ammoniakki-molekyyliksi yhdessä biokemian merkittävimmissä reaktiossa. Ammoniakkia voidaan käyttään typen lähteenä kaikille aminohapoille. Hiilirunko saadaan glykolyysistä, pentoosifosfaattireitistä tai sitruunahappokierrosta.
Stereokemian säätely on aminohappotuotannossa merkittävä ongelma. Koska kaikki muut aminohapot glysiiniä lukuun ottamatta ovat kiraalisia, biosynteettisten reittien täytyy tuottaa aina oikeaa isomeeriä. Synteesin jokaisessa yhdeksässätoista vaiheessa tuotetaan kiraalisia aminohappoja siten, että α-hiilen stereokemia saadaan aikaan transaminaatio-reaktiossa, jossa on mukana pyridoksaalifosfaatti. Melkein kaikki transaminaasit, jotka katalysoivat reaktioita, polveutuvat samasta kantamuodosta, mikä osoittaa jälleen kerran, että tehokkaat ratkaisut biokemiallisiin ongelmiin säilyvät läpi evoluution.
Biosynteettiset reaktiot ovat usein tarkasti säädeltyjä. Esimerkiksi lähtöaineita syntetisoidaan vain silloin, kun niiden saanti on vähäistä. Hyvin usein reaktiosarjan lopputuote inhiboi entsyymejä, jotka toimivat aikaisessa reaktiosarjan vaiheessa. Usein kyseessä ovat allosteeriset entsyymit, jotka voivat reagoida säätelevien aineiden konsentraatioihin. Nämä entsyymit ovat toiminnaltaan samanlaisia kuin aspartaattitranskarbamylaasi ja sen säätelijät. Takaisinviestintä ja allosteeriset mekanismit takaavat sen, että kaikkia kahtakymmentä aminohappoa on riittävä määrä proteiinisynteesiä ja muita prosesseja varten.
Aminohapot syntetisoidaan α-ketohapoista, ja myöhemmin transaminoidaan muista aminohapoista, yleensä glutamaatista. Reaktion entsyyminä toimii aminotransferaasi.
Glutamaatti itsessään muodostetaan transaminaatiossa α-ketoglutaraatista:
Mikro-organismit käyttävät ATP:tä ja voimakkaita pelkistimiä, kuten pelkistynyttä ferredoksiinia, pelkistämään typpikaasun (N) ammoniakiksi (NH). Nitrogenaasin rauta-molybdeeni-ryhmä katalysoi hyvin inertin N:n sitomista. Korkeammat organismit kuluttavat sidottua typpeä syntetisoidessaan aminohappoja, nukleotidejä ja muita typpeä sisältäviä biomolekyylejä. NH:ia otetaan metaboliaan pääasiallisesti glutamiinin ja glutamaatin muodoissa.
Ihminen ei voi tuottaa itse kahdeksaa kahdestakymmenestä yleisimmästä aminohaposta (mukaan ei lueta selenokysteiiniä). Lisäksi arginiini, kysteiini, glysiini, glutamiini, histidiini, proliini, seriini, ja tyrosiini ovat ehdollisesti välttämättömiä, eli keho voi normaalisti tuottaa niitä itse, mutta jotkin populaatiot vaativat niiden saannin eksogeenisesti ruokavalionsa mukana. Esimerkiksi ureakierrossa syntetisoidaan arginiinia riittävä määrä aikuiselle, mutta ei välttämättä kasvavalle lapselle. Aminohappoja, joita on saatava ruokavaliosta, kutsutaan välttämättömiksi aminohapoiksi. Muita aminohappoja voidaan valmistaa kehossa ja niiden synteesireitti on melko yksinkertainen. Glutamaattidehydrogenaasi katalysoi α-ketoglutaraatin pelkistävän aminaation glutamaatiksi. Transaminaatioreaktio tapahtuu lähes kaikkien aminohappojen synteesissä. Tässä vaiheessa aminohapon kiraalisuus vakiinnutetaan. Vastaavasti alaniinia ja aspartaattia valmistetaan pyruvaatin ja oksaloasetaatin transaminaatiolla. Glutamiinia syntetisoidaan NH:sta ja glutamaatista, ja asparagiinia syntetisoidaan samalla tavoin. Myös proliini ja arginiini ovat glutamaatin johdannaisia. 3-fosfoglyseraatista valmistettava Seriini on glysiinin ja kysteiinin prekursori, eli esiaste. Tyrosiinia valmistetaan hydroksyloimalla fenyylialaniinia, joka on välttämätön aminohappo. Välttämättömien aminohappojen biosynteesireitit ovat huomattavasti monimutkaisempia.
Aktivoitujen yksihiilisten yksiköiden kantajalla tetrahydrofolaatilla on tärkeä rooli aminohappo- ja nukleotidimetaboliassa. Tämä koentsyymi siirtää yksihiilisiä yksikköjä kolmessa molempiin suuntiin tapahtuvassa hapetusvaiheessa, minkä välimuotoja ovat: pelkistetyin metyyli; välivaiheen metyleeni; ja täysin hapettunut formyyli, formiino ja metenyyli. S-adenosyylimetioniini on merkittävin aktivoitujen metyyliryhmien donori. Sitä syntetisoidaan siirtämällä adenosyyliryhmä ATP:ltä metioniinin rikkiatomille. S-adenosyylihomokysteiiniä muodostuu, kun aktivoitu metyyliryhmä siirretään akseptorille. Se hydrolysoidaan adenosiiksi ja homokysteiiniksi, joista viimeisin metyloidaan edelleen metioniiniksi ja päätetään näin aktivoitu metyylisykli.
Kortisoli inhiboi proteiinisynteesiä.
Inhiboivassa takaisinkytkennässä reaktion lopputuote estää allosteerisesti synteesin tietyn vaiheen. Haaroittuneet synteesireitit sisältävät sekä positiivista ja negatiivista säätelyä, mikä vaikuttaa väli- ja lopputuotteiden muodostumiseen. E. colin glutamiinisynteesi on vaikuttava demonstraatio kumulatiivisesta takaisinkytkennästä ja reversiibelien kovalenttisten muutosten kaskaadin säätelystä.
Aminohapot ovat erilaisten biomolekyylien esiasteita. Glutationi (γ-Glu-Cys-Gly) toimii sulfhyrdyyli-puskurina ja tekee toksiineja myrkyttömiksi. Glutationiperoksidaasi, selenoentsyymi, katalysoi vetyperoksidin ja orgaanisten peroksidien pelkistämistä glutationilla. Typpioksidi, lyhytikäinen välittäjäaine, valmistetaan arginiinista. Porfyriinejä syntetisoidaan glysiinistä ja sukkinyyli-CoA:sta, joka kondensoituu muodostaen δ-aminolevulinaattia. Kaksi tämän välituotteen molekyyliä yhdistyvät muodostaen porfobilinogeenia. Neljä porfolinogeeni-molekyyliä yhdistyvät muodostaen lineaarisen tetrapyrrolin, joka syklinoituu uroporfyrinogeeni III:ksi. Hapetus ja sivuketjun muokkaukset johtavat protoporfyriiniin IX, joka tarvitsee rauta-atomin muodostaakseen hemin.