Sự chuyển hóa là một loại phản ứng hóa học hoạt động trong quá trình "phân phối lại" các nhóm amin từ các axit amin, bởi vì nó liên quan đến các quá trình thuận nghịch chuyển hóa (bổ sung nhóm amin) và khử amin (loại bỏ một nhóm amin), được xúc tác bởi các enzym cụ thể được gọi là transaminase hoặc aminotransferase.
Phản ứng chuyển hóa nói chung liên quan đến sự trao đổi giữa axit amin và axit α-keto bất kỳ, trong đó sự trao đổi nhóm amin tạo ra phiên bản xetoacid của axit amin cơ chất đầu tiên và phiên bản axit amin của cơ chất thứ nhất là axit α-keto.
Sơ đồ đồ họa của phản ứng aminotransfer giữa một axit amin và axit alpha-keto (Nguồn: Alcibiades Via Wikimedia Commons)
Nhóm amin thường được trao đổi là amino "alpha", tức là nhóm tham gia hình thành liên kết peptit và xác định cấu trúc của axit amin, mặc dù phản ứng liên quan đến các nhóm amin khác có mặt ở các vị trí khác nhau cũng có thể xảy ra. .
Ngoại trừ lysine, threonine, proline và hydroxyproline, tất cả các axit amin đều tham gia vào các phản ứng chuyển hóa, mặc dù transaminase đã được mô tả cho histidine, serine, methionine và phenylalanine, nhưng con đường chuyển hóa của chúng không liên quan đến loại này của các phản ứng.
Phản ứng chuyển hóa giữa các axit amin và axit α-keto được Braunstein và Kritzmann phát hiện vào năm 1937, và kể từ đó chúng trở thành chủ đề của các nghiên cứu chuyên sâu, vì chúng xảy ra trong nhiều mô của các sinh vật khác nhau và cho các mục đích khác nhau.
Ví dụ, ở người, transaminase phân bố rộng rãi trong các mô cơ thể và đặc biệt tích cực trong mô cơ tim, gan, mô cơ xương và thận.
Cơ chế phản ứng
Các phản ứng chuyển hóa ít nhiều liên quan đến cơ chế giống nhau. Như đã thảo luận trước đó, các phản ứng này xảy ra như một sự trao đổi thuận nghịch của nhóm amin giữa một axit amin và một axit α-keto (đã khử), tạo ra axit α-keto của axit amin cho và axit amin của thụ thể axit α-keto.
Những phản ứng này phụ thuộc vào một hợp chất được gọi là pyridoxal phosphate, một dẫn xuất của vitamin B6 tham gia như một chất vận chuyển của các nhóm amin và liên kết với các enzym transaminase thông qua sự hình thành cơ sở Schiff giữa nhóm aldehyde của phân tử này. và ε-amino của phần dư lysine trong vị trí hoạt động của enzyme.
Liên kết giữa pyridoxal phosphate và dư lượng lysine ở vị trí hoạt động không phải là cộng hóa trị, nhưng xảy ra thông qua tương tác tĩnh điện giữa điện tích dương của nitơ trên lysine và điện tích âm trên nhóm phốt phát của pyridoxal.
Trong quá trình phản ứng, axit amin có chức năng như một chất nền sẽ thay thế nhóm ε-amino của gốc lysine trong vị trí hoạt động tham gia vào cơ sở của Schiff với pyridoxal.
Trong khi đó, một cặp electron từ cacbon alpha của axit amin bị loại bỏ và chuyển đến vòng pyridin tạo nên pyridoxal photphat (tích điện dương) và sau đó được "chuyển giao" cho axit α-keto có chức năng như chất nền thứ hai.
Bằng cách này, pyridoxal photphat không chỉ tham gia vào việc chuyển hoặc vận chuyển các nhóm amin giữa các axit amin và các α-xeton là cơ chất của các transaminase, mà còn hoạt động như một "chất chìm" của các điện tử, tạo điều kiện cho sự phân ly của hydro axit amin alpha.
Tóm lại, cơ chất đầu tiên, một axit amin, chuyển nhóm amin của nó thành pyridoxal photphat, từ đây nó được chuyển sang cơ chất thứ hai, một axit α-keto, đồng thời tạo thành một hợp chất trung gian được gọi là pyridoxamin photphat.
Chức năng chuyển hóa
Các enzym transaminase thường được tìm thấy trong tế bào và ti thể và có chức năng tích hợp các con đường trao đổi chất khác nhau.
Ví dụ, glutamate dehydrogenase trong phản ứng ngược của nó có thể chuyển glutamate thành amoni, NADH (hoặc NADPH) và α-ketoglutarate, có thể tham gia vào chu trình axit tricarboxylic và có chức năng sản xuất năng lượng.
Enzyme này, nằm trong chất nền ty thể, đại diện cho một điểm nhánh liên kết các axit amin với quá trình chuyển hóa năng lượng, để khi một tế bào thiếu đủ năng lượng dưới dạng carbohydrate hoặc chất béo để hoạt động, nó có thể sử dụng một số axit amin cho cùng mục đích.
Sự hình thành của enzyme (glutamate dehydrogenase) trong quá trình phát triển não là điều cần thiết để kiểm soát quá trình giải độc amoni, vì nó đã được chứng minh rằng một số trường hợp chậm phát triển trí tuệ liên quan đến hoạt động này thấp, dẫn đến sự tích tụ amoni, gây bất lợi cho sức khỏe của não.
Trong một số tế bào gan, phản ứng chuyển hóa cũng có thể được sử dụng để tổng hợp glucose bằng cách tạo gluconeogenesis.
Glutamine được chuyển thành glutamate và amoni bởi enzyme glutaminase. Sau đó, glutamate được chuyển đổi thành α-ketoglutarate, đi vào chu trình Krebs và sau đó tạo gluconeogenesis. Bước cuối cùng này xảy ra nhờ thực tế là malate, một trong những sản phẩm của lộ trình, được vận chuyển ra bên ngoài ty thể bằng phương tiện con thoi.
Con thoi này để lại α-ketoglutarate dưới sự giúp đỡ của enzyme malic, enzyme này chuyển nó thành pyruvate. Hai phân tử pyruvate sau đó có thể được chuyển đổi thành một phân tử glucose thông qua quá trình tạo gluconeogenesis.
Ví dụ
Các phản ứng chuyển hóa phổ biến nhất liên quan đến các axit amin alanin, axit glutamic và axit aspartic.
Một số enzym aminotransferase, ngoài pyridoxal phosphat, có thể sử dụng pyruvate làm “coenzyme”, như trường hợp của glutamate-pyruvate transaminase, xúc tác phản ứng sau:
glutamat + pyruvate ↔ alanin + α-ketoglutarate
Tế bào cơ phụ thuộc vào phản ứng này để sản xuất alanin từ pyruvate và thu năng lượng thông qua chu trình Krebs thông qua α-ketoglutarate. Trong các tế bào này, việc sử dụng alanin như một nguồn năng lượng phụ thuộc vào việc loại bỏ các nhóm amin dưới dạng ion amoni trong gan, thông qua chu trình urê.
Phản ứng chuyển hóa alanin (Nguồn: Tomas Drab qua Wikimedia Commons)
Một phản ứng chuyển nạp rất quan trọng khác ở các loài khác nhau được xúc tác bởi enzyme aspartate aminotransferase:
L-Aspartate + α-Ketoglutarate ↔ Oxaloacetate + L-Glutamate
Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là phản ứng chuyển hóa axit γ-aminobutyric (GABA), một axit amin không phải protein cần thiết cho hệ thần kinh trung ương có chức năng như một chất dẫn truyền thần kinh ức chế. Phản ứng được xúc tác bởi một axit γ-aminobutyric transaminase và ít nhiều như sau:
α-Ketoglutarate + axit 4-aminobutanoic ↔ Glutamate + Succinic semialdehyde
Semialdehyde succinic được chuyển đổi thành axit succinic thông qua phản ứng oxy hóa và chất này có thể đi vào chu trình Krebs để sản xuất năng lượng.
Người giới thiệu
- Bhagavan, NV, & Ha, CE (2002). Chuyển hóa protein và axit amin. Hóa sinh Y tế (xuất bản lần thứ 4), Nhà xuất bản Học thuật: San Diego, CA, Hoa Kỳ, 331.
- Cammarata, PS & Cohen, PP (1950). Phạm vi của phản ứng chuyển hóa trong mô động vật. Tạp chí Hóa học Sinh học, 187, 439-452.
- Ha, CE, & Bhagavan, NV (2011). Yếu tố sinh hóa y học cần thiết: với các ca lâm sàng. Báo chí Học thuật.
- Litwack, G. (2017). Hóa sinh của con người. Báo chí Học thuật.
- Rowsell, EV (1956). Chuyển hóa với pyruvate và các axit α-keto khác. Tạp chí Hóa sinh, 64 (2), 246.
- Snell, EE, & Jenkins, WT (1959). Cơ chế của phản ứng chuyển hóa. Tạp chí sinh lý học tế bào và so sánh, 54 (S1), 161-177.