1

Biosinteza aminoacizilor Biosinteza aminoacizilor îîn organismele superioaren organismele superioareBiosinteza acidului glutamic Biosinteza acidului glutamic şşi a acidului aspartici a acidului asparticBiosinteza alanineiBiosinteza alanineiBiosinteza serinei, cisteinei Biosinteza serinei, cisteinei şşi glicocoluluii glicocoluluiBiosinteza argininei prolinei Biosinteza argininei prolinei şşi hidroxiprolineii hidroxiprolineiBiosinteza histidinei Biosinteza histidinei

Biotehnologii aplicate Biotehnologii aplicate îîn sinteza unor aminoacizin sinteza unor aminoaciziCatabolismul aminoacizilorCatabolismul aminoacizilor

Căi generale de catabolizare ale aminoacizilorCăi generale de catabolizare ale aminoacizilor: : transaminarea, deaminarea, transaminarea, deaminarea, decarboxilareadecarboxilarea

Căi specifice de catabolizare ale aminoacizilorCăi specifice de catabolizare ale aminoacizilor

METABOLISMUL AMINOACIZILORMETABOLISMUL AMINOACIZILOR

2

Metabolismul amoniacului. Ciclul ureogeneticMetabolismul amoniacului. Ciclul ureogenetic

RelaRelaţţiile metabolice iile metabolice îîntre aminaocizi, glucide, lipide, ntre aminaocizi, glucide, lipide, compucompuşşi azotai azotaţţi neproteicii neproteici

Catabolizarea AA cu formare de substrate ale ciclului ATCCatabolizarea AA cu formare de substrate ale ciclului ATCGluconeogeneza pornind de la aminoaciziGluconeogeneza pornind de la aminoaciziLipogeneza pornind de la aminoaciziLipogeneza pornind de la aminoaciziCetogeneza pornind de la aminoaciziCetogeneza pornind de la aminoaciziAminoacizi precursori au unor compuAminoacizi precursori au unor compuşşi azotati neproteici: i azotati neproteici: Biosinteza creatineiBiosinteza creatineiBiosinteza glutationuluiBiosinteza glutationului

Dereglări Dereglări îîn metabolismul aminoacizilorn metabolismul aminoacizilor

3

BIOSINTEZA BIOSINTEZA AMINOACIZILOR AMINOACIZILOR

IN ORGANISMELE ANIMALEIN ORGANISMELE ANIMALE

►► intermediariintermediari metabolicimetabolici-- ciclulciclul Krebs (ATC) Krebs (ATC) -- catabolizareacatabolizarea aerobaaeroba sisi anaerobaanaeroba a a glucozeiglucozei-- catabolismulcatabolismul gliceroluluiglicerolului sisi a AGa AG

►►precursoriprecursori: : αα--cetoacizicetoacizi = acid = acid piruvicpiruvic

acid acid oxalilaceticoxalilaceticacid acid αα--cetoglutariccetoglutaric

►► via via reactiireactii::-- transminaretransminare-- aminareaminare reductivareductiva

4

5

OXALILACETATAcid

aspartic

Asparagina

Metionina

Treonina

Lizina

Izoleucina

FOSFOENOL-PIRUVAT

Fenilalanina Tirozina

Tirozina

Triptofan

-CETOGLUTARATAcid

glutamic

Glutamina

Prolina

Arginina

PIRUVAT

Alanina

Valina

Leucina

Serina3-FOSFO-GLICERAT

Glicocol

Cisteina

RIBOZO-5-FOSFAT Histidina

BIOSINTEZA AMINOACIZILOR IN BIOSINTEZA AMINOACIZILOR IN ORGANISMELE ANIMALEORGANISMELE ANIMALE

6

Biosinteza acidului glutamic►► precursorprecursor –– acidul acidul --cetoglutariccetoglutaric►►reacreacţţiiii –– transaminareatransaminarea

+ +C

COOH

(CH2)2

COOH

O

Acid -cetoglutaric

CHH2N

COOH

(CH2)2

COOH

Acid glutamic

C

CH3

COOH

O

Acid piruvic

CHH2N

COOH

-Alanina

CH3

+ +C

COOH

(CH2)2

COOH

O

Acid -cetoglutaric

CHH2N

COOH

(CH2)2

COOH

Acid glutamic

C

COOH

O

Acid oxalilacetic

CHH2N

COOH

Acid aspartic

CH2

COOH

CH2

COOH

7

CHH2N

COOH

(CH2)2

COOH

C

COOH

(CH2)2

COOH

ONH4

+++ H2O

NADPH+H+ NADP+

NADH+H+ NAD+

Acid -cetoglutaric Acid glutamic

►►reacreacţţiiii ––aminareaminare reductivreductivăă

8

-- sinteza proteinelorsinteza proteinelor-- neurotransmineurotransmiţţător ător îîn creiern creier-- precursor al GABA precursor al GABA -- transformat transformat îîn glutamină n glutamină (utiliza(utilizată de creier ca un tă de creier ca un „„carburantcarburant”” celular pentru sinteza proteicăcelular pentru sinteza proteică))-- intervine intervine îîn funcn funcţţiile cerebrale de iile cerebrale de îînvănvăţţare are şşi memorizarei memorizare

►►funcfuncţţii ii îîn organismn organism

►►concentraconcentraţţii prea mari este toxic pentru neuroniii prea mari este toxic pentru neuroni

-- aflux excesiv aflux excesiv şşi necontrolat de ioni de calciu i necontrolat de ioni de calciu îîn celulen celule alterarea funcalterarea funcţţiei iei mitocondrialemitocondriale tradusă prin tradusă prin eliberarea citocromilor P450eliberarea citocromilor P450 implicaimplicaţţi i îîn apoptozăn apoptoză

-- suprasupra--expresie a factorilor de transcripexpresie a factorilor de transcripţţie a genelor proie a genelor pro--apoptoticeapoptotice sau la sau la inhibarea factorilor antiinhibarea factorilor anti--apoptoticiapoptotici (factori media(factori mediaţţi de glutamat i de glutamat şşi ionii de calciu)i ionii de calciu)

observaobservaţţiile postiile post--mortem mortem -- pacientilor epileptici sau cu boala Alzheimerpacientilor epileptici sau cu boala Alzheimer

9

Biosinteza acidului asparticBiosinteza acidului aspartic

CHH2N

COOH

CH2

COOH

C

COOH

CH2

COOH

ONH4

+

NADH+H+

NAD+

Acid oxalilacetic

Acid asparticC

C

H COOH

HOOC HAcid fumaric

H2ONAD+

NADH+H+

►► precursoriprecursori –– acidul acidul oxaliloxalil--acetic; acetic; acidulacidul fumaricfumaric►►reacreacţţiiii ––aminareaminare reductivreductivăă

10

●● nivelul hepatocitelornivelul hepatocitelor reacreacţţia de transaminare a acidului glutamic ia de transaminare a acidului glutamic

cu cu acidul piruvicacidul piruvic, sub ac, sub acţţiunea GPTiunea GPT

Biosinteza alaninei

●● nivelul nivelul ţţesutului muscularesutului muscular aminarea reductivă a aminarea reductivă a acidului piruvicacidului piruvic

►► precursorprecursor –– acidul piruvicacidul piruvic

11

►► Ciclul glucoză Ciclul glucoză –– alanină alaninăcuplarea procesului de transfer a alaninei din mucuplarea procesului de transfer a alaninei din muşşchi la ficat chi la ficat cu cel de transfer al glucozei de la ficat la mucu cel de transfer al glucozei de la ficat la muşşchichi

Glucoza

Uree

Piruvat

Alanina

Lactat

FICAT MUSCHI

SANGE

Glucozã

Piruvat

Alanina

6 ATP

NH4+

-cetoglutarat

glutamatALT

2 ATP

SANGE

12

Biosinteza serinei, cisteinei şi glicocolului►► SerinaSerina-- precursoriprecursori = = intermediari metabolici intermediari metabolici din din cadrulcadrul ccatabolatabolismuluiismuluiglucozeiglucozei (( acidul 3acidul 3--fosfofosfo--glicericgliceric)

COOH

CH

H2C

H2N

OH

NAD+

NADH+H+

GLU

H2OPi

-cetoglutarat

Acid 3- fosfogliceric

Acid 3- fosfo-hidroxi piruvic

Serin-3-fosfat

Serina

COOH

HC

H2C O

OH

P

COOH

C O

H2C O P

COOH

CH

H2C O P

H2N

13

CHH2N

CO OH

CH2

H2C S CH3

CHH2N

COO H

CH2

H2C SH

CHH2N

COO H

H2C O H

CHH2N

CO OH

CH2

H2C S

CH

CO OH

CH2

NH2

C O

COO H

CH2

CH3

CHH2N

COO H

H2C SH

SAM +

+

METIONINA

ATP

PPa+Pa

Metionin-sintetaza

THF N-metil-THF

-CH 3

H2O

adenozinaHOMOCISTEINA SERINA

H2O

CISTINA

Cistin-liaza

H2ONH4+

CISTEINAACID -CETO- BUTIRIC

►► CisteinaCisteina-- precursoriprecursori = = serina serina şşi homocisteinăi homocisteină ( ( formataformata din din metioninametionina) )

14

COOH

CH

H2C

H2N

OH

Serina

COOH

CH2H2N

Glicocol

THF THF-CH2OH

THF THF-CH2OH

serinhidroximetiltransferaza

►► GlicocolGlicocol-- precursoriprecursori = = serinaserina

15

Biosinteza Biosinteza ornitinei, argininei ornitinei, argininei şşi prolinei i prolinei

NH

COOH

NCOOH

Prolina

spontan

CHH2N

COOH

(CH2)2

COOH

Acid glutamic

-semialdehida glutamica

CHH2N

COOH

CH2

CH2

CO

H

Ornitina

CHH2N

COOH

CH2

CH2

CH2 NH2

ATP

ADP

Glutamat-5-fosfat

NADH+H+

NAD+ + Pi

GLU

-cetoglutarat

NADH+H+

NAD+

16

→→ ArgininaArgininasintetizatasintetizata din din citrulinacitrulina –– 2 2 enzimeenzime citozolicecitozolice

○○ argininosuccinatargininosuccinat sintetazasintetaza (ASS)(ASS)○○ argininosuccinatargininosuccinat liazaliaza (ASL)(ASL)○○ hidrolizahidroliza ATP ATP

→→ CitrulinaCitrulina : : -- argininaarginina -- nitric nitric oxidoxid sintetazasintetaza (NOS)(NOS)-- ornitinaornitina -- catabolismulcatabolismul prolineiprolinei sisi glutamineiglutaminei

17

SINTEZA ARGININEISINTEZA ARGININEIaxaaxa intestinintestin subsubţţire ire -- rinichirinichi

celulecelule epitelialeepiteliale ale ale intestinuluiintestinului subtiresubtire

obobţţin in citrulinacitrulina pornindpornindde la de la glutaminaglutamina şşi i

glutamatglutamat

celulelecelulele tubuluitubului proximal proximal renalrenal

extract extract citrulinacitrulina din din circulacirculaţţiaia sanguinsanguinăă şşi o i o transformtransformă ă îîn n argininargininăă

argininaarginina preluatpreluatăăapoiapoi îîn n circulacirculaţţiaia

sanguinsanguinăă

↔↔ DEREGLARI ale DEREGLARI ale functieifunctiei renalerenale sausau intestinaleintestinale pot reduce pot reduce sintezasinteza endogenaendogena de de argininaarginina →→ suplimentareasuplimentarea prinprin dietadieta

18

BIOTEHNOLOGII DE OBŢINERE A AMINOACIZILOR

►►totalul de AA produtotalul de AA produşşi industrial i industrial ::66%66% -- indindustriaustria alimentară alimentară31% 31% -- furajefuraje4% 4% -- ind.cosmetiind.cosmetică că şşi medicinăi medicină

●● HidrolizaHidroliza proteinelorproteinelor vegetalevegetale şşi animalei animale●● SintezaSinteza chimicchimicăă –– amestecuriamestecuri racemiceracemice●● Biosinteza microbiologică Biosinteza microbiologică ●● Sinteza enzimatică Sinteza enzimatică

19

1. 1. Hidroliza proteinelor vegetale Hidroliza proteinelor vegetale şşi animalei animale-- LL--glutamatul din fglutamatul din faaina de grina de grââu, u, soia sau din melasăsoia sau din melasă

2. 2. Sinteza chimica Sinteza chimica -- metodă mai laborioasă metodă mai laborioasă şşi costisitoarei costisitoare-- se se obobţţin amestecuri racemice (amestec de izomeri optici)in amestecuri racemice (amestec de izomeri optici)

3. 3. Biosinteza microbiologicăBiosinteza microbiologică++ folosesc materie primă ieftină folosesc materie primă ieftină -- necenecessită uită unn timp mare de sinteză timp mare de sinteză-- AA rezultaAA rezultaţţi trebuiesc separai trebuiesc separaţţi de ali de alţţi AA din i AA din mediu precum mediu precum şşi de impurităi de impurităţţile existenteile existente

4. 4. Sinteza enzimaticSinteza enzimaticăă+ + este rapidăeste rapidă, e, eficientăficientă, n, nu produce impuritău produce impurităţţi i şşi dei deşşeurieuri-- materia primă utilizată materia primă utilizată şşi enzimele sunt scumpei enzimele sunt scumpe

20

►► Plantele Plantele şşi microorganismele pot sintetiza i microorganismele pot sintetiza aproxiaproximmativ 200 AA, dar dintre acestia doar ativ 200 AA, dar dintre acestia doar aproximativ 25 pot participa la biosinteza proteineloraproximativ 25 pot participa la biosinteza proteinelor

►► Căile de biosintezăCăile de biosinteză

-- identice cu cele din organismele animaleidentice cu cele din organismele animale transaminarea transaminarea şşi aminarea reductivăi aminarea reductivă

-- deosebiri esendeosebiri esenţţiale:iale: plantele pot utiliza N anorganic preluat din mediul plantele pot utiliza N anorganic preluat din mediul îînconjurător nconjurător varietatea scheletului carbonic pe care varietatea scheletului carbonic pe care îîl sintetizează el sintetizează estestemai maremai mare

21

►► Scheletul AA Scheletul AA -- metabolimetaboliţţi glucidici:i glucidici:-- acidul acidul --cetoglutariccetoglutaric-- acidul piruvicacidul piruvic-- triozeletriozele-- pentozopentozo--fosfafosfaţţiiii

►► Reglarea biosintezei AA Reglarea biosintezei AA -- mecanisme almecanisme alllosterice de tip osterice de tip „„feedfeed--backback””-- mecanism ce implică inhibarea biosintezei mecanism ce implică inhibarea biosintezei

enzimelor ce participă la procesul de sinteză a AAenzimelor ce participă la procesul de sinteză a AA

22

►► TTulpini producătoare de Aulpini producătoare de AA A -- bacteriile din genulbacteriile din genulMicroccocus Microccocus Mycobacterium Mycobacterium CorynebacteriumCorynebacteriumBrevibacteriumBrevibacterium

►► Utilizând aceste tulpini se obUtilizând aceste tulpini se obţţin de in de obicei obicei mai mulmai mulţţi AA i AA şşi doar foarte rar un singur AAi doar foarte rar un singur AA

►► GGli, li, AAla, la, SSer, er, VValal,, Glu, AGlu, Aspsp

Biosinteza microbiologicăBiosinteza microbiologică

23

1. stimularea sintezei enzimelor implicate în obţinerea AA

2. stimularea potrivită în celule a substanţelor nutritive utilizate ca materii prime în biosinteză

3. stoparea reacţiilor secundare

4. inhibarea activităţii enzimelor care produc degradarea AA

5. stimularea excreţiei de AA în mediul exterior

Condiţii obligatorii de îndeplinit pentru producerea microbiologică a AA

24

Biotehnologia obBiotehnologia obţţinerii acidului glutamicinerii acidului glutamic19561956 -- Japonia Japonia, s, s--a izolat un microorganism capabil sa producă a izolat un microorganism capabil sa producă acid acid glutamic glutamic îîntrntr--un mediu cu glucoză un mediu cu glucoză şşi amoniui amoniu ((Microccocus Microccocus glutamicusglutamicus))

►Mecanismul de sinteza

■■ glucoza este oxidată la acid citric glucoza este oxidată la acid citric →→ ciclul ATC ciclul ATC →→ acid acid --ceto glutaricceto glutaric

--ceto glutaratceto glutaratcondicondiţţii aerobe ii aerobe –– acid glutamicacid glutamic

condicondiţţii anaerobe ii anaerobe -- acidul lacticacidul lactic

►► producproducţţia mondială de glutamat ia mondială de glutamat -- estimată la estimată la 250.000 tone / an250.000 tone / an

25

o forma liberao forma libera (glutamat de sodiu)(glutamat de sodiu) care joaca un rol important care joaca un rol important in gustul min gustul mââncncăăriirii arome de bazăarome de bază -- „„umamiumami”” (savuros)(savuros)

-- alimentatie alimentatie -- 2 forme:2 forme: o forma legata de alo forma legata de alţţi AA pi AA pentruentru a forma o proteinaa forma o proteina

carne, peste, vegetale, cerealecarne, peste, vegetale, cereale

-- forma forma liberalibera -- rosii, cartofi, sos de soia, branzarosii, cartofi, sos de soia, branza-- aditiv alimentaraditiv alimentar

► sursa principala de energie a intestinului► Glutamatul prezent în alimente este transformat în intestin în

glutamat liber iar dupa absorbţie şi vehiculare pe cale sanguină ajunge la creier unde are rol de neurotransmiţător

26

L - Acidul aspartic obtinere prin extracţie din hidrolizatul unor proteine sinteza pornind de la amoniac şi acid fumaric, în

prezenţă de Escherichia coli

L-Fenilalanina Sinteza enzimatica Fermentaţie bazată pe mutanţi de înaltă performanţă

◊ Rhodotorula glutinis (50 g/l cu un randament estimat la 83%)◊ Flavobacterium ammoniagenes◊ mutante de E.coli şi Corynebacterium, sursa de carbon fiind glucoza

27

Aspartamul

L-a-aspatil-L-fenilalanil-metil-ester îndulcitor sintetic caracterizat printr-o putere calorică mai mică

dar cu putere de îndulcire de 200 de ori mai puternică decât a zahărului

considerat un aditiv alimentar, producţia sa fiind estimată la 10000 tone/an

a fost descoperit accidental in 1965, cand James Schlatter, chimist la compania G.D. Searle, testa un medicament anti-ulcer

Codul european pentru aspartam este E 951

28

Denumire Compoziţie chimică Putere de îndulcire

zahăr diglucidă (glucoză + fructoză) 1ciclamat de sodiu ciclohexilsulfamidă de Na (sintetică) 40aspartam dipeptidă 200

zaharină sarea de Na a imidei acidului 2-sulfobenzoic (sintetică) 450

taumatin proteină neglicozilată formată din 208 aminoacizi 2500

dr. Russell Blaylock500 de referinţe ştiinţifice - excesul de

aminoacizi liberi în alimentaţie → perturbări neurologice cronice