Nedbrytningsvägar för aminosyror

Vid aminosyranedbrytning skiljs aminokvävet från kolskelettet: kvävet koncentreras främst till glutamat, transporteras som glutamin eller alanin och utsöndras huvudsakligen som urea. Kolskelettet förs samtidigt in i centralmetabolismen på sju definierade nivåer. Slutprodukterna avgör om en aminosyra är glukogen, ketogen eller både glukogen och ketogen.

Aminosyran som kväve- och kolsubstrat

Den fria aminosyrapoolen omfattar aminosyror i plasma och intracellulärvätska som är tillgängliga för syntes eller oxidation. Poolen är liten jämfört med kroppens proteinmassa och omsätts snabbt. Tillflödet kommer från absorberade födoaminosyror, kontinuerlig nedbrytning av endogena proteiner samt de novo-syntes av icke-essentiella aminosyror från intermediärer i glykolys och citronsyracykel. Hos en vuxen omsätts ungefär 250–300 g kroppseget protein per dygn, även om nettobalansen hos en viktstabil person är nära noll.

Aminosyrorna lämnar poolen genom proteinsyntes, syntes av specialiserade kväveföreningar och katabolism. Till de specialiserade produkterna hör bland annat puriner, pyrimidiner, hem, kreatin, katekolaminer, serotonin, melatonin, kväveoxid och glutation. Kroppen saknar en särskild lagringsform för överskottsaminosyror. När tillförseln överstiger behovet av proteinsyntes avlägsnas därför aminokvävet, medan kolskelettet oxideras eller omvandlas till glukos, ketonkroppar eller fettsyror.

Postprandialt ökar både proteinsyntes och aminosyraoxidation, särskilt i levern. Insulin hämmar proteolys och gynnar upptag och proteinsyntes i muskel. Under nattfasta ökar muskelproteolysen måttligt för att förse lever och njure med glukogena substrat. Vid långvarig fasta minskar ureaproduktionen när hjärnan övergår till ketonkroppar och behovet av glukoneogenes från aminosyror avtar. Sepsis, större trauma och brännskada medför däremot uttalad proteolys, negativ kvävebalans och ökad ureagenes. Vid långvarigt fysiskt arbete ökar framför allt muskelns oxidation av grenade aminosyror, men deras bidrag till den totala energiförsörjningen är normalt begränsat.

Transaminering samlar aminokvävet i glutamat

Aminotransferaser katalyserar vanligen en reversibel reaktion där en aminosyras α-aminogrupp överförs till α-ketoglutarat. Produkterna blir glutamat och den ursprungliga aminosyrans motsvarande α-ketosyra:

aminosyra + α-ketoglutarat ⇌ α-ketosyra + glutamat

På detta sätt samlas kväve från många olika aminosyror i glutamat. Reaktionerna ligger ofta nära jämvikt och deras riktning bestäms av substrat- och produktkoncentrationerna. De fungerar därför både katabolt och biosyntetiskt.

Kofaktorn är pyridoxal-5′-fosfat, PLP, den aktiva formen av vitamin B6. PLP är initialt bundet till enzymets lysinrest som en Schiff-bas. Aminosyran ersätter lysinet, varefter PLP stabiliserar en karbanjonintermediär och tar emot aminogruppen. Pyridoxaminfosfat överför därefter gruppen till α-ketoglutarat. Enzymet återbildas utan att fritt ammonium behöver uppträda i reaktionsmiljön.

ALT katalyserar överföring mellan alanin och pyruvat, medan AST kopplar aspartat till oxaloacetat. Båda har cytosoliska och mitokondriella isoenzymer; serumaktiviteterna används som markörer för cellskada, framför allt i lever men även i muskulatur. Aminotransferaser är substratspecifika men kan acceptera närbesläktade aminosyror. Lysin, treonin, prolin och hydroxyprolin bryts huvudsakligen ned genom andra inledande reaktioner och följer inte den typiska transamineringsprincipen.

Frisättning och återvinning av ammonium

Glutamat kan i leverns mitokondrier genomgå oxidativ deaminering via glutamatdehydrogenas:

glutamat + NAD(P)+ + H₂O ⇌ α-ketoglutarat + NH₄+ + NAD(P)H + H+

Reaktionen regenererar α-ketoglutarat och frigör ammonium till ureacykeln. Kombinationen av aminotransferering från en aminosyra till glutamat och efterföljande glutamatdeaminering kallas transdeaminering. Därigenom kan kväve från många aminosyror hanteras genom en gemensam slutreaktion.

Glutamatdehydrogenas är ett mitokondriellt, energikänsligt enzym. ADP och GDP aktiverar enzymet och gynnar oxidation av glutamat när energibehovet är högt. ATP och framför allt GTP hämmar reaktionen vid hög energiladdning. Riktningen påverkas dessutom av koncentrationerna av glutamat, α-ketoglutarat, ammonium och redoxkoenzymer.

Ammonium frigörs även genom glutaminasets hydrolys av glutamin till glutamat, genom PLP-beroende dehydrering och deaminering av serin och treonin samt vid nedbrytning av andra kväveföreningar. I arbetande muskel bildar purinnukleotidcykeln fumarat och ammonium när AMP omvandlas via IMP. Ammonium kan återvinnas genom glutaminsyntetas eller användas i biosyntes, men vid överskott måste det snabbt avgiftas eftersom ammoniak stör cerebral energimetabolism och neurotransmission.

Säker transport av kväve mellan organ

Fritt ammonium är neurotoxiskt och transporteras därför huvudsakligen i organiskt bunden form. Glutaminsyntetas katalyserar en ATP-beroende amidbildning:

glutamat + NH₄+ + ATP → glutamin + ADP + fosfat

Reaktionen är viktig i skelettmuskel, hjärna och leverns perivenösa hepatocyter. Glutamin transporteras till lever, njure eller tarm, där glutaminas åter frigör ammonium. I levern går detta till ureacykeln; i njuren kan det utsöndras som NH₄+.

I glukos–alanincykeln tar muskelns glutamat emot aminokväve, bland annat från grenade aminosyror. ALT överför sedan aminogruppen från glutamat till glykolytiskt pyruvat och bildar alanin. Alanin transporteras till levern, transamineras tillbaka till pyruvat och används för glukoneogenes. Glukos återförs till muskel, medan kvävet överförs till urea. Cykeln flyttar således både glukogent kol och potentiellt toxiskt kväve.

Vid metabol acidos ökar njurens upptag och nedbrytning av glutamin. Glutaminas och glutamatdehydrogenas frigör två ammoniumjoner per glutamin, samtidigt som kolskelettet kan ge nytt bikarbonat till blodet. NH₃ diffunderar till tubuluslumen, protoneras till NH₄+ och fångas för utsöndring. I hjärnan tar astrocyternas glutaminsyntetas upp ammonium och glutamat. Vid hyperammonemi kan den resulterande glutaminansamlingen ge osmotisk astrocytsvullnad och cerebralt ödem.

Ureacykeln: kvävets huvudsakliga slutstation

Ureacykeln är lokaliserad till levern. I mitokondrien bildar karbamoylfosfatsyntetas 1, CPS1, karbamoylfosfat av NH₄+, bikarbonat och två ATP. Ornitintranskarbamylas överför karbamoylgruppen till ornitin och bildar citrullin, som transporteras till cytosolen. Det första ureakvävet kommer alltså från fritt ammonium och ureans karbonylkol från bikarbonat.

I cytosolen kondenserar argininosuccinatsyntetas citrullin med aspartat. ATP spjälkas då till AMP och pyrofosfat, vilket motsvarar två energirika fosfatbindningar. Argininosuccinatlyas klyver produkten till arginin och fumarat. Arginase hydrolyserar slutligen arginin till urea och ornitin; ornitin återförs till mitokondrien. Det andra ureakvävet kommer från aspartat.

En cykel förbrukar tre ATP men fyra energirika fosfatbindningar. CPS1 kräver N-acetylglutamat, vars syntes stimuleras av arginin och därmed signalerar hög kvävetillförsel. Fumarat länkar ureacykeln till citronsyracykeln via malat och oxaloacetat; oxaloacetat kan transamineras till nytt aspartat. Periportala hepatocyter svarar för huvuddelen av ureagenesen. Kvarvarande ammonium fångas i perivenösa hepatocyter av glutaminsyntetas, vilket bildar ett hög-affint slutfilter.

Kolskelettens sju inträdespunkter i centralmetabolismen

Efter att kvävet avlägsnats bryts kolskeletten ned till sju centrala produkter eller produktgrupper. Pyruvat, α-ketoglutarat, succinyl-CoA, fumarat och oxaloacetat kan ge nettobildning av glukos och är glukogena. Acetyl-CoA, acetoacetat och acetoacetyl-CoA är ketogena slutprodukter.

Leucin och lysin är strikt ketogena. Isoleucin, fenylalanin, treonin, tryptofan och tyrosin ger både glukogena och ketogena produkter. Övriga proteinogena aminosyror klassificeras som glukogena, även om vissa kan bidra indirekt till flera intermediärer.

Acetyl-CoA ger inte nettosyntes av glukos hos människa. Pyruvatdehydrogenasreaktionen är irreversibel, och de två kol som förs in i citronsyracykeln som acetyl-CoA motsvaras i nettohänseende av två kol som lämnar som CO₂. Människan saknar dessutom glyoxylatcykel, som hos växter och vissa mikroorganismer kringgår dessa dekarboxyleringar.

Vägar till pyruvat, oxaloacetat och α-ketoglutarat

Pyruvatbildande aminosyror

Alanin transamineras direkt av ALT till pyruvat. Serin omvandlas av serindehydratas till pyruvat och ammonium, eller av serinhydroximetyltransferas till glycin. Den senare reaktionen kräver PLP och tetrahydrofolat, THF, som tar emot en enkolsenhet och bildar 5,10-metylen-THF.

Glycin kan återbilda serin eller brytas ned i det mitokondriella glycinspjälkningssystemet. Där bildas CO₂, NH₄+ och 5,10-metylen-THF, samtidigt som NAD+ reduceras. Cystein kan desulfureras och omvandlas till pyruvat; svavlet återfinns bland annat som sulfid, sulfit, sulfat eller taurinrelaterade produkter.

Oxaloacetat och α-ketoglutarat

Asparaginas hydrolyserar asparagin till aspartat och ammonium. Aspartat transamineras därefter av AST till oxaloacetat. Detta knyter asparagin- och aspartatkatabolism till glukoneogenes, malat–aspartatskytteln och ureacykelns tillförsel av aspartatkväve.

Glutamin hydrolyseras till glutamat, medan prolin och arginin via glutamatsemialdehyd respektive ornithin också når glutamat. Histidin omvandlas via urokanat och FIGLU, formiminoglutamat, till glutamat. Formiminogruppen överförs normalt till THF. Vid folatbrist försämras överföringen, och FIGLU-utsöndringen i urin kan öka. Glutamat omvandlas slutligen genom transaminering eller glutamatdehydrogenas till α-ketoglutarat.

Propionyl-CoA och vägen till succinyl-CoA

Valin, delar av isoleucin, metionin och delar av treoninmetabolismen ger propionyl-CoA. Propionyl-CoA-karboxylas katalyserar ATP-beroende karboxylering till D-metylmalonyl-CoA. Enzymet kräver kovalent bundet biotin, som först karboxyleras och därefter överför karboxylgruppen till propionyl-CoA.

Metylmalonyl-CoA-epimeras omvandlar D-isomeren till L-metylmalonyl-CoA. Metylmalonyl-CoA-mutas genomför sedan en intramolekylär omlagring till succinyl-CoA. Mutaset kräver adenosylkobalamin, en aktiv form av vitamin B12. Succinyl-CoA kan gå in i citronsyracykeln och bidra till glukoneogenes.

Vid B12-brist minskar mutasreaktionen och metylmalonyl-CoA ansamlas. Detta hydrolyseras eller omvandlas till metylmalonat, som stiger i plasma och urin. Metylmalonat är därför en känsligare funktionell markör för B12-brist än total homocystein, eftersom folatbrist höjer homocystein men inte metylmalonat. Uttalad stegring ses även vid metylmalonacidemi orsakad av mutas- eller kobalaminmetabolismdefekter.

Grenade aminosyror: leucin, isoleucin och valin

Leucin, isoleucin och valin är essentiella grenade aminosyror, BCAA. Till skillnad från flertalet aminosyror inleds deras katabolism huvudsakligen extrahepatiskt, särskilt i skelettmuskel. Mitokondriellt BCAT2 överför aminogruppen till α-ketoglutarat och bildar glutamat samt respektive grenade α-ketosyra: α-ketoisokaproat från leucin, α-keto-β-metylvalerat från isoleucin och α-ketoisovalerat från valin.

Det mitokondriella BCKDH-komplexet katalyserar därefter den irreversibla oxidativa dekarboxyleringen. Komplexet är analogt med pyruvatdehydrogenas och använder tiaminpyrofosfat, lipoamid, FAD, NAD+ och CoA. Produkterna är grenade acyl-CoA-estrar, CO₂ och NADH. Leucin ger slutligen acetyl-CoA och acetoacetat, isoleucin ger acetyl-CoA och succinyl-CoA, medan valin ger succinyl-CoA.

BCKDH inaktiveras genom fosforylering av BCKDH-kinas, BCKDK, och aktiveras genom defosforylering av fosfataset PPM1K. Grenade ketosyror, särskilt α-ketoisokaproat, gynnar aktivering genom att hämma kinaset. Muskel har hög BCAT2-aktivitet, medan levern har liten initial transamineringskapacitet men kan oxidera cirkulerande ketosyror. Vid fasta och uthållighetsarbete ökar BCAA-flödet från proteolys och deras oxidation i arbetande muskel.

Fenylalanin och tyrosin till fumarat och acetoacetat

Fenylalaninhydroxylas omvandlar fenylalanin till tyrosin med tetrahydrobiopterin, BH4, som reduktionskofaktor. BH4 regenereras av dihydropteridinreduktas. Brist på fenylalaninhydroxylas orsakar fenylketonuri med ansamling av fenylalanin och fenylketoner. Högt fenylalanin stör transport av andra stora neutrala aminosyror över blod–hjärnbarriären och påverkar neurotransmittor- och proteinsyntes. BH4-defekter kan samtidigt ge brist på dopamin och serotonin.

Tyrosin transamineras till 4-hydroxifenylpyruvat, som omvandlas till homogentisat. Homogentisatdioxygenas öppnar därefter den aromatiska ringen. Via maleylacetoacetat och fumarylacetoacetat bildas slutligen fumarat och acetoacetat. Fenylalanin och tyrosin är därför både glukogena och ketogena.

Defekt tyrosinaminotransferas orsakar tyrosinemi typ II, ofta med keratit och palmoplantar hyperkeratos. Brist på 4-hydroxifenylpyruvatdioxygenas ger tyrosinemi typ III med varierande neurologiska symtom. Vid tyrosinemi typ I saknas fumarylacetoacetathydrolas; fumarylacetoacetat och succinylaceton ansamlas och orsakar lever- och njurskada samt risk för hepatocellulär cancer. Homogentisatdioxygenasbrist ger alkaptonuri: homogentisat mörkfärgar urin och deponeras i bindväv, vilket med tiden ger ochronos och artropati.

Metionin, homocystein och transsulfurering

Metionin aktiveras med ATP till S-adenosylmetionin, SAM. Efter donation av en metylgrupp till exempelvis DNA, fosfolipider eller neurotransmittorrelaterade substrat återstår S-adenosylhomocystein. Hydrolys ger adenosin och homocystein. Homocystein är därmed en central förgreningspunkt mellan återbildning av metionin och irreversibel transsulfurering.

Vid remetylering överför metioninsyntas en metylgrupp från 5-metyl-THF till homocystein. Reaktionen kräver metylkobalamin. Vid B12-brist kan 5-metyl-THF inte effektivt lämna sin metylgrupp, vilket ger en funktionell folatbrist, den så kallade folatfällan. Både B12- och folatbrist kan därför ge hyperhomocysteinemi och megaloblastisk hematopoes, men neurologisk påverkan och metylmalonatstegring talar för B12-brist.

I transsulfureringen kondenserar cystationin-β-syntas homocystein med serin till cystationin. Cystationin-γ-lyas klyver sedan cystationin till cystein, α-ketobutyrat och ammonium. Båda enzymerna är PLP-beroende, varför vitamin B6-brist kan höja homocystein. Cystationin-β-syntasbrist ger klassisk homocystinuri med tromboembolisk risk, linsluxation, marfanoid habitus och neurokognitiv påverkan.

Lysin, tryptofan och övriga specialvägar

Lysin transamineras inte inledningsvis på vanligt sätt. I mitokondriens sackaropinväg kondenseras lysin med α-ketoglutarat och omvandlas via sackaropin till α-aminoadipatsemialdehyd och glutamat. Fortsatt oxidation ger glutaryl-CoA och därefter acetoacetyl-CoA. Lysin är därför strikt ketogent. Defekter i sackaropinnedbrytningen kan ge hyperlysinemi, ofta mild men biokemiskt tydlig.

Glutaryl-CoA-dehydrogenasbrist orsakar glutaraciduri typ I. Glutarsyra och 3-hydroxiglutarsyra ansamlas från lysin-, hydroxylysin- och tryptofannedbrytning. Interkurrent katabolism kan utlösa akut striatal skada med dystoni. Tryptofans huvudsakliga kynureninväg ger både alanin och acetoacetyl-CoA och bidrar till de novo-syntes av NAD+. En mindre del används för serotonin och vidare melatonin.

Hydroxyprolin och hydroxylysin frigörs framför allt vid kollagennedbrytning och följer särskilda vägar; hydroxylysins kol kan ansluta till lysinkatabolismen. Prolin och hydroxyprolin bryts inte ned genom ordinär initial transaminering. Glycin är också ett specialfall eftersom glycinspjälkningssystemet överför ett kol till THF och samtidigt frigör CO₂ och ammonium. Defekt glycinspjälkning ger icke-ketotisk hyperglycinemi med svår neurologisk påverkan.

Metabol integration och fysiologisk variation

Lever, skelettmuskel, njure, tarm och hjärna har olika uppgifter i aminosyrametabolismen. Levern har ureacykel, hög kapacitet för aminotransferering, glukoneogenes, ketogenes och lipogenes. Muskel är centralt för proteolys, BCAA-transaminering samt alanin- och glutaminexport. Tarmen förbrukar mycket glutamin och omvandlar delar av kostens aminosyror före passage till portalblodet.

Njuren tar vid fasta del i glukoneogenesen och vid acidos i ammoniagenesen. Hjärnan behöver strikt kontroll av ammoniak och använder astrocytärt glutaminsyntetas som skyddsmekanism. För mycket glutamin kan dock bidra till cerebralt ödem. Muskel fungerar även som ett alternativt ammoniakavgiftande organ vid nedsatt leverfunktion, men detta förbrukar glutamat och BCAA-kväve.

I fött tillstånd främjar insulin proteinsyntes och hämmar proteolys; överskottsaminosyror oxideras. Under fasta driver glukagon och lågt insulin glukoneogenes och ureagenes. Långvarig svält ger proteinsparande anpassning genom ketonkroppsanvändning. Graviditet och tillväxt kräver positiv kvävebalans. Uthållighetsarbete ökar aminosyraoxidationen, medan sepsis och trauma ger okontrollerad proteolys trots nutrition. Vid leversvikt sjunker ureakapaciteten och ammonium stiger; vid njursvikt minskar kväveutsöndring och renal ammoniagenes, vilket bidrar till azotemi och acidos.

Kliniska störningar och biokemisk diagnostik

Medfödda defekter kan grupperas efter metabolt block och den akuta risken. Ureacykeldefekter ger hyperammonemi, ofta med respiratorisk alkalos tidigt. BCKDH-brist ger lönnsirapsurinsjukdom med höga BCAA, alloisoleucin och grenade ketosyror. BCKDK-brist ger motsatt fenotyp med överdriven BCKDH-aktivitet och låga BCAA, ofta i kombination med neurologisk påverkan.

Basutredningen omfattar plasmaaminosyror, acylkarnitinprofil och urinens organiska syror. Ammonium, urea, blodgas, glukos, laktat, ketoner, elektrolyter och leverprover beskriver den akuta metabola situationen. Metylmalonat skiljer funktionell B12-brist från isolerad folatbrist, medan total homocystein påverkas av folat, B12, B6, njurfunktion och flera genetiska faktorer. Resultaten måste tolkas i relation till födointag, fasta, ålder, läkemedel och pågående katabolism.

Venöst ammonium hos vuxna är ofta under cirka 35 µmol/L, men referensintervallet är starkt metod- och laboratorieberoende. Provet kräver särskilt noggrann preanalytik: långvarig stas, knuten eller arbetande hand, hemolys och traumatisk provtagning kan ge falskt höga värden. Blodet ska hanteras enligt laboratoriets lokala anvisningar och snabbt separeras från blodkropparna. Sen centrifugering och varm transport ökar ammonium genom fortsatt cellulär metabolism. Ett oväntat förhöjt värde bör därför omkontrolleras skyndsamt utan att behandling av en kliniskt sannolik hyperammonemi fördröjs.

Källor

• Branched-chain amino acid
• Grenade aminosyror
• Branched-chain amino acid
• Bild: File:1ekp.jpg — Deposition: Yennawar, N.H., Dunbar, J.H., Conway, M., Hutson, S.M. och Farber, G.K.; visualisering User:A, CC BY-SA 4.0
• Bild: File:Interaction between Branched-Chain Amino Acids and the Purine Nucleotide Cycle in muscles.png — Milan Holeček, CC BY-SA 4.0
• Bild: File:Methionine and branched chain amino acid metabolism.svg — Zachary P. Christensen, CC BY-SA 4.0