Aminosäuresynthese

Die sogenannte Biosynthese («Lebenszusammenführung») bedeutet in der Biochemie ganz einfach und kurz zusammen gefasst den Aufbau organischer Substanzen, bei der Aminosäuresynthese handelt es sich um Aminosäuren. Diese Vorgänge sind äusserst komplex.

Was sind Aminosäuren?

Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine und spielen eine zentrale Rolle in nahezu allen biologischen Prozessen. Sie bestehen aus einer Aminogruppe (-NH₂), einer Carboxylgruppe (-COOH), einem Wasserstoffatom und einer variablen Seitenkette (R-Gruppe), die jede Aminosäure einzigartig macht.

Arten von Aminosäuren

Aminosäuren lassen sich in verschiedene Kategorien einteilen:

• Essentielle Aminosäuren: Diese können vom menschlichen Körper nicht selbst hergestellt werden und müssen daher über die Nahrung aufgenommen werden. Es gibt neun essentielle Aminosäuren:
• Histidin
• Isoleucin
• Leucin
• Lysin
• Methionin
• Phenylalanin
• Threonin
• Tryptophan
• Valin
• Nicht-essentielle Aminosäuren: Diese kann der Körper selbst synthetisieren. Beispiele sind:
• Alanin
• Asparagin
• Glutamin
• Glycin
• Prolin
• Serin
• Bedingt essentielle Aminosäuren: Unter bestimmten Bedingungen (z.B. Krankheit, Stress) kann der Bedarf an diesen Aminosäuren steigen, sodass sie essentiell werden. Beispiele sind:
• Arginin
• Cystein
• Glutamat
• Tyrosin

Biosynthese von Aminosäuren

Die Synthese von Aminosäuren erfolgt über komplexe biochemische Wege, die in verschiedenen Organismen unterschiedlich ausgeprägt sein können. Beim Menschen sind die meisten Aminosäuren nicht selbst synthetisierbar, weshalb sie über die Nahrung aufgenommen werden müssen. In Pflanzen und Mikroorganismen hingegen können alle Aminosäuren synthetisiert werden.

Allgemeine Schritte der Aminosäuresynthese

1. Grundgerüstbildung: Ausgangsmaterialien wie Pyruvat, 3-Phosphoglycerat oder α-Ketoglutarat werden durch enzymatische Reaktionen zu den Grundgerüsten der Aminosäuren umgebaut.
2. Transaminierung: Eine Aminogruppe von einer Aminosäure (oft Glutamat) wird auf das α-Ketosäure-Gerüst übertragen, wodurch die gewünschte Aminosäure entsteht.
3. Reduktion und Modifikation: Einige Aminosäuren erfordern zusätzliche Reduktions- oder Modifikationsschritte, um ihre endgültige Struktur zu erreichen.

Wichtige Enzyme und Cofaktoren

• Transaminasen (Aminotransferasen): Katalysieren die Übertragung der Aminogruppe.
• Glutamat-Dehydrogenase: Kann Aminogruppen abgeben oder aufnehmen.
• Vitamin B6 (Pyridoxalphosphat): Ein wichtiger Cofaktor für viele Transaminasen.

Wichtige Synthesewege für verschiedene Aminosäuren

1. Synthese der Glutamat und Glutamine

Glutamat ist eine zentrale Aminosäure im Aminosäurestoffwechsel und dient als Aminosäure-Donor in vielen Transaminierungsreaktionen.

• Synthese von Glutamat:
• Nitrogen Fixierung: Ammoniak (NH₃) wird mit α-Ketoglutarat durch die Wirkung der Enzyme Glutamat-Dehydrogenase oder Glutaminsynthetase zu Glutamat umgesetzt.
• Synthese von Glutamin:
• Glutamin-Synthetase: Addiert eine zweite Aminogruppe zu Glutamat, wodurch Glutamin entsteht.

2. Synthese der Serin

Serin wird aus 3-Phosphoglycerat synthetisiert, einem Zwischenprodukt der Glykolyse.

Schritte:

1. 3-Phosphoglycerat → 3-Phosphohydroxypyruvat: Durch die Enzyme Phosphoglycerat-Dehydrogenase.
2. 3-Phosphohydroxypyruvat → Phosphoserin: Durch die Enzyme Phosphoserin-Aminotransferase.
3. Phosphoserin → Serin: Durch die Phosphoserin-Phosphatase.

3. Synthese der Alanin

Alanin wird hauptsächlich durch die Transaminierung von Pyruvat synthetisiert.

• Reaktion:
• Pyruvat + Glutamat → Alanin + α-Ketoglutarat
• Enzym: Alanin-Transaminase (ALT)

4. Synthese der Tyrosin

Tyrosin wird aus Phenylalanin durch Hydroxylierung synthetisiert.

• Reaktion:
• Phenylalanin + O₂ + Tetrahydrobiopterin → Tyrosin + CO₂ + H₂O
• Enzym: Phenylalanin-Hydroxylase

5. Synthese der Cystein

Cystein wird aus Serin und Homocystein synthetisiert.

• Reaktion:
• Serin + Homocystein + ATP → Cystein + ADP + Pi
• Enzym: Cystathionin-β-Synthase

Regulation der Aminosäuresynthese

Die Synthese von Aminosäuren wird streng reguliert, um den Bedarf der Zelle zu decken und Energie effizient zu nutzen. Hierzu gehören:

• Allosterische Regulation: Enzyme der Synthesewege werden durch Endprodukte oder andere Metaboliten reguliert, um die Produktion zu steigern oder zu hemmen.
• Feedback-Inhibition: Hohe Konzentrationen einer Aminosäure können die Aktivität der ersten Enzyme im Syntheseweg hemmen.
• Transkriptionale Regulation: Gene, die für Enzyme der Aminosäuresynthese kodieren, können durch Transkriptionsfaktoren ein- oder ausgeschaltet werden.

Bedeutung der Aminosäuresynthese für den Organismus

Die Synthese von Aminosäuren ist essentiell für das Wachstum, die Reparatur und die Erhaltung von Geweben. Aminosäuren sind nicht nur Bausteine von Proteinen, sondern auch Vorläufer für die Synthese von Neurotransmittern, Hormonen und anderen wichtigen Molekülen.

Funktionen von Aminosäuren

• Proteinbildung: Strukturproteine, Enzyme, Transportproteine und viele andere.
• Neurotransmitter: Serotonin, Dopamin, GABA.
• Hormonproduktion: Insulin, Glukagon, Thyroxin.
• Stoffwechsel: Beteiligung an der Energiegewinnung und -speicherung.

Bedeutung in der Ernährung

Eine ausgewogene Zufuhr von Aminosäuren ist entscheidend, insbesondere für essentielle Aminosäuren, die über die Nahrung aufgenommen werden müssen. Mangelnde Zufuhr kann zu Muskelschwund, geschwächtem Immunsystem und anderen gesundheitlichen Problemen führen.

Pathologien im Zusammenhang mit Aminosäuresynthese

Störungen in der Aminosäuresynthese können schwerwiegende gesundheitliche Folgen haben. Einige bekannte Erkrankungen sind:

• Phenylketonurie (PKU): Eine genetische Störung, bei der die Umwandlung von Phenylalanin zu Tyrosin beeinträchtigt ist. Dies führt zu einer Ansammlung von Phenylalanin, was neurologische Schäden verursachen kann.
• Homocystinurie: Eine Störung des Methionin-Stoffwechsels, bei der Homocystein nicht effizient zu Methionin umgewandelt wird. Dies kann zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen und anderen gesundheitlichen Problemen führen.
• Ostereoporose und Muskelschwund: Kann durch Mangel an essentiellen Aminosäuren verursacht werden, die für den Muskelaufbau und die Knochengesundheit notwendig sind.

Weiterführende Literatur und Ressourcen

Für tiefergehende Informationen und wissenschaftliche Studien zur Aminosäuresynthese empfehlen wir folgende Ressourcen:

1. Lehninger, A. L., Nelson, D. L., & Cox, M. M. “Principles of Biochemistry.” 7. Auflage. W.H. Freeman, 2017.
2. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. “Biochemistry.” 8. Auflage. W.H. Freeman, 2019.
3. PubMed: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/ – Eine umfangreiche Datenbank für biomedizinische Literatur.
4. Khan Academy: https://www.khanacademy.org/science/biology – Bietet verständliche Erklärungen und Videos zu biochemischen Prozessen.