Verdauung und Resorption
Bei der Verdauung werden Nahrungsproteine in Aminosäuren und in Ketten aus zwei oder drei Aminosäuren zerlegt, die der Dünndarm aufnimmt 12.
Das Pankreas sezerniert seine Proteasen als inaktive Zymogene 1. Mutationen in SLC6A19, das den Transporter B0AT1 für neutrale Aminosäuren kodiert, verursachen die Hartnup-Krankheit 3.
Essenzielle und nicht essenzielle Aminosäuren
Neun der zwanzig Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen, kann der Körper nicht selbst herstellen; sie müssen mit der Nahrung zugeführt werden 1.
Dies sind Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin 1.
Transaminierung und Pyridoxalphosphat
Bevor die meisten Aminosäuren abgebaut werden, übertragen Enzyme, die auf eine Form von Vitamin B6 angewiesen sind, ihre Aminogruppe auf ein anderes Molekül 1.
Aminotransferasen übertragen die α-Aminogruppe auf 2-Oxoglutarat; dabei entstehen Glutamat und die entsprechende 2-Oxosäure 1. Ihr Kofaktor ist Pyridoxal-5′-Phosphat (PLP) 2.
Glutamatdehydrogenase
In den Mitochondrien setzt ein einzelnes Enzym die in Glutamat gesammelten Aminogruppen als Ammonium frei 2.
Leucin stimuliert die Insulinsekretion der Betazellen, indem es dieses Enzym, GLUD1, allosterisch aktiviert 5. Acht Kinder mit dem Hyperinsulinismus-Hyperammonämie-Syndrom trugen jeweils eine heterozygote GLUD1-Variante in der allosterischen Domäne 5.
Der Harnstoffzyklus
Die Leber wandelt das für das Gehirn giftige Ammonium in Harnstoff um, der ausgeschieden wird 2.
- OrnithinCitrullinOrnithin-Transcarbamylase (OTC)CarbamoylphosphatMatrix; die durch N-Acetylglutamat aktivierte CPS1 bildet Carbamoylphosphat
- CitrullinArgininosuccinatArgininosuccinat-Synthase 1 (ASS1)Aspartat, ATPZytosol; Citrullin verlässt die Matrix über ORNT1; ATP zu AMP und Diphosphat
- ArgininosuccinatArgininArgininosuccinat-Lyase (ASL)Setzt Fumarat frei, das den Harnstoffzyklus mit dem Citratzyklus verknüpft
- ArgininOrnithinArginase 1 (ARG1)H2O, Mn2+ (2 je Untereinheit)Setzt Harnstoff frei; Ornithin kehrt über ORNT1 (SLC25A15) in die Matrix zurück
Erbliche Harnstoffzyklusdefekte treten bei mindestens 1 von 35.000 bis 1 von 51.946 Lebendgeburten auf 6. Natriumbenzoat, Natriumphenylacetat und Natriumphenylbutyrat ermöglichen die Ausscheidung von Stickstoff über alternative Stoffwechselwege 6.
Phenylketonurie und Neugeborenenscreening
Bei der Phenylketonurie liegt ein Mangel an dem Enzym vor, das Phenylalanin in Tyrosin umwandelt 7.
Ohne Behandlung reichert sich Phenylalanin an und verursacht bleibende Hirnschäden 7. Die weltweite Prävalenz wird auf 1 von 23.930 Lebendgeburten geschätzt 8. Beim Neugeborenenscreening wird Phenylalanin in Trockenblutproben bestimmt, die 24 bis 72 Stunden nach der Geburt entnommen werden 7. Die Behandlung verbindet eine phenylalaninarme Diät mit phenylalaninfreien Proteinsupplementen 7. Zwischen 25 und 50 % der Patientinnen und Patienten sprechen auf Sapropterin, ein synthetisches Tetrahydrobiopterin, an 7. Aspartam wird im Darm hydrolysiert, wobei Phenylalanin entsteht 9. Seine zulässige Tagesdosis (ADI) von 40 mg/kg Körpergewicht gilt nicht für Menschen mit Phenylketonurie 9. Liegt das Phenylalanin im Blut der Mutter während der Schwangerschaft dauerhaft über 360 µmol/L, haben mehr als 90 % der Kinder eine Intelligenzminderung 7.
Kohlenstoffgerüste: Glukose und Ketonkörper
Nach Abspaltung des Stickstoffs kann der Rest einer Aminosäure in Glukose oder Ketonkörper umgewandelt oder zur Energiegewinnung oxidiert werden 1.
Kohlenstoffgerüste, aus denen Pyruvat, 2-Oxoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat oder Oxalacetat entsteht, können Substrate der Glukoneogenese liefern 1. Aus Acetyl-CoA und Acetoacetyl-CoA bilden Säugetiere Ketonkörper, aber netto keine Glukose 1. Nur Leucin und Lysin sind ausschließlich ketogen 1.
- Pyruvatcarboxylase (PC), mitochondrialATP zu ADP, HCO3−, BiotinDurch Acetyl-CoA allosterisch aktiviert; je Glukose gehen zwei Pyruvat ein
- Malatdehydrogenase 2 (MDH2), mitochondrialNADH zu NAD+Malat passiert anschließend die innere Mitochondrienmembran
- Malatdehydrogenase 1 (MDH1), zytosolischNAD+ zu NADHLiefert das zytosolische NADH für die GAPDH
- Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase 1 (PCK1), zytosolischGTP zu GDPSetzt CO2 frei; PCK2 katalysiert dieselbe Reaktion in den Mitochondrien
- Enolase 1 (ENO1)H2O
- Phosphoglyceratmutase 1 (PGAM1)
- Phosphoglyceratkinase 1 (PGK1)ATP zu ADP
- Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase (GAPDH)NADH zu NAD+Setzt Phosphat frei
- Aldolase B (ALDOB)DihydroxyacetonphosphatDHAP entsteht durch Triosephosphat-Isomerase (TPI1) aus einer zweiten Triose
- Fruktose-1,6-Bisphosphatase 1 (FBP1)H2OFruktose-2,6-BisphosphatAMPSetzt Phosphat frei; Glukagon senkt den Gehalt an Fruktose-2,6-Bisphosphat
- Glukose-6-Phosphat-Isomerase (GPI)
- Glukose-6-Phosphatase (G6PC1), endoplasmatisches RetikulumH2OSetzt Phosphat frei; SLC37A4 transportiert das Substrat ins ER-Lumen
- mehrere SchritteMalonyl-CoAEintritt über den Carnitin-Shuttle (CPT1A), dann β-Oxidation
- Acetyl-CoA-Acetyltransferase 1 (ACAT1)Acetyl-CoAMitochondriale Thiolase; kondensiert zwei Acetyl-CoA und setzt CoA frei
- HMG-CoA-Synthase 2 (HMGCS2), mitochondrialAcetyl-CoA, H2OSchlüsselschritt; setzt CoA frei; ein Mangel stört die Ketogenese beim Fasten
- HMG-CoA-Lyase (HMGCL)Setzt Acetyl-CoA frei; Acetoacetat decarboxyliert spontan zu Aceton
- 3-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase 1 (BDH1)NADH zu NAD+Gleichgewichtsnah; das Produktverhältnis folgt dem mitochondrialen NADH/NAD+