Aminosäuren und ihre α-Ketosäuren
Welche α-Ketosäure zu welcher Aminosäure gehört und auf welchen Wegen Glutamat, Alanin und Aspartat aus 2-Oxoglutarat, Pyruvat und Oxalacetat entstehen und wieder zerfallen.
Das Wichtigste in Kürze
- Jede α-Ketosäure trägt am C2 eine Ketogruppe, die zugehörige Aminosäure dort eine Aminogruppe; die Kernpaare sind Pyruvat/Alanin, Oxalacetat/Aspartat und 2-Oxoglutarat/Glutamat.
- 2-Oxoglutarat wird durch Transaminierung oder reduktive Aminierung zu Glutamat, Glutamat durch Transaminierung oder oxidative Desaminierung (GLDH) zurück zu 2-Oxoglutarat; nur dabei wird \(\ce{NH4+}\) frei.
- Glutamin entsteht nicht durch Transaminierung, sondern endergon aus Glutamat und \(\ce{NH4+}\) über die Glutaminsynthetase, gekoppelt an ATP.
- Die Transaminierungen Pyruvat ⇌ Alanin und Oxalacetat ⇌ Aspartat sind in beiden Richtungen Pyridoxalphosphat-abhängig.
- Von den Citratzyklus-Intermediaten sind nur 2-Oxoglutarat und Oxalacetat transaminierbar; Fumarat und Succinat nicht, und Dioxosäuren liefern keine proteinogene Aminosäure.
Worum es geht
Drei Zwischenprodukte aus Glykolyse und Citratzyklus lassen sich direkt in Aminosäuren umwandeln: Pyruvat, Oxalacetat und 2-Oxoglutarat. Diese Paare verbinden den Kohlenhydrat- mit dem Aminosäurestoffwechsel. Klinisch begegnen sie dir als Leberwerte GPT (ALT) und GOT (AST), deren Enzyme genau diese Umwandlungen katalysieren.
Glutamat und 2-Oxoglutarat
2-Oxoglutarat (α-Ketoglutarat, 2-Oxoglutarsäure) ist ein Zwischenprodukt des Citratzyklus. Es trägt am C2 eine Ketogruppe. Ersetzt die Zelle sie durch eine Aminogruppe, entsteht L-Glutamat (L-Glutaminsäure). 2-Oxoglutarat ist also die Vorstufe der Glutaminsäure-Biosynthese. Dafür gibt es zwei Wege, die beide umkehrbar sind.
Transaminierung
Bei der Transaminierung überträgt eine Transaminase mit Pyridoxalphosphat die Aminogruppe einer anderen Aminosäure auf 2-Oxoglutarat. Freies Ammonium tritt dabei nicht auf. In Gegenrichtung gibt Glutamat seine Aminogruppe an eine andere Ketosäure ab und wird wieder zu 2-Oxoglutarat. Glutamat ist damit der wichtigste Aminogruppendonor der Zelle. Ein Beispiel ist die Alanin-Aminotransferase:
\[\ce{\text{Glutamat} + \text{Pyruvat} <=> \text{2-Oxoglutarat} + \text{Alanin}}\]
Oxidative Desaminierung und reduktive Aminierung
Der zweite Weg setzt die Aminogruppe frei oder baut sie aus Ammonium ein. Das Enzym ist die Glutamatdehydrogenase (GLDH) in der Mitochondrienmatrix. Sie arbeitet mit \(\ce{NAD+}\) oder \(\ce{NADP+}\) als Cosubstrat.
Glutamat wird zu 2-Iminoglutarat dehydriert. Wasser spaltet das Imin zu 2-Oxoglutarat und \(\ce{NH4+}\). \(\ce{NAD(P)+}\) wird dabei reduziert.
\(\ce{NH4+}\) reagiert mit 2-Oxoglutarat zum Imin. \(\ce{NAD(P)H}\) reduziert es zu Glutamat. So gelangt anorganischer Stickstoff in eine Aminosäure.
Beide Richtungen fasst eine Gleichung zusammen:
\[\ce{\text{Glutamat} + NAD(P)+ + H2O <=> \text{2-Oxoglutarat} + NH4+ + NAD(P)H + H+}\]
Der Unterschied zur Transaminierung liegt im Stickstoff. Nur bei der oxidativen Desaminierung entsteht freies Ammonium. Bei der Transaminierung wandert die Aminogruppe nur von Molekül zu Molekül.
Im Abbau arbeiten beide Wege hintereinander. Man kann sich Glutamat wie eine Sammelstelle vorstellen. Viele Aminosäuren geben ihre Aminogruppe per Transaminierung an 2-Oxoglutarat ab. Das entstandene Glutamat wird von der GLDH oxidativ desaminiert. Das freigesetzte \(\ce{NH4+}\) fließt in den Harnstoffzyklus, 2-Oxoglutarat steht erneut als Akzeptor bereit.
Das Paar ist ein Examensklassiker: Aus 2-Oxoglutarat entsteht durch Transaminierung oder reduktive Aminierung Glutamat, umgekehrt liefert Glutamat durch Transaminierung oder oxidative Desaminierung 2-Oxoglutarat. Achte darauf, dass nur die oxidative Desaminierung \(\ce{NH4+}\) freisetzt und dass dabei Glutamat entsteht, nicht Glutamin.
Glutaminbildung
Glutamat kann ein zweites Stickstoffatom aufnehmen. Die Glutaminsynthetase bindet \(\ce{NH4+}\) an die Carboxylgruppe der Seitenkette. So entsteht das Säureamid Glutamin. Diese Reaktion ist endergon. Sie läuft nur, weil die Zelle sie energetisch an die Spaltung von ATP koppelt:
\[\ce{\text{Glutamat} + NH4+ + ATP -> \text{Glutamin} + ADP + P_i + H+}\]
Die Glutaminsynthetase verarbeitet bereits vorhandenes Ammonium. An der Reduktion von \(\ce{N2}\) zu Ammonium ist sie nicht beteiligt, das leistet die Nitrogenase bei der Stickstofffixierung.
Glutamat (Glutaminsäure) trägt in der Seitenkette eine Carboxylgruppe, Glutamin ein Säureamid. Glutamat entsteht durch Transaminierung von 2-Oxoglutarat, Glutamin nur ATP-abhängig aus Glutamat und \(\ce{NH4+}\).
Pyruvat und Alanin
Pyruvat (Brenztraubensäure) ist das Endprodukt der Glykolyse. Es ist die α-Ketosäure mit drei Kohlenstoffatomen. Erhält es am C2 eine Aminogruppe, entsteht L-Alanin. Pyruvat ist damit die α-Ketosäure des Alanins.
Die Umwandlung ist eine Transaminierung. Sie ist Pyridoxalphosphat-abhängig, PLP dient als Cofaktor der Alanin-Aminotransferase (ALT, GPT). Den Aminodonor liefert meist Glutamat, wie die Gleichung im ersten Abschnitt zeigt.
Umgekehrt entsteht aus Alanin wieder Pyruvat. Das geschieht vor allem durch Transaminierung. Auch eine oxidative Desaminierung ist möglich, dann wird wie bei Glutamat \(\ce{NH4+}\) frei. Im Körper hat dieser Weg praktische Folgen. Der Muskel gibt Alanin ins Blut ab. Die Leber transaminiert es zu Pyruvat und nutzt dieses für die Gluconeogenese.
Oxalacetat und Aspartat
Oxalacetat (Oxalessigsäure) ist die α-Ketosäure mit vier Kohlenstoffatomen und das letzte Intermediat des Citratzyklus. Bei der Transaminierung nimmt es eine Aminogruppe auf und wird zu L-Aspartat (L-Asparaginsäure). Oxalacetat ist also die α-Ketosäure des Aspartats und ein typischer Aminogruppenakzeptor.
Das zuständige Enzym ist die Aspartat-Aminotransferase (AST, GOT). Sie koppelt das Paar mit Glutamat und 2-Oxoglutarat:
\[\ce{\text{Aspartat} + \text{2-Oxoglutarat} <=> \text{Oxalacetat} + \text{Glutamat}}\]
Die Reaktion läuft in beide Richtungen. Pyridoxalphosphat ist der Cofaktor, gleich ob Oxalacetat zu Aspartat wird oder Aspartat zu Oxalacetat. Beide Paare, Pyruvat und Alanin sowie Oxalacetat und Aspartat, gehören zum Pflichtprogramm im Examen: Merke dir jeweils die zugehörige Ketosäure und PLP als Cofaktor in beiden Richtungen. Entzieht die Aspartatbildung dem Citratzyklus Oxalacetat, füllen anaplerotische Reaktionen wie die Pyruvatcarboxylase den Bestand wieder auf.
Vergleicht man die drei Paare, fällt ein gemeinsames Prinzip auf. Das Kohlenstoffgerüst bleibt jeweils vollständig erhalten. Nur am C2 wird die Ketogruppe zur Aminogruppe.
C3, C4, C5: Pyruvat gehört zu Alanin, Oxalacetat zu Aspartat, 2-Oxoglutarat zu Glutamat. Am C2 steht in der Ketosäure C=O, in der Aminosäure CH–\(\ce{NH2}\).
Citratzyklus-Metabolite als Vorstufen
Transaminasen brauchen als Akzeptor eine α-Ketosäure, also eine Ketogruppe direkt neben der Carboxylgruppe. Im Citratzyklus erfüllen das nur zwei Intermediate: 2-Oxoglutarat wird zu Glutamat, Oxalacetat zu Aspartat. Diese beiden Metabolite sind Substrate von Transaminasen und damit Vorstufen von Aminosäuren. Welche Intermediate sich so umwandeln lassen, wird im Examen gerne gefragt: Fumarat und Succinat tragen keine Ketogruppe und lassen sich nicht durch Transaminierung in eine Aminosäure überführen.
Dasselbe gilt für Citrat, Isocitrat und Malat, denn sie tragen Hydroxy- statt Ketogruppen. Die Abbildung zeigt den Zyklus mit beiden Abzweigen.
Der Citratzyklus liefert nur einen Teil der Kohlenstoffgerüste. Pyruvat stammt aus der Glykolyse, andere Vorstufen aus Glykolyse-Zwischenprodukten oder dem Pentosephosphatweg. Viele essentielle Aminosäuren kann der Mensch gar nicht selbst aufbauen, dazu mehr bei den essentiellen Aminosäuren.
α-Ketosäuren an Strukturformeln erkennen
Zu jeder Aminosäure gehört eine α-Ketosäure mit identischem Rest. Um eine Oxocarbonsäure zu prüfen, ersetzt du gedanklich die Ketogruppe an C2 durch CH–\(\ce{NH2}\). Ist das Ergebnis eine proteinogene Aminosäure, hast du ihre α-Ketosäure gefunden.
| α-Ketosäure | Rest am C2 | Aminosäure |
|---|---|---|
| Pyruvat | \(\ce{-CH3}\) | Alanin |
| Oxalacetat | \(\ce{-CH2-COO-}\) | Aspartat |
| 2-Oxoglutarat | \(\ce{-CH2-CH2-COO-}\) | Glutamat |
| Phenylpyruvat | \(\ce{-CH2-C6H5}\) | Phenylalanin |
| 3-Methyl-2-oxobutanoat | \(\ce{-CH(CH3)2}\) | Valin |
| 4-Methyl-2-oxopentanoat | \(\ce{-CH2-CH(CH3)2}\) | Leucin |
Vorsicht bei Säuren mit zwei Oxogruppen. Aus 2,4-Dioxoglutarsäure und Dioxobernsteinsäure entsteht durch Transaminierung keine proteinogene Aminosäure. Die zweite Oxogruppe bleibt erhalten, und eine Aminosäure mit zusätzlicher Ketogruppe kommt in Proteinen nicht vor.
Das fehlende Produkt ableiten
Eine Transaminierung tauscht nur Amino- gegen Ketogruppe. So findest du in einem Schema den fehlenden Partner:
- Partner sortieren: Links stehen eine Aminosäure und eine Ketosäure, rechts ebenso.
- Aminosäure umformen: Die Aminosäure verliert ihre Aminogruppe und wird zur 2-Oxosäure mit gleichem Rest.
- Ketosäure umformen: Die Ketosäure erhält die Aminogruppe und wird zur Aminosäure mit gleichem Rest.
- Gerüst prüfen: Die Zahl der C-Atome und die Seitenkette ändern sich nicht.
Beispiel: Aspartat reagiert mit Pyruvat. Aspartat wird zu Oxalacetat, Pyruvat zu Alanin. Fehlt im Schema nur die Ketosäure rechts, ist es also Oxalacetat.
Quiz
Aussage 1
Bei der oxidativen Desaminierung von Glutamat durch die Glutamatdehydrogenase wird \(\ce{NH4+}\) freigesetzt.
Die GLDH dehydriert Glutamat zum Imin, dessen Hydrolyse 2-Oxoglutarat und \(\ce{NH4+}\) liefert.
Aussage 2
Die Glutaminsynthetase-Reaktion ist exergon und benötigt daher keine energetische Kopplung.
Die Bildung von Glutamin aus Glutamat und \(\ce{NH4+}\) ist endergon und wird an die ATP-Spaltung gekoppelt.
Aussage 3
Fumarat lässt sich durch eine Transaminase direkt in eine Aminosäure umwandeln.
Fumarat trägt keine Ketogruppe und ist kein Transaminase-Substrat. Transaminierbar sind im Citratzyklus nur 2-Oxoglutarat und Oxalacetat.
Aussage 4
Cofaktor der Umwandlung von Oxalacetat in Aspartat ist Thiamindiphosphat.
Transaminasen arbeiten mit Pyridoxalphosphat, und zwar in beiden Richtungen zwischen Oxalacetat und Aspartat.
Aussage 5
Die Transaminierung von 2,4-Dioxoglutarsäure liefert keine proteinogene Aminosäure.
Die zweite Oxogruppe bleibt erhalten, das Produkt wäre eine Aminosäure mit zusätzlicher Ketogruppe, die in Proteinen nicht vorkommt.
Aussage 6
Transaminiert man 2-Oxoglutarat, erhält man Glutamin.
Die Transaminierung von 2-Oxoglutarat liefert Glutamat. Glutamin entsteht erst ATP-abhängig aus Glutamat und \(\ce{NH4+}\) durch die Glutaminsynthetase.
Aussage 7
Brenztraubensäure ist die α-Ketosäure, aus der durch Transaminierung L-Alanin hervorgeht.
Pyruvat (Brenztraubensäure) hat dasselbe C3-Gerüst wie Alanin; die Transaminierung ersetzt nur die Ketogruppe an C2.
Aussage 8
Reagieren Glutamat und Pyruvat in einer Transaminierung, entstehen 2-Oxoglutarat und Alanin.
Glutamat gibt seine Aminogruppe ab und wird zu 2-Oxoglutarat, Pyruvat nimmt sie auf und wird zu Alanin.
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