Transaminierung und Pyridoxalphosphat
Wie Transaminasen Aminogruppen zwischen α-Aminosäuren und α-Ketosäuren verschieben und warum Pyridoxalphosphat dafür unverzichtbar ist.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Transaminierung überträgt die α-Aminogruppe einer α-Aminosäure auf eine α-Ketosäure. Aus der Aminosäure wird eine α-Ketosäure, aus der Ketosäure eine Aminosäure.
- Substrate der Transaminasen sind α-Aminosäuren und α-Ketosäuren. Wichtigster Akzeptor ist die 2-Oxodicarbonsäure 2-Oxoglutarat, aus der Glutamat entsteht.
- Die Reaktion ist reversibel, erhöht die Gesamtmenge an Aminosäuren nicht und ist nicht mit ATP-Bildung verbunden.
- Cofaktor und Reaktionspartner ist Pyridoxal-5’-phosphat aus Vitamin \(\mathrm{B_6}\). Es nimmt die Aminogruppe auf und liegt dann als Pyridoxamin-5’-phosphat vor (Ping-Pong-Mechanismus).
- In der Strukturformel erkennt man die \(\mathrm{B_6}\)-Formen am C4: Aldehyd bei PLP, Aminomethyl bei PMP, Hydroxymethyl bei Pyridoxin, Carbonsäure bei 4-Pyridoxinsäure.
Worum es geht
Die Transaminierung ist der erste Schritt im Abbau der meisten Aminosäuren und zugleich ein Weg, nicht essentielle Aminosäuren aufzubauen. Ihr Cofaktor Pyridoxalphosphat stammt aus Vitamin \(\mathrm{B_6}\). Die Enzyme kennt man aus der Labordiagnostik als Leberwerte ALT und AST.
Aminosäurestoffwechsel im Überblick
Eine Aminosäure besteht im Stoffwechsel aus zwei Teilen mit getrennten Schicksalen: der α-Aminogruppe und dem Kohlenstoffgerüst. Die Zelle trennt beide früh voneinander. Das gelingt meist durch Transaminierung.
Die Aminogruppe landet dabei fast immer auf Glutamat. Von dort wird sie als Ammoniak freigesetzt und im Harnstoffzyklus entgiftet. Das Kohlenstoffgerüst bleibt als α-Ketosäure zurück. Diese Ketosäuren sind Zwischenprodukte des Zentralstoffwechsels, etwa Pyruvat oder Oxalacetat. Sie münden in den Citratzyklus oder die Gluconeogenese. Welche Aminosäure zu welcher Ketosäure gehört, behandelt die Einheit Aminosäuren und ihre α-Ketosäuren.
Prinzip der Transaminierung
Transaminasen, auch Aminotransferasen genannt, katalysieren die Transaminierung. Sie tauschen die funktionelle Gruppe am α-C-Atom zwischen zwei Molekülen aus.
Übertragung der α-Aminogruppe einer α-Aminosäure auf eine α-Ketosäure (2-Oxosäure). Die Aminosäure wird dabei zur α-Ketosäure, die α-Ketosäure zur Aminosäure.
Allgemein lautet die Reaktion:
\[\ce{R^1-CH(NH3+)-COO- + R^2-CO-COO- <=> R^1-CO-COO- + R^2-CH(NH3+)-COO-}\]
Substrate und Akzeptor
Beide Partner tragen ihre funktionelle Gruppe am C2, also direkt neben der Carboxylgruppe. Transaminasen setzen deshalb α-Aminosäuren und α-Ketosäuren um. Eine β-Ketosäure wie Acetoacetat trägt die Carbonylgruppe am C3 und ist kein Substrat. Auch Zuckerphosphate wie Fructose-1,6-bisphosphat passen nicht. Sie besitzen zwar eine Ketogruppe, aber keine Carboxylgruppe daneben.
Als Aminogruppenakzeptor dienen bestimmte 2-Oxodicarbonsäuren. Der wichtigste ist 2-Oxoglutarat (α-Ketoglutarat), aus dem Glutamat entsteht. Auch Oxalacetat nimmt Aminogruppen auf und wird zu Aspartat. Die Aspartat-Aminotransferase (AST) verbindet beide Paare:
\[\ce{Aspartat + 2-Oxoglutarat <=> Oxalacetat + Glutamat}\]
Nach demselben Muster überträgt die Alanin-Aminotransferase (ALT) die Aminogruppe von Alanin auf 2-Oxoglutarat. Dabei entstehen Pyruvat und Glutamat. Glutamat sammelt so die Aminogruppen vieler Aminosäuren ein.
Bilanz und Richtung
Man kann sich die Transaminierung wie einen Tausch vorstellen: Die Aminogruppe wechselt den Besitzer, aber es kommt keine hinzu. Besonders prüfungsrelevant ist diese Bilanz: Die Gesamtmenge an Aminosäuren bleibt gleich, und es wird kein ATP gebildet. Das Gleichgewicht liegt nahe bei eins, die Reaktion ist also leicht umkehrbar.
Daraus folgen zwei Aufgaben. Im Abbau entfernt die Transaminierung die α-Aminogruppe einer Aminosäure. In der Synthese entsteht aus einer α-Oxosäure eine Aminosäure, etwa Alanin aus Pyruvat. Neuen Stickstoff bringt erst die reduktive Aminierung von 2-Oxoglutarat ein.
Amine bilden Aminotransferasen nicht. Biogene Amine wie Histamin entstehen aus Aminosäuren durch Decarboxylierung. Dabei verliert die Aminosäure ihre Carboxylgruppe als \(\ce{CO2}\) und behält die Aminogruppe.
Pyridoxalphosphat
Jede Transaminase braucht Pyridoxal-5’-phosphat (PLP) als Cofaktor. PLP leitet sich von Vitamin \(\mathrm{B_6}\) ab. Zu dieser Gruppe gehört Pyridoxin, das die Zelle am C5 phosphoryliert und am C4 zum Aldehyd oxidiert. So ist Pyridoxin als Baustein des Cofaktors an der Transaminierung beteiligt. Die Ernährungsaspekte von Vitamin \(\mathrm{B_6}\) stehen in einer eigenen Einheit.
PLP ist das wichtigste Coenzym des Aminosäurestoffwechsels. Es wirkt auch bei Decarboxylierungen mit. Bei der Transaminierung ist es nicht nur Helfer, sondern Reaktionspartner: Es übernimmt die Aminogruppe selbst und gibt sie später weiter.
Der Ping-Pong-Mechanismus
Der Ablauf gliedert sich in zwei Halbreaktionen. Die erste Aminosäure verlässt das Enzym, bevor die zweite Ketosäure bindet.
- Internes Aldimin: Die Aldehydgruppe von PLP ist im Ruhezustand als Schiff-Base an einen Lysinrest des Enzyms gebunden.
- Externes Aldimin: Die Aminosäure verdrängt das Lysin und bildet ihrerseits eine Schiff-Base mit PLP.
- Ketimin: Eine Umlagerung verschiebt die Doppelbindung vom PLP-Kohlenstoff zum α-C der Aminosäure.
- Hydrolyse: Wasser spaltet das Ketimin. Die α-Ketosäure wird frei, der Cofaktor liegt nun als Pyridoxamin-5’-phosphat (PMP) vor.
- Rückreaktion: PMP überträgt die Aminogruppe auf 2-Oxoglutarat. Es entstehen Glutamat und wieder PLP.
PMP ist also die Zwischenform des Cofaktors. Es trägt die Aminogruppe kurzzeitig zwischen den beiden Halbreaktionen.
Transaminasen arbeiten mit Pyridoxal-5’-phosphat aus Vitamin \(\mathrm{B_6}\), das während der Reaktion als Pyridoxamin-5’-phosphat vorliegt. Das solltest du sicher können und die anderen Cofaktoren klar ihren eigenen Reaktionstypen zuordnen.
Andere Cofaktoren, andere Aufgaben
Viele Cofaktoren des Zentralstoffwechsels haben mit der Transaminierung nichts zu tun. Hilfreich ist, jedem seine eigentliche Aufgabe zuzuordnen:
| Cofaktor | Aufgabe | Beispiel |
|---|---|---|
| Pyridoxalphosphat | Übertragung von Aminogruppen | AST, ALT |
| Thiaminpyrophosphat | Decarboxylierung von α-Ketosäuren | Pyruvat-Dehydrogenase |
| Biotin | Carboxylierung | Pyruvatcarboxylase |
| Coenzym A (aus Pantothensäure) | Übertragung von Acylgruppen | Acetyl-CoA |
| ADP | Phosphatakzeptor bei der ATP-Bildung | Substratkettenphosphorylierung |
Die Grundlagen dieser Cofaktoren erklärt die Einheit Biotin, Pyridoxalphosphat und Thiaminpyrophosphat.
Strukturen erkennen
Alle Vitamin-\(\mathrm{B_6}\)-Formen teilen dasselbe Gerüst. Es ist ein Pyridinring mit Methylgruppe am C2, OH-Gruppe am C3 und \(\ce{CH2}\)-Gruppe am C5. In PLP und PMP ist diese \(\ce{CH2}\)-Gruppe mit Phosphat verestert. Die Formen unterscheiden sich nur im Substituenten am C4.
Am C4 entscheidet sich alles: \(\ce{-CHO}\) ist PLP, \(\ce{-CH2NH2}\) ist PMP, \(\ce{-CH2OH}\) ist Pyridoxin, \(\ce{-COOH}\) ist 4-Pyridoxinsäure.
Die 4-Pyridoxinsäure ist das oxidierte Ausscheidungsprodukt. Als Carbonsäure bildet sie keine Schiff-Base und ist deshalb kein Reaktionspartner der Transaminierung. Auch die Substrate erkennt man an der Formel. Oxalacetat ist eine C4-Dicarbonsäure mit Ketogruppe am C2: \(\ce{HOOC-CO-CH2-COOH}\). Glutamat ist eine C5-Dicarbonsäure mit Aminogruppe am C2.
Isoniazid bildet mit Pyridoxal Hydrazone und kann so einen Vitamin-\(\mathrm{B_6}\)-Mangel mit peripherer Neuropathie auslösen. Unter Tuberkulosetherapie wird deshalb häufig Pyridoxin zusätzlich gegeben.
Quiz
Aussage 1
Die Aspartat-Aminotransferase kann Glutamat und Oxalacetat zu 2-Oxoglutarat und Aspartat umsetzen.
Die Transaminierung ist leicht umkehrbar. Die AST-Reaktion läuft je nach Konzentrationen in beide Richtungen.
Aussage 2
Acetoacetat kann als β-Ketosäure von Transaminasen in eine Aminosäure überführt werden.
Transaminasen setzen nur α-Ketosäuren um. Bei β-Ketosäuren sitzt die Carbonylgruppe am C3 und passt nicht.
Aussage 3
Transaminasen enthalten Thiaminpyrophosphat als prosthetische Gruppe.
Cofaktor der Transaminasen ist Pyridoxal-5’-phosphat. Thiaminpyrophosphat dient der Decarboxylierung von α-Ketosäuren, etwa in der Pyruvat-Dehydrogenase.
Aussage 4
Bei der Übertragung der Aminogruppe durch Transaminasen wird direkt ATP gewonnen.
Die Transaminierung ist nicht mit ATP-Bildung verbunden. Ihr Gleichgewicht liegt nahe bei eins.
Aussage 5
Eine Aldehydgruppe am C4 des Pyridinrings kennzeichnet Pyridoxalphosphat.
PLP trägt am C4 eine Aldehydgruppe. PMP hat dort eine Aminomethylgruppe, Pyridoxin eine Hydroxymethylgruppe und 4-Pyridoxinsäure eine Carboxylgruppe.
Aussage 6
Pyridoxamin-5’-phosphat ist die Form des Cofaktors, die zwischen den beiden Halbreaktionen die Aminogruppe trägt.
PLP übernimmt die Aminogruppe der ersten Aminosäure und wird zu PMP. PMP gibt sie an die zweite Ketosäure weiter.
Aussage 7
Durch Transaminierung nimmt die Gesamtzahl der Aminosäuren im Organismus zu.
Die Aminogruppe wechselt nur den Besitzer. Für jede neu gebildete Aminosäure wird eine andere zur Ketosäure, die Gesamtmenge bleibt gleich.
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