Informatie

Is glutamaat altijd betrokken bij de deaminering en aminering van de andere aminozuren?


Zijn er bijvoorbeeld routes voor de deaminering van fenylalanine die gewoon ammoniak produceren of routes om het te synthetiseren uit fenylpyruvaat waarbij ammoniak wordt gebruikt om de aminegroep te vormen?

Het liefst wil ik weten hoe het zit met vooral de menselijke stofwisseling.


Voor de meeste aminozuren omvat de verwijdering van de -aminogroep α-ketoglutaraat en glutamaat. De aminogroep wordt eerst door transaminasen naar a-ketoglutaraat overgebracht en het resulterende glutamaat wordt vervolgens gedeamineerd (via glutamaatdehydrogenase) om ammoniak op te leveren.

Hetzelfde geldt voor aminering. Glutamaat en glutamine zijn de twee belangrijkste donoren van aminogroepen. De meeste ketozuren worden omgezet in hun respectievelijke aminozuren door transaminering waarbij glutamaat of glutamine betrokken is. Glutamine kan worden gesynthetiseerd door aminering van glutamaat met ammoniak zonder transaminering (via een synthetase-enzym) en glutamaat kan ook met ammoniak worden geamineerd.

Er zijn natuurlijk uitzonderingen. Niet alle transaminaties hebben bijvoorbeeld betrekking op glutamaat/glutamine (zoals deze gebruiker heeft geantwoord), en serine en threonine kunnen direct worden gedeamineerd (via dehydratase-enzymen, in tegenstelling tot het dehydrogenase dat voor glutamaat wordt gebruikt).


Glutaminezuur

Glutaminezuur (symbool Glu of E [4] de ionische vorm staat bekend als glutamaat) is een α-aminozuur dat door bijna alle levende wezens wordt gebruikt bij de biosynthese van eiwitten. Het is niet essentieel voor de mens, wat betekent dat het lichaam het kan synthetiseren. Het is ook een prikkelende neurotransmitter, in feite de meest voorkomende, in het zenuwstelsel van gewervelde dieren. Het dient als de voorloper voor de synthese van het remmende gamma-aminoboterzuur (GABA) in GABA-erge neuronen.

  • l-isomeer: ​​56-86-0 Y
  • racemaat: 617-65-2 Y
  • d isomeer: ​​6893-26-1 Y
  • l-isomeer: ​​CHEBI:16015 Y
  • racemaat: CHEBI: 18237
  • d isomeer: ​​CHEBI:15966
  • l-isomeer: ​​ChEMBL575060 Y
  • l-isomeer: ​​591 Y
  • l-isomeer: ​​C00025 N
  • d isomeer: ​​C00217
  • l-isomeer: ​​3KX376GY7L Y
  • racemaat: 61LJO5I15S Y
  • d isomeer: ​​Q479989WEA Y
InChI=1S/C5H9NO4/c6-3(5(9)10)1-2-4(7)8/h3H,1-2,6H2,(H,7,8)(H,9,10) Y-toets : WHUUTDBJXJRKMK-UHFFFAOYSA-N Y

Het heeft een formule C
5 H
9 NEE
4 . Glutaminezuur bestaat in drie optisch isomere vormen. De rechtsdraaiende L-vorm wordt gewoonlijk verkregen door hydrolyse van gluten of uit het afvalwater van de productie van bietsuiker of door fermentatie. [5] De moleculaire structuur kan worden geïdealiseerd als HOOC−CH( NH
2 )−( CH
2 )2−COOH, met twee carboxylgroepen −COOH en één aminogroep − NH
2 . In de vaste toestand en mild zure wateroplossingen neemt het molecuul echter een elektrisch neutrale zwitterionstructuur aan − OOC−CH( NH +
3 )−( CH
2 )2COOH. Het wordt gecodeerd door de codons GAA of GAG.

Het zuur kan één proton van zijn tweede carboxylgroep verliezen om de geconjugeerde base te vormen, het enkel-negatieve anion glutamaat − OOC−CH( NH +
3 )−( CH
2 )2COO− . Deze vorm van de verbinding komt veel voor in neutrale oplossingen. De neurotransmitter glutamaat speelt de hoofdrol bij neurale activering. [6] Dit anion zorgt voor het hartige umami smaak van voedingsmiddelen en wordt aangetroffen in glutamaataroma's zoals MSG. In Europa is het geclassificeerd als levensmiddelenadditief E620. In sterk alkalische oplossingen is het dubbel negatieve anion − OOC−CH( NH
2 )−( CH
2 )2−COO − prevaleert. Het radicaal dat overeenkomt met glutamaat heet glutamyl.


1. Inleiding

Glutamaat is het meest voorkomende aminozuur met eiwitcode in de hersenen [1]. Tabel 1 geeft een overzicht van de concentratie van de meer overvloedige aminozuren in de hersenen van katten, ratten en mensen. Naast hoge concentraties glutamaat bevatten de hersenen mM-concentraties van glutamine, aspartaat en GABA (tabel 1). Taurine is in deze tabel opgenomen omdat, hoewel het geen eiwitgecodeerd aminozuur is, de concentratie in de hersenen hoog is. Taurine speelt een belangrijke rol in de hersenen als osmolyt (volumeregulatie), calciumhomeostase en regulatie van neurotransmissie, bijvoorbeeld [2,3,4]. Glutathion (GSH: een tripeptide, γ-glutamylcysteinylglycine) is ook in deze tabel opgenomen omdat het wordt gesynthetiseerd uit glutamaat. In de hersenen is GSH een belangrijke redoxbuffer, in water oplosbare antioxidant (samen met ascorbaat), enzym-cofactor en deelnemer aan ontgiftingsprocessen, vooral in astrocyten, bijvoorbeeld [5]. Glutamaat en, in mindere mate, aspartaat zijn de belangrijkste prikkelende neurotransmitters in de hersenen, terwijl GABA de belangrijkste remmende neurotransmitter is. Daarom moeten deze aminozuren in zeer lage concentraties in de extracellulaire vloeistofcompartimenten van de hersenen worden gehouden. Zo zijn de concentraties van glutamaat en aspartaat in humaan hersenvocht (CSF)

8 en 0,2 µM, respectievelijk [1]. De concentratie van GABA in menselijk hersenvocht is 𢙀.1 µM [6]. Interessant is dat de concentratie van glutamine in menselijk hersenvocht opmerkelijk hoog is (

50 µM) en groter dan die van alle andere veel voorkomende aminozuren samen [1]. In feite is de concentratie van glutamine in menselijk hersenvocht ongeveer 50 keer groter dan die van glutamaat [1]. Deze hoge concentratie glutamine is een weerspiegeling van de afgifte van glutamine door astrocyten aan de extracellulaire vloeistof als middel om de stikstofbalans te handhaven en als onderdeel van de glutamaat-glutaminecyclus die hierna eenvoudigweg de glutaminecyclus wordt genoemd (hoofdstuk 6).

Tafel 1

Geschatte concentratie (µmol/g nat gewicht) van glutathion en de meest overvloedige aminozuren in de hersenen.

KatRatMenselijk
glutamaat7.90 (9.88)11.6 (14.5)6.00 (7.50)
Taurine2.30 (2.88)6.60 (8.25)0.93 (1.16)
glutamine2.80 (3.50)4.50 (5.63)5.80 (7.25)
aspartaat1.70 (2.13)2.60 (3.25)0.96 (1.20)
γ-Aminoboterzuur1.40 (1.75)2.30 (2.88)0.42 (0.53)
Glycine0.78 (0.98)0.68 (0.85)0.40 (0.50)
Alanine0.48 (0.60)0.65 (0.81)0.25 (0.31)
serine0.48 (0.60)0.98 (1.23)0.44 (0.55)
glutathion0.49 (0.61)2.60 (3.25)0.20 (0.25)

Aangepast van [1]. Waarden tussen haakjes zijn concentraties (mM) uitgaande van een watergehalte van 80%.

De concentratie van glutamaat in synaptosomale blaasjes is erg hoog [7], misschien wel 100 mM of meer (ref. [8] en daarin geciteerde referenties), wat neerkomt op 15%�% van de totale glutamaatpool in synaptosomen, consistent met hoge niveaus in de zenuwuiteinden [7]. De zeer hoge concentratie glutamaat in het cytosol en de glutamaatbevattende blaasjes vereist strikte homeostatische mechanismen om de volgende reden. Glutamaat is de belangrijkste prikkelende neurotransmitter, maar het glutamaatgehalte in de extracellulaire vloeistof moet laag worden gehouden (𼄀 µM) om excitotoxiciteit te voorkomen. In feite is de concentratie van glutamaat in de extracellulaire vloeistof van de hersenen normaal gesproken 0,5𠄵 µM [8]. Deze opmerkelijke glutamaatconcentratiegradiënt tussen de extracellulaire vloeistof en het zenuwcelcytosol wordt bereikt door krachtige opnamesystemen voor glutamaat in neuronen, astrocyten en synaptosomale blaasjes. (Voor een recent overzicht zie [9]).

Uitsluiting van het meeste via het bloed overdraagbare glutamaat bij de bloed-hersenbarrière (BBB) ​​en een netto verwijdering van glutamine uit de hersenen (zie hieronder) geven aan dat de cerebrale pools van glutamaat grotendeels in de hersenen worden geproduceerd. De tricarbonzuurcyclus (TCA) moet dus een belangrijke bron van 5-koolstofeenheden zijn voor de synthese van de glutamaatruggengraat in de hersenen. De stikstof van de glutamaatpool in de hersenen wordt voornamelijk geleverd door aminotransferasereacties. Hier bespreken we het centrale belang van aminotransferasen bij het handhaven van stikstofhomeostase in de hersenen, met speciale nadruk op glutamaat/α-ketoglutaraat-gekoppelde aminotransferasen. We benadrukken de belangrijke rol van glutamaat als voorloper voor andere belangrijke metabolieten, waaronder GSH. We benadrukken ook de speciale rol van glutamaat in de glutamine- en glutamine-GABA-cycli van de hersenen. Het glutamaat dat in deze routes wordt gebruikt, wordt op een opmerkelijk constant niveau gehouden. Tijdens hyperammoniëmie is er bijvoorbeeld een duidelijke toename in de omzettingssnelheid van cerebraal glutamaat in glutamine, maar hoewel er enige uitputting van glutamaat is, is de afname niet stoichiometrisch met de gelijktijdige grote toename van de glutamineconcentratie. Er is ook geen verandering in de concentratie van cerebrale ketoglutaraat of een bescheiden toename. Er is dus een aanzienlijke netto toename van de concentratie van 5-koolstofeenheden (d.w.z., glutamaat plus glutamine plus α-ketoglutaraat) als gevolg van een door ammoniak geïnduceerde stimulatie van anaplerose. Een bijzonder prominent anaplerotisch enzym dat wordt gestimuleerd door hyperammoniëmie is pyruvaatdecarboxylase. De belangrijkste routes van glutamaatmetabolisme bij normoammonemia en hyperammonemia zijn schematisch weergegeven in figuur 1.

Schema van de belangrijk routes waardoor de glutamaatspiegels in de hersenen worden gehandhaafd tijdens normoammoniëmie (bovenpaneel) en hyperammoniëmie (onderste paneel). Relatieve veranderingen in de poolgrootte van cerebrale metabolieten (α-ketoglutaraat, ammoniak, glutamaat en glutamine) tussen nomoammonemische en hyperammonemische hersenen worden aangegeven door verschillen in lettergrootte. enzymen: 1, glutamaatdehydrogenase (GDH) 2, α-ketoglutaraat/glutamaat-gekoppelde aminotransferasen (met name aspartaataminotransferase (AspAT) en vertakte aminotransferasen) 3, glutaminesynthetase 4, glutaminase. Merk op dat ondanks de door ammoniak gestimuleerde toename van glutamine (Gln), glutamaat (Glu) niveaus slechts matig uitgeput zijn. Dit is grotendeels te wijten aan door hyperammoniëmie geïnduceerde toename van de activiteit van anaplerotische enzymen, waaronder pyruvaatcarboxylase. Merk ook op dat voor de eenvoud niet alle reactanten worden getoond in de enzym-gekatalyseerde reacties.

Merk op dat we in de hele tekst de term ammoniak gebruiken om te verwijzen naar de som van ammonium (NH4 + ) ionen en ammoniakvrije base (NH3). sinds de pKeen van ammoniak is

9,2 alleen bij fysiologische pH-waarden (7.2𠄷.4)

1% van ammoniak zal in de vorm van NH . zijn3.


Het kinetische mechanisme van fenylalaninehydroxylase: intrinsieke binding en snelheidsconstanten van experimenten met één omzet & dolk

Hieronder is een mogelijk mechanisme weergegeven.

"1) oxidatie van de pterine-cofactor om het reactieve hydroxylerende tussenproduct te vormen, gevolgd door 2) invoeging van zuurstof in het aminozuursubstraat (20). Deze opvatting wordt ondersteund door de waarneming dat pterine-oxidatie kan worden losgekoppeld van aminozuuroxidatie, hetzij wanneer niet-fysiologische aminozuren worden gebruikt als substraten (11, 25) of in een verscheidenheid aan TyrH-mutanten op de actieve plaats "

Net als bij de omzetting van dihydrofolaat terug naar tetrahydrofolaat (FH4) door dihydrofolaatreductase, wordt het 4a-OH-BH4 omgezet in dihydrobiopterine en vervolgens in tetrahydrobiopterine door dihyrobiopterinereductase.

Hier is het volledige pad voor de omzetting van Phe en Tyr in acetoacetaat en fumaraat

henylalanine heeft normaal gesproken slechts twee lotsbestemmingen: opname in polypeptideketens en hydroxylering tot tyrosine via de tetrahydrobiopterine-vereisende fenylalanine hydroxylase (PAH) reactie. Aldus vindt fenylalaninekatabolisme altijd plaats in de route van tyrosinebiosynthese gevolgd door tyrosinekatabolisme. Tyrosine is even belangrijk voor de eiwitbiosynthese als een tussenproduct in de biosynthese van de catecholamines: dopamine, noradrenaline en epinefrine (zie Aminozuurderivaten).

De route van tyrosineafbraak omvat omzetting in fumaraat en acetoacetaat, waardoor fenylalanine en tyrosine kunnen worden geclassificeerd als zowel glucogeen als ketogeen. Het katabolisme van tyrosine omvat vijf reacties, waarvan bij vier is aangetoond dat ze in verband worden gebracht met aangeboren fouten in het metabolisme en drie daarvan resulteren in klinisch significante stoornissen. De eerste reactie van tyrosinekatabolisme omvat het door het nucleaire genoom gecodeerde mitochondriale enzym tyrosine-aminotransferase en genereert het overeenkomstige ketozuur, P-hydroxyfenylpyrodruivenzuur.

Zoals de meeste aminotransferasereacties, gebruikt tyrosineaminotransferase 2-oxoglutaraat (&alfa-ketoglutaraat) als de amino-acceptor met als gevolg de vorming van glutamaat. Tyrosine-aminotransferase wordt gecodeerd door het TAT-gen op chromosoom 16q22.2 dat is samengesteld uit 12 exons die een eiwit van 454 aminozuren genereren. De tweede reactie van tyrosinekatabolisme wordt gekatalyseerd door 4-hydroxyfenylpyruvaatdioxygenase dat wordt gecodeerd door het HPD-gen op chromosoom 12q24.31 dat is samengesteld uit 17 exons die twee alternatief gesplitste mRNA's genereren die coderen voor eiwitten van 393 aminozuren (isovorm 1) en 354 aminozuren (isovorm 2).

Het product van de HPD-reactie is homogentisinezuur (homogentisaat). Homogentisaat wordt geoxideerd door het tweede dioxygenase-enzym van tyrosinekatabolisme, homogentisaatoxidase. Homogentisaatoxidase wordt gecodeerd door het homogentisaat 1,2-dioxygenasegen, HGD. Het HGD-gen bevindt zich op chromosoom 3q13.33 en is samengesteld uit 16 exons die coderen voor een eiwit van 445 aminozuren.

Oxidatie van homogentisaat levert 4-maleylacetoacetaat op dat wordt geïsomeriseerd tot 4-fumarylacetoacetaat door het enzym glutathion S-transferase zeta (&zeta) 1, dat wordt gecodeerd door het GSTZ1-gen. Glutathion S-transferase zeta 1 heette vroeger 4-maleylacetoacetaat isomerase of maleylacetoacetaat cis&ndashtrans-isomerase. Het GSTZ1-gen bevindt zich op chromosoom 14q24.3 en bestaat uit 9 exons die vier alternatief gesplitste mRNA's genereren, die elk coderen voor een afzonderlijke eiwit-isovorm.

Fumarylacetoacetaat wordt gehydrolyseerd tot fumaraat en acetoacetaat door het enzym fumarylacetoacetaathydrolase dat wordt gecodeerd door het FAH-gen op chromosoom 15q25.1 en is samengesteld uit 15 exons die een eiwit van 419 aminozuren genereren.

Het fumaraat-eindproduct van tyrosinekatabolisme voedt zich direct in de TCA-cyclus voor verdere oxidatie. Het acetoacetaat wordt geactiveerd tot acetoacetyl-CoA via de werking van het mitochondriale ketonlichaamgebruiksenzym, succinyl-CoA:3-oxoacid-CoA transferase (SCOT), dat wordt gecodeerd door het OXCT1 (3-oxoacid-CoA transferase 1) gen. Acetoacetaat kan ook in het cytosol worden geactiveerd door het cytosolische enzym acetoacetyl-CoA-synthetase (AACS).

E. Leu naar Acetoacetaat

"De eerste stap is in elk geval een transaminering met behulp van een pyridoxaalfosfaat-afhankelijk BCAA-aminotransferase (een vertakte-keten-aminotransferase, BCAT genoemd), met 2-oxoglutaraat ("alfa-ketoglutaraat) als amine-acceptor."

F. Isoleucine naar Acetyl-CoA

Conversie naar &alfa-ketoglutaraat: Pro, Glu, Gln, Arg,His

A. Proline en arginine

aldehydedehydrogenase 4-familie, lid A1 (ALDH4A1) of D1-pyrroline-5-carboxylaatdehydrogenase, (P5CDH)

"lutamaat dat het resultaat is van ornithine- en prolinekatabolisme kan vervolgens worden omgezet in 2-oxoglutaraat (&alfa-ketoglutaraat) in een transamineringsreactie. Daarom zijn ornithine en proline beide glucogeen. Aangezien arginine wordt gemetaboliseerd tot ureum en ornithine, en de resulterende ornithine een glucogene voorloper is, is arginine ook een glucogeen aminozuur."

Het algemene pad wordt hieronder weergegeven:

B. Histidine

C. Glutamine en glutaminezuur

Zoals beschreven in de bovenstaande reacties, kan het via transamineringsreacties worden omgezet in &alfa-ketoglutaraat. Zoals ook beschreven in paragraaf 18.x, kan glutamine worden gedeamineerd door de werking van glutaminase om glutamine te vormen dat eveneens &alfa-ketoglutaraat kan vormen, een gluconeogeen tussenproduct.

Conversie naar succinyl-CoA: Met, Ile, Thr, Val

We hebben zojuist gezien dat twee vertakte aminozuren, Leu en Ile, worden omgezet in acetyl-CoA en daarom ketogeen zijn (E en F hierboven). Een ander hydrofoob aminozuur met vertakte keten, Val, en ook Leu, kan worden omgezet in succinyl-CoA, dat op netto wijze kan worden omgezet in a-ketoglutaraat in de Kreb-cyclus en dus glucogene aminozuren zijn. We zagen in de inleiding tot aminozuren die acetyl-CoA produceren dat threonine en isoleucine, aminozuren met twee vertakte ketens, ook proprionyl-CoA vormen dat verder gaat met succinyl-CoA. Laten we dus eens kijken naar Val, een ander aminozuur met vertakte keten, voordat we Met bekijken, die beide 3 C's in hun zijketens hebben.

Methionine

Het belangrijkste lot van het essentiële aminozuur methionine is opname in polypeptideketens en gebruik bij de productie van cysteïne en alpha-ketobutyraat via de reactieroute die de synthese van SAM en cysteïne omvat, zoals hierboven beschreven. De transulfuratiereacties die cysteïne produceren uit homocysteïne en serine produceren ook &alfa-ketobutyraat, waarbij de laatste eerst wordt omgezet in propionyl-CoA en vervolgens via een 3-stappenproces in succinyl-CoA.

Bij het katabolisme van methionine wordt het &alpha-ketobutyraat omgezet in propionyl-CoA. Het propionyl-CoA wordt via een mitochondriaal gelokaliseerde drie-reactie ATP-afhankelijke route omgezet in succinyl-CoA. Het succinyl-CoA kan dan de TCA-cyclus binnengaan voor verdere oxidatie. De enzymen die nodig zijn voor deze omzetting zijn respectievelijk propionyl-CoA-carboxylase, methylmalonyl-CoA-epimerase en methylmalonyl-CoA-mutase. Propionyl-CoA-carboxylase wordt een ABC-enzym genoemd vanwege de vereisten voor: EENTP, Biotine, en CO2 voor de reactie. De klinische betekenis van methylmalonyl-CoA-mutase in deze route is dat het een van de slechts twee enzymen is die vitamine B nodig hebben.12-afgeleide co-factor voor activiteit. de andere B12-vereisend enzym is methioninesynthase (zie het gedeelte over cysteïnesynthese hierboven). Deze propionyl-CoA-omzettingsroute is ook vereist voor het metabolisme van de aminozuren valine, isoleucine en threonine en vetzuren met een oneven aantal koolstofatomen. Om deze reden wordt dit reactiepad in drie stappen vaak door het geheugensteuntje herinnerd als het VOMIT-pad, waarbij: V staat voor valine, O voor oneven-keten vetzuren, m voor methionine, l voor isoleucine, en t voor threonine

hierboven van med chem

Methioninemetabolisme bij zoogdieren vindt plaats binnen twee routes, een methioninecyclus en een transsulfuratiesequentie. Deze routes hebben drie gemeenschappelijke reacties met beide routes, waaronder de transformatie van methionine in S-adenosylmethionine (SAM), het gebruik van SAM in veel verschillende transmethyleringsreacties resulterend in een gemethyleerd product plus S-adenosylhomocysteïne, en de omzetting van S-adenosylhomocysteïne om te produceren de verbindingen homocysteïne en adenosine. Bovenstaande reacties produceren niet alleen cysteïne, ze creëren ook a-ketobutyraat. Deze verbinding wordt vervolgens omgezet in succinyl-CoA via een driestapsproces nadat het is omgezet in propionyl-CoA. Als de aminozuren cysteïne en methionine in voldoende hoeveelheid beschikbaar zijn, zal de route SAM accumuleren en dit zal op zijn beurt de productie van cysteïne en a-ketobutyraat, die beide glucogeen zijn, via cystathioninesynthase stimuleren. Wanneer er een gebrek aan methionine is, is er een afname van de productie van SAM, wat de activiteit van cystathioninesynthase beperkt.

MET aan SAM geven Met-product + SAHC dat homcys en adenosie produceert, ook alfa-ketobutyraat dat vervolgens proprionyl en succinyllcoa produceert. Als voldoende cys en SAM worden bereikt, leidt dit tot Cys en alfa-keto

Speciaal: vertakte kettingen

. De drie vertakte aminozuren, isoleucine, leucine en valine komen de katabole route binnen via de werking van dezelfde twee enzymen. De initiële deaminering van alle drie de aminozuren wordt gekatalyseerd door een van de twee vertakte aminozuurtransaminasen (BCATc of BCATm). De resulterende &alfa-ketozuren worden vervolgens oxidatief gedecarboxyleerd via de werking van het enzymcomplex, vertakte ketozuurdehydrogenase (BCKD). De BCKD-reactie genereert de CoA-derivaten van de gedecarboxyleerde ketozuren, terwijl ook de gereduceerde elektronendrager, NADH, wordt gegenereerd. Na deze eerste twee reacties divergeert de rest van de katabole routes voor de drie aminozuren. De derde reactie van vertakte aminozuurkatabolisme omvat een dehydrogeneringsstap waarbij drie verschillende enzymen betrokken zijn, één voor elk van de CoA-derivaten die via de BCKD-reactie worden gegenereerd. Deze laatste dehydrogeneringsstap levert ook een extra gereduceerde elektronendrager op als FADH2. De derde reactie van isoleucinekatabolisme omvat het enzym acyl-CoA-dehydrogenase met korte/vertakte keten (SBCAD). Het SBCAD-enzym wordt gecodeerd door het ACADSB-gen. De derde reactie van leucinekatabolisme omvat het enzym isovaleryl-CoA-dehydrogenase (IVD). De derde reactie van valine-katabolisme omvat het enzym isobutyryl-CoA-dehydrogenase (IBD). Het IBD-enzym wordt gecodeerd door de acyl-CoA-dehydrogenasefamilie, lid 8 (ACAD8)-gen. Deze CoA-dehydrogenasen behoren tot dezelfde familie van enzymen die betrokken zijn bij het proces van mitochondriale vetzuur oxidatie.


Selenocysteïne

Selenocysteïne, een cysteïne-analogon dat gewoonlijk het 21e aminozuur wordt genoemd (Figuur 6.163), is een ongebruikelijk aminozuur dat af en toe in eiwitten wordt aangetroffen. Hoewel het zeldzaam is, is selenocysteïne gevonden in eiwitten in bacteriën, archaea en eukaryoten.

In tegenstelling tot aminozuren zoals fosfoserine, hydroxyproline of acetyl-lysine, die ontstaan ​​als gevolg van post-translationele modificaties, wordt selenocysteïne eigenlijk ingebouwd in groeiende peptideketens in ribosomen tijdens het translatieproces.

Geen enkel codon specificeert selenocysteïne, dus om het in een eiwit op te nemen, moet een tRNA dat het draagt ​​binden aan een codon dat normaal gesproken STOP (UGA) specificeert. Deze alternatieve lezing van de UGA is afhankelijk van de vorming van een speciale haarspeldlusstructuur in het mRNA dat codeert voor selenoproteïnen.

Selenium is nogal giftig, dus cellulaire en voedingsconcentraties zijn meestal buitengewoon laag. Van ongeveer 25 menselijke eiwitten is bekend dat ze het aminozuur bevatten. Deze omvatten vijf glutathionperoxidasen en drie thioredoxine-reductasen. Joodthyronine-dejodinase, een sleutelenzym dat thyroxine omzet in de actieve T3-vorm, bevat ook selenocysteïne in zijn actieve plaats. Al deze eiwitten bevatten een enkele selenocysteïne.

Een eukaryoot eiwit dat bekend staat als selenoproteïne P en dat in het bloedplasma van dieren wordt aangetroffen, bevat tien selenocysteïneresiduen en wordt verondersteld te functioneren als een antioxidant en/of bij de ontgifting van zware metalen. Naast selenocysteïne zijn er nog minstens twee andere biologische vormen van een seleno-aminozuur bekend. Deze omvatten 1) selenomethionine (Figuur 6.164), een van nature voorkomend aminozuur in paranoten, graankorrels, sojabonen en peulvruchten uit grasland en 2) gemethyleerde vormen van selenocysteïne, zoals Se-methylselenocysteïne, worden gevonden in Astragalus, Allium en Brassica soort.

De details van het translatieproces zullen elders in het boek worden beschreven, maar om selenocysteïne in een eiwit te krijgen, moet het tRNA dat selenocysteïne draagt, paren met een stopcodon (UGA) in het mRNA in het ribosoom. Dus, in plaats van de translatie te stoppen, kan selenocysteïne worden opgenomen in een groeiend eiwit en de translatie gaat door in plaats van te stoppen.

Vier genen zijn betrokken bij de bereiding van selenocysteïne voor opname in eiwitten. Ze staan ​​bekend als sel A, sel B, sel C en sel D. Sel C codeert voor het speciale tRNA dat selenocysteïne draagt. Het aminozuur dat aanvankelijk op het selenocysteïne-tRNA wordt geplaatst, is geen selenocysteïne, maar eerder serine. De werking van sel A en sel D zijn nodig om de serine om te zetten in een selenocysteïne.

Een tussenproduct in het proces is selenofosfaat, de seleniumdonor. Het is afgeleid van H2Se, de vorm waarin selenium in de cel wordt aangetroffen. Het tRNA dat selenocysteïne draagt, heeft een iets andere structuur dan andere tRNA's, dus het vereist hulp bij de vertaling. Het sel B-gen codeert voor een EF-Tu-achtig eiwit dat helpt om het selenocysteïne tijdens translatie in het eiwit op te nemen.

Het gebruik van UGA-codons om selenocysteïne in eiwitten op te nemen, kan grote schade aanrichten als het routinematig wordt gedaan, aangezien UGA in feite bijna altijd functioneert als een stopcodon en slechts zelden wordt gebruikt om te coderen voor selenocysteïne. Gelukkig is er een mechanisme dat ervoor zorgt dat het lezen van een UGA-codon als selenocysteïne alleen plaatsvindt wanneer het mRNA codeert voor een selenoproteïne.

Ongebruikelijke structuren in mRNA's

De mRNA's voor selenocysteïne-bevattende eiwitten vormen ongebruikelijke mRNA-structuren rond het UGA-codon die het ribosoom "missen" als een stopcodon en in plaats daarvan toestaan ​​dat het tRNA met selenocysteïne wordt opgenomen.

Net als selenocysteïne is pyrrolysine een zeldzaam, ongebruikelijk, genetisch gecodeerd aminozuur dat in sommige cellen wordt aangetroffen. Eiwitten die het bevatten, zijn enzymen die betrokken zijn bij het methaanmetabolisme en tot nu toe zijn alleen methanogene archaeans en één bacteriesoort gevonden. Het aminozuur wordt gevonden in de actieve plaats van de enzymen die het bevatten. Het wordt soms het 22e aminozuur genoemd.

De synthese van het aminozuur begint biologisch met twee lysines. Eén wordt omgezet in (3R)-3-Methyl-D-ornithine, dat aan het tweede lysine wordt gehecht. Na eliminatie van een aminegroep, cyclisatie en dehydratatie wordt L-pyrrolysine geproduceerd. Pyrrolysine is gehecht aan een ongebruikelijk tRNA (pylT-genproduct) door de werking van het aminoacyl-tRNA-synthetase dat wordt gecodeerd door het pylS-gen. Dit ongebruikelijke tRNA kan tijdens translatie met het UAG-stopcodon paren en de opname van pyrrolysine in de groeiende polypeptideketen tijdens translatie mogelijk maken op een manier die vergelijkbaar is met de opname van selenocysteïne.

De ureumcyclus onderscheidt zich als de eerste metabole cyclus die werd ontdekt - in 1932, vijf jaar vóór de citroenzuurcyclus. Het is een belangrijke stofwisselingsroute voor het balanceren van stikstof in de lichamen van dieren en vindt voornamelijk plaats in de lever en de nieren.

Organismen die, net als mensen, ureum uitscheiden, worden ureotelisch genoemd. Degenen die urinezuur uitscheiden (bijvoorbeeld vogels) worden uricotelisch genoemd en degenen die ammoniak uitscheiden (vissen) zijn ammonotelisch. Ammoniak wordt natuurlijk gegenereerd door het metabolisme van amines en is giftig, dus het beheersen van de niveaus ervan is van cruciaal belang voor elk organisme. Uitscheiding van ammoniak door vissen is een van de redenen dat een aquarium periodiek moet worden schoongemaakt en vervangen.

Leverfalen kan leiden tot ophoping van stikstofhoudend afval en verergert het probleem. Zoals te zien is in figuur 1.166, bevat de cyclus vijf reacties, waarbij elke omwenteling van de cyclus een molecuul ureum produceert. Van de vijf reacties vinden er drie plaats in het cytoplasma en twee in het mitochondrion. (De reactie die carbamoylfosfaat maakt, gekatalyseerd door carbamoylfosfaatsynthetase, wordt niet getoond in de figuur.)

Hoewel de cyclus eigenlijk geen startpunt heeft, is een gebruikelijke plaats om een ​​discussie te beginnen het molecuul ornithine. Zoals elders in dit boek besproken, kruist ornithine de metabole routes van arginine en proline.

Ornithine wordt gevonden in het cytoplasma en wordt naar het mitochondrion getransporteerd door de ornithine-citrulline antipoort van het binnenste mitochondriale membraan. In de matrix van het mitochondrion treden twee reacties op die relevant zijn voor de cyclus. De eerste is de vorming van carbamoylfosfaat uit bicarbonaat, ammoniak en ATP gekatalyseerd door carbamoylfosfaatsynthetase I.

Carbamoylfosfaat combineert vervolgens met ornithine in een reactie die wordt gekatalyseerd door ornithine-transcarbamoylase om citrulline te maken.

De citrulline wordt naar het cytoplasma getransporteerd door de hierboven genoemde ornithine-citrulline-antiport. In het cytoplasma combineert citrulline met L-aspartaat met behulp van energie van ATP om citrullyl-AMP (een tussenproduct) te maken, gevolgd door argininosuccinaat. De reactie wordt gekatalyseerd door argininosuccinaatsynthase.

Vervolgens wordt fumaraat gesplitst van argininosuccinaat door argininosuccinaatlyase om arginine te vormen.

Water wordt door arginase gebruikt om arginine te splitsen in ureum en ornithine, waarmee de cyclus wordt voltooid.

Ureum is minder giftig dan ammoniak en komt vrij in de urine. Sommige organismen maken om dezelfde reden urinezuur.

Het is vermeldenswaard dat asparaginezuur, ammoniak en bicarbonaat de cyclus binnenkomen en fumaraat en ureum hierdoor worden geproduceerd. Punten om mee te nemen zijn: 1) ammoniak wordt omgezet in ureum met bicarbonaat en het amine uit aspartaat 2) aspartaat wordt omgezet in fumaraat waarbij meer energie vrijkomt dan wanneer aspartaat zou worden omgezet in oxaalacetaat, aangezien omzetting van fumaraat in malaat in oxaalacetaat in het citroenzuur cyclus genereert een NADH, maar directe omzetting van aspartaat in oxaalacetaat niet en 3) glutamaat en aspartaat werken als shuttles om ammoniak in de cyclus te leiden. Zoals we hieronder zullen zien, is glutamaat een aaseter van ammoniak.

De ureumcyclus wordt zowel allosterisch als door substraatconcentratie gecontroleerd. De cyclus vereist N-acetylglutamaat (NAG) voor allosterische activering van carbamoylfosfaatsynthetase I. Het enzym dat de synthese van NAG katalyseert, NAG-synthetase, wordt geactiveerd door arginine en glutamaat. Zo stimuleert een indicator van hoge amineniveaus, arginine, en een belangrijke shuttler van aminegroepen, glutamaat, het enzym dat de cyclus activeert.

De reactie die wordt gekatalyseerd door NAG-synthetase is

Op substraatniveau worden alle andere enzymen van de ureumcyclus gecontroleerd door de concentraties van substraten waarop ze inwerken. Alleen bij hoge concentraties worden de enzymen volledig benut.

Een volledig tekort aan een enzym uit de ureumcyclus is dodelijk bij de geboorte, maar mutaties die leiden tot verminderde expressie van enzymen kunnen gemengde effecten hebben. Aangezien de enzymen gewoonlijk niet beperkend zijn voor deze reacties, kan toenemend substraat vaak de verminderde enzymhoeveelheden tot op zekere hoogte overwinnen door enzymen die aanwezig zijn in verminderde hoeveelheden eenvoudigweg volledig te activeren.

Als de tekortkomingen echter voldoende zijn, kan ammonium zich ophopen en dit kan behoorlijk problematisch zijn, vooral in de hersenen, waar mentale tekortkomingen of lethargie het gevolg kunnen zijn. Verlaging van de ammoniumconcentratie is afhankelijk van de glutamaatdehydrogenasereactie (genoemd naar de omgekeerde reactie).

Bij de glutaminesynthetasereactie kan extra ammoniak door glutamaat worden opgenomen.

Het resultaat van deze reacties is dat de &alpha-ketoglutaraat- en glutamaatconcentraties zullen worden verlaagd en de concentratie van glutamine zal toenemen. Voor de hersenen is dit een yin/yang-situatie. Het verwijderen van ammoniak is goed, maar het verlagen van de &alfa-ketoglutaraatconcentratie betekent dat er minder energie kan worden gegenereerd door de citroenzuurcyclus. Verder is glutamaat zelf een belangrijke neurotransmitter en een voorloper van een andere neurotransmitter - &gamma-aminoboterzuur (GABA).

Vanuit een energetisch perspectief kan worden gezegd dat de ureumcyclus break-even is of een kleine hoeveelheid energie genereert, als men de energie meetelt die wordt geproduceerd bij het vrijmaken van ammoniak uit glutamaat (één NADH). Er worden twee NADH's geproduceerd (waaronder die voor het omzetten van fumaraat in oxaalacetaat), die 4-6 ATP's opleveren, afhankelijk van hoe efficiënt de cel elektronentransport en oxidatieve fosforylering uitvoert.

De cyclus neemt 3 ATP's in en produceert 2 ADP's en één AMP. Aangezien AMP gelijk is aan 2 ATP, gebruikt de cyclus 4 ATP. Dus de cyclus breekt zelfs in het ergste geval of genereert in het beste geval 2 ATP's.

Aminozuurkatabolisme

Aminozuren worden verdeeld volgens de routes die betrokken zijn bij hun afbraak. Er zijn drie algemene categorieën. Degenen die tussenproducten opleveren in de glycolyseroute worden glucogeen genoemd en die tussenproducten van acetyl-CoA of acetoacetaat worden ketogeen genoemd. Degenen waarbij beide betrokken zijn, worden glucogeen en ketogeen genoemd. Deze worden getoond in Figuren 6.167 en 6.168.

Zoals te zien is in de twee figuren, produceren aminozuren grotendeels afbraakproducten die verband houden met tussenproducten van de citroenzuurcyclus of glycolyse, maar dit is het volledige plaatje. Sommige aminozuren, zoals tryptofaan, fenylalanine en tyrosine, leveren hormonen of neurotransmitters op bij het verdere metabolisme (zoals eerder opgemerkt). Others like cysteine and methionine must dispose of their sulfur and all of the amino acids must rid themselves of nitrogen, which can happen via the urea cycle, transamination, or both.

Tyrosine catabolism

Breakdown of tyrosine (Figure 6.169) is a five step process that yields acetoacetate and fumarate. Enzymes involved include 1) tyrosine transaminase 2) p-hydroxylphenylpyruvate dioxygenase 3) homogentisate dioxygenase 4) maleylacetoacetate cis-trans-isomerase and 5) 4-fumaryl acetoacetate hydrolase.

Breakdown of leucine is a multi-step process ultimately yielding the ketone body acetoacetate and acetyl-CoA. Branched chain amino acids (BCAAs - valine, leucine, and isoleucine) rely on Branched Chain AminoTransferase (BCAT) followed by Branched Chain &alpha-ketoacid dehydrogenase (BCKD) for catabolism.

Breakdown of isoleucine yields intermediates that are both ketogenic and glucogenic. These include acetyl-CoA and propionyl-CoA.

Breakdown of valine is a multi-step process ultimately yielding propionyl-CoA.


Decarboxylation of Amino Acids

When a carboxyl group is cleaved from an amino acid, 1 amine and CO2 are released as side products. The reaction is catalyzed by the enzyme decarboxylase using PLP as a partner. The resulting amines fulfill important functions in the body which is why they are called biogenous amines.

A well-known representative is histamine which is formed hrough decarboxylation from the basic amino acid histidine. The responsible enzyme is accordingly called histidine decarboxylase. Histamine is an important mediator and plays a vital role in, e.g., immediate hypersensitivity reactions. Further well-known biogenous amines relevant for metabolism are, e.g., GABA (gamma-aminobutyric acid from glutamine acid) and dopamine (from 3,4-dihydroxyphenylalanine).


What is glutamate signalling doing in plants?

An evolutionary perspective

The existence of a large family of plant GLR genes, together with the presence of glutamate-activated channel activity in roots and shoots, strongly suggests that glutamate signalling in plants is a reality. When glutamate signalling was thought of as something strictly associated with neurons and nervous systems, the notion of its existence in plants seemed paradoxical ( Lam et al., 1998). However, in the past decade, it has emerged that glutamate signalling in animals is not restricted to the nervous system, and indeed that it also occurs in primitive metazoans that lack a nervous system.

Examples where functional glutamate receptors (mGluRs and iGluRs) have been detected in non-neuronal mammalian tissues include bone cells, the pineal gland, and the pancreas ( Gill and Pulido, 2001 Hinoi et al., 2004 Moriyama and Yamamoto, 2004). The same tissues also express glutamate/aspartate transporters (GLASTs), which are required in synapses for signal termination, and vesicular glutamate transporters (VGLUTs), which are responsible for the active transport and storage of L -glutamate in synaptic vesicles. These findings have led to the conclusion that glutamatergic signalling is a general and ubiquitous system for intercellular communication in animals ( Hinoi et al., 2004 Moriyama and Yamamoto, 2004). Amongst the diverse functions ascribed to glutamate signalling in non-neuronal cells are included the regulation of insulin secretion ( Storto et al., 2006), the control of cellular differentiation in osteoblasts ( Hinoi et al., 2003), and the modulation of tumour cell proliferation ( Kalariti et al., 2005).

That glutamate signalling has early evolutionary origins, before the divergence of plants and animals, was an idea first proposed by Chiu et al. (1999). Support for this idea has come from studies on the marine sponge Geodia cydonium and the cellular slime mould Dictyostelium. Isolated Geodia cells were shown to be responsive to glutamate and to agonists and anatagonists of mGluRs, and a gene related to the mGluR/GABAB-type receptors was identified ( Perovic et al., 1999). Marine sponges are regarded as belonging to the most primitive metazoan phylum ( Muller, 2001), indicating that sophisticated glutamate signalling systems existed in the earliest metazoans. The slime mould Dictyostelium is an even more primitive unicellular eukaryote that appears to have split from the animal–fungal lineage after the divergence of plants and animals ( Eichinger et al., 2005). The formation of spores on the fruiting body of this social amoeba is induced by a GABA signal, and glutamate acts as a competitive inhibitor of this process ( Anjard and Loomis, 2006). Dictyostelium possesses a mGluR-like gene (DdmGluPR of GrlE) ( Taniura et al., 2006), and disrupting this gene abolishes the responses to GABA and glutamate, suggesting that both amino acids can bind to the DdmGluPR receptor ( Anjard and Loomis, 2006).

Homologues of iGluRs/GLRs even exist in cyanobacteria (GluR0) where they function as glutamate-gated K + channels ( Chen et al., 1999). Although these receptors lack the extended C-terminal and N-terminal domains that characterize the eukaryotic members of the family ( Fig. 2), it is likely that iGluRs suitable for intercellular communication evolved from an ancestral GluR0-type channel ( Oswald, 2004).

In summary, it appears that both iGluR/GLR-type and mGluR/GABAB-type receptors were already present in the progenitors of the Viridiplantae and the Metazoa. Since multicellularity is thought to have arisen independently in the evolution of the major eukaryotic kingdoms (Viridiplantae, Fungi, and Metazoa) ( Schopf, 1993), it seems that glutamate/GABA signalling mechanisms may have been a feature of the most primitive unicellular life forms. It is possible that the earliest function of glutamate/GABA signalling in single-celled organisms was in triggering chemotactic responses. Chemotaxis is recognized as an important adaptive mechanism which enhances an organism's ability to exploit nutrient patches ( Fenchel, 2002), and glutamate has been identified as a chemotactic signal in a number of modern day unicellular organisms, both prokaryotic ( Brown and Berg, 1974 Barbour et al., 1991) and eukaryotic ( Lee et al., 1999 Van Houten et al., 2000). Glutamate also acts as a cue that initiates a range of feeding-related responses in a variety of marine metazoans ( Bellis et al., 1991 Trott et al., 1997 Daniel et al., 2001 Kidawa, 2005). In some instances there is preliminary evidence suggesting that chemodetection of environmental glutamate may involve iGluR-type receptors ( Bellis et al., 1991 Murphy and Hadfield, 1997 Van Houten et al., 2000). In this context, it is intriguing that glutamate, acting through iGluR-type receptors, has a role as a guidance cue for neuronal migration during embryogenesis ( Behar et al., 1999 Manent et al., 2005 Matsugami et al., 2006 McGowan, 2006), perhaps echoing an evolutionarily ancient role as a chemoattractant.

If it is the case that glutamate signalling evolved in a primitive progenitor of plants and animals, clues to the function of glutamate signalling pathways in plants may come from a greater understanding of non-neuronal glutamate signalling in animals, and vice versa.

Glutamate signalling and root apical meristem activity

An unusual and striking effect of external glutamate on Arabidopsis root growth and branching has recently been reported ( Walch-Liu et al., 2006B). Wanneer Arabidopsis roots were exposed to low concentrations of L -glutamate there was a marked inhibition of primary root growth and an increase in root branching near the root apex. This effect on root architecture resulted from inhibition of meristematic activity at the primary root tip and an initial stimulation of lateral root outgrowth in the apical region of the primary root. Lateral roots were also glutamate sensitive, but only after they had reached 5–10 mm in length, indicating a developmentally delayed response. A similar response to glutamate was found in roots of a number of other species, including Thlaspi caerulescens, Thellungiella halophila, wild poppy, and tomato ( Walch-Liu et al., 2006een, B). Intriguingly, different Arabidopsis ecotypes displayed widely differing sensitivities to glutamate, the most sensitive being C24 and the least sensitive RLD1.

Both positive and negative effects of amino acids on plant growth have been reported by other authors ( Skinner and Street, 1953 Rognes et al., 1986 Katonoguchi et al., 1994 Barazani and Friedman, 2000), and a rapid inhibition of primary root growth by glutamate was reported by Sivaguru et al. (2003). However, the effects observed by Walch-Liu et al. (2006B) are distinctive in a number of respects. Most notably, the effects were detected at much lower concentrations than the millimolar concentrations commonly used in previous studies and were strongly genotype dependent. Furthermore, the effects were highly specific to L -glutamate, not being mimicked by related amino acids such as aspartate, glutamine, and GABA, or even by the D -stereoisomer of glutamate. The authors were able to rule out the possibility that the L -glutamate treatment was causing any kind of general nutritional or metabolic disturbance to the plant. Indeed, glutamate was only inhibitory to primary root growth if it was applied directly to the primary root tip.

The specificity of the glutamate effect, its localized nature, and its occurrence at low concentrations (≥20 μM) led to the suggestion that the root tip is probably responding to changes in the apoplastic L -glutamate concentration, and that some kind of signalling mechanism is involved ( Walch-Liu et al., 2006B). Attempts to use agonists and antagonists of mammalian iGluRs to investigate the possible involvement of AtGLR-encoded glutamate receptors proved unfruitful: the antagonists tested [DNQX, MK-801, and 2-amino-5-phosphonopentanoate (AP-5)] neither suppressed the L -glutamate effect nor had any direct effect on root growth ( Walch-Liu and Forde, 2007). Furthermore, although the agonist BMAA was inhibitory to root growth, the root phenotype it produced was very different from that seen with L -glutamate ( Walch-Liu and Forde, 2007).


Conclusie

Glutamate plays a critical role in the central metabolism of many organisms, including nitrogen assimilation, amino acid biosynthesis, and cofactor production. It is also involved in the production of secondary metabolites such as antibiotics. Whether the large intracellular pool of glutamate present in many organisms evolved to support a wide array of processes, or whether these processes evolved to make use of the large pool of glutamate is unclear. It is possible that the utilization of glutamate in these various processes is adaptation of ancient non-enzymatic processes that relied on the unique capability of glutamate and aspartate to form cyclic anhydrides. Regardless of the evolutionary history, increased understanding of the roles of glutamate could allow for the engineering of processes such as bioremediation of industrial contaminates and the production of important compounds in heterologous hosts.


Glutamate metabolism

As can be seen from Fig. 1, there is little doubt that glutamate is a central molecule in amino acid metabolism in higher plants. The α-amino group of glutamate is directly involved in both the assimilation and dissimilation of ammonia and is transferred to all other amino acids. In addition, both the carbon skeleton and α-amino group form the basis for the synthesis of γ-aminobutyric acid (GABA), arginine, and proline. It should also be noted that glutamate is the precursor for chlorophyll synthesis in developing leaves ( Yaronskaya et al., 2006). The biochemistry and molecular biology of glutamate metabolism have been reviewed previously ( Lea and Miflin, 2003 Suzuki and Knaff, 2005), and this paper provides an overview of the enzymes involved in the metabolism of glutamate as shown in Fig. 1, focusing on advances that have been made in the past few years.

Pathways of glutamate synthesis and metabolism in plants.

Pathways of glutamate synthesis and metabolism in plants.

Glutamine synthetase–glutamate synthase

The key enzyme involved in the de novo synthesis of glutamate is glutamate synthase, also known as glutamine:2-oxoglutarate amidotransferase (GOGAT). The reaction is a reductant-driven transfer of the amide amino group of glutamine to 2-oxoglutarate to yield two molecules of glutamate. The enzyme in plants is present in two distinct forms, one that uses reduced ferredoxin (Fd) as the electron donor (EC 1.4.7.1) and one that uses NADH as the electron donor (EC 1.4.1.14). The Fd-dependent enzyme is normally present in high activities in the chloroplasts of photosynthetic tissues, where it is able to utilize light energy directly as a supply of reductant. The NADH-dependent enzyme, which is also present in plastids, is located predominantly in non-photosynthesizing cells, where reductant is supplied by the pentose phosphate pathway ( Bowsher et al., 2007). The Fd- and NADH-dependent forms would appear to be expressed differently in separate plant tissues. However, the situation is now more complex, as evidence is accumulating to suggest that in most plants there are two genes that encode each form of glutamate synthase. Two recent reviews have covered the early history of the discovery of the two enzymes, their structure, and gene regulation ( Lea and Miflin, 2003 Suzuki and Knaff, 2005). In this volume, Tabuchi et al. (2007) and Cánovas et al. (2007) discuss the role of glutamate synthase in rice and conifers. Clear evidence of perturbations in amino acid metabolism have been demonstrated in plants that have reduced amounts of either form of enzyme activity, caused by mutation or gene knockout ( Somerville and Ogren, 1980 Blackwell et al., 1988 Leegood et al., 1995 Ferrario-Méry et al., 2002een, B Lancien et al., 2002).

The nitrogen-containing substrate for the glutamate synthase reaction is provided in the form of glutamine. This itself is synthesized in the ATP-dependent combination of glutamate and ammonia catalysed by glutamine synthetase (GS EC 6.3.1.2). The ammonia may have been generated by direct primary nitrate assimilation, or from secondary metabolism such as photorespiration ( Leegood et al., 1995). GS activity is located in both the cytoplasm and chloroplasts/plastids in most higher plants, except conifers. The enzyme proteins can be readily separated by standard chromatographic localization and western blotting techniques into cytoplasmic (GS1) and plastidic (GS2) forms. However, this distinction is not as simple as was first thought, as although only one gene has been shown to encode the plastidic form, a small family of up to five genes is now known to encode the cytoplasmic form. Recent information on the regulation of the genes encoding GS in conifers ( Cánovas et al., 2007), maize ( Hirel et al., 2007), and rice ( Tabuchi et al., 2007) is included in this volume. Limited success in the improvement of growth rates has been demonstrated following the overexpression of GS1 genes in Lotus corniculatus, poplar trees, tobacco, and maize ( Martin et al., 2006 Tabuchi et al., 2007). Early mutants of barley lacking chloroplastic GS2 exhibited a severe phenotype and were only able to grow under non-photorespiratory conditions ( Blackwell et al., 1988 Leegood et al., 1995). However, more recently, GS1 knockout lines have been isolated and characterized in both rice and maize. The growth rate, spikelet number, and weight were considerably reduced in a homozygous knockout line of OsGS11 in rice ( Tabuchi et al., 2005). In contrast, maize mutants with knockouts of the gln1-3 en gln1-4 genes appeared to grow normally until grain filling ( Martin et al., 2006). However, there was a reduction of kernel size in gln1-4 and of kernel number in gln1-3 mutanten. In de gln1-3/1-4 double mutant, a cumulative effect of the two mutations was observed ( Martin et al., 2006). The data from these two experiments clearly show that individual GS1 proteins have a non-redundant role in plant metabolism.

Glutamate dehydrogenase

The two enzymes involved in glutamate synthesis discussed previously catalyse irreversible reactions. A third enzyme, glutamate dehydrogenase (GDH EC 1.4.1.2), catalyses a reversible amination/deamination reaction, which could lead to either the synthesis or the catabolism of glutamate. During the last 33 years, the role of GDH in glutamate metabolism in plants has been the subject of continued controversy ( Oaks and Hirel, 1985 Dubois et al., 2003 Tercé-Laforgue et al., 2004B). However, following recent investigations into the regulation of the genes encoding the enzyme protein, the presence of overexpressing and antisense lines and the use of nuclear magnetic resonance (NMR) and gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS) techniques, the role is becoming clearer. Very recently, Masclaux-Daubresse et al. (2006) have reconfirmed that in both young and old tobacco leaves, glutamate is synthesized via the combined action of GS and glutamate synthase, whilst GDH is responsible for the deamination of glutamate.

GDH is located in the mitochondria, and on occasion the cytoplasm, within the phloem companion cells of shoots ( Tercé-Laforgue et al., 2004een Fontaine et al., 2006). GDH extracted from most plant species can be readily separated into seven isoenzymic forms following native gel electrophoresis ( Thurman et al., 1965 Loulakakis and Roubelakis-Angelakis, 1996). The reason for this is that GDH comprises two distinct subunits (α and β) that are able to assemble, apparently at random, into enzymatically active hexamers. The relative proportion of the α- and β-subunits and hence the isoenzyme pattern observed varies with plant organ and nitrogen source ( Loulakakis and Roubelakis-Angelakis, 1991 Turano et al., 1997). The α-subunit is encoded by GDHA in Nicotiana plumbaginifolia en GDH2 in Arabidopsis, and the β-subunit by GDHB in N. plumbaginifolia en GDH1 in Arabidopsis ( Purnell et al., 2005).

Antisense and mutant lines of both genes in tobacco and Arabidopsis have been constructed, but a full metabolic analysis of the plants has not yet been carried out ( Fontaine et al., 2006). Tobacco lines overexpressing the GDH β-subunit exhibited a greater capacity to catabolize glutamate but were not able to assimilate ammonia, when GS was inhibited ( Purnell and Botella, 2007). GDH activity has long been known to increase during senescence and following the application of a range of stresses. It has recently been shown that high NaCl induces the formation of reactive oxygen species, which in turn induces the synthesis of the α-subunit of GDH in tobacco and grapevine. When GS was inhibited, there was evidence of incorporation of ammonia via GDH into [ 15 N]glutamate and [ 15 N]proline in the presence of high salt ( Skopelitis et al., 2006).

Glutamate as a substrate for aminotransferase reactions

Following the formation of glutamate, the α-amino group can be transferred to a wide variety of 2-oxo acid acceptors to form amino acids, and similarly the α-amino group can be transferred back to form glutamate when 2-oxoglutarate and other amino acids are available. The reactions are carried out by reversible pyridoxal-5′-phosphate-containing enzymes termed aminotransferases (EC 2.6.1.x), also known as transaminases. It is probably the reversibility of these enzyme reactions that accounts for the relative stability of the glutamate concentration found in plants, which will be discussed in a later section. Studies on the substrate specificity of aminotransferases in the past have been confused by the use of impure plant extracts however, there is now substantial evidence that aminotransferases can exhibit wide preferences for both the amino acid and oxo acid substrate. Following the publication of the genome sequence of Arabidopsis thaliana, it was calculated that there were 44 genes that encoded aminotransferases ( Liepman and Olsen, 2004). Such a large number of enzymes is clearly beyond the scope of this article, and for this reason only a few reviews and key papers will be discussed.

The α-amino group of glutamate may be transferred to oxaloacetate to form aspartate by aspartate aminotransferase (EC 2.6.1.1). Aspartate is a precursor of asparagine ( Lea et al., 2007) and the aspartate family of amino acids, lysine, threonine, methionine, and isoleucine ( Azevedo et al., 2006). Aspartate aminotransferase also plays a key role in C4 photosynthesis ( Edwards et al., 2004). In Arabidopsis there are five distinct forms of aspartate aminotransferase that are located in the cytosol, mitochondria, plastids, and peroxisomes ( Wadsworth, 1997 Liepman and Olsen, 2004). Very recently, a plastid-localized aspartate aminotransferase has been identified that is unrelated to other plant forms of the enzyme, but is similar to a prokaryotic enzyme ( De la Torre et al., 2006).

The α-amino group of glutamate may also be transferred to pyruvate to form alanine by the action of alanine aminotransferase (EC 2.6.1.2). Alanine synthesis has been shown to play a key role in the response to hypoxia/anoxia ( Ricoult et al., 2006) and in C4 photosynthesis ( Edwards et al., 2004). Four genes encoding alanine aminotransferases have been identified in Arabidopsis ( Liepman and Olsen, 2004) and Medicago truncatula ( Ricoult et al., 2006), with the enzymes being located in the cytosol, mitochondria, and peroxisomes. The transfer of amino groups to glyoxylate to form glycine in the peroxisomes in the photorespiratory nitrogen cycle ( Keys, 2006 Reumann and Weber, 2006) is an unusual case, as the reaction is considered to be unidirectional. As well as a serine:glyoxylate aminotransferase, two forms of glutamate:glyoxylate aminotransferase (GGAT) are present in the peroxisome. Recombinant GGT1 was shown to have glutamate:glyoxylate, alanine:glyoxylate, glutamate:pyruvate, and alanine:2-oxoglutarate activities ( Liepman and Olsen, 2004 Reumann and Weber, 2006). Aminotransferases involved in the metabolism of GABA, proline, and arginine will be discussed in later sections. At least six aminotransferases are involved in the synthesis and metabolism of branched chain amino acids ( Binder et al., 2007) and two in the formation of histidinol phosphate in the synthesis of histidine ( Mo et al., 2006). Very recently, a totally new aminotransferase capable of converting tetrahydrodipicolinate to LL -diaminopimelate, bridging three enzyme reactions, has been identified in the lysine synthetic pathway of Arabidopsis ( Hudson et al., 2006).

GABA, arginine, and proline

Glutamate may be converted to GABA by the irreversible action of glutamate decarboxylase (GAD EC 4.1.1.15) in the cytoplasm. GAD was initially shown to have a low pH optimum of <6.0. However, it is now known that the enzyme protein has a Ca 2+ /calmodulin-binding site at the C-terminus ( Zik et al., 2006), which allows the enzyme to be stimulated in the presence of Ca 2+ /calmodulin at pH values >7.0. GABA accumulates in higher plants following the onset of a variety of stresses such as acidification, oxygen deficiency, low temperature, heat shock, mechanical stimulation, pathogen attack, and drought ( Shelp et al., 1999 Bouché and Fromm, 2004 Bown et al., 2006). Shelp et al. (2006) have presented evidence that GABA is involved in communication between plants and animals, fungi, bacteria, and other plants. Very recently, Lancien and Roberts (2006) have also shown that GABA can down-regulate the expression of genes encoding 14-3-3 proteins in a calcium-, ethylene-, and abscisic acid-dependent manner.

Glutamate is the precursor of arginine and is metabolized via acetylated derivatives to ornithine, citrulline, and arginosuccinate in a nine-step process ( Slocum, 2005). Arginine has a high N:C ratio (4:6), and along with asparagine (2:4) acts as a major nitrogen storage compound in higher plants, where it occurs in both the protein and soluble form. Arginine plays a key metabolic role in seed maturation and germination, phloem and xylem transport, particularly in conifer trees, and accumulates under stress and deficiency conditions ( Lea et al., 2007). Arginine and ornithine may also act as precursors of polyamines, which can play an important role in the response of plants to stress ( Alcázar et al., 2006). Early studies indicated that the major control point of arginine synthesis was at N-acetylglutamate kinase (NAGK EC 2.7.2.8), the activity of which was inhibited by arginine and activated by N-acetylglutamate. There is now strong evidence that this control is mediated through the binding of PII, a 2-oxoglutarate- and amino acid-sensing protein ( Lam et al., 2006), which is able to relieve the inhibition of NAGK by the end-product arginine ( Sugiyama et al., 2004 Chen et al., 2006 Ferrario-Méry et al., 2006).

Glutamate can act as the precursor of proline in a pathway that requires three enzyme-catalysed reactions and a spontaneous chemical reaction. Proline is a cyclic amino acid that has been shown to accumulate following a wide range of abiotic stresses such as that induced by drought, salinity, low and high temperatures, and heavy metals ( Munns, 2005 Sharma and Dietz, 2006). There is also evidence that proline is a major component of the nitrogen transport stream in both the xylem and phloem ( Brugière et al., 1999). The bifunctional enzyme protein Δ 1 -pyrroline-5-carboxylate synthetase (P5CS) catalyses two reactions (EC 2.7.2.11 and EC 1.2.1.41), the first of which, the phosphorylation of glutamate, is subject to feedback inhibition by proline ( Delauney and Verma, 1993 Strizhov et al., 1997 Hong et al., 2000 Armengaud et al., 2004).


<p>This section provides any useful information about the protein, mostly biological knowledge.<p><a href='/help/function_section' target='_top'>More. </a></p> Function i

Devoted to catabolic function of glutamate (and other amino acids of the glutamate family) utilization as sole nitrogen source. It is not involved in anabolic function of glutamate biosynthesis since B.subtilis possesses only one route of glutamate biosynthesis from ammonia, catalyzed by glutamate synthase. RocG is unable to utilize glutamate or glutamine as sole carbon source and to synthesize glutamate, but it is involved in the utilization of arginine, and proline as carbon or nitrogen source. The catabolic RocG is essential for controlling gltAB expression via an inhibitory interactions with the transcriptional regulator GltC in response to the availability of sugars.

<p>Manually curated information for which there is published experimental evidence.</p> <p><a href="/manual/evidences#ECO:0000269">More. </a></p> Manual assertion based on experiment in i


DISCUSSIE

This randomized cross-over trial in dietary-controlled, healthy subjects revealed that MSG added at nutritional doses to a standard diet elicited an antral distension and an elevation of plasma concentrations of several amino acids, including branched-chain amino acids, in the early postprandial phase. These physiological and metabolic effects were not associated with significant change in the metabolic fate of dietary N, the postprandial glucose and hormonal responses, and the gastrointestinal sensations of hunger and fullness.

The gastric distension following ingestion of a liquid, balanced meal providing approximately one-third of the daily energy intake was more pronounced in subjects receiving MSG at doses close to that commonly consumed than an equivalent dose of NaCl as control. The monitoring of antral area by two-dimension real-time ultrasound before and at regular intervals following the ingestion of the test meal has been proposed to represent a method to assess gastric emptying (5, 22), and the specific ultrasonographic monitoring of the antrum cross-sectional area is known to accurately detect variations in gastric volume (44, 48). MSG ingestion elicited an 18% higher AUC of antrum for the first 3 h after the meal ingestion. However, it is not obvious that the antral distension observed in our study after the MSG-supplemented meal really reflected a change in meal gastric emptying. Indeed, our results may rather be explained as a MSG-induced enhanced gastric secretion without increased gastric emptying resulting in increased antral distension. Our results are in contrast with that of the only available study that has evaluated the effect of MSG supplementation on gastric emptying using an oral dose of [ 13 C]sodium acetate (58). Using this latter method, the authors reported an acceleration of gastric emptying after MSG supplementation added to a protein-rich liquid diet, but no effect was observed when MSG was added to a carbohydrate-rich diet or to the same volume of water. Different hypotheses can be advanced to explain the discrepancy between Zai et al.'s (58) findings and the present results. We used a meal that contained more energy (700 vs. 400 kcal) and represented a larger volume (600 vs. 400 ml) than the meal used in their study, and both parameters are likely to influence gastric emptying (28). The concentration of MSG was lower in our study (16 vs. 30 mmol/l). Moreover, the protein source used in the study by Zai et al. was casein, whereas we used total milk proteins (35). Last but not least, as reported above, Zai et al. used [ 13 C]sodium acetate administration to measure gastric emptying while we used ultrasonographic monitoring of the antrum area.

Animal studies have been performed to assess the direct effect of MSG supplementation on gastric emptying or intestinal peristaltism. Toyomasu et al. (54) have shown stimulation of the upper gut motility through the vagus nerve after intragastric MSG stimulation, an effect that was associated with an acceleration of the gastric emptying rate. Furthermore, injection of MSG in stomach, duodenum, and portal vein increases gastric vagal afferent activity in rats (42, 56). However, it is worth noting that experimental conditions in animal and human studies are often very different, thus complicating comparison on the effects of MSG in these situations.

An interesting finding of the present study was the transient rise in plasma concentrations of many amino acids when subjects ingested the MSG-supplemented meal. This effect concerned in particular branched-chain amino acids, with significant 20–25% increases of circulating concentrations of leucine and isoleucine at 1 and 2 h after the meal. Branched-chain amino acid systemic availability has consistently been found to be increased in animals supplemented with MSG (24, 26, 30). This effect suggests a sparing effect of MSG on branched-chain amino acid first-pass uptake, through the implication of glutamate in reducing branched-chain amino acid transamination. Recently, enterocytes isolated from pig jejunum have been shown to extensively transaminate branched-chain amino acids, a phenomenon that is stimulated by α-ketoglutarate (8). In humans, leucine first-pass uptake may represent 13–37% of the dietary leucine intake (2, 10, 21, 23, 38), and it is conceivable that decreased transamination might translate into elevation of plasma concentrations. Increased postprandial glutamatemia, although of mild amplitude (11% increase of the postprandial AUC), is in line with previous results obtained in humans (51, 52).

We also found an increase in other amino acids that are derived from glutamate, including ornithine, citrulline, and alanine, in accord with other studies (24, 26, 30, 53) and with the known capacity of isolated enterocytes to convert glutamate into ornithine and citrulline and to allow pyruvate transamination into alanine (3). In contrast, this study did not demonstrate a significant increase in glutamine, aspartate, proline, or arginine as previously reported (24, 51). Last, since the catabolism of cysteine and tyrosine involves transamination with α-ketoglutarate being converted to glutamate, it is conceivable that glutamate through a mere mass-action phenomenon would participate in the sparing of these amino acids and thus in their increased plasma concentration. Data obtained in pigs from arteriovenous differences in tyrosine plasma concentrations suggest that this amino acid is little degraded by the intestine in this experimental model (57). Regarding cysteine catabolism, from the low appearance of this amino acid in the portal blood (<20% of dietary intake), it has been suggested that piglet intestine extensively utilizes cyst(e)ine (49), a suggestion that is in line with the capacity of isolated enterocytes to catabolize this amino acid (9).

By contrast with the effects on aminoacidemia, we could not evidence any detectable difference in the postprandial metabolic fate of dietary proteins, whether the subjects ingested the meal with or without MSG. The 15 N-labeled protein was used in the experimental meals because we have previously shown that the postprandial appearance of dietary N in pools such as plasma amino acids or urea is very sensitive to the kinetics of intestinal delivery of dietary proteins (6, 13, 16, 29). Because the measure of postprandial dietary N retention gives a global picture of protein metabolism, we cannot infer from our results that protein synthesis and/or degradation rates were unaffected by the dietary treatment but only that the net utilization of dietary N was similar. The discrepancy between the MSG-induced increase in plasma amino acids and the absence of effect of MSG on dietary N appearance in plasma amino acids and urea indicates that the improved systemic availability of amino acids may rather be the result of a modified first-pass uptake than the result of changes in protein fluxes. However, it would be necessary to perform studies with tracers to clarify this point.

GLP-1 and ghrelin are two gastrointestinal hormones that are potent regulators of gastric emptying (18). However, in this study, postprandial GLP-1 and ghrelin concentrations were not significantly influenced by dietary MSG, and there was no clear association between these hormones and the functional response observed at the gastric level. The glucose and insulin postprandial responses were also unaffected by MSG, which is in accord with the GLP-1 results. Collectively, our results are in agreement with the only study that has assessed the effect of MSG (0.6%) administration to a high-protein meal on satiety, energy intake, and hormone circulating concentrations in humans (33). Accordingly, the MSG ingestion was not associated with any changes to the postprandial gastrointestinal sensations (fullness, hunger). Despite crossover design, our study may have lacked power to detect subtle changes in such sensations because visual analog scales represent a technique with high intersubject variability. Moreover, if modifications of the gastric volume are one component that intervenes in the sensations of fullness and hunger after a meal, they are not always sufficient to induce changes to satiety and hunger feelings (45).

In conclusion, we show that MSG supplementation at nutritional doses elicits in healthy humans a postprandial gastric distension and an elevation of several amino acid plasma concentrations that are possibly linked. These physiological and metabolic effects had, however, no measurable consequences in terms of satiety, hormone profiles, or dietary N metabolism. Thus, it can be hypothesized that the gastric distension did not translate into a delay of gastric emptying. The mechanisms involved in such distension are not known but may involve an increased water or acid secretion in the stomach in response to MSG supplementation. A recent study showing the stimulation of gastric acid secretion by MSG in dogs is in accordance with this hypothesis (59). Moreover, intraduodenal, but not intrajejunal, infusion of amino acids stimulates gastric secretion (32). Intravenous infusion of amino acids is also able to have this latter effect and acts on both acid and pepsin secretion (27). Our findings call for further studies to elucidate the mechanisms by which dietary glutamate impact systemic amino acid concentrations and the consequences of such modulations. Last, it is worth noting that, in the present study, amino acid concentrations were measured in blood plasma but not in erythrocytes, which can contribute to the interorgan transfer of amino acids (14). However, although some amino acids are highly concentrated in erythrocytes, it is generally considered that the exchanges with plasma proceed very slowly, and thus this intracellular pool is considered to contribute poorly to interorgan fluxes.