amino acid biosynthesis

AMINO ACID BIOSYNTHESIS
• Asam amino merupakan unit
penyusun protein
• Struktur:
satu atom C sentral yang
mengikat secara kovalent:
– gugus amino,
– gugus karboksil,
– satu atom H dan
– rantai samping (gugus R)
KRT-2011
1
Asam Amino
• Gugus R  rantai samping
yang berbeda-beda pada
setiap jenis asam amino
• Gugus R yang berbeda-beda
tersebut menentukan:
– -. Struktur
– -. Ukuran
– -. Muatan elektrik
– -. Sifat kelarutan di dalam
air
KRT-2011
2
Asam amino
• Perbedaan utama antara satu asam
amino dengan yang lainnya terletak
pada gugus sampingnya.
• Asam amino paling sederhana
strukturnya adalah glisin yang hanya
mempunyai satu atom hidrogen pada
gugus sampingnya.
• Prolin adalah asam amino yang struktur
dasarnya berbeda dari asam amino yang
lain karena atom N-nya ada dalam
struktur cincin, sehingga prolin lebih
sesuai dinamakan asam imino.
• Struktur prolin yang demikian
menyebabkan terjadinya bengkokan
pada struktur protein sehingga
mempengaruhi arsitektur protein.
KRT-2011
3
Asam amino non polar
• Memiliki gugus R
alifatik
• Glisin, alanin, valin,
leusin, isoleusin
dan prolin
• Bersifat hidrofobik.
Semakin hidrofobik
suatu asam amino
seperti isoleusin ,
biasa terdapat di
bagian dalam
protein.
KRT-2011
4
Asam amino dengan gugus R aromatik
• Fenilalanin, tirosin dan triptofan
• Bersifat relatif non polar 
hidrofobik
• Fenilalanin bersama dgn V, L & I
 asam amino paling hidrofobik
• Tirosin  gugus hidroksil ,
triptofan  cincin indol
• Sehingga mampu membentuk
ikatan hidrogen  penting untuk
menentukan struktur ensim
KRT-2011
5
Asam amino dengan gugus R bermuatan positif
•
•
•
•
•
Lisin, arginin, dan histidin
Mempunyai gugus yang bersifat basa pada rantai sampingnya
Bersifat polar  terletak di permukaan protein dapat mengikat air.
Histidin mempunyai muatan mendekati netral (pada gugus imidazol) dibanding
– lisin  gugus amino
– arginin  gugus guanidino
Karena histidin dapat terionisasi pada pH mendekati pH fisioligis  sering
berperan dlm reaksi ensimatis yang melibatkan pertukaran proton
KRT-2011
6
Polar, uncharged amino acids
• Rantai samping dari asparagine (Asn or N) dan glutamine (Gln or Q),
masing-masing amide derivatives dari Asp and Glu,, tidak bermuatan
tetapi dapat berpartisipasi dalam pengikatan hidrogen. Serine (Ser or S)
dan threonine (Thr or T) (Fig. 3b) merupakan polar amino acids due to
the reactive hydroxyl group pada ranai samping, dan dapat juga
berpartisipasi dalam pengikatan hidrogen (as can the hydroxyl group of
the aromatic amino acid Tyr).
KRT-2011
7
•
•
Rantai samping asam amino dapat
dibedakan atas:
1.polar, bermuatan negatif (aspartat,
asam glutamat),
2.polar, bermuatan positif (arginin,
histidin, lisin),
3.polar, tidak bermuatan (asparagin,
glutamin, serin, dan treonin),
4.nonpolar/hidrofobik (alanin, sistein,
isoleusin, leusin, metionin, fenilalanin,
prolin, triptofan, tirosin, dan valin),
5.netral (glisin).
Kedua puluh macam asam amino beserta
singkatannya dapat dilihat pada Tabel
3.1.
KRT-2011
8
Klasifikasi Asam amino
• Diklasifikasikan berdasar gugus R (rantai samping)
• Biasanya sifat-sifat seperti: hidrofobik/hidrofilik,
polar/non polar, ada/tidaknya gugus terionisasi
AROMATIK
NON
POLAR
Asam amino
BASIC (+)
POLAR
ACIDIC (-)
KRT-2011
9
Asam amino non polar
• Memiliki gugus R alifatik
• Glisin, alanin, valin, leusin,
isoleusin dan prolin
• Bersifat hidrofobik. Semakin
hidrofobik suatu a.a spt Ile (I) 
biasa terdapat di bagian dlm protein.
• Prolin berbeda dgn a.a  siklis. Tapi
mempunyai byk kesamaan sifat dgn
kelompok alifatis ini.
• Umum terdapat pada protein yang
berinteraksi dengan lipid
KRT-2011
10
Asam amino polar
• Memiliki gugus R yang tidak bermuatan
• Serin , threonin, sistein, metionin, asparagin,
glutamin
• Bersifat hidrofilik  mudah larut dalam air
• Cenderung terdapat di bagian luar protein
• Sistein berbeda dgn yg lain, karena ggs R terionisasi
pada pH tinggi (pH = 8.3) sehingga dapat mengalami
oksidasi dengan sistein membentuk ikatan disulfide
• (-S-S-)  sistin (tdk tmsk dlm a.a. standar karena
selalu tjd dari 2 buah molekul sistein dan tidak dikode
oleh DNA)
KRT-2011
11
Asam amino dengan gugus R
aromatik
• Fenilalanin, tirosin dan triptofan
• Bersifat relatif non polar  hidrofobik
• Fenilalanin bersama dgn V, L & I  a.a plg
hidrofobik
• Tirosin  gugus hidroksil , triptofan  cincin
indol
• Sehingga mampu membentuk ikatan
hidrogen  penting untuk menentukan
struktur ensim
• Asam amino aromatik mampu menyerap
sinar UV λ 280 nm  sering digunakan utk
menentukan kadar protein
KRT-2011
12
Asam amino dengan gugus R
bermuatan positif
• Lisin, arginin, dan histidin
• Mempunyai gugus yg bsft basa pd rantai
sampingnya
• Bersifat polar  terletak di permukaan protein
dapat mengikat air.
• Histidin mempunyai muatan mendekati netral (pd
gugus imidazol) dibanding
– lisin  gugus amino
– arginin  gugus guanidino
• Krn histidin dpt terionisasi pada pH mendekati pH
fisioligis  sering berperan dlm reaksi ensimatis
yg melibatkan pertukaran proton
KRT-2011
13
Asam amino dengan gugus R
bermuatan negatif
• Aspartat dan glutamat
• Mempunyai gugus
karboksil pada rantai
sampingnya 
bermuatan (-) / acid
pada pH 7
KRT-2011
14
KRT-2011
15
KRT-2011
16
KRT-2011
17
Asam amino standar
• Asam amino yang menyusun
protein organisme ada 20 macam
disebut sebagai asam amino
standar
• Diketahui asam amino ke 21
disebut selenosistein (jarang
ditemukan) Terdapat di beberapa
enzim seperti gluthatione
peroxidase
• Selenenosistein mempy kode
genetik: UGA  biasa utk stop
kodon  tjd pd mRNA dgn
struktur 2nd yg banyak.
KRT-2011
18
Asam amino non standar
• Merupakan asam
amino diluar 20 mcm
as. Amino standar
• Terjadi karena
modifikasi yang terjadi
setelah suatu asam
amino standar menjadi
protein.
• Kurang lebih 300 asam
amino non standar
dijumpai pada sel
KRT-2011
modifikasi serin yang
mengalami fosforilasi
oleh protein kinase
19
• modifikasi prolin  dlm proses
modifikasi posttranslasi, oleh
prokolagen prolin hidroksilase.
• Ditemukan pada kolagen untuk
menstabilkan struktur
• Dari modifikasi Glu oleh vit K.
•  karboksi glutamat mampu
mengikat Ca  penting utk
penjendalan darah.
• Ditemukan pd protein protombin
KRT-2011
20
•Modifikasi lisin. Terdapat di kolagen dan miosin (protein
kontraksi pd otot) dan berperan untuk sisi terikatnya
polisakarida
•Beberapa ditemukan asam amino nonstandar yang tidak
menyusun protein  merupakan senyawa antara
metabolisme (biosintesis arginin dan urea)
KRT-2011
21
AMINO ACID BIOSYNTHESIS
• ESSENTIAL AMINO ACIDS
*ARGININE
HISTIDINE
ISOLEUCINE
LEUCINE
LYSINE
METHIONINE
PHENYLALANINE
THREONINE
TRYPTOPHAN
VALINE
• NOTE
– ARG IS ESSENTIAL IN INFANTS AND CHILDREN
– MOST SYNTHESIZED ARG  ORNITHINE AND
UREA VIA THE UREA CYCLE
KRT-2011
22
AMINO ACID BIOSYNTHESIS
• NONESSENTIAL AMINO ACIDS
ALANINE
ASPARAGINE
ASPARTATE
*CYSTEINE
GLUTAMATE
GLUTAMINE
GLYCINE
PROLINE
SERINE
*TYROSINE
• NOTE:
– CYS GETS ITS SULFUR ATOM FROM MET
– TYR IS HYDROXYLATED PHE
• SO IT’S NOT REALLY NONESSENTIAL
KRT-2011
23
AMINO ACID BIOSYNTHESIS
• ALL ARE SYNTHESIZED FROM COMMON
METABOLIC INTERMEDIATES
• NON-ESSENTIAL
– TRANSAMINATION OF -KETOACIDS THAT ARE AVAILABLE
AS COMMON INTERMEDIATES
• ESSENTIAL
– THEIR -KETOACIDS ARE NOT COMMON INTERMEDIATES
(ENZYMES NEEDED TO FORM THEM ARE LACKING)
• SO TRANSAMINATION ISN’T AN OPTION
– BUT THEY ARE PRESENT IN COMMON PATHWAYS OF
MICRO-ORGANISMS AND PLANTS
KRT-2011
24
AMINO ACID BIOSYNTHESIS OVERVIEW
(USE OF COMMON INTERMEDIATES)
GLUCOSE  GLUC-6-PHOSPHATE    RIB-5-PHOS→ HIS


3-PHOSPHOGLYCERATE

SERINE



GLYCINE
E-4-PHOS
+
PEP
CYSTEINE


PHE→TYR
PYRUVATE

ALA
TRP

VAL
CITRATE
LEU,
ILE
↓
OXALOACETATE, -KETOGLUTARATE
ASP, ASN, GLU, GLN, PRO, ARG, LYS, THR, MET
KRT-2011
25
SYNTHESIS OF NON-ESSENTIAL
AMINO ACIDS
• ALL (EXCEPT TYR) SYNTHESIZED
FROM COMMON INTERMEDIATES
SYNTHESIZED IN CELL
–
–
–
–
PYRUVATE
OXALOACETATE
-KETOGLUTARATE
3-PHOSPHOGLYCERATE
KRT-2011
26
SYNTHESIS OF NON-ESSENTIAL AMINO
ACIDS
• TRANSAMINATION REACTIONS: ONE STEP
– PYRUVATE + AA  ALANINE + -KETOACID
– OXALOACETATE + AA  ASPARTATE + -KETOACID
– -KETOGLUTARATE + AA  GLUTAMATE + KETOACID
• TRANSAMINASES: EQUILIBRATE AMINO GROUPS
REQUIRE PYRIDOXAL PHOSPHATE (PLP)
– ALL AAs, EXCEPT LYS, CAN BE TRANSAMINATED
– MOST TRANSAMINASES GENERATE GLU OR ASP
• WHY?
• LOOK AT MECHANISM OF PLP (PAGE 987 IN TEXT)
KRT-2011
27
SYNTHESIS OF NONESSENTIAL
AMINO ACIDS
• ATP-DEPENDENT AMIDATION OF ASP, GLU
–  ASN, GLN
– GLU + ATP + NH3  GLN + ADP + Pi
• GLUTAMINE SYNTHETASE
• NH3 IS TOXIC; IT’S STORED AS GLN
• GLN DONATES AMINO GPS IN MANY
REACTIONS
– ASP + ATP + GLN  ASN + AMP + PPi + GLU
• ASPARAGINE SYNTHETASE
KRT-2011
28
SYNTHESIS OF NONESSENTIAL AMINO
ACIDS
• NITROGEN METABOLISM IS CONTROLLED BY
REGULATION OF GLUTAMINE SYNTHETASE
– IN MAMMALS, GLN SYNTHETASES ACTIVATED BY
-KG
– EXCESS AAs TRANSAMINATED TO GLU
• OXIDATIVE DEAMINATION OF GLU  -KG
+ NH3
• NH3  UREA OR GLN (STORAGE)
• -KG IS A SIGNAL THAT ACTIVATES GLN SYNTHETASE
KRT-2011
29
Amino acid biosynthesis
• Similarities to nucleotide synthesis
– Nitrogen
– Intermediates
– Types of reactions
– Structures
– Regulation
• Pathways
Histidine
Purine
KRT-2011
30
Nitrogen cycle
KRT-2011
31
Glutamate and glutamine
KRT-2011
32
Regulation of nitrogen metabolism
KRT-2011
Back
33
Regulation of nitrogen metabolism
KRT-2011
34
Reactions in amino acid synthesis
1. Transaminations
2. Transfer of onecarbon groups
3. Transfer of amino
groups from Gln
KRT-2011
35
Amino acid biosynthesis
KRT-2011
36
Precursors in AA synthesis
5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate
(PRPP)
Ribose phosphate
phosphokinase
Ribose-5-P + ATP ------------------- PRPP + AMP
KRT-2011
37
-Ketoglutarate
KRT-2011
38
KRT-2011
39
3-Phosphoglycerate
KRT-2011
40
In plants and bacteria…
KRT-2011
41
In mammals…
KRT-2011
42
Oxaloacetate and pyruvate
Transamination
KRT-2011
43
Phosphoenolpyruvate and
erythrose 4-phsophate
KRT-2011
44
Ribose 5-phosphate
KRT-2011
45
Regulation of amino acid synthesis
• Allosteric feedback
inhibition
• Concerted inhibition
• Sequential feedback
inhibition
KRT-2011
46
Molecules derived from AAs
1.
2.
3.
4.
5.
Nucleotides
Nucleotide coenzymes
Porphyrins
Neurotransmitters
Other molecules
KRT-2011
47
Porphyrins
KRT-2011
48
Porphyrins
KRT-2011
49
Neurotransmitters
• Decarboxylation using PLP
KRT-2011
50
KRT-2011
51
Creatine
KRT-2011
52
Glutathione (GSH)
KRT-2011
53
Plant substances
• Tannins
• Alkaloids
• Flavorings
HO
HO
O
O
N
N
H
H
CH3
CH3
HO
HO
KRT-2011
54