Biochemie und Pathobiochemie: Threonin-, Glycin- und Serin-Stoffwechsel

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Allgemeines

L-Serin ist eine nicht-essentielle, hydrophile, proteinogene Aminosäure. Sie wird aus einem Zwischenprodukt des Glycolyse gebildet. Benötigt wird sie für die Synthese von Glycin, Cystein, Sphingolipiden und Cholin. Außerdem liefert sie 1-Kohlenstoff-Reste in den Folsäurestoffwechsel.

Glycin ist die kleinste und einfachste Aminosäure. Sie besitzt keine Seitenkette und kann aus Serin synthetisiert werden. Verwendung findet sie in zahlreichen Biosynthesen (s.u.) und als hemmender Neurotransmitter im Rückenmark.

Threonin ist eine essentielle, polare, proteinogene Aminosäure.

Biosynthese von L-Serin aus 3-Phosphoglycerat und Deaminierung zu Pyruvat

⇓	Subst.	⇑	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
3-Phosphoglycerat
NAD+ NADH/H+		NAD+ NADH/H+		Phosphoglycerat- Dehydrogenase	1.1.1.95	Ox	PHGDH-Def. (Kongenitale Mikrozephalie, psychomotorische Retardierung, Krämpfe)
3-Phosphohydroxypyruvat
Glutamat α-Ketoglutarat		Glutamat α-Ketoglutarat	Pyridoxal- phosphat	Phosphoserin- Transaminase	2.6.1.52	Tr	PSAT-Def.
Phosphoserin
H2O Pi			Mg2+	Phosphoserin- Phosphatase	3.1.3.3	Hyd	PSP-Def.
L-Serin
NH3		NH3	Pyridoxal- phosphat	L-Serin-Deaminase	4.3.1.17
Pyruvat

Startpunkt der Serin-Biosynthese ist 3-Phosphoglycerat, ein Metabolit der Glycolyse bzw. Gluconeogenese. Serin kann zu Pyruvat deaminiert oder wie in der nächsten Tabelle dargestellt über Glycin vollständig abgebaut werden. Letzteres ist ein wichtiger Weg, um N⁵,N¹⁰-Methylen-Tetrahydrofolsäure zu regenerieren.

Biosynthese von Glycin aus L-Serin und Abbau

⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
L-Serin
THF H2O, N5,N10-Methylen-THF		THF N5,N10-Methylen-THF, H2O	Pyridoxal- phosphat	Serin-Aldolase	2.1.2.1	Tr
Glycin
Protein-Lipoyllysin CO2			Pyridoxal- phosphat	Glycin-Dehydrogenase (decarboxylierend)	1.4.4.2	Ox	Glycin- Enzephalopathie (GCE)
Protein-S- Aminomethyl- Dihydrolipoyllysin
THF NH3, N5,N10-Methylen-THF				Aminomethyltransferase	2.1.2.10	Tr	Glycin- Enzephalopathie (GCE)
Protein- Dihydrolipoyllysin
NAD+ NADH/H+			FAD	Dihydrolipoyl- Dehydrogenase	1.8.1.4	Ox	Ahornsirup- Krankheit Typ III
Protein-Lipoyllysin

Aus Serin kann der Körper Glycin bilden und vice versa. Glycin entsteht weiterhin bei der Biosynthese von Carnitin aus Protein-Lysin. Der Abbau von Glycin erfolgt entweder über Serin zu Pyruvat, bei diesem Weg muss eine Methyl(en)-Gruppe investiert werden (N⁵,N¹⁰-Methylen-THF) oder Glycin wird mit Hilfe eines Lipoylproteins decarboxyliert und der C1-Rest unter Ammoniakabspaltung auf THF übertragen werden, so dass im Ggs. zu vorher eine Methyl(en)-Gruppe gewonnen wird.

Abbau von L-Threonin zu Acetaldehyd und Glycin

⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
L-Threonin
			Pyridoxal- phosphat	Threonin-Aldolase	4.1.2.5	Ly
+ Acetaldehyd Glycin

Die essentielle Aminosäure Threonin kann auf 2 Wegen abgebaut werden. Zum einen über die Aldolspaltung zu Acetaldehyd (ketogen) und Glycin. Letzteres kann z.B. über Serin in Pyruvat (glucogen) umgewandelt werden. Die 2. Möglichkeit ist eine α-,β-Eliminierung zur Propionyl-CoA (glucogen).

Alternativer Abbau von Threonin via α-,β-Eliminierung

⇓	Subst.	( ⇑ )	Co.	Enzym	EC	EG	Erkr.
L-Threonin
NH3			Pyridoxal- phosphat	Threonin-Ammoniak-Lyase	4.3.1.19	Ly
α-Ketobutyrat
CoA-SH, ? CO2, ?				?	?	?
Propionyl-CoA

Die Rolle der drei Aminosäuren im Stoffwechsel

L-Serin

• Biosynthese von Glycin
• Abbau von Methionin und Biosynthese von L-Cystein
• Einschleusung von C1-Resten in den Tetrahydrofolsäure-Stoffwechsel (Bildung von N⁵,N¹⁰-Methylen-THF)
• Bioynthese von Phosphatidylserin
• Sphingolipid-Biosynthese
• Proteinbiosynthese
  • Die Phosphorylierung zur Interkonversion von Proteinen (Konformationsänderung durch die polare Phosphatgruppe) durch spezifische Proteinkinasen (Phosphotransferasen) erfolgt meist an Aminosäuren mit einer Hydroxylgruppe (Serin > Threonin > Tyrosin).
  • Serin ist neben Threonin, Hydroxyprolin und Hydroxylysin eine Verknüpfungstelle für Zucker in Glycoproteinen in Form einer O-glykosidischen Bindung.
• Die PALP-abhängige Decarboxylierung von Serin liefert das biogene Amin Ethanolamin, aus dem durch 3fache Methylierung (mittels S-Adenosylmethionin (SAM)) Cholin gebildet wird. (Anm.: Dieser Weg ist in KEGG nicht beschrieben).

Glycin

• Abbau von Cholin zu Glycin
• Porphyrin-Biosynthese
• Purin-Biosynthese
• Kreatin-Biosynthese
• Glyoxylat-Stoffwechsel
• Biosynthese der Gallensäuren (Glycocholsäure)
• Einschleusung von C1-Resten in den Tetrahydrofolsäure-Stoffwechsel (Bildung von N⁵,N¹⁰-Methylen-THF)
• Phase II der Biotransformation in der Leber (Konjugation)
• Glutathionbiosynthese
• Proteinbiosynthese, z.B. von Kollagen (Glycin ist notwendig für die räumliche Ausbildung der Kollagen-Triplehelix)
• Im Rückenmark wirkt Glycin (ähnlich wie GABA im Gehirn) als inhibitorischer Neurotransmitter und öffnet ligandengesteuerte Chlorid-Kanäle.

L-Threonin

• Proteinbiosynthese
  • Phosphorylierbar (s.o.)
  • O-glykosidischen Bindung in Glycoproteinen (s.o.)

Weblinks

• KEGG: Glycine, serine and threonine metabolism - Homo sapiens (human)

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Allgemeine Hintergrundfarbe für Substrate	Hintergrundfarbe Reaktionspfeile	„Schlüsselenzyme“
Energiereiche Phosphate Reduktionsäquivalente	CO2 / HCO3− C1-Reste Stickstoff

Abk.: Tr.: Transkriptionelle Regulation, Tl.: Regulation der Translation, Lok.: Regulation über die Enzymlokalisation, Kov.: Regulation durch kovalente Modifikation, All.: Allosterische Regulation, Koop.: Kooperativer Effekt, Co.: Cofaktoren, EC: Enzymklassifikation, EG: Enzymgruppe (Oxidoreductase, Transferase, Hydrolase, Lyase, Isomerase, Ligase), Erkr.: Assoziierte Erkrankungen.

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