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

Phosphoserin- Transaminase

2.6.1.52

Tr

PSAT-Def.

Phosphoserin

H₂O

P_i

Mg²⁺

Phosphoserin- Phosphatase

Hyd

NH₃

L-Serin-Deaminase

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

Serin-Aldolase

Tr

CO₂

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)

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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