مواضيع المحاضرة:
background image

 

2

 

Lecture 1+2 - Proteins & amino 
acids metabolism 

 

Introduction 

  To understand the fate of proteins and amino acids in the 

human body 

  To discuss the amino acid pool 

  To study the proteolytic pathways and systems 

  To deal with the formation of ammonia and urea in urea cycle 

  To take an example of protein synthesis and degradation 

  To see an amino acid metabolic pathway with possible genetic 

abnormality. 

 

Biomedical importance of proteins 

1)  Structural function: cell membrane, cytoplasm, receptors, 

collagen, elastin. 

2)  Metabolic regulation: enzymes, hormones. 
3)  Transport functions: albumin, hb,   transferrin and 

lipoproteins. 

4)  Blood clotting: fibrinogen, prothrombin. 
5)  Protection: immunoglobulins. 
6)  Contraction: actin and myosin. 
7)  Neurotransmission: adrenaline, acetylcholine, dopamine. 

 
 

The amino acid pool 

  Definition: The space that contains all the free amino acids in 

cells and extra-cellular fluids. 

  Amount:   is about 100 g.  

  Source: 

1)  Amino acids that are derived from digestion of dietary 

proteins & degradation of tissue proteins. 

2)  Amino acids that are synthesized in the body. 

  Fate: 

A.  Anabolic fate 

1)  Synthesis of tissue proteins. 
2)  Synthesis of nitrogenous compounds (e.g. Plasma proteins, 

hemoglobin, enzymes, protein hormones, purines, 
pyrimidines, creatine, neurotransmitters). 

3)  Conversion to glucose, glycogen, fatty acids, ketone bodies 

and steroids. 

B.  Catabolic fate: oxidation to Co

2

, H

2

O and energy. 

 
 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

3

 

Protein degradation 

There are 2 major enzyme systems responsible for degradation 
of damaged or unneeded proteins: 

1. Ubiquitin - proteasome system: 

  Is an energy-dependent system. 
  Is mainly degrades endogenous proteins: (proteins 

synthesized within the cell). 

2. Lysosomes. 

  Are non - energy-dependent enzymes. 
  Primarily degrade extracellular proteins: (plasma 

proteins and membrane proteins).  

 

  Structure of the ubiquitin - proteasome system 

 

  Steps of protein degradation by the proteasome- ubiquitin 

system 

1)  Protein intended for degradation is tagged with molecules of 

ubiquitin. 

2)  Ubiquinated proteins are recognized by the  proteasome which 

transports them to the   proteolytic core.  

3)  Ubiquitin is released and reused again. 
4)  Peptide fragments produced by the proteasome are degraded 

into amino acids. 

5)  Released amino acids are reused in new protein synthesis. 

 

 

 

The result of protein catabolism  

  Proteins are degraded into amino acids. 

  First step in amino acid degradation is the removal of the 

amino group and formation of ammonia. 

  Ammonium ion is converted into urea in the liver and 

execrated by the kidneys. 

  Carbon atoms are converted to other major metabolic 

intermediates. 

Protein Requirement in Health and Disease 

  The normal daily requirement of protein for adults is 0.8 - 1 g 

/ Kg body mass. 

  Protein requirement is increased in:  

  Healthy conditions: growth, pregnancy, lactation & 

adolescence. 

  Disease states: illness, major trauma and surgery. 

   Recommended daily allowance (RDA) for protein should be 

reduced in: hepatic and renal failure   
 

Nitrogen balance 

  It is the relationship between nitrogen intake & output.  

  Nitrogen intake is in the form of dietary proteins. 

  Nitrogen Output (Nitrogen excretion or loss) 

Occurs through several routes: 
1)  Stools: in the form of undigested proteins. 
2)  Urine: as non-protein nitrogenous compounds (NPN) e.g. 

ammonia, urea, creatinine, uric acid…etc. 

3)  Hair and nails. 
4)  Desquamated epithelial cells from skin, gastro- intestinal, 

genitourinary, and respiratory tracts. 

5)  Sweat as urea. 
6)  Menstrual blood. 

 

  States of nitrogen balance 

A- Nitrogen equilibrium. 
B. Positive nitrogen balance. 
C. Negative nitrogen balance. 

 

  Nitrogen equilibrium 

  Nitrogen intake is equal to nitrogen output. 

  It occurs in healthy adults on balanced diets 

 

  Positive nitrogen balance 

  Nitrogen intake > nitrogen output. 

  Causes of positive nitrogen balance 

      (1) Growing children. (2) Pregnancy. (3) Covalence. 
 

  Negative nitrogen balance 

Causes of Negative Nitrogen Balance 
A. Inadequate protein intake due to: 

 1. Starvation. 
 2. Malnutrition. 
 3. Malabsorption. 

B. Excessive loss of proteins due to: 

 1. Chronic hemorrhage. 
 2. Extensive burns. 
 2. Albuminuria due to kidney disease. 
 3. During pregnancy and lactation on an inadequate diet. 

C. Increased protein catabolism 

 1. Chronic metabolic diseases: Diabetes mellitus.  
 2. Hormonal abnormalities: Cushing's syndrome (increased                        
glucocorticoids), Hyperthyroidism. 


background image

 

4

 

 3. Chronic Infectious diseases: Tuberculosis, AIDS. 
 4- after surgical operations. 
 5. Cancer. 

 

 

Metabolism of amino nitrogen: 

The nitrogen of AAs is metabolized through the following 
processes: 
1) Transamination of amino acids.    
2) Oxidative deamination of glutamate. 
3) Transport of Ammonia.  
4) Reactions in the urea cycle. 
 

First - Transamination: 

 

  Definition: 

Is the first step in catabolism of AAs.  
It is the transfer of the amino group from one AA to an α-
ketoglutarate (α-kg).  
The products are α-keto acid  +  glutamate.  
The reaction is reversible - function in both catabolisms of 
AAs + biosynthesis of non-essential AAs. 

  Site: all tissues  

  Enzyme: transaminase (aminotransferase) 

  Coenzyme: pyridoxal phosphate. 

The two most important aminotransferase reactions are 
catalyzed by: 
Alanine aminotransferase aspartate aminotransferase 

  General aminotransferase activities 

 

Alanine aminotransferase (top) and 
glutamate aminotransferase (bottom). 
 

Second - Deamination 

There are three main enzymes 
1. L-glutamate dehydrogenase 
2. L-amino acid oxidases 
3. D-amino acid oxidases 
 

Biosynthesis of ammonia and urea cycle 

  The continuous degradation and synthesis of cellular 

proteins each day is about 1–2% of the total body protein, 
principally muscle protein. 

  High rates of protein degradation occur in tissues 

undergoing structural rearrangement:-  uterine tissue 
during pregnancy, skeletal muscle in starvation, bone 
remodulation. 

  approximately 75% of the liberated amino acids are 

reutilized.  

  The amino acids in excess of those needed for the synthesis 

for protein or other biomolecules cannot be stored in the 
body. 

  They will be used as a metabolic fuel.  

  First the a amino group is removed and converted to 

ammonia then to urea. 

  Then the carbon skeleton is converted into a major 

metabolic intermediates for energy utilization. 

 

Ammonia 

  Biosynthesis of ammonia 

Biosynthesis occurs in three stages: 
(1) Transamination of amino acids. 
(2) Oxidative deamination of glutamate. 
(3) Transport of ammonia.  
Steps in biosynthesis of ammonia 

 

 

  Ammonia Transport 

1)  Ammonia is transported in the blood from the sites of 

production to the sites of elimination. 

2)  Ammonia is present in low level in the blood due to:  

A.  Many tissues release amino acid nitrogen in the form of 

glutamine and alanine rather than free NH3.  


background image

 

5

 

B.  The rapid removal of ammonia by the liver.  

3)  Glutamine is removed by intracellular renal amino acid 

deamination by glutaminase to glutamate. 

4)  Urea formed in the liver from NH3 and excreted by the kidney 

is the most important route for NH3 disposal. 

5)  Formation & Excretion of ammonia by renal tubular cells 

maintains acid-base balance.  
Ammonia production from intracellular renal amino acids, 
especially glutamine is: 
  Increases in metabolic acidosis   (high H ion conc.) 
  Decreases in metabolic alkalosis (low H ion conc.) 

6)  NH

3

 is produced by the intestinal bacteria as well. 

 

 

Fates of ammonia

  

1)  NH3 is captured by liver cells to form urea. 
2)  Directly excreted in urine (by the action of glutaminase in the 

kidney → liberation and reabsorption of glutamate while 
ammonia is excreted in urine as NH4 ions). 

3)  Synthesis of nucleotides. 
4)  Synthesis of heme. 
5)  Synthesis of non-essential AAs by the reverse of L-glutamate 

dehydrogenase. 
 

  Types of hyperammonemia 

1) Hereditary hyperammonemia : 
It is due to deficiency of  
-any enzyme of urea cycle, 
2) Acquired hyperammonemia 
1) Liver cirrhosis 
2) Biliary obstruction 
 

Urea 

  Structure of urea 

 

NH2 -CO- NH2 
 

  What is urea 

1.  It is the end-product of deamination of AAs.  
2.  is formed in the liver from ammonia . 
3.  It forms about 80 -90 % of total urine nitrogen. 
4.  Its excess in blood is called ureamia. 
 

  Urea cycle 

  Synthesis of urea occurs in the liver in 5 reactions. 

  The first 2 reactions proceed in mitochondria of liver cells. 
  While the remaining 3 proceed in cytosol of liver cells. 

 

 

  Urea and Uremia 

(Definition, causes, clinical picture and treatment) 

  Urea is the main product of protein metabolism. It is the 

chemical form in which unrequired nitrogen is excreted 
mainly by kidneys, small amounts are lost via skin & GIT. 

  Urea is formed in the liver from ammonia and CO2 in a series 

of enzyme mediated reaction (the urea cycle). 

  Normal blood urea: 20 – 40 mg/dl. 

  Uremia: is the accumulation of urea with other nitrogenous 

compounds mainly due to renal failure. 

 

  Clinical picture of hyperammonemia and ureamia 

1) Vomiting 
2) Intermittent ataxia 
3) Irritability 
4) Lethargy 
5) Coma 
6) Mental retardation (hereditary type) 
7) Death 

 

  Main causes of uremia 

1)  Pre-renal causes:  

a)  Increased protein catabolism: High protein diet, GIT 

hemorrhages trauma, surgery and starvation.  

b)  Impaired renal perfusion: Loss of extracellular fluid, 

hypoproteinaemia and heart failure. 

2)  Renal causes: (reduced glomerular filtration rate):   
     Acute or chronic renal disease.  
3)  Post renal causes (any obstruction to urine flow): Stones, 

ureter and urethral strictures and prostatic hypertrophy.  

 

  Treatment of Hyperammonemia and uremia 

  Restriction of protein intake. 
  haemo and peritoneal dialysis. 
  Liver transplantation. 
  Renal transplantation. 
  Gene Therapy Offers Promise for Correcting Defects in 

Urea Biosynthesis. 

 

  Causes of reduced plasma urea 

1- Low protein diet. 
2- Sever starvation. 
3- Malabsorption syndrome. 
4- Sever liver diseases. 
5- Water retention. 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 158 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل