Oksidatif Deaminasyon

Tanım

Oksidatif deaminasyon, bir amino asidin veya daha tipik olarak glutamatın amino grubunun oksidatif bir reaksiyonla uzaklaştırılması sonucu serbest amonyum (NH4+) ile ilişkili karbon iskeletinin oluştuğu temel amino asit katabolizması basamağıdır. İnsan metabolizmasında en önemli oksidatif deaminasyon reaksiyonu, glutamatın glutamat dehidrogenaz aracılığıyla α-ketoglutarata dönüştürülmesidir. Bu reaksiyon amino asitlerden gelen azotun ortak bir havuzda toplanması ve daha sonra üre döngüsüne yönlendirilmesi açısından merkezi öneme sahiptir.

Oksidatif deaminasyon, amino asit metabolizmasını enerji metabolizması ve azot atılımı ile birleştirir. Reaksiyon sonucunda oluşan α-ketoglutarat trikarboksilik asit döngüsüne katılabilirken, oluşan NH4+ karaciğerde üre sentezi için kullanılır veya böbrekte asit-baz dengesine katkı sağlayacak biçimde atılabilir.

Görsel Açıklaması

Görselde oksidatif deaminasyonun merkezinde glutamat yer almakta ve transaminasyonla farklı amino asitlerden gelen amino gruplarının önce glutamat üzerinde toplandığı gösterilmektedir. Ardından glutamat, mitokondride yer alan glutamat dehidrogenaz (GDH) enzimi aracılığıyla oksidatif deaminasyona uğrayarak α-ketoglutarat, NH4+ ve eşlik eden indirgenmiş kofaktörleri oluşturur.

Şemada reaksiyonun başlıca hücresel yerleşiminin mitokondri olduğu, dokusal olarak ise özellikle karaciğer ve böbrek ile ilişkili bulunduğu vurgulanmaktadır. Karaciğerde açığa çıkan NH4+ üre döngüsüne yönlendirilirken, böbrekte amonyum oluşumu ve atılımı asit-baz homeostazına katkıda bulunur. Görselde ayrıca reaksiyonun düzenlenmesine ilişkin olarak ADP ve GDP’nin aktivatör, ATP ve GTP’nin inhibitör etkisi özetlenmiştir.

Metabolik sonuçlar bölümünde oksidatif deaminasyonun amino asit katabolizmasının sürdürülmesi, azotun güvenli uzaklaştırılması, α-ketoglutarat aracılığıyla TCA döngüsüne bağlantı kurulması ve üre döngüsüne substrat sağlanması açısından rolü belirtilmiştir. Klinik önem ve laboratuvar bağlantısı bölümlerinde ise hiperamonyemi, karaciğer fonksiyon bozukluğu, üre/BUN ve amonyak ölçümleri ile ilişkisi gösterilmiştir.

Akademik Açıklama

Amino asit katabolizmasında çoğu amino asidin amino grubu doğrudan serbest amonyak şeklinde uzaklaştırılmaz. Bunun yerine amino grupları önce transaminasyon reaksiyonlarıyla genellikle α-ketoglutarata aktarılır ve glutamat oluşur. Glutamat, böylece amino azotunun merkezi taşıyıcısı ve toplayıcısı haline gelir. Oksidatif deaminasyon bu ortak azot havuzunun serbestleştirilmesini sağlayan temel basamaktır.

İnsan biyokimyasında bu reaksiyon büyük ölçüde glutamat dehidrogenaz tarafından katalizlenir. Reaksiyon şu şekilde özetlenebilir:
Glutamat + NAD(P)+ ⇄ α-ketoglutarat + NH4+ + NAD(P)H + H+
Bu denkleme göre glutamatın amino grubu oksidatif olarak uzaklaştırılırken karbon iskeleti α-ketoglutarata dönüşür. Böylece bir yandan amino azotu açığa çıkarılır, diğer yandan karbon iskeleti merkezi enerji metabolizmasına geri kazandırılır.

Oksidatif deaminasyonun biyokimyasal önemi iki ana noktada toplanır. Birincisi, amino asitlerden gelen fazla azotun organizma için toksik olmayan biçimde uzaklaştırılmasıdır. Serbest amonyak nörotoksik olduğundan, özellikle karaciğerde hızla üre döngüsüne yönlendirilmesi gerekir. İkincisi, amino asit karbon iskeletlerinin TCA döngüsü, glukoneogenez veya diğer enerji ilişkili yollarla metabolizmaya entegre edilmesidir.

Metabolizma / Fizyoloji

Oksidatif deaminasyonun fizyolojik bağlamı, amino asitlerin sindirim, emilim, doku protein yıkımı ve protein dönüşümü sonrası oluşan amino asit havuzuna dayanır. Organizmanın protein sentezi dışında kalan veya enerji amacıyla kullanacağı amino asitler, çoğunlukla önce transaminasyonla yeniden düzenlenir. Bu aşamada amino grupları glutamat üzerinde toplanır. Daha sonra glutamatın oksidatif deaminasyonu ile serbest NH4+ ortaya çıkar.

Bu reaksiyonun başlıca yeri mitokondri matriksidir. Karaciğerde oluşan NH4+, karbamoil fosfat sentetaz I ile başlayan üre döngüsüne katılarak üreye dönüştürülür. Üre daha sonra böbrekler aracılığıyla atılır. Böylece oksidatif deaminasyon, amino asitlerin azot kısmının güvenli eliminasyonu için üre döngüsünün doğrudan ön basamaklarından biri olarak işlev görür.

Böbrek düzeyinde oksidatif deaminasyon ve ilişkili glutamin metabolizması özellikle asit-baz dengesi açısından önemlidir. Böbrekte amonyum oluşumu idrarla asit atılımını destekler. Bu nedenle metabolik asidoz gibi durumlarda böbrek kaynaklı amonyagenez artabilir.

Enerji metabolizması açısından oluşan α-ketoglutarat, TCA döngüsüne katılarak ATP üretimine katkı sağlayabilir. İhtiyaca göre aynı ara ürün glukoneogenez için de kullanılabilir. Bu özellik, oksidatif deaminasyonun yalnızca azot atılımı için değil, aynı zamanda metabolik esneklik için de önemli olduğunu gösterir.

Görev Alan Enzimler ve Proteinler

Oksidatif deaminasyonda görev alan temel enzim glutamat dehidrogenaz (GDH)’dır. GDH, glutamatın oksidatif deaminasyonunu katalizler ve reaksiyonun reversibl özellik göstermesine rağmen fizyolojik koşullarda amino asit katabolizması sırasında çoğunlukla glutamattan α-ketoglutarat ve NH4+ oluşumu yönünde işlevsel önem taşır. Enzim başlıca mitokondriyal matrikste bulunur.

GDH reaksiyonunda NAD+ veya NADP+ kofaktör olarak kullanılabilir. Böylece reaksiyon yalnızca azot metabolizması ile değil, hücresel redoks durumu ile de bağlantılıdır. Oluşan NADH veya NADPH, hücre tipine ve metabolik duruma göre farklı biyokimyasal süreçlerle ilişki gösterebilir.

Enzimin aktivitesi allosterik olarak düzenlenir. ADP ve GDP genellikle GDH aktivitesini artırırken, ATP ve GTP inhibitör etki gösterir. Bu durum, hücrenin enerji gereksinimi arttığında amino asit karbon iskeletlerinin enerji metabolizmasına daha fazla yönlendirilebilmesini sağlar. Ayrıca lösin, özellikle bazı dokularda GDH aktivasyonu ile ilişkili metabolik etkiler gösterebilir.

Oksidatif deaminasyonun fizyolojik bütünlüğü, yalnızca GDH ile sınırlı değildir. Transaminasyon basamağında görev alan aminotransferazlar, glutamat oluşumunu sağlayarak oksidatif deaminasyon için substrat hazırlar. Ayrıca karaciğerde üre döngüsü enzimleri, böbrekte ise amonyum oluşumu ve taşınmasıyla ilişkili sistemler bu sürecin devamlılığı açısından önem taşır.

Klinik Önemi

Oksidatif deaminasyonun klinik önemi en çok amonyak metabolizması ile ilişkilidir. Reaksiyon sonucu ortaya çıkan NH4+’ın etkin biçimde detoksifiye edilememesi durumunda hiperamonyemi gelişebilir. Hiperamonyemi, özellikle merkezi sinir sistemi için toksiktir ve letarji, kusma, ensefalopati, bilinç değişikliği, nöbet ve koma gibi ciddi bulgulara yol açabilir.

Karaciğer yetmezliği, oksidatif deaminasyonla ortaya çıkan azotun üreye dönüştürülmesini bozan başlıca klinik durumlardan biridir. Hepatoselüler hasar veya ileri karaciğer fonksiyon bozukluğunda amonyak düzeyi yükselebilir ve hepatik ensefalopati gelişebilir. Bu nedenle oksidatif deaminasyon, karaciğer hastalıklarının patobiyokimyasal anlaşılmasında önemli bir basamaktır.

Üre döngüsü bozuklukları da oksidatif deaminasyonla ilişkili klinik tablolara yol açabilir. Bu durumda amonyak oluşumu devam eder, ancak azotun üre şeklinde uzaklaştırılması bozulur. Sonuçta toksik azotlu bileşikler birikir. Ayrıca ağır enfeksiyon, sepsis, travma, yanık ve artmış protein katabolizması gibi durumlarda amino asit yıkımı arttığı için oksidatif deaminasyon yükü de artabilir.

Metabolik Aktiviteyi Artıran Koşullar

Oksidatif deaminasyon, amino asit katabolizmasının arttığı koşullarda belirginleşir. Yüksek protein alımı, uzamış açlık, yoğun egzersiz, travma, yanık, sepsis, cerrahi stres, febril durumlar ve genel katabolik stres bu artışla ilişkilidir. Bu durumlarda amino asitler enerji üretimi ve glukoneogenez için daha fazla kullanılabilir.

Hücresel enerji gereksiniminin arttığı koşullarda ADP/GDP artışı, GDH aktivitesini destekleyerek oksidatif deaminasyonun kolaylaşmasına katkıda bulunabilir. Böylece glutamattan elde edilen α-ketoglutarat TCA döngüsüne katılarak enerji metabolizmasına hizmet eder.

Metabolik asidozda böbrek düzeyinde azot metabolizması ve amonyum üretimi artabileceğinden, oksidatif deaminasyonla ilişkili yollar fizyolojik adaptasyonun önemli parçası haline gelebilir. Benzer biçimde artmış protein yıkımı ile seyreden ağır hastalık tablolarında amino asit azot yükü yükseldiği için bu süreç daha aktif hale gelir.

Metabolik Aktiviteyi Azaltan Koşullar

Oksidatif deaminasyon aktivitesi, ağır malnütrisyon, yetersiz protein alımı, ileri karaciğer yetmezliği, mitokondriyal disfonksiyon ve bazı genetik enzim bozuklukları durumlarında azalabilir veya işlevsel olarak yetersiz kalabilir. Özellikle mitokondriyal bütünlüğün bozulduğu durumlarda GDH aktivitesi ve ilişkili metabolik akış olumsuz etkilenebilir.

Hücresel enerji fazlalığını yansıtan ATP ve GTP artışı, GDH üzerinde inhibitör etki göstererek oksidatif deaminasyonu baskılayabilir. Bu düzenleme, metabolik akışın enerji durumu ile uyumlu kalmasını sağlar.

Karaciğer veya böbrek yetmezliğinde yalnızca reaksiyonun kendisi değil, reaksiyon ürünlerinin fizyolojik yönetimi de bozulur. Bu nedenle pratikte “azalmış oksidatif deaminasyon” ile “oluşan azotun yetersiz uzaklaştırılması” birlikte klinik sonuç doğurabilir.

Laboratuvar Yorumu

Oksidatif deaminasyonun laboratuvar değerlendirmesinde en önemli parametrelerden biri plazma amonyak (NH3/NH4+) düzeyidir. Amonyak yüksekliği, karaciğer yetmezliği, üre döngüsü bozuklukları, bazı organik asidemiler ve ağır katabolik durumlar açısından dikkatle değerlendirilmelidir. Ancak amonyak analizi preanalitik koşullara çok duyarlı olduğundan örnek alımı, hızlı taşınması ve uygun işlenmesi büyük önem taşır.

Üre ve BUN, oksidatif deaminasyonla açığa çıkan azotun karaciğerde üreye çevrilmesi ve böbrekten atılması hakkında dolaylı bilgi verir. Yüksek protein katabolizması veya artmış azot yükünde üre/BUN artabilir; ileri karaciğer yetmezliğinde ise üre sentezi azaldığı için bu değerler beklenenden düşük olabilir.

Karaciğer fonksiyon testleri ve plazma amino asit profili de değerlendirmeye katkı sağlar. ALT ve AST doğrudan oksidatif deaminasyon enzimleri değildir; ancak amino asit metabolizmasının ilişkili basamakları ve hepatoselüler hasar hakkında bilgi sağlar. Plazma amino asit profili ise özellikle doğuştan metabolizma hastalıkları veya açıklanamayan hiperamonyemi durumlarında yararlıdır.

Klinik yorum her zaman amonyak, üre/BUN, karaciğer fonksiyon testleri, böbrek fonksiyonu, asit-baz durumu ve hastanın genel metabolik bağlamı birlikte değerlendirilerek yapılmalıdır.

Kısaltmalar ve Açılımları

GDH: Glutamat dehidrogenaz
NH3: Amonyak
NH4+: Amonyum
NAD+: Nikotinamid adenin dinükleotid
NADP+: Nikotinamid adenin dinükleotid fosfat
NADH: İndirgenmiş nikotinamid adenin dinükleotid
NADPH: İndirgenmiş nikotinamid adenin dinükleotid fosfat
TCA: Trikarboksilik asit döngüsü / Sitrik asit döngüsü
BUN: Blood Urea Nitrogen / Kan üre azotu
ALT: Alanin aminotransferaz
AST: Aspartat aminotransferaz
ATP: Adenozin trifosfat
ADP: Adenozin difosfat
GTP: Guanozin trifosfat
GDP: Guanozin difosfat

Kaynakça

1. Wu G. Amino acids: metabolism, functions, and nutrition. Amino Acids. 2009;37(1):1-17.
2. Plaitakis A, Zaganas I. Regulation of human glutamate dehydrogenases: implications for glutamate, ammonia and energy metabolism in brain. J Neurosci Res. 2001;66(5):899-908.
3. Smith TJ, Peterson PE, Schmidt T, Fang J, Stanley CA. Structural insight into the allosteric mechanisms of human glutamate dehydrogenase. J Biol Chem. 2001;276(7):4752-4758.
4. Häussinger D. Nitrogen metabolism in liver: structural and functional organization and physiological relevance. Biochem J. 1990;267(2):281-290.
5. Adeva MM, Souto G, Blanco N, Donapetry C. Ammonium metabolism in humans. Metabolism. 2012;61(11):1495-1511.
6. Meijer AJ, Lamers WH, Chamuleau RAFM. Nitrogen metabolism and the ornithine cycle. Physiol Rev. 1990;70(3):701-748.
7. Brosnan JT. Interorgan amino acid transport and its regulation. J Nutr. 2003;133(6 Suppl 1):2068S-2072S.
8. Cooper AJL, Plum F. Biochemistry and physiology of brain ammonia. Physiol Rev. 1987;67(2):440-519.
9. Holeček M. Ammonia and amino acid profiles in liver cirrhosis: effects of variables leading to hepatic encephalopathy. Nutrition. 2015;31(1):14-20.
10. Stanley CA. Hyperinsulinism/hyperammonemia syndrome: insights into the regulatory role of glutamate dehydrogenase in ammonia metabolism. Mol Genet Metab. 2011;104(1-2):S21-S27.