Frontiers in Molecular Biosciences

Aromatische Aminosäuren, wie andere proteinogene Aminosäuren, sind die Bausteine von Proteinen und umfassen Phenylalanin, Tryptophan und Tyrosin. Alle Pflanzen und Mikroorganismen synthetisieren ihre eigenen aromatischen Aminosäuren, um Proteine herzustellen (Braus, 1991; Tzin und Galili, 2010). Tiere jedoch haben diese kostspieligen Stoffwechselwege für die Synthese aromatischer Aminosäuren verloren und müssen die Aminosäuren stattdessen über die Nahrung aufnehmen. Herbizide machen sich dies zunutze, indem sie Enzyme hemmen, die an der Synthese aromatischer Aminosäuren beteiligt sind, wodurch sie für Pflanzen, nicht aber für Tiere giftig werden (Healy-Fried et al., 2007).

Bei Tieren und Menschen dienen aromatische Aminosäuren als Vorläufer für die Synthese vieler biologisch/neurologisch aktiver Verbindungen, die für die Aufrechterhaltung normaler biologischer Funktionen unerlässlich sind. Tyrosin ist die erste Vorstufe für die Biosynthese von Dopa, Dopamin, Octopamin, Noradrenalin und Epinephrin usw., die als Neurotransmitter oder Hormone für Tiere und Menschen von grundlegender Bedeutung sind (Vavricka et al., 2010). Darüber hinaus ist Tyrosin die Vorstufe für die Melaninsynthese in den meisten Organismen, einschließlich Menschen und Tieren, und ist bei Insekten besonders wichtig für den Schutz (Whitten und Coates, 2017). Tryptophan ist die erste Vorstufe für die Biosynthese von Tryptamin, Serotonin, Auxin, Kynureninen und Melatonin (Hardeland und Poeggeler, 2003; Mukherjee und Maitra, 2015). Kynurensäure, ein Kynurenin, das über den Tryptophan-Kynurenin-Weg gebildet wird, ist ein Antagonist an exzitatorischen Aminosäurerezeptoren und spielt eine Rolle beim Schutz von Neuronen vor einer Überstimulation durch exzitatorische Neurotransmitter (Han et al., 2008). Viele Enzyme, die am Stoffwechsel aromatischer Aminosäuren beteiligt sind, wurden als Angriffspunkte für Medikamente bei Krankheiten wie neurodegenerativen Erkrankungen, Schizophrenie und Krebs eingesetzt (Stone und Darlington, 2013; Selvan et al., 2016).

Da Tiere oder Menschen, die nicht über die enzymatische Maschinerie für die De-novo-Synthese aromatischer Aminosäuren verfügen, diese primären Metaboliten aus der Nahrung beziehen müssen, ist der Stoffwechsel aromatischer Aminosäuren sowohl durch das Wirtstier als auch durch die ansässige Mikroflora wichtig für die Gesundheit von Menschen und allen Tieren. Zu den zahlreichen Metaboliten an der Schnittstelle zwischen diesen Mikroorganismen und dem Wirt gehört die essenzielle aromatische Aminosäure Tryptophan (Agus et al., 2018).

Wir freuen uns über die aktualisierten Informationen zum Stoffwechsel aromatischer Aminosäuren, die in den Artikeln unseres Forschungsthemas enthalten sind. Insgesamt sind die Artikel, die zu diesem Thema eingegangen sind: „Aromatischer Aminosäurestoffwechsel“, einschließlich einer Sammlung von Originalforschungs- und Übersichtsartikeln, aktualisierte Informationen über den Stoffwechsel aromatischer Aminosäuren und befassten sich mit ihrer Synthese und ihrem Abbau in Pflanzen und Mikroben, mit Stoffwechselenzymen in Tieren und Menschen sowie mit den Struktur- und Funktionsbeziehungen der am Stoffwechsel beteiligten Enzyme.

Eine Übersichtsarbeit von Parthasarathy et al., die zu diesem Thema gehört, beschreibt die Biosynthesewege aromatischer Aminosäuren in Pflanzen und Mikroben, den Katabolismus in Pflanzen, den Abbau über die Monoamin- und Kynureninwege in Tieren und den Katabolismus über die 3-Arylat- und Kynureninwege in tierassoziierten Mikroben. L-Tyrosin ist eine aromatische Aminosäure, die in Pflanzen und Mikroben de novo über zwei alternative Wege synthetisiert wird, die durch ein Enzym der TyrA-Familie, die Prephenat- bzw. Arenat-Dehydrogenase, vermittelt werden, die typischerweise in Mikroben bzw. Pflanzen vorkommen. In dem Forschungsartikel von Schenck et al. wurde gezeigt, dass bakterielle Homologe, die eng mit pflanzlichen TyrAs verwandt sind, ebenfalls einen sauren Rest an Position 222 und eine Arogenat-Dehydrogenase-Aktivität wie das pflanzliche Enzym aufweisen, was darauf hindeutet, dass der konservierte molekulare Mechanismus während der Evolution der arogenatspezifischen TyrAa sowohl in Pflanzen als auch in Mikroben funktionierte. Tryptophan ist eine weitere aromatische Aminosäure, die durch Tryptophan-2,3-Dioxygenase und Indoleamin-2,3-Dioxygenase im ersten Schritt des Tryptophan-Katabolismus bei Tieren und Menschen oxidiert werden kann. Obwohl diese beiden Enzyme die gleiche Reaktion katalysieren, ist der Aufbau der katalytisch aktiven, ternären Enzym-Substrat-Liganden-Komplexe noch nicht vollständig geklärt. Nienhaus und Nienhaus fassten das derzeitige Wissen über die Bildung ternärer Komplexe in der Tryptophan-2,3-Dioxygenase und der Indoleamin-2,3-Dioxygenase zusammen und brachten diese Erkenntnisse mit strukturellen Besonderheiten ihrer aktiven Zentren in Verbindung. Aromatische Aminosäuren können auch durch Phenylalanin-, Tyrosin- oder Tryptophan-Hydroxylase oxidiert und anschließend durch aromatische Aminosäure-Decarboxylasen zu aromatischen Monoaminen decarboxyliert werden. Die N-Acylierung der aromatischen Monoamine durch Arylalkylamin-N-Acyltransferasen steht meist im Zusammenhang mit der Acetylierung von Serotonin zur Bildung von N-Acetylserotonin, einer Vorstufe zur Bildung von Melatonin (Hardeland und Poeggeler, 2003; Mukherjee und Maitra, 2015). Insekten exprimieren mehr Arylalkylamin-N-Acyltransferasen, um den Stoffwechsel der aromatischen Aminosäuren zu regulieren (Hiragaki et al., 2015). So wurden beispielsweise 13 mutmaßliche Arylalkylamin-N-Acyltransferasen in Aedes aegypti (Han et al., 2012) und 8 mutmaßliche Arylalkylamin-N-Acyltransferasen in Drosophila melanogaster (Amherd et al., 2000; Dempsey et al., 2014) identifiziert. O’Flynn et al. beleuchteten das aktuelle metabolomische Wissen über die N-acylierten aromatischen Aminosäuren und die N-acylierten Derivate der aromatischen Aminosäuren, das aktuelle mechanistische Verständnis der Arylalkylamin-N-Acyltransferasen und untersuchten die Möglichkeit, dass Arylalkylamin-N-Acyltransferasen als „Rhymezyme“ von Insekten dienen, die den Photoperiodismus und andere rhythmische Prozesse in Insekten regulieren.

Am Stoffwechsel der aromatischen Aminosäuren sind auch einige von Pyridoxal-5′-Phosphat abhängige Enzyme beteiligt, darunter Decarboxylasen, Aminotransferasen und die aromatische Phenylacetaldehydsynthase. Im abschließenden Übersichtsartikel dieser Sonderausgabe haben Liang et al. aktuelle Erkenntnisse über Pyridoxal-5′-phosphat-abhängige Enzyme vorgestellt und die strukturellen Faktoren zusammengefasst, die zu den Reaktionsmechanismen beitragen, insbesondere die Reste des aktiven Zentrums, die für die Reaktionsspezifität entscheidend sind.

Beiträge der Autoren

Alle aufgeführten Autoren haben einen substanziellen, direkten und intellektuellen Beitrag zu dieser Arbeit geleistet und sie zur Veröffentlichung freigegeben.

Finanzierung

Die Finanzierung wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 31860702) zur Verfügung gestellt.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.