Aminosäuren dienen als Vorläufer für eine Vielzahl biologisch aktiver Moleküle, die über ihre Rolle als Proteinbausteine hinausgehen. Zu diesen Derivaten gehören Neurotransmitter, Hormone, Porphyrine, Melanin und Signalmoleküle, die Physiologie und Verhalten regulieren.

Katecholamine

Katecholamine werden aus Tyrosin synthetisiert. Die Tyrosinhydroxylase katalysiert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt, indem sie Tyrosin zu L-DOPA umwandelt. Dieses Enzym wird durch Katecholamine mittels Feedback-Regulation gehemmt und ist Ziel von Medikamenten zur Behandlung der Parkinson-Krankheit. Die DOPA-Decarboxylase wandelt anschließend L-DOPA in Dopamin um. In noradrenergen Neuronen wandelt die Dopamin-beta-Hydroxylase Dopamin in Noradrenalin um. Im Nebennierenmark wandelt die Phenylethanolamin-N-Methyltransferase Noradrenalin in Adrenalin um.

Dopamin fungiert im Gehirn als Regulator von Bewegung, Motivation und Belohnung. Die Parkinson-Krankheit resultiert aus der Degeneration von Dopaminneuronen in der Substantia nigra. Noradrenalin und Adrenalin vermitteln die Kampf-oder-Flucht-Reaktion, indem sie Herzfrequenz, Blutdruck und Blutzucker erhöhen. Katecholamine werden durch die Monoaminooxidase und die Catechol-O-Methyltransferase inaktiviert, die Angriffspunkte für Therapeutika darstellen.

Serotonin und Melatonin

Serotonin wird in zwei Schritten aus Tryptophan synthetisiert. Die Tryptophanhydroxylase fügt eine Hydroxylgruppe hinzu, um 5-Hydroxytryptophan zu bilden, und die aromatische Aminosäuredecarboxylase wandelt es in Serotonin um. Serotonin reguliert Stimmung, Appetit, Schlaf und Schmerzwahrnehmung. Selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer sind weit verbreitete Antidepressiva, die die Serotonin-Signalübertragung verlängern.

In der Zirbeldrüse wird Serotonin durch die Serotonin-N-Acetyltransferase zu N-Acetylserotonin acetyliert und anschließend durch die Hydroxyindol-O-Methyltransferase zu Melatonin methyliert, ein Prozess, der posttranslationalen Modifikationen von Proteinen ähnelt. Melatonin reguliert den circadianen Rhythmus und den Schlaf-Wach-Zyklus. Seine Produktion wird durch Licht unterdrückt und nimmt bei Dunkelheit zu, was dem Körper signalisiert, sich auf den Schlaf vorzubereiten.

Histamin

Histamin wird aus Histidin durch die Histidindecarboxylase synthetisiert. Es wird in Mastzellen, Basophilen und Neuronen gespeichert. Histamin vermittelt allergische und entzündliche Reaktionen, stimuliert die Magensäuresekretion und wirkt als Neurotransmitter, der Wachheit und Appetit reguliert. Antihistaminika, die auf den H1-Rezeptor abzielen, behandeln Allergien, während H2-Rezeptor-Antagonisten die Magensäuresekretion bei peptischen Ulkuskrankheiten reduzieren. H3-Rezeptoren regulieren die Histaminfreisetzung im Gehirn.

GABA

Gamma-Aminobuttersäure ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im Gehirn, der aus Glutamat durch die Glutamatdecarboxylase synthetisiert wird. GAD benötigt Pyridoxalphosphat als Cofaktor. GABA bindet an GABAA-Rezeptoren, die Chloridionenkanäle sind, und an GABAB-Rezeptoren, die G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind. Benzodiazepine und Barbiturate verstärken die GABAA-Rezeptoraktivität und bewirken Sedierung und anxiolytische Effekte. GABA wird durch die GABA-Transaminase zu Succinatsemialdehyd abgebaut, der in den Citratzyklus eintritt.

Stickstoffmonoxid

Stickstoffmonoxid ist ein gasförmiges Signalmolekül, das aus Arginin durch die Stickstoffmonoxid-Synthase synthetisiert wird. Es gibt drei NOS-Isoformen. Die neuronale NOS produziert NO für die Neurotransmission. Die induzierbare NOS wird in Immunzellen exprimiert und produziert große Mengen NO zur Pathogenabwehr. Die endotheliale NOS produziert NO, das zu benachbarten glatten Muskelzellen diffundiert, die Guanylylcyclase aktiviert und Vasodilatation bewirkt. NO ist ein parakrines Signal mit einer Halbwertszeit von Sekunden; sein nachgeschalteter Effektor ist cGMP. Nitroglycerin, das bei Angina pectoris eingesetzt wird, wirkt durch die Freisetzung von NO.

Glutathion

Glutathion ist ein Tripeptid aus Glutamat, Cystein und Glycin mit einer ungewöhnlichen gamma-Glutamyl-Bindung, die es vor Peptidase-Spaltung schützt. Es ist das häufigste intrazelluläre Thiol und erreicht millimolare Konzentrationen. Glutathion dient als primäres zelluläres Antioxidans, reagiert direkt mit reaktiven Sauerstoffspezies und fungiert als Cofaktor für die Glutathionperoxidase und die Glutathion-S-Transferase. Reduziertes Glutathion wird durch die Glutathionreduktase unter Verwendung von NADPH aufrechterhalten. Glutathionmangel trägt zu oxidativem Stress bei Alterung, Neurodegeneration und Lebererkrankungen bei.

Porphyrine und Häm

Häm wird aus Glycin und Succinyl-CoA in acht enzymatischen Schritten synthetisiert. Die erste und geschwindigkeitsbestimmende Reaktion kondensiert Glycin mit Succinyl-CoA zu Aminolävulinsäure, katalysiert durch die ALA-Synthase. Vier ALA-Moleküle werden zu Porphobilinogen zusammengesetzt, und vier Porphobilinogene werden zu Hydroxymethylbilan verbunden, das zu Uroporphyrinogen III zyklisiert. Decarboxylierung und Oxidation ergeben Protoporphyrin IX, und die Ferrochelatase fügt zweiwertiges Eisen ein, um Häm zu bilden.

Häm ist die prosthetische Gruppe von Hämoglobin, Myoglobin, Cytochromen, Katalase und Stickstoffmonoxid-Synthase. Störungen der Häm-Synthese verursachen Porphyrien, die durch die Akkumulation von Zwischenprodukten des Stoffwechselwegs gekennzeichnet sind und neurologische Symptome sowie Photosensitivität hervorrufen.

Polyamine

Polyamine einschließlich Putrescin, Spermidin und Spermin werden aus Ornithin und Methionin synthetisiert. Die Ornithindecarboxylase katalysiert den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt. Polyamine sind essenziell für die Zellproliferation und regulieren die Genexpression, Ionenkanalfunktion und DNA-Stabilität. ODC ist aufgrund ihrer Rolle beim Zellwachstum ein Ziel für die Entwicklung von Krebsmedikamenten.

Melanin

Melanin wird aus Tyrosin durch die Tyrosinase synthetisiert, die Tyrosin zu DOPAchinon oxidiert. Die nachfolgenden Reaktionen unterscheiden sich für die Produktion von Eumelanin und Phäomelanin. Melanin bietet Photoprotektion in der Haut und ist kritisch für das Sehvermögen im Auge. Tyrosinase-Mangel verursacht Albinismus, der durch Pigmentmangel und ein erhöhtes Hautkrebsrisiko gekennzeichnet ist.