Asam amino berfungsi sebagai prekursor untuk berbagai molekul aktif biologis di luar perannya sebagai blok bangunan protein. Turunan ini termasuk neurotransmiter, hormon, porfirin, melanin, dan molekul pensinyalan yang mengatur fisiologi dan perilaku.

Katekolamin

Katekolamin disintesis dari tirosin. Tirosin hidroksilase mengkatalisis langkah pembatas laju, mengubah tirosin menjadi L-DOPA. Enzim ini dihambat oleh katekolamin melalui regulasi umpan balik dan merupakan target obat yang digunakan pada penyakit Parkinson. DOPA dekarboksilase kemudian mengubah L-DOPA menjadi dopamin. Dalam neuron noradrenergik, dopamin beta-hidroksilase mengubah dopamin menjadi norepinefrin. Di medula adrenal, feniletanolamin N-metiltransferase mengubah norepinefrin menjadi epinefrin.

Dopamin berfungsi di otak sebagai pengatur gerakan, motivasi, dan penghargaan. Penyakit Parkinson akibat degenerasi neuron dopamin di substansia nigra. Norepinefrin dan epinefrin memediasi respons fight-or-flight, meningkatkan denyut jantung, tekanan darah, dan glukosa darah. Katekolamin diinaktivasi oleh monoamina oksidase dan katekol-O-metiltransferase, yang merupakan target obat terapeutik.

Serotonin dan Melatonin

Serotonin disintesis dari triptofan dalam dua langkah. Triptofan hidroksilase menambahkan gugus hidroksil untuk membentuk 5-hidroksitriptofan, dan aromatik asam amino dekarboksilase mengubahnya menjadi serotonin. Serotonin mengatur suasana hati, nafsu makan, tidur, dan persepsi nyeri. Inhibitor reuptake serotonin selektif adalah antidepresan yang banyak digunakan yang memperpanjang pensinyalan serotonin.

Di kelenjar pineal, serotonin diasetylasi oleh serotonin N-asetiltransferase untuk membentuk N-asetilserotonin, kemudian dimetilasi oleh hidroksiindol-O-metiltransferase untuk menghasilkan melatonin, proses yang analog dengan modifikasi pasca-translasi protein. Melatonin mengatur ritme sirkadian dan siklus tidur-bangun. Produksinya ditekan oleh cahaya dan meningkat dalam kegelapan, memberi sinyal pada tubuh untuk bersiap tidur.

Histamin

Histamin disintesis dari histidin oleh histidin dekarboksilase. Histamin disimpan dalam sel mast, basofil, dan neuron. Histamin memediasi respons alergi dan inflamasi, merangsang sekresi asam lambung, dan bertindak sebagai neurotransmiter yang mengatur kewaspadaan dan nafsu makan. Antihistamin yang menargetkan reseptor H1 mengobati alergi, sementara antagonis reseptor H2 mengurangi sekresi asam lambung pada penyakit ulkus peptikum. Reseptor H3 mengatur pelepasan histamin di otak.

GABA

Asam gamma-aminobutirat adalah neurotransmiter inhibitorik utama di otak, disintesis dari glutamat oleh glutamat dekarboksilase. GAD memerlukan piridoksal fosfat sebagai kofaktor. GABA berikatan dengan reseptor GABAA, yang merupakan saluran ion klorida, dan reseptor GABAB, yang merupakan reseptor terikat protein G. Benzodiazepin dan barbiturat meningkatkan aktivitas reseptor GABAA, menghasilkan efek sedasi dan ansiolitik. GABA dimetabolisme oleh GABA transaminase menjadi suksinat semialdehida, yang memasuki siklus asam sitrat.

Oksida Nitrat

Oksida nitrat adalah molekul pensinyalan gas yang disintesis dari arginin oleh oksida nitrat sintase. Tiga isoform NOS ada. NOS neuronal menghasilkan NO untuk neurotransmisi. NOS yang dapat diinduksi diekspresikan dalam sel imun dan menghasilkan NO dalam jumlah besar untuk pertahanan patogen. NOS endotel menghasilkan NO yang berdifusi ke sel otot polos di sekitarnya, mengaktifkan guanilil siklase dan menyebabkan vasodilatasi. NO adalah sinyal parakrin dengan waktu paruh detik, dan efektor hilirnya adalah cGMP. Nitrogliserin yang digunakan untuk angina bekerja dengan melepaskan NO.

Glutation

Glutation adalah tripeptida yang terdiri dari glutamat, sistein, dan glisin, dengan ikatan gamma-glutamil yang tidak biasa melindunginya dari pembelahan peptidase. Ini adalah tiol intraseluler yang paling melimpah, mencapai konsentrasi milimolar. Glutation berfungsi sebagai antioksidan seluler utama, bereaksi langsung dengan spesies oksigen reaktif dan berfungsi sebagai kofaktor untuk glutation peroksidase dan glutation S-transferase. Glutation tereduksi dipertahankan oleh glutation reduktase menggunakan NADPH. Depleksi glutation berkontribusi pada stres oksidatif pada penuaan, neurodegenerasi, dan penyakit hati.

Porfirin dan Heme

Heme disintesis dari glisin dan suksinil-KoA dalam delapan langkah enzimatik. Reaksi pertama dan pembatas laju mengembunkan glisin dengan suksinil-KoA untuk membentuk asam aminolevulinat, dikatalisis oleh ALA sintase. Empat molekul ALA dirakit menjadi porfobilinogen, dan empat porfobilinogen digabungkan untuk membentuk hidroksimetilbilana, yang bersiklisasi menjadi uroporfirinogen III. Dekarboksilasi dan oksidasi menghasilkan protoporfirin IX, dan ferrokhelatase memasukkan besi ferro untuk membentuk heme.

Heme adalah gugus prostetik dari hemoglobin, mioglobin, sitokrom, katalase, dan oksida nitrat sintase. Gangguan sintesis heme menyebabkan porfiria, ditandai dengan akumulasi zat antara jalur yang menyebabkan gejala neurologis dan fotosensitifitas.

Poliamina

Poliamina termasuk putresin, spermidin, dan spermin disintesis dari ornitin dan metionin. Ornitin dekarboksilase mengkatalisis langkah komitmen. Poliamina penting untuk proliferasi sel, mengatur ekspresi gen, fungsi saluran ion, dan stabilitas DNA. ODC adalah target pengembangan obat antikanker karena perannya dalam pertumbuhan sel.

Melanin

Melanin disintesis dari tirosin oleh tirosinase, yang mengoksidasi tirosin menjadi DOPAkuinon. Reaksi selanjutnya berbeda untuk produksi eumelanin dan feomelanin. Melanin memberikan fotoproteksi di kulit dan sangat penting untuk penglihatan di mata. Defisiensi tirosinase menyebabkan albinisme, ditandai dengan kurangnya pigmen dan peningkatan risiko kanker kulit.