Биохимия 2 (1984) (1128710), страница 62
Текст из файла (страница 62)
(Фотография предоставлена )ое С. Вцггоп, Хйгойеп Согпрапу, 1пс.) подхолов состоит в том, чтобы гены, необходимые для азогфиксации, ввести и растения, нс относящиеся к бобовым, например в злаки. Трудность, которую предстоит преодолеть, состоит в исключительной чувствительности нитрогеназного комплекса к инактивации в присутствии кислорода. Бобовые растения поддерживают чрезвычайно низкую концентрацию О, в корневых клубеньках путем связывания О, с леггемоглобином. Еще одна проблема на пути создания новых азотфиксирующих видов — необходимость необычайно быстрого образования АТР. Ведь азотфиксирующие бактерии в корнях бобовых растений потребляют примерно пятую часть всего АТР, который Часть 1П.
Биосинтез 232 предшественников макромолекул образуется в растении. Существуе~ и другой подход — увеличение скорости азотфиксации в клетках сине-зеленых водорослей„которые образуют собственный АТР путем фотосинтеза и поэтому не зависят от энергетических реакций симбиотнческого партнера. 21.2. ХНл включается в амшюкислоты через глутамаз. в глутамин Следующий этап введения азота в биологические молекулы — включение ХНл в аминокислоты. Глуеамае и глуеамии играют в этом процессе ключевую роль.
п-Аминогруппа большинства аминокислот переносится от а-аминогруппы глутамата в результате реакции трансаминирования. Еще один важный донор азота, глутамин, отдает азот своей боковой цепи при биосинтезе ряда важных соединений. Глутамат синтезируется из )чН' и а-оксоглутарата„промежуточного продукта цикла трикарбоновых кислот, под действием глуеамае-дегидроггназы. Мы уже встречались с этим ферментом в разделе, посвященном распаду аминокислот (разд. 182). Когда реакция идет в направлении биосинтеза, используется НАОРН в качестве восстановителя; когда же реакция является катаболической, в ней участвует 1ЧАР" в качестве СОО Н,Н вЂ” С вЂ” Н + АТР— ~ СН, + АОР + Р, + Н" ! СН, ! С=О ХН;„+ и-Оксоглутарат + 1чАОРН + + Н" ь-Глутамат + 1')АГ>Р+ + + Н,О.
Ион аммония вводится в глутамин под действием глуеамин-сииеееазы. Эта реакция амидирования сопряжена с гидролизом АТР. Регуляция глутамин-синтетазы играет важнейшую роль в регуляции всего азотистого обмена. Мы обсудим этот вопрос несколько позже.
Глутамат-дегидрогеназа и глутамин-синтетаза црисутсгвуют во всех организмах. У большинства прокариот имеется, кроме того, глутамат-синтаэа, катализирующая восстановительное аминирование а-оксоглугарата. Донор азота в этой реакцииглутамин; в результате реакции образуются лве молекулы глутамата; Электроны От восстановленного Феррелокснна и-Оксоглутарат + Глутамин + )з(АОРН + + Н' — з 2 Глутамат + )з)АОР'. Если фактарилг, аграничинаюгцилг скорость реакции, .чвлягтгя содержание в клетке гт'Не, та большая часть глутамата образуется путем яогледпвагпельных реакций, катализируемых глутимин-синтетазай и глутамат-санта тай. Суммарная реакция описывается следующим уравнением: ХН4 + и-Оксоглутарат + )з(АПРН + АТР— Е-Глутамат + )з(АТУР ' + + АОР + Р;.
Обратите внимание, что стехиометрия этой реакции отличается от реакции, катализируемой глутамат-дегидрогеназой: здесь гидролизуется АТР. Почему этот более дорогой путь иногда используется Е.сайц Ответ заключается в том, что Км глутамат-дегидрогеназы лля )з(Н44 высока ( 1 мМ), поэтому фермент не насыщасзся субстратом при недостаточной концентрации (цН', Глутамин-сиптетаза имеет, наоборот, чрезвычайно высокое сродство к )з(Н4 .
21.3. Амииакислоты сннтезнруютсн нз промежуточных продуктов цикла трнкарбоновых кислот и других важных метаболнтов До сих пор мы рассматривали превращение )з(з в р(Н4 и включение ) (Не в состав глутамата и глутамина. Теперь обратимся к бносинтезу других аминокислот. Бактерии, например Е.со(Е могут синтезировать все лвадцать аминокислот, входящие в основной набор, тогда как в организме человека образуется лишь половина из них.
Аминокислоты, которые должны попадать в организм с пищей, называются незаменимыми, а остальные — заменимы.ии (табл. 21.1). Эти названия отражают потребность организма при определенных условиях. Например, в цикле мочевины синтезируется достаточно аргинина, чтобы удовлетворить потребности организма взрослого, но не растущего ребенка.
Недостаточное содержание хотя бы одной аминокислоты приводит к отри- мне АТР А(ЗР Схематическое изображение нитрогеназцого комплекса. Перед тем как )чз превращастея В )ЧН4, комплЕКС дИС- социирует н редуктаза отделяется от иитрогеназного компонента. Рнс. 21.3.
Таблица 21.1, Двалиать «мииокнслот стенного набора Незаменимые Незаменимыс Замсни- Замени- лтые Лизин Метионнн Треонин Триптофан Фенилалаиин Глутамин Пролив Серии Тирозин Цветени Алании Аспарагин Аспартат Глнцин Глутамат Аргинин Валин Гистилин Изолейцин Лейции 21. Биосинтез аминокислот н гема 233 цательнаму азотисто.иу балансу. При этом в организме больше белка разрушается, чем синтезируется, и потому больше азота вывалится, чем усваивается. Пути биосинтеза аминокислот разнообразны. Однако они обладают одним важным общим свойством: углероднвгй с'квлет аминокислот происходит из ярамежуточных продуктов гликализа, пептозафосфатиага пути или цикла трикирбанавых кш'лот.
Кроме того, ситуации упрощается тем, что аминокислоты подразделяются всего лишь на шесть биогинтетических семейств (рис. 21.4). Заменимые аминокислоты синтезируются с помощью весьма простых реакций, тогда как пути биосинтеза незаменимых аминокислот очень сложны. Например, заменимые аминокислоты алания и аспартат синтезируются в одну стадию из пирувата и оксалоацетата соответс~венно.
Обе аминокислоты получают свою аминогруппу от Аспарагин изопапцин Пируаат Апанас Ванин лапина' цнстснн Гпицнн Рнбоза б фосфат ВосфаанОппируаат + ЭритроэодфосФат гистидин тирозин Рис. 21.4. г' Гпутаинн Пронин Аргинин Биосинтетнческне семейства аминокислот.
Основные метаболические предшественники показаны голубым. Амина- кислоты, нз которых образуются другие аминокислоты, показаны красным. Незаменимые аминокислоты отмечены звездочками. глутамата в реакции трансаминирования с пнридоксальфосфатом в качестве кофакто- ра (разд. 18,2): Пируват + Глутамат Алании + + а-Оксоглутарат, Оксалоацетат + Глугамат Аспартат + сьОксоглутарат.
После этого аспарагин меже~ быть синтези- рован путем амидирования аспартата: Аспартат + МН; + АТР— — Аспарагин + АМР + РР. ,+ Н'. У млекопитающих донором азота прн Часть П1. Биосинтез 234 предшествевииков макромолекул синтезе аспарагина является глутамин, а не ХНз . Еще один одностаднйный синтез заменимой аминокислоты — гидроксилирование фенилаланина (незаменимой аминокислоты) с образованием пгирозина. Данная реакция происходит в организме млекопитающих: Фенилаланин + О, + ХАВРН + + Н ' — Тирозин + )ЧАОР ' + + НО. Эта реакция каталнзируется фенилаланннгндроксилазой, монооксигеназой, которая рассматривалась выше (разд. 18.16), Следует отметить, что для животных, не имеющих этого фермента, тирозин является незаменимой аминокислотой.
21.4. Глутямат — нредшествеиник глутамниа н пролива Синтез глутамата путем восстановительного аминирования а-оксоглутарата уже обсуждался (разд. 21.2), равно как и превращение глутамата в глутамнн (разд. 21.2). Глутамат — предшественник еше одной заменимой аминокислоты, пролина. Сначала у-карбоксильная группа глутамата реагирует с АТР, образуя ацилфосфат.
Этот смешанный ангидрид восстанавливается до альдегида. у-Полуальдегид глутамата циклизуется с отщеплением Н,О и образует сооАтг АОР , ) иле, Нты — С вЂ” Н нро Н С СН иАОРН иАОР+ г нс, с сн, соон с о ,р ", т Понкальдагнд З' Пнвролннглгтамнноасй вкаоескснлат кислоты соо- н,н — с — н ! сн, сн, ) соо- н,с сн, ! ! н н,с , с н соон 'н Пвслнн Глзтамат СОО н~о Р, НН вЂ” С вЂ” Н з СН ОН савин СОО Н вЂ” С вЂ” ОН ило илси сн ОРО 2- Вфосфоглнцарат СОО а.оксо.
С=О Гпттамат глгтарат СН, Оро,т Злрссфсгнд Оокснпнрклат СОО н,н — ~ — н ) Нт ОРО т 3 фссфосавнн 21. Бноснтттез аминокислот и гема Л'-пирролин-5-карбоксилат, который восстанавливается ХА)ЗРН с образованием пролина. 21.5. Серии синтезируется мз 3-фосфоглнцерата Серии синтезируется из З-фосфоглицерата, промежуточного продукта гликолиза. Первая стадия †окислен 3-фосфогидроксипирувата.
Эта а-оксокислота подвергается трансаминированию с образованием 3-фосфосерина, который затем гидролизуется с образованием серина. В другом случае гидролиз фосфатной группы может предшествовать окислению и трансаминированию: 3-фосфоглицерат — Глицерат — Гидроксипируват — Серии Серии-предшественник глицина и цистеина.
При образовании глицина р-углеродный атом боковой цепи серина переносится на тетрагидрофолят, переносчик одноуглеродных фрагментов, который мы рассмотрим ниже: Серии + Тетрагидрофолят— -г Глицин + Метилентетрагидрофолят + Н,О. Это превращение катализируется серии-гидроксиметилтрансферазой — ферментом, роль простетической группы которого выполняет пиридоксальфосфат. Связь между а- и )3- углеродными атомами серина лабилизуется из-за образования шиффова основания между серином и пиридоксальфосфатом. Затем )3-углеродный атом серина переносится на тетрагидрофолят, Глицин также может образовываться из СО,, )т)Н,', и метилентетрагидрофолята в результате реакции, катализируемой глицин-синтазой.
Для превращения серина в цистеин должно произойти замещение атома кислорода боковой пепи на атом серы, происходящий из метионина. Соответствующую послеловательность реакций мы рассмотрим после обсуждения метаболизма одноуглеролных фрагментов. 21.6. Тетрагвдрофолят переносит активнрованные одиоуглеродные фрагменты с различной степенью окисления Тетрагидрофолят (его называют также тетрагидроптероилглутамат) — многоцелевой переносчик одноуглеродных фрагментов.
Молекула тетрагидрофолята состоит из трех структурных единиц: замешенного птеридина, и-аминобензоата и глутамата. Млекопитающие неспособны синтезировать кольца птерцдина. Они получают птеридин с пищей или от микроорганизмов кишечной флоры. Одноуглеродный фрагмент, переносимый тетрагидрофолятом, связывается с атомом твтрнгндрофонит Степень окисления Группа иая Промежуточная Наиболее окисленная — СН» (метиленоеая) — СНО (формнльная) — СНЫН вЂ” (формимнно-) — СН»ж (метенильиаа) азота Х-5 или Х-10 (они обозначаются Х» и Х'о) или с обоими.
Этот фрагмент может иметь три степени окисления (табл. 21.2). Наиболее восстановленная форма — метильпач ~руина, промежуточная — метилеповая группа. Наиболее окисленные формы -меттшльпая, формильпая или формимипогруппа. Одноуглеродный фрагмент с максимально возможной степенью окисления, СО„переносится не тетрагидрофолятом, а биотином (разд. 15.15). Эти одноуглеродные фрагменты способны к взаимопревращсниям (рис. 21.5). №, №о-метилептетрагидрофолят может быть восстановлен до №-метилтетрагидрофолята или окпслен до №-метепилтетрагидрофолята. )Ь(ь, №о-метепилтетрагилрофолят может превратиться в №-формимипотетрагидрофолят и №"-формилтетрагидрофолят„ в которых углерод находится в одной и той же степени окисления. )ь»» о-формилте грагидрофолят может быть также синтезирован из формиата и АТР: Формиат + АТР + Тетрагидрофолят Х'о-формилтетрагидрофолят + АОР + + Р,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
