биосинтез заменимых и незаменимых аминокислот

Формат документа: doc
Размер документа: 1.03 Мб




Прямая ссылка будет доступна
примерно через: 45 сек.



  • Сообщить о нарушении / Abuse
    Все документы на сайте взяты из открытых источников, которые размещаются пользователями. Приносим свои глубочайшие извинения, если Ваш документ был опубликован без Вашего на то согласия.

Метаболизм аминокислот (часть 2)

БИОСИНТЕЗ ЗАМЕНИМЫХ АМИНОКИСЛОТ
Из 10 заменимых аминокислот 8 образуются из амфиболических метаболитов:
Ala, Asp, Asn, Gly, Glu, Gln, Pro, Ser,
а две (Суs и Туr) – из незаменимых аминокислот.
Центральное место в биосинтезе аминокислот занимают глутаматдегидрогеназа, глутаминсинтаза и трансаминазы. Благодаря совместному действию этих ферментов катализируется включение неорганического иона аммония в α-аминогруппу аминокислот.
Глутамат
Восстановительное аминирование α-кетоглутарата катализируется глутаматдегидрогеназой.

Данный фермент найден у всех организмов, однако наиболее важную роль он играет у животных. У растений и бактерий значительная часть глутамата синтезируется по другому механизму глутаматсинтетазой через промежуточное образование глутамина.
Помимо того, что эта реакция приводит к образованию L-глутамата из амфиболического метаболита, α-кетоглутарата, она является ключевой стадией биосинтеза многих других аминокислот.
Глутамин
Биосинтез глутамина из глутамата катализируется глутаминсинтетазой.
Рис. Структура глутаминсинтетазы.
Наряду с предыдущей реакцией, образование глутамина является ключевым как в синтезе аминокислот, так и в утилизации токсичного соединения – аммиака. Данная реакция имеет как сходство с реакцией, катализируемой глутаматдегидрогеназой, так и отличия от нее. В обоих случаях фиксируется неорганический азот, который в одном случае включается в аминогруппу, а в другом — в амидную группу. Обе реакции сопряжены с сильно экзергоническими реакциями: в случае глутаматдегидрогеназы с окислением NAD(P)H, а в случае глутаминсинтетазы с гидролизом АТР.
Данная реакция состоит из двух этапов:
Глутамат + ATP → γ-Глутамилфосфат + ADP
γ-Глутамилфосфат + NH4+ → Глутамин + Рi + Н+
-----------------------------------------------------------------------
Итог: Глутамат + ATP + NH4+ → Глутамин + ADP + Рi + Н+

Рис. Синтез глутамина.
Алании и аспартат
L-аланин образуется из пирувата путем переаминирования с глутаматом, а L-аспартат – тем же путем из оксалоацетата. Ферменты аминотрансферазы (трансаминазы).

Рис. Схема синтеза аланина.

Рис. Схема синтеза аспартата.

Перенос α-аминогруппы глутамата на амфиболические метаболиты иллюстрирует участие трансаминаз в процессах включения иона аммония в α-аминогруппы аминокислот.
Дополнительно аланин может образовываться путем удаления β–карбоксигруппы аспартата (декарбоксилирования). Фермент аспартатдекарбоксилаза.

Аспарагин
Образование аспарагина из аспартата, катализируемое аспарагинсинтетазой, сходно с синтезом глутамина. Аспарагинсинтетаза млекопитающих в качестве источника азота использует не ион аммония, а глутамин и, следовательно, не фиксирует неорганического азота. Бактериальные же аспарагинсинтетазы используют ион аммония, следовательно, фиксируют неорганический азот. Как и в случае других реакций, сопровождающихся образованием РРi, последующий гидролиз РPi до Pi с участием неорганической пирофосфатазы обеспечивает энергетически благоприятные условия для протекания реакции. Особенность: донором азота в данной реакции выступает α-аминогруппа глутамата (а не амидная группа), поэтому образуется амид α-кетоглутарата – глутарамат.

Важно! Выше рассмотренные реакции синтеза глутамата и аспартата носят обратимый характер (реакции дегидрогеназ и аминотрансфераз обратимы!), в то время как реакции синтеза глутамина и аспарагина (катализируются синтетазами) идут с высвобождением значительного количества энергии (распад ATP) и не обратимы.
Серин
Серин образуется из промежуточного продукта гликолиза – 3-фосфоглицерата. В первой реакции α-гидроксильная группа при участии NAD+ окисляется в кетогруппу (фермент 3-фосфоглицератдегидрогеназа). Далее в результате переаминирования образуется фосфосерин (фосфосерин-аминотрансфераза), который затем дефосфорилируется, образуя серин (фосфатаза).
Также возможен вариант, когда сначала происходит дефосфорилирование 3-фосфоглицерара до глицерата (фосфатаза), а затем уже идут реакции окисления (глицератдегидрогеназа) и переаминирования (серин-аминотрансфераза).
Другим важным путем образования серина является его обратимый синтез из глицина. Донором метильной группы является N5,N10-метилен-тетрагидрофолат, переходящий в тетрагидрофолат. Гидроксильная группа серина поступает из воды. Реакция катализируется серин-гидроксиметилтрансферазой.

А Б
Рис. А – синтез серина из 3-фосфоглицерата;
Б – реакция взаимопревращения серина и глицина.

Рис. Структура тетрагидрофолата – одного из основных переносчиков одноуглеродных фрагментов в клетке (синим указаны атомы азота 5 и 10, к которым происходит присоединение одноуглеродных фрагментов – метильных, метиленовых, формильных и других групп).
Глицин
Синтез глицина в тканях млекопитающих осуществляется несколькими путями.
В цитозоле печени содержится глицинтрансаминаза, катализирующая синтез глицина из глиоксилата, донором аминогруппы выступает глутамат (или аланин). В отличие от большинства реакций переаминирования равновесие этой реакций сильно смещено в направлении синтеза глицина.
Рис. Синтез глицина из глиоксилата.
Два важных дополнительных пути, функционирующие у млекопитающих, используют для образования глицина серин (см. синтез серина) и холин.

В клетках печени хордовых существует еще один путь синтеза глицина, катализируемый ферментом глицинсинтетазой. Глицин образуется из неорганических соединений: CO2 и NH4+. Донором дополнительного одноуглеродного фрагмента выступает N5,N10-метилен-тетрагидрофолат, восстановление происходит за счет энергии NADH.
Пролин
У млекопитающих и некоторых других организмов пролин образуется из глутамата путем обращения реакций катаболизма пролина.

Рис. Синтез пролина.
Цистеин
Цистеин, относящийся к заменимым аминокислотам, образуется из незаменимого метионина и заменимого серина. Сначала происходит превращение активация метионина с образованием S-аденозилметионина (см. лекцию 3), затем метилтрансфераза переносит метильную группу с S-аденозилметионина на какой-либо акцептор (тетрагидрофолат, диметилглицин, фосфатидилэтаноламин) и образуется S-аденозилгомоцистеин. Данное соединение распадается на аденозин и гомоцистеин. Далее гомоцистеин взаимодействует с серином.

Получаемый в последней реакции α–кетобутират может подвергаться дальнейшему окислению с образованием пропионил-СоА.
Тирозин
Тирозин образуется из фенилаланина в реакции, катализируемой фенилаланингидроксилазой, поэтому фенилаланин относится к незаменимым аминокислотам, а тирозин – нет (при условии, что диета содержит достаточное количество фенилаланина). Реакция необратима, и поэтому тирозин не может заменить пищевой фенилаланин. Фенилаланингидроксилаза является оксигеназой со смешанной функцией, она имеется в печени млекопитающих и отсутствует в других тканях. В результате реакции один атом молекулярного кислорода включается в пара-положение фенилаланина (в виде гидроксильной группы), а другой восстанавливается, образуя воду. В качестве восстановителя (кофактора фермента) непосредственно в реакции участвует соединение тетрагидробиоптерин (воостановленная форма). В процессе реакции оно окисляется до дигидробиоптерина, восстановление которого в дальнейшем происходит за счет NADH.



Биосинтез незаменимых аминокислот
Ниже кратко описан биосинтез незаменимых аминокислот, осуществляемый в бактериях, грибах и растениях из глутамата, аспартата или других амфиболических метаболитов. В тканях млекопитающих эти реакции не происходят.

Аргинин
Аргинин – незаменимая пищевая аминокислота для человека в период его роста – может синтезироваться у крыс, но в таких количествах, которые не достаточны для нормального роста этих животных.
В микроорганизмах идет биосинтез аргинина из глутамата с образованием N-ацетилированных интермедиатов. Одним из них является N-ацетилглутамат-γ-полуальдегид, который служит также предшественником пролина у бактерий. У человека, а также у животных пролин образуется из глутамата.

Аспартат является предшественником семейства аминокислот, в которое входят лизин, метионин, треонин и изолейцин.
Метионин и треонин
Аспартат сначала превращается (восстанавливается) в аспартат-β-полуальдегида, затем в гомосерин. Далее гомосерин может превратится в метионин (реакции обратные синтезу цистеина) или через гомосеринфосфат в треонин.

Лизин
Наиболее распространены два пути синтеза лизина:
1. Диаминопимелиновый путь (бактерии, низшие грибы, водоросли, высшие растения).
При этом лизин образуется из аспартата, путем конденсации аспартат-β-полуальдегида с пируватом. Образующийся при этом промежуточное соединение – диаминопимелат участвует также в образовании клеточной стенки бактерий.
2. Аминоадипиновый путь (некоторые низшие грибы, высшие грибы)
Биосинтез лизина начинается с α-кетоглутарата и ацетил-СоА и проходит серию реакций, аналогичных реакциям цикла лимонной кислоты, катализируемых группой ферментов с несколько иной субстратной специфичностью.
Лейцин, валин и изолейцин
Исходными соединениями для синтеза лейцина является α–кетоизовалерьяновая кислота и ацетил-СоА, для валина – 2 молекулы пирувата, для изолейцина – треонин (то есть, изначально, аспартат).
Следует отметить, что хотя лейцин, валин и изолейцин являются незаменимыми аминокислотами для человека, а также других высших животных, в тканях млекопитающих имеются трансаминазы, катализирующие обратимые взаимопревращения всех трех указанных аминокислот и соответствующих α-кетокислот. Этим объясняется способность соответствующих кетокислот заменять рассматриваемые аминокислоты в диете.
Гистидин
Гистидин подобно аргинину может быть назван полунезаменимым. Организм взрослого человека в течение некоторого периода может поддерживать азотистый баланс и в отсутствие гистидина. Растущий организм, однако, нуждается в гистидине.
Процесс биосинтеза начинается с 5-фосфорибозил-1-пирофосфата (ФРПФ), который конденсируется с АТР с образованием N'-(5-фосфорибозил)-АТР. Эта реакция, следовательно, сходна с начальной стадией биосинтеза пуринов.
Фенилаланин, триптофан.
Исходными соединениями для синтеза фенилаланина, тирозина и триптофана у микроорганизмов и растений являются продукты углеводного обмена – эритрозо-4-фосфат и фосфоенолпируват. В результате 7 реакций образуется соединение хоризмат, которое либо за счет нескольких превращений дает фенилаланин и тирозин, либо конденсируется с одной молекулой ФРПФ с дальнейшим првращением в триптофан.
Рис. Общий принцип функционирования аминотрансфераз

Рис. Синтез глицина из холина.
adoHcy – S-аденозилгомоцистеин;
adoMet – S-аденозилметионин.



X