Загрузил perelayko1432

Биохимия Лекция4 Метаболизм АК ч2

Реклама
Лекция 4
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:
1.
Глутамат + ATP → γ-Глутамилфосфат + ADP
γ-Глутамилфосфат + NH4+ → Глутамин + Рi + Н+
----------------------------------------------------------------------Итог: Глутамат + ATP + NH4+ → Глутамин + ADP + Рi + Н+
2.
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. Общий принцип
функционирования аминотрансфераз
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 3фосфоглицерара 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.
Рис. Синтез глицина из холина.
adoHcy – S-аденозилгомоцистеин;
adoMet – S-аденозилметионин.
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-метилентетрагидрофолат, 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 Nацетилированных интермедиатов. Одним из них является N-ацетилглутамат-γполуальдегид, 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-βполуальдегида 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-4фосфат 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.
Скачать