Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

200

Первый обходной путь:

COO

ATP

ADP

Пируват

Оксалоацетат

NADH

NAD

COO

H OH

Малат

OHH

COO

NAD

NADH

Оксалоацетат

COO

GTP

GDP

COO

O P

М и т о х о н д р и я

Ц и т о п л а з м а

Второй обходной путь:

O CH

O P

P O

Третий обходной путь:

P OCH

H H

Глюкоза

Э н д о п л а з м а т и ч е с к и й

р е т и к у л у м

Пируват-

карбоксилаза

Малатдегид-

рогеназа

+ СО

РЕР-карбок-

сикиназа

Фруктозо-1,6-

дифосфатаза

Глюкозо-6-

фосфатаза

Фосфоенол-

пируват

Глюкозо-6-фосфат

Фруктозо-1,6-дифосфат

Малатдегид-

рогеназа

Фруктозо-6-фосфат

Рис. 14.2. Реакции обходных путей в глюконеогенезе

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

201

14.2. Биосинтез полисахаридов

Полисахариды синтезируются из моносахаридов с соблюдением ряда за-

кономерностей. Во-первых, моносахаридные единицы активируются перво-

начально путем фосфорилирования, катализируемого киназой. Затем моноса-

харидное звено акцептируется одним из нуклеозиддифосфатов, а образую-

щийся сахаронуклеотид выполняет роль переносчика гликозильного остатка

(нуклеотидной «ручки») на удлиняющуюся цепь полисахарида.

Биосинтез гликогена. Предшественниками для биосинтеза гликогена

могут служить как свободная глюкоза, так и глюкозо-6-фосфат. В первом

случае глюкоза фосфорилируется киназой с образованием глюкозо-1-

фосфата, во втором — глюкозо-6-фосфат изомеризуется с участием фосфог-

люкомутазы в глюкозо-1-фосфат (рис. 14.3).

Следующую стадию (образование сахаронуклеотида) катализирует пиро-

фосфорилаза, причем у высших животных гликозильные остатки переносятся

на уридиндифосфат (UDP), а в клетках растений и микроорганизмов эту роль

выполняют ADP, CDP или GDP. На схемах (рис. 14.3, 14.4) показан процесс

синтеза гликогена у животных, и пирофосфорилаза здесь носит название

глюкозо-1-фосфат-уридилтрансфераза.

На следующем этапе гликозильная группа UDP-глюкозы переносится на

концевую часть цепи гликогена (у нередуцирующего конца) и формируется

очередная a(1®4)-гликозидная связь между первым атомом углерода добав-

ляемого остатка глюкозы и кислородом гидроксила у четвертого атома угле-

рода концевого остатка глюкозы цепи. Данную реакцию катализирует глико-

генсинтетаза. С помощью этого фермента происходит постепенное удлинение

линейных цепей гликогена, однако не может осуществиться образование то-

чек ветвления, характерных для молекул гликогена (рис. 14.3). Функцию об-

разования «ветвей» гликогена катализирует другой фермент —

трансгликозилаза.

После того как линейная цепь гликогена достигнет длины примерно в 10

остатков глюкозы, трансгликозилаза атакует гликозидную связь в каком-либо

месте цепи и переносит концевой олигосахаридный фрагмент, содержащий

6—7 гликозильных звеньев, на свободную 6-гидроксильную группу остатка

глюкозы той же или другой цепи. Так катализируется образование a(1®6)-

гликозидной связи, и в молекуле гликогена появляется точка ветвления

(рис. 14.4). Аналогичным образом в клетках растений осуществляется синтез

крахмала.

Биосинтез, а также распад гликогена регулируются у высших организмов

гормонами. В частности, у животных в этих процессах принимают активное

участие адреналин и глюкагон. При повышении их концентрации в крови

количество гликогена уменьшается и, соответственно, увеличивается количе-

ство глюкозы.

Биосинтез муреина. В отличие от гликогена, биосинтез которого проте-

кает внутри клетки, муреин, являясь компонентом клеточной стенки бакте-

рий, синтезируется с участием нескольких стадий, осуществляющихся вне

клетки — на наружной поверхности плазматической мембраны. При этом

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

202

клетка вынуждена транспортировать через мембрану отдельные структурные

компоненты муреина, для чего существует специальный механизм.

Непосредственным предшественником биосинтеза муреина служит N-

ацетилглюкозамин, и первые этапы биосинтеза происходят с соблю- дени-

ем уже описанных закономерностей, включая фосфорилирование

O P

Глюкоза

Киназа

Фосфоглюко

мутаза

ATP

ADP

UTP

Глюкозо-6-фосфат

Глюкозо-1-фосфат

Глюкозо-1-фосфат-

уридилтрансфераза

Уридиндифосфат-глюкоза

Цепь гликогена (glc)

3+1

+ UDP-глюкоза

Гликоген-

синтетаза

O P

OHCH

+ UDP

Рис. 14.3. Биосинтез линейных цепей гликогена

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

203

Линейная цепь гликогена

Трансгликозилаза

OH CH

O P

n...

O P

a(1 6)-гликозидная связь

Цепь гликогена с точкой ветвления

Рис. 14.4. Образование точек ветвления гликогена

предшественника и его перенос на остаток UDP (рис. 14.5). В результате этих

реакций формируется UDP-N-ацетилглюкозамин (UDP-NAG).

На следующем этапе UDP-NAG трансформируется во второй компонент

этого гетерополимера — UDP-N-ацетилмурамовую кислоту (UDP-NAM). Для

этого к молекуле UDP-NAG присоединяется остаток молочной кислоты при

взаимодействии с фосфоенолпируватом (РЕР). Далее к UDP-NAM добавля-

ются последовательно остатки пяти аминокислот, и образуется UDP-N-

ацетилмурамилпентапептид (рис. 14.5).

Пентапепидная цепь в составе UDP-N-ацетилмурамилпентапептида стро-

ится необычным образом: образование пептидных связей здесь происходит за

счет энергии АТР с участием специальных ферментов. Такой пептид (содер-

жащий D-аминокислоты и g-пептидную связь) не может быть синтезирован

обычным путем на рибосомах.

Сформированный N-ацетилмурамилпентапептид переносится с помощью

фермента от UDP на связанный с мембраной липидный переносчик —

гидрофобную молекулу, способную совершать челночные перемещения через

мембрану. После этого к NAM-пептидной единице, связанной с липидным

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

204

переносчиком, присоединяется NAG (его донором служит образованный

ранее UDP-NAG) и формируется дисахаридное

C=OCOO

O O

N CH

NAG + ATP

NAG-1-фосфат + ADP

UDP-NAG + PP

+ PEP

UDP-NAM

+ L-ala (ATP)

+ D-isoglu (ATP)

+ L-lys (ATP)

+ D-ala-ala (ATP)

UDP-N-ацетилмурамилпентапептид

+ UTP

COCH

D-isoglu

L-lys D-ala

D-ala

L-ala

Рис. 14.5. Биосинтез муреина. Стадии, ведущие к образованию UDP-N-

ацетилмурамилпентапептида (объяснения в тексте).

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

205

звено. Структура b(1®4)-гликозидной связи между моносахаридными единицами

представлена на рис. 5.4. Наконец, на e-аминогруппе остатка лизина в пентапеп-

тиде выстраивается пентаглициновый мостик (рис. 14.6).

Образовавшееся дисахарид-пептидное звено переносится от липидного

переносчика на растущую полисахаридную цепь (рис. 14.6). На последнем

этапе отдельные полисахаридные цепи поперечно связываются пентаглици-

новыми мостиками (реакция транспептидирования, катализируемая фермен-

том гликопептид-транспептидазой). В ходе этой реакции концевая амино-

группа пентаглицинового мостика атакует пептидную связь между двумя ос-

татками D-аланина в пентапептиде другой дисахаридной единицы. Так воз-

никает пептидная связь между концевым остатком глицина и остатком D-ala.

При этом второй (концевой) остаток D-ala высвобождается. Данная реакция

осуществляется уже вне клетки и не требует участия АТР, поскольку протека-

ет за счет энергии гидролизу- емой связи D-ala—D-ala. Сформировавшаяся

структура представлена на рис. 5.6.

Липидный

переносчик

Липидный

переносчик

пентаглицин

Липидный

переносчик

COO

полисахаридная цепь

UDP-N-ацетилмурамилпентапептид +

NAM-пептидное звено

+ UDP-NAG

gly-gly-gly-gly-gly-NH

(NAG-NAM-пептид)

(HO-NAG-NAM-пептид

NAG-NAM-пептид

NAG-NAM-пептид)

n+1

NAG-NAM

L-ala

D-isoglu

L-lys

D-ala

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

206

Рис. 14.6. Биосинтез муреина. Образование дисахарид-пептидного звена и на-

ращивание цепи (объяснения в тексте)

Процесс биосинтеза муреина подвержен ингибирующему действию со

стороны некоторых антибиотиков. В частности, b-лактамные антибиотики

ковалентно связываются с активным центром гликопептид-транспептидазы,

вызывая ее необратимое ингибирование (глава 18). В таком случае не может

осуществиться последняя стадия биосинтеза —образование поперечных сши-

вок между тетрапептидами. Бацитрацин блокирует регенерацию липидного

переносчика, останавливая синтез клеточной стенки.

Большинство экзополисахаридов синтезируется с соблюдением описан-

ных для биосинтеза муреина закономерностей: участие нуклеозиддифосфа-

тов, липидных переносчиков, сборка полисахаридных молекул из дисахарид-

ных звеньев на поверхности клетки с помощью внеклеточных ферментов.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

207

Глава 15. БИОСИНТЕЗ ЛИПИДОВ

Обмен липидов в клетках разных организмов включает два противопо-

ложно направленных процесса: биосинтез и деградацию. При этом ключевы-

ми промежуточными соединениями данных процессов служат ацетил-СоА и

глицерол. Ацетил-СоА образуется на каждой стадии b-окисления жирных

кислот (глава 9) и используется в качестве предшественника при их биосин-

тезе. Глицерол может образовываться при разложении липидов, а также при

модификации промежуточных продуктов гликолиза (например дигидрокси-

ацетонфосфата).

Обмен липидов осуществляется довольно интенсивно, что связано в пер-

вую очередь с процессами мембраногенеза (изменение структуры мембран,

синтез новых компонентов). Кроме этого, некоторые организмы используют

жиры (триацилглицеролы) в качестве основного резервного вещества. На-

пример, у животных триацилглицеролы синтезируются и накапливаются в

специализированных клетках жировой ткани. В организме мужчины со сред-

ней массой присутствует до 12 кг запасных липидов, которые могут обеспе-

чить поддержание основного обмена в течение 8 недель, в то время как запа-

сов гликогена (несколько сотен грамм) хватает для обеспечения потребности

организма в энергии не более чем на 12 ч. Растения (особенно в составе пло-

дов, семян) и многие микроорганизмы также способны синтезировать в каче-

стве запасных питательных веществ триацилглицеролы.

15.1. Биосинтез насыщенных жирных кислот

Биосинтез жирных кислот осуществляется в цитоплазме эукариотических

клеток, у животных — в основном в клетках печени, жировой ткани, почек,

легких. Непосредственным предшественником их синтеза является малонил-

СоА, который образуется из ацетил-СоА. В свою очередь, основное количест-

во ацетил-СоА образуется в матриксе митохондрий при окислительном де-

карбоксилировании пирувата, в процессе b-окисления жирных кислот, при

расщеплении углеродных скелетов аминокислот. Будучи заряженным соеди-

нением, ацетил-СоА не может преодолеть мембранный барьер митохондрий,

и для транспорта ацетильных групп в цитоплазму существует специальный

«челночный механизм» (рис. 15.1). С помощью этого механизма ацетиль-

ные компоненты попадают в цитоплазму в составе цитрата, который расщеп-

ляется, образуя ацетил-СоА (при участии АТР и СоА) и оксалоацетат. По-

следний восстанавливается в малат и возвращается в матрикс митохондрий,

где регенерируется цитрат.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

208

Цитрат

Оксалоацетат

Малат

NAD

NADH

Ацетил СоА

СоА

ATP

CoA

ADP

Ацетил СоА

NADH

NAD

Синтез

жирных

кислот

М и т о х о н д р и я

Ц и т о п л а з м а

Рис. 15.1. Перенос ацетильных компонентов через мембрану

митохондрий при участии «челночного механизма»

Оказавшись в цитоплазме, ацетил-СоА подвергается карбоксилированию

с участием ключевого фермента биосинтеза жирных кислот —ацетил-СоА-

карбоксилазы. В результате этой АТР-зависимой реакции формируется мало-

нил-СоА (рис. 15.2). Простетической группой ацетил-СоА-карбоксилазы

служит биотин. Он выполняет роль «подвижной руки», переносящей СО

на

молекулу ацетил-СоА. Реакция осуществляется в две стадии (рис. 15.2, см.

также главу 7, рис. 7.7). Стадия образования малонил-СоА лимитирует ско-

рость всего процесса синтеза жирных кислот, поскольку на уровне ацетил-

СоА-карбоксилазы осуществляется регуляция данного пути: основным алло-

стерическим активатором фермента является цитрат. Этот метаболит образу-

ется в митохондриях в большом количестве, когда там много ацетил-СоА,

т. е. ЦТК перегружен «топливом», и его избыток должен запасаться в виде

триацилглицеролов. В таком случае цитрат выходит в цитоплазму, выступая

там одновременно в роли донора ацетил-СоА и активатора ацетил-СоА-

карбоксилазы. Связывание цитрата с неактивными мономерами ацетил-СоА-

карбоксилазы приводит к их соединению в нитевидный олигомер, который

приобретает функциональную активность. Кроме этого, активность ацетил-

СоА-карбоксилазы регулируется в ходе ковалентной модификации: понижа-

ется при фосфорилировании и повышается при дефосфорилировании.

Образующийся в цитоплазме малонил-СоА служит источником боль-

шинства атомов углерода в молекулах жирных кислот. Формирование паль-

митиновой кислоты, включающей 16 атомов углерода, происходит согласно

уравнению 15.1.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

209

HOOC CH

SCoA

ATP

ADP

cys

pan

Синтаза ЖК

pan

cys

C CH

CoA

cys

pan

COOH

CoA

pan

cys

NADPH

NADP

cys

pan

cys

pan

cys

NADPH

NADP

cys

pan

новый цикл реакций,

начиная с присоединения

малонил СоА

CО

+ биотин-фермент

+ ацетил-СоА

Малонил-СоА

АПБ-ацил-

трансфераза

АПБ-малонил-

трансфераза

3-Кетоацил-

АПБ-синтаза

Ацетоацетил-

3-Кетоацил-

АПБ-редуктаза

Еноил-АПБ-

дегидратаза

Биотин-фермент +

+ ацетил-СоА

+ малонил-СоА

3-гидроксиацил-

транс-еноил-

Еноил-АПБ-

редуктаза

АПБ-ацил-

трансфераза

ацил-

Рис. 15.2. Биосинтез жирных кислот: 1 — образование малонил-СоА; 2 —

конденсация компонентов и наращивание цепи на синтазе жирных кислот (Е)

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)