Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

220

цесс), частично — азотфиксирующие бактерии, среди которых есть свобод-

ноживущие формы а также те, которые осуществляют фиксацию в симбиозе

с растениями. Небольшое количество окисленных форм азота образуется в

атмосфере при грозовых разрядах, а также под действием космического из-

лучения. Таким образом, ферментативная фиксация молекулярного азота —

основной естественный механизм возобновления запасов связанных форм

азота, обеспечивающих развитие жизни на Земле.

16.3. Фиксация азота и включение его в состав

органических молекул

Молекулярный азот представляет собой чрезвычайно инертное соедине-

ние, расщепление молекулы N

требует больших затрат энергии. Из всех на-

селяющих Землю организмов ферментативную фиксацию азота осуществля-

ют лишь некоторые прокариоты. Данный процесс в их клетках катализирует-

ся нитрогеназной системой и осуществляется в процессе, который можно

описать общим уравнением:

+ 6H

+ 6з + 12 ATP ® 2NH

+ 12ADP + 12P

(16.1)

Нитрогеназная система бактерий локализуется во впячиваниях плазмати-

ческой мембраны и состоит из двух компонентов: железосерного белка

(4Fe 4S

) и молибдоферредоксина (белок, содержащий молибден и железо).

На одну молекулу молибдоферредоксина (MoFe) в активной нитрогеназной

системе приходится 2 молекулы железосерного белка. Вспомогательными

компонентами, участвующими в переносе электронов на нитрогеназную сис-

тему, служат флавиновые кофакторы и ферредоксин. Роль первичного донора

электронов в этом процессе обычно выполняет NADPH.

Процесс переноса электронов на молекулярный азот (рис. 16.2) осуществ-

ляется следующим образом: донор электронов восстанавливает ферредоксин,

который самостоятельно либо через флавин переносит электроны на железо-

серные центры нитрогеназной системы. Затем АТР связывается с железосер-

ными белками и сдвигает их окислительно-восстановительный потенциал с –

0,29 В до –0,4 В путем изменения конформации белка. Подобное увеличение

восстановительной способности железосерных белков позволяет им перено-

сить электроны на молибдоферредоксин. На следующей стадии гидролизуется

АТР, восстанавливается MoFe и нитрогеназная система диссоциирует на

компоненты. Считается, что перенос пары электронов от восстановленной

формы железосерных белков к молибдоферредоксину сопряжен с гидролизом

четырех молекул АТР.

Восстановление молибдоферредоксина связано с переходом атома молиб-

дена из окисленного состояния Мо(VI) в восстановленное Мо(IV), от которого

электроны переносятся непосредственно на N

. Для полного восстановления

молекулы азота до двух молекул NH

требуется три последовательных 2-

электронных перехода, которые будут сопряжены с гидролизом 12 (4 х 3)

молекул АТР.

На симбиотическую азотфиксацию, в которой кроме нитрогеназной сис-

темы бактерий принимают участие и некоторые структуры растений, расхо-

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

221

дуется энергия, запасенная обоими организмами. Есть сведения, что в этом

процессе потребляется до пятой части всей энергии, запасенной растением.

Нитрогеназная система восстанавливает не только молекулярный азот, но

и ацетилен, азид, закись азота, цианид, нитриты и протоны. Перенос части

восстановительных эквивалентов на Н

осуществляется нитрогеназной систе-

мой в побочной реакции, поэтому наряду с аммиаком при фиксации азота

всегда образуется молекулярный водород.

Сильным ингибитором нитрогеназной системы является молекулярный

кислород: в его присутствии основные компоненты системы быстро инакти-

вируются. Поэтому фиксация азота осуществляется в анаэробных участках

клеток. Например, у клубеньковых бактерий специальная форма гемоглобина

(леггемоглобин) защищает нитрогеназную систему от молекулярного кисло-

рода, а у цианобактерий эту роль выполняют стенки гетероцист.

Следующей стадией включения азота в состав органических молекул яв-

ляется аминирование кетокислот, в результате которого возникают амино-

кислоты. Наиболее распространено восстановительное аминирование кето-

кислот. При этом основным продуктом, образующимся в данном процессе,

является глутамат. Глутамат используется в качестве субстрата для включе-

ния еще одной молекулы аммиака, в результате чего синтезируется глутамин

(рис. 16.3).

Перечисленные выше реакции имеют особое значение в биосинтезе ами-

нокислот, поскольку катализирующие их ферменты наиболее активны, в ре-

зультате чего данные процессы превращаются в основные пути включения

аммиачного азота в состав аминокислот. В ходе последующих превращений

аминогруппы глутамата и глутамина включаются в состав большинства дру-

гих аминокислот. Подобные реакции носят название реакций трансамини-

рования.

NADPH

NADP

Ферредоксин

окисленный

Ферредоксин

восстанов

ленный

восстанов

ленный

окисленный

Mo(VI)Fe

Mo(IV)Fe

(в три

этапа)

4Fe4S

ADP + P

2NH

4Fe4S

Рис. 16.2. Работа нитрогеназной системы прокариот при фиксации

молекулярного азота (объяснения в тексте)

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

222

COO

a Кетоглутарат

(промежуточный

продукт ЦТК)

Глутамат

дегидрогеназа

NADPH

NADP

COO

N H

Глутамат

COO

Глутамин

синтетаза

ATP

ADP

COO

Глутамин

+ NH

COO

Рис. 16.3. Включение аммиака в состав аминокислот

16.4. Биосинтез аминокислот

Пути биосинтеза формирующих белок аминокислот (протеиноген-ных)

довольно сложны, многоплановы (одна и та же аминокислота может синтези-

роваться разными способами) и могут существенно отличаться у разных ор-

ганизмов. Тем не менее существует довольно большое количество закономер-

ностей в этих процессах, и для удобства все 20 протеиногенных аминокислот

можно разделить на 5 биосинтетических семейств. Для принадлежащих к

одному семейству аминокислот характерно наличие общих предшественни-

ков, которые образуются в ЦТК, в процессе гликолиза, в ходе пентозофос-

фатных путей.

Заменимые аминокислоты синтезируются с помощью довольно простых

реакций, в то время как пути биосинтеза незаменимых аминокислот очень

сложны. К незаменимым для белых крыс аминокислотам относятся: валин,

изолейцин, лейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан, гис-

тидин и аргинин. Восемь из десяти перечисленных аминокислот не синтези-

руются также организмом человека, являются ли гистидин и аргинин незаме-

нимыми для человека, остается спорным.

Биосинтез аминокислот семейства глутамата. К этому семейству

относятся: глутамат, глутамин, пролин, и аргинин. Первые две аминокислоты

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

223

образуются из a-кетоглутарата, а аминогруппы берут свое начало из молекул

аммиака (рис. 16.3). Пролин синтезируется из глутамата в ходе четырех ре-

акций: g-карбоксильная группа глутамата реагирует с АТР, образуя ацилфос-

фат. Последний восстанавливается с участием NADРH до альдегида, а затем

в ходе самопроизвольной дегидратации преобразуется в циклическое соеди-

нение — пирролин-карбоксилат. Этот продукт восстанавливается при уча-

стии NADPH в пролин (рис. 16.4).

Синтез аргинина (рис. 16.5) также осуществляется из глутамата, который

вначале ацетилируется по аминогруппе, а затем подвергается уже описанным

выше реакциям фосфорилирования и формирования полуальдегида. Однако

g-полуальдегид N-ацетилглутамата не циклизуется, как в пути биосинтеза

пролина, а трансаминируется с участием глутамата (Glu). В результате этой

реакции образуется a-кетоглутарат (КГ) и N-ацетилорнитин. Последний под-

вергается деацетилированию с образованием орнитина. Орнитин превраща-

ется в аргинин в ходе нескольких реакций, представленных в цикле мочеви-

ны.

Биосинтез аминокислот семейства аспартата. К семейству аспарта-

та относятся: аспартат, аспарагин, лизин, треонин, изолейцин и метионин.

Пять последних аминокислот из этого состава синтезируются из аспартата,

который, в свою очередь, образуется из оксалоацетата —промежуточного

продукта ЦТК — в ходе реакции трансаминирования. Донором аминогруппы

при этом выступает глутамат (рис. 16.6).

Аспартат служит предшественником для синтеза аспарагина, причем у

многих бактерий может осуществляться прямое аминирование аспартата в

АТР-зависимой реакции с участием аспарагинсинтетазы (16.2).

Глутамат

COO

ATP

ADP

COO P

COO

N H

Глутамилфосфат

NADPH

NADP

COO

N H

Полуальдегид

глутаминовой

кислоты

NOOC

NADPHNADP

OOC N

Пролин

Глутамат-5-

киназа

Пирролин-5-карбоксилат

Глутамилфос-

фат-редуктаза

Пирролин-5-

карбоксилат-

редуктаза

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

224

Рис. 16.4. Биосинтез пролина (пояснения в тексте)

NADP

NADPH

Ацетилглу

таматкиназа

ADP

ATP

CoA

NHC

COO

Глутамат

COO

C NH

Glu

КГ

Ацетилорнитин

трансаминаза

Ацетат

Ацетилорнитин

деацетилаза

Орнитин

Цикл мочевины

NHCH

Аргинин

+ Ацетил-СоА

N-Ацилтранс-

фераза ами-

нокислот

N-Ацетилглутамат

N-Ацетилглутамил-5-фосфат

N-Ацетил-

глутамил

фосфат-редуктаза

g-Полуальдегид -N-

ацетилглутамат

N-ацетилорнитин

COO

Рис. 16.5. Биосинтез аргинина (пояснения в тексте)

Аспартат + NH

+ АТР ® Аспарагин + АМР + РP

(16.2)

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

225

В клетках млекопитающих осуществляется другая реакция (рис. 16.6), в

которой донором аминогруппы при образовании аспарагина выступает глу-

тамин.

COO

N H

Глутамат

COO

Оксалоацетат

Аспартаттранс

аминаза

COO

Аспартат

COO

a Кетоглутарат

Аспартат

COO

N H

Глутамин

COO

N H

ATP AMP PP

COO

N H

Глутамат

COO

Аспарагин

синтаза

COO

Рис. 16.6. Биосинтез аспартата и аспарагина (пояснения в тексте)

Лизин, метионин и треонин синтезируются из производных аспартата

(рис. 16.7), а изолейцин — из треонина.

Лизин в клетках бактерий и растений синтезируется в ходе альдольной

конденсации полуальдегида аспарагиновой кислоты и пирувата с последую-

щим восстановлением, присоединением остатка сукцината, трансаминирова-

нием с участием глутамата, внутримолекулярной перестройкой и декарбокси-

лированием. В клетках грибов используется другой путь биосинтеза лизи-

на — из a-кетоглутарата и ацетил-СоА.

Углеродный скелет метионина формируется из гомосерина, атом серы

происходит от цистеина, а донором метильной группы служит N-

метилтетрагидрофолиевая кислота.

Треонин служит источником четырех из шести углеродных атомов в мо-

лекуле изолейцина. На первой стадии синтеза треонин дезаминируется, пре-

вращаясь в 2-кетобутират, затем взаимодействует с пируватом, подвергается

структурным перестройкам и реакции трансаминирования, в которой доно-

ром аминогруппы выступает глутамат.

Биосинтез аминокислот семейства пирувата. Из пирувата синтези-

руются: аланин, валин и лейцин.

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

226

Аланин образуется в реакции трансаминирования, где донором амино-

группы служит глутамат (рис. 16.8).

Синтез валина и лейцина имеет несколько общих стадий и начинается с

образования ацетолактата. Этот метаболит формируется из двух моле-

COO

Аспартат

ATP

ADP

COO P

COO

N H

NADPH

NADP

COO

N H

COO

NADPH

NADP

Лизин

Гомосерин

O P

COO

N H

ATP

ADP

Гомосеринфосфорная

кислота

COO

OHH

Треонин

Метионин

Изолейцин

COO

N H

COO

Аспартил-4-

фосфат 4-Полуальдегид-

аспартат

( )

Аспартат-

киназа

Дегидрогеназа аль-

дегида аспарагино-

вой кислоты

Гомосерин-

дегидрогеназа

Гомосерин-

киназа

Треонин-

синтаза

Рис. 16.7. Биосинтез треонина. Схема путей биосинтеза метионина,

лизина, изолейцина (пунктирные стрелки)

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

227

кул пирувата: одна из них декарбоксилируется, и образованный активный

ацетат переносится на вторую молекулу (рис. 16.8). Эту реакцию катализи-

рует ацетолактат-синтаза при участии тиаминпирофосфата.

2-Ацетолактат восстанавливается в диоксиизовалериановую кислоту, что со-

провождается миграцией метильной группы. Диоксиизовалерат дегидратиру-

ется в 2-кетоизовалерат. Этот продукт может превращаться в валин в реакции

трансаминирования с участием глутамата, а также конденсироваться с аце-

тил-СоА и в ходе нескольких реакций (изомеризация, восстановление, декар-

боксилирование, трансаминирование) преобразовываться в лейцин. Донором

аминогруппы в образовании лейцина также является глутамат (рис. 16.8).

Биосинтез аминокислот семейства серина. В семейство входят серин,

цистеин и глицин. Предшественником этих аминокислот является 3- фосфог-

лицерат — промежуточный продукт гликолиза.

COO

N H

Глутамат

Кетоглутарат

COO

Пируват

Аланинтранс

аминаза

COO

Аланин

Пируват

COO

СО

Ацетолактат

синтаза

COO

C OH

Редукто

изомераза

COO

Диоксикислота

дегидратаза

COO

Трансаминаза

аминокислот с

разветвленной

цепью

COO

Валин

Glu

КГ

Glu

КГ

Лейцин

COO

2-Ацетолактат 2,3-Диоксиизовалерат

2-Кетоизовалерат

COO

- -

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

228

Рис. 16.8. Биосинтез аланина, валина и лейцина. Glu — глутамат;

КГ — a-кетоглутарат; пунктирная стрелка заменяет несколько

этапов синтеза (объяснения в тексте)

3-Фосфоглицерат окисляется в 3-фосфогидроксипируват, а затем амини-

руется с участием глутамата в 3-фосфосерин и дефосфорилируется в серин

(рис. 16.9). Существует и альтернативный путь, когда отщепление фосфатной

группы происходит до реакции окисления:

3-Фосфоглицерат ® Глицерат ® Гидроксипируват ® Серин

Серин служит субстратом для синтеза глицина и цистеина. При образова-

нии глицина b-углеродный атом боковой цепи серина акцептируется перенос-

чиком одноуглеродных фрагментов — кофактором тетрагидрофолиевой ки-

слотой при участии фермента серин-гидроксиметил-трансферазы (рис. 16.9).

Существует и другой путь синтеза глицина: из СО

, NH

и метилентетрагид-

рофолиевой кислоты, который катализируется глицин-синтазой.

COO

O P

COO

Фосфоглицерат

дегидрогеназа

NAD

NADH

O P

COO

Фосфосерин

трансаминаза

Glu

КГ

Серин

фосфатаза

COO

N H

Серин

COO

N H

Тетрагидрофо

лиевая кислота

Глицин

COO

S CH

COO

N H

Циста

тионин

синтаза

Метионин

Гомоцистеин

Цистатионин

COO

N H+

COO

Цистеин

3-Фосфоглицерат 3-Фосфогид-

роксипируват

3-Фосфосерин

Глицин-гидроксиметилтрансфераза

-Метилен-

тетрагидрофо-

лиевая кислота

Цистатионин-

лиаза

a-Кетобутират

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

229

Рис. 16.9. Биосинтез серина, цистеина и глицина. Пунктирной стрелкой показано

многоступенчатое превращение метионина в гомоцистеин; пунктирной линией в

молекуле цистатионина показана связь, атакуемая цистатионин-g-лиазой

Превращение серина в цистеин связано с замещением атома кислорода

боковой цепи на атом серы, донором которого является метионин. Вначале

метионин в серии АТР-зависимых реакций, где образуется его активирован-

ная форма (S-аденозилметионин), теряет метильную группу при атоме серы и

превращается в гомоцистеин:

L-метионин + АТР + Акцептор метильной группы ®

® Гомоцистеин + Аденозин + PP

+ P

+ Метилированный акцептор

Затем гомоцистеин взаимодействует с серином, образуя цистатионин, ко-

торый расщепляется цистатионин-g-лиазой на цистеин и a-кетобутират

(рис. 16.9).

У некоторых микроорганизмов существует альтернативный путь синтеза

цистеина, где донором атома серы служит сероводород. В этом случае серин

вначале ацетилируется за счет ацетил-СоА (катализирует реакцию серин-

трансацетилаза), а затем ацетилсерин взаимодействует с сероводородом при

участии О-ацетилсерин-сульфгидролазы:

Ацетилсерин + Н

S ® Цистеин + Ацетат

Биосинтез аминокислот семейства пентоз. Принадлежащие к этому

семейству аминокислоты (гистидин, триптофан, фенилаланин и тирозин) син-

тезируются при участии пятиуглеродного промежуточного соединения пенто-

зофосфатных путей — рибозо-5-фосфата, на основании чего их и объединяют

в семейство пентоз. На рис. 16.10 показаны пути преобразования рибозо-5-

фосфата, приводящие к формированию соединений, из которых синтезируют-

ся названные аминокислоты.

Процесс биосинтеза гистидина довольно сложен и осуществляется с уча-

стием 5-фосфорибозил-1-пирофосфата, АТР и глутамина. На рис. 16.10 в со-

ставе молекулы гистидина показано происхождение атомов углерода и азота:

один атом азота имидазольного кольца происходит из амидной группы глу-

тамина, другой атом азота и один из углеродных атомов кольца берут начало

от АТР, а остальные углеродные атомы ведут происхождение от 5-

фосфорибозил-1-пирофосфата.

Биосинтез ароматических аминокислот начинается со стадии конденсации

эритрозо-4-фосфата с фосфоенолпируватом. Образующееся семиуглеродное

соединение (7-фосфо-2-кето-3-дезокси-D-арабиногептулозо-нат) дефосфори-

лируется, циклизуется, дегидратируется и восстанавливается при участии

NADPH в шикимовую кислоту. Шикимовая кислота претерпевает еще одну

конденсацию с фосфоенолпируватом и после элиминирования остатка фос-

форной кислоты превращается в хоризмовую кислоту (рис. 16.11). Хоризмат

служит основным предшественником пути биосинтеза триптофана, который

изображен на рис. 16.11.

Хоризмовая кислота используется также для синтеза фенилаланина, т. е.

на этапе ее формирования пути биосинтеза двух незаменимых ароматических

аминокислот — триптофана и фенилаланина — расходят-ся (отсюда и назва-

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