22.2 Біосинтез амінокислот

Джерелом усіх амінокислот є проміжні метаболіти гліколізу, циклу лимонної кислоти або пентозофосфатного шляху (Рис. 22-9). Азот потрапляє у ці шляхи у складі глутамату або глутаміну. Шляхи синтезу деяких амінокислот досить прості, інших –складніші. Десять амінокислот синтезуються із спільного попередника впродовж лише одного або декількох етапів. Шляхи біосинтезу інших амінокислот, наприклад ароматичних, набагато складніші.

Живі організми дуже розрізняються за здатністю до синтезу 20 стандартних амінокислот. Більшість бактерій та рослин синтезують усі 20 амінокислот, водночас ссавці синтезують лише приблизно половину із них, переважно тих, що утворюються простими шляхами. Такі амінокислоти називають замінними, оскільки вони не обов’язково повинні міститися у продуктах харчування (див. Табл. 18-1). Решта амінокислот, які називають незамінними, повинні потрапляти в організм з їжею. За окремими винятками, які будуть вказані додатково, розглянуті нижче шляхи біосинтезу 20 стандартних амінокислот функціонують у клітинах бактерій.

Щоб краще зрозуміти шляхи біосинтезу амінокислот, доцільно згрупувати їх у шість родин залежно від природи метаболічного попередника (Табл. 22-1). Ми використаємо такий підхід у подальшій детальній характеристиці шляхів синтезу амінокислот. Окрім шести попередників, важливу роль відіграє спільний для різних шляхів біосинтезу амінокислот та нуклеотидів проміжний продукт 5-фосфорибозил-1-пірофосфат (ФРПФ):

Формула

ФРПФ синтезується з рибозо-5-фосфату, що утворюється в пентозофосфатному шляху (див. Рис. 14-21), внаслідок реакції, яку каталізує ензим рибозофосфатпірофосфокіназа:

Рибозо-5-фосфат + АТР → 5-фосфорибозил-1-пірофосфат + AMP

Цей ензим регулюється алостерично багатьма біомолекулами, попередником яких є ФРПФ.

Глутамат, глутамін, пролін та аргінін утворюються з α- кетоглутарату

α-Кетоглутарат

↓

Глутамат

↓ ↓ ↓

Глутамін Пролін Аргінін

Біосинтез амінокислот глутамату та глутаміну описано вище. Амінокислота пролін – це циклічне похідне глутамату (Рис. 22-10). На першому етапі синтезу проліну АТР взаємодіє з γ-карбоксильною групою глутамату з утворенням ацилфосфату, який за участю NADPH або NADH відновлюється до глутамат-γ-напівальдегіду. Цей проміжний метаболіт зазнає швидкої спонтанної циклізації, після чого відновлюється з утворенням проліну.

Аргінін у клітинах тварин синтезується з глутамату через орнітин та цикл сечовини (Розділ 18). Власне, орнітин може утворюватись також з глутамат-γ-напівальдегіду шляхом трансамінування, але оскільки напівальдегід спонтанно циклізується і використовується для синтезу проліну, то для синтезу орнітину кількість його недостатня. Шлях de novo біосинтезу орнітину (а, отже, і аргініну) у бактерій аналогічний деяким етапам шляху синтезу проліну, але включає ще два додаткові етапи, які запобігають спонтанній циклізації глутамат-γ-напівальдегіду (Рис. 22-10). На першому етапі α-аміногрупа глутамату блокується у реакції ацетилювання, яка потребує участі ацетил-СоА; по завершенні трансамінування ацетильна група видаляється і утворюється орнітин.

У ссавців біосинтетичні шляхи, що ведуть до утворення проліну та аргініну, дещо відрізняються. Пролін синтезується шляхом, схематично зображеним на Рис. 22-10, однак може утворюватися і з аргініну, який надходить внаслідок розщеплення тканинних або харчових протеїнів. Ензим циклу сечовини аргіназа перетворює аргінін на орнітин та сечовину (див. Рис. 18-10, 18-26), а ензим орнітин-δ-амінотрансфераза перетворює орнітин на γ-напівальдегід глутамату (рис. 22-11). Напівальдегід циклізується до ∆¹-піролін-5-карбоксилату, який перетворюється на пролін (Рис. 22-10). Наведений на рис. 22-10 шлях синтезу аргініну у ссавців відсутній. Якщо надходження аргініну внаслідок споживання харчових продуктів чи обміну протеїнів недостатнє для синтезу нових протеїнів, то орнітин-δ-амінотрансферазна реакція протікає у напрямку утворення орнітину. Подальше перетворення орнітину спочатку в цитрулін, а потім в аргінін відбувається у циклі сечовини.

Серин, гліцин та цистеїн утворюються з 3-фосфогліцерату

3-фосфогліцерат

↓

Серин

↓ ↓

Гліцин Цистеїн

Основний шлях утворення серину однаковий в усіх організмів (Рис. 22-12). На першому етапі гідроксильна група 3-фосфогліцерату окиснюється дегідрогеназою (використовуючи NAD⁺) з утворенням 3-фосфогідроксипірувату, який у реакції трансамінування з глутаматом перетворюється на 3-фосфосерин. Останній під дією фосфосеринфосфатази гідролізується з вивільненням серину.

Попередником двовуглецевої амінокислоти гліцину є тривуглецева амінокислота серин (Рис. 22-12). Ензим серингідроксиметилтранфераза каталізує видалення зі складу серину β-вуглецевого атома (С-3), який приєднується до тетрагідрофолату, формуючи метиленовий місток між атомами N-5 та N-10 в його молекулі, внаслідок чого утворюється N⁵,N¹⁰-метилентетрагідрофолат (див. Рис. 18-17). Реакція оборотна і потребує наявності піридоксальфосфату. У печінці хребетних тварин гліцин може утворюватися в реакції, зворотній до наведеної на рис. 18-20 в, яку каталізує ензим гліцинсинтаза (інша назва – ензим, що розщеплює гліцин):

СО₂ + NH₄⁺ + N⁵,N¹⁰-метилентетрагідрофолат + NADH + Н⁺ → гліцин + тетрагідрофолат + NAD⁺

Рослини та бактерії здатні перетворювати сульфати, що поступають у їхні клітини із середовища, на відновлену сірку, необхідну для синтезу цистеїну (а також метіоніну, що описано нижче); цей шлях зображено на Рис. 22-13. Сульфат активується впродовж двох етапів з утворенням 3-фосфоаденозин-5’-фосфосульфату (ФАФС), який відновлюється до сульфіду за участю восьми електронів. Сульфід далі використовується у двохетапному шляху синтезу цистеїну з серину. У ссавців цистеїн синтезується з двох амінокислот: метіонін постачає атом сірки, а серин – вуглецевий скелет. Спочатку метіонін перетворюється на S-аденозилметіонін (див. Рис. 18-18), який може віддавати свою метильну групу будь-якому із численних акцепторів з утворенням S-аденозилгомоцистеїну (adoHcy). Цей деметильований продукт гідролізується з вивільненням гомоцистеїну, який далі при взаємодії з серином утворює цистатіонін; каталізує цю реакцію ензим цистатіонін-β-синтаза (рис.22-14). Насамкінець піридоксальфосфат-залежний ензим цистатіонін-γ-ліаза каталізує видалення амонію і розщеплення цистатіоніну з утворенням вільного цистеїну.

Три замінні і шість незамінних амінокислот синтезуються з оксалоацетату та пірувату

Оксалоацетат

↓

Аспартат

↓

Аспарагін Метіонін Лізин Треонін

Аланін Валін Лейцин Ізолейцин

↑

Піруват

Стрілочки-рамочки!

Аланін та аспартат синтезуються шляхом трансамінування відповідно пірувату та оксалоацетату за участю глутамату. Аспарагін синтезується у реакції амідування аспартату, донором групи NH₄⁺ виступає глутамін. Ці амінокислоти належать до замінних і синтезуються в усіх організмах досить простими шляхами.

Метіонін, треонін, лізин, ізолейцин, валін та лейцин належать до незамінних амінокислот. Шляхи їх біосинтезу досить складні і взаємопов’язані (Рис. 22-15), а у деяких випадках вони можуть значно відрізнятися у бактерій, грибів та рослин. Шляхи біосинтезу цих амінокислот у бактерій наведено на рис. 22-15.

Амінокислоти метіонін, треонін та лізин походять з аспартату. Шляхи їх біосинтезу розходяться на етапі утворення β-напівальдегіду аспарагінової кислоти – проміжного продукту синтезу усіх трьох амінокислот, та на етапі утворення гомосерину – попередника треоніну і метіоніну. Треонін, у свою чергу, є одним з попередників ізолейцину. На шляхах синтезу валіну та ізолейцину діють чотири спільні ензими (рис. 22-15, етапи 18 - 21). Синтез валіну та ізолейцину починається з пірувату шляхом конденсації двох атомів вуглецю пірувату (у формі гідроксиетилтіамінпірофосфату, див. рис. 14-13) з іншою молекулою пірувату (шлях синтезу валіну) або α-кетобутирату (шлях синтезу ізолейцину). α-Кетобутират утворюється з треоніну внаслідок реакції, яка потребує наявності піридоксальфосфату (Рис. 22-15, етап 17). На шляху синтезу валіну утворюється проміжний продукт α-кетоізовалеріат, з якого починається чотирьохетапний відгалужений шлях, що веде до лейцину (етапи 22 - 25).

Хоризмат – центральний проміжний метаболіт на шляху синтезу триптофану, фенілаланіну та тирозину

Фосфоенолпіруват

+

Еритрозо-4-фосфат

↓

Фенілаланін Тирозин Триптофан

↓

Тирозин

Незважаючи на високу стабільність бензольного кільця ароматичні кільця, необхідні для побудови цих амінокислот, у вільному вигляді у навколишньому середовищі не виявлено. Основним біологічним шляхом формування ароматичного кільця слугує розгалужений біосинтетичний шлях, яким здійснюється синтез триптофану, фенілаланіну та тирозину у бактерій, грибів і рослин. Спочатку відбувається реакція, наслідком якої є замикання кільця аліфатичного попередника, після чого поступово вводяться подвійні зв’язки. Перші чотири етапи шляху завершуються утворенням шикимату – семивуглецевої молекули, яка походить з еритрозо-4-фосфату та фосфоенолпірувату (Рис. 22-16). Шикимат перетворюється на хоризмат впродовж трьох етапів, які включають приєднання ще трьох атомів вуглецю від іншої молекули фосфоенолпірувату. Хоризмат є першою точкою розгалуження біосинтетичного шляху, одна гілка веде до утворення триптофану, інша – до фенілаланіну та тирозину.

На шляху, що веде до утворення триптофану (Рис. 22-17), хоризмат перетворюється на антранілат у реакції, під час якої глутамін віддає атом азоту, що далі ввійде до складу індольного кільця. Потім антранілат конденсується з фосфорибозилпірофосфатом (ФРПФ). Індольне кільце триптофану утворюється з атомів вуглецю та аміногрупи антранілату, до яких приєднуються два атоми вуглецю молекули ФРПФ. Кінцеву реакцію у цій послідовності перетворень каталізує ензим триптофансинтаза. Він має α₂β₂-субодиничну структуру і може дисоціювати з вивільненням двох α-субодиниць та β₂-субодиниці, які каталізують дві різні частини сумарної реакції згідно рівняння:

Індол-3-гліцеролфосфат → індол + гліцеральдегід-3-фосфат

α-субодиниця

Індол + серин → триптофан + Н₂О

β₂-субодиниця

Для протікання другої частини реакції необхідний піридоксальфосфат (Рис. 22-18). Індол, що утворився в першій частині реакції, не від’єднується від ензиму, а переміщається через канал від активного центру α-субодиниці до активного центру β-субодиниці, де конденсується з проміжним продуктом –основою Шиффа, утвореною серином та піридоксальфосфатом. Не виключено, що таке переміщення проміжного продукту відбувається впродовж усього шляху від хоризмату до триптофану. У деяких видів грибів та бактерій активні центри ензиму, що каталізують різні (інколи навіть не послідовні) етапи синтезу триптофану, локалізовані в одному поліпептиді, тоді як у інших видів вони належать різним протеїнам. Окрім того, деякі з цих ензимів проявляють активність лише тоді, коли вони нековалентно взаємодіють з іншими ензимами метаболічного шляху. Така особливість дозволяє припустити, що як у прокаріотів, так і у еукаріотів усі ензими цього шляху є складовими великого мультиензимного комплексу. Хоча такі комплекси, як правило, розпадаються при виділенні ензимів традиційними біохімічними методами, проте накопичується все більше даних, які підтверджують функціонування мультиензимних комплексів як у цьому, так і в інших метаболічних шляхах (стр.. ...).

Амінокислоти фенілаланін та тирозин синтезуються у рослин і бактерій з хоризмату набагато менш складним шляхом, ніж триптофан. Спільним проміжним продуктом на шляху їх синтезу є префенат (Рис. 22-19), а кінцевим етапом в обох випадках – реакція трансамінування з глутаматом.

У клітинах тварин тирозин може утворюватися безпосередньо з фенілаланіну шляхом гідроксилювання фенільної групи у положенні С-4, яке каталізує фенілаланінгідроксилаза; цей ензим бере також участь у деградації фенілаланіну (див. Рис. 18-23 та 18-24). Тирозин вважають умовно незамінною амінокислотою, оскільки він може синтезуватися з незамінної амінокислоти фенілаланіну.

У біосинтезі гістидину використовуються попередники біосинтезу пуринів

Рибозо-5-фосфат

↓

Гістидин

Шлях синтезу гістидину у рослинах та бактеріях відрізняється від шляхів біосинтезу інших амінокислот за декількома аспектами. У формуванні його молекули задіяні три попередники (Рис. 22-20): ФРПФ постачає п'ять вуглецевих атомів, з пуринового кільця АТР походять атом азоту та ще один атом вуглецю, а глутамін є донором другого атома азоту в кільці. Основні етапи біосинтезу такі: реакція конденсації АТР та ФРПФ, у ході якої атом N-1 пуринового кільця зв'язується з активованим атомом С-1 залишку рибози у складі ФРПФ (етап  на рис. 22-20); розмикання пуринового кільця аденіну, від якого врешті залишаються лише атоми N-1 та С-2, зв'язані з залишком рибози (етап ); утворення імідазольного кільця за участю глутаміну, який є донором атома азоту (етап ). Незвичним в даному метаболічному шляху є використання АТР в якості субстрату, а не високоенергетичного кофактора. Однак таке використання не є даремним витрачанням енергії, оскільки воно цілком вписується у шлях біосинтезу пуринів. Частина молекули АТР, яка залишається після перенесення атомів N-1 та С-2, а саме 5-аміноімідазол-4-карбоксамід-рибонуклеотид (АІКАР) - це проміжний метаболіт на шляху біосинтезу пуринів (див. рис. 22-33), який швидко знову циклізується з утворенням АТР.

Біосинтез амінокислот регулюється алостерично

Найважливішим механізмом регуляції синтезу амінокислот є інгібування за типом зворотного зв‘язку, коли кінцевий продукт інгібує першу реакцію біосинтетичного шляху. Ця реакція, як правило, необоротна і каталізується алостеричним ензимом. На рис. 22-21 наведено приклад алостеричної регуляції синтезу ізолейцину з треоніну ( див. рис. 22-15). Кінцевий продукт, ізолейцин, діє як алостеричний інгібітор першої реакції метаболічного шляху. У бактерій алостерична регуляція забезпечує швидку, практично „хвилина до хвилини”, зміну швидкості синтезу амінокислот залежно від концентрації кінцевого продукту.

Але механізм алостеричної регуляції може бути і значно складнішим. Як приклад можна навести регуляцію активності глутамінсинтетази у клітинах E.сoli, яка здійснюється за участю низки алостеричних ефекторів (Рис. 22-6). Шість продуктів обміну глутаміну модулюють активність ензиму за типом негативного зворотного зв’язку, причому сумарний ефект цих та інших модуляторів перевищує простий адитивний ефект. Регуляцію такого типу називають узгодженим інгібуванням.

Оскільки для забезпечення синтезу протеїнів необхідне певне співвідношення 20 поширених амінокислот, то у клітинах виникли механізми, які забезпечують не лише контроль швидкості синтезу окремих амінокислот, але й координування їх синтезу. Такі механізми особливо розвинені у клітинах бактерій, які швидко ростуть. На Рис. 22-22 зображено, як у клітинах E.coli координуються реакції синтезу лізину, метіоніну, треоніну та ізолейцину, що утворюються з аспартату. У цьому процесі реалізуються декілька важливих механізмів інгібування. Етап від аспартату до аспартил-β-фосфату каталізують три ізозими, кожен з яких незалежно контролюється різними модуляторами. Завдяки такій ензимній множинності один кінцевий продукт біосинтетичного шляху не може гальмувати основні етапи синтезу інших продуктів цього щляху, якщо в них існує потреба. Етапи, на яких з аспартат-β-напівальдегіду утворюється гомосерин, а з треоніну – α-кетобутират (деталі на Рис. 22-15), також каталізуються двома ізозимами, які регулюються незалежно. Один з ізозимів, що каталізує перетворення аспартату на аспартил-β-фосфат, алостерично інгібується двома різними модуляторами – лізином та ізолейцином, дія яких перевищує адитивну. Це ще один приклад узгодженого інгібування. Багато реакцій у послідовності від аспартату до ізолейцину інгібуються за типом негативного зворотного зв’язку. Так, ізолейцин інгібує перетворення треоніну на α-кетобутират (що описано вище), а треонін інгібує власний синтез у трьох точках - перетвореннях гомосерину, аспартат- β-напівальдегіду та аспартату (етапи ,  та  на Рис. 22-15). Такий регуляторний механізм називають послідовним інгібуванням за типом зворотного зв’язку.

За подібними механізмами відбувається регуляція метаболічних шляхів, які ведуть до синтезу ароматичних амінокислот. Зокрема, перший етап на шляху утворення спільного проміжного продукту – хоризмату - каталізується ензимом 2-кето-3-дезокси-D-арабіногептулозонат-7-фосфатсинтазою (або ДАГФ-синтазою, етап  на Рис. 22-16). У більшості мікроорганізмів і рослин виявлено 3 ізозими цього ензиму. Один з ізозимів алостерично інгібується (за типом зворотного зв’язку) фенілаланіном, другий – тирозином, а третій – триптофаном. Такий механізм дозволяє ефективно регулювати вміст однієї або декількох амінокислот відповідно до потреб клітини. Регуляції зазнають також реакції, які відбуваються після розгалуження метаболічного шляху на рівні хоризмату. Наприклад, ензими, що каталізують перші два етапи на шляху синтезу триптофану, алостерично інгібуються триптофаном.

Підсумок 22.2 Біосинтез амінокислот

• У клітинах рослин та бактерій синтезуються усі 20 стандартних амінокислот. У організмі ссавців синтезується лише половина амінокислот, інші повинні надходити з їжею (їх називають незамінними амінокислотами).

• Незамінна амінокислота глутамат утворюється внаслідок відновлювального амінування α-кетоглутарату і слугує попередником амінокислот глутаміну, проліну та аргініну. Аланін та аспартат (а, отже, і аспарагін) утворюються шляхом трансамінування відповідно з пірувату та оксалоацетату. Вуглецевий ланцюг серину походить з 3-фосфогліцерату. Серин є попередником гліцину; β-вуглецевий атом серину переноситься на тетрагідрофолат. У мікроорганізмах цистеїн синтезується з серину та сульфіду, що утворюється внаслідок відновлення сульфату середовища. У ссавців цистеїн утворюється з метіоніну та серину у послідовності реакцій, для протікання яких необхідні S-аденозилметіонін та цистатіонін.

• Незамінні ароматичні амінокислоти (фенілаланін, тирозин та триптофан) синтезуються метаболічним шляхом, який розгалужується після утворення хоризмату. Попередником у синтезі триптофану та гістидину виступає фосфорибозилпірофосфат. Шлях синтезу гістидину взаємопов’язаний з шляхом синтезу пуринів. Тирозин може утворюватися з фенілаланіну шляхом гідроксилювання (тому його відносять до умовно незамінних амінокислот). Шляхи синтезу інших незамінних амінокислот значно складніші.

• Шляхи біосинтезу амінокислот регулюються за механізмом алостеричного інгібування кінцевими продуктами; регуляторним, як правило, є ензим, що каталізує першу реакцію послідовності метаболічного шляху. Регуляція різних біосинтетичних шляхів координується.