Лекция № 4 (тобт 1)

1. Стадии биосинтеза в клетках продуцентов.

2. Биосинтез низкомолекулярных соединений в клетках продуцентов: аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов.

3. Превращение веществ-предшественников в нуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды в клетках продуцентов. Участие высокоэнергетических трифосфатов нуклеозидов в различных путях биосинтеза в клетках продуцентов.

4. Организация и регуляция метаболизма в клетках продуцентов.

5. Регуляция метаболитами, на ферментативном уровне в клетках продуцентов. Взаимосвязь регуляторных механизмов и их реализация в клетках. Влияние состава питательной среды на системы клеточной регуляции.

6. Конечные продукты метаболизма в клетках продуцентов. Продукты анаэробного метаболизма (брожения) в клетках продуцентов.

7. Частичное окисление и его конечные продукты в клетках продуцентов. Синтез вторичных метаболитов в клетках продуцентов.

1. Стадии биосинтеза в клетках продуцентов

Большинство процес­сов в мире микроорганизмов характеризуются 1) утилизацией субстратов или питательных веществ, 2) ростом клеток и 3) выделением в среду продуктов их метаболизма. Биосинтез связан со всеми этими тремя сторонами жизнедеятельности клеток. Необходимость в питательных веществах определяется потребностями клетки в веществах-предшественниках, запасах химической энергии и восстанавливающих эквивалентах. Неко­торые продукты биосинтеза клетка выделяет в среду. Наконец, скорость биосинтеза определяет скорость образования новых компонентов клетки и, таким образом, темпы клеточного роста. Для биосинтетических целей клетка использует химические ресурсы, образующиеся в процессах катаболизма. Как прави­ло, реакции синтеза термодинамически невыгодны и протека­ют только одновременно с гидролизом АТР до ADP или AMP. При гидролизе образующегося в последнем случае пирофосфа-та (Р~Р) выделяется дополнительная свободная энергия (ΔG°'~7 ккал/моль), также использующаяся для «запуска» реакций синтеза. Поскольку питательные вещества обычно окислены в большей степени, чем необходимые клетке соеди­нения, то для биосинтеза последних нужны и восстанавливаю­щие эквиваленты.

Основные стадии биосинтеза представлены на нижеприведенной схеме. Как видно из рисунка последовательность биохимических превращений в клетке следующая:

-поступление питательных веществ в клетку;

-расщепление питательных веществ на более простые;

-синтез низкомолекулярных соединений (аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов);

синтез макромолекул (белков, углеводов, ДНК, РНК);

-включение макромолекул в структуру клетки и в системы жизнеобеспечения.

2. Биосинтез низкомолекулярных соединений в клетках продуцентов: аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов.

Биологически важные низкомолекулярные соединения в ос­новном являются мономерами и используются клеткой для по­строения биополимеров. Для этой цели необходимо в общей сложности примерно 70 различных соединений: 4 рибонуклеотида, 4 дезоксирибонуклеотида, 20 аминокислот, около 15 мо­носахаридов и около 20 жирных кислот и других предшествен­ников липидов. Кроме того, в реакциях второго типа должны синтезироваться ATP, NAD, другие соединения-переносчики и коферменты. Все эти вещества называют центральными про­межуточными метаболитами.

Аминокислоты можно разделить на четыре группы (семейства), разли­чающиеся химическим строением и природой биосинтетических предшественников. Биосинтез всех аминокислот начинает­ся с промежуточных соединений в метаболизме углерода (схема – семейства аминокислот и их предшественники - углеводы).

Живые клетки усваивают азот путем его включения в ами­нокислоты глутамин и глутаминовую кислоту. Сначала при взаимодействии аммиака с α-кетоглутаровой кислотой (одним из промежуточных веществ в цикле трикарбоновых кислот) об­разуется глутаминовая кислота:

глутаматдегидрогеназа

H OOC(CH₂)₂COCOOH + NH₄⁺ + NADH

HOOC(CH₂)₂CHNH₂COOH + NAD⁺ + H₂O

Глутаминовая кислота может связать еще один аммониевый ион и превратиться в глутамин:

глутаминсинтаза

H OOC(CН₂)₂CHNH₂COOH + NH₄⁺ + ATP

H₂NОС(CH₂)₂CHNH₂COOH+ADP + P,+H+

ΔG⁰ =— 3,9 ккал/моль

Вторая реакция, происходящая с поглощением метаболической энергии, осуществляется при недостатке аммиака в среде. В некоторых бактериях с участием NADH происходит непо­средственное аминирование пирувата до аланина, а другие бактерии способны превращать фумарат в аспартат. Ряд микро­организмов усваивает азот в виде нитрата NO_3- и свободного азота N₂; сейчас известно, однако, что эти питательные вещест­ва сначала трансформируются в аммиак, который; затем и ас­симилируется клетками по описанным выше путям.

Все другие аминокислоты образуются из глутамата или на основе его углеродного скелета, или путем переноса аминогруп­пы к другим молекулам (реакция переаминирования). Все реакции переаминирования происходят только в присутст­вии кофермента пиридоксальфосфата, производного витамина B₆ (пиридоксаля).

В биосинтезе жирных кислот и других предшественников липидов роль исходных веществ выполняют ацетил-СоА и глицерин. Рассмотрим путь биосинтеза самой обычной из жирных кислот – пальмитиновой СН₃(СН₂)₁₄СООН. Первая стадия этого пути заключается в карбоксилировании ацетил-СоА, в результате чего обра­зуется малонил-СоА:

ацетил-СоА- карбоксилаза

Ацетил-СоА + АТР + СО₂

Малонил -СоА + ADP + Pi

(HOOCCH₂COSCoA)

Обратите внимание на то, что в этом процессе на каждую молекулу образующе­гося малонил-СоА расходуется одна молекула макроэргического фосфата.

Далее из семи молекул малонил-СоА и одной молекулы ацетил-СоА образуется пальмитат. Этот процесс осуществ­ляется ступенчато, а его конеч­ный результат можно выра­зить следующим уравнением:

А цетил-СоА + 7 малонил-СоА + 14 (NADPH + Н⁺)

Пальмитат + 7 СО₂ + 8 НSCoA + 14 NADP⁺ + 6H₂O

3. Превращение веществ-предшественников в нуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды в клетках продуцентов. Участие высокоэнергетических трифосфатов нуклеозидов в различных путях биосинтеза в клетках продуцентов.

Продукты катаболизма глюко­зы являются важнейшими предшественниками в биосинтезе аминокислот, нуклеотидов и жирных кислот. Следовательно, организмы, растущие на дру­гих источниках углерода, например СО₂, должны превращать их в глюкозу или а один из ближайших продуктов ее метабо­лизма. Кроме того, при избытке соединений углерода (по срав­нению с другими питательными веществами) многие клетки превращают глюкозу в резервные углеводы и хранят их для последующего использования. Схематично пути синтеза нуклеотидов и дезоксирибонуклеотидов из веществ-предшественников представлены на рисунке:

Из мономерных веществ-предшественников далее строятся полимерные компоненты клетки. Для этой цели требуется большое ко­личество метаболической энергии, поскольку любая реакция конденсации сопровождается повышением свободной энергии. Более того, чрезвычайно большие запасы свободной энергии яв­ляются той движущей силой, которая резко смещает общее рав­новесие в сторону образования необходимых полимеров.

Хранящаяся в фосфатных связях АТР энергия при посредстве трифосфатов других нуклеотидов утилизируется в биосинтезе четырех классов биополимеров. Для биосинтеза макромолекулярных соединений типично сочетание реакции конденсации с гидролизом двух высокоэнергетических фосфатных связей, причем сначала нуклеозидтрифосфат пре­вращается в нуклеозидмонофосфат и пирофосфат, который так­же подвергается гидролизу. Таким путем высвобождается при­мерно в 2 раза больше свободной энергии (около 14 ккал/моль), чем при превращении нуклеозидтрифосфата в соответствующий дифосфат.

Участие высокоэнергетических трифосфатов нуклеозидов в различ­ных путях биосинтеза схематично можно изобразить следующим образом:

UTP – уридин трифосфат; GTP – гуанозин трифосфат;

CTP – цитидин трифосфат; TTP – тимидин трифосфат.

Естественно, синтез информационных полимеров (РНК, ДНК и белков) представляет собой гораздо более сложный процесс. И в том и в другом случае, однако, наращиванию полимерной цепи предшествует активация мономера. В схему синтеза РНК и ДНК нуклеотиды входят в виде нуклеозидтрифосфатов, а при­соединяется к соответствующей полимерной цепи монофосфат; реакция сопровождается образованием пирофосфата. Таким образом, для присоединения одного моиомерного остатка необ­ходимо затратить 14 ккал/моль энергии. Активация аминокислот в ходе синтеза белков осуществляется в соответствии со следу­ющей схемой:

А минокислота + АТР аминоацил-АМР + Р~Р

(активированная аминокислота)

Кроме того, процесс присоединения аденилата аминокислоты к пептидной цепи сопровождается гидролизом GTP; следователь­но, для присоединения одного аминокислотного остатка к белко­вой цепи необходимо гидролизовать в общей сложности три высокоэнергетические фосфатные связи.