8.3. Превращения углеродного скелета аминокислот. Кетогенные и гликогенные аминокислоты.
Углеродные скелеты 20 белковых аминокислот превращаются в итоге в семь различных продуктов деградации (на схеме окрашены в розовый и светло-голубой цвета). Пять метаболитов (2-оксоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат, оксалоацетат и пируват) служат предшественниками в процессе глюконеогенеза. Первые четыре являются еще и промежуточными продуктами цитратного цикла, в то время как пируват может быть переведен пируватдекарбоксилазой в оксалоацетат и тем самым стать участником глюконеогенеза (зеленая стрелка). Аминокислоты, деградация которых поставляет один из пяти упомянутых метаболитов, называются глюкогенными аминокислотами. За двумя исключениями (лизин и лейцин, см. ниже) глюкогенными являются все белковые аминокислоты.
Два других продукта распада (ацетоацетат и ацетил-КоА) не могут включаться в глюконеогенез в организме животных. Они используются для синтеза кетоновых тел, жирных кислот и изопреноидов. Поэтому аминокислоты, которые разрушаются с образованием ацетил-КоА или ацетоацетата, называются кетогенными аминокислотами. Фактически кетогенными являются только лейцин и лизин. Некоторые аминокислоты поставляют продукты деградации, являющиеся глюкогенами и кетогенами. К этой группе принадлежат фенилаланин, тирозин, триптофан и изолейцин.
8.4. Декарбоксилирование аминокислот. Биогенные амины.
Моноамины, так называемые биогенные амины, образуются при декарбоксилирование аминокислот. Некоторые из этих соединений являются составными частями других биомолекул. Так. в состав фосфолипидов кроме аминокислоты серина может входить соответствующий биогенный амин этаноламин. Цистеамин и β-аланин являются структурными элементами кофермента А и пантетеина. Образованный из треонина аминопропанол является структурным элементом витамина B12.
Некоторые биогенные амины действуют как сигнальные вещества. Важным нейромедиатором является образующаяся из глутамата γ-аминомасляная кислота. Другие нейромедиаторы образуются путем декарбоксилирования небелковых аминокислот. Так, из 3,4-дигидроксифенилаланина (дофа) образуется медиатор дофамин. Дофамин является одновременно предшественником катехоламинов адреналина и норадреналина. Нарушения метаболизма дофамина служат причиной болезни Паркинсона. Из триптофана через промежуточный 5-гидрокситриптофан образуется серотонин, соединение с широким спектром действием.
Многие моноамины и катехоламины инактивируются аминоксидазой (моноаминоксидазой, "МАО") путем дезаминирования с одновременным окислением в альдегиды. Следовательно, ингибиторы МАО играют важную роль при фармакологическом воздействии на метаболизм нейромедиаторов.
8.5. Азотфиксация.
Азотфиксация
Азотфиксация (превращение молекулярного азота атмосферы в аммиак) осуществляется азотфиксирующими бактериями. Некоторые из этих микроорганизмов, а именно бактерии Rhizobium, проникают из почвы в корневую систему бактерий, главным образом зернобобовых культур (соя, горох, фасоль, люцерна), образуют на корнях клубеньки, в которых происходит связывание атмосферного азота. Эти бактерии находятся в симбиозе с растением. Они питаются органическими веществами, доставляемыми растением, а сами снабжают растение азотистыми соединениями. Атмосферный азот могут усваивать и некоторые свободно живущие в почве микроорганизмы, например, анаэробные бактерии Clostridium, сине-зеленые водоросли, аэробные бактерии рода Azotobacter.
Механизм фиксации азота. Энергия связи N≡N составляет 940 кДж/моль, т.е. она весьма устойчива к химическим воздействиям. Ферментативная система. Катализирующая фиксацию N2 называется нитрогеназой:
нитрогеназа
N≡N + 6е- + 6Н+ → NH3
Таким образом, для фиксации N2 необходимы сильные восстановители, а также АТФ. У аэробных бактерий (Azotobacter, Rhizobium) необходимые для фиксации N2 восстановители АТФ образуются в ходе углеводного обмена в реакциях с участием НАДФ+. Фотосинтетические бактерии и синезеленые водоросли способны к фотохимическому образованию сильных восстановителей.
Нитрогеназный комплекс состоит из белковых компонентов двух типов:
Молибдоферредоксин (Mo-Fe-протеин), или собственно нитрогеназа, содержащая четыре идентичные субъединицы, в каждую из которых входит два атома молибдена, негемовое железо, мобильный сульфид.
Редуктазный компонент (Fe-белок), или азоферредоксин, димер, содержит негемовое железо и лабильный сульфид.
Возможная последовательность реакций фиксации молекулярного азота:
Восстановленный ферредоксин передает электроны редуктазному комплексу (компонент 2), катализатором этой реакции является флаводоксин.
АТФ связывается с редуктазой, происходит изменение ее конформации, приводящее к увеличению восстановительной способности (окислительно-восстановительный потенциал снижается с -0,29 до -0,40 В), что делает редуктазу способной перенести электроны на нитрогеназный компонент.
Происходит перенос электронов на компонент 1, осуществляется гидролиз АТФ до АДФ и Н3РО4, и редуктаза отделяется от нитрогеназного компонента. Затем N2 связывается с нитрогеназным компонентом и восстанавливается до NH4+. Энергия, необходимая для этого процесса, обеспечивается гидролизом АТФ.
Изучение нитрогеназной системы, механизма ее функционирования имеет большое практическое значение. Ведутся поиски биологических методов, с помощью которых можно было бы сделать азот атмосферы более доступным для практических нужд. Большую часть биологически значимого азота дают клубеньковые бактерии – ризобии в симбиозе с бобовыми растениями.