Лекция 4 Метаболизм аминокислот (часть 2) биосинтез заменимых аминокислот

Из 10 заменимых аминокислот 8 образуются из амфиболических метаболитов:

Ala, Asp, Asn, Gly, Glu, Gln, Pro, Ser,

а две (Суs и Туr) – из незаменимых аминоки­слот.

Центральное место в биосинтезе аминокислот за­нимают глутаматдегидрогеназа, глутаминсинтаза и трансаминазы. Благодаря совместному действию этих ферментов катализируется включение неорга­нического иона аммония в α-аминогруппу аминоки­слот.

Глутамат

Восстановительное аминирование α-кетоглутарата катализируется глутаматдегидрогеназой.

Данный фермент найден у всех организмов, однако наиболее важную роль он играет у животных. У растений и бактерий значительная часть глутамата синтезируется по другому механизму глутаматсинтетазой через промежуточное образование глутамина.

Помимо того, что эта реакция приводит к обра­зованию L-глутамата из амфиболического метабо­лита, α-кетоглутарата, она является ключевой ста­дией биосинтеза многих других аминокислот.

Глутамин

Биосинтез глутамина из глутамата катализиру­ется глутаминсинтетазой.

Рис. Структура глутаминсинтетазы.

Наряду с предыдущей реакцией, образование глутамина является ключевым как в синтезе аминокислот, так и в утилизации токсичного соединения – аммиака. Данная реакция имеет как сходство с реакцией, катализируемой глутаматдегидрогеназой, так и отличия от нее. В обоих случаях «фиксируется» неорганический азот, кото­рый в одном случае включается в аминогруппу, а в другом — в амидную группу. Обе реакции сопря­жены с сильно экзергоническими реакциями: в слу­чае глутаматдегидрогеназы с окислением NAD(P)H, а в случае глутаминсинтетазы с гидролизом АТР.

Данная реакция состоит из двух этапов:

1. Глутамат + ATP → γ-Глутамилфосфат + ADP

2. γ-Глутамилфосфат + NH₄⁺ → Глутамин + Р_i + Н⁺

-----------------------------------------------------------------------

Итог: Глутамат + ATP + NH₄⁺ → Глутамин + ADP + Р_i + Н⁺

Рис. Синтез глутамина.

Алании и аспартат

L-аланин образуется из пирувата путем переаминирования с глутаматом, а L-аспартат – тем же пу­тем из оксалоацетата. Ферменты аминотрансферазы (трансаминазы).

Рис. Общий принцип функционирования аминотрансфераз

Рис. Схема синтеза аланина.

Рис. Схема синтеза аспартата.

Перенос α-аминогруппы глутамата на амфиболические метаболи­ты иллюстрирует участие трансаминаз в процессах включения иона аммония в α-аминогруппы амино­кислот.

Дополнительно аланин может образовываться путем удаления β–карбоксигруппы аспартата (декарбоксилирования). Фермент аспартатдекарбоксилаза.

Аспарагин

Образование аспарагина из аспартата, катализи­руемое аспарагинсинтетазой, сходно с синтезом глутамина. Аспарагинсинтетаза млекопитающих в качестве источника азота испо­льзует не ион аммония, а глутамин и, следовательно, не «фиксирует» неорганического азота. Бактериаль­ные же аспарагинсинтетазы используют ион аммо­ния, следовательно, «фиксируют» неорганический азот. Как и в случае других реакций, сопровождаю­щихся образованием РР_i, последующий гидролиз РP_i до P_i с участием неорганической пирофосфатазы обеспечивает эне­ргетически благоприятные условия для протекания реакции. Особенность: донором азота в данной реакции выступает α-аминогруппа глутамата (а не амидная группа), поэтому образуется амид α-кетоглутарата – глутарамат.

Важно! Выше рассмотренные реакции синтеза глутамата и аспартата носят обратимый характер (реакции дегидрогеназ и аминотрансфераз обратимы!), в то время как реакции синтеза глутамина и аспарагина (катализируются синтетазами) идут с высвобождением значительного количества энергии (распад ATP) и не обратимы.

Серин

Серин образуется из промежу­точного продукта гликолиза – 3-фосфоглицерата. В первой реакции α-гидроксильная группа при участии NAD⁺ окис­ляется в кетогруппу (фермент 3-фосфоглицератдегидрогеназа). Далее в результате переаминирования образуется фосфосерин (фосфосерин-аминотрансфераза), который затем дефосфорилируется, образуя серин (фосфатаза).

Также возможен вариант, когда сначала происходит дефосфорилирование 3-фосфоглицерара до глицерата (фосфатаза), а затем уже идут реакции окисления (глицератдегидрогеназа) и переаминирования (серин-аминотрансфераза).

Другим важным путем образования серина является его обратимый синтез из глицина. Донором метильной группы является N⁵,N¹⁰-метилен-тетрагидрофолат, переходящий в тетрагидрофолат. Гидроксильная группа серина поступает из воды. Реакция катализируется серин-гидроксиметилтрансферазой.

А Б

Рис. А – синтез серина из 3-фосфоглицерата;

Б – реакция взаимопревращения серина и глицина.

Рис. Структура тетрагидрофолата – одного из основных переносчиков одноуглеродных фрагментов в клетке (синим указаны атомы азота 5 и 10, к которым происходит присоединение одноуглеродных фрагментов – метильных, метиленовых, формильных и других групп).

Глицин

Синтез глицина в тканях млекопитающих осу­ществляется несколькими путями.

В цитозоле печени содержится глицинтрансаминаза, катализирующая синтез глицина из глиоксилата, донором аминогруппы выступает глутамат (или аланин). В отличие от большинства реакций переаминирования равновесие этой реакций сильно смещено в направлении синтеза глицина.

Рис. Синтез глицина из глиоксилата.

Два важных допол­нительных пути, функционирующие у млекопитаю­щих, используют для образования глицина серин (см. синтез серина) и холин.

Рис. Синтез глицина из холина.

adoHcy – S-аденозилгомоцистеин;

adoMet – S-аденозилметионин.

В клетках печени хордовых существует еще один путь синтеза глицина, катализируемый ферментом глицинсинтетазой. Глицин образуется из неорганических соединений: CO₂ и NH₄⁺. Донором дополнительного одноуглеродного фрагмента выступает N⁵,N¹⁰-метилен-тетрагидрофолат, восстановление происходит за счет энергии NADH.

Пролин

У млекопитающих и некоторых других организ­мов пролин образуется из глутамата путем обраще­ния реакций катаболизма пролина.

Рис. Синтез пролина.