56. Биосинтетические процессы. Ассимиляция различных веществ.

Фототрофная ассимиляция СО2

1. Рибулезофосфатный путь (цикл Кальвина-Бассама). Этот восстановительный путь фиксации СО2, при котором СО2 восстанавливается до уровня углеводов, используют аэробные хемолитотрофные бактерии, почти все фототрофы, цианобактерии. Для пути характерны два фермента, не участвующие в других метаболических путях – фосфориболокиназа и риболозобисфосфаткарбоксилаза (уникальный фермент-белок, в количественном отношении преобладающий над всеми остальными белками на планете).

2. В цикле Кальвина выделяют три участка – реакция карбоксилирования, реакция восстановления и регенерация молекул-акцепторов СО2.

3. Восстановительный цикл трикарбоновых кислот (цикл Армана) используют пурпурные и зеленые серные бактерии Chlorobium limicola; СО2 фиксируется благодаря восстановительному карбоксилированию сукцинил-СоА.

4. Гидроксипропионатный путь и цикл дикарбоновых кислот используют пурпурные несерные бактерии, живущие в водоемах.

5. Анаэробный ацетил-КоА-путь (цикл Вуда-Льюнекела) используют ацетогенные, метанообразующие и сульфатредуцирующие бактерии, способные использовать в качестве донора электронов Н2 или СО и восстанавливать СО2 до ацетил-СоА и пирувата. В дальнейшем пируват выступает исходным веществом при биосинтетических процессах.

Гетеротрофная фиксация СО2

1. Карбоксилирование органических веществ. Гетеротрофная фиксация СО2 (путь Вуда-Веркмана) является карбоксилированием органических веществ, например превращание пирувата в С4-кислоту. Карбоксилирование удлиняет углеродный скелет. Гетеротрофная фиксация довольно широко распространена, она происходит и на простых питательных средах, чем проще состав среды, тем активнее происходит фиксация.

2. Биосинтез липидов. Гетеротрофная фиксация СО2 используется в процессах биосинтеза жиров. Жирные кислоты с длинной цепью синтезируются путем конденсации и восстановления ацетатных групп. Метилогруппа ацетикофермента А сначала карбоксилируется в биотин-зависимой реакции с образованием малонил-СоА. В последующих реакциях конденсации карбоксильная группа снова отщепляется в виде СО2. Синтез жирных кислот происходит при участии мультиферментного комплекса.

3. Карбоксидобактерии. Окись углерода образуется в природе в аэробных и в анаэробных условиях. Аэробные бактерии Pseudomonas carboxidovorans способны расти, используя СО, как единственный донор электронов и единственный источник углерода. Углерод ассимилируется путем фиксации СО2 в рибулезофосфатном цикле. Карбоксидобактерии обладают мембрансвязывающей гидрогеназой и часто могут вести себя как водородные бактерии.

Пути ассимиляции аммония

1. Образование амидов (глутаминовая кислота + NH4+ +АТФ = глутамин +АДФ; катализируется ферментом глутаминсинтетазой), данная реакция - начало пути синтеза разных аминокислот, донором аминогруппы является глутамин. По этому пути наиболее часто синтезируются аминокислоты при недостатке амина в среде;

2. Образование карбомоилфосфата (NH4+ + СО2 + АТФ = NH2–СО–ОРО3Н2 + АДФ; фосфат участвует в образовании нуклеотидов у микроорганизмов);

3. Окислительный путь образования нуклеотидов (исходное вещество – глюкозо-6-фосфат);

4. Неокислительный путь образования нуклеотидов (исходные вещества – фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат, катализируется трансальдолазой и транскетолазой);

5. Прямое аминирование непредельных кислот (фумарат + NH4+ = аспарагиновая кислота);

6. Восстановительное и прямое аминирование (α-кетоглутарат+ NH4++ НАДФ(Н) = глутамат + НАДФ; катализирует фермент глутаматдегидрогеназа в обе стороны реакции).

7. У микроорганизмов хорошо изучены пути биосинтеза всех двадцати протеиногенных аминокислот. Исходным материалом служат простые промежуточные продукты обмена – пируват, 2-оксиглутарат, оксалоацетат или фумарат, эритрозо-4-фосфат, рибозо-5-фосфат и АТФ При синтезе большинства аминокислот аминогруппа вводится только на последнем этапе трансаминирования. Некоторые аминокислоты образуются в результате превращений других аминокислот, поэтому трансаминирования в таких случаях не требуется.

Аминокислоты можно подразделить на группы, исходя из путей их синтеза.

*Семейство ароматических аминокислот (триптофан, тирозин и фенилаланин) и семейство серина (глицин и цистеин) – синтезируются из серина, эритрозо-4-фосфата, рибозо-5-фосфата и АТФ.

*Семейство пирувата (аланин, лейцин и валин) – из пирувата и АТФ. Семейство аспарата (лизин, аспарагиновая, треонин, метионин, изолейцин) – из оксалоацетата.

*Семейство глутамата (глутаминовая, пролин, орнитин, цитриллин, аргинин) – из 2-оксоглутарата.

Ассимиляционная сульфатредукция

Почти все бактерии, грибы и зеленые растения способны использовать в качестве источника серы сульфат. Они получают сульфид, необходимый для синтеза серосодержащих аминокислот, путем ассимиляционной сульфатредукции. Первая реакция на этом пути является общей как для диссимиляционного, так и для ассимиляционного восстановления сульфата.

Далее при диссимиляционной сульфатредукции происходит прямое восстановление активированного сульфата, а при ассимиляционной следует еще одна реакция активации, на которую непосредственно затрачивается энергия АТФ; с помощью АТФ-сульфурилазы (сульфатаденилтрансферазы) дифосфатный остаток АТФ обменивается на сульфат. Дифосфат (пирофосфат) расщепляется пирофосфатазой. Продуктом активации является аденозин-5-фосфосульфат.

На пути ассимиляционного восстановления сульфата АФС с помощью АФС-киназы и АТФ фосфорилируется у ряда организмов с образованием фосфоаденозинфосфосульфата (ФАФС); лишь этот вдвойне активированный сульфат восстанавливается сначала до сульфита, а затем до сульфида.