Биосинтез нуклеиновых кислот

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды являются строительными блоками, из которых синтезируются нуклеиновые кислоты. Кроме того, нуклеотиды входят в состав многих коферментов и участвуют в активации и переносе аминокислот, сахаров, компонентов клеточной стенки и липидов.

Все микроорганизмы, за исключением некоторых видов бактерий, способны образовывать нуклеотидные основания из простых предшественников: аминокислот – аспартата и глицина, а также инозиновой, адениловой, гуаниловой и уридиловой кислот. В синтезе также участвуют фосфорная кислота и D-рибозо-5-фосфат.

Синтез пуриновых нуклеотидов:

Синтез пиримидиновых нуклеотидов:

1) образование карбамоилфосфата из аммиака и СО₂;

2)

3) оротовая кислота, конденсируясь с фосфорибозилпирофосфатом, образует оротидин-5-фосфат, который карбоксилируется и превращается в уридиловую кислоту.

Синтезированные микроорганизмами мононуклеотиды полимеризуются при участии специальных ферментов в ДНК и РНК.

Биосинтез аминокислот

Большинство микроорганизмов, подобно высшим растениям, способно синтезировать все 20 незаменимых аминокислот, из которых состоят белки. Углеродные скелеты аминокислот образуются из промежуточных продуктов обмена углеводов в реакциях гликолиза и ЦТК.

Все аминокислоты делятся на группы в соответствии со своим биосинтетическим происхождением.

1. Аминокислоты группы глутаминовой кислоты: синтез идет от 2-оксоглутарата (цикл Кребса);

2. Аминокислоты группы аспарагиновой кислоты: синтез идет от оксалоацетата (цикл Кребса);

3. Группа ароматических аминокислот: синтез начинается с конденсации фосфоенолпирувата (гликолиз) и эритрозо-4-фосфата (С₄) ( шикиматный путь);

4. Аминокислоты группы пировиноградной кислоты и серина: синтез начинается от пирувата и 3-фосфоглицерата соответственно;

5. Синтез гистидина связан с путями образования пуринов.

Микроорганизмы могут построить из промежуточных продуктов катаболизма углеводов только углеродные скелеты аминокислот. На последних этапах биосинтеза в молекулу промежуточного продукта при реакции аминирования и переаминирования вводится аминогруппа. Превращение неорганического азота в органический осуществляется через предварительное образование ионов аммония, которые затем включаются в состав органических веществ.

Синтезированные внутриклеточно или адсорбированные из окружающей среды аминокислоты используются для биосинтеза белка.

Биосинтез белка

Белки – это биологические молекулы, участвующие практически во всех процессах, протекающих в живых системах. Они служат катализаторами разнообразных биохимических реакций, осуществляют транспорт веществ внутри клетки и между клетками, регулируют проницаемость клеточных мембран, являются строительными блоками. Белки участвуют в осуществлении двигательных функций, обеспечивают защиту от инфекций и токсинов, регулируют синтез остальных генных продуктов.

Основной структурной единицей белков являются аминокислоты. Синтез белка заключается в образовании пептидной связи между свободными аминокислотами. Для этого необходима предварительная химическая активация аминокислот, требующая расхода энергии АТФ. Активация заключается в присоединении аминокислоты к ферменту-переносчику. Существует 20 аминокислот и, соответственно, 20 таких ферментов, каждый из которых специализируется на активации определенной аминокислоты. Эти же ферменты катализируют прикрепление активированной аминокислоты к тРНК, последняя, в свою очередь, переносит аминокислоты в рибосомы

Белки синтезируются на рибосомах из аминокислот по информации мРНК, которая переписана (путем транскрипции) с генов ДНК (подробно см. гл. 4):

Включение конкретной аминокислоты в синтезируемую пептидную цепь определяется комбинацией трех соседних нуклеотидов в молекуле мРНК – триплетом (кодоном). Вся совокупность кодонов составляет генетический код (таблица 2). В настоящее время генетический код полностью расшифрован. Большинство аминокислот кодируется несколькими триплетами (вырожденность кода). Из 64 возможных нуклеотидных триплета (4³=64) три (УАГ, УАА и УГА) не кодируют ни одну из известных аминокислот. Это – «нонсенс-кодоны», которые в норме сигнализируют об окончании синтеза полипептидной цепи. Кодон АУГ является инициирующим кодоном, во внутренних положениях полипептидной цепи он кодирует метионин.

Таблица 2

Генетический код

Первая буква	Вторая буква					Третья буква
	У	Ц	А	Г
У	УУУ Фен УУЦ Фен УУА Лейцин УУГ Лейцин	УЦУ Серин УЦЦ Серин УЦА Серин УЦГ Серин	УАУ Тирозин УАЦ Тирозин УАА Стоп УАГ Стоп	УГУ Цис УГЦ Цис УГА Стоп УГГ Три	У Ц А Г
Ц	ЦУУ Лейцин ЦУЦ Лейц ЦУА Лейц ЦУГ Лейц	ЦЦУ Про ЦЦЦ Про ЦЦА Про ЦЦГ Про	ЦАУ Гист ЦАЦ Гист ЦАА Глутам ЦАГ Глутам	ЦГУ Арг ЦГЦ Арг ЦГА Арг ЦГГ Арг	У Ц А Г
А	АУУ Изолей АУЦ Изолей АУА Изолей АУГ Мет	АЦУ Тре АЦЦ Тре АЦА Тре АЦГ Тре	ААУ Аспн ААЦ Аспн ААА Лизин ААГ Лизин	АГУ Серин АГЦ Серин АГА Арг АГГ Арг	У Ц А Г
Г	ГУУ Валин ГУЦ Валин ГУА Валин ГУГ Валин	ГЦУ Аланин ГЦЦ Аланин ГЦА Аланин ГЦГ Аланин	ГАУ Асп. к. ГАЦ Асп. к. ГАА Глут. к. ГАГ Глут. к.	ГГУ Гли ГГЦ Гли ГГА Гли ГГГ Гли	У Ц А Г

Доставку аминокислот в рибосомы осуществляют транспортные РНК (тРНК), которые являются для них специфичными. При этом кодон дешифруется антикодоном, т.е. особой нуклеотидной последовательностью в составе тРНК. В рибосомах аминокислоты пептидными связями соединяются в полипептидную цепь. На рибосоме синтезируется белок первичной структуры. Длина белковых молекул варьирует от 40 до более 1000 аминокислотных остатков, при этом в зависимости от их последовательности и от аминокислотного состава молекулы белков принимают разную конфигурацию. После завершения синтеза полипептидная цепь отделяется и свертывается, приобретая вторичную и третичную структуру, а в ряде случаев объединяется с другими полипептидными цепями и в результате создается четвертичная структура.

Таким образом, процесс биосинтеза белка состоит из 4 основных стадий:

1) активирование аминокислот, соединение аминокислот с тРНК;

2) перенос аминокислот в рибосомы и включение их в полипептидную цепь;

3) высвобождение готовой полипептидной цепи из рибосом;

4) формирование соответствующей структуры белковой молекулы.

Биосинтез липидов

Липиды микроорганизмов представляют собой химически гетерогенную группу: жиры, фосфолипиды, стероиды, изопреноиды и др. Липиды являются важными компонентами плазматической мембраны и клеточных стенок, цитоплазмы, а также служат запасными веществами.

Источником для синтеза липидов микроорганизмами служат углеводы, спирты, органические кислоты, фосфаты.

Образованию липидов предшествует синтез эфиров жирных кислот и коэнзима А. Затем следуют реакции конденсации жирных кислот с глицерином, приводящие к появлению липидов. Глицерин получается в процессе анаэробного расщепления углеводов путем восстановления глицеринового альдегида. Жирные кислоты образуются из промежуточных продуктов распада углеводов: уксусной кислоты, уксусного альдегида, пирувата, этилового спирта. Ключевым звеном в биосинтезе липидов является производное уксусной кислоты – ацетилкоэнзим А - источник ацетильных радикалов. Энергия ацетил-КоА используется для переноса ацетильных остатков на ацетилпереносящий белок. Образовавшийся комплекс становится основанием, на которое переносятся двууглеродные соединения. Последовательное наращивание двууглеродных остатков через ряд промежуточных продуктов ведет к образованию С₁₄-С₁₈-жирных кислот.

Пути синтеза липидов сложные, составляющие их реакции катализируются многими ферментами и протекают с затратой значительных количеств энергии.

Таким образом, все обменные процессы, происходящие в клетках организмов, тесным образом связаны друг с другом. Энергия и продукты метаболизма, освобождающиеся при распаде одних соединений, используются клеткой для синтеза других метаболитов.