- •1 Круговорот азота в природе
- •1.1 Азотофиксация. Нитрогеназа
- •2 Реакции биосинтеза аминокислот
- •2.2 Трансаминирование кислот
- •2.3 Взаимопревращения аминокислот
- •2.4 Прямое аминирование фумаровой кислоты
- •2.5 Синтез незаменимых аминокислот
- •3 Биосинтез белка
- •3.1 Синтез ДНК – репликация
- •3.2 Синтез РНК – транскрипция
- •3.3 Биологический код
- •3.4 Схема передачи генетической информации от ДНК к белку
- •3.5 Биосинтез белков – трансляция
- •3.6 Понятие о мутациях
- •4 Переваривание белков
- •4.1 Биологическая ценность белков
- •5 Катаболизм аминокислот
- •5.1 Дезаминирование аминокислот
- •5.2 Декарбоксилирование аминокислот
- •5.3 Обезвреживание аммиака и биогенных аминов
- •5.4 Орнитиновый цикл мочевинообразования
- •Список используемой литературы
–белок 1 – молибдоферредоксин (Мо – Fe – протеин), или собственно нитрогеназа, содержащая четыре идентичные субъединицы, в каждую из которых входят два атома молибдена, негеминовое железо, лабильный сульфид;
–белок 2 – азоферредоксин, или редуктазный компонент (Fe – белок) является димером, содержит негеминовое железо и лабильный сульфид.
Нитрогеназный комплекс представляет собой ассоциацию двух димерных молекул белка 2 с одним тетрамером белка 1.
Восстановление молекулярного азота до NH3 идет в три этапа по схеме:
N N |
2е |
2е |
H2N NH2 |
2е |
2 NH3 |
HN NH |
|
||||
Молекулярный |
2Н+ |
Диимид |
Гидразин |
2Н+ |
Аммиак |
азот |
2Н+ |
|
|
Для восстановления N2 в NH3 требуется 6 электронов и 6 протонов источником которых должен быть мощный восстановитель. Донором водорода для нитрогеназного комплекса является НАДФН+Н+. Для фиксации азота требуется также энергия в виде АТФ. На каждый перенесенный электрон затрачивается 1 молекула АТФ. Электроны переносятся к белкам нитрогеназы двумя различными типами белков – переносчиков электронов: ферредоксином (Fe –S белок) и флаводоксином (ФМН – содержащий белок).
Превращение азота в аммиак можно представить следующей схемой:
|
|
|
|
|
|
|
N2 |
2 NH3 |
НАДФН + Н+ |
ферредоксин |
|
|
флаводоксин |
|
|
|
|
(окисленный) |
|
е |
(восстановленный) |
|
|
нитрогеназа |
||
|
|
е |
|
|||||
|
Fe-S |
|
|
ФМН |
|
Мо-Fe-белок |
||
|
е |
|
|
Н+ |
|
|||
НАДФ+ |
ферредоксин |
|
флаводоксин |
|
|
Fe-белок |
||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
(восстановленный) |
|
(окисленный) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6АТФ |
6АДФ+ |
2N +6e + 12АТФ + 12Н О нитрогеназа |
|
|
|
|
|
6Н3РО4 |
||
|
2NH+ + 12АДФ + 12Н РО |
4 |
+ 12Н+ |
|
||||
2 |
2 |
|
|
4 |
3 |
|
|
Наконец, N2 связывается с белком 1 и восстанавливается до NH3 – продукт фиксации азота микроорганизмами NH3 может прямо использоваться растениями для всех азотосодержащих органических соединений.
2Реакции биосинтеза аминокислот
Всинтезе аминокислот источником азота служит аммиак, источником углерода являются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот, гликолиза, гексозомонофосфатного цикла, цикла Кальвина.
8
Существуют следующие основные пути синтеза заменимых аминокислот.
1.Восстановительное аминирование α-кетокислот: по этому пути
неорганический азот (NH3) превращается в органический – входит в состав аминокислот.
2.Трансаминирование – перенос аминогруппы от аминокислоты – доно-
ра этих групп – к α-кетокислоте – акцептору групп.
3.Превращение одной аминокислоты в другую.
4.Прямое аминирование фумаровой кислоты.
2.1 |
Восстановительное аминирование α-кетокислот |
|
||||||||||||||||
В ассимиляции аммиака особая роль отводится промежуточному продук- |
||||||||||||||||||
ту ЦТК – α-кетоглутаровой кислоте. Под действием |
фермента глутаматдегид- |
|||||||||||||||||
рогеназы, локализованной в матриксе митохондрий, из NH3 |
и α-кетоглутаровой |
|||||||||||||||||
кислоты синтезируется глутаминовая кислота (Глу), в качестве восстановителя |
||||||||||||||||||
используется НАДФН + Н+. Реакция протекает в две стадии через образование |
||||||||||||||||||
иминокислоты: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
COOH |
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|||
C |
O |
|
|
|
1 |
|
C |
HN |
|
|
|
|
2 |
HC |
NH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
глутамат- |
|
|
+ |
|||||
CH |
|
+ NН3 |
|
|
|
CH2 |
+ НАДФН + Н |
+ |
|
|
|
+ |
НАДФ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
CH |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
H2C |
|
|
|
|
|
|
H C |
|
|
|
дегидрогеназаH2C |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
H2O |
COOH |
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
||||
α − кетоглутаровая |
|
|
|
|
|
|
|
|
глутаминовая |
|
||||||||
|
|
α − иминоглутаровая |
|
|
|
|
|
|||||||||||
кислота |
|
|
|
кислота |
|
|
|
|
|
кислота |
|
|
||||||
Суммарную реакцию восстановительного аминирования можно записать |
||||||||||||||||||
в следующем виде: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
O |
|
|
|
|
|
глутамат- |
HC NH2 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
+ NH |
|
+ НАДФН + Н+ |
+ НАДФ+ + Н О |
|
|||||||||||
|
CH |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
3 |
|
|
|
|
CH2 |
|
|||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
дегидрогеназа |
|
|
|
2 |
|
||||||
|
CH2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|
|
||
α − кетоглутаровая |
|
|
|
|
|
|
|
глутаминовая |
|
|
|
|
||||||
кислота |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кислота |
|
|
|
|
Эта реакция имеет фундаментальное значение в азотистом обмене растений, микроорганизмов, человека и животных.
Глутаминовая кислота является донором аминогрупп при биосинтезе всех белковых аминокислот. Она же – предшественник синтеза пролина и оксипролина и второго важного соединения, участвующего в ассимиляции NH3, – глутамина (Глн).
Глутамин служит затем источником азота в биосинтезе биомолекул, наиболее важными из которых являются пиримидины и пурины.
9
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
HC |
|
NH |
|
|
|
|
|
|
HC |
|
NH2 |
|
|
|
|||
|
2 |
+ NН3 + АТФ |
|
|
глутамин- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
CH |
|
|
синтетаза |
|
|
CH2 + АДФ + Н РО + Н О |
||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
4 |
2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
CH2 |
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|||||||
COOH |
|
|
|
|
|
|
C |
O |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
глутаминовая |
|
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|||||||
кислота (Глу) |
|
|
|
глутамин (Глн) |
|
|
|||||||||||
У многих бактерий аспарагиновая кислота служит предшественником |
|||||||||||||||||
амида аспарагиновой кислоты |
(Асн) в реакции, катализируемой аспарагинсин- |
||||||||||||||||
тетазой: |
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
|||||||
|
COOH |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Аспарагин- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
HC |
|
|
NH2 |
|
|
|
|
|
CH2 |
+ NН3 + АТФ |
|
|
|
|
|
+ АДФ + Н3РО4 |
+ Н2О |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
синтетаза |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
H2N |
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|||||
|
HC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
O |
|
|
|
|
COOH |
|
|
|
C |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Аспарагино- |
|
|
|
|
|
|
NH2 |
|
|
|
|||||||
вая кислота |
|
Аспарагин (Асн) |
|
|
|||||||||||||
|
(Асп) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Глутаматдегидрогеназа и глутаминсинтетаза являются весьма активными |
|||||||||||||||||
ферментами и препятствуют |
накоплению токсичного аммиака в живой клетке |
в повышенных концентрациях, переводя его в связанную органическую форму
– глутаминовую кислоту и глутамин.
2.2 Трансаминирование кислот
В реакции трансаминирования донором аминогрупп служит в основном глутаминовая кислота, их акцептором – α-кетокислоты – промежуточные продукты катаболизма моносахаридов; при этом образуются α-кетоглутаровая кислота и соответствующая аминокислота. Эта реакция катализируется пиридоксальзависимым ферментом – трансаминазой:
COOH |
|
|
|
|
|
|
|
COOH |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
C |
O |
R |
||||||
HC |
NH2 |
+ |
Трансаминаза |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
C |
|
O |
|
|
|
CH2 |
+ HC |
NH2 |
||||
|
CH2 |
|
(Пиридоксальфосфат |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
(ПФ)), витамин В6 |
|
|
CH2 |
|
COOH |
||
H2C |
|
COOH |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
α − кето- |
|
|
C O |
амино- |
|||||||
COOH |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
OH |
кислота |
||||||||
глутаминовая |
кислота |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
кислота (Глу) |
|
|
|
|
|
α − кетоглутаровая |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кислота |
|
|
Если в качестве исходной α-кетокислоты используется пировиноградная кислота – конечный продукт гликолиза, то в результате реакции трансаминирования образуется аминокислота аланин (Ала):
10
COOH |
|
|
|
|
COOH |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CH3 |
|
C |
O |
|
CH3 |
||
HC |
NH2 |
+ |
|
Трансаминаза |
|
||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
+ HC |
|
||||||
|
|
C O |
CH2 |
NH2 |
|||||||
CH2 |
|||||||||||
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
H C |
|
|
|
Пиридоксальфосфат |
CH2 |
|
COOH |
||||
|
COOH |
|
|||||||||
2 |
|
|
|
|
(ПФ), витамин В6 |
|
|
O |
Аланин |
||
COOH |
|
Пировино- |
C |
||||||||
|
градная |
|
OH |
(Ала) |
|||||||
Глутаминовая |
|
|
|
|
|||||||
|
кислота |
|
|
|
|
|
|
||||
кислота |
|
α − кетоглутаровая |
|||||||||
|
|
(ПВК) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
кислота |
|
|
Если оксалоацетат (ЩУК), то образуется аспарагиновая кислота (Асп).
COOH |
COOH |
|
|
COOH |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
COOH |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
C O |
|
|
|
|
||
HC NH2 |
|
|
|
Трансаминаза |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
C O |
|
|
|
|
|
CH2 |
||||||
|
+ |
|
|
|
|
+ |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
CH2 |
|
|
|
|
||
CH2 |
CH2 |
Пиридоксальфосфат |
|
|
|
|
HC |
NH2 |
||||
H2C |
COOH |
|
(ПФ), витамин В6 |
CH2 |
|
|
|
COOH |
||||
|
|
|
||||||||||
|
|
C |
O |
|
|
|||||||
COOH |
Оксалоаце- |
|
Аспарагино- |
|||||||||
|
|
|||||||||||
|
OH |
|
||||||||||
Глутаминовая |
тат (ЩУК) |
|
|
вая кислота |
||||||||
|
|
|
|
|||||||||
кислота |
|
|
|
α − кетоглутаровая |
|
|
(Асп) |
|||||
|
|
|
|
|
|
кислота |
|
|
|
|
Глутаминовая кислота является донором аминогрупп при синтезе серина (Сер), углеродным скелетом которого является промежуточный продукт гликолиза – 3-фосфоглицериновая кислота. В первой стадии 3-фосфоглицериновая кислота окисляется до 3-фосфопировиноградной, которая подвергается трансаминированию с образованием 3-фосфосерина (реакция 2); последний под действием фосфатазы гидролизуется с образованием серина (Сер) (реакция 3):
|
|
|
Глутами- |
|
|
|
|
|
НАДФ+ |
НАДФН + Н+ |
|
новая |
|
Н2О |
Н РО |
COOH |
|
кислота |
COOH |
||||
|
COOH |
|
|
|
3 4 |
||
HC OH |
|
C O |
|
|
HC NH2 |
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
3 |
CH2 O PO3H2 |
CH2 O PO3H2 |
CH2 O PO3H2 |
|
||||
3-фосфогли- |
3-фосфопиро- |
α − кетоглу- |
3-фосфосерин |
|
|||
виноградная |
|
|
|||||
цериновая |
кислота |
|
таровая |
|
|
|
|
кислота |
|
кислота |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
COOH
HC NH2
CH2 OH
Серин (Сер)
Весьма сложен синтез аминокислоты гистидин (Гис). Исходным веществом в формировании имидазольной группы гистидина является АТФ, донором углеродного скелета боковой цепи гистидина служит фосфорибозилпиро-
11