Источники азота и углерода для биосинтеза аминокислот

Биосинтез аминокислот из простых предшественников представляет собой не менее важный процесс в биосфере, чем образование углеводов при фотосинтезе, хотя и уступает последнему в количественном отношении. Этот процесс абсолютно необходим для всех форм жизни, поскольку аминокислоты служат строительными блоками белков и предшественниками многих биомолекул, выполняющих различные специализированные функции. Однако организмы из разных систематических групп значительно различаются как по способности синтезировать те или иные аминокислоты, так и по потребностям в определенных формах азота для этой цели.

Человек и животные способны синтезировать только 10 из 20 аминокислот, необходимых им для синтеза белка. Остальные, так называемые незаменимые или обязательные аминокислоты они должны получать с пищей. Для синтеза заменимых аминокислот человеку и животным необходимы только аммонийные соединения азота, а не нитриты, нитраты или N₂. Жвачные животные могут использовать для этой цели нитриты и нитраты, которые должны быть сначала восстановлены до аммиака бактериями, живущими у жвачных животных в рубце — одном из отделов желудка.

Характерной особенностью высших растений, отличающей их от животных, является способность синтезировать все аминокислоты, используя в качестве источника азота аммиак, нитраты и нитриты. При этом источником углерода у зеленых растений служит С0₂. Таким образом, они синтезируют аминокислоты, а из них и белки целиком из неорганических соединений. Этой же способностью обладают бактерии — фотосинтетики и хемосинтетики. Все другие лишенные хлорофилла микроорганизмы и гетеротрофные ткани высших растений требуют для синтеза аминокислот кроме источника азота готовые углеродсодержащие органические вещества (углеводы, органические кислоты). Высшие растения, способные к симбиозу с клубеньковыми бактериями, фиксируют также молекулярный азот атмосферы, превращая его в NH₃ и затем используя на синтез аминокислот..

Бактерии и грибы при питании органическими азотистыми соединениями, как правило, расщепляют их, превращая содержащийся в них азот в аммиак и используя его затем для биосинтеза аминокислот. Большинство микроорганизмов используют азот в восстановленной, т. е. аммиачной форме, но есть бактерии и грибы, способные утилизировать нитриты и нитраты.

Свободный NH₃ ядовит для живых организмов, поэтому при питании аммонийными солями растения и микроорганизмы не накапливают его, а сразу используют для синтеза аминокислот и других азотсодержащих органических веществ. Нитраты же могут накапливаться в растительных тканях, иногда в достаточно больших количествах (гречиха, табак). При использовании нитратов в качестве источника N для синтеза аминокислот у растений и микроорганизмов происходит их восстановление до NH3. Этот процесс двухстадийный: NO₃^-→NO₂^-→…→NH₄⁺.

Помимо первичного синтеза аминокислот de novo растения могут усваивать и готовые аминокислоты. Особенно типично это для насекомоядных растений и растений-паразитов. При выращивании растений в условиях стерильных культур, когда исключена возможность развития микроорганизмов, установлено, что, в принципе, все высшие растения через корневую систему могут усваивать аминокислоты и некоторые другие органические азотистые соединения.

Первичная ассимиляция аммиака. Первичное усвоение NH₃ у всех живых организмов происходит в результате трех главных реакций, приводящих к образованию: 1) глутаминовой кислоты, 2) глутамина и 3) карбамоилфосфата. Однако если азот карбамоилфосфата используется только для синтеза пиримидинов и аргинина, то аминогруппа глутамата или амидная группа глутамина прямо или косвенно являются источником практически всех атомов азота, входящих в состав аминокислот и других азотсодержащих соединений (только в редких случаях вместо глутамина используется аммиак).

Включение NH₃ в глутамат происходит в результате восстановительного аминирования.

α-Кетоглутарат + NН₄⁺ + [НАДН или НАДФН] ⇆ Глутамат-+ [НАД⁺ или НАДФ⁺]+Н₂0. Эту реакцию катализируют глутамат-дегидрогеназы, которые в различных организмах существенно отличаются по числу входящих в молекулу фермента субъединиц и по своей специфичности к НАД⁺ или НАДФ⁺. Данная реакция имеет огромное значение в биосинтезе всех аминокислот у всех организмов, так как трансаминирование α-кетокислот с использованием глутаминовой кислоты в качестве донора аминогруппы является основным путем введения α-аминогруппы при биосинтезе других аминокислот.

У некоторых растений, бактерий и дрожжей аналогичным путем происходит прямое восстановительное аминирование пирувата и оксалоацетата с образованием соответственно аланина и аспартата. Образовавшийся глутамат может использоваться для фиксации второй молекулы NH₃ по реакции

Глутамин-

Глутамат + NH₃ + АТФ → Глутамин + АДФ + Фн

синтетаза

Фермент глутаминсинтетаза, катализирующий эту реакцию, является регуляторным, имеющим четвертичную структуру.

В условиях, при которых количество NH₃ ограничено, его усвоение может происходить при сопряжении предыдущей реакции со следующей:

Глутамат-

α - Кетоглутарат + Глутамин + НАДФН + Н⁺ → 2 Глутамат + НАДФ⁺

синтаза

Подобная реакция синтеза глутамата имеет место у бактерий, а также у высших растений.

Образование карбамоилфосфата, катализируемое карбамоил-фосфатсинтазой, является третьим путем усвоения аммиака:

NH₂ + С0₂ + 2АТФ + Н₂0 → H₂N—СО—О—Р0₂Н₂ + 2АДФ + Фн

Карбамоилфосфат

Для образования карбамоилфосфата может использоваться и глутамин. Это происходит при биосинтезе пиримидинов:

Глутамин + С0₂ + 2АТФ -→ Глутамат + Карбамоилфосфат + 2АДФ+Фн

Основные пути биосинтеза аминокислот. В результате прямого аминирования образуется сравнительно небольшое число аминокислот и соединений, в составе которых фиксируется аммиак. Все остальные аминокислоты синтезируются в ходе процессов различной сложности, описываемых как одиночными, так и многостадийными реакциями. В целом можно говорить о трех основных путях биосинтеза аминокислот:

1) прямого аминирования α-кетокислот или ненасыщенных органических кислот;

2) реакций транс-аминирования (переаминирование) аминокислот и α-кетокислот;

3) ферментативных взаимопревращений отдельных аминокислот.

Установлено, что донорами аминогрупп в реакции переаминирования могут служить также аспарагин и глутамин. Аминотрансферазы, катализирующие эти реакции, найдены у микроорганизмов, растений и животных.

Очень часто образование любой аминокислоты начинается с прямого восстановительного аминирования α-кетоглутарата, в результате чего синтезируется глутаминовая кислота, которая, вступая затем в реакции переаминирования с другими кетокислотами, дает новые аминокислоты.

Дезаминирование аминокислот также часто идет через глутаминовую кислоту. Сначала любая аминокислота при переаминировании с α-кетоглутаратом образует глутамат, который передает аммиак в орнитиновый цикл образования мочевины путем переаминирования с оксалоацетатом или дезаминируется.

Новые аминокислоты могут образовываться путем ферментативных взаимопревращений: аргинин→орнитин; глутамат→пролин; серин→глицин; ??фенилаланин→тирозин.

В путях биосинтеза незаменимых и заменимых аминокислот есть определенные отличия: биосинтез незаменимых аминокислот включает большое число стадий — от 5 до 15, а заменимых — меньше пяти; первые еще более сложны и в том отношении, что промежуточные продукты их образования являются предшественниками многих других типов биомолекул.

Биосинтез заменимых аминокислот. При последовательном восстановлении фосфорилированного глутамата, замыкании его в цикл и повторного восстановления образуется пролин. Восстановление глутамата тормозится по типу обратной связи самим пролином.

Орнитин может легко синтезироваться из аргинина. В свою очередь, орнитин может превращаться в пролин под действием орнитинциклазы в ходе реакций, включающих в себя окислительное дезаминирование, циклизацию и восстановление орнитина.

Тирозин образуется из незаменимой аминокислоты фенилаланина путем ее гидроксилирования под действием оксигеназы (фенилаланин — 4-гидроксилаза) за счет прямого присоединения кислорода.

Цистеин у млекопитающих образуется из метионина (донора серы) и серина (углеродная цепь и аминогруппа). В результате ряда реакций происходит замена ОН-группы серина на сульфгидрильную группу гомоцистеина, образующегося из метионина. В реакциях принимают участие АТФ и ряд ферментов, два из которых являются пиридоксальфосфатзависимыми.

У микроорганизмов и растений цистеин образуется из серина с использованием в качестве источника серы H₂S.

Серин у животных главным образом синтезируется из промежуточного продукта гликолиза — 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). У растений серин образуется в процессе фотосинтеза.

СООН СООН СООН СООН

│ НАД⁺ │ Переаминирование│ -Н₃РО₄ │

СНОН ⇆ С=О ⇆ СНNН₃ → СНNН₂

│ НАДН+Н⁺ │ с глутаматом │ │

СН₂ОРО₃Н₂ СН₂ОРО₃Н₂ СН₂ОРО₃Н₂ СН₂ОН

Глицин синтезируется путем удаления β-углерода серина. В результате этого процесса образуется не только глицин, но и активные одноуглеродные соединения (на уровнях окисления СН3ОН, НСНО или НСООН). В реакции участвует кофермент — тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК), производное фолиевой кислоты, которая осуществляет перенос одноуглеродного фрагмента, присоединяя его в форме метиленового остатка к N-5 и N-10 путем замещения водорода:

COOH СООН

| + ТГФК |

CHNH₂ → CH₂NH₂ +N⁵, N¹⁰ - Метилентетрагидрофолат + Н₂0

│ +2Н

СН₂ОН

Серии Глицин

Биосинтез незаменимых аминокислот. Неспособность животных синтезировать некоторые аминокислоты (незаменимые) объясняется тем, что в их организме не образуются кетокислоты, аминирование которых приводит к образованию соответствующих незаменимых аминокислот. Большинство бактерий и высших растений активно синтезируют эти аминокислоты, пути их биосинтеза идентичны или близки.

Метионин и треонин синтезируются из аспарагиновой кислоты с участием АТФ, НАДН+ и ряда ферментов, среди которых есть пиридоксальфосфатзависимые, а также ферменты, содержащие в качестве простетической группы восстановленное производное кобаламина (витамин В₁₂). Метильную группу при биосинтезе метионина поставляет N⁵ -метилтетрагидрофолат.

Лизин у бактерий и высших растений синтезируется в результате конденсации аспартата с пируватом через диаминопимелиновую кислоту.

У плесневых грибов лизин образуется из α-кетоглутарата и ацетил-КоА через α-аминоадипиновую кислоту.

Валин, лейцин, изолейцин имеют общую черту: разветвленную алифатическую группировку. Синтез всех трех аминокислот начинается с пирувата, из которого образуется активная ацетальдегидная группа, которая конденсируется со 2-й молекулой α-кетокислоты (пируватом, α-кетоизовалератом или α-кетобутиратом); в результате длительных превращений образуется α-кетокислота — аналог данной аминокислоты, на последнем этапе происходит переаминирование с глутаматом.

Изолейцин, кроме того, легко образуется из треонина.

Аргинин может синтезироваться млекопитающими из орнитина в цикле образования мочевины, но в очень малых количествах, так как, во-первых, он быстро гидролизуется ферментом аргиназой с образованием мочевины; во-вторых, орнитина содержится мало: только в каталитических количествах. У бактерий и растений гуанидиновая группировка аргинина включает в себя один атом азота из карбамоилфосфата и два, в конечном счете, от глутамата (через аспартат и орнитин).

Гистидин образуется сложным путем, включающим девять реакций. Исходными веществами служат АТФ, 5-фосфорибозил-1-пнрофосфат и глутамин. В ходе реакций происходит раскрытие пуринового кольца АМФ. Атом азота на заключительном этапе поступает от глутамина (амидный азот). В последовательности реакций существует несколько точек метаболического контроля. В частности, первая реакция, катализируемая АТФ: фосфорибозилтрансферазой, специфически ингибируется гистидином.

Фенилаланин и триптофан являются продуктами превращения циклических органических кислот. Пути биосинтеза фенилаланина и триптофана установлены в опытах с мутантами Е. coll, ауксотрофными по этим аминокислотам (не способны их синтезировать). Обнаружено, что шикимовая кислота, которая часто встречается у растений, поддерживает рост таких мутантов. На основании этого сделан вывод, что эта кислота является предшественником фенилаланина и триптофана. В свою очередь, поставщиками углеродных атомов ароматического кольца и боковой цепи шикимата служат эритрозо-4-фосфат и фосфоенолпируват. Дальнейшее превращение шикимовой кислоты приводит к образованию хоризмовой кислоты, на стадии которой происходит разветвление путей синтеза ароматических аминокислот. Образование антранилата ведет к биосинтезу триптофана, а префенат является предшественником фенилаланина и тирозина.

Регуляция биосинтеза аминокислот. Поскольку доступные для биологических систем формы азота довольно скудны в неживой природе, большинство живых организмов стремится к экономному использованию восстановленных форм азота для нужд метаболизма. Биосинтез аминокислот постоянно регулируется по принципу обратной связи (ретроингибирование) благодаря функционированию регуляторных ферментов. При этом синтезируемая аминокислота действует как ингибитор на одну из первых реакций в длинной цепи процесса биосинтеза данной аминокислоты. Регулируется и синтез ферментов, катализирующих образование аминокислот, путем репрессии и дерепрессии соответствующих цистронов ДНК.

Первый механизм обеспечивает «тонкую регулировку», так как способен быстро изменить скорость биосинтеза любой аминокислоты в зависимости от ее стационарной концентрации в данный момент. Второй, регуляторный механизм имеет характер «грубой регулировки» и используется в тех случаях, когда клетка обильно снабжается аминокислотами из экзогенных источников. Обе эти формы регуляции — выражение характерной экономичности синтеза и использования аминокислот в биологических системах. Ни одна из аминокислот не образуется в норме в избыточном количестве. В процессе эволюции сформировался совершенный механизм, благодаря которому в клетке находится сбалансированное количество каждой из двадцати аминокислот,

5.3.Синтез белка

Стадии. Синтез белков в клетке. Генетическая информация. Важнейшим процессом ассимиляции в клетке является синтез белков. Так как белки выполняют в организме целый ряд функций, то необходимо синтезировать тысячи различных белков, тем более, что большинство белков имеют ограниченный срок функционирования и синтез таких белков (компонентов мембран, гормонов, ферментов) не прекращается ни на минуту. Так, например, за сутки в организме человека распадается около 40 г различных белков, следовательно, такую же массу нужно синтезировать снова.

Каждый вид живых существ имеет свой собственный, строго определенный набор белков. Белки являются основой уникальности каждого вида, хотя некоторые белки, выполняющие одну и ту же функцию в разных организмах, могут быть похожими и даже одинаковыми.

С другой стороны, все особи одного вида хоть немного, но отличаются друг от друга. На Земле нет, например, двух абсолютно одинаковых людей или амеб. Индивидуальную неповторимость каждой особи определяют различия в структуре белков.

Свойства белков определяются прежде всего их первичной структурой, т. е. последовательностью аминокислот в молекуле белка. Наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекулах двуцепочечной ДНК. Следовательно, информация о строении и жизнедеятельности как каждой клетки, так и всего многоклеточного организма в целом заключена в нуклеотидной последовательности ДНК. Эта информация получила название генетической информации, а участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном.

Генетический код.Каждой аминокислоте белка соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов ДНК — триплет, или кодон. К настоящему времени составлена карта генетического кода, т. е. известно, какие триплеты в ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков, Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число сочетаний из 4 по 3 составляет 4³ = 64, т. е. ДНК может кодировать 64 аминокислоты. Однако всего кодируется только 20 аминокислот, Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько кодонов. Предполагается, что такое свойство генетического кода — вырожденность — повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона — ЦГА, ЦГГ, ЦГТ и ЦГЦ. Получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде кодона не сможет привести к изменениям в структуре белка — все равно это будет кодон аланина.

Примечание: первый нуклеотид триплета берут из левого вертикального ряда, второй — из горизонтального ряда, третий — из правого вертикального.

Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало или конец того или иного гена.

Очень важное свойство генетического кода — специфичность, т. е. один триплет всегда кодирует только одну аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерии до человека.

Транскрипция. Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (иРНК). Для того чтобы синтезировать иРНК, участок двуцепочечной ДНК раскручивается, а затем на одной из цепочек ДНК по принципу комплементарности синтезируется молекула иРНК. Это происходит следующим образом: против, например, Г молекулы ДНК становится Ц молекулы РНК, против А молекулы ДНК — У молекулы РНК (вспомните, что вместо тимина РНК несет урапил, или У), против Т молекулы ДНК — А молекулы РНК и против Ц молекулы ДНК — Г молекулы РНК. Таким образом, формируется цепочка иРНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включен урацил). Так информация о последовательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК». Этот процесс получил название транскрипции.

Для транскрипции, т. е. для синтеза мРНК, необходим особый фермент — РНК-полимераза. Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез мРНК со строго определенного места ДНК, иначе в структуре мРНК будет записана информация о белке, которого нет в природе и который, конечно же, клетке не нужен. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая про мотором. РНК-полимераза «узнает» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки мРНК с нужного места. Фермент продолжает синтезировать мРНК, присоединяя к ней новые нуклеотиды, до тех пор, пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК — терминатора. Это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез мРНК нужно прекратить.

У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков. У эукариот мРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.

В цитоплазме обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в самом организме,

Необходимо помнить, что любая аминокислота может попасть в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной

Трансляция. В цитоплазме происходит процесс синтеза белка, который по-другому называют трансляцией. Трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка. С тем концом иРНК, с которого должен начаться синтез белка, взаимодействует рибосома. При этом начало будущего белка обозначается триплетом АУГ, который является знаком начала трансляции. Так как этот кодон кодирует аминокислоту метионин, то все белки (за исключением специальных случаев) начинаются с метионина. После связывания рибосома начинает двигаться по иРНК, задерживаясь на каждом ее участке, который включает в себя два кодона (т. е. 3 + 3 = 6 нуклеотидов). Время задержки составляет всего 0,2 с. За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Та аминокислота, которая была связана с этой тРНК, отделяется от «черешка» и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая тРНК, антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК, и следующая аминокислота, принесенная этой тРНК, включается в растущую цепочку. После этого рибосома сдвигается по иРНК, задерживается на следующих нуклеотидах, и все повторяется сначала. Наконец, рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА, УАГ или У Г А), Эти кодоны не кодируют аминокислот, они только лишь показывают, что синтез белка должен быть завершен. Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Все описываемые реакции происходят за очень маленькие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез крупной молекулы белка уходит всего около двух минут.

Клетке необходима не одна, а много молекул каждого белка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на молекуле мРНК, продвигается вперед, тут же на эту мРНК нанизывается вторая рибосома, которая начинает синтезировать такой же белок. На ту же мРНК может быть нанизана и третья, и четвертая рибосома, и т. д. Все рибосомы, синтезирующие белок на одной молекуле мРНК, называются полисомой. Когда синтез белка окончен, рибосома может связаться с другой молекулой мРНК и начать синтезировать новый белок, закодированный в этой молекуле мРНК. Таким образом, последовательность аминокислот в первичной структуре белка не зависит от рибосом, а определяется только последовательностью нуклеотидов мРНК.

Таким образом, трансляция — это перевод последовательности нуклеотидов молекулы мРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.