БИОСИНТЕЗ ЗАМЕНИМЫХ АМИНОКИСЛОТ

Из 12 заменимых аминокислот (табл. 29.1) 9 образуются из амфиболических метаболитов, а три незаменимых аминокислот.

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

Глутамат

Восстановительное аминирование а-кетоглутарата катализируется глутаматдегидрогеназой (рис. 29.1). Помимо того что эта реакция приводит к образованию L-глутамата из амфиболического метаболита, а-кетоглутарата, она является ключевой стадией биосинтеза многих других аминокислот.

Глутамин

Биосинтез глутамина из глутамата катализируется глутаминсинтетазой (рис. 29.2). Данная реакция имеет как сходство с реакцией, катализируемой

Рис. 29.1. Реакция, катализируемая глутаматдегидрогеназой. Восстановительное аминирование а-кетоглутарата ионами NH происходит за счет

Рис. 29.2. Реакция, катализируемая глутаминсинтетазой.

Рис. 29.3. Образование аланина путем переаминировання пирувата. Донором аминогруппы может быть глутамат или аспартат. Другим продуктом реакции служит а-кетоглутарат или оксалоацетат.

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 а в случае глутаминсинтетазы с гидролизом АТР.

Аланин и аспартат

L-аланин образуется из пирувата путем переами-нирования с глутаматом, а -аспартаттем же путем из оксалоацетата (рис. 29.3). Перенос а-аминогруппы глутамата на амфиболические метаболиты иллюстрирует участие трансаминаз в процессах включения иона аммония в а-аминогруппы аминокислот.

Аспарагин

Образование аспарагина из аспартата, катализируемое аспарагинсинтетазой (рис. 29.4), сходно с синтезом глутамина (рис. 29.2). 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 последующий гидролиз РР, до Р, с участием пирофосфатазы обеспечивает энергетически благоприятные условия для протекания реакции.

Серин

Серин образуется из гликолитического промежуточного продукта D-3-фосфоглицерата (рис. 29.5). а-гидроксильная группа при участии NAD+ окисляется в оксогруппу; далее в результате переаминирования образуется фосфосерин, который затем дефосфорилируется, образуя серин.

Глицин

Синтез глицина в тканях млекопитающих осуществляется несколькими путями. В цитозоле печени содержится глицинтрансаминаза, катализирующая синтез глицина из глиоксилата и глутамата (или аланина). В отличие от большинства реакций переаминирования равновесие этой реакций сильно смещено в направлении синтеза глицина. Два важных дополнительных пути, функционирующие у млекопитающих, используют для образования глицина холин (рис. 29.6) и серин; в последнем случае катализ осуществляется серингидроксиметилтрансферазой (рис. 29.7).

Пролин

У млекопитающих и некоторых других организмов пролин образуется из глутамата путем обращения реакций катаболизма пролина (рис. 29.8).

Гидроксипролин

Поскольку пролин служит предшественником гидроксипролина, то обе аминокислоты рассматривают как принадлежащие к глутаматному семейству аминокислот. Хотя в тканях млекопитающих встречаются как 3-, так и 4-гидроксипролин, в последующем изложении - речь будет идти исключительно о

Рис. 29.4. Реакция, катализируемая аспарагинсинтетазой. Обратите внимание на сходство и различия с реакцией, катализируемой глутаминсинтетазой (рис. 29.2). Природа донора аминогруппы может различаться у разных организмов.

Рис. 29.5. Биосинтез серина. а-АК—а-аминокислота, а-КК—а-кетокислота.

Гидроксипролин, как и гидроксилизин, содержится в тканях практически только в составе коллагена, на долю которого приходится большая часть белка в организме млекопитающих. В коллагене одна треть аминокислотных остатков приходится на глицин и еще одна треть на пролин и гидроксипролин. Гидроксипролин, представленный в коллагене весьма большим числом остатков, стабилизирует тройную спираль коллагена по отношению к действию протеаз. В отличие от гидроксилизина, гидроксильная группа которого служит местом присоединения остатков галактозы и глюкозы, гидроксильные группы гидроксипролина в коллагене остаются незамещенными.

Уникальной особенностью метаболизма гидроксипролина и гидроксилизина является то обстоятельство, что эти аминокислоты, входящие в состав

Рис. 29.6. Образование глицина из холина.

Рис. 29.7. Реакция, катализируемая серингидрокси-метилтрансферазой. Реакция легко обратима. фолат— тетрагидрофолат.

белков пищи, не включаются в коллаген. Не существует которая могла бы акцептировать гидроксипролин или гидроксилизин и далее включать их в растущую полипептидную цепь. В то же время пищевой пролин является предшественником гидроксипролина, а пищевой лизин—предшественником гидроксилизина в составе коллагена.

Рис. 29.8. Биосинтез пролина из глутамата путем обращения реакций катаболизма пролина.

Гидроксилирование пролина (или лизина) катализируется пролилгидроксилазой (или лизилгидроксилазой) - ферментами, находящимися в микросомальной фракции многих тканей (кожи, печени, легких, сердца, скелетной мышцы, гранулирующих раневых поверхностей). Эти ферменты являются пептидилгид-роксилазами, поскольку гидроксилирование происходит только после включения пролина или лизина в полипептидную цепь (см. гл. 55).

Обе гидроксилазы являются оксигеназами со смешанной функцией и функционируют при участии молекулярного кислорода, аскорбата, ионов и а-кетоглутарата. Пролилгидроксилаза изучена более подробно; есть основания полагать, что лизилгидроксилаза действует аналогичным образом. На каждый моль гидроксилированного пролина декарбоксилируется I моль а-кетоглутарата с образованием сукцината. В ходе этого процесса один атом кислорода молекулы включается в состав пролина, а другой — в сукцинат (рис. 29.9).

Рис. 29.9. Реакция, катализируемая пролилгидроксилазой. Субстратом служит богатый пролином пептид. В результате реакции один атом молекулярного кислорода поступает в сукцинат, а другой — в пролин (установлено с использованием ).

Цистеин

Цистеин, не относящийся к незаменимым аминокислотам, образуется из незаменимого метионина и заменимого серина. Сначала происходит превращение метионина в гомоцистеин с образованием на промежуточных стадиях -аденозилметионина и -аденозилгомоцистеина (см. гл. 31). Превращение гомоцистеина и серина в цистеин и гомосерин показано на рис. 29.10.

Тирозин

Тирозин образуется из фенилаланина в реакции, катализируемой фенилаланингидроксилазой (рис. 29.11), поэтому фенилаланин относится к незаменимым аминокислотам, а тирозиннет (при условии, что диета содержит достаточное количество фенилаланина). Реакция необратима, и поэтому тирозин не может заменить пищевой фенилаланин. Фенилала-нингидрокснлазный комплекс является оксигеназой со смешанной функцией, она имеется в печени млекопитающих и отсутствует в других тканях. В результате

Рис. 29.10. Превращение гомоцистеина и серина в гомосе-рин и цистеин. Атом серы поступает в цистеин от метионина, углеродный скелет — от серина.

реакции один атом молекулярного кислорода включается в пара-положение фенилаланина, а другой восстанавливается, образуя воду (рис. 29.11). Восстановительные эквиваленты, первоначально поставляемые NADPH, затем передаются непосредственно участвующему в реакции тетрагидробиоптерину—птеридину, подобному по структуре фрагменту фолиевой кислоты.

Гидроксилизин

5-Гидроксилизин (а, е-диамино-8-гидроксикапроат) входит в состав коллагена и отсутствует в большинстве других белков млекопитающих. Г идроксилизин в составе коллагена происходит из пищевого лизина, но не пищевого гидроксилизина. Перед гидроксилированием лизин должен включиться в пептидную цепь. Гидроксилирование остатка лизина в составе пептида катализируется лизилгидроксила-зой—оксигеназой со смешанной функцией, аналогичной пролилгидроксилазе (рис. 29.9).

Рис. 29.11. Реакция, катализируемая фенилаланин-гидроксил азой. Она осуществляется с участием двух типов активности. Активность II катализирует восстановление дигидробиоптерина за счет NADPH, активность I— восстановление в и превращение фенилаланина в тирозин. Нарушения хода этой реакции лежат в основе нарушений метаболизма фенилаланина, которые обсуждаются в гл. 31.