21.14. Порфирины синтезируются из глицина и сукцинил-СоА

Участие аминокислот в биосинтезе порфириновых колец гемов и хлорофиллов было вначале открыто в экспериментах по введению изотопной метки, проведенных Дэвидом Шемином (David Shemin) и его коллегами, В 1945 г. они показали, что после введения людям с пищей -глицина в молекуле гема обнаруживается однако после введения -глутамата включение метки оказывается незначительным, С помощью углерода-14, который как раз к этому времени стал доступен для исследователей, они установили, что в ядерных эритроцитах уток 8 углеродных атомов гема происходят из -углерода глицина; ни один атом не происходит из карбоксильных углеродов (рис. 21.20). Дальнейшие исследования показали, что остальные 26 атомов гема могут происходить из ацетата. Более того, атомы меченного по метильной группе ацетата обнаруживаются в виде 24 из 26 атомов углерода гема, а атомы из ацетата, меченного по карбоксилу, обнаруживаются только в двух других атомах. Таким образом, в результате проведенного эксперимента была обнаружена четкая картина распределения метки, на основе которой Шемин высказал предположение, что предшественник гема образуется путем конденсации глицина с активированным соединением сукцината. Действительно, первый этап биосинтеза порфиринов - конденсация глицина и сукцинил-СоА с образованием 5-аминоле-вулината.

Эта реакция катализируется 5-аминоле-вулинат-синтазой, пиридоксалевым ферментом митохондрий. Как и следовало ожидать, эта решающая реакция в биосинтезе порфиринов регулируется. Затем две молекулы 5-аминолевулината конденсируются с образованием порфобилиногена. Эта реакция дегидратации катализируется -амино-левулинат-дегидратазой.

Четыре молекулы порфобилиногена конденсируются по типу «голова к хвосту», образуя линейный тетрапиррол, который остается связанным с ферментом (рис. 21.21). На каждый образовавшийся метиленовый мостик высвобождается один ион аммония. Этот линейный тетрапиррол циклизуется, теряя Циклический продукт -уропорфириноген III, в котором укладка боковых цепей асимметрична. В этих реакциях участвуют синтетаза и коститетаза. В присутствии одной синтетазы образуется симметричный продукт уропорфириноген Косннтетаза необходима для изомеризации одного из пиррольных колец и образования асимметричного уропорфириногена III.

Теперь скелет порфирина готов, Последующие реакции модифицируют его боковые цепи и повышают его непредельность (рис. 21.21). Копропорфириноген III образуется при декарбоксилировании боковых ацетатных цепей.

Рис. 21.20. Распределение метки в геме, синтезированном из глицина и ацетата. Атомы азота (показаны синим цветом) происходят из аминогруппы глицина. Атомы углерода имеют следующее происхождение: показанные желтым цветом - из углеродного атома глицина, зеленым - в основном из углерода метильной группы ацетата и красные - из карбоксильной группы ацетата.

После образования двойных связей в порфириновом кольце и превращения двух боковых цепей пропионовой кислоты в винильные группы возникает протопорфирин IX. Наконец, после хелатирования железа образуется

Рис. 21.21. Путь синтеза гема из порфо-билиногена, (Сокращения: А-ацетат; М-метил; П-пронионат; В-винил.)

гем-простетическая группа таких белков, как миоглобин, гемоглобин, каталаза, пероксидаза и цитохром с. Связывание ферроформы железа катализируется феррохелатазой. Железо переносится в плазме крови трансферрином - белком, связывающим два ферри-иона, и запасается в тканях внутри молекул ферритина. Большая внутренняя полость этого белка (диаметр около 80 А) может содержать до 4500 ферри-ионов.

Было выявлено несколько факторов, регулирующих биосинтез гема у животных. 5-Аминолевулинат-синтаза, фермент, катализирующий первую решающую реакцию этого биосинтетического пути, ингибируется по типу обратной связи гемом, так же как 5-аминолевулинат-дегидратаза и феррохелатаза. Кроме того, регуляторные механизмы действуют и на уровне синтеза ферментов.

Гем подавляет синтез -аминолевулинат-синтазы. Недавние исследования позволяют предположить, что атом железа сам по себе может быть существенным фактором регуляции.