Войти
Обзор биосинтеза аминокислот. Нарисованные молекулы находятся в нейтральной форме и не полностью соответствуют представленным им названиям. Человек не может синтезировать все эти аминокислоты. Синтез аминокислот - это набор биохимических процессов (метаболических путей ), посредством которых аминокислоты произведены. Субстратами для этих процессов являются различные соединения в диете организма или питательной среде. Не все организмы способны синтезировать все аминокислоты. Например, люди могут синтезировать только 11 из 20 стандартных аминокислот (также известных как заменимая аминокислота ), и во время ускоренного роста гистидин может считаться незаменимая аминокислота.
Из основного набора из двадцати аминокислот (не считая селеноцистеина ) люди не могут синтезировать восемь. Кроме того, аминокислоты аргинин, цистеин, глицин, глутамин, гистидин, пролин., серин и тирозин считаются условно незаменимыми, что означает, что они обычно не требуются в рационе, а должны поступать экзогенно в определенные группы населения, которые не синтезируйте его в достаточном количестве. Например, цикл мочевины синтезирует достаточное количество аргинина, чтобы удовлетворить потребности взрослого, но, возможно, не растущего ребенка. Аминокислоты, которые необходимо получать с пищей, называются незаменимыми аминокислотами. Заменимые аминокислоты вырабатываются в организме. Пути синтеза заменимых аминокислот довольно просты. Глутаматдегидрогеназа катализирует восстановительное аминирование α-кетоглутарата до глутамата. Реакция трансаминирования имеет место при синтезе большинства аминокислот. На этом этапе устанавливается хиральность аминокислоты. Аланин и аспартат синтезируются переаминированием пирувата и оксалоацетата соответственно. Глутамин синтезируется из NH4 + и глутамата, и аспарагин синтезируется аналогичным образом. Пролин и аргинин являются производными глутамата. Серин, образованный из 3-фосфоглицерата, является предшественником глицина и цистеина. Тирозин синтезируется путем гидроксилирования фенилаланина, незаменимой аминокислоты. Пути биосинтеза незаменимых аминокислот намного сложнее, чем пути несущественных.
Кортизол подавляет синтез белка.
Большинство аминокислот синтезируется из α- кетокислот, и позже трансаминированный из другой аминокислоты, обычно глутамата. Фермент, участвующий в этой реакции, представляет собой аминотрансфераза.
Сам глутамат образуется в результате аминирования α -кетоглутарат :
Семейство α-кетоглутарата синтеза аминокислот (синтез глутамата, глутамина, пролина и аргинина) начинается с α-кетоглутарата, промежуточного соединения в Цикл лимонной кислоты. Концентрация α-кетоглутарата зависит от активности и метаболизма внутри клетки, а также от регуляции ферментативной активности. В цитрат-синтазе E.coli фермент , участвующий в реакции конденсации, инициирующей цикл лимонной кислоты, сильно ингибируется ингибированием по обратной связи α-кетоглутаратом и может ингибироваться DPNH, а также высокими концентрациями АТФ. Это один из начальных правил синтеза аминокислот семейства α-кетоглутарата.
Регулирование синтеза глутамата из α-кетоглутарата является предметом регулирующего контроля цикла лимонной кислоты, а также массового воздействия в зависимости от концентраций реагентов. вовлечены из-за обратимого характера реакций трансаминирования и глутаматдегидрогеназы.
Превращение глутамата в глутамин регулируется глутаминсинтетазой (GS) и является ключевым шаг в метаболизме азота. Этот фермент регулируется по крайней мере четырьмя различными механизмами: 1. Подавление и депрессия из-за уровней азота ; 2. Активация и инактивация за счет ферментативных форм (напряженная и расслабленная); 3. Ингибирование кумулятивной обратной связи через метаболиты конечного продукта; и 4. Изменения фермента из-за аденилирования и деаденилирования. В богатых азотом средах или условиях роста, содержащих высокие количества аммиака, наблюдается низкий уровень GS, тогда как в предельных количествах аммиака удельная активность фермента в 20 раз выше. Подтверждение фермента играет роль в регуляции в зависимости от того, находится ли GS в напряженной или расслабленной форме. Натянутая форма GS полностью активна, но удаление марганца переводит фермент в расслабленное состояние. Специфическое конформационное состояние возникает на основе связывания определенных двухвалентных катионов и также связано с аденилированием. Ингибирование GS по принципу обратной связи происходит из-за кумулятивной обратной связи из-за нескольких метаболитов, включая L-триптофан, L-гистидин, AMP, CTP, глюкозамин-6-фосфат и карбамилфосфат, аланин и глицин. Избыток любого одного продукта индивидуально не ингибирует фермент, но комбинация или накопление всех конечных продуктов оказывает сильное ингибирующее действие на синтез глутамина. Активность глутаминсинтазы также ингибируется посредством аденилирования. Активность аденилирования катализируется бифункциональным ферментом аденилилтрансфераза / удаление аденилила (AT / AR). Глутамин и регуляторный белок, называемый PII, действуют вместе, чтобы стимулировать аденилирование.
Регуляция биосинтеза пролина может зависеть от начального контрольного шага через ингибирование отрицательной обратной связи. В E. coli пролин аллостерически ингибирует глутамат-5-киназу, которая катализирует реакцию L-глутамата на нестабильный промежуточный L-γ-глутамилфосфат.
Синтез аргинина также использует отрицательную обратную связь, а также репрессор через репрессор кодируется геном argR. Продукт гена argR, ArgR апорепрессора и аргинина в качестве корепрессора влияет на оперон биосинтеза аргинина. Степень репрессии определяется концентрацией репрессорного белка и уровнем корепрессора.
Фенилаланин, тирозин и триптофан, ароматические аминокислоты, происходят из хоризмат. На первом этапе, конденсации 7-фосфата 3-дезокси-D-арабиногептулозоновой кислоты (DAHP) из PEP / E4P, используются три изофермента AroF, AroG и AroH. Синтез каждого из них регулируется тирозином, фенилаланином и триптофаном соответственно. Остальные ферменты в общем пути (превращение DAHP в хоризмат), по-видимому, синтезируются конститутивно, за исключением шикимат киназы, которая может ингибироваться шикиматом посредством линейного ингибирования смешанного типа.
Тирозин и фенилаланин биосинтезируются из префената, который превращается в специфичный для аминокислоты промежуточный продукт. Этот процесс опосредуется фенилаланином (PheA) или тирозин (TyrA), специфичной для хоризматмутазы-префенатдегидрогеназы. PheA использует простую дегидрогеназу для преобразования префената в фенилпируват, тогда как TyrA использует NAD-зависимую дегидрогеназу для получения 4-гидроксилфенилпирувата. И PheA, и TyrA по обратной связи ингибируются соответствующими аминокислотами. Тирозин также может подавляться на уровне транскрипции репрессором TyrR. TyrR связывается с блоками TyrR на опероне рядом с промотором гена, который он хочет репрессировать.
Биосинтез триптофана включает превращение хоризмата в антранилат с использованием антранилатсинтазы. Этот фермент требует либо глутамина в качестве донора аминогруппы, либо самого аммиака. Антранилатсинтаза регулируется продуктами генов trpE и trpG. trpE кодирует первую субъединицу, которая связывается с хоризматом и перемещает аминогруппу от донора к хоризмату. trpG кодирует вторую субъединицу, которая облегчает перенос аминогруппы из глутамина. Антранилатсинтаза также регулируется ингибированием по обратной связи: триптофан является ко-репрессором репрессора TrpR.
Семейство оксалоацетат / аспартат аминокислот состоит из лизина, аспарагина, метионин, треонин и изолейцин. Аспартат может быть преобразован в лизин, аспарагин, метионин и треонин. Треонин также дает изолейцин. Связанные ферменты подвергаются регуляции посредством ингибирования и / или репрессии по обратной связи на генетическом уровне. Как типично для сильно разветвленных метаболических путей, дополнительная регуляция в каждой точке ветвления пути. Этот тип схемы регуляции позволяет контролировать общий поток пути аспартата в дополнение к общему потоку отдельных аминокислот. В аспартатном пути L-аспарагиновая кислота используется в качестве предшественника для биосинтеза одной четвертой аминокислотных составляющих.
Биосинтез аспартата часто включает переаминирование оксалоацетата.
Фермент аспартокиназа, который катализирует фосфорилирование аспартата и инициирует его превращение в другие аминокислоты, может быть разделен на 3 изофермента., АК-I, II и III. AK-I ингибируется треонином, тогда как AK-II и III ингибируются лизином. В качестве примечания, AK-III катализирует фосфорилирование аспарагиновой кислоты, которое является коммитированной стадией в этом пути биосинтеза. Аспартаткиназа подавляется наличием треонина или лизина.
Лизин синтезируется из аспартата по диаминопимелатному (DAP) пути. Первые две стадии пути DAP катализируются аспартокиназой и полуальдегиддегидрогеназой аспартата. Эти ферменты играют ключевую роль в биосинтезе лизина, треонина и метионина. Существуют две бифункциональные аспартокиназа / гомосериндегидрогеназы, ThrA и MetL, в дополнение к монофункциональной аспартокиназе, LysC. Транскрипция генов аспартокиназы регулируется концентрациями продуцируемых впоследствии аминокислот, лизина, треонина и метионина. Чем выше концентрация этих аминокислот, тем меньше транскрибируется ген. ThrA и LysC также ингибируются треонином и лизином. Наконец, DAP-декарбоксилаза LysA опосредует последнюю стадию синтеза лизина и является общей для всех изученных видов бактерий. Образование аспартаткиназы (АК), которая катализирует фосфорилирование аспартата и инициирует его превращение в другие аминокислоты, также ингибируется как лизином, и треонином, который предотвращает образование аминокислот, полученных из аспартата. Кроме того, высокие концентрации лизина подавляют активность дигидродипиколинатсинтазы (DHPS). Таким образом, помимо ингибирования первого фермента пути биосинтеза семейств аспартата, лизин также ингибирует активность первого фермента после точки ветвления, то есть фермента, специфичного для собственного синтеза лизина.
Биосинтез аспарагина происходит с аспартатом с использованием фермента трансаминазы. Фермент аспарагинсинтетаза производит аспарагин, AMP, глутамат и пирофосфат из аспартата, глутамина и ATP. В реакции аспарагинсинтетазы АТФ используется для активации аспартата с образованием β-аспартил-АМФ. Глютамин отдает аммониевую группу, которая реагирует с β-аспартил-АМФ с образованием аспарагина и свободного АМФ.
Биосинтез аспартата и аспарагина из оксалоацетата. Две аспарагин синтетазы обнаружены в бактериях. Оба они называются белком AsnC . Они кодируются генами AsnA и AsnB. AsnC регулируется аутогенно, то есть продукт структурного гена регулирует экспрессию оперона, в котором находятся эти гены. Стимулирующий эффект AsnC на транскрипцию AsnA подавляется аспарагином. Однако аспарагин не влияет на ауторегуляцию AsnC.
Биосинтез путем транссульфурации начинается с аспарагиновой кислоты. Соответствующие ферменты включают аспартокиназу, аспартат-полуальдегиддегидрогеназу, гомосериндегидрогеназу, гомосерин-O-транссукцинилазу, цистатионин-γ-синтазу., Цистатионин-β-лиаза (у млекопитающих эту стадию выполняет гомоцистеинметилтрансфераза или бетаин-гомоцистеин-S-метилтрансфераза.)
Биосинтез метионина строго регулируется. Репрессорный белок MetJ в сотрудничестве с корепрессорным белком S-аденозил-метионином опосредует подавление биосинтеза метионина. Регулятор MetR необходим для экспрессии генов MetE и MetH и функционирует как трансактиватор транскрипции для этих генов. Транскрипционная активность MetR регулируется гомоцистеином, который является метаболическим предшественником метионина. Также известно, что витамин B12 может подавлять экспрессию гена MetE, которая опосредуется холоферментом MetH.
В растениях и микроорганизмах треонин синтезируется из аспарагиновой кислоты через α-аспартил-полуальдегид и гомосерин. Гомосерин подвергается О-фосфорилированию; этот фосфатный сложный эфир подвергается гидролизу одновременно с перемещением группы ОН. Ферменты, участвующие в типичном биосинтезе треонина, включают аспартокиназу, β-аспартат-полуальдегиддегидрогеназу, гомосериндегидрогеназу, гомосеринкиназу, треонинсинтаза.
Биосинтез треонина регулируется посредством аллостерической регуляции его предшественника, гомосерина, путем структурного изменения фермента гомосериндегидрогеназы. Эта реакция происходит в ключевой точке разветвления пути, при этом гомосерин-субстрат служит предшественником для биосинтеза лизина, метионина, треонина и изолейцина. Высокие уровни треонина приводят к низким уровням синтеза гомосерина. Синтез аспартаткиназы (AK), которая катализирует фосфорилирование аспартата и инициирует его превращение в другие аминокислоты, ингибируется лизином, изолейцином и треонин, который предотвращает синтез аминокислот, полученных из аспартата. Таким образом, помимо ингибирования первого фермента пути биосинтеза семейств аспартата, треонин также подавляет активность первого фермента после точки ветвления, то есть фермента, специфичного для собственного синтеза треонина.
В растениях и микроорганизмах изолейцин биосинтезируется из пировиноградной кислоты и альфа-кетоглутарата. Ферменты, участвующие в этом биосинтезе, включают ацетолактатсинтазу (также известную как синтаза ацетогидроксикислот), дегидратаза дигидроксикислот и валинаминотрансфераза.
С точки зрения регуляции, ферменты треониндезаминазы, дегидраза дигидроксикислот и трансаминаза контролируются регуляцией конечного продукта. то есть присутствие изолейцина подавляет биосинтез треонина. Высокие концентрации изолейцина также приводят к подавлению превращения аспартата в промежуточный аспартилфосфат, тем самым останавливая дальнейший биосинтез лизина, метионина, треонина и изолейцин.
Синтез гистидина в E. coli представляет собой сложный путь с участием нескольких ферментов. Синтез начинается с фосфорилирования 5-фосфорибозилпирофосфата (PRPP), катализируемого АТФ-фосфорибозилтрансферазой. Фосфорибозил-АТФ превращается в фосфорибозил-АМФ (PRAMP). His4 затем катализирует образование фосфорибозилформино-AICAR-фосфата, который затем превращается в фосфорибулозилформино-AICAR-P продуктом гена His6. His7 расщепляет фосфорибулозилформино-AICAR-P с образованием D -эритроимидазол-глицеринфосфата. После этого His3 образует имидазол-ацетол-фосфат с выделением воды. His5 затем образует L -гистидинолфосфат, который затем гидролизуется с образованием His2. His4 катализирует окисление L -гистидинола с образованием L -гистидинала, аминоальдегида. На последнем этапе L -гистидинал превращается в L-гистидин.
В целом биосинтез гистидина у растений и микроорганизмов очень похож.
HisG → HisE / HisI → HisA → HisH → HisF → HisB → HisC → HisB → HisD (HisE / I и HisB оба являются бифункциональными ферментами)
Ферменты закодированы в его опероне. Этот оперон имеет отдельный блок лидерной последовательности, называемый блоком 1:
Met-Thr-Arg-Val-Gln-Phe-Lys-His-His-His-His-His-His-His-Pro. -Asp
Эта лидерная последовательность важна для регуляции гистидина в E. coli. Его оперон работает в рамках системы скоординированной регуляции, при которой все генные продукты будут подавляться или подавляться в равной степени. Основным фактором подавления или дерепрессии синтеза гистидина является концентрация заряженных гистидином тРНК. Регулирование гистидина на самом деле довольно просто, учитывая сложность пути его биосинтеза, и оно очень похоже на регулирование триптофана. В этой системе полная лидерная последовательность имеет 4 блока дополнительных цепей, которые могут образовывать структуры петель шпильки. Блок 1, показанный выше, является ключом к регулированию. Когда уровни гистидина заряженной тРНК в клетке низкие, рибосома будет останавливаться на цепочке остатков His в блоке 1. Это остановка рибосомы позволит комплементарно пряди 2 и 3, чтобы сформировать петлю шпильки. Петля, образованная нитями 2 и 3, образует антитерминатор, и трансляция his-генов будет продолжаться, и будет производиться гистидин. Однако, когда уровни тРНК, заряженной гистидином, высоки, рибосома не остановится в блоке 1, это не позволит нитям 2 и 3 образовать шпильку. Вместо этого нити 3 и 4 будут образовывать петлю шпильки дальше по ходу от рибосомы. Петля шпильки, образованная нитями 3 и 4, является завершающей петлей, когда рибосома входит в контакт с петлей, она «сбивает» транскрипт. Когда рибосома удалена, his гены не будут транслироваться, и гистидин не будет продуцироваться клеткой.
серин является первой продуцируемой аминокислотой в этом семействе; затем его модифицируют с образованием как глицина, так и цистеина (и многих других биологически важных молекул). Серин образуется из 3-фосфоглицерата по следующему пути:
3-фосфоглицерат → фосфогидроксилпируват → фосфосерин → серин
Превращение 3-фосфоглицерата в фосфогидроксилпируват достигается с помощью фермента фосфоглицератдегидрогеназа. Этот фермент является ключевым регулятором на этом пути. Фосфоглицератдегидрогеназа регулируется концентрацией серина в клетке. При высоких концентрациях этот фермент будет неактивен, и серин не будет продуцироваться. При низких концентрациях серина фермент будет полностью активен, и серин будет продуцироваться бактерией . Поскольку серин является первой аминокислотой, продуцируемой в этом семействе, как глицин, так и цистеин будут регулироваться доступной концентрацией серина в клетке.
Глицин биосинтезируется из серина, катализируемого серином гидроксиметилтрансфераза (SHMT). Фермент эффективно заменяет гидроксиметильную группу на атом водорода.
SHMT кодируется геном glyA. Регуляция glyA сложна и, как известно, включает серин, глицин, метионин, пурины, тимин и фолаты. Полный механизм еще предстоит выяснить. Известно, что продукт гена метионина MetR и промежуточный метионин гомоцистеин положительно регулируют глиА. Гомоцистеин является коактиватором glyA и должен действовать совместно с MetR. С другой стороны, известно, что PurR, белок, который играет роль в синтезе пурина, и S-адено-сильметионин подавляют глиА. PurR связывается непосредственно с контрольной областью glyA и эффективно выключает ген, так что глицин не будет продуцироваться бактерией.
Гены, необходимые для синтеза цистеина, кодируются на цис-регулоне. Интеграция серы положительно регулируется CysB. Эффективными индукторами этого регулона являются N-ацетил-серин (NAS) и очень небольшие количества восстановленной серы. CysB функционирует путем связывания с полусайтами ДНК на cys-регулоне. Эти половинки сайтов различаются по количеству и расположению в зависимости от интересующего промоутера. Однако есть одна половина сайта, которая сохраняется. Он находится прямо перед сайтом -35 промотора. Есть также несколько дополнительных сайтов в зависимости от промоутера. В отсутствие индуктора, NAS, CysB будет связывать ДНК и покрывать многие из дополнительных полусайтов. Без дополнительных полусайтов регулон не может быть транскрибирован и цистеин не будет продуцироваться. Считается, что присутствие NAS заставляет CysB претерпевать конформационные изменения. Это конформационное изменение позволяет CysB правильно связываться со всеми половинными сайтами и вызывает рекрутирование РНК-полимеразы. Затем РНК-полимераза расшифрует цисрегулон, и будет производиться цистеин.
Однако для этого пути требуется дальнейшее регулирование. CysB может подавлять собственную транскрипцию, связываясь со своей собственной последовательностью ДНК и блокируя РНК-полимеразу. В этом случае NAS будет действовать, чтобы запретить связывание CysB с его собственной последовательностью ДНК. OAS является предшественником NAS, цистеин сам по себе может ингибировать CysE, который функционирует для создания OAS. Без необходимого OAS не будет производиться NAS и не будет производиться цистеин. Есть два других негативных регулятора цистеина. Это молекулы сульфида и тиосульфата, они действуют для связывания с CysB и конкурируют с NAS за связывание CysB.
Пируват, конечный результат гликолиза, может использоваться как в цикле ТСА, так и в процессах ферментации. Реакции, начинающиеся с одной или двух молекул пирувата, приводят к синтезу аланина, валина и лейцина. Ингибирование конечных продуктов с помощью обратной связи является основным методом ингибирования, и в E. coli оперон ilvEDA также играет роль в этой регуляции.
Аланин образуется путем трансаминирования одной молекулы пирувата с использованием двух альтернативных стадий: 1) превращение глутамата в α-кетоглутарат с использованием глутамат-аланинтрансаминазы и 2) превращение превращение валина в α-кетоизовалерат через трансаминазу C.
О регуляции синтеза аланина известно немного. Единственным определенным методом является способность бактерии подавлять активность трансаминазы C либо валином, либо лейцином (см. оперон ilvEDA ). Помимо этого, биосинтез аланина, по-видимому, не регулируется.
Валин продуцируется четырехферментным путем. Он начинается с конденсации двух эквивалентов пирувата, катализируемой синтазой ацетогидроксикислот, с образованием α-ацетолактата. Второй этап включает НАДФН-зависимое восстановление α-ацетолактата и миграцию метильных групп с образованием α, β-дигидроксиизовалерата. Это катализируется ацетогидроксиизомероредуктазой. Третья стадия - дегидратация α, β-дигидроксиизовалерата, катализируемая дегидразой дигидроксикислоты. На четвертом и последнем этапе полученный α-кетоизовалерат подвергается трансаминированию, катализируемому либо аланин-валин трансаминазой, либо глутамат-валин трансаминазой. Биосинтез валина подвергается ингибированию по принципу обратной связи при производстве синтазы ацетогидроксикислот.
Путь синтеза лейцина отличается от пути синтеза валина, начиная с α-кетоизовалерата. α-Изопропилмалатсинтаза катализирует эту конденсацию с ацетил-КоА с образованием α-изопропилмалата. Изомераза превращает α-изопропилмалат в β-изопропилмалат. Третий этап - это НАД-зависимое окисление β-изопропилмалата, катализируемое дегидрогеназой. Заключительным этапом является трансаминирование α-кетоизокапроата под действием глутамат-лейцинтрансаминазы.
Лейцин, как и валин, регулирует первую стадию своего пути, ингибируя действие α-изопропилмалатсинтазы. Поскольку лейцин синтезируется путем отклонения от пути синтеза валина, ингибирование валина на его пути обратной связи также может подавлять синтез лейцина.
Гены, которые кодируют дегидразу дигидроксикислот, используемую в создании α-кетоизовалерата и трансаминазы E, а также другие ферменты, кодируются в опероне ilvEDA. Этот оперон связывается и инактивируется валином, лейцином и изолейцином. (Изолейцин не является прямым производным пирувата, но вырабатывается с помощью многих из тех же ферментов, которые используются для производства валина и, косвенно, лейцина.) Когда одна из этих аминокислот ограничена, ген, наиболее удаленный от аминокислоты сайт связывания этого оперона можно транскрибировать. Когда вторая из этих аминокислот ограничена, может быть транскрибирован ближайший к сайту связывания ген и т. Д.
Коммерческое производство аминокислот обычно полагается на мутантные бактерии, которые чрезмерно продуцируют отдельные аминокислоты, используя глюкозу в качестве источника углерода. Некоторые аминокислоты производятся путем ферментативного превращения синтетических промежуточных продуктов. 2-Аминотиазолин-4-карбоновая кислота представляет собой промежуточное соединение в промышленном синтезе, например, L- цистеина. Аспарагиновая кислота производится добавлением аммиака к фумарату с использованием лиазы.
