Синтез аминокислот - Amino acid synthesis
Синтез аминокислот - это набор биохимических процессов ( метаболических путей ), посредством которых производятся аминокислоты . Субстратами для этих процессов являются различные соединения в рационе организма или питательной среде. Не все организмы способны синтезировать все аминокислоты. Например, люди могут синтезировать только 11 из 20 стандартных аминокислот (также называемых незаменимыми аминокислотами ), а во время ускоренного роста гистидин может считаться незаменимой аминокислотой .
Из промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты и других путей
Из основного набора из двадцати аминокислот (не считая селеноцистеина ) человек не может 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 доставляться экзогенно конкретным популяциям, которые не синтезируют их в организме. адекватные количества. 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 производятся в организме. Пути синтеза заменимых аминокислот довольно просты. Глутаматдегидрогеназа катализирует восстановительное аминирование α-кетоглутарата до глутамата. При синтезе большинства аминокислот происходит реакция переаминирования . На этом этапе устанавливается хиральность аминокислоты. Аланин и аспартат синтезируются путем переаминирования пирувата и оксалоацетата соответственно. Глутамин синтезируется из NH4 + и глутамата, аналогично синтезируется аспарагин . 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.
α-Кетоглутараты: глутамат, глутамин, пролин, аргинин
Большинство аминокислот синтезируется из α- кетокислот , а затем трансаминируется из другой аминокислоты, обычно глутамата . Фермент, участвующий в этой реакции, - аминотрансфераза .
- α-кетокислота + глутамат ⇄ аминокислота + α-кетоглутарат
Глутамат сам образован аминирования из -кетоглутарата :
-
α-кетоглутарат + NH +
4 ⇄ глутамат
Семейство α-кетоглутарата синтеза аминокислот (синтез глутамата, глутамина, пролина и аргинина) начинается с α-кетоглутарата, промежуточного звена в цикле 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 одно 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 задействованных реагентов из-за обратимого характера реакций трансаминирования и глутаматдегидрогеназы.
Превращение глутамата в глутамин регулируется глутамин синтетазой (GS) и является ключевым этапом в метаболизме азота. Этот фермент регулируется по крайней мере четырьмя различными механизмами: 1. Подавление и депрессия из-за уровня 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 большое количество 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 с обратной связью 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 какого-либо 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.
Регулирование биосинтеза пролина может зависеть от начального этапа контроля посредством ингибирования отрицательной обратной связи. В E. coli пролин аллостерически ингибирует глутамат-5-киназу, которая катализирует реакцию от L-глутамата до нестабильного промежуточного соединения L-γ-глутамилфосфата.
Синтез аргинина также использует отрицательную обратную связь, а также репрессию через репрессор, кодируемый геном argR . Продукт гена argR , ArgR как апорепрессора и аргинина как корепрессора влияют на оперон биосинтеза аргинина. Степень репрессии определяется концентрацией белка-репрессора и уровнем корепрессора.
Эритрозо-4-фосфат и фосфоенолпируват: фенилаланин, тирозин и триптофан
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 общего пути (превращение DAHP в хоризмат), по-видимому, синтезируются конститутивно, за исключением шикимат киназы , которая может подавляться 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 тирозином (TyrA), специфичным для хоризматмутазы-префенатдегидрогеназы. PheA использует простую дегидрогеназу для преобразования префената в фенилпируват , в то время как TyrA использует NAD-зависимую дегидрогеназу для производства 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 преобразование 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.
Оксалоацетат / аспартат: лизин, аспарагин, метионин, треонин и изолейцин
Семейство оксалоацетат / аспартат аминокислот состоит из лизина , аспарагина , метионина , треонина и изолейцина . Аспартат может превращаться в лизин, аспарагин, метионин и треонин. Треонин также дает изолейцин . Связанные ферменты регулируются 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 регуляторной схемы 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.
Аспартат
Биосинтез аспартата часто включает переаминирование оксалоацетата.
Фермент аспартокиназа , который катализирует фосфорилирование из аспартата и инициирует его превращение в другие аминокислоты, может быть разбита на 3 изоферменты, АК-I, II и III. AK-I ингибируется треонином , в то время как AK-II и III ингибируются лизином . Как Замечание, АК-III , катализирует фосфорилирование из аспарагиновой кислоты , которая является приверженным шагом в этом пути биосинтеза. Аспартаткиназа подавляется присутствием треонина или лизина .
Лизин
Лизин синтезируется из аспартата через диаминопимелатный (DAP) путь. Первые две стадии пути DAP катализируются аспартокиназой и аспартат-полуальдегиддегидрогеназой. 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, так и треонином , что предотвращает образование аминокислот, полученных из аспартата. Кроме того, высокие концентрации лизина подавляют активность дигидродипиколинатсинтазы (DHPS). Таким образом, помимо ингибирования первого фермента пути биосинтеза семейств аспартатов, лизин также ингибирует активность первого фермента после точки ветвления, то есть фермента, который специфичен для собственного синтеза лизина.
Аспарагин
Биосинтез аспарагина происходит из аспартата с использованием фермента трансаминазы . Фермент аспарагинсинтетаза производит аспарагин, АМФ , глутамат и пирофосфат из аспартата, глутамина и АТФ . В реакции аспарагинсинтетазы АТФ используется для активации аспартата с образованием β-аспартил-АМФ. Глутамин отдает аммонийную группу, которая реагирует с β-аспартил-АМФ с образованием аспарагина и свободного АМФ.
Две аспарагинсинтетазы 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.
Метионин
Биосинтез путем транссульфурации начинается с аспарагиновой кислоты. Соответствующие ферменты включают аспартокиназы , аспартаты-полуальдегиддегидрогеназу , гомосериндегидрогеназа , гомосерин О-transsuccinylase , цистатионин-γ-синтазы , цистатионин-бету-лиазу (у млекопитающих, этот шаг осуществляются гомоцистеин метилтрансферазой или бетаин-гомоцистеин S-метилтрансферазой .)
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.
Треонин
У растений и микроорганизмов треонин синтезируется из аспарагиновой кислоты через α-аспартил-полуальдегид и гомосерин . Гомосерин подвергается О- фосфорилированию; этот сложный эфир фосфорной кислоты подвергается гидролизу одновременно с перемещением группы ОН. Ферменты, участвующие в типичном биосинтезе треонина, включают аспартокиназу , β-аспартат-полуальдегиддегидрогеназу , гомосериндегидрогеназу , гомосеринкиназу , треонинсинтазу .
Биосинтез треонина регулируется посредством аллостерической регуляции его предшественника, гомосерина , путем структурного изменения фермента гомосериндегидрогеназы. Эта реакция происходит в ключевой точке разветвления пути, когда субстрат гомосерин служит предшественником для биосинтеза лизина, метионина, треонина и изолейцина. Высокий уровень треонина приводит к низкому уровню синтеза гомосерина. Синтез аспартаткиназы (АК), которая катализирует фосфорилирование аспартата и инициирует его превращение в другие аминокислоты, ингибируется лизином , изолейцином и треонином , что препятствует синтезу аминокислот, полученных из аспартата. Таким образом, помимо ингибирования первого фермента пути биосинтеза семейств аспартата, треонин также ингибирует активность первого фермента после точки ветвления, то есть фермента, специфичного для собственного синтеза треонина.
Изолейцин
В растениях и микроорганизмах изолейцин биосинтезируется из пировиноградной кислоты и альфа-кетоглутарата . Ферменты, участвующие в этом биосинтезе, включают ацетолактатсинтазу (также известную как синтаза ацетогидроксикислот ), изомероредуктаза ацетогидроксикислот , дегидратаза дигидроксикислот и валинаминотрансфераза .
Что касается регуляции, ферменты треониндезаминаза, дегидраза дигидроксикислот и трансаминаза контролируются регуляцией конечного продукта. т.е. присутствие изолейцина снижает биосинтез треонина. Высокие концентрации изолейцина также приводят к подавлению превращения аспартата в промежуточный аспартилфосфат, тем самым останавливая дальнейший биосинтез лизина , метионина , треонина и изолейцина .
Рибозо-5-фосфаты: гистидин
Синтез гистидина в E. coli - 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 высвобождением воды. His5 затем производит L- гистидинол-фосфат, который затем гидролизуется His2 с образованием гистидинола . 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 кодируются опероном his. 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 по системе координированного регулирования , где все генные продукты будут репрессированы или депрессии одинаково. 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 тРНК, заряженной гистидином , низкие в клетке, рибосома будет останавливаться на цепочке остатков His в блоке 1. Это остановка рибосомы позволяет комплементарным цепям 2 и 3 образовывать шпильку. 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, его гены не будут транслироваться, и гистидин не будет вырабатываться клеткой.
3-фосфоглицераты: серин, глицин, цистеин
Серин
Серин - первая производимая аминокислота в этом семействе; затем он модифицируется для производства как глицина, так и цистеина (и многих других биологически важных молекул). Серин образуется из 3-фосфоглицерата по следующему пути:
3-фосфоглицерат → фосфогидроксил-пируват → фосфосерин → серин
Превращение 3-фосфоглицерата в фосфогидроксилпируват достигается ферментом фосфоглицератдегидрогеназой . Этот фермент является ключевым регуляторным звеном 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 бактерия будет продуцировать серин . Поскольку серин является первой аминокислотой, продуцируемой в этом семействе, и глицин, и цистеин будут регулироваться доступной концентрацией серина в клетке.
Глицин
Глицин биосинтезируется из серина под действием серингидроксиметилтрансферазы (SHMT). Фермент эффективно заменяет гидроксиметильную группу на атом водорода.
SHMT кодируется геном glyA . Регулирование glyA является сложным и, как известно, включает серин, глицин, метионин, пурины, тимин и фолаты. Полный механизм еще предстоит выяснить. Известно, что продукт гена метионина MetR и промежуточный метиониновый 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-силметионин подавляют глиА . PurR связывается непосредственно с контрольной областью glyA и эффективно выключает ген, чтобы бактерия не вырабатывала глицин.
Цистеин
Гены, необходимые для синтеза цистеина , кодируются цис-регулоном . 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 дополнительные полусайты . 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 связываются с CysB и конкурируют с NAS за связывание с CysB.
Пируват: аланин, валин и лейцин
Пируват, конечный результат гликолиза , может использоваться как в цикле TCA, так и в процессах ферментации . Реакции, начинающиеся с одной или двух молекул пирувата, приводят к синтезу аланина, валина и лейцина. Обратная связь ингибирование конечных продуктов является основным способом торможения, и в E.coli , , то ilvEDA оперон также играет определенную роль в этом регулировании.
Аланин
Аланин образуется путем трансаминирования одной молекулы пирувата с использованием двух альтернативных этапов: 1) превращение глутамата в α-кетоглутарат с использованием глутамат-аланинтрансаминазы и 2) превращение валина в α-кетоизовалерат с помощью трансаминазы C.
О регуляции синтеза аланина известно немного. Единственным определенным методом является способность бактерии подавлять активность трансаминазы C либо валином, либо лейцином (см. Оперон ilvEDA ). В остальном биосинтез аланина, по-видимому, не регулируется.
Валин
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. Третий этап - 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 обратной связи в производстве синтазы ацетогидроксикислот.
Лейцин
Путь синтеза лейцина отклоняется от пути 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 с помощью обратной связи также может подавлять синтез лейцина.
ilvEDA оперон
Гены, кодирующие дегидразу дигидроксикислот, используемую в создании α-кетоизовалерата и трансаминазы E, а также другие ферменты, кодируются опероном 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 следующий ближайший к сайту связывания ген и так далее.
Коммерческий синтез аминокислот
Коммерческое производство аминокислот обычно зависит от мутантных бактерий, которые перепроизводят отдельные аминокислоты, используя глюкозу в качестве источника углерода. Некоторые аминокислоты производятся путем ферментативного превращения синтетических промежуточных продуктов. 2-Аминотиазолин-4-карбоновая кислота является промежуточным продуктом, например, в промышленном синтезе L- цистеина . Аспарагиновая кислота производится добавлением аммиака к фумарату с использованием лиазы.