Тірі организмдерде биосинтез процесі

Кіріспе

Тірі организмдерде субстраттардың күрделі өнімдерге айналу процесі. Молекулалық биологияда биосинтез – бұл ферменттер катализдейтін көп қадамды процесс, онда субстраттар тірі организмдерде күрделі өнімдерге айналады. Биосинтезде қарапайым қосылыстар өзгертіліп, басқа қосылыстарға түрлендіріледі немесе макромолекулаларды құру үшін бірігеді. Бұл процесс көбінесе метаболизм жолдарынан тұрады. Осы биосинтез жолдарының кейбіреулері бір жасушалық органелланың ішінде орналасса, ал басқалары бірнеше жасушалық органеллаларда орналасқан ферменттерді қамтиды. Мұндай биосинтез жолдарының мысалдары липидтік мембрана компоненттері мен нуклеотидтерді өндіруді қамтиды. Биосинтез көбінесе анаболизммен синонимді. Биосинтез үшін қажетті элементтер: прекурсорлық қосылыстар, химиялық энергия (мысалы, АТФ) және коэнзимдерді қажет ететін каталитикалық ферменттер (мысалы, НАДН, НАДФ). Бұл элементтер макромолекулалардың құрылыс блоктары болып табылатын мономерлерді жасайды. Маңызды биологиялық макромолекулаларға мыналар жатады: аминқышқылдарының мономерлері пептидтік байланыстар арқылы бірігіп құрылған белоктар және фосфодиэстерлік байланыстар арқылы бірігіп құрылған нуклеотидтерден тұратын ДНК молекулалары.

Липидтер

Көптеген күрделі макромолекулалар қарапайым, қайталанатын құрылымдар үлгісінде синтезделеді. Мысалы, липидтердің ең қарапайым құрылымы – май қышқылдары. Май қышқылдары көмірсутектердің туындылары болып табылады; олар карбоксил тобынан тұратын "бас" бөлігі және көмірсутектік тізбегінен тұратын "құйрық" бөлігін қамтиды.

Фосфолипидтер

Барлық биомембраналардың негізі фосфолипидтердің екі қабатты құрылымынан тұрады. Фосфолипид молекуласы амфипатиялық, яғни оның құрамында суды тартатын полярлы бас жане суды қашқаратын полярсыз құйрық бар. Фосфолипидтердің түрлері әртүрлі болғандықтан, олардың синтез жолдары да әртүрлі. Дегенмен, фосфолипид синтезінің бірінші қадамы эндоплазмалық торда және сыртқы митохондриялық мембранада фосфатидат немесе диацилглицерол-3 фосфатының түзілуімен басталады. Содан кейін лизофосфатидат, тағы бір май қышқылы тізбегінің қосылуы арқылы, екінші ацил-КоА көмегімен фосфатидатқа айналады; осы қадамдардың барлығы глицерол фосфаты ацилтрансфераза ферментімен катализденеді. Сфинголипидтер эукариоттық жасушаларда кездеседі және олар орталық нерв жүйесінде ерекше көп. Сфингозиннің биосинтез жолы төменде келтірілген:

Суретте көрсетілгендей, сфингозин синтезі кезінде палмитоил-КоА және серин конденсациялық реакцияға түсіп, 3-дегидросфинганин пайда болады.

Амино қышқылдардың негізгі құрылымы

Стандартты аминқышқылдарының жалпы құрылымына бастапқы амин тобы, карбоксил тобы және α-көміртегіне бекітілген функционалдық топ кіреді. Әртүрлі аминқышқылдары функционалдық тобы арқылы анықталады. α-көміртегіне бекітілген үш түрлі топтың нәтижесінде аминқышқылдары асимметриялық молекулалар болып табылады. Глициннен басқа барлық стандартты аминқышқылдарының α-көміртегі хиральдық орталық болып табылады. Глицин жағдайында α-көміртегінде екі сутек атомы болады, осылайша бұл молекулаға симметрия қосылады. Пролиннен басқа, тіршілікте кездесетін барлық аминқышқылдары L изоформасынан тұрады. Пролиннің α-көміртегінде функционалдық топ бар, ол амин тобымен бірге сақина құрайды.

Амин қышқылдарының глутаматтар тобы

Глютаматты аминқышқылдар тұқымдасына глютамат аминқышқылынан туындаған аминқышқылдар кіреді. Бұл тұқымға: глутамат, глутамин, пролин және аргинин жатады. Бұл тұқымға α-кетоглутараттан алынған лизин аминқышқылы да кіреді. Глутамат пен глутаминнің биосинтезі жоғарыда талқыланған азотты сіңірудің маңызды қадамы болып табылады. GOGAT және GDH ферменттері азотты сіңіру реакцияларын катализдейді. Бактерияларда глютамат-5 киназа ферменті АТФ-дан глютаматқа фосфат тобын беру арқылы пролиннің биосинтезін бастайды. Келесі реакцияны пирролин-5 карбоксилат синтетазасы (P5CS) катализдейді, ол L-глутамат-5 фосфатының γ-карбоксил тобын тотықтырады. Бұл глютамат-семиальдегидтің түзілуіне әкеледі, ол спонтанды түрде пирролин-5 карбоксилатына айналады. Пирролин-5 карбоксилат пирролин-5 карбоксилат редуктазасы (P5CR) ферментімен одан әрі тотығып, пролин аминқышқылын құрайды. Бактерияларда аргинин биосинтезінің алғашқы қадамында глютамат ацетил-КоА-дан Nα позициясына ацетил тобын беру арқылы ацетилдендіріледі, бұл спонтанды циклданудың алдын алады. N-ацетилглютамат синтетазасы (глютамат N-ацетилтрансферазасы) ферменті ацетилдендіру қадамын катализдейді. Келесі қадамдар N-ацетилглютамат киназасы, N-ацетил-γ-глутамилфосфат редуктазасы және ацетилорнитин/сукцинилдиаминопимелат аминотрансферазасы ферменттерімен катализделді, нәтижесінде N-ацетил-L-орнитин пайда болады. Ацетилорнитиннің ацетил тобын ацетилорнитиназа (AO) немесе орнитин ацетилтрансферазасы (OAT) ферменті алып тастайды, нәтижесінде орнитин пайда болады. Содан кейін цитруллин және аргининосукцинат ферменттері орнитинді аргининге айналдырады. Лизиннің биосинтезінде екі ерекше жол бар: диаминопимел қышқылы және α-аминоадипат жолы. Екі синтетикалық жолдың ең көп таралғаны – диаминопимел қышқылы жолы, ол лизин алу үшін аспартатқа көміртек топтарын қосатын бірнеше ферменттік реакциялардан тұрады: Аспартат киназасы аспартатты фосфорлап, аспартил фосфатын түзетін диаминопимел қышқылы жолын бастайды. Аспартат-семиальдегид дегидрогеназасы аспартил фосфатын NADPH-қа тәуелді тотықтырып, аспартат-семиальдегидті құрайды. 4-гидрокситетрагидродипиколинат синтетазасы β-аспартил-4-семиальдегидке пируват тобын қосып, су молекуласын шығарып тастайды. Бұл циклдануға алып келіп, (2S,4S)-4-гидрокси-2,3,4,5-тетрагидродипиколинат пайда болады. 4-гидрокситетрагидродипиколинат редуктазасы (2S,4S)-4-гидрокси-2,3,4,5-тетрагидродипиколинатты NADPH арқылы тотықтырып, Δ'-пиперидин-2,6-дикарбоксилатты (2,3,4,5-тетрагидродипиколинат) және H2O құрайды. Тетрагидродипиколинат ацилтрансферазасы сақинаның ашылуына әкелетін ацетилдеу реакциясын катализдейді, нәтижесінде N-ацетил-α-амино-ε-кетопимелат пайда болады. N-сукцинил-α-амино-ε-кетопимелат глутамат аминотрансферазасы N-ацетил-α-амино-ε-кетопимелаттың кето тобын алып тастап, оны амин тобымен алмастыратын трансаминация реакциясын катализдейді, нәтижесінде N-сукцинил-L-диаминопимелат пайда болады. N-ацилдиаминопимелат деацилазасы N-сукцинил-L-диаминопимелаттың деацилдеуін катализдейді, нәтижесінде L,L-диаминопимелат пайда болады. DAP эпимеразасы L,L-диаминопимелатты L,L-диаминопимелаттың мезо түріне айналдырады. DAP декарбоксилазасы карбоксил тобын алып тастауды катализдейді, нәтижесінде L-лизин пайда болады.

The glutamate family of amino acids includes the amino acids that derive from the amino acid glutamate. This family includes: glutamate, glutamine, proline, and arginine. This family also includes the amino acid lysine, which is derived from α ketoglutarate. The biosynthesis of glutamate and glutamine is a key step in the nitrogen assimilation discussed above. The enzymes GOGAT and GDH catalyze the nitrogen assimilation reactions. In bacteria, the enzyme glutamate 5 kinase initiates the biosynthesis of proline by transferring a phosphate group from ATP onto glutamate. The next reaction is catalyzed by the enzyme pyrroline 5 carboxylate synthase (P5CS), which catalyzes the reduction of the ϒ carboxyl group of L glutamate 5 phosphate. This results in the formation of glutamate semialdehyde, which spontaneously cyclizes to pyrroline 5 carboxylate. Pyrroline 5 carboxylate is further reduced by the enzyme pyrroline 5 carboxylate reductase (P5CR) to yield a proline amino acid. In the first step of arginine biosynthesis in bacteria, glutamate is acetylated by transferring the acetyl group from acetyl CoA at the N α position; this prevents spontaneous cyclization. The enzyme N acetylglutamate synthase (glutamate N acetyltransferase) is responsible for catalyzing the acetylation step. Subsequent steps are catalyzed by the enzymes N acetylglutamate kinase, N acetyl gamma glutamyl phosphate reductase, and acetylornithine/succinyldiamino pimelate aminotransferase and yield the N acetyl L ornithine. The acetyl group of acetylornithine is removed by the enzyme acetylornithinase (AO) or ornithine acetyltransferase (OAT), and this yields ornithine. Then, the enzymes citrulline and argininosuccinate convert ornithine to arginine. There are two distinct lysine biosynthetic pathways: the diaminopimelic acid pathway and the α aminoadipate pathway. The most common of the two synthetic pathways is the diaminopimelic acid pathway; it consists of several enzymatic reactions that add carbon groups to aspartate to yield lysine:

Aspartate kinase initiates the diaminopimelic acid pathway by phosphorylating aspartate and producing aspartyl phosphate. Aspartate semialdehyde dehydrogenase catalyzes the NADPH dependent reduction of aspartyl phosphate to yield aspartate semialdehyde. 4 hydroxy tetrahydrodipicolinate synthase adds a pyruvate group to the β aspartyl 4 semialdehyde, and a water molecule is removed. This causes cyclization and gives rise to (2S,4S) 4 hydroxy 2,3,4,5 tetrahydrodipicolinate. 4 hydroxy tetrahydrodipicolinate reductase catalyzes the reduction of (2S,4S) 4 hydroxy 2,3,4,5 tetrahydrodipicolinate by NADPH to yield Δ' piperideine 2,6 dicarboxylate (2,3,4,5 tetrahydrodipicolinate) and H2O. Tetrahydrodipicolinate acyltransferase catalyzes the acetylation reaction that results in ring opening and yields N acetyl α amino ε ketopimelate. N succinyl α amino ε ketopimelate glutamate aminotransaminase catalyzes the transamination reaction that removes the keto group of N acetyl α amino ε ketopimelate and replaces it with an amino group to yield N succinyl L diaminopimelate. N acyldiaminopimelate deacylase catalyzes the deacylation of N succinyl L diaminopimelate to yield L,L diaminopimelate. DAP epimerase catalyzes the conversion of L,L diaminopimelate to the meso form of L,L diaminopimelate. DAP decarboxylase catalyzes the removal of the carboxyl group, yielding L lysine.

Сериндер әуесқойлығындағы амин қышқылдар

Сериндік аминқышқылдар отбасына серин, цистеин және глицин жатады. Көптеген микроорганизмдер мен өсімдіктер метионинді синтездеу үшін күкіртті цистеин аминқышқылынан алады. Сонымен қатар, серинді глицинге айналдыру метионин мен гистидиннің биосинтезі үшін қажетті көміртектерді қамтамасыз етеді. Фосфоглицерат дегидрогеназа ферменті 3-фосфо-D-глицератты окистендіріп, 3-фосфонооксипируватты түзеді. Келесі реакцияны фосфоссерин аминтрансфераза ферменті катализдейді, ол глутаматтан амин тобын 3-фосфонооксипируватқа көшіріп, L-фосфоссеринді түзеді. Соңғы қадамды L-серинді алу үшін L-фосфоссеринді дефосфорилдейтін фосфоссерин фосфатаза ферменті катализдейді. Глициннің биосинтезіне екі белгілі жол бар. Көміртегі көзі ретінде этанол мен ацетатты пайдаланатын организмдер глицинді синтездеу үшін гликонеогендік жолды қолданады. Глицин биосинтезінің тағы бір жолы гликолиттік жол деп аталады. Бұл жол гликолиздің аралық өнімдерінен синтезделген серинді глицинге айналдырады. Гликолиттік жолмен серин гидроксиметилтрансфераза ферменті серинді бөліп, глицин мен 5,10-метилентетрагидрофолатты түзеді, сондай-ақ сериннің бөлінген көміртек тобын тетрагидрофолатқа көшіреді. Цистеин биосинтезі – бұл бейорганикалық күкірттің қосылуын қамтитын екі қадамдық реакция. Микроорганизмдер мен өсімдіктерде серин ацетилтрансфераза ферменті ацетил тобын ацетил-CoA-дан L-серинге көшіріп, O-ацетил-L-серин түзеді. Келесі реакция сатысында, O-ацетилсерин (тиол) лиаза ферментімен катализделгенде, O-ацетил-L-сериннің ацетил тобы сульфидпен алмастырылып, цистеин пайда болады.

Амин қышқылдарының аспартат туысы

Аспартат отбасының аминқышқылдарына: треонин, лизин, метионин, изолейцин және аспартат кіреді. Лизин мен изолейцин аспартат отбасының бөлігі саналады, бірақ олардың көміртек қаңқасының бір бөлігі пируваттан туындайды. Метионин жағдайында метил көміртегі серин мен күкірт тобынан алынады, бірақ көптеген организмдерде цистеиннен алынады. Аспарагин аспартаға АТФ-қа тәуелді аминотоптың қосылуы арқылы синтезделеді; аспарагин синтетазасы аспартаға глютаминнен немесе ерітілген аммиактан азоттың қосылуын катализдейді, нәтижесінде аспарагин пайда болады. Лизиннің диаминопимел қышқылының биосинтез жолы аспартат отбасының аминқышқылдарына жатады. Бұл жол аспартатты лизинге айналдыратын тоғыз фермент катализдейтін реакциядан тұрады. Аспартат киназа диаминопимел қышқылы жолының бастапқы қадамын АТФ-тан аспартаттың карбоксилат тобына фосфорил тобын ауыстыру арқылы катализдейді, нәтижесінде аспартил β-фосфат пайда болады. Аспартат-жартылай альдегид дегидрогеназасы аспартил β-фосфатының дефосфорилирленуі арқылы редукция реакциясын катализдейді, нәтижесінде аспартат β-жартылай альдегид пайда болады. Дигидродипиколинат синтетазасы аспартат β-жартылай альдегид пен пируваттың конденсациялық реакциясын катализдейді, нәтижесінде дигидродипиколин қышқылы пайда болады. 4-гидрокситетрагидродипиколинат редуктазасы дигидродипиколин қышқылының тетрагидродипиколин қышқылына дейін тотығуын катализдейді. Тетрагидродипиколинат N-сукцинилтрансферазасы сукцинил CoA-дан тетрагидродипиколин қышқылына сукцинил тобын ауыстыруды катализдейді, нәтижесінде N-сукцинил-L-2,6-диаминогептанедиоат пайда болады. N-сукцинилдиаминопимелат аминотрансферазасы глутаматтан N-сукцинил-L-2,6-диаминогептанедиоатқа аминотоптың ауысуын катализдейді, нәтижесінде N-сукцинил-L,L-диаминопимел қышқылы пайда болады. Сукцинилдиаминопимелат десукцинилазасы N-сукцинил-L,L-диаминопимел қышқылынан ацил тобын алып тастауды катализдейді, нәтижесінде L,L-диаминопимел қышқылы пайда болады. Диаминопимелат эпимеразасы L,L-диаминопимел қышқылының α-көміртегінің инверсиясын катализдейді, нәтижесінде мезо-диаминопимел қышқылы пайда болады. Сиаминопимелат декарбоксилазасы лизин биосинтезінің соңғы қадамын катализдейді, ол L-лизиннің пайда болуы үшін мезо-диаминопимел қышқылынан көмірқышқыл газы тобын алып тастайды.

The aspartate family of amino acids includes: threonine, lysine, methionine, isoleucine, and aspartate. Lysine and isoleucine are considered part of the aspartate family even though part of their carbon skeleton is derived from pyruvate. In the case of methionine, the methyl carbon is derived from serine and the sulfur group, but in most organisms, it is derived from cysteine. Asparagine is synthesized by an ATP dependent addition of an amino group onto aspartate; asparagine synthetase catalyzes the addition of nitrogen from glutamine or soluble ammonia to aspartate to yield asparagine. The diaminopimelic acid biosynthetic pathway of lysine belongs to the aspartate family of amino acids. This pathway involves nine enzyme catalyzed reactions that convert aspartate to lysine. Aspartate kinase catalyzes the initial step in the diaminopimelic acid pathway by transferring a phosphoryl from ATP onto the carboxylate group of aspartate, which yields aspartyl β phosphate. Aspartate semialdehyde dehydrogenase catalyzes the reduction reaction by dephosphorylation of aspartyl β phosphate to yield aspartate β semialdehyde. Dihydrodipicolinate synthase catalyzes the condensation reaction of aspartate β semialdehyde with pyruvate to yield dihydrodipicolinic acid. 4 hydroxy tetrahydrodipicolinate reductase catalyzes the reduction of dihydrodipicolinic acid to yield tetrahydrodipicolinic acid. Tetrahydrodipicolinate N succinyltransferase catalyzes the transfer of a succinyl group from succinyl CoA on to tetrahydrodipicolinic acid to yield N succinyl L 2,6 diaminoheptanedioate. N succinyldiaminopimelate aminotransferase catalyzes the transfer of an amino group from glutamate onto N succinyl L 2,6 diaminoheptanedioate to yield N succinyl L,L diaminopimelic acid. Succinyl diaminopimelate desuccinylase catalyzes the removal of acyl group from N succinyl L,L diaminopimelic acid to yield L,L diaminopimelic acid. Diaminopimelate epimerase catalyzes the inversion of the α carbon of L,L diaminopimelic acid to yield meso diaminopimelic acid. Siaminopimelate decarboxylase catalyzes the final step in lysine biosynthesis that removes the carbon dioxide group from meso diaminopimelic acid to yield L lysine.

Белсенділер

Белсендiң синтезi аударма деп аталатын процесс арқылы жүзеге асады. Аударма кезінде мРНК деп аталатын генетикалық материал рибосомалар арқылы оқылып, протеиндік полипептидтік тізбек пайда болады. Белгілі бір амин қышқылының тануы мен зарядталуына белгілі бір тРНК синтетаза жауапты. Бұл өзара әрекеттесу ақуыз синтезінің орны ретінде қызмет ететін рибосоманың арқасында мүмкін болады. Рибосоманың тРНК-ға байлау үш орны бар: аминоацилдік (А) орны, пептидилдік (Р) орны және шығу (Е) орны. мРНК транскрипті ішінде көптеген кодондар бар және амин қышқылының бірден көп кодонмен анықталуы өте жиі кездеседі; бұл құбылыс дегенерация деп аталады. Барлығы 64 кодон бар, олардың 61-і 20 амин қышқылының біреуін кодтайды, ал қалған кодондар тізбектің аяқталуын анықтайды. 1. Дұрыс тРНК-ның рибосоманың А орнына байлануы. 2. А орнындағы тРНК мен Р орнындағы тРНК-ға бекітілген полипептидтік тізбек арасында пептидтік байланыс пайда болуы. 3. Транслокация немесе тРНК-мРНК кешенінің үш нуклеотидке қарай жылжуы. Транслокация Е орнындағы тРНК-ны шығарып жібереді және тРНК-ны А орнынан Р орнына жылдырады, соның нәтижесінде А орны келесі амин қышқылын қосатын тРНК үшін бос болады.

3-қадам: Аяқтау

А-сайтына тоқтату кодоны кірген кезде аударманың соңғы кезеңі жүзеге асады. LDL рецепторларының түзілуінің жетіспеушілігі эндоциттік жолды бұзатын, LDL-дың бауырға және басқа жасушаларға енуін тежейтін бұзылған рецепторларға алып келуі мүмкін. Бұл пурин нуклеотидтерін түзету үшін қажетті фермент – гипоксантин-гуанин фосфорибозилтрансферазаның жоқтығынан туындайды. Иммундық жүйенің осы компоненттерінің жетіспеушілігі жұқпалы агенттерге сезімталдықты арттырады, себебі зардап шеккен адамдар иммундық жадыны қалыптастыра алмайды. Бұл қателер немесе мутациялар гендегі кеңейтілген CAG тринуклеотидтік қайталанулармен кодталған қайталанатын глутамин қалдықтарын қамтитын мутантты хентингтин ақуызының өршуіне (экспрессиясына) әкеледі.