Биосинтез: процессы создания сложных молекул в живых организмах

Введение

Процесс, в котором субстраты превращаются в более сложные продукты в живых организмах.

В молекулярной биологии биосинтез – это многоступенчатый, ферментативно-катализируемый процесс, в котором субстраты преобразуются в более сложные продукты в живых организмах. В ходе биосинтеза простые соединения модифицируются, превращаются в другие соединения или объединяются с образованием макромолекул. Этот процесс часто состоит из метаболических путей. Некоторые из этих биосинтетических путей локализованы в пределах одной клеточной органеллы, в то время как другие включают ферменты, находящиеся в нескольких клеточных органеллах. Примерами таких биосинтетических путей являются синтез компонентов липидных мембран и нуклеотидов. Биосинтез обычно является синонимом анаболизма. Предварительные условия для биосинтеза включают: предшествующие соединения, химическую энергию (например, АТФ) и каталитические ферменты, которым могут потребоваться коферменты (например, НАДН, НАДФН). Эти элементы создают мономеры – строительные блоки макромолекул. Некоторые важные биологические макромолекулы включают: белки, состоящие из мономеров аминокислот, соединенных пептидными связями, и молекулы ДНК, состоящие из нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями.

Липид

Многие сложные макромолекулы синтезируются, образуя закономерности из простых, повторяющихся структур. Например, жирные кислоты – это простейшие структурные элементы липидов. Жирные кислоты являются производными углеводородов и содержат карбоксильную группу, образующую "головку", и углеводородную цепь, образующую "хвост".

Фосфолипиды

Основа всех биомембран состоит из двухслойной структуры фосфолипидов. Молекула фосфолипида является амфипатичной; она содержит гидрофильную полярную головку и гидрофобный неполярный хвост. Существуют различные типы фосфолипидов; следовательно, пути их синтеза различаются. Однако первый этап синтеза фосфолипидов включает образование фосфатидата или диацилглицерол-3-фосфата в эндоплазматическом ретикулуме и внешней митохондриальной мембране. Затем лизофосфатидат превращается в фосфатидат путем присоединения другой цепи жирных кислот, предоставляемой вторым ацил-КоА; все эти этапы катализируются ферментом глицеролфосфат-ацилтрансферазой. Сфинголипиды присутствуют в эукариотических клетках и особенно обильны в центральной нервной системе. Биосинтетический путь сфингозина представлен ниже:

Как показано на изображении, в ходе синтеза сфингозина пальмитоил-КоА и серин вступают в реакцию конденсации, в результате которой образуется 3-дегидросфингонин.

Основная структура аминокислот

Общая структура стандартных аминокислот включает первичную аминогруппу, карбоксильную группу и функциональную группу, присоединенную к α-углероду. Различные аминокислоты различаются по функциональной группе. В результате наличия трех различных групп, присоединенных к α-углероду, аминокислоты являются асимметричными молекулами. Для всех стандартных аминокислот, кроме глицина, α-углерод является хиральным центром. В случае глицина α-углерод имеет два атома водорода, что придает этой молекуле симметрию. За исключением пролина, все аминокислоты, встречающиеся в живых организмах, существуют в L-конфигурации. Пролин имеет функциональную группу на α-углероде, которая образует кольцо с аминогруппой.

Глютаматная семья аминокислот

Семейство аминокислот глутамата включает аминокислоты, происходящие от аминокислоты глутамата. В это семейство входят: глутамат, глутамин, пролин и аргинин. Также в это семейство входит аминокислота лизин, которая образуется из α-кетоглутарата. Биосинтез глутамата и глутамина является ключевым этапом в ассимиляции азота, описанной выше. Ферменты GOGAT и GDH катализируют реакции ассимиляции азота. У бактерий фермент глутамат-5-киназа инициирует биосинтез пролина путем переноса фосфатной группы из АТФ на глутамат. Следующая реакция катализируется ферментом пирролин-5-карбоксилатсинтазой (P5CS), который катализирует восстановление γ-карбоксильной группы L-глутамат-5-фосфата. В результате образуется полуальдегид глутамата, который спонтанно циклизуется в пирролин-5-карбоксилат. Пирролин-5-карбоксилат далее восстанавливается ферментом пирролин-5-карбоксилатредуктазой (P5CR) с образованием пролина. На первом этапе биосинтеза аргинина у бактерий глутамат ацетилируется путем переноса ацетильной группы из ацетил-КоА в Nα-положение, что предотвращает спонтанную циклизацию. Фермент N-ацетилглутаматсинтаза (глутамат-N-ацетилтрансфераза) отвечает за катализ этапа ацетилирования. Последующие этапы катализируются ферментами N-ацетилглутаматкиназой, N-ацетил-γ-глутамилфосфатредуктазой и ацетилорнитин/сукцинилдиаминопимелат аминотрансферазой, в результате чего образуется N-ацетил-L-орнитин. Ацетильная группа ацетилорнитина удаляется ферментом ацетилорнитиназой (AO) или орнитиновой ацетилтрансферазой (OAT), образуя орнитин. Затем ферменты цитруллин и аргининосукцинат превращают орнитин в аргинин. Существуют два различных пути биосинтеза лизина: путь диаминопимелевой кислоты и α-аминоадипатный путь. Наиболее распространенным из двух является путь диаминопимелевой кислоты, который состоит из нескольких ферментативных реакций, добавляющих углеродные группы к аспартату для получения лизина: аспартаткиназа инициирует путь диаминопимелевой кислоты путем фосфорилирования аспартата с образованием аспартилфосфата. Аспартат-семиальдегиддегидрогеназа катализирует NADPH-зависимое восстановление аспартилфосфата с образованием аспартат-семиальдегида. 4-гидрокситетрагидродипиколинатсинтаза добавляет пируватную группу к β-аспартил-4-полуальдегиду с удалением молекулы воды, что вызывает циклизацию и приводит к образованию (2S,4S)-4-гидрокси-2,3,4,5-тетрагидродипиколината. 4-гидрокситетрагидродипиколинатредуктаза катализирует восстановление (2S,4S)-4-гидрокси-2,3,4,5-тетрагидродипиколината NADPH с образованием Δ'-пиперидин-2,6-дикарбоксилата (2,3,4,5-тетрагидродипиколинат) и H2O. Тетрагидродипиколинатоацилтрансфераза катализирует реакцию ацетилирования, приводящую к раскрытию кольца и образованию N-ацетил-α-амино-ε-кетопимелата. N-сукцинил-α-амино-ε-кетопимелатглутамат аминотрансфераза катализирует реакцию трансаминирования, удаляющую кетогруппу N-ацетил-α-амино-ε-кетопимелата и заменяющую ее аминогруппой с образованием N-сукцинил-L-диаминопимелата. N-ацилдиаминопимелатдецилаза катализирует децилирование N-сукцинил-L-диаминопимелата с образованием L,L-диаминопимелата. DAP-эпимераза катализирует превращение L,L-диаминопимелата в мезо-форму L,L-диаминопимелата. DAP-декарбоксилаза катализирует удаление карбоксильной группы с образованием L-лизина.

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.

Сериновые аминокислоты

Сериновое семейство аминокислот включает в себя: серин, цистеин и глицин. Большинство микроорганизмов и растений получают серу для синтеза метионина из аминокислоты цистеина. Кроме того, превращение серина в глицин обеспечивает углерод, необходимый для биосинтеза метионина и гистидина. Фермент фосфоглицератдегидрогеназа катализирует начальную реакцию окисления 3-фосфо-D-глицерата с образованием 3-фосфонооксипирувата. Следующую реакцию катализирует фермент фосфосерин-аминотрансфераза, который переносит аминогруппу из глутамата на 3-фосфонооксипируват с образованием L-фосфосерина. Последний этап катализируется ферментом фосфосеринфосфатазой, который дефосфорилирует L-фосфосерин с образованием L-серина. Существует два известных пути биосинтеза глицина. Организмы, использующие этанол и ацетат в качестве основного источника углерода, используют гликонеогенный путь для синтеза глицина. Другой путь биосинтеза глицина известен как гликолитический путь. Этот путь преобразует серин, синтезированный из промежуточных продуктов гликолиза, в глицин. В гликолитическом пути фермент серингидроксиметилтрансфераза катализирует расщепление серина с образованием глицина и переносит отщепленную углеродную группу серина на тетрагидрофолат, образуя 5,10-метилентетрагидрофолат. Биосинтез цистеина представляет собой двухстадийную реакцию, включающую в себя включение неорганической серы. В микроорганизмах и растениях фермент серин-ацетилтрансфераза катализирует перенос ацетильной группы из ацетил-КоА на L-серин с образованием O-ацетил-L-серина. Следующий этап реакции, катализируемый ферментом O-ацетилсерин(тиол)-лиазой, заменяет ацетильную группу O-ацетил-L-серина сульфидом с образованием цистеина.

Аспартатная семья аминокислот

В аспартатную семью аминокислот входят: треонин, лизин, метионин, изолейцин и аспартат. Лизин и изолейцин считаются частью аспартатного семейства, хотя часть их углеродного скелета происходит из пирувата. В случае метионина метильная группа происходит из серина, а сера – из цистеина, но в большинстве организмов она происходит из цистеина. Аспарагин синтезируется путем присоединения аминогруппы к аспартату с использованием АТФ; аспарагиносинтетаза катализирует добавление азота из глутамина или растворимого аммиака к аспартату с образованием аспарагина. Биосинтетический путь лизина через диаминопимелевую кислоту относится к аспартатному семейству аминокислот. Этот путь включает девять ферментативно катализируемых реакций, которые превращают аспартат в лизин. Аспартаткиназа катализирует начальную стадию пути диаминопимелевой кислоты, перенося фосфорильную группу из АТФ на карбоксильную группу аспартата, что приводит к образованию аспартил-β-фосфата. Аспартат-семиальдегиддегидрогеназа катализирует реакцию восстановления путем дефосфорилирования аспартил-β-фосфата с образованием аспартат-β-семиальдегида. Дигидродипиколинатсинтаза катализирует реакцию конденсации аспартат-β-семиальдегида с пируватом с образованием дигидродипиколиновой кислоты. 4-гидрокситетрагидродипиколинатредуктаза катализирует восстановление дигидродипиколиновой кислоты до тетрагидродипиколиновой кислоты. Тетрагидродипиколинат-N-сукцинилтрансфераза катализирует перенос сукцинильной группы из сукцинил-КоА на тетрагидродипиколиновую кислоту с образованием N-сукцинил-L-2,6-диаминогептанедиоата. N-сукцинилдиаминопимелат аминотрансфераза катализирует перенос аминогруппы из глутамата на N-сукцинил-L-2,6-диаминогептанедиоат с образованием N-сукцинил-L,L-диаминопимеловой кислоты. Сукцинилдиаминопимелатдесукцинилаза катализирует удаление ацильной группы из N-сукцинил-L,L-диаминопимелевой кислоты с образованием L,L-диаминопимелевой кислоты. Диаминопимелатэпимераза катализирует инверсию α-углерода L,L-диаминопимелевой кислоты с образованием мезо-диаминопимелевой кислоты. Диаминопимелатдекарбоксилаза катализирует заключительную стадию биосинтеза лизина, удаляя группу углекислого газа из мезо-диаминопимелевой кислоты с образованием L-лизина.

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.

Белки

Синтез белка происходит через процесс, называемый трансляцией. Во время трансляции генетический материал, называемый мРНК, считывается рибосомами для создания полипептидной цепи белка. Специфическая тРНК-синтетаза отвечает за распознавание и присоединение определенной аминокислоты. Это взаимодействие возможно благодаря рибосоме, которая служит местом синтеза белка. Рибосома имеет три сайта связывания тРНК: аминоацильный сайт (сайт A), пептидильный сайт (сайт P) и сайт выхода (сайт E). В транскрипте мРНК существует множество кодонов, и очень часто аминокислота определяется более чем одним кодоном; это явление называется вырожденностью. Всего насчитывается 64 кодона, 61 из которых кодирует одну из 20 аминокислот, в то время как остальные кодоны определяют завершение цепи. 1. Присоединение правильной тРНК к A-сайту рибосомы.

2. Формирование пептидной связи между тРНК в A-сайте и полипептидной цепью, присоединенной к тРНК в P-сайте.

3. Транслокация или продвижение комплекса тРНК-мРНК на три нуклеотида.

Транслокация "выталкивает" тРНК из E-сайта и перемещает тРНК из A-сайта в P-сайт, оставляя A-сайт свободным для входящей тРНК, чтобы добавить следующую аминокислоту.

Шаг 3: Прекращение

Последняя стадия трансляции наступает, когда стоп-кодон попадает в А-сайт. Дефицит в образовании рецепторов ЛПНП может вызывать дефектные рецепторы, нарушающие эндоцитарный путь и препятствующие проникновению ЛПНП в печень и другие клетки. Это вызвано отсутствием гипоксантин-гуанин фосфорибозилтрансферазы – необходимого фермента для синтеза пуриновых нуклеотидов. Недостаток этих компонентов иммунной системы повышает восприимчивость к инфекционным агентам, поскольку у пораженных людей не формируется иммунологическая память. Эти ошибки или мутации приводят к экспрессии мутантного белка хантингтина, содержащего повторяющиеся остатки глутамина, кодируемые расширяющимися CAG-тринуклеотидными повторами в гене.