Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Особенности биосинтеза. Биосинтез углеводов
Биосинтез полисахаридов

Полисахариды синтезируются из моносахаридов с соблюдением ряда за­кономерностей. Во-первых, моносахаридные единицы активируются перво­начально путем фосфорилирования, катализируемого киназой. Затем моноса­харидное звено акцептируется одним из нуклеозиддифосфатов, а образую­щийся сахаронуклеотид выполняет роль переносчика гликозильного остатка (нуклеотидной «ручки») на удлиняющуюся цепь полисахарида.

Биосинтез гликогена. Предшественниками для биосинтеза гликогена могут служить как свободная глюкоза, так и глюкозо-6-фосфат. В первом случае глюкоза фосфорилируется киназой с образованием глюкозо-1-фосфата, во втором — глюкозо-6-фосфат изомеризуется с участием фосфоглюкомутазы в глюкозо-1-фосфат (рис. 14.3).

Следующую стадию (образование сахаронуклеотида) катализирует пирофосфорилаза, причем у высших животных гликозильные остатки переносятся на уридиндифосфат (UDP), а в клетках растений и микроорганизмов эту роль выполняют ADP, CDP или GDP. На схемах (рис. 14.3, 14.4) показан процесс синтеза гликогена у животных, и пирофосфорилаза здесь носит название глюкозо-1-фосфат-уридилтрансфераза.

На следующем этапе гликозильная группа UDP-глюкозы переносится на концевую часть цепи гликогена (у нередуцирующего конца) и формируется очередная а(1→4)-гликозидная связь между первым атомом углерода добав­ляемого остатка глюкозы и кислородом гидроксила у четвертого атома угле­рода концевого остатка глюкозы цепи. Данную реакцию катализирует гликогенсинтетаза. С помощью этого фермента происходит постепенное удлинение линейных цепей гликогена, однако не может осуществиться образование то­чек ветвления, характерных для молекул гликогена (рис. 14.3). Функцию об­разования «ветвей» гликогена катализирует другой фермент — трансгликозилаза.

После того как линейная цепь гликогена достигнет длины примерно в 10 остатков глюкозы, трансгликозилаза атакует гликозидную связь в каком-либо месте цепи и переносит концевой олигосахаридный фрагмент, содержащий 6—7 гликозильных звеньев, на свободную 6-гидроксильную группу остатка глюкозы той же или другой цепи. Так катализируется образование a(1→6)-гликозидной связи, и в молекуле гликогена появляется точка ветвления (рис. 14.4). Аналогичным образом в клетках растений осуществляется синтез крахмала.

Биосинтез, а также распад гликогена регулируются у высших организмов гормонами. В частности, у животных в этих процессах принимают активное участие адреналин и глюкагон. При повышении их концентрации в крови количество гликогена уменьшается и, соответственно, увеличивается количе­ство глюкозы.

Биосинтез муреина. В отличие от гликогена, биосинтез которого проте­кает внутри клетки, муреин, являясь компонентом клеточной стенки бакте­рий, синтезируется с участием нескольких стадий, осуществляющихся вне клетки — на наружной поверхности плазматической мембраны. При этом клетка вынуждена транспортировать через мембрану отдельные структурные компоненты муреина, для чего существует специальный механизм.

Непосредственным предшественником биосинтеза муреина служит N-ацетилглюкозамин, и первые этапы биосинтеза происходят с соблюдением уже описанных закономерностей, включая фосфорилирование предшественника и его перенос на остаток UDP (рис. 14.5). В результате этих реакций формируется UDP-N-ацетилглюкозамин (UDP-NAG).

Рис. 14.3. Биосинтез линейных цепей гликогена

Рис. 14.4. Образование точек ветвления гликогена

На следующем этапе UDP-NAG трансформируется во второй компонент этого гетерополимера — UDP-N-ацетилмурамовую кислоту (UDP-NAM). Для этого к молекуле UDP-NAG присоединяется остаток молочной кислоты при взаимодействии с фосфоенолпируватом (РЕР). Далее к UDP-NAM добавля­ются последовательно остатки пяти аминокислот, и образуется UDP-N- ацетилмурамилпентапептид (рис. 14.5).

Пентапепидная цепь в составе UDP-N-ацетилмурамилпентапептида стро­ится необычным образом: образование пептидных связей здесь происходит за счет энергии АТР с участием специальных ферментов. Такой пептид (содер­жащий D-аминокислоты и у-пептидную связь) не может быть синтезирован обычным путем на рибосомах.

Сформированный N-ацетилмурамилпентапептид переносится с помощью фермента от UDP на связанный с мембраной липидный переносчик — гидрофобную молекулу, способную совершать челночные перемещения через мембрану. После этого к NAM-пептидной единице, связанной с липидным переносчиком, присоединяется NAG (его донором служит образованный ранее UDP-NAG) и формируется дисахаридное звено. Структура Р(1→4)-гликозидной связи между моносахаридными единицами представлена на рис. 5.4. Наконец, на ε-аминогруппе остатка лизина в пентапеп­тиде выстраивается пентаглициновый мостик (рис. 14.6).

Рис. 14.5. Биосинтез муреина. Стадии, ведущие к образованию UDP-N-ацетилмурамилпентапептида (объяснения в тексте).

Образовавшееся дисахаридпептидное звено переносится от липидного переносчика на растущую полисахаридную цепь (рис. 14.6). На последнем этапе отдельные полисахаридные цепи поперечно связываются пентаглици­новыми мостиками (реакция транспептидирования, катализируемая фермен­том гликопептид-транспептидазой). В ходе этой реакции концевая амино­группа пентаглицинового мостика атакует пептидную связь между двумя ос­татками D-аланина в пентапептиде другой дисахаридной единицы. Так воз­никает пептидная связь между концевым остатком глицина и остатком D-ala. При этом второй (концевой) остаток D-ala высвобождается. Данная реакция осуществляется уже вне клетки и не требует участия АТР, поскольку протека­ет за счет энергии гидролизуемой связи D-ala—D-ala. Сформировавшаяся структура представлена на рис. 5.6.

Рис. 14.6. Биосинтез муреина. Образование дисахарид-пептидного звена и на­ращивание цепи (объяснения в тексте)

Процесс биосинтеза муреина подвержен ингибирующему действию со стороны некоторых антибиотиков. В частности, ß-лактамные антибиотики ковалентно связываются с активным центром гликопептид-транспептидазы, вызывая ее необратимое ингибирование (глава 18). В таком случае не может осуществиться последняя стадия биосинтеза — образование поперечных сши­вок между тетрапептидами. Бацитрацин блокирует регенерацию липидного переносчика, останавливая синтез клеточной стенки.

Большинство экзополисахаридов синтезируется с соблюдением описан­ных для биосинтеза муреина закономерностей: участие нуклеозиддифосфатов, липидных переносчиков, сборка полисахаридных молекул из дисахаридных звеньев на поверхности клетки с помощью внеклеточных ферментов.