Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985
Биоэнергетика и метаболизм
Биосинтез аминокислот и нуклеотидов
Краткое содержание главы
В организме человека и белой крысы синтезируются 10 или 20 аминокислот, входящих в состав белков. Остальные аминокислоты, которые должны поступать с пищей и потому называются незаменимыми, синтезируются растениями и бактериями. Аминокислоты, объединяемые под названием «заменимых», образуются различными путями. Глутамат получается в результате восстановительного аминирования а-кетоглутарата. Сам глутамат служит предшественником глутамина и пролина. Аланин и аспарат образуются путем трансаминирования соответственно из пирувата и оксалоацетата. Тирюзин получается в результате гидроксилирования фенилаланина, принадлежащего к числу незаменимых аминокислот. Цистеин синтезируется из метионина и серина в сложной последовательности реакций, в которой промежуточными продуктами служат S-аденозил-метионин и цистатионин. Углеродный скелет серина прюисходит от 3-фосфоглицерата. Серин является предшественником глицина; ß-углеродный атом серина переносится на тетрагидрофолат. Пути биосинтеза незаменимых аминокислот у растений и у бактерий более сложны и длинны. Они образуются из некоторых заменимых аминокислот, а также из других метаболитов. Аллостерическая регуляция биосинтетических путей, приводящих к аминокислотам, осуществляется по типу обратной связи; регуляторным ферментом, который ингибируется конечным продуктом, образующимся в данной последовательности реакций, служит обычно фермент, катализирующий первую реакцию. Аминокислоты являются предшественниками многих других важных биомолекул. Порфириновое кольцо гемопротеинов происходит из глицина и сукцинил-СоА.
Кольцевая система пуринов, входящих в состав пуриновых нуклеотидов, строится поэтапно на 1-м углеродном атоме 5-фосфорибозиламина. Все атомы азота, содержащиеся в пуринах, поступают от аминокислот. После двух этапов, на каждом из которых происходит замыкание кольца, возникает пуриновое ядро. Пиримидины синтезируются из аспарагиновой кислоты, СО2 и аммиака. Присоединение к ним рибозо-5-фосфата приводит к образованию пиримидиновых рибонуклеотидов. Образующиеся при распаде нуклеотидов свободные пурины сохраняются и вновь используются для синтеза нуклеотидов. Для такой их реутилизации существует особый путь. Генетически обусловленный дефект в одном из ферментов этого пути вызывает болезнь, сопровождающуюся весьма необычными симптомами; она называется болезнью Леша-Нихана. Другая генетическая болезнь, подагра, приводит к отложению кристаллов мочевой кислоты в суставах.
Некоторые почвенные бактерии и бактерии, обитающие в корневых клубеньках бобовых, обладают способностью фиксировать атмосферный азот при помощи сложной нитрогеназной системы. Круговорот азота в природе представляет собой результат четырех процессов: образования аммиака путем связывания молекулярного азота в корневых клубеньках бобовых; нитрификации аммиака, осуществляемой почвенными организмами, т.е. превращения его в нитраты; ассимиляции нитратов высшими растениями, приводящей к образованию аммиака; и, наконец, синтеза аминокислот из аммиака в организме растений и животных.
ЛИТЕРАТУРА
Пути биосинтеза аминокислот
Bender D. A. Amino Acid Metabolism, Wiley, New York, 1975.
Blakley R. L. The Biochemistry of Folic Acid and Related Pteridines, North-Holland, Amsterdam, 1969.
Cunningham E. B. Biochemistry: Mechanisms of Metabolism, McGraw-Hill, New York, 1978. Превосходное описание ферментативных стадий.
Meister A. Biochemistry of Amino Acids, 2d ed. Academic, New York, 1965. (Имеется перевод 1-го изд.: Майстер А. Биохимия аминокислот.-М.: ИЛ, 1961.) Этот двухтомный труд представляет собой прекрасный справочник.
Umbarger И. Е, Amino Acid Biosynthesis and Its Regulation, Annu. Rev. Biochem., 47, 533-606 (1978). Завершающий обзор; автор его был одним из первых исследователей регуляции этих биосинтетических путей.
Генетические нарушения обмена аминокислот и нуклеотидов
Nyhan W. L., (ed.). Heritable Disorders of Amino Acid Metabolism, Wiley, New York, 1974.
Stanhury J. B., Wyngaarden J. B., Fredrickson D. S. The Metabolic Basis of Inherited Disease, 4th ed., McGraw-Hill, New York, 1978. Особенно хороши статьи, посвященные подагре и болезни Леша Нихана.
Фиксация азота
Brill W. J. Biological Nitrogen Fixation, Sсi. Am., 236. 68-81, March (1977).
Delwiche С. C. The Nitrogen Cycle, Sсi. Am., 223, 136-147, September (1970).
Jones T. Nitrogen Fixation and Bioenergetics: The Role of ATP in Nitrogenase Catalysis. FEBS Lett., 98, 1 8 (1979).
Mortenson L. Е., Tlmmeley R.N.F. Structure and Function of Nitrogenase, Annu. Rev. Biochem., 48, 387 418 (1979).
Обмен гемогрупп
Granick S., Beale S. F Hemes, Chlorophyll, and Related Compounds: Biosynthesis and Metabolic Regulation, Adv. Enzymol., 40. 33-203 (1978).
Обмен нуклеотидов
Henderson J. F., Paterson A. R. P. Nucleotide Metabolism: An Introduction. Academic, New York, 1973.
Jones M. E. Pyrimidine Nucleotide Biosynthesis in Animals, Annu. Rev. Biochem., 49, 253-279 (1980).
Вопросы и задачи
1. Особенности диеты при наличии дефектной фенилаланин-гидроксилазы (фенилаланин—4-монооксигеназы). Для здоровых людей тирозин является заменимой аминокислотой, но дети с генетическим дефектом. затрагивающим фенилаланин-гидроксилазу, для нормального роста должны получать тирозин с пищей. Объясните, почему это так.
2. Уравнение, описывающее синтез аспартата из глюкозы. Напишите суммарное уравнение для синтеза заменимой аминокислоты аспартата из глюкозы, двуокиси углерода и аммиака.
3. Подавление синтеза нуклеотидов азасерином. Диазосоединение О-(2-диазоанетил)-L-серин, называемое также азасерином, является мощным ингибитором тех ферментов, которые в процессе биосинтеза переносят аминогруппы от глутамина на какой-либо акцептор (т. е. амидотрансфераз). Какой промежуточный продукт будет накапливаться на пути, ведущем от а-D-рибозо-5-фосфата к инозиновой кислоте, если клетки, активно синтезирующие пурины, обработать азасерином? Аргументируйте свой ответ.
4. Биосинтез нуклеотидов у aуксотрофных бактерий, лишенных способности синтезировать опрeделенные аминокислоты. Нормальные клетки Е. coli синтезируют все аминокислоты, но некоторым ауксотрофным мутантам, не способным к синтезу определенных аминокислот, для оптимального роста необходимо вводить эти аминокислоты в питательную среду. Аминокислоты нужны не только для синтеза белков; некоторые из них требуются для биосинтеза других азотсодержащих клеточных компонентов. Допустим, у нас имеются три ауксотрофных мутанта, лишенных способности синтезировать одну из трех аминокислот - глицин, глутамин или аспартат. Синтез каких азотсодержащих продуктов (помимо белков) будет нарушен у каждого из этих мутантов?
5. Противоопухолевые средства. Блокирование синтеза дезокситимидилата. а) Дезоксиуридинмонофосфат (dUMP) превращается в дезокситимидинмонофосфат (dTMP), необходимый для синтеза ДНК, путем метилирования N5,N10-метилентетрагидрофолатом в реакции, катализируемой тимидилатсинтазой (разд. 22.17)
Производное уридина, фторурацил, превращается в клетке во фтордезоксиуридилат (F-dUMР) - мощный необратимый ингибитор тимидилат-синтазы. Как вы объясните тот факт, что фторурацил подавляет рост быстро делящихся раковых клеток у экспериментальных животных?
б) Дигидрофолат, образующийся в тимидилатсинтазной реакции, вновь превращается в тетрагидрофолат под действием дигидрофолатредуктазы. Каким образом тетрагидрофолат превращается в N5,N10-метилентетрагидрофолат? Дигидрофолатредуктаза эффективно ингибируется (Кt = 10-9 М) лекарственным препаратом метотрексатом, применяемым в химиотерапии опухолей
Каким образом этот препарат подавляет рост раковых клеток? Можно ли ожидать, что он будет подавлять также и рост нормальных клеток?
6. Нуклеотиды - плохой источник энергии. У большинства организмов нуклеотиды не используются как топливо, т. е. как источник энергии. Какими наблюдениями подкрепляется этот вывод? Почему нуклеотиды являются относительно плохим источником энергии у млекопитающих?
7. Механизм действия сульфаниламидных препаратов. Некоторым бактериям для нормального роста требуется и-аминобензойная кислота, которую вводят в питательную среду. Рост таких бактерий резко подавляется при добавлении к среде стрептоцида, одного из первых антибактериальных сульфаниламидных препаратов. Кроме того, в присутствии стрептоцида в среде накапливается 5'-фосфорибозил-4-карбоксамид-5-аминоимидазол.
Оба этих эффекта обратимы: их можно устранить, добавив к среде избыток n-аминобензойной кислоты.
а) Какова роль n-аминобензойной кислоты? (Подсказка: см. рис. 22-7 и разд. 10.10.)
б) Почему в присутствии стрептоцида накапливается 5'-фосфорибозил-4-карбоксамид-5-аминоимидазол? (См. рис. 22-16.)
в) Почему добавление избытка n-аминобензойной кислоты снимает и подавление роста бактерий, и накопление 5'-фосфорибозил-4-карбоксамид-5-аминоимидазола?
8. Лечение подагры. Аллопуринол (рис. 22-25), ингибитор ксантиноксидазы, используется для лечения хронической подагры. Какова биологическая основа такого лечения? У больных, получавших аллопуринол, иногда образуются ксантиновые камни. Однако мочевыводящие пути страдают от таких конкрементов гораздо реже, чем от нелеченой подагры. Объясните это наблюдение исходя из следующих данных, характеризующих растворимость указанных соединений в моче: мочевая кислота - 0,15 г/л, ксантин - 0,05 г/л и гипоксантин - 1,4 г/л.
9. Потребление АТР корневыми клубеньками бобовых. Бактерии, обитающие в корневых клубеньках растения гороха, потребляют свыше 20% всего АТР, образуемого этим растением. Назовите причину, которой можно было бы объяснить, почему эти бактерии потребляют так много АТР.
10. Путь атомов углерода в биосинтезе пиримидинов. В каком положении обнаружится 14С в оротате, если выращивать клетки в присутствии небольшого количества равномерно меченного 14С-сукцината? Дайте аргументированный ответ.
Две фотосинтезирующие водоросли (обитатели пресных вод). Длинные нити это Spirogyra - цепочки фотосинтезирующих клеток, в которых хлоропласти имеют форму ленты, свернутой в спираль Крупные сферические образования Volrox. Каждый такой шар представляет собой колонию, состоящую из сотен клеток. Большой шар справа только что лопнул, и из нею выходят наружу дочерние колонии В центре фотографии виден очень маленький веслоногий рачок. На рис. 23-2 показаны некоторые другие фотосинтезирующие клетки. Вклад морских и пресноводных микроорганизмов в фотосинтез больше вклада наземных растений.