Биосинтез 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 11 из 20 стандартных аминокислот. Эти 11 называются заменимыми аминокислотами . [1]
Большинство аминокислот синтезируются из α- кетокислот , а затем трансаминируются из другой аминокислоты, обычно глутамата . Фермент, участвующий в этой реакции, — аминотрансфераза .
Сам глутамат образуется путем аминирования α- кетоглутарата :
Семейство α-кетоглутарата синтеза аминокислот (синтез глутамата, глутамина, пролина и аргинина) начинается с α-кетоглутарата, промежуточного продукта в цикле лимонной кислоты. Концентрация α-кетоглутарата зависит от активности и метаболизма внутри клетки, а также от регуляции ферментативной активности. В цитратсинтазе E. coli фермент , участвующий в реакции конденсации, инициирующей цикл лимонной кислоты, сильно ингибируется ингибированием обратной связи α-кетоглутарата и может быть ингибирован DPNH, а также высокими концентрациями АТФ. [2] Это одно из начальных правил семейства α-кетоглутарата синтеза аминокислот.
Регулирование синтеза глутамата из α-кетоглутарата подчиняется регуляторному контролю цикла лимонной кислоты , а также действию масс, зависящему от концентраций участвующих реагентов из-за обратимой природы реакций трансаминирования и глутаматдегидрогеназы. [2]
Превращение глутамата в глутамин регулируется глутаминсинтетазой (ГС) и является ключевым этапом в метаболизме азота. [2] Этот фермент регулируется по крайней мере четырьмя различными механизмами: 1. Репрессия и депрессия из-за уровней азота ; 2. Активация и инактивация из-за ферментативных форм (напряженных и расслабленных); 3. Кумулятивное ингибирование обратной связи через конечные продукты метаболитов; и 4. Изменения фермента из-за аденилирования и деаденилирования . [2] В богатых азотом средах или условиях роста, содержащих большое количество аммиака, наблюдается низкий уровень ГС, тогда как в ограниченных количествах аммиака удельная активность фермента в 20 раз выше. [2] Подтверждение фермента играет роль в регуляции в зависимости от того, находится ли ГС в напряженной или расслабленной форме. Натянутая форма ГС 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. [2] Ингибирование обратной связи GS 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. [2] Избыток любого одного продукта не ингибирует фермент индивидуально, но комбинация или накопление всех конечных продуктов оказывает сильное ингибирующее действие на синтез глутамина . [2] Активность глутаминсинтазы также ингибируется посредством аденилирования. Активность аденилирования катализируется бифункциональным ферментом аденилилтрансферазой/удалением аденилила (AT/AR). Глутамин и регуляторный белок, называемый PII, действуют вместе, стимулируя аденилирование. [3]
Регуляция биосинтеза пролина может зависеть от начального контролирующего шага посредством ингибирования отрицательной обратной связи . [4] В E. coli пролин аллостерически ингибирует глутамат 5-киназу, которая катализирует реакцию от L-глутамата до нестабильного промежуточного соединения L-γ-глутамилфосфата. [4]
Синтез аргинина также использует отрицательную обратную связь, а также репрессию через репрессор, кодируемый геном argR . Продукт гена argR , ArgR как апорепрессор и аргинин как корепрессор влияют на оперон биосинтеза аргинина. Степень репрессии определяется концентрацией белка-репрессора и уровнем корепрессора. [5]
Фенилаланин , тирозин и триптофан , ароматические аминокислоты , возникают из хоризмата . Первый шаг, конденсация 3-дезокси-D-арабино-гептулозоновой кислоты 7-фосфата (DAHP) из PEP/E4P, использует три изофермента AroF, AroG и AroH. Каждый из них имеет свой синтез, регулируемый тирозином, фенилаланином и триптофаном соответственно. Остальные ферменты в общем пути (превращение DAHP в хоризмат), по-видимому, синтезируются конститутивно, за исключением шикиматкиназы , которая может быть ингибирована шикиматом посредством линейного смешанного типа ингибирования.
Тирозин и фенилаланин биосинтезируются из префената , который преобразуется в специфичный для аминокислоты промежуточный продукт. Этот процесс опосредован специфичной для фенилаланина (PheA) или тирозина (TyrA) хоризматмутаза-префенатдегидрогеназой. PheA использует простую дегидрогеназу для преобразования префената в фенилпируват , в то время как TyrA использует НАД-зависимую дегидрогеназу для производства 4-гидроксифенилпирувата. И PheA, и TyrA ингибируются по принципу обратной связи соответствующими аминокислотами. Тирозин также может быть ингибирован 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 генными продуктами 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 от глутамина. Антранилатсинтаза также регулируется ингибированием по типу обратной связи: триптофан является корепрессором репрессора TrpR.
Семейство аминокислот оксалоацетата/аспартата состоит из лизина , аспарагина , метионина , треонина и изолейцина . Аспартат может быть преобразован в лизин, аспарагин, метионин и треонин. Треонин также дает начало изолейцину .
Связанные ферменты подлежат регуляции посредством ингибирования обратной связи и/или репрессии на генетическом уровне. Как это типично для сильно разветвленных метаболических путей, дополнительная регуляция в каждой точке разветвления пути. Этот тип регуляторной схемы позволяет контролировать общий поток пути аспартата в дополнение к общему потоку отдельных аминокислот. Путь аспартата использует L-аспарагиновую кислоту в качестве предшественника для биосинтеза одной четверти аминокислот-строительных блоков.
Биосинтез аспартата часто включает трансаминирование оксалоацетата.
Фермент аспартокиназа , который катализирует фосфорилирование аспартата и инициирует его превращение в другие аминокислоты , может быть разбит на 3 изофермента, AK-I, II и III. AK-I ингибируется по принципу обратной связи треонином , в то время как AK-II и III ингибируются лизином . В качестве примечания, AK-III катализирует фосфорилирование аспарагиновой кислоты , что является обязательным этапом в этом биосинтетическом пути. Аспартаткиназа подавляется присутствием треонина или лизина .
Лизин синтезируется из аспартата через путь диаминопимелата (DAP). Первые два этапа пути DAP катализируются аспартокиназой и аспартатполуальдегиддегидрогеназой. 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 впоследствии производимых аминокислот, лизина, треонина и метионина. Чем выше концентрации этих аминокислот, тем меньше транскрибируется ген. ThrA и LysC также ингибируются по принципу обратной связи треонином и лизином. Наконец, DAP-декарбоксилаза LysA опосредует последний этап 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 ингибируют активность дигидродипиколинатсинтазы (ДГПС). Таким образом, в дополнение к ингибированию первого фермента биосинтетического пути семейства аспартата, лизин также ингибирует активность первого фермента после точки ветвления, т. е. фермента, который является специфичным для собственного синтеза лизина.
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, образуя β-аспартил-АМФ. Глутамин отдает аммонийную группу, которая реагирует с β-аспартил-АМФ, образуя аспарагин и свободный АМФ.
У бактерий обнаружены две аспарагинсинтетазы . Обе называются белком AsnC . Они кодируются генами AsnA и AsnB. AsnC регулируется аутогенно, то есть продукт структурного гена регулирует экспрессию оперона, в котором находятся гены. Стимулирующий эффект AsnC на транскрипцию AsnA подавляется аспарагином. Однако на ауторегуляцию AsnC аспарагин не влияет.
Биосинтез путем транссульфурации начинается с аспарагиновой кислоты. Соответствующие ферменты включают аспартокиназу , аспартат-полуальдегиддегидрогеназу , гомосериндегидрогеназу , гомосерин-O-транссукцинилазу , цистатионин-γ-синтазу , цистатионин-β-лиазу (у млекопитающих этот этап выполняется гомоцистеин-метилтрансферазой или бетаин-гомоцистеин-S-метилтрансферазой ).
Биосинтез метионина подлежит жесткой регуляции. Репрессорный белок MetJ в сотрудничестве с корепрессорным белком S-аденозил-метионином опосредует репрессию 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 голоферментом MetH.
В растениях и микроорганизмах треонин синтезируется из аспарагиновой кислоты через α-аспартил-полуальдегид и гомосерин . Гомосерин подвергается O -фосфорилированию; этот фосфатный эфир подвергается гидролизу, сопровождающемуся перемещением группы ОН. [6] Ферменты, участвующие в типичном биосинтезе треонина, включают аспартокиназу , β-аспартатполуальдегиддегидрогеназу , 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, при этом субстрат гомосерин служит предшественником для биосинтеза лизина, метионина, треонина и изолейцина. Высокие уровни треонина приводят к низким уровням синтеза гомосерина. Синтез аспартаткиназы (АК), которая катализирует фосфорилирование аспартата и инициирует его превращение в другие аминокислоты, ингибируется по принципу обратной связи лизином , изолейцином и треонином , что предотвращает синтез аминокислот, полученных из аспартата. Таким образом, помимо ингибирования первого фермента пути биосинтеза семейства аспартата, треонин также ингибирует активность первого фермента после точки ветвления, то есть фермента, специфичного для собственного синтеза треонина.
В растениях и микроорганизмах изолейцин биосинтезируется из пировиноградной кислоты и альфа-кетоглутарата . Ферменты, участвующие в этом биосинтезе, включают ацетолактатсинтазу (также известную как синтаза ацетогидроксикислоты), изомероредуктазу ацетогидроксикислоты, дегидратазу дигидроксикислоты и валинаминотрансферазу . [7]
С точки зрения регуляции, ферменты треониндезаминаза, дегидраза дигидроксикислот и трансаминаза контролируются регуляцией конечного продукта. т.е. присутствие изолейцина будет подавлять биосинтез треонина. Высокие концентрации изолейцина также приводят к подавлению преобразования аспартата в промежуточный аспартилфосфат, тем самым останавливая дальнейший биосинтез лизина , метионина , треонина и изолейцина .
В E. coli биосинтез начинается с фосфорилирования 5-фосфорибозилпирофосфата (PRPP), катализируемого АТФ-фосфорибозилтрансферазой . Фосфорибозил-АТФ превращается в фосфорибозил-АМФ (PRAMP). Затем His4 катализирует образование фосфорибозилформиминоAICAR-фосфата, который затем преобразуется в фосфорибулозилформимино-AICAR-P продуктом гена His6. [8] His7 расщепляет фосфорибулозилформимино-AICAR-P с образованием D -эритро-имидазол-глицерол-фосфата. После этого His3 образует имидазолацетофосфат, выделяя воду. Затем His5 производит L -гистидинол-фосфат, который затем гидролизуется His2, образуя гистидинол. His4 катализирует окисление L -гистидинола с образованием L -гистидиналя, аминоальдегида. На последнем этапе L -гистидинал преобразуется в L -гистидин. [8] [9]
В целом биосинтез гистидина у растений и микроорганизмов очень схож. [10] [11]
HisG → HisE/HisI → HisA → HisH → HisF → HisB → HisC → HisB → HisD (HisE/I и HisB являются бифункциональными ферментами)
Ферменты кодируются в His-опероне. Этот оперон имеет отдельный блок лидерной последовательности, называемый блоком 1:
Мет-Тре-Арг-Вал-Глн-Фен-Лиз-Хис-Хис-Хис-Хис-Хис-Хис-Про-Асп
Эта лидерная последовательность важна для регуляции гистидина в E. coli . Оперон His работает в системе скоординированной регуляции, где все продукты генов будут репрессированы или подавлены одинаково. Основным фактором репрессии 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 регуляцию триптофана . В этой системе полная лидерная последовательность имеет 4 блока комплементарных нитей, которые могут образовывать шпилечные петли. [11] Блок один, показанный выше, является ключом к регуляции. Когда уровни заряженных гистидином тРНК в клетке низкие, рибосома остановится на цепочке остатков His в блоке 1. Эта остановка рибосомы позволит комплементарным нитям 2 и 3 образовать шпилечную петлю. Петля, образованная нитями 2 и 3, образует антитерминатор, и трансляция генов His будет продолжаться, и будет вырабатываться гистидин. Однако, когда уровни заряженной гистидином тРНК высоки, рибосома не остановится на блоке 1, это не позволит нитям 2 и 3 сформировать шпильку. Вместо этого нити 3 и 4 сформируют петлю шпильки дальше по течению от рибосомы. Петля шпильки, образованная нитями 3 и 4, является терминирующей петлей, когда рибосома вступает в контакт с петлей, она будет «выбита» из транскрипта. Когда рибосома удалена, гены His не будут транслироваться, и гистидин не будет вырабатываться клеткой. [12]
Семейство аминокислот 3-фосфоглицерата включает серин, глицин и цистеин.
Серин — первая аминокислота в этом семействе, которая образуется; затем он модифицируется для производства как глицина, так и цистеина (и многих других биологически важных молекул). Серин образуется из 3-фосфоглицерата в следующем пути:
3-фосфоглицерат → фосфогидроксилпируват → фосфосерин → серин
Превращение 3-фосфоглицерата в фосфогидроксилпируват достигается ферментом фосфоглицератдегидрогеназой . Этот фермент является ключевым регуляторным этапом в этом пути. Фосфоглицератдегидрогеназа регулируется концентрацией серина в клетке . При высоких концентрациях этот фермент будет неактивен, и серин не будет вырабатываться. При низких концентрациях серина фермент будет полностью активен, и серин будет вырабатываться бактерией . [ 13] Поскольку серин является первой аминокислотой, вырабатываемой в этом семействе, и глицин, и цистеин будут регулироваться доступной концентрацией серина в клетке. [14]
Глицин биосинтезируется из серина, катализируемого серингидроксиметилтрансферазой (SHMT). Фермент эффективно заменяет гидроксиметильную группу атомом водорода.
SHMT кодируется геном glyA . Регуляция glyA сложна и, как известно, включает серин, глицин, метионин, пурины, тимин и фолаты. Полный механизм еще предстоит выяснить. [15] Известно, что продукт гена метионина MetR и промежуточный продукт метионина гомоцистеин положительно регулируют glyA. Гомоцистеин является коактиватором glyA и должен действовать совместно с MetR. [15] [16] С другой стороны, известно, что PurR, белок, который играет роль в синтезе пуринов, и S-адено-силметионин снижают регуляцию glyA . PurR связывается непосредственно с контрольной областью glyA и эффективно отключает ген, так что глицин не будет вырабатываться бактерией.
Гены, необходимые для синтеза цистеина , кодируются на cys- регулоне. Интеграция серы положительно регулируется CysB. Эффективными индукторами этого регулона являются N-ацетилсерин (NAS) и очень небольшое количество восстановленной серы. CysB функционирует, связываясь с половинными участками ДНК на cys- регулоне. Эти половинные участки различаются по количеству и расположению в зависимости от интересующего промотора. Однако есть один половинный участок, который сохраняется. Он находится прямо перед участком -35 промотора. Также есть несколько дополнительных участков в зависимости от промотора. В отсутствие индуктора, NAS, CysB будет связывать ДНК и покрывать многие из дополнительных половинных участков. Без дополнительных половинных участков регулон не может транскрибироваться, и цистеин не будет вырабатываться. Считается, что присутствие NAS заставляет CysB претерпевать конформационные изменения. Это конформационное изменение позволяет CysB правильно связываться со всеми половинными участками и вызывает привлечение РНК-полимеразы. Затем РНК-полимераза транскрибирует цистеин- регулон и образуется цистеин.
Однако для этого пути требуется дальнейшая регуляция. CysB может подавлять собственную транскрипцию, связываясь с 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 NAS не будет вырабатываться, и цистеин не будет вырабатываться. Есть два других отрицательных регулятора цистеина. Это молекулы сульфида и тиосульфата , они действуют, связываясь с CysB, и они конкурируют с NAS за связывание CysB. [17]
Пируват, результат гликолиза , может питать как цикл трикарбоновых кислот, так и процессы ферментации . Реакции, начинающиеся с одной или двух молекул пирувата, приводят к синтезу аланина, валина и лейцина. Ингибирование обратной связи конечных продуктов является основным методом ингибирования, и в E. coli оперон ilvEDA также играет роль в этой регуляции.
Аланин образуется путем трансаминирования одной молекулы пирувата с использованием двух чередующихся 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. Единственный определенный метод — способность бактерии подавлять активность трансаминазы C либо валином, либо лейцином (см. оперон ilvEDA ). Помимо этого, биосинтез аланина, по-видимому, не регулируется. [18]
Валин производится путем четырехферментного пути. Он начинается с конденсации двух эквивалентов пирувата, катализируемой синтазой ацетогидроксикислоты, что приводит к образованию α-ацетолактата. Второй шаг включает в себя NADPH + -зависимое восстановление α-ацетолактата и миграцию метильных групп для получения α, β-дигидроксиизовалерата. Это катализируется ацетогидроксиизомероредуктазой. Третий шаг - дегидратация α, β-дигидроксиизовалерата, катализируемая дегидразой дигидроксикислоты. На четвертом и последнем шаге полученный α-кетоизовалерат подвергается трансаминированию, катализируемому либо аланин-валин трансаминазой, либо глутамат-валин трансаминазой. Биосинтез валина подвергается ингибированию по принципу обратной связи при производстве синтазы ацетогидроксикислоты. [18]
Путь синтеза лейцина расходится с путем валина, начиная с α-кетоизовалерата. α-изопропилмалатсинтаза катализирует эту конденсацию с ацетил-КоА для получения α-изопропилмалата. Изомераза превращает α-изопропилмалат в β-изопропилмалат. Третий шаг - это НАД + -зависимое окисление β-изопропилмалата, катализируемое дегидрогеназой. Последний шаг - это трансаминирование α-кетоизокапроата под действием глутамат-лейцинтрансаминазы.
Лейцин, как и валин, регулирует первый этап своего пути, ингибируя действие α-изопропилмалатсинтазы. [18] Поскольку лейцин синтезируется путем отклонения от пути синтеза валина, ингибирование валина по принципу обратной связи на его пути также может ингибировать синтез лейцина.
Гены, которые кодируют как дегидразу дигидроксикислот, используемую при создании α-кетоизовалерата, так и трансаминазу E, а также другие ферменты, кодируются в опероне ilvEDA. Этот оперон связывается и инактивируется валином , лейцином и изолейцином . (Изолейцин не является прямым производным пирувата, но производится с использованием многих из тех же ферментов, которые используются для производства валина и, косвенно, лейцина.) Когда одна из этих аминокислот ограничена, ген, наиболее удаленный от сайта связывания аминокислоты этого оперона, может быть транскрибирован. Когда вторая из этих аминокислот ограничена, может быть транскрибирован следующий ближайший ген к сайту связывания и т. д. [18]
Коммерческое производство аминокислот обычно основано на мутантных бактериях, которые перепроизводят отдельные аминокислоты, используя глюкозу в качестве источника углерода. Некоторые аминокислоты производятся путем ферментативных превращений синтетических промежуточных продуктов. 2-аминотиазолин-4-карбоновая кислота является промежуточным продуктом в промышленном синтезе L- цистеина , например. Аспарагиновая кислота производится путем добавления аммиака к фумарату с использованием лиазы. [19]