Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

13.4. Синтез мочевины

NH3 + CO2 + АТФ → NH2—CO—O–Ф + АДФ

Карбамоилфосфат в основном синтезируется в митохондриях. Процессы синтеза мочевины сопряжены с образованием аргинина в орнитиновом цикле, который начинается с переноса карбамоильной группы с карбамоилфосфата на орнитин, в результате образуется цитруллин. Реакция катализируется орнитинкарбамоилтрансферазой (1). Затем в реакции с цитруллином участвует аспарагиновая кислота, аминогруппа которой конденсируется с его карбамоильной группой. Реакция протекает в присутствии АТФ и катализируется аргининосукцинатсинтетазой (2). В результате реакции образуется аргининосукцинат, который под действием аргининосукцинатлиазы (3) обратимо расщепляется на аргинин и фумаровую кислоту. Последняя служит промежуточным субстратом ферментов цикла трикарбоновых кислот. В случае активности аргиназы

(4) аргинин расщепляется на орнитин и мочевину. При этом орнитин может вновь участвовать в циклическом процессе.

3HOOC–CH2 COOH Аргининосукцинат

HOOC–CH

CH–COOH

Фумарат

Рис. 13.1. Реакции синтеза мочевины в орнитиновом цикле (1 — орнитинкарбамоилтрансфераза, 2 — аргининосукцинатсинтетаза,

3 — аргининосукцинатлиаза, 4 — аргиназа)

213

Глава 13. Метаболизм азота и аминокислот

Однако процесс не всегда идет до образования мочевины. Иногда в клетках растений может накапливаться в больших количествах аргинин, который наряду с амидами является соединением, связывающим избыток аммиака. Таким образом, в процессе синтеза мочевины происходит не только связывание аммиака, но образование некоторых важных для растения аминокислот. Остальные аминокислоты синтезируются в реакциях транс- и дезаминирования.

13.5.УЧАСТИЕ АМИНОКИСЛОТ В РЕАКЦИЯХ ТРАНС- И ДЕЗАМИНИРОВАНИЯ

Впервые процесс трансаминирования был открыт российским ученым А.Е. Браунштейном, который показал, что реакции катализируются трансаминазами, осуществляющими перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту.

R—СН(NН2)СООН + R′СОСООН → RСОСООН + R′–CН(NН2)СООН

Аминокислоты, превращающиеся в реакциях трансаминирования в соответствующие кетокислоты, могут быть субстратами ферментов цикла трикарбоновых кислот. Кроме того, процесс трансаминирования играет роль в протекании цикла мочевины с участием аспартата. Коферментом аминотрансфераз служит пиридоксаль-5′-фосфат.

H3C N

Пиридоксаль-5′-фосфат

Реакции трансаминирования играют ключевую роль в промежуточном метаболизме, обеспечивая синтез и разрушение аминокислот в растительных клетках. Так, например, глутаминовая, аспарагиновая кислоты

иаланин превращаются в соответствующие α-кетокислоты, являются компонентами цикла трикарбоновых кислот и могут служить источниками энергии.

Наиболее изученными среди аминотрансфераз являются аспартат-

иаланинаминотрансферазы. Аспартатаминотрансфераза катализирует следующую обратимую реакцию трансаминирования:

214

13.5. Участие аминокислот в реакциях транс- и дезаминирования

←→ НООС—СН2—С(О)–СООН + HOOC—CH2—CH2—CН(NH2)–COOH

Тогда как аланинаминотрансфераза способна обратимо катализировать следующую реакцию:

СН3—СН(NH2)–СООН + HOOC—CH2—CH2—C(О)–COOH ←→

Процесс трансаминирования включает межмолекулярный перенос аминогруппы с донорной α-аминокислоты на акцептор α-кетокислоту без промежуточного образования аммония.

Активность трансаминаз проявляется только тогда, когда альдегидная группа пиридоксальфосфата образует связь с ε-аминогруппой остатка лизина активного центра фермента (1), который замещается аминокислотой, вступающей в реакцию (рис. 13.2). В результате образуется промежуточное соединение (основание Шиффа) (2), подвергающееся внутримолекулярному превращению (3, 4), завершающемуся освобождением α-кетокислоты и пиридоксаминфосфата (5). Последний на втором этапе реагирует с другой α-кетокислотой и через повторение тех же стадий, но только в обратном направлении, завершает каталитический цикл реакций. Процесс трансаминирования завершается синтезом новой аминокислоты и освобождением пиридоксальфосфата.

В результате реакции образуются новые амино- и кетокислоты. Катализировать протекание такого типа реакций могут следующие ферменты: аспартатаминотрансфераза, аланинаминотрансфераза, цистеинаминотрансфераза, глицинаминотрансфераза и др.

Кроме того, аминокислоты способны вступать в реакции дезаминирования, которые протекают при участии ферментов, отщепляющих от аминокислот аминогруппы:

− восстановительное дезаминирование

R — СН(NH2)СООН + Н2 → R — СH2СООН + NH3;

− гидролитические дезаминирование

R — СН(NH2)СООН + Н2О → R—СН(ОН)СООН + NН3;

− внутримолекулярное дезаминирование

R—СН2—СН(NН2)СООН → R—СН=СН—СООН + NН3;

215

Глава 13. Метаболизм азота и аминокислот

− окислительное дезаминирование

CH

CH

H O–

Р O

Рис. 13.2. Процесс трансаминирования

216

13.6. Реакции синтеза отдельных аминокислот

Также аминокислоты способны превращаться в ферментативных реакциях декарбоксилирования, сопровождающихся отщеплением от аминокислоты СО2, с последующим образованием аминов:

R—СН(NН2)СООН → R—СН2—NН2 + СО2

Реакции декарбоксилирования аминокислот катализируются ферментами, относящимися к классу лиаз (КФ 4.), подклассу углерод-углерод- лиазы (КФ 4.1.), подподклассу карбокси-лиазы (КФ 4.1.1.); например, пируваткарбоксилаза, оксалатдекарбоксилаза, оксалоацетатдекарбоксилаза, ацетоацетатдекарбоксилаза и т. д.

13.6. РЕАКЦИИ СИНТЕЗА ОТДЕЛЬНЫХ АМИНОКИСЛОТ

Аминокислоты относятся к группе органических соединений, в состав которых входит азот. В предыдущих разделах были рассмотрены реакции синтеза некоторых аминокислот. Так, аминокислоты образуются в процессе синтеза мочевины (аргинин, орнитин, цитруллин), в реакциях трансаминирования (аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), амидирования (аспарагин). Однако в растениях синтезируются и другие аминокислоты, индивидуальные реакции синтеза которых будут рассмотрены ниже.

Синтез глутамина. Реакции синтеза глутамина способствуют понижению в среде аммиака. Осуществляются при участии глутаминсинтазы. Для протекания реакции требуется энергия АТФ. В процессе каталитической реакции происходит присоединение аммиака к глутаминовой кислоте.

Глутамин в растительном организме осуществляет транспорт аммиака, обеспечивает поддержание кислотно-щелочного равновесия, а также участвует в реакциях синтеза некоторых функционально важных соединений. Так, его амидная группа используется при синтезе аминокислот (глутаминовая кислота, триптофан, гистидин, пролин, валин, лейцин, лизин, аргинин, фенилаланин, тирозин), пуриновых и пиримидиновых оснований, аминосахаров, карбамоилфосфата и аспарагина (рис. 13.3).

217

Глава 13. Метаболизм азота и аминокислот

Рис. 13.3. Участие глутамина в синтезе различных метаболитов

Синтез пролина. Это соединение относится к иминокислотам, представляет собой циклическое производное глутамата. В реакциях синтеза пролина участвуют два фермента (рис. 13.4). Вначале глутамат восста-

COOH

218

13.6. Реакции синтеза отдельных аминокислот

навливается до γ-полуальдегида. Реакцию катализирует глутаматкиназадегидрогеназа, использующая для протекания реакции АТФ и НАДФН. Образовавшийся γ-полуальдегид подвергается спонтанной циклизации с образованием 1-пирролин-5-карбоксилата. В завершении процесса пирролинкарбоксилатредуктаза восстанавливает 1-пирролин-5-кар- боксилат с образованием пролина. Последний регулирует весь процесс по типу обратной связи, выступая в качестве аллостерического ингибитора глутаматкиназа-дегидрогеназы.

Синтез серина. Образование серина в клетках растений может происходить в результате конденсации глицина с формальдегидом.

Кроме того, серин может синтезироваться из первичных продуктов фотосинтеза (рис. 13.5). Вначале 3-фосфоглицериновая кислота подвергается дегидрированию с образованием 3-фосфооксипировиноградной

COO–

H–C–OH O–

H–C– O – P – O–

HO

НАД+

1

Н+ + НАДН

COO–

C=O

CH2–O–PO32–

Глутамат

2

α-Кетоглутарат

COO–

+

H3N–C–H

CH2–O–PO32–

H2O

3

Фн

COO–

+

H3N–C–H

CH2OH

Рис. 13.5. Реакции синтеза серина (1 — фосфоглицератдегидрогеназа, 2 — фосфосеринтрансфераза, 3 — фосфосеринфосфатаза)

219

Глава 13. Метаболизм азота и аминокислот

кислоты, которая после переаминирования превращается в 3-фосфосе- рин. Последний при участии фосфатазы превращается в серин.

Синтез глицина. В растительных клетках глицин синтезируется из глиоксиловой кислоты при участии глутамат-глиоксилат-аминотрансферазы (1), а также при расщеплении серина и распаде треонина, реакции катализируют соответственно серингидроксиметилтрансфераза (2) и треонинальдолаза (3).

Треонин

В растениях глицин выполняет разнообразные функции. Он входит в состав белков, участвует в синтезе пуриновых нуклеотидов, гема, хлорофиллов, креатина, глутатиона, а также в реакциях взаимопревращения серина и треонина (рис. 13.6).

Синтез треонина. Треонин относится к группе незаменимых для животных аминокислот, поэтому синтезируется только в растительных тканях и некоторыми микроорганизмами. В реакции синтеза треонина участвует аспарагиновая кислота, которая вначале превращается в по-

Рис. 13.6. Взаимопревращения серина и треонина

220

13.6. Реакции синтеза отдельных аминокислот

луальдегид аспарагиновой кислоты (рис. 13.7). Реакцию катализирует аспартат-киназа-дегидрогеназа, расходующая АТФ и НАДФН. В дальнейшем β-полуальдегид восстанавливается до гомосерина. Реакция протекает при участии гомосериндегидрогеназы. Затем под действием гомосеринкиназы гомосерин подвергается фосфорилированию с образованием гомосеринфосфата. В завершении процесса синтеза гомосеринфосфат при участии треонинсинтетазы претерпевает внутримолекулярное превращение, которое сопровождается перемещением гидроксильной группы и отщеплением фосфорной кислоты. Реакция протекает в присутствии пиридоксальфосфата.

COOH

CH–NH2

CH2

COOH

АТФ НАДФН

1

Н3PO4 + АДФ НАДФ+

COOH

CH–NH2

CH2

C=O

H

НАДН

2

НАД+

COOH

CH–NH2

CH2

CH2–OH

АТФ

3

АДФ

COOH

CH–NH2

COOH

CH–NH2

CH–OH

CH3

Рис. 13.7. Реакции синтеза треонина (1 — аспартат-киназа-дегидрогеназа, 2 — гомосериндегидрогеназа, 3 — гомосеринкиназа, 4 — треонинсинтетаза)

221

Глава 13. Метаболизм азота и аминокислот

Синтез лейцина. В реакциях синтеза лейцина участвует ацетил-КоА, который донирует ацетил-радикалы для 2-оксоизовалерианата (рис. 13.8). Реакцию катализирует 2-изопропилмалатсинтаза. Затем через обратимую дегидратацию 2-изопропилмалат превращается в 3-изопропилмалат под действием 2-изопропилмалатдегидратазы. В дальнейшем 3-изопро-

CH–CH3

CH3

Рис. 13.8. Реакции синтеза лейцина (1 — 2-изопропилмалатсинтаза, 2 — 2-изо- пропилмалатдегидратаза, 3 — 3-изопропилмалатдегидрогеназа, 4 — лейцинаминотрансфераза)

222