3. Биосинтез нуклеотидов
Нуклеотиды являются исходным материалом для биосинтеза нуклеиновых кислот. Кроме того, нуклеотиды входят в состав многих коферментов и участвуют в активации и переносе аминокислот, углеводов, компонентов клеточной стенки и липидов.
Нуклеотиды – сложные соединения, состоящие из азотистых оснований, пентоз и остатка фосфорной кислоты. Большинство микроорганизмов способно синтезировать нуклеотиды из низкомолекулярных соединений. Если же нуклеотиды есть в питательной среде или они образуются при распаде нуклеиновых кислот, то клетка их не синтезирует, а использует в готовом виде.
Синтез пиримидиновых нуклеотидов. Предшественниками для синтеза пиримидиновых оснований служат карбамоилфосфат и аспартат. Карбамилфосфат синтезируется из аммиака и углекислого газа:
NН3 + СО2 + 2АТФ → Н2N – СО – О – РО3Н2 + 2АДФ + Фн
Фермент аспартаттранскарбамоилаза конденсирует эти соединения с образованием карбамоиласпартата. Карбамоиласпартат подвергается циклизации с образованием 4,5-дигидрооротата. Затем в результате дегидрирования этого соединения происходит образование оротата – первого промежуточного продукта, содержащего пиримидиновое кольцо.
Прежде чем превратиться в одно из пиримидиновых оснований, оротат связывается с рибозо-5-фосфатом, который является исходным соединением для образования пентозногокомпонента нуклеотидов. Как известно, рибозо-5-фосфат может синтезироваться двумя путями:
1) окислительным – из глюкозо-6-фосфата через окислительный пентозофосфатный путь;
2) неокислительным – из фруктозо-6-фосфата и 3-фосфоглицеринового альдегида в результате реакций, катализируемых трансальдолазой и транскетолазой.
Для синтеза нуклеотидов рибозо-5-фосфат используется в высокоэнергетической форме – в виде фосфорибозилпирофосфата (ФРПФ). Фосфорибозилпирофосфат взаимодействует с оротатом, в результате образуется оротидинмонофосфат, который декарбоксилируется в уридинмонофосфат или уридиловую кислоту:
Из уридиловой кислоты путем аминирования образуется цитидиловая кислота (нуклеотид, содержащий азотистое основание цитозин), путем метилирования – тимидиловая кислота (нуклеотид, содержащий азотистое основание тимин).
Синтез пуриновых нуклеотидов. Начальной стадией синтеза пуриновых нуклеотидов является взаимодействие ФРПФ с глутамином с образованием фосфорибозиламина, который через ряд последовательных ферментативных реакций превращается в инозиновую кислоту (пуриновый нуклеотид гипоксантин). Инозиновая кислота служит исходным продуктом для синтеза двух других нуклеотидов – адениловой и гуаниловой кислот.
При синтезе дезоксирибонуклеотидов происходит восстановление рибозы до дезоксирибозы. Это происходит на стадии рибонуклеотидов, т. е. синтезируются рибонуклеотиды, а затем происходит восстановление их до дезоксирибонуклеотидов.
Синтезированные клеткой или усвоенные из среды нуклеотиды при участии РНК- и ДНК-полимераз полимеризуются в полинуклеотиды – молекулы РНК и ДНК.
4. Биосинтез липидов, жирных кислот и фосфолипидов.
Липиды в клетке бактерий представлены химическими соединениями различной природы. Это триглицериды, жирные кислоты, фосфолипиды, гликолипиды, воск. К липидам бактерий относятся также соединения, молекула которых содержит изопреновые фрагменты:
Из изопреновых фрагментов (путем их полимеризации) построены молекулы каротиноидов, хлорофиллов, хинонов. К соединениям липидной природы относятся и некоторые витамины и их производные.
Упрокариот липиды входят в состав клеточных мембран и клеточной стенки, служат запасными веществами, являются компонентами пигментных систем и цепей электронного транспорта.
Наиболее универсальные липидные компоненты бактерий – жирные кислоты и фосфолипиды.
Исходным субстратом для синтеза фосфолипидов служит фосфодиоксиацетон (один из промежуточных продуктов гликолитического пути). Фосфодиоксиацетон восстанавливается с образованием 3-фосфоглицерина:
Фосфодиоксиацетон + НАДФ∙Н2 → 3-Фосфоглицерин + НАДФ+
3-Фосфоглицерин взаимодействует с двумя остатками жирных кислот в виде комплекса с белком АПБ. Образуется фосфатидная кислота:
3-Фосфоглицерин + 2Ацил-АПБ → Фосфатидная кислота + 2АПБ
Присоединение к фосфатной группе фосфатидной кислоты серина, инозита, глицерина или другого соединения приводит соответственно, к синтезу фосфатидилсерина, фосфатидилинозита и фосфатидилглицерина.
Исходным субстратом для синтеза жирных кислот с четным числом углеродных атомов служит ацетил-КоА.
На первом этапе происходит перенос ацетильной группы от ацетилКоА на молекулу особого белка, называемого ацилпереносящим белком (АПБ):
Ацетил-КоА + АПБ → Ацетил-АПБ + КоА
Ацетил-АПБ выполняет функцию затравки, к которой присоединяется С2-фрагмент. Донором С2-фрагмента служит молекула малонил-АПБ, синтезирующаяся также из ацетил-КоА. В результате присоединения С2- фрагмента к ацетил-АПБ образуется ацетоацетил-АПБ:
Ацетил-АПБ + Малонил-АПБ → Ацетоацетил-АПБ + СО2 + АПБ
Затем с помощью серии ферментативных реакций происходит восстановление окисленных углеродных атомов ацетоацетил-АПБ, приводящее к образованию бутирил-АПБ:
В результате конденсации бутирил-АПБ с новой молекулой малонилАПБ и последующего восстановления продукта реакции образуется молекула С6-жирной кислоты (капроил-АПБ). Последовательное наращивание С2-остатков приводит к синтезу жирных кислот, содержащих обычно 16–18 углеродных атомов.
Жирные кислоты с нечетным числом углеродных атомов образуются в результате начальной конденсации пропионил-АПБ и малонил-АПБ. В клетках бактерий компонентами липидов являются в основном насыщенные жирные кислоты или содержащие одну двойную связь (моно-ненасыщенные). Полиненасыщенные жирные кислоты, содержащие две и более двойные связи, найдены до сих пор только у цианобактерий.