Биохимия растений

11. ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ

∙

11.1.СИНТЕЗ АМИНОКИСЛОТ

Âрастительном организме аминокислоты являются первичн˝ы-

ми азотистыми веществами, которые синтезируются из минер˝аль-

ных форм азота, поступающих главным образом из почвы в вид˝е

катионов аммония и нитратов. Другие азотистые вещества об˝разуются в результате превращения аминокислот или с их непоср˝ед-

ственным участием. Поскольку в процессе синтеза в аминоки˝сло-

ты включается аммонийная форма азота, нитраты в раститель˝ных

клетках подвергаются восстановлению под действием соот˝ветству-

ющих ферментных систем.

Акцепторами аммонийного азота при первичном синтезе ами˝-

нокислот служат кетокислоты, которые являются продуктам˝и ре-

акций дыхания — пировиноградная, щавелевоуксусная, α-êåòî-

глутаровая. Образование аминокислот из кетокислот и аммо˝ний-

ной формы азота называют восстановительным аминированием. Эти реакции катализируют ферменты дегидрогеназы, у котор˝ых

роль коферментов выполняют восстановленные динуклеотид˝ы НАД · Н или НАДФ · Н.

Восстановительное аминирование кетокислот проходит в д˝ве стадии. Вначале кетокислота реагирует с аммиаком, образуя˝ иминокислоту. На следующем этапе дегидрогеназа восстанавли˝вает

иминокислоту в аминокислоту. Схематически указанные реа˝кции

можно представить в виде следующих уравнений:

В растениях найдены дегидрогеназы, катализирующие восст˝а- новительное аминирование пировиноградной, щавелевоуксу˝сной,

421

α-кетоглутаровой кислот. В ходе этих реакций осуществляетс˝я синтез аминокислот — α-аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

В растительных клетках наиболее высокую активность проя˝в-

ляет фермент глутаматдегидрогеназа (1.4.1.3), катализирующий синтез глутаминовой кислоты. Глутаматдегидрогеназа пре˝дставля-

ет собой тетраили гексамерный белок с молекулярной масс˝ой

200—300 тыс. Она содержится в корнях и листьях растений. В клетках бó льшая часть этого фермента локализована в митохондриях и хлоропластах. Глутаматдегидрогеназа митохондрий˝ использует в качестве кофермента НАД, а хлоропластная глута˝матдегидрогеназа — НАДФ.

422

Действие этого фермента обратимо, и направленность реакц˝ии зависит от концентрации в физиологической среде НАД · Н и НАД+ èëè ÍÀÄÔ · Í è ÍÀÄÔ+, а также от концентрации Н+. Реакции восстановительного аминирования более активно пр˝оходят

при подкислении среды.

Наряду с глутаматдегидрогеназой синтез глутаминовой ки˝сло-

ты катализирует еще один фермент — глутаматсинтаза (1.4.1.13). С участием этого фермента осуществляется восстановител˝ьное

аминирование α-кетоглутаровой кислоты за счет амидной группи-

ровки глутамина. Донорами электронов для фермента глутам˝ат-

синтазы в зеленых частях растений служат восстановленны˝е моле-

кулы ферредоксина, а в корнях — восстановленные динукле˝отиды НАДФ · Н:

Глутаматсинтаза — высокомолекулярный белок, содержащи˝й в

активном центре флавиновую и железосерную группировки, э˝тот

фермент более активен на свету.

С реакцией восстановительного аминирования, катализиру˝е- мой глутаматсинтазой, сопряжена реакция образования глу˝тами-

на, которая проходит с участием фермента глутаминсинтетазы

(6.3.1.2). Под действием этого фермента глутаминовая кислота ре˝- агирует с аммиаком, а источником энергии для данного энде˝рго-

нического превращения служат молекулы АТФ:

Глутаминсинтетаза — олигомерный белок с молекулярной м˝ассой более 500 тыс., проявляет каталитическую активность в пр˝и-

сутствии катионов Mg2+. При низкой концентрации α-кетоглута-

ровой и глутаминовой кислот фермент переводится в неакти˝вную форму в результате присоединения от АТФ остатка аденилов˝ой

кислоты (АМФ) к одному из радикалов тирозина в молекуле фе˝р-

423

мента. Присоединение и удаление остатка адениловой кисло˝ты катализируют специальные трансферазы. Глутаминсинтетаз˝а локализована преимущественно в цитоплазме, ее активность в˝ хлоропластах гораздо ниже.

Следует отметить, что дополнительный синтез глутаминово˝й кислоты с участием сопряженной ферментной системы глута˝мин-

синтетазы и глутаматсинтазы возможен только при наличии˝ определенного уровня глутаматдегидрогеназой активности, ос˝уществ-

ляющей первичное образование глутаминовой кислоты в рез˝уль-

тате восстановительного аминирования аммиаком α-кетоглутаро-

вой кислоты.

У бактерий выяснен еще один механизм образования одной из˝ аминокислот (аспарагиновой) в результате присоединения ˝аммиа-

ка к фумаровой кислоте, которая, как и упомянутые ранее кет˝о-

кислоты, является продуктом дыхательных реакций. Синтез а˝спа-

рагиновой кислоты из фумаровой кислоты и аммиака катализ˝иру-

ет фермент аспартатаммиаклиаза (4.3.1.1):

Первичные аминокислоты, образующиеся в ходе восстанови-

тельного аминирования кетокислот, становятся активными˝ доно-

рами аминогрупп для реакций переаминирования, катализир˝уе-

мых аминотрансферазами. Механизм реакций переаминирова˝ния уже рассмотрен ранее (см. с. 198—200). Наибольшую активность в

качестве доноров аминных групп проявляют глутаминовая и˝ аспа-

рагиновая кислоты, а также их амиды — глутамин и аспараги˝н.

Важнейшими акцепторами аминных групп в этих реакциях являются следующие кетокислоты: α-кетоглутаровая, щавелевоуксусная, пировиноградная, оксипировиноградная, глиоксило˝вая, фенилпировиноградная. В результате переаминирования мо˝гут

синтезироваться глутаминовая и аспарагиновая кислоты, α-àëà-

нин, серин, глицин, фенилаланин и другие аминокислоты, имею˝- щие кетоаналоги в растительных клетках.

Ранее было показано, что в фотосинтезирующих клетках раст˝е- ний в качестве продуктов фотодыхания образуются аминоки˝слоты

глицин и серин. Глицин синтезируется в реакции переаминир˝ова-

ния из глиоксиловой кислоты, а серин в результате конденс˝ации и

превращения молекул глицина. Однако основной путь синтез˝а се-

рина — превращение 3-фосфоглицериновой кислоты. Вначале˝ она

окисляется дегидрогеназой в 3-фосфооксипировиноградную˝ кис-

лоту, которая далее вступает в реакцию переаминирования с глу-

424

таминовой кислотой, превращаясь в 3-фосфосерин. Затем от фосфосерина под действием фосфатазы отщепляется фосфорная˝ кис-

лота и образуется серин. Схема указанных превращений може˝т

быть представлена в виде следующих реакций:

Аминокислота глицин синтезируется в основном двумя путя-

ми: переаминированием глутаминовой или аспарагиновой ки˝сло-

ты с глиоксиловой кислотой; превращением серина, катализи˝руемым ферментом сериноксиметилазой. Под действием этого фер-

мента от серина отщепляется формильная группировка и пер˝ено-

сится на тетрагидрофолиевую кислоту (ТГФК), в результате образуются глицин и метилентетрагидрофолиевая кислота:˝

Продукт данной реакции метилен-ТГФК далее может исполь-

зоваться как донор одноуглеродных остатков в различных б˝иохи-

мических превращениях. Значительное количество глицина˝ и серина образуется в фотосинтезирующих клетках С3-растений в

процессе реакций фотодыхания. Механизм этих превращений˝ был

рассмотрен ранее (см. с. 301—303).

Из первичных аминокислот, синтезируемых в реакциях восст˝а-

новительного аминирования, путем дальнейших превращени˝й об-

разуются другие аминокислоты. Как было показано ранее, на˝иболее активно происходит аминирование α-кетоглутаровой кислоты за счет аммонийного азота или амидной группы глутамина. С˝интезирующаяся таким образом глутаминовая кислота становится

425

донором аминных групп для реакций переаминирования или м˝о- жет непосредственно превращаться в аминокислоты орнити˝н, цитруллин, аргинин и пролин.

В ходе превращения в орнитин глутаминовая кислота ацетил˝и- руется от ацетил-КоА, образуя N-ацетилглутаминовую кислот˝у. Последняя с участием АТФ и НАДФ · Н восстанавливается в п˝олуальдегид N-ацетилглутаминовой кислоты. Данная реакция осу˝ще-

ствляется по такому же механизму, как и восстановление фо˝сфоглицериновой кислоты в фосфоглицериновый альдегид, прои˝сходящее в цикле Кальвина. Далее альдегидная группа полуальд˝егида

вступает в реакцию переаминирования и превращается в ами˝ногруппу. На последней стадии от образовавшегося N-ацетилор˝нитина с участием воды отщепляется остаток уксусной кислоты и вы˝свобождается свободный орнитин. В свою очередь, орнитин, включаясь в

реакции орнитинового цикла, далее последовательно превр˝ащается в другие аминокислоты — цитруллин и аргинин (см. с. 446—449).

426

Если глутаминовая кислота не подвергается ацетилирован˝ию, она может непосредственно с участием АТФ и НАДФ · Н восстанавливаться в полуальдегид глутаминовой кислоты, которы˝й самопроизвольно превращается в пирролин-5-карбоновую кисло˝ту.

Последняя восстанавливается НАДФ-специфичной дегидроге˝назой в иминокислоту пролин.

Из аспарагиновой кислоты, синтезируемой в результате вос˝ста-

новительного аминирования щавелевоуксусной кислоты, об˝разу-

ются аминокислоты — лизин, метионин, треонин, изолейцин. ˝С участием АТФ и НАДФ · Н аспарагиновая кислота превращае˝тся в

полуальдегид аспарагиновой кислоты:

Далее в ходе синтеза лизина полуальдегид аспарагиновой к˝ислоты конденсируется с пировиноградной кислотой, образуя˝ дигидропиколиновую кислоту, которая восстанавливается ре˝дукта-

зой с участием НАДФ · Н в тетрагидропиколиновую кислоту˝. Пос-

ледняя, реагируя с сукцинил-КоА, превращается в Ν-сукцинилке-

тоаминопимелиновую кислоту, которая затем вступает в реа˝кцию

427

переаминирования и образует α,ε-диаминопимелиновую кислоту, а она в результате декарбоксилирования превращается в ли˝зин.

В процессе синтеза треонина или метионина полуальдегид а˝с- парагиновой кислоты восстанавливается дегидрогеназой в˝ гомосерин:

В ходе превращения в метионин гомосерин реагирует с ацетилкоферментом А, образуя О-ацетилгомосерин, который дале˝е взаимодействует с цистеином. Продукт этого взаимодействия

цистотионин затем расщепляется с образованием гомоцист˝еина,

пировиноградной кислоты и аммиака. На следующей стадии го˝-

моцистеин под действием соответствующей трансметилазы ˝с

428

участием N5-метилтетрагидрофолиевой кислоты превращается в метионин.

Для превращения в треонин гомосерин вначале фосфорилиру˝-

ется, а из полученного таким образом О-фосфорилгомосерина˝ под

действием фермента треонинсинтетазы образуется треонин.

Аминокислота треонин в значительном количестве использ˝уется для синтеза белков, но определенная часть синтезирован˝ного

треонина через ряд промежуточных реакций превращается в˝ изо-

лейцин. На первом этапе под действием фермента треониндегидратазы (дезаминирующей) из треонина образуется α-кетобутановая

кислота. Этот фермент содержит в своем составе в качестве˝ ко-

фермента пиридоксальфосфат.

429

На следующем этапе происходит конденсация α-кетобутано-

вой кислоты с пировиноградной кислотой с последующим де-

карбоксилированием. Продукт этой реакции, имеющий уже разветвленную углеродную цепь, далее под действием Mg2+-зависи-

мой изомероредуктазы превращается в α-êåòî-β-метилвалериа-

новую кислоту — кетоаналог изолейцина. Последний вступ˝ает в реакцию переаминирования с глутаминовой кислотой, образ˝уя

изолейцин.

Аминокислота валин синтезируется из пировиноградной ки˝с-

лоты. В результате конденсации двух молекул пировиноград˝ной

кислоты и последующего декарбоксилирования образуется ˝α-аце- томолочная кислота, которая в результате такой же перегру˝ппировки, как и ацетооксибутановая кислота в ходе синтеза из˝олейцина, превращается в кетоаналог валина — α-кетоизовалериано- вую кислоту. В результате ее аминирования от глутаминовой˝ кис-

лоты синтезируется валин.

430