Синтез аминокислот

Модульная единица 10. Обмен азотистых веществ.

Лекции 7. Обмен аминокислот.

Аннотация. Излагаются основные биохимические реакции синтеза, превращений и распада аминокислот. Рассматриваются механизмы ассимиляции нитратной формы азота и причины накопления нитратов в растительной продукции. Изучаются механизмы связывания избыточного аммиака в растениях и усвоения амидной формы азота при некорневых подкормках. Даются биохимические сведения о механизме симбиотической азотфиксации.

Ключевые слова: восстановительное аминирование кетокислот, реакции переаминирования, окислительное дезаминирование аминокислот, декарбоксилирова-ние аминокислот, аминооксидазы, аспарагинсинтетаза, глутаминсинтетаза, орнитино-вый цикл, обращение реакций орнитинового цикла, нитратредуктаза, нитритредуктаза, нитрогеназа, бактероиды, легоглобин.

Рассматриваемые вопросы:

1. Синтез аминокислот.

2. Превращения и распад аминокислот.

3. Связывание избыточного аммиака в растениях.

4. Усвоение растениями азота мочевины при некорневых подкормках.

5. Восстановление нитратного азота в растениях.

6. Биохимические процессы симбиотической азотфиксации.

Цели и задачи изучения модульной единицы. Изучить биохимические реакции синтеза, превращений и распада аминокислот и белков, а также молекулярные механизмы генетических процессов, связанные с реализацией в клетках организмов генетической информации, которая содержится в молекулах ДНК. Научить студентов применять знания по обмену азотистых веществ при обосновании технологий выращивания сельскохозяйственных культур и оценке качества растительной продукции.

В растительном организме аминокислоты являются первичными азотистыми веществами, которые синтезируются из минеральных форм азота, поступающих главным образом из почвы в виде катионов аммония и нитратов. Другие азотистые вещества образуются в результате превращения аминокислот или с их непосредственным участием. В связи с тем, что в процессе синтеза в аминокислоты включается аммонийная форма азота, нитраты в растительных клетках подвергаются восстановлению, под действием соответствующих ферментных систем.

Акцепторами аммонийного азота при первичном синтезе аминокислот служат кетокислоты, которые являются продуктами реакций дыхания – пировиноградная, щавелевоуксусная, a-кетоглутаровая. Образование аминокислот из кетокислот и аммонийной формы азота называют восстановительным аминированием. Эти реакции катализируют ферменты –дегидрогеназы, у которых роль коферментов выполняют восстановленные динуклеотиды НАД×Н или НАДФ×Н.

Восстановительное аминирование кетокислот проходит в две стадии. Вначале кетокислота реагирует с аммиаком, образуя иминокислоту. На следующем этапе дегидрогеназа восстанавливает иминокислоту в аминокислоту. Схематически указанные реакции можно представить в виде следующих уравнений:

R–С–СООН + NН₃ ¾® R–С–СООН + Н₂О

|| ||

О NН

кетокислота иминокислота

R–С–СООН + НАД×Н + Н⁺ ¾® R–СН–СООН + НАД⁺

|| |

NH NH₂

иминокислота аминокислота

В растениях найдены дегидрогеназы, катализирующие восстановительное аминирование пировиноградной, щавелевоуксусной, a-кето-глутаровой кислот. В ходе этих реакций осуществляется синтез аминокислот – a-аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

аланиндегидро-

СН₃–С–СООН + NH₃ + НАД×Н+Н⁺ ¾¾¾¾¾® СН₃–СН–СООН + Н₂О + НАД⁺

║ геназа |

О NН₂

пировиноградная

кислота a-аланин

	СН2-СООН аспартатдегид- СН2-СООН | + NH3 + НАД×Н + Н+ ¾¾¾¾¾® | + Н2О + НАД+ СО-СООН рогеназа CНNH2-CООН щавелевоук- аспарагиновая сусная кислота кислота     СН2-СООН СН2-СООН | глутаматдегид- | CН2 + NH3 + НАД×Н + Н+ ¾¾ ¾¾¾® СН2 + Н2О + НАД+ | рогеназа | СО-СООН CНNH2-CООН a-кетоглутаро- глутаминовая вая кислота кислота

В растительных клетках наиболее высокую активность проявляет фермент глутаматдегидрогеназа (1.4.1.3), катализирующий синтез глутаминовой кислоты. Глутаматдегидрогеназа представляет собой тетра- или гексамерный белок с молекулярной массой 200-300 тыс. Она содержится в корнях и листьях растений. В клетках большая часть этого фермента локализована в митохондриях и хлоропластах. Глутаматдегидрогеназа митохондрий использует в качестве кофермента НАД, а хлоропластная глутаматдегидрогеназа – НАДФ.

Действие этого фермента обратимо и направленность реакции зависит от концентрации в физиологической среде НАД×Н и НАД⁺ или НАДФ∙Н и НАДФ⁺, а также от концентрации Н⁺. Реакции восстановительного аминирования более активно проходят при подкислении среды.

Наряду с глутаматдегидрогеназой синтез глутаминовой кислоты катализирует ещё один фермент - глутаматсинтаза (1.4.1.13). С участием этого фермента осуществляется восстановительное аминирование a-кетоглутаровой кислоты за счёт амидной группировки глутамина. Донорами электронов для фермента глутаматсинтазы в зелёных частях растений служат восстановленные молекулы ферредоксина, а в корнях – восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н:

	О // СН2-СООН СН2-С-NН2 СН2-СООН | | | CH2 + CH2 + НАДФ×Н + Н+ → СH2 + НАДФ+ | | | СО-СООН CHNH2-COOH CHNH2-COOH   a-кетоглутаро- глутамин глутаминовая вая кислота кислота

Глутаматсинтаза – высокомолекулярный белок, содержащий в активном центре флавиновую и железо-серную группировки, более активен на свету.

С реакцией восстановительного аминирования, катализируемой глутаматсинтазой, сопряжена реакция образования глутамина, которая проходит с участием фермента глутаминсинтетазы (6.3.1.2). Под действием этого фермента глутамминовая кислота реагирует с аммиаком, а источником энергии для данного эндергонического превращения служат молекулы АТФ:

	О // СН2-СООН СН2-С-NН2 | | CH2 + NH3 + ATФ ¾® CH2 + АДФ + Н3РО4 | | CHNH2-COOH CHNH2-COOH глутаминовая кислота глутамин     |

Глутаминсинтетаза – олигомерный белок с молекулярной массой более 500 тыс., проявляет каталитическую активность в присутствии катионов Mg²⁺. При низкой концентрации a-кетоглутаровой и глутаминовой кислот фермент переводится в неактивную форму в результате присоединения от АТФ остатка адениловой кислоты (АМФ) к одному из радикалов тирозина в молекуле фермента. Присоединение и удаление остатка адениловой кислоты катализируют специальные трансферазы. Глутаминсинтетаза локализована преимущественно в цитоплазме и меньшая её активность обнаруживается в хлоропластах.

Следует отметить, что дополнительный синтез глутаминовой кислоты с участием сопряжённой ферментной системы глутаминсинтетазы и глутаматсинтазы возможен только при наличии определённого уровня глутаматдегидрогеназой активности, осуществляющей первичное образование глутаминовой кислоты в результате восстановительного аминирования аммиаком a-кетоглутаровой кислоты.

У бактерий выяснен ещё один механизм образования одной из аминокислот (аспарагиновой) в результате присоединения аммиака к фумаровой кислоте, которая так же, как и указанные выше кетокислоты, является продуктом дыхательных реакций. Синтез аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты и аммиака катализирует фермент аспартатам-миаклиаза (4.3.1.1):

	СН-СООН СН2-СООН || + NH3 D | СН-СООН CHNH2-COOH фумаровая аспарагиновая кислота кислота

Первичные аминокислоты, образующиеся в ходе восстановительного аминирования кетокислот, становятся активными донорами аминогрупп для реакций переаминирования, катализируемых аминотрансферазами. Механизм реакций переаминирования уже рассмотрен ранее (стр 234-236). Наибольшую активность в качестве доноров аминных групп имеют глутаминовая и аспарагиновая кислоты, а также их амиды – глутамин и аспарагин.

Важнейшими акцепторами аминных групп в этих реакциях являются следующие кетокислоты: a-кетоглутаровая, щавелевоуксусная, пировиноградная, оксипировиноградная, глиоксиловая, фенилпировиноградная. В результате переаминирования могут синтезироватья глутаминовая и аспарагиновая кислоты, a-аланин, серин, глицин, фенилаланин и другие аминокислоты, имеющие кетоаналоги в растительных клетках.

Содержание свободных аминокислот в растительных тканях подвержено постоянным изменениям. Значительное их количество затрачивается на синтез белков, нуклеотидов, нуклеиновых кислот и других азотистых соединений. Другая часть аминокислот превращается в безазотистые вещества - углеводы, жиры, органические кислоты, фенольные соединения. Концентрация протеиногенных аминокислот существенно возрастает, когда инициируется распад белков.