Биосинтез -Biosynthesis
Биосинтез представляет собой многостадийный ферментативно - катализируемый процесс, в ходе которого в живых организмах субстраты превращаются в более сложные продукты . В биосинтезе простые соединения модифицируются, превращаются в другие соединения или соединяются с образованием макромолекул . Этот процесс часто состоит из метаболических путей . Некоторые из этих путей биосинтеза расположены в пределах одной клеточной органеллы , в то время как другие включают ферменты, расположенные в нескольких клеточных органеллах. Примеры этих путей биосинтеза включают производство компонентов липидных мембран и нуклеотидов .. Биосинтез обычно является синонимом анаболизма .
Необходимые элементы для биосинтеза включают: соединения - предшественники , химическую энергию (например , АТФ ) и каталитические ферменты, для которых могут потребоваться коферменты (например , НАДН , НАДФН ). Эти элементы создают мономеры , строительные блоки для макромолекул. Некоторые важные биологические макромолекулы включают: белки , состоящие из мономеров аминокислот , соединенных пептидными связями , и молекулы ДНК , состоящие из нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями .
Свойства химических реакций
Биосинтез происходит за счет ряда химических реакций. Для протекания этих реакций необходимы следующие элементы:
- Соединения- предшественники : эти соединения являются исходными молекулами или субстратами в реакции. Их также можно рассматривать как реагенты в данном химическом процессе.
- Химическая энергия : химическая энергия может быть найдена в виде молекул высокой энергии. Эти молекулы необходимы для энергетически невыгодных реакций. Кроме того, гидролиз этих соединений ускоряет реакцию. Молекулы высокой энергии, такие как АТФ , имеют три фосфата . Часто концевой фосфат отщепляется во время гидролиза и переносится на другую молекулу.
- Каталитические ферменты : эти молекулы представляют собой особые белки , которые катализируют реакцию, увеличивая скорость реакции и снижая энергию активации .
- Коэнзимы или кофакторы : кофакторы — это молекулы, которые помогают в химических реакциях. Это могут быть ионы металлов , производные витаминов, такие как НАДН и ацетил-КоА , или невитаминные производные, такие как АТФ. В случае НАДН молекула переносит водород, тогда как ацетил-КоА переносит ацетильную группу , а АТФ переносит фосфат.
В самом простом смысле реакции, протекающие в биосинтезе, имеют следующий вид:
Некоторые варианты этого основного уравнения, которые будут обсуждаться позже более подробно, таковы:
- Простые соединения, которые превращаются в другие соединения, обычно как часть многостадийного пути реакции. Два примера реакции этого типа происходят во время образования нуклеиновых кислот и зарядки тРНК перед трансляцией . Для некоторых из этих стадий требуется химическая энергия:
- Простые соединения, которые превращаются в другие соединения с помощью кофакторов. Например, для синтеза фосфолипидов требуется ацетил-КоА, тогда как для синтеза другого компонента мембраны, сфинголипидов , требуются НАДН и ФАДН для образования сфингозинового остова. Общее уравнение для этих примеров:
- Простые соединения, которые соединяются, образуя макромолекулу. Например, жирные кислоты объединяются, образуя фосфолипиды. В свою очередь, фосфолипиды и холестерин взаимодействуют нековалентно , образуя липидный бислой . Эту реакцию можно изобразить следующим образом:
липид
Многие сложные макромолекулы синтезируются в виде простых повторяющихся структур. Например, простейшими структурами липидов являются жирные кислоты . Жирные кислоты являются производными углеводородов ; они содержат карбоксильную группу «голова» и углеводородную цепь «хвост». Эти жирные кислоты создают более крупные компоненты, которые, в свою очередь, вступают в нековалентные взаимодействия для формирования липидного бислоя. Цепи жирных кислот обнаружены в двух основных компонентах мембранных липидов: фосфолипидах и сфинголипидах . Третий основной компонент мембраны, холестерин , не содержит этих звеньев жирных кислот.
Фосфолипиды
Основу всех биомембран составляет двухслойная структура фосфолипидов. Молекула фосфолипидов амфипатична ; он содержит гидрофильную полярную головку и гидрофобный неполярный хвост. Фосфолипидные головки взаимодействуют друг с другом и с водной средой, а углеводородные хвосты ориентируются в центре, в сторону от воды. Эти последние взаимодействия управляют двухслойной структурой, которая действует как барьер для ионов и молекул.
Существуют различные типы фосфолипидов; следовательно, пути их синтеза различаются. Однако первая стадия синтеза фосфолипидов включает образование фосфатидата или диацилглицерол-3-фосфата в эндоплазматическом ретикулуме и внешней митохондриальной мембране . Путь синтеза представлен ниже:
Путь начинается с глицерол-3-фосфата, который превращается в лизофосфатидат посредством добавления цепи жирной кислоты, обеспечиваемой ацил-коферментом А. Затем лизофосфатидат превращается в фосфатидат за счет добавления другой цепи жирной кислоты, вносимой вторым ацил-КоА; все эти стадии катализируются ферментом глицеролфосфатацилтрансферазой . Синтез фосфолипидов продолжается в эндоплазматическом ретикулуме, и пути биосинтеза расходятся в зависимости от компонентов конкретного фосфолипида.
сфинголипиды
Подобно фосфолипидам, эти производные жирных кислот имеют полярную головку и неполярные хвосты. В отличие от фосфолипидов сфинголипиды имеют сфингозиновый остов. Сфинголипиды существуют в эукариотических клетках и особенно распространены в центральной нервной системе . Например, сфингомиелин входит в состав миелиновой оболочки нервных волокон.
Сфинголипиды образуются из церамидов , состоящих из цепи жирных кислот, присоединенной к аминогруппе сфингозинового остова. Эти церамиды синтезируются ацилированием сфингозина. Путь биосинтеза сфингозина показан ниже:
Как видно из изображения, во время синтеза сфингозина пальмитоил-КоА и серин подвергаются реакции конденсации , в результате которой образуется дегидросфингозин. Этот продукт затем восстанавливается с образованием дигидроспингозина, который превращается в сфингозин посредством реакции окисления под действием FAD .
Холестерин
Этот липид принадлежит к классу молекул, называемых стеролами . Стерины имеют четыре конденсированных кольца и гидроксильную группу . Холестерин является особенно важной молекулой. Он не только служит компонентом липидных мембран, но также является предшественником нескольких стероидных гормонов, включая кортизол , тестостерон и эстроген .
Холестерин синтезируется из ацетил-КоА . Путь показан ниже:
В более общем смысле этот синтез происходит в три этапа, причем первый этап происходит в цитоплазме , а второй и третий этапы происходят в эндоплазматическом ретикулуме. Этапы следующие:
- 1. Синтез изопентенилпирофосфата , «строительного блока» холестерина.
- 2. Образование сквалена путем конденсации шести молекул изопентенилфосфата.
- 3. Превращение сквалена в холестерин посредством нескольких ферментативных реакций.
нуклеотиды
Биосинтез нуклеотидов включает катализируемые ферментами реакции, которые превращают субстраты в более сложные продукты. Нуклеотиды являются строительными блоками ДНК и РНК . Нуклеотиды состоят из пятичленного кольца, образованного сахаром рибозой в РНК и сахаром дезоксирибозы в ДНК; эти сахара связаны с пуриновым или пиримидиновым основанием гликозидной связью и фосфатной группой в 5'-положении сахара.
Пуриновые нуклеотиды
Нуклеотиды ДНК аденозин и гуанозин состоят из пуринового основания, присоединенного к сахару рибозе гликозидной связью. В случае нуклеотидов РНК дезоксиаденозина и дезоксигуанозина пуриновые основания присоединены к сахару дезоксирибозе гликозидной связью. Пуриновые основания на нуклеотидах ДНК и РНК синтезируются в ходе двенадцатиступенчатой реакции, присутствующей в большинстве одноклеточных организмов. Высшие эукариоты используют аналогичный механизм реакции в десять стадий реакции. Пуриновые основания синтезируются путем превращения фосфорибозилпирофосфата (PRPP) в инозинмонофосфат (IMP), который является первым ключевым промежуточным продуктом в биосинтезе пуриновых оснований. Дальнейшая ферментативная модификация IMP дает аденозиновые и гуанозиновые основания нуклеотидов.
- Первым этапом биосинтеза пуринов является реакция конденсации , осуществляемая глутамин-PRPP-амидотрансферазой . Этот фермент переносит аминогруппу с глутамина на PRPP, образуя 5-фосфорибозиламин . Следующий шаг требует активации глицина путем добавления фосфатной группы из АТФ .
- GAR-синтетаза осуществляет конденсацию активированного глицина на PRPP с образованием глицинамидрибонуклеотида (GAR).
- Трансформилаза GAR добавляет формильную группу к аминогруппе GAR, образуя формилглицинамидрибонуклеотид (FGAR).
- Амидотрансфераза FGAR катализирует присоединение группы азота к FGAR, образуя формилглицинамидинрибонуклеотид (FGAM).
- Циклаза FGAM катализирует замыкание кольца, которое включает удаление молекулы воды с образованием 5-членного имидазольного кольца 5-аминоимидазолрибонуклеотида (AIR).
- N5-CAIR-синтетаза переносит карбоксильную группу, образуя промежуточный N5-карбоксиаминоимидазолрибонуклеотид (N5-CAIR).
- Мутаза N5-CAIR перестраивает карбоксильную функциональную группу и переносит ее на имидазольное кольцо, образуя карбоксиаминоимидазолрибонуклеотид (CAIR). Двухэтапный механизм образования CAIR из AIR в основном встречается у одноклеточных организмов. Высшие эукариоты содержат фермент АИР-карбоксилазу, которая переносит карбоксильную группу непосредственно на имидазольное кольцо АИР, образуя КАИР.
- Синтетаза SAICAR образует пептидную связь между аспартатом и добавленной карбоксильной группой имидазольного кольца, образуя N-сукцинил-5-аминоимидазол-4-карбоксамидрибонуклеотид (SAICAR).
- Лиаза SAICAR удаляет углеродный скелет добавленного аспартата, оставляя аминогруппу и образуя 5-аминоимидазол-4-карбоксамидрибонуклеотид (AICAR).
- Трансформилаза AICAR переносит карбонильную группу на AICAR, образуя N-формиламиноимидазол-4-карбоксамидрибонуклеотид (FAICAR).
- На заключительном этапе участвует фермент IMP-синтаза , который выполняет замыкание пуринового кольца и образует промежуточное соединение инозинмонофосфат.
Пиримидиновые нуклеотиды
Другими нуклеотидными основаниями ДНК и РНК, которые связаны с рибозным сахаром посредством гликозидной связи, являются тимин , цитозин и урацил (который содержится только в РНК). В биосинтезе монофосфата уридина участвуют фермент, локализованный во внутренней мембране митохондрий , и многофункциональные ферменты, локализованные в цитозоле .
- На первом этапе фермент карбамоилфосфатсинтаза связывает глутамин с СО 2 в АТФ-зависимой реакции с образованием карбамоилфосфата .
- Аспартаткарбамоилтрансфераза конденсирует карбамоилфосфат с аспартатом с образованием уридосукцината.
- Дигидрооротаза выполняет замыкание кольца , реакцию, при которой теряется вода, с образованием дигидрооротата .
- Дигидрооротатдегидрогеназа , расположенная во внутренней мембране митохондрий, окисляет дигидрооротат до оротата .
- Оротатфосфорибозилгидролаза (OMP-пирофосфорилаза) конденсирует оротат с PRPP с образованием оротидин-5'-фосфата .
- Декарбоксилаза OMP катализирует превращение оротидин-5'-фосфата в UMP .
После синтеза уридинового нуклеотидного основания синтезируются другие основания, цитозин и тимин. Биосинтез цитозина представляет собой двухстадийную реакцию, которая включает превращение UMP в UTP . Присоединение фосфата к UMP катализируется ферментом киназой . Фермент CTP-синтаза катализирует следующую стадию реакции: превращение UTP в CTP путем переноса аминогруппы с глутамина на уридин; это образует цитозиновую основу CTP. Механизм, изображающий реакцию УТФ + АТФ + глутамин ⇔ ЦТФ + АДФ + глутамат, представлен ниже:
Цитозин представляет собой нуклеотид, который присутствует как в ДНК, так и в РНК. Однако урацил содержится только в РНК. Следовательно, после синтеза УТФ его необходимо преобразовать в дезоксиформу для включения в ДНК. В этом преобразовании участвует фермент рибонуклеозидтрифосфатредуктаза . На эту реакцию, которая удаляет 2'-ОН сахара рибозы с образованием дезоксирибозы, не влияют основания, присоединенные к сахару. Эта неспецифичность позволяет рибонуклеозидтрифосфатредуктазе превращать все нуклеотидтрифосфаты в дезоксирибонуклеотиды по аналогичному механизму.
В отличие от урацила, тиминовые основания в основном встречаются в ДНК, а не в РНК. Клетки обычно не содержат оснований тимина, которые связаны с сахарами рибозы в РНК, что указывает на то, что клетки синтезируют только тимин, связанный с дезоксирибозой. Фермент тимидилатсинтетаза отвечает за синтез остатков тимина от dUMP до dTMP . Эта реакция переносит метильную группу на урациловое основание dUMP с образованием dTMP. Реакция тимидилатсинтазы, dUMP + 5,10-метилентетрагидрофолат ⇔ dTMP + дигидрофолат, показана справа.
ДНК
Хотя между эукариотическим и прокариотическим синтезом ДНК есть различия , в следующем разделе обозначены ключевые характеристики репликации ДНК, общие для обоих организмов.
ДНК состоит из нуклеотидов , соединенных фосфодиэфирными связями . Синтез ДНК , который происходит в ядре , является полуконсервативным процессом, что означает, что полученная молекула ДНК содержит исходную цепь из исходной структуры и новую цепь. Синтез ДНК катализируется семейством ДНК-полимераз , которым требуются четыре дезоксинуклеозидтрифосфата, матричная цепь и праймер со свободным 3'ОН для включения нуклеотидов.
Чтобы произошла репликация ДНК, репликационная вилка создается ферментами, называемыми геликазами , которые раскручивают спираль ДНК. Топоизомеразы в репликационной вилке удаляют суперспирали , вызванные раскручиванием ДНК, а белки, связывающие одноцепочечную ДНК, поддерживают две одноцепочечные ДНК-матрицы, стабилизированные до репликации.
Синтез ДНК инициируется РНК-полимеразой праймазой , которая создает РНК-праймер со свободным 3'ОН. Этот праймер прикрепляется к одноцепочечной ДНК-матрице, и ДНК-полимераза удлиняет цепь за счет включения нуклеотидов; ДНК-полимераза также корректирует вновь синтезированную цепь ДНК.
Во время реакции полимеризации, катализируемой ДНК-полимеразой, происходит нуклеофильная атака 3'ОН растущей цепи на самый внутренний атом фосфора дезоксинуклеозидтрифосфата; это приводит к образованию фосфодиэфирного мостика , который присоединяется к новому нуклеотиду и высвобождает пирофосфат .
При репликации одновременно создаются два типа цепей: ведущая нить , которая синтезируется непрерывно и растет по направлению к репликационной вилке, и отстающая нить , образованная прерывисто во фрагментах Оказаки и отрастающая от репликационной вилки. Фрагменты Окадзаки ковалентно соединяются ДНК-лигазой с образованием непрерывной цепи. Затем для завершения репликации ДНК удаляют РНК-праймеры, а образовавшиеся гэпы заменяют ДНК и соединяют с помощью ДНК-лигазы.
Аминокислоты
Белок представляет собой полимер, состоящий из аминокислот , соединенных пептидными связями . В природе встречается более 300 аминокислот, из которых только двадцать, известные как стандартные аминокислоты , являются строительными блоками для белка. Только зеленые растения и большинство микробов способны синтезировать все 20 стандартных аминокислот, которые необходимы всем живым существам. Млекопитающие могут синтезировать только десять из двадцати стандартных аминокислот. Другие аминокислоты, валин , метионин , лейцин , изолейцин , фенилаланин , лизин , треонин и триптофан для взрослых и гистидин и аргинин для детей, получают с пищей.
Основная структура аминокислоты
Общая структура стандартных аминокислот включает первичную аминогруппу , карбоксильную группу и функциональную группу , присоединенную к α-углероду . Различные аминокислоты идентифицируются функциональной группой. В результате того, что к α-углероду присоединены три разные группы, аминокислоты представляют собой асимметричные молекулы . Для всех стандартных аминокислот, кроме глицина , α-углерод является хиральным центром . В случае глицина α-углерод имеет два атома водорода, что придает этой молекуле симметрию. За исключением пролина , все аминокислоты, встречающиеся в жизни, имеют конформацию L-изоформы . Пролин имеет функциональную группу на α-углероде, которая образует кольцо с аминогруппой.
Источник азота
Одним из основных этапов биосинтеза аминокислот является присоединение группы азота к α-углероду. В клетках есть два основных пути включения азотистых групп. Один путь включает фермент глутаминооксоглутаратаминотрансферазу (GOGAT), который удаляет амидную аминогруппу глутамина и переносит ее на 2-оксоглутарат , образуя две молекулы глутамата . В этой реакции катализа глутамин служит источником азота. Изображение, иллюстрирующее эту реакцию, находится справа.
Другой путь включения азота в α-углерод аминокислот включает фермент глутаматдегидрогеназу (ГДГ). GDH способен переносить аммиак на 2-оксоглутарат и образовывать глутамат. Кроме того, фермент глутаминсинтетаза (GS) способен переносить аммиак на глутамат и синтезировать глутамин, восполняя глутамин.
Семейство глутаматных аминокислот
Семейство глутаматных аминокислот включает аминокислоты, которые являются производными глутамата аминокислоты. В это семейство входят: глутамат, глутамин , пролин и аргинин . Это семейство также включает аминокислоту лизин , полученную из α-кетоглутарата .
Биосинтез глутамата и глутамина является ключевым этапом ассимиляции азота, о котором говорилось выше. Ферменты ГОГАТ и ГДГ катализируют реакции усвоения азота .
У бактерий фермент глутамат-5-киназа инициирует биосинтез пролина путем переноса фосфатной группы с АТФ на глутамат. Следующая реакция катализируется ферментом пирролин-5-карбоксилатсинтазой (P5CS), который катализирует восстановление ϒ-карбоксильной группы L-глутамат-5-фосфата. Это приводит к образованию полуальдегида глутамата, который спонтанно циклизуется в пирролин-5-карбоксилат. Пирролин-5-карбоксилат далее восстанавливается ферментом пирролин-5-карбоксилатредуктазой (P5CR) с образованием аминокислоты пролина.
На первом этапе биосинтеза аргинина в бактериях глутамат ацетилируется путем переноса ацетильной группы от ацетил-КоА в положение N-α; это предотвращает спонтанную циклизацию. Фермент N-ацетилглутаматсинтаза (глутамат-N-ацетилтрансфераза) отвечает за катализ стадии ацетилирования. Последующие стадии катализируются ферментами N-ацетилглутаматкиназой , N-ацетил-гамма-глутамил- фосфатредуктазой и ацетилорнитин/сукцинилдиаминопимелатаминотрансферазой и дают N-ацетил-L-орнитин. Ацетильная группа ацетилорнитина удаляется ферментом ацетилорнитиназой (АО) или орнитинацетилтрансферазой (ОАТ), в результате чего образуется орнитин . Затем ферменты цитруллин и аргининосукцинат превращают орнитин в аргинин.
Существует два различных пути биосинтеза лизина: путь диаминопимелиновой кислоты и путь α-аминоадипата . Наиболее распространенным из двух путей синтеза является путь диаминопимелиновой кислоты; он состоит из нескольких ферментативных реакций, которые добавляют углеродные группы к аспартату с образованием лизина:
- Аспартаткиназа инициирует путь диаминопимелиновой кислоты путем фосфорилирования аспартата и образования аспартилфосфата.
- Аспартатполуальдегиддегидрогеназа катализирует NADPH - зависимое восстановление аспартилфосфата с образованием аспартатполуальдегида.
- 4-гидрокси-тетрагидродипиколинатсинтаза присоединяет пируватную группу к β-аспартил-4-полуальдегиду и удаляет молекулу воды. Это вызывает циклизацию и дает (2S,4S)-4-гидрокси-2,3,4,5-тетрагидродипиколинат.
- 4-гидрокситетрагидродипиколинатредуктаза катализирует восстановление (2S,4S)-4-гидрокси-2,3,4,5-тетрагидродипиколината с помощью NADPH с образованием Δ'-пиперидин-2,6-дикарбоксилата (2,3,4, 5-тетрагидродипиколинат) и H 2 O.
- Тетрагидродипиколинацилтрансфераза катализирует реакцию ацетилирования, которая приводит к раскрытию кольца и дает N-ацетил α-амино-ε-кетопимелат.
- N-сукцинил-α-амино-ε-кетопимелат-глутамат-аминотрансаминаза катализирует реакцию переаминирования, которая удаляет кетогруппу N-ацетил α-амино-ε-кетопимелата и заменяет ее аминогруппой с образованием N-сукцинил-L-диаминопимелата. .
- N-ацилдиаминопимелатдеацилаза катализирует деацилирование N-сукцинил-L-диаминопимелата с образованием L,L-диаминопимелата.
- Эпимераза DAP катализирует превращение L,L-диаминопимелата в мезоформу L,L-диаминопимелата.
- DAP -декарбоксилаза катализирует удаление карбоксильной группы с образованием L-лизина.
Семейство сериновых аминокислот
Семейство сериновых аминокислот включает: серин, цистеин и глицин . Большинство микроорганизмов и растений получают серу для синтеза метионина из аминокислоты цистеина. Кроме того, превращение серина в глицин обеспечивает углероды, необходимые для биосинтеза метионина и гистидина .
Во время биосинтеза серина фермент фосфоглицератдегидрогеназа катализирует начальную реакцию окисления 3-фосфо-D-глицерата с образованием 3-фосфонооксипирувата . Следующая реакция катализируется ферментом фосфосеринаминотрансферазой , который переносит аминогруппу с глутамата на 3-фосфонооксипируват с образованием L-фосфосерина . Заключительный этап катализируется ферментом фосфосеринфосфатазой , который дефосфорилирует L-фосфосерин с образованием L-серина .
Известны два пути биосинтеза глицина. Организмы, которые используют этанол и ацетат в качестве основного источника углерода, используют гликонеогенный путь для синтеза глицина . Другой путь биосинтеза глицина известен как гликолитический путь. Этот путь превращает серин, синтезированный из промежуточных продуктов гликолиза , в глицин. В гликолитическом пути фермент серингидроксиметилтрансфераза катализирует расщепление серина с образованием глицина и переносит отщепленную углеродную группу серина на тетрагидрофолат , образуя 5,10-метилен-тетрагидрофолат .
Биосинтез цистеина представляет собой двухстадийную реакцию, которая включает включение неорганической серы . В микроорганизмах и растениях фермент серинацетилтрансфераза катализирует перенос ацетильной группы от ацетил-КоА на L-серин с образованием О-ацетил-L-серина . На следующей стадии реакции, катализируемой ферментом О-ацетилсерин (тиол)лиазой , ацетильная группа О-ацетил-L-серина заменяется сульфидом с образованием цистеина.
Семейство аспартатных аминокислот
Аспартатное семейство аминокислот включает: треонин , лизин , метионин , изолейцин и аспартат . Лизин и изолейцин считаются частью семейства аспартатов, несмотря на то, что часть их углеродного скелета получена из пирувата . В случае метионина метиловый углерод происходит от серина и группы серы, но в большинстве организмов он происходит от цистеина.
Биосинтез аспартата представляет собой одностадийную реакцию, катализируемую одним ферментом. Фермент аспартатаминотрансфераза катализирует перенос аминогруппы с аспартата на α-кетоглутарат с образованием глутамата и оксалоацетата . Аспарагин синтезируется путем АТФ-зависимого добавления аминогруппы к аспартату; аспарагинсинтетаза катализирует присоединение азота глутамина или растворимого аммиака к аспартату с образованием аспарагина.
Путь биосинтеза лизина диаминопимелиновой кислотой принадлежит к семейству аспартатных аминокислот. Этот путь включает девять катализируемых ферментами реакций, которые превращают аспартат в лизин.
- Аспартаткиназа катализирует начальную стадию пути диаминопимелиновой кислоты путем переноса фосфорила от АТФ на карбоксилатную группу аспартата, что дает аспартил-β-фосфат.
- Аспартат-полуальдегиддегидрогеназа катализирует реакцию восстановления путем дефосфорилирования аспартил-β-фосфата с образованием аспартат-β-полуальдегида.
- Дигидродипиколинатсинтаза катализирует реакцию конденсации аспартат-β-полуальдегида с пируватом с образованием дигидродипиколиновой кислоты.
- 4-гидрокситетрагидродипиколинатредуктаза катализирует восстановление дигидродипиколиновой кислоты с образованием тетрагидродипиколиновой кислоты.
- Тетрагидродипиколинат-N-сукцинилтрансфераза катализирует перенос сукциниловой группы с сукцинил-КоА на тетрагидродипиколиновую кислоту с образованием N-сукцинил-L-2,6-диаминогептандиоата.
- N-сукцинилдиаминопимелатаминотрансфераза катализирует перенос аминогруппы с глутамата на N-сукцинил-L-2,6-диаминогептандиоат с образованием N-сукцинил-L,L-диаминопимелиновой кислоты.
- Сукцинилдиаминопимелатдесукцинилаза катализирует удаление ацильной группы из N-сукцинил-L,L-диаминопимелиновой кислоты с образованием L,L-диаминопимелиновой кислоты.
- Диаминопимелатэпимераза катализирует инверсию α-углерода L,L-диаминопимелиновой кислоты с образованием мезодиаминопимелиновой кислоты .
- Сиаминопимелатдекарбоксилаза катализирует заключительную стадию биосинтеза лизина, которая удаляет группу диоксида углерода из мезодиаминопимелиновой кислоты с образованием L-лизина.
Белки
Синтез белка происходит посредством процесса, называемого трансляцией . Во время трансляции генетический материал, называемый мРНК , считывается рибосомами для создания белковой полипептидной цепи. Для этого процесса требуется транспортная РНК (тРНК), которая служит адаптером, связывая аминокислоты на одном конце и взаимодействуя с мРНК на другом конце; последнее соединение между тРНК и мРНК гарантирует, что к цепи добавляется правильная аминокислота. Синтез белка происходит в три фазы: инициация, элонгация и терминация. Прокариотическая ( архейная и бактериальная ) трансляция отличается от эукариотической ; однако в этом разделе основное внимание будет уделено общим чертам этих двух организмов.
Дополнительный фон
Прежде чем трансляция может начаться, должен произойти процесс связывания конкретной аминокислоты с соответствующей ей тРНК. Эта реакция, называемая зарядкой тРНК, катализируется аминоацил-тРНК-синтетазой . Специфическая тРНК-синтетаза отвечает за распознавание и зарядку определенной аминокислоты. Кроме того, этот фермент имеет специальные области дискриминатора, обеспечивающие правильное связывание тРНК и родственной ей аминокислоты. Первым шагом для присоединения аминокислоты к соответствующей тРНК является образование аминоацил-АМФ:
Затем следует перенос аминоацильной группы с аминоацил-АМФ на молекулу тРНК. Полученная молекула представляет собой аминоацил-тРНК :
Комбинация этих двух стадий, обе из которых катализируются аминоацил-тРНК-синтетазой, дает заряженную тРНК, готовую присоединять аминокислоты к растущей полипептидной цепи.
В дополнение к связыванию аминокислоты тРНК имеет трехнуклеотидную единицу, называемую антикодоном , которая спаривается со специфическими триплетами нуклеотидов на мРНК, называемыми кодонами ; кодоны кодируют определенную аминокислоту. Это взаимодействие возможно благодаря рибосоме, которая служит местом синтеза белка. Рибосома имеет три сайта связывания тРНК: аминоацильный сайт (А-сайт), пептидильный сайт (Р-сайт) и сайт выхода (Е-сайт).
В транскрипте мРНК имеется множество кодонов, и очень часто аминокислота определяется более чем одним кодоном; это явление называется вырождением . Всего имеется 64 кодона, по 61 каждого кода для одной из 20 аминокислот, а остальные кодоны определяют обрыв цепи.
Перевод пошагово
Как упоминалось ранее, трансляция происходит в три фазы: инициация, элонгация и терминация.
Шаг 1: Инициация
Завершение фазы инициации зависит от следующих трех событий:
1. Привлечение рибосомы к мРНК
2. Связывание заряженной инициаторной тРНК с Р-сайтом рибосомы.
3. Правильное выравнивание рибосомы со стартовым кодоном мРНК.
Шаг 2: Удлинение
После инициации полипептидная цепь удлиняется за счет взаимодействий антикодон: кодон, при этом рибосома добавляет аминокислоты к полипептидной цепи по одной за раз. Для обеспечения правильного добавления аминокислот необходимо выполнить следующие шаги:
1. Связывание правильной тРНК с А-сайтом рибосомы.
2. Образование пептидной связи между тРНК в А-сайте и полипептидной цепью, присоединенной к тРНК в Р-сайте.
3. Транслокация или продвижение комплекса тРНК-мРНК на три нуклеотида
Транслокация «запускает» тРНК с сайта E и сдвигает тРНК с сайта A на сайт P, оставляя сайт A свободным для входящей тРНК, чтобы добавить другую аминокислоту.
Шаг 3: Прекращение
Последняя стадия трансляции происходит, когда стоп-кодон входит в сайт А. Затем происходят следующие шаги:
1. Распознавание кодонов факторами высвобождения , что вызывает гидролиз полипептидной цепи от тРНК, расположенной в Р-сайте
2. Высвобождение полипептидной цепи
3. Диссоциация и «переработка» рибосомы для будущих процессов трансляции.
Сводная таблица основных участников процесса перевода приведена ниже:
Ключевые игроки в области перевода | Стадия перевода | Цель |
---|---|---|
тРНК-синтетаза | до инициации | Отвечает за зарядку тРНК |
мРНК | инициация, элонгация, терминация | Матрица для синтеза белка; содержит области, названные кодонами, которые кодируют аминокислоты |
тРНК | инициация, элонгация, терминация | Связывает сайты рибосом А, Р, Е; пары оснований антикодона с кодоном мРНК, чтобы гарантировать, что правильная аминокислота включена в растущую полипептидную цепь |
рибосома | инициация, элонгация, терминация | Направляет синтез белка и катализирует образование пептидной связи |
Заболевания, связанные с дефицитом макромолекул
Ошибки в биосинтетических путях могут иметь пагубные последствия, включая уродство макромолекул или недопроизводство функциональных молекул. Ниже приведены примеры, иллюстрирующие сбои, возникающие из-за такой неэффективности.
- Семейная гиперхолестеринемия : это заболевание характеризуется отсутствием функциональных рецепторов ЛПНП . Недостаточность образования рецепторов ЛПНП может привести к дефектным рецепторам, которые нарушают эндоцитозный путь, ингибируя поступление ЛПНП в печень и другие клетки. Это вызывает накопление ЛПНП в плазме крови, что приводит к образованию атеросклеротических бляшек , которые сужают артерии и повышают риск сердечных приступов.
- Синдром Леша-Нихана : это генетическое заболевание характеризуется членовредительством , умственной отсталостью и подагрой . Это вызвано отсутствием гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансферазы , которая является необходимым ферментом для образования пуриновых нуклеотидов. Отсутствие фермента снижает уровень необходимых нуклеотидов и вызывает накопление промежуточных продуктов биосинтеза , что приводит к вышеупомянутому необычному поведению.
- Тяжелый комбинированный иммунодефицит (ТКИД) : ТКИД характеризуется потерей Т-клеток . Недостаток этих компонентов иммунной системы повышает восприимчивость к инфекционным агентам, поскольку у пораженных лиц не может развиться иммунологическая память . Это иммунологическое нарушение возникает в результате дефицита активности аденозиндеанимазы , что вызывает накопление дАТФ . Эти молекулы dATP затем ингибируют рибонуклеотидредуктазу, что препятствует синтезу ДНК.
- Болезнь Хантингтона : это неврологическое заболевание возникает из-за ошибок, возникающих во время синтеза ДНК. Эти ошибки или мутации приводят к экспрессии мутантного белка хантингтина , который содержит повторяющиеся остатки глутамина , которые кодируются расширением тринуклеотидных повторов CAG в гене. Болезнь Гентингтона характеризуется потерей нейронов и глиозом . Симптомы заболевания включают: двигательное расстройство, снижение когнитивных функций и расстройство поведения.
Смотрите также
- Липиды
- Фосфолипидный бислой
- нуклеотиды
- ДНК
- репликация ДНК
- Протеиногенная аминокислота
- Таблица кодонов
- простагландин
- Порфирины
- Хлорофиллы и бактериохлорофиллы
- Витамин В 12