Bo вводных разделах мы отмечали, что большинство процессов в мире микроорганизмов характеризуются 1) утилизацией субстратов или питательных веществ, 2) ростом клеток и 3) выделением в. среду продуктов их метаболизма. Биосинтез связан со всеми этими тремя сторонами жизнедеятельности клеток. Необходимость в питательных веществах определяется потребностями клетки в веществах-предшественниках, запасах химической энергии и восстанавливающих эквивалентах. Некоторые продукты биосинтеза клетка выделяет в среду. Наконец, скорость биосинтеза определяет скорость образования новых компонентов клетки и, таким образом, темпы клеточного роста. Скорости роста клеток изменяются в очень широких пределах; так, бактерии E. coli могут делиться каждые 20 мин, жизненный цикл клеток печени крысы составляет от двух до трех месяцев, а нервные клетки взрослого .человека вообще не самовоспроизводятся. Даже в последнем случае, однако, необходимость в биосинтезе не отпадает; здесь он нужен для поддержания жизнедеятельности клеток и восстановления повреждений.
Для биосинтетических целей клетка использует химические ресурсы, образующиеся в.процессах катаболизма. Как правило, реакции синтеза термодинамически невыгодны и протекают только одновременно с гидролизом ATP до ADP или AMP. При гидролизе образующегося в последнем случае пирофосфата (P~P) выделяется дополнительная свободная энергия (ΔG°'≈7 ккал/моль), также использующаяся для «запуска» реакций синтеза. Поскольку питательные вещества обычно окислены в большей степени, чем необходимые клетке соединения, то для биосинтеза последних нужны ивосстанавливающие эквиваленты.
5.6.1. Биосинтез низкомолекулярных соединений
Биологически важные низкомолекулярные соединения в основном являются мономерами и используются клеткой для построения биополимеров. Для этой цели необходимо в общей сложности примерно 70 различных соединений: 4 рибонуклеотида, 4 дезоксирибонуклеотида, 20 аминокислот, около 15 моносахаридов и около 20 жирных кислот и других предшественников липидов. Кроме того, в реакциях второго типа должны синтезироваться ATP, NAD, другие соединения-переносчики и коферменты. Bce эти вещества называют центральнымипро- межуточными метаболитами. B настоящем разделе мы рассмотрим некоторые основные пути биосинтеза промежуточных метаболитов и организацию этих путей.
Аминокислоты можно разделить на четыре группы, различающиеся химическим строением и природой биосинтетических предшественников. Как мы увидим позднее в ходе обсуждения регуляции метаболизма, синтез аминокислот каждой группы осуществляется с помощью разветвленной последовательности регулируемых реакций. Биосинтез всех аминокислот начинается с промежуточных соединений в метаболизме углерода (см. схему на рис. 5.11).
Живые клетки усваивают азот путем его включения в аминокислоты глутамин и глутаминовую кислоту. Сначала при взаимодействии аммиака с α-кетоглутаровой кислотой (одним из промежуточных веществ в цикле трикарбоновых кислот) образуется глутаминовая кислота:
Глутаминовая кислота может связать еще один аммониевый ион и превратиться в глутамин:
РИС. 5.11. Семейства аминокислот и их предшественники — углеводы.
Вторая реакция, происходящая с поглощением метаболической энергии, осуществляется при недостатке аммиака в среде. B некоторых бактериях с участием NADH происходит непосредственное аминирование пирувата до аланина, а другие бактерии способны превращать фумарат в аспартат. Ряд микро- организмЬв усваивает азот в' виде нитрата NO3– и свободного азота N2; сейчас известно, однако, что эти питательные вещества сначала трансформируются в аммиак, который/ затем и ассимилируется клетками по описанным выше путям.
Bce другие аминокислоты образуются из глутамата или на основе его углеродного скелета, или путем переноса аминогруппы к другим молекулам. Например, глутамат превращается в пролин в результате двух последовательных катализируемых ферментами реакций и одной неферментативной гидролитической реакции по общему уравнению:
C5NH8O4–+ATP+2(NADPH+H+) → —C5NH8O2–+ADP+Pi+2NADP++H2O (5.33)
B большинстве организмов аланин и аспартат образуются путем переаминирования глутамата:
Bce реакции переаминирования происходят только в присутствии кофермента пиридоксальфосфата, производного витамина B6 (пиридоксаля).
B завершение этого краткого обзора биосинтеза аминокислот на рис. 5.12 приведены некоторые отдельные стадии и общая схема биосинтеза аминокислот семейства аспарагиновой кислоты; здесь обращает на себя внимание тот факт, что большинство стадий протекает с участием ATP или NADPH. Ha этом рисунке штриховыми линиями обозначены регуляторнЫе механизмы, которые мы обсудим позднее.
Рис. 5.12. Схема реакций, в ходе которых аспартат превращается в лизин, гомосерин, метионин, треонин и изолейцин.
Сколько-нибудь детальное изучение путей биосинтеза нуклеотидов выходит за рамки тематики этой книги. Источники предшественников этих соединений указаны на рис. 5.13. Более подробные сведения читатель может найти в литературе.
РИС. 5.13. Схема превращения веществ-предшестпенпиков в нуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды.
B биосинтезе жирных кислот и других предшественников липидов роль исходных веществ выполняют ацетил-СоА и глицерин. Чтобы еще раз подчеркнуть участие ATP и NADPH в биосинтезе, мы несколько подробнее рассмотрим путь биосинтеза самой обычной из жирных кислот—пальмитиновой CH3(CH2)14COOH. Первая сталия этого πντκ заключается в карбоксилировании ацетил- CoA, в результате чего образуется малонил-СоА:
Далее из семи молекул малонил-СоА и одной молекулы ацетил-СоА образуется пальмитат. Этот процесс осуществляется стуценчато, а его конечный результат можно выразить следующим уравнением:
Обратите внимание на то, что в этом процессе в соответствии с уравнением (5.34) на каждую молекулу образующегося малонил-СоА расходуется одна молекула макроэргического фосфата.
B завершение этого краткого обзора биосинтеза рассмотрим пути образования глюкозы и родственных соединений. Мы уже знаем, что продукты катаболизма глюкозы являются важнейшими предшественниками в биосинтезе аминокислот, нуклеотидов и жирных кислот. Следовательно, организмы, растущие на других источниках углерода, например CO2, должны превращать их в глюкозу или в один из ближайших продуктов ее метаболизма. Кроме того, при избытке соединений углерода (по сравнению с другими питательными веществами) многие клетки превращают глюкозу в резервные углеводы и хранят их для последующего использования.
Глюконеогенезом называют синтез глюкозы в хемотрофах. Интересно, что в синтезе глюкозы из пирувата участвуют все промежуточные соединения, типичные для метаболического пути ЭМП. Еще более важен тот факт, что все ферменты, катализирующие практически равновесные превращения в пути ЭМП, катализируют обратимые реакции.и в биосинтезе глюкозы. Вто жс время в биосинтезе глюкозы реакции фосфорилирования и дефосфорилирования несколько отличаются от аналогичных реакций в гликолизе и катализируются другими ферментами. Эти биосинтетические реакции, изображенные на рис. 5.14 (снизу вверх), происходят спонтанно и сопровождаются уменьшением свободной энергии. Общая стехиометрия глюконеогенеза показывает, что в целом процесс сопровождается поглощением энергии и не является повторением пути ЭМП в обратном направлении (GTP — гуанозинтрифосфат):
РИС. 5.14. Расщепление глюкозы по пути гликолиза (сверху вниз) и биосинтез глюкозы (снизу вверх). Для этих двух путей метаболизма характерна идентичность ряда реакций, особенно близких к равновесным. B то же время неравновесные реакции в зависимости от их направления катализируются различными ферментами (большей частью аллостерическими), что позволяет независимо регулировать процессы синтеза и расщепления глюкозы.
Наиболее важная биосинтетическая реакция — это синтез глюкозы из CO2 в растениях. Без этого процесса невозможно существование биосферы в том виде, в каком мы привыкли себе ее представлять. Кроме того, масштабы и эффективность этих реакций определяют объемы возобновляемых ресурсов углеродсо- держащего сырья, служащего топливом и исходным материалом в биохимических и химических процессах.
Выше были описаны световые реакции фотосинтеза: поглощение света хлорофиллом и другими пигментами и формирование поТока возбужденных электронов, генерирующего ATP и NADPH. Далее мы рассмотрим темновые реакции фотосинтеза, названные так потому, что они протекают и в отсутствие света до тех пор, пока в клетке имеется достаточный запас ATP и NADPH.
Первоначальное включение в цикл CO2 осуществляется в реакции с рибулозо-1,5-дифосфатом:
Образующийся на этой стадии глицеральдегид-З-фосфат может далее претерпевать несколько превращений, в частности включаться в аналогичную глюконеогенезу последовательность реакций, в результате которой образуется глюкоза. B реакциях цикла Калвина (рис. 5.15) регенерируется рибулозо-1,5-дифосфат, который может снова ассимилировать CO2 в соответствии с реакцией (5.37). B отличие от цикла TKK, представляющего собой, по сути дела, источник ATP и NADH, в цикле Калвина расходуются как ATP, так и NADPH. Поскольку в одном цикле Калвина утилизируется одна молекула CO2, то для синтеза глюкозы необходимо повторить этот цикл шесть раз; тогда общее уравнение синтеза глюкозы будет выглядеть следующим образом:
6CO2+12NADPH+12H++18ATP+12H2O → C6H12O6+12NADP++18ADP+18Pi (5.З8)
РИС. 5.15. Упрощенная схема синтеза глюкозы из CO2 в цикле Калвина.
5.6.2. Синтез макромолекулярных соединений
Как показано на общей карте путей метаболизма, приведенной во введении к настоящей главе, из мономерных веществ-предшественников далее должны строиться полимерные компоненты клетки. Для этой цели опять-таки требуется большое количество метаболической энергии, поскольку любая реакция конденсации сопровождается повышением свободной энергии. Более того, чрезвычайно большие запасы свободной энергии являются той движущей силой, которая резко смещает общее равновесие в сторону образования необходимых полимеров. Это особенно важно в случае биосинтеза полимеров строго определенного строения, например, нуклеиновых кислот и белков с заданными последовательностями.
Ha рис. 5.16 показано, что хранящаяся в фосфатных связях ATP энергия при посредстве трифосфатов других нуклеотидов утилизируется в биосинтезе четырех классов биополимеров. Для биосинтеза макромолекулярных соединений типично сочетание реакции конденсации с гидролизом двух высокоэнергетических фосфатных связей, причем сначала нуклеозидтрифосфат превращается в нуклеозидмонофосфат и пирофосфат, который также подвергается гидролизу. Таким путем высвобождается примерно в 2 раза больше свободной энергии (около 14 ккал/моль), чем при превращении нуклеозидтрифосфата в соответствующий дифосфат. Ta или иная модификация этого общего механизма реализуется в биосинтезе липидов, РНК, ДНК и гликогена.Здесь опять-таки используется принцип общих промежуточных соединений, хОтя и в несколько усложненной форме. Так, процесс присоединения остатка глюкозы к растущей молекуле гликогена осуществляется в шесть стадий, четыре из которых являются последовательными и, следовательно, связаны общими промежуточными соединениями (табл.5.5).
РИС. 5.16. Участие высокоэнергетических трифосфатов нуклеозидов в различных путях биосинтеза.
Таблица 5.5. Последовательные стадии биосинтеза гликогена в клетках млекопитающих (в бактериях и растениях вместо UDP-глюкозы в качестве промежуточного соединения образуется АТР-глюкоза)а
Естественно, синтез информационных полимеров (РНК, ДНК и белков) представляет собой гораздо более сложный процесс. И в том и в другом случае, однако, наращиванию полимерной цепи предшествует активация мономера. B схему синтеза PHK и ДНК нуклеотиды входят в виде нуклеозидтрифосфатов, а присоединяется к соответствующей полимерной цепи монофосфат; реакция сопровождается образованием пирофосфата. Таким образом, для присоединения одного мономерного остатка необходимо затратить 14 ккал/моль энергии. Активация аминокислот в ходе синтеза белков осуществляется в соответствии со следующей схемой:
Кроме того, процесс присоединения аденилата аминокислоты к пептидной цепи сопровождается гидролизом GTP; следовательно, для присоединения одного аминокислотного остатка к белковой цепи необходимо гидролизовать в общей сложности три высокоэнергетические фосфатные связи. B гл. 6 мы рассмотрим механизмы биосинтеза заданных последовательностей мономерных остатков в ДНК, PHK и белках.
