Пути синтеза аминокислот (прямое аминирование и переаминирование).

Еще сравнительно недавно считали, что биосинтез аминокислот может происходить только в надземных частях растений. Однако последующие исследования показали, что новообразование аминокислот может происходить и в подземных органах растений. При нормальных условиях развития главным путем превращения аммиака в органические соединения азота является образование аминокислот. В результате биосинтеза аминокислот было выяснено, что аммиак чаще всего реагирует с кетокислотами. Эта реакция прямого аминирования кетокислот аммиаком – основной путь синтеза аминокислот в растениях.

Реакция синтеза аминокислот идет в две фазы:

1) R–COCOOH + NH₃ R–C + H₂O

кетокислота СООН

иминокислота

2) R–C + 2 Н R–CНNH₂СООН

СООН

иминокислота НАДФ*Н₂ НАДФ аминокислота

На 1-й фазе кетокислота, присоединяя аммиак, образует иминокислоту. На 2-й фазе иминокислота восстанавливается и дает аминокислоту. Эта реакция идет под действием какого-либо восстанавливающего агента, например НАДФ*Н₂ или НАД*Н₂. Следовательно, для первичного синтеза аминокислот необходимы аммиак и кетокислоты. Основными процессами, которые приводят к образованию кетокислот, являются цикл Кребса и реакции анаэробного распада углеводов. Прямое аминирование кетокислот аммиаком – первая и наиболее важная реакция биосинтеза аминокислот. В процессе восстановительного аминирования наиболее активен фермент глутаматдегидрогеназа, который катализирует реакцию синтеза глутаминовой кислоты:

СООНСН₂СН₂СОСООН + NН₃ + 2Н СООНСН₂СН₂СНNН₂СООН + Н₂О

a-кетоглутаровая глутаминовая кислота

кислота

Глутаматдегидрогеназа в качестве активной группы содержит НАД и НАДФ, она может с разной скоростью катализировать восстановительное аминирование a-кетоглутаровой, пировиноградной, a-кетомасляной, a-кетовалериановой, a-кетокапроновой и некоторых других кислот. Из растений были выделены и другие ферментные препараты, которые катализируют реакции прямого аминирования кетокислот аммиаком. Все они относятся к дегидрогеназам, и для их действия необходимы НАД*Н₂ или НАДФ*Н₂.

Аспарагиновая кислота может образоваться также при прямом присоединении аммиака к фумаровой кислоте. Реакция катализируется ферментом аспаратаммиаклиазой:

СООНСН=СНСООН+ NН₃ СООНСН₂СНNН₂СООН

Аммиак является ядом для растений, и при накоплении большого количества его может наблюдаться отравление тканей растений. Поэтому организмы вынуждены его обезвреживать. Одна из основных реакций, приводящих к связыванию аммиака, – использование его для синтеза аминокислот. Но аммиака, как правило, больше, чем требуется для синтеза аминокислот. Избыточный аммиак обезвреживается при образовании амидов – аспарагина и глутамина. Исходными веществами для биосинтеза глутамина и аспарагина являются соответственно глутаминовая и аспарагиновая кислоты. Синтез глутамина идет при участии АТФ и катализируется ферментом глутаминсинтетазой, которая широко распространена в тканях растений, грибов, бактерий и животных:

СООН СОNН₂

СН₂ СН₂

СН₂ + NН₃ + АТФ СН₂ + АДФ + Н₃РО₄

СНNН₂ СНNН₂

СООН СООН

глутаминовая кислота

глутамин

Энергия в этой реакции необходима для биосинтеза амидной связи. Биосинтез глутамина – довольно сложный процесс. Он состоит из четырех, а может быть, и более реакций. Детали этого процесса и промежуточные продукты еще не выяснены. Аналогичным путем происходит синтез аспарагина под действием аспарагинсинтетазы:

СООНСН₂СНNН₂СООН+NН₃+АТФ СОNН₂СН₂СНNН₂СООН + АДФ + Н₃РО₄

аспарагиновая кислота

аспарагин

Более просто обезвреживается аммиак в растениях с кислым клеточным соком и высоким содержанием яблочной, щавелевой, лимонной и других кислот (бегония, щавель). У этих растений аммиак обезвреживается главным образом его связыванием в виде аммонийных солей органических кислот:

СООНСНОНСН₂СООН + NН₃ СООНСНОНСН₂СООNН₄

яблочная кислота

яблочно-кислый аммоний

СООН СООNН₄

+ NН₃

СООН СООН

щавелевая кислота

щавелево-кислый аммоний

Синтез аминокислот путем прямого аминирования кетокислот аммиаком возможен лишь для ограниченного числа аминокислот, у которых в растениях имеются кетоаналоги. Образование большинства других кетокислот происходит либо в результате реакции переаминирования, либо в результате взаимных превращений аминокислот.

Переаминирование. Реакция переаминирования впервые была открыта советским исследователем А.Е. Браунштейном в 1938 году. Он наблюдал перенос аминогрупп от аминокислот на кетокислоты. Позднее было показано, что в растениях наиболее легко подвергаются переаминированию глутаминовая и аспарагиновая кислоты, что подтверждало представления об их центральной роли в процессах обмена веществ. Д.Н. Прянишников писал в 1945 году: «...благодаря легкости образования аспарагиновой и глутаминовой кислот из соответствующих кетокислот и их способности к переаминированию можно сказать, что дикарбоновые моноаминокислоты являются как бы большими воротами на пути, ведущем к синтезу других аминокислот, а следовательно, и белков». К настоящему времени изучено очень большое число реакций переаминирования, приводящих к образованию различных аминокислот. Только в растениях в результате переаминирования может синтезироваться до 30 аминокислот, а всего известно около 100 реакций переаминирования. В процессе обмена веществ наибольшее значение имеют следующие реакции переаминирования:

глутаминовая кислота + щавелево-уксусная кислота a-кетоглутаровая кислота + аспарагиновая кислота

глутаминовая кислота + пировиноградная кислота a-кетоглутаровая кислота + аланин

аспарагиновая кислота + пировиноградная кислота щавелево-уксусная кислота + аланин

Реакции переаминирования катализируются аминотрансферазами, которые представляют собой двухкомпонентные ферменты. Их активной группой является фосфорилированное производное пиридоксина (витамин В₆) – пиридоксальфосфат (сокращенно ПЛФ). В процессе переаминирования возникает комплексное соединение реагирующей аминокислоты с пиридоксальфосфатом. Затем этот комплекс распадается, и образуются пиридоксаминфосфат (ПМФ) и соответствующая кетокислота. На 2-й стадии реакции ПМФ реагирует с другой кетокислотой, в результате чего синтезируется новая аминокислота, и освобождается свободной пиридоксальфосфат:

ПЛФ + аминокислота I ПМФ + кетокислота I

ПМФ + кетокислота II ПЛФ + аминокислота II

пиридоксальфосфат (ПЛФ)

пиридоксаминфосфат (ПМФ)

В настоящее время принята теория механизма действия аминотрансфераз, разработанная А.Е. Браунштейном и М.М. Шемякиным. В соответствии с этой теорией механизм реакции переаминирования может быть изображен следующим образом. На 1-й стадии аминокислота I, реагируя с аминотрансферазой, которая представляет собой комплекс пиридоксальфосфата со специфическим белком, образует с выделением воды соединение аминокислоты с ферментом:

аминокислота I

аминотрансфераза

аминокислота I – аминотрансфераза

В комплексном соединении такого типа понижена электронная плотность у a-углеродного атома, соответствующего остатку аминокислоты, вследствие чего водород легко подвергается диссоциации, и это соединение переходит в свою таутомерную форму с соответствующей перегруппировкой двойных связей. Затем эта таутомерная форма комплекса аминокислоты с аминотрансферазой подвергается гидролизу, в результате чего образуется кетокислота I, соответствующая исходной аминокислоте, а аминогруппа переносится на аминотрансферазу:

аминокислота I-аминотрансфераза

кетокислота I

фосфопиридок-саминная форма аминотрансфе-разы

На следующем этапе происходит взаимодействие фосфопиридоксаминной формы аминотрансферазы с другой кетокислотой II, образование соответствующего комплекса, затем происходит распад этого комплекса с переносом аминогруппы на кетокислоту II и образование аминокислоты II и исходной фосфопиридоксалевой формы аминотрансферазы:

аминотрансфераза–ПМФ+кетокислота II аминотрансфераза–ПЛФ+аминокислота II

В результате реакций переаминирования синтезируются самые разнообразные аминокилоты. С этими реакциями связаны многие процессы обмена веществ в организмах.