Синтез заменимых аминокислот

Общие принципы синтеза

Заменимые аминокислоты — это аминокислоты, которые организм способен синтезировать из доступных метаболитов, таких как глюкоза, пировиноградная кислота, оксалоацетат, α-кетоглутарат, а также из других аминокислот. Синтез этих соединений обеспечивает поддержание белкового обмена и является важным аспектом метаболической гибкости клеток. Процессы синтеза включают перенос аминогрупп, карбоксилирование, редукцию и гидроксилирование, и они катализируются ферментами, специфичными для каждой аминокислоты.

Синтез глутамина и глутаминовой кислоты

Глутамат образуется в основном через трансаминирование α-кетоглутарата с различными аминокислотами. В реакции участвует фермент глутаматдегидрогеназа, катализирующий присоединение аммиака к α-кетоглутарату:

[ _3 + NAD(P)H глутамат + NAD(P)^+]

Глутамин синтезируется из глутамата и аммиака с участием фермента глутаминсинтетазы:

[ глутамат + NH_3 + ATP глутамин + ADP + Pi]

Глутамин служит донором аминогрупп в биосинтезе нуклеотидов, других аминокислот и различных биомолекул.

Синтез аспарагиновой кислоты и аспарагина

Аспартат формируется через трансаминирование оксалоацетата при участии фермента аспартатаминотрансферазы:

[ оксалоацетат + глутамат аспартат + ]

Аспарагин синтезируется из аспартата при присоединении аммиака, катализируемом аспарагинасой:

[ аспартат + глутамин + ATP аспарагин + глутамат + AMP + PP_i]

Синтез серина, глицина и цистеина

Серин синтезируется из 3-фосфоглицерата (промежуточного продукта гликолиза) через три стадии:

1. Окисление 3-фосфоглицерата до 3-фосфооксипировиноградной кислоты.
2. Трансаминирование с образованием 3-фосфосерина.
3. Дефосфорилирование до серина.

Глицин образуется из серина под действием фермента серин-гидроксиметилтрансферазы, с участием тетрагидрофолата как переносчика одновуглеродной группы:

[ серин + THF глицин + 5,10 + H_2O]

Цистеин синтезируется из серина и метионина. Сначала метионин превращается в S-аденозилметионин, затем в гомоцистеин. Далее гомоцистеин соединяется с серином под действием фермента cystathionine β-synthase, образуя цистатионин, который расщепляется cystathionine γ-lyase с образованием цистеина и α-кетобутирата.

Синтез пролина и аргинина

Пролин синтезируется из глутамата. Глутамат восстанавливается до γ-глутамилфосфата, затем циклизуется в 1-пирролин-5-карбоксилат и далее окисляется до пролина. Ферменты: глутамат-5-киназa и пирролинкарбоксилредуктаза.

Аргинин в большинстве клеток синтезируется через орнитиновый цикл. Глутамат превращается в орнитин через несколько промежуточных стадий (глутаминовая γ-сем альдегид → пиразолин → орнитин). Орнитин далее участвует в цикле, превращаясь в аргинин через карбамиолфосфат и цитруллин, с участием ферментов аргининосукцинатсинтетазы и аргининосукцинатлиазы.

Синтез аланина

Аланин образуется из пировиноградной кислоты путем трансаминирования с глутаматом, катализируемого аланинтрансферазой:

[ пировиноградная кислота + глутамат аланин + ]

Этот процесс обеспечивает перенос аммиака из мышц в печень через аланиновый цикл, важный для поддержания азотистого баланса.

Регуляция синтеза

Синтез заменимых аминокислот регулируется на уровне ферментов, субстратов и энергетического состояния клетки. Основные механизмы:

• Аллостерическая регуляция ключевых ферментов (глутаминсинтетаза, глутамат-5-киназа).
• Подавление обратной связью — накопление конечного продукта тормозит начальные стадии синтеза.
• Зависимость от энергии — многие реакции требуют ATP или восстановительных эквивалентов (NAD(P)H).

Взаимосвязь с другими метаболическими путями

Синтез заменимых аминокислот тесно интегрирован с углеводным и азотистым обменом:

• α-Кетокислоты из цикла Кребса служат предшественниками.
• Глутамин и глутамат участвуют в переносе аммиака и биосинтезе нуклеотидов.
• Серин и глицин связаны с метаболизмом одноуглеродных групп через тетрагидрофолат.

Эта интеграция обеспечивает координацию потребностей клетки в аминокислотах, энергии и промежуточных метаболитах.