Lämmastiku fikseerimine. Aminohapete biosüntees

23 09 2005

• Lämmastiku tsükkel looduses• Lämmastiku fikseerimine• ATP funktsioon • Nitrogenaasi hapniku tundlikkus• Glutamiini biosüntees• Glutamaadi biosüntees• Glutamiini süntetaasi regulatsioon• Glu perekonna süntees• Ser, Gly

Atmosfäär ja inimeneElement Õhk (% vol) Rätsep (% kuivkaal)N 78.00 11.0O 20.95 9.3Ar 0.93 n.d.C 0.033 (CO2) 61.7H 0.00005 5.7Ca n.d. 5.0 P n.d. 3.3K n.d. 1.3S n.d. 1.0Na n.d 0.7Cl n.d. 0.7

Lämmastiku tsükkel

NitrateNO3

-

NitriteNO2

-

AmmoniaNH4

+

Redutseerimine enamike taimede & mõnedeanaeroobsete bakterite poolt

N2

Nitrifikatsioon

(e.g. Nitrosomonas)

Nitrifikatsioon

(e.g. Nitrobacter)

Denitrifikatsioon N fikseerimine (mõned bakterid)

aminohapped& redutseeritud lämmastiku-ühendid

Taimed ja mikroobid

Loomad ja mikroobid

N2 fikseerivad organismid

• Atmosfääri lämmastikku fikseerivad

– Vabalt elavad bakterid • Aeroobid (Azotobacter, Klebsiella)• Anaeroobid (Desulfovibrio, mõned Clostridium liigid)

– Tsüaanobakterid • (Nostoc)

– Sümbiondid = elavad sümbioosis teatud taimedega • liblikõielistega (Rhizobium) • Teiste taimedega (Frankia, Azospirillium)

Lämmastiku fikseerimine

N2 + 3H2 2NH3 G’°= - 33.5 kJ/mol

• N2 fikseerimine –eksergiline reaktsioon

•N2 fikseerimine on rakkudele kulukas!

N2 + 10H+ + 8e- + 16ATP 2NH4 + + 16ADP + 16Pi + H2

Nitrogenaasi kompleks

Nitrogenaasi komleks• Ensüümkompleks mitme redokstsentriga• Olulisemad komponendid

– 1) dinitrogenaasi reduktaas: • Kõrge redutseeriva jõuga elektronide allikas• Sisaldab ühte 4Fe-4S redox tsentrit (1 elektroni ülekanne)• 2 identsest subühikust koosnev dimeer

– 2) nitrogenaas: • kasutab e- N2 redutseerimiseks NH3-ks

• tetrameer (2 subühikut kahes koopias)• Redoks tsentrid sisaldavad tetrameeri kohta (2 Mo, 32 Fe, 30 S) • Väga tundlik hapniku suhtes

• Elektronide ülekanne reduktaasilt nitrogenaasile on seostatud ATP hüdrolüüsiga.

Kust tulevad e- ?• Ferredoksiin

– Raud-väävel valk, sisaldab Fe-S tsentrit– Väike valk, (~10 Kda)– Taimedes seotud nõrgalt tülakoidi membraaniga – Osaleb 1 elektroni kaupa toimuvates ülekandeprotsessides

• Flavodoksiin– Osaleb 1 elektroni kaupa toimuvates ülekandeprotsessides– Sisaldab ühe FMN molekuli– Funktsionaalselt vahetatav ferredoksiiniga – Isolateeritud prokorüootidest ja mõningatest eukarüootsetest

vetikatest.

Elektronide ülekanne N2 fikseerimisel

Ferredoksiin ox. Ferredoksiin red.

Redutseeritud Fe valk oksüdeeritud Fe valk

Oksüd. Mo Fe protein reduts. Mo Fe protein

HN=NH N2

4 ATP4 ADP

2 e-

2 e-

fotosüntees,hingamine, fermentatsioon

N2 --> N2H2 --> N2H4 --> 2 NH3

Protekteerimine hapniku eest

1. Osaliselt lahutatud elektronide transport (e.g. Azotobacter)

2. Spetsiaalselt diferentseerunud paksukestalised rakud “heterotsüstid” (e.g. Mõnedes filamentsetes tsüaanobakterites)

3. Leghemoglobiin • Produtseeritud taimede poolt (bakteritelt võib tulla heem)• Kõrge afiinsus hapniku suhtes• Atruktuurilt hemoglobiini sarnane

heterotsüst

Glutamaat & glutamiin- tsentraalse funktsiooniga lämmastiku metabolismis

• Võimaldavad ammooniumi lülitada biomolekulide koosseisu

• Glutamaadi transamineerimine on enamike aminohapete jaoks aminorühma allikaks

• Glutamiini amiidne lämmastik on aminorühma allikaks paljudele teistele biomolekulidele.

Glutamiini biosüntees

Glutamiini süntetaas• E. Coli ensüümil 12 subühikut• Ensüüm on olemas kõigis organismides

glutamaat -glutamüülfosfaatATP ADP

-glutamüülfosfaat glutamiin

NH4+ Pi + H +

Glutamaadi biosüntees

1. Glutamaadi süntaas• Peamine rada bakterites & taimedes; puudub loomadel

NADPH + H+ NADP +

-ketoglutaraat + glutamiin 2 glutamaat

2. L-glutamaadi dehüdrogenaas (kõigis organismides)

NADPH NADP +

-ketoglutaraat + NH4+ L-glutamaat + H2O

3. -ketoglutaraadi transamineerimine• loomadel• Aminorühmad saadakse teistelt aminohapetelt nende

kataboliseerimisel

Glutamiini sünteesi regulatsioon

Kompleksne regulatsioonimehhanism - produktinhibitsioon (allosteeriline regulatsioon ) Aditiivne inhibiitorite efekt!- regulatsioon kovalentse modifitseerimise kaudu

Aminotransferaasid• Ensüüm: transaminaas

aminotransferaas• Doonor = tavaliselt aminohape • Aktseptor = -ketoglutaraat• Kofaktor = püridoksaalfosfaat

(PLP) , prosteetiline rühm

NH3-Donor + Acceptor NH3-Acceptor + Donor+ +PLP

L-amino acid + -ketoglutarate L-glutamate + -keto acidPLPNäide:

R N

H

H

- funktsioneerib vaheühendi kandjana (püridoksamiinfosfaat)

Transamineerimise reaktsioon

Amiidotransferaasid• Ensüüm: amiidotransferaas• Doonor = L- glutamiin• Aktseptor = R-OH; R1-CO-R2• Kofactor = metalliioonid

• Glutamiini amiidotransferaasi reaktsioon

Glutamine + R-OH R-NH2 + H2O + Glutamate

Xanthosine 5-P + L-glutamine GMP + L-glutamate

Näide: GMP-süntetaas

R C N

H

HO

ATP + H2O AMP + PPi

1. Kõik aminohapped on sünteesitavad glükolüüsi, TCA tsükli või pentoosfosfaadi raja vaheühenditest

2. Lämmastik saadakse glutamaadi või glutamiini koosseisust.

3. Süntees leiab aset tsütosoolis ja/või mitokondris

4. Meie organismis sünteesitavad aminohapped on L-rea ühendid

5. Asendamatud aminohapped

• saadavad ainult toidust (M(y) VKF WIRTH …)

6. Asendatavad aminohapped

• On inimese organismis sünteesitavad

Aminohapete biosüntees

Mikroorganismid ja taimed: On võimelised sünteesima kõiki aminohappeid.

Loomad: Sünteesivad ainult teatuid, nn. asendatavaid ehk mittehädavajalikke aminohappeid

Asendatavad hädavajalikud vajalikud tingimisi

Alaniin Histidiin ArginiinAsparagiin IsoleutsiinAspartaat LeutsiinTsüsteiin LüsiinGlutamaat MetioniinGlütsiin FenüülalaniinProliin TreoniinSeriin TrüptofaanTürosiin* Valiin

*moodustub fenüülalaniinist, mida ei saa asendada

Prekursorid aminohapete biosünteesil

Glu

GlnProArg

Ser

GlyCys

TrpPheTyr

Ala

Val

Leu

Asp

Met Thr Lys

Ile

Asn

Püruvaat

Riboos 5-P

Oksaalatsetaat

3-P-glütserat PEP & E4P

-Ketoglutaraat

HisTyr

Prekursorid- aminohapete klassid

Glu

Gln

Pro

Arg

Ser

GlyCys

Trp

PheTyr

Ala

Val

Leu

Asp Met

ThrLys

IleAsn

Püruvaat

Riboos 5-P

Oksaalatsetaat

3-P-glütseraatPEP & E4P

-Ketoglutaraat

His

aluselinearomaatne happeline apolaarne polaarne

Asendamatud aminohapped

Glu

Gln

Pro

Arg

Ser

GlyCys

Trp

PheTyr

Ala

Val

Leu

Asp Met

ThrLys

IleAsn

Püruvaat

Riboos 5-P

Oksaalatsetaat

3-P-glütseraatPEP & E4P

-Ketoglutaraat

His

asendamatu Asendamatu noortel organismidel

C1pool

ALANIIN

GLUTAMAAT

ORNITIIN

ARGINIIN

PROLIIN

SERIIN

GLÜTSIIN

METIONIIN

SAM

Homocysteine

Tsüstatioon

TSÜSTEIIN

a-ketoglutaraat

GLUTAMIIN

TCA

UREA cycle

Püruvaat

OAA

TCA

ATP

ASPARAGIIN

ASPARTAAT

ATP

B6

ATP

POLÜAMIINID

DNA metülatsioon

B6

THF

CH2O6

RASVAD

Asendatavate aminohapete biosüntees

-ketoglutaraadi rühm

2) Proliini süntees- Lähtub glutamaadist

- Vajab 3 ensümaatilist ja 1 mitteensümaatilist reaktsiooni

- tarbib 1 ATP, 2 NADPH

- Nii bakterites kui imetajates;

Glu

GlnProArg

-Ketoglutaraat

-ketoglutaraadi rühm

• 3) Arginiini süntees-ornitiinistArginiin on noortel imetajatel asendamatu

aminohapeEsimene etapp: atsetüülglutamaadi süntaas

– Võimaldab edaspidi tsükli tekkimist vältida

Glutamaat N-Ac glutamaat

acetyl-SCoA CoASH

Glu

GlnProArg

-Ketoglutaraat

-ketoglutaraadi rühm

3) Arginiini süntees-Bakterites N-atsetüülglutamaadist -Ornitiinist uurea tsükli kaudu (imetajad)- tarbib 2 ATP, 1 NADPH, - transamineerimisreaktsioon

3 P-glütseraadi rühm

1) Seriini süntees- Oksüdatsioon

Fosfoglütseraadi dehüdrogenaas

- TransamineerimineFosfoseriini transaminaas

- DefosforüülimineFosfoseriini fosfataas

ATPd ei kulu Tekib 1 NADH + H+

Ser

GlyCys

3-P-glütseraat