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
Recommended