Serwisy internetowe Uniwersytetu Warszawskiego Nie jesteś zalogowany | zaloguj się


Biochemia D/Wykład 8

Witamy na wiki Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego

< Biochemia D(Przekierowano z Biochemia/Wykład 8)

Spis treści

Biosynteza związków azotowych

  • Najważniejsze w biosyntezie związków azotowych są źródła azotu:

- organizmy zwierzęce są w stanie wykorzystywać tylko i wyłącznie organiczne zw. azotowe; mogą przetwarzać odpowiednio dostarczone gotowe zw. azotowe; w bardzo ograniczonym stopniu mogą wykorzystywać amoniak ale to źródło nie wchodzi w rachubę na większą skalę) - ogromną rolę w obiegu azotu w przyrodzie odgrywają rośliny i mikroorganizmy, z których wiele potrafi wykorzystywać organiczne źródła azotu

  • Największym rezerwuarem nieorganicznych zw. azotowych jest atmosfera. Cząsteczki azotu stanowią 78% całości gazów atmosferycznych. To źródło azotu może być wykorzystywane przez bardzo nieliczne grupy organizmów. Drugim ważnym źródłem są związki azotu występujące w glebie.
  • Głownie amoniak (właściwie jony amonowe) – powstaje w wyniku procesów gnilnych zachodzących przy udziale mikroorganizmów, również abiotycznie(?) w wyniku rozkładu materii organicznej – odchodów organizmów żywych lub martwych organizmów. Amoniak który powstaje w wyniku procesów gnilnych w glebie jest utleniany do azotanów i azotynów przez bakterie nitryfikacyjne, które w ten sposób uzyskują energię. Ogromna część azotu glebowego to azotyny i azotany (utlenione formy azotu). Część amoniaku, który powstaje w procesach gnilnych, jest przekształcony w wyniku procesów denitryfikacji (przy udziale pewnej grupy mikroorganizmów) w gazowy azot cząsteczkowy który z gleby przechodzi do atmosfery.
  • Rośliny i duża część mikroorganizmów potrafią wykorzystywać glebowe formy związków azotowych (azotany i azotyny).
  • Część azotanów i azotynów, które występują w glebie pochodzi z azotu atmosferycznego – w czasie wyładowań elektrycznych w atmosferze, wysokich temperaturach i ciśnieniach jakie lokalnie powstają, mogą powstawać tlenki azotu, które tworzą kw. azotowy czy azotawy – źródło azotanów glebowych – ok. 15% glebowego azotu to azot pochodzący z tego abiotycznego wiązania azotu atmosferycznego.
  • Najważniejszy proces to wiązanie azotu atmosferycznego przez organizmy – redukcja cząsteczek azotu do jonów amonowych/amoniaku.


Redukcja N2

Grafika:azot.jpg ΔG0 = 974 kJ/mol


  • potrójne wiązanie łączące 2 atomy azotu w cząsteczkę jest bardzo silnym wiązaniem i rozerwanie tego wiązania wymaga nakładu ogromnej energii
  • ΔG0 dla rozerwania takiego układu dwóch atomów azotu – taką porcję energii należy dostarczyć (w warunkach standardowych) żeby rozbić 1 mol azotu atmosferycznego na 2 mole amoniaku
  • Ten proces jest ograniczony tylko do stosunkowo nielicznej grupy organizmów:

a) wolno żyjące mikroorganizmy (Klebsiella, Azotobacter, sinice) – tylko prokariotyczne

b) bakterie symbiotyczne (gł. Rhizobium – rodzina Rhizobiaceae) współżyjące z roślinami wyższymi (głownie motylkowymi) – tworzą brodawki korzeniowe


  • Reakcje przekształcenia azotu w jony amonowe katalizowane są przez kompleks enzymatyczny zwany kompleksem nitrogenazy – posiadają ją te wyżej wymienione mikroorganizmy.


Kompleks nitrogenazy (proces bardzo kosztowny energetycznie)

Grafika:kompleks.jpg

  • Kompleks nitrogenazy kodowany przez zespół genów nif składa się z dwóch składników:

- Reduktazy nitrogenazy - białko zawierające kompleksy żelazosiarczkowe;

- Właściwej nitrogenazy - białko , które zawiera jako kofaktory miedzy innymi molibden i żelazo.


  • Żeby zaszła redukcja cząsteczki azotu do dwóch jonów amonowych (przy okazji produkowana jest jedna cząsteczka wodoru gazowego) potrzeba 8 elektronów; dostarczycielem elektronów w większości organizmów które są w stanie przeprowadzać tę reakcję jest białko zwane ferrodoksyną (białko żelazosiarczkowe)
  • Ferrodoksyna posiada wyjątkowo niski potencjał red-ox (-0,42V) – jest silnym biologicznym reduktorem
  • Jedna cząsteczka ferrodoksyny dostarcza jeden elektron (zredukowana ferrodoksyna powstaje w wyniku utleniania różnych substratów przez mikroorganizmy)
  • Elektrony są transportowane na reduktazę nitrogenazy; przeniesienie elektronów na właściwą nitrogenazę wymaga ogromnego wkładu energii
  • Na przeprowadzenie jednej cząsteczki azotu w dwa jony amonowe potrzeba aż 16 cząsteczek ATP, które rozpadają się do ADP i fosforanu nieorganicznego; ATP tworzy z reduktazą nitrogenazy kompleks, w którym następuje obniżenie potencjału red-ox, dzięki któremu reduktaza może przekazać elektrony na właściwą nitrogenazę, a ona przekazuje elektrony na cząsteczkę azotu
  • uzyskanie transgenicznych roślin , które miałyby wszczepiony ten niewielki kompleks enzymatyczny, mogłoby prowadzić do uniezależnienia rolnictwa od nawożenia azotowego – dziś głównym czynnikiem limitującym w rolnictwie jest dostępność azotu; produkuje się ogromne ilości nawozów azotowych, używając ogromne ilości energii, zanieczyszczając środowisko; przeniesienie kompleksu okazało się bardzo skomplikowane - żeby mogła zachodzić reakcja muszą być spełnione specjalne warunki
  • Brodawki korzeniowe są bardzo skomplikowanymi tworami, do ich utworzenia potrzebne jest wiele białek; niezbędna ekspresja białka leg-hemoglobina
  • pewien typ roślin – wydzielanie flawonoidów: cząsteczki sygnałowe docierają do pewnych typów bakterii, indukują wytwarzanie czynników NOD (N-acetyloglukozamin). Nod wydzielane przez kom. bakteryjne -> przekaźnik sygnału dla roślin -> budowa brodawek i synteza leg-hemoglobiny. Wzajemnie dają sobie sygnały.


Redukcja azotynów i azotanów

Etap 1. redukcja azotanów do azotynów (kompleks reduktazy azotanowej)

  • Reduktorem jest zazwyczaj NADPH

Grafika:reakcja.jpg

Grafika:etap1.jpg


  • W skład kompleksu reduktazy azotanowej wchodzi kilka różnych białek

NADPH oddaje elektrony na białko zawierające FAD jako koenzym; to białko przekazuje elektrony na specjalny cytochrom, a ten cytochrom przekazuje elektrony na właściwą reduktazę azotanową, która zawiera jako kofaktor molibden.

Etap 2. redukcja azotynów do amoniaku (kompleks reduktazy azotynowej)

Grafika:etap2.jpg

  • Reakcja przekształcenia jonu azotynowego do amonowego wymaga 6 elektronów

Ferrodoksyna jest białkiem, które powstaje w związku z funkcjonowaniem fazy jasnej fotosyntezy Kompleks reduktazy azotynowej zlokalizowany jest w chloroplastach roślin i bezpośrednio wykorzystuje zredukowaną ferrodoksynę Najpierw jon azotynowy jest przekształcony w rodnik nitroksylowy, ubywa grup OH-, przyłączają się dwa elektrony i dwa protony; w następnym etapie przy udziale kolejnych 2 elektronów dostarczonych przez ferrodoksynę powstaje hydroksyloamina; a ona przy udziale 2 e ze zredukowanej ferrodoksyny i 2 protonów przekształca się w jon amonowy U roślin wyższych ten kompleks enzymatyczny jest zlokalizowany w plastydach i wykorzystuje ferrodoksynę zredukowaną powstającą bezpośrednio w wyniku działania fotoukładu I.


Biosynteza aminokwasów

a) Synteza glutaminianu i glutaminy (dawcy grup aminowych do biosyntezy innych aminokwasów i nukleotydów)

Grafika:1.jpg

  • Reakcja katalizowana przez dehydrogenazę glutaminianową
  • Ta reakcja występuje również w procesie degradacji kwasu glutaminowego (zachodzi wtedy w drugą stronę)
  • alfa-ketoglutaran, który może pochodzić z różnych procesów metabolicznych, reaguję z jonem amonowym; potrzebny jest reduktor w postaci NADPH; w wyniku tego z alfa-ketoglutaranu (który jest alfa-ketokwasem) powstaje alfa-aminokwas; reakcja ta prowadzi do powstania glutaminianu, który może służyć jako dawca grup aminowych w licznych procesach biosyntezy innych związków azotowych (głównie innych aminokwasów)

Grafika:2.jpg


  • Drugą kluczową reakcją w wiązaniu amoniaku (jonów amonowych) jest reakcja katalizowana przez enzym zwany syntetazą glutaminową
  • Substratem jest glutaminian, reaguje przy udziale ATP z jonem amonowym, w wyniku czego powstaje amid kwasu glutaminowego – glutamina, a ATP rozpada się na ADP i fosforan nieorganiczny
  • W pierwszym etapie z ATP na grupę karboksylową przenoszona jest terminalna reszta kwasu ortofosforowego w wyniku czego powstaje mieszany bezwodnik między tą grupą karboksylową a resztą kwasu ortofosforowego i powstaje ADP; następnie dochodzi do wymiany reszty fosforanowej wysokoenergetycznej przyłączonej na jon amonowy, w wyniku czego następuje utworzenie układu amidowego – glutaminy


b) Reakcje transaminacji (aminotransferazy)

Grafika:3.jpg


  • W następnym etapie mamy do czynienia z działaniem aminotransferaz (znamy ją z degradacji aminokwasów) działają odwracalnie – mogą przyłączać lub odłączać grupy aminowe od aminokwasów
  • Takie związki jak pirogronian lub szczawiooctan mogą reagować z glutaminianem, który dostarcza grupę aminową i działa odpowiednia aminotransferaza – w przypadku pirogronianu jest to aminotransferaza alaninowa (powstaje alanina), a w przypadku szczawiooctanu aminotransferaza asparaginowa (powstaje asparagina); glutaminian oddając grupę aminową powrotnie przekształca się w alfa-ketoglutaran (ale może przyjmować kolejną cząsteczkę amoniaku – proces może się cyklicznie powtarzać)


c) przekształcenia glutaminianu

Grafika:4.jpg

Przekształcenia glutaminianu w prolinę

Grafika:5.jpg


  • Przy udziale NADPH jako reduktora (ta reakcja wymaga jeszcze dodatkowo rozpadu cząsteczki ATP) następuje utlenianie grupy karboksylowej do grupy aldehydowej – powstaje semialdehyd kwasu glutaminowego
  • Semialdehyd – zamiast drugiej grupy karboksylowej zawiera grupę aldehydową; związek ten może łatwo ulegać cyklizacji poprzez wytworzenie połączenia typu zasady Schifa pomiędzy grupą aminową a grupą karbonylową, która znajduję się przy pierwszym (właściwie piątym) atomie C
  • w wyniku cyklizacji (jest potrzebny odpowiedni enzym) powstaje związek, który już przypomina prolinę; potrzebna jest odpowiednia reduktaza, która wykorzystuje jako reduktor NADPH i powstaje prolina

Przykład przekształceń jakim może ulegać glutaminian


Biosynteza seryny

Grafika:6.jpg


  • substratem wyjściowym jest 3-fosfoglicerynian, który jest pospolitym metabolitem komórkowym (występuje np. w glukoneogenezie i glikolizie jako metabolit pośredni); jest on utleniany (utlenienie grupy hydroksylowej), powstaje grupa ketonowa i 3-fosfohydroksypirogronian
  • glutaminian służy jako dawca grupy aminowej przy udziale odpowiednich aminotransferaz; w miejsce grupy ketonowej wprowadzana jest grupa aminowa, powstaje 3-fosfoseryna a następnie przez działanie fosfatazy (hydrolityczne odszczepienie kw. ortofofosforowego) powstaje aminokwas - seryna
  • seryna jest prekursorem np. glicyny; reakcja przekształcenia seryny w glicynę polega na tym, że przy udziale specjalnego koenzymu, który jest w stanie usuwać lub dodawać jednostki jednowęglowe, grupa hydroksymetylowa jest usuwana – powstaje glicyna

Aminokwasy ze względu na przebieg biogenezy na szereg grup (co dostarcza szkielet węglowy)

Szkielety węglowe dostarcza cykl kwasu cytrynowego (cykl Krebsa) – przede wszystkim metabolity pośrednie, takie jak alfa-ketoglutaran i szczawiooctan.

Grafika:7.jpg

Szkielety węglowe dostarcza także glikoliza – z 3-fofoglicerynianu i pirogronianu

Grafika:8.jpg

Następnym źródłem szkieletów węglowych, tym razem do syntezy aminokwasów aromatycznych jest glikoliza i szlak pentozofosforanowy

Grafika:9.jpg


  • powstający w glikolizie fosfoenelopirogronian i powstający na szlaku pentozofosforanowym erytrozo-4-fofsoran (tylko u roślin i niektórych mikroorganizmów) przekształca się w aminokwasy aromatyczne
  • zwierzęta nie umieją syntetyzować układów aromatycznych, nie posiadają enzymów, które są niezbędne do tego. Wyjątek – aromatyzacja pierścienia A w steroidach, dzięki temu powstają estrogenne hormony.
  • rybozo-5-fosforan (również powstający w szlaku pentozofosforanowym) może w wyniku pewnych przekształceń dawać histydynę

Aminokwasy możemy podzielić na endogenne i egzogenne (dla człowieka)

  • dla roślin wszystkie aminokwasy są endogenne (mogą wytwarzać wszystkie aminokwasy potrzebne do syntezy białek)


Endogenne Egzogenne
Alanina Fenyloalanina
Arginina Histydyna
Asparagina Izoleucyna
Asparaginian Leucyna
Cysteina* Lizyna
Glicyna Metionina
Glutamina Treonina
Glutaminian Tryptofan
Prolina Walina
Seryna
Tyrozyna*
  • *aminokwasy endogenne warunkowo


  • endogenne mogą być wytwarzane w komórkach ludzkich a egzogenne muszą być dostarczone z zewnątrz
  • tyrozyna jest aminokwasem aromatycznym i nie może być syntetyzowana de novo w organizmach zwierzęcych, ale jeżeli jest dostarczone odpowiednio dużo fenyloalaniny to wtedy bardzo łatwo organizm ludzki może z niej syntetyzować tyrozynę (wprowadzenie grupy OH do układu aromatycznego)
  • cysteina może powstać w wyniku przekształceń seryny, ale pod warunkiem, że będzie odpowiednie źródło siarki – metionina
  • arginina powstaje w wyniku przekształceń kw. glutaminowego, może też powstawać w cyklu mocznikowym, produkcja argininy w organizmach ludzkich jest w pewnych okresach rozwojowych zbyt niska, żeby zapewnić odpowiednie ilości do syntezy białek, wtedy wymagana jest dostawa dodatkowej porcji argininy z pożywienia.


Biosynteza nukleotydów

  • w ich skład wchodzi zasada purynowa lub pirymidynowa, ryboza/deoksyryboza, reszta kwasu ortofosforowego

Grafika:zx1.jpg

  • wiązanie estrowe do grupy OH
  • wiązanie N-glikozydowe – między atomem azotu a półacetalowym atomem węgla w cząsteczce cukru


a) Biosynteza rybonukleotydów purynowych

Grafika:purynowe.jpg

  • substratem wyjściowym jest rybozo-5-fosforan i do niego dobudowywany jest układ purynowy; w pierwszym etapie na rybozo-5-fosforan( może łatwo powstawać na szlaku pentozofosforanowym w wyniku izomeracji rybulozo-5-fosforanu, który jest tam metabolitem pośrednim) działa syntetaza 5-fosforybozylo-1-porofosforanu (PRPP): z cząsteczki ATP następuje przeniesienie na półacetalową grupę OH reszty pirofosforanowej (osobliwością tej reakcji jest powstawanie AMP!); powstaje 5-fosforybozylo-1-1pirofosforan (PRPP)
  • druga kluczowa reakcja – PRPP jest przekształcane w odpowiednia pochodną aminową

Grafika:prpp.jpg

  • ugrupowanie pirofosforanowe jest zastepowane grupą aminową z równoczesną inwersją na asymetrycznym atomie węgla, powstaje 5-fosforybozylo-1-amina( prekursor wszystkich nukleotydów purynowych), dostarczycielem grup aminowych jest glutamina
  • do atomu azotu dobudowywany jest stopniowo cały układ purynowy

Grafika:ukl.purynowy.jpg

  • atom N9 pochodzi z glutaminy, do niego dobudowawana jest reszta glicyny (aminokwas dwuwęglowy – wiązanie amidowe między grupą karboksylowa glicyny a grupą aminową N)
  • do tego czterowęglowego układu dobudowywana jest grupa formylowa przy udziale specjalnego koenzymu (kwas tetrahydrofoliowy)
  • -CH3 grupa metylowa, -CH2- grupa metylenowa,
  • -CHO grupa formylowa, -CH2-OH gr.hydroksymetylowa
  • w pierwszym etapie do 5-fosforybozy jest dołaczany pięcioatomowy pierścień układu purynowego
  • drugi pierścień powstaje pózniej – jeden atom węgla pochodzi z karboksylacji, atom azotu pochodzi z asparaginianu (który przekształca się w fumaran); drugi atom węgla pochodzi z jednostki formylowej, a drugi atom azotu z glutaminy
  • charakterystyzne dla syntezy de novo nukleotydów purynowych – najpierw powstaje reszta fosforanowa do której dobudowywany jest układ purynowy


b) Biosynteza nukleotydów pirymidynowych

Grafika:pirymidynowe.jpg

  • Najpierw jest syntetyzowana odpowiednia pirymidyna, dopiero póżniej do niej dołączaa jest ufosforylowana glukoza
  • Tylko dwa elementy budują taki układ pirymidynowy – trzy atomy węgla pochodzą z asparaginianu, a jeden atom węgla i jeden atom azotu z karbamoilofosforanu
  • Powstaje kwas dihydroksyoctowy (dihydroksyoctan) – przy udziale odpowiedniej dehydrogenazy wprowadzane jest wiązanie podwójne, następuje dekarboksylacja, wiązanie podwójne prowadzi do powstania kwasu orotowego...........................................................................................daje uracyl, aminacja uracylu daje cytozyne
  • Gdy już mamy wytworzony nukleotyd następuje sprzęganie , wytworzenie wiązania N-glikozydowego z 5-fosforybozylo-1-fosforanu 9aktywna postac 5-fosforybozy)
  • W ten sposób powstają nukleotydy zawierające 1 resztę kwasu ortofosforowego a poźniej:

NMP + ATP -> NDP + ADP

  • Jeśli mamy jakiś nukleotydomonofosforan to ten związek może łatwo reagować z ATP w wyniku czego powstaje odpowiedni nukleotydodifosforan i cząsteczka ADP


c) Biosynteza deoksyrybonukleotydów

Grafika:deoksy.jpg

  • Substratami u większości organizmów są odpowiednie rybonukleotydodifosforany. Działą enzym reduktaza rybonuklastydowa (kompleks enzymatyczny zbudowany z wielu łańcuchów polipeptydpwych), katalizuje ona redukcję na C2 w wyniku czego tlen jest usuwany w postaci cząsteczki wody i zamiast grupy OH wprowadzany jest atom wodoru
  • tak naprawdę jest to cały ciąg reakcji:

Grafika:ciag.jpg

  • pierwotnym donorem elektronów jest NADPH – nie dostarcza bezpośrednio elektronów do redukcji ale przekazuje najpierw elektrony na białko zawierające FAD, a ono przekazuje e na inne białko zwane tioredoksyną (niewielkie białko o bardzo niskim potencjale red-ox, ma szczególne reszty cysteiny które mogą tworzyć formy utlenione – mostek disiarczkowy, a w formie zredukowanej występują w postaci SH – mogą oddawać i przyjmować tlen w ten sposób); tioredoskyna w formie zredukowanej (z grupami SH) przekazuje elektrony na właściwą reduktazę , rybonukleotydową, a ta reduktaza przeprowadza ostatecznie reakcje przekształcenia nukleozydodifosforanu w analogiczny deoksynukleotyd
  • reduktaza rybonukleotydowa – złożone białko, typowy enzym alosteryczny, którego aktywność i specyficzność regulowana jest przez produkty i substraty tego enzymu (enzym jest tak regulowany żeby mniej więcej w takiej samej ilości wytwarzać wszystkie deoksyrynonukleotydy – jeśli jest nadmiar któregoś to następuje zahamowanie jego syntezy i wzmożenie syntezy innych deoksyrybonukleotydów)
  • to o czym mówiliśmy to drogi syntezy de novo – z prekursorów prostych
  • wiele organizmów (np. heterotroficzne) posiada zdolność wykorzystywania do biosyntezy odpowiednich nukleotydów zasady purynowe lub pirymidynowe pochodzące z pokarmu w wyniku degradacji kwasów nukleinowych; zasady są wchłaniane prze komórki jelita i z nich mogą być budowane odpowiednie nukleotydy (odpowiednia zasada jest przekształcana w nukleotyd w reakcji z 5-rybozylofosforanem – sprzężenie puryny/pirymidyny ze związkiem PRPP powstaje z niego NMP lub NDP, NTP)

np. piryna + PRPP -> NMP

(pirymidyna)

osobiste