Lämmastiku fikseerimine. Aminohapete biosüntees

1. Lämmastiku fikseerimine. Aminohapete biosüntees 23 09 2005

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

3. Atmosfäär ja inimene Element Õhk (% vol) Rätsep (% kuivkaal) N 78.0011.0 O 20.95 9.3 Ar 0.93 n.d. C 0.033 (CO2) 61.7 H 0.00005 5.7 Ca n.d. 5.0 P n.d. 3.3 K n.d. 1.3 S n.d. 1.0 Na n.d 0.7 Cl n.d. 0.7

4. Lämmastiku tsükkel Redutseerimineenamike taimede & mõnede anaeroobsete bakterite poolt Taimed ja mikroobid aminohapped & redutseeritud lämmastiku- ühendid Nitrate NO3- Ammonia NH4+ N2 Denitrifikatsioon N fikseerimine (mõned bakterid) Loomad ja mikroobid Nitrifikatsioon (e.g. Nitrobacter) Nitrifikatsioon (e.g. Nitrosomonas) Nitrite NO2-

5. N2fikseerivad organismid • Atmosfääri lämmastikku fikseerivad • Vabalt elavad bakterid • Aeroobid (Azotobacter, Klebsiella) • Anaeroobid (Desulfovibrio, mõnedClostridium liigid) • Tsüaanobakterid • (Nostoc) • Sümbiondid = elavad sümbioosis teatud taimedega • liblikõielistega (Rhizobium) • Teiste taimedega (Frankia, Azospirillium)

6. N2 + 3H2 2NH3 DG’°= - 33.5 kJ/mol Lämmastiku fikseerimine • N2fikseerimine –eksergiline reaktsioon • N2 fikseerimine on rakkudele kulukas! N2 + 10H+ + 8e- + 16ATP 2NH4 + + 16ADP + 16Pi + H2 Nitrogenaasi kompleks

7. Nitrogenaasi komleks • Ensüümkompleks mitme redokstsentriga • Olulisemad komponendid • 1) dinitrogenaasi reduktaas: • Kõrge redutseeriva jõuga elektronide allikas • Sisaldab ühte 4Fe-4S redox tsentrit (1 elektroniülekanne) • 2 identsest subühikust koosnev dimeer • 2) nitrogenaas: • kasutab e- N2redutseerimiseks NH3-ks • tetrameer (2 subühikut kahes koopias) • Redokstsentrid sisaldavadtetrameeri kohta (2 Mo, 32 Fe, 30 S) • Väga tundlik hapniku suhtes • Elektronide ülekanne reduktaasilt nitrogenaasile on seostatud ATP hüdrolüüsiga.

8. 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.

9. Elektronide ülekanne N2fikseerimisel fotosüntees, hingamine, fermentatsioon Ferredoksiin ox. Ferredoksiin red. Redutseeritud Fe valk oksüdeeritud Fe valk 2 e- 4ATP 4 ADP Oksüd. Mo Fe protein reduts. Mo Fe protein 2 e- HN=NH N2 N2 --> N2H2 --> N2H4 --> 2 NH3

10. heterotsüst Protekteerimine hapniku eest • Osaliselt lahutatud elektronide transport (e.g. Azotobacter) • Spetsiaalselt diferentseerunud paksukestalised rakud “heterotsüstid” (e.g. Mõnedes filamentsetestsüaanobakterites) • Leghemoglobiin • Produtseeritud taimede poolt (bakteritelt võib tulla heem) • Kõrge afiinsus hapniku suhtes • Atruktuurilt hemoglobiini sarnane

11. 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.

12. ATP ADP NH4+ Pi + H + Glutamiini biosüntees Glutamiini süntetaas • E. Coli ensüümil 12 subühikut • Ensüüm on olemas kõigis organismides glutamaat-glutamüülfosfaat -glutamüülfosfaatglutamiin

13. Glutamaadi biosüntees • Glutamaadi süntaas • Peamine rada bakterites & taimedes; puudub loomadel NADPH + H+ NADP + -ketoglutaraat + glutamiin2 glutamaat 2. L-glutamaadi dehüdrogenaas(kõigis organismides) NADPH NADP + -ketoglutaraat + NH4+ L-glutamaat + H2O 3. -ketoglutaraadi transamineerimine • loomadel • Aminorühmad saadakse teistelt aminohapetelt nende kataboliseerimisel

14. Glutamiini sünteesi regulatsioon • Kompleksne regulatsioonimehhanism • produktinhibitsioon (allosteeriline • regulatsioon ) • Aditiivne inhibiitorite efekt! • regulatsioon kovalentse modifitseerimise kaudu

15. H R N H + + PLP NH3-Donor + Acceptor NH3-Acceptor + Donor PLP L-amino acid + a-ketoglutarate L-glutamate + a -keto acid Aminotransferaasid • Ensüüm: transaminaas • aminotransferaas • Doonor = tavaliselt aminohape • Aktseptor = a -ketoglutaraat • Kofaktor = püridoksaalfosfaat (PLP) , prosteetiline rühm - funktsioneerib vaheühendi kandjana (püridoksamiinfosfaat) Transamineerimise reaktsioon Näide:

16. H R C N H O ATP + H2O AMP + PPi Amiidotransferaasid • Ensüüm: amiidotransferaas • Doonor = L- glutamiin • Aktseptor = R-OH; R1-CO-R2 • Kofactor = metalliioonid • Glutamiini amiidotransferaasi reaktsioon Glutamine + R-OH R-NH2 + H2O + Glutamate Näide: GMP-süntetaas Xanthosine 5-P + L-glutamine GMP + L-glutamate

17. Aminohapete biosüntees • Kõik aminohapped on sünteesitavad glükolüüsi, TCA tsükli või pentoosfosfaadi raja vaheühenditest • Lämmastik saadakse glutamaadi või glutamiini koosseisust. • Süntees leiab aset tsütosoolis ja/või mitokondris • Meie organismis sünteesitavad aminohapped on L-rea ühendid • Asendamatud aminohapped • saadavad ainult toidust (M(y) VKF WIRTH …) • Asendatavad aminohapped • On inimese organismis sünteesitavad

18. Mikroorganismid ja taimed:On võimelised sünteesima kõiki aminohappeid. Loomad:Sünteesivad ainult teatuid, nn. asendatavaid ehk mittehädavajalikke aminohappeid Asendatavadhädavajalikudvajalikud tingimisi Alaniin Histidiin Arginiin Asparagiin Isoleutsiin Aspartaat Leutsiin Tsüsteiin Lüsiin Glutamaat Metioniin GlütsiinFenüülalaniin Proliin Treoniin Seriin Trüptofaan Türosiin* Valiin *moodustub fenüülalaniinist, mida ei saa asendada

19. Prekursorid aminohapete biosünteesil Oksaalatsetaat -Ketoglutaraat Püruvaat Asp Glu Ala Leu Lys Met Asn Thr Arg Pro Val Gln Ile 3-P-glütserat PEP & E4P Riboos 5-P Ser Tyr Phe Trp His Cys Gly Tyr

20. aromaatne aluseline happeline apolaarne polaarne Prekursorid- aminohapete klassid Oksaalatsetaat -Ketoglutaraat Püruvaat Asp Met Gln Arg Ala Leu Asn Ile Pro Val Glu Lys Thr PEP & E4P Riboos 5-P 3-P-glütseraat Cys Gly Tyr Phe His Ser Trp

21. Asendamatud aminohapped Oksaalatsetaat -Ketoglutaraat Püruvaat Asp Met Gln Arg Ala Leu Asn Ile Pro Val Glu Lys Thr PEP & E4P Riboos 5-P 3-P-glütseraat Cys Gly Tyr Phe His Ser Trp asendamatu Asendamatu noortel organismidel

22. Asendatavate aminohapete biosüntees TSÜSTEIIN RASVAD CH2O6 Tsüstatioon Püruvaat TCA ALANIIN SERIIN B6 ASPARAGIIN OAA ATP GLÜTSIIN Homocysteine THF ASPARTAAT PROLIIN C1pool B6 TCA SAM GLUTAMAAT a-ketoglutaraat ATP ATP ORNITIIN METIONIIN GLUTAMIIN UREA cycle DNA metülatsioon ARGINIIN POLÜAMIINID

23. a-ketoglutaraadi rühm -Ketoglutaraat Glu Arg Pro Gln 2) Proliini süntees • Lähtub glutamaadist • Vajab 3 ensümaatilist ja 1 mitteensümaatilist reaktsiooni • tarbib 1 ATP, 2 NADPH • Nii bakterites kui imetajates;

24. acetyl-SCoA CoASH Glutamaat N-Ac glutamaat a-ketoglutaraadi rühm • 3) Arginiini süntees-ornitiinist • Arginiin on noortel imetajatel asendamatu aminohape • Esimene etapp: atsetüülglutamaadi süntaas • Võimaldab edaspidi tsükli tekkimist vältida

25. a-ketoglutaraadi rühm -Ketoglutaraat Glu Arg Pro Gln • 3) Arginiini süntees • BakteritesN-atsetüülglutamaadist • Ornitiinist uurea tsükli kaudu • (imetajad) • tarbib 2 ATP, 1 NADPH, • - transamineerimisreaktsioon

26. 3-P-glütseraat Ser Cys Gly 3 P-glütseraadirühm • 1) Seriini süntees • Oksüdatsioon • Fosfoglütseraadi dehüdrogenaas • Transamineerimine • Fosfoseriini transaminaas • Defosforüülimine • Fosfoseriini fosfataas • ATPd ei kulu • Tekib 1 NADH + H+