Дополнительные комплексы реакций серии М

Центральное положение серии периодов М среди других гомологических серий определяется не только природой составляющих ее соединений, но и важностью связанных с ней дополнительных комплексов реакций. Дополнительные комплексы реакций на карте изображены в виде симметричных схем метаболизма жирных кислот, пиримидиновых оснований, серосодержащих соединений. Эти схемы можно рассматривать как результат развития соответствующих периодов серии М.

 

3.1. Схема метаболизма жирных кислот [3, 279]

 

Как уже отмечалось в разделе 2.1 предыдущей главы, последовательности реакций синтеза и расщепления жирных кислот являются наиболее очевидным примером периодических последовательностей. Если принять во внимание общность строения a,b-непредельных кислот в последовательностях синтеза и расщепления жирных кислот и в последовательностях серии М, то последовательности обоих видов можно было бы совместить в одной периодической сетке реакций. Однако ввиду того, что размеры последовательностей синтеза и расщепления жирных кислот значительно превосходят размеры последовательностей серии М, полностью такое совмещение на карте осуществить сложно. Частично оно реализуется в связывающих серии И, И' и М цепочках реакций b-окисления органических кислот с коротким углеродным скелетом.

Схемы метаболизма линейных и разветвленных жирных кислот с длинным углеродным скелетом размещены на карте в сокращенном виде под начальными периодами серии М и, соответственно, обозначены индексами b и b'. Схемы представляют собой обобщенные интервалы последовательностей реакций синтеза и распада жирных кислот. Биосинтез линейных жирных кислот [279] осуществляется в результате ступенчатой конденсации малонил-КоА, сопровождающейся отщеплением СО2 и восстановлением у продукта реакции b-атома углерода в метиленовое звено. При этом роль затравки выполняют остатки карбоновых кислот, способные связываться с ацилпереносящим белком. В частности, четное и нечетное число атомов углерода в скелете жирных кислот зависит от того, ацетат или пропианат выступает в качестве затравки [3]. Малонил-КоА размещается в совпадающей колонке нулевого и IД периодов. Главный путь образования малонил-КоА состоит в биотин-зависимом карбоксилировании ацетил-КоА в первой колонке периода IМ [25 с.252-264].

Сходный путь биосинтеза разветвленных жирных кислот на основе метилмалонил-КоА предполагается у животных и микроорганизмов [47 с.185, 191]. Пути образования метилмалонил-КоА определяются его положением во второй колонке периода IМ. Как и в случае малонил-КоА, главным путем биосинтеза метилмалонил-КоА является биотинзависимая реакция карбоксилирования пропионил-КоА. Реакция карбоксилирования пропионата в отличие от реакции карбоксилирования ацетата осуществляется в двух вариантах. В первом для карбоксилирования используется свободный СО2 [154,192], во втором карбоксилирование сопряжено с отщеплением СО2 от оксалоацетата [281].

Процессы расщепления жирных кислот при b-окислении также аналогичны. Расщепление линейных жирных кислот приводит к образованию ацетил-КоА (продолжение первой колонки периода IМ). По-видимому, аналогичным путем, но с участием этилмалонил-КоА и бутирил-КоА в IIM и отсутствующем на карте IIIМ периодах может осуществляться соответственно синтез и расщепление этилпроизводных жирных кислот [3].

Кроме схем метаболизма жирных кислот, на карте представлены схемы метаболизма некоторых липидов - производных жирных кислот. Это схемы биосинтеза сфинголипидов [153], простагландинов [19], триглицеридов (жиров) и фосфоглицеридов [27 с.174], размещенные под схемами метаболизма жирных кислот.

 

3.2. Схема метаболизма пиримидиновых производных [38, 135, 173]

 

Схема метаболизма пиримидиновых производных на карте размещена над нулевым и первым периодами серии М. Она состоит из двух сходных частей. Часть схемы, относящаяся к пиримидиновым производным, не замещенным в пятом положении гетероциклического кольца, связана с нулевым периодов. Другая часть, относящаяся к метаболизму производных с метильной группой в пятом положении гетероциклического кольца, связана с периодом IМ.

Цепь реакций биосинтеза пиримидиновых оснований начинается во второй колонке нулевого периода с конденсации аспартата с карбамоилфосфатом, приводящей к уреидосукцинату. Последний, замыкаясь в кольцо и подвергаясь дегидрированию, превращается в оротат. После характерной для нуклеиновых оснований конденсации с 5- фосфорибозилдифосфатом и последующего декарбоксилирования оротат преобразуется в уридинмонофосфат. Превращение урацила в цитозин известно лишь на уровне нуклеозидтрифосфатов. Превращение рибопроизводных пиримидинов в дезоксирибопроизводные [200, 252] возможно как на уровне три-, так и дифосфатов. Многочисленные фосфатные производные пиримидиновых нуклеозидов образуются в реакциях трансфосфорилирования [93].

5-Метильные замещенные основания во второй части схемы по существу являются гомологами пиримидиновых оснований в первой части. Для тимина можно было бы предположить путь биосинтеза на основе b-метиласпартата в периоде IМ, аналогичный рассмотренному пути биосинтеза его гомолога урацила на основе аспартата в нулевом периоде [305]. Однако такой путь биосинтеза 5-метильных замещенных пиримидинов в настоящее время неизвестен [184, 304]. Они образуются в реакциях метилирования соответствующих производных с участием фолиевой кислоты.

Отсутствие симметрии в путях биосинтеза пиримидиновых гомологов компенсируется симметрией путей их расщепления [290]. Раскрытию гетероциклического кольца пиримидиновых производных предшествует отщепление рибозильного или дезоксирибозильного остатка и дезаминирование оснований. Образующиеся при этом свободные молекулы урацила и тимина могут расщепляться по двум альтернативным путям.

Один из этих путей - восстановительный. Он включает гидрирование пиримидинового кольца по 5-6 положению и (после раскрытия последнего и отщепления от образующегося уреидопроизводного мочевины) превращение в случае урацила в b-аланин в нулевом периоде и в случае тимина - в a-метил-b-аланин в периоде IМ.

Другой путь - окислительный - состоит в окислении урацила до барбитурата и тимина до метилбарбитурата. Последующее раскрытие гетероциклического кольца сопровождается отщеплением мочевины и приводит к превращению барбитурата в малонат в нулевом периоде и метилбарбитурата в метилмалонат в периоде IМ. Наряду с рассмотренным общим путем окисления у метильных производных возможно окисление по метильной группе. Это приводит к образованию таких соединений, как 5-оксиметилурацил и 5-карбоксиурацил. Последние могли бы претерпевать расщепление по рассмотренным выше путям, образуя соответствующие производные, однако в настоящее время данные о путях расщепления этих соединений отсутствуют.

 

3.3. Схема метаболизма серосодержащих соединений [47, 49]

 

Схема метаболизма серосодержащих соединений на карте размещается над первым и вторым периодами серии М. Так же как и схема метаболизма пиримидиновых производных, она состоит из двух частей. Часть, относящаяся к метаболизму цистеина и его производных, соответствует периоду IМ. Другая часть, относящаяся к метаболизму гомоцистеина и метионина, соответствует периоду IIM. Так же как и в случае пиримидиновых производных, для новообразования серосодержащих соединений известен только один путь - обмен гидроксильной группы серина на сульфидную в реакции с сероводородом. Другие реакции биосинтеза цистеина и гомоцистеина протекают таким образом, что образование одного из этих соединений сопровождается расщеплением другого. Так, образование цистеина из серина с конденсацией серина с гомоцистеином в цистатионин и расщеплением последнего на цистеин и гомосерин, либо на цистеин и a-кетобутират. И, наоборот, синтез гомоцистеина из гомосерина связан с обращением реакции расщепления цистатионина на цистеин и гомосерин и последующим распадом цистатионина на гомоцистеин и серин, либо на гомоцистеин и пируват. Если учесть, что расположенный в совмещенном участке нулевого и IД периодов гомосерин тесно связан с IIM периодом реакцией изомеризации в треонин, то можно сказать, что эти пути образования и расщепления серосодержащих аминокислот сводятся к переносу сульфгидрильной группы от одной серосодержащей кислоты к не содержащему серу предшественнику другой в соседних периодах серии М. Симметрия этих путей заключается в их сходстве.

Симметричные части схемы представлены сходными комплексами реакций цистеина и гомоцистеина. Эти аминокислоты образуют ряд аналогов, отличающихся степенью окисления атома серы. Кроме исходных аминокислот, в него входят цистеат, цистеинсульфинат, цистин и гомоцистин. Декарбоксилирование и дезаминирование этих соединений приводит к образованию рядов соответственно серосодержащих аминов и серосодержащих a-кетокислот. Отдельные производные серосодержащих аминокислот широко распространены в природе. Например, цистеат находится в свободном состоянии в мозге и других тканях животных, таурин также встречается в свободном состоянии в различных растительных и животных тканях [133, 254] и в виде таурохолевой кислоты в составе желчи. Цистеамин входит в состав КоА.

Среди производных серосодержащих аминокислот особое место занимают метильные производные. Важнейшим из них является продукт метилирования гомоцистеина - метионин. В организме метионин выступает как донор метильных групп. Формилметионин участвует в качестве инициирующей аминокислоты в биосинтезе белков. S-метилметионин (витамин U) является незаменимым фактором питания высших животных [15]. Из растительных источников выделен также низший гомолог метионина - метилцистеин [41 с.362-364].

 

 

Г Л А В А IV