Биосинтез кобаламина - Cobalamin biosynthesis

Аденозилкобаламин

Метилкобаламин - еще одна биологически активная форма. Темно-красные кристаллы растворяются в воде, образуя растворы вишневого цвета.

Биосинтез кобаламина - это процесс, с помощью которого бактерии и археи производят кобаламин , витамин B ₁₂ . Многие стадии включают в себя преобразование аминолевулиновой кислоты через уропорфириноген III и аденозилкобировую кислоту в конечные формы, в которых она используется ферментами как организмов-продуцентов, так и других видов, включая людей, которые получают ее с пищей.

Особенность , которая отличает два основных биосинтетические маршрутов является ли кобальт , который находится в каталитическом сайте в коферменте включена рано (в анаэробных организмах ) или поздно (в аэробных организмах ) и является ли кислород необходим. В обоих случаях макроцикл , которые будут образовывать координационный комплекс с кобальтом иона является коррин кольцо, в частности , один с семью карбоксилатных групп , называемых cobyrinic кислоты. Впоследствии амидные группы образуются на всех карбоксилатах, кроме одного, давая кобировую кислоту, и кобальт связывается с аденозильной группой. В заключительной части биосинтеза, общей для всех организмов, боковая цепь аминопропанола добавляется к одной свободной карбоксильной группе, и сборка нуклеотидной петли, которая обеспечивает второй лиганд для кобальта, завершается.

Многие виды прокариот не могут биосинтезировать аденозилкобаламин , но могут производить его из кобаламина, который они усваивают из внешних источников. У людей пищевые источники кобаламина связываются после приема внутрь в виде транскобаламинов и превращаются в формы кофермента, в которых они используются.

Кобаламин

Кобаламин (витамин B ₁₂ ) - самый крупный и структурно сложный витамин . Он состоит из модифицированного тетрапиррола , коррина, с центрально- хелатным ионом кобальта и обычно находится в одной из двух биологически активных форм: метилкобаламина и аденозилкобаламина . У большинства прокариот , а также у животных есть кобаламин-зависимые ферменты, которые используют его в качестве кофактора , тогда как растения и грибы не используют его. В бактерий и архебактерий , эти ферменты включают метионин - синтазы , рибонуклеотидредуктазы , глутамат и метилмалонил-CoA mutases , этаноламин аммиак-лиазу и диол дегидратаз . У некоторых млекопитающих кобаламин получают с пищей и требуется для метионинсинтазы и метилмалонил-КоА мутазы . У людей он играет важную роль в метаболизме фолиевой кислоты и в синтезе промежуточного звена цикла лимонной кислоты , сукцинил-КоА .

Обзор биосинтеза кобаламина

У бактерий существует как минимум два различных пути биосинтеза кобаламина :

Пути биосинтеза витамина B12 из аминолевулиновой кислоты (ALA) в бактериях и архее

Витамин B12 (как цианокобаламин) и его исходная кобирная кислота

• Аэробный путь, который требует кислорода и в который кобальт вставляется в конце пути; обнаружен у Pseudomonas denitrificans и Rhodobacter capsulatus .
• Анаэробный путь, в котором внедрение кобальта является первым обязательным шагом на пути к синтезу кобаламина; обнаружены у Salmonella typhimurium , Bacillus megaterium и Propionibacterium freudenreichii subsp. shermanii .

Любой путь можно разделить на две части:

• Коррин кольцо синтеза приводит к cobyrinic кислоты, с семью карбоксилатных групп. В анаэробном пути он уже содержит кобальт, но в аэробном пути материал, образующийся на этой стадии, представляет собой гидрогенобириновую кислоту без связанного кобальта.
• Вставка кобальта там, где его еще нет; образование амидов на всех карбоксилатных группах, кроме одной, с образованием кобировой кислоты; присоединение аденозильной группы в качестве лиганда к кобальту; присоединение боковой цепи аминопропанола к одной свободной карбоксильной группе и сборка нуклеотидной петли, которая обеспечит второй лиганд для кобальта.

Другой тип синтеза происходит по спасательному пути , когда внешние корриноиды абсорбируются с образованием B ₁₂ . Виды из следующих родов и следующие отдельные виды известны для синтеза кобаламина: Propionibacterium shermanii, Pseudomonas denitrificans , Streptomyces пзеиз , Acetobacterium , Aerobacter , Agrobacterium , Alcaligenes , Azotobacter , Bacillus , Clostridium , Corynebacterium , Flavobacterium , Lactobacillus , Micromonospora , Mycobacterium , Nocardia , Proteus , Rhizobium , Salmonella , Serratia , Streptococcus и Xanthomonas .

Детали этапов образования уропорфириногена III

На ранних этапах биосинтеза тетрапирроловый структурный каркас создается ферментами дезаминазой и косинтетазой, которые превращают аминолевулиновую кислоту через порфобилиноген и гидроксиметилбилан в уропорфириноген III . Последний является первым макроциклическим промежуточным продуктом, общим для гема , хлорофилла , сирогема и самого кобаламина.

Подробная информация о стадиях от уропорфириногена III до а, с-диамида ириновой кислоты cob (II) у аэробных организмов

Биосинтез кобаламина отличается от биосинтеза гема и хлорофилла в уропорфриногене III: его трансформация включает последовательное добавление метильных (CH ₃ ) групп с образованием промежуточных продуктов, которым даны тривиальные названия в соответствии с количеством этих групп, которые были включены. Следовательно, первым промежуточным продуктом является прекоррин-1, следующим - прекоррин-2 и так далее. Включение всех восьми дополнительных метильных групп, которые встречаются в кобировой кислоте, исследовали с использованием меченного ¹³ C метилом S-аденозилметионина . Только после того, как ученые из Rhône-Poulenc Rorer использовали генно-инженерный штамм Pseudomonas denitrificans , в котором восемь генов cob, участвующих в биосинтезе витамина, были сверхэкспрессированы , можно было определить полную последовательность метилирования и других этапов. , таким образом полностью устанавливая все промежуточные звенья на пути.

От уропорфириногена III до прекоррина-2

Фермент CobA катализирует две химические реакции EC 2.1.1.107

прекоррин-2 продукт двух реакций метилирования

(1a) уропорфириноген III + S-аденозилметионин прекоррин-1 + S-аденозил-L-гомоцистеин${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

(1b) прекоррин-1 + S-аденозилметионин прекоррин-2 + S-аденозил-L-гомоцистеин${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

От прекоррина-2 до прекоррина-3А

Фермент CobI катализирует реакцию EC 2.1.1.130

прекоррин-2 + S-аденозилметионин прекоррин-3A + S-аденозил-L-гомоцистеин${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

От прекоррина-3A до прекоррина-3B

Фермент CobG катализирует реакцию EC 1.14.13.83

прекоррин-3A + NADH + H ⁺ + O ₂ прекоррин-3B + NAD ⁺ + H ₂ O${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

Этот фермент представляет собой оксидоредуктазу, которой требуется кислород, и поэтому реакция может протекать только в аэробных условиях. Обозначение этих прекорринов как 3A и 3B отражает тот факт, что каждая из них содержит на три метильных группы больше, чем уропорфириноген III, но с другой структурой: в частности, прекоррин-3B имеет внутреннее γ-лактоновое кольцо, образованное из кольца A, замыкающего боковую цепь уксусной кислоты. перейдем к макроциклу.

От прекоррина-3B до прекоррина-4

Фермент CobJ продолжает тему вставки метильной группы, катализируя реакцию EC 2.1.1.131

прекоррин-3B + S-аденозилметионин прекоррин-4 + S-аденозил-L-гомоцистеин${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

Превращение прекоррина-3B в прекоррин-4 катализируется ферментом CobJ в Pseudomonas denitrificans.

Важно отметить, что на этом этапе кольцо макроцикла сжимается, так что продукт впервые содержит ядро коррина, которое характеризует кобаламин.

От прекоррина-4 до прекоррина-5

Вставки метильных групп продолжаются, когда фермент CobM катализирует реакцию EC 2.1.1.133

прекоррин-4 + S-аденозилметионин прекоррин-5 + S-аденозил-L-гомоцистеин${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

Вновь вставленная метильная группа добавляется к кольцу C у углерода, присоединенного к метиленовому мостику (CH ₂ ) к кольцу B. Это не ее окончательное положение на кобаламине, поскольку более поздняя стадия включает его перегруппировку в соседний углерод кольца.

От прекоррина-5 до прекоррина-6А

Фермент CobF катализирует реакцию EC 2.1.1.152

прекоррин-5 + S-аденозилметионин + H ₂ O прекоррин-6A + S-аденозил-L-гомоцистеин + ацетат${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

Превращение прекоррина-5 в прекоррин-6A катализируется ферментом CobF в Pseudomonas denitrificans.

Это преобразование удаляет ацетильную группу, расположенную в положении 1 кольцевой системы в прекоррине-4, и заменяет ее вновь введенной метильной группой. Название продукта, прекоррин-6А, отражает тот факт, что к этому моменту к уропорфириногену III было добавлено в общей сложности шесть метильных групп. Однако, поскольку один из них был экструдирован с ацетатной группой, структура прекоррина-6A содержит только оставшиеся пять.

От прекоррина-6А до прекоррина-6В

Фермент CobK теперь восстанавливает двойную связь в кольце D, катализируя реакцию EC 1.3.1.54.

прекоррин-6А + НАДФН + Н ⁺ прекоррин-6В + НАДФ ⁺${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

Таким образом, прекоррин-6B отличается по структуре от прекоррина-6A только наличием дополнительных двух атомов водорода.

От прекоррина-6В до прекоррина-8

Фермент CobL имеет два активных центра , один из которых катализирует присоединение двух метильных групп, а другой декарбоксилирование группы CH ₂ COOH на кольце D, так что этот заместитель становится простой метильной группой EC 2.1.1.132

прекоррин-6B + 2 S-аденозилметионин прекоррин-8X + 2 S-аденозил-L-гомоцистеин + CO ₂${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

Превращение прекоррина-6B в прекоррин-8 катализируется ферментом CobL в Pseudomonas denitrificans.

От прекоррина-8 до гидрогенобириновой кислоты

Фермент CobH катализирует реакцию перегруппировки EC 5.4.99.61

прекоррин-8X гидрогенобиринат${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

В результате метильная группа, которая была добавлена ​​к кольцу C, изомеризуется до своего конечного местоположения, что является примером внутримолекулярного переноса .

От гидробириновой кислоты до гидробириновой кислоты a, c-диамида

Следующий фермент на этом пути, CobB , превращает две из восьми групп карбоновых кислот в их первичные амиды в реакции EC 6.3.5.9.

гидробириновая кислота + 2 АТФ + 2 глутамин + 2 H ₂ O гидробириновая кислота a, c-диамид + 2 АДФ + 2 фосфат + 2 глутаминовая кислота${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

От a, c-диамида гидробириновой кислоты до a, c-диамида ириновой кислоты cob (II)

Встраивание кобальта (II) в макроцикл катализируется ферментом кобальтхелатазой (CobNST) в реакции EC 6.6.1.2.

гидробириновая кислота a, c-диамид + Co ²⁺ + ATP + H ₂ O cob (II) ириновая кислота a, c-диамид + ADP + фосфат + H ⁺${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

Именно на этом этапе аэробный путь и анаэробный путь сливаются, а более поздние этапы химически идентичны.

Подробная информация о стадиях от уропорфириногена III до а, с-диамида ириновой кислоты cob (II) в анаэробных организмах

Многие из этапов помимо уропорфириногена III у анаэробных организмов, таких как Bacillus megaterium, включают химически сходные, но генетически отличные от трансформаций, происходящие в аэробном пути.

От прекоррина-2 до кобальт-сирогидрохлорина

Ключевое различие в путях состоит в том, что кобальт на ранней стадии внедряется в анаэробные организмы, сначала путем окисления прекоррина-2 до его полностью ароматизированной формы сирогидрохлорина, а затем до комплекса кобальта (II) этого соединения . Реакции катализируются CysG EC 1.3.1.76 и Sirohydrochlorincobaltochelatase EC 4.99.1.3 .

От кобальт-сирогидрохлорина до кобальта-фактора III

Как и в аэробном пути, третья метильная группа вводится ферментом метилтрансферазой, CbiL в реакции EC 2.1.1.151.

кобальт-сирогидрохлорин + S-аденозилметионин, кобальт-фактор III + S-аденозил-L-гомоцистеин${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

От фактора кобальта III до кобальта-прекоррина-4

Метилирование и сокращение кольца с образованием макроцикла коррина происходит в следующем EC 2.1.1.272 , катализируемом ферментом метилтрансферазой фактора кобальта III (CbiH).

кобальт-фактор III + S-аденозилметионин кобальт-прекоррин-4 + S-аденозил-L-гомоцистеин${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

Превращение фактора кобальта III в кобальт-прекоррин-4 катализируется ферментом CbiH.

На этом пути полученный материал содержит δ-лактон, шестичленное кольцо, а не γ-лактон (пятичленное кольцо) прекоррина-3B.

От кобальт-прекоррина-4 до кобальт-прекоррина-5A

Введение метильной группы в C-11 на следующей стадии катализируется кобальт-прекоррин-4-метилтрансферазой (CbiF) в реакции EC 2.1.1.271.

кобальт-прекоррин-4 + S-аденозилметионин, кобальт-прекоррин-5 + S-аденозил-L-гомоцистеин${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

От кобальт-прекоррина-5A до кобальт-прекоррина-5B

Теперь все готово для экструзии двухуглеродного фрагмента, соответствующего ацетату, высвобождающемуся при образовании прекоррина-6А в аэробных путях. В этом случае высвобождаемый фрагмент представляет собой ацетальдегид, и это катализируется CbiG в реакции EC 3.7.1.12.

кобальт-прекоррин-5A + H ₂ O кобальт-прекоррин-5B + ацетальдегид + 2 H ⁺${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

От кобальт-прекоррина-5B до a, c-диамида ириновой кислоты cob (II)

Стадии от кобальт-прекоррина-5B до a, c-диамида cob (II) ириновой кислоты в анаэробном пути по существу химически идентичны этапам в аэробной последовательности. Промежуточные продукты называются кобальт-прекоррин-6A, кобальт-прекоррин-6B, кобальт-прекоррин-8 и кобириновая кислота, а участвующие ферменты / реакции - это кобальт-прекоррин-5B (C1) -метилтрансфераза (CbiD / EC 2.1.1.195 ); Кобальт-прекоррин-6А редуктаза (CbiJ / EC 1.3.1.106 ); Кобальт-прекоррин-7 (C15) -метилтрансфераза (декарбоксилирование) (CbiET / EC 2.1.1.196 ), кобальт-прекоррин-8-метилмутаза (CbiC / EC 5.4.99.60 ) и CbiA / EC 6.3.5.11 . Конечный фермент образует a, c-диамид cob (II) ириновой кислоты, поскольку эти два пути сходятся.

Подробная информация о стадиях от a, c-диамида ириновой кислоты cob (II) до аденозилкобаламина

Аэробные и анаэробные организмы разделяют тот же химический путь, что и a, c-диамид ириновой кислоты cob (II), и это проиллюстрировано для продуктов гена cob .

От a, c-диамида ириновой кислоты cob (II) до аденозилкобирной кислоты

Кобальт (II) восстанавливается до кобальта (I) ферментом Cob (II) ириновой кислотой a, c- диамидредуктазой (CobR, реакция EC 1.16.8.1 ), а затем ферментом Cob (I) ириновой кислотой a, c- диамид adenosyltransferase (COBO) присоединяет аденозилкобаламин лиганд с металлом в реакции EC 2.5.1.17 . Затем фермент CobQ (реакция EC 6.3.5.10 ) превращает все карбоновые кислоты, за исключением пропионовой кислоты в кольце D, в их первичные амиды.

От аденозилкобирной кислоты до фосфата аденозилкобинамида

В аэробных организмах фермент CobCD (реакция EC 6.3.1.10 ) теперь присоединяет (R) -1-амино-2-пропанол (полученный из треонина ) к пропионовой кислоте, образуя аденозилкобинамид и фермент CobU (реакция EC 2.7.1.156 ). фосфорилирует концевую гидроксигруппу с образованием аденозилкобинамидфосфата. Тот же конечный продукт образуется в анаэробных организмах путем прямой реакции аденозилкобирной кислоты с (R) -1-амино-2-пропанол-O-2-фосфатом (полученным из треонин-O-фосфата ферментом CobD в реакции EC 4.1.1.81. ) катализируется ферментом CbiB .

От аденозилкобинамида фосфата до аденозилкобаламина

В отдельной ветви пути 5,6-диметилбензимидазол биосинтезируется из флавинмононуклеотида ферментом 5,6-диметилбензимидазолсинтазой (реакция EC 1.13.11.79 ) и превращается CobT в реакции EC 2.4.2.21 в альфа-рибазол 5 '. фосфат. Затем фермент CobU (реакция EC 2.7.7.62 ) активирует аденозилкобинамидфосфат путем образования аденозилкобинамида-GDP и CobV (реакция EC 2.7.8.26 ) связывает два субстрата с образованием аденозилкобаламин-5'-фосфата. На последней стадии кофермента CobC удаляет 5'-фосфатную группу в реакции EC 3.1.3.73.

Аденозилкобаламин-5'-фосфат + H ₂ O аденозилкобаламин + фосфат${\ displaystyle \ rightleftharpoons}$

Полный путь биосинтеза включает длинный линейный путь, требующий около 25 участвующих ферментов.

Другие пути метаболизма кобаламина

Пути спасения прокариот

Многие виды прокариот не могут биосинтезировать аденозилкобаламин, но могут вырабатывать его из кобаламина. Эти организмы способны транспортировать кобаламин в клетку и превращать его в необходимую форму кофермента. Даже такие организмы, как Salmonella typhimurium, которые могут вырабатывать кобаламин, также усваивают его из внешних источников, если они доступны. Поглощению в клетки способствуют переносчики ABC, которые поглощают кобаламин через клеточную мембрану.

Метаболизм кобаламина у человека

У людей пищевые источники кобаламина связываются после приема внутрь как транскобаламины . Затем они превращаются в формы кофермента, в которых они используются. Метилмалоновой ацидурия и С белком типа гомоцистинурии представляет собой фермент , который катализирует decyanation из цианокобаламина , а также деалкилирование из alkylcobalamins включая метилкобаламин и аденозилкобаламин.

использованная литература

дальнейшее чтение

• Layer, Gunhild; Ян, Дитер; Дири, Эвелин; Лоуренс, Эндрю Д .; Уоррен, Мартин Дж. (2010). «Биосинтез гема и витамина B12». Комплексные натуральные продукты II . С. 445–499. DOI : 10.1016 / B978-008045382-8.00144-1 . ISBN 9780080453828.

внешние ссылки

• Профессор сэр Алан Баттерсби: биосинтез витамина B ₁₂ Колледж святой Катарины, Кембридж, видео