Конденсация йодаминокислот с образованием йодтиронинов

Биосинтез аминокислот

Конденсация йодаминокислот с образованием йодтиронинов

Микробиологический синтез – промышленный способ получения химических соединений и продуктов (например, дрожжей кормовых), осуществляемый благодаря жизнедеятельности микробных клеток. Иногда к микробиологическому синтезу относят также промышленные процессы, основанные на использовании иммобилизованных клеток.

Наиболее важные продукты микробиологического синтеза:

Антибиотики; Аминокислоты; Нуклеозидфосфаты; Витамины, провитамины, коферменты; Алкалоиды; Гиббереллины; Ферменты; Белково-витаминные препараты.

Некоторые продукты микробиологического синтеза, например, пекарские дрожжи, давно использовались человеком, однако широкое применение микробиологического синтеза началось в 40-50х годах 20 века в связи с освоением производства пенициллина. К этому же времени относится возникновение новой отрасли народного хозяйства – микробиологической промышленности.

В микробиологическом синтезе сложные вещества образуются из более простых в результате функционирования ферментных систем микробной клетки. Этим он отличается от брожения. в результате которого также образуются различные продукты обмена веществ микроорганизмов (спирты, органические кислоты и др.), но преимущественно в результате ферментативного распада органических веществ.

Микробиологический синтез использует способность некоторых организмов размножаться с большой скоростью (выделены бактерии и дрожжи, биомасса которых увеличивается в 500 раз быстрее, чем у самых урожайных сельскохозяйственных культур) и к “сверхсинтезу” – избыточному образованию продуктов обмена веществ (аминокислот, витаминов и др.), превышающему потребности микробной клетки.

Для микробиологического синтеза органических соединений в качестве сырья применяют наиболее дешевые источники азота (например, нитраты или соли аммония) и углерода (например, углеводы, органические кислоты, спирты, жиры, углеводороды, в том числе газообразные). Микробиологический синтез включает ряд последовательных стадий.

Главные из них – подготовка необходимой культуры микроорганизма – продуцента, выращивание продуцента, культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется микробиологический синтез (эту стадию часто называют ферментацией), фильтрация и отделение биомассы, выделение и очистка требуемого продукта (если это необходимо), сушка.

Ферментацию проводят в специальных реакторах (ферментерах), снабженных устройствами для перемешивания среды и подачи стерильного воздуха. Управление процессом может осуществляться с помощью электроники.

Наиболее удобно ферментацию осуществлять непрерывным способом – при постоянной подаче питательной среды и выводе продуктов микробиологического синтеза. Так производят, например, кормовые дрожжи.

Однако большинство метаболитов получают периодическим способом – с выводом продукта в конце процесса.

МИКРОБНЫЙ СИНТЕЗ АМИНОКИСЛОТ

Специфические ферменты, регулирующие биосинтез аминокислот, широко распространены у бактерий. В любом живом организме аминокислоты расходуются прежде всего на биосинтез первичных метаболитов – ферментных и неферментных белков.

Следовательно,  возможен и другой путь получения аминокислот, а именно – из гидролизатов соответствующих белков (триптофан разрушается при кислотном гидролизе), в том числе из нативной (т.е.

находящейся в природном состоянии, не модифицированной, сохранившей структуру, присущих ей живых клеток) биомассы микробных клеток.

Промышленный биосинтез аминокислот. Природные аминокислоты являются, как правило, оптически активными L – и D ­формами, которые трудно разделить. Вот почему микробный синтез с помощью коринебактерий (к данной группе микроорганизмов относятся бифидобактерии и пропионовокислые бактерии) и некоторых других микробов является ныне основным и экономически выгодным.

Первое место здесь по праву занимает Япония, где лишь глутаминовой кислоты изготавливается свыше 100 тысяч тонн в год; большинство природных незаменимых аминокислот производит фирма «Такеда». С.

Киношита, впервые в 50-е годы открывший и доказавший перспективность микробного синтеза, уже 1963 году признавал: «Мало сомнения в том, что недалеко то время, когда с помощью микроорганизмов будет возможно производить все известные аминокислоты».

Это время наступило уже к 70-м годам. Получены микробы ­суперпродуценты из родов Brevibacterium, Corynebacterium, Micrococcus и другие, с помощью которых освоено крупнотоннажное производство не только глутамата, но и L – лизина, L – валина, L – гистидина и других.

Получен штамм Escherichia coli, продуцирующий за 48 часов 27 г / л L – пролина, и штамм, продуцирующий до 22,4 г / л L – фениланина. С помощью Corynebacterium sp.

можно получигь алкапосодержащих средах L ­тирозин (до 19 г/л ); С помощью Corynebacterium glutamicum на глюкозной среде – L ­валин (до 11 г / л; L – аргинин, L – гистидин, L – изолейцин – 15 – 20,8 г / л.

Энзиматический синтез

По данному способу процесс получения аминокислот заключается в синтезе предшественника аминокислоты и последующей его трансформации в целевую аминокислоту с использованием выделенных ферментов или микроорганизмов.

Ферментативный синтез

Данный способ получения аминокислот основан на способности микроорганизмов синтезировать все L-аминокислоты, а в определенных условиях — обеспечивать их «сверхсинтез». Основное отличие микробиологической ферментации от энзиматической заключается в использовании не отдельных выделенных, а всех ферментов микроорганизмов.

Продуцентами аминокислот в биосинтезе наиболее часто служат бактерии, относящиеся к родам Corynebacterium, Brevibacterium, Escherishia.

Субстратом при производстве аминокислот является углеводное сырье (меласса, гидролизаты крахмала и целлюлозы), этанол, уксусная или другие органические кислоты, а также углеводороды.

В качестве источника азота используют соли аммония, нитраты, а также аминокислоты.

У микробиологического синтеза есть свои преимущест­ва и свои недостатки. С одной стороны, в нем мало стадий и требуется от­носительно простая и универсальная аппаратура. С другой стороны, живые организмы, с которыми приходится работать, очень чувствительны к ма­лейшему изменению условий, а концентрация целевого продукта получа­ется низкой, что ведет к увеличению размеров аппаратуры.

Биосинтез аминокислот. Общие принципы.

Большинство микроорганизмов и зеленые растения способны синтезировать de novo все двадцать аминокислот, из которых строятся белки. Углеродные скелеты аминокислот образуются из промежуточных продуктов обмена. Аминогруппы вводятся путем прямого аминирования или трансаминирования. Перевод неорганического азота в органические соединения происходит всегда через аммиак.

Нитраты, нитриты и молекулярный азот предварительно восстанавливаются до аммиака (ассимиляционная нитратредукция) и только после этого включаются в состав органических соединений (рис. 7.16, а, б, в). Лишь немногие из аминокислот образуются в результате прямого аминирования свободными ионами NH4.

В первичной ассимиляции – аммиака участвуют L-глутаматдегидрогеназа (рис. 7.16, е) и L-аланиндегидрогеназа (ж), которые осуществляют восстановительное аминирование 2-оксокислот; АТР в этом процессе не участвует. Образование глутамина из глутамата катализируется глутаминсинтетазой (г).

 Этот фермент имеет во много раз большее сродство к ионам аммония (меньшую константу -Км), чем названные дегидрогеназы, и поэтому активен даже при крайне низких концентрациях NH4 ; для образования глутамина необходим АТР. С помощью глутаматсинтазы (д) амидная группа глутамина может быть перенесена на 2-оксоглутарат.

Эта система включения аммонийного азота в органические соединения у многих бактерий и растений, видимо, создается и используется в тех случаях, когда концентрация ионов аммония в среде очень мала (меньше 1 мМ/л), а также при фиксации N2.

Большинство остальных аминокислот получает свою аминогруппу от одной из первичных аминокислот в результате трансаминирования. Из свободных аминокислот в цитоплазме количественно преобладает глутаминовая кислота (больше половины всего «пула» аминокислот).

У ряда микроорганизмов хорошо изучены пути синтеза всех двадцати аминокислот. Исходным материалом для синтеза служат простые промежуточные продукты обмена (пируват, 2-оксоглутарат, оксалоацетат или фумарат, эритрозо-4-фосфат, рибозо-5-фосфат и АТР). При синтезе большинства аминокислот аминогруппа вводится только на последнем этапе путем трансаминирования.

Некоторые аминокислоты образуются в результате ряда превращений других аминокислот, и в этих случаях трансаминирования не требуется. Аминокислоты можно подразделить на группы, исходя из путей их синтеза (рис. 7.17). Синтез различных аминокислот включает разное число этапов, катализируемых ферментами.

Примечателен тот факт, что аминокислоты, которые человек должен получать в готовом виде, синтезируются особенно длинным путем.

Относительно быстрое выяснение путей  биосинтеза  аминокислот и других соединений стало возможным благодаря использованию ауксотрофных мутантов грибов и особенно бактерий. Ауксотрофность многих мутантов обусловлена утратой способности к образованию какого-то фермента, участвующего в биосинтезе.

Для роста мутанта нужен в этом случае конечный продукт того пути биосинтеза, который блокирован из-за выпадения функции фермента. Эти мутанты обладают еще одним ценным свойством: они растут не только в присутствии конечного продукта блокированного пути, но и в присутствии промежуточных продуктов, образующихся на отрезке между блокированным этапом и конечным продуктом.

В то же время субстрат для блокированной реакции часто накапливается: если, например, отсутствует фермент bто в среду выделяется промежуточный продукт. Благодаря этому некоторые мутанты, у которых блокированы разные этапы одного и того же пути синтеза, могут снабжать друг друга недостающими веществами.

Мутант с блоком на более позднем этапе (отсутствие фермента d) обеспечивает недостающим промежуточным продуктом клетки другого мутанта с блоком на более раннем этапе (отсутствие фермента b). В результате таких опытов удается расположить определенных мутантов в ряд, в котором каждый предшествующий мутант будет поддерживать рост всех следующих за ним.

Путем анализа накапливающихся промежуточных продуктов, выделения и очистки ферментов, а также с помощью других методов удалось уже выяснить многие пути биосинтеза.

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

Источник: http://propionix.ru/biosintez-aminokislot

III. Обмен гормонов, производных аминокислот

Конденсация йодаминокислот с образованием йодтиронинов

К производным тирозина относятсятиреоидные гормоны и катехоламины, ихобмен имеет свои специфическиеособенности.

Обмен катехоламинов Симпато-адреналовая ось

Подобно задней доле гипофиза, мозговойслой надпочечников — производноенервной ткани. Его можно рассматриватькак продолжение симпатической нервнойсистемы, так как преганглионарныеволокна чревного нерва оканчиваютсяна хромаффинных клетках мозгового слоянадпочечников.

При стимуляции преганглионарногонейрона хромаффинные клетки продуцируюткатехоламины — дофамин, адреналин инорадреналин.

1. Синтез. Синтез катехоламиновпроисходит в цитоплазме и гранулахклеток мозгового слоя надпочечников.Катехоламины сразу образуются в активнойформе. Норадреналин образуется в основномв органах, иннервируемых симпатическиминервами (80% от общего количества).

2. Хранениекатехоламиновпроисходит в секреторных гранулах.Катехоламины поступают в гранулы путёмАТФ-зависимого транспорта и хранятсяв них в комплексе с АТФ в соотношении4:1 (гормон-АТФ).

3. Секрециягормонов из гранулпроисходит путём экзоцитоза. Катехоламиныи АТФ освобождаются из гранул в том жесоотношении, в каком они сохраняются вгранулах. В отличие от симпатическихнервов, клетки мозгового слоя надпочечниковлишены механизма обратного захватавыделившихся катехоламинов.

4. Транспорт.В плазме кровикатехоламины образуют непрочный комплексс альбумином. Адреналин транспортируетсяв основном к печени и скелетным мышцам.Норадреналин лишь в незначительныхколичествах достигает периферическихтканей.

5. Действие гормонов. Катехоламинырегулируют активность ферментов, онидействуют через цитоплазматическиерецепторы (гликопротеины).

Адреналинчерез α-адренергические и β-адренергическиерецепторы, норадреналин – черезα-адренергические рецепторы. Черезβ-рецепторы активируется аденилатциклазнаясистема, через α2-рецепторыингибируется.

Через α1-рецепторыактивируется инозитолтрифосфатнаясистема. Эффекты катехоламиновмногочисленны и затрагивают практическивсе виды обмена.

7. Инактивация. Основная частькатехоламинов быстро метаболизируетсяв различных тканях при участииспецифических ферментов.

У катехоламинов Т½ = 10—30с. Лишь небольшаячасть адреналина (~ 5%) выделяется с мочой.

Патология катехоламинов.Основная патология мозгового веществанадпочечников –феохромотитома,опухоль хромаффинных клеток. Образуетсяизбыток катехоламинов, который проявляетсяповторяющимися приступами головнойболи, серцебиения, потливости, повышениемАД.

Обмен тиреоидных гормонов Гипоталамо-гипофизарно-тиреоидная ось

Синтез тиреоидных гормонов(йодтиронины: 3,5,3'-трийодтиронин(три-йодтиронин, Т3) и3,5,3',5'-тетрайодтиронин (Т4, тироксин))происходит в клетках и коллоиде щитовиднойжелезе.

1.В тиреоцитах (в фолликулах)синтезируется белок тиреоглобулин.Это гликопротеин с массой 660 кД, содержащий115 остатков тирозина, 8-10% его массыприходиться на углеводы.

Сначала нарибосомах шероховатого ЭПР синтезируетсяпретиреоглобулин, который в ЭПР формируетвторичную и третичную структуру,гликозилируется и превращается втиреоглобулин.

Из ЭПР тиреоглобулинпоступает в аппарат Гольджи, гдевключается в секреторные гранулы исекретируется во внеклеточный коллоид.

2. Транспорт йода в коллоид щитовиднойжелезы. Йод в виде органических инеорганических соединений поступаетв ЖКТ с пищей и питьевой водой. Суточнаяпотребность в йоде 150-200 мкг.

25—30% этогоколичества йодидов захватываетсящитовидной железой.J-поступает в клетки щитовидной железыактивным транспортом при участиийодид-переносящего белка симпортом сNа+.

ДалееJ-пассивно по градиенту поступает вколлоид.

3. Окисление йода и йодирование тирозина. В коллоиде при участии гемсодержащейтиреопероксидазы и Н2О2 J-окисляется вJ+,который йодирует остатки тирозина втиреоглобулине с образованиеммонойодтирозинов (МИТ) и дийодтирозинов(ДИТ).

4. Конденсация МИТ и ДИТ. Две молекулыДИТ конденсируются с образованиемйодтиронина Т4, а МИТ и ДИТ — собразованием йодтиронина Т3.

2. Хранение. В составейодтиреоглобулина тиреоидные гормонынакапливаются и хранятся в коллоиде.

3. Секреция. Йодтиреоглобулинфагоцитируется из коллоида в фолликулярнуюклетку и гидролизуется в лизосомах сосвобождением Т3и Т4итирозина и других АК.

Аналогичностероидным гормонам, водонерастворимыетиреоидные гормоны в цитоплазмесвязываются со специальные белками,которые переносят их в состав клеточноймембраны.

В норме щитовидная железасекретирует 80—100 мкг Т4 и 5 мкг Т3в сутки.

4. Транспорт. Основная частьтиреидных гормонов транспортируетсяв крови в связанной с белками форме.

Основным транспортным белком йодтиронинов,а также формой их депонирования служиттироксинсвязывающий глобулин (ТСГ).

Онобладает высоким сродством к Т3и Т4и в нормальных условияхсвязывает почти всё количество этихгормонов. Только 0,03% Т4и 0,3% Т3находятся в крови в свободной форме.

5. Действие гормонов. Биологическаяактивность йодтиронинов обусловленасвободной фракцией. Основная биологическиактивная форма йодтиронинов – Т3;его сродство к рецепторам клеток-мишенейв 10 раз выше, чем у Т4. Дийодированиев печени Т4 до Т3по 5'увеличиваетактивностьйодтиронинов.

Йодтиронины взаимодействуют свысокоспецифичными ядерными рецепторамии регулируют экспрессию генов.

  • Йодтиронины участвуют в регуляции многих процессов метаболизма, развития и клеточной дифференцировки.

  • При физиологической концентрации йодтиронины ускоряют белковый синтез, стимулируют процессы роста и клеточной дифференцировки, ускоряют транскрипцию гена гормона роста.

  • В печени йодтиронины ускоряют гликолиз, синтез холестерола и синтез жёлчных кислот.

    В печени и жировой ткани Т3повышает чувствительность клеток к действию адреналина и косвенно стимулирует липолиз в жировой ткани и мобилизацию гликогена в печени.

    Т3увеличивает в мышцах потребление глюкозы, стимулирует синтез белков и увеличение мышечной массы, повышает чувствительность мышечных клеток к действию адреналина.

  • Йодтиронины стимулируют работу Na+,K+-ATФазы, повышают поглощение клетками кислорода (кроме мозга, РЭС и гонад).

  • Йодтиронины участвуют в формировании ответной реакции на охлаждение увеличением теплопродукции, повышая чувствительность симпатической нервной системы к норадреналину и стимулируя секрецию норадреналина.

  • Очень высокие концентрации Т3тормозят синтез белков и стимулируют катаболические процессы.

6. Инактивацияйодтирониновосуществляется в периферических тканяхв результате дейодирования Т4 до«реверсивной» Т3по 5, полногодейодирования, дезаминирования илидекарбоксилирования.

Йодированныепродукты катаболизма йодтирониновконъюгируют в печени с глюкуроновойили серной кислотами, секретируются сжёлчью, в кишечнике вновь всасываются,дейодируются в почках и выделяются смочой.

Для Т4Т½ =7 дней, для Т3Т½ =1-1,5 дня.

Регуляция синтеза и секрециийодтиронинов

Синтез и секреция йодтирониноврегулируется гипоталамо-гипофизарнойсистемой.

Заболевания щитовидной железы

Гипотиреозразвивается вследствиедефицита йодтиронинов при недостаточностифункции щитовидной железы (хроническийаутоиммунный тиреоидит – зоб Хашимото),при заболеваниях гипофиза и гипоталамуса,при дефиците йода в пище (эндемическийзоб).

Гипотериоз приводитк снижениюосновного обмена, скорости гликолиза,мобилизации гликогена и жиров, потребленияглюкозы мышцами, уменьшения мышечноймассы и снижения теплопродукции.

Проявления гипотериоза: снижениечастоты сердечных сокращений, вялость,сонливость, непереносимость холода,сухость кожи.

Гипотиреоз новорождённыхприводит к развитию кретинизма (тяжёлойнеобратимой задержкой умственногоразвития). У детей старшего возрастанаблюдают отставание в росте без задержкиумственного развития.

Тяжёлой формой гипотиреоза является«микседема».Она сопровождаетсяотёком кожи и подкожной клетчатки. Отёкобусловлен накоплением в межклеточномматриксе ГАГ (глюкуроновая и в меньшейстепени хондроитинсерная кислоты).Избыток ГАГ

Эндемический зоб(нетоксическийзоб) часто встречается у людей, живущихв районах, где содержание йода в воде ипочве недостаточно.

Если поступлениейода в организм снижается (ниже 100мкг/сут), то уменьшается продукцияйодтиронинов, что приводит к усилениюсекреции ТТГ (из-за ослабления действияйодтиронинов на гипофиз по механизмуотрицательной обратной связи), подвлиянием которого происходит компенсаторноеувеличение размеров щитовидной железы(гиперплазия), но продукция йодтирониновпри этом не увеличивается.

Гипертиреозвозникает приповышенной продукции йодтирониноввследствие развития опухоли, тиреоидите,избыточном поступлении йода и йодсодержащихпрепаратов, аутоиммунных реакций.

Диффузный токсический зоб (базедоваболезнь, болезнь Грейвса) — наиболеераспространённое заболевание щитовиднойжелезы. При этом заболевании отмечаютувеличение размеров щитовидной железы(зоб), повышение концентрации йодтирониновв 2—5 раз и развитие тиреотоксикоза.

Болезнь Грейвсавозникает врезультате образования антител ктиреоидным антигенам. Один из них,иммуноглобулин (IgG), имитирует действиетиреотропина, взаимодействуя с рецепторамитиреотропина на мембране клетокщитовидной железы.

Это приводит кдиффузному разрастанию щитовиднойжелезы и избыточной неконтролируемойпродукции Т3и Т4, посколькуобразование IgG не регулируется помеханизму обратной связи.

Уровень ТТГпри этом заболевании снижен вследствиеподавления функции гипофиза высокимиконцентрациями йодтиронинов.

Гипертериоз приводитк увеличениюосновного обмена: одновременностимулируется анаболизм (рост идифференцировка тканей) и в большейстепени катаболизм (углеводов, липидови белков), возникает отрицательныйазотистый баланс.

Проявления гипертериоза: учащениесердцебиения, мышечная слабость, снижениемассы тела (несмотря на повышенныйаппетит), потливость, повышение температурытела, тремор и экзофтальм (пучеглазие).

Источник: https://StudFiles.net/preview/6688763/page:4/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.