РАБОТА С KEGG PATHWAY

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАБОЛИЧЕСКОМ ПУТИ БИОСИНТЕЗА ПЕНИЦИЛЛИНА И ЦЕФАЛОСПОРИНА

В данном практикуме работа велась с метаболическим путем биосинтеза пеницеллина и цефалоспорина, карта которого (map00311)(Рис.3) была взята из базы данных KEGG.

Пенициллины (пенамы) и цефалоспорины (цефемы) представляют собой бета-лактамные антибиотики, в основе которых лежат 6-аминопенициллановая кислота (6-АПК) и 7-аминоцефалоспорановая кислота (7-АЦК), соответственно. 6-APA и 7-ACA являются ключевыми интермедиатами для синтеза различных производных пенициллина и цефалоспорина. Пенициллины производятся исключительно грибами, а цефалоспорины (включая цефамицины) продуцируются и грибами, и бактериями.^[1]

Рис.1. Структурная формула 6-аминопенициллановой кислоты (6-АПК)

Рис.2.Структурная формула 7-аминоцефалоспорановой кислоты (7-АЦК)

Пенициллины и цефалоспорины обладают бактерицидным эффектом. Механизм их действия связан с нарушением синтеза пептидогликана, являющегося основным компонентом клеточной стенки бактерий, а именно подавлением транспептидазной реакции синтеза компонентов клеточной стенки (например D-аланина). Основными особенностями цефалоспоринов по сравнению с пенициллинами являются их большая резистентность по отношению к β-лактамазам, ферментам, синтузируемым бактериями в качестве приобретенной устойчивости к антибиотикам. ^[2][3]

Оба антибиотика синтезируются из L-2-аминоадипата, L-цистеина и L-валина через общий путь. Он начинается с конденсации этих трех аминокислот с помощью не рибосомальной пептидной синтетазы с образованием трипептидного дельта- (L-2-аминоадипил) -L-цистеинил-D-валина (ACV). Затем трипептид линейного ACV превращают в бициклический изопенициллин N изопенициллином N-синтазой, в котором образуется бета-лактамное кольцо. Изопенициллин N является точкой разветвления путей пенициллина и цефалоспорина. ^[1]

Рис.3. Карта метаболического пути биосинтеза пенициллина и цефалоспорина (map00311). Прямоугольными рамками отмечены вещества, связывающий данный путь с другими биохимическими путями.

МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ ПУТЬ БИОСИНТЕЗА ПЕНИЦИЛЛИНА И ЦЕФАЛОСПОРИНА В РАЗНЫХ ДОМЕНАХ ЖИЗНИ

Было рассмотренно представлительство данного биохимического пути у трех различных, случайно выбранных предствителей из трех доменов жизни: эукариоты, бактерии, археи.

Рис.4. Представленность метаболического пути синтеза пенициллина и цефалоспорина у Aspergillus oryzae.


Superkingdom	Eukaryota
Kingdom	Fungi
Phylum	Ascomycota
Class	Eurotiomycetes
Order	Eurotiales
Family	Aspergillaceae
Genus	Aspergillus
Species	Aspergillus oryzae

Как видно из Рис.4, организм Aspergillus oryzae способен осуществлять несколько реакций, относящихся к данному метаболическому пути. у организма присутствуют ферменты с EC 6.3.2.26, 1.21.3.1, 23.1.164. Реакции, катализируемые этими ферментами, относятся к синтезу пеницеллина, и покрывают всю цепочку реакций от начальных соединений (см. выше) до пенициллина.

Рис.5. Представленность метаболического пути синтеза пенициллина и цефалоспорина у Stenotrophomonas acidaminiphila.


Superkingdom	Bacteria
Phylum	Proteobacteria
Class	Gammaproteobacteria
Order	Xanthomonadales
Family	Xanthomonadaceae
Genus	Stenotrophomonas
Species	Stenotrophomonas acidaminiphila

Stenotrophomonas acidaminiphila способен осуществлять две реакции с использованием ферментов EC 3.5.2.6., 3.5.1.11, относящиеся к пути биосинтеза пенициллина. Однако по факту являющиеся реакциями преобразования пенициллина в его производные. Один из этих ферментов является бета-лактомазой класса А, ферментом, ответственным за бактериальную устойчивость к антибиотикам. Таким образом, данные реакции преобразования пенициллина лежат в основе бактериальной резистентности.

Рис.6. Представленность метаболического пути синтеза пенициллина и цефалоспорина у Halostagnicola larsenii.


Superkingdom	Archaea
Phylum	Euryarchaeota
Class	Halobacteria
Order	Natrialbales
Family	Natrialbaceae
Genus	Halostagnicola
Species	Halostagnicola larsenii

Halostagnicola larsenii способен осуществлять две реакции с использованием ферментов EC 3.5.2.6., 3.5.1.11, относящиеся к пути биосинтеза пенициллина. Однако по факту являющиеся реакциями преобразования пенициллина в его производные. Один из этих ферментов является бета-лактомазой класса А, ферментом, ответственным за бактериальную устойчивость к антибиотикам. Таким образом, данные реакции преобразования пенициллина лежат в основе бактериальной резистентности.

РЕАКЦИЯ ОКИСЛЕНИЯ ПЕНИЦИЛЛИНА-N В KEGG

Из метаболического пути синтеза цефалоспорина была рассмотрена реакция окисления пенициллина-N ( R05301), отмеченная на Рис.5.

Рис.5. Метаболичесеий путь синтеза пенициллина и цефалоспорина. Красным отмечена реацкция окисления пенициллина-N.

На Рис.6 представлена схема данной рекции. Она происходит при участии фермента деацетоксицефалоспорин-C-синтетаза (EC 1.14.20.1). Этот фермент относится к классу оксидоредуктаз, которые используют два субстрата и молекулярный кислород в качестве окислителя при этом происходит встраивание кислорода в молекулу. В качестве ко-субстрата для окисления выступает 2-оксиглутарат. Вводимый кислород не должен быть получен из молекулы O₂, реакция требует присутствия 2-окисглутората в качестве донора и еще одного гидрированного.^[4][5]

В ходе реакции окисления при участии молекулярного кислорода и косубстрата 2-оксиглутарата феремент деацетоксицефалоспорин С синтетаза окисляет пенициллин-N c образованием в качестве продуктов деацетоксицефалоспорина С, суккцината, углекислого газа и воды.

В общем виде реакция выглядит так:

penicillin N + 2-oxoglutarate + O2 = deacetoxycephalosporin C + succinate + CO2 + H2O

Рис.6.Схема реакции окисления пенициллина-N

ССЫЛКИ

Главнaя страница