Метаболические пути. KEGG

I. Описание ферментативной реакции по названиям субстрата и продукта

Вот краткое описание ферментативной реакции.
1. Субстрат: O-Phospho-L-homoserine (O-фосфо-L-гомосерин).

2. Продукт: L-Threonine (L-треонин).

3. Уравнение реакции (была найдена только одна):
   

   O-Phospho-L-homoserine + H₂O <=> L-Threonine + Orthophosphate .
   С русскими названиями веществ: O-фосфо-L-гомосерин + H₂O <=> L- треонин + ортофосфат.

4. Изображение реакции с помощью структурных формул:

   

5. Название фермента (единственный фермент, катализирующий данную реакцию): threonine synthase; threonine synthetase (треонин-синтаза или треонин-синтетаза).

6. Код фермента: 4.2.3.1.

   Расшифровка:
   EC 4 — лиазы (Lyases);
   EC 4.2 — карбоксилиазы (Carbon-Oxygen Lyases);
   EC 4.2.3 — ферменты, действующие в реакциях с фосфатами (Acting on Phosphates);
   EC 4.2.3.1 — фермент является треонин-синтазой (threonine synthase).

7. Метаболический путь: Glycine, serine and threonine metabolism (метаболизм глицина, серина и треонина). Карту с реакциями этого метаболического пути можно увидеть здесь.

8. На основе карты можно проследить, из чего мог образоваться данный субстрат (O-фосфо-L-гомосерин) и во что может превратиться заданный продукт (L-треонин).
   Субстрат может появиться одним путём — из L-аспартата в ходе цепи нескольких последовательных реакций, последняя из которых — образование O-фосфо-L-гомосерина из гомосерина.
   Есть два варианта превращения заданного продукта — L-треонина. Один из них — это образование 2-оксобутаноата, который затем участвует в биосинтезе валина, лейцина и изолейцина.

II. Катализ одной и той же реакции разными ферментами

Задача: найти метаболический путь и на полученной карте найти ферменты, катализирующие одну реакцию.
1. В KEGG был произведён поиск метаболического пути (метаболизм аргинина и пролина).
   Сначала поиск производился только по названию пути (и нашлось 385 различных хитов), а потом к названию пути были добавлены слова "reference" и "map", и результат получился только один.
   Объяснить это можно так.
   В первом случае нашлись все возможные пути метаболизма аргинина и пролина в разных организмах. Поэтому нашлось так много путей. А во втором случае был проведён поиск карты общего для всех организмов метаболического пути. Ну и результат, естественно, оказался один.

2. Название пути: Arginine and proline metabolism (метаболизм аргинина и пролина).
   

   А вот картинка с выбранным фрагментом:

   
   Два выбранных фермента отмечены красным.

3. Сравнение ферментов с помощью ресурсов KEGG.

   Ферменты	1.4.3.10	2.6.1.29
   Название	putrescine oxidase (путресцин-оксидаза)	amine transaminase (амин-трансаминаза)
   Синонимы к названию	monoamine oxidase (моноамин-оксидаза)	diamine transaminase (диамин-трансаминаза); diamine aminotransferase (диамин-аминотрансфераза); diamine-ketoglutaric transaminase (диамин-кетоглутаровая трансаминаза)
   Систематическое название	putrescine:oxygen oxidoreductase (deaminating) (путресцин: кислородная оксидоредуктаза (деаминирование))	diamine:2-oxoglutarate aminotransferase (диамин: 2-оксоглутарат аминотрансфераза)
   Расшифровка кода	EC 1 — оксидоредуктазы EC 1.4 — взаимодействие с группой CH-NH2 EC 1.4.3 — кислород как акцептор EC 1.4.3.10 — путресцин-оксидаза	EC 2 — трансферазы EC 2.6 — переносчики азотсодержащих групп EC 2.6.1 — трансаминазы EC 2.6.1.29 — диамин-трансаминаза
   Катализируемая реакция	putrescine + O2 + H2O = 4-aminobutanal + NH3 + H2O2	An alpha,omega-diamine + 2-oxoglutarate = an omega-aminoaldehyde + L-glutamate
   Субстрат	putrescine (путресцин) O2 H2 O	alpha, omega-diamine (альфа, омега-диамин) 2- oxoglutarate (2-оксоглутарат)
   Продукт	4-aminobutanal (4-аминобутаналь) NH3 H2 O2	omega- aminoaldehyde (омега-аминоальдегид) L-glutamate (L-глутамат)
   Примеры ингибиторов	Butylamine (бутиламин) Cyanide (цианид) Spermine (спермин)	Cyanide (цианид) Hydroxylamine (гидроксиламин) Semicarbazide (семикарбазид)
   Кофактор	FAD (ФАД)	Pyridoxal 5'-phosphate (пиридоксал 5'-фосфат)
   Примеры публикаций	1) DeSa RJ. Putrescine oxidase from Micrococcus rubens. Purification and properties of the enzyme. J. Biol. Chem. 247 (1972) 5527-34. 2) Yamada, H. Putrescine oxidase (Micrococcus rubens). Methods Enzymol.17B (1971) 726-730.	1) Kim, K. Purification and properties of a diamine alpha-ketoglutarate transaminase from Escherichia coli. J. Biol. Chem. 239 (1964) 783-786.

Информации по этим двум ферментам мы получили не так много, но кое-какие выводы сделать можно.
Первый фермент, судя по катализируемой реакции (которая и указана на карте), является основным для образования путресцина из 4-аминобутаналя. А второй, скорее всего, играет вспомогательную роль. Что, наверное, неудивительно, поскольку ферменты принадлежат к разным классам (ЕС 1 и ЕС 2)... Хотя общие ингибиторы у них есть (цианид), и это некоторым образом подтверждает тот факт, что они могут участвовать в катализе одной и той же реакции.

III. Cравнение метаболических путей у разных организмов

Сравнение проводим следующим образом.
1. Задание: Биосинтез валина из пирувата (pyruvate) у мыши (Mus musculus) и E.coli K-12.

2. Название метаболического пути: valine, leucine and isoleucine biosynthesis (биосинтез валина, лейцина и изолейцина).

   Идентификатор использованных карт: 00290.

3. Изображение карты (нужный фрагмент выделен красным).

   
   

4. В ходе биосинтеза валина из пирувата происходит шесть последовательных реакций, две из которых обратимы. Исходное вещество — пируват — образуется в процессе некоторого количества метаболических реакций из 2- изопропилмалата. Конечное же вещество (валин) может (согласно карте) некоторым образом превращаться в валиновую тРНК, которая затем участвует в биосинтезе белка.

5. Метаболический путь у мыши (Mus musculus).
   Нужный фрагмент выделен красным.

   
   

   Из карты видно, что у мыши есть далеко не все ферменты для осуществления полной цепи реакций биосинтеза валина из пирувата. А именно: имеются ферменты для первых двух и для последней реакций. И всё.
   А это значит, что биосинтез проходит не может.

   А теперь посмотрим на метаболический путь E.coli K-12 (штамм MG1655).
   Нужный фрагмент опять же выделен красным.

   
   

   Здесь картина гораздо более радостная. Имеются ферменты для проведения ВСЕХ реакций биосинтеза.

6. Что можно сказать о результатах сравнения?
   Бактерия имеет возможности для проведения всей цепи реакции биосинтеза валина из пирувата. Даёт ли ей это какую-нибудь выгоду? Безусловно. Ведь, судя по карте метаболического пути, это единственный способ синтеза валина в организме. И, очевидно, этот синтез вполне успешно проводится.
   В организме мыши нет полного набора ферментов для проведения подобного синтеза. Поэтому валин необходимо получать извне, и данная аминокислота (наряду с некоторыми другими) является незаменимой для организма мыши. В этом, т.е. в невозможности синтеза некоторых аминокислот внутри организма, заключается серьёзное отличие обмена веществ у высших животных (млекопитающих) от такового у бактерий.