Мы производили поиск на сайте Биоинформатического Центра Института Химический Исследований Университета Киото
Нашей задачей был поиск глутамина и глутамата в базе данных лигандов.
Мы вели поиск по слову "Glutamine". Было 90 находок, из которых мы выбрали находку с индетификатором cpd:C00064; название - L-Glutamine, L-2-Aminoglutaramic acid; брутто-формула C5H10N2O3; структурная формула:
 |
Для глутамата мы вели поиск по слову "Glutamate". Было найдено 311 хитов, из которых мы выбрали находку с индетификатором cpd:C00025; название - L-Glutamate, L-Glutamic acid, L-Glutaminic acid; брутто-формула C5H9NO4; структурная формула:
 |
Далее мы производили поиск метаболических путей образования глутамина и глутамата. В Table of contents мы выбрали ссылку на программу Color objects in pathways, где мы ввели ранее индетификаторы глутимина и глутамата. В списке найденных метаболических путей мы выбрали ссылку на Метаболизм глутамата (Glutamate metabolism, индетификатор map00251).Так как в нашем случае не конкретизировалось, из каких соединений образуются данные вещества, то задача выбора кратчайших путей сводилась бы к указанию конечных этапов образования веществ. Задание формулировалось как Возможные пути биосинтеза глутамата и глутамина, тогда мы будем искать такие пути, что начальным веществом, из которого образуются наши амнокислоты будут те, которые синтезируются в других метаболических циклах (овальная рамка, в которой указан цикл и пунктирная стрелка, идущая к веществу). Среди таких путей будем выбирать пути с наименьшим количеством этапов. Следует также отметить, что некоторые из стрелок являются двусторонними, то есть реакции являются обратимыми (в KEGG все реакции по умолчанию являются обратимыми) с данным обстоятельством возникают сложности, поэтому мы учитывали ферменты, катализирующие прямую реакцию, в результате которой образуются интересующие нас вещества. Есть односторонние стрелки, но, в описании кода фермента приведена обратная реакции, то есть наши вещества являются субстратами, поэтому эти реакции мы не учитывали. Также есть реакции, в результате которых образуются рассматриваемые вещества, например, хорошо знакомая реакция образования из L-глутамина L-глутамата, катализируемая нашим ферментом карбамоилфосфатсинтетазой, однако эта реакция отображена как процесс образования карбамоилфосфата, являющегося, видимо, главным продуктом реакции, который является интермедиатом метаболизма пиримидинов. То же самое - с 4-аминобутановой кислотой, где продуткы реакции, сукцинат, в данном случае более важный, так как участвует в цикле лимонной ксилоты (цикле Кребса). Мы не учитываем данные реакции.
На данной карте мы красным цветом отметили глутамат и глутамин, а желтым - ферменты, участвующие в реакциях образования данных веществ. Полученная нами схема превращений:
 |
Необходимые вещества и ферменты были покрашены запросом:
cpd:C00064 red cpd:C00025 red ec:1.4.1.13 yellow ec:1.4.1.14 yellow ec:1.5.1.12 yellow ec:3.5.1.2 yellow ec:3.5.1.38 yellow ec:6.3.1.2 yellow
Видно, что существует несколько путей образования глутамата и глутамина, причем это все одностадийные превращения. Изначальным веществом является L-5-карбокси-1-пироллин, получаемый из метаболизма пролина и аргинина. Следует опять указать на сложности с направлением стрелок. Стрелка, обозначающая реакцию, катализируемую ферментом с кодом 1.4.1.13, показывает синтез L-глутамата из L-глутамина, однако, если смотреть в описаниии кода реакцию, то она оказывается обратной: синтез L-глутамина из L-глутамата (однако, в описании указано, что реакция обратима).
-
Переведем карту в режим Reference pathway (Reaction). В данном случае при нажатии
на код фермента будет появляться не описание кода, а реакция. Опишем все пути образования
глутамата и глутамина. Все пути состоят из одного этапа.
Возможные пути образования L-глутамата:
Путь Ферментативная реакция Код фермента Название фермента 1 (S)-1-Pyrroline-5-carboxylate + NAD+ + 2 H2O = L-Glutamate + NADH+ H+
или
(S)-1-Pyrroline-5-carboxylate + NADP+ + 2 H2O = L-Glutamate + NADPH + H+1.5.1.12 (S)-1-pyrroline-5-carboxylate:NAD+ oxidoreductase 2 L-Glutamine + H2O = L-Glutamate + NH3 3.5.1.2 L-glutamine amidohydrolase 3 L-Glutamine + H2O = L-Glutamate + NH3 3.5.1.38 L-glutamine (L-asparagine) amidohydrolase
Возможные пути синтеза L-глутамина:
Путь Ферментативная реакция Фермент Название фермента 1 2 L-Glutamate + NADP+ = L-Glutamine + 2-Oxoglutarate + NADPH + H+ 1.4.1.13 L-glutamate:NADP+ oxidoreductase (transaminating) 2 2 L-Glutamate + NAD+ = L-Glutamine + 2-Oxoglutarate + NADH + H+ 1.4.1.14 L-glutamate:NAD+ oxidoreductase (transaminating) 3 ATP + L-Glutamate + NH3 = ADP + Orthophosphate + L-Glutamine 6.3.1.2 L-glutamate:ammonia ligase (ADP-forming)
Видно, что для образования глутамата известно две одинковые реакции, катализируемые двумя разными ферментами. Реакции образования рассматриваемых веществ катализируют разные типы ферментов: оксиредуктазы, гидролазы, лигазы. "Интересной" показалась реакция образования глутамата из L-5-карбокси-1-пироллина, катализируемая ферментом, код которого 1.5.1.12. Здесь из циклического соединения, производного L-пролина, получается ациклическая глутаминовая кислота. К азоту NAD+ присоединяется протон водорода, восстанавливая NAD+ до NADH. К азоту L-5-карбокси-1-пироллина присоединяется протон водорода, на азоте появляется "плюс". Происходит разрыв связи -CH=NH+-. Возможно образование глутамата с NADP+ в качестве акцептора. По-видимому, схема реации та же.
- Определим, возможны ли данные пути у различных организмов. Для этого будем переводить
двнную карту в режимы соответствующих организмов. Результаты представим в виде таблицы,
но, так как у нас два вещества и несколько одноэтапных путей, то несколько изменим
формат таблицы. Номера путей в соответствии с нумерацией в вышеприведенной таблице:
Путь Homo sapiens Escherichia coli K-12 MG1655 Pseudomonas aeruginosa PAO1 Methanococcus janaschii Возможны ли пути биосинтеза глутамата... 1 Да. По-видимому, хорошо изученный фермент; процесс, функция и компонент определены TAS Да Да. В UniProt такого белка нет Нет. В UniProt тоже нет этого белка 2 Да. В UniProt две изоформы: белок из почек и печени Да Да Нет. 3 Нет Нет Да. Хотя в UniProt есть запись этого белка, функция изучена с помощью IEA Нет Возможны ли пути биосинтеза глутамина... 1 Нет Да. Содержит 3Fe-4S кластер. Да. В UniProt такого белка нет Да. Единственный фермент (глутаматсинтаза) из данных шести, который существует у этого организма (однако, по данным KEGG). Из этого следует, что глутамат вовсе не образуется? Глутамат, тем не менее синтезируется, так как эта реакция обратимая, и можно заметить, например, что остается путь, связанный с белком карбамоилфосфатсинтетазой, побочная реакция которой образование глутамата из глутамина (а это реакция, вряд ли, обратима). Один путь образования глутамина трудно объяснить, складывается впечатление, что все лишние обходные пути отсутствуют.
Фермент тоже содержит 3Fe-4S кластер2 Нет. В UniProt тоже нет такого белка с кодом 1.4.1.14. Более того, всего в банке UniProt 9 белков с таким кодом, причем для 4 гены не определены. Можно предположить, что этот белок не синтезируется, потому что дублирует фермент с кодом 1.4.1.13 Нет Нет Нет 3 Да Да Да Нет. Мы произвели поиск белка с таким кодом в UniProt: был найден белок GLNA_METJA (глутаминсинтетаза). Не указан в KEGG, видимо, потому, что этот белок мало изучен
Таким образом, видно, что наиболее отличающимся от других организмов является Methanococcus jannaschii: из всех путей, а значит из ферментов, существует только 1.4.1.13. В целом, такое отличие данного организма от других объяснятеся принципиальной особенностью: это анаэробы, метанофиксирующие археи, живущие в горячих источниках. Многих других ферментов метаболизма глутамата (и не связанных непосредственно с синтезом рассматриваемых веществ) нет. Это можно объяснить или тем, что у данного организма нет таких ферментов, или, что более вероятно, недостаточной изученностью данного организма.
Можно заметить наличие у всех организмов (опять, кроме Methanococcus jannaschii) фермента с кодом 1.5.1.12, катализирующего реакцию образования L-глутамата L-5-карбокси-1-пироллина (хотя в UniProt не удалось найти белок с таким кодом у Pseudomonas aeruginosa, в описании кода фермента KEGG приводит последовательность этого белка и соответствующий ему участок генома). Наличие этого фермента у трех далеких организмов показывает не только его необходимость в синтезе глутамата, но, по-видимому, и его важность у всех этих организмов в связи двух метаболических циклов: метаболизма аргинина и пролина и метаболизма глутамата (и как важнейшая его часть - цикл Кребса).