Метаболические пути. Ресурс KEGG

Упражнение № 1

В этом упражнении предлагалось по названиям субстрата и продукта ферментативной реакции найти описание данное реакции в базе данных KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes).

• Субстрат — L-глутамат;
• Продукт — L-глутамин;

Уравнение реакции	ATP + L-Glutamate + NH3 <=> ADP + Orthophosphate + L-Glutamine
Изображение с помощью структурных формул
Название фермента	Глутамин-амид-2-кетоглутарат-аминотрансфераза (оксидоредуктаза, НАДФ) (glutamine amide-2-oxoglutarate aminotransferase (oxidoreductase,NADP))
Код фермента и его расшифровка	EC 1.4.1.13 Оксидоредуктаза; Воздействует на CH-NH2 – донорную группу; Акцептором является НАД + или НАДФ+; Фермент – глутамат-синтаза (НАДФН);
Название метаболического пути	Метаболизм глутамата (Glutamate metabolism)

В пределах данного метаболического пути данный субстрат мог появиться из 4-х возможных веществ (например, из 2-кетоглутарата). Данный продукт может превратиться в 9 возможных веществ (например, в карбамоил-P (сarbamoyl-P)).

Упражнение № 2

В этом упражнении нужно по заданному названию метаболического пути найти его в базе данных KEGG, а затем найти в нем два фермента, катализирующих одну и ту же реакцию, наиболее различающихся кодами EC. Если вводить название пути без слов reference или map, то в KEGG обнаруживается очень много находок, представляющих собой метаболические пути разных конкретных организмов. Поиск с прибавлением этих слов дает один, общий, "справочный" путь, на котором показаны все возможные реакции этого метаболического пути у всех организмов, как бы наложение отдельных метаболизмов.

Заданный мне путь — метаболизм аланина и аспартата (alanine and aspartate metabolism).

Слева изображен выбранный фрагмент данного метаболического пути. Сравниваемыми ферментами будут ферменты, катализирующие переход между β-аланином и карнозином (обратимый – белок с ЕС 6.3.2.11 и необратимый – от карнозина к β-аланину – с EC 3.4.13.3). По данным энциклопедии KEGG можно провести следующее сравнение этих ферментов. Параметр EC 3.4.13.3 ЕС 6.3.2.11 Название Карнозиназа (carnosinase) Карнозин-синтетаза (carnosine synthetase) Катализируемая реакция Carnosine + H2O => beta-Alanine + L-Histidine ATP + L-histidine + beta-alanine <=> AMP + diphosphate + carnosine Классовая принадлежность Гидролаза Действует на пептидные связи (пептидаза) Дипептидаза Лигаза Формирует азот-углеродные связи Ацид-D-амино-ацид лагаза (пептидная синтаза)

Я хотела проверить, в каких организмах вообще присутствуют данные ферменты, и также установить, встречаются ли они вместе в одном организме или нет. Если ферменты не встречаются в одном организме вместе, значит, быть может, имело бы смысл говорить о каком-то разделении функций между ними. Однако данное предположение было мной отвергнуто по двум причинам: Как видно по приведенному сравнению, две катализируемые сравниваемыми ферментами реакции совершенно разные, и общим в них являются только одно исходное и одно конечное вещество. В первой реакции (катализируемой ферментом с EC 3.4.13.3) происходит присоединение воды и за счет этого разрыв пептидной связи в карнозине. АТФ в данной реакции не участвует. Вторая же реакция осуществляется лигазой, и характерной чертой этого класса является обязательное использование АТФ для соединения молекул. Узнать, встречаются ли данные белки вместе в одном организме не представляется возможным, т.к. согласно данным KEGG по всем организмам, второй белок (6.3.2.11) вообще не обнаружен ни в одном метаболизме. Интересный на мой взгляд факт заключается в том, что второй фермент, 3.4.13.3, согласно его аннотации KEGG, является белком млекопитающих (a mammalian cytosolic enzyme), а в метаболических путях находится только в единственном организме — москита.

Упражнение № 3

На сайте KEGG в разделе PATHWAYS был проведен поиск путей биосинтеза тирозина и фелиналанина (phenylalanin and tyrosine biosynthesis). Полученные полные карты путей метаболизма:

• Для E.coli K-12 MG1655;
• Для H.sapiens;

Ниже в таблице приведены те участки обеих карт, которые связаны непосредственно с синтезом фенилаланина и тирозина, а также их взаимопревращением. Предшественником для обеих аминокислот, как видно их схемы метаболизма для E.coli, является префенат (prephenate); он расположен в правом нижнем углу схемы. Цвета схем, взятых с сайта KEGG были для удобства просмотра на данном фоне обращены. Зеленая окраска показывает наличие данного фермента в метаболизме организма. Красными эллипсами окружены интересующие нас аминокислоты.

Указанное в постановке задачи различие в метаболизмах бактерии и человека с помощью этих схем объясняется очень просто: у E.coli есть ферменты, катализирующие превращение префената в предшественники фенилаланина и тирозина (фенилпируват и 4-гидрокси-фенилпируват соответственно), а у человека таких ферментов нет. Хотя, что интересно, у человека ферменты, катализирующие превращение непосредственного предшественника в незаменимую аминокислоту, имеются!

Отвечая на поставленный вопрос, можно заметить, что у человека имеется фермент с EC 1.14.16.1, который катализирует одностороннее превращение фенилаланина в тирозин (на соответствующей схеме отмечен стрелкой и цифрой 1). Поэтому, если человек не будет получать тирозин с пищей, но будет получать фенилаланин, ничего страшного не произойдет — фенилаланин будет просто превращаться в тирозин.

Как видно на схеме метаболизма E.coli, у нее отсутствует такой фермент. Я могу предположить, что он просто не нужен для палочки, поскольку проще синтезировать каждую из аминокислот по отдельности, благо нужные для этого ферменты имеются.