Serin und Glycin
Serin ist ein Vorläufer für Cystein, Selenocystein, Tryptophan, Glycin und Phospholipide. Glycin ist ein Vorläufer für Purine, Pyridoxal und Häm-haltige Verbindungen. Glycinsynthese und -spaltung erzeugen C1-Einheiten, die für die Synthese von Purinen, Thymin, Methionin und Pantothenat und die Formylierung des Initiators tRNAMet benötigt werden. Es wurde geschätzt, dass der Serin-Glycin-Weg etwa 15% des Kohlenstoffs ausmacht, der von Glucose-gewachsenen Zellen assimiliert wird. Serin und Glycin hemmen die Glutaminsynthetase. Der Grund für eine solche Regulierung ist wahrscheinlich die Purinsynthese. Die Purinsynthese erfordert Serin, Glycin, C1-Einheiten und Glutamin. Hohe Serin- und Glycinwerte können auf eine Purin-Suffizienz und einen verminderten Bedarf an Glutamin für die Purinsynthese hinweisen. Fast die Hälfte des synthetisierten Glutamins wird für die Purinsynthese verwendet, wenn Glutamin nicht für die Glutamatsynthese verwendet wird. Serin hemmt auch Homoserin-Dehydrogenase I und Threonin-Deaminase, die für die Isoleucinsynthese erforderlich sind, und das dritte Enzym der Methionin-Synthese.
Die NAD-abhängige Oxidation des glykolytischen Intermediats 3-Phosphoglycerat initiiert den Hauptweg der Serinsynthese (Abbildung 7). Das resultierende Produkt, 3-Phosphohydroxypyruvat, wird durch glutamatabhängige Transaminierung mit Stickstoff versetzt, wodurch 3-Phosphoserin gebildet wird. Die Dephosphorylierung von 3-Phosphoserin erzeugt dann Serin. Serinhydroxymethyltransferase (SHMT) katalysiert die reversible Umwandlung von Serin zu Glycin und die Bildung des C1-Trägers N5, N10-Methylentetrahydrofolats aus Tetrahydrofolat. Die oxidative Spaltung von Glycin durch das Glycinspaltungsenzymsystem (GCV) erzeugt ein zweites Molekül von N5, N10-Methylentetrahydrofolat sowie Ammoniak und CO2. Dieses Enzym mag unnötig erscheinen, aber Mutanten, denen GCV fehlt, scheiden Glycin aus, was bedeutet, dass es aktiv ist. GCV ist ein Komplex aus vier verschiedenen Polypeptiden.
Abbildung 7. Synthese von Serin, Glycin und Cystein und Sulfatassimilation. Effektoren der Enzymaktivität und Cofaktor-Anforderungen sind unter den Pfaden. Inhibitorische Verbindungen sind in Klammern. Effektoren der Transkriptionskontrolle sind über den Pfaden. Repressoren stehen in Klammern, Aktivatoren nicht. Lrp /(leu) zeigt an, dass Lrp ein Transkriptionsaktivator ist, und leu verhindert diese Aktivierung. < > zeigt Verbindungen an, die für die Stabilität erforderlich sind. C1-THF, N5, N10-Methylentetrahydrofolat; GLT, Glutamat; aKG, α-Ketoglutarat; NAS, N-Acetylserin; PPi, anorganisches Pyrophosphat; PxP, Pyridoxalphosphat; THF, Tetrahydrofolat.
Mutanten mit SHMT-Mangel benötigen Glycin, was bedeutet, dass 3-Phosphoglycerat die Hauptquelle für Glycin ist. Der Dehydrogenase-Weg des Threonin-Abbaus erzeugt auch Serin und Glycin. Threonin wird in zwei Schritten zu Acetyl-CoA und Glycin abgebaut (Abbildung 7, zweite Zeile). Serin wird aus den kombinierten Wirkungen von GCV, das eine C1-Einheit erzeugt, und einer Umkehrung der SHMT-Reaktion, die die C1-Einheit verbraucht, erzeugt (Abbildung 7, obere Zeile). Dieser Weg ist nur während des kohlenstoffbegrenzten Wachstums in Gegenwart aller drei verzweigtkettigen Aminosäuren und Arginin aktiv. Ersteres erhöht wahrscheinlich das intrazelluläre Threonin, während die Funktion von Arginin nicht offensichtlich ist.
Serin hemmt die Aktivitäten mehrerer Enzyme, was darauf hindeutet, dass die intrazelluläre Konzentration von Serin streng reguliert ist. Serin hemmt allosterisch die 3-Phosphoglyceratdehydrogenase, das erste Enzym des Serinweges. Serin, Glycin oder die Produkte des C1-Metabolismus beeinflussen die Aktivität eines anderen Enzyms dieses Weges nicht. Im Gegensatz dazu ist die Transkriptionsregulation komplex und nur teilweise verstanden. Die C1-Suffizienz wird durch ein Gleichgewicht von Homocystein zu S-Adenosylmethionin erfasst. Diese Sensoren steuern die SHMT-Synthese durch MetR, einen Aktivator, der Homocystein (einen Sensor für C1-Mangel) bindet, und MetJ, einen Repressor, der S-Adenosylmethionin (einen Sensor für C1-Überschuss) bindet und die MetR-Synthese steuert. Andere Produkte, die C1-Einheiten benötigen, unterdrücken auch Enzyme dieses Weges. Die Purine Hypoxanthin und Guanin binden PurR, das dann SHMT und GCV unterdrückt. Ein Komplex von GcvA-GcvR unterdrückt die GCV-Synthese. Glycin bewirkt die Dissoziation von GcvR, und ein GcvA-Glycin-Komplex aktiviert die Transkription. CRP-cAMP kann auch Repression durch GcvA-GcvR umkehren. Zusätzlich zu diesen Regulatoren steuert das Leucin-responsive Protein Lrp auch diese Gene. Lrp in Abwesenheit von Leucin neigt dazu, den primären Weg der Serin- und Glycinsynthese zu begünstigen. Lrp mit Leucin verringert den primären Weg, erhöht den sekundären Serinsyntheseweg, dh den Threonindehydrogenase-Weg des Threoninkatabolismus, und erhöht den Serinkatabolismus. Schließlich unterdrücken Stickstoffbegrenzungs- und Ntr-Reaktionsregulatoren die 3-Phosphoglyceratdehydrogenase, die vermutlich die Serinkonzentration senkt und die Serinhemmung der Glutaminsynthetase verhindert, wenn ihre Hauptfunktion die Ammoniakassimilation ist.
Aufgrund der Serintoxizität können abbauende Enzyme zur Aufrechterhaltung der intrazellulären Serinkonzentration beitragen. Die primären Enzyme des Serinkatabolismus sind Serindesaminasen / Dehydratasen. E. coli enthält drei verschiedene Serindesaminasen, und drei andere Enzyme haben Serindesaminaseaktivität als Sekundärreaktion. Die Regulation dieser Enzyme ist erstaunlich komplex. Ohne ins Detail zu gehen, wird angemerkt, dass Serin als einzige Kohlenstoffquelle abgebaut werden kann, jedoch nur in Gegenwart von Leucin oder Glycin, das für die Induktion von katabolen Enzymen erforderlich ist. Glycin kann als einzige Stickstoffquelle verwendet werden. Der Weg beinhaltet GCV, Bildung von Serin durch SHMT und anschließenden Katabolismus von Serin.