Serina y glicina
La serina es un precursor de cisteína, selenocisteína, triptófano, glicina y fosfolípidos. La glicina es un precursor de purinas, piridoxal y compuestos que contienen hemo. La síntesis de glicina y la escisión generan unidades C1, que son necesarias para la síntesis de purinas, timina, metionina y pantotenato, y la formilación del iniciador tRNAMet. Se ha estimado que la vía serina-glicina representa aproximadamente el 15% del carbono asimilado por las células cultivadas con glucosa. La serina y la glicina inhiben la glutamina sintetasa. La justificación de tal regulación probablemente involucra la síntesis de purinas. La síntesis de purinas requiere serina, glicina, unidades C1 y glutamina. La alta serina y glicina pueden indicar suficiencia de purinas, y una menor necesidad de glutamina para la síntesis de purinas. Casi la mitad de la glutamina sintetizada se usa para la síntesis de purinas, si la glutamina no se usa para la síntesis de glutamato. La serina también inhibe la homoserina deshidrogenasa I y la treonina desaminasa, que son necesarias para la síntesis de isoleucina, y la tercera enzima de la síntesis de metionina.
La oxidación dependiente de NAD del intermedio glicolítico 3-fosfoglicerato inicia la vía principal de síntesis de serina (Figura 7). El nitrógeno se agrega al producto resultante, 3-fosfohidroxipiruvato, por transaminación dependiente de glutamato, formando así 3-fosfoserina. La desfosforilación de la 3-fosfoserina produce serina. La serina hidroxi metiltransferasa (SHMT) cataliza la conversión reversible de la serina en glicina y la formación del transportador C1 N5, N10-tetrahidrofolato de metileno a partir de tetrahidrofolato. La escisión oxidativa de la glicina por el sistema enzimático de escisión de glicina (GCV) produce una segunda molécula de N5, N10-tetrahidrofolato de metileno, así como amoníaco y CO2. Esta enzima puede parecer innecesaria, pero los mutantes deficientes en GCV excretan glicina, lo que implica que es activa. GCV es un complejo de cuatro polipéptidos diferentes.
Figura 7. Síntesis de serina, glicina y cisteína y asimilación de sulfato. Los efectores de la actividad enzimática y los requisitos de cofactores están bajo las vías. Los compuestos inhibitorios están entre paréntesis. Los efectores de control transcripcional están por encima de las vías. Los represores están entre paréntesis, mientras que los activadores no. Lrp / (leu) indica que Lrp es un activador transcripcional, y leu previene esta activación. & lt; & gt; indica los compuestos necesarios para la estabilidad. C1-THF, N5, N10-tetrahidrofolato de metileno; GLT, glutamato; aKG, α-cetoglutarato; NAS, N-acetilserina; PPi, pirofosfato inorgánico; PxP, fosfato de piridoxal; THF, tetrahidrofolato.
Los mutantes deficientes en SHMT requieren glicina, lo que implica que el 3-fosfoglicerato es la principal fuente de glicina. La vía deshidrogenasa de degradación de treonina también genera serina y glicina. La treonina se degrada en dos pasos a acetil-CoA y glicina (Figura 7, segunda línea). La serina se genera a partir de las acciones combinadas de GCV, que produce una unidad C1, y una reversión de la reacción SHMT, que consume la unidad C1 (Figura 7, línea superior). Esta vía es activa solo durante el crecimiento limitado en carbono en presencia de los tres aminoácidos de cadena ramificada y arginina. El primero probablemente aumenta la treonina intracelular, mientras que la función de la arginina no es aparente.
La serina inhibe las actividades de varias enzimas, lo que sugiere que la concentración intracelular de serina está estrechamente regulada. La serina inhibe alostéricamente la 3-fosfoglicerato deshidrogenasa, la primera enzima de la vía principal de la serina. La serina, la glicina o los productos del metabolismo C1 no afectan la actividad de ninguna otra enzima de esta vía. En contraste, la regulación transcripcional es compleja y solo se entiende parcialmente. La suficiencia de C1 es detectada por un equilibrio de homocisteína a S-adenosilmetionina. Estos sensores controlan la síntesis de SHMT a través de MetR, un activador que se une a la homocisteína (un sensor de deficiencia de C1), y MetJ, un represor que se une a la S-adenosilmetionina (un sensor de exceso de C1) y controla la síntesis de MetR. Otros productos que requieren unidades C1 también reprimen las enzimas de esta vía. Las purinas hipoxantina y guanina se unen al ronroneo, que luego reprime el SHMT y el GCV. Un complejo de GcvA-GcvR reprime la síntesis de GCV. La glicina causa la disociación de GcvR, y un complejo de GcvA-glicina activa la transcripción. CRP-cAMP también puede revertir la represión por GcvA-GcvR. Además de estos reguladores, la proteína sensible a la leucina, Lrp, también controla estos genes. La Lrp en ausencia de leucina tiende a favorecer la vía primaria de síntesis de serina y glicina. Lrp con leucina disminuye la vía primaria, aumenta la vía de síntesis de serina secundaria, es decir, la vía de treonina deshidrogenasa del catabolismo de treonina, y aumenta el catabolismo de serina. Finalmente, los reguladores de limitación de nitrógeno y respuesta Ntr reprimen la 3-fosfoglicerato deshidrogenasa, que presumiblemente reduce la concentración de serina y previene la inhibición de la serina de la glutamina sintetasa cuando su función principal es la asimilación de amoníaco.
Debido a la toxicidad de la serina, las enzimas degradativas podrían contribuir a mantener la concentración de serina intracelular. Las enzimas principales del catabolismo de la serina son las desaminasas/deshidratasas de la serina. E. coli contiene tres serinas deaminasas distintas, y otras tres enzimas tienen actividad de serina deaminasa como reacción secundaria. La regulación de estas enzimas es sorprendentemente compleja. Sin entrar en detalles, se observa que la serina puede degradarse como única fuente de carbono, pero solo en presencia de leucina o glicina, que se requiere para la inducción de enzimas catabólicas. La glicina se puede utilizar como única fuente de nitrógeno. La vía involucra GCV, formación de serina por SHMT, y catabolismo subsecuente de serina.