Serina e glicina
La serina è un precursore per cisteina, selenocisteina, triptofano, glicina e fosfolipidi. La glicina è un precursore per purine, piridossale e composti contenenti eme. La sintesi e la scissione della glicina generano unità C1, che sono necessarie per la sintesi di purine, timina, metionina e pantotenato e la formilazione dell’iniziatore tRNAMet. È stato stimato che la via serina-glicina rappresenti circa il 15% del carbonio assimilato dalle cellule cresciute con glucosio. La serina e la glicina inibiscono la glutammina sintetasi. La logica di tale regolazione probabilmente coinvolge la sintesi delle purine. La sintesi delle purine richiede serina, glicina, unità C1 e glutammina. L’alta serina e glicina possono indicare la sufficienza delle purine e un bisogno diminuito di glutammina per la sintesi delle purine. Quasi la metà della glutammina sintetizzata viene utilizzata per la sintesi delle purine, se la glutammina non viene utilizzata per la sintesi del glutammato. La serina inibisce anche l’omoserina deidrogenasi I e la treonina deaminasi, che sono necessari per la sintesi di isoleucina e il terzo enzima della sintesi della metionina.
L’ossidazione NAD-dipendente dell’intermedio glicolitico 3-fosfoglicerato avvia la via principale della sintesi della serina (Figura 7). L’azoto viene aggiunto al prodotto risultante, 3-fosfoidrossipiruvato, mediante transaminazione glutammato-dipendente, formando così 3-fosfoserina. La defosforilazione della 3-fosfoserina produce quindi serina. La serina idrossi metiltransferasi (SHMT) catalizza la conversione reversibile della serina in glicina e la formazione del vettore C1 N5, N10-metilene tetraidrofolato da tetraidrofolato. La scissione ossidativa della glicina da parte del sistema enzimatico di scissione della glicina (GCV) produce una seconda molecola di N5, N10-metilene tetraidrofolato, nonché ammoniaca e CO2. Questo enzima può sembrare inutile, ma i mutanti carenti di GCV espellono la glicina, il che implica che è attiva. GCV è un complesso di quattro diversi polipeptidi.
Figura 7. Sintesi di serina, glicina e cisteina e assimilazione di solfato. Gli effettori dell’attività enzimatica e i requisiti del cofattore sono sotto le vie. I composti inibitori sono tra parentesi. Gli effettori del controllo trascrizionale sono al di sopra delle vie. I repressori sono tra parentesi, mentre gli attivatori no. Lrp / (leu) indica che Lrp è un attivatore trascrizionale e leu impedisce questa attivazione. < & gt; indica composti necessari per la stabilità. C1-THF, N5, N10-metilene-tetraidrofolato; GLT, glutammato; aKG, α-chetoglutarato; NAS, N-acetilserina; PPi, pirofosfato inorganico; PxP, fosfato piridossale; THF, tetraidrofolato.
Mutanti carenti in SHMT richiedono glicina, il che implica che il 3-fosfoglicerato è la principale fonte di glicina. La via deidrogenasi della degradazione della treonina genera anche serina e glicina. La treonina viene degradata in due fasi in acetil-CoA e glicina (Figura 7, seconda linea). La serina viene generata dalle azioni combinate di GCV, che produce un’unità C1 e un’inversione della reazione SHMT, che consuma l’unità C1 (Figura 7, linea superiore). Questa via è attiva solo durante la crescita limitata al carbonio in presenza di tutti e tre gli amminoacidi a catena ramificata e l’arginina. Il primo probabilmente aumenta la treonina intracellulare, mentre la funzione dell’arginina non è evidente.
La serina inibisce le attività di diversi enzimi, il che suggerisce che la concentrazione intracellulare di serina sia strettamente regolata. La serina inibisce allostericamente la 3-fosfoglicerato deidrogenasi, il primo enzima della via principale della serina. La serina, la glicina o i prodotti del metabolismo C1 non influenzano l’attività di nessun altro enzima di questa via. Al contrario, la regolazione trascrizionale è complessa e solo parzialmente compresa. La sufficienza di C1 è percepita da un equilibrio di omocisteina a S-adenosilmetionina. Questi sensori controllano la sintesi di SHMT attraverso MetR, un attivatore che lega l’omocisteina (un sensore di carenza di C1) e MetJ, un repressore che lega la S-adenosilmetionina (un sensore di eccesso di C1) e controlla la sintesi di MetR. Altri prodotti che richiedono unità C1 reprimono anche gli enzimi di questa via. Le purine ipoxantina e guanina legano le fusa, che poi reprime SHMT e GCV. Un complesso di GcvA-GcvR reprime la sintesi di GCV. La glicina causa la dissociazione di GcvR e un complesso di GcvA-glycine attiva la trascrizione. CRP-cAMP può anche invertire la repressione da parte di GcvA-GcvR. Oltre a questi regolatori, la proteina rispondente alla leucina, Lrp, controlla anche questi geni. Lrp in assenza di leucina tende a favorire la via primaria della sintesi di serina e glicina. Lrp con leucina diminuisce la via primaria, aumenta la via secondaria di sintesi della serina, cioè la via della treonina deidrogenasi del catabolismo della treonina e aumenta il catabolismo della serina. Infine, la limitazione dell’azoto e i regolatori della risposta Ntr reprimono la 3-fosfoglicerato deidrogenasi, che presumibilmente abbassa la concentrazione di serina e impedisce l’inibizione della serina della glutammina sintetasi quando la sua funzione primaria è l’assimilazione dell’ammoniaca.
A causa della tossicità della serina, gli enzimi degradativi potrebbero contribuire a mantenere la concentrazione intracellulare di serina. Gli enzimi primari del catabolismo della serina sono le deaminasi/disidratasi della serina. E. coli contiene tre distinte serine deaminasi e altri tre enzimi hanno attività serina deaminasi come reazione secondaria. La regolazione di questi enzimi è sorprendentemente complessa. Senza entrare nel dettaglio, si nota che la serina può essere degradata come unica fonte di carbonio, ma solo in presenza di leucina o glicina, che è necessaria per l’induzione di enzimi catabolici. La glicina può essere utilizzata come unica fonte di azoto. Il percorso coinvolge GCV, formazione di serina da parte di SHMT e successivo catabolismo della serina.