Serine en Glycine
Serine is een voorloper van cysteïne, selenocysteïne, tryptofaan, glycine en fosfolipiden. Glycine is een precursor voor purines, pyridoxal en heem-bevattende verbindingen. De synthese en de splitsing van Glycine produceren C1-eenheden, die voor de synthese van purines, thymine, methionine en pantothenaat, en de formylatie van trnamet van de initiator worden vereist. De serine-glycine route is naar schatting goed voor ongeveer 15% van de koolstof geassimileerd door glucose-gekweekte cellen. Serine en glycine remmen glutaminesynthetase. De reden hiervoor is waarschijnlijk purinesynthese. Purine synthese vereist serine, glycine, C1 eenheden en glutamine. Hoge serine en glycine kunnen wijzen op voldoende purine en een verminderde behoefte aan glutamine voor purinesynthese. Bijna de helft gesynthetiseerd glutamine wordt gebruikt voor purine synthese, als glutamine niet wordt gebruikt voor glutamaat synthese. Serine remt ook homoserine dehydrogenase I en threonine deaminase, die nodig zijn voor de synthese van isoleucine, en het derde enzym van de synthese van methionine.
nad-afhankelijke oxidatie van het glycolytisch intermediair 3-fosfoglyceraat initieert de belangrijkste route van serinesynthese (Figuur 7). Stikstof wordt toegevoegd aan het resulterende product, 3-phosphohydroxypyruvate, door glutamaat-afhankelijke transaminatie, waarbij 3-phosphoserine wordt gevormd. Dephosphorylation van 3-phosphoserine produceert dan serine. Serinehydroxymethyltransferase (SHMT) katalyseert de reversibele omzetting van serine in glycine en de vorming van de C1-drager N5, N10-methyleentetrahydrofolaat uit tetrahydrofolaat. De oxidatieve splitsing van glycine door het glycine splitsing enzymsysteem (GCV) produceert een tweede molecuul van N5, N10-methyleentetrahydrofolaat, evenals ammoniak en CO2. Dit enzym lijkt misschien overbodig, maar mutanten met een tekort aan GCV scheiden glycine uit, wat impliceert dat het actief is. GCV is een complex van vier verschillende polypeptiden.
Figuur 7. Synthese van serine, glycine en cysteïne en sulfaatassimilatie. Effecten van enzymactiviteit en cofactor eisen zijn onder de wegen. Remmende stoffen staan tussen haakjes. Effectoren van transcriptionele controle zijn boven wegen. Onderdrukkers staan tussen haakjes, activatoren niet. Lrp / (leu) geeft aan dat Lrp een transcriptionele activator is, en leu voorkomt deze activering. < > geeft verbindingen aan die nodig zijn voor stabiliteit. C1-THF, N5, N10-methyleentetrahydrofolaat; GLT, glutamaat; aKG, α-ketoglutaraat; nas, n-acetylserine; ppi, anorganisch pyrofosfaat; PxP, pyridoxal phosphate; THF, tetrahydrofolaat.
mutanten deficiënt in SHMT vereisen glycine, wat impliceert dat 3-phosphoglycerate de belangrijkste bron van glycine is. De dehydrogenaseweg van degradatie threonine produceert ook serine en glycine. Threonine wordt in twee stappen afgebroken tot acetyl-CoA en glycine (Figuur 7, tweede lijn). Serine wordt gegenereerd uit de gecombineerde acties van GCV, die een C1-eenheid produceert, en een omkering van de SHMT-reactie, die de C1-eenheid verbruikt (Figuur 7, bovenste lijn). Deze route is alleen actief tijdens koolstof-beperkte groei in aanwezigheid van alle drie vertakte aminozuren en arginine. De eerste verhoogt waarschijnlijk intracellulair threonine, terwijl de functie van arginine niet duidelijk is.
Serine remt de activiteit van verschillende enzymen, wat erop wijst dat de intracellulaire concentratie van serine strak gereguleerd is. Serine remt allosterisch 3-fosfoglyceraat dehydrogenase, het eerste enzym van de belangrijkste serineroute. Serine, glycine, of de producten van C1 metabolisme hebben geen invloed op de activiteit van een ander enzym van deze route. De transcriptionele verordening is daarentegen complex en slechts gedeeltelijk begrepen. C1 toereikendheid wordt gevoeld door een balans van homocysteïne aan S-adenosylmethionine. Deze sensoren controleren de synthese van SHMT door MetR, een activator die homocysteïne (een sensor van C1-deficiëntie) bindt, en MetJ, een onderdrukker die S-adenosylmethionine (een sensor van C1-overmaat) bindt en de synthese van MetR controleert. Andere producten die C1-eenheden vereisen onderdrukken ook enzymen van deze weg. De purines hypoxanthine en guanine binden PurR, die vervolgens shmt en GCV onderdrukt. Een complex van GcvA-GcvR onderdrukt GCV synthese. Glycine veroorzaakt dissociatie van GcvR, en een gcva-glycinecomplex activeert transcriptie. CRP-cAMP kan ook de onderdrukking door GcvA-GcvR ongedaan maken. Naast deze regulators, controleert het leucine-responsieve eiwit, LRP, ook deze genen. Lrp in afwezigheid van leucine neigt om de primaire weg van serine en glycine synthese te bevorderen. Lrp met leucine vermindert de primaire weg, verhoogt de secundaire weg van de serinesynthese, dat wil zeggen, de threoninedehydrogenase weg van threoninekatabolisme, en verhoogt serinekatabolisme. Ten slotte onderdrukken stikstofbegrenzers en Ntr-responsregelaars 3-fosfoglyceraatdehydrogenase, wat vermoedelijk de serineconcentratie verlaagt en serineremming van glutaminesynthetase voorkomt wanneer de primaire functie ammoniak-assimilatie is.
vanwege serinetoxiciteit kunnen degradatieve enzymen bijdragen aan het behoud van de intracellulaire serineconcentratie. De primaire enzymen van serinekatabolisme zijn serinedeaminasen / dehydratasen. E. coli bevat drie verschillende serine deaminases, en drie andere enzymen hebben serine deaminase activiteit als een secundaire reactie. De regulatie van deze enzymen is verbazingwekkend complex. Zonder in detail te treden, wordt opgemerkt dat serine kan worden afgebroken als enige koolstofbron, maar alleen in aanwezigheid van leucine of glycine, die nodig is voor inductie van katabole enzymen. Glycine kan worden gebruikt als enige stikstof bron. De weg impliceert GCV, vorming van serine door SHMT, en het daaropvolgende katabolisme van serine.