Биосинтез хлорофилла, его локализация, название этапов и ключевых промежуточных продуктов.

Многоступенчатый процесс, который делят на две фазы: темновую и световую. В темноте происходит синтез протохлорофиллида, который отличается от хлорофилла отсутствием остатка фитола и двух атомов водорода. Затем на свету протохлорофиллид присоединяет 2 атома водорода к 7-мому и 8-мому углеродным атомам и образует хлорофиллид. К последнему присоединяется фитол, и он превращается в хлорофилл (фермент хлорофиллаза). Эта реакция тоже идет в темноте.

Биосинтез хлорофилла, все ферменты которого локализованы в хлоропластах, подразделяется на следующие этапы:

δ-Аминолевулиновая кислота → Порфобилиноген → Уропорфириноген I и III копропорфиноген III → протопорфиноген IХ → протопорфирин IХ → Mg-протопорфирин IХ метиловый эфир Mg-протопорфирина → протохлорофиллид → протохлорофиллид голохром → хлорофиллид а голохром → хлорофиллид а → хлорофилл.

1 стадия – исходным веществом в биосинтезе порфиринов является сукцинил Со-А (из лимоннокислого цикла) и глицин, из них образуется δ-аминолевулиновая кислота. Этот путь характерен для микроорганизмов и животных. Реакция идет с участием фермента – АЛК-синтаза:

2 стадия – образование первичного пиррола: 2 молекулы δ-АЛК → порфобилиноген превращаются в присутствии фермента АЛК-дегидратазы. Порфобилиноген – это первый предшественник металлопорфиринов, имеющий пиррольную природу.

3 стадия – образование циклического тетрапиррола. Четыре молекулы порфобилиногена превращаются в уропорфиноген I, а затем III:

 

4 стадия происходит отщепление 4 СО₂ от остатков СН₂СООН → СН₃ в положениях 1, 3, 5, 8 молекулы уропорфириногена с участием фермента уропорфириногендекарбоксилазы и образуется копропорфириноген:

5 стадия – копропорфиноген превращается в протопорфириноген IХ за счет окислительного декарбоксилирования в 2 и 4 положениях:

 

–СН₂–СН₂–СООН + ½ О₂ → СН₂ = СН₂ + СО₂ + Н₂О

6 стадия –в результате реакции дегидрирования, при которой отщепляются 6Н⁺ из протопорфириногена IХ образуется протопорфирин:

7 стадия – происходит включение Mg (NН → N) и образуется Mg-протопорфирин IХ.

Вероятно, на стадии образования протопорфирина IХ происходит также разветвление путей биосинтеза – один ведет к образованию железопорфиринов (гем), другой – к магнийпорфиринов (хлорофиллам). В растениях обнаружены оба пути, у животных – только первый.

В биосинтезе железосодержащих порфиринов участвует фермент феррохелатаза, который выделен как из пластид, так и митохондрий растений. Этот фермент эффективно преобразует протопорфирин в протогем (гем b), который входит в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы и гемоглобина. Нужно отметить, что химически встроить Mg²⁺ в протопорфирины намного труднее, чем Fe²⁺. Какой фермент катализирует включение Mg²⁺ в молекулу протопорфирина пока неизвестно.

8 стадия – превращение Mg-протопорфирина IХ в монометиловый эфир Mg-протопорфирина. Происходит этерификация метиловым спиртом. Фермент-S-аденозил-L-метионин-Mg-протопорфирин-метилтрансфераза осуществляет перенос СН₃ в 6 положение от S-аденозил-L-метионина. Далее, окисление пропионата в положении с образованием группы С=О.

9 стадия – образование протохлорофиллида происходит в результате этирификации (этирификация – образование сложных эфиров из кислот и спиртов) карбоксильной группы метанолом, замыканием пятого (фуранового) кольца окончательным формированием боковых цепей: в 4 положении винильная группа СН=СН₂ восстанавливается до этильной группы С₂Н₅, получается Mg-винилфеопорфирин а ₅-протохлорофилл (ид).

Как и хлорофилл протохлорофиллид находится в связанной с белком форме.

10 стадия – в результате неферментативной индуцируемой светом реакции восстановления в кольце IV (появляются два атома Н) протохлорофиллид превращается в хлорофиллид (это хлорофиллы, в молекуле которых нет терпеноидной – обычно фитольной – боковой цепи). Спектр действия хлорофиллида подобен спектру поглощения протохлорофиллида, источником водорода в этой реакции служит белок (возможно НАДФ – донор водорода). Выделен в чистом виде фермент НАДФН – протохлорофиллид-оксиредуктаза. Таким образом, восстановление до хлорофиллида катализируется светом и происходит в пигмент-белковом комплексе, который имеет название протохлорофиллид-галохрома.

11 стадия – последняя стадия синтеза хлорофилла – образование сложного эфира хлорофиллида с фитолом, которая происходит в липидной фазе хлоропластов, поскольку фитол не растворяется в воде, с участием фермента хлорофиллаза. Фитол – полиизопреновое соединение синтезируется с ацетил-СоА через мевалоновую кислоту.

 

34. Классическая и современная схемы реакций синтеза δ-аминолевулиновой кислоты.

Синтез δ-аминолевулиновой кислоты происходит на первой стадии биосинтеза хлорофилла.

1 стадия – исходным веществом в биосинтезе порфиринов является сукцинил Со-А (из лимоннокислого цикла) и глицин, из них образуется δ-аминолевулиновая кислота. Этот путь характерен для микроорганизмов и животных. Реакция идет с участием фермента – АЛК-синтаза. Существует мнение, что АЛК в хлоропластах образуется другим путем, вероятнее всего из интактной молекулы глутамата. Фермент, катализирующий реакцию, удалось выделить из пластид в чистом виде недавно; реакция представляет собой новый внутримолекулярный перенос аминогруппы. В последнее время уточнили, что δ-аминолевулиновая кислота образуется из С₅-дикарбоновых кислот: глутаминовая кислота через 2-гидрооксиглутаровую преобразуется в 4,5-диоксивалериановую, которая затем амминируется за счет аланина и других кислот.

Показательно, что это выраженное разветвление путей биосинтеза гема у животных и высших растений происходит, вероятно, на ключевой стадии биосинтетического пути – образовании АЛК. Интересно было бы выявить каким из путей синтезируются молекулы АЛК, дающие начало тем небольшим количествам производных гема, которые выявлены у растений, выращенных в темноте: имеет ли место рассмотренный путь синтеза из глутамата или здесь действует путь, который происходит у животных (но его трудно выявить, поскольку в реакциях участвуют очень малые количества субстрата)

 

35. Химизм реакций синтеза хлорофилла из δ-аминолевулиновой кислоты.

2 стадия – образование первичного пиррола: 2 молекулы δ-АЛК → порфобилиноген превращаются в присутствии фермента АЛК-дегидратазы. Порфобилиноген – это первый предшественник металлопорфиринов, имеющий пиррольную природу. 3 стадия – образование циклического тетрапиррола. Четыре молекулы порфобилиногена превращаются в уропорфиноген I, а затем III. 4 стадия происходит отщепление 4 СО₂ от остатков СН₂СООН → СН₃ в положениях 1, 3, 5, 8 молекулы уропорфириногена с участием фермента уропорфириногендекарбоксилазы и образуется копропорфириноген. 5 стадия – копропорфиноген превращается в протопорфириноген IХ за счет окислительного декарбоксилирования в 2 и 4 положениях:

–СН₂–СН₂–СООН + ½ О₂ → СН₂ = СН₂ + СО₂ + Н₂О. 6 стадия –в результате реакции дегидрирования, при которой отщепляются 6Н⁺ из протопорфириногена IХ образуется протопорфирин:

7 стадия – происходит включение Mg (NН → N) и образуется Mg-протопорфирин IХ.

Вероятно, на стадии образования протопорфирина IХ происходит также разветвление путей биосинтеза – один ведет к образованию железопорфиринов (гем), другой – к магнийпорфиринов (хлорофиллам). В растениях обнаружены оба пути, у животных – только первый.

В биосинтезе железосодержащих порфиринов участвует фермент феррохелатаза, который выделен как из пластид, так и митохондрий растений. Этот фермент эффективно преобразует протопорфирин в протогем (гем b), который входит в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы и гемоглобина. Нужно отметить, что химически встроить Mg²⁺ в протопорфирины намного труднее, чем Fe²⁺. Какой фермент катализирует включение Mg²⁺ в молекулу протопорфирина пока неизвестно.

8 стадия – превращение Mg-протопорфирина IХ в монометиловый эфир Mg-протопорфирина. Происходит этерификация метиловым спиртом. Фермент-S-аденозил-L-метионин-Mg-протопорфирин-метилтрансфераза осуществляет перенос СН₃ в 6 положение от S-аденозил-L-метионина. Далее, окисление пропионата в положении с образованием группы С=О.

9 стадия – образование протохлорофиллида происходит в результате этирификации (этирификация – образование сложных эфиров из кислот и спиртов) карбоксильной группы метанолом, замыканием пятого (фуранового) кольца окончательным формированием боковых цепей: в 4 положении винильная группа СН=СН₂ восстанавливается до этильной группы С₂Н₅, получается Mg-винилфеопорфирин а ₅-протохлорофилл (ид). Как и хлорофилл протохлорофиллид находится в связанной с белком форме.

10 стадия – в результате неферментативной индуцируемой светом реакции восстановления в кольце IV (появляются два атома Н) протохлорофиллид превращается в хлорофиллид (это хлорофиллы, в молекуле которых нет терпеноидной – обычно фитольной – боковой цепи). Спектр действия хлорофиллида подобен спектру поглощения протохлорофиллида, источником водорода в этой реакции служит белок (возможно НАДФ – донор водорода). Выделен в чистом виде фермент НАДФН – протохлорофиллид-оксиредуктаза. Таким образом, восстановление до хлорофиллида катализируется светом и происходит в пигмент-белковом комплексе, который имеет название протохлорофиллид-галохрома.

11 стадия – последняя стадия синтеза хлорофилла – образование сложного эфира хлорофиллида с фитолом, которая происходит в липидной фазе хлоропластов, поскольку фитол не растворяется в воде, с участием фермента хлорофиллаза. Фитол – полиизопреновое соединение синтезируется с ацетил-СоА через мевалоновую кислоту.