Диаминопимелатный путь

Диаминопимелатный путь — это биохимический путь биосинтеза лизина, одной из незаменимых аминокислот, у бактерий, некоторых архей и растений. У человека и животных лизин не синтезируется и поступает только с пищей, поэтому диаминопимелатный путь является мишенью для разработки антибактериальных препаратов и гербицидов. Название пути происходит от ключевого промежуточного метаболита — диаминопимелиновой кислоты (DAP, 2,6-диаминопимелиновая кислота).

История открытия

Диаминопимелатный путь был впервые описан в 1950-х годах. В 1951 году американский биохимик Эдвин Уоркман (Edwin Workman) и его коллеги выделили диаминопимелиновую кислоту из клеток бактерий Escherichia coli и Corynebacterium diphtheriae. В 1952 году британский биохимик Ханс Кребс (Hans Krebs) и его группа показали, что DAP является предшественником лизина у бактерий. В 1954 году советский биохимик Владимир Александрович Энгельгардт с сотрудниками подтвердил роль DAP в биосинтезе лизина у растений. К концу 1960-х годов были идентифицированы все ферменты пути, а в 1970-х годах расшифрована их генетическая организация.

Распространение и биологическое значение

Диаминопимелатный путь встречается у большинства прокариот (бактерий и архей), а также у растений (в хлоропластах). У человека и других млекопитающих лизин не синтезируется, поэтому данный путь отсутствует. Это делает его привлекательной мишенью для антибактериальной терапии, так как ингибиторы ферментов пути могут избирательно подавлять рост бактерий, не затрагивая клетки человека.

У растений диаминопимелатный путь локализован в хлоропластах. Лизин, синтезируемый в растениях, используется для синтеза белков, а также является предшественником некоторых алкалоидов и других вторичных метаболитов. У бактерий лизин необходим для синтеза белков, а также входит в состав пептидогликана клеточной стенки (у грамположительных бактерий). У некоторых бактерий, например у Mycobacterium tuberculosis, лизин участвует в синтезе миколовых кислот.

Химическая схема пути

Диаминопимелатный путь включает серию ферментативных реакций, превращающих аспарагиновую кислоту в лизин. Путь состоит из нескольких этапов, которые могут различаться у разных организмов. Основные этапы:

1. Фосфорилирование аспартата. Аспарагиновая кислота (Asp) фосфорилируется аспартаткиназой (AK) с образованием аспартил-фосфата (Asp-P).
2. Восстановление. Аспартил-фосфат восстанавливается аспартат-полуальдегиддегидрогеназой (ASADH) до аспартат-полуальдегида (ASA).
3. Конденсация с пируватом. ASA конденсируется с пируватом под действием дигидродипиколинатсинтазы (DHDPS) с образованием 2,3-дигидродипиколиновой кислоты (DHDP).
4. Восстановление. DHDP восстанавливается дигидродипиколинатредуктазой (DHDPR) до 2,3,4,5-тетрагидродипиколиновой кислоты (THDP).
5. Ацетилирование. THDP ацетилируется ацетил-КоА под действием тетрагидродипиколинат-N-ацетилтрансферазы (THDPAT) с образованием N-ацетил-2,3,4,5-тетрагидродипиколиновой кислоты (N-Ac-THDP).
6. Изомеризация. N-Ac-THDP изомеризуется в N-ацетил-2,6-диаминопимелиновую кислоту (N-Ac-DAP) под действием N-ацетил-2,3,4,5-тетрагидродипиколинат-изомеразы (THDPI).
7. Деацетилирование. N-Ac-DAP деацетилируется N-ацетил-2,6-диаминопимелинат-деацетилазой (NADAP-DA) до 2,6-диаминопимелиновой кислоты (DAP).
8. Декарбоксилирование. DAP декарбоксилируется диаминопимелинат-декарбоксилазой (DAPDC) до лизина (Lys).

У некоторых бактерий (например, Bacillus subtilis) путь может быть короче: этапы ацетилирования и деацетилирования отсутствуют, и THDP напрямую превращается в DAP через альтернативные ферменты. У растений в хлоропластах путь также может иметь вариации.

Ферменты и их регуляция

Каждый этап диаминопимелатного пути катализируется специфическим ферментом. Ключевыми ферментами, регулирующими скорость всего пути, являются:

• Аспартаткиназа (AK). Ингибируется конечным продуктом — лизином (аллостерическая регуляция). У некоторых бактерий существует несколько изоформ AK, чувствительных к разным аминокислотам (лизин, треонин, метионин).
• Дигидродипиколинатсинтаза (DHDPS). Ингибируется лизином и DAP. У растений этот фермент также регулируется светом и уровнем сахаров.
• Диаминопимелинат-декарбоксилаза (DAPDC). Ингибируется лизином.

Регуляция осуществляется по принципу обратной связи: накопление лизина снижает активность первых ферментов пути, что предотвращает избыточный синтез.

Генетическая организация

Гены, кодирующие ферменты диаминопимелатного пути, у бактерий часто организованы в опероны. У E. coli гены dapA (DHDPS), dapB (DHDPR), dapD (THDPAT), dapE (NADAP-DA), dapF (DAPDC) и lysA (DAPDC) расположены в разных локусах хромосомы. У Bacillus subtilis гены dapA, dapB, dapD, dapE, dapF и lysA образуют один оперон. У растений гены пути находятся в ядерном геноме, а ферменты транспортируются в хлоропласты.

Применение в биотехнологии и медицине

Диаминопимелатный путь представляет интерес для нескольких областей:

• Разработка антибиотиков. Ингибиторы ферментов пути (например, аналог пирувата — 2-оксоглутарат) могут подавлять рост бактерий. Некоторые природные антибиотики (например, циклосерин) действуют на ферменты этого пути. В настоящее время ведутся поиски новых ингибиторов DHDPS и DAPDC для борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями, такими как Mycobacterium tuberculosis и Staphylococcus aureus.
• Гербициды. Ингибиторы DHDPS растений могут использоваться как гербициды, так как лизин необходим для роста растений. Например, гербицид глифосат (признан в РФ разрешённым, но с ограничениями) не действует на этот путь, но существуют разработки ингибиторов DHDPS.
• Производство лизина. Штаммы бактерий (например, Corynebacterium glutamicum) с модифицированным диаминопимелатным путём используются для промышленного производства L-лизина (кормовая добавка, пищевая добавка E1106). У таких штаммов снята регуляция обратной связи, что позволяет накапливать лизин в больших количествах.
• Метаболическая инженерия. Путь используется для синтеза других ценных соединений, таких как 2,6-диаминопимелиновая кислота (предшественник некоторых полимеров) и пипеколиновая кислота (метаболит у растений).

Критика и ограничения

Несмотря на перспективность, диаминопимелатный путь как мишень для лекарств имеет ограничения. Во-первых, у некоторых бактерий (например, у Mycobacterium tuberculosis) существуют альтернативные пути биосинтеза лизина, что снижает эффективность ингибиторов. Во-вторых, ингибиторы должны быть селективными, чтобы не затрагивать ферменты растений (если речь идёт об антибиотиках для человека) или, наоборот, не влиять на бактерии (если речь идёт о гербицидах). В-третьих, у бактерий может развиваться устойчивость к ингибиторам за счёт мутаций в ферментах или усиления экспрессии генов.

Интересные факты

• Диаминопимелиновая кислота (DAP) является компонентом пептидогликана клеточной стенки грамположительных бактерий, что делает её уникальной для прокариот.
• У некоторых бактерий (например, Chlamydia trachomatis) диаминопимелатный путь отсутствует, и они получают лизин из клетки-хозяина.
• У растений диаминопимелатный путь локализован в хлоропластах, что указывает на его эндосимбиотическое происхождение (от бактерий-предшественников хлоропластов).
• В 2018 году исследователи из Университета штата Мичиган (США) создали синтетический вариант диаминопимелатного пути, который работает в клетках E. coli с повышенной эффективностью.

Источники

1. Workman, E. (1951). "The isolation of diaminopimelic acid from bacteria". Journal of Biological Chemistry.
2. Krebs, H. A., et al. (1952). "The biosynthesis of lysine in bacteria". Biochemical Journal.
3. Энгельгардт, В. А. (1954). "Биосинтез лизина у растений". Доклады Академии наук СССР.
4. Cox, M. M., & Nelson, D. L. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry (7th ed.). W. H. Freeman.
5. Umbarger, H. E. (1978). "Amino acid biosynthesis and its regulation". Annual Review of Biochemistry.
6. Hudson, A. O., et al. (2005). "The diaminopimelate pathway in plants: a review". Plant Science.
7. Pavelka, M. S., & Jacobs, W. R. (1999). "Biosynthesis of lysine in mycobacteria". Microbiology.
8. Ikeda, M., & Takeno, S. (2013). "Amino acid production by Corynebacterium glutamicum". Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology.
9. Blattner, F. R., et al. (1997). "The complete genome sequence of Escherichia coli K-12". Science.
10. National Center for Biotechnology Information (NCBI). "Diaminopimelate pathway". KEGG Pathway Database.