Диаминопимелиновый путь

Диаминопимелиновый путь — это биохимический метаболический путь, используемый бактериями, некоторыми археями и растениями для синтеза L-лизина — одной из незаменимых аминокислот, входящей в состав белков. В отличие от животных, которые не способны синтезировать лизин и получают его с пищей, микроорганизмы и растения производят его самостоятельно. Диаминопимелиновый путь (сокращённо DAP-путь) является одним из двух основных путей биосинтеза лизина (наряду с α-аминоадипиновым путём, характерным для грибов и некоторых архей) и играет ключевую роль в метаболизме клеточной стенки грамотрицательных бактерий, так как его промежуточный продукт — мезо-диаминопимелиновая кислота — является важным компонентом пептидогликана.

История открытия

Диаминопимелиновая кислота (ДАП) была впервые выделена из гидролизата клеток туберкулёзной палочки (Mycobacterium tuberculosis) в 1949 году американским биохимиком Элизабет Уорк. В 1950-х годах она и её коллеги установили, что ДАП является предшественником лизина у бактерий, и описали последовательность ферментативных реакций, ведущих от аспартата к лизину. В последующие десятилетия были идентифицированы все ферменты пути, а их гены клонированы и секвенированы для множества видов бактерий. К началу XXI века DAP-путь стал одной из наиболее изученных метаболических цепочек, что связано как с его фундаментальной ролью в бактериальной физиологии, так и с его потенциалом как мишени для антибактериальных препаратов.

Общая характеристика пути

DAP-путь относится к семейству аспартатных путей биосинтеза аминокислот, поскольку его исходным субстратом является L-аспартат. Путь состоит из девяти последовательных ферментативных реакций, протекающих в цитоплазме бактериальной клетки. Конечный продукт — L-лизин — используется для синтеза белков, а также может служить предшественником для образования других соединений (например, пипеколевой кислоты у некоторых микроорганизмов). Промежуточный продукт — мезо-диаминопимелиновая кислота — выполняет двойную функцию: она является не только метаболитом на пути к лизину, но и структурным элементом пептидогликана, обеспечивая сшивку между цепями гликана в клеточной стенке грамотрицательных бактерий.

Ферменты и стадии

От аспартата до аспартат-β-полуальдегида

1. Аспартаткиназа (EC 2.7.2.4) катализирует фосфорилирование L-аспартата с образованием β-аспартилфосфата. Эта реакция требует АТФ и является первой стадией, регулируемой ингибированием по принципу обратной связи конечными продуктами (лизином, треонином, метионином).
2. Аспартат-β-полуальдегиддегидрогеназа (EC 1.2.1.11) восстанавливает β-аспартилфосфат до L-аспартат-β-полуальдегида, используя НАДФН.

От аспартат-β-полуальдегида до 2,3-дигидродипиколината

1. Дигидродипиколинатсинтаза (EC 4.3.3.7) конденсирует L-аспартат-β-полуальдегид с пируватом, образуя 2,3-дигидродипиколинат. Это ключевая реакция, специфичная для DAP-пути, и она не встречается в α-аминоадипиновом пути.

От 2,3-дигидродипиколината до мезо-диаминопимелиновой кислоты

1. Дигидродипиколинатредуктаза (EC 1.17.1.8) восстанавливает 2,3-дигидродипиколинат до тетрагидродипиколината с использованием НАДФН.
2. Тетрагидродипиколинатацетилтрансфераза (EC 2.3.1.89) ацетилирует тетрагидродипиколинат, образуя N-ацетил-2-амино-6-оксопимелат. Эта стадия характерна для вариации пути, называемой ацетилированным путём; у некоторых бактерий (например, Escherichia coli) она отсутствует, и реакция идёт через сукцинилирование.
3. N-ацетил-2-амино-6-оксопимелатдеацетилаза (EC 3.5.1.18) отщепляет ацетильную группу, образуя 2-амино-6-оксопимелат.
4. 2-амино-6-оксопимелаттрансаминаза (EC 2.6.1.17) переносит аминогруппу с глутамата на 2-амино-6-оксопимелат, образуя 2,6-диаминопимелат. В альтернативном варианте (без ацетилирования) эта реакция может катализироваться другим ферментом.
5. Эпимераза диаминопимелиновой кислоты (EC 5.1.1.7) превращает LL-диаминопимелат в мезо-диаминопимелат. Мезо-форма является единственным стереоизомером, который может быть включён в пептидогликан.

От мезо-диаминопимелиновой кислоты до L-лизина

1. Диаминопимелатдекарбоксилаза (EC 4.1.1.20) отщепляет карбоксильную группу от мезо-диаминопимелиновой кислоты, образуя L-лизин. Эта реакция требует пиридоксальфосфата (витамин B6) в качестве кофактора.

Регуляция

DAP-путь подвергается многоуровневой регуляции, чтобы обеспечить баланс между потребностью клетки в лизине и затратами энергии. Основные механизмы:

• Ингибирование по принципу обратной связи: L-лизин, а также треонин и метионин (которые синтезируются из того же предшественника — аспартат-β-полуальдегида) ингибируют аспартаткиназу. У некоторых бактерий существует несколько изоформ аспартаткиназы, каждая из которых чувствительна к разным конечным продуктам.
• Репрессия транскрипции: Гены, кодирующие ферменты DAP-пути, часто организованы в опероны, экспрессия которых подавляется при высоких концентрациях лизина в клетке.
• Аллостерическая регуляция: Некоторые ферменты, например, дигидродипиколинатсинтаза, могут ингибироваться лизином, что предотвращает избыточное накопление промежуточных продуктов.

Биологическое значение

Синтез лизина

Лизин является незаменимой аминокислотой для всех животных, включая человека. Бактерии, синтезирующие лизин через DAP-путь, обеспечивают себя этим строительным блоком для белков. В экосистемах бактерии, разлагающие органику, могут служить источником лизина для других организмов.

Роль в клеточной стенке

Мезо-диаминопимелиновая кислота (мезо-ДАП) является ключевым компонентом пептидогликана грамотрицательных бактерий. Она образует поперечные сшивки между пептидными цепями, придавая клеточной стенке прочность и стабильность. У грамположительных бактерий в пептидогликане чаще встречается L-лизин, но некоторые виды (например, Bacillus subtilis) также используют мезо-ДАП. Нарушение синтеза мезо-ДАП приводит к ослаблению клеточной стенки и гибели бактерии.

Эволюционное значение

DAP-путь считается эволюционно древним, так как он присутствует у многих групп бактерий и архей, а также у растений (в хлоропластах). У растений лизин синтезируется именно через DAP-путь, что отличает их от животных и грибов. Это сходство с бактериями подтверждает теорию эндосимбиотического происхождения хлоропластов.

Медицинское и биотехнологическое значение

Мишень для антибиотиков

Поскольку DAP-путь отсутствует у животных, его ферменты являются привлекательными мишенями для разработки антибактериальных препаратов. Ингибиторы ключевых ферментов, таких как дигидродипиколинатсинтаза или диаминопимелатдекарбоксилаза, могут избирательно подавлять рост бактерий, не затрагивая клетки человека. Некоторые природные соединения (например, лизиновые аналоги) и синтетические молекулы (например, производные пиридоксальфосфата) изучаются в качестве потенциальных антибиотиков.

Биотехнологическое производство лизина

Микроорганизмы, использующие DAP-путь, широко применяются в промышленности для получения L-лизина. Штаммы Corynebacterium glutamicum и Escherichia coli генетически модифицируются для увеличения выхода лизина, который используется в качестве кормовой добавки в животноводстве и в пищевой промышленности. Оптимизация DAP-пути (например, снятие ингибирования по обратной связи, усиление экспрессии генов) позволяет достигать высокой продуктивности.

Сельское хозяйство

У растений DAP-путь локализован в хлоропластах, и его регуляция влияет на содержание лизина в семенах и вегетативных органах. Генетическая модификация растений (например, кукурузы, сои) для повышения активности ферментов DAP-пути может увеличить питательную ценность кормов.

Интересные факты

• У некоторых бактерий, например у Mycobacterium tuberculosis, DAP-путь является единственным источником лизина, и его нарушение приводит к летальному исходу для возбудителя туберкулёза.
• В 2010-х годах была обнаружена альтернативная ветвь DAP-пути у некоторых архей, где вместо ацетилирования используется сукцинилирование, что расширяет представление о разнообразии этого метаболического маршрута.
• Диаминопимелиновая кислота была названа в честь своего открывателя — Элизабет Уорк, хотя первоначально её называли «диаминопимелиновой кислотой» из-за наличия двух аминогрупп и пимелинового (семиуглеродного) скелета.

Источники

• Umbarger, H. E. (1978). Amino acid biosynthesis and its regulation. Annual Review of Biochemistry, 47, 533–606.
• Work, E. (1951). The isolation of α,ε-diaminopimelic acid from Corynebacterium diphtheriae and Mycobacterium tuberculosis. Biochemical Journal, 49(1), 17–23.
• Scapin, G., & Blanchard, J. S. (1998). Enzymology of bacterial lysine biosynthesis. Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology, 72, 279–324.
• Hudson, A. O., & Gilvarg, C. (2005). The diaminopimelate pathway to lysine. EcoSal Plus, 1(2), 10.1128.
• Brock Biology of Microorganisms (15th ed.). (2018). Pearson.