สารโมเลกุลเล็ก (small & building block molecules)

1.      บทบาทที่สำคัญของสารโมเลกุลเล็ก

 สารโมเลกุลเล็กๆ เป็นโมเลกุลที่จำเป็นต่อกระบวนการต่างๆของสิ่งมีชีวิต ดังเช่น สารโมเลกุลต่าง ๆ ที่สังเคราะห์ขึ้นจากกระบวนการเมตตาโบลิซึม (metabolisms) ของสิ่งมีชีวิต สารโมเลกุลเหล่านี้ รวมถึงเมตตาโบไลท์ (metabolites) ถูกสังเคราะห์ขึ้นมาเพื่อนำมาใช้เป็นพลังและโครงสร้างของชีวิต

ในบทนี้เราจะกล่าวถึงว่า สารโมเลกุลเล็ก (small molecules) ที่ได้จากกระบวนการเมตตาโบลิซึมนั้นถูกนำมาใช้เป็นหน่วยโครสร้าง (building blocks) ในกระบวนการสังเคราะห์สารประกอบขนาดใหญ่ (macromolecular synthesis) ได้อย่างไร ซึ่งจะกล่าวถึงการสร้าง nucleic acids, proteins และ lipids ส่วนการการสร้างของ carbohydrates จะกล่าวในบทต่อไป การสังเคราะห์สารทั้ง 4 ชนิดนี้เป็นสารที่มีความสำคัญมากต่อจุลินชีพและรวมถึงสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ด้วย

2.      The Synthesis of Purines, Pyrimidines, and Nucleotides

Biosynthesis ของ purine และ pyrimidine เป็นกระบวนการที่สำคัญเนื่องจากสาร purine และ pyrimidine ใช้ในการสังเคราะห์ ATP, cofactors ต่างๆ, RNA, DNA และองค์ประกอบที่สำคัญของเซลล์

·    purines และ pyrimidines เป็น cyclic nitrogenous bases ซึ่งมีพันธะคู่อยู่และมีคุณสมบัติของ aromatic (aromatic properties) purines ประกอบด้วย 2 rings ในขณะที่ pyrimidines มี 1 ring 

·       purines = adenine และ guanine

·       pyrimidine = cytosine, thymine และ uracil

·       nucleoside = purine or pirimidine + pentose sugar

·       nucleotide = purine or pirimidine + pentose sugar + phosphate groups

2.1  Purine Biosynthesis

·    กระบวนการสังเคราะห์ purine นั้นค่อนข้างซับซ้อน มีทั้งหมด 11 ขั้นตอน  ซึ่งใช้โมเลกุลจากสารต่าง ๆ 7 โมเลกุลมาประกอบเป็น purine skeleton กระบวนการสังเคราะห์ purines เริ่มต้นจากสาร ribose 5-phosphate และได้ผลิตภัณฑ์สุดท้ายเป็น inosinic acid ในกระบวนการสังเคราะห์ purine มี cofactor ที่สำคัญคือ folic acid       จาก pathway การสังเคราะห์ purine จะเห็นว่า folic acid derivatives ให้หมู่ Carbon    2 ตัว กับ purine skeleton ตรงตำแหน่ง C₂ และ C₈      มียาปฏิชีวนะตัวหนึ่งชื่อ sulfonamide จะไปยับยั้งการเจริญของแบคทีเรียโดยมันจะไปยับยั้งการสังเคราะห์ folic acid ทำให้ไปรบกวนการสังเคราะห์ purine และกระบวนการอื่น ๆ ที่ต้องการ folic acid ในแบคทีเรีย

·    เมื่อได้ inosinic acid แล้วจะมีกระบวนการสั้น ๆ ในการสังเคราะห์ adenosine monophosphate และ guanosine monophosphate 

·    หลังจากนั้น adenosine monophosphate และ guanosine monophaophate จะถูกเติมด้วย phaosphate จาก ATP ได้เป็น nucleoside di- และ triphosphate

2.2  Pyrimidine Biosynthesis

·    กระบวนการสังเคราะห์ pyrimidine เริ่มต้นจากสารตั้งต้น 2 ตัว คือ aspartic acid และ carbamoyl phosphate (สังเคราะห์จาก CO₂ และ ammonia) เอนไซม์ aspartate carbamoyl transferase จะทำการรวมโมเลกุลทั้ง 2 ข้างต้นฟอร์มเป็น carbamoyl aspartate แล้วจึงถูกเปลี่ยนให้เป็น orotic acid

·    หลังจากนั้น orotic acid จะถูกเติมด้วย ribose 5-phosphate โดยสาร intermediate ที่มีพลังงานสูงชื่อ PRPP : 5-phosphoribose 1- pyrophosphoric acid 

·    การสังเคราะห์ pyrimidines ต่างจาก purines  ตรงที่สังเคราะห์ pyrimidine ก่อนแล้วจึงเติมหมู่ ribose sugar เข้าไปแต่ใน purines เริ่มจาก ribose 5-phosphate แล้วจึงสังเคราะห์ purine ขึ้นมา 

·    ในการสังเคราะห์ thymine ได้จากการการเติมหมู่ methyl เข้าไปที่โมเลกุลของ deoxyuridine monophosphate โดย folic acid derivative 

·       ส่วน deoxyribonucleotides เกิดจากการ reduction โดย sulfur-containing protein ชื่อ thioredoxin 

3.      The Synthesis of Amino Acids

การสังเคราะห์กรดอะมิโนนั้นสิ่งแรกที่จำเป็นคือ การสังเคราะห์โครงสร้างหลักที่สำคัญก่อน ซึ่งกระบวนการเหล่านี้จะค่อนข้างซับซ้อนและมีขั้นตอนมาก และเนื่องจากว่าสิ่งมีชีวิตจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องคอยอนุรักษ์ธาตุไนโตรเจน ธาตุคาร์บอน ดังนั้นพลังงานการสังเคราะห์กรดอะมิโน จึงมักจะถูกควบคุมอย่างเข้มงวดด้วย allosteric และ feedback mechanisms ในหัวข้อนี้เราจะไม่พูดถึงการสังเคราะห์กรดอะมิโนที่เป็นรายละเอียดมาก ซึ่งรายละเอียดการสังเคราะห์อะมิโนนักศึกษาสามารถหาอ่านได้จากหนังสือชีวเคมี

·    ใน amino acid biosynthetic pathways โดยที่ amino acid skeletons นั้นได้มาจาก 1) acetyl-coA จาก TCA cycle 2 ) glycolysis และ 3) pentose phosphate pathway

·    alanine, aspartate และ glutamate เกิดจากกระบวนการ transamination โดยตรงจาก pyruvate, oxaloacetate และ  a- ketoglutarate ตามลำดับ 

·       การสังเคราะห์กรดอะมิโนบางชนิดเกิดมาจาก intermediate ตัวเดียวกัน 

  

4.      Lipid Synthesis

·    ไขมันที่พบในสิ่งมีชีวิต จะมีความหลากหลายมากโดยเฉพาะไขมันที่ cell membranes ไขมันส่วนมากจะประกอบด้วย fatty acids หรือ derivatives ของ fatty acids

·    fatty acids เป็น monocarboxylic acids ที่มี alkyl chains    ในแบคทีเรีย Gram- negative มักจะมี cyclopropane fatty acids

·    fatty acids นั้นถูกสังเคราะห์โดยเอนไซม์  fatty acid synthetase จาก สารตั้งต้น acetyl-CoA และ malonyl-CoA โดยใช้ NADPH เป็น reductant

·       Malonyl-CoA ได้มาจากปฏิกิริยา carboxylation ของ acetyl-CoA กับ ATP

·       ในการสังเคราะห์ fatty acid นั้นมีโปรตีนตัวหนึ่งคอยช่วยเหลือชื่อว่า acyl carrier protein (ACP)

·       fatty acid synthesis  เริ่มจาก

1)      malonyl-ACP ทำปฏิกิริยากับ fatty acyl-ACP ได้ acyl-ACP ที่มีธาตุคาร์บอนเพิ่มขึ้นมา 2 ตัว กับ CO₂

2)   เกิดปฏิกิริยา reductions (2ครั้ง) และ dehydration (1 ครั้ง) ได้ หมู่ b- keto group บน fatty acid หลังจากนั้น fatty acid โมเลกุลนี้จะพร้อมที่จะถูกเติมด้วย 2 carbon atoms ต่อไป

·       กรดไขมันไม่อิ่มตัว (unsaturated fatty acid) เกิดขึ้นโดยกระบวนการ

1)   aerobic pathway ใช้ NADPH และ O₂ ทำให้เกิด double bond ระหว่าง C9 และ C10 พบใน eucarydtes และ aerobic bacteria

2)   anaerobic pathway โดยทำการ dehydration โมเลกุลของ hydroxy fatty acid พบใน Gram- negative bacteria เช่น E. coli,  Salmonella typhimurium, Gram- positive bacteria เช่น Lactobacillus plantarum และ Clostridium pasteurianum และพบใน cyanobacteria

·    Phospholipids มักจะสังเคราะห์มาจาก phosphatidic acid ใน procaryotes ยกตัวอย่าง phosphatidylethanolamine ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของ cell membrane ของ bacteria สังเคราะห์จาก CDP-diacylglycerol (CDP = Cytidine diphosphate เป็น carrier) ซึ่งทำปฏิกิริยากับ serine ได้เป็น phospholipid phosphatidylserine และต่อไปจะถูก decarboxylation ได้เป็น phosphatidylethanolamine ในที่สุด จาก pathway นี้จะเห็นว่า membrane lipid ต่างๆนั้น สังเคราะห์มาจากสารที่ได้จากทั้ง glycolysis, fatty acid biosynthesis และ amino acid biosynthesis 

_________________________________________