БІОСИНТЕЗ nТА КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ
СТРУКТУРНІ nКОМПОНЕНТИ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ
Нуклеїнові кислоти – це високомолекулярні сполуки, що складаються із nмономерних одиниць – нуклеотидів, і тому їх також називають полінуклеотидами. Кожний nнуклеотид містить три різних компоненти: азотисту основу (пуринову або nпіримідинову), пентозу і фосфорну кислоту. Головні азотисті основи – компоненти nнуклеїнових кислот: пуринові – аденін (А) і гуанін (Г), піримідинові – урацил n(У), цитозин (Ц), тимін (Т).
Нуклеотиди в складі ДНК містять вуглевод D-2-дезоксирибозу, а в РНК — nD-рибозу. При з’єднанні рибози чи дезоксирибози з азотистою основою утворюється nнуклеозид. Нуклеотиди – це фосфорні ефіри нуклеозидів. Зв’язок утворюється за nрахунок взаємодії фосфату з гідроксилом у положенні С-5′ пентози. При гідролізі nнуклеїнових кислот можуть утворюватися і нуклеозид-3′-монофосфати.
Залежно від будови пентози, нуклеотиди поділяють на рибонуклеотиди і nдезоксирибонуклеотиди. Наявність залишків фосфорної кислоти в складі nнуклеотидів надає їм кислотних влативостей, тому їх вважають кислотами, як і nполімери – нуклеїнові кислоти.
В організмі, крім нуклеозидмонофосфатів, знаходяться нуклеозиддифосфати і nнуклеозидтрифосфати.
У синтезі нуклеїнових кислот беруть участь саме нуклеозидтрифосфати.
Система АТФ-АДФ-АМФ відіграє особливу роль у біоенергетиці, у всіх живих nорганізмах АТФ виступає як депо для зберігання і перенесення енергії. nАналогічно до АТФ, інші нуклеозидтрифосфати також містять два високоенергетичні nзв’язки між фосфатними залишками і використовуються в обміні речовин.
Наприклад, ЦТФ має відношення до біосинтезу фосфоліпідів. УТФ nвикористовується для синтезу і взаємоперетворень різних вуглеводів, ГТФ nнеобхідний для синтезу білків. У склад коферментів НАД, НАДФ, ФАД, КоА, ФАФС nвходять аденілові нуклеотиди. Окрему групу складають циклічні нуклеотиди, в nяких фосфатний залишок утворює складноефірні зв’язки з 3′- і 5′-гідроксильними nгрупами рибози.
Циклічні аденозинмонофосфат (цАМФ) і гуанозинмонофосфат (цГМФ) відіграють nдуже важливу роль в обміні речовин, через них реалізується регуляторна роль nряду гормонів. цАМФ і цГМФ утворюються із АТФ і ГТФ під дією ферментів nаденілатциклази і гуанілатциклази. Відщеплення пірофосфату від nнуклеозидтрифосфату призводить до замикання шестичленного кільця. При nрозщепленні циклічних нуклеотидів під дією фосфодіестерази утворюються nвідповідні нециклічні нуклеотиди — нуклеозид-5′-монофосфати.
НУКЛЕОПРОТЕЇНИ
Нуклеопротеїни — складні білки, комплекси нуклеїнових кислот з білками. Залежно nвід типу нуклеїнової кислоти, нуклеопротеїни поділяються на nдезоксирибонуклеопротеїни та рибонуклеопротеїни.
У процесі травлення нуклеїнові кислоти їжі розпадаються до нуклеотидів і nнуклеозидів, які всмоктуються клітинами слизової кишечника.
Але наявність їх у їжі не обов’язкова, оскільки майже всі клітини організму nможуть синтезувати нуклеотиди. Нуклеїнові кислоти гідролізуються під дією nнуклеаз підшлункового соку.
Розрізняють рибонуклеази (РНКази) і дезоксирибонуклеази (ДНКази). nПродуктами гідролізу є оліго- і мононуклеотиди. Фосфодіестерази слизової nкишечника розщеплюють олігонуклеотиди до мононуклеотидів. Вільні нуклеотиди nгідролізуються кишковими фосфатазами до нуклеозидів і фосфорної кислоти. nНуклеозиди абсорбуються і в клітинах слизової кишечника можуть розщеплюватись nдо вільних азотистих основ.
Тканинні нуклеази, нуклеотидази, нуклеозидази і нуклеозидфосфорилази nпоетапно розщеплюють клітині нуклеїнові кислоти до вільних азотистих основ, які nперетворюються далі у кінцеві продукти – сечову кислоту із пуринів та сечовину nі бета-амінокислоти із піримідинів.
БІОСИНТЕЗ nПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ
Біосинтез пуринових нуклеотидів de novo
Дослідження сполук, що містять мічені ізотопи 14С і 15N, дозволили виявити nпопередники нуклеотидів. Встановлено, що пуринове ядро нуклеотидів синтезується nіз атомів амінокислот гліцину, глутаміну, аспартату, СО2 і nодновуглецевих груп, які також утворюються із амінокислот і переносяться nтетрагідрофолієвою кислотою.
Другий компонент нуклеотидів — рибозофосфат — утворюється в nпентозо-фосфатному циклі із глюкози. Пуринове кільце синтезується на nрибозо-5-фосфаті шляхом поступового нарощування атомів нітрогену і карбону і nзамикання кілець. Біосинтез пуринових нуклеотидів у загальному однаковий як для nссавців, так і для птахів, дріжджів і бактерій. Весь шлях біосинтезу включає 11 nпослідовних реакцій, у ході яких здійснюється поступове включення попередників nнуклеотидів і нарощування циклічної структури, що завершується утворенням nінозинової кислоти. З останньої в наступних реакціях утворюються аденілова і nгуанілова кислоти.
Першою реакцією на шляху утворення пуринових нуклеотидів є утворення n5-фосфорибозил-1-пірофосфату (ФРПФ). Субстратами цієї реакції є АТФ і nрибозо-5-фосфат:
Утворений фосфорибозилпірофосфат взаємодіє із глутаміном
На стадії 3 відбувається реакція між рибозофосфатаміном та гліцином. Вона nкаталізується рибозофосфатгліцинамідсинтетазою. Наслідком цієї реакції є nгліцинамідрибонуклеотид. На утворення амідного зв’язку використовується одна nмолекула АТФ:
Нарощування ланцюга відбувається в трансформілазній реакції, яка проходить nміж альфа-аміногрупою залишку гліцину та N-метилентетра-гідрофолієвою кислотою. nРеакція супроводжується утворенням форміл-гліцинамідрибонуклеотиду (стадія 4):
У наступній реакції (5) утворений амідний зв’язок рибонуклеотиду при nнаявності АТФ перетворюється в амідинову групу. Продуктом цієї реакції є nN-формілгліцинамідинрибонуклеотид:
Перетворення одержаного продукту призводить до формування циклічного nімідазольного кільця 5-аміноімідазолрибонуклеотиду (6 реакція):
Подальші перетворення цього напівпродукту супроводжуються формуванням n6-членного піримідинового кільця, з’єднаного з імідазольним, тобто утворенням nпуринового скелета. Цей процес відбувається таким чином: спочатку в результаті nкарбоксилювання 5-аміноімідазолрибонуклеотиду утворюється n5-аміноімідазол-4-карбоксинуклеотид (7 стадія):
У восьмій реакції карбоксильна група цього продукту реагує із NH2 nаспарагінової кислоти з утворенням 5-аміноімідазол-4-ГЧ-сукциніл-арбоксиамідрибонуклеотиду. nЦя реакція вимагає енергії АТФ і здійснюється під впливом специфічної nсинтетази:
У наступній реакції вуглецевий скелет аспарагінової кислоти відокремлюється nу вигляді фумарової кислоти й утворюється 5-аміноімідазол-4-карбоксиамідрибонуклеотид n(реакція 9), тобто із аспарагінової кислоти в пуринове кільце входить тільки nатом азоту.
Останній атом вуглецю пуринового кільця буде у вигляді формілу, що походить nіз N 10-формілтетрагідрофолієвої кислоти (реакція 10).
Утворений 5-формілімідоімідазол-4-карбоксиамідрибонуклеотид зазнає nдегідратації, циклізується і перетворюється в пуриновий нуклеотид — інозинову nкислоту (реакція 11).
Донором аміногрупи при синтезі АМФ служить аспартат, а для ГМФ — глутамін. nРеакції амінування вимагають затрати енергії; при синтезі АМФ використовується nГТФ, при утворенні ГМФ — АТФ.
Розглянутий шлях утворення пуринових нуклеотидів із простих ациклічних nпопередників називається синтезом de novo. На іншому шляху, названому запасним, nвикористовуються вільні пуринові основи, які утворюються при розпаді nнуклеїнових кислот чи нуклеотидів.
Регуляція nсинтезу пуринових нуклеотидів
Біосинтез пуринових нуклеотидів регулюється за принципом зворотного nзв’язку. Регуляторною є рання реакція взаємодії 5-фосфорибозил-1-дифосфату з nглутаміном. Активність ферменту алостерично гальмується кінцевими продуктами nланцюга реакій — ІМФ, АМФ і ГМФ. Другий регуляторний механізм діє на пізніших nстадіях. АМФ гальмує реакцію синтезу із ІМФ аденіло-сукцинату, а ГМФ — nксантилової кислоти.
Таким чином, за цим механізмом надлишок АМФ чи ГМФ пригнічує власний синтез nіз ІМФ, але не впливає на синтез іншого нуклеотиду.
Біосинтез пуринових нуклеотидів nіз азотистих основ
Розглянутий біосинтез пуринових нуклеотидів із простих nпопередників – синтез de novo – потребує значних nвитрат метаболічної енергії у формі макроергічних зв’язків АТФ і ГТФ і nвідбувається не у всіх тканинах. Синтез пуринових нуклеотидів de novo відбувається, nголовним чином, у печінці, а запасний шлях – у позапечінкових тканинах, де nекономно повторно використовуються вільні пуринові основи. Зокрема в nеритроцитах, лейкоцитах, клітинах головного мозку відбувається утворення nнуклеотидів із “готових” вільних пуринових основ — аденіну, гуаніну та n6-оксипурину (гіпоксантину). Джерелом пуринових основ для такого синтезу є nпурини, які утворюються з нуклеотидів, синтезованих у печінці, та нуклеотидів, nякі постійно вивільняються в результаті катаболізму (гідролітичного nрозщеплення) нуклеїнових кислот і нуклеотидів власних тканин та таких, що nнадходять у складі харчових продуктів. Цей механізм більш швидкого біосинтезу nпуринових нуклеотидів шляхом повторного включення в метаболізм вільних nазотистих основ отримав назву “шлях реутилізації”.
Цей шлях включає реакції, під час яких основи аденін, гуанін чи гіпоксантин nвзаємодіють із 5-фосфорибозил-1-дифосфатом. Аденінфосфорибозил-транфераза nкаталізує утворення АМФ. Гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансфераза nкаталізує дві реакції. Перетворення пуринових нуклеозидмонофосфатів у nтрифосфати каналізують специфічні кінази. Ці реакції відбуваються в цитоплазмі nі відрізняються від синтезу АТФ у ході окиснювального фосфорилюваня.
КАТАБОЛІЗМ nПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ
Розпад пуринових нуклеотидів включає реакції відщеплення фосфатного залишку, nрибози й аміногрупи у вигляді аміаку, що призводить до утворення із АМФ nгіпоксантину, а із ГМФ — ксантину.
Фермент ксантиноксидаза каталізує окиснення гіпоксантину в ксантин і nксантину в сечову кислоту.
Сечова кислота є кінцевим продуктом розпаду пуринів у людей (а також nприматів, птахів, змій, ящірок) і виводиться з організму. В організмі людини nщоденно утворюється 0,5-1 г nсечової кислоти, яка виводиться головним чином через нирки. У нормі в людини з nсечею виділяється 1,6 – 3,54 ммоль/добу (270-600 мг/добу) сечової кислоти. Підвищення концентрації сечової кислоти nв крові називається гіперурикемією.
І.Я. Горбачевський запропонував теорію утворення сечової кислоти в nорганізмі ссавців, обґрунтувавши положення, що сечова кислота є кінцевим nпродуктом окислення пуринів як складових компонентів нуклеїнових кислот.
ПОДАГРА
Подагра – це спадкова хвороба. У хворих на подагру виявлено підвищення nактивності фосфорибозил-пірофосфат-синтетази, недостатність nглюкозо-6-фосфатази, гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансферази (ГГФТ).
Хвороба супроводжується гострим запаленням суглобів, найчастіше дрібних. nНадлишок уратів зумовлює утворення каменів у нирках. Утворенню кристаликів nсечової кислоти і відкладанню їх у тканинах сприяють зниження місцевого рН та nтравми.
Гіперурикемія може бути спадкова, що проявляється у nвигляді подагри або хвороби Леш-Ніхана (це так звані первинні гіперурикемїї), і nнабута (вторинна). Надмірне надходження в організм продуктів, що містять багато nпуринів (кава, чай, залозисті тканини, дріжджі), викликає аліментарну nгіперурикемію.
Відкладання уратів можливе під шкірою, при цьому утворюються подагричні nвузлики — тофуси, які є нешкідливими, але спотворюють хворого. Тофуси можуть nз’являтися на завитку вуха, над ліктьовими та міжфаланговими суглобами, nвнаслідок відкладення кристалів моноурату натрію. Вузликова подагра при тяжкому nперебігу призводить до розвитку ерозій та деструкції суглобів.
Алопуринол – nосновний урикодепресивний препарат для зниження рівня сечової кислоти при nхронічній гіперурикемії. Цей препарат структурний аналог гіпоксантину, nщо є конкурентним інгібітором ксантиноксидази. n
Прийом nалопуринолу викликає зниження рівня сечової кислоти в крові й сечі. Алопуринол, nінгібуючи ксантиноксидазу, пригнічує утворення сечової кислоти. За цих умов nзбільшується утворення ксантину і гіпоксантину, які мають кращу розчинність і nвиводяться з сечею.
Сприяють розчинності уратів солі літію та препарат антуран.
При подагрі із дієти виключають продукти з високим вмістом нуклеотидів, наприклад nпечінку, а також чай і каву, що містять пурини теобромін і кофеїн. Мало пуринів nмістять молоко, сир, яйця.
СИНДРОМ nЛЕШ-НІХАНА
Синдром Леш–Ніхана обумовлений nпорушенням метаболізму пуринових основ в результаті генетично обумовленого nдефіциту ферменту гіпоксантин-гуанінфосфорибозілтрансферази (ГФРТ).
ГФРТ здійснює перетворення пуринових nоснов – гуаніну і гіпоксантину в відповідні мононуклеотиди- ІМФ і ГМФ при nучасті 5-фосфорибозил-1-пірофосфату. Ці реакції вважаються альтернативними nшляхами метаболізму для гіпоксантину і гуаніну, що приводить до утворення nсечової кислоти, кінцевого продукту пуринового обміну, яка надалі виділяється nнезміненою з сечею.
Повну втрату активності гена ГФРТ nзазвичай знаходять у хлопчиків з виразним синдромом Леш-Ніхана, хоча nневрологічна симптоматика присутня приблизно в 20 % пацієнтів з частковим nдефіцитом гена ГФРТ.
Внаслідок блокування запасного шляху синтезу ГМФ і ІМФ зменшується їх nвміст, а значить, сповільнюється гальмування біосинтезу пуринових нуклеотидів de novo. Таким чином, при відсутності nГГФТ у хворих підвищуються біосинтез і безперервний потік пуринів через ксантин nдо сечової кислоти. Для дітей з таким генетичним дефектом характерні не тільки nподагричні симптоми, але й розумова відсталість, агресивність, часто спрямована nна самого себе. Причини нейрофізіологічних порушень у дітей з хворобою nЛеш-Ніхана невідомі.
БІОСИНТЕЗ nПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ
Реакції біосинтезу піримідинових nнуклеотидів
Піримідинові нуклеотиди, як і пуринові, синтезуються із простих сполук, а nсаме з СО2, глутаміну, аспартату і рибозо-5-фосфату. Але у цьому nвипадку спочатку утворюється шестичленне піримідинове кільце, а потім до нього nприєднується рибозофосфат.
У першій реакції шляху під дією карбамоїлфосфатсинтетази II із амідної nгрупи глутаміну, СО2 і АТФ утворюється карбамоїлфосфат.
Фермент локалізований у цитоплазмі клітин різних тканин. nКарбамоїлфосфатсинтетаза II є регуляторним ферментом на метаболічному шляху nсинтезу піримідинових нуклеотидів і активність її гальмується кінцевим nпродуктом — уридинмонофосфатом (УМФ).
Утворення УМФ
1. Цитоплазматичний карбамоїлфосфат nвзаємодіє з аспартатом під дією аспартаткарбамоїлтрансферази. Активність цього nферменту регулюється ЦТФ за механізмом зворотного зв’язку в прокаріотів, але не nу тварин.
2. Утворення дигідрооротової кислоти в nрезультаті дегідратації уреїдосукцинату (фермент —дигідрооротаза).
3. Утворення оротової кислоти в nрезультаті дегідрування дигідрооротату (фермент – НАД-залежна дигідрооротатдегідрогеназа).
4. Сполучення оротової кислоти з n5-фосфорибозил-1-пірофосфатом з утворенням оротидилової кислоти n(оротидин-5′-монофосфату, ОМФ); фермент, що каталізує реакцію, — оротатфосфорибозилтрансфераза.
5. Декарбоксилювання оротидилової nкислоти до уридилової кислоти (уридин-5′-монофосфату, УМФ) — фермент ОМФ-декарбоксилаза:
Утворення УДФ, УТФ та ЦТФ
Із УМФ шляхом фосфорилювання утворюються nУДФ і УТФ.
УМФ, що nсинтезувався, використовується для утворення інших піримідиннуклеотидів, nзокрема піримідинових нуклеозидтрифосфатів (УТФ, ЦТФ) та nдезоксирибонуклеозидтрифосфатів (дЦТФ, ТТФ), що використовуються в синтезі РНК nі ДНК:
1. Утворення УДФ та УТФ відбувається в результаті nпослідовного фосфорилювання УМФ нуклеозидмонофосфокіназами та нуклеозиддифосфокіназами.
2. nУтворення nЦТФ відбувається в результаті амінування УТФ — реакції, в якій беруть участь nглутамін (донор аміногрупи) та АТФ.
Регуляція синтезу піримідинових nнуклеотидів
Контроль швидкості біосинтезу піримідинових нуклеотидів nзабезпечується на рівні двох регуляторних ферментів:
1) карбамоїлфосфатсинтетази, nяка забезпечує постачання біосинтетичного шляху одним із перших субстратів — nкарбамоїлфосфатом (цей пункт регуляції є основним у вищих тварин (ссавців), nвключаючи організм людини); алостеричним інгібітором ферменту є УТФ — кінцевий nпродукт біосинтетичного шляху; разом з тим, ФРПФ — інтермедіат пуринового nсинтезу — збільшує активність ферменту, що є одним з механізмів забезпечення nкоординованого синтезу пуринів та піримідинів;
2) аспартаткарбамоїлтрансферази, nяка каталізує синтез уреїдоянтарної кислоти; алостеричним інгібітором ферменту nє ЦТФ, активатором — АТФ.
УТФ приєднує аміногрупу від глутаміну, перетворюючись у цитидинтрифосфат. nЦю реакцію стимулює ГТФ. Крім вказаного ланцюга реакцій, може мати місце пряме nвключення вільних піримідинових основ у склад нуклеотидів за аналогічним nмеханізмом, як для пуринових нуклеотидів.
Спадкове порушення синтезу піримідинів, відоме як оротацидурія, nхарактеризується утворенням надлишку оротової кислоти і виведенням її з сечею. nПричиною є низька активність ферментів оротат-фосфорибозилтрансферази і nдекарбоксилази, які каталізують дві останні реакції синтезу УМФ.
Нестача піримідинових нуклеотидів буде сприяти підвищеному утворенню оротової nкислоти, оскільки не відбуватиметься гальмування синтезу піримідинів кінцевим nпродуктом. Спостерігаються затримка росту і розумового розвитку дітей у nранньому віці, мегалобластична анемія. Вказані порушення розвиваються внаслідок nнестачі піримідинових нуклеотидів, необхідних для синтезу нуклеїнових кислот.
Прийом уридину чи цитидину призводить до зниження утворення й екскреції nоротової кислоти, відновлює нормальний ріст і розвиток. Таке лікування повинно nпродовжуватись протягом усього життя людей із цим спадковим дефектом.
КАТАБОЛІЗМ nПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ
Розпад піримідинових основ, на відміну від пуринових, супроводжується nрозкриттям кільця.
Цитозин на першій стадії дезамінується, перетворюючись в урацил. Далі йде nвідновлення урацилу в дигідроурацил, розщеплення кільця і гідроліз до СО2, nNH3 і бета-аланіну.
Розпад тиміну за таким же механізмом призводить до утворення nбета-аміноізомасляної кислоти.
Аміак і СО2 використовуються для синтезу сечовини. Бета-аланін може включатись nу структуру коферменту А. Гама-аміноізомасляна кислота перетворюється через nметилмалонову кислоту в сукциніл-КоА.
БІОСИНТЕЗ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДІВ
Біосинтез РНК різних класів вимагає наявності пуринових (АТФ, ГТФ) та піримідинових n(ЦТФ, УТФ) рибонуклеотидів, тоді як для біосинтезу генетичних ДНК необхідні nдезоксирибонуклеотиди пуринового — дАТФ, дГТФ — та піримідинового — дЦТФ, дТТФ n(ТТФ) ряду. Попередниками дезоксирибонуклеотидів у клітинах є рибонуклеотиди у nформі нуклеозиддифосфатів (НДФ) (переважно) та нуклеозидтрифосфатів (НТФ).
