Медицина

Біосинтез та катаболізм пуринових нуклеотидів

БІОСИНТЕЗ ТА КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

СТРУКТУРНІ КОМПОНЕНТИ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Нуклеїнові кислоти – це високомолекулярні сполуки, що складаються із мономерних одиниць – нуклеотидів, і тому їх також називають полінуклеотидами. Кожний нуклеотид містить три різних компоненти: азотисту основу (пуринову або піримідинову), пентозу і фосфорну кислоту. Головні азотисті основи – компоненти нуклеїнових кислот: пуринові – аденін (А) і гуанін (Г), піримідинові – урацил (У), цитозин (Ц), тимін (Т).

Нуклеотиди в складі ДНК містять вуглевод D-2-дезоксирибозу, а в РНК — D-рибозу. При з'єднанні рибози чи дезоксирибози з азотистою основою утворюється нуклеозид. Нуклеотиди – це фосфорні ефіри нуклеозидів. Зв'язок утворюється за рахунок взаємодії фосфату з гідроксилом у положенні С-5' пентози. При гідролізі нуклеїнових кислот можуть утворюватися і нуклеозид-3'-монофосфати.

Залежно від будови пентози, нуклеотиди поділяють на рибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотиди. Наявність залишків фосфорної кислоти в складі нуклеотидів надає їм кислотних влативостей, тому їх вважають кислотами, як і полімери – нуклеїнові кислоти.

В організмі, крім нуклеозидмонофосфатів, знаходяться нуклеозиддифосфати і нуклеозидтрифосфати.

У синтезі нуклеїнових кислот беруть участь саме нуклеозидтрифосфати.

Система АТФ-АДФ-АМФ відіграє особливу роль у біоенергетиці, у всіх живих організмах АТФ виступає як депо для зберігання і перенесення енергії. Аналогічно до АТФ, інші нуклеозидтрифосфати також містять два високоенергетичні зв'язки між фосфатними залишками і використовуються в обміні речовин.

Наприклад, ЦТФ має відношення до біосинтезу фосфоліпідів. УТФ використовується для синтезу і взаємоперетворень різних вуглеводів, ГТФ необхідний для синтезу білків. У склад коферментів НАД, НАДФ, ФАД, КоА, ФАФС входять аденілові нуклеотиди. Окрему групу складають циклічні нуклеотиди, в яких фосфатний залишок утворює складноефірні зв'язки з 3'- і 5'-гідроксильними групами рибози.

Циклічні аденозинмонофосфат (цАМФ) і гуанозинмонофосфат (цГМФ) відіграють дуже важливу роль в обміні речовин, через них реалізується регуляторна роль ряду гормонів. цАМФ і цГМФ утворюються із АТФ і ГТФ під дією ферментів аденілатциклази і гуанілатциклази. Відщеплення пірофосфату від нуклеозидтрифосфату призводить до замикання шестичленного кільця. При розщепленні циклічних нуклеотидів під дією фосфодіестерази утворюються відповідні нециклічні нуклеотиди — нуклеозид-5'-монофосфати.

 

НУКЛЕОПРОТЕЇНИ

Нуклеопротеїни — складні білки, комплекси нуклеїнових кислот з білками. Залежно від типу нуклеїнової кислоти, нуклеопротеїни поділяються на дезоксирибонуклеопротеїни та рибонуклеопротеїни.

У процесі травлення нуклеїнові кислоти їжі розпадаються до нуклеотидів і нуклеозидів, які всмоктуються клітинами слизової кишечника.

Але наявність їх у їжі не обов'язкова, оскільки майже всі клітини організму можуть синтезувати нуклеотиди. Нуклеїнові кислоти гідролізуються під дією нуклеаз підшлункового соку.

Розрізняють рибонуклеази (РНКази) і дезоксирибонуклеази (ДНКази). Продуктами гідролізу є оліго- і мононуклеотиди. Фосфодіестерази слизової кишечника розщеплюють олігонуклеотиди до мононуклеотидів. Вільні нуклеотиди гідролізуються кишковими фосфатазами до нуклеозидів і фосфорної кислоти. Нуклеозиди абсорбуються і в клітинах слизової кишечника можуть розщеплюватись до вільних азотистих основ.

Тканинні нуклеази, нуклеотидази, нуклеозидази і нуклеозидфосфорилази поетапно розщеплюють клітині нуклеїнові кислоти до вільних азотистих основ, які перетворюються далі у кінцеві продукти – сечову кислоту із пуринів та сечовину і бета-амінокислоти із піримідинів.

 

БІОСИНТЕЗ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

Біосинтез пуринових нуклеотидів de novo

Дослідження сполук, що містять мічені ізотопи 14С і 15N, дозволили виявити попередники нуклеотидів. Встановлено, що пуринове ядро нуклеотидів синтезується із атомів амінокислот гліцину, глутаміну, аспартату, СО2 і одновуглецевих груп, які також утворюються із амінокислот і переносяться тетрагідрофолієвою кислотою.

Другий компонент нуклеотидів — рибозофосфат — утворюється в пентозо-фосфатному циклі із глюкози. Пуринове кільце синтезується на рибозо-5-фосфаті шляхом поступового нарощування атомів нітрогену і карбону і замикання кілець. Біосинтез пуринових нуклеотидів у загальному однаковий як для ссавців, так і для птахів, дріжджів і бактерій. Весь шлях біосинтезу включає 11 послідовних реакцій, у ході яких здійснюється поступове включення попередників нуклеотидів і нарощування циклічної структури, що завершується утворенням інозинової кислоти. З останньої в наступних реакціях утворюються аденілова і гуанілова кислоти.

Першою реакцією на шляху утворення пуринових нуклеотидів є утворення 5-фосфорибозил-1-пірофосфату (ФРПФ). Субстратами цієї реакції є АТФ і рибозо-5-фосфат:

Утворений фосфорибозилпірофосфат взаємодіє із глутаміном

На стадії 3 відбувається реакція між рибозофосфатаміном та гліцином. Вона каталізується рибозофосфатгліцинамідсинтетазою. Наслідком цієї реакції є гліцинамідрибонуклеотид. На утворення амідного зв'язку використовується одна молекула АТФ:

Нарощування ланцюга відбувається в трансформілазній реакції, яка проходить між альфа-аміногрупою залишку гліцину та N-метилентетра-гідрофолієвою кислотою. Реакція супроводжується утворенням форміл-гліцинамідрибонуклеотиду (стадія 4):

У наступній реакції (5) утворений амідний зв'язок рибонуклеотиду при наявності АТФ перетворюється в амідинову групу. Продуктом цієї реакції є N-формілгліцинамідинрибонуклеотид:

Перетворення одержаного продукту призводить до формування циклічного імідазольного кільця 5-аміноімідазолрибонуклеотиду (6 реакція):

 

Подальші перетворення цього напівпродукту супроводжуються формуванням 6-членного піримідинового кільця, з'єднаного з імідазольним, тобто утворенням пуринового скелета. Цей процес відбувається таким чином: спочатку в результаті карбоксилювання 5-аміноімідазолрибонуклеотиду утворюється 5-аміноімідазол-4-карбоксинуклеотид (7 стадія):

У восьмій реакції карбоксильна група цього продукту реагує із NH2 аспарагінової кислоти з утворенням 5-аміноімідазол-4-ГЧ-сукциніл-арбоксиамідрибонуклеотиду. Ця реакція вимагає енергії АТФ і здійснюється під впливом специфічної синтетази:

У наступній реакції вуглецевий скелет аспарагінової кислоти відокремлюється у вигляді фумарової кислоти й утворюється 5-аміноімідазол-4-карбоксиамідрибонуклеотид (реакція 9), тобто із аспарагінової кислоти в пуринове кільце входить тільки атом азоту.

Останній атом вуглецю пуринового кільця буде у вигляді формілу, що походить із N 10-формілтетрагідрофолієвої кислоти (реакція 10).

Утворений 5-формілімідоімідазол-4-карбоксиамідрибонуклеотид зазнає дегідратації, циклізується і перетворюється в пуриновий нуклеотид — інозинову кислоту (реакція 11).

Донором аміногрупи при синтезі АМФ служить аспартат, а для ГМФ — глутамін. Реакції амінування вимагають затрати енергії; при синтезі АМФ використовується ГТФ, при утворенні ГМФ — АТФ.

Розглянутий шлях утворення пуринових нуклеотидів із простих ациклічних попередників називається синтезом de novo. На іншому шляху, названому запасним, використовуються вільні пуринові основи, які утворюються при розпаді нуклеїнових кислот чи нуклеотидів.

 

Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів

Біосинтез пуринових нуклеотидів регулюється за принципом зворотного зв'язку. Регуляторною є рання реакція взаємодії 5-фосфорибозил-1-дифосфату з глутаміном. Активність ферменту алостерично гальмується кінцевими продуктами ланцюга реакій — ІМФ, АМФ і ГМФ. Другий регуляторний механізм діє на пізніших стадіях. АМФ гальмує реакцію синтезу із ІМФ аденіло-сукцинату, а ГМФ — ксантилової кислоти.

Таким чином, за цим механізмом надлишок АМФ чи ГМФ пригнічує власний синтез із ІМФ, але не впливає на синтез іншого нуклеотиду.

 

Біосинтез пуринових нуклеотидів із азотистих основ

Розглянутий біосинтез пуринових нуклеотидів із простих попередників – синтез de novo – потребує значних витрат метаболічної енергії у формі макроергічних зв’язків АТФ і ГТФ і відбувається не у всіх тканинах. Синтез пуринових нуклеотидів de novo відбувається, головним чином, у печінці, а запасний шлях – у позапечінкових тканинах, де економно повторно використовуються вільні пуринові основи. Зокрема в еритроцитах, лейкоцитах, клітинах головного мозку відбувається утворення нуклеотидів із “готових” вільних пуринових основ — аденіну, гуаніну та 6-оксипурину (гіпоксантину). Джерелом пуринових основ для такого синтезу є пурини, які утворюються з нуклеотидів, синтезованих у печінці, та нуклеотидів, які постійно вивільняються в результаті катаболізму (гідролітичного розщеплення) нуклеїнових кислот і нуклеотидів власних тканин та таких, що надходять у складі харчових продуктів. Цей механізм більш швидкого біосинтезу пуринових нуклеотидів шляхом повторного включення в метаболізм вільних азотистих основ отримав назву “шлях реутилізації”.

Цей шлях включає реакції, під час яких основи аденін, гуанін чи гіпоксантин взаємодіють із 5-фосфорибозил-1-дифосфатом. Аденінфосфорибозил-транфераза каталізує утворення АМФ. Гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансфераза каталізує дві реакції. Перетворення пуринових нуклеозидмонофосфатів у трифосфати каналізують специфічні кінази. Ці реакції відбуваються в цитоплазмі і відрізняються від синтезу АТФ у ході окиснювального фосфорилюваня.

 

КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

Розпад пуринових нуклеотидів включає реакції відщеплення фосфатного залишку, рибози й аміногрупи у вигляді аміаку, що призводить до утворення із АМФ гіпоксантину, а із ГМФ — ксантину.

Фермент ксантиноксидаза каталізує окиснення гіпоксантину в ксантин і ксантину в сечову кислоту.

Сечова кислота є кінцевим продуктом розпаду пуринів у людей (а також приматів, птахів, змій, ящірок) і виводиться з організму. В організмі людини щоденно утворюється 0,5-1 г сечової кислоти, яка виводиться головним чином через нирки. У нормі в людини з сечею виділяється 1,6 – 3,54 ммоль/добу (270-600 мг/добу) сечової кислоти. Підвищення концентрації сечової кислоти в крові називається гіперурикемією.

І.Я. Горбачевський запропонував теорію утворення сечової кислоти в організмі ссавців, обґрунтувавши положення, що сечова кислота є кінцевим продуктом окислення пуринів як складових компонентів нуклеїнових кислот.

 

ПОДАГРА

Подагра – це спадкова хвороба. У хворих на подагру виявлено підвищення активності фосфорибозил-пірофосфат-синтетази, недостатність глюкозо-6-фосфатази, гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансферази (ГГФТ).

Хвороба супроводжується гострим запаленням суглобів, найчастіше дрібних. Надлишок уратів зумовлює утворення каменів у нирках. Утворенню кристаликів сечової кислоти і відкладанню їх у тканинах сприяють зниження місцевого рН та травми.

Гіперурикемія може бути спадкова, що проявляється у вигляді подагри або хвороби Леш-Ніхана (це так звані первинні гіперурикемїї), і набута (вторинна). Надмірне надходження в організм продуктів, що містять багато пуринів (кава, чай, залозисті тканини, дріжджі), викликає аліментарну гіперурикемію.

Відкладання уратів можливе під шкірою, при цьому утворюються подагричні вузлики — тофуси, які є нешкідливими, але спотворюють хворого. Тофуси можуть з’являтися на завитку вуха, над ліктьовими та міжфаланговими суглобами, внаслідок відкладення кристалів моноурату натрію. Вузликова подагра при тяжкому перебігу призводить до розвитку ерозій та деструкції суглобів.

Алопуринол – основний урикодепресивний препарат для зниження рівня сечової кислоти при хронічній гіперурикемії. Цей препарат структурний аналог гіпоксантину, що є конкурентним інгібітором ксантиноксидази.

Прийом алопуринолу викликає зниження рівня сечової кислоти в крові й сечі. Алопуринол, інгібуючи ксантиноксидазу, пригнічує утворення сечової кислоти. За цих умов збільшується утворення ксантину і гіпоксантину, які мають кращу розчинність і виводяться з сечею.

Сприяють розчинності уратів солі літію та препарат антуран.

При подагрі із дієти виключають продукти з високим вмістом нуклеотидів, наприклад печінку, а також чай і каву, що містять пурини теобромін і кофеїн. Мало пуринів містять молоко, сир, яйця.

 

СИНДРОМ ЛЕШ-НІХАНА

Синдром Леш–Ніхана обумовлений порушенням метаболізму пуринових основ в результаті генетично обумовленого дефіциту ферменту гіпоксантин-гуанінфосфорибозілтрансферази (ГФРТ).

ГФРТ здійснює перетворення пуринових основ – гуаніну і гіпоксантину в відповідні мононуклеотиди- ІМФ і ГМФ при участі 5-фосфорибозил-1-пірофосфату. Ці реакції вважаються альтернативними шляхами метаболізму для гіпоксантину і гуаніну, що приводить до утворення сечової кислоти, кінцевого продукту пуринового обміну, яка надалі виділяється незміненою з сечею.

Повну втрату активності гена ГФРТ зазвичай знаходять у хлопчиків з виразним синдромом Леш-Ніхана, хоча неврологічна симптоматика присутня приблизно в 20 % пацієнтів з частковим дефіцитом гена ГФРТ.

Внаслідок блокування запасного шляху синтезу ГМФ і ІМФ зменшується їх вміст, а значить, сповільнюється гальмування біосинтезу пуринових нуклеотидів de novo. Таким чином, при відсутності ГГФТ у хворих підвищуються біосинтез і безперервний потік пуринів через ксантин до сечової кислоти. Для дітей з таким генетичним дефектом характерні не тільки подагричні симптоми, але й розумова відсталість, агресивність, часто спрямована на самого себе. Причини нейрофізіологічних порушень у дітей з хворобою Леш-Ніхана невідомі.

 

БІОСИНТЕЗ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

Реакції біосинтезу піримідинових нуклеотидів

Піримідинові нуклеотиди, як і пуринові, синтезуються із простих сполук, а саме з СО2, глутаміну, аспартату і рибозо-5-фосфату. Але у цьому випадку спочатку утворюється шестичленне піримідинове кільце, а потім до нього приєднується рибозофосфат.

У першій реакції шляху під дією карбамоїлфосфатсинтетази II із амідної групи глутаміну, СО2 і АТФ утворюється карбамоїлфосфат.

Фермент локалізований у цитоплазмі клітин різних тканин. Карбамоїлфосфатсинтетаза II є регуляторним ферментом на метаболічному шляху синтезу піримідинових нуклеотидів і активність її гальмується кінцевим продуктом — уридинмонофосфатом (УМФ).

 

Утворення УМФ

1. Цитоплазматичний карбамоїлфосфат взаємодіє з аспартатом під дією аспартаткарбамоїлтрансферази. Активність цього ферменту регулюється ЦТФ за механізмом зворотного зв'язку в прокаріотів, але не у тварин.

2. Утворення дигідрооротової кислоти в результаті дегідратації уреїдосукцинату (фермент —дигідрооротаза).

3. Утворення оротової кислоти в результаті дегідрування дигідрооротату (фермент НАД-залежна дигідрооротатдегідрогеназа).

4. Сполучення оротової кислоти з 5-фосфорибозил-1-пірофосфатом з утворенням оротидилової кислоти (оротидин-5'-монофосфату, ОМФ); фермент, що каталізує реакцію, — оротатфосфорибозилтрансфераза.

5. Декарбоксилювання оротидилової кислоти до уридилової кислоти (уридин-5'-монофосфату, УМФ) — фермент ОМФ-декарбоксилаза:

 

Утворення УДФ, УТФ та ЦТФ

Із УМФ шляхом фосфорилювання утворюються УДФ і УТФ.

УМФ, що синтезувався, використовується для утворення інших піримідиннуклеотидів, зокрема піримідинових нуклеозидтрифосфатів (УТФ, ЦТФ) та дезоксирибонуклеозидтрифосфатів (дЦТФ, ТТФ), що використовуються в синтезі РНК і ДНК:

1.  Утворення УДФ та УТФ відбувається в результаті послідовного фосфорилювання УМФ нуклеозидмонофосфокіназами та нуклеозиддифосфокіназами.

2.  Утворення ЦТФ відбувається в результаті амінування УТФ — реакції, в якій беруть участь глутамін (донор аміногрупи) та АТФ.

 

Регуляція синтезу піримідинових нуклеотидів

Контроль швидкості біосинтезу піримідинових нуклеотидів забезпечується на рівні двох регуляторних ферментів:

1) карбамоїлфосфатсинтетази, яка забезпечує постачання біосинтетичного шляху одним із перших субстратів — карбамоїлфосфатом (цей пункт регуляції є основним у вищих тварин (ссавців), включаючи організм людини); алостеричним інгібітором ферменту є УТФ — кінцевий продукт біосинтетичного шляху; разом з тим, ФРПФ — інтермедіат пуринового синтезу — збільшує активність ферменту, що є одним з механізмів забезпечення координованого синтезу пуринів та піримідинів;

2) аспартаткарбамоїлтрансферази, яка каталізує синтез уреїдоянтарної кислоти; алостеричним інгібітором ферменту є ЦТФ, активатором — АТФ.

 

УТФ приєднує аміногрупу від глутаміну, перетворюючись у цитидинтрифосфат. Цю реакцію стимулює ГТФ. Крім вказаного ланцюга реакцій, може мати місце пряме включення вільних піримідинових основ у склад нуклеотидів за аналогічним механізмом, як для пуринових нуклеотидів.

Спадкове порушення синтезу піримідинів, відоме як оротацидурія, характеризується утворенням надлишку оротової кислоти і виведенням її з сечею. Причиною є низька активність ферментів оротат-фосфорибозилтрансферази і декарбоксилази, які каталізують дві останні реакції синтезу УМФ.

Нестача піримідинових нуклеотидів буде сприяти підвищеному утворенню оротової кислоти, оскільки не відбуватиметься гальмування синтезу піримідинів кінцевим продуктом. Спостерігаються затримка росту і розумового розвитку дітей у ранньому віці, мегалобластична анемія. Вказані порушення розвиваються внаслідок нестачі піримідинових нуклеотидів, необхідних для синтезу нуклеїнових кислот.

Прийом уридину чи цитидину призводить до зниження утворення й екскреції оротової кислоти, відновлює нормальний ріст і розвиток. Таке лікування повинно продовжуватись протягом усього життя людей із цим спадковим дефектом.

 

КАТАБОЛІЗМ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

Розпад піримідинових основ, на відміну від пуринових, супроводжується розкриттям кільця.

Цитозин на першій стадії дезамінується, перетворюючись в урацил. Далі йде відновлення урацилу в дигідроурацил, розщеплення кільця і гідроліз до СО2, NH3 і бета-аланіну.

Розпад тиміну за таким же механізмом призводить до утворення бета-аміноізомасляної кислоти.

Аміак і СО2 використовуються для синтезу сечовини. Бета-аланін може включатись у структуру коферменту А. Гама-аміноізомасляна кислота перетворюється через метилмалонову кислоту в сукциніл-КоА.

 

БІОСИНТЕЗ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДІВ

Біосинтез РНК різних класів вимагає наявності пуринових (АТФ, ГТФ) та піримідинових (ЦТФ, УТФ) рибонуклеотидів, тоді як для біосинтезу генетичних ДНК необхідні дезоксирибонуклеотиди пуринового — дАТФ, дГТФ — та піримідинового — дЦТФ, дТТФ (ТТФ) ряду. Попередниками дезоксирибонуклеотидів у клітинах є рибонуклеотиди у формі нуклеозиддифосфатів (НДФ) (переважно) та нуклеозидтрифосфатів (НТФ).