Обмен нуклеиновых кислот

Для лечения подагры и мочекаменной болезни применяются:

• ингибиторы фермента ксантиноксидазы. Например, аллопуринол – вещество пуриновой природы, является конкурентным ингибитором фермента. Действие этого препарата приводит к повышению концентрации гипоксантина. Гипоксантин и его соли лучше растворимы в воде, и легче выводятся из организма.
• диетическое питание, исключающее продукты, богатые нуклеиновыми кислотами, пуринами и их аналогами: икра рыб, печень, мясо, кофе и чай.
• соли лития, поскольку они лучше растворимы в воде, чем ураты натрия.

 

СИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ  КИСЛОТ

СИНТЕЗ МОНОНУКЛЕОТИДОВ

Для синтеза мононуклеотидов de novo необходимы очень простые вещества: CO₂ и рибозо-5-фосфат (продукт 1-го этапа ГМФ-пути). Синтез происходит с затратой АТФ. Кроме этого, необходимы заменимые аминокислоты, которые синтезируются в организме, поэтому даже при полном голодании синтез нуклеиновых кислот не страдает.

РОЛЬ АМИНОКИСЛОТ В  СИНТЕЗЕ МОНОНУКЛЕОТИДОВ

1. Аспарагин. Является донором амидной группы.

 

2. Аспарагиновая кислота.

а) Является донором аминогруппы

б) Участвует в синтезе  всей молекулой.

 

3. Глицин

а) Является донором активного  С₁.

б) Участвует в синтезе  всей молекулой.

 

4. Серин. Является донором активного С₁.

 

ПЕРЕНОС ОДНОУГЛЕРОДНЫХ ФРАГМЕНТОВ

В организме человека существуют ферменты, которые могут  извлекать из некоторых аминокислот  С₁-группу. Такие ферменты являются сложными белками. В качестве кофермента содержат производное витамина В_С – фолиевой кислоты. Фолиевой кислоты много в зеленых листьях, к тому же, этот витамин синтезируется микрофлорой кишечника. В клетках организма фолиевая кислота (ФК) дважды восстанавливается (к ней присоединяется водород) с участием фермента НАДФ^.Н₂-зависимой редуктазы, и превращается в тетрагидрофолиевую кислоту (ТГФК).

Активный С₁ извлекается из глицина или серина.

В каталитическом центре фермента, содержащего ТГФК, имеются  две –NH-группы, которые участвуют в связывании активного С₁. Схематически процесс можно представить так:

НАДН₂, который образуется в обратной реакции, может быть использован для восстановления пирувата в лактат (гликолитическая оксидоредукция). Реакция катализируется ферментом глицинсинтетазой. После этого метилен-ТГФК отделяется от белковой части фермента, и затем возможны два варианта ее превращений:

1. Метилен-ТГФК может стать небелковой частью ферментов синтеза мононуклеотидов.
2. Метиленовая группировка может видоизменяться до:

Эти группировки связаны только с одним из атомов азота ТГФК, но тоже могут стать субстратами для синтеза мононуклеотидов.

Поэтому любая из группировок, связанная с ТГФК, называется активным С₁.

 

Для синтеза любого из нуклеотидов требуется активная форма рибозо-фосфата - фосфорибозилпирофосфат (ФРПФ), образующаяся в следующей реакции:

Фосфорибозилпирофосфаткиназа (ФРПФ-киназа) является ключевым ферментом для синтеза всех мононуклеотидов. Ингибируется этот фермент по принципу отрицательной обратной связи избытком АМФ и ГМФ. При генетическом дефекте ФРПФ-киназы наблюдается потеря чувствительности фермента к действию своих ингибиторов. В результате возрастает продукция пуриновых мононуклеотидов, а, значит, и скорость их разрушения, что приводит к увеличению концентрации мочевой кислоты – наблюдается подагра.

После образования ФРПФ реакции синтеза пуриновых и  пиримидиновых мононуклеотидов  различны.

 

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РАЗЛИЧИЯ В СИНТЕЗЕ ПУРИНОВЫХ И ПИРИМИДИНОВЫХ  МОНОНУКЛЕОТИДОВ:

Особенностью синтеза пуриновых нуклеотидов является  то, что циклическая структура пуринового азотистого основания постепенно достраивается на активной форме рибозо-фосфата, как на матрице. При циклизации получается уже готовый пуриновый мононуклеотид.

При синтезе пиримидиновых мононуклеотидов сначала образуется циклическа структура пиримидинового азотистого основания, которая в готовом виде переносится на рибозу – на место пирофосфата.

 

СИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ МОНОНУКЛЕОТИДОВ (АМФ и ГМФ)

 

Существует 10 общих и 2 специфических  стадии. В результате общих реакций образуется пуриновый мононуклеотид, являющийся общим предшественником будущих АМФ и ГМФ – инозинмонофосфат (ИМФ). ИМФ в качестве азотистого основания содердит гипоксантин.

Пуриновое кольцо строится из СО₂, аспарагиновой кислоты, глутамина, глицина и серина. Эти вещества либо полностью включаются в пуриновую структуру, или передают для ее построения отдельные группировки.

Аспарагиновая кислота  отдает аминогруппу и превращается в фумаровую кислоту.

Глицин: 1) полностью включается в структуру пуринового азотистого основания; 2) является источником одноуглеродного радикала.

Серин: тоже является донором  одноуглеродного радикала.

ФРПФ + глутамин -------> глутамат + ФФ + фосфорибозиламин

Фермент, который катализирует эту реакцию, называется фосфорибозиламидотрансфераза. Он является ключевым ферментом синтеза всех пуриновых мононуклеотидов. Регулируется по принципу отрицательной обратной связи. Аллостерическими ингибиторами этого фермента являются АМФ и ГМФ.

На второй стадии фосфорибозиламин взаимодействует с глицином.

Третья стадия - включение  углеродного атома, донором которого является глицин или серин.

Затем достраивается шестичленный  фрагмент  пуринового кольца:

    4-ая стадия - карбоксилирование с помощью  активной формы СО₂ при участии витамина Н - биотина.

    5-ая стадия - аминирование  с участием аминогруппы из  аспартата.

    6-ая стадия - аминирование  за счет аминогруппы глутамина.

    7-ая, заключительная стадия - включение одноуглеродного фрагмента  (с участием ТГФК), и образуется  готовый ИМФ.

 Затем протекают специфические реакции, в результате которых ИМФ превращается либо в АМФ, либо в ГМФ. При таком превращении в молекуле появляется аминогруппа, причем в случае превращения в АМФ - на месте ОН-группы. При образовании АМФ источником азота является аспарагиновая  кислота, а для образования ГМФ необходим глутамин.

Далее из НМФ образуются НДФ и  НТФ с помощью АТФ. Затраты  АТФ на синтез нуклеотидов de novo очень велики. Этот способ синтеза является энергетически невыгодным.

В некоторых тканях есть альтернативный способ синтеза – реутилизация (повторное использование) пуриновых азотистых оснований, которые образовались при распаде нуклеотидов.

 

Ферменты, катализирующие реакции реутилизации, наиболее активны  в быстроделящихся клетках (эмбриональные ткани, красный костный мозг, раковые клетки), а также в тканях головного мозга. На схеме видно, что фермент гуанингипоксантинФРПФтрансфераза обладает более широкой субстратной специфичностью, чем аденинФРПФтрансфераза – помимо гуанина, может переносить и гипоксантин - образуется ИМФ. У человека встречается генетический дефект этого фермента - “болезнь Леша-Нихана”. Для таких больных характерны выраженные морфологические изменения в головном и костном мозге, умственная и физическая отсталость, агрессия, аутоагрессия. В эксперименте на животных синдром аутоагрессии моделируется путем скармливания им кофеина (пурина) в больших дозах, который ингибирует процесс реутилизации гуанина.

 

СИНТЕЗ ПИРИМИДИНОВЫХ  МОНОНУКЛЕОТИДОВ.

Сначала образуется сначала циклическая структура пиримидинового азотистого основания, и только затем присоединяется рибозо-фосфат.

Первая реакция синтеза пиримидиновых  монуклеотидов приводит к образованию  карбамоилфосфата. Одна из молекул  АТФ является донором фосфата.

 

 

 

Оротовая кислота – первое азотистое основание на пути синтеза пиримидинов – общий предшественник остальных пиримидинов. У многих живых организмов для синтеза оротовой кислоты требуется три фермента. У человека же все реакции образования оротата катализирует один-единственный фермент, в составе которого находятся три активных центра.

Оротовая кислота затем  превращается в оротидинмонофосфат (ОМФ). Далее ОМФ декарбоксилируется, и образуется УМФ. Обе эти реакции  катализирует один фермент с двумя  активными центрами.

Другие пиримидиновые  нуклеотиды можно рассматривать  как производные УМФ. Для ЦМФ  источником NH₂-группы является амидная группировка глутамина. 

Ферменты обмена пиримидиновых  нуклеотидов способны распознавать в субстрате не только азотистое  основание, но и количество остатков фосфорной кислоты. Как показано на схеме, цитидиновые нуклеотиды образуются только на основе трифосфатной формы.

Субстратами для синтеза  РНК являются АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ - рибонуклеотиды, а для синтеза ДНК – нуклеотиды, содержащие дезоксирибозу - dНТФ (дезоксирибонуклеотиды). Дезоксирибоза – продукт восстановления рибозы. Дезоксирибонуклеотиды образуются из рибонуклеотидов под действием фермента НДФ-редуктазы.

Источником водорода является фермент НДФ-редуктаза, содержащий две SH-группы. Регенерация восстановленной формы НДФ-редуктазы происходит с помощью цепи реакций, где непосредственным донором водорода является специальный белок – тиоредоксин, который получает два атома водорода от трипептида глутатиона, переходящего при этом в окисленную форму. Последующее восстановление окисленного глутатиона с помощью фермента глутатионредуктазы, использующей для этого НАДФ^.Н₂(смотрите схему).

Так образуются все dНДФ, в том числе и dУДФ, однако в состав ДНК он не входит, а преобразуется в тимидиловые нуклеотиды. Для этого требуется dУМФ:

ТМФ может образоваться как в  дезоксиформе (dТМФ), так и в окси- - ТМФ. Реакцию образования (d)ТМФ катализирует фермент тимидилатсинтетаза, в состав ее кофермента входит ТГФК. Этот фермент – мишень для многих фармакологических препаратов. Постоянно тимидиловые нуклеотиды необходимы только для синтеза ДНК, поэтому угнетение этого фермента тормозит деление клеток, но не влияет на скорость синтеза информационной РНК (и-РНК) и белков. Ингибиторы тимидилатсинтетазы применяются в терапии рака.

Существуют 2 основных группы таких  веществ:

1. Конкурентные ингибиторы - вещества, похожие на субстрат. Например, его производное - dУМФ-5-фторурацил.
2.   Вещества, похожие на кофермент тимидилатсинтазы - ТГФК. Например, антивитамин ФК – препарат метатрексат.

Образовавшийся (d)ТМФ подвергается фосфорилированию:

(d)ТМФ Þ (d)ТДФ Þ (d)ТТФ.

Остальные мононуклеотиды могут быть использованы для синтеза ДНК  только в трифосфатной дезоксиформе: dАТФ, dГТФ, dЦТФ.

 

 

 

СИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ  КИСЛОТ ИЗ МОНОНУКЛЕОТИДОВ

Нуклеиновые кислоты (НК) являются полимерами. Поэтому их синтез представляет собой цепочку реакций  полимеризации мононуклеотидов. В  ходе этих реакций идет постепенное  удлинение полинуклеотидной цепи.

Субстратами для синтеза  являются мононуклеотиды в трифосфатной форме, они же являются источниками  энергии (содержат макроэргические  связи). В ходе синтеза отщепляется  ФФ и происходит освобождение энергии. В общем вид процесс выглядит так:

Образуется 3’,5’-фосфодиэфирная связь. Выделяющийся пирофосфат (ФФ) разрушается  пирофосфатазой.

Для синтеза нуклеиновых  кислот, помимо субстратов и ферментов, обязательно нужна матрица, которая  определяет порядок присоединения  субстратов – мононуклеотидов (комплементарность к нуклеотидам ДНК).

Ферменты синтеза РНК  – РНК-полимеразы, ДНК – ДНК-полимеразы. Полимеразы относятся к классу синтетаз. Их биосинтез контролируют сами субстраты – нкуклеиновые кислоты.

Несмотря на общий механизм действия, между РНК-полимеразами и ДНК-полимеразами существуют важные отличия:

1. ДНК полимераза не может начать синтез, а только удлиняет уже имеющийся полинуклеотидный фрагмент. Для начала синтеза необходима особая РНК-полимераза – праймаза, синтезирующая праймеры (затравки).
2. ДНК-полимеразные реакции протекают на протяжении всей матрицы: образуется комплементарная молекула ДНК. РНК-полимеразы действуют только на определенных участках нити ДНК – от промоторов до терминаторов (промоторы указывают на начало транскрипции, терминаторы - на ее окончание).

Образующаяся молекула ДНК является готовым продуктом, а продукт действия РНК-полимераз  – только первичный транскрипт (высокомолекулярный предшественник зрелой РНК). После его синтеза происходит целая серия реакций посттранкрипционной модификации РНК. Осуществляется тремя группами ферментов:

1. Специфические эндонуклеазы. Их действие приводит к фрагментации первичного транскрипта.
2. Ферменты, способные образовывать 3’,5’-фосфодиэфирные связи – лигазы, которые сшивают фрагменты.