Обмен пуриновых и пиримидиновых оснований

 

Введение

Гетероциклические основания (пурины и пиримидины) являются исходными структурными элементами молекул нуклеозидов и нуклеотидов.

Нуклеотиды присутствуют во всех без исключения живых клетках, выполняя целый ряд ключевых функций. В их числе построение нуклеиновых кислот из рибозо и дезоксирибозонуклеозидмонофосфатных звеньев(рнк и днк соответственно); перенос энергии (АТР); образование коферментов(АМР), участие в роли акцепторов в окислительном фосфорилировании (АDP), а также в качестве аллосторических регуляторов активности ряда ферментов и вторичных посредников.

 Синтетические аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов широко применяются в научных исследованиях и клинической медицине. Их использование основано на роли нуклеотидов как компонентов нуклеиновых кислот, определяющие такие жизненно важные функции клетки, как ее рост и деление. Для деления необходим этап репликации ДНК. Это означает, что предшественники нуклеиновых кислот – нормальные пуриновые и пиримидиновые дезоксирибонуклеотиды - должны быть легко доступны.

 

 

2. Нуклеиновые кислоты

В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекулярная масса самой «маленькой» из известных нуклеиновых кислот - транспортной РНК (тРНК) составляет примерно 25 кД. ДНК - наиболее крупные полимерные молекулы; их молекулярная масса варьирует от 1 000 до 1 000 000 кД. ДНК и РНК состоят из мономерных единиц - нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами.

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые - аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые - цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U).

2.1.Пурин

Пурин— органическое азотсодержащее соединение. Производные Пурина широко распространены в природе и играют важную роль в различных биологических процессах. Ядро Пурина входит в состав многих алкалоидов, витаминов, антибиотиков, нуклеотидов. Формула пурина:

 

Впервые пурин был синтезирован Эмилем Фишером из мочевой кислоты 8 замещением кислорода на хлор действием пентахлорида фосфора и дальнейшим восстановлением образовавшегося 2,6,8-трихлорпурина 10:

 

2.2.Пиримидин

Пиримидин (C4N2H4,  м-диазин, миазин) — гетероциклическое соединение, имеющее плоскую молекулу, простейший представитель 1,3-диазинов. Бесцветные кристаллы с характерным запахом.  Пиримидин проявляет свойства слабого двукислотного основания, так как атомы азота могут присоединять протоны за счет донорно-акцепторной связи, приобретая при этом положительный заряд.

Реакционная способность в реакциях электрофильного замещения у пиримидина снижена из-за снижения электронной плотности в положениях 2,4,6, вызванного наличием двух атомов азота в цикле. Так, пиримидин не нитруется и не сульфируется, однако в виде соли бромируется в положение 5. Пиримидин получают восстановлением галогенизированых пиримидиновых производных. Или из 2,4,6-трихлор пиримидина, получаемого обработкой барбитуровой кислоты хлороксидом фосфора. Производные пиримидина широко распространены в живой природе, где участвуют во многих важных биологических процессах. В частности, такие производные как цитозин, тимин,урацил входят в состав нуклеотидов, являющихся структурными единицами нуклеиновых кислот, пиримидиновое ядро входит в состав некоторых витаминов группы B, в частности B1,  коферментов и антибиотиков.

 

3. Обмен пурина и пиримидина

Обмен пуринов и пиримидинов в организме состоит из трех основных путей – синтеза, катаболизма и взаимопревращений нуклеозидов и нуклеотидов.

Синтез. Центральными промежуточными продуктами биосинтеза, предшественников нуклеиновых кислот, являются мононуклеотид уридинмонофосат для пиримидинового ряда и инозинмонофосфат основание: гипоксантин для пуринов. Путь синтеза различен для пиримидиновых и пуриновых оснований. В первом случае строится, прежде всего, пиримидиновое кольцо и затем к нуклеотиду присоединяется рибозо-5'-фосфат. Синтез пуриновых нуклеотидов, напротив, начинается с рибозо-5'-фосфата и исходя из него шаг за шагом формируется кольцо. Непосредственными предшественниками в синтезе пиримидинового кольца являются карбамоилфосфат, который образуется из глутамина и НСО3 и аспартат. После образования N-карбамоиласпартата происходит замыкание кольца с образованием дигидрооротата. У млекопитающих стадии от 1а до 1в проходят в цитоплазме и катализируются одним полифункциональным ферментом. На следующей стадии дигидрооротат окисляется флавинмо-нонуклеотидзависимой дегидрогеназой в оротат, который связывается с фосфорибозилдифосфатом с образованием нуклеотида оротидин-5'-монофосфата декарбоксилирование которого приводит к уридин-5'-монофосфату. Пуриновый биосинтез начинается с фосфорибозилдифосфата. Сначала присоединяется аминогруппа, которая впоследствии в кольце становится N-9. Глицин и формильная группа N10-формилтетрагидрофолата поставляют недостающие атомы пятичленного кольца. Прежде чем это кольцо замкнется, присоединяются атомы N-3 и N-6 шестичленного кольца. Затем построение кольца продолжается путем присоединения N-1 и С-2. На последней стадии шестичленное кольцо замыкается с образованием инозин-5'-монофосфата, который, однако, не накапливается, а быстро превращается в АМФ и ГМФ.

 

Катаболизм. Катаболизм пиримидиновых оснований.

Возможны несколько вариантов катаболизма. Разберем более простой вариант.

Аминогруппа может отщепляться, когда азотистое основание еще находится в составе нуклеозида, мононуклеотида и даже в составе нуклеиновой кислоты. Но поскольку в организме урацил не входит в состав ДНК, то дезаминирование цитозина и превращение его в урацил воспринимается клеткой как ошибка и исправляется.

Бета-аланин обычно разрушается до CO2, H2O и NH3, но частично может использоваться для синтеза пептидов карнозина и ансерина в мышечной ткани и для синтеза КоА. Конечным продуктов распада пиримидиновых азотистых оснований можно считать и мочевину, которая образуется из аммиака по известному механизму, изложенному в лекциях по обмену белков. Тимин распадается подобно урацилу, но вместо бета-аланина образуется бета-аминоизобутират (альфа-метил-бета-аланин).

Бета-аминоизобутират выводится из организма и определение его количества в моче может использоваться для оценки катаболизма ДНК.

Катаболизм пуриновых оснований.

Распад начинается с отщепления аминогруппы (ее отщепление также возможно в составе ДНК). Такой путь распада характерен для человека. Мочевая кислота образуется еще у обезьян, ящериц, змей и долматской собаки. При наследственном дефиците фермента аденозиндезаминазы наблюдается синдром врожденного иммунодефицита.Мочевая кислота выводится из организма с мочой - это обычный ее компонент, но в почках организма человека происходит ее интенсивная реабсорбция и концентрация мочевой кислоты в крови поддерживается на постоянном уровне 0.12-0.30 ммоль/л.

Взаимопревращения нуклеозидов и нуклеотидов.

Этапы взаимопревращений экзогенных пуриновых и пиримидиновых производных:

азотистое основание превращается обратимо в нуклеозид, который превращается обратимо в нуклеотид (моно превращается обратимо в ди и затем превращается обратимо в трифосфат).

4. Нарушения обмена, наследственные заболевания

Пуриновые и пиримидиновые основания являются фрагментами нуклеиновых кислот, участвуют в кодировании и передаче наследственной информации. Производные пуринов и пиримидинов входят в состав многих биологически активных веществ – алкалоидов, коферментов, витамина B1 и др.

Наследственные дефекты обмена пуринов и пиримидинов встречаются редко и обусловлены врожденной недостаточностью ферментов. При патологии обмена нуклеотидов в первые же месяцы жизни у ребенка отмечается задержка развития двигательных навыков, а также непроизвольные движения мышц, повышенный тонус мышц стоп, спазмы конечностей; болезнь сопровождается олигофренией.

Ранняя диагностика наследственной патологии обмена нуклеотидов проводится в лаборатории «ДИАЛАБ» они выявляют нарушение обмена пуринов, пиримидинов и других фрагментов нуклеиновых кислот (22 показателя!) высокоточными методами высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии.

К типу наследственных болезней пуринового и пиримидинового обмена прежде всего следует отнести подагру. В распространении подагры имеют большое значение социальные факторы, неполноценное питание, частое употребление алкоголя и курение.

Подагра - заболевание, связанное с нарушением пуринового обмена, характеризующееся повышением содержания мочевой кислоты в крови (гиперурикемией) и отложением уратов в суставных или околосуставных тканях. Частота:1/1000 населения. Большинство больных(80-90%)-среднего или старшего возраста с предшествующей в течение 20-30 лет асимптоматичсекой гиперурикемией. Чаще болеют мужчины(20:1).Преобладающий возраст-45 лет.

Синдром Леша – Найхана - обусловлен недостаточностью фермента гипоксантинфосфорибозилтрансферазы (ГФРТ), который регулирует скорость присоединения свободных пуриновых оснований к нуклеотидам.

При недостаточности фермента ГФРТ конечным продуктом превращения пуриновых оснований является мочевая кислота. Высокое содержание мочевой кислоты и ее солей, несмотря на усиленное выделение их с мочой, приводит к формированию камней в мочевыводящих путях, отложению солей мочевой кислоты в суставах. 

В первые же месяцы жизни отмечается задержка развития двигательных навыков, а также непроизвольные движения мышц, повышение сегментарных рефлексов, быстро следующие одно за другим сокращения мышц или групп мышц стоп, спазмы конечностей.

Болезнь сопровождается олигофренией, склонностью ребенка к самоповреждениям. 

Встречается достаточно редко, лишь 1 случай на 300 тыс. рождений. Тип наследования Х-сцепленный рецессивный.

 

Вывод

Наследственные дефекты обмена пуринов и пиримидинов встречаются редко и обусловлена врожденной недостаточностью ферментов. Лечение заболеваний должно основываться на синтетических аналогах природных нуклеотидов, способные замещать их в структуре нуклеиновых кислот и оказывать ингибирующее действие на синтез рнк и днк.

  Таким образом, пиримидиновые и пуриновые основания входят в состав нуклеиновых кислот, играющие чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности организма. 

Использованная литература

1. И. Н. Денисов, Э.Г. Улумбеков. 2000 болезней. М.: «ГЭОТАР медицина», 1999.

2.Р.Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл. Биохимия человека. Том 2, М.: «МИР», 2009.

3.Т.Т. Березов. Биологическая химия. М.: «Медицина», 1982.

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%F3%F0%E8%ED

5.http://vmede.org/sait/?page=10&id=Biohimija_severin_2009&menu=Biohimija_severin_2009

6. http://kpfu.ru/docs/F446352308/NA%20book.pdf