Материал: Задачи по биохимии

II. Синтез пуриновых нуклеотидов

А. Образование 5-фосфорибозил-1-дифосфата

Фосфорибозилдифосфат (ФРДФ), или фос-форибозилпирофосфат (ФРПФ) занимает центральное место в синтезе как пуриновых, так и пиримидиновых нуклеотидов (рис. 10-2).

Рис. 10-2. Образование 5-фосфорибозил-1-дифосфата.

Он образуется за счёт переноса β,γ-пирофосфатного остатка АТФ на рибозо-5-фосфат в реакции, катализируемой ФРДФ-синтетазой.

Источниками рибозо-5-фосфата могут быть: пентозофосфатный путь превращения глюкозы или катаболизм нуклеозидов, в ходе которого под действием нуклеозидфосфорилазы первоначально образуется рибозо-1-фосфат, а затем с помощью соответствующей мутазы фосфатный остаток переносится в 5-положение.

ФРДФ участвует не только в синтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов из простых предшественников (т.е. de novo), но используется на образование пуриновых нуклеотидов по "запасному" пути и в синтезе нуклеотидных коферментов.

Б. Биосинтез пуриновых нуклеотидов DE NOVO

Сборка пуринового гетероцикла осуществляется на остатке рибозо-5-фосфата при участии различных доноров углерода и азота (рис 10-3)

Рис. 10-3. Происхождение атомов С и N в пуриновом кольце.

Включение простых предшественников в нуриновое кольцо с образованием ИМФ

Первая специфическая реакция образования пуриновых нуклеотидов - перенос амидной группы Глн на ФРДФ с образованием 5-фосфорибозил-1 -амина (рис. 10-4). Эту реакцию катализирует фермент амидофосфорибозилтрансфераза. При этом формируется β-N-гликозидная связь.

Затем к аминогруппе 5-фосфорибозил-1-амина присоединяются остаток глицина, N⁵,N¹⁰-метенил-Н₄-фолата ещё одна амидная группа глутамина, диоксид углерода, аминогруппа аспартата и формильный остаток N¹⁰-формил Н₄-фолата. Результатом этой десятистадийной серии реакций является образование первого пуринового нуклеотида - инозин-5'-монофосфата (ИМФ), на синтез которого затрачивается не менее шести молекул АТФ. В отличие от прокариотов, у которых каждую стадию этого процесса катализирует отдельный фермент, у эукариотов за счёт слияния генов возникли полифункциональные ферменты, каждый из которых катализирует несколько реакций. В синтезе пуриновых нуклеотидов de novo это реакции 3,4 и 6, 7-8 и 10-11 соответственно.

ИМФ в основном используется на синтез АМФ или ГМФ. Небольшое количество этого продукта обнаруживается также в тРНК в качестве одного из минорных нуклеотидов.

Превращение ИМФ в АМФ и ГМФ в обоих случаях включает 2 стадии и идёт с затратой энергии (рис. 10-5).

Аденилосукцинатсинтетаза, используя энергию ГТФ, присоединяет аспартат к ИМФ с образованием аденилосукцината, который в реакции, катализируемой аденилосукциназой, отщепляет фумарат и превращается в АМФ.

Второй пуриновый нуклеотид (ГМФ) образуется также в 2 стадии. Сначала ИМФ окисляется NAD⁺-зависимой ИМФ-дегидрогеназой с образованием ксантозин-5'-монофосфата (КМФ). Последующее трансамидирование гидроксильной группы при С₂-пуринового кольца КМФ катализирует ГМФ-синтетаза с использованием амидной группы Глн и энергии АТФ.

При образовании пуриновых нуклеотидов ГТФ расходуется на синтез АМФ, а АТФ - на синтез ГМФ. Перекрёстное использование пуриновых нуклеозидтрифосфатов на образование конечных продуктов синтеза помогает поддерживать в клетках баланс адениловых и гуаниловых нуклеотидов.

Печень - основное место образования пури-новых нуклеотидов, откуда они могут поступать в ткани, не способные к их синтезу: эритроциты, ПЯЛ и частично мозг.

В. "Запасные" пути синтеза путиловых нуклеотидов (реутилизация азотистых оснований и нуклеозидов)

Огромные затраты энергии для синтеза пуриновых нуклеотидов de novo не способны полностью обеспечить субстратами синтез нуклеиновых кислот в период гаструляции и раннего роста ребёнка. Потребность в большом количестве нуклеотидов привела к развитию "запасных" путей синтеза этих "дорогих" молекул. Наибольшее значение в этом процессе имеют ферменты, осуществляющие превращение пуринов в мононуклеотиды с использованием ФРДФ как донора остатка фосфорибозы.

Синтез АМФ и ГМФ из аденина и гуанина

ФРДФ-зависимое фосфорибозилирование пуринов катализируют 2 фермента.

• Аденинфосфорибозилтрансфераза, ответственная за образование АМФ (рис. 10-6).

• Гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансфераза, катализирующая образование ИМФ и ГМФ из гипоксантина и гуанина соответственно (рис. 10-7).

Однако в организме при любых ситуациях этот путь синтеза пуриновых нуклеотидов, получивший название "путь спасения", имеет вспомогательное значение.

Нуклеозидкиназы

Нуклеозиды, получающиеся при катаболизме нуклеиновых кислот из нуклеотидов под действием нуклеотидаз, могут повторно фосфорилироваться, образуя нуклеозид-5'-монофосфаты за счёт переноса γ-фосфатного остатка АТФ на соответствующий субстрат. У млекопитающих такой путь пополнения запасов пуриновых нуклеотидов в клетке не имеет существенного значения. Основным ферментом этой группы является аденозинкиназа, которая ускоряет реакцию:

Аденозин + АТФ → АМФ + АДФ.

Из всех способов реутилизации пуринов наиболее активна гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансферазная реакция, поскольку ИМФ, образующийся в этой реакции, вовлекается в синтез АМФ и ГМФ. Использование гипоксантина и гуанина по запасному пути становится жизненно важным событием в клетках, не способных к синтезу пуриновых нуклеотидовde novo. Значение аденинфосфорибозилтрансферазы в повторном использовании аденина менее существенно. По сравнению с аденозином количество аденина в клетках мало, а первый возвращается в фонд нуклеотидов с помощью аденозинкиназы.

527

Рис. 10-6. Фосфорибозилирование аденина в АМФ.

Рис. 10-7. Фосфорибозилирование гипоксантина и гуанина с образованием ИМФ и ГМФ.

Г. Регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов

Основным показателем, от которого зависит синтез пуриновых нуклеотидов, служит концентрация ФРДФ, которая, в свою очередь, зависит от скорости его синтеза, утилизации и разрушения. Количество ФРДФ определяется доступностью рибозо-5-фосфата и активностью ФРДФ синтетазы - фермента, чувствительного к концентрации фосфата и пуриновых нуклеотидов. Внутриклеточная концентрация ФРДФ строго регулируется и обычно низкая. ФРДФ синтетаза - аллостерический фермент. Он активируется неорганическим фосфатом (Р_i) и ингибируется пуриновыми нуклеозид- моно-, ди- и трифосфатами, которые по эффективности ингибирования распределяются в следующем порядке:

528

НМФ > НДФ > НТФ (рис. 10-8). ФРДФ служит не только субстратом, но и аллостерическим активатором второй реакции синтеза пуринонуклеотидов de novo, которую катализирует амидофосфорибозилтрансфераза.

Рис. 10-8. Регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов. 1 - ФРДФ синтетаза; 2 - амидофоофорибозилтрансфераза; 3 - ИМФ дегидрогеназа; 4 - аденилосукцинатсинтетаза.

Пуриновые нуклеотиды, особенно АМФ и ГМФ по механизму отрицательной обратной св1язи ингабируют амидофосфорибозилтрансферазу, которая катализирует первую специфическую реакцию синтеза пуриновых нуклеотидов de novo.

Метаболическая цепь образования АМФ и ГМФ de novo регулируется также в месте её разветвления: АМФ ингибирует аденилосукцинатсинтетазу, а ГМФ - реакцию образования ксантиловой кислоты, которую катализирует ИМФ дегидрогеназа. Перекрёстная регуляция путей использования ИМФ служит для того, чтобы снизить синтез одного пуринового нуклеотида при дефиците другого.

Помимо ферментов основного пути синтеза пуриновых нуклеотидов de novo, регулируется также активность ферментов "запасных" путей: аденинфосфорибозилтрансфераза ингибируется АМФ, а гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансфераза - ИМФ и ГМФ.

Рис. 10-4. Синтез пуриновых нуклеотидов de novo.

Рис. 10-5. Синтез АМФ и ГМФ из ИМФ. 1 - аденилосукцинатсинтетаза; 2 - аденилосукциназа; 3 - ИМФ-дегидрогеназа; 4 - ГМФ-синтетаза.

56. Синтез пиримидиновых нуклеотидов dе novo его регуляция

Субстраты из простых предшественников: СО2, глутамина, и аспарагиновой кислоты и затем связывается с рибозо-5-фосфатом, полученным от ФРДФ.

Процесс протекает в цитозоле клеток. Синтез ключевого пиримидинового нуклеотида - УМФ идёт с участием 3 ферментов, 2 из которых полифункциональны.

Медленный,многостадийный,энергозатратный (13реак., -6АТФ), контролируется регул. ферментами ( ГМФ, ИМФ-дегидрогеназа, АМФ-аденилосукцинатсинтетаза, ФРПФ-синтаза,амидотрасфераза).

Образование дигидрооротата

У млекопитающих ключевой, регуляторной реакцией в синтезе пирймидиновых нуклеотидов является синтез карбамоилфосфата из глутамина, СО2 и АТФ, в реакции катализируемой кар-бамоилфосфатсинтетазой II (КФС II), которая протекает в цитозоле клеток (рис. 10-12). В реакции NH 2-гpyппa карбамоилфосфата образуется за счёт амидной группы глутамина, что отличает эту реакцию от реакции синтеза карбамоилфосфата в митохондриях в процессе синтеза мочевины из СО 2, NH 3 и АТФ с участием КФС I.

Карбамоилфосфат, использующийся на образование пирймидиновых нуклеотидов, является продуктом полифункционального фермента, который наряду с активностью КФС II содержит каталитические центры аспартаттранскарбамоилазы и дигидрооротазы. Этот фермент назвали

"КАД-фермент" - по начальным буквам ферментативных активностей, которыми обладают отдельные каталитические домены этого белка. Объединение первых трёх ферментов метаболического пути в единый полифункциональный комплекс позволяет использовать почти весь синтезированный в первой реакции карбамоилфос-фат на взаимодействие с аспартатом и образование карбамоиласпартата, от которого отщепляется вода и образуется циклический продукт - дигидрооротат.

Отщепляясь от КАД-фермента, дигидрооротат подвергается дегидрированию NAD-зависимой дигидрооротатдегидрогеназой и превращается в свободное пиримидиновое основание - оротовую кислоту, или оротат.

Образование УМФ

В цитозоле оротат становится субстратом бифункционального фермента - УМФ-синтазы, которая обнаруживает оротатфосфорибозилтранс-феразную и ОМФ-декарбоксилазную активности. Первоначально фосфорибозильный остаток от ФРДФ переносится на оротат и образуется нук-леотид - оротидин-5'-монофосфат (ОМФ), декарбоксилирование которого даёт уридин-5-монофосфат (УМФ).

Таким образом, шесть последовательных реакций синтеза пиримидиновых нуклеотидов осуществляются тремя ферментами, которые кодируются в геноме человека тремя различными структурными генами.

Биосинтез УДФ, УТФ и иитидиловых нуклеотидов

УМФ под действием специфических нуклео-зидмонофосфат (НМФ) и нуклеозиддифосфат (НДФ) киназ превращается в УДФ и УТФ в результате переноса γ-фосфатного остатка АТФ на соответствующий субстрат.

НМФ-киназа катализирует следующую реакцию:

УМФ + АТФ → УДФ + АДФ,

а НДФ-киназа:

УДФ + АТФ → УТФ + АДФ.

ЦТФ синтетаза катализирует амидирование УТФ (рис, 10-14), осуществляя АТФ-зависимое замещение кетогругшы урацила на амидную группу глутамина с образованием цитидин-5'-трифосфата (ЦТФ).

"Запасные" пути синтеза пиримидиновых нуклеотидов

Субстраты свободные азот. основ. из путей катаболизма пуринов.

Образование АМФ из аденина с пом. фер. аденинфосфорибозинтранс-за, ГМФ из гуанина с таким же фер., ИМФ из гипоксина с таким же фер.

Процесс намного быстрее, но энергосберегающий.

Отклонения: с-м Леша-Нихана- отсут. фермента, харак. умств. отсталость с опред. аутоагрессией.

Использование пиримидиновых оснований и нуклеозидов в реакциях реутилизации препятствует катаболизму этих соединений до конечных продуктов с расщеплением пиримидинового кольца. В ресинтезе пиримидинов участвуют некоторые ферменты катаболизма нуклеотидов. Так, уридинфосфорилаза в обратимой реакции может рибозилироватъ урацил с образованием уридина.

Урацил + Рибозо-1-фосфат → Уридин + Н3РО4 .

Превращение нуклеозидов в нуклеотиды катализирует уридин-цитидинкиназа.

Часть ЦМФ может превращаться в УМФ под действием цитидиндезаминазы и пополнять запасы уридиловых нуклеотидов.

ЦМФ + Н 2О → УМФ + NH3 .

Регуляция синтеза пиримидиновых НУКЛЕОТИДОВ

Регуляторным ферментом в синтезе пиримидиновых нуклеотидов является полифункциональный

Биосинтез УМФ de novo.

Синтез ЦТФ из УТФ

КАД-фермент. УМФ и пуриновые нуклеотиды аллостерически ингибируют, а ФРДФ активирует его карбамоилсинтетазную активность, тогда как активность аспартаттранскарбамоилазного домена ингибирует ЦТФ, но активирует АТФ.

Этот способ регуляции позволяет предотвратить избыточный синтез не только УМФ, но и всех других пиримидиновых нуклеотидов и обеспечить сбалансированное образование всех четырёх основных пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, необходимых для синтеза РНК.

Регуляция синтеза пиримидиновых нуклеотидов. КАД-фермент катализирует реакции 1, 2, 3; дигидрооротатдегидрогеназа - реакцию 4; УМФ синтетаза - реакции 5 и 6; НМФ киназа - реакцию 7; НДФ киназа - реакцию 8; ЦТФ синтетаза - реацию 9.