Синтез пуриновых нуклеотидов

Введение

Гетероциклические азотистые основания – пурины и пиримидины - являются исходными структурными элементами молекул нуклеозидов и нуклеотидов. Нуклеотиды принимают участие во множестве биохимических процессов. Наиболее известна роль пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов в качестве мономеров-предшественников при биосинтезе РНК и ДНК. Рибонуклеотиды выполняют в организме целый ряд важных функций: являются универсальными источниками энергии (например, АТФ), регуляторными сигналами, входят в состав коферментов (ФАД, НАД, НАДФ), служат переносчиками метильных групп (S-аденозилметионин), являются макроэргическими посредниками в углеводном обмене и в синтезе липидов. Обмен пуринов и пиримидинов в организме состоит из трех основных путей – синтеза, катаболизма и взаимопревращений нуклеозидов и нуклеотидов. Способность синтезировать пуриновое кольцо de novo универсальна у всех живых организмов. Окончательный продукт метаболизма пуринов у человека — мочевая кислота. Помимо мочевой кислоты, к числу пуринов, имеющих клиническое значение, относятся аденин и гуанин. Важнейшими пиримидинами являются тимин, цитозин и урацил.   К заболеваниям, которые связаны с нарушениями обмена пуринов и пиримидинов, относятся подагра, синдром Леша— Найхана, синдром Рейе, недостаточность аденозин-дезаминазы, недостаточность пуриннуклеозидфосфорилазы.

Синтез пуриновых нуклеотидов

 У человека и других млекопитающих пуриновые нуклеотиды синтезируются для обеспечения потребностей организма в мономерных предшественниках нуклеиновых кислот, а также в соединениях, выполняющих другие функции. На рис. 2 представлена схема пути биосинтеза пуриновых нуклеотидов. Первая стадия {реакция 1)— образование 5-фосфорибозил-1-пирофосфата (ФРПФ). Эта реакция не уникальна для биосинтеза пуриновых нуклеотидов. ФРПФ служит также предшественником в синтезе пиримидиновых нуклеотидов (см. рис. 10), он необходим для синтеза NAD и NADP—двух коферментов, в состав которых входит никотиновая кислота. В реакции 2 (рис. 2), катализируемой фосфорибозил-пирофосфат-амидотрансферазой, из ФРПФ и глутамина образуются глутамат и 5-фосфорибозиламин. Хотя возможны и другие механизмы синтеза 5-фосфорибозиламина, реакция, катализируемая амидотрансферазой, имеет наиболее важное физиологическое значение в тканях млекопитающих.

Далее 5-фосфорибозйламин вступает в реакцию с глицином (реакция 3); при этом образуется глицинами д-рибозилфосфат (глицинамидориботид, Г АР). Амидная группа глутамина служит источником атома азота в положении 9 молекулы пурина (N-9), а глицин—источником атомов углерода в положениях 4 и 5 (С-4 и С-5) пуринового кольца. Эту реакцию катализирует глицинамид-киносинтетаза. В реакции 4 атом азота N7 молекулы глицинамид-рибозилфосфата формилируется N5, N10-Me-тенилтетрагидрофолатом. В результате этой реакции, катализируемой глицинамид-рибозил-фосфат-формилтрансферазой, поступающий одно-углеродный фрагмент займет положение С-8 в формирующемся пуриновом основании. В реакции 5 снова участвует глутамин — донор амидной группы. Амидирование происходит по атому С-4 формилглицинамид-рибозилфосфата и катализируется формилглицин-амидин-рибозилфосфатсинтетазой. Присоединенный атом азота займет в молекуле пурина положение 3. В результате замыкания имидазольного кольца, катализируемого аминоимидазолрибозилфос-фатсинтетазой, образуется аминоимидазол-рибозилфосфат (реакция 6). Далее синтез проходит через стадию образования аминоимидазолкар-боксилат-рибозилфосфата (реакция 7). В результате реакции формируется карбонильная группа, источником которой служит молекула СО2, образующаяся в процессе дыхания. Атом азота в положении 1 происходит из а-аминогруппы аспартата (реакция 8), остальная часть которого образует сукцинильный фрагмент в молекуле аминоимидазолсукцинилкарбоксиламид-рибо-зилфосфата (АИСКАР). В реакции 9 сукцинильная группа АИСКАР удаляется в виде фумарата. Оставшийся аминоимида-золкарбоксиламид-рибозилфосфат формилируется (реакция 10) N 10-формилтетрагидрофолатом (f10-Н4фолат) с образованием амидоимидазолкарбокси-ламид-рибозилфосфата; реакция катализируется соответствующей формилтрансферазой. Вновь присоединенный атом углерода, подобно атому С-8, поступает из пула одноуглеродных фрагментов при участии тетрагидрофолата и занимает в молекуле пурина положение 2. Замыкание кольца (реакция 11) происходит с помощью IMP-циклогидролазы, в результате образуется первый пуриновый нуклеотид—инозиновая кислота (инозинмонофосфат; IMP).

Значение метаболизма фолатов

В процессе биосинтеза пуриновых нуклеотидов (рис. 2) атомы углерода в положениях 8 и 2 поступают соответственно от N5, М10-метенилтет-рагидрофолата и N10-формилтетрагидрофолата. Последний образуется из N5, N10-метенилтетрагидрофолата, который в свою очередь является продуктом NADP-зависимого дегидрогенирования N5, N10-метилентетрагидрофолата. Если N5, N10-метилентетрагидрофолат служит источником одноуглеродных фрагментов для многих акцепторов, то N5, N10-метенилтетрагидрофолат поставляет одноуглеродную группу (либо непосредственно, либо через стадию образования N10-формилтетра-гидрофолата) только в пурины. Из приведенных сведений следует, что ингибирование процессов образования рассмотренных фолатов оказывает тормозящее влияние и на синтез пуринов de novo.

Образование AMP и GMP из IMP

Как показано на рис. 3 адениновые (реакции 12 и 13) и гуаниновые нуклеотиды (реакции 14 и 15) образуются путем аминирования и соответственно окисления и аминирования общего предшественника—инозинмонофосфата (IMP). Аминирование IMP протекает через стадию образования промежуточного соединения, в котором аспартат присоединяется к инозиновой кислоте, образуя аденилосукцинат. Эта реакция напоминает реакцию 8 биосинтеза пуринов (рис. 2), в которой а-азот аспарагиновой кислоты поставляет атом N-1 пуринового кольца. Образование аденилосукцината катализируется аденилосукцинатсинтазой и происходит при участии GTP. Удаление остающейся части аспарагиновой кислоты в виде фумарата приводит к образованию адениловой кислоты (аденозинмонофосфат; AMP). Отщепление фумарата от аденилосукцината катализируется ферментом аденилосукциназой. Этот же фермент катализирует отщепление фумарата от аминоимидазолсукцинилкарбоксамидрибозил-фосфата (реакция 9). Так же, в две стадии, из IMP образуется гуанозинмонофосфат (GMP). В первой реакции на этом пути (реакция 14) при участии NAD и Н2О происходит окисление IMP с образованием ксантинмонофосфата (ХМР). Затем ХМР аминируется амидогруппой глутамина (реакция 15). Для этого процесса необходим АТР, что в какой-то мере напоминает потребность в GTP при превращении IMP в AMP.

Тканевая специфичность биосинтеза пуринов

Не во всех тканях человека происходит синтез пуриновых нуклеотидов de novo. Эритроциты и полиморфноядерные лейкоциты не способны синтезировать 5-фосфорибозиламин, и поэтому для образования пуриновых нуклеотидов им необходимы экзогенные пурины. Периферические лимфоциты способны синтезировать небольшие количества пуринов de novo. Установлено, что в клетках мозга млекопитающих содержатся очень малые количества ФРПФ-амидотрансферазы, на этом основании был сделан вывод о зависимости синтеза пуриновых нуклеотидов в мозге от поступления экзогенных пуринов. Оказалось, что основным местом синтеза пуриновых нуклеотидов в организме млекопитающих является печень. Из нее свободные основания или нуклеозиды попадают в другие ткани, не способные к синтезу пуринов de novo.

Регуляция биосинтеза пуринов

На синтез молекулы IMP затрачивается энергия гидролиза шести макроэргических фосфодиэфирных связей АТР, при этом в качестве предшественников выступают глицин, глутамин, метенилтетрагидрофолат и аспартат. Для экономии энергетических и питательных ресурсов важна эффективная регуляция процесса биосинтеза пуринов de novo. Важнейшую роль в этом процессе играет внутриклеточная концентрация ФРПФ. Она определяется соотношением скоростей его синтеза, утилизации и деградации. Скорость синтеза ФРПФ зависит от 1) наличия субстратов синтеза, особенно рибозо-5-фосфата, и 2) каталитической активности ФРПФ-синтазы, которая в свою очередь связана с внутриклеточной концентрацией фосфатов, а также с концентрацией пуриновых и пиримидиновых рибонуклеотидов, выступающих в роли аллостерических регуляторов (рис. 6). Скорость утилизации ФРПФ в значительной степени зависит от интенсивности цикла реутилизации пуриновых оснований, в ходе которого ксантин и гуанин фосфорибозилируются до соответствующих рибонуклеотидов. В меньшей степени скорость утилизации ФРПФ зависит от интенсивности синтеза пуринов de novo. Этот вывод основан на следующем наблюдении: в эритроцитах и культивируемых фибробластах мужчин с наследственным нарушением активности гипоксантин-гуанин—фосфо-рибозилтрансферазы уровень ФРПФ повышается в несколько раз.

Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозначают ингибирование конечными продуктами по принципу обратной связи. Показано, что ФРПФ-амидотрансфераза – первый из ферментов, участвующих в процессе синтеза пуриновых нуклеотидов de novo, ингибируется in vitro пуриновыми нуклеотидами (особенно аденозинмонофосфатом и гуанозинмонофосфатом) по принципу обратной связи. Эти ингибиторы конкурируют с субстратом — ФРПФ, последний, как выяснилось, занимает центральное место в регуляции синтеза пуринов de novo. Многие косвенные данные свидетельствуют о том, что роль амидотрансферазы в этом процессе менее существенна, чем ФРПФ-синтетазы. Образование GMP или AMP из IMP регулируется двумя механизмами (рис.7).

Регуляция превращений IMP в аденозиновые и гуанозиновые нуклеотиды. Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозначают положительную и отрицательную регуляцию по принципу обратной связи. AMP регулирует активность аденилосукцинатсинтетазы, влияя по принципу обратной связи на собственный синтез. GMP регулирует собственный синтез, действуя по тому же принципу на 1МР-дегидрогеназу. Наряду с этим образование аденилосукцината из IMP на пути к AMP стимулируется GTP. Образование же GMP из ксантозинмонофосфата требует присутствия АТР. Таким образом, наблюдается существенная перекрестная регуляция дивергентных путей метаболизма IMP. Такая регуляция тормозит биосинтез одного из пуриновых нуклеотидов при недостатке другого. Гипоксантингуанин-фосфорибозилтрансфераза, катализирующая образование из ксантина и гуанина IMP и GMP соответственно, весьма чувствительна к ингибирующему действию этих нуклеотидов.

Биосинтез пиримидинов

Структура ядра пиримидинов проще и путь их биосинтеза короче, чем у пуринов. В то же время оба пути имеют ряд общих предшественников. ФРПФ, глутамин, СО2 и аспартат необходимы для синтеза всех пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов. Синтез тимидиновых нуклеотидов, а также всех пуриновых нуждается в присутствии производных тетрагидрофолата. Можно отметить одно существенное различие в путях биосинтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. В первом случае синтез начинается с молекулы рибозофосфата как интегральной части будущей молекулы предшественника нуклеотида, во втором случае сначала синтезируется пиримидиновое основание и только на последних стадиях присоединяется остаток рибозофосфата. Синтез пиримидинового кольца (рис. 9) начинается с образования карбамоилфосфата из глутамина, АТР и СО2 в реакции, катализируемой в цитозоле карбамоилфосфатсинтазой (реакция 1). Отметим, что карбамоилфосфатсинтаза, ответственная за ранние стадии синтеза мочевины, локализована в митохондриях. Первый уникальный для биосинтеза пиримидинов этап — образование карбамоиласпартата в реакции конденсации карбамоилфосфата и аспартата катализируется аспартаттранскарбамоилазой (реакция 2). Затем в реакции, катализируемой дигидрооротазой, выщепляется Н2О и образуется кольцевая структура (реакция 3). На следующем этапе происходит дегидрогенирование под действием дигидрооротатдегидрогеназы с использованием NAD в качестве кофактора, при этом образуется оротовая кислота (реакция 4). В реакции 5 к оротовой кислоте присоединяется остаток рибозофосфата с образованием оротидилата (оротидинмонофосфат, ОМР). Этот процесс осуществляется оротат-фосфорибозилгрансферазой — ферментом, аналогичным гипоксантин-гуанин—фосфорибозилтрансферазе и аденин-фосфорибозил-трансферазе, которые участвуют в фосфорибозилировании пуриновых колец. Первый истинный пиримидиновый рибонуклеотид—уридилат (уридинмонофосфат, UMP) образуется при декарбоксилировании оротидилата (реакция 6). Таким образом, только на предпоследней стадии образования UMP происходит фосфорибозилирование гетероцикла. Дигидрооротатдегидрогеназа митохондриальный фермент. Все остальные ферменты, участвующие в синтезе пиримидинов de novo, локализуются в цитозоле. Фосфорилирование пиримидиновых нуклеозидмонофосфатов до соответствующих ди- и трифосфатов происходит аналогично тому, как это описано для пуриновых нуклеозидмонофосфатов (реакции 7—12). UTP аминируется до СТР; в реакции участвуют глутамин и АТР (реакция 9). Механизм восстановления пиримидиннуклеозиддифосфатов до соответствующих 2/-дезоксинуклеозиддифосфатов (реакция 10) также аналогичен тому, который описан для пуриновых нуклеозиддифосфатов (рис. 5 и 8). Образование тимидилата (тимидинмонофосфат; ТМР) (реакция 12) — единственная реакция на пути биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов, требующая участия производного тетрагидрофолата в качестве донора одноуглеродного фрагмента. 2'-Дезокси-UMP метилируется тимидилатсинтазой, использующей N5, N10-метилентетрагидрофолат как донор метильной группы. Метиленовая группа N5, N10-метилентетрагидрофолата в ходе реакции восстанавливается до метильной и присоединяется к атому С-5 dUMP. Процесс сопровождается окислением тетрагидрофолатного переносчика до дигидрофолата. Можно считать, что в результате метилирования dUMP с образованием ТМР происходит полное восстановление гидроксиметильной группы серина (переносимой на тетрагидрофолат при образовании N5, N10-метилентетрагидрофолата) до метильной с одновременным окислением тетрагидрофолата до дигидрофолата. Для того чтобы фолатный переносчик и далее мог функционировать, необходимо восстановить дигидрофолат до тетрагидрофолата. Эту реакцию катализирует дигидрофолатредуктаза. Именно поэтому делящиеся клетки, вынужденные синтезировать ТМР с образованием дигидрофолата, оказываются особенно чувствительны к ингибиторам дигидрофолатредуктазы. Один из таких ингибиторов — метотрексат (аметоптерин) широко используется как противоопухолевый препарат (см. ниже).

Регуляция биосинтеза пиримидинов

Путь биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов регулируется двумя различными механизмами. Активность первых двух ферментов находится под контролем аллостерических эффекторов. Кроме того, три первых и два последних фермента являются объектами координированной репрессии—дерепрессии. Карбамоилфосфатсинтаза ингибируется UTP, пуриновыми нуклеотидами, но активируется ФРПФ (рис. 10). Аспартаттранскарбамоилаза особенно чувствительна к ингибирующему влиянию СТР. Аллостерические свойства аспартаткарбамоилазы микроорганизмов явились предметом интенсивных и ставших уже классическими исследований механизмов аллостерической регуляции активности ферментов. Скорость биосинтеза пиримидинов коррелирует со скоростью биосинтеза пуринов, что указывает на координированный контроль синтеза нуклеотидов обоих типов. ФРПФ-синтетаза, фермент, катализирующий образование предшественника обоих путей биосинтеза, ингибируется по принципу обратной связи как пуриновыми, так и пиримидиновыми нуклеотидами. Карбамоилфосфатсинтаза также подвержена ингибированию по принципу обратной связи нуклеотидами обоих типов, а ФРПФ активирует этот фермент. Таким образом, на нескольких этапах биосинтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов осуществляется перекрестная регуляция.

Регуляция пути биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов. Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозначают положительную и отрицательную регуляцию по принципу обратной связи

Подагра

Подагра ( греч. podagra от podos - нога, стопа + agra - захват; буквально капкан для ног) - хроническое заболевание, обусловленное нарушением обмена веществ. Первое классическое описание клиники подагры дает Т.Синегам в 1683 году. Спустя почти 200 лет (в 1848 году)  Гаррод (Garrod A.B.) указал на связь подагры с повышением уровня мочевой кислоты  в крови (гиперурикемия), а в 1899 году Фрейдвельтер (M.Freudwelter) обнаружил кристаллы уратов (солей мочевой кислоты) в суставной жидкости больных подагрой. Основной патогенетический фактор - повышение уровня мочевой кислоты в плазме - более 7 мг/100 мл мочевой кислоты в крови для мужчин и более 6 мг/100 мл для женщин). Гиперурикемия, превышающая 9 мг/100 мл в 90% случаев сопровождается клиническими проявлениями.

Причины заболевания: наследственность, избыточное потребление мясных продуктов, злоупотребление алкоголем. Заболевание развивается в результате генетически обусловленного поражения фермента гипоксантин-гуанин фосфорибозилтрансферазы ( Kelly W.N.,1983 ; Wyngaarden J.B.,1983 ; McGregor W.G.,1991 ). В случае первичной подагры фермент сохраняет частичную активность, а в случае вторичной подагры (синдрома Леша-Найхана) наблюдается полная потеря ферментативной активности.  При подагре отложения кристалов солей мочевой кислоты (уратов) наблюдаются в суставных хрящах, эпифизах костей, околосуставных тканях, почках и других органах с последующим развитием в них воспалительных и затем деструктивно-склеротических изменений.  Клинические проявления: острый или рецидивирующий артрит, подагрические тофусы, деформация суставов с нарушением их функции, гиперурикемия. Частое осложнение - образование уратных камней.  Болезнь развивается главным образом у мужчин (93-98% случаев) и начинается чаще в возрасте 35-50 лет. Подагра представляет собой синдром, который характеризуется артритом и избытком мочевой кислоты в крови (гиперурикемия). Причины, частота острых воспалительных приступов и сопровождающие их воздействия на другие органы в разных случаях бывают различными. Это заболевание чаще встречается у мужчин, причем с возрастом тяжесть проявлений и частота приступов нарастают. Установлено, что воспалительные изменения суставов, а также обычно сопровождающие это заболевание поражения почек обусловлены осаждением в тканях кристаллов мононатриевой соли мочевой кислоты. Со временем эти отложения урата натрия превращаются в большие видимые простым глазом узлы — тоффи, которые особенно часто встречаются в области суставов конечностей; одновременно появляются камни в мочевыводящих путях. В крови больных подагрой ураты содержатся в количестве, превосходящем теоретический предел растворимости, т. е. образуют перенасыщенный раствор Хотя белки сыворотки стабилизируют такой перенасыщенный раствор на длительное время, любое местное снижение рН (например, в мочевыводящих путях) или возможный распад солюбилизирующих факторов (например, в соединительной ткани суставов) может привести к появлению очагов кристаллизации мочевой кислоты или ее солей. Благоприятствующим фактором может быть уменьшение экскреции, особенно как следствие заболевания почек, злоупотребления алкоголем или отравления солями тяжелых металлов. Метаболические нарушения при подагре, подобно типу наследования, являются мультифакторными. В ряде случаев усиленное образование мочевой кислоты бывает связано с нарушением механизма повторного использования пуринов. Фермент фосфорибозилтрансфераза в норме участвует в повторном использовании гипоксантина или гуанина, превращая их в соответствующие нуклеотиды; эта реакция, требующая энергетического обеспечения за счет другого субстрата — ФРФФ,— полностью аналогична процессу присоединения оротовой кислоты к рибозе на главном пути биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов. У некоторых страдающих подагрой взрослых врожденная частичная недостаточность этой трансферазы приводит (по еще не объясненным причинам) к общей активации биосинтеза пуринов. Когда этот фермент отсутствует полностью (так называемый синдром Леша — Нихана), развиваются сопутствующие гиперурикемии чрезвычайно тяжелые поражения нервной системы. Для таких больных характерны отставание в умственном развитии, начиная с раннего детства, стремление к самоистязанию (укусы). Такие лекарственные средства, как аллопуринол, который снижает образование мочевой кислоты в результате торможения ксантиноксидазной активности, и пробенецид, который усиливает выведение мочевой кислоты почками, были успешно использованы для устранения гиперурикемии и для облегчения многих проявлений этих заболеваний.