Обмін нуклеотидів

Нуклеотидами називаються сполуки, що складаються з азотистої основи, вуглеводу-пентози і фосфорної кислоти. Прикладом може служити уріділовая кислота: У типовому нуклеотиді зв'язок між атомом "N" циклу і першим атомом вуглецю пентози - bN-гликозидная, а зв'язок між залишків фосфорної кислоти і п'ятим атомом вуглецю пентози - складноефірний. 1. Класифікація нуклеотидів Нуклеотиди можуть бути розділені на класи за кількома ознаками: а. За характером вхідного в них азотистого підстави нуклеотиди можуть бути пуринового, піримідинового, ізоаллоксазінового і т.д. рядів. б. За характером вуглеводу-пентози вони можуть бути рибонуклеотидов (містять рибозу) або ж дезоксирибонуклеотидів (містять дезоксирибозу). У деяких синтетичних нуклеотидах або нуклеозиду зустрічається також арабіноза, наприклад, в арабінозілцітозіне, який використовується як протипухлинного або противірусного препарату. в. За частоті у складі нуклеїнових кислот нуклеотиди діляться на головні і мінорні. До мінорним нуклеотидам відносяться ті нуклеотиди, кількість яких у складі ДНК не перевищує 2-3 відсотків від їх загальної кількості; на частку мінорних нуклеотидів в РНК може припадає до 15-17% від їх загальної кількості. Мінорні нуклеотиди утворюються в клітинах в результаті хімічної модифікації головних нуклеотидів; вони відрізняються від головних нуклеотидів - чи особливостями структури азотистих основ (метиловані, гідроксіметілірованние, ацетильовані і т.д. похідні); - чи особливостями структури вуглеводного компонента (як правило, це метиловані похідні пентоз); - або аномальної структурою зв'язку між азотистим підставою і пентози (так у псевдоуріділовой кислоти присутній зв'язок, яку можна назвати як b-С5-глікозидний зв'язок). До теперішнього часу ідентифіковано до п'яти десятків різних мінорних нуклеотидів. 2.Біологіческая роль нуклеотидів Нуклеотиди виконують у клітинах кілька функцій: по-перше, рибонуклеотиди пуринового або піримідинового рядів (АМФ, ГМФ, УМФ і ЦМФ та їх мінорні похідні) також як і їх дезоксібонуклеотідние аналоги (Дамфі, дГМФ, дТМФ і дЦМФ та їх мінорні похідні) виконують структурну функцію, будучи мономірні одиницями нуклеїнових кислот, по-друге, діфосфатние похідні мононуклеотидів беруть участь у багатьох метаболічних процесах в клітці в якості активаторів переносників різних угруповань (Прикладами можуть служити УДФ-глюкоза, ГДФ-маноза, ЦДФ-холін та ін .); в тертих, АТФ і ГТФ виступають в клітці як акумулятори та переносники енергії, що вивільняється при біологічному окисленні: по-четверте, НАД +, НАДФ +, ФАД, ФМН є переносниками відновлювальних еквівалентів у клітинах (проміжними переносниками протонів і електронів); в п'яте, мононуклеотид виступають в клітинах в якості біорегуляторів. Досить згадати роль АТФ як аллостеріческого інгібітора ключових ферментів ряду метаболічних шляхів (фосфофруктокінази гликолитического метаболона або цітрансінтази циклу Кребса): у шосте, такі сполуки як цАМФ або цГМФ виконують роль месенджерів чи других вісників до реалізації клітиною позаклітинного регуляторного сигналу (при дії глюкагону на гепатоцити в прискоренні мобілізації глікогену грає істотну роль підвищення концентрації цАМФ в цих клітинах). 3.Усвоеніе екзогенних нуклеїнових кислот і нуклеотидів Людина практично не потребує зовнішніх джерелах нуклеотидів, повністю покриваючи свої потреби в цих сполуках за рахунок ендогенного синтезу за умови, що в клітинах є необхідна кількість вихідних сполук для синтезу. Природно, що проблеми із синтезом таких нуклеотидів як НАД + або ФАД можуть виникнути при недостатності в організмі вітамінів В5 або В2. Надалі ми зупинимося лише на обміні пуринових і піримідинових нуклеотидів. Нуклеїнові кислоти надходять з їжею у вигляді нуклеопротеїдів, розщеплення білкової частини яких починається вже в шлунку і завершується в тонкому кишечнику. Вивільняються нуклеїнові кислоти розщеплюються в тонкому кишечнику до мононуклеотидів під дією рибонуклеаза і дезоксирибонуклеаза панкреатичного соку. Крім того, стінкою кишечнику виділяються ферменти полінуклеотідази і фосфодіестерази, які також беруть участь у розщепленні нуклеїнових кислот до мононуклеотидів. Мононуклеотид в стінку кишечника не всмоктуються, а піддаються подальшому розщепленню до нуклеоеідов і далі до вільних азотистих основ, пентоз і фосфорної кислоти під дією нуклеотидази і фосфатаз кишкової стінки. У стінку кишечника всмоктуються нуклеозиди, а також перераховані продукти повного розщеплення нуклеотидів; далі вони надходять у кров'яне русло. В організмі людини велика частина надійшли в кров пуринів і піримідинів не використовується, а деградує до кінцевих продуктів їх обміну та виводиться з організму. Таким чином, екзогенні нуклеїнові кислоти практично не виступають в якості постачальників безпосередніх попередників нуклеотидів в організмі людини. У просвіті кишечника, ймовірно, під впливом його мікрофлори, частина пуринових нуклеотидів перетворюється на гіпоксантин, ксантин і сечову кислоту і в такому вигляді надходять у внутрішнє середовище організму. 4. Метаболізм нуклеотидів піримідинового ряду Бісінтез нуклеотидів піримідинового ряду починається в цитозолі, де за участю цитозольної карбамоілфосфатсінтетази утворюється карбамоілфосфат, причому джерелом азоту для його синтезу є глутамін: СО2 + Глн + 2АТФ ---> NH2-CO-O-PO3H2 + 2АДФ + Ф + гли Далі карбамоілфосфат взаємодіючи з аспартату в реакції, що каталізується аспартаттранскарбамоилозай, перетворюється на карбамоіласпартат, а потім за участю дігігідрооротази - у дігідрооротовую кислоту: Дігідрооротовая кислота за участю мітохондріального ферменту дигидрооротатдегидрогеназы переходить в оротовую кислоту: У наступній реакції бере участь фосфорібозілпірофосфат. Він утворюється з рибоза-5-фосфату з участю АТФ в ході реакції, що каталізується ферментом фосфорибозилпирофосфатсинтетазой: Реакція синтезу фосфорібозілпірофосфата (ФРПФ) не є специфічною для синтезу піримідинових нуклеотидів, в ході цієї реакції синтезується ФРПФ, необхідний для синтезу різних мононуклеотидів. Оротовая кислота за участю ферменту оротат-фосфорибозилтрансферази переноситься на залишок рибоза-5-фосфату з утворенням оротіділовой кислоти, яка піддається декарбоксилюванню, в ході якого утворюється перший "справжній" нуклеотид піримідинового ряду - уридин-5-монофорная кислота (уріділовая кислота або УМФ). Остання реакція каталізується оротіділатдекарбоксілазой. Всі інші нуклеотиди піримідинового ряду синтезуються з уріділовой кислоти У ході синтезу піримідинових основ, використовуються глутамін, СО2, АТФ, аспартат і ФРПФ. Всі ці сполуки синтезуються в клітинах. Лише при утворенні з дУМФ дезоксітіміділовой кислоти використовується N5, N10-тетрагідрофолат, це значить, що при нестачі фолієвої кислоти (В9) в організмі буде порушений синтез дезоксітіміділовой кислоти, необхідної для подальшого синтезу ДНК в клітинах. При утворенні дТМФ з дУМФ відбувається перетворення ТГФ в дигідрофолат. Зворотний перехід ДГФ в тетрагідрофолат каталізується ферментом дигідрофолатредуктази. Лікарський препарат метотрексат (аметоптерін), широко застосовуваний при протипухлинної терапії, є потужним інгібітором дигідрофолатредуктази. Піримідинові нуклеозиди, що утворюються в клітинах при деградації відповідних нуклеотидів, можуть за допомогою спеціальних В той же час утворюються в ході внутрішньоклітинного розпаду вільні азотисті основи піримідинового ряду повторно не використовуються і піддаються розщепленню до кінцевих продуктів. Розщеплення піримідинових нуклеотидів починається з відщеплення рібозофосфатного залишку, а утворене вільне азотна основа розщеплюється без утворення специфічних кінцевих продуктів. Кінцевими продуктами розпаду урацилу, є вуглекислий газ, вода і b-аланін. При розщепленні тиміну в клітинах в якості одного з проміжних продуктів утворюється b-аміноізобутірат, який після дезамінування в кінцевому підсумку перетворюється через пропіонат в сукцініл-КоА. 5.Метаболізм нуклеотидів пуринового ряду При синтезі нуклеотидів пуринового ряду, на відміну від синтезу піримідинових нуклеотидів, формування гетероциклічного ядра йде безпосередньо на рибоза-5-фосфату. Спочатку синтезується ФРПФ, який при взаємодії з амінокіслот перетворюється в 5-фосфорібозіламін: Потім слідує велика послідовність реакцій, в ході яких формується пуриновое ядро. Першим нуклеотидом, що утворюється в ході синтезу є инозиновой кислота (ІМФ): У процесі синтезу 1 молекули инозиновой кислоти клітиною витрачається 6 молекул АТФ. Глутамін, аспартат, гліцин, вуглекислий газ утворюються в організмі, однак в умовах нестачі фолієвої кислоти можуть виникнути проблеми із забезпеченістю синтезу пуринових нуклеотидів одноуглероднимі угрупованнями, переносниками яких служить в клітинах ТГФ. З ІМФ синтезуються інші нуклеотиди пуринового ряду. При синтезі АМФ (див. далі наступну схему) йде амінірованіе ІМФ, джерелом аміногрупи служить аспартат. Реакція йде в два етапи, а витрати енергії покриваються за рахунок гідролізу ГТФ. При синтезі гуаніловой кислоти спочатку залишок гіпоксантину в ІМФ окислюється до ксантину з утворенням КМФ, а потім йде амінірованіе і перетворення КМФ в ГМФ. Донором аміногрупи виступає глутамін, енергетика реакції забезпечується розщепленням АТФ. Утворилися АМФ і ГМФ в ході реакцій трансфосфорілірованія з АТФ перетворюються на АДФ і ГДФ, а потім останні піддаються фосфорилюванню за рахунок енергії, що виділяється при біологічному окисленні, перетворюючись в АТФ і ГТФ. Описаний синтез пуринових нуклеотидів з використанням в якості пластичного матеріалу атомних угруповань з молекул інших сполук отримав назву синтезу de novo. У клітинах ссавців працюють також механізми реутилізації утворилися в ході внутрішньоклітинного розщеплення пуринових нуклеотидів азотистих основ. Цей механізм синтезу пуринових нуклеотидів отримав назву "синтез заощадження." Найбільш важливим шляхом реутилізації є фосфорібозілірованіе вільних азотистих основ. Відомі два варіанти цього процесу: а. За участю ферменту гіпоксантин-гуанін - фосфорибозилтрансферази вільні гіпоксантин або гуанін перетворюються в ІМФ і ГМФ соотвественно: б. За участю ферменту аденін-фосфорибозилтрансферази в аналогічній реакції вільний аденін перетворюється на АМФ. До речі кажучи, такого механізму для реутилізації піримідинових азотистих підстав не існує. Наявна в клітинах оротат-фосфорибозилтрансферази не може каталізувати фосфорібозілірованіе тиміну, цитозину або урацилу. Перетворення пуринових нуклеозидів в нуклеотиди каталізує фермент аденозинкіназою: Аденозин + АТФ -------> АМФ + АДФ. Цей фермент каталізує також фосфорилювання гуанозіна, інозину та їх дезоксіпроізводних. Розщеплення пуринових нуклеотидів йде у всіх клітинах. Кінцевим продуктом катаболізму утворюються при розщепленні нуклеотидів пуринових азотистих основ є сечова кислота. З найбільшою інтенсивністю утворення сечової кислоти йде в печінці, тонкому кишечнику і нирках. Встановлено, що до 20% сечової кислоти у людини може розщеплюється до СО2 і NH3 і виділятися через кишечник, причому це розщеплення сечової кислоти не пов'язане з дією кишкової мікрофлори. Нуклеотиди в клітинах піддаються дефосфорілірованія з утворенням аденозину або гуанозіна. Аденозин за участю ферменту аденозіндезамінази перетворюється на інозин і далі шляхом фосфороліза в гіпоксантин. Гіпоксантин за участю ксантиноксидази спочатку окислюється в ксантин, а потім за участю того ж ферменту ксантин переходить в сечову кислоту. При розщепленні ГМФ спочатку в кілька етапів відбувається утворення вільного гуаніну, який за участі ферменту гуанази переходить безпосередньо в ксантин, а потім окислюється в сечову кислоту. Новоутворена сечова кислота надходить у кров і виводиться через нирки з сечею. Нормальний вміст сечової кислоти в крові становить 0,12 - 0,46 мМ / л. Загальна кількість розчиненої сечової кислоти в рідкій фазі організму (уратних пул) становить для чоловіків величину порядку 1,2 р. Щодоби з сечею виводиться від О, 5 до 0,7 г сечової кислоти. 6.Сінтез дезоксирибонуклеотидів Спеціального шляхи синтезу дезоксирибонуклеотидів в клітинах не существует.Дезоксирибонуклеотиды утворюються з рібонуклеотідов шляхом відновлення останніх. Джерелом відновлювальних еквівалентів для утворення дезокрібонуклеотідов служить спеціальний білок тіоредоксіна, який може існувати у формі дитіол або ж після віддачі атомів водню у формі дисульфіду. Дисульфідний форма тіоредоксіна може перетворюватися в клітці в дітіольную форму; донором відновлювальних еквівалентів в останньому випадку є НА-ФН + Н 7.Регуляція синтезу нуклеотидів Швидкість синтезу нуклеотидів повинна відповідати потребам клітини, у зв'язку з чим вона повинна ефективним чином регулюватися. У роботі механізмом регуляції синтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів багато спільного: вирішальну роль у регуляції грає ретроінгібірованіе - зниження швидкості синтезу нуклеотидів при досягненні їх достатньої концентрації в клітинах за рахунок аллостеріческого інгібування ключових ферментів відповідних метаболічних шляхів. Основними регуляторними ферментами метаболічного шляху синтезу піримідинових нуклеотидів є карбамоілфосфатсінтетази (Е1) і аспартаттранскарбамоілаза (Е2). Активність першого ферменту (Е1) інгібується по аллостеріческому механізму високими концентраціями УТФ в клітці, а активність другого ферменту (Е2) - високими концентраціями ГТФ. Активність карбамоіфосфатсінтетази, крім того, активується високими концентраціями ФРПФ. З іншого боку, синтез ФРПФ гальмується високими концентраціями дТДФ за рахунок аллостеріческого інгібування ФРПФ-синтетази (Е3). Накопичення надлишкових кількостей пуринових нуклеотидів в клітці також призводить до гальмування їх синтезу. Перш за все слід зазначити, що накопичення в клітині як аденілових, так і гуанілових нуклеотидів за аллостеріческому механізму гальмує активність ФРПФ-синтетази (Е). Одночасно накопичення АМФ і ГМФ також по аллостеріческому механізму знижує активність ФРПФ-амідотрансферази (Е), причому інгібуючий ефект високих концентрацій ГМФ більш виражений, ніж у АМФ. Гальмування пуриновими нуклеотидами активності ФРПФ-синтетази має для регулювання їх синтезу більше значення, ніж інгібування ФРПФ-амідотрансферази, тому що в першому випадку вимикається і синтез пуринових нуклеотидів de novo і "синтез заощадження", тоді як у другому випадку припиняється лише синтез de novo. Далі, надлишкові концентрації АМФ інгібують синтез АМФ з ІМФ, а високі концентрації ГМФ гальмують утворення цього нуклеотиду з ІМФ. В обох випадках працюють механізми аллостеріческого інгібування ферментів, які беруть участь у цих перетвореннях. Нарешті, синтез АМФ з ІМФ стимулюється ГТФ, оскільки ГТФ є джерелом енергії для синтезу. У свою чергу, АТФ стимулює синтез ГМФ з ІМФ за тією ж самою причиною. Наявність цього регуляторного механізму дозволяє збалансувати обсяги синтезу аденілових і гуанілових нуклеотидів в клітці. Регуляція синтезу дезоксирибонуклеотидів забезпечує скоординований в кількісному відношенні синтез різних дезоксинуклеотидов, необхідних для подальшого складання дезоксіполінуклеотідних ланцюгів ДНК. Найважливішу роль в цій регуляції грає фермент рибонуклеозиддифосфатредуктаза. Цей фермент має два типи аллостеріческій ділянок: один з них регулює загальну активність ферменту, а інший - субстратне специфічність. Загальна каталітична активність знижується при зв'язуванні в першому центрі дАТФ, останній служить сигналом про надлишок дезоксинуклеотидов в клітці. Зв'язування різних дНуДФ мул дНуТФ в аллостеріческій ділянках другого типу дозволяє ферменту більш-менш вибірково напрацьовувати відсутні в даний момент в клітці ті чи інші дезоксирибонуклеозиддифосфаты 8. Порушення обміну нуклеотидів при патології Піримідинові нуклеотиди не мають специфічних кінцевих продуктів обміну, мабуть, тому при станах, що характеризуються надмірним синтезом піримідинів, як правило, немає виражених клінічних ознак. При гальмуванні синтезу дезоксітіміділовой кислоти, обумовленому нестачею в організмі фолієвої кислоти або кобаламина, йде одночасно і порушення синтезу пуринових нуклеотидів, що проявляється у вигляді нарущенія синтезу нуклеїнових кислот з розвитком тієї або іншої форми анемії. Найбільш відомим варіантом порушення синтезу піримідинів є оротатацідурурія - підвищене виділення з сечею продукту неповного синтезу піримідинів - оротової кислоти. Оротатацідурія частіше за все є наслідком генетично зумовленого порушення синтезу двох ферментів: оротат-фосфорибозилтрансферази і оротіділатдекарбоксілази. Синтезируемая оротовая кислота не використовується в клітинах і накопичується в органах і тканинах, вона в підвищених кількостях виділяється з сечею. Для дітей з цією патологією характерні відставання у розвитку, мегалобластична анемія і "помаранчева крісталлоурія", остання обумовлена ​​утворенням в сечі кристалів оротової кислоти, що мають помаранчевий колір. Для лікування таких дітей використовується уридин, що досить добре усваіваівается організмом, проте уридин стає ще одним незамінним компонентом їжі. Найбільш відомим захворюванням, тісно пов'язаним з порушенням обміну пуринових нуклеотидів, є подагра. У хворих з цією патологією спостерігається підвищений вміст сечової кислоти в крові і тканинах, а також надмірна кількість уратів в сечі. У нормі концентрація сечової кислоти в крові та інших біологічних рідинах досить близька до насичує. Тому підвищення її вмісту в біологічних рідинах приводить до появи в них кристалів сечової кислоти. Якщо кристали з'являються в суглобової рідини, розвивається подагричні артрити. Випадання кристалів сечової кислоти безпосередньо в тканині викликає асептичне запалення з подальшим инкапсулирование утворилися кристалів і формуванням подагричних вузликів. Найбільш важким проявом цього захворювання є подагрична нефропатія з порушенням функції нирок. Від подагри страждає від 0,3% до 1,7% населення, причому у чоловіків подагра є у 20 разів частіше, ніж у жінок. Розвиток захворювання тісно пов'язане з гіперурекемія - повишеннним вмістом сечової кислоти в крові. У нормі вміст сечової кислоти становить 3 - 7 мг / дл (0,12 - 0,46 мМ / л). Серед осіб з вмістом сечової кислоти в межах 7 - 8 мг / дл 20% хворих на подагру, а якщо вміст сечової кислоти в крові перевищує 9 мг / дл число хворих на подагру зростає до 90 і більше відсотків. Причинами подагри в ряді випадків є порушення функціонування таких ферментів як ФРПФ-синтетаза або гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансферази. У ряду хворих було обнарушено підвищення активності ферменту ФРПФ-синтетази або зниження чутливості ферменту до ингибирующем дії пуринових нуклеотидів. В обох варіантів обсяг синтезу пуринових нуклеотидів зростає, що приводить до гіперпродукції сечової кислоти. При зниженні активності гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансферази в клітинах знижується рівень повторного використання утворюються в них гіпоксантину та гуаніну за рахунок гальмування "синтезу заощадження". Виникає нестача пуринових нуклеотидів, яка компенсується активацією синтезу пуринів de novo, що в кінцевому підсумку веде до підвищеного утворення пуринів в організмі і, відповідно, до підвищення вмісту сечової кислоти в організмі. При лікуванні подагри прагнуть зменшити в раціоні кількість продуктів, що містять нуклеїнові кислоти або сполуки групи пурину. Хороший ефект дає використання лікарського препарату - алопуринолу. Алопуринол в клітинах під дією ферменту ксантиноксидази окислюється до аллоксантіна, а аллоксантін є потужним конкурентним інгібітором ксантиноксидази. Освіта ксантину і сечової кислоти в клітинах різко знижується, а з організму в якості кінцевого продукту обміну пуринів починає виділятися гіпоксантин, розчинність якого в біологічних рідинах в кілька разів вище, ніж розчинність сечової кислоти. При повній відсутності в клітинах гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансферази розвивається хвороба Леш-Ніхана, для якої характерні високий рівень гіперурикемії, камені в сечовивідних шляхах, корковий параліч, судоми і вкрай агресивну поведінку. в тому числі і прагнення до членоушкодження (Дитина, наприклад. може обкушувати власні пальці або губи). Гіперурикемія може також зустрічатися при впливі на людину іонізуючої радіації. У цьому випадку гіперурикемія є відображенням інтенсифікації розпаду нуклеїнових кислот в опромінених органах і тканинах.