ОБМЕН НУКЛЕОТИДОВ

Нуклеотиды и их производные используются в организме в качестве: субстратов синтеза ДНК, РНК (нуклеозидтрифосфаты) и нуклеотидных коферментов (например, коферментов дегидрогеназ – НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, кофермента ацетилирования - КоА; источников энергии (АТФ, ГТФ и др.); участников синтеза гомо- и гетерополисахаридов, липидов и белков. Например, УДФ-глюкоза - в синтезе гликогена; УДФ- глюгоза, УДФ-галактоза и УДФ-ацетилнейраминовая кислота - в синтезе церамидов и ганглиозидов; ЦДФ-холин, ЦДФ-этаноламин, ЦДФ-диглицерид – в синтезе фосфолипидов. участников универсальной системы детоксикации, обеспечивающей выведение чужеродных веществ и некоторых собственных метаболитов из организма. Например, УДФ- глюкуроновая кислота, ФАФС, S-аденозилметионин. вторичных вестников сигнала гормонов, факторов роста, нейромедиаторов и других регуляторных молекул в клетки (цАМФ, цГМФ).

ПЕРЕВАРИВАНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ ПИЩИ

Распад нуклеиновых кислот происходит в тонкой кишке в основном гидролитическим путем под действием ДНК- и РНКазы (эндонуклеазы) панкреатического сока, которые гидролизуют нуклеиновые кислоты до олигонуклеотидов. Последние под действием фосфодиэстераз панкреатической железы расщепляются до смеси 3- и 5-мононуклеотидов. Нуклеотидазы и неспецифические фосфатазы отщепляют фосфатный остаток нуклеотидов и превращают их в нуклеозиды, которые либо всасываются клетками тонкого кишечника, либо расщепляются нуклеозидфосфорилазами кишечника с образованием рибозо- или дезоксирибозо-1-фосфата, пуриновых и пиримидиновых оснований.

СИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ

Образование пуринового гетероциклического основания идет на остатке рибозо-5-фосфата при участии простых предшественников: глицина, СО2, амидного азота глутамина, α-NH2 группы аспартата и одноуглеродных производных Н4-фолата.

Сначала формируется 5-членное кольцо, а затем 6-членное с образованием первого пуринового нуклеотида инозинмонофосфата или ИМФ. Все четыре атома азота пурина поступают из аминокислот: два из Глн, один из Асп и 1 из Гли. Два из пяти углеродных атомов принадлежат Гли, два других производным Н4- фолата и последний СО2.

ОБРАЗОВАНИЕ 5-ФОСФОРИБОЗИЛ-1-ДИФОСФАТА (ФРДФ)

В организме почти все клетки способны к синтезу нуклеотидов. Центральное место в синтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов занимает фосфорибозилдифосфат (ФРДФ) или фосфорибозилпирофосфат, который образуется из рибозо-5- фосфата и АТФ в реакции, катализируемой ФРДФ- синтетазой: Рибозо-5-фосфат + АТФ 5-фосфорибозил-1-дифосфат + АМФ. Источниками рибозо-5-фосфата для этой реакции могут быть пентозофосфатный путь превращения глюкозы или пентозы, образующиеся в тканях при распаде нуклеиновых кислот и нуклеотидов.

Скорость-лимитирующей и регуляторной стадией процесса является образование 5-фосфорибозил-1-амина, которую катализирует амидофосфорибозилтрансфераза. В ходе этой реакции амидная группа Глн замещает пирофосфатный остаток ФРДФ. Образуется N-C-связь, которая затем в нуклеотиде станет N-гликозидной связью между пурином и пентозой. Синтез первого пуринового нуклеотида ИМФ (инозиновая кислота) включает 10 стадий и идет с затратой 6 молей АТФ. Все реакции протекают в цитозоле клетки.

СИНТЕЗ АМФ И ГМФ

В ферментативном синтезе АМФ из ИМФ специфическое участие принимает аспарагиновая кислота, являющаяся донором NH2-группы, и ГТФ в качестве источника энергии; промежуточным продуктом реакции является аденилоянтарная кислота. Биосинтез ГМФ, напротив, начинается с дегидрогеназной реакции ИМФ с образованием ксантозиловой кислоты (ксантозин-5'-монофосфата; КМФ); в аминировании последней используется только амидный азот глутамина. Превращение АМФ и ГМФ в соответствующие нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфаты также протекает в 2 стадии при участии специфических нуклеозидмонофосфат- и нуклеозиддифосфаткиназ : ГМФ + АТФ ГДФ + АДФ ГДФ + АТФ ГТФ + АДФ

Регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов осуществляется аллостерически по механизму отрицательной обратной связи

АМФ, ГМФ и ИМФ ингибируют ключевые реакции своего синтеза. Два фермента: ФРДФ-синтетаза и амидофосфорибозилтрансфераза ингибируются лишь при одновременном повышении концентрации АМФ и ГМФ, тогда как активность аденилосукцинатсинтетазы и ИМФ- дегидрогеназы снижается лишь при увеличении количества конечного продукта, образующегося в каждой из ветвей метаболического пути. АМФ ингибирует превращение ИМФ в аденилосукцинат, а ГМФ превращение ИМФ в ксантозин-5'-монофосфат (КМФ), обеспечивая таким образом сбалансированное содержание адениловых и гуаниловых нуклеотидов.

«Запасные» пути синтеза пуриновых нуклеотидов

«Запасные» пути синтеза пуриновых нуклеотидов играют заметную роль в периоды активного роста тканей, когда основной путь синтеза из простых предшественников не способен полностью обеспечить нуклеиновые кислоты субстратами. При этом возрастает активность: гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансферазы (ГГФРТ), катализирующей превращение азотистых оснований: гипоксантина и гуанина в нуклеотиды – ИМФ и ГМФ с использованием ФРДФ в качестве донора фосфорибозы; аденинфосфорибозилтрансферазы (АФРТ), синтезирующей АМФ из аденина и ФРДФ; аденозинкиназы (АКаза), превращающей аденозин в АМФ за счет переноса γ-фосфатного остатка АТФ на 5'-гидроксильную группу рибозы нуклеозида.

Катаболизм пуриновых нуклеотидов

У человека катаболизм пуриновых нуклеотидов заканчивается образованием мочевой кислоты. Первоначально нуклеотиды гидролитически теряют фосфатный остаток в реакциях, катализируемых фосфатазами или нуклеотидазами. Аденозин дезаминируется аденозиндезаминазой с образованием инозина. Пуриннуклеозидфосфорилаза расщепляет нуклеозиды до свободных оснований и рибозо-1-фосфата. Затем ксантиноксидаза аэробная оксидоредуктаза, простетическая группа которой включает ионы железа (Fe3+), молибдена и FAD, превращает азотистые основания в мочевую кислоту. Фермент в значительных количествах обнаруживается в печени и кишечнике и окисляет пурины молекулярным кислородом.

Мочевая кислота удаляется из организма человека главным образом с мочой и немного с фекалиями. Она является слабой кислотой и в биологических жидкостях находится в недиссоциированной форме в комплексе с белками или в виде мононатриевой соли – урата. В норме в сыворотке крови ее концентрация составляет 0,15– 0,47 ммоль/л или 3–7 мг/дл. Из организма ежесуточно выводится от 0,4 до 0,6 г мочевой кислоты и уратов.

Гиперурикемия и подагра

Частым нарушением катаболизма пуринов является гиперурикемия, которая возникает, когда в плазме крови концентрация мочевой кислоты превышает норму. Из-за плохой растворимости этого вещества на фоне гиперурикемии развивается подагра заболевание, при котором кристаллы мочевой кислоты и уратов откладываются в суставных хрящах, связках и мягких тканях с образованием подагрических узлов или тофусов, вызывая воспаление суставов и нефропатию. Подагрой страдает от 0,3 до 1,7 % населения земного шара. У мужчин сывороточный фонд уратов в два раза выше, чем у женщин, поэтому они болеют подагрой в 20 раз чаще, чем женщины. Заболевание генетически детерминировано и вызывается: – дефектами ФРДФ-синтетазы, связанными с гиперактивацией, либо устойчивостью фермента к ингибированию конечными продуктами синтеза; – частичной потерей активности гипоксантингуанинфосфорибо- зилтрансферазы, которая обеспечивает повторное использование пуринов.

При полной потере активности гипоксантингуанинфосфорибозил- трансферазы развивается тяжелая форма гиперурикемии синдром Леша–Найхана, при котором наблюдаются неврологические и психические отклонения. Болезнь наследуется как рецессивный признак, сцепленный с Х-хромосомой и встречается только у мальчиков. Лечат подагру аллопуринолом структурным аналогом гипоксантина. Ксантиноксидаза окисляет препарат в оксипуринол, который прочно связывается с активным центром фермента и останавливает катаболизм пуринов на стадии гипоксантина, который в 10 раз лучше растворим в жидкостях организма, чем мочевая кислота.

ГИПЕРУРИКЕМИЯ, ВЫЗВАННАЯ ДЕФЕКТАМИ В РАБОТЕ ФЕРМЕНТОВ ОБМЕНА ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ

Биосинтез и катаболизм пиримидиновых нуклеотидов

В отличие от синтеза пуриновых нуклеотидов, при котором азотистое основание формируется на остатке рибозо-5-фосфата, пиримидиновое кольцо первоначально собирается из простых предшественников: глутамина, аспартата и СО2. Затем оно взаимодействует с ФРДФ и превращается в уридин-5'- монофосфат УМФ

I стадия синтеза УМФ включает катализируемое цитолазматической карбамоилфосфатсинтетазой образование карбамоилфосфата из глутамина. На II стадии карбамоилфосфат реагирует с аспартатом, в результате чего образуется N-карбамоиласпарагиновая кислота. Последняя подвергается циклизации (под действием дигидрооротазы) с отщеплением молекулы воды, при этом образуется дигидрооротовая кислота, которая, подвергаясь дегидрированию, превращается в оротовую кислоту. В этой реакции участвует специфический НАД-содержащий фермент дигидрооротатдегидрогеназа. Оротовая кислота обратимо реагирует с ФРПФ, являющимся донатором рибозо-фосфата, с образованием оротидин-5'-фосфата (ОМФ). Декарбоксилирование последнего приводит к образованию первого пиримидинового нуклеотида – уридин-5-фосфата (УМФ).

Превращение УМФ в УДФ и УТФ осуществляется, как и пуриновых нуклеотидов, путем фосфотрансферазных реакций: УМФ + АТФ УДФ + АДФ; УДФ + АТФ УТФ + АДФ ЦТФ образуется из УТФ под действием ЦТФ-синтетазы, которая, используя энергию АТФ, замещает кетогруппу урацила на амидную группу Глн: УТФ + Глн + АТФ ЦТФ + Глу + АДФ + Н3РО4

Для синтеза тимидиловых нуклеотидов, помимо дезоксирибозы, требуется также метилированное производное урацила – тимин. Оказалось, что в клетках имеется особый фермент тимидилатсинтаза, катализирующая метилирование не свободного урацила, а dУМФ:

Донором метильной группы в тимидилатсинтазной реакции является N5,N10-метилен-ТГФК, которая одновременно отдает и водородный протон, поэтому одним из конечных продуктов реакции является не тетрагидро-, а дигидрофолиевая кислота (ДГФК). Последняя вновь восстанавливается до ТГФК под действием НАДФН-зависимой дигидрофолатредуктазы. Из образовавшегося ТМФ путем фосфотрансферазных реакций образуются dТДФ и dTТФ. Регенерация N5,N10–СН2–ТГФК, собственно ее биосинтез, представляет определенный интерес. Оказалось, что этот синтез требует участия аминокислоты серина (донатор метильной группы) и пиридоксальфосфатсодержащего фермента сериноксиметил-трансферазы.

Регуляция синтеза пиримидиновых нуклеотидов осуществляется аллостерически по механизму отрицательной обратной связи: – УТФ ингибирует активность карбамоилфосфатсинте- тазы; – УМФ и ЦМФ подавляют активность второго полифункционального фермента УМФ-синтазы; – ЦТФ служит ингибитором аллостерического фермента аспартаткарбамоилтрансферазы.

Распад пиримидиновых нуклеозидов

Начальные этапы реакции распада пиримидиновых нуклеотидов катализируются специфическими ферментами. Конечными продуктами реакции являются СО2, NH3, мочевина, β-аланин и β-аминоизомасляная кислота. Следует указать, что гидролитический путь распада пиримидинов является, очевидно, главным путем образования β-аланина, который может служить источником для синтеза ансерина и карнозина, а также для образования КоА.

В тканях животных открыта специфическая аминотрансфераза, катализирующая трансаминирование между β-аланином и пировиноградной кислотой. В процессе этой обратимой реакции синтезируются α-аланин и формилацетат :