- Исходный уровень знаний.
- 5.1. Катаболизм нуклеопротеинов. 5.1.1. Нуклеопротеины
- 5.1.2. Катаболизм нуклеопротеинов в желудочно-кишечном тракте.
- 5.2. Катаболизм нуклеотидов в тканях. 5.2.1.
- Рисунок 5.2.
- Гуанозинмонофосфат (ГМФ)
- Гипоксантин
- Рисунок 5.3.
- Уридинмонофосфат (УМФ)
- 5.3. Биосинтез пуриновых нуклеотидов. 5.3.1.
- 5.3.4.
- 5.4. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов. 5.4.1.
- Рисунок 5.6.
- Рисунок 5.7.
- Рисунок 5.9.
- Гликогеноз I типа или болезнь Гирке
- 5.6.2.
- 5.6.3.
Тема обмен нуклеопротеинов. Биосинтез и распад пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Практическая значимость темы
 Скачать 318.5 Kb.
|
|
Тема 5. ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИНОВ. БИОСИНТЕЗ И РАСПАД ПУРИНОВЫХ И ПИРИМИДИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ. Практическая значимость темы. Нуклеотиды - одни из наиболее важных компонентов клетки, принимающие участие во многих биохимических процессах. Они являются структурными единицами ДНК и РНК, участвуют в активации промежуточных продуктов реакций биосинтеза (УДФ-глюкоза, ЦДФ-холин), входят в состав коферментов (НАД, ФАД, КоА-SH, АТФ), служат аллостерическими регуляторами процессов метаболизма (АМФ) и внутриклеточными посредниками действия гормонов (цАМФ, цГМФ). Образование нуклеотидов в организме происходит главным образом в процессе поэтапной сборки из эндогенных предшественников, реже путём реутилизации азотистых оснований, высвобождаемых при расщеплении нуклеиновых кислот в тканях. Скорость синтеза пуриновых и пиримидиновых рибо- и дезоксирибонуклеотидов в организме является объектом тонкой регулировки. Знание процессов биосинтеза и распада нуклеотидов позволяет понять патогенез ряда заболеваний, связанных с нарушениями обмена пуринов и пиримидинов (подагра, ксантинурия, оротацидурия), грамотно использовать в качестве противоопухолевых препаратов структурные аналоги азотистых оснований, нуклеозидов (6-меркаптопурин, 5-фторурацил, фторафур) и антагонисты коферментов, участвующих в биосинтезе нуклеотидов (аметоптерин, аминоптерин). Цель занятия. После изучения данной темы студент должен знать особенности биосинтеза и распада пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, механизмы регуляции этих процессов и основные виды их нарушений, уметь применять приобретённые знания для решения теоретических и практических задач. Исходный уровень знаний.
5.1. Катаболизм нуклеопротеинов. 5.1.1. Нуклеопротеины – сложные белки, содержащие в качестве простетической группы нуклеиновые кислоты (РНК или ДНК). В зависимости от того, какая кислота входит в их состав, различают рибонуклеопротеины и дезоксирибонуклеопротеины. Структурными единицами РНК и ДНК являются нуклеотиды, каждый из которых в свою очередь состоит из азотистого основания и пентозы (образующих нуклеозид), соединённых с остатком фосфорной кислоты. Пентоза и азотистое основание в каждом нуклеотиде связаны N-гликозидной связью, фосфат и пентоза – сложноэфирной связью. Отдельные нуклеотиды в ДНК или РНК связаны 3’,5’-фосфодиэфирной связью (см. рисунок).  Рисунок 5.1. Схема строения фрагмента полинуклеотидной цепи. Примечание. Пентоза – рибоза в РНК, дезоксирибоза в ДНК. Азотистое основание – аденин, гуанин, цитозин, урацил в РНК, аденин, гуанин, цитозин, тимин в ДНК. Цифрами обозначены типы связей: 1 – N-гликозидные; 2 – сложноэфирные в нуклеотиде; 3 – 3’,5’-фосфодиэфирные (между нуклеотидами). 5.1.2. Катаболизм нуклеопротеинов в желудочно-кишечном тракте. Нуклеопротеины, поступающие в организм с пищей, подвергаются расщеплению под действием протеолитических ферментов кишечника. Высвобождаемые нуклеиновые кислоты гидролизуются при участии рибонуклеаз и дезоксирибонуклеаз панкреатического сока до мононуклеотидов. Действие панкреатических нуклеаз дополняют фосфоэстеразы кишечного сока. Схематично это можно представить следующим образом:  Далее, под воздействием нуклеотидаз и фосфатаз происходит гидролиз нуклеотидов до нуклеозидов, которые либо всасываются, либо под воздействием ферментов слизистой кишечника расщепляются до пуриновых и пиримидиновых оснований. В организме человека большая часть пуриновых и пиримидиновых оснований, высвободившихся из нуклеиновых кислот, которые поступают с пищей, превращается в конечные продукты (при этом не происходит их включения во вновь образующиеся молекулы нуклеиновых кислот в тканях организма). То есть, нуклеиновые кислоты пищи практически не выступают в роли поставщика непосредственных предшественников нуклеиновых кислот тканей организма. В то же время нуклеотиды и нуклеозиды, введённые парентерально, могут включаться в нуклеиновые кислоты без всяких изменений. Это послужило основой методов исследования метаболизма нуклеиновых кислот путём введения меченных радиоактивными изотопами азотистых оснований. 5.2. Катаболизм нуклеотидов в тканях. 5.2.1. Нуклеотиды, которые образуются при гидролизе РНК и ДНК, распадаются внутриклеточно. Нуклеотидазы удаляют фосфат из 5’-положения у пуриновых и пиримидиновых рибо- и дезоксирибонуклеотидов, превращая их таким образом в рибо- и дезоксирибонуклеозиды.  5.2.2. Схема катаболизма пуриновых нуклеотидов в тканях представлена на рисунке 5.2.  Рисунок 5.2. Катаболизм пуриновых нуклеотидов. Аденозинмонофосфат (АМФ) подвергается гидролизу с образованием аденозина, последний подвергается дезаминированию и превращается в инозин; Гуанозинмонофосфат (ГМФ) подвергается гидролизу с образованием гуанозина. Нуклеозидфосфорилазы катализируют фосфоролиз нуклеозидов с образованием свободных оснований и рибозо-1-фосфата или дезоксирибозо-1-фосфата. При фосфоролизе разрывается N-гликозидная связь при взаимодействии с неорганическим фосфатом. Конечным продуктом распада пуринов является мочевая кислота, которая образуется следующим путём. Гипоксантин, продукт распада АМФ, окисляется до ксантина ферментом ксантиноксидазой. Гуанин, продукт распада ГМФ, дезаминируется с образованием ксантина. Ксантин окисляется ксантиноксидазой до мочевой кислоты. В реакции окисления с участием ксантиноксидазы используется кислород (О2) и образуется пероксид водорода (Н2О2). Ксантиноксидаза содержит молибден, поэтому этот элемент необходим человеку в небольших количествах. Фермент также содержит железо и серу. Мочевая кислота и её соли (ураты) плохо растворимы в воде, поэтому в крови они транспортируются частично в комплексе с уратсвязывающим белком. Содержание мочевой кислоты в сыворотке крови здоровых людей составляет 0,24-0,59 ммоль/л у мужчин и 0,16-0,40 ммоль/л у женщин. Урат натрия легко фильтруется почечными клубочками млекопитающих, интенсивно реабсорбируется в проксимальных канальцах, затем секретируется в петле Генле и, вероятно, снова реабсорбируется в дистальных канальцах. За сутки здоровым человеком выделяется 400 – 600 мг мочевой кислоты. Большое количество фармакологических препаратов и природных соединений оказывает влияние на реабсорбцию урата натрия в почечных канальцах и его экскрецию. Аспирин в больших дозах ингибирует как экскрецию, так и реабсорбцию мочевой кислоты в почках. 5.2.3. Схема катаболизма пиримидиновых нуклеотидов в тканях представлена на рисунке 5.3.  Рисунок 5.3. Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов. Цитидинмонофосфат (ЦМФ) подвергается гидролизу с образованием цитидина, последний вступает в реакцию дезаминирования и переходит в уридин. Уридинмонофосфат (УМФ) подвергается гидролизу с образованием уридина. Тимидинмонофосфат (ТМФ) подвергается гидролизу с образованием тимидина. Нуклеозидфосфорилазы катализируют фосфоролиз нуклеозидов с образованием свободных оснований и рибозо-1-фосфата или дезоксирибозо-1-фосфата. При фосфоролизе разрывается N-гликозидная связь при взаимодействии с неорганическим фосфатом. Нуклеозидфосфорилазы легко катализируют и обратные превращения свободных оснований в нуклеозиды. Обратные реакции важны для путей реутилизации оснований, особенно урацила и тимина. 5.2.4. Конечными продуктами распада пиримидинов являются β-аланин (образуется из урацила) и β-аминоизобутират (из тимина), которые выводятся с мочой. β-Аланин может служить источником для синтеза коэнзима А, а также ансерина и карнозина – компонентов мышечной ткани. 5.3. Биосинтез пуриновых нуклеотидов. 5.3.1. Ключевым соединением в биосинтезе как пуриновых, так и пиримидиновых нуклеотидов является 5-фосфорибозил-1-пирофосфат (ФРПФ). Это соединение участвует также в синтезе коферментов НАД+ и НАДФ+. ФРПФ образуется при взаимодействии рибозо-5-фосфата и АТФ. Источниками рибозофосфата служат пентозофосфатный путь и распад нуклеотидов. Катализирует реакцию фермент ФРПФ-синтаза.  Внутриклеточная концентрация ФРПФ обычно низкая и строго регулируется. Скорость синтеза ФРПФ зависит от наличия субстратов синтеза, особенно рибозо-5-фосфата, и каталитической активности ФРПФ-синтазы, на которую влияют концентрация неорганического фосфата и концентрация АМФ, ГМФ и ИМФ, выступающих в качестве эффекторов. 5.3.2. Молекула ФРПФ служит основой для последующего синтеза пуринового ядра. Источниками атомов углерода и азота являются аминокислоты глутамин, глицин и аспартат, СО2 и два одноуглеродных производных ТГФК – формил-ТГФК и метенил-ТГФК (рисунок 5.4).  Рисунок 5.4. Происхождение атомов пуринового ядра. Сначала в реакции, катализируемой фосфорибозил-пирофосфат-амидотрансферазой, из ФРПФ при участии глутамина образуется 5-фосфорибозиламин.  ФРПФ-амидотрансфераза – второй регуляторный фермент синтеза пуриновых нуклеотидов, он ингибируется АМФ и ГМФ по принципу обратной связи. Роль этого фермента в биосинтезе пуринов de novo , однако, менее существенна, чем ФРПФ-синтазы. Далее к атому азота последовательно присоединяются все остальные компоненты пуринового ядра. Первым продуктом биосинтеза, содержащим готовую пуриновую структуру, является инозинмонофосфат (ИМФ). В его состав входит азотистое основание гипоксантин. 5.3.3. ИМФ является предшественником аденилового и гуанилового нуклеотидов (рисунок 5.5). В синтезе АМФ из ИМФ при взаимодействии аспартатом образуется аденилосукцинат. В следующей реакции отщепляется фумарат и образуется АМФ.  Рисунок 5.5. Образование АМФ и ГМФ из инозинмонофосфата. Синтез ГМФ из ИМФ также включает две стадии. Сначала ИМФ окисляется в ксантозинмонофосфат, затем добавляется NH2-группа из глутамина. Интересно отметить, что синтез АМФ требует участия ГТФ, а синтез ГМФ – участия АТФ. Эта особенность биосинтеза способствует поддержанию нужного соотношения адениловых и гуаниловых нуклеотидов в клетке. 5.3.4. Наряду с биосинтезом пуриновых нуклеотидов в клетке de novo существуют пути регенерации пуриновых нуклеотидов из свободных азотистых оснований, образующихся при гидролизе нуклеиновых кислот и нуклеотидов. Эти реакции проще, чем пути синтеза нуклеотидов de novo, и энергетическая цена их значительно меньше. Наибольшее значение имеет механизм фосфорибозилирования пуриновых оснований. В клетках имеются 2 фермента, участвующих в реакциях синтеза нуклеотидов из пуриновых оснований. Аденин-фосфорибозилтрансфераза (АФРТ) катализирует перенос фосфорибозы с ФРПФ на аденин:  Гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансфераза(ГГФРТ) катализирует перенос фосфорибозы с ФРПФ на гуанин или гипоксантин:   Реакции с участием второго фермента протекают более активно, чем синтез АМФ из аденина. 5.4. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов. 5.4.1. Структура пиримидинового ядра проще, чем структура пуринового, и путь биосинтеза его короче. Главное отличие от биосинтеза пуринов заключается в том, что сборка пиримидинового ядра не требует участия фосфорибозилпирофосфата (ФРПФ). Пиримидиновая структура сначала образуется, а потом взаимодействует с ФРПФ с образованием нуклеотидов. Предшественниками атомов углерода и азота пиримидинового кольца являются СО2 и аминокислоты глутамин и аспартат (рисунок 5.6).  Рисунок 5.6. Происхождение атомов пиримидинового ядра. 5.4.2. При взаимодействии СО2 и глутамина образуется карбамоилфосфат. Реакция протекает в цитозоле с затратой АТФ.  Следует напомнить, что карбамоилфосфат также образуется в процессе синтеза мочевины, но эта реакция происходит только в митохондриях печени и катализируется другим ферментом. Карбамоилфосфатсинтетаза, участвующая в биосинтезе пиримидинов, - аллостерический фермент, он ингибируется УТФ, пуриновыми нуклеотидами, активируется ФРПФ. 5.4.3. Следующая реакция биосинтеза пиримидинов – образование карбамоиласпартата. Реакцию катализирует аспартат-транскарбамоилаза (АТК-аза).  АТК-аза – аллостерический фермент, его ингибитором является цитидинтрифосфат (ЦТФ) – конечный продукт биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов. Дальнейший путь образования пиримидиновых нуклеотидов представлен на рисунке 5.7.  Рисунок 5.7. Схема синтеза пиримидиновых нуклеотидов. 5.5. Особенности биосинтеза дезоксирибонуклеотидов 5.5.1. Дезоксирибонуклеотиды входят в состав ДНК. Содержание дезоксирибонуклеотидов в клетке обычно низкое и повышается только перед репликацией ДНК. Дезоксирибонуклеотиды образуются в результате восстановления рибонуклеотидов. Эта реакция катализируется рибонуклеотидредуктазой (рисунок 5.8).  Рисунок 5.8. Схема образования дезоксирибонуклеотидов. В процессе восстановления рибонуклеозиддифосфатов окисляется донор электронов – тиоредоксин. Окисленный тиоредоксин восстанавливается тиоредоксинредуктазой за счёт восстановленного НАДФ. 5.5.2. Тимидинмонофосфат образуется из дезоксиуридинмонофосфата при участии фермента тимидилатсинтазы. Источником метильной группы в реакции служит 5,10-метилен-тетрагидрофолиевая кислота (5,10-метилен-ТГФК), которая окисляется до дигидрофолиевой. Тетрагидрофолиевая кислота регенерируется дигидрофолатредуктазой в реакции, которая требует участия НАДФН. Образование 5,10-метилен-ТГФК происходит в реакции ТГФК с серином или глицином (см. тему 3).  Рисунок 5.9. Схема образования тимидилового нуклеотида. 5.6. Нарушения обмена нуклеотидов. 5.6.1. При нарушениях пуринового обмена часто наблюдается гиперурикемия – повышение содержания мочевой кислоты в крови. Гиперурикемия может быть первичной или вторичной. Первичная гиперурикемия является ведущим симптомом подагры – полиэтиологического заболевания, как правило, наследственной природы. Гиперурикемия при подагре обусловлена главным образом, избыточным образованием образованием мочевой кислоты, а также снижением её экскреции с мочой. Значительная и длительная гиперурикемия сопровождается отложением солей мочевой кислоты в хрящевой ткани, сухожилиях и слизистых сумках суставов. Накопление кристаллов уратов в тканях может вызывать резкую воспалительную реакцию (подагрический артрит), что приводит впоследствии к деформации сустава. Избыток мочевой кислоты способствует также образованию уратных камней в нижних отделах мочевыводящих путей. Повышение уровня мочевой кислоты в крови отмечается также при наследственных дефектах некоторых ферментов: Синдром Леша-Нихана (полное отсутствие ГГФРТ) наследуется как сцепленный с Х-хромосомой рецессивный признак. Болезнь характеризуется параличом, сопровождающимся судорогами, стремлением к членовредительству и тяжёлой гиперурикемией. Вследствие ферментативного дефекта нарушается переход гуанина и гипоксантина в ГМФ и ИМФ соответственно и указанные пуриновые основания превращаются в мочевую кислоту. Кроме того, повышенная концентрация ФРПФ способствует усилению синтеза пуринов de novo. Биохимическая основа неврологических отклонений при синдроме Леша-Нихана неизвестна. Гликогеноз I типа или болезнь Гирке (дефицит глюкозо-6-фосфатазы) сопровождается повышением активности пентозофосфатного пути и приводит к повышению внутриклеточного уровня рибозо-5-фосфата, из которого синтезируется ФРПФ. Повышенный уровень ФРПФ приводит к увеличению синтеза пуринов de novo. Для данного заболевания характерен также лактатный ацидоз, приводящий к повышению порога секреции уратов почками; это способствует накоплению уратов в организме. Вторичная гиперурикемия сопутствует заболеваниям, сопровождающимся усиленным распадом клеток (лейкозы, серповидно-клеточная анемия, сахарный диабет, псориаз). 5.6.2. Реже встречается гипоурикемия – снижение содержания мочевой кислоты в крови. Она может быть связана с понижением реабсорбции уратов из клубочкового фильтрата в почках. В этом случае наблюдается увеличение экскреции мочевой кислоты с мочой. Гипоурикемия развивается и при недостаточности ксантиноксидазы, возникающей при генетическом дефекте фермента или при тяжёлом поражении печени. Это состояние сопровождается повышенной экскрецией гипоксантина и ксантина (ксантинурией), а также образованием в почках ксантиновых камней. 5.6.3. Описаны два иммунодефицитных заболевания, связанные с недостаточностью ферментов метаболизма пуринов. Недостаточность аденозиндезаминазы сопровождается снижением количества и нарушением функции как тимусных лимфоцитов (Т-клеток), так и лимфоцитов костного мозга (В-клеток). При недостаточности пуриннуклеозид-фосфорилазы функции В-клеток остаются нормальными, но значительно нарушаются функции Т-клеток. Метаболические нарушения при данных заболеваниях связаны с накоплением дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (дГТФ и дАТФ), которые аллостерически ингибируют рибонуклеотидредуктазу. Это, в свою очередь, приводит к снижению содержания в Т-лимфоцитах предшественников синтеза ДНК, главным образом дЦТФ. Таким образом, Т-клетки размножаться не могут. Контрольные вопросы:
|