ОБМЕН НУКЛЕОПРОТЕИНОВ. БИОСИНТЕЗ И РАСПАД ПУРИН..

Формат документа: doc
Размер документа: 0.33 Мб




Прямая ссылка будет доступна
примерно через: 45 сек.




Теги: ЯГМА. Биохимия
  • Сообщить о нарушении / Abuse
    Все документы на сайте взяты из открытых источников, которые размещаются пользователями. Приносим свои глубочайшие извинения, если Ваш документ был опубликован без Вашего на то согласия.

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.
Строение пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, нуклеозидов, нуклеотидов, их роль в организме.
Строение аминокислот (глицин, глутамин, аспартат).
Пентозофосфатный путь окисления: роль в организме.
Коферментные функции витаминов (фолиевая кислота).
Механизмы регуляции активности ферментов.
Принципы диагностики врождённых дефектов ферментов.
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:
Представьте в виде схемы катаболизм аденозинмонофосфата в организме человека до конечных продуктов. Приведите примеры заболеваний, связанных с нарушением метаболизма пуринов.
Представьте в виде схемы катаболизм ГМФ в организме человека до конечных продуктов. Может ли происходить реутилизация азотистых оснований, образовавшихся в реакциях катаболизма, для синтеза новых молекул нуклеотидов?
Напишите реакцию превращения гипоксантина в ксантин, назовите фермент. Какие изменения пуринового обмена в организме будут наблюдаться при врождённой недостаточности данного фермента?
Напишите реакцию превращения ксантина в мочевую кислоту, назовите фермент. Укажите клинико-диагностическое значение определения содержания солей мочевой кислоты в крови и моче.
Представьте в виде схемы катаболизм уридин-5-монофосфата до конечных продуктов. Перечислите возможные пути использования β-аланина в организме.
Представьте в виде схемы катаболизм тимидинмонофосфата тканях, назовите конечные продукты.
Напишите реакцию синтеза аденозинмонофосфата из аденина, укажите название фермента и биологическую роль данного превращения.
Напишите реакцию синтеза гуанозинмонофосфата из гуанина, укажите название фермента. Какие изменения метаболизма в тканях будут наблюдаться при генетическом дефекте данного фермента?
Напишите реакцию образования 5-фосфорибозил-1-пирофосфата, укажите фермент. Как и почему изменится активность этого фермента при накоплении АМФ и ГМФ в клетке?
Напишите реакцию образования 5-фосфорибозил-1-амина, укажите фермент. Назовите биомолекулы, ингибирующие данный фермент и механизм ингибирования.
Представьте в виде схемы происхождение атомов С и N пуринового ядра. Назовите первый промежуточный продукт биосинтеза, содержащий готовое пуриновое ядро и азотистое основание, входящее в его состав.
Представьте в виде схемы образование АМФ и ГМФ из инозинмонофосфата, укажите источники аминогрупп.
Напишите реакцию образования карбамоилфосфата в синтезе пиримидиновых нуклеотидов, укажите фермент и его локализацию в клетке.
Напишите реакцию образования N-карбамоиласпартата, укажите фермент. Как и почему изменится скорость начальных реакций синтеза пиримидинов при накоплении в клетке УТФ и ЦТФ?
Представьте в виде схемы происхождение атомов С и N пиримидинового ядра. В чём заключается главное отличие последовательности процессов синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов в клетке?
Представьте в виде схемы образование УТФ и ЦТФ из оротата. Укажите источник аминогруппы цитозина.
Представьте в виде схемы образование тимидилового нуклеотида из уридин-5-монофосфата. Укажите доноры водорода, принимающие участие в превращении рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды.
Напишите реакцию превращения дезоксиУМФ в тимидиловый нуклеотид, укажите фермент. Какое соединение является предшественником метильной группы тимина и в каких реакциях оно образуется?
Напишите реакцию превращения аденозиндифосфата в дезоксирибонуклеотид. Укажите название фермента и необходимые условия.

X