БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012

Розділ 10. МЕТАБОЛІЗМ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

10.5. Біосинтез нуклеотидів

10.5.1.Біосинтез пуринових нуклеотидів

Біосинтез пуринових нуклеотидів de novo. Дослідження сполук, які містять мічені ізотопи ¹⁴C та ¹⁵N, дозволили виявити попередників нуклеотидів. Було з'ясовано, що у формуванні пуринового ядра беруть участь амінокислоти аспартат, гліцин, глутамін, СО₂ та дві одновуглецеві похідні тетрагідрофолієвої кислоти: мете- ніл-Н4-фолат і форміл-Н4-фолат (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Джерела атомів пуринів

Шлях біосинтезу пуринових нуклеотидів загалом аналогічний у ссавців, птахів, дріжджів і бактерій. Процес складається із серії послідовних реакцій, які проходять за участю специфічних ферментів. У синтезі пуринових нуклеотидів не утворюється вільна азотиста основа, а пуринове кільце формується на залишку рибозо-5-фосфату. Перша реакція починається з перенесення амідної групи глутаміну на ФРПФ з утворенням 5-фосфорибозил- 1-аміну. Цю реакцію каталізує регуляторний фермент синтазу пуринових нуклеотидів глутамін-ФРПФ-амідотрансфераза. Потім до аміногрупи 5-фосфорибозил-1-аміну приєднується залишок гліцину, N^5,10-метеніл-Н₄-фолату, а також одна амідна група глутаміну, діоксид вуглецю, аміногрупа аспарагінової кислоти та формільний залишок N¹⁰-форміл- Н₄-фолату (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Синтез інозин-5'-монофосфату

Характерною особливістю синтезу інозин-Б'-фосфату (ІМФ) є участь тетрагідрофолату (ФН₄) у двох окремих реакціях одно- вуглецевого перенесення. В одній використовується N¹⁰-метеніл-ФН₄, в іншій - N¹⁰-форміл- ФН₄. Останній утворюється з N^5,10-метеніл-ФН₄, який у свою чергу є продуктом НАДФ-залежного дегідрогенування N^5,10-метилен- ФН₄. Якщо N^5,10-метилен-ФН₄ є джерелом однокарбонових фрагментів для багатьох акцепторів, то N^5,10-метеніл-ФН₄ постачає однокарбонову групу (або безпосередньо, або через стадію утворення N¹⁰-форміл- ФН₄) тільки в пуринові основи.

Завершується вся десятистадійна серія утворенням першого пуринового нуклеотиду - ІМФ, на синтез якого витрачається не менше шести молекул АТФ. ІМФ є загальним попередником для синтезу аденілової та гуанілової кислот. Крім того, його в невеликій кількості виявляють у тРНК як один із мінорних нуклеотидів.

Перетворення ІМФ у АМФ і ГМФ. З інозинової кислоти шляхом модифікації гіпоксантинового кільця синтезуються АМФ та ГМФ і в кожному випадку це відбувається у дві стадії (рис. 10.9).

Рис. 10.9. Синтез АМФ і ГМФ із ІМФ

Синтез АМФ каталізується аденілосукцинатсинтетазою за рахунок енергії ГТФ шляхом заміщення кисню при С-6 атомі пурину на аміногрупу, донором якої є аспарагінова кислота з утворенням аденілосукцинату. На другому етапі за дії аденілосукцинатліази відбувається розщеплення аденілосукцинату з вивільненням фумарату й утворенням АМФ.

Синтез другого пуринового нуклеотиду - ГМФ - відбувається також у два етапи. Спочатку ІМФ окиснюється НАД-залежною ІМФ-дегідрогеназою з утворенням ксантилової кислоти, а потім відбувається заміщення кисню при С-2 атомі на аміногрупу, донором якої є амідна група глутаміну. Трансамідування каталізує ГМФ-синтетаза з використанням енергії АТФ.

Важливо зазначити, що при утворенні пуринових нуклеотидів АТФ витрачається на синтез гМф, а ГТФ - на синтез АМФ. Подібне перехресне використання пуринових нуклеозидфосфатів на утворення кінцевих продуктів синтезу допомагає підтримувати в клітинах еквівалентне співвідношення пуринових нуклеотидів.

Щоб синтезовані пуринові нуклеозидмонофосфати брали участь у синтезі нуклеїнових кислот, деяких коферментів і багатьох інших синтетичних і енергетичних реакціях, вони мають набути активної форми. Активовані нуклеотиди являють собою нуклеозид-5'-ди- та трифосфати.

Утворення фосфорильованих форм пуринових нуклеотидів (АДФ, ГДФ, АТФ, ГТФ) відбувається з відповідних монофосфатів (АМФ і ГМФ) шляхом їхньої взаємодії з АТФ за участю специфічних до азотистої основи нуклеозидмонофосфаткіназ. Так, аденілаткіназа каталізує реакцію

Утворений таким чином АДФ далі фосфорилюється та перетворюється в АТФ або шляхом субстратного фосфорилювання при гліколізі, або за рахунок окисного фосфорилювання в дихальному ланцюзі.

Аналогічно відбувається фосфорилювання ГМФ, однак, на відміну від АМФ, де утворюється дві молекули АДФ, формується ГДФ і АДФ:

На наступному етапі ГДФ фосфорилюється за участю АТФ і ферменту нуклеозиддифосфаткінази:

Синтез пуринових нуклеотидів шляхом реутилізації. Синтез пуринових нуклеотидів основним шляхом (de novo) не здатний компенсувати всю необхідну кількість цих сполук. Велика потреба у пуринових нуклеотидах привела до розвитку "запасних" шляхів синтезу.

Джерелом пуринових основ для такого синтезу є пуринові основи та нуклеозиди. Їхня реутилізація відбувається двома шляхами:

1. ФРПФ-залежне фосфорибозилювання пуринових основ. Цей механізм здійснюють два ферменти. Так, аденін взаємодіє з ФРПФ за допомогою ферменту аденозинфосфорибозилтрансферази й перетворюється в АМФ:

Реутилізація гуаніну відбувається аналогічно, але за участю іншого ферменту - гіпоксантингуанінфосфорибозилтрансферази:

Цей самий фермент бере участь у реутилізації гіпоксантину (утворюється за рахунок дезамінування аденіну), який при цьому перетворюється в інозинову кислоту:

Цей спосіб реутилізації пуринів є найдієвішим, оскільки утворений за рахунок гіпоксантингуанінфосфорибозилтрансферази ІМФ, залучається в синтез АМФ і ГМФ.

2. Фосфорилювання пуринових рибонуклеозидів. Нуклеозиди, які утворюються під час катаболізму нуклеїнових кислот із нуклеотидів за дії нуклеотидаз, можуть удруге фосфорилюватися, утворюючи нуклеозид-5'-монофосфати за рахунок перенесення γ-фосфатного залишку АТФ на відповідний субстрат. Реакцію фосфорилювання каталізує фермент аденозинкіназа:

Аденозинкіназа, крім того, фосфорилює 2'-дезоксіаденозин, вона виявляє також деяку активність щодо гуанозину, інозину та їхніх 2'-дезоксипохідних.

Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів. На синтез молекули ІМФ витрачається енергія гідролізу шести молекул АТФ, при цьому як попередники беруть участь гліцин, глутамін, попередники тетрагідрофолієвої кислоти й аспартат. Для економії енергетичних і харчових ресурсів важлива ефективна регуляція процесу біосинтезу пуринових нуклеотидів de novo.

Основною сполукою, від якої залежить синтез пуринових нуклеотидів, є ФРПФ. Внутрішньоклітинна концентрація ФРПФ залежить від швидкості його синтезу, утилізації та деградації. Кількість ФРПФ визначається двома факторами: наявністю субстратів синтезу, у першу чергу рибозо-5-фосфату, та активністю ФРПФ-синтетази, чутливої до концентрації неорганічного фосфату й пуринових нуклеотидів. Фермент активується фосфатом та інгібується пуриновими нуклеозидмоно-, ди- і трифосфатами, які за ефективністю інгібування розподіляються наступним чином: НМФ > > НДФ > НТФ (рис. 10.10). Активність глутамін-ФРПФ-амідо- трансферази за механізмом від'ємного зворотного зв’язку гальмується кінцевими продуктами ланцюга реакцій - ІМФ, АМФ і ГМФ.

Рис. 10.10. Схема регуляції синтезу пуринових нуклеотидів:

1 - ФРПФ-синтетаза; 2 - глутамін-ФРПФ-амідотрансфераза; 3 - аденілосукцинатсинтетаза; 4 - ІМФ-дегідрогеназа;

5 - аденілосукцинатліаза; 6 - ГМФ-синтетаза. О інгібування кінцевими продуктами за принципом зворотного зв'язку

Синтез АМФ і ГМФ de novo регулюється також у місцях їхніх розгалужень: АМФ інгібує активність аденілосукцинатсинтетази, а ГМФ - реакцію утворення ксантилату, яку каталізує ІМФ-дегідрогеназа. Таким чином, за цим механізмом надлишок АМФ чи ГМФ пригнічує власний синтез з ІМФ, але не впливає на синтез іншого нуклеотиду. Але, як уже зазначалося вище, існує і перехресна регуляція дивергентних шляхів метаболізму ІМФ: утворення аденілосукцинату з ІМФ на шляху до АМФ стимулюється ГТФ, а утворення ГМФ із ксантилату вимагає присутності АТФ. Подібна регуляція гальмує біосинтез одного з пуринових нуклеотидів у разі нестачі іншого.