Биосинтез дезоксирибонуклеотидов (стр. 2 из 3)

Рисунок 4. Реакции фосфорилирования нуклеозидмонофосфата и нуклеозиддифосфата.

4. Синтез пуриновых дезоксирибонуклеотидов

Синтез пуриновых и пиримидиновых дезоксирибонуклеотидов происходит путем прямого восстановления 2'-углерода рибозного остатка соответствующего рибонуклеотида, а не путем синтеза denovo из 2'-дезоксианалога ФРПФ. Восстановление 2'-углеродного атома рибозы происходит только после превращения пуриновых и пиримидиновых нуклео-тидов в соответствующие нуклеозиддифосфаты. У некоторых бактерий в этом восстановительном процессе участвует кобаламин (витамин В₁₂). У животных процесс восстановления идет и в отсутствие витамина В₁₂. Восстановление рибонуклеозиддифосфатов в дезоксирибонуклеозид-дифосфаты катализируется рибонуклеотидредуктазойи требует участия тиоредоксина(белковый кофактор), тиоредоксинредуктазы (флавопротеиновый фермент) и NADPH (кофактор). Непосредственным донором электронов для нуклеотида является тиоредоксин, который предварительно восстанавливается NADPH. Обратимое окислительно-восстановительное превращение тиоредоксина катализируется тиоредоксинредуктазой. Восстановление рибонуклеозиддифосфата восстановленным тиоредоксином катализируется рибонуклеозидредуктазой (рис. 5). Эта сложная ферментная система функционирует в клетках только в период активного синтеза ДНК и деления.

Рисунок 5. Восстановление рибонуклеозиддифосфата до 2-дезокси-рибонуклеозиддифосфата.

5. Тканевая специфичность биосинтеза пуринов

Не во всех тканях человека происходит синтез пуриновых нуклеотидов denovo. Эритроциты и полиморфноядерные лейкоциты не способны синтезировать 5-фосфорибозиламин, и поэтому для образования пуриновых нуклеотидов им необходимы экзогенные пурины. Периферические лимфоциты способны синтезировать небольшие количества пуринов denovo. Установлено, что в клетках мозга млекопитающих содержатся очень малые количества ФРПФ-амидотрансферазы, на этом основании был сделан вывод о зависимости синтеза пуриновых нуклеотидов в мозге от поступления экзогенных пуринов. Оказалось, что основным местом синтеза пуриновых нуклеотидов в организме млекопитающих является печень. Из нее свободные основания или нуклеозиды попадают в другие ткани, не способные к синтезу пуринов denovo.

6. Регуляция биосинтеза пуринов

На синтез молекулы IMP затрачивается энергия гидролиза шести макроэргических фосфодиэфирных связей АТР, при этом в качестве предшественников выступают глицин, глутамин, метенилтетрагидрофолат и аспартат. Для экономии энергетических и питательных ресурсов важна эффективная регуляция процесса биосинтеза пуринов denovo. Важнейшую роль в этом процессе играет внутриклеточная концентрация ФРПФ. Она определяется соотношением скоростей его синтеза, утилизации и деградации. Скорость синтеза ФРПФ зависит от 1) наличия субстратов синтеза, особенно рибозо-5-фосфата, и 2) каталитической активности ФРПФ-синтазы, которая в свою очередь связана с внутриклеточной концентрацией фосфатов, а также с концентрацией пуриновых и пиримидиновых рибонуклеотидов, выступающих в роли аллостерических регуляторов (рис. 6). Скорость утилизации ФРПФ в значительной степени зависит от интенсивности цикла реутилизации пуриновых оснований, в ходе которого ксантин и гуанин фосфорибозилируются до соответствующих рибонуклеотидов. В меньшей степени скорость утилизации ФРПФ зависит от интенсивности синтеза пуринов denovo. Этот вывод основан на следующем наблюдении: в эритроцитах и культивируемых фибробластах мужчин с наследственным нарушением активности гипоксантин-гуанин—фосфо-рибозилтрансферазы уровень ФРПФ повышается в несколько раз.

Рисунок 6. Регуляция скорости синтеза пуринов denovo. Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозна-чают ингибирование конечными продуктами по принципу обратной связи.

Показано, что ФРПФ-амидотрансфераза – первый из ферментов, участ-вующих в процессе синтеза пуриновых нуклеотидов denovo, ингибируется invitro пуриновыми нуклеотидами (особенно аденозинмонофосфатом и гуанозинмонофосфатом) по принципу обратной связи. Эти ингибиторы конкурируют с субстратом — ФРПФ, последний, как выяснилось, занимает центральное место в регуляции синтеза пуринов denovo. Многие косвенные данные свидетельствуют о том, что роль амидотрансферазы в этом процессе менее существенна, чем ФРПФ-синтетазы.

Образование GMP или AMP из IMP регулируется двумя механизмами (рис. 7).

Рисунок 7.Регуляция превращений IMP в аденозиновые и гуанозиновые нуклеотиды. Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозначают положительную и отрицательную регуляцию по принципу обратной связи.

AMP регулирует активность аденилосукцинатсинтетазы, влияя по принципу обратной связи на собственный синтез. GMP регулирует собственный синтез, действуя по тому же принципу на 1МР-дегидрогеназу. Наряду с этим образование аденилосукцината из IMP на пути к AMP стимулируется GTP. Образование же GMP из ксантозинмонофосфата требует присутствия АТР. Таким образом, наблюдается существенная перекрестная регуляция дивергентных путей метаболизма IMP. Такая регуляция тормозит биосинтез одного из пуриновых нуклеотидов при недостатке другого. Гипоксантингуанин-фосфорибозилтрансфераза, катализирующая образо-вание из ксантина и гуанина IMP и GMP соответственно, весьма чувствительна к ингибирующему действию этих нуклеотидов.

Восстановление рибонуклеозиддифосфатов до дезоксирибонуклеозид-дифосфатов является объектом сложной регуляции. Этот процесс (рис. 8) обеспечивает сбалансированное образование дезоксирибонуклеотидов для синтеза ДНК.

Рисунок 8. Регуляция восстановления пуриновых и пиримидиновых рибонуклеотидов до соответствующих 2'-дезоксирибонуклеотидов. Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозначают положительную и отрицательную регуляцию по принципу обратной связи.

7. Биосинтез пиримидинов

Структура ядра пиримидинов проще и путь их биосинтеза короче, чем у пуринов. В то же время оба пути имеют ряд общих предшественников. ФРПФ, глутамин, СО₂ и аспартат необходимы для синтеза всех пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов. Синтез тимидиновых нуклеотидов, а также всех пуриновых нуждается в присутствии производных тетрагидрофолата. Можно отметить одно существенное различие в путях биосинтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. В первом случае синтез начинается с молекулы рибозофосфата как интегральной части будущей молекулы предшественника нуклеотида, во втором случае сначала синтезируется пиримидиновое основание и только на последних стадиях присоединяется остаток рибозофосфата.

Синтез пиримидинового кольца (рис. 9) начинается с образования карбамоилфосфата из глутамина, АТР и СО₂ в реакции, катализируемой в цитозоле карбамоилфосфатсинтазой (реакция 1). Отметим, что карбамоилфосфатсинтаза, ответственная за ранние стадии синтеза мочевины, локализована в митохондриях.

Первый уникальный для биосинтеза пиримидинов этап — образование карбамоиласпартата в реакции конденсации карбамоилфосфата и аспартата катализируется аспартаттранскарбамоилазой (реакция 2). Затем в реакции, катализируемой дигидрооротазой, выщепляется Н₂О и образуется кольцевая структура (реакция 3).

На следующем этапе происходит дегидрогенирование под действием дигидрооротатдегидрогеназы с использованием NAD в качестве кофактора, при этом образуется оротовая кислота (реакция 4).

В реакции 5 к оротовой кислоте присоединяется остаток рибозофосфата с образованием оротидилата (оротидинмонофосфат, ОМР). Этот процесс осуществляется оротат-фосфорибозилгрансферазой — ферментом, аналогичным гипоксантин-гуанин—фосфорибозилтрансферазе и аденин-фосфорибозил-трансферазе, которые участвуют в фосфорибозилировании пуриновых колец.

Первый истинный пиримидиновый рибонуклеотид—уридилат (уридинмонофосфат, UMP) образуется при декарбоксилировании оротидилата (реакция 6). Таким образом, только на предпоследней стадии образования UMP происходит фосфорибозилирование гетероцикла.

Дигидрооротатдегидрогеназа митохондриальный фермент. Все остальные ферменты, участвующие в синтезе пиримидинов denovo, локализуются в цитозоле.

Фосфорилирование пиримидиновых нуклеозидмонофосфатов до соответствующих ди- и трифосфатов происходит аналогично тому, как это описано для пуриновых нуклеозидмонофосфатов (реакции 7—12). UTP аминируется до СТР; в реакции участвуют глутамин и АТР (реакция 9). Механизм восстановления пиримидиннуклеозиддифосфатов до соответствующих 2^/-дезоксинуклеозиддифосфатов (реакция 10) также аналогичен тому, который описан для пуриновых нуклеозиддифосфатов (рис. 5 и 8).

Образование тимидилата (тимидинмонофосфат; ТМР) (реакция 12) — единственная реакция на пути биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов, требующая участия производного тетрагидрофолата в качестве донора одноуглеродного фрагмента. 2'-Дезокси-UMP метилируется тимидилатсинтазой, использующей N⁵, N¹⁰-метилентетрагидрофолат как донор метильной группы.