Синтез и катаболизм пуриновых оснований

Последовательность реакций, которая ведет к образованию пуриновых нуклеотидов, начинается с синтеза 5-фосфорибозил-1-дифосфата — ФРДФ (он же пирофосфат — ФРПФ), являющегося общим предшественником фосфорибозы в синтезе пурино­вых и пиримидиновых нуклеотидов (рис.8).

Перенос амидной группы глицина на ФРДФ с обра­зованием 5-фосфорибозил-1-амина катализирует регуляторный фермент синтеза пуриновых нуклео­тидов ФРДФ-амидотрансфераза.

В синтезе пуриновых нуклеотидов не образу­ется свободное азотистое основание, а пуриновое кольцо формируется на остатке рибозо-5-фосфата при участии молекулы глицина, амидного азота глутамина, a-NH₂-группы аспарагина, СО₂ и одноуглеродных производ­ных: метенил- и формил-Н₄-фолата.

Синтезируется первый пуриновый нуклеотид — инозиновая кислота (IMP), которая двумя последо­вательными реакциями может превращаться в AMФ или в ГМФ.

Рисунок 8

Печень является основным местом образования пуриновых нуклеотидов. Она снабжает пуринами ткани, не способные к их синтезу: эритроциты, по­лиморфно-ядерные лейкоциты и частично мозг.

Синтез нуклеозиддифосфатов (НДФ) и нуклеозидтрифосфатов (НТФ) происходит при участии АТР и ферментов: нуклеозидмонофосфат (НМФ)- и НДФ -киназ. Например, АМР-киназа (миокиназа) катализирует реакцию:

AMP+ATФ «2AДФ

ГМФ-киназа катализирует: ГМФ + АТР ® ГДФ +ADP

НДФ -киназа превращает НДФ в НТФ:

НДФ +ATФ ® НТФ +АДФ

AMФ, ГМФ и ИМФ ингибируют ключевые реак­ции своего синтеза по механизму отрицательной об­ратной связи. Первые 2 фермента от­вечают за скорость синтеза пуриновых нуклеотидов по основному пути, и их ингибирование происхо­дит лишь при одновременном повышении концент­рации

AMФ, ГМФ

Скорость синтеза ФРДФ зависит от 2 факторов: доступности рибозо-5-фосфата и активности ФРДФ-синтетазы, регуляция активности которой имеет большее физиологическое значение, чем ре­гуляция активности ФРДФ-амидотрансферазы.

Аденилосукцинатсинтетаза и IMP-дегидрогеназа являются регуляторными ферментами на пути превра­щения IMP в AMФ и ГМФ. AMФ снижает превра­щение IMP в аденилосукцинат, а ГМФ — превраще­ние IMP в ксантозин –5 монофосфат, поэтому от них зависит сбалансированное содержание адениловых и гуаниловых нуклеотидов. Превращение IMP в аденило­сукцинат в ходе синтеза AMФ требует ГТФ, а превра­щение ксантозин –5 монофосфата в ГМФ - АТФ. Перекрестная регуляция между путями использования IMP служит для того, чтобы снизить синтез одного пуринового нуклеотида при дефиците другого.

Пуриновые нуклеотиды синтезируются «запасньм путем» из азотистых оснований и нуклеозидов. Этот путь имеет вспомогательное значение, давая от 10 до 20% общего количества нуклеотидов. При этом используются азотистые основания, образующиеся процессе катаболизма нуклеиновых кислот ( «путь спасения»). Два фермента катализируют эти реакции:

i) аденинфосфорибозилтрансфераза, отвечающая и образование AMФ из аденина и ФРДФ:

Аденин + ФРДФ ® AMP + Н₄Р₂О₇

i) гипоксантингуанинфосфорибозилтрансфераза, которая использует в качестве субстратов гипоксантин и гуанин:

Гуанин + ФРДФ ® ГМФ

Гипоксантин + ФРДФ ® IMP

В результате совместного действия этих ферментов снижается выход конечного продукта обмена пуринов - мочевой кислоты.

Другой «запасной путь» включает фосфорилирование пуриновых нуклеозидов с помощью АТР. Так, аденозинкиназа катализирует фосфорилирование аденозина до AMФ или дезоксиаденозина до dAMФ:

Аденозин + АТФ ® AMФ + AДФ

Катаболизм пуриновых нуклеотидов приводит к образованию мочевой кислоты. Мононуклеотиды теряют фосфатный остаток гидролитически под действием фосфатаз или нуклеотидаз с образованием нуклеозидов.

Дальнейшие превращения аденозина и иозина в мочевую кислоту показаны на рисунке

Фермент аденозиндезаминаза иногда образуется в дефектной мутантной форме, что приводит к врожденному иммунодефициту, так как нуклеотиды являются регуляторами функций лейкоцитов.

Последним ферментом, участвующим в превращении азотистых оснований в мочевую кислоту, является ксантиноксидаза. Она окисляет гипоксантин в ксантин и ксантин в мочевую кислоту с участием молекулярного кислорода. У человека мочевая кислота является конечным продуктом обмена и вы­водится из организма с мочой.

Мочевая кислота является одним из нормальных компонентов мочи. За сутки в организме образуется около 1 грамма мочевой кислоты. Мочевая кислота выводится из организма с мочой - это обычный ее компонент, но в почках организма человека происходит ее интенсивная реабсорбция. Концентрация мочевой кислоты в крови поддерживается на постоянном уровне 0.12-0.30 ммоль/л.

Функции мочевой кислоты: 1. Является мощным стимулятором центральной нервной системы, ингибируя фосфодиэстеразу, которая служит посредником действия гормонов адреналина и норадреналина. Мочевая кислота пролонгирует (продлевает) действие этих гормонов на ЦНС; 2. Обладает антиоксидантными свойствами - способна взаимодействовать со свободными радикалами.

Уровень мочевой кислоты в организме контролируется на генетическом уровне. Для людей с высоким уровнем мочевой кислоты характерен повышенный жизненный тонус

Полиморфизм ферментов, участвующих в синтезе пуриновых нуклеотидов de novo, сопровож­дается образованием белков с низкой ферментатив­ной активностью или нечувствительных к действию аллостерических эффекторов. При этом нарушает­ся регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов по механизму отрицательной обратной связи. Избыточ­но синтезирующиеся нуклеотиды подвергаются ка­таболизму, и образование мочевой кислоты повыша­ется. Тот же результат получается при снижении активности «путей спасения» пуринов. Аденин, гуа­нин и гипоксантин не используются повторно, пре­вращаются в мочевую кислоту, и возникает гипер-урикемия. Гиперурикемия – это состояние организма, при котором содер­жание мочевой кислоты в сыворотке крови превышает уровень растворимости.

Сама мочевая кислота и, особенно, ее соли ураты (натриевые соли мочевой кислоты) плохо растворимы в воде. Даже при незначительном повышении концентрации они начинают начинают выпадать в осадок и кристаллизоваться, образуя камни. Кристаллы воспринимаются организмом как чужеродный объект. В суставах они фагоцитируются макрофагами, сами клетки при этом разрушаются, из них освобождаются гидролитические ферменты. Это приводит к воспалительной реакции, сопровождающейся сильнейшими болями в суставах. Такое заболевание называется подагра. Другое заболевание, при котором кристаллы уратов откладываются в почечной лоханке или в мочевом пузыре, известно как мочекаменная болезнь.

Наследственное нарушение пути реутилиза­ции пуринов вызывает развитие у мальчиков синд­рома Леша—Нихена, при котором отмечается резкое снижение активности гипоксантингуанинфосфорибо-зилтрансферазы или она полностью отсутствует. Эта патология сопровождается 3—6-кратной гиперпро­дукцией уратов, образованием камней в почках, ум­ственной отсталостью, агрессивным поведением и нанесением себе увечий.

Синтез и катаболизм пиримидиновых оснований (рис.9)

Синтез УМФ de novo, включающий 6 последовательных стадий, протекает главным образом в цитозоле клеток при участии 3 ферментов, 2 из которых полифункциональны:

- первый полифункциональный фермент содержит домены, имеющие активность карбамоилфосфат-синтетазы II (КФС II), аспартаттранскарбамоилазы (АТК) и дигидрооротазы и катализирующие 3 первые реакции этого метаболического пути;

Рисунок 9

- митохондриальная NAD-зависимая дегидрооротатдегидрогеназа окисляет дигидрооротат в оротат;

- превращение азотистого основания оротата в нуклеотид и его последующее декарбоксилирование до УМФ катализирует второй полифункциональный фермент, обнаруживающий оротатфосфорибозилтрансферазную и оротатдекарбоксилазную ак­тивность.

НМФ- и НДФ-киназы катализируют превращение НМФ в полифосфорные производные за счет переноса фосфата АТФ на НМФ с образованием НДФ и НТФ.

СТР-синтаза (ЦТФ- синтаза) превращает УТФ в ЦТФ, используя амидную группу глутамина и энергию АТР для аминирования пиримидинового кольца.

Аллостерически регулируется активность 2 ферментов первого полифункционального комплекса:

КФС II ингибируется УТФ и пуриннуклеотидами, но ак­тивируется ФРДФ, а АТК ингибируется ЦТФ, но акти­вируется АТФ. Количество обоих поли­функциональных ферментов регулируется также на генетическом уровне путем репрессии и дерепрессии.

Подобно пуринам, пиримидиновые азотистые основания и нуклеозиды могут превращаться в нук-леотиды «запасными путями» в реакциях, катализи­руемых пиримидинфосфорибозилтрансферазой и ури-динцитидинкиназой.

Синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов строго координируется: ФРДФ активирует оба синтеза, а накопление пурин - и пиримидиннуклеотидов ингибирует образование ФРДФ по механиз­му отрицательной обратной связи.

Описано редкое наследственное заболевание — оротацидурия, при котором в результате мутации в гене второго полифункционального фермента нару­шается превращение оротата в УМФ. С мочой выде­ляется до 1,5 г оротата (в 1000 раз больше, чем в нор­ме), и развивается недостаточность пиримидиновых нуклеотидов.

 

Ферментные системы организма способны разрушать пиримидиновые основания с образованием продуктов. Цитозин распадается с образованием CO₂, NH₃ и b-аланина.

Тимин распадается подобно урацилу, но сохраняется CH₃-группа, и вместо b-аланина образуется b-аминоизобутират, а также CO₂ и NH_3.

Поскольку тимин встречается только в ДНК, то по уровню b-аминоизобутирата в моче судят об интенсивности распада ДНК.

b-аланин хорошо растворим в воде, имеет физиологическое значение, содержится в плазме в свободном виде или включается в мышечные белки - карнозин и ансерин.

NH₃ используется для синтеза мочевины.