В клетках осуществляются превращения, включающие перенос одноуглеродных групп, таких как -СН3, -СНОН, -СНО, -СН2- и т.д. Реакция, в которой переносится метильная группа (-СН3), называется реакцией метилирования и она происходит с участием метионина. Донором метильной группы служит S-аденозилметионин (SAM):
|
Это соединение является активной формой метионина в реакциях метилирования. Его образование и участие в реакции показано на рисунке:
Обмен метионина
|
В ходе реакции метилирования SAM превращается в S-аденозил-гомоцистеин (SAG). Гомоцистеин может вновь превращаться в метионин, но для этого нужны доноры и переносчики одноуглеродного фрагмента. Все ферменты, катализирующие перенос одноуглеродных групп, нуждаются в коферменте, роль которого выполняет тетрагидрофолат (ТГФ, или Н4-фолат), образующийся из фолиевой кислоты – важного для человека витамина:
Производные тетрагидрофолиевой кислоты
|
Тетрагидрофолат способен связывать одноуглеродные группы с атомами азота в положении 5 и 10, образуя разные формы в зависимости от строения одноуглеродных фрагментов.
Донорами одноуглеродных фрагментов могут быть серин и глицин. В реакции превращения серина в глицин или катаболизма глицина до СО2 и Н2О группа -СН2- переносится на ТГФ.
Обмен одноуглеродных фрагментов
|
Дальнейшие метаболические превращения преобразуют группу -СН2- в другие группы и определяют пути их использования. Метильная группа необходима для превращения гомоцистеина в метионин, а метиленовые, метениловые и формильные участвуют в биосинтезе всех пуринов и одного из пиримидинов - тимина. Участие ТГФ в синтезе тимина и пуринов объясняет применение сульфаниламидных препаратов как бактериостатических средств. Эти препараты подавляют в клетках микроорганизмов образование фолиевой кислоты, которая не является для прокариот витамином, и может ими синтезироваться. Сульфаниламиды - это структурные аналоги p-аминобензоата (компонента фолиевой кислоты), поэтому действуют как конкурентные ингибиторы синтеза фолата и тем самым, препятствуют росту клеток микроорганизмов.
Метаболизм нуклеотидов
Биосинтез нуклеотидов. Все организмы способны синтезировать пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды из простых соединений, таких как СО2, NH3, аспартат, глицин, глутамат, рибоза.
Синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов
|
Путь синтеза пуринов завершается образованием инозин-5’-моно-фосфата - IMP, который затем превращается в АМР и GMP. Конечным продуктом нуклеотидной природы на пути синтеза пиримидинов является уридин-5’-монофосфат - UMP, который также служит предшественником других пиримидинов.
Строение UMP и IMP
|
В ходе синтеза нуклеотидов фосфорибозный компонент включается в виде 5’-фосфорибозил-1’-пирофосфата (PRPP). Это соединение получается из рибозо-5’-фосфата, который в свою очередь является продуктом пентозофосфатного пути глюкозы.Для синтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов характерно участие тетрагидрофолата, как переносчика одноуглеродных фрагментов. Сборка из мелких фрагментов не единственный путь синтеза нуклеотидов. Другой путь - это синтез пуриновых нуклеотидов из азотистых оснований путем фосфорибозилирования. Этот путь представляет собой реутилизацию свободных пуриновых оснований, образующихся при катаболизме нуклеотидов. Например: Аденин + фосфорибозилдифосфат → АМР + PPi
Для пиримидиновых нуклеотидов характерно повторное использование рибонуклеозидов: Уридин + АТР → UTP + ADP
АМР синтезируется из IMP путем аминирования в шестом положении пуринового кольца с участием аспарагиновой кислоты-донора аминогруппы. GMP синтезируется также после аминирования IMP в третьем положении пуринового кольца. Донором аминогруппы служит глутаминовая кислота. Синтез цитидиловых нуклеотидов происходит из UTP путем аминирования пиримидинового кольца в четвертом положении. Донором аминогруппы является глутамин.
Нуклеозидди- и трифосфаты образуются из соответствующих нуклеозидмонофосфатов путем фосфорилирования с участием специфических киназ и АТР, например:
UMP + АТР → UDP + ADP
UDP + АТР → UTP + ADP
Регуляция синтеза нуклеотидов осуществляется главным образом по механизму обратной связи. Ферменты, катализирующие одну из первых стадий синтеза IMP или UMP, контролируют весь процесс. Пример регуляции синтеза пуриновых нуклеотидов показан на рисунке:
Регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов
|
Кроме регуляции всего процесса на первой стадии возможна регуляция синтеза АМР и GMP на специфических стадиях (раздельная регуляция).
Синтез дезоксирибонуклеотидов происходит из рибонуклеозиддифосфатов путем восстановления рибозы в составе нуклеотида в дезоксирибозу. В этом процессе участвуют три белка:
1. рибонуклеозидредуктаза - фермент, катализирующий восстановление рибозы в составе нуклеотида
2. тиоредоксин - донор водорода для восстановления кислорода рибозы в положении С-2 до молекулы воды
3. тиоредоксинредуктаза - фермент, восстанавливающий окисленный тиоредоксин за счет водорода NADFH
Синтез дезоксирибонуклеотидов
|
Дезоксинуклеозиддифосфаты затем превращаются в дезоксинуклеозидтрифосфаты и служат субстратами для синтеза DNA. Так синтезируются dATP, dGTP, dCTP. В результате метилирования dTTP синтезируется из dUMP. Донором одноуглеродной группы - СН3 служит метилен-ТГФ. Реакция катализируется тимидилатсинтазой.
Синтез тимидиловых нуклеотидов
|
В ходе превращения образуется дигидрофолат, который восстанавливается снова до тетрагидрофолата под действием фолатредуктазы и водорода NADFH. На ингибировании тимидилатсинтетазы и фолатредуктазы основано действие противоопухолевых препаратов. Эти препараты тормозят образование тимидина из dTTP, необходимых для синтеза DNA, а, следовательно, репликацию и деление клеток.
Катаболизм нуклеотидов
Катаболизм пуриновых нуклеотидов приводит к образованию ксантина, который в организме человека превращается в мочевую кислоту. Часть свободных пуриновых оснований используется повторно (реутилизация) под действием ферментов гипоксантин-гуанин-фосфорибозиттрансферазы и аденинфосфорибозилтрансферазы, которые превращают пуриновые основания в нуклеотиды. Донором фосфорибозильной группы служит 5’-фосфорибозил-1’-пирофосфат (PRPP).
Гиперурикемия - состояние, проявляющееся повышением содержания мочевой кислоты в крови. Причинами гиперурикемии может быть:
· избыточный синтез мочевой кислоты вследствие нарушения регуляции
· снижение в плазме концентрации уратсвязывающего белка - транспортного белка для мочевой кислоты
· замедление выведения мочевой кислоты с мочой
· снижение скорости реутилизации пуриновых оснований
Подагра - заболевание, причиной которого является гиперурикемия. Так как мочевая кислота плохо растворимое соединение, то при повышении концентрации происходит ее кристаллизация и накопление в суставах под кожей или в виде почечных камней. Способом, снижающим синтез мочевой кислоты, является применение в качестве лекарства аллопуринола - конкурентного ингибитора ксантиноксидазы, фермента, катализирующего превращение гипоксантина в ксантин и ксантина в мочевую кислоту.
Обмен пуриновых нуклеотидов
|
В результате катаболизм нуклеотидов приводит к образованию гипоксантина, который является более растворимым веществом. Синдром Леша-Нихана - генетическое заболевание, связанное с повышением у детей синтеза мочевой кислоты и, как следствие этого, развитием различных нейрофизиологических нарушений: замедлению умственного развития, агрессивности и т.д. Причиной этого является дефект фермента гипоксантин-гуанин-фосфорибозил-трансферазы, который катализирует реутилизацию гуанина и гипоксантина. В этом случае образуется больше ксантина и, следовательно, мочевой кислоты. Кроме того, снижение синтеза GMP и IMP из свободных оснований ухудшает регуляцию скорости их синтеза из мелких фрагментов путем реутилизации.
Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов приводит к образованию пиримидиновых оснований, а затем протекает разными путями в зависимости от вида организма. У человека конечными продуктами распада являются СО2, NН3, b -аланин (из урацила) и g -иминомасляная кислота из тимина. Ферменты реутилизации свободных пиримидиновых оснований не были обнаружены, но клетки млекопитающих обладают способностью реутилизировать пиримидиновые рибонуклеозиды - уридин и цитидин, превращая их в соответствующие нуклеотиды.