Распад и синтез нуклеотидов в организме. Роль

Распад и синтез
нуклеотидов в организме.
Роль ксантиноксидазы.
Патология обмена
простетических групп
сложных белков.
Автор – доцент кафедры
биохимии Е.А. Рыскина
Строение нуклеиновых кислот
• В каждом живом организме присутствуют
2 типа нуклеиновых кислот:
• Рибонуклеиновая (РНК)
• Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
• ДНК и РНК представляют собой линейные
полимеры, построенные из нуклеотидов.
• Каждый нуклеотид состоит из трех
компонентов: азотистого основания
(производные пурина или пиримидина),
пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и
остатка фосфорной кислоты.
В зависимости от числа остатков
фосфорной кислоты различают:
нуклеозидмонофосфаты (НМФ)
нуклеозиддифосфаты (НДФ)
нуклеозидтрифосфаты (НТФ)
Азотистые основания бывают
двух типов: пуриновые и
пиримидиновые
Пентозы в нуклеотидах представлены
либо рибозой (в составе РНК), либо
дезоксирибозой (в составе ДНК)
Биологическая роль нуклеотидов
Входят в состав
многих
коферментов
– НАД, ФАД,
Нs – КоА и др.
Участвуют
в синтезе
белков
Участвуют
в синтезе
липидов
нуклеотиды
Участвуют в
синтезе гема и
гетерополисахаридов
Входят в состав
цГМФ и цАМФ
– вторичных
посредников
передачи горм.
сигнала
Нуклеотидтрифосфаты (НТФ) и
дезоксинуклеотидтрифосфаты (дНТФ)
участвуют
в синтезе
ДНК и РНК
Входят в состав
АТФ и АДФ
Цикл АТФ – АДФ
• Почти все клетки организма
(исключение составляют
эритроциты, лейкоциты и
лимфоциты) способны к синтезу
нуклеотидов, и это главный
источник этих молекул в организме.
• Продукты расщепления
нуклеиновых кислот тканей и пищи
используются повторно лишь в
очень незначительной степени.
Метаболизм пуриновых
оснований
• Биосинтез пуриновых нуклеотидов
осуществляется в печени, откуда новые
нуклеотиды могут поступать в ткани.
• Распад пуринов происходит в печени и в
кишечнике, где в значительных
количествах обнаруживается фермент
ксантиноксидаза, участвующая в
превращении пуринов в мочевую кислоту
– конечный продукт катаболизма пуринов.
Биосинтез пуриновых
нуклеотидов осуществляется из
низкомолекулярных
предшественников, продуктов обмена
углеводов и белков de novo (с нуля) .
• Биосинтез происходит путем сборки
гетероциклического основания на остатке
рибозо – 5 – фосфата при участии:
• Глицина
• СО2
• Амидного азота глутамина
• Аминогруппы аспартата
• Одноуглеродных остатков Н4 - фолата
Происхождение атомов С и N в
пуриновом ядре
Центральное место в синтезе
пуриновых и пиримидиновых
нуклеотидов занимает ФРПФ –
фосфорибозилпирофосфат, который
синтезируется из рибозо - 5 - фосфата
Основное место образования
пуриновых нуклеотидов - печень
Образовавшийся фосфорибозил - 1 - пирофосфат
(ФРДФ) взаимодействует с глутамином,
являющимся донором NH2 - группы, в результате
чего образуется 5-фосфорибозил-амин.
5-фосфорибозил-амин в ходе 10 реакций (участвуют
глицин, глутамин, аспартат, ТГФК и СО2)
превращается в первый пуриновый нуклеотид
инозинмонофосфат (ИМФ).
Синтез АМФ и ГМФ и
из инозиновой кислоты (ИМФ)
Синтез из АМФ и ГМФ нуклеозид ди и
трифосфатов происходит при участии
АТФ и ферментов НМФ и НДФ – киназ.
Регуляция синтеза пуринов
осуществляется аллостерически по
типу обратной, отрицательной связи.
Конечные продукты
процесса (АМФ, ГМФ, АДФ,
ГДФ, АТФ, ГТФ ) ингибируют
ключевые реакции синтеза 1, 2, 3 и 4),таким образом,
обеспечивая
сбалансированное
содержание адениловых и
гуаниловых нуклеотидов.
Запасные пути синтеза
• В период активного роста синтез пуринов из
простых предшественников не способен
обеспечить организм нуклеотидами.
• В этих условиях используются запасные
пути синтеза или запасные пути спасения.
Наибольшее значение в этом процессе
имеют значения ферменты:
• Аденинфосфорибозилтрансфераза
• Гипоксантингуанинфосфорибозилтрансфераза
Два запасных пути синтеза пуринов –
фосфорибозирование аденина в АМФ
и фосфорибозирование гипоксантина
и гуанина с образованием ИМФ и ГМФ
Катаболизм пуриновых
нуклеотидов
• Распад пуринов происходит в основном в
печени, где в значительных количествах
обнаруживается фермент ксантиноксидаза,
участвующая в превращении пуринов в
мочевую кислоту – конечный продукт
катаболизма пуринов.
• Первоначально от пуриновых нуклеотидов
гидролитически отщепляется остаток
фосфорной кислоты и остаются
нуклеозиды – аденозин и гуанозин.
• Нуклеозиды дезаминируют (отщепляется
NН2 – группа) и далее расщепляются до
свободных азотистых оснований и рибозо –
1 – фосфата.
Распад аденозина и гуанозина
Ксантиноксидаза используя О2
окисляет пуриновые основания в
мочевую кислоту с образованием
пероксида водорода.
• Ксантиноксидаза – аэробная
оксидоредуктаза, металлоэнзим,
простетическая группа которой включает
ион молибдена, железа (Fe3+) и
кофермент ФАД.
Мочевая кислота – конечный
продукт распада пуринов
• Мочевая кислота плохо растворима в воде,
удаляется главным образом, с мочой и
небольшое количество через кишечник.
• В норме содержание мочевой кислоты в
сыворотке крови 0,03 – 0,07 г/сутки.
• Если > 0,09 г/л – 100% подагра.
• Из организма в сутки выводится
0,5 –1 г/сутки мочевой кислоты и уратов
(соли мочевой кислоты).
Гиперурикемия – повышение
концентрации мочевой кислоты в
сыворотке крови
• Гиперурикемия,
причина развития
подагры –
заболевания, при
котором кристаллы
мочевой кислоты и
ураты откладываются
в хрящах, связках с
образованием узлов и
тофусов, вызывая
воспаление суставов
и нефропатию.
Лечение подагры аллопуринолом структурным аналогом гипоксантина
Ксантиноксидаза окисляет аллопуринол (вместо гипоксантина и ксантина) в
оксипуринол и останавливает катаболизм
пуринов на стадии образования
гипоксантина, который в 10 раз лучше
растворяется в жидкостях организма, чем
мочевая кислота.
Синтез пиримидиновых
оснований de novo (с нуля)
• В отличие от пуринов, где формирование
азотистого основания осуществляется на остатке
рибозо – 5 – фосфата, пиримидиновое кольцо
синтезируется из простых предшественников:
глутамина, СО2 и аспартата, а затем связывается с
рибозо – 5 – фосфатом, полученным от ФРПФ.
• Процесс протекает в цитозоле клеток.
• Синтез ключевого пиримидина – УМФ
(уридинмонофосфата), из которого синтезируются
все остальные, идет с участием 3 ферментов, 2 из
которых полифункциональны.
Биосинтез
первого
пиримидина уридинмонофосфата (УМФ), и
из него УДФ,
УТФ и ЦТФ
Ключевая стадия в синтезе
уридинмонофосфата (УМФ)
• Эту реакцию катализирует карбомоифосфатсинтетаза II,
протекает в цитозоле клеток , входит в состав КАД –
фермента. КАД – полифункциональный фермент состоит
из 3 доменов:
• Карбомоифосфатлсинтетазы II
• Аспартаттранскарбамоилаза
• Дигидрооротазы
• Регуляторный фермент – КАД фермент.
• УМФ и ЦТФ ингибируют, а ФДРФ и АТФ активируют.
Синтез ЦТФ
из УТФ,
необходимы
: глутамин
и АТФ
УМФ фосфорилируется в УТФ
в 2 стадии
Регуляция синтеза
пиримидиновых нуклеотидов
осуществляется аллостерически,
по механизму отрицательной
обратной связи.
Регуляторный фермент – КАД фермент.
УМФ и УТФ ингибирует
карбомоифосфатсинтетазу - КФС II (1
фермент комплекса), а ФРДФ активирует.
ЦТФ ингибирует
аспартаттранскарбомоилазу (2 фермент
комплекса), но активирует АТФ.
Запасные пути синтеза
пиримидиновых нуклеотидов:
Из пиримидинов при участии ФРДФ
образуются пиримидиновые
нуклеозиды (1 реакция), которые затем
превращаются в нуклеотиды (УМФ
или ЦМФ).
Часть УМФ может пополнять запасы
уридиловых нуклеотидов (2 реакция).
Оратоцидурия
• Редкое наследственное заболевание , при
котором нарушается превращение оротата в УМФ.
• Высокие концентрации оротата нетоксичны для
организма, многочисленные нарушения в работе
разных систем связаны с «пиримидиновым
голодом».
• Наиболее характерные симптомы оротацидурии –
мегалобластная анемия, нарушения работы ЖКТ,
сердца и др.
• Для лечения используют уридин и цитидин,
которые в обход нарушенной реакции
превращаются в УМФ и ЦМФ.
Синтез дезоксирибонуклеотидов из
рибонуклеотидов, кроме тимидиловых, происходит
путем прямого восстановления ОН – группы у второго
атома рибозы до дезоксирибозы.
Катализирует комплекс рибонуклеотидредуктаза (РНР),
состоящий из:
1. Белка восстановителя – тиоредоксина,
2. Собственно рибонуклеотидредуктазы – 1 реакция
синтеза;
3. Тиоредоксинредуктаза (восстановление тиоредоксина
с помощью НАДФ) 2 – реакция синтеза
Образование дТМФ
(дезокситимидинмонофосфата) из
дУМФ в реакции, катализируемой
тимидилатсинтазой с коферментом
Н4 - фолатом
Катаболизм пиримидиновых
нуклеотидов
• Происходит в печени.
• Конечные продукты распада
уридинмонофосфата (УМФ) и
цитидинмонофосфата (ЦМФ) – СО2, NН3, и
• β – аланин
• Конечные продукты распада
тимидинмонофосфата (ТМФ) - СО2, NН3, и
• β – изомасляная кислота, из которой
образуется пропионат.
• Пропионат превращается в сукцинат,
который идет в ЦТК.
Распад цитозина, урацила (1 реакция)
и тимина (2 реакция, где
β – аминоизобутират - это
β – изомасляная кислота
• Следует указать, что
гидролитический путь
распада пиримидинов
является, очевидно, главным
путем образования βаланина, который может
служить источником для
синтеза ансерина и
карнозина, а также для
образования КоА.
Спасибо за внимание!