Основные функции нуклеотидов(лекция)

ТАШКЕНТСКАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА БИОЛОГИЧЕСКОЙ И БИООРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
ЛЕЧЕБНОГО И МЕДИКО-ПРОФИЛАКТИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТОВ
Тема лекции: «ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ»
для студентов 2 курса лечебного, медико-профилактического факультетов
Рассмотрена и одобрена на
учебно-методическом заседании
кафедры от августа 2005 г.
протокол №1
Составитель:
Доц. М.П.Ибрагимходжаева
Ташкент - 2006 г.
Обмен нуклеиновых кислот.
Рассматриваемые воросы:
1Переваривание и всасывание нуклеопротеидов
2Распад пуриновых нуклеотидов
3Первичная и вторичная гиперурикемия, подагра и механизм их
лечения аллопуринолом
4Биосинтез пуриновых нуклеотидов
5Распад пиримидиновых нуклеотидов
6Оротацидурия, его причины и механизм действия лечения
уридином
СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ:
Основные функции нуклеотидов:.
1. Мононуклеотиды служат предшественниками и структурными компонентами нуклеиновых
кислот.
2. Цикл АДФ — АТФ участвует в трансформации энергии окисления веществ в энергию,
используемую в эндергонических процессах организма. В некоторых реакциях аналогичную роль
могут выполнять и другие нуклеотиды.
3. Остаток адениловой кислоты входит в состав коферментов дегидрогеназ (НАД, НАДФ,
ФАД) и кофермента ацилирования (КоА); УТФ, ГТФ и ЦТФ выполняют роль коферментов в реакциях переноса моносахаридных остатков; ЦТФ служит кофер-ментом холинтрансферазы.
4. Циклические мононуклеотиды 3',5'-цАМФ и 3',5'-цГМФ являются посредниками при
передаче гормональных и других сигналов на внутриклеточные эффекторные системы.
Практически все клетки организма способны к синтезу ну-клеотидов. Кроме того, источниками
нуклеотидов служат нуклеиновые кислоты пищи и собственных тканей организма, однако эти
источники имеют второстепенное значение.
Нуклеиновые кислоты пищи в кишечнике гидролизуются под действием нуклеаз
панкреатического сока — ДНКазы и РНКазы. Продуктами гидролиза являются мононуклеотиды
(мононуклео-зидфосфаты) и олигонуклеотиды. Фосфодиэстеразы кишечника расщепляют
олигонуклеотиды до мононуклеотидов. Последние при участии фосфатаз гидролизуются с
образованием нуклеозида и фосфорной кислоты; это происходит частично в просвете кишечника,
частично же в клетках кишечника после всасывания в них мононуклеотидов.
КАТАБОЛИЗМ ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ
Катаболизм пуриновых нуклеотидов включает реакции гидролитического отщепления
фосфатного остатка, рибозного остатка (или целиком рибозофосфатного остатка) и аминогруппы.
В результате этих реакций из АМФ образуется гипоксантин, а из ГМФ — ксантин; в конечном
счете пуриновое ядро пуриновых нуклеотидов превращается в мочевую кислоту
Мочевая кислота
Мочевая кислота
(кетоформа)
(енольная форма )
Превращение гипоксантина в ксантин и ксантина в мочевую кислоту происходит при действии
ксантиноксидазы; в этих реакциях используется молекула кислорода, один атом которого включается в пурин, а другой в пероксид водорода:
Гипоксантин + Ог + НгО->- Ксантин + Н2О2
Ксантин + Ог + НгО — Мочевая кислота + Н2О2
Образование мочевой кислоты происходит главным образом в печени. Мочевая кислота —
основной продукт катаболизма пуриновых нуклеотидов у человека. В организме ежесуточно
образуется 0,5—1 г мочевой кислоты, которая выводится через почки.
Гиперурикемия и подагра
В крови здорового человека содержится 3—7 мг/дл мочевой кислоты. Хроническое повышение
концентрации мочевой кислоты (гиперурикемия) часто приводит к развитию подагры. Мочевая
кислота плохо растворима в воде. В крови в норме концентрация мочевой кислоты больше, чем в
насыщенном водном растворе. Это обусловлено тем, что часть мочевой кислоты связана с белками
и некоторыми другими компонентами крови. Даже небольшое повышение концентрации мочевой
кислоты в крови и тканях приводит к образованию кристаллов. С этим и связаны основные
симптомы подагры.
Наиболее характерный клинический признак подагры — повторяющиеся приступы острого
воспаления суставов, чаще всего мелких (подагрические кризы, или атаки). Обычно (в 3/4 случаев)
болезнь начинается с воспаления первого плюснефалангового сустава большого пальца ноги. При
кризе боль настолько сильна, что больной не в состоянии выносить даже прикосновения простыни. Приступ длится часами и повторяется с перерывами в несколько месяцев.
Подагрический криз связан с отложением кристаллов мононатриевой соли мочевой кислоты
(урата натрия) в суставе. Об этом свидетельствует, в частности, такой опыт: если ввести суспензию
кристаллов мочевой кислоты в сустав экспериментального животного, возникает характерная для
подагры реакция. Полагают, что кристаллы урата фагоцитируются лейкоцитами, в которых под
действием этих кристаллов разрушаются мембраны лизосом; освободившиеся лизосомные
ферменты в свою
БИОСИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ
В экспериментах с мечеными веществами еще в 50-е годы XX в. было выяснено происхождение
атомов пуринового ядра пу-риновых нуклеотидов. Оказалось, что пуриновая структура образуется из мелких фрагментов, поставляемых разными соединениями
Позднее была изучена вся последовательность реакций, ведущих к пуриновым нуклеотидам.
Синтез начинается с образования 5-фосфорибозил-1-амина
затем к аминогруппе присоединяется остаток глицина и далее последовательно протекают реакции
образования пуринового ядра с использованием метенильной группы метенил-Н4-фолата, еще одной
амидной группы глутамина, диоксида углерода, аминогруппы аспарагиновой кислоты, формильного остатка
фор-мил-Н4-фолата. Результатом этой серии реакций является образование инозиновой кислоты (ИМФ).
Инозиновая кислота — это нуклеотид, пуриновая часть которого представлена гипоксантином; она
встречается в составе тРНК в качестве одного из минорных нуклеотидов. Кроме того, инозиновая кислота
служит предшественником основных пурино-вых нуклеотидов — АМФ и ГМФ, схема синтеза которых
представлена ниже. При действии специфических киназ эти нуклеозидмонофосфаты превращаются в
нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты
Схема синтеза адениловых и гуаниловых нуклеотидов
Биосинтез пуриновых нуклеотидов из аденина и гуанина.
В результате превращений нуклеотидов в тканях постоянно образуются свободные пуриновые основания —
аденин и гуанин. Они могут повторно использоваться для синтеза нуклеотидов при участии ферментов
аденинфосфорибозилтрансферазы и гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы:
Аденин + Фосфорибозилдифосфат---- АМФ + Н4Р2О7
Гуанин + Фосфорибозилдифосфат----- ГМФ + Н4Р2О7 Второй фермент может также использовать в
качестве субстрата гипоксантин:
Гипоксантин + Фосфорибозилдифосфат-------ИМФ + Н4Р2О7
Этот
механизм
повторного
включения
азотистых оснований в метаболизм называют
«путь спасения».
Регуляция
биосинтеза
пури-новых
нуклеотидов.
Реакция
образования
5фосфорибозилами-на является лимитирующей
стадией биосинтеза пуриновых нуклеотидов.
Фермент, катализирующий эту реакцию,
ингиби-руется адениловой и гуаниловой
кислотами. Кроме того, эта метаболическая
цепь регулируется в месте ее разветвления:
АМФ ингибирует реакцию образования
аденилосукцината, а ГМФ — реакцию
образования ксантиловой кислоты (рис.
124).
В целом
механизм
регуляции
обеспечивает поддержание
необходимой скорости синтеза АМФ и ГМФ.
ОБМЕН ПИРИМИДИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ
Пиримидиновое ядро пиримидиновых нуклеотидов образуется из диоксида углерода, амидной
группы глутамина, аспарагино-вой кислоты. В результате цепи реакций из этих веществ синтезируется уридинмонофосфорная кислота, которая в свою очередь служит предшественником
других пиримидиновых нуклеотидов — цитидиловых и тимидиловых.
Биосинтез уридиловой кислоты. Первая реакция пути синтеза УМФ — это образование
карбамоилфосфата при действии кар-бамоилфосфатсинтетазы II (точнее, при действии
карбамоилфос-фатсинтетазного активного центра полифункционального фермента). В этой
реакции ЫН2-группа карбамоилфосфата образуется за счет амидной группы глутамина:
С02 + Глутамин + 2АТФ + Н20 — Н2М-СО-ОР03Н2 + Глутамат + 2АДФ + Н3Р04
Напомним, что при синтезе мочевины в реакции, катализируемой карбамоилфосфатсинтетазой I,
используется аммиак, а не глутамин. Эти ферменты различаются также локализацией
карбамоилфосфатсинтетаза I содержится в митохондриях, главным образом в печени, а
карбамоилфосфатсинтетаза II — в ци-тозоле, практически во всех клетках организма.
Далее карбамоилфосфат в реакции с аспарагиновой кислотой образует карбамоиласпарагиновую
кислоту, которая дегидратируется с образованием пиримидинового цикла дигидрооротовой кислоты
Первые три реакции — образование карбамоилфосфата, кар-бамоиласпартата и
дигидрооротовой кислоты — катализируются одним белком, содержащим активные
центры для катализа каждой из реакций. Карбамоилфосфат и карбамоиласпартат не
освобождаются из фермент-субстратного комплекса; освобождающимся продуктом
действия этого белка является дигидроорото-вая кислота. Следовательно,
карбамоилфосфат, образующийся при синтезе УМФ, не может быть использован для
синтеза мочевины.
Дигидрооротовая кислота при действии отдельного фермента (дегидрогеназы)
превращается в оротовую кислоту. Две следующие реакции — образование
оротидиловой кислоты и ее декарбо-ксилирование — катализируются также одним
белком. Таким образом, шесть активных каталитических центров, необходимых для
синтеза пиримидиновых нуклеотидов, по-видимому, кодируются только тремя
структурными генами.
БИОСИНТЕЗ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДОВ
Дезоксирибонуклеотиды — предшественники ДНК — образуются из рибонуклеотидов
путем восстановления рибозного остатка при участии специфической ферментной системы.
Фермент рибонуклеозидредуктаза катализирует восстановление гидр-оксильной группы
рибозного остатка у второго углеродного атома; субстратами фермента являются
дифосфаты нуклеотидов. Донором водорода в этой реакции служит низкомолекулярный
белок тиоредоксин, содержащий 5Н-группы; водород используется для восстановления
кислорода гидроксильной группы до молекулы воды:
Другой фермент системы — тиоредоксинредуктаза — катализирует гидрирование окисленного
тиоредоксина.
Дезоксирибонуклеозиддифосфаты
при
участии
киназ
превращаются
дезоксирибонуклеозидтрифосфаты:
в
Дезоксирибонуклеозиддифосфат + АТФ — Дезоксирибонуклео-зидтрифосфат + АДФ
Биосинтез тимидиловых нуклеотидов.
Тимидиловая кислота (дТМФ)
образуется
из
дезоксиуридиловой кислоты (дУМФ) в реакции, катализируемой тимидилатсинтетазой. В этой
реакции донором одноуглеродного фрагмента служит метилен-Ш-фолат, превращающийся в
дигидрофолат (Нг-фолат):
Дезоксирибозафосфат
Дезоксирибозафосфат
Биосинтез дезоксирибонуклеотидов и клеточное деление. Непосредственными предшественниками
ДНК служат четыре дезоксирибонуклеозидтрифосфата, в следуюўей схеме:
Три нуклеотида — дАТФ, дГТФ и дЦТФ — образуются в результате действия
рибонуклеотйдредуктазы и киназ дезокси-рибонуклеозиддифосфатов. Четвертый нуклеотид
(дТТФ), необходимый для синтеза ДНК, синтезируется более сложным путем, включающим
реакцию,
катализируемую
тимидилатсинтетазой.
Рибонуклеотидредуктаза
и
тимидилатсинтетаза — это ключевые ферменты, лимитирующие скорость образования
дезоксирибонуклеозидтрифосфатов.
Оротацидурия. Оротацидурией называют выделение с мочой больших количеств
оротовой кислоты. Известна наследственная оротацидурия, при которой выделяется до 1,5
г оротовой кислоты' в сутки, в 1000 раз больше, чем в норме. При охлаждении мочи
больных в ней образуется осадок игольчатых кристаллов оротовой кислоты. Болезнь
связана с недостаточностью фермента, катализирующего две последние реакции синтеза
УМФ — образования и декарбоксилирования оротидиловой кислоты. В результате
возникает недостаточность пиримидиновых нуклеотидов, необходимых для синтеза
нуклеиновых кислот, а оротовая кислота, -наоборот, накапливается. Накоплению
оротовой кислоты способствует также и отсутствие в этих условиях регулирующего
действия УТФ — аллостерического ингибитора первой реакции, поскольку концентрация
в клетках УТФ, как и других пиримидиновых нуклеотидов, постоянно низка. Вследствие
этого синтез оротовой кислоты происходит с большей скоростью, чем в норме.
При отсутствии лечения наследственная оротацидурия приводит к развитию
необратимого резкого отставания умственного и физического развития; обычно больные
погибают в первые годы жизни. Оротовая кислота не токсична; нарушения развития
являются следствием «пиримидинового голода». Поэтому для лечения этой болезни
применяют уридин (нуклеозид, построенный из урацила и рибозы) в дозах 0,5—1 г в
сутки. Это обеспечивает образование УМФ, а следовательно, и других пиримиди-новых
нуклеотидов в обход нарушенных реакций:
Уридин + АТФ -» УМФ + АДФ Такое лечение устраняет
«пиримидиновый голод» и, кроме того, снижает выделение оротовои кислоты, поскольку
включается механизм ингибирования первой реакции метаболического пути. Лечение
должно продолжаться без перерывов на протяжении всей жизни; можно сказать, что
уридин для таких больных является незаменимым пищевым фактором наряду с
витаминами и незаменимыми аминокислотами.
Оротацидурия возможна также при гипераммониемии, когда последняя связана с
дефектом не карбамоилфосфатсинтетазы I, а любого другого фермента орнитинового
цикла. В этом случае карбамоилфосфат, образованный в митохондриях, используется не
только для синтеза мочевины, но и для синтеза пири-мидиновых нуклеотидов, а
концентрация всех промежуточных метаболитов, в том числе оротовои кислоты,
повышается.
Причиной оротацидурии может быть также введение алло-пуринола при лечении
подагры. Аллопуринол в организме частично превращается в аналог природного
мононуклеотида — оксипуринолмононуклеотид, который является сильным ингибитором
реакции декарбоксилирования оротидиловой кислоты, вследствие чего и вызывает
накопление оротовои кислоты в тканях.