Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Метаболизм азотсодержащих соединений
Метаболизм нуклеотидов

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды — мономеры нуклеиновых ки­слот — представляют собой одни из наиболее сложно организованных мета­болитов. Их синтез de novo требует участия большого количества ферментов и затрат энергии, однако может осуществляться всеми организмами, за ис­ключением некоторых ауксотрофных мутантов микроорганизмов. Ввиду осо­бой сложности синтеза нуклеотидов их разрушение (например, при расщеп­лении ненужных нуклеиновых кислот) обычно происходит не полностью, а до определенных составных частей. Эти составные части (в первую очередь, пуриновые азотистые основания) могут снова участвовать в образовании нуклеозидмонофосфатов. Такое явление носит название ресинтез.

При полном расщеплении пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов об­разуются фосфорная кислота, углекислота и аммиак, при неполном — рибоза (или рибозо-5-фосфат), азотистые основания, мочевина, аллантоиновая ки­слота, аллантоин и мочевая кислота. Как правило, самые низкоорганизован­ные формы живого (например, бактерии) обладают способностью к полному расщеплению нуклеотидов, а организмы, занимающие более высокие ступени эволюционной лестницы, расщепляют нуклеотиды и входящие в их состав азотистые основания до менее простых соединений.

Биосинтез нуклеотидов. В этом процессе принимают участие амино­кислоты, которые служат источниками большинства атомов углерода и всех атомов азота в составе азотистых оснований. Синтез пуриновых и пиримиди­новых нуклеотидов происходит различными путями.

Биосинтез пуриновых нуклеотидов de novo начинается с постепенного на­ращивания кольца азотистого основания на молекуле 5-фосфорибозил-1-пирофосфата, который также участвует в биосинтезе гистидина и триптофана (рис. 16.10). Вначале к фосфорибозилпирофосфату в реакции трансаминирования присоединяется аминогруппа (N-9), донором которой является глута­мин. Затем в состав пятичленного кольца включается два атома углерода (C- 4, C-5) и атом азота (N-7), берущие происхождение из глицина, а также атом углерода (C-8) от формилтетрагидрофолиевой кислоты. После этого последо­вательно присоединяются компоненты шестичленного кольца: атом азота (N-3) из глутамина, атом углерода (C-6) из СО₂, атом азота (N-1) из аспартата и атом углерода (С-2) из формилтетрагидрофолиевой кислоты. На последнем этапе замыкается шестичленное кольцо и формируется молекула основного промежуточного продукта биосинтеза пуринов — инозин-5'-монофосфата (IMP). Этот метаболит затем превращается в АМР и GMP (рис. 16.14).

Синтез пуриновых нуклеозидмонофосфатов регулируется аллостерически: ADP и GDP тормозят процесс образования фосфорибозилпирофосфата, а AMP и GMP ингибируют активность первого фермента, катализирующего образование кольца азотистого основания —амидофосфорибозилтрансферазы (реакция трансаминирования). Таким образом происходит саморегу­ляция образования пуриновых нуклеотидов, не допускающая их «перепроиз­водства». Кроме этого, регулируется соотношение между двумя пуриновыми нуклеотидами, образующимися из инозинмонофосфата, с помощью перекре­стного активирования (рис. 16.14).

Пуриновые нуклеозидмонофосфаты превращаются в нуклеозиддифосфаты с участием нуклеозидмонофосфаткиназ:

АМР + АТР → 2ADP GMP + ATP → GDP + ADP

Образующийся в этих реакциях ADP может превращаться в АТР в про­цессах субстратного и окислительного фосфорилирования, а также фотофос­форилирования. Гуанозиндифосфат превращается в гуанозинтрифосфат при участии нуклеозиддифосфаткиназы:

GDP + ATP → GTP + ADP

Рибонуклеотиды превращаются в дезоксирибонуклеотиды на стадии нуклеозиддифосфатов в реакции восстановления. Эта многоступенчатая реакция катализируется двумя ферментами: тиоредоксинредуктазой и нуклеозиддифосфатредуктазой (рибонуклеотид-редуктаза). Донором водорода для восста­новления остатка рибозы служит NADPH, который, однако, не переносит во­дород непосредственно на рибозу, а восстанавливает особый белок — тиоредоксин. В составе молекулы тиоредоксина при этом расщепляется ди­сульфидный мостик, и образуются 2 сульфгидрильные группы, которые и участвуют в восстановлении атомов углерода рибозы (рис. 16.15). Нуклеозиддифосфат-редуктаза катализирует от отщепление молекулы воды от остатка рибозы с помощью образующегося в ее активном центре тирозин-радикала. В результате субстрат превращается в радикал-катион, который восстанавливается в дезоксирибонуклеотид при участии тиоредоксина, а в активном центре фермента регенерируется тирозиновый радикал.

Рис. 16.14. Схема биосинтеза пуриновых нуклеотидов и перекрестное ак­тивирование в регуляции соотношения AMP и GMP. В составе азотистого основания инозинмонофосфата — гипоксантине показано происхождение атомов углерода и азота

Рибонуклеотид-редуктаза аллостерически активируется АТР и ингибиру­ется dАТР (дезоксиаденозинтрифосфат), что позволяет регулировать соотно­шение окисленных и восстановленных форм нуклеозиддифосфатов.

Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов de novo осуществляется так: вна­чале синтезируется пиримидиновое кольцо, а затем к нему присоединяется рибозо-5-фосфат. Синтез пиримидинового кольца происходит с участием карбамоилфосфата и аспартата. В свою очередь, карбамоилфосфат образует­ся в цитоплазме из углекислоты и глутамина (донор аминогруппы) и катали­зирует эту реакцию карбамоилфосфат-синтаза, гидролизующая глутамин. При конденсации карбамоилфосфата и аспартата (фермент — аспартат- карбамоилтрансфераза) формируется шестичленное кольцо — дигидрооротат. Его окисление в оротат и присоединение фосфорибозилпирофосфата приво­дит к образованию оротидин-5-монофосфата, декарбоксилирование которого дает основное промежуточное соединение биосинтеза пиримидинов — уридин-5-монофосфат(UMP). UMP затем превращается в другие пиримидиновые нуклеотиды (рис. 16.16) довольно сложным образом.

Рис. 16.15. Схема реакций восстановления рибонуклеотидов (объ­яснения в тексте)

Рис. 16.16. Схема этапов биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов: M-TGF — метилентетрагидрофолиевая кислота; TGF — тетрагидрофолиевая кислота

Пиримидиновые нуклеозидтрифосфаты образуются из нуклеозидмонофосфатов при участии АТР, как это описано выше для пуриновых нуклеоти­дов. Цитидилат образуется из уридилата на уровне нуклеозидтрифосфатов (рис. 16.16) при участии цитидинтрифосфат-синтазы. Дезокситимидилат воз­никает из уридилата на уровне нуклеозидмонофосфата при метилировании дезоксиуридинмонофосфата. Эту реакцию катализирует тимидилат-синтаза при участии донора метильных групп — метилентетрагидрофолата. Восста­новление рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды осуществляется по опи­санному ранее (для пуринов) механизму (рис. 16.15).

Регуляция биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов у бактерий описана ранее (глава 6), и она осуществляется в ходе аллостерической регуляции ак­тивности фермента — аспартат-карбамоилтрансферазы. У животных ключе­вым ферментом биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов является карбамоилфосфатсинтаза, которая аллостерически активируется АТР и фосфорибозилпирофосфатом, а ингибируется UTP.

Итак, рассмотрен синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов de novo. Однако это не единственный способ их образования, в целях экономии ресурсов клетки часто образуют нуклеотиды в ходе так называемого ресинте­за. Этот путь предполагает использование свободных пуриновых и пирими­диновых азотистых оснований, которые образуются при расщеплении нук­леиновых кислот, и фосфорибозилпирофосфата. Реакции образования нуклеозидмонофосфатов катализируются соответствующими фосфорибозилтрансферазами. Такой способ синтеза нуклеотидов особенно характерен для клеток злокачественных опухолей.

Расщепление нуклеотидов. Данный процесс обычно завершает расщеп­ление нуклеиновых кислот, которое катализируется нуклеазами. Различают два типа нуклеаз — экзонуклеазы (атакуют полинуклеотидные цепи с кон­цов) и эндонуклеазы (осуществляют расщепление ковалентных связей внут­ри молекулы, не нуждаясь в свободных 3'- и 5'-концах). Результатом дея­тельности нуклеаз является образование свободных нуклеотидов.

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды расщепляются разными путя­ми: пуриновое кольцо остается незатронутым и превращается в мочевую ки­слоту либо продукты ее преобразования, которые выводятся из организма; пиримидиновые азотистые основания разрушаются до небольших фрагмен­тов, которые способны снова включаться в метаболизм или могут выводиться из организма.

У приматов, в том числе человека, птиц и рептилий распад пуриновых нуклеотидов сопровождается образованием рибозо-фосфата (участвует в ме­таболизме) и мочевой кислоты (выводится с мочой). У других млекопитаю­щих и моллюсков мочевая кислота окисляется в аллантоин, который выво­дится из организма. У костистых рыб аллантоин гидратируется в аллантоинат, а у амфибий и хрящекостных рыб аллантоинат расщепляется до мочеви­ны и глиоксилата. Наконец, в клетках микроорганизмов пуриновые нуклеотиды могут расщепляться до простейших соединений — аммиака, углекислоты, глици­на, муравьиной кислоты. На рис. 16.17 показаны упрощенные схемы расщепления пуриновых нуклеотидов.

Рис. 16.17. Упрощенные схемы расщепления пуриновых нуклеотидов

Важно отметить, что превращения гипоксантина в ксантин и ксантина в мочевую кислоту катализирует один и тот же фермент — ксантин-оксидаза, и на каждой из этих стадий в субстрат вводится оксогруппа в ходе окисления молекулярным кислородом. При этом в качестве другого продукта образуется перекись водорода (рис. 16.17), токсичное действие которой нейтрализуется ферментами пероксидазами.

Мочевая кислота, в составе которой пуриновые азотистые основания вы­водятся из организма человека, в отличие от мочевины плохо растворима в воде. Поэтому при некоторых нарушениях метаболизма, в том числе отдель­ных наследственных заболеваниях, а также при чрезмерном употреблении мясных продуктов, содержащих высокие концентрации пуринов, в крови по­вышается концентрация мочевой кислоты (гипер-урикемия). Следствием этого может являться отложение мочевой кислоты в суставах (подагра) и дру­гих органах.

При расщеплении пиримидиновых нуклеотидов вначале происходит от­щепление остатка фосфорной кислоты и образование нуклеозида, а затем тимидин и уридин расщепляются до более простых соединений (рис. 16.18) в ходе нескольких, общих для этих нуклеозидов реакций. Важными промежу­точными соединениями этих путей являются урацил и тимин, которые могут участвовать в ресинтезе пиримидиновых нуклеотидов или расщепляться оди­наковым способом: пиримидиновое кольцо вначале восстанавливается, а за­тем гидролитически расщепляется.

Следует отметить, что одна из аминогрупп пиримидиновых азотистых ос­нований отщепляется в процессе гидролитического дезаминирования, а вто­рая — в ходе трансаминирования, при котором акцептором аминогруппы служат a-кетоглутарат (превращается в глутамат) или пируват (превращается в аланин). Кроме ацетата и пропионата, продуктами расщепления пиримиди­новых нуклеотидов являются СО₂ и NH₃.

Рис. 16.18. Упрощенные схемы расщепления пиримидиновых нуклеотидов