06._metabolizem_nukleotidov

Biokemija II METABOLIZEM NUKLEOTIDOV 07/08

METABOLIZEM NUKLEOTIDOV

Metabolizem nukleotidovVloga nukleotidov:

izhodne spojine v sintezi nukleinskih kislin ATP služi kot donor fosforilne skupine v različnih reakcijah GTP/GDP se vežeta na G-proteine CTP je vključen v biosintezo sestavljenih lipidov UTP je vključen v biosintezo polisaharidov služijo kot izhodne spojine v biosintezi nekaterih koencimov (NAD, FAD) in sekundarnih obveščevalcev (cAMP, cGMP)

Izhodne spojine za biosintezo purinskih in pirimidinskih nukleotidov.Izhodna spojina za sintezo nukleotidov je aktivirana riboza, 5-fosforibozil-1-pirofosfat (PRPP). V celicah se glukoza-6-fosfat v fosfoglukonatni poti pretvori v ribozo-5-fosfat, ki se s pomočjo PRPP-sintaze pretvori v PRPP.

Izhodne spojine za biosintezo purinskega obroča so aspartat, glicin, glutamin, format in CO2. Prve tri snovi so tudi donorji dušikove skupine. Izhodne spojine za pirimidinski obroč pa so glutamin, bikarbonat in aspartat. Aspartat in glutamin sta donorja N-skupine.

Shematični pregled biosinteze ribonukleotidov.Poznamo dva načina pridobivanja nukleotidov, sintezo nukleotidov de novo iz izhodnih spojin in reciklažno pot, pot ponovne uporabe dušikovih baz. De novo sinteza purinskih nukleotidov se začne z izgradnjo purinskega obroča na PRPP, pri sintezi pirimidinskih nukleotidov pa se najprej zgradi pirimidinski obroč orotata, ki se nato poveže s PRPP ter kasneje modificira.Ko se riboza aktivira v PRPP, le ta vstopi v nadaljne reakcije. Najprej se s PRPP-

amidotransferazo pretvori v 5-fosforibozilamin. Donor amida je glutamin. To je glavna regulatorna stopnja v biosintezi purinskih nukleotidov.

Sledi še sedem stopenj, po katerih dobimo IMP, prvi nukleotid z izgrajenim obročem. V teh sedmih reakcijah kot donorji N skupine nastopajo glicin, aspartat in glutamin. Za ta del poti je kot kofaktor potreben N10-formil THF.Od IMP vodita ločeni poti do GMP in

AMP. Intermediat sinteze AMP je adenilosukcinat, sinteze GMP pa ksantozinmonofosfat. Poti imata drugačna vira energije. Za nastanek AMP je potreben GTP, za nastanek GMP pa ATP. Zaradi potrebe po ustreznem razmerju med nukleotidi, je to

1


dejstvo zelo pomembno. Namreč, če bo v celici dovolj GTP bo tekla sinteza AMP in obratno, ob zadostni količini ATP bo tekla sinteza GTP.

Nukleozidtrifosfate (NTP) dobimo z reakcijama fosforilacije iz nukleozidmonofosfatov (NMP).

Začetek biosintetske poti nastanka pirimidinskih nukleotidov je reakcija med aspartatom in karbamoilfosfatom, produktom razgradnje AK. Karbamoilfosfat, ki vstopa v sintezo pirimidinov nastane v citosolu s karbamoilfosfat sintetazo II, tisti, ki vstopa v cikel uree pa v mitohondriju s karbamoilfosfat sintetazo I.

Nato se biosinteza nadaljuje do orotata, ki je prva spojina z izgrajenim obročem in OMP, ki je prvi pravi pirimidinski nukleotid. Iz OMP se z modifikacijami tvori najprej UMP in nato še CTP.

Pomen PRPP v biosintezi ribonukleotidov in

nukleotidnih koencimov.PRPP je aktivirana oblika riboze in je kot taka ključna za biosintezo ribonukleotidov, saj predstavlja izhodno spojino za nastanek purinskega obroča. Purinski obroč je osnova za nastanek ATP in GTP. Pri pirimidinskih ribonukleotidih se s PRPPjem poveže obroč orotata, prve spojine v biosintezi s pirimidinskim obročem, in z modifikacijami nastaneta CTP in UTP.

Reciklacija baz in njen pomen.Do 90% dušikovih baz, ki jih zaužijemo s hrano oziroma nastanejo v biosintezi, se reciklira in sproščene baze se zopet uporabijo za nastanek novih nukleotidov. V biosintezi de novo se porabi veliko energije, zato reciklažna pot predstavlja alternativno, bolj ekonomično pot sinteze. Poleg tega dobivamo z razgradnjo nukleotidov manj sečne kisline, ki je slabo topna in se lahko v organizmu nabira v obliki kristalov. Reciklažna pot je najpomembnejša v eritrocitih, ki nimajo sinteze de novo in so od nje popolnoma odvisni.

Razgradnja in reciklažna pot purinskih nukleotidovPrva stopnja v razgradnji baz je razpad ribonukleotida na ribozo in bazo. Baza ima nato dve možni poti, pretvorbo v sečno kislino in izločitev iz telesa ali pretvorbo v nov nukleotid. Reciklažna pot purinov je bistveno pomembnejša od reciklažne poti pirimidinov, ker se njihov obroč ne more razgraditi, medtem ko se pirimidinski lahko.

GMP odda fosfatno skupino in se pretvori v gvanozin. Gvanozin odda sladkor v obliki riboze-1-P, tako da ostane samo še baza, gvanin. AMP se lahko po dveh različnih poteh pretvori v inozin, ki razpade na sladkor in hipoksantin. Gvanin in hipoksantin se lahko pretvorita v ksantin in s ketoenoltautomerijo preko urata izločita iz telesa s sečnino ali pa se reciklirata in tvorita z novim PRPPjem nov ribonukleotid.

2

K


Pretvorbo baze nazaj v ribonukleotid katalizirata hipoksantin/gvanin-fosforiboziltransferaza (HGPRT) in adeninfosforiboziltransferaza (APRT).

Ker telo samo ne zna razgraditi purinskega obroča, ga pretvarja v obliko, ki jo lahko odstrani iz telesa. Ksantin se pretvori v sečno kislino, ki se nato v procesu keto-enol tautomerije pretvori v enolno obliko. Iz nje lahko nastane urat, ki se izloči iz telesa.*POZOR: sečnina ni isto kot sečna kislina, saj je prva produkt razgradnje AK, druga pa razgradnje nukleotidov!

Biosinteza deoksiribonukleotidov.Deoksiribonukleotidi se sintetizirajo iz odgovarjajočih ribonukleotidov z odcepom –OH skupine na C2 mestu riboze. Reakcija odcepa –OH skupine ima radikalski mehanizem, saj pri prenosu enega e- dobimo prosti radikal. Katalizira jo ribonukleotid-reduktaza (RNR). Za reakcijo je potreben donor redukcijskega ekvivalenta NADPH. RNR ima v katalitskem delu dve SH skupini, na katerih poteče oksidacija. Prenos elektronov z NADPH na RNR lahko poteka preko dveh skupin oksidoredukcijskih proteinov.

Edini deoksiribonukleotid, ki na ta način ne more nastati, je timin, ker ga med ribonukleotidi ne najdemo. Timin zato nastane iz uracila (dUMP) s pomočjo timidilat-sintaze. Možna je tudi pretvorba iz dCMP z dCMP deaminazo v dUMP in nato naprej v dTMP. To reakcijo pospešuje visoka koncentracija dCTP in zavira dTTP.

Za sintezo N5,N10-metilen-FH4

3


(tetrahidrofolat), ki je potreben za sintezo dTMP, je nujno potrebna folna kislina. Tetrahidrofolat je donor metilenske skupine. Folna kislina je vitamin in naše telo je ne zna sintetizirati.

Shematični pregled razgradnje ribonukleotidov in deoksiribonukleotidov.O razgradnji purinov je že bilo govora pri 29.4.

Za razliko od purinskega, razgradnja pirimidinskega obroča za telo ne predstavlja ovire. Produkti razgradnje so dobro topni β-alanin, β-aminoizobutirat, CO2 in NH3. Ravno topnost je glavna razlika med produkti razgradnje pirimidinskih in purinskih baz.

Uravnavanje metabolizma nukleotidov.Biosinteza purinskih ribonukleotidov ima več mest uravnavanja:

PRPP-sintazo alosterično inhibirajo GMP, GDP, AMP in ADP PRPP-amidotransferazo (glavna regulatorna stopnja) aktivira PRPP, inhibirajo pa jo končni produkti sinteze, IMP, AMP in GMP.

Pretvorba IMP v AMP in GMP je recipročno uravnavana. GTP pospešuje sintezo AMP, ATP pa sintezo GMP. Takšen način uravnavanja omogoča nastanek GMP in AMP v pravilnem razmerju.

Uravnavanje biosinteze pirimidinskih ribonukleotidov.V sintezi deoksiribonukleotidov je natančno uravnavana ribonukleotid-reduktaza, ki ima kar dve mesti za vezavo alosteričnih modulatorjev. Alosterični modulatorji so nukleotidi, ki skrbijo, da

je koncentracija vsakega dNTPja primerljiva s koncentracijami ostalih. Na mestu regulacije aktivnosti dATP inhibira, ATP pa aktivira encim za vse substrate, medtem ko je

4


encim na mestu regulacije specifičnosti natančneje uravnavan. dTTP inhibira redukcije CDP in UDP ter aktivira redukcijo GDP. ATP na tem mestu aktivira redukcijo CDP in UDP.

Okvare encimov, povezanih z metabolizmom nukleotidov in sečna kislina.Bolezni, povezane z razgradnjo purinskih nukleotidov so:Protin (putika) je hiperurikemija, ki lahko nastane iz različnih vzrokov. Vzrok je lahko povečana aktivnost PRPP-sintaze, ki se odraža v prekomerni sintezi purinskih nukleotidov, ali zmanjšana aktivnost HGPRT, kar pomeni, da do reciklaže dušikovih baz ne prihaja. Ker je reciklažna pot zavrta, se porabi tudi manj PRPP, zato njegova koncentracija naraste. PRPP je aktivator sinteze nukleotidov in v telesu se prične aktivna sinteza. Telo večje količine nukleotidov ne potrebuje, zato jih pospešeno razgrajuje. Obe stanji imata tako za posledico prekomerno nastajanje sečne kisline. Sečna kislina je slabo topna, zato se v obliki kristalov nalaga v okončinah, ker je tam tempertaura malenkost nižja kot drugod po telesu in topnost temu primerno še manjša.Lesch-Nyhanov sindrom je zelo močna hiperurikemija, ki se ji

pridružita še mentalna zaostalost in težnja k samopoškodbam. Nastane zaradi skoraj minimalne dejavnosti ali celo popolne inaktivacije HGRPT. Zdravilo za putiko in Lesch-Nyhanov sindrom je alopurinol, ki ima skoraj identično zgradbo kot hipoksantin in zato deluje kot inhibitor ksantin oksidaze. Kot posledica se povečata koncentraciji ksantina in hipoksantina ter zmanjša koncentracija sečne kisline. Ksantin in hipoksantin sta bolj topni spojini od sečne kisline, zato povzročata manj težav in se

lažje odstranjujeta iz telesa.Bolezni, povezane z de novo biosintezo pirimidinov:Orotska acidurija je redka genetska okvara, ki se odraža v anemiji, motnjah v rasti in izločanju orotske kisline (kopiči se substrat: orotat). Vzrok zanjo je okvarjen encim orotat-fosforiboziltransferaza ali OMP-dekarboksilaza. Zdravi se jo z dodatkom uridina/citidina, ker inhibirata sintezo orotata in preprečita pomanjkanje končnih produktov.SCID (Severe Combined Immunodeficiency) je genska bolezen, ki prizadane limfocite. Povzroči jo mutacija na genu za adenozin-deaminazo (ADA). Zaradi nedelovanja ADA se dATP ne more pretvoriti v sečno kislino in se kopiči v celici. Povišana koncentracija dATP alosterično inhibira ribonukleotid-reduktazo, ki katalizira reakcijo pretvorbe ribonukleotidov v deoksiribonukleotide. Poleg tega je dATP toksičen za limfocite. Zdravljenje SCID je bil prvi primer uporabe genske terapije, ki je bil tudi uspešen.

Inhibitorji metabolizma nukleotidovInhibitor sinteze purinskih nukleotidov je alopurinol, pirimidinskih pa uridin in citidin. Več o tem pri prejšnjem vprašanju.

5


Inhibitorje sinteze dNTP-jev delimo v tri skupine: Antifolati so strukturni analogi folata in inhibirajo delovanje dihidrofolat reduktaze. Metilen tetrafolat se ne more obnoviti, zato se sinteza dTMP ustavi.

Sulfonamidi so kompetitivni inhibitorji dihidropteroat-sintaze, bakterijskega encima v sintezi folne kisline. Folno kislino proizvajajo samo bakterije in rastline, zato sulfonamidi ne morejo vplivati na človeške celice.

Antimetaboliti so strukturni analogi purinskih in pirimidinskih baz. Primer je fluorouracil, ki ni direktni inhibitor sinteze, ampak se v organizmu pretvori v nukleotid in nato lahko inhibira timidilat sintazo. Antagonisti glutamina imajo zelo podobno strukturo glutaminu, vendar nimajo N skupine, ki bi jo lahko donirali. So inhibitorji glutamin-amidotransferaze.

Glavni viri:• Predavanja prof. M. Žakelj-Mavrič 2007/08• Predavanja prof. Vite Dolžan 2007/08• Smith, Colleen, Marks, D. Allan and Liebermann, Michael. Marks' Basic Medical

Biochemistry: A Clinical Approach. 2nd ed. USA: Lippincott Williams & Wilkins, 1996. ISBN 0-7817-2145-8

6

06._metabolizem_nukleotidov

Documents