3.3.11. Синтез нуклеотидов

Для синтеза нуклеиновых кислот, коферментных нуклеотидных группировок ферментов, макроэргических нуклеозидполифосфатов необходимы пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды. Продуктами их первичного синтеза являются соответствующие рибонуклеотиды, из которых в дальнейшем в результате восстановительных реакций образуются дезоксирибонуклеотиды.

П иримидиновые рибонуклеотиды синтезируются из аспарагиновой кислоты и карбамоилфосфата, на образование которого используются аммонийный азот, бикарбонат-ионы и молекулы АТФ (с. 135–136). Под действием фермента карбамоилтрансферазы карбамоильная группировка кар-бамоилфосфата переносится на остаток аспарагиновой кислоты, и в результате отщепления молекулы воды из указанных компонентов синтезируется молекула дигидрооротовой кислоты. На следующем этапе дигидрооротовая кислота окисляется флавиновым ферментом, который отщепляет от неё атомы водорода и переносит их на окисленные динуклеотиды НАД⁺. В результате этой реакции образуется оротовая кислота:

Д алее в реакции вступает рибозо-5-фосфат, который фосфорилирует-ся от АТФ и превращается в 5-фосфорибозил-1-пирофосфат:

рибозо-5-фосфат 5-фосфорибозил-1-пирофосфат

Образовавшийся фосфорибозилпирофосфат при взаимодействии с оротовой кислотой даёт оротидин-5-фосфат, который в результате декарбоксилирования превращается в уридин-5-фосфат (УМФ):

0 0

|| ||

В

АТФ АТФ

УМФ  УДФ  УТФ

↓ ↓

АДФ АДФ

ходе реакций фосфорилирования из УМФ синтезируются УДФ (уридиндифосфат) и УТФ (уридинтрифосфат):

ЦТФ (цитидинтрифосфат), необходимый для синтеза РНК, образуется из УТФ в результате аминирования азотистого основания в составе нуклеотида. Донором аминной группы служит амидная группировка гдутамина. Реакция аминирования сопряжена с гидролизом АТФ до АМФ:

АТФ

УТФ + глутамин  ЦТФ + глутаминовая кислота

↓

АМФ

Н₄Р₂О₇

Исходным соединением для синтеза пуриновых нуклеотидов, как и пиримидиновых, служит фосфорибозилпирофосфат, к которому присоединяются радикалы глутамина, глицина, аспарагиновой кислоты, углеродсодержащие группировки СО₂, формил- и метенилтетрагидрофолиевой кислоты. В ходе довольно сложных превращений постепенно в соединении с фосфорибозильным радикалом строится структура азотистого основания. На ряде этапов построение гетероциклической группировки азотистого основания сопряжено с гидролизом АТФ.

Первичным пуриновым нуклеотидом, который синтезируется в процессе указанных выше превращений, является инозиновая кислота (ИМФ). Два атома углерода азотистого основания ИМФ гипоксантина включены в его гетероциклическую группировку из молекул глутамина (амидный азот), один атом азота из аспарагиновой кислоты и ещё один атом азота из аминогруппы глицина. Кроме того, глицин является также донором двух атомов углерода. Ещё два атома углерода гипоксантина происходят от формильных группировок 5,10-метенилтетрагидрофолиевой кислоты (5,10-метенил-ТГФК) и 10-формилтетрагидрофолиевой кислоты (10-фор-мил-ТГФК). Донором карбонильной группы гипоксантина служит СО₂.

В результате аминирования от аспарагиновой кислоты в ходе двух-

этапного превращения из инозиновой кислоты синтезируется адениловая кислота. В связи с тем что эта реакция эндергоническая, она сопряжена с гидролизом ГТФ:

ГТФ

ИМФ + аспарагиновая кислота  АМФ + фумаровая кислота

↓

ГДФ

Н₃РО₄

При окислении инозиновой кислоты НАД-зависимой дегидрогеназой происходит её превращение в ксантиловую кислоту, которая далее в результате аминирования от глутамина и сопряжённого гидролиза АТФ образует гуаниловую кислоту (ГМФ):

Н₂О + НАД⁺

ИМФ ―――― ксантиловая кислота

НАД ∙ Н + Н⁺

АТФ

Ксантиловая кислота + глутамин  ГМФ + глутаминовая кислота

↓

АМФ

Н₄Р₂О₇

И

Н₃РО₄ Н₃РО₄

АМФ  АДФ  АТФ

↓ ↓

Н₂О Н₂О

з соответствующих монофосфатов далее синтезируются дифосфат- и трифосфатпроизводные пуриновых нуклеотидов. АДФ и АТФ образуются в результате фосфорилирования АМФ:

П

АТФ АТФ

ГМФ  ГДФ  ГТФ

↓ ↓

АДФ АДФ

АДФ АДФ

о аналогичной схеме при фосфорилировании от АТФ из ГМФ синтезируются ГДФ и ГТФ:

Таким образом, нами рассмотрены механизмы образования пиримидиновых и пуриновых рибонуклеотидов и их трифосфатпроизводных, необходимых для синтеза рибонуклеиновых кислот и использования в качестве макроэргических соединений.

SН S

ⓅОⓅ основание ∕ ⓅОⓅО ∕ │

+ R  + R │ ╲ ╲│

SН S

дифосфатрибо- тиоредоксин дифосфатдезокси- тиоредоксин

нуклеотид восстановленный рибонуклеотид окисленный

Дизоксирибонуклеотиды образуются из дифосфатпроизводных (у некоторых организмов из трифосфатов) рибонуклеотидов при их восстановлении ферментом рибонуклеотидредуктазой, который переносит ко второму углеродному атому рибозы водород от восстановленной формы белка тиоредоксина с образованием воды, окисленного тиоредоксина и дезоксирибозы в составе нуклеотида:

Восстановление окисленной формы тиоредоксина катализирует фер-мент тиоредоксинредуктаза, который переносит электроны и протоны на тиоредоксин от восстановленного НАДФ  Н.

В ходе указанных реакций происходит синтез дАДФ из АДФ, дГДФ из ГДФ и дЦДФ из ЦДФ. В результате фосфорилирования дифосфатпроизводных образуются соответствующие трифосфаты дезоксирибонуклеотидов, необходимые для синтеза ДНК.

Б олее сложным путём осуществляется синтез дезокситимидиловой кислоты. У эукариот исходным соединением для её образования служит дезоксицитидиндифосфат (дЦДФ). Превращение дЦДФ в дезокситимидиловую кислоту (дТМФ) осуществляется по следующей схеме:

В первой реакции происходит гидролитическое отщепление от дЦДФ остатка фосфорной кислоты, во второй – дезаминирование цитозиновой группировки в составе нуклеотида и превращение её в остаток урацила. Более сложное превращение происходит на третьем этапе, которое катализирует фермент тимидилатсинтетаза. Под действием этого фермента осуществляется метилирование остатка урацила в нуклеотиде с участием метилентетрагидрофолиевой кислоты (метилен-ТГФК) и превращение его в остаток тимина, при этом из метилен-ТГФК образуется дигидрофолевая кислота (ДГФК).

В

АТФ АТФ

дТМФ  дТДФ  дТТФ

↓ ↓

АДФ АДФ

результате последующего фосфорилирования дТМФ от АТФ образуется дизокситимидинтрифосфат (дТТФ), необходимый для синтеза ДНК:

В

НАДФН+Н⁺ серин

ДГФК  ТГФК  5,10-метилен-ТГФК

↓ ↓

НАДФ⁺ глицин

ажным этапом в синтезе дезокситимидиловой кислоты является обратное превращение дигидрофолиевой кислоты в метилентетрагидрофолиевую кислоту. На первом этапе дигидрофолиевая кислота восстанавливается в тетрагидрофолиевую кислоту под действием фермента дигидрофолатредуктазы. Донорами электронов и протонов в этой реакции служат восстановленные динуклеотиды НАДФ  Н. Далее уже другой фермент серинтрансоксиметилаза переносит на тетрагидрофолиевую кислоту формильный остаток от серина, превращая последний в глицин.

Ферменты тимидилатсинтетаза и дигидрофолат редуктаза, сущест-венно влияющие на скорость образования тиминовых нуклеотидов, являются активными инициаторами синтеза ДНК. При понижении их активности замедляется или прекращается образование дезокситимидиловой кислоты, что приводит к прекращению синтеза ДНК. Подбирая эффективно действующие ингибиторы этих ферментов, можно при необходимости направленно подавлять синтез ДНК в клетках организма. Такие ингибиторы положены в основу химиотерапии рака, так как способны подавлять развитие раковых клеток, в которых интенсивно происходит синтез ДНК.