Обмін пуринових нуклеотидів і його порушення

Пуринові та піримідинові основи, що утворюються в процесі перетравлення гідролізу нуклеїнових кислот у кишці, не є незамінними харчовими чинниками і надалі практично не використовуються. В ентероцитах виявлена висока активність ксантиноксидази – фермента, який більшу частину пуринів, що надходять у клітини, перетворює на сечову кислоту, яка виводиться з організму в складі сечі. Піримідинові основи, які не поступили в ентероцити, під впливом мікрофлори кишки розпадаються до NH₃, CO_2, b-аланіну та b-аміноізобутирату.

У різних клітинах організму синтезується біля 90 % нуклеотидів з простих попередників de novo. Введені в кров азотисті основи і нуклеозиди, а також основи і нуклеозиди, утворені в результаті внутрішньоклітинного розпаду нуклеїнових кислот використовуються для повторного синтезу нуклеотидів за так званими «запасними» шляхами.

У 40 – 50-х роках ХХ сторіччя дослідами з міченими ізотопами вдалося вияснити походження атомів пуринового ядра під час синтезу пуринів de novo. Доведено, що в формуванні кільця беруть участь такі амінокислоти як Асп, Глі, Глн, а також CO_2, два одновуглецевих похідних тетрагідрофолату: метиніл-Н₄-фолат і форміл-Н₄-фолат (рис. 7.3). У такий спосіб утворюється основна кількість пуринових нуклеотидів, тоді як нуклеотиди, які синтезуються шляхом повторного використання азотистих основ чи нуклеозидів, становлять не більше 10 – 20 % загального фонду цих сполук.

Рис. 7.3. Походження атомів С і N у пуриновому кільці.

Зі схеми виднопоказано, що 4-й і 5-й атоми вуглецю і 7-й атом азоту в ядрі мають своїм джерелом гліцин. Два атоми азоту (N-3 і N-9) походять із амідної групи глутаміну, один атом азоту (N -1) - із азоту аспарагінової кислоти; вуглецевий атом (С-2) походить з вуглецю N¹⁰-форміл-ТГФК, атом вуглецю в 8-му положенні-із N⁵, N¹⁰ - метеніл-ТГФК і, нарешті, вуглець С-6 має своїм джерелом СО₂ повітря.

У даний час повністю розшифрована послідовність включення перерахованих речовин в пуринове кільце, встановлена природа всіх проміжних сполук і ферментних систем, що каталізують хімічні реакції синтезу.

Утворення 5-фосфорибозил-1-дифосфату. Фосфорибозилдифосфат (ФРДФ) або фосфорибозилпірофосфат (ФРПФ) займає центральне місце в синтезі як пуринових, так і піримідинових нуклеотидів.

Він утворюється за рахунок перенесення b, g-пірофосфатного залишку АТФ на рибозо-5-фосфат у реакції, яку каталізує ФРДФ-синтетаза. Джерелом рибозо-5-фосфату можуть бути пентозофосфатний шлях перетворення глюкози чи катаболізм нуклеозидів, у ході котрого під впливом нуклеозидфосфорилази першочергово утворюється рибозо-1-фосфат, а потім з допомогою відповідної мутази фосфатний залишок переноситься в п’яте положення.

ФРДФ бере участь не лише в синтезі пуринових і піримідинових нуклеотидів з простих попередників, але й використовується в утворенні пуринових нуклеотидів за «запасним» шляхом у синтезі нуклеотидних коферментів.

7.2.1. Біосинтез пуринових нуклеотидів. Шляхи синтезу пуринових основ у печінці тварин і в мікроорганізмів, зокрема в Е. coli, практично аналогічні. Слід, проте, відзначити, що кінцевим результатом синтезу є не вільна пуринова основа, а рибонуклеотид - інозинова кислота (ІМФ), з якої далі синтезуються АМФ і ГМФ.

Збирання пуринового гетероциклу здійснюється на залишку рибозо-5-фосфату за участі різних донорів вуглецю та азоту (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Cхема біосинтезу ІМФ

1. Як видно з приведеної схеми (рис. 7.4) синтез інозинової кислоти розпочинається з рибозо-5-фосфату, який є продуктом пентозофосфатного циклу і на який переноситься пірофосфатна група АТФ за участі фермента ФРПФ-синтетази.

2. Утворений 5-фосфорибозил-1-пірофосфат (ФРПФ) взаємодіє з глутаміном, донором NН₂-групи, внаслідок чого під впливом ФРПФ-амідотрансферази утворюється β-5-фосфорибозиламін, причому в процесі реакції (разом із вивільненням пірофосфату і вільної глутамінової кислоти) відбувається зміна його конфігурації (з α- на β-). Таким чином, дана реакція стає ключовою в синтезі пуринів і інгібується за принципом зворотного зв’язку пуриновими нуклеотидами, які утворюються з фосфорибозиламіну.

3. На наступній стадії до вільної NН₂-групи β-5-фосфорибозиламіну приєднується молекула гліцину (реакція вимагає енергії АТФ) з утворенням гліцинамідрибонуклеотиду, фермент фосфорибозилгліцинамідсинтетаза.

4. Далі ланцюг подовжується за рахунок приєднання формільної групи з N⁵, N¹⁰-метеніл-ТГФК з утворенням N-формілгліцинамідрибонуклеотиду, фермент гліцинамідрибонуклеотидтрансформілаза.

5. На формільну групу останнього переноситься амідна група глутаміну і синтезується N-формілгліцинамідинрибонуклеотид (реакція йде із затратою енергії АТФ), фермент N-формілгліцинамідрибонуклеотидамідолігаза.

6. Відбувається замикання п’ятичленного імідазольного кільце з утворенням 5-аміноімідазолрибонуклеотид, фермент амідоімідазолрибонуклеотидсинтетаза.

7. Утворений 5-аміноімідазолрибонуклеотид здатний акцептувати СО₂ з утворенням рибонуклеотиду 5-аміноімідазол-4-карбоксинуклеотиду, фермент аміноімідазолрибонуклеотидкарбоксилаза.

8. Карбоксильна група цього продукту взаємодіє з NН₂ - групою аспарагінової кислоти з утворенням 5-аміноімідазол-4-N-сукцинілкарбоксіамідрибонуклеотиду. Ця реакція вимагає затрати енергії АТФ і здійснюється під впливом специфічної аміноімідазолсукцинокарбоксамідрибонуклеотидсинтетази.

9. У наступній реакції вуглецевий скелет аспарагінової кислоти відокремлюється у вигляді фумарової кислоти й утворюється 5-аміноімідазол-4-карбоксамідрибонуклеотид, тобто із аспарагінової кислоти в 1-е положення майбутнього пуринового ядра за участі фермента аденілсукцинази входить атом азоту.

10. Останній вуглецевий атом пуринового кільця вмонтовується у вигляді формільного залишка (джерело N¹⁰-форміл-ТГФК), який приєднується до 5 - NН₂-групи з утворенням 5-формілімідоімідазол-4-карбоксіамідрибонуклеотид, фермент аміноімідазолкарбоксамідрибонуклеотидтрансформілаза.

11. Відбувається замикання другого кільця, яке супроводжується відщепленням води У результаті за участі фермента інозинікази утворюється перший пуриновий нуклеотид – інозинова кислота (ІМФ), яка є попередником пуринових нуклеотидів, в основному, АМФ чи ГМФ у складі нуклеїнових кислот. Високу концентрацію ІМФ спостерігають також в тРНК у якості одного з мінорних основ.

Перетворення ІМФ на АМФ і ГМФ в обидвох випадках включає 2 стадії та відбувається з затратою енергії (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Схема синтезу АМФ і ГМФ з ІМФ

У синтезі АМФ і ГМФ беруть участь по два ферменти, різні за своїм механізмом дії. Утворення ГМФ із ІМФ ІМФ-дегідрогеназа і ГМФ-синтетаза, а утворення АМФ із - аденілосукцинатсинтетаза та аденілосукцинатліаза.

Перетворення АМФ та ГМФ на відповідні нуклеозиди - і нуклеозидтрифосфати також протікає у дві стадії за участі специфічних нуклеозидмонофосфат- й нуклеозиддифосфаткіназ:

Величезні витрати енергії для синтезу пуринових нуклеотидів de novo не спроможні повністю забезпечити субстратами синтез нуклеїнових кислот у період гаструляції та раннього розвитку дитини. Потреба в великій кількості нуклеотидів призвела до формування «запасних» шляхів синтезу цих «дороговартісних» молекул. Тому тканини, для яких характерний швидкий ріст (ембріональна, пухлинна, регенеруюча), використовують резервні шляхи синтезу пуринових нуклеотидів із вільних азотистих основ: аденіну, гуаніну і гіпоксантину. Ферменти, які каталізують синтез нуклеотидів, вимагають наявності ФРПФ. У загальному вигляді реакції перебігають наступним чином (рис.7.6):

Рис. 7.6. Схема синтезу пуринових нуклеотидів

7.2.2. Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів. Основним чинником, від якого залежить синтез пуринових нуклеотидів, слугує концентрація ФРПФ, котра, своєю чергою, залежить від швидкості його синтезу, утилізації та руйнування. Кількість ФРПФ визначається доступністю рибозо-5-фосфату та активністю ФРПФ-синтази – фермента, чутливого до концентрації фосфату та пуринових нуклеотидів.

Внутрішньоклітинна концентрація ФРПФ строго регулюється і зазвичай невисока. ФРПФ-синтаза – алостеричний фермент, який активується неорганічним фосфатом, а інгібується – пуриновими моно-, ди- та тринуклеозидфосфатами. ФРПФ служить не лише субстратом, а й алостеричним активатором другої реакції синтезу пуринових нуклеотидів de novo, котру каталізує амідофосфорибозилтрансфераза.

АМФ регулює біосинтез пуринових основ на початку метаболічного шляху, слугуючи алостеричним інгібітором амінотрансферази, а, отже й синтезу фосфорибозиламіну.

Метаболічний ланцюг утворення АМФ і ГМФ de novo регулюється в місці його розгалуження: АМФ інгібує аденілосукцинатсинтетазу, а ГМФ – реакцію утворення ксантилової кислоти, котру каталізує ІМФ-дегідрогеназа. Перехресна регуляція шляхів використання ІМФ необхідна для зниження синтезу одного пуринового нуклеотиду при дефіциті іншого.

Окрім ферментів основного шляху синтезу пуринових нуклеотидів de novo, регулюється також активність ферментів «запасних» шляхів: аденінфосфорибозилтрансфераза інгібується АМФ, а гіпоксантин-гуанінфосфорибозилтрансфераза – ІМФ і ГМФ.

7.2.3. Розпад пуринових нуклеотидiв. У людини, більшості тварин, птахів і деяких рептилій кінцевим продуктом пуринового обміну є сечова кислота. Її утворення розпочинається гідролітичним відщепленням від нуклеотидів фосфатного залишку, рибози та аміногрупи у вигляді аміаку, що призводить до утворення гіпоксантину (з АМФ) та ксантину (з ГМФ) з подальшим утворенням кінцевого продукту - сечової кислоти, яка виводиться з сечею. У деяких ссавців сечова кислота розщеплюється до алантоїну, а у риб і амфібій - до алантоїнової кислоти чи сечовини.

Послідовність розпаду пуринових нуклеозидів у тварин можна представити у вигляді наступної схеми (рис.7.7):

Рис. 7.7. Схема розпаду пуринових нуклеотидів

Розпад АМФ і ГМФ включає такі реакції:

- відщеплення фосфатної групи з утворенням нуклеозидів аденозину та гуанозину за участі фермента – 5’нуклеозидази;

- дезамінування нуклеозидів за участі ферментів аденозиндезамінази та гуаніндезамінази відповідно;

- відщеплення від нуклеозидів залишка D-рибози (фермент нуклеозидаза) абопентозофосфат у ( фермент фосфорилаза);

- катаболізм гіпоксантину (з АМФ) або ксантину (з ГМФ) з утворенням сечової кислоти. Окиснення гіпоксантину до ксантину з подальшим його перетворенням на сечову кислоту каталізується ферментом ксантиноксидазою.

Ксантиооксидаза – аеробна оксидоредуктаза, простетична група якої міститьФАД, іони заліза (Fe³⁺) та молібдену. Подібно до інших оксидоредуктаз, вона окислює пурини молекулярним киснем з утворенням пероксиду водню. У значній кількості цей фермент міститься лише в печінці та кишці. Інгібітором ксантиноксидази виступає структурний аналог – алопуринол.

7.2.4. Спадкові порушення обміну сечової кислоти. В організмі людини щоденно утворюється 0,5 -1,0 г сечової кислоти, яка виводиться, головним чином, через нирки. У сироватці крові в нормі вміст сечової кислоти коливається в межах 0,15 – 0,47 ммоль/л. Вона погано розчиняється у воді на відміну від уратів. Останні в організмі людини виявляють високу антиоксидантну активність – знешкоджують активні радикали кисню (L.Stryer, 1995).

Підвищення концентрації сечової кислоти в крові називають гіперурикемією, яка за походженням може бути спадковою (проявляється у вигляді подагри або синдрому Леша – Ніхана) та аліментарною (внаслідок надмірного надходження в організм продуктів, що містять багато пуринів - кава, чай, залозисті тканини, дріжджі). У більшості випадків причинами гіперурикемії є підвищений синтез пуринів, надмірне вживання м’яса, зменшення екскреції сечової кислоти з організму.

Кількість сечової кислоти в сечі збільшується при крупозній пневмонії, розсмоктуванні ексудатів, опіках. У жінок, які народжують уперше, відзначають підвищення виділення сечової кислоти незадовго до пологів.

Подагра - захворювання, що розвивається в результаті спадкових і набутих біохімічних порушень, які викликають гіперурикемію і проявляється нападами гострого артриту. Характерна особливість подагри - утворення кристалів сечової кислоти або кислого урату натрію в суглобових хрящах, синовіальних оболонках і підшкірній клітковині, вушних раковинах, ліктьових і колінних суглобах. При цьому утворюються подагричні вузли – тофуси, які є нешкідливими, але спотворюють хворого.

Кристали сечової кислоти фагоцитуються клітинами, зв’язуються з мембранами лізосом, порушують їх цілісність і викликають вихід лізосомальних ферментів у цитоплазму, що впризводить до загибелі клітин. Кристали, які вивільняються, повторно фагоцитуються іншими клітинами і цикл повторюється.

У місцях загибелі клітин на поверхні кристалів активується фактор Хагемана і плазмін, утворюється калікреїн - один із факторів гострого запального процесу. Рецидиви призводять до проліферації сполучної тканини – подагричних вузлів.

Механізми виведення уратів у хворих не порушені (добова екскреція їх із сечею і калом не відрізняється істотно від норми). У хворих на подагру виявлені варіанти фосфорибозилпірофосфатсинтетази з підвищеною активністю, недостатність гіпоксантингуанінфосфорибозилтрансферази та глюкозо – 6- фосфатази, тому приблизно у 40 % хворих на глікогеноз Гірке супутнім захворюванням виявляють подагру.

Стан гіперурикемії може виникати і при захворюваннях, що супроводжуються швидким розпадом тканин, коли ДНК уражених клітин розпадаються до пуринів. Для лікування подагри застосовують солі літію, що сприяють виведенню сечової кислоти з організму. Застосування з лікувальною метою гідрокарбонатів (основ) також сприяє виведенню сечової кислоти. Хворим, які страждають на подагру або інші види гіперурикемій, призначають алопуринол - аналог гіпоксантину. Оскільки ця сполука є специфічним інгібітором ксантиноксидази, її введення зумовлює деяке зниження рівня сечової кислоти в крові та сечі. Алопуринол можна застосовувати для ослаблення подагричних симптомів у пацієнтів із синдромом Леша – Ніхана.

Пуриновий обмін залежить і від нейроендокринної регуляції. Виділенню сечової кислоти з сечею сприяють кортизон і адренокортикортикотропний гормон, тому їх використовують для лікування подагри.

Синдром Леша-Ніхана виникає через недостатність гіпоксантин - гуанінфосфорибозилтрансферази, яка каталізує реакцію реутилізації гіпоксантину і гуаніну. Ця патологія є зчепленою з Х–хромосомою спадковою формою гіперурикемії, що розвивається в дитячому віці (у хлопчиків) і крім симптомів, властивих подагрі, виявляється тяжкими нервово-психічними порушеннями: у дітей спостерігають розумову відсталість, агресивність, часто спрямовану на себе (намагання нанести пошкодження своїм губам, язику, пальцям). Захворювання характеризується спастичними паралічами, нирковою недостатністю, каменями в нирках.

Механізм неврологічних порушень невідомий, хоч у цих хворих і виявлене зниження активності ферментів синтезу дофаміну в екстрапірамідній системі.

При повній відсутності зазначеного ферменту гіпоксантин і гуанін, що утворюються, перетворюються в ксантин - попередник сечової кислоти, відповідно зростає кількість сечової кислоти (рис. 7.8). Недостатність ферменту виявляють в еритроцитах, лейкоцитах, шкірних фібробластах, тканинах нирок, мозку, печінки.

Ксантинурія ( дефіцит ксантиноксидази) – спадкове захворювання, яке характеризується порушенням пуринового обміну, проявляється гематурією і болями в попереку, підвищенням вмісту ксантину в плазмі крові та сечі.

Спадкова ксантинурія виникає через недостатність ксантиноксидази, що каталізує окиснення ксантину в сечову кислоту. При цьому гіпоксантин і ксантин в підвищеній кількості виводяться з сечею, тоді як виведення уратів знижується. Клінічні прояви відсутні, однак існує схильність до утворення ниркових каменів.

Ксантинурія може виникати при надлишковому дозуванні алопуринолу, порушенні транспорту сечової кислоти (синдром Фанконі) і ураженні печінки.

Поиск по сайту: