Биохимия Р.Марри

О0- О

Аденозин-5'-монофосф8т (АМР)

Аденозин-5'-диФ0сф8т (АДР)

АдеН03ин-5'-трифосфет (АТР)

Рис. 34.13. Структура Атр и соответствующих ди- и моно­ фосфатной форм.

используются аббревиатуры DP (дифосфат) и ТР (трифосфат). Таким образом, аденозин + трифосфат

с тремя фосфатными группами в 5'-положении угле­

вода будет обозначаться АТР. Структура АТР, а также соответствующих ди- и монофосфатов изо­ бражена на рис. 34.13. Поскольку в молекулах ну­ клеотидов фосфаты находятся в виде ангидридов

фосфорной кислоты, т. е. в состоянии с низкой энтро­

пией, их называют макроэргами (обладающими бо­ льшим запасом потенциальной энергии). При гидро­ лизе 1 моля АТР дО АОР высвобождается около 7 кКал потенциальной энергии.

ПРИРОДНЪIЕ НУКЛЕОТИДЪI

Свободные нуклеотиды также выполняют ва­ жные функции в различных тканях организма (см. ниже).

Производные аденозина

ADP и АТР являются субстратом и продуктом окислительного фосфорилирования (гл. 3). АТР вы­ полняет функцию основного внутриклеточного пере­

носчика свободной энергии (гл. 11). Концентрация

наиболее распространенного свободного нуклеотида в клетках млекопитающих- АТР- составляет око­

ло 1 ммоль/л.

Циклический АМР (3', 5'-аденозинмонофосфат, cAMP)-медиатор различных внеклеточных сигна­

лов в клетках животных- образуется из АТР в резу­

льтате реакции, катализируемой аденилатциклазой

(рис. 34.14). Активность аденилатциклазы регули­

руется комплексом взаимодействий, многие из кото­

рых инициируются через рецепторы гормонов

Рис. 34.14. Образование сАМР из АТР и гидролиз сАМР фосфодиэстеразоЙ.

АТР. Гидролиз сАМР дО 5'-АМР катализирует cAMP-фосфодиэстераза (рис. 34.14).

Включение остатка сульфата при образовании таких соединений, как сульфатированные протео­ гликаны (гл. 42), требует его предварительной ак­

тивации (рис. 34.15). Сульфат активируется в

реакции с АТР, образуя аденозин-3'-фосфат- 5'-фосфосульфат. Активированный сульфат необ­ ходим также как субстрат реакции образования сульфатных конъюгатов.

S-Аденозилметионии (рис. 34.16) представляет собой «активную» форму метионина. S-адено­

зилметионин выполняет функцию донора метиль-

Дмр-р-р

(ДТР)

ДОР

~

Адвнин - РибоЗ8 - ®-о -50з2-

....._--....----_....~ ----НО он

Метионин Аденозин

Рис. 34.16. S-Аденозилметионин.

в том числе и гормонами. Как и сАМР, cGMP гидро­ лизуется фосфодиэстеразой до соответствующего 5'- монофосфата.

Производные гиnоксантина

Гипоксантиновый рибонуклеотид, обычно назы­ ваемый инозиновой кислотой (lMP или инозинат

всолевой форме),- представляет собой предше­

ственник всех пуриновых рибонуклеотидов, синтези­ руемых de novo. Инозинат может образовываться

вреакции дезаминирования АМР. Эта реакция про­ исходит главным образом в мышечной ткани

и является частью цикла пуриновых нуклеотидов.

ной группы во многих реакциях метилирования и,

кроме того, является источником пропиламина для

синтеза полиаминов.

Производные гуанозина

Нуклеотиды этого типа, в частности гуанозинди­ фосфат и гуанозинтрифосфат, участвуют в несколь­ ких, требующих энергии, биохимических процессах, где они выступают функциональными аналогами АОР и АТР. Например, окисление а-кетоглутаровой

кислоты до сукцинил-СоА в цикле трикарбоновых

кислот сопровождается фосфорилированием GOP дО GTP. GTP необходим для активации аденилатци­

клазы некоторыми гормонами; он выполняет функ­

ции как аллостерического регулятора, так и источни­

ка энергии в процессе синтеза белка на полирибосо­ мах. Таким образом, GTP играет важную роль

вподдержании внутриклеточного энергетического

баланса.

Циклический GMP (3', 5'-гуанозинмонофосфат, cGMP) (рис. 34.17) служит внутриклеточным про­ водником внеклеточных сигналов. В некоторых слу­

чаях cGMP выступает в роли антагониста сАМР. cGMP образуется из GTP под действием гуанилатци­

клазыфермента, имеющего много общего с аде­ нилатциклазоЙ. Гуанилатциклаза, как и аденилатци­ клаза, регулируется различными эффекторами,

Рис. 34.17. Циклический 3'5'-гуанозинмонофосфат (cGMP).

Функционирование этой части цикла приводит в ко­

нечном итоге к образованию аммиака за счет аспар­ тата (рис. 34.18). При удалении фосфатной группы из IMP образуется нуклеозидное производное инозина (гипоксантинрибозид)- промежуточное соединение

цикла «реутилизации» пуринов (гл. 35).

Инозиндифосфат (IOP) и инозинтрифосфат (lTP)

представляют собой аналоги АОР и АТР, у которых

в качестве пуринового нуклеозида выступает инозин;

они иногда принимают участие в реакциях фосфори­

лирования.

Производные урацила

Производные урациловых нуклеотидов уча­ ствуют в качестве коферментов в реакциях метабо­

лизма гексоз и полимеризации углеводов, в частно­

сти при биосинтезе крахмала и олигосахаридных

фрагментов гликопротеинов и протеогликанов (гл. 54). Субстратами в этих реакциях являются уридин­ дифосфатсахара. Например, уридиндифосфатглюко­ за (UOPGlc) служит предшественником гликогена. Другой кофермент- уридиндифосфатглюкуроновая кислота (UOPGlcUA)-вьшолняет функцию «ак­

тивного» глюкуронида в реакциях конъюгирования,

например при образовании глюкуронида билиру­ бина (гл. 33).

Урацил участвует в образовании макроэргиче­

ских фосфатных соединений, аналогичных АТР,

------------~----~.~дMP

ОТР, ITP. Уридинтрифосфат (UTP) используется,

например, в реакции превращения галактозы в глю­

козу; при этом образуются UOPGlc и UOPGal. Кро­

ме того, ОТР служит одним из мономерных пред­ шественников РИК.

СИНТЕТИЧЕСКИЕ АНАЛОГИ НУКЛЕОТИДОВ

Синтетические аналоги пуриновых и пиримиди­

новых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов широ­

ко применяются в научных исследованиях и клиниче­

ской медицине. Их использование основано на роли

нуклеотидов как компонентов нуклеиновых кислот,

Производные цитозина

Цитидин (цитозинрибозид) может формировать

высокоэнергетические фосфатные соединения­ цитидиндифосфат (СОР) и цитидинтрифосфат (СТР). Последний выступает также в роли предше­ ственника при включении СМР в состав нуклеино­ вых кислот. СТР необходим для биосинтеза некото­ рых фосфоглицеридов в тканях животных. Реакции

с участием церамида и СОР-холина приводят к обра­ зованию сфингомиелина и других замещенных сфин­

гозинов. Известны циклические производные цити­

дина, аналогичные вышеописанным циклическим

производным аденозина игуанозина.

определяющих такие жизненно важные функции клетки, как ее рост и деление. Для деления необхо­ дим этап репликации ДИК. ЭТО означает, что пред­

шественники нуклеиновых кислот - нормальные пу­

риновые и пиримидиновые дезоксирибонуклеоти­ ды-должны быть легко доступны.

О

HN~I

)'N)

но

Нуклеотиды в составе коферментов

Функциональными фрагментами многих кофер­

ментов являются нуклеотиды, структурно аналогич­

ные пуриновым и пиримидиновым нуклеотидам

(табл. 34.1).

Таблица 34.1. Многие коферменты и родственные им соеди­

нения являются производными аденозинмонофосфата

SH

N:j(N)

H'N~N N

Н

6-МеРК8ПТОПУРИН 6- Тиогуенин

Рис. 34.19. Структура двух синтетических аналогов пири­

мидина (вверху) и двух синтетических аналогов пурина (внизу).

о

HN~

~ 6~

О N

О

:l~N\

Рис. 34.20. Структура 6-азаурилина (С1ева) и 8-азагуанина

(справа).

Азатиоприн

Рис. 34.21. Структура 4-гидроксипиразолпиримидина (ал­ лопуринол), араБИНОЗИЛl{итозина (цитарабин) и азатиопри­

на.

Одна из наиболее важных групп лекарственных

препаратов в онкологии-синтетические аналоги

пуриновых и пиримидиновых оснований и нуклеози­ дов. Больным вводят препараты аналогов, имею­

щих такие изменения в структуре гетероцикла или

углеводного остатка молекулы, которые после

встраивания соединения в соответствующие клеточ­

ные компоненты обусловливают выраженные цито­

токсические эффекты. Эти эффекты либо являются результатом ингибирования определенных фермен-.

тов, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот,

либо связаны с искажением структуры дик при

встраивании аналога. На последнем принципе осно­ вано действие 5-фтор- или 5-иод-производных ура-

концевой фосфатной группы. Обозначения: B-ПУРИНО80е или пиримидиновое основание; R - рибоза или дезоксири­ боза. В верхней части рисунка изображен исходный (гидро­ лизуемый) нуклеозидтрифосфат; в центре -13. у-мети­

леновое ПРОИЗВОJJ.ное. внизу -13. у-иминопроизводное

(обе формы негидролизуемые).

цила или дезоксиуридина. Первый является анало­

гом тимина, второй-тимидина (рис. 34.19). Широ­

ко используются в клинике также 6-тиогуанин и 6- меркаптопурин. В обеих молекулах гидроксильные

группы в положении 6 замещены на тиольные. Кли­

нические испытания успешно прощли также про­

изводные пуринов и пиримидинов, У которых гете­

роцикл содержит дополнительный атом азота, на­

пример 5- или 6-азауридин или азацитидин и 8- азагуанин (рис. 34.20).

Пуриновый аналог 4-гИДроксипиразолпири­ мидин (аллопуринол) широко используется как ин­ гибитор ксантиноксидаlЫ и биосинтеза пуринов de novo. Он применяется для лечения гиперурикемии и подагры. Нуклеозиды, содержащие в качестве

углеводного компонента арабинозу вместо рибозы,

например цитарабин (арабинозилцитозин Ara-C),

меркаптопурин, успешно применяется при транс­

плантации органов в качестве агента, подавляющего

реакцию иммунологического отторжения. В течение

нескольких лет изучалась антивирусная активность

целой серии dналогов нуклеозидов. Один из них-

5-иод-дезоксиуридин - оказался эффективным при

местном лечении герпесного кератита.

к настоящему времени синтезировано значитель­ ное число негидролизуемых аналогов ди- и трифос­ фатов пуриновых и пиримидиновых рибонуклеози­ дов. Такие аналоги позволяют исследователю отве­ тить на вопрос: связан ли наблюдаемый биохими­ ческий эффект ди- и трифосфатов нуклеозидов с

их гидролизом или же он является результатом взаи­

модействия со специфическими нуклеотид-свя­

зывающими центрами ферментов или регулятор­

ных белков. На рис. 34. 22 представлены два негид-

ролизуемых аналога гуанозинтрифосфата этого ти­

па.

ЛИТЕРАТУРА

Henderson J. Е., Paterson А. R. Р. Nucleotide Metabolism: An Introduction, Academic Press, 1973.

Michelson А. М. ТЬе Chemistry of Nucleosides and Nucleotides, Academic Press. 1963.

PrusoJJW. Н., Ward D. С. Nucleoside analogs with antiviral ас­ tivity, Biochem. Pharmacol., 1976, 25, 1233.

ВВЕДЕНИЕ

Эта глава посвящена обсуждению метаболизма

пуринов, пиримидинов, а также соответствующих

нуклеозидов и нуклеотидов.

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Ни сами нуклеотиды, ни исходные пуриновые

и пиримидиновые основания, поступающие в орга­

низм человека с пищей, не включаются ни в нуклеи­

новые кислоты тканей человека, ни в пуриновые или пиримидиновые коферменты, такие, как f!i.тр или NAD. Даже если пища богата нуклеопротеинами,

бляют С пищей значительные количества нуклеино­

вых кислот и нуклеотидов, их жизнедеятельность не зависит от всасывания этих веществ или соот­ ветствующих продуктов распада.

Нуклеиновые кислоты поступают в организм с пищей главным образом в составе нуклеопротеи­ нов и высвобождаются в результате действия протео­ литических ферментов кишечника. Панкреатический сок содержит рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы,

гидролизующие нуклеиновые кислоты до нуклеоти­

дов. Полинуклеотидазы или фосфоэстеразы кишеч­ ника, дополняя действие панкреатических нуклеаз,

также гидролизуют нуклеиновые кислоты до моно­

нуклеотидов. Далее, под воздействием нуклеотидаз

пуринов и пиримидинов С антиканцерогенными

свойствами включаться в состав ДНК.

Скорость синтеза пуриновых и пиримидиновых

рибо- и дезоксирибонуклеотидов является объектом тонкой регуляции. Сформировались механизмы,

обеспечивающие такой уровень продукции этих со­

единений во времени, который удовлетворяет по­

стоянно меняющиеся физиологические потребности

организма. Наряду с синтезом de novo включаются так называемые пути «спасения», благодаря кото­

ний. Основания могут подвергаться окислению: гуа­

нин, например, окисляется до ксантина и затем до

мочевой кислоты; аденозин превращается винозин,

затем в гипоксантин и далее в мочевую кислоту (рис.

35.1). Мочевая кислота всасывается в кишечнике

и затем выделяется с мочой. В организме человека

большая часть пуринов, высвободившихся из ну­

клеиновых кислот, которые поступают с пищей, пре­ вращается в мочевую кислоту (при этом не происхо­

дит их включения во вновь образующиеся молекулы

рым происходит реутилизация пуриновых и пирими­

диновых оснований высвобождаемых из нуклеино­ вых кислот при деградации in vivo. К заболеваниям, которые связаны с нарушениями обмена пуринов и пиримидинов, относятся подагра, синдром Леша­ Найхана, синдром Рейе, недостаточность аденозин­ дезаминазы, недостаточность пуриннуклеозидфос­ форилазы.

УСВОЕНИЕ

нуклеиновых кислот). Свободные пиримидины, скармливаемые крысам, также в основном катабо­ лизируются и выделяются без включения в нуклеи­ новые кислоты тканей организма. Таким образом,

нуклеиновые кислоты пищи практически не высту­

пают в роли поставщика непосредетвенных предше­

ственников нуклеиновых кислот тканей организма. Другие результаты получены при парентераль­ ном введении нуклеотидов и нуклеозидов. Инъе­ цированный тимидин может включаться в ДНК

без всяких изменений. Этот факт послужил ос­

"УРИНЫ

Биосинтез пуриновых нуклеотидов

у человека и других млекопитающих пуриновые

нуклеотиды сmпезируются для обеспечения потреб­

ностей организма в мономерных предшественниках

нуклеиновых кислот, а также в со~динениях, вьшол­

няющих другие функции, описанные в гл. 34. У неко­

торых позвоночных (птицы, земноводные, репти­

лии) синтез пуриновых нуклеотидов несет дополни­ тельную функцию - является частью механизма,

с помощью которого выводятся излишки азота в ви­

де мочевой кислоты; такие организмы называют урикотеличесКIIМII. Организмы, у которых конечным продуктом азотистого обмена является мочевина

(как у человека), называют уреотелическими. Поско­

льку урикотелические организмы удаляют «изли­

шки» азота в виде мочевой кислоты, синтез пурино­ вых нуклеотидов у них идет более интенсивно, чем у уреотелических. В то же время пути синтеза пури­

новых нуклеотидов de novo - общие для обеих групп

организмов.

Информация о происхождении каждого из ато­

мов в молекуле пуринового основания получена

в процессе радиоизотопных исследований, проведен­

ных на птицах, крысах и человеке (рис. 35.2). На рис. 35.3 представлена схема пути биосинтеза пурино­ вых нуклеотидов. Первая стадия (реакция 1)- об­

разование 5-фосфорибозил-I-пирофосфата (ФРПФ).

Эта реакция не уникальна для биосинтеза пури­ новых нуклеотидов. ФРПФ служит также предше­

ственником в синтезе пиримидиновых нуклеотидов

(см. рис. 35.15), он необходим для синтеза NAD

и NADP - двух коферментов, в состав которых вхо­

дит никотиновая кислота.

В реакции 2 (рис. 35.3), катализируемой фосфори-

бозил-nиpoфосфат-амиДотрансферазой, из ФРПФ и глутамина образуются глутамат и 5- фосфорибозиламин. Хотя возможны и другие меха­ низмы синтеза 5-фосфорибозиламина. реакция, ка­

тализируемая амидотрансферазоЙ. имеет наиболее

важное физиологическое значение в тканях млекопи­

тающих.

Далее 5-фосфорибозйламин вступает в реакuию

с глицином (реакция 3); при этом образуется глиuи­

намид-рибозилфосфат (глицинамидориботид, ГАР).

Амидная группа глутамина служит источником ато­

ма азота в положении 9 молекулы пурина (N-9),

а глицин-источником атомов углерода в положе­

ниях 4 и 5 (С-4 и С-5) пуринового кольца. Эту реак­ цию катализирует глицинамид-киносинтетаза. В ре­ акции 4 атом азота N7 молекулы глицинамид­ рибозилфосфата формилируется NS, NIO-Me- тенилтетрагидрофолатом. В результате ЭТОЙ ре­ акции, катализируемой глицинамид-рибозил­ фосфат-формилтрансферазой, поступающий одно­ углеродный фрагмент займет положение С-8 в формирующемся пуриновом основании. В реак:

ции 5 снова участвует глутамин-донор амиднои

группы. Амидирование происходит по атому С-4

формилглицинамид-рибозилфосфата и катализиру­ ется ФОрмилглицинамидин-рибозилфосфатсинтетазоЙ.

Присоединенный атом азота займет в молекуле пу­

рина положение 3.

В результате замыкания имидазольного коль­

ца, катализируемого аминоимидазолрибозилфос­

фатсивтетазой, образуется аминоимидазол­

рибозилфосфат (реакция 6). Далее синтез прохо­ дит через стадию образования аминоимидазолкар­

боксилат-рибозилфосфата (реакция 7). В результате

реакции формируется карбонильная группа, источ­

ником которой служит молекула СО2, образую­

щаяся в процессе дыхания.

Амид гпутамина

Рис. 35.1. Происхождение атомов а'юта и углерода пурино­

вого кольца.

Атом азота в положении 1 происходит из й­ аминогруппы аспартата (реакция 8), остальная часть которого образует сукцинильный фрагмент в моле­ куле аминоимидазолсукцинилкарбоксиламид-рибо­ зилфосфата (АИСКАР).

В реакции 9 сукцинильная группа АИСКАР уда­ ляется в виде фумарата. Оставшийся аминоимида­

золкарбоксиламид-рибозилфосфат формилируется

(реакция 10) N 10_формилтетрагидрофолатом ([10_

Н4фолат) с образованием амидоимидазолкарбокси­ ламид-рибозилфосфата; реакция катализируется со­

ответствующей формилтрансферазоЙ. Вновь присо­ единеmn.IЙ атом углерода, подобно атому С-8, посту­

пает из пула одноуглеродных фрагментов при участии тетрагидрофолата и занимает в молекуле

пурина положение 2.

3амъпсание кольца (реакция 11) происходит с помощью IМР-циклогидролазы, в результате обра­

зуется первый пуриновый нуклеотид- инозиновая

кислота (ИНОЗIIIIМОRофосфат; IМP).

00

;;:

~

~

t...I v.

Значение метаболизма фолатов

В процессе биосинтеза пуриновыx нуклеотидов

(рис. 35.3) атомы углерода в положениях 8 и 2 по­ ступают соответственно от NS, NIO-метенилтет­ рагидрофолата и NIO-формилтетрагидрофолата. Последний образуется из NS, NIO-метенилтет­

рагидрофолата, который в свою очередь является продуктом NАDР-зависимого дегидрогенирования NS, NIO-метилентетрагидрофолата. Если NS, NIO-

метилентетрагидрофолат служит источником од­

ноуглеродных фрагментов для многих акцепторов

ноуглеродную группу (либо непосредственно, либо через стадию образования NIO-формилтетра­ гидрофолата) только в пурины. Из приведенных сведений следует, что ингибирование процессов об­ разования рассмотренных фолатов оказывает тор­ мозящее влияние и на синтез пуринов de novo.

Образование АМР и GMP из IMP

Как показано на рис. 35.4 адениновые (реакции

12 и 13) и гуаниновые нуклеотиды (реакции 14 и 15)

образуются путем аминирования и соответственно

окисления и аминирования общего предшественни-

ка- ииозиимонофосфата (lMP). Аминирование IМР

протекает через стадию образования промежуточно­

го соединения, в котором аспартат присоединяется

к инозиновой кислоте, образуя аденилосукцинат.

Эта реакция напоминает реакцию 8 биосинтеза пу­ ринов (рис. 35.3). в которой а-азот аспарагиновой кислоты поставляет атом N-I пуринового кольца.

Образование аденилосукцината катализируется аде­

нилосукцинатсинтазой и происходит при участии

ОТР. Удаление остающейся части аспарагиновой ки­ слоты в виде фумарата приводит к образованию аде­

ниловой кислоты (аденозинмонофосфат; АМР). От­

щепление фумарата от аденилосукцината катализи­

руется ферментом аденвлосукциназоЙ. Этот же фер­

мент катализирует отщепление фумарата от ами­ ноимидазолсукцинилкарбоксамидрибозилфосфата (реакция 9).

Так же, в две стадии, из IMP образуется гуано­ зинмонофосфат (ОМР). В первой реакции на этом

пути (реакция 14) при участии NAD и Н2О происхо­

дит окисление IMP с образованием ксантинмонофо­

Сф~та (ХМР). Затем ХМР аминируется амидогруп­

пои глутамина (реакция 15). Для этого процесса не­ обходим АТР, что в какой-то мере напоминает по­

требность в ОТР при превращении IMP в АМР.