Предыдущая: Обмен нуклеиновых кислот

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что для синтеза пуриновых нуклеотидов в организме животных готовые пуриновые основания, образующиеся в процессе переваривания нуклеиновых кислот в кишечнике, не используются. Их синтез осуществляется из низкомолекулярных предшественников, продуктов обмена углеводов и белков.

Впервые в лаборатории Бьюкенена экспериментально доказано включение ряда меченых атомов, в частности ^l5N- и ^l4N-глицина, ^l5N-аспартата, ^l5N-глутамина и др., в пуриновое кольцо мочевой кислоты. Скармливая птицам эти и другие меченые соединения, он анализировал места включения метки в пуриновое кольцо.

Полученные Бьюкененом данные были в дальнейшем уточнены, подтверждены рядом других авторов и представлены в схеме:

Из схемы видно, что 4-й и 5-й атомы углерода и 7-й атом азота в ядре имеют своим источником глицин. Два атома азота (N³ и N⁹) происходят из амидной группы глутамина, один атом азота (N^l) - из азота аспарагиновой кислоты; углеродный атом (С²) происходит из углерода N¹⁰)- формил-тетрагидрофолиевой кислоты, атом углерода в 8-м положении - из N⁵, N¹⁰-метенил-тетрагидрофолиевой кислоты и, наконец, углерод С⁶ имеет своим источником СO².

В настоящее время благодаря исследованиям Бьюкенена, Гринберга, Корнберга и их сотрудников полностью расшифрована последовательность включения перечисленных выше веществ в пуриновое кольцо, установлена природа всех промежуточных соединений и ферментных систем, катализирующих химические реакции. Интересным оказался факт почти полного совпадения путей синтеза пуриновых оснований в печени животных и у микроорганизмов, в частности у Е. coli и Neurospora crassa. Следует, однако, отметить, что конечным результатом синтеза оказалось не свободное пуриновое основание, а рибонуклеотид - инозиновая кислота, из которой далее синтезируются адениловая и гуаниловая кислоты.

В схеме представлена последовательность всех 11 химических реакций этого синтеза с указанием ферментных систем, коферментов, источников энергии и других известных к настоящему времени кофакторов.

Как видно из приведенной схемы, синтез инозиновой кислоты начинается с D-рибозо-6-фосфата, который, как известно, является продуктом пентозофосфатного цикла и на который переносится в необычной реакции пирофосфатная группа АТФ. Образовавшийся 5-фосфорибозил-1-пирофосфат (в дальнейшем будет обозначаться ФРПФ) взаимодействует с глутамином, который является донатором NH₂-группы, и образуется β-5-фосфорибозил-амин, причем в процессе реакции наряду с освобождением пирофосфата и свободной глутаминовой кислоты имеет место изменение конфигурации (из α- в β-).

Таким образом, данная стадия становится ключевой реакцией в синтезе пуринов. В следующей стадии присоединяется вся молекула глицина к свободной NH₂-группы β-5-фосфорибозиламина (реакция нуждается в доставке энергии АТФ) с образованием глицина-мидрибонуклеотида. Цепь в следующей стадии удлиняется за счет присоединения формильной группы из N⁵, N¹⁰-метенил-тетрагидрофолиевой кислоты с образованием формилглицинамидрибонуклеотида. На формильную группу последнего переносится далее амидная группа глутамина и синтезируется формилглицинамидинрибонуклеотид (реакция также идет с потреблением энергии АТФ). В следующей стадии замыкается пятичленное имидазольное кольцо и образуется 5-аминоимидазолрибонуклеотид, который способен акцептировать СO₂ с образованием рибонуклеотида 5-аминоимидазол-4-карбоновой кислоты.

В последующем двухступенчатом процессе, в котором участвуют аспарагиновая кислота и АТФ, образуется 5-аминоимидазол-4-карбоксиамидрибонуклеотид и освобождается фумаровая кислота. В этих реакциях азот аспарагиновой кислоты включается в первое положение будущего пуринового ядра. Последний углеродный атом пиримидинового остатка кольца пурина вводится в виде формильного остатка (источник N¹⁰-формил-тетрагидрофолиевая кислота), которая присоединяется к 5-NH₂-группе. После этого отщепляется молекула воды и второе кольцо замыкается. В результате образуется первый пуриновый нуклеотид - инозиновая кислота (ИМФ), которая является предшественником пуриновых нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот.

Биосинтез адениловой и гуаниловой кислот. Образование пуриновых нуклеотидов (адениловой и гуаниловой кислот, АМФ и ГМФ) осуществляется из инозиновой кислоты (ИМФ). Причем в синтезе обоих мононуклеотидов участвуют по два фермента, отличных по своему механизму действия. Образование ГМФ из ИМФ катализируют ИМФ-дегидрогеназа и ГМФ-синтетаза, а образование АМФ из того же предшественника катализируется последовательным действием аденилосукцинатсинтетазы и аденилосукцинатлиазы. Обозначив остаток рибозы-5-фосфата Риб-Ф, названия аминокислот - сокращенными символами, механизм двухэтапного синтеза АМФ и ГМФ можно представить следующими химическими реакциями:

Видно, что в ферментативном синтезе АМФ из инозиновой кислоты специфическое участие принимает аспарагиновая кислота, являющейся донатором NH₂-группе, и ГТФ в качестве источника энергии; промежуточным продуктом реакции является аденилоянтарная кислота. Биосинтез ГМФ, напротив, начинается с дегидрогеназной реакции ИМФ с образованием ксантозиловой кислоты; в аминировании последней используется только амидный азот глутамина.

Превращение АМФ и ГМФ в соответствующие нуклеозидди- и трифосфаты также протекает в две стадии при участии специфических нуклеозидмонофосфат- и нуклеозиддифосфаткиназ по уравнению:

ГМФ + АТФ <--> ГДФ + АДФ
ГДФ + АТФ <--> ГТФ + АДФ

Следует, однако, напомнить, что основным механизмом синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата живых организмов является окислительное фосфорилирование.

Следует указать, что быстрорастущие ткани (эмбриональная, опухолевая, регенерирующая) используют также резервные (запасные) пути синтеза пуриновых нуклеотидов из свободных азотистых оснований: аденина, гуанина и гипоксантина. Ферменты, катализирующие синтез нуклеотидов, требуют наличия 5-фосфорибозил-1-пирофосфата (ФРПФ). В общей форме реакции протекают следующим образом:

Следует указать на существование в клетках весьма тонкого механизма регуляции синтеза пуриновых нуклеотидов. Синтез их тормозится конечными продуктами по принципу обратной связи, т. е. ингибированием первой стадии переноса аминогруппы глутамина на ФРПФ. Фермент, катализирующий эту стадию, оказался аллостерическим регуляторным ферментом. Второй механизм регуляции заключается в том, что избыток ГМФ в клетках оказывает аллостерическое торможение на свой собственный синтез, не влияя на синтез АМФ, и, наоборот, накопление АМФ подавляет свой синтез, не ингибируя синтез ГМФ.

Продолжение: Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов