Шляхи біосинтезу пуринових та піримідинових основ.

Біосинтез пуринових нуклеотидів. Ферментні системи організму синтезують нуклеотидних структур на основі біомолекул-попередників. У процесі біосинтезу пуринових нуклеотидів беруть участь гліцин, аспартат та глутамін та каталітично активні одновуглецеві групи у формі похідних тетрагідрофолату (Н4-фолату) і активного СО2, що приєднуються безпосередньо до пентозної частини нуклеотиду - рибозо-5-фосфату.Організм людини і тварин може також в обмеженій кількості синтезувати пуринові та піримідинові нуклеотиди шляхом використання готових молекул азотистих основ, що вивільняються при катаболізмі нуклеїнових кислот і потрапляють в організм із їжею, але основним механізмом поповнення внутрішньоклітинного пулу нуклеотидів є їх синтез de novo.

Реакції біосинтезу ІМФ:

(1) взаємодія  -D-рибозо-5-фосфату з АТФ з утворенням 5-фосфорибозил-1-пірофосфату (ФРПФ);

(2) взаємодія ФРПФ із глутаміном з утворенням 5-фосфорибозиламіну;

(3) взаємодія 5-фосфорибозиламіну з гліцином з утворенням гліцинамідрибозил-5-фосфату (ГАР);

(4) взаємодія ГАР з активною формою форміату (N5, N10-метеніл-Н4-фолатом) з утв. форміл-ГАР;

(5) взаємодія форміл-ГАР з глутаміном з утв формілгліцинамідино-рибозил-5-фосфату (форміл-ГАМ);

(6) взаємодія форміл-ГАМ з АТФ із замиканням імідазольного кільця, тобто утворенням сполуки, що містить п’ятичленне кільце пуринового циклу — аміноімідазол-рибозил-5-фосфату (АІР);

(7) карбоксилювання АІР з утворенням аміноімідазолкарбоксилат-рибозил-5-фосфату (АІКР);

(8) взаємодія АІКР із аспартатом (донором аміногрупи) з утворенням проміжної сполуки — аміноімідазолсукцинілкарбоксамід-рибозил-5-фосфату (АІCКР);

(9) розщеплення АІСКР з елімінацією фумарату та утв аміноімідазолкарбоксамід-рибозил-5-Ф (АІКАР);

(10) формілювання АІКАР за рахунок -групи N10-форміл-Н4-фолату з утворенням формамідоімідазолкарбоксамід-рибозил-5-фосфату (ФАІКАР);

(11) дегідратація та циклізація ФАІКАР з утв пуринового нуклеотиду — інозинмонофосфорної к-ти, ІМФ).

Утворення АМФ та ГМФ. Інозинмонофосфат є попередником в утворенні інших пуринових рибонуклеотидів — аденозинмонофосфату (АМФ) та гуанозинмонофосфату (ГМФ).

Синтез АМФ здійснюється шляхом таких реакцій:

1) заміщення кисню при С-6 пурину на аміногрупу, донором якої є аспарагінова кислота; проміжний продукт реакції — аденілосукцинат, утворення якого потребує хімічної енергії у формі макроергічного зв’язку ГТФ;

2) розщеплення аденілосукцинату з вивільненням фумарату та утворенням аденозин-5'-монофосфату.

Синтез ГМФ відбувається також у дві стадії:

1) окислення вуглецю (С-2) в кільці пурину з утворенням ксантилової кислоти (ксантозин-5'-монофосфату); реакція потребує наявності НАД+ як акцептора водню;

2) заміщення кисню при C-2 на аміногрупу, донором якої є амідна група глутаміну; амідування спряжене з розщепленням двох макроергічних зв’язків АТФ — в результаті реакції утворюється гуанозин-5'-монофосфат.

Утворення АТФ та ГТФ. Оскільки біосинтез полінуклеотидів РНК і ДНК вимагає наявності нуклеозидтрифосфатів (НТФ) та дезокси- рибонуклеозидтрифосфатів (дНТФ) (глава 20), важливою метаболічною ланкою є фосфорилювання відповідних пуринових та піримідинових (див. нижче) нуклеозидмонофосфатів.

Перетворення нуклеозидмонофосфатів на нуклеозиддифосфати та нуклеозидтрифосфати реалізується за рахунок макроергічних зв’язків АТФ і каталізується послідовною дією ферментів нуклеозидмонофосфокіназ та нуклеозиддифосфокіназ:

Зокрема, утворення ГТФ з ГМФ реалізується таким шляхом:

ГМФ + АТФ→ ГДФ+ АДФ

ГДФ + АТФ → ГТФ+ АДФ

Перетворення АМФ на АДФ відбувається в результаті дії аденілаткінази:

АМФ + АТФ↔ 2АДФ

АТФ, макроергічні зв’язки якої витрачаються в зазначених кіназних реакціях, регенерується в результаті окисного фосфорилювання.

Біосинтез пуринових нуклеотидів із азотистих основ. Розглянутий біосинтез пуринових нуклеотидів із простих попередників — синтез de novo — потребує значних витрат метаболічної енергії у формі макроергічних зв’язків АТФ і ГТФ і відбувається не у всіх тканинах. Цей складний метаболічний шлях має місце переважно в печінці, тоді як в інших тканинах, зокрема в еритроцитах, лейкоцитах, клітинах головного мозку відбувається утворення нуклеотидів із “готових” вільних пуринових основ — аденіну, гуаніну та 6-оксипурину (гіпоксантину).

Джерелом пуринових основ для такого синтезу є пурини, які утворюються з нуклеотидів, синтезованих у печінці, та нуклеотидів, які постійно вивільняються в результаті катаболізму (гідролітичного розщеплення) нуклеїнових кислот і нуклеотидів власних тканин та таких, що надходять у складі харчових продуктів. Цей механізм більш швидкого біосинтезу пуриннуклеотидів шляхом повторного включення в метаболізм вільних азотистих основ отримав назву “шляху реутилізації” (salvage reactions — англ.).

Реакції повторного використання пуринів для синтезу нуклеотидів перебігають за участю таких ферментів:

(1) аденінфосфорибозилтрансферази, що каталізує реакцію:

аденін + 5-фосфорибозил-1-пірофосфат → АМФ + ФФн;

(2) гіпоксантингуанінфосфорибозилтрансферази, що каталізує реакції:

а) гуанін + 5-фосфорибозил-1-пірофосфат → ГМФ + ФФн;

б) гіпоксантин + 5-фосфорибозил-1-пірофосфат → ІМФ + ФФн.

Біосинтез піримідинових нуклеотидів. На відміну від біосинтезу пуринових нуклеотидів, синтез піримідинових нуклеотидів відбувається шляхом приєднання пентози у формі 5-фосфорибозил-1-пірофосфату вже після утворення піримідинового циклу з попередників із лінійним ланцюгом. Метаболічними попередниками атомів вуглецю та азоту в молекулах піримідинів є амінокислота L-аспартат та карбамоїлфосфат.