7.3. Обмін піримідинових нуклеотидів і його порушення

7.3.1. Біосинтез піримідинових нуклеотидів. Фонд піримідинових нуклеотидів, так само як і пуринових, забезпечується завдяки синтезу з простих попередників de novo, і лише 10 – 20 % від загальної їх кількості утворюється завдяки «запасним» шляхам із азотистих основ чи нуклеозидів.

Синтез піримідинових нуклеотидів відбувається в цитозолі клітин із взаємодії СО₂, NН₃ і аспартату, цей процес майже повністю розшифрований завдяки дослідженням П. Рейхарда.

Послідовність хімічних реакцій синтезу піримідинових нуклеотидів, зокрема УМФ, можна представити наступним чином (рис. 7.9):

Рис. 7.9. Схема синтезу УМФ

Як видно зі схеми, І стадія синтезу УМФ - це утворення карбамоїлфосфату з глутаміну, каталізатором виступає цитоплазматична карбамоїлфосфатсинтетаза.

На II стадії карбамоїлфосфат реагує з аспартатом, внаслідок чого утворюється N-карбамоїласпарагінова кислота. Остання піддається циклізації (під дією дигідрооротази) з відщепленням молекули води, при цьому утворюється дигідрооротова кислота, яка підлягає дегідруванню з перетворенням на оротову кислоту. У цій реакції бере участь специфічний НАД-вмісний фермент дигідрооротатдегідрогеназа. Оротова кислота під впливом УМФ-синтази реагує з ФРПФ, що виступає донором рибозо-фосфату, з утворенням оротидин-5’-фосфату (ОМФ). Декарбоксилювання останнього призводить призводить до утворення піримідинового нуклеотиду - УМФ.

Подальше перетворення УМФ на УДФ і УТФ здійснюється, як і в пуринових нуклеотидів, шляхом фосфотрансферазних реакцій:

Нуклеозидмонофосфаткіназа (НМФ-кіназа) каталізує реакцію утворення УДФ:

УМФ + АТФ → УДФ + АДФ,

а нуклеозиддифосфаткіназа (НДФ-кіназа) – утворення УТФ:

УДФ + АТФ → УТФ + АДФ.

Фермент ЦТФ-синтетаза каталізує АТФ-залежне заміщення кетогрупи урацилу на амідну групу глутаміну з утворенням цитидин-5’-трифосфату (ЦТФ):

УТФ + Глн + АТФ → ЦТФ + Глу + АДФ + Ф_н

У

Рис. 7.10. Схема метаболізму піримідинових

нуклеотидів: 1, 2 - дефекти ферментів

при оротацидурії

прокаріот у цій реакції використовується переважно вільний аміак, тоді як вклітинах тварин ЦТФ-синтетаза каталізує включення амідної групи глутаміну в 4-е положення піримідинового кільця УТФ. . Слід зазначити, що утворений ЦТФ служить негативним ефектором регуляторного алостеричного ферменту аспартаткарбамоїлтрансферази, інгібуючи за типом зворотного зв’язку початкову стадію біосинтезу піримідинових нуклеотидів, АТФ гальмує це інгібування. Частина ЦМФ може перетворюватися на УМФ під дією цитидиндезамінази та поповнювати запаси уридилових нуклеотидів, як це показано на рис. 7.10.

7

Рис. 7.11. Схема регуляції синтезу піримідинових нуклеотидів

.3.2. Регуляція синтезу піримідинових нуклеотидів.Контроль синтезу піримідинових нуклеотидів забезпечується на рівні двох регуляторних ферментів:

1. карбамоїлфосфатсинтетази, активність якої посилює ФРПФ, а алостеричними інгібіторами виступають УТФ – кінцевий продукт біосинтетичного процесу та пуринові нуклеотиди (рис. 7.11);

2. аспартаткарбамоїлтрансферази, активатором якої слугує АТФ, а алостеричним інгібітором виступає ЦТФ.

Такий спосіб регуляції запобігає надлишковому синтезу не лише УМФ, а й усіх інших піримідинових нуклеотидів і забезпечує збалансоване утворення всіх чотирьох основних пуринових і піримідинових нуклеотидів, необхідних для синтезу РНК.

7.3.3. Розпад піримідинових нуклеотидів. На відміну від пуринових, розпад піримідинових нуклеотидів супроводжується розкриттям кільця. Цей процес розпочинається відщепленням рибозофосфату з подальшим окисненням піримідинових основ.

Цитидилові нуклеотиди гідролітично втрачають аміногрупу, перетворюючись на УМФ. Коли за участі нуклеотидази (або фосфатази) і уридинфосфорилази відщеплюється неорганічний фосфат і рибоза, залишається азотиста основа – урацил. Аналогічно розщеплюються дезоксирибонуклеотиди: з дЦМФ утворюється урацил, а з дТМФ – тимін.

Піримідинові основи приєднують 2 атоми водню з утворенням дигідроурацилу чи дигідротиміну. Обидва гетероцикли можуть взаємодіяти з водою з утворенням дигідроурацилу, який перетворюється на -уреїдопропіонову кислоту, та дигідротиміну, який перетворюється на -уреїдоізомасляну кислоту. Обидва уреїдопохідних під впливом уреїдопропіонази розщеплюються з утворенням СО₂, NH₄ та -аланіну чи -аміноізомасляної кислоти відповідно (рис.7.12):

Рис. 7.12. Схема розпаду піримідинових нуклеозидів

Початкові етапи реакції розпаду піримідинових нуклеотидів каталізують специфічні ферменти. Кінцевими продуктами реакції є:

СО₂, NН₃, сечовина, β-аланін і β-аміноізомасляна кислота. Слід вказати, що гідролітичний розпад піримідинів є, очевидно, головним шляхом утворення β - аланіну, який може служити джерелом для синтезу ансерину і карнозину, а також для утвореннятворення КоА. Відомо, що β – аланін у тваринних тканинах піддається подальшому розпаду. У тканинах тварин відкрита специфічна амінотрансфераза, яка каталізує трансамінування між β-аланіном і піровиноградною кислотою. В процесі цієї зворотної реакції синтезуються α-аланін і формілацетат:

Формілацетат далі підлягає окиснювальному декарбоксилуванню з утворенням вуглекислоти та ацетил-КоА.

7.3.4. Порушення синтезу піримідинових нуклеотидів. Спадкове порушення синтезу оротової кислоти, відоме як оротацидурія, характеризується утворенням її надлишку Кількість виведеної оротової кислоти в складі сечі при цьому може зростати до 1,0 – 1,5 г , що в 1 000 разів перевищує норму.

Оротатацидурія І типу- порушення піримідинового обміну, зумовлене дефіцитом двох ферментів:оротатфосфорибозилтрансферази, яка каталізує перетворення оротату на оротидилат, ідекарбоксилази, що каталізує перетворення оротидилату на уридинмонофосфат. Діти народжуються нормальними, але впродовж першого року життя в них розвивається мегалобластична анемія, згодом вони відстають у рості і розумовому розвитку. У сечі виявляють кристали оротової кислоти помаранчевого кольору (помаранчева кристалоурія).

Захворювання ставить дітей у залежність від зовнішніх джерел уридину. Вживання уридину чи цитидину призводить до зменшення утворення й екскреції оротової кислоти, відновлює нормальний ріст і розвиток. Таке лікування повинно продовжуватися впродовж усього життя.

Оратацидурія ІІ типурозвивається при нестачі тільки одного ферменту –оротидин-5-фосфатдекарбоксилази. У таких пацієнтів у сечі виявляють оротидин на відміну від І типу патології, при якій більшою мірою екскретується оротова кислота.

Вторинна оротова ацидурія(синдром Рейє) виникає при пошкодженні мітохондрій печінки. У результаті порушується утилізація карбамоїлфосфату, він включається в цикл синтезу оротової кислоти.

7.3.5. порушення катаболізму піримідинових нуклеотидів. Відомі порушення в робті двох ферментів цього метаболічного шляху. При недостатності піримідин-5’-нуклеотидази порушується відщеплення неорганічного фосфату від піримідинових мононуклеотидів і, відповідно, утворення нуклеозидів. Неактивна ізоформа зазначеного фермента виявлена в еритроцитах, там відбувається накопичення піримідинових НТФ, котрі інгібують пентозофосфатний шлях перетворення глюкози і створюють умови для гемолізу цих клітин крові.

Дигідропіримідиндегідрогеназа – фермент катаболізму піримідинів, який регулює його швидкість. Порушення роботи цього фермента супроводжується відхиленнями в функціонуванні нервової системи та діагностується на основі підвищення рівня вільних піримідинів – урацилу та тиміну в плазмі крові.