Biosinteza nukleotida


Karlovsky120
  • Izvori:

    Izvori:
    1. Raven PH & Johnson GB, Biology, McGraw Hill, 2002.
    2. Berg JM, Tymoczko JL & Stryer L, Biochemistry, W.H Freeman and Company, 2002.

Put biosinteze nukleotida možemo podijeliti u dvije kategorije: de novo put i put spašavanja. U de novo sintezi, nukleotidne baze se stvaraju od jednostavnijih prekursora. Osnova pirimidinske baze nastaje prva, a zatim se dodaje na ribozu - za razliku od purinske baze, koja se, dio po dio, sintetizira direktno na osnovi riboze. Ovi putovi sinteze sastoje se od malog broja elementarnih reakcija koje se, s varijacijama, ponavljaju kako bi se stvorili različiti nukleotidi. U putu "spašavanja," prije stvorene baze se "recikliraju" i povezuju na jedinicu riboze.

I de novo sinteza i put spašavanja vode do nastanka ribonukleotida. No, DNA se gradi od deoksiribonukleotida. Ako u obzir uzmemo činjenicu da je u evoluciji RNA postojala prije DNA, možemo zaključiti kako se svi deoksiribonukleotidi sintetiziraju iz odgovarajućih ribonukleotida. Deoksiriboza nastaje redukcijom riboze na potpuno sintetiziranom nukleotidu. Metilna grupa koja razlikuje timin u DNA od uracila u RNA dodaje se u zadnjem koraku puta.


De novo sinteza pirimidina

Ukratko: U de novo sintezi pirimidina, pirimidinski prsten se sintetizira iz bikarbonata, aspartata i glutamina, i to tako da se prvo djelomično sintetizira prsten, a tek onda dodaje na ribozu fosfat za nastanak pirimidinskog nukleotida.
U de novo sintezi pirimidina, prvo se sintetizira prsten, koji se zatim dodaje na ribozu kako bi se stvorio pirimidin nukleotid. Pirimidinski prsten nastaje od bikarbonata, aspartatske kiseline i amonijaka. Amonijak se može upotrijebiti direktno, ali se može proizvesti i hidrolizom lanca glutamina.
Prvi korak u de novo sintezi pirimidina je sinteza karbamoil fosfata iz bikarbonata i amonijaka nizom reakcija, što zahtjeva potrošnju dviju molekula ATP-a. Enzim koji katalizira tu reakciju naziva se karbamoil fosfat sintetaza (eng. carbamoyl phosphate synthetase ili CPS). Karbamoil fosfat sintetaza je enzim koji sadrži dvije homologne domene, od kojih svaka katalizira jedan korak cijepanja ATP-a. Proces započinje fosforilacijom bikarbonata uz pomoć ATP-a, kako bi se stvorio karboksifosfat i ADP. Zatim amonijak reagira s karboksifosfatom, te nastaje karbaminska kiselina i anorganski fosfat.



Aktivno mjesto ove reakcije smješteno je na zadnjoj trećini amino-terminalnog kraja domene karbamoil fosfat sintetaze. Domena tvori strukturu koja okružuje ATP i drži ga u položaju prikladnom za nukleofilni napad na gama-fosforilnu grupu. Proteini koji sadrže takvo aktivno mjesto kataliziraju stvaranje ugljik-dušik veza preko acil-fosfat intermedijera.

U zadnjem koraku koji katalizira karbamoil fosfat sintetaza, karbaminsku kiselinu fosforilira druga molekula ATP-a kako bi se stvorio karbamoil fosfat. Ova se reakcija događa na drugoj ATP domeni enzima:



Nakon toga karbamoil fosfat reagira s aspartatom kako bi se stvorio karbamoilaspartat, a tu reakciju katalizira aspartat transkarboamoilaza. Karbamoilaspartat se tada ciklizira u dihidroorotat, koji se pak zatim oksidira (uz pomoć NAD+) u orotat:



U ovoj fazi, orotat se sparuje s ribozom, koja je u obliku 5-fosforibozil-1-pirofosfata (PRPP), oblika riboze aktivirane za prihvaćanje nukleotidnih baza. PRPP se sintetizira iz riboza-5-fosfata, koja nastaje u pentoza fosfatnom putu dodavanjem pirofosfata s ATP-a. Orotat reagira s PRPP kako bi stvorio orotidilat, pirimidinski nukleotid. Ovu reakciju pokreće hidroliza pirofosfata. Enzim koji katalizira ovu adiciju, pirimidin fosforiboziltransferaza, homologan je brojnim drugim fosforiboziltransferazama koje dodaju različite skupine na PRPP za stvaranje drugih nukleotida.



Zatim se orotidilat dekarboksilizira u uridilat (UMP), pirimidinski nukleotid koji je prekursor RNA. Tu reakciju katalizira orotidilat dekarboksilaza:



Drugi važniji pirimidinski ribonukleotid, citidin, nastaje od uridilata (UMP-a), tako da se UMP prvo konvertira u UTP. Difosfati i trifosfati su aktivni oblici nukleotida u biosintezi i energetskim reakcijama. Nukleozini monofosfati se prevode u nukleozidne trifosfate u nekoliko koraka. Prvo, monofosfate u difosfate prevodi specifičan enzim, nukleozid monofosfat kinaza, koja koristi ATP kao donor fosforilne skupine. Primjerice, UMP u UDP fosforilira UMP kinaza (UMP + ATP ----------> UDP + ADP). Interkonverziju difosfata i trifosfata katalizira nukleozid difosfat kinaza, enzim šire specifičnosti (primjerice, UDP + ATP ---------> UTP + ADP).

Nakon što se ovim putem stvori uridin trifosfat (UTP), može se prevesti u citidin trifosfat zamjenom karboksilne skupine amino skupinom. Za odvijanje ove reakcije potrebna je energija u obliku ATP-a, te glutamin kao izvor amino skupine. U reakciji, O-4 atom se fosforilira kako bi nastao reaktivni intermedijer, a onda se fosfat zamijeni amino skupinom dobivenom iz glutamina hidrolizom.




Sinteza purina

Purinski nukleotidi mogu biti sintetizirani dvama različitim putovima. Purini se počinju sintetizirati de novo od jednostavnih početnih materijala kao što su aminokiseline i bikarbonat. Za razliku od pirimidina, purinske baze se sintetiziraju već pričvršćene na prsten riboze. Alternativno, purinske baze, koje se otpuštaju hidrolitičkom razgradnjom nukleinskih kiselina i nukleotida, mogu se spasiti i reciklirati. Purinski putovi spašavanja su osobitno bitni zbog uštede energije.


Put "spašavanja" (salvage pathway) purina i pirimidina

Slobodne purinske baze dobivene prehranom, mogu se spojiti na PRPP kako bi se stvorili purinski nukleozid monofosfati, u reakciji anolognoj onoj stvaranju orotidilata. Dva enzima s različitim specifičnostima recikliraju purinske baze. Adenin fosforiboziltransferaza katalizira stvaranje adenilata:
Adenin + PRPP -------------> adenilat + PPi,
dok hipoksantin-guanin fosforiboziltransferaza (HGPRT) katalizira stvaranje gvanilata kao i inozinata (inozin monofosfat, IMP), prekursora gvanilata i adenilata:
Guanin + PRPP ------------> gvanilat + PPi ;
Hipoksantin + PRPP ---------------> inozinat + PPi.
Slični putovi spašavanja postoje za pirimidine. Pirimidinska fosforibozil transferaza ponovno će povezati uracil (ali ne i citozin) za PRPP.


De novo biosinteza purina

De novo biosinteza purina također zahtjeva PRPP, ali za purine, PRPP predstavlja samo osnovu na kojoj se baze konstruiraju korak po korak. U početku se pirofosfat zamijenjuje amonijakom, kako bi nastao 5-fosforibozil-1-amin, s aminom u beta konfiguraciju. Glutamin fosforibozil amidotransferaza katalizira tu reakciju. Enzim se sastoji od dviju domena, jedne koja je homologna fosforiboziltransferazi iz puta spašavanja, dok druga stvara amonijak iz glutamina hidrolizom.
Devet dodatnih koraka potrebno je za stvaranje purinskog prstena, s napomenom da su prvih šest koraka analogne reakcije. Većinu koraka katazirila enzim s domenom za ATP, homologan enzimu za sintezu karbamoil fosfata. Svaki korak sastoji se od aktivacije atoma kisika vezanog na ugljik fosforilacijom, nakon čega slijedi zamjena fosforilne grupe amonijakom ili amino grupom koja djeluje kao nukleofil.


Lesch-Nyhan sindrom

Mutacije gena koji nose informacije za enzime u biosintetskom putu nukleotida mogu dovesti do smanjenja potrebne količine nukleotida, i nakupljanja intermedijera. Odsutnost hipoksantin-guaninfosforibozil transferaze ima neočekivane i katastrofalne posljedice. Nedostatak tog enzima, kao urođena greška metabolizma, eksprimira se kod novorođenčeta u obliku Lesch-Nyhan sindroma, kompulzivnog autodestruktivnog ponašanja. U dobi od 2 ili 3 godine, djeca s ovom bolesti počinju gristi svoje prste i usne, i potpuno ih izgrizu ako ih se ne obuzda. Ta su djeca također agresivna prema drugim osobama. Druge karakteristike Lesch-Nyhan sindroma su mentalna deficijencija i spastičnost. Povišene razine urata u serumu vode do stvaranja bubrežnih kamenaca rano u životu, nakon čega slijede simptomi gihta godinama poslije. Bolest se naslijeđuje recesivno.
Biokemijska obilježja nedostatka hipoksantin-guanin fosforibozil transferaze su povišena koncentracija PRPPa, povećana biosinteza purina de novo putem, i ekscesna proizvodnja urata. Odnos između odsutnosti transferaze i bizarnih neuroloških znakova još nije jasna. Specifične stanice u mozgu možda ovise o putu spašavanja pri sintezi IMPa i GMPa. Moguće je i da se stanice oštećuju nakupljanjem intermedijera u abnormalnim količinama. Sve u svemu, Lesch-Nyhan sindrom ukazuje na važnost puta spašavanja, te kako abnormalno ponašanje kao što je autodestruktivnost može nastati nedostatkom jednog jedinog enzima.

  Report Tekst



  • Recently Browsing   0 korisnika

    Ni jedan registrirani korisnik ne pregledava ovu stranicu