Биологическая химия - часть 117

действия. Образование ГМФ из ИМФ катализируют ИМФ-дегидрогеназа

и ГМФ-синтетаза, а образование АМФ из того же предшественника

катализируется последовательным действием аденилосукцинатсинтетазы

и аденилосукцинат-лиазы. Механизм двухэтапного синтеза АМФ и ГМФ

можно представить в виде химических реакций.

В ферментативном синтезе АМФ из ИМФ специфическое участие при-

нимает аспарагиновая кислота, являющаяся донором NH

2

-группы, и ГТФ

в качестве источника энергии; промежуточным продуктом реакции является

аденилоянтарная кислота. Биосинтез ГМФ, напротив, начинается с де-

гидрогеназной реакции ИМФ с образованием ксантозиловой кислоты;

в аминировании последней используется только амидный азот глутамина.

Превращение АМФ и ГМФ в соответствующие нуклеозидди- и нуклео-

зидтрифосфаты также протекает в 2 стадии при участии специфических

нуклеозидмонофосфат- и нуклеозиддифосфаткиназ *:

ГМФ

 + АТФ <=> ГДФ + АДФ;

ГДФ

 + АТФ

 <=> ГТФ + АДФ.

* Следует напомнить, что основным механизмом синтеза самого АТФ из АДФ и не-

органического фосфата в живых организмах является окислительное фосфорилирование (см.

главу 9).

473

НАД

+

Н

2

О-

НАДН + Н

+

ИМФ-

дегид-

роге-

наза

Инозиновая

нислота (ИМФ)

Ксантиловая кислота

АТФ

Мg

2+

ГМФ-

синтетаза

PP

i

 + АМФ

Глн

Глу

ГМФ

ГТФ

Мg

2+

Р

i

 + ГДФ

Асп

Аденилосунцинат-
синтетаза

Аденилоянтарная

кислота

Аденилосук-

цинатлиаза

Фумаровая

кислота

АМФ

Следует указать на существование в клетках весьма тонкого механизма

регуляции синтеза пуриновых нуклеотидов. Синтез их тормозится ко-

нечными продуктами по принципу обратной связи, т.е. ингибированием

первой стадии переноса аминогруппы глутамина на ФРПФ. Фермент,

катализирующий эту стадию, оказался аллостерическим регуляторным

ферментом. Вторая особенность механизма регуляции заключается в том,

что избыток ГМФ в клетках оказывает аллостерическое торможение только

на свой собственный синтез, не влияя на синтез АМФ, и, наоборот,

накопление АМФ подавляет свой синтез, не ингибируя синтеза ГМФ.

Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов

Механизм синтеза пиримидиновых нуклеотидов почти полностью рас-

шифрован благодаря исследованиям П. Рейхарда. Показано, что в клетках

животных и в микроорганизмах конечными продуктами синтеза также не

являются свободные пиримидиновые основания и остаток рибозы при-

соединяется к уже сформировавшемуся пиримидиновому кольцу. Синтез

начинается с элементарных уровней (СО

2

, NH

3

, аспартат), и специфическую

ключевую роль выполняет оротовая кислота.

Последовательность химических реакций синтеза пиримидиновых нук-

леотидов, в частности УМФ, можно представить в следующем виде:

Как видно, I стадия синтеза УМФ включает катализируемое цито-

плазматической карбамоилфосфатсинтетазой образование карбамоилфос-

фата из глутамина (см. главу 12).

474

ФРПФ

PP

i

Аденин

АМФ

Аденозин-

фосфорибозил-

трансфераза

Гипоксантин

ФРПФ

РР

i

ИМФ

Гуанин (гипоксантин)-

фосфорибозил-

трансфераза

Гуанин

ГМФ

ФРПФ

РР

i

Глн

Глу

Карбамоилфосфат

Аспартат

Аспартаткарбамоил-

трансфераза

N- карбамоиласпартат

Дигидрооротаза

Дигидрооротовая

кислота

Дигидрооротат-

дегидрогеназа

Оротовая кислота

Оротат-фосфо-

рибозилтранс-

фераза

Оротидин-5'-фосфат (ОМФ)

ОМФ-декарбоксилаза

Уридин-5'-фосфат (УМФ)

На II стадии карбамоилфосфат реагирует с аспартатом, в результате

чего образуется N-карбамоиласпарагиновая кислота. Последняя подвер-

гается циклизации (под действием дигидрооротазы) с отщеплением мо-

лекулы воды, при этом образуется дигидрооротовая кислота, которая,

подвергаясь дегидрированию, превращается в оротовую кислоту. В этой

реакции участвует специфический НАД-содержащий фермент дигидро-

оротатдегидрогеназа. Оротовая кислота обратимо реагирует с ФРПФ,

являющимся донатором рибозо-фосфата, с образованием оротидин-5'-фос-

фата (ОМФ). Декарбоксилирование последнего приводит к образованию

первого пиримидинового нуклеотида – уридин-5-фосфата (УМФ).

Превращение УМФ в УДФ и УТФ осуществляется, как и пуриновых

нуклеотидов, путем фосфотрансферазных реакций:

УМФ

 + АТФ

 <=> УДФ + АДФ;

УДФ

 + АТФ

 <=> УТФ + АДФ .

Биосинтез цитидиловых нуклеотидов. Предшественником цитидиловых

нуклеотидов является УТФ, который превращается в ЦТФ:

У прокариот в этой реакции используется преимущественно свободный

аммиак, в то время как в клетках животных ЦТФ-синтетаза катализирует

включение амидной группы глутамина в 4-е положение пиримидинового

кольца УТФ. Следует отметить, что образующийся ЦТФ служит от-

рицательным эффектором регуляторного аллостерического фермента ас-

партаткарбамоилтрансферазы, ингибируя по типу обратной связи началь-

ную стадию биосинтеза пиридиновых нуклеотидов. АТФ предотвращает

это ингибирование.

Биосинтез тимидиловых нуклеотидов. Тимидиловые нуклеотиды входят

в состав ДНК, содержащей дезоксирибозу. Поэтому сначала рассмотрим

механизмы синтеза дезоксирибонуклеотидов. При помощи метода меченых

атомов было показано, что этот синтез начинается не со свободной

дезоксирибозы, а путем прямого восстановления рибонуклеотидов у 2'-го

атома углерода. При инкубации меченых предшественников (рибонуклео-

тидов) в бесклеточной системе бактерий метку обнаружили в составе

дезоксирибонуклеотидов. По данным П. Рейхарда, у Е. coli все 4 рибо-

нуклеозиддифосфата восстанавливаются в соответствующие дезоксиана-

логи: dАДФ, dГДФ, dЦДФ, dУДФ – при участии сложной ферментной

системы, состоящей по меньшей мере из четырех разных ферментов.

Химический смысл превращения рибонуклеотидов в дезоксирибо-

нуклеотиды сводится к элементарному акту – восстановлению рибозы в

2-дезоксирибозу, требующему наличия двух атомов водорода. Непосред-

ственным источником последних оказался восстановленный термостабиль-

ный белок тиоредоксин, содержащий две свободные SH-группы на 108

аминокислотных остатков. Тиоредоксин легко окисляется, превращаясь

в дисульфидную S-S-форму. Для его восстановления в системе имеется

специфический ФАД-содержащий фермент тиоредоксинредуктаза (мол.

масса 68000), требующая наличия восстановленного НАДФН. Обозначив

475

УТФ

 + Глн + АТФ

Мg

2+

ЦТФ-синтетаза

ЦТФ

 + Глу + АДФ + Р

i

.

условно рибонуклеозиддифосфат РДФ, образование дезоксирибонуклео-

тидов можно представить следующим образом:

Тиоредоксин-(SН)

2

 + РДФ –> Тиоредоксин-S

2

 + dРДФ

Рибонуклеозиддифосфатредуктаза

Тиоредоксин-S

2

 + НАДФН + Н

+

 –

> Тиоредоксин-(SН)

2

 + НАДФ

+

Тиоредоксинредуктаза

Обе стадии могут быть представлены в виде схемы:

Для синтеза тимидиловых нуклеотидов, помимо дезоксирибозы, тре-

буется также метилированное производное урацила – тимин. Оказалось, что

в клетках имеется особый фермент тимидилатсинтаза, катализирующая

метилирование не свободного урацила, а dУМФ; реакция протекает по

уравнению:

Донором метильной группы в тимидилатсинтазной реакции является

N

5

,N

10

-метилен-ТГФК, которая одновременно отдает и водородный про-

тон, поэтому одним из конечных продуктов реакции является не тетра-

гидро-, а дигидрофолиевая кислота (ДГФК). Последняя вновь восста-

навливается до ТГФК под действием НАДФН-зависимой дигидрофолат-

редуктазы. Из образовавшегося ТМФ путем фосфотрансферазных реакций

образуются dТДФ и dTТФ.

Регенерация N

5

,N

1 0

–СН

2

–ТГФК, собственно ее биосинтез, пред-

ставляет определенный интерес. Оказалось, что этот синтез требует участия

476

Рибонуклеозиддифосфат-

редуктаза

Тиоредоксин

РДФ

dPДФ

Тиоредоксин-

редуктаза

НАДФ

+

НАДФН+

 Н

+

Тиоредоксин

ТГФК

НАДФ

+

НАДФН + Н

+

N

5

,N

10

—CН

2

—ТГФК

ДГФК

Тимидилатсинтаза

dУМФ

dТМФ