6.6: נוקלאוטידים

מקור: BiochemFFA_6_6.pdf. ספר הלימוד כולו זמין בחינם מהמחברים בכתובת http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

פונקציות מגוונות של נוקלאוטידים

נוקלאוטידים נחשבים לרוב כאבני הבניין של חומצות הגרעין, ה- DNA וה- RNA. למרות שזה, כמובן, תפקיד חיוני, נוקלאוטידים ממלאים גם תפקידים חשובים אחרים בתאים. ריבונוקלאוזיד טריפוספטים כמו ATP, CTP, GTP ו-UTP נחוצים, לא רק לסינתזה של RNA, אלא כחלק מתוצרי ביניים מופעלים כמו UDP-גלוקוז במסלולים ביו-סינתטיים. ATP הוא גם "מטבע האנרגיה" האוניברסלי של התאים, וצימוד של תגובות שליליות מבחינה אנרגטית עם הידרוליזה של ATP מאפשר את התגובות הרבות בתאים שלנו הדורשות קלט אנרגיה. נוקלאוטידים של אדנין משמשים כמרכיבים של NAD (P) + ו- FAD. נוקלאוטידים יכולים לשמש גם כמווסתים אלוסטריים ומטבוליים. מסלולי הסינתזה והפירוק של נוקלאוטידים והמולקולות הנגזרות מהם הם אפוא בעלי חשיבות חיונית לתאים. ויסות סינתזת הנוקלאוטידים, במיוחד עבור deoxyribonucleotides, חשוב כדי להבטיח שארבעת הנוקלאוטידים מיוצרים בפרופורציות הנכונות, שכן חוסר איזון בריכוזי הנוקלאוטידים יכול להוביל לעלייה בשיעורי המוטציות.

מסלולי חילוף החומרים של נוקלאוטידים מאורגנים בשתי קבוצות עיקריות ואחת מינורית. אלה כוללים, בהתאמה, מטבוליזם של 1) פורינים; 2) פירמידינים; ו 3) deoxyribonucleotides. ניתן לחלק כל קבוצה עוד יותר למסלולים היוצרים נוקלאוטידים ממבשרים פשוטים (מסלולי דה נובו) ואחרים המשתמשים בחתיכות נוקלאוטידים כדי להרכיב מחדש את המלאים (מסלולי הצלה). יש לציין כי מסלולי סינתזה דה נובו עבור כל הנוקלאוטידים מתחילים בסינתזה של ריבונוקלאוטידים. דאוקסיריבונוקלאוטידים עשויים מהריבונוקלאוטידים.

מטבוליזם של נוקלאוטיד פורין

סינתזה של נוקלאוטידים פורין על ידי מסלול דה נובו מתחילה בתוספת פירופוספט לפחמן 1 של ריבוז-5-פוספט, ויוצר פוספוריבוסילפירופוספט (PRPP). התגובה מזורזת על ידי סינתטאז PRPP. חלקם מספרים את המסלול המטבולי של הפורין החל מהתגובה הבאה. לכן נתנו לתגובה זו את מספר האפס באיור 6.172.

בשלב הבא (תגובה 1 באיור 6.172), הפירופוספט מוחלף באמין מגלוטמין בתגובה המזרזת על ידי PRPP amidotransferase (PPAT). המוצר הוא 5-פוספוריבוסילאמין (5-PRA).

PPAT הוא אנזים רגולטורי חשוב לביוסינתזה של פורין. התוצרים הסופיים של המסלול, AMP ו-GMP מעכבים שניהם את האנזים ו-PRPP מפעיל אותו. מעניין שעיכוב מלא של האנזים דורש קישור של AMP ו- GMP כאחד.

קשירה של רק אחד משני הנוקלאוטידים מאפשרת לאנזים להישאר פעיל חלקית כך שניתן יהיה לסנתז את הנוקלאוטיד החסר. באמצעות אנזים זה נשלטות הכמויות היחסיות של ATP ו- GTP.

5-PRA מאוד לא יציב מבחינה כימית (מחצית חיים של 38 שניות ב-37 מעלות צלזיוס), ולכן הוצע שהוא מועבר ישירות מ-PRPP amidotransferase לסינתטאז GAR לתגובה הבאה.

בתגובה זו (#2), גליצין מתווסף למבנה הגדל מעל הריבוז-5-פוספט ליצירת גליצינאמיד ריבונוקלאוטיד (GAR). תגובה זו, הדורשת ATP, מזורזת, כאמור, על ידי האנזים GAR synthetase.

בתגובה #3, קבוצת פורמיל מועברת אל ה- GAR מ- N10-פורמיל-טטרהידרופולאט (נ10-פורמיל-THF או FTHF) על ידי פוספוריבוסילגליצינאמיד פורמילטרנספראז (GART).

לאחר מכן, החמצן המחובר הכפול בטבעת מוחלף באמין בתגובה המזרזת על ידי פוספוריבוסילפורמילגליצינאמידין סינתאז (PFAS) המשתמש בגלוטמין ומייצר גלוטמט. התגובה דורשת אנרגיה מ- ATP (החלק העליון של העמודה הבאה).

בבני אדם סינתטאז GAR, פוספוריבוסילגליצינאמיד פורמילטרנספראז והאנזים המזרז את התגובה הבאה (#5), פעילויות AIR סינתטאז כולן על אותו חלבון המכונה חלבון ביו-סינתטי פורין טריפונקציונאלי אדנוזין-3.

בתגובה #6 מתרחשת קרבוקסילציה של AIR, המזרזת על ידי פוספוריבוסילמינואימידאזול קרבוקסילאז (PAIC)

לאחר מכן מתווספת חומצה אספרטית כדי לתרום את קבוצת האמינים שלה ופומרט יאבד בתגובה שלאחר מכן. האנזים המעורב כאן הוא פוספוריבוסיל-אמינואימידאזול-סוקסינו-קרבוקסמיד סינתאז (PAICS)

בתגובה הבאה, מעטפת הפחמן של אספרטט משתחררת (כמו fumarate) והאמין נשאר מאחור. התגובה מזורזת על ידי ליאז אדנילוסוקסינאט (ADSL).

תגובה #9 כרוכה בתגובת פורמילציה נוספת, המזרזת על ידי פוספוריבוסילאמינואימידאזולקרבוקסמיד פורמילטרנספראז (ATIC-E1).

לאחר מכן, inosine monophosphate synthase (ATIC-E2) מזרז שחרור מים ליצירת המולקולה הראשונה המסווגת כפורין - מונופוספט אינוסין או IMP).

למרות שהוא אינו מופיע ב- DNA, IMP אכן מתרחש באנטיקודון של tRNA רבים, כאשר יכולתו להזדווג עם בסיסים רבים היא בעלת ערך בקריאת הקוד הגנטי.

IMP היא נקודת הסתעפות בין מסלולים המובילים ל-GMP או AMP. המסלול ל-GMP ממשיך באמצעות קטליזה על ידי IMP dehydrogenase כדלקמן:

בשלב האחרון של סינתזת GMP, סינתאז GMP מזרז טרנסמינציה ליצירת GMP באמצעות אנרגיה מ-ATP.

מקור האנרגיה שהוא ATP הגיוני, מכיוון שהתא כנראה מייצר GMP מכיוון שהוא זקוק לנוקלאוטידים של גואנין. אם התא נמוך בנוקלאוטידים של גואנין, GTP יהיה במחסור.

סינתזת נוקלאוטיד אדנין

סינתזה של AMP מ- IMP כדלקמן. ראשית, סינתטאז אדנילוסוקסינאט מזרז את הוספת האספרטט ל- IMP, תוך שימוש באנרגיה מ- GTP.

לאחר מכן, ליאז אדנילוסוקסינאט מפצל את הפומרט כדי להניב AMP.

בבני אדם, חלבון הביוסינתזה הדו-פונקציונלי של פורין המכונה PURH מכיל פעילויות של שני האנזימים האחרונים לעיל.

קיצורים ששימשו לעיל

• PRPP = פוספוריבוסיל פירופוספט
• 5-PRA = 5-פוספוריבוסילאמין
• GAR = גליצינאמיד ריבונוקלאוטיד
• FGAR = פוספוריבוסיל-נ-פורמילגליצינאמיד
• THF = טטרהידרופולאט
• FTHF = נ10-פורמיל-טטרהידרופולאט
• FGAM = 5'-פוספוריבוסילפורמילגליצינאמידין
• AIR = ריבוטיד 5-אמינואימידאזול
• CAIR = 5'-פוספוריבוסיל-4-קרבוקסי-5-אמינואימידאזול
• SAICAR = פוספוריבוסילמינו-אימידאזולסוקינוקרבוקסמיד
• AICAR = 5-אמינואימידאזול-4-קרבוקסמיד ריבונוקלאוטיד
• FAICAR = ריבוטיד 5-פורממידאזול-4-קרבוקסמיד
• IMP = מונופוספט אינוסין

תקנה

כדאי לחזור על כך שסינתזה של GMP מ- IMP דורשת אנרגיה מ- ATP וכי סינתזה של AMP מ- IMP דורשת אנרגיה מ- GTP. בנוסף, האנזימים הממירים IMP לחומרי ביניים במסלולי AMP ו-GMP הם כל משוב מעוכב על ידי נוקלאוטיד המונופוספט המתאים. לפיכך, IMP dehydrogenase מעוכב על ידי GMP (תוצר סופי של ענף המסלול) וסינתטאז אדנילוסוקסינאט מעוכב על ידי AMP, התוצר הסופי של אותו ענף מסלול.

רמות נוקלאוטיד פורין מאוזנות על ידי ויסות משולב של אמידוטרנספראז PRPP, IMP דהידרוגנאז, סינתטאז אדנילוסוקסינאט והנוקלאוטידים AMP ו- GMP. החשיבות של התוכנית הרגולטורית של purines מודגמת על ידי שתי דוגמאות. ראשית דמיין שגם AMP וגם GMP נמצאים בשפע. כאשר זה קורה, PRPP amidotransferase יהיה מעוכב לחלוטין ולא תתרחש סינתזת פורין.

פעילות חלקית

רמות גבוהות של GMP ורמות נמוכות של AMP יגרמו לכך ש- PRPP amidotransferase יהיה פעיל מעט, בשל העובדה ש- GMP ימלא אתר אלוסטרי אחד, אך רמות AMP נמוכות פירושן שהאתר האלוסטרי השני ככל הנראה לא יתמלא. פעילות מופחתת (אך לא מעוכבת לחלוטין) זו של אמידוטרנספראז PRPP תאפשר ייצור מוגבל של 5-PRA ושאר תוצרי הביניים במסלול, כך שהוא יישאר פעיל.

בענף IMP, לעומת זאת, הרמות הגבוהות של GMP יעכבו את IMP dehydrogenase, ובכך יכבו את הענף הזה ויאפשרו להעביר את כל חומרי הביניים לייצור AMP. כאשר רמת ה-AMP עולה מספיק גבוה, AMP נקשר ל-PRPP amidotransferase ויחד עם GMP, מכבה את האנזים. היפוך יתרחש אם רמות ה- AMP גבוהות, אך רמות ה- GMP נמוכות.

איזון נכון

מוסדר בדרך זו, רמות AMP ו- GMP ניתן לשמור בטווח ריכוז צר למדי. איזון נכון של רמות הנוקלאוטידים בתאים הוא קריטי. סביר להניח מסיבה זו שלתאים יש בקרות רבות על כמות כל נוקלאוטיד שנוצר.

מנגנונים אחרים

לתאים יש שתי דרכים נוספות לאזן נוקלאוטידים GMP ו-AMP. ראשית, האנזים GMP רדוקטאז ימיר GMP בחזרה ל-IMP באמצעות אלקטרונים מ-NADPH.

לאחר מכן ניתן להפוך את ה- IMP ל- AMP אם ריכוזו נמוך. שנית, ניתן להמיר AMP בחזרה ל- IMP על ידי האנזים AMP deaminase. במקרה זה, ניתן להפוך את ה- IMP ל- GMP.

חשוב לשמור על פרופורציות מתאימות של הנוקלאוטידים השונים. עודף או מחסור של כל נוקלאוטיד של כל נוקלאוטיד יכול לגרום לנטייה מוגברת למוטציה.

כדי להמיר AMP ל-ATP ו-GMP ל-GTP נדרשת פעולה של אנזימי קינאז. לכל צורת נוקלאוטיד מונופוספט יש נוקלאוזיד מונופוספט קינאז ספציפי משלה. עבור נוקלאוטידים המכילים אדנין (צורות ריבוז וצורות deoxyribose), אדנילט קינאז מזרז את התגובה הרלוונטית.

תגובת האדנילט קינאז הפיכה ומשמשת ליצירת ATP כאשר ריכוז ה- ATP של התא נמוך. כאשר ATP עשוי מ-2 ADPs בדרך זו, רמות ה-AMP עולות וזו אחת הדרכים שבהן התא חש שהוא דל באנרגיה.

למונופוספטים של גואנוסין יש גם קינאז משלהם וזה מזרז את התגובה בראש העמוד הבא.

קינאזות מונופוספט אחרות עבור UMP ו- CMP משתמשות ב- ATP באופן דומה.

במעבר מצורת הדיפוספט לצורת הטריפוספט, התמונה פשוטה - אנזים אחד מזרז את התגובה לכל הדיפוספטים (צורות ריבוז ודאוקסיריבוז). זה ידוע בשם נוקלאוזיד דיפוספט קינאז או (נפוץ יותר) NDK או NDPK והוא מזרז תגובות של הצורה

כאשר X ו- Y מתייחסים לכל בסיס.

תגובות הצלה של פורין

לא כל הנוקלאוטידים בתא עשויים מאפס. החלופות לסינתזות דה נובו הן מסלולי הצלה. תגובות הצלה ליצירת נוקלאוטידים של פורין מתחילות בהתקשרות של ריבוז לבסיסי פורין באמצעות פוספוריבוסילפירופוספט (PRPP).

האנזים המזרז תגובה זו ידוע בשם היפוקסנטין/גואנין פוספוריבוסילטרנספראז (HGPRT - איור 6.175) ומעניין מנקודת מבט אנזימולוגית כמו גם רפואית. ראשית, האנזים מסוגל לזרז את שתי תגובות ההצלה החשובות הבאות - המרת היפוקסנטין ל- IMP או גואנין ל- GMP.

HGPRT מסוגל לקשור מגוון מצעים באתר הפעיל שלו ואף נראה שהוא קושר מצעים לא טבעיים, כגון acyclovir עדיף על פני הטבעיים שלו.

נקודת מבט רפואית

מנקודת מבט רפואית, ירידה ברמות ה- HGPRT מובילה להיפרוריקמיה, מצב בו ריכוז חומצת השתן עולה בגוף. חוסר מוחלט ב- HGPRT קשור לתסמונת Lesch-Nyhan, מחלה נדירה, תורשתית בריכוז חומצת שתן גבוהה בכל הגוף קשורה להפרעות נוירולוגיות נלוות קשות.

ייצור מופחת של HGPRT מתרחש לעתים קרובות אצל גברים ויש לו תוצאה קטנה יותר (גאוט) מאשר היעדר מוחלט. מעניין לציין כי גאוט נקשר לירידה בסבירות לחלות בטרשת נפוצה, דבר המצביע על כך שחומצת שתן עשויה לסייע במניעה או בשיפור המחלה.

ביטוי של HGPRT מגורה על ידי HIF-1, גורם שעתוק שנעשה ברקמות כאשר החמצן מגביל, דבר המצביע על תפקיד של HGPRT בתנאים אלה.

הצלת אדנין

האנזים המכונה אדנין פוספוריבוסילטרנספראז (APRT) מזרז את התגובה המתאימה ל- HGPRT להצלת בסיסי אדנין.

מטבוליזם של נוקלאוטיד פירמידין

למסלול דה נובו לסינתזה של נוקלאוטידים פירמידין יש בערך אותו מספר תגובות כמו מסלול הפורין, אך יש לו גם אסטרטגיה שונה. בעוד שהפורינים סונתזו מחוברים לסוכר הריבוז, בסיסי הפירימידין עשויים מלבד הריבוז ואז מחוברים מאוחר יותר.

התגובה הראשונה מזורזת על ידי סינתטאז קרבמויל פוספט (איור 6.176).

שתי צורות שונות נמצאות בתאים אוקריוטיים. טופס I נמצא במיטוכונדריה וצורה II נמצאת בציטופלזמה.

התגובה המזרזת על ידי סינתטאז קרבמויל פוספט היא השלב המגביל את הקצב בביוסינתזה של פירמידין ומתאימה לתגובה 1 באיור 6.178.

איזון

האנזים מופעל על ידי ATP ו- PRPP והוא מעוכב על ידי UMP. זה עוזר לאזן את ריכוזי הפירימידין לעומת פורין. ריכוזים גבוהים של פורין (ATP) מפעילים את הסינתזה של פירמידינים. PRPP עולה בריכוז ככל שריכוז הפורין עולה, כך שגם זה עוזר לבסס את האיזון הזה. UMP הוא תוצר סופי של חילוף החומרים בפירימידין, ולכן התהליך מגביל את עצמו. האנזים הבא במסלול, אספרטט טרנסקרבמוילאז (ATCase) ממלא גם הוא תפקיד באותו איזון, כפי שנראה. התגובה שהוא מזרז מוצגת להלן והיא תגובה 2 באיור 6.178.

ATCase הוא אנזים קלאסי המציג ויסות אלוסטרי ועיכוב משוב, בעל אפקטורים הומוטרופיים והטרוטרופיים כאחד (איור 6.179 וראה כאן). עם 12 יחידות משנה (6 יחידות רגולטוריות ו -6 יחידות קטליטיות), האנזים קיים בשני מצבים - מצב T בעל פעילות נמוכה ומצב R בעל פעילות גבוהה. קישור מצע האספרטט לאתר הפעיל מעביר את שיווי המשקל לטובת מצב R.

אספרטט הוא אפקטור הומוטרופי של האנזים, מכיוון שהוא פועל באופן אלוסטרי על האנזים ומהווה מצע גם עבורו. באופן דומה, קשירת ATP ליחידות הרגולטוריות מעדיפה את מצב ה- R, ואילו קשירה של CTP ליחידות הרגולטוריות מעדיפה את מצב ה- T. ATP ו- CTP הם אפקטורים הטרוטרופיים של האנזים מכיוון שהם אינם מצעים עבורו, אלא פועלים באופן אלוסטרי.

תקנה

כפי שנראה באנזים הראשון של המסלול, ריכוז גבוה של נוקלאוטידים פורין ממריץ סינתזה של פירמידינים וריכוז גבוה של פירמידינים מכבה את המסלול שמסנתז אותם.

דיהידרואורוטאז מזרז את התגובה 3 ונמצא בציטופלזמה, וכך גם ATCase.

תגובה 4 מתרחשת במיטוכונדריון, ולכן יש להעביר את התוצר של תגובה 3, דיהידרורוטט, לתוך המיטוכונדריון מהציטופלזמה. בתגובה 4, דיהידרורוטט מתחמצן לאורוטט. האנזים המזרז את התגובה הוא דיהידרורוטאט דהידרוגנאז.

תגובה #5, המזרזת על ידי אורוטאט פוספוריבוסיל טרנספראז, כרוכה בחיבור של אורוטט לריבוז כדי להניב נוקלאוטיד - אורוטידין-5'-מונופוספט (OMP).

לבסוף, OMP מומר לאורידין-5'-מונופוספט (UMP) על ידי פעולה של אנזים מרתק המכונה OMP decarboxylase.

OMP decarboxylase מצוטט לעתים קרובות כדוגמה ליכולת המדהימה של אנזים להאיץ תגובה. הדקרבוקסילציה של OMP, אם מותר להמשיך בהיעדר אנזים אורכת כ -78 מיליון שנים. בנוכחות דקרבוקסילאז OMP, התגובה מתרחשת תוך 18 אלפיות השנייה, עלייה במהירות של כ -1017. למרבה הפלא, האנזים משיג זאת ללא כל קופקטורים או קו-אנזימים מכל סוג שהוא.

מנגנון הפעולה של האנזים מוצג באיור 6.180. אצל יונקים, הפעילות של OMP דקרבוקסילאז ואורוטאט פוספוריבוסיל טרנספראז כלולה על אותו חלבון.

מונופוספט קינאז (UMP/CMP קינאז) מזרז המרה של UMP ל- UDP.

אותו אנזים גם יזרחן CMP ל-CDP ו-dCMP ל-dCDP. בדומה לתגובה של אדנילט קינאז, התגובה שלמעלה, כאשר היא פועלת בכיוון ההפוך, יכולה להוות מקור ל- ATP כאשר התא דל באנרגיה.

השלב הבא, המזרז על ידי NDPK, משתמש באנרגיה של כל נוקלאוטיד טריפוספט (XTP) כדי לייצר UTP מ- UDP.

סינתאז CTP

UTP הוא המצע לסינתזה של CTP באמצעות קטליזה על ידי סינתאז CTP.

אנזים זה מעוכב על ידי המוצר שלו, ומבטיח שיותר מדי CTP לא נוצר ומופעל על ידי ריכוזים פיזיולוגיים של ATP, GTP וגלוטמין. הוכח כי איזוזים אנושי אחד, CTPS 1, מושבת על ידי זרחון על ידי גליקוגן סינתאז קינאז 3.

לסינתאז CTP יש שני תחומים והוא הטרודימר (איור 6.183). הוא קיים כמונומר לא פעיל בריכוזי אנזים נמוכים או בהיעדר UTP ו- ATP. תחום אחד של האנזים מבקע את קבוצת האמין מגלוטמין ומעביר אותה פנימית ל- UTP. התחום השני (תחום סינתאז) קושר ATP ויוזם את המנגנון המוצג באיור 6.184 להכנת CTP.

CTP הוא הנוקלאוטיד היחיד המסונתז דה נובו ישירות כטריפוספט, מכיוון שהוא נובע ישירות מ- UTP. מכיוון ש-deoxyribonucleotides עשויים מדיפוספטים של ריבונוקלאוזיד, המשמעות היא שנוקלאוטידים של deoxycytidine חייבים להיעשות באופן מועדף מנוקלאוטידים הצלה או שיש לדה-פוספורילציה של CTP תחילה.

אנזים אחד שיכול לעשות זאת הוא אנזים הקשור לממברנה המכונה apyrase, אשר ממיר ברצף CTP ל- CDP ולאחר מכן CMP.

תגובות הצלה של פירמידין

סינתזת הצלה של פירמידין מאפשרת לתאים ליצור מחדש נוקלאוטידים של פירימידין טריפוספט החל מבסיסי C או U פירמידין, נוקלאוזידים או נוקלאוטידים. איורים 1.85 & 6.186 מתארים תגובות מסלול הצלה. כפי שעולה באיור 1.86, ישנן מספר דרכים לייצר את אותן מולקולות. לדוגמה, ניתן להפוך אורציל לאורידין על ידי תגובה 11 או על ידי תגובה 12.

האיור מתאר לא רק את הסינתזה של CTP ו- UTP ממרכיבים בסיסיים, אלא גם מראה כיצד ניתן לפרק את הנוקלאוטידים הללו לחתיכות קטנות יותר.

במקרים רבים, אותו אנזים פועל על מולקולות ציטידין, אורידין ודוקסיציטידין.

אנזימים של הערה

ישנם מספר אנזימים בעלי ערך במסלול ההצלה. שבעה אנזימים, למשל, עובדים הן על אורציל והן על ציטוסין המכילים נוקלאוזידים/נוקלאוטידים. אלה כוללים פוספטאז NTP (תגובה 2), NDPK (תגובה 3), אפיראז (תגובה 4), פוספטאז NDP (תגובה 5), UMP/CMP קינאז (תגובה 6), נוקלאוטידאז 5 'ספציפי לפירימידין (תגובה 7), ואורידין/ציטידין קינאז (תגובה 8). האנזימים לתגובות 6 ו-8 יכולים גם להשתמש בדאוקסיריבונוקלאוזידים/דאוקסיריבונוקלאוטידים כמצעים.

ציטידין דימינאז (תגובה #9) ממיר ציטידין לאורידין על ידי הסרת קבוצת אמין מבסיס הציטוסין ובכך מהווה מונה לתגובת UTP ל- CTP המזרזת על ידי סינתטאז CTP. תגובות מנוגדות מאפשרות לתאים לאזן ריכוזים של נוקלאוזידים/נוקלאוטידים לשני הכיוונים אם הם צריכים לצאת מאיזון.

ראוי להזכיר שתי תגובות נוספות באיור. הן UTP והן CTP מומרים בתהליך הפירוק ל- UMP ו- CMP, בהתאמה. שתי התגובות הללו חשובות למטבוליזם של deoxyribonucleotide. בכל מקרה, נגזרות המונופוספט עוברות זרחון, ויוצרות נגזרות דיפוספט (UDP ו-CDP) שהן מצעים עבור RNR המניבים dUDP ו-dCDP, בהתאמה. dUDP עובר זרחון ל-dUTP ואז פירופוספט מוסר על ידי dUTPase כדי להניב dUMP. dumP הוא מצע לסינתזת תימידין (ראה כאן). dCDP מומר ל-dCTP על ידי NDPK

מטבוליזם של דאוקסיריבונוקלאוטיד

Deoxyribonucleotides, אבני הבניין של ה- DNA, מיוצרים כמעט אך ורק מדיפוספטים של ריבונוקלאוזיד. אנזים יחיד הנקרא ריבונוקלאוטיד רדוקטאז (RNR) אחראי להמרה של כל אחד מאלה לצורת דאוקסי (איור 6.187). המצעים של האנזים הם דיפוספטים של ריבונוקלאוזיד (ADP, GDP, CDP או UDP) והמוצרים הם דיפוספטים של דיאוקסיריבונוקלאוזיד (DadP, dGDP, dCDP או dUDP). נוקלאוטידים של תימידין מסונתזים מ- DuDP.

ל- RNR שני זוגות של שתי יחידות משנה זהות - R1 (יחידת משנה גדולה) ו- R2 (יחידת משנה קטנה). ל- R1 שני אתרי קישור אלוסטריים ואתר קטליטי. R2 יוצר רדיקל טירוסין הדרוש למנגנון התגובה של האנזים.

ישנם שלושה סוגים של אנזימי RNR והם נבדלים באופי או באמצעים ליצירת רדיקל המשמש במנגנון הקטליטי של האנזים. RNRs Class I נמצאים באיקריוטים, eubacteria, בקטריופאגים ווירוסים. כולם משתמשים במרכז ברזל ברזלי שמאבד אלקטרון (המרה לברזל ברזל) כדי ליצור רדיקל חופשי על טבעת טירוסין. אנזימים אלה פועלים רק בתנאים אירוביים.

RNRs Class II משתמשים ב-5'-deoxyadenosyl cobalamin (ויטמין B12) כדי ליצור רדיקל ולעבוד בתנאים אירוביים או אנאירוביים. הם נמצאים באובקטריה, ארכבקטריה ובקטריופאגים. RNRs Class III יוצרים רדיקל גליצין באמצעות S-adenosyl מתיונין (SAM) ומרכז ברזל-גופרית. הם פועלים בתנאים אנאירוביים ומשמשים ארכבקטריה, אובקטריה ובקטריופאגים. מצעים לאנזימים מסוג I הם דיפוספטים של ריבונוקלאוזיד. אנזימים מסוג II עובדים על דיפוספטים של ריבונוקלאוזיד או טריפוספטים של ריבונוקלאוזיד. אנזימים מסוג III עובדים על טריפוספטים של ריבונוקלאוזיד.

באנזימים מסוג I, RNR הוא אנזים דימרי תלוי ברזל כאשר כל יחידה מונומרית מכילה תת-יחידה גדולה (המכונה α או R1) ויחידת משנה קטנה (המכונה β או R2). יחידת המשנה R1 מכילה אתרי קישור רגולטוריים לאפקטורים אלוסטריים (ראה להלן), ואילו יחידת המשנה R2 מכילה שאריות טירוסין היוצרות רדיקל קריטי למנגנון התגובה של האנזים. אלקטרונים הדרושים בתגובה מועברים מ- NADPH לאנזים באחד משני מסלולים, ומפחיתים קשר דיסולפיד באנזים לשני סולפידרילים. במנגנון ההעברה הראשון, NADPH מעביר אלקטרונים לגלוטתיון, המעביר אותם לגלוטרדוקסין, אשר תורם אותם לאחר מכן לאנזים RNR המשמש בתגובה. במנגנון השני, NADPH מעביר אלקטרונים ל- FAD, המשתמש בהם כדי להפחית את התיורדוקסין, אשר לאחר מכן מעביר את האלקטרונים ל- RNR עם אותה תוצאה סופית כמו במסלול הראשון - הפחתה של suflhydryl ב- RNR.

במנגנון התגובה (איור 6.188), יש להקצין שרשרת צד של טירוסין ביחידת R2 כדי להתחיל. שינוי אלקטרוני זה מועבר דרך יחידת המשנה R2 הקטנה לאתר הפעיל של יחידת המשנה R1 הגדולה. מספר שרשראות צד של חומצות אמינו ארומטיות נחשבות למלא תפקיד בתהליך זה. אטומי ברזל ביחידת המשנה R2 מסייעים ביצירה וייצוב של הרדיקל. רדיקל הטירוסין מכיל אלקטרון לא מזווג שממוקד על פני הטבעת הארומטית שלו.

העברת חוסר היציבות האלקטרונית ליחידת R1 גורמת להקצנה של ציסטאין (ליצירת רדיקל תאיל) באתר הפעיל. רדיקל התאיל, שנוצר כך, מפשט אטום מימן (פרוטון פלוס אלקטרון) מפחמן 3 של ריבוז על דיפוספט ריבונוקלאוזיד הקשור, ויוצר אטום פחמן רדיקלי. הקצנה של פחמן #3 מעדיפה שחרור של קבוצת הידרוקסיל על פחמן #2 כמים. הפרוטון הנוסף מגיע מהסולפהידריל של הציסטאין של האנזים. בשלב הבא של התהליך, פרוטון ושני אלקטרונים מאותו ציסטאין מועברים לפחמן #2 ואז פחמן #3 לוקח בחזרה את הפרוטון שהוסר ממנו במקור כדי להניב דיפוספט deoxyribonucleoside. קבוצת התאיל של האנזים צוברת אלקטרון מ- R2 ואת הקשר הדיסולפיד שנוצר בתגובה יש להפחית שוב על ידי אלקטרונים מ- NADPH על מנת לזרז שוב.

תקנה

בנוסף למנגנון התגובה החריג של RNR, לאנזים יש גם מערכת ויסות מורכבת, עם שתי קבוצות של אתרי קישור אלוסטריים, שניהם נמצאים ביחידת המשנה R1. מכיוון שאנזים בודד, RNR, אחראי לסינתזה של כל ארבעת הדאוקסיריבונוקלאוטידים, יש צורך במנגנונים כדי להבטיח שהאנזים מייצר את הכמות הנכונה של כל dNDP. זהו שיקול קריטי, שכן חוסר איזון במבשרי DNA יכול להוביל למוטציה.

כתוצאה מכך, האנזים חייב להיות מגיב לרמות של כל deoxyribonucleotide, לייצר באופן סלקטיבי יותר מאלה שיש מחסור, ולמנוע סינתזה נוספת של אלה שיש בשפע. דרישות אלו נענות על ידי קיום שני מנגנוני בקרה נפרדים על האנזים - אחד שקובע על איזה מצע יפעל, ואחר השולט בפעילות האנזים.

שני אתרים אלוסטריים

RNR מווסת באופן אלוסטרי באמצעות שני אתרי קישור מולקולריים - אתר מחייב ספציפיות (קושר dNTPs וגורם לשינויים מבניים באנזים הקובע אילו מצעים נקשרים באופן מועדף באתר הקטליטי ובאתר בקרת פעילות (שולט אם האנזים פעיל או לא). אתר בקרת הפעילות מתפקד כמו מתג הפעלה/כיבוי פשוט - ATP מפעיל קטליזה, DatP משבית אותו. (קבוצת משנה אחת של אנזימים מסוג I, לעומת זאת, אינה מושפעת מ- DatP.)

השבתת RNR על ידי DatP היא גורם חשוב במחלה המכונה מחלת כשל חיסוני משולב חמור (SCID). ב- SCID, אנזים ההצלה אדנוסין דמינאז לוקה בחסר, מה שמוביל לעלייה בריכוז ה- dATP בתאי מערכת החיסון. dATP מכבה את ה- RNR בתאים אלה, ובכך עוצר את התפשטותם ומשאיר את האדם הפגוע עם מערכת חיסון חלשה מאוד או ללא מערכת חיסון.

אפקטורים אלוסטריים

כאשר dTTP נמצא בשפע (איור 6.189), הוא נקשר לאתר הספציפיות של RNR ומעכב קישור והפחתה של CDP ו- UDP אך מעורר קישור והפחתת התוצר באתר הפעיל של האנזים. לעומת זאת, קישור של ATP או dATP באתר הספציפיות מעורר קישור והפחתה של CDP ו- UDP באתר הפעיל. לבסוף, קישור dGTP לאתר הספציפיות (אתר הספציפיות B) גורם לקשירה והפחתה של ADP באתר הפעיל.

התלמידים מבלבלים לפעמים את האתר הפעיל של RNR עם אתר בקרת הפעילות (המכונה לפעמים אתר הפעילות). האתר הפעיל הוא המקום שבו התגובה מזורזת, וניתן לקרוא לה טוב יותר האתר הקטליטי, בעוד שאתר הפעילות הוא אתר קישור אלוסטרי ל- ATP או dATP השולט אם האנזים פעיל. רמות גבוהות של DatP הן אינדיקטור לכך שמספיק dNTPs זמינים, כך שהאנזים מתעכב כדי להפסיק ייצור של יותר. רמות נמוכות של DatP מאפשרות קישור של ATP והפעלת האנזים.

בנוסף לוויסות על ידי דאוקסיריבונוקלאוטידים ו-ATP, RNR יכול להיות מעוכב ישירות על ידי הידרוקסיאוריאה.

סינתזת DtTP

סינתזה של dTTP על ידי מסלול דה נובו כרוכה בתהליך רב-שלבי מ- UDP ל- dTTP. זה מתחיל ב- UDP, המומר ל- dUDP על ידי RNR. dUDP זרחני על ידי NDPK כדי להניב dUTP, שמתפרק במהירות על ידי dUTPase לייצור dUMP. שאר התגובות מוצגות באיור 6.190.

אנזימים חשובים במסלול כוללים dutPase וסינתטאז תימידילט. dutPase חשוב לשמירה על ריכוז dUTP נמוך כך שהוא לא יגיע ל- DNA. DNA פולימראז יכול להשתמש ב-dUTP בדיוק כפי שהוא עושה dTTP, ולשלב אותו בגדיל DNA, מול נוקלאוטידים אדנין.

Thymidylate synthetase חשוב מכיוון שהוא יעד (במישרין ובעקיפין) לטיפולים נגד סרטן. כפי שמוצג באיור 6.191, קבוצת מתיל מ-N5, N10-מתילן-טטרהידרופולאט (המכונה לעתים קרובות טטרהידרופולאט) נתרמת ל-dUMP, מה שהופך dTMP ודיהידרופולאט (DHF). מולקולות חומצה פולית נמצאות בכמויות מוגבלות בתאים ויש למחזר אותן, כי אם הן לא, אז התגובה ליצירת dTMP לא יכולה להתרחש. מיחזור של דיהידרופולט לטטרהידרופולאט מתרחש על ידי התגובה המוצגת באיור 6.192.

האנזים המעורב בהמרה של דיהידרופולאט לטטרהידרופולאט, דיהידרופולאט רדוקטאז (DHFR - איור 6.192), הוא יעד אחד של תרופות נגד סרטן מכיוון שעל ידי עצירת התחדשות הטטרהידרופולאט מדיהידרופולאט (אחרת מבוי סתום), אפשר להפסיק ייצור של נוקלאוטידים של תימידין וכתוצאה מכך לעצור את סינתזת ה-DNA, ובכך למנוע מתא סרטני להתחלק. מעכבים תחרותיים של DHFR כוללים מטוטרקסט (איור 6.194) או אמינופטרין. תאים מכילים חומצה פולית רבים לביצוע חילוף חומרים אחד של פחמן והמסלולים שבאמצעותם כולם ממוחזרים מוצגים באיור 6.193.

5-פלואורורציל

מעכב חשוב נוסף לסינתזת התימידין משמש לטיפול בסרטן. תרכובת זו, 5-פלואורורציל (איור 6.195 וסרט 6.3) היא מעכב התאבדות של סינתאז תימידילט.

סינתזת הצלה

מלבד סינתזה ממבשרים פשוטים, ניתן ליצור נוקלאוטידים גם מחתיכות של קיימים. זה רלוונטי במיוחד, מכיוון שצריכת מזון מציגה לגוף אוסף גדול של חלבונים, שומנים וחומצות גרעין שכולם ממוחזרים ביעילות רבה יותר מאשר מושפלים. עבור חלבונים, התהליך הוא פשוט. העיכול הופך אותם לאבני בניין מרכיבות (חומצות אמינו) ואלה מורכבים מחדש לחלבונים של האורגניזם הצורך באמצעות הקוד הגנטי.

נוקלאוטידים

המבנה הרב-רכיבי של נוקלאוטידים, אם כי (בסיס, סוכר, פוספט) פירושו שניתן לנצל מחדש חלקים מהם. פוספט ממוחזר פשוט על ידי כניסה למאגר הפוספט של התא. הוא בנוי בדרך כלל בחזרה לצורות טריפוספט (בסופו של דבר) על ידי זרחון חמצוני ופעולות קינאז. הצלת בסיסים שונה עבור פורינים ופירימידינים ונדונה בנפרד כאן וכאן.

קטבוליזם של נוקלאוטידים

מלבד הצלה והבנייה בחומצות גרעין, ניתן לפרק נוקלאוטידים גם למולקולות רכיבים פשוטות יותר. לחלק מהמולקולות הללו, כגון חומצת שתן, יכולה להיות השפעה משמעותית על אורגניזמים (ראה כאן).

קטבוליזם של פורין

פירוק נוקלאוטידים פורין מתחיל במונופוספטים נוקלאוזידים, אותם ניתן לייצר על ידי פירוק של RNA, למשל, על ידי נוקלאז (איור 6.196).

מטבוליזם של AMP ו- GMP מתכנסים בקסנטין. ראשית, AMP עובר דה-פוספורילציה על ידי נוקלאוטידאז ליצירת אדנוסין, אשר לאחר מכן מנוטרל על ידי אדנוסין דימינאז כדי להניב אינוסין. לחלופין, ניתן לנטרל AMP על ידי AMP deaminase כדי להניב IMP.

IMP הוא גם אמצעי ביניים במסלול הסינתזה לאנבוליזם של פורין. דה-פוספורילציה של IMP (גם על ידי נוקלאוטידאז) מניבה אינוסין. לאינוסין יש ריבוז שהופשט ממנו על ידי פעולה של פוספורילאז נוקלאוטיד פורין לשחרור היפוקסנטין. היפוקסנטין מתחמצן לקסנטין בתגובה המייצרת מי חמצן המזרזת על ידי קסנטין אוקסידאז.

קטבוליזם של GMP ממשיך באופן עצמאי, אם כי באופן דומה. ראשית, פוספט מוסר על ידי נוקלאוטידאז כדי להניב גואנוסין. גואנוסין מופשט מריבוז כדי להניב בסיס גואנין חופשי, אשר מנוטרל על ידי גואנין דימינאז (נקרא גם גואנאז) לייצור קסנטין.

קסנטין אוקסידאז נכנס לתמונה בפעם השנייה בתגובה הבאה המזרז תגובה שנייה על ידי מנגנון דומה לחמצון ההיפוקסנטין שתואר קודם לכן. זה מוצג בעמוד הבא.

חומצת שתן

חומצת שתן בעייתית בכמה אורגניזמים גבוהים יותר (כולל בני אדם) מכיוון שהיא אינה מסיסה במיוחד במים. כתוצאה מכך הוא יורד מהתמיסה ויוצר גבישים (איור 6.198). גבישים אלה יכולים להצטבר במפרקים ו (לעתים קרובות) בבוהן הגדולה. מצב כזה ידוע בשם גאוט.

מעניין, ייתכן שיש מתאם שלילי בין גאוט לבין טרשת נפוצה. השפעה מגנה זו עשויה לנבוע מההגנה נוגדת החמצון שמעניקה חומצת השתן. חומצת שתן היא צורת ההפרשה העיקרית של חנקן לציפורים. כלבי דלמציה גם מפרישים חומצת שתן במקום אוריאה ועלולים לסבול מכאבי פרקים כתוצאה ממצבים דמויי גאוט.

גאוט מטופל באנלוג היפוקסנטין המכונה אלופורינול (איור 6.199). זה מעכב פעולה של קסנטין אוקסידאז, המעדיף עלייה בריכוז ההיפוקסנטין. האחרון משמש בסינתזת הצלה לייצור פורינים נוספים.

חומצת שתן יכולה להיות מופרשת לשתן (בבני אדם) או לפרק אותה לאלנטואין על ידי האנזים אוריקאז. מכיוון שבני אדם חסרים את האנזים לייצור אלנטואין (אוריאה בבני אדם מיוצרת על ידי מחזור האוריאה), נוכחותו בגוף פירושה שהוא הופק באמצעים לא אנזימטיים. זה נחשב אינדיקטור ללחץ חמצוני, מכיוון שהוא אלנטואין מיוצר באופן לא אנזימטי על ידי חמצון של חומצת שתן.

קטבוליזם של פירימידין

קטבוליזם של נוקלאוטידים של אורידין ותימידין מוצג לעיל (איור 6.200). קטבוליזם של נוקלאוטידים ציטידין ממשיך דרך אורידין על ידי דימינציה של ציטוסין. הבסיסים החופשיים, תימין ואורציל, משתחררים על ידי האנזים ריבוזילפירימידין נוקלאוזידאז במסלול הרדוקטיבי, הפחתת אורציל ותימין על ידי NADPH נותנת דיהידרותימין ודיהידרוראציל בהתאמה. הוספת מים לאלה יוצרת 3-אורידואיזובוטיראט ו-3 אורידופרופיונאט בהתאמה. הידרוליזה של שני תוצרי הביניים הללו מניבה יון אמוניום ופחמן דו חמצני (שהופכים לאוריאה) בתוספת 3-aminoisobutyrate למסלול התימין ו-β-alanine לתוצר של מסלול האורציל. 3-aminoisobutyrate מיוצר במהלך פעילות גופנית ומפעיל ביטוי של גנים תרמוגניים בתאי שומן לבנים.

β-alanine הוא מבשר מגביל קצב של קרנוסין, דיפפטיד של היסטידין ו-β-אלנין (איור 6.201). קרנוסין מתפקד כנוגד חמצון המנקה מיני חמצן תגובתיים. הוא פועל גם כחומר נגד גליקציה למניעת התקשרות של מולקולות סוכר לחלבונים. אלה גורמים למחלות ניווניות ועשויים למלא תפקיד בהזדקנות.

סוכרים

אחרון חביב, ניתן למחזר את הסוכרים ריבוז והדאוקסיריבוז (ריבוז) או לקטלציה (ריבוז ודאוקסיריבוז). במקרה של ריבוז, ניתן לחבר אותו מחדש לבסיסים על ידי אנזימי פוספורילאז, כגון אורידין פוספורילאז, או להמיר אותו ל- PRPP לאותה מטרה, ליצירת נוקלאוזידים. ריבוז-5-פוספט הוא תוצר ביניים במסלול הפוספט הפנטוז, המאפשר להמיר אותו לסוכרים אחרים או לפרק אותו בגליקוליזה.

ניתן לפרק את דאוקסיריבוז-5-פוספט לשני חלקים על ידי אלדולאז דאוקסיריבוז-5-פוספט. התוצרים של תגובה זו הם גליצראלדהיד-3-פוספט ואצטאלדהיד. הראשון יכול להתחמצן בגליקוליזה וניתן להמיר את האחרון לאצטיל-CoA להמשך חילוף חומרים.