Презентация "Обмен пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов" – проект, доклад

Обмен нуклеотидов

Дисциплина: биохимия (С.2.Б.4) Специальность: 060101 лечебное дело НГМУ, кафедра медицинской химии Д.б.н., доцент Суменкова Дина Валерьевна

Лекция 15. Обмен пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов

Актуальность темы

Нуклеотиды и их производные выполняют многообразные функции в организме человека: участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, нуклеотидных коферментов (NAD, NADP, FAD, FMN), участвуют в образовании активных форм углеводов (УДФ-глюкоза), аминокислот (SAM), «энергетических молекул» (АТФ, ГТФ), участвуют в передаче сигнала гормонов в клетку (цАМФ, цГМФ). Нарушение процессов обмена нуклеотидов лежит в основе патогенеза некоторых заболеваний человека (подагра, мегалобластная анемия, иммунодефицитные состояния). В основе механизма действия ряда противовирусных и противоопухолевых препаратов лежит ингибирование процессов синтеза нуклеотидов.

План лекции

Образование фосфорибозилдифосфата (ФРДФ) – ключевой момент в синтезе нуклеотидов Синтез и катаболизм пуриновых нуклеотидов: ход процесса, регуляция, «запасные» пути синтеза. Нарушения обмена пуриновых нуклеотидов Синтез и катаболизм пиримидиновых нуклеотидов: ход процесса, регуляция, «запасные» пути синтеза. Нарушения обмена пиримидиновых нуклеотидов Образование дезоксирибонуклеотидов Синтез нуклеотидов – мишень действия лекарственных препаратов (задание для самостоятельной работы, см. слайд 34)

Цель лекции

Знать: Основные метаболические пути превращения пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов Использовать знания об обмене нуклеотидов для понимания механизмов возникновения заболеваний, связанных с нарушением их синтеза и катаболизма Использовать знания об обмене нуклеотидов для понимания механизма действия противоопухолевых и противовирусных лекарственных препаратов

Вспомните самостоятельно из курса химии

Пуриновые и пиримидиновые азотистые основания Структура пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов Виды химических связей в нуклеотидах Роль нуклеотидов в организме человека

Образование фосфорибозилдифосфата (ФРДФ)

Почти все клетки способны к синтезу нуклеотидов. Продукты расщепления нуклеиновых кислот тканей и пищи используются повторно в незначительной степени. Образование ФРДФ – центральное место в синтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов Источник образования ФРДФ: рибозо-5-фосфат (продукт ПФП окисления глюкозы) рибозо-5-фосфат + АТФ → 5-фосфорибозил-1-дифосфат + АМФ (ФРДФ синтетаза)

Синтез пуриновых нуклеотидов (см. схему синтеза на слайде 9)

Сборка пуринового гетероциклического основания осуществляется на ФРДФ при участии глицина, глутамина, аспартата, СО2 и одноуглеродных производных Н4-фолата в цитозоле: формирование 5-членного кольца формирование 6-членного кольца образование первого пуринового нуклеотида – инозинмонофосфата (ИМФ) Синтез ИМФ включает 10 стадий и требует затрат 6 АТФ образование АМФ и ГМФ

Происхождение атомов С и N в пуриновом основании

Образование АМФ и ГМФ из ИМФ Образование АДФ, ГДФ, ГТФ

В образовании АМФ из ИМФ участвует аспартат В образовании ГМФ из ИМФ участвует глутамин Схема реакций представлена на слайде 12. Нуклеозидди- и трифосфаты синтезируются при участии АТФ и киназ: АМФ + АТФ ↔ 2АДФ (аденилаткиназа) ГМФ + АТФ → ГДФ + АДФ (гуанилаткиназа) ГДФ + АТФ → ГТФ + АДФ Внимание! Образование АТФ происходит только путем субстратного и окислительного фосфорилирования

Ферменты синтеза АМФ И ГМФ: подписи к схеме слайда 12.

В синтезе АМФ из ИМФ участвуют ферменты: 1 – аденилосукцинатсинтетаза 2 – аденилосукциназа В синтезе ГМФ из ИМФ участвуют ферменты: 3 – ИМФ-дегидрогеназа 4 – ГМФ-синтетаза КМФ – ксантозин-5-монофосфат

Регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов

Аллостерические ферменты: ФРДФ-синтетаза амидофосфорибозилтрансфераза ИМФ-дегидрогеназа Аденилосукцинатсинтетаза Отрицательные эффекторы: АМФ, ГМФ

Запасные пути синтеза пуриновых нуклеотидов : «пути спасения»

В период активного роста тканей синтез пуриновых нуклеотидов из простых предшественников не способен полностью обеспечить нуклеиновые кислоты субстратами, поэтому в этих условиях важную роль играют «пути спасения»

Пути спасения в синтезе пуриновых нуклеотидов

Ферменты «пути спасения» в синтезе пуриновых нуклеотидов

К слайду 16: 1 – гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансфераза 2 – аденинфосфорибозилтрансфераза 3 - аденозинкиназа

Катаболизм пуриновых нуклеотидов (см. схему реакций на слайде 19)

Терминальный фермент катаболизма: ксантиноксидаза (аэробная дегидрогеназа) Кофакторы: Fe 3+, Мо 2+, FAD Конечный продукт: мочевая кислота образуется в основном в печени и кишечнике выводится с мочой и через кишечник слабая кислота: в биологических жидкостях находится в комплексе с белками или в виде натриевой соли (ураты) в крови: 0,15 – 0,47 ммоль/л (3-7 мг/дл) выводится в сутки: 0,4 – 0,6 г мочевой кислоты и уратов

Схема реакций катаболизма пуриновых нуклеотидов

Ферменты катаболизма пуриновых нуклеотидов

К слайду 19: 1 – фосфатаза (нуклеотидаза) 2 – аденозиндезаминаза 3 – пуриннуклеозидфосфорилаза 4 – гуаназа 5 - ксантиноксидаза

Нарушения обмена пуриновых нуклеотидов

Дефект генов ферментов гиперактивация или устойчивость ФРДФ-синтетазы к аллостерическим ингибиторам снижение активности гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрнасферазы (отсутствие активности вызывает тяжелое заболевание синдром Леша-Нихена, сопровождающееся психическими отклонениями) Подагра (гиперурикемия, отложение мочевой кислоты в суставах) Аллопуринол (лекарственный препарат) – структурный аналог гипоксантина - используется в лечении подагры. Каков механизм действия препарата? Катаболизм пуринов останавливается на стадии гипоксантина, который лучше растворяется в жидкостях организма, чем мочевая кислота.

Синтез пиримидиновых нуклеотидов

Основные этапы синтеза: Формирование пиримидинового кольца (оротата) из глутамина, аспартата, СО2 Взаимодействие оротата с ФРДФ с образованием УМФ Фосфорилирование УМФ Образование ЦТФ из УТФ

Образование оротата и УМФ

глутамин + СО2 + 2 АТФ + Н2О → карбамоилфосфат + 2 АДФ + Рi (карбамоилфосфатсинтетаза II) присоединение аспартата (образование карбамоиласпартата), отщепление воды (образование циклического дигидрооротата) Данные реакции катализирует мультиферментный комплекс КАД-фермент: карбамоилфосфатсинтетаза аспартаттранскарбамоилаза дигидрооротаза окисление дигидрооротата при участии NAD-дегидрогеназы с образованием оротата реакция с ФРДФ: перенос фосфорибозила на оротат и декарбоксилирование оротидинфосфата с образованием УМФ (УМФ-синтаза: трансфераза и декарбоксилаза)

Нарушения образования оротата

Мутация в гене УМФ-синтазы приводит к нарушению образования УМФ их оротата и вызывает наследственное заболевание, которое сопровождается оратацидурией Клинические проявления: мегалобластная анемия, нарушение работы ЖКТ, сердца, интеллектуальной и двигательной активности Причина проявлений: «пиримидиновый голод»

Фосфорилирование УМФ и образование ЦТФ

Фосфорилирование УМФ: образование УТФ УМФ + АТФ → УДФ + АДФ УДФ + АТФ → УТФ + АДФ Реакции катализируют киназы Образование ЦТФ: УТФ + глутамин + АТФ → ЦТФ + глутамат + АДФ +H3PO4 (ЦТФ синтетаза)

Регуляция синтеза пиримидиновых нуклеотидов

Аллостерическая регуляция по механизму отрицательной обратной связи: УТФ ингибирует КФС II в составе КАД-фермента УМФ и ЦМФ ингибируют УМФ-синтазу ЦТФ ингибирует ЦТФ-синтетазу

Запасные пути синтеза пиримидиновых нуклеотидов

Запасные пути синтеза пиримидиновых нуклеотидов не играют существенной роли: У или Ц + ФРДФ → УМФ или ЦМФ + РРi (пиримидинфосфорибозилтрансфераза) Уридин + АТФ → УМФ + АДФ (уридинкиназа) Урацил + рибозо-1-фосфат → уридин + H3PO4 (уридинфосфорилаза)

Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов

Отщепление остатков фосфорной кислоты и рибозы (аналогично катаболизму пуриновых нуклеотидов) Пиримидиновые основания разрушаются ферментными системами: например Цитозин → СО2 + NH3 + бета-аланин Конечные продукты – растворимы в воде Бета-аланин включается в состав карнозина и ансерина (мышечные пептиды)

Образование дезоксирибонуклеотидов

Образование дНДФ (А, Г, Ц, У) Образование дТМФ из дУМФ Внутриклеточная концентрация дезоксирибонуклеотидов низкая Активность процесса их образования повышается перед делением клеток во время репликации 2 ферментных комплекса: рибонуклеотидредуктаза (восстановление рибонуклеотидов с образованием дезоксипроизводных): рибонуклеотидредуктаза белок-восстановитель тиоредоксин тиоредоксинредуктаза тимидилсинтаза

«Работа» рибонуклеотидредуктазы

Регуляция активности рибонуклеотидредуктазного комлпекса

Аллостерический фермент Отрицательные эффекторы: дНТФ дАТФ – ингибитор восстановления всех рибонуклеотидов Иммунодефициты: накопление дАТФ, связанное со снижением активности аденозиндезаминазы (фермент реакции гидролитического дезаминирования аденозина) приводит к ингибированию рибонуклеотидредуктазы и лишает клетки-предшественники В и Т-лимфоцитов образования дезоксирибонуклеотидов и синтеза ДНК

Синтез тимидиловых нуклеотидов

Тимидилсинтазный комплекс ферментов и его ингибирование фторурацилом и метотрексатом

Тимидилсинтаза и запасные пути синтеза

Тимидилсинтаза (включение одноуглеродного радикала в дУМФ) Дигидрофолатредуктаза Сериноксиметилтрансфераза (перенос оксиметильной группы с серина на Н4-фолат с образованием метилен-Н4-фолата) Запасные пути синтеза: Тимидин + АТФ → дТМФ + АДФ (тимидинкиназа)

Задание для самостоятельной работы

Изучить информацию по теме: «Ферменты синтеза нуклеотидов – мишени действия противоопухолевых и противовирусных препаратов» (см. литературу) Составить таблицу (препарат – механизм действия – область применения) и охарактеризовать препараты: фторурацил, метотрексат, ацикловир, азидотимидин

Заключение

Большая часть используемых в клетках нуклеотидов синтезируется de novo из простых предшественников (с участием аминокислот, производных фолиевой кислоты). Центральное место в синтезе нуклеотидов занимает образование фосфорибозилдифосфата. «Запасные» пути синтеза (из имеющихся в клетке азотистых оснований и нуклеозидов) играют важную роль в образовании пуриновых нуклеотидов. Нарушение катаболизма пуриновых нуклеотидов лежит в основе патогенеза подагры. Нарушение синтеза пиримидиновых нуклеотидов лежит в основе патогенеза мегалобластной анемии. Механизм действия ряда противовирусных и противоопухолевых заболеваний связан с нарушением синтеза нуклеотидов.

Литература

Биохимия: учебник для студентов медицинских ВУЗов / Е. С. Северин -М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. -768 с. (раздел 10) Биологическая химия с упражнениями и задачами: учебник для студентов ВУЗов / ред. С. Е. Северин. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 624 с. (С. 476 – 495, для выполнения самостоятельной работы «Лекарственные препараты-ингибиторы синтеза нуклеотидов» см. С. 487) Биологическая химия: учебник для студентов медицинских вузов / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин – М.: Медицина, 2004. – С. 470 - 477.