Реакції біосинтезу піримідинових нуклеотидів

У першій реакції шляху під дією карбамоїлфосфатсинтетази II із амідної групи глутаміну, СО2 і АТФ утворюється карбамоїлфосфат.

Фермент локалізований у цитоплазмі клітин різних тканин. Карбамоїлфосфат утворюється як проміжний продукт і у процесі біосинтезу сечовини під дією карбамоїлфосфатсинтетази І. Цей фермент локалізований тільки у мітохондріях печінки і використовує як субстрат вільний аміак, а не глутамін. Карбамоїлфосфатсинтетаза II є регуляторним ферментом на метаболічному шляху синтезу піримідинових нуклеотидів і активність її гальмується кінцевим продуктом — уридинмонофосфатом (УМФ). На активність карбамоїлфосфатсинтетази І УМФ не впливає. Таким чином, особливості внутрішньоклітинного розподілу ферментів і регуляторних механізмів дозволяють процесам синтезу сечовини і піримідинових нуклеотидів функціонувати незалежно і паралельно один одному, відповідно до потреб організму.

 

Утворення умф

1. Цитоплазматичний карбамоїлфосфат взаємодіє з аспартатом під дією аспартаткарбамоїлтрансферази. Активність цього ферменту регулюється ЦТФ за механізмом зворотного зв'язку в прокаріотів, але не у тварин.

 

2. Утворення дигідрооротової кислоти в результаті дегідратації уреїдосукцинату (фермент —дигідрооротаза).

3. Утворення оротової кислоти в результаті дегідрування дигідрооротату (фермент – НАД-залежна дигідрооротатдегідрогеназа).

 

4. Сполучення оротової кислоти з 5-фосфорибозил-1-пірофосфатом з утворенням оротидилової кислоти (оротидин-5'-монофосфату, ОМФ); фермент, що каталізує реакцію, — оротатфосфорибозилтрансфераза.

 

5. Декарбоксилювання оротидилової кислоти до уридилової кислоти (уридин-5'-монофосфату, УМФ) — фермент ОМФ-декарбоксилаза:

 

Утворення удф, утф та цтф

Із УМФ шляхом фосфорилювання утворюються УДФ і УТФ.

УМФ, що синтезувався, використовується для утворення інших піримідиннуклеотидів, зокрема піримідинових нуклеозидтрифосфатів (УТФ, ЦТФ) тадезоксирибонуклеозидтрифосфатів (дЦТФ, ТТФ), що використовуються в синтезі РНК і ДНК:

1.  Утворення УДФ та УТФ відбувається в результаті послідовного фосфорилювання УМФ нуклеозидмонофосфокіназами тануклеозиддифосфокіназами (аналогічно розглянутому вище фосфорилюванню пуринових нуклеотидів):

2.  Утворення ЦТФ відбувається в результаті амінування УТФ — реакції, в якій беруть участь глутамін (донор аміногрупи) та АТФ:

 

Регуляція синтезу піримідинових нуклеотидів

Контроль швидкості біосинтезу піримідинових нуклеотидів забезпечується на рівні двох регуляторних ферментів (табл. 11):

1) карбамоїлфосфатсинтетази, яка забезпечує постачання біосинтетичного шляху одним із перших субстратів — карбамоїлфосфатом (цей пункт регуляції є основним у вищих тварин (ссавців), включаючи організм людини); алостеричним інгібітором ферменту є УТФ — кінцевий продукт біосинтетичного шляху; разом з тим, ФРПФ — інтермедіат пуринового синтезу — збільшує активність ферменту, що є одним з механізмів забезпечення координованого синтезу пуринів та піримідинів;

2) аспартаткарбамоїлтрансферази, яка каталізує синтез уреїдоянтарної кислоти (цей механізм регуляції має місце переважно у E.Coli та інших бактерій); алостеричним інгібітором ферменту є ЦТФ, активатором — АТФ.

 

Таблиця 11. Регуляторні ферменти синтезу піримідинових нуклеотидів

РЕГУЛЯЦІЯ СИНТЕЗУ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ
Карбамоїлфосфатсинтетаза		Аспартаткарбамоїл-трансфераза
алостеричним інгібітором ферменту є УТФ – кінцевий продукт біосинтетичного шляху	ФРПФ – інтермедіат пуринового синтезу – активує активність ферменту	алостеричним інгібітором ферменту є ЦТФ	активатором – АТФ

 

УТФ приєднує аміногрупу від глутаміну, перетворюючись у цитидинтрифосфат. Цю реакцію стимулює ГТФ. Крім вказаного ланцюга реакцій, може мати місце пряме включення вільних піримідинових основ у склад нуклеотидів за аналогічним механізмом, як для пуринових нуклеотидів.

Спадкове порушення синтезу піримідинів, відоме як оротацидурія, характеризується утворенням надлишку оротової кислоти і виведенням її з сечею (табл. 12).

Кількість виведеної оротової кислоти при цьому може сягати 1,0-1,5 г, що в 1000 разів більше, ніж у нормі.

Причиною є низька активність ферментів оротат-фосфорибозилтрансферази і декарбоксилази, які каталізують дві останні реакції синтезу УМФ.

Нестача піримідинових нуклеотидів буде сприяти підвищеному утворенню оротової кислоти, оскільки не відбуватиметься гальмування синтезу піримідинів кінцевим продуктом. Спостерігаються затримка росту і розумового розвитку дітей у ранньому віці, мегалобластична анемія. Вказані порушення розвиваються внаслідок нестачі піримідинових нуклеотидів, необхідних для синтезу нуклеїнових кислот.

Таблиця 12. Причини та симптоми оротацидурії

ОРОТАЦИДУРІЯ
Причини	Симптоми
Спадкове порушення синтезу піримідинів, зумовлене недостатністю оротат-фосфорибозилтрансферази ідекарбоксилази.	Надлишок оротової кислоти і виведення її з сечею (1.0-1.5 г).	Затримка росту і розумового розвитку.	Мегало-бластична анемія.

 

Прийом уридину чи цитидину призводить до зниження утворення й екскреції оротової кислоти, відновлює нормальний ріст і розвиток. Таке лікування повинно продовжуватись протягом усього життя людей із цим спадковим дефектом.

В таблиці 13 наведено відмінності біосинтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів:

 

Таблиця 13. Відмінності біосинтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів

ПУРИНОВІ НУКЛЕОТИДИ	ПІРИМІДИНОВІ НУКЛЕОТИДИ
Біосинтез починається з утворення активної форми рибозофосфату.	Біосинтез починається з утворення циклічного кільця.
На основі фосфорибозил-пірофосфату утворюють пуринове ядро.	Рибозо-5-фосфат приєднується до утвореного піримідинового ядра.
Утворення пуринових нуклеотидів потребує більшої кількості субстратів, енергії, процес значно складніший.	Процес простіший, потребує меншої кількості субстратів, енергії.
	Відома спадкова ензимопатія, що викликає порушення біосинтезу (оротацидурія)