Нуклеотидами називаються сполуки, що складаються з азотистої підстави, вуглеводу-пентози і фосфорної кислоти. Прикладом може служити уріділовая кислота:

У типовому нуклеотиди зв'язок між атомом "N" циклу і першим атомом вуглецю пентоз - bN-Глікозидний, а зв'язок між залишків фосфорної кислоти і п'ятим атомом вуглецю пентози - складноефірний.

 1. Класифікація нуклеотидів

 Нуклеотиди можуть бути розділені на класи за кількома ознаками:

а. За характером що входить до них азотистої основи нуклеотиди можуть бути пуринового, піримідинового, ізоаллоксазінового і т.д. рядів.

б. За характером вуглеводу-пентози вони можуть бути рібонуклеотідамі (містять рибозу) або ж дезоксірібонуклеотідамі (містять дезоксирибози). У деяких синтетичних нуклеотидах або нуклеозиду зустрічається також арабіноза, наприклад, в арабінозілцітозіне, що використовується в якості протипухлинного або противірусного препарату.

в. За частоті у складі нуклеїнових кислот нуклеотиди поділяються на головні і мінорні. До мінорним нуклеотиду відносяться ті нуклеотиди, кількість яких у складі ДНК не перевищує 2-3 відсотків від їх загальної кількості; на частку мінорних нуклеотидів у РНК може припадає до 15-17% від їх загальної кількості. Мінорні нуклеотиди утворюються в клітинах в результаті хімічної модифікації головних нуклеотидів; вони відрізняються від головних нуклеотидів

- Або особливостями структури азотистих основ (метиловані, гідроксіметілірованние, ацетильовані і т.д. похідні);

- Або особливостями структури вуглеводного компонента (як правило, це метиловані похідні пентоз);

- Або аномальної структурою зв'язку між азотистих основ і пентози (так у псевдоуріділовой кислоти присутній зв'язок, яку можна назвати як b-С5-Глікозидний зв'язок). До теперішнього часу ідентифіковано до п'яти десятків різних мінорних нуклеотидів.

2.Біологіческая роль нуклеотидів

 Нуклеотиди виконують в клітинах кілька функцій:

по-перше, рібонуклеотіди пуринового або піримідинового рядів (АМФ, ГМФ, УМФ і ЦМФ та їх мінорні похідні) також як і їх дезоксібонуклеотідние аналоги (дАМФ, дГМФ, дТМФ і дЦМФ та їх мінорні похідні) виконують структурну функцію, будучи мономірні одиницями нуклеїнових кислот ;

по-друге, дифосфатні похідні мононуклеотид беруть участь у багатьох метаболічних процесах у клітині як активаторів переносників різних угруповань (Прикладами можуть служити УДФ-глюкоза, ГДФ-маноза, ЦДФ-холін та ін);

в терте, АТФ і ГТФ виступають в клітці як акумулятори та переносники енергії, що вивільняється при біологічному окисленні:

по-четверте, НАД +, НАДФ +, ФАД, ФМН є переносниками відновних еквівалентів в клітинах (проміжними переносниками протонів і електронів);

в п'ятому, мононуклеотид виступають в клітинах як біорегуляторів. Досить згадати роль АТФ як аллостеріческого інгібітора ключових ферментів ряду метаболічних шляхів (фосфофруктокінази гліколітичної метаболона або цітрансінтази циклу Кребса):

в шосте, такі сполуки як цАМФ або цГМФ виконують роль месенджерів або другого вісників в реалізації клітиною позаклітинного регуляторного сигналу (при дії глюкагону на гепатоцити у прискоренні мобілізації глікогену відіграє істотну роль підвищення концентрації цАМФ в цих клітинах).

3.Усвоеніе екзогенних нуклеїнових кислот та нуклеотидів

 Людина практично не має потреби у зовнішніх джерелах нуклеотидів, повністю покриваючи свої потреби в цих сполуках за рахунок ендогенного синтезу за умови, що в клітинах є необхідна кількість вихідних сполук для синтезу. Природно, що проблеми із синтезом таких нуклеотидів як НАД + або ФАД можуть виникнути при недостатності в організмі вітамінів В5 або В2. У подальшому ми зупинимося лише на обміні пуринових і піримідинових нуклеотидів.

Нуклеїнові кислоти надходять з їжею у вигляді нуклеопротеїдів, розщеплення білкової частини яких починається вже у шлунку і завершується в тонкому кишечнику. Вивільняються нуклеїнові кислоти розщеплюються в тонкому кишечнику до мононуклеотид під дією рибонуклеазу і дезоксирибонуклеази панкреатичного соку. Крім того, стінкою кишечнику виділяються ферменти полінуклеотідази і фосфодіестерази, які також беруть участь у розщепленні нуклеїнових кислот до мононуклеотид.

Мононуклеотид в стінку кишки не всмоктуються, а піддаються подальшому розщепленню до нуклеоеідов і далі до вільних азотистих основ, пентоз та фосфорної кислоти під дією нуклеотидази і фосфатаз кишкової стінки. У стінку кишечника всмоктуються нуклеозиди, а також перераховані продукти повного розщеплення нуклеотидів; далі вони надходять у кров'яне русло.

В організмі людини більша частина що надійшли в кров пуринів і піримідинів не використовується, а деградує до кінцевих продуктів їх обміну і виводиться з організму. Таким чином, екзогенні нуклеїнові кислоти практично не виступають в якості постачальників безпосередніх попередників нуклеотидів в організмі людини.

У просвіті кишечнику, ймовірно, під дією його мікрофлори, частина пуринових нуклеотидів перетворюється на гіпоксантин, ксантин і сечову кислоту і в такому вигляді надходять у внутрішнє середовище організму.

 4. Метаболізм нуклеотидів піримідинового ряду

 Бісінтез нуклеотидів піримідинового ряду починається в цитозолі, де за участю цитозольних карбамоілфосфатсінтетази утворюється карбамоілфосфат, причому джерелом азоту для його синтезу є глутамін:

 СО2 + Глн + 2АТФ ---> NH2-CO-O-PO3H2 + 2АДФ + Ф + Глу

Далі карбамоілфосфат взаємодіючи з аспартат в реакції, що каталізується аспартаттранскарбамоілозай, перетворюється на карбамоіласпартат, а потім за участю дігігідрооротази - в дігідрооротовую кислоту:

 Дігідрооротовая кислота за участю мітохондріального ферменту дігідрооротатдегідрогенази переходить в оротової кислоту:

У наступній реакції бере участь фосфорібозілпірофосфат. Він утворюється з рибоза-5-фосфату з участю АТФ в ході реакції, що каталізується ферментом фосфорібозілпірофосфатсінтетазой:

Реакція синтезу фосфорібозілпірофосфата (ФРПФ) не є специфічною для синтезу піримідинових нуклеотидів, в ході цієї реакції синтезується ФРПФ, необхідний для синтезу різних мононуклеотид.

Оротовая кислота за участю ферменту оротат-фосфорібозілтрансферази переноситься на залишок рибоза-5-фосфату з утворенням оротіділовой кислоти, яка піддається декарбоксилювання, в ході якого утворюється перший "справжній" нуклеотид піримідинового ряду - урідін-5-монофорная кислота (уріділовая кислота або УМФ). Остання реакція каталізується оротіділатдекарбоксілазой.

 Всі інші нуклеотиди піримідинового ряду синтезуються з уріділовой кислоти

У ході синтезу піримідинових нуклеотидів використовуються глутамін, СО2, АТФ, аспартат і ФРПФ. Всі ці сполуки синтезуються в клітинах. Лише при утворенні з дУМФ дезоксітіміділовой кислоти використовується N5, N10-тетрагідрофолат, це значить, що при нестачі фолієвої кислоти (В9) в організмі буде порушений синтез дезоксітіміділовой кислоти, необхідної для подальшого синтезу ДНК в клітинах.

При утворенні дТМФ з дУМФ відбувається перетворення ТГФ в дігідрофолат. Зворотний перехід ДГФ в тетрагідрофолат каталізується ферментом дигідрофолатредуктази. Лікарський препарат метотрексат (аметоптерін), широко застосовуваний при протипухлинної терапії, є потужним інгібітором дигідрофолатредуктази.

Піримідинові нуклеозиди, що утворюються в клітинах при деградації відповідних нуклеотидів, можуть за допомогою спеціальних

У той же час утворюються в ході внутрішньоклітинного розпаду вільні азотисті основи піримідинового ряду повторно не використовуються і піддаються розщепленню до кінцевих продуктів.

Розщеплення піримідинових нуклеотидів починається з відщеплення рібозофосфатного залишку, а що утворилося вільне азотисті основи розщеплюється без утворення специфічних кінцевих продуктів.

 Кінцевими продуктами розпаду урацилу, є вуглекислий газ, вода і b-аланін. При розщепленні тиміну в клітинах в якості одного з проміжних продуктів утворюється b-аміноізобутірат, який після дезамінування в кінцевому підсумку перетворюється через пропіонат в сукцініл-КоА.

 5.Метаболізм нуклеотидів пуринового ряду

 При синтезі нуклеотидів пуринового ряду, на відміну від синтезу піримідинових нуклеотидів, формування гетероциклічного ядра йде безпосередньо на рибоза-5-фосфату. Спочатку синтезується ФРПФ, який при взаємодії з глутамін перетворюється на 5-фосфорібозіламін: Потім слід велика послідовність реакцій, в ході яких формується пуринові ядро. Першим нуклеотидів, що утворюється в ході синтезу є інозинова кислота (ІМФ): В процесі синтезу 1 молекули інозинова кислоти клітиною витрачається 6 молекул АТФ.

 Глутамін, аспартат, гліцин, вуглекислий газ утворюються в організмі, однак в умовах нестачі фолієвої кислоти можуть виникнути проблеми із забезпеченістю синтезу пуринових нуклеотидів одноуглероднимі угрупованнями, переносниками яких служить в клітинах ТГФ.

З ІМФ синтезуються інші нуклеотиди пуринового ряду. При синтезі АМФ (див. далі наступну схему) йде амінірованіе ІМФ, джерелом аміногрупи служить аспартат. Реакція йде в два етапи, а витрати енергії покриваються за рахунок гідролізу ГТФ.

При синтезі гуанілова кислоти спочатку залишок гіпоксантину в ІМФ окислюється до ксантину з утворенням КМФ, а потім йде амінірованіе і перетворення КМФ в ГМФ. Донором аміногрупи виступає глутамін, енергетика реакції забезпечується розщепленням АТФ.

Утворилися АМФ та ГМФ в ході реакцій трансфосфорілірованія з АТФ перетворюються на АДФ і ГДФ, а потім останні піддаються фосфорилюванню за рахунок енергії, що виділяється при біологічному окисленні, перетворюючись на АТФ і ГТФ.

Описаний синтез пуринових нуклеотидів з використанням як пластичного матеріалу атомних угруповань з молекул інших з'єднань одержав назву синтезу de novo. У клітинах ссавців працюють також механізми реутилізацію що утворилися в ході внутрішньоклітинного розщеплення пуринових нуклеотидів азотистих основ. Цей механізм синтезу пуринових нуклеотидів отримав назву "синтез заощадження."

Найбільш важливим шляхом реутилізацію є фосфорібозілірованіе вільних азотистих основ. Відомі два варіанти цього процесу:

а. За участю ферменту гіпоксантин-гуанін - фосфорібозілтрансферази вільні гіпоксантин або гуанін перетворюються на ІМФ і ГМФ соотвественно:

 б. За участю ферменту аденін-фосфорібозілтрансферази в аналогічній реакції вільний аденін перетворюється на АМФ.

До речі кажучи, такого механізму для реутилізацію піримідинових азотистих підстав не існує. Наявна в клітинах оротат-фосфорібозілтрансфераза не може каталізувати фосфорібозілірованіе тиміну, цитозину або урацилу.

Перетворення пуринових нуклеозидів в нуклеотиди каталізує фермент аденозінкіназа:

Аденозин + АТФ -------> АМФ + АДФ. Цей фермент каталізує також фосфорилювання гуанозіна, інозину та їх дезоксіпроізводних.

Розщеплення пуринових нуклеотидів йде у всіх клітинах. Кінцевим продуктом катаболізму що утворюються при розщепленні нуклеотидів пуринових азотистих основ є сечова кислота. З найбільшою інтенсивністю утворення сечової кислоти йде в печінці, тонкому кишечнику і нирках. Встановлено, що до 20% сечової кислоти у людини може розщеплюється до СО2 і NH3 і виділятися через кишечник, причому це розщеплення сечової кислоти не пов'язано з дією кишкової мікрофлори.

 Нуклеотиди в клітинах піддаються дефосфорілірованія з утворенням аденозину або гуанозіна. Аденозин за участю ферменту аденозіндезамінази перетворюється на інозин і далі шляхом фосфороліза в гіпоксантин. Гіпоксантин за участю ксантиноксидази спочатку окислюється в ксантин, а потім за участю того ж ферменту ксантин переходить в сечову кислоту. При розщепленні ГМФ спочатку в кілька етапів відбувається утворення вільного гуаніну, який за участі ферменту гуанази переходить безпосередньо в ксантин, а потім окислюється в сечову кислоту.

Утворилася сечова кислота надходить у кров і виводиться через нирки з сечею. Нормальний вміст сечової кислоти в крові становить 0,12 - 0,46 мМ/л. Загальна кількість розчиненої сечової кислоти в рідкій фазі організму (уратних пул) становить для чоловіків величину порядку 1,2 м. Щодоби з сечею виводиться від О, 5 до 0,7 г сечової кислоти.

 6.Сінтез дезоксірібонуклеотідов

 Спеціального шляхи синтезу дезоксірібонуклеотідов в клітинах не существует.Дезоксірібонуклеотіди утворюються з рібонуклеотідов шляхом відновлення останніх. Джерелом відновних еквівалентів для утворення дезокрібонуклеотідов служить спеціальний білок тіоредоксін, який може існувати у формі дітіола або ж після віддачі атомів водню у формі дисульфіду. Дисульфідний форма тіоредоксіна може перетворюватися в клітці в дітіольную форму; донором відновних еквівалентів в останньому випадку є НА-ФН + Н

7.Регуляція синтезу нуклеотидів

 Швидкість синтезу нуклеотидів повинна відповідати потребам клітини, у зв'язку з чим вона повинна ефективним чином регулюватися. У роботі механізмом регулювання синтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів багато спільного: вирішальну роль у регуляції грає ретроінгібірованіе - зниження швидкості синтезу нуклеотидів при досягненні їх достатньої концентрації в клітинах за рахунок аллостеріческого інгібування ключових ферментів відповідних метаболічних шляхів.

 Основними регуляторними ферментами метаболічного шляху синтезу піримідинових нуклеотидів є карбамоілфосфатсінтетаза (Е1) і аспартаттранскарбамоілаза (Е2). Активність першого ферменту (Е1) відзначено зниження по аллостеріческому механізму високими концентраціями УТФ в клітці, а активність других ферменту (Е2) - високими концентраціями ГТФ. Активність карбамоіфосфатсінтетази, крім того, активується високими концентраціями ФРПФ. З іншого боку, синтез ФРПФ гальмується високими концентраціями дТДФ за рахунок аллостеріческого інгібування ФРПФ-синтетази (Е3).

 Накопичення надлишкових кількостей пуринових нуклеотидів в клітці також призводить до гальмування їх синтезу.

Перш за все слід зазначити, що накопичення в клітині як аденілових, так і гуанілова нуклеотидів по аллостеріческому механізму гальмує активність ФРПФ-синтетази (Е). Одночасно накопичення АМФ та ГМФ також по аллостеріческому механізму знижує активність ФРПФ-амідотрансферази (Е), причому ингибирующий ефект високих концентрацій ГМФ більш виражений, ніж у АМФ. Гальмування пуриновими нуклеотидами активності ФРПФ-синтетази має для регулювання їх синтезу більше значення, ніж інгібування ФРПФ-амідотрансферази, тому що в першому випадку вимикається і синтез пуринових нуклеотидів de novo і "синтез заощадження", тоді як в другому випадку припиняється лише синтез de novo.

Далі, надлишкові концентрації АМФ інгібують синтез АМФ з ІМФ, а високі концентрації ГМФ гальмують освіта цього нуклеотиду з ІМФ. В обох випадках працюють механізми аллостеріческого інгібування ферментів, що беруть участь у цих перетвореннях.

Нарешті, синтез АМФ з ІМФ стимулюється ГТФ, оскільки ГТФ є джерелом енергії для синтезу. У свою чергу, стимулює синтез АТФ ГМФ з ІМФ за тією ж самою причиною. Наявність цього регуляторного механізму дозволяє збалансувати обсяги синтезу аденілових і гуанілова нуклеотидів в клітці.

Регуляція синтезу дезоксірібонуклеотідов забезпечує скоординований в кількісному відношенні синтез різних дезоксінуклеотідов, необхідних для подальшого складання дезоксіполінуклеотідних ланцюгів ДНК. Найважливішу роль у цій регуляції грає фермент рібонуклеозіддіфосфатредуктаза. Цей фермент має два типи аллостеріческіх ділянок: одна з них регулює загальну активність ферменту, а інший - субстратне специфічність. Загальна каталітична активність знижується при зв'язуванні в першу центрі дАТФ, останній служить сигналом про надлишок дезоксінуклеотідов в клітці. Зв'язування різних дНуДФ ил дНуТФ в аллостеріческіх ділянках другого типу дозволяє ферменту більш-менш вибірково напрацьовувати відсутні в данний момент в клітці ті чи інші дезоксірібонуклеозіддіфосфати

 8. Порушення обміну нуклеотидів при патології

 Піримідинові нуклеотиди не мають специфічних кінцевих продуктів обміну, мабуть, тому при станах, що характеризуються надлишковим синтезом піримідинів, як правило, немає виражених клінічних ознак. При гальмуванні синтезу дезоксітіміділовой кислоти, що обумовлена нестачею в організмі фолієвої кислоти або кобаламін, йде одночасно і порушення синтезу пуринових нуклеотидів, що проявляється у вигляді нарущенія синтезу нуклеїнових кислот з розвитком тієї чи іншої форми анемії.

Найбільш відомим варіантом порушення синтезу піримідинів є оротатацідурурія - підвищене виділення з сечею продукту неповного синтезу піримідинів - оротової кислоти. Оротатацідурія частіше за все є наслідком генетично зумовленого порушення синтезу двох ферментів: оротат-фосфорібозілтрансферази і оротіділатдекарбоксілази. Синтезованих оротовая кислота не використовується в клітинах і накопичується в органах і тканинах, вона в підвищених кількостях виділяється з сечею. Для дітей з цією патологією характерні відставання у розвитку, мегалобластична анемія і "помаранчева крісталлоурія", остання обумовлена утворенням в сечі кристалів оротової кислоти, що мають помаранчевий колір. Для лікування таких дітей використовується урідін, що досить добре усваіваівается організмом, проте урідін стає ще одним незамінним компонентом їжі.

Найбільш відомим захворюванням, тісно пов'язаних з порушенням обміну пуринових нуклеотидів, є подагра. У хворих з цією патологією спостерігається підвищений вміст сечової кислоти в крові і тканинах, а також надмірна кількість уратів в сечі. У нормі концентрація сечової кислоти в крові та інших біологічних рідинах досить близька до насичує. Тому підвищення її вмісту в біологічних рідинах призводить до появи в них кристалів сечової кислоти. Якщо кристали з'являються в суглобової рідини, розвивається подагричні артрити. Випадання кристалів сечової кислоти безпосередньо в тканини викликає асептичне запалення з подальшим інкапсулювання утворилися кристалів і формуванням подагричних вузликів. Найбільш важким проявом цього захворювання є подагричний нефропатія з порушенням функції нирок.

Від подагри страждає від 0,3% до 1,7% населення, причому у чоловіків подагра зустрічається в 20 разів частіше, ніж у жінок. Розвиток захворювання тісно пов'язане з гіперурекеміей - повишеннним вмістом сечової кислоти в крові. У нормі вміст сечової кислоти становить 3 - 7 мг/дл (0,12 - 0,46 мМ/л). Серед осіб з вмістом сечової кислоти в межах 7 - 8 мг/дл 20% хворих на подагру, а якщо вміст сечової кислоти в крові перевищує 9 мг/дл число хворих на подагру зростає до 90 і більше відсотків.

Причинами подагри в ряді випадків є порушення функціонування таких ферментів як ФРПФ-синтетазу або гіпоксантин-гуанін-фосфорібозілтрансфераза. У ряду хворих було обнарушено підвищення активності ферменту ФРПФ-синтетази або зниження чутливості ферменту до інгібірує, пуринових нуклеотидів. В обох варіантів обсяг синтезу пуринових нуклеотидів зростає, що призводить до гіперпродукції сечової кислоти.

При зниженні активності гіпоксантин-гуанін-фосфорібозілтрансферази в клітинах знижується рівень повторного використання утворюються в них гіпоксантину і гуаніну за рахунок гальмування "синтезу заощадження". Виникає брак пуринових нуклеотидів, яка компенсується активацією синтезу пуринів de novo, що в кінцевому підсумку веде до підвищеного утворення пуринів в організмі і, відповідно, до підвищення вмісту сечової кислоти в організмі.

При лікуванні подагри прагнуть зменшити в раціоні кількість продуктів, що містять нуклеїнові кислоти або з'єднання групи пурину. Хороший ефект дає використання лікарського препарату - алопуринолу. Аллопуринол в клітинах під дією ферменту ксантиноксидази окислюється до алоксантину, а алоксантину є могутнім конкурентним інгібітором ксантиноксидази. Освіта ксантину і сечової кислоти в клітинах різко знижується, а з організму в якості кінцевого продукту обміну пуринів починає виділятися гіпоксантин, розчинність якого в біологічних рідинах в кілька разів вище, ніж розчинність сечової кислоти.

При повній відсутності в клітинах гіпоксантин-гуанін-фосфорібозілтрансферази розвивається хвороба Леш-Ніхана, для якої характерні високий рівень гіперурикемії, камені в сечовивідних шляхах, корковий параліч, судоми і вкрай агресивна поведінка. в тому числі і прагнення до членоушкодження (Дитина, наприклад. може обкусані власні пальці або губи).

Гіперурикемія може також зустрічатися при впливі на людину іонізуючої радіації. У цьому випадку гіперурикемія є відображенням інтенсифікації розпаду нуклеїнових кислот в опромінених органах і тканинах.