Ugrás a tartalomhoz

A biokémia alapjai

Wunderlich Lívius, Szarka András (2014)

Typotex Kiadó

11.2. Nukleotidok de novo szintézise

11.2. Nukleotidok de novo szintézise

Purin nukleotidok szintézise

A purin nukleotidok szintézise hosszú és bonyolult folyamat, amelynek csak néhány fontosabb részletét érdemes megtanulnunk. Első lépésben a pentóz-foszfát út (szénhidrát anyagcsere) során keletkezett ribóz-5-foszfátnak kell az első szénatomon aktiválódnia. Ez egy ATP pirofoszfátjának átvitelét jelenti a foszforibozil-pirofoszfát(PRPP)-szintetáz enzim segítségével. A reakció során PRPP és AMP keletkezik. Az aktivált első szénatomra fog majd ráépülni a purin-bázis. Először glutamin aminocsoportja kerül a pirofoszfát helyére, keletkezik glutamát és foszforibozil-1-amin. A reakciót a PRPP-amidotranszferáz enzim katalizálja.

A purin-bázis felépülése a foszforibozil-1-amin nitrogénjéről indul. A folyamat jó néhány energiaigényes lépést tartalmaz, az energia legtöbbször közvetlenül ATP bomlásából származik. Az egyes lépéseket nem fogjuk minden részletében ismertetni. Először egy glicin kapcsolódik, létrehozva újabb három atomot a purin ötös gyűrűjében (az első atom maga az előbb említett nitrogén volt). A gyűrű utolsó szénatomját egy formil-THF-ból kapja. Ezután kezdődik a másik, a hatos gyűrű szintézise; a következő nitrogénatomot szintén egy glutaminból kapjuk. Most következik csak az ötös gyűrű záródása, majd folytatódik a hatos gyűrű tovább épülése egy CO2 kapcsolódásával. Még két atomra van szükség a gyűrűhöz; a következő N atom egy aszpartátból, az utolsó C atom pedig ismét egy formil-THF-ból származik. Eztán a hatos gyűrű is záródik, inozin-monofoszfát (IMP) nukleotidot kapunk, mely mind az AMP, mind a GMP kiindulási terméke (11.1. ábra).

11.1. ábra -


Ha AMP szintetizálódik az IMP-ből, akkor egy kétlépéses reakcióban kap egy aminocsoportot az aszpartáttól, amelyből fumarát keletkezik. A reakciókat az adeniloszukcinát-szintetáz és az adeniloszukciinát-liáz enzimek katalizálják, az első reakcióban egy GTP energiája is elhasználódik. A GMP keletkezése szintén kétlépéses folyamat: Az elsőben egy NAD-kofaktorral működő enzim (IMP-dehidrogenáz) segítségével vízből származó oxigént kapcsolunk az IMP-hez; xantozin-monofoszfát és NADH keletkezik. A második lépésben ezt az újonnan keletkező oxocsoportot cseréljük ki glutaminból származó aminocsoportra, miközben glutamát és GMP keletkezik. A reakciót a GMP-szintáz enzim katalizálja, energiáját az ATP-nek AMP-vé alakulása biztosítja (11.2. ábra).

11.2. ábra -


Hogyan szabályozódik a purin nukleotidok szintézise? Az elkötelező lépések gátlásával. Az IMP, AMP, GMP gátolja a PRPP-szintetáz működését (bár ezzel a pirimidin nukleotidok képződését is akadályozzák) és a PRPP-amidotranszferáz működését. Az AMP gátolja az adeniloszukciát-szintetáz, a GMP pedig az IMP-dehidrogenáz működését. Mindegyik nukleotid a saját képződését akadályozza (feedback gátlások).

Pirimidin nukleotidok szintézise

A pirimidin nukleotidok kisebbek, és szintézisük is egyszerűbb, mint a purin nukleotidoké. Minden pirimidin nukleotid „ősanyja” az uridin-monofoszfát (UMP), belőle alakul majd ki a többi nukleotid. (Purin nukleotidoknál ez az „ősanya” az IMP.) Szintézise eltér az IMP szintézisétől: a PRPP csak a folyamat végén csatlakozik a már majdnem kész bázishoz. Az első lépésben a citoszolban keletkezik karbamil-foszfát CO2-ból, glutamin aminocsoportjából és egy ATP-ből. Még egy másik ATP energiája is kell a reakcióhoz; karbamil-foszfát mellett glutamát, két ADP és egy inorganikus foszfát is keletkezik. A reakciót a karbamil-foszfát-szintetáz II katalizálja. (A karbamil-foszfát-szintetáz I enzim a mitokondriumban található, és az ornitinciklus működéséhez állít elő karbamil-foszfátot, ráadásul ott ammónia a nitrogénforrás, nem glutamin.) A karbamil-foszfát-szintetáz II enzimet PRPP aktiválja, UTP gátolja (11.3. ábra).

11.3. ábra -


A keletkezett karbamil-foszfát az aszpartát transzkarbamiláz enzim segítségével reagálni képes egy aszpartáttal, miközben inorganikus foszfát szabadul fel. A karbamil-aszpartát víz kilépésével hatos gyűrűvé záródik, dihidroorotát keletkezik. Ez azután NAD-nak adja át két elektronját, és telítetlen orotát (orotsav) keletkezik. Ez az orotát egy orotát-foszforibozil-transzferáz enzim segítségével képes PRPP-hez kapcsolódni. Ez után már csak egy dekarboxilációs reakció van hátra ahhoz, hogy megkapjuk az uridin-monofoszfátot (UMP) (11.4. ábra).

Mind az IMP, mind az UMP szintézise soklépéses folyamat, melyben látszólag minden lépést más és más enzim katalizál. Baktériumokban ez így is van. Azonban eukariótákban egy-egy polipeptidlánc több különböző specificitású enzimrendszert alkothat, így a szintézis különböző lépéseit ugyanazon enzim különböző aktív centrumainak a működése katalizálhatja.

Az UMP-nek aztán át kell alakulnia más nukleotidokká. Az első két lépés a foszforilálódás: ATP terhére az UMP-kináz és nukleozid-difoszfát-kináz enzimek segítségével előbb UDP-vé, majd UTP-vé foszforilálódik.

Az UTP aztán egy glutamin aminocsoportjának transzferével alakul át CTP-vé. A reakcióhoz egy ATP energiája szükséges, és a CTP-szintetáz enzim katalizálja.

Dezoxiribonukleotidok keletkezése

A dezoxiribonukleotidok keletkezéséhz mindig a nukleozid-difoszfát formára van szükségünk. Osztódni képes sejtekben van ribonukleotid-reduktáz enzim; ennek két tiol-csoportjáról leszakadnak a H-atomok, és magukkal viszik a ribonukleotid második szénatomjának oxigénjét víz formájában. Visszamarad egy dezoxiribonukleozid-difoszfát és egy oxidált tiolcsoportot tartalmazó enzim. Az enzimet redukálni kell, hogy újra működni tudjon, ez végeredményben NADPH elektronjainak a terhére történik.

Külön kell foglalkoznunk a dezoxi-timidin-monofoszfát képződésével. A keletkezett dezoxi-uridin-difoszfát (dUDP) előbb elveszít egy foszfátot, majd metilén-tetrahidrofolátról a timidilát-szintáz enzim segítségével kap egy metiléncsoportot. A reakció végén dihidrofolát és dezoxi-timidin-monofoszfát (dTMP) keletkezik (11.4. ábra). A dTMP azután timidilát-kináz, majd nukleotid-difoszfát-kináz segítségével kap két foszfátot egy-egy ATP terhére.

A dezoxiribonukleotidok szintézisének szabályozása a ribonukleotid-reduktáz enzimen történik. A különböző dezoxinukleotid-trifoszfátok szabályozzák az enzim működését úgy, hogy az mindig azokat a reakciókat katalizálja, amelyek majd a dezoxiribonukleotidok megfelelő arányának beállításához kellenek.

11.4. ábra -