Purinmetabolism ( purinmetabolism ) är en uppsättning processer för syntes och sönderfall av puriner och purinnukleotider som förekommer i levande organismer .
Av de tre komponenterna i en nukleotid - fosforsyra , pentos och en kvävehaltig bas - är den första alltid närvarande i celler, den andra förekommer säkert i processen med kolhydratmetabolism , och endast den kvävehaltiga basen syntetiseras på ett specifikt sätt. [1] Cellerna från de flesta organismer (med undantag för vissa parasitformer och vissa typer av bakterier) kan nybildas av puriner.
Biosyntes av purinkärnan de novo utförs av en evolutionärt konservativ metabolisk väg (med små skillnader i evolutionärt avlägsna grupper). Konstruktionen av purinkärnan börjar och fortsätter helt på ribos-5-fosfat (mellanprodukter - ribotider), som ett resultat av vilket nukleotider (nukleosid-5'-fosfater) omedelbart bildas, och inte fria kvävebaser. Materialet är mycket enkla, lättillgängliga föreningar; konstruktionen av purinkärnan har karaktären av en sekventiell sammansättning; Alla reaktioner är enzymatiska. I ett visst skede uppstår en gemensam prekursor ( IMP- nukleotid ), från vilken andra purin-nukleotider bildas. Syntesprocessen är energikrävande, eftersom förändringen i jämvikten mellan individuella reaktioner, nödvändig för dess effektivitet, sker på grund av den konjugerade hydrolysen av ATP .
IMP-syntes i Escherichia coli , Microcystis aeruginosa , Streptomyces avermitilis , Bacillus subtilis :
PRPP → 5-PRA → GAR → FGAR → FGAM → AIR → NCAIR ⇌ CAIR ⇌ SAICAR ⇌ AICAR → FAICAR ⇌ IMP
IMP-syntes i Arabidopsis thaliana , Saccharomyces cerevisiae , Neurospora crassa , Drosophila melanogaster , Danio rerio , Homo sapiens :
PRPP → 5-PRA → GAR → FGAR → FGAM → AIR ⇌ CAIR ⇌ SAICAR ⇌ AICAR → FAICAR ⇌ IMP
Fåglar har ett öppet alternativt svar för det första steget:
R5P → 5-PRA
Nybildning av puriner hos djur och människorNybildning av purinukleotider sker i cytosolen hos de flesta kroppsceller. Men inte alla celler och vävnader i kroppen är lika kapabla till de novo biosyntes av puriner - erytrocyter , polymorfonukleära leukocyter och delvis hjärnan är oförmögna till nybildning av puriner, och deras behov av puriner tillgodoses främst på grund av syntes i leverceller [ 2] .
AMP bildas från IMP i två reaktioner. Först reagerar IMP med aspartat för att ge adenylosuccinat . Reaktionen involverar hydrolys av GTP till BNP och ortofosfat . Adenylosuccinat klyvs sedan till AMP och fumarat , och samma enzym som katalyserar SAICAR ⇌ AICAR-transformationen är ansvarigt för reaktionen.
GMP bildas av IMP i två reaktioner. Först oxideras IMP av NAD -beroende dehydrogenas till XMP . I den andra reaktionen amineras XMP till GMP. Aminogruppdonatorn kan vara amidkvävet av glutamin eller ammonium . Reaktionen involverar hydrolys av ATP till AMP och oorganiskt pyrofosfat .
Den resulterande AMP och GMP fosforyleras av kinaser till difosfater, som ytterligare fosforyleras till trifosfater i reaktioner av substrat (ADP, GDP) eller kopplad (ADP) fosforylering , eller av kinaser. Reduktionen av ribos till 2-deoxiribos under biosyntesen av deoxiribonukleotider i de flesta organismer sker på nivån av difosfater (i många prokaryoter, tillsammans med detta eller istället, sker reduktion på nivån av trifosfater).
Aminosyror som fungerar som atomdonatorer i biosyntesen av puriner kallas purinogena aminosyror . Purinaminosyrorna är glycin , glutamin och aspartat .
De novo biosyntesen av puriner är en relativt komplex process i flera steg som kräver en betydande mängd energi. Detta motiverar delvis funktionen hos den så kallade purinåtervinningsvägen i cellen ("räddningens väg", "frälsningens väg"). Samtidigt avlägsnas de flesta av de fria purinbaserna som bildas som ett resultat av enzymatisk eller spontan klyvning av nukleotider inte från cellen eller organismen och bryts inte ner ytterligare, utan ingår återigen i sammansättningen av nukleotider. Kemin för återanvändning är att fria purinbaser i närvaro av specifika fosforibosyltransferaser interagerar med 5-fosforibosyl-1-pyrofosfat (PRPP) för att bilda ribonukleotider och oorganiskt pyrofosfat (det senare hydrolyseras snabbt av pyrofosfat , vilket gör att reaktionen nästan blir pyrofosfat. ). I pyrimidinmetabolismen är återvinningsvägen inte av stor betydelse. [3]
Pionjärerna i studiet av purinbiosyntes var de amerikanska biokemisterna John Mechlin Buchanan (1917-2007), J. Robert Greenberg (1918-2005), Arthur Kornberg (1918-2007). Buchanan matade olika märkta föreningar till fåglar (duvor) , isolerade sedan urinsyra från deras exkrementer och studerade inkorporeringen och distributionen av den radioaktiva märkningen. Buchanans arbete är ett klassiskt exempel på att dechiffrera metaboliska vägar med hjälp av isotopmärkningar och enzymologisk differentiering i separata steg.
Flera vägar för nedbrytning av purinbaser är kända.
Adenin deamineras till hypoxantin och guanin till xantin . Hypoxantin oxideras till xantin. Xantin oxideras till urinsyra (urat). Urinsyra, som ett resultat av oxidativ klyvning av pyrimidincykeln, omvandlas till allantoin . Som ett resultat av ytterligare hydrolytisk klyvning av imidazolringen bildas allantoinsyra (allantoinsyra, allantoat) från ( S )-allantoin . Som ett resultat av ytterligare successiv hydrolytisk klyvning av två ureamolekyler , bildas glyoxylsyra (glyoxylat) som slutprodukten av urikolys . [fyra]
De flesta mikroorganismer , växter , många fiskar och amfibier innehåller en komplett uppsättning urikolytiska enzymer - slutprodukterna av purinmetabolismen i dessa organismer är urea och glyoxylat, som är involverat i ämnesomsättningen. Benfisk utsöndrar allantoat som slutprodukten av purinmetabolism. Hos de flesta däggdjur och vissa insekter kulminerar urikolysen i bildandet av allantoin. De flesta landlevande insekter och landlevande blötdjur , reptiler , fåglar , människor och primater saknar uratklyvningsenzymer, och urinsyra är den huvudsakliga slutprodukten av purinbasnedbrytning. Hos urikoteliska djur (fåglar, de flesta reptiler, de flesta landlevande insekter och landlevande snäckor ) är urinsyra den huvudsakliga slutprodukten av inte bara purin utan även kvävemetabolism . [fyra]
Naturligtvis är nukleotider de primära metaboliterna, men de fungerar också som prekursorer i syntesen av andra mycket viktiga föreningar.
GTP är det initiala substratet i biosyntesen av riboflavin , tetrahydrobiopterin , folat , molybdopterin , tetrahydrometanopterin .
Donatorn av en kolatom och en kväveatom i histidinbiosyntesen är ATP , som omvandlas till AICAR som ett resultat.
Pyrimidinfragmentet av tiaminmolekylen bildas de novo från AIR med deltagande av S -adenosylmetionin eller från pyridoxalfosfat , beroende på typen av organism.
Omsättningen av puriner i olika organismer genererar en uppsättning sekundära metaboliter . Vissa av dessa metaboliska derivat har uttalad fysiologisk aktivitet, är välkända och har praktiska tillämpningar ( koffein , teofyllin , teobromin ). Vissa strukturella derivat med ett uttalat purinskelett ( saxitoxin ) är inte metaboliska derivat av purinkvävebaser och syntetiseras helt annorlunda.
Filippovich Yu. B. Fundamentals of biochemistry. - 4:e uppl., reviderad. och ytterligare .. - M . : "Agar", 1999. - 512 sid. — ISBN 5-89218-046-8 .