Biosynteza: 3 fakty, które powinieneś wiedzieć

Spis treści

Przeczytaj więcej przykładów na Puryn a także Przeczytaj więcej o Biosynteza

Biosynteza nukleotydów

Szlaki biosyntezy dzielą się na dwa różne typy: szlak de novo i szlak ratunkowy. Na ścieżkach de novo; zasady nukleotydowe syntetyzuje się z kilku prostych związków. Podstawowa struktura szkieletowa zasady pirymidynowej jest najpierw syntetyzowana, a następnie przyłączana do cukru rybozy. Jednakże struktura szkieletowa zasady purynowej jest syntetyzowana w częściach bezpośrednio na strukturze opartej na cukrze rybozie. 

5-fosforybozylo-1-pirofosforan (PRPP) + Aminokwasy + ATP + CO2 -> Nukleotyd

W ścieżkach odzyskiwania wstępnie uformowane zasady są otrzymywane, przegrupowywane i przegrupowywane w jednostce cukru rybozy. 

5-fosforybozylo-1-pirofosforan (PRPP) + zasada -> nukleotyd

Zarówno szlaki ratunkowe, jak i de novo działają w celu syntezy rybonukleotydów. Wszystkie deoksyrybonukleotydy są wytwarzane z odpowiadających im rybonukleotydów. Cukry dezoksyrybozy są wytwarzane w procesie redukcji cukru rybozy obecnego w całkowicie uformowanym nukleotydzie. Ponadto grupa metylowa, która odróżnia tyminę od uracylu (obecna odpowiednio w DNA i RNA) jest wprowadzana na ostatnim etapie szlaku. 

synteza de novo rybonukleotydu pirymidynowego

W syntezie de novo pirymidyn pierwszym krokiem jest powstanie podstawowego pierścienia zrębowego. Następnie pierścień zostaje przyłączony do cukru rybozy, aby wytworzyć nukleotyd pirymidynowy. 

Biosynteza puryn
(Biosynthesis of Pyrimidines): Basic Framework Structure of Pyrimidine Źródło obrazu: JyntoLiczby pirymidynowe 2D, oznaczony jako domena publiczna, więcej informacji na ten temat Wikimedia

Pierścień pirymidyny jest syntetyzowany z asparaginianu i fosforanu karbamoilu. Wodorowęglan i amoniak są prekursorami fosforanu karbamoilu. Synteza fosforanu karbamoilu odbywa się z wykorzystaniem wodorowęglanu i amoniaku w procesie wieloetapowym z wykorzystaniem dwóch cząsteczek ATP. Ta reakcja jest ułatwiona cytozolowo syntetaza karbamoilofosforanowa II

Fosforan karbamoilu zachowuje się jak asparaginian, syntetyzując asparaginian karbamoilu. Tę reakcję ułatwia transkarbamoilaza asparaginianowa. Karbamoiloasparaginian później ulega cyklizacji w celu wytworzenia dihydroorotanu, a następnie jest przekształcany w orotan w procesie utleniania.

5-fosforybozylo-1-pirofosforan (PRPP) + zasada -> nukleotyd

Zarówno szlaki ratunkowe, jak i de novo prowadzą do syntezy rybonukleotydów

Biosynteza | Biosynteza pirymidyn
Rysunek: Biosynteza pirymidyn Źródło zdjęcia: BorysTM at Angielska WikipediaNukleotydy syn2, oznaczony jako domena publiczna, więcej informacji na ten temat Wikimedia Commons

Orotan następnie przyłącza się do rybozy, która występuje w postaci PRPP. Jest to aktywowana forma rybozy, która jest dostępna do przyjmowania zasad nukleotydowych (PRPP powstaje z rybozo-5-fosforanu w drodze szlaku pentozofosforanowego po przyjęciu pirofosforanu z cząsteczki ATP). Orotan łączy się z PRPP, tworząc orotydylan nukleotydu pirymidynowego (OMP). Hydroliza pirofosforanu napędza tę reakcję.

Enzym zwany fosforybozylotransferazą orotanu katalizuje reakcję wymagającą produkcji orotydylanu. Funkcja tego enzymu jest podobna do innych fosforybozylotransferaz, które dodają różne grupy do PRPP w celu utworzenia innych nukleotydów. Ten orotydylan później dekarboksyluje z wytworzeniem urydylanu (UMP). UMP jest ważnym nukleotydem pirymidynowym i prekursorem RNA. Ta reakcja zachodzi w obecności enzymu dekarboksylazy orotydylanu. 

Synteza cytydyny (rybonukleotyd pirymidynowy)

Cytydyna jest syntetyzowana z uracylowej podstawy UMP. Przed utworzeniem cytydyny UMP przekształca się w UTP. Monofosforany nukleozydów (NMP) są przekształcane w trifosforany nukleozydów (NTP) w następujących etapach reakcji:

- Monofosforany nukleozydów (UMP) są przekształcane w difosforany nukleozydów (UDP), a następnie trifosforany nukleozydów (UTP).

- Utworzony UTP można przekształcić w trifosforan cytydyny (CTP) przez zastąpienie grupy karbonylowej grupą aminową. 

Redukcja rybonukleotydów do postaci dezoksyrybonukleotydów

Prekursorami kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) są deoksyrybonukleotydy; tworzy je redukcja difosforanu rybonukleozydu. Ta konwersja jest katalizowana przez reduktazę rybonukleotydową. Elektrony są później przenoszone z NADPH do grup sulfhydrylowych lub tiolowych obecnych w miejscu aktywnym enzymu. W tym transferze elektronów pośredniczą białka, takie jak tioredoksyna i glutaredoksyna. DUMP przekształca się w dTMP przez dodanie grupy metylowej. Grupa metylenowa i wodorek w tej reakcji są dostarczane przez N5, N10-metylenotetrahydrofolian. Później to N5, N10-metylenotetrahydrofolian przekształca się w dihydrofolian. Ponadto ten dihydrofolian ulega redukcji w obecności NADPH z wytworzeniem tetrahydrofolianu. Reakcję tę ułatwia enzym znany jako reduktaza dihydrofolianowa.

Chemioterapeutyki, takie jak metotreksat (ametopteryna) i aminopteryna, hamują aktywność reduktazy dihydrofolianowej. Ten analog kwasu foliowego działał jako inhibitor współzawodnictwa.

Rybonukleotyd purynowy

Pierścień purynowy składa się z różnych prekursorów:

- Glutamina (N3 i N9)

- Glicyna (C4, C5 i N7)

- asparaginian (N1)

- N10-formylotetrahydrofolian (C2 i C8)

- CO2 (C6)

Biosynteza puryn
(Biosynteza puryn): Podstawowa struktura szkieletowa puryny
Źródło obrazu:NEUROtikerPuryna num2, oznaczony jako domena publiczna, więcej informacji na ten temat Wikimedia Commons

synteza de novo puryn (biosynteza puryn)

Synteza de novo puryn (Biosynteza puryn) zaczyna się od prostych substancji, takich jak wodorowęglany i aminokwasy. Zasady purynowe są montowane na pierścieniu rybozy w przeciwieństwie do pirymidyn,

Podobnie jak biosynteza pirymidyny, biosynteza puryn de novo wymaga PRPP. Jednak w przypadku puryn PRPP stanowi platformę, na której zasady azotowe są syntetyzowane w wielu etapach. W pierwszym etapie wypieranie pirofosforanu zachodzi przez amoniak zamiast wstępnie zmontowanej zasady do produkcji 5-fosforybozylo-1-aminy. 

Amidotransferaza glutaminy PRPP katalizuje tę reakcję, co zapobiega nieekonomicznej hydrolizie obu substratów. Enzym amidotransferaza bierze pod uwagę konformację substancji czynnej tylko do wiązania PRPP i glutaminy. Aktywność tego enzymu jest hamowana przez analog glutaminy, azaserynę, która w rezultacie hamuje angiogenezę i złośliwość.

Później następuje dodanie glicyny, szereg formylowania, aminowania i zamknięcia pierścienia. Ta seria reakcji prowadzi do powstania rybonukleotydu 5-aminoimidazolu. Ten 5-aminoimidazolowy rybonukleotyd ma kompletny pięcioczłonowy pierścień szkieletu purynowego. Dodanie dwutlenku węgla i atomu azotu z asparaginianu wraz z grupą formylową bierze udział w zdarzeniu zamknięcia pierścienia lub cyklizacji. To ostatecznie tworzy inozynian (IMP), który jest rybonukleotydem purynowym.

Biosynteza puryn
(Biosynteza puryn): de novo Biosynteza puryn
Źródło obrazu: BorysTM at Angielska WikipediaNukleotydy syn1, oznaczony jako domena publiczna, więcej informacji na ten temat Wikimedia Commons

Biosynteza puryny de novo przebiega jak wspomniano w następujących krokach:

  • Proces fosforylacji aktywuje grupę karboksylanową glicyny. Glicyna później łączy się z grupą aminową 5-fosforybozylo-1-aminy. W konsekwencji powstaje nowe wiązanie amidowe i glicyna (grupa aminowa) zachowuje się jak nukleofil w kolejnych etapach reakcji.
  • Aktywowany mrówczan jest następnie dodawany do grupy aminowej glicyny w celu wytworzenia rybonukleotydu formyloglicynoamidu. W kilku organizmach w katalizie na tym etapie biorą udział dwa różne enzymy. Jeden enzym bierze udział w przenoszeniu grupy formylowej, podczas gdy inny enzym inicjuje mrówczan z utworzeniem fosforanu formylowego. Następnie do grupy aminowej glicyny dodaje się fosforan formylu (źródłem grupy formylowej jest N10-formylotetrahydrofolian)
  • Grupa amidowa jest następnie aktywowana i przekształcana w amidynę przez dodanie amoniaku (źródłem amoniaku na tym etapie jest glutamina).
  • Występuje cyklizacja rybonukleotydu formyloglicynoamidu z utworzeniem pięcioczłonowego pierścienia imidazolowego. Ten pierścień imidazolowy jest charakterystyczny dla puryn. Ten proces cyklizacji jest korzystny termodynamicznie i wykonalny.
  • Nieodwracalność tej reakcji zapewnia zużycie jednej cząsteczki ATP.
  • Wodorowęglan ulega fosforylacji, a następnie reaguje z egzocykliczną grupą aminową. Produkt utworzony w poprzedniej reakcji następnie przegrupowuje się i przenosi swoją grupę karboksylanową na pierścień imidazolowy. Ponadto ssaki nie potrzebują na tym etapie ATP. Wodorowęglan przyłącza się do egzocyklicznej grupy aminowej, a później przenosi się do pierścienia imidazolowego.
  • Grupa karboksylanu imidazolu jest dalej fosforylowana, a grupa aminowa asparaginianu zastępuje fosforan. To sześciostopniowa kaskada reakcji łączy glicynę, mrówczan, amoniak, wodorowęglan i asparaginian w celu wytworzenia związku pośredniego zawierającego wszystkie atomy z wyjątkiem dwóch potrzebnych do utworzenia pierścienia purynowego.

Trzy kolejne etapy kończą syntezę pierścienia. Następnie usuwa się fumaran, będący związkiem pośrednim w cyklu Krebsa, co w efekcie ułatwia przyłączenie atomu azotu z asparaginianu do pierścienia imidazolowego. Grupa aminowa oddana przez asparaginian i jednoczesne usunięcie fumaranu stymulują przemianę cytruliny w argininę. Do katalizowania tych etapów w obu szlakach wymagane są homologiczne enzymy. Do atomu azotu dodaje się grupę formylową (źródłem grupy formylowej jest N10-formylotetrahydrofolian), tworząc końcowy związek pośredni, który inicjuje proces cyklizacji z eliminacją cząsteczek wody, tworząc inozynian.

Powstanie AMP i GMP

Ten IMP przekształca się w AMP lub GMP jest przeprowadzany w dwuetapowej ścieżce zakończonej kosztem energii. (Synteza AMP wymaga GTP jako źródła energii, podczas gdy synteza GMP wymaga ATP). 

IMP -> XMP -> GMP

IMP jest przekształcany w XMP (monofosforan ksantyny) w wyniku działania dehydrogenazy IMP (wykorzystanie NAD jako kofaktora)

XMP jest dalej przekształcany w GMP (monofosforan guanozyny) przez działanie amidotransferazy XMP-glutaminy.

IMP -> Adenylosuccinate -> AMP

IMP jest przekształcany w adenylobursztynian w wyniku działania enzymu syntetazy adenylobursztynianu. Adenylobursztynian jest dalej przekształcany w AMP (monofosforan adenozyny) w wyniku działania enzym liaza adenylobursztynianowa.

Konwersja (NMP) monofosforanów nukleozydów do (NDP) difosforanów i trifosforanów nukleozydów (NTP). 

Difosforany nukleozydów (NDP) są syntetyzowane z ich odpowiednich monofosforanów nukleozydów (NMP) przy użyciu specyficznej zasady enzym, taki jak kinazy nukleozydowo-monofosforanowe. Ale te kinazy nie rozróżniają rybozy i dezoksyrybozy w substratach. Ogólnie rzecz biorąc, ATP jest głównym źródłem przenoszonego fosforanu, ponieważ jest on dostępny w wyższych stężeniach wewnątrz komórek w porównaniu z innymi trifosforanami nukleozydów.

Na przykład, 

Kinaza adenylanowa

AMP + ATP -> 2 ADP

Kinaza guanylanowa

GMP + ATP -> PKB + ADP

Dwufosforany nukleozydów (NDP) są przekształcane w trifosforany nukleozydów (NTP) przez działanie kinazy difosforanowej nukleozydu, enzym ten ma szeroką specyficzność. W przeciwieństwie do kinazy monofosforanowej nukleozydu (która ma wąską specyficzność). 

kinaza difosforanowa nukleozydów pomaga w katalizowaniu obu następujących reakcji:

PKB + ATP -> GTP + ATP

CDP + ATP -> CTP + ADP

Szlaki ratunkowe dla biosyntezy puryn

Puryny, które są wytwarzane w wyniku degradacji kwasów nukleinowych wewnątrz komórki lub które są otrzymywane z normalnej diety, ale te puryny można ponownie przekształcić w trifosforany nukleozydów (NTP) w celu ponownego wykorzystania przez organizm. Ten proces jest znany jako ścieżka ratunkowa syntezy puryn. Szlak ten obejmuje dwa główne enzymy: (APRT) fosforybozylotransferazę adeninową i (HGPRT) fosforybozylotransferazę hipoksantynowo-guaninową. Oba enzymy wykorzystują PRPP (które jest głównym źródłem rybozo-5-fosforanu).

APRT katalizuje reakcję polegającą na tworzeniu adenylanu:

Adenina + PRPP -> Adenylat + PPi

HGPRT katalizuje reakcję polegającą na tworzeniu inozynianu (monofosforan inozyny, IMP). Jest cząsteczką prekursorową do syntezy guanylanu i adenylanu.

Guanina + PRPP -> Guanylate + PPi

Hipoksantyna + PRPP -> inozynian + PPi

Podobne ścieżki odzyskiwania istnieją dla pirymidyn. Pirymidynowa fosforybozylotransferaza połączy się ponownie z uracylem, ale nie połączy cytozyny z PRPP.

wnioski

Biosynteza nukleotydów, która zwykle obejmuje zarówno biosyntezę puryn, jak i pirymidyn, zachodzi wewnątrz komórki, jak omówiono w artykule.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o biosyntezie i biotechnologii kliknij tutaj

Najczęściej zadawane pytania

Q1. Puryna vs pirymidyna (zaznacz pewne różnice między purynami i pirymidynami)

Odpowiedź: Zasady azotowe są ogólnie podzielone na dwie rodziny; mianowicie puryny i pirymidyny. Są elementami budulcowymi lub jednostkami monomerycznymi kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) i kwasu rybonukleinowego (RNA).

  • Puryny to struktury z podwójnym pierścieniem, podczas gdy pirymidyny zawierają pojedynczy pierścień. Zarówno puryny, jak i pirymidyny są strukturami heterocyklicznymi (pierścień zawiera więcej niż jeden rodzaj atomów składowych).
  • Puryny są dwóch podstawowych typów, a mianowicie adeniny i guaniny. Natomiast pirymidyny mają trzy podstawowe typy: tyminę, cytozynę i uracyl (występuje tylko w RNA zamiast tyminy).
  • Puryna rozkłada się do kwasu moczowego, podczas gdy pirymidyny rozkładają się, tworząc tlenek karbondi, amoniak i beta-aminokwasy.

Q2. Dlaczego puryna zawsze łączy się w parę zasad z pirymidyną

Odpowiedź: Ze względu na właściwości strukturalne zasad azotowych, pary puryn i pirymidyn charakteryzują się specyficznością. Adenina (A) zawsze łączy się w pary z tyminą (T), podczas gdy guanina (G) zawsze łączy się w pary z cytozyną (C).

Te kombinacje zasad azotowych mają tendencję do tworzenia między nimi wiązań wodorowych.

(A) Adenina tworzy dwa wiązania wodorowe z (T) Tyminą. Natomiast (G) Guanina tworzy trzy wiązania wodorowe z (C) Cytozyną.

Przeczytaj także: