На синтез молекулы IMP затрачивается энергия гидролиза шести макроэргических фосфодиэфирных связей АТР, при этом в качестве предшественников выступают глицин, глутамин, метенилтетрагидрофолат и аспартат. Для экономии энергетических и питательных ресурсов важна эффективная регуляция процесса биосинтеза пуринов de novo. Важнейшую роль в этом процессе играет внутриклеточная концентрация ФРПФ. Она определяется соотношением скоростей его синтеза, утилизации и деградации. Скорость синтеза ФРПФ зависит от 1) наличия субстратов синтеза, особенно рибозо-5-фосфата, и 2) каталитической активности ФРПФ-синтазы, которая в свою очередь связана с внутриклеточной концентрацией фосфатов, а также с концентрацией пуриновых и пиримидиновых рибонуклеотидов, выступающих в роли аллостерических регуляторов (рис. 6). Скорость утилизации ФРПФ в значительной степени зависит от интенсивности цикла реутилизации пуриновых оснований, в ходе которого ксантин и гуанин фосфорибозилируются до соответствующих рибонуклеотидов. В меньшей степени скорость утилизации ФРПФ зависит от интенсивности синтеза пуринов de novo. Этот вывод основан на следующем наблюдении: в эритроцитах и культивируемых фибробластах мужчин с наследственным нарушением активности гипоксантин-гуанин--фосфо-рибозилтрансферазы уровень ФРПФ повышается в несколько раз.
Рисунок 6. Регуляция скорости синтеза пуринов de novo. Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозначают ингибирование конечными продуктами по принципу обратной связи.
Показано, что ФРПФ-амидотрансфераза - первый из ферментов, участвующих в процессе синтеза пуриновых нуклеотидов de novo, ингибируется in vitro пуриновыми нуклеотидами (особенно аденозинмонофосфатом и гуанозинмонофосфатом) по принципу обратной связи. Эти ингибиторы конкурируют с субстратом -- ФРПФ, последний, как выяснилось, занимает центральное место в регуляции синтеза пуринов de novo. Многие косвенные данные свидетельствуют о том, что роль амидотрансферазы в этом процессе менее существенна, чем ФРПФ-синтетазы.
Образование GMP или AMP из IMP регулируется двумя механизмами (рис. 7).
Рисунок 7. Регуляция превращений IMP в аденозиновые и гуанозиновые нуклеотиды. Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозначают положительную и отрицательную регуляцию по принципу обратной связи.
AMP регулирует активность аденилосукцинатсинтетазы, влияя по принципу обратной связи на собственный синтез. GMP регулирует собственный синтез, действуя по тому же принципу на 1МР-дегидрогеназу. Наряду с этим образование аденилосукцината из IMP на пути к AMP стимулируется GTP. Образование же GMP из ксантозинмонофосфата требует присутствия АТР. Таким образом, наблюдается существенная перекрестная регуляция дивергентных путей метаболизма IMP. Такая регуляция тормозит биосинтез одного из пуриновых нуклеотидов при недостатке другого. Гипоксантингуанин-фосфорибозилтрансфераза, катализирующая образо-вание из ксантина и гуанина IMP и GMP соответственно, весьма чувствительна к ингибирующему действию этих нуклеотидов.
Восстановление рибонуклеозиддифосфатов до дезоксирибонуклеозид-дифосфатов является объектом сложной регуляции. Этот процесс (рис. 8) обеспечивает сбалансированное образование дезоксирибонуклеотидов для синтеза ДНК.
Рисунок 8. Регуляция восстановления пуриновых и пиримидиновых рибонуклеотидов до соответствующих 2'-дезоксирибонуклеотидов. Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозначают положительную и отрицательную регуляцию по принципу обратной связи.
7. Биосинтез пиримидинов
Структура ядра пиримидинов проще и путь их биосинтеза короче, чем у пуринов. В то же время оба пути имеют ряд общих предшественников. ФРПФ, глутамин, СО2 и аспартат необходимы для синтеза всех пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов. Синтез тимидиновых нуклеотидов, а также всех пуриновых нуждается в присутствии производных тетрагидрофолата. Можно отметить одно существенное различие в путях биосинтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. В первом случае синтез начинается с молекулы рибозофосфата как интегральной части будущей молекулы предшественника нуклеотида, во втором случае сначала синтезируется пиримидиновое основание и только на последних стадиях присоединяется остаток рибозофосфата.
Синтез пиримидинового кольца (рис. 9) начинается с образования карбамоилфосфата из глутамина, АТР и СО2 в реакции, катализируемой в цитозоле карбамоилфосфатсинтазой (реакция 1). Отметим, что карбамоилфосфатсинтаза, ответственная за ранние стадии синтеза мочевины, локализована в митохондриях.
Первый уникальный для биосинтеза пиримидинов этап -- образование карбамоиласпартата в реакции конденсации карбамоилфосфата и аспартата катализируется аспартаттранскарбамоилазой (реакция 2). Затем в реакции, катализируемой дигидрооротазой, выщепляется Н2О и образуется кольцевая структура (реакция 3).
На следующем этапе происходит дегидрогенирование под действием дигидрооротатдегидрогеназы с использованием NAD в качестве кофактора, при этом образуется оротовая кислота (реакция 4).
В реакции 5 к оротовой кислоте присоединяется остаток рибозофосфата с образованием оротидилата (оротидинмонофосфат, ОМР). Этот процесс осуществляется оротат-фосфорибозилгрансферазой -- ферментом, аналогичным гипоксантин-гуанин--фосфорибозилтрансферазе и аденин-фосфорибозил-трансферазе, которые участвуют в фосфорибозилировании пуриновых колец.
Первый истинный пиримидиновый рибонуклеотид--уридилат (уридинмонофосфат, UMP) образуется при декарбоксилировании оротидилата (реакция 6). Таким образом, только на предпоследней стадии образования UMP происходит фосфорибозилирование гетероцикла.
Дигидрооротатдегидрогеназа митохондриальный фермент. Все остальные ферменты, участвующие в синтезе пиримидинов de novo, локализуются в цитозоле.
Фосфорилирование пиримидиновых нуклеозидмонофосфатов до соответствующих ди- и трифосфатов происходит аналогично тому, как это описано для пуриновых нуклеозидмонофосфатов (реакции 7--12). UTP аминируется до СТР; в реакции участвуют глутамин и АТР (реакция 9). Механизм восстановления пиримидиннуклеозиддифосфатов до соответствующих 2/-дезоксинуклеозиддифосфатов (реакция 10) также аналогичен тому, который описан для пуриновых нуклеозиддифосфатов (рис. 5 и 8).
Образование тимидилата (тимидинмонофосфат; ТМР) (реакция 12) -- единственная реакция на пути биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов, требующая участия производного тетрагидрофолата в качестве донора одноуглеродного фрагмента. 2'-Дезокси-UMP метилируется тимидилатсинтазой, использующей N5, N10-метилентетрагидрофолат как донор метильной группы.
Рисунок 9. Путь биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов.
Метиленовая группа N5, N10-метилентетрагидрофолата в ходе реакции восстанавливается до метильной и присоединяется к атому С-5 dUMP. Процесс сопровождается окислением тетрагидрофолатного переносчика до дигидрофолата. Можно считать, что в результате метилирования dUMP с образованием ТМР происходит полное восстановление гидроксиметильной группы серина (переносимой на тетрагидрофолат при образовании N5, N10-метилентетрагидрофолата) до метильной с одновременным окислением тетрагидрофолата до дигидрофолата. Для того чтобы фолатный переносчик и далее мог функционировать, необходимо восстановить дигидрофолат до тетрагидрофолата. Эту реакцию катализирует дигидрофолатредуктаза. Именно поэтому делящиеся клетки, вынужденные синтезировать ТМР с образованием дигидрофолата, оказываются особенно чувствительны к ингибиторам дигидрофолатредуктазы. Один из таких ингибиторов -- метотрексат (аметоптерин) широко используется как противоопухолевый препарат (см. ниже).
8. Регуляция биосинтеза пиримидинов
Путь биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов регулируется двумя различными механизмами. Активность первых двух ферментов находится под контролем аллостерических эффекторов. Кроме того, три первых и два последних фермента являются объектами координированной репрессии--дерепрессии. Карбамоилфосфатсинтаза ингибируется UTP, пуриновыми нуклеотидами, но активируется ФРПФ (рис. 10). Аспартаттранскарбамоилаза особенно чувствительна к ингибирующему влиянию СТР. Аллостерические свойства аспартаткарбамоилазы микроорганизмов явились предметом интенсивных и ставших уже классическими исследований механизмов аллостерической регуляции активности ферментов.
Скорость биосинтеза пиримидинов коррелирует со скоростью биосинтеза пуринов, что указывает на координированный контроль синтеза нуклеотидов обоих типов. ФРПФ-синтетаза, фермент, катализирующий образование предшественника обоих путей биосинтеза, ингибируется по принципу обратной связи как пуриновыми, так и пиримидиновыми нуклеотидами. Карбамоилфосфатсинтаза также подвержена ингибированию по принципу обратной связи нуклеотидами обоих типов, а ФРПФ активирует этот фермент. Таким образом, на нескольких этапах биосинтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов осуществляется перекрестная регуляция.
Рисунок 10. Регуляция пути биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов. Сплошные линии указывают путь химических превращений. Пунктирные линии обозначают положительную и отрицательную регуляцию по принципу обратной связи. Сокращения расшифрованы на рис. 9.
9. ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ СИНТЕЗА ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДОВ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ НОВООБРАЗОВАНИЙ
Препараты этой группы являются антагонистами естественных метаболитов. При наличии опухолевых заболеваний используют в основном следующие вещества (см. структуры).
Антагонисты фолиевой кислоты: Метотрексат (аметоптерин).
Антагонисты пурина: Меркаптопурин (леупурин, пуринетол).
Антагонисты пиримидина: Фторурацил (флуороурацил); Фторафур (тегафур); Цитарабин (цитозар).
Рисунок 11.Химические структуры ряда метаболитов и их антиметаболитов.
Химически антиметаболиты лишь похожи на естественные метаболиты, но не идентичны им. В связи с этим они вызывают нарушение синтеза нуклеиновых кислот.
Это отрицательно сказывается на процессе деления опухолевых клеток и приводит их к гибели.
Действуют антиметаболиты на разных этапах синтеза нуклеиновых кислот, ингибируя ферменты их синтеза. Так, механизм антибластомного эффекта метотрексата, очевидно, заключается в том, что он угнетает дигидрофолатредуктазу, а также тимидил-синтетазу. Это нарушает образование пуринов и тимидина, в результате чего угнетается синтез ДНК. Меркаптопурин, по-видимому, препятствует включению пуринов в полинуклеотиды. Полагают, что фторурацил нарушает синтез нуклеотидов или тимидина и их включение в ДНК. Имеются данные о том, что в клетках опухоли фторурацил превращается в 5-фтор-2-дезокси-уридин-5-монофосфат, который является ингибитором фермента тимидил-синтетазы.
Антагонист фолиевой кислоты метотрексат и антагонист пурина меркаптопурин назначают главным образом при острых лейкозах. Метотрексат эффективен при указанной патологии в основном у детей, а меркаптопурин - также у взрослых. Кроме того, меркаптопурин и особенно метотрексат с успехом применяют при хорионэпителиоме матки. Метотрексат используют также в комбинированной химиотерапии ряда истинных (солидных) опухолей, например, рака молочной железы (см. рис. 32.1; табл. 32.2).
При лечении острых лейкозов улучшение общего состояния и гематологической картины происходит постепенно. Продолжительность ремиссии исчисляется несколькими месяцами.
Принимают препараты, как правило, внутрь. Метотрексат выпускают и для парентерального введения.
Метотрексат выделяется почками преимущественно в неизмененном виде. Часть препарата задерживается в организме очень длительное время (месяцы). Меркаптопурин подвергается в печени химическим превращениям и в моче обнаруживаются его метаболиты.
Таблица 1. Основные показания к применению ряда синтетических цитотоксических средств. 1 ОЛЛ -- острая лимфобластическая лейкемия; ОМЛ -- острая миелогенная лейкемия; ХЛЛ -- хроническая лимфоцитарная лейкемия; ХМЛ -- хроническая миелогенная лейкемия.
Отрицательные стороны действия препаратов проявляются в угнетении ими кроветворения, тошноте, рвоте. У ряда больных наблюдается нарушение функции печени. Метотрексат поражает слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта, вызывает конъюнктивиты.
Антагонист пиримидина -- фторурацил существенно отличается по спектру антибластомного действия от метотрексата и меркаптопурина. Если последние эффективны главным образом при остром лейкозе, т.е. при гемобластозе, то фторурацил применяют при истинных опухолях. Его назначают при раке желудка, поджелудочной железы и толстого кишечника, раке молочной железы. У части пациентов фторурацил дает временную регрессию опухолей.
Вводят препарат внутривенно, так как из желудочно-кишечного тракта он всасывается плохо. В печени фторурацил подвергается химическим превращениям. Образующиеся метаболиты выделяются почками.
Токсичность препарата значительная. Из неблагоприятных эффектов наиболее серьезны угнетение кроветворения и язвенное поражение пищеварительного тракта (стоматит, энтерит). Кроме того, нарушается аппетит, возникают тошнота, рвота, понос. Отмечаются также облысение, поражение ногтей, дерматит.
Аналогичными свойствами обладает препарат фторафур, являющийся фтористым производным пиримидина. Он несколько менее токсичен, чем фторурацил. Применяют его при раке молочной железы, раке прямой и толстой кишки, раке желудка.
К антиметаболитам относятся также тиогуанин и цитарабин (ци-тозин-арабинозид), которые применяют при острых миелоидной и лимфоид-ной лейкемиях. Антагонист пиримидина флударабина фосфат (флуда-ра) в основном используют при хроническом лимфоцитарном В-клеточном лейкозе. Обычно его назначают при резистентности к стандартным курсам химиотерапии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Харкевич Д.А. Фармакология. М.: ГЭОТАР Медицина, 2000. - 664 с.
2. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. - Т2. 736 с.
3. Марри Р., Греннер Д., Мейерс П., Родуэл В. Биохимия человека. - M., Мир, 1993. -Т 2, 416 с.
4. Албертс Б., Брей Д., Льюис Д., Рэфф М., Робертс К., Уотсон. Д. Молекулярная биология клетки. - М., Мир, 1987. Т 3, 296 с.
5. Prusoff W. H. et. al. Nucleoside analoges with antiviral activity. Biochem. Pharm., 1976, 25, 1223
6. Michelson A.M. The chemistry of Nucleosides and Nucleotides. Academic Press. 1963.
Страницы: 1, 2
