Metabolizmus purínov

Metabolizmus purínov označuje metabolické dráhy na syntézu a rozklad purínov, ktoré sú prítomné v mnohých organizmoch.

 Biosyntéza 
Puríny sú biologicky syntetizované ako nukleotidy, konkrétne ribotidy, teda bázy naviazané na ribóza-5-fosfát. Adenín aj guanín (respektíve ich nukleotidy, adenozínmonofosfát a guanozínmonofosfát) sú odvodené od nukleotidu inozínmonofosfátu (IMP), čo je prvá zlúčenina v tejto dráhe s celým purínovým kruhovým systémom.

 IMP 
náhľad|409x409bod|Syntéza IMP.  Súčasti metabolizmu sú farebne označené: enzýmy, koenzýmy, názvy substrátov, ióny kovov, anorganické molekuly
náhľad|438x438pixelů|Syntéza AMP. 
Inozínmonofosfát (IMP) sa syntetizuje na už existujúcom ribózafosfátovom kruhu zložitou dráhou. Zdrojom uhlík a dusíka (celkovo 5 C a 4 N) purínového kruhu sú rôzne zlúčeniny. Aminokyselina glycín prispieva dva uhlíkové a jeden dusíkový atóm, ďalšie dusíky pochádzajú z glutamínu (dva atómy dusíka) a aspartátu (jeden atóm dusíka). Uhlíky potom pochádzajú z formylových skupín (dva atómy uhlíka), ktoré sú prenesené z koenzýmu tetrahydrofolátu (THF) v podobe 10-formyltetrahydrofolátu (fTHF), a hydrogénuhličitanu (jeden atom uhlíka). Formylové skupiny tvoria konkrétne uhlíky 2 a 8, ktoré predstavujú mostíkové uhlíkové atómy medzi dvoma dusíkovými atómami.

Kľúčový regulačný krok je tvorba 5-fosfo-α-D-ribozyl-1-pyrofosfátu (PRPP) enzýmom ribózafosfátpyrofosfokináza (PRPS1), ktorá je aktivovaná anorganickým fosfátom a inaktivovaná purínovými ribonukleotidmi. PRPP sa však využíva i v syntéze pyrimidínov, v recyklačných dráhach a pri syntéze aminokyselín histidínu a tryptofánu, takže sa nejedná o záväzný krok.

Prvým záväzným krokom je reakcia PRPP, glutamínu a vody za vzniku 5'-fosforibozylamínu (PRA), glutamátu a pyrofosfátu. Počas reakcie dochádza k inverzii anomérneho uhlíka ribózy z α na β, čím je daná poloha vznikajúcej dusíkatej báze. Hydrolýza štiepeného pyrofosfátu zaručuje jednosmerný priebeh reakcie. Túto reakciu katalyzuje PRPP aminotransferáza (PPAT, občas zvaná i amidofosforibozyltransferáza), ktorá je aktivovaná PRPP a inhibovaná AMP, GMP a IMP:

PRPP + L-glutamín +  → PRA + L-glutamát + 

V druhom kroku reaguje PRA s glycínom a ATP a vzniká glycínamidribonukleotid (GAR), ADP a pyrofosfát. Tento proces katalyzuje fosforibozylamín-glycín ligáza (GAR syntetáza; GARS). PRA je chemicky labilná zlúčenina s polčasom života asi 38 sekúnd pri pH 7,5 a teplote 37 °C. Predpokladá sa, že in vivo je PRA smerované od PPAT priamo ku GARS. 

PRA + glycín + ATP → GAR + ADP + 

Glycínamidribonukleotidformyltransferáza (GART) katalyzuje tretiu reakciu, pri ktorej vzniká fosforibozyl-N-formylglycínamid (FGAR). Reakcie sa účastní koenzým fTHF, ktorý prenáša formylovú skupinu na GAR:

GAR + fTHF → FGAR + THF

Fosforibozylformylglycínamidsyntáza (PFAS) katalyzuje štvrtú reakciu. Vzniká pri nej 5'-fosforibozylformylglycínamidín (FGAM) z FGAR, na ktorý sa prenáša aminoskupina z glutamínu:

FGAR + L-glutamín + ATP → FGAM + L-glutamát + ADP + 

AIR syntetáza (AIRS, známa i ako FGAM cykláza) katalyzuje piatu reakciu, pri ktorej dochádza k uzavretiu päťčlenného kruhu a vzniku 5-aminoimidazolribotidu (AIR). Reakcia, ktorú AIRS katalyzuje, je nasledovná:

FGAM + ATP → AIR + ADP +  + H2O

Fosforibozylaminoimidazolkarboxyláza (AIRC) katalyzuje šiestu reakciu, kde sa karboxyluje AIR za vzniku 5'-fosforibozyl-4-karboxy-5-aminoimidazolu (CAIR):

AIR + HCO3- → CAIR + 2 H+

Fosforibozylaminoimidazolsukcinokarboxamidsyntáza (PAICS) katalyzuje siedmu reakciu, pri ktorej sa z CAIR a L-aspartátu stáva fosforibozylaminoimidazolsukcinokarboxamid (SACAIR). Dochádza tu k naviazaniu aspartátu za hydrolýzy ATP:

CAIR + L-aspartát + ATP → SACAIR + ADP + 

Adenylosukcinátlyáza (ADSL) katalyzuje ôsmu reakciu, pri ktorej sa štiepi fumarát a vzniká 5-aminoimidazol-4-karboxamidribonukleotid (AICAR). ADSL katalyzuje tú istú reakciu i v cykle purínových nukleotidov:

SACAIR → AICAR + fumarát

Fumarát, ktorý vzniká, sa presúva do citrátového cyklu, kde z neho vzniká malát. Takto sa syntéza purínov spája s citrátovým cyklom. Druhým produktom je AICAR, ktorý pokračuje ďalej do deviateho kroku tejto dráhy. Fosforibozylaminoimidazolkarboxamidformyltransferáza (nazývaná i ATIC) katalyzuje deviatu reakciu, pri ktorej sa opäť prenáša formylová skupina a vzniká 5-formamidoimidazol-4-karboxamidribotid (FAICAR):

AICAR + fTHF → FAICAR + THF

Posledným desiatym krokom dráhy je syntéza inozínmonofosfátu (IMP), ktorý katalyzuje enzým inozínmonofosfátsyntáza:

FAICAR → IMP + H2O

Posledné dva kroky prebiehajú vďaka jedinému bifunkčnému enzýmu. To isté platí pre reakcie 6 a 7, ktoré takisto katalyzuje bifunkčný enzým, a reakcie 3, 4 a 6, ktoré prebiehajú na jednom proteíne.

 GMP 
Guanozínmonofosfát (GMP) je syntetizovaný nasledovne:
 IMP dehydrogenáza (IMPDH) premieňa IMP na xantozínmonofosfát (XMP)
 GMP syntáza premieňa XMP na GMP

GMP reduktáza prípadne premieňa GMP naspäť na IMP.

 AMP 
Adenozínmonofosfát (AMP) je syntetizovaný nasledovne:
 Adenylosukcinátsyntáza (ADSS) premieňa IMP na adenylosukcinát
 Adenylosukcinátlyáza (ADSL) štiepi adenylosukcinát na fumarát a AMP

AMP deamináza je schopná prípadne premeniť AMP naspäť na IMP.

 Multifunkčné enzýmy 
V rámci tejto metabolickej dráhy existuje niekoľko multifunkčných enzýmov, ktoré katalyzujú viac reakcií:

 U vyšších eukaryotov, vrátane ľudí, sú GARS, GART a AIRS súčasťou trifunkčného enzýmového komplexu.
 AIRC a PAICS sú súčasťou bifunkčného enzýmu.
 Posledné dva kroky (syntéza FAICAR a IMP) katalyzuje bifunkčný enzým.
 ADSL je bifunkčný enzým, ktorý katalyzuje štiepenie fumarátu ako zo SAICAR, tak aj z adenylosukcinátu.

 Degradácia 
Puríny sú metabolizované niekoľkými enzýmami. Hypoxantín, guanín a adenín sa premieňajú pôsobením enzýmov na xantín, ktorý sa následne metabolizuje ďalej. V prvom kroku sa z nukleovej kyseliny štiepia nukleotidy pomocou nukleázy, potom dochádza k štiepeniu fosfátovej skupiny nukleotidázou. Následne purínnukleozidfosforyláza štiepi nukleozidy na ribóza-1-fosfát a príslušnú purínovú bázu. Báze sa potom postupne premieňajú nasledovne:

 Xantín
 Xantínoxidáza (XO) katalyzuje oxidáciu xantínu na kyselinu močovú, koncový produkt rozkladu purínov u ľudí

 Hypoxantín 
 Hypoxantín sa premieňa na xantín pôsobením XO

 Guanín 
U guanínu, respektíve guanozínu, existujú dva spôsoby spracovania, ktoré vedú k tomu istému výsledku:
 Nukleotidáza tvorí guanozín
 Guanozín sa premieňa pôsobením guanozíndeaminázy na xantozín, z ktorého sa štiepi xantín
 Alternatívne štiepi purínnukleozidfosforyláza guanín, z ktorého guanozíndeamináza tvorí xantín

 Adenín 
U adenínu, respektíve adenozínu, existujú dva spôsoby spracovania, ktoré vedú k tomu istému výsledku:
 Nukleotidáza tvorí adenozín
 Adenozín sa premieňa pôsobením adenozíndeaminázy na inozín, z ktorého sa štiepi hypoxantín
 Alternatívne štiepi purínnukleozidfosforyláza adenín, z ktorého adenyláza tvorí hypoxantín

 Regulácia biosyntézy purínových nukleotidov 
Tvorba 5'-fosforibozylamínu (PRA) z glutamínu a PRPP katalyzovaná PRPP aminotransferázou (PPAT) je regulačným krokom purínovej syntézy. Tento enzým je alostericky regulovaný prítomnosťou metabolitov. Vysoká koncentrácia PRPP tento enzým aktivuje, ale prítomnosť IMP, GMP a AMP vo vysokých koncentráciách inhibuje jeho pôsobenie. IMP, GMP a AMP sú teda inhibítory, zatiaľ čo PRPP je aktivátor.

Okrem toho je syntéza PRPP inhibovaná prítomnosťou ADP a GDP. AMP a GMP takisto inhibujú svoju syntézu z IMP (AMP inhibuje tvorbu adenylosukcinátu a GMP inhibuje tvorbu XMP).
 Znovuvyužitie 
Puríny po rozklade bunkových nukleových kyselín alebo z jedla je možné recyklovať a znovu použiť v nových nukleotidoch.
 Adenínfosforibozyltransferáza (APRT) recykluje adenín.
 Hypoxantín-guanín fosforibozyltransferáza (HGPRT) recykluje guanín a hypoxantín.

 Poruchy purínového metabolizmu 
Ak nefunkčný gén spôsobí medzery v metabolickom spracovaní purínov a pyrimidínov, dochádza k ich nedostatočnej metabolizácii a dospelí i deti môžu trpieť jednou z 28 dedičných porúch. Medzi symptómy môže patriť dna, anémia, epilepsia, oneskorený vývoj, hluchota, kompulzívne hryzenie, zlyhanie obličiek alebo obličkové kamene či strata imunity.

Začlenenie škodlivých nukleotidtrifosfátov do DNA a RNA môže viesť k neronováhe purínového metabolizmu, čo môže viesť k ďalším genetickým komplikáciám a mutáciám, čím môžu vznikať ďalšie choroby. Niektoré z nich sú:
 Vážna imunodeficiencia kvôli strate adenozíndeaminázy
 Hyperurikémia a Lesch-Nyhanov syndróm kvôli strate HGPRT
 Rôzne druhy rakoviny na základe zvýšenia aktivity enzýmov ako je IMPDH

 Farmakoterapia 
Modulácia purínového metabolizmu má farmakoterapeutickú hodnotu.

Inhibítory purínovej syntézy inhibujú delenie buniek, hlavne leukocytov. Medzi tieto inhibítory patrí napríklad azatioprín, čo je imunosupresant používaný pri transplantácii orgánov, autoimunitných poruchách ako je reumatoidná artritída alebo zápalových ochorení tráviaceho traktu, ako je Crohnova choroba alebo ulcerózna kolitída.

Mykofenolát mofetil je imunosupresant používaný na predídenie odmietnutia orgánu pri transplantácii. Inhibuje purínovú syntézu blokovaním IMPDH. Metotrexát nepriamo inhibuje syntézu purínov, pretože blokuje metabolizmus kyseliny listovej (je to inhibítor dihydrofolátreduktázy).

Alopurinol je liek, ktorý inhibuje enzým xantínoxidoreduktázu, čím znižuje hladinu kyseliny močovej v tele. To môže pomôcť pri liečbe dny, ktorá vzniká nadmernou tvorbou kyseliny močovej, z ktorej vznikajú kryštály v kĺboch.

 Prebiotická syntéza ribonukleotidov 
Pre pochopenie vzniku života je nutné poznanie chemických dráh, ktoré umožnili vznik kľúčových stavebných kameňov života pri možných prebiotických podmienkach. Nam a kolektívNam I, Nam HG, Zare RN. Abiotic synthesis of purine and pyrimidine ribonucleosides in aqueous microdroplets. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Jan 2;115(1):36-40. doi: 10.1073/pnas.1718559115. Epub 2017 Dec 18. PMID: 29255025; PMCID: PMC5776833 ukázali priamu kondenzáciu nukleobáz s ribózou za vzniku ribonukleozidov vo vodných mikrokvapkách, kľúčový krok pre tvorbu RNA. Becker a kolektív ukázali možný prebiotický proces syntézy purínových ribonukleozidov.Becker S, Thoma I, Deutsch A, Gehrke T, Mayer P, Zipse H, Carell T. A high-yielding, strictly regioselective prebiotic purine nucleoside formation pathway. Science. 2016 May 13;352(6287):833-6. doi: 10.1126/science.aad2808. PMID: 27174989.

 Biosyntéza purínov v troch doménach života 
Organizmy všetkých troch domén života, eukaryoty, baktérie i archeóny, sú schopné syntetizovať puríny de novo. Táto schopnosť poukazuje na dôležitosť purínov pre život. Biochemická dráha syntézy je u eukaryotov a baktérií veľmi podobná, ale u archeónov je rôznorodejšia.Brown AM, Hoopes SL, White RH, Sarisky CA. Purine biosynthesis in archaea: variations on a theme. Biol Direct. 2011 Dec 14;6:63. doi: 10.1186/1745-6150-6-63. PMID: 22168471; PMCID: PMC3261824 Celá alebo takmer celá sada génov nutná pre biosyntézu purínov bola nájdená u 58 zo 65 študovaných druhoch archeónov. Bolo však nájdených 7 druhov, ktorým úplne alebo takmer úplne chýbali gény kódujúce puríny. Evidentne sú tieto druhy archeónov, ktoré sú neschopné syntézy purínov, stále schopné získať exogénne puríny pre svoj rast, čím sa podobajú na purínové mutanty eukaryotov, napríklad purínové mutanty vreckatých húb Neurospora crassa,Bernstein, H. Imidazole compounds accumulated by purine mutants of Neurospora  crassa  J. Gen. Microbiol. 5:41-46 (1961) ktoré takisto získavajú exogénne puríny pre svoj rast.

 Referencie 

Zdroj

Kategória:Látková premena
Kategória:Nukleové bázy
Kategória:Puríny