Η βιοσύνθεση των νουκλεοτιδίων Κεφάλαιο 25

Transcript

1 Η βιοσύνθεση των νουκλεοτιδίων Κεφάλαιο 25

2 DNA & RNA Νουκλεοτίδια, σάκχαρα και βάσεις Το DNA (deoxyribonucleic acid, δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ) & RNA (ribonucleic acid, ριβονουκλεϊκό οξύ) είναι μακριά, γραμμικά πολυμερή τα οποία λέγονται νουκλεϊνικά οξέα και μεταφέρουν πληροφορίες σε μορφή τέτοια που να διατηρείται από την μία γενιά στην άλλη. Τα μακρομόρια έχουν ως επαναλαμβανόμενες δομικές μονάδες μεγάλο αριθμό συνδεδεμένων μεταξύ τους νουκλεοτιδίων. Το κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από: (1) ένα σάκχαρο, (2) μία βάση, και (3) ένα φωσφορικό. Αναγωγή

3 DNA & RNA Νουκλεοτίδια, σάκχαρα και βάσεις Τα σάκχαρα συνδέονται με τα φωσφορικά και δημιουργούν ένα κοινό κορμό (αλυσίδα σακχάρων που συνδέονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικές γέφυρες), ενώ οι βάσεις είναι τεσσάρων τύπων και διακρίνονται για την ικανότητα σχηματισμού ειδικών ζευγών τα οποία σταθεροποιούνται μέσω δεσμών-η. Τα σχηματιζόμενα ζεύγη των βάσεων δημιουργούν μια δομή διπλής έλικας, (ελικοειδής δομή αποτελούμενη από δύο αλυσίδες). Ο κορμός στο DNA & RNA είναι σταθερός, αλλά διαφέρουν οι βάσεις. Οι δύο βάσεις είναι παράγωγα της πουρίνης - αδενίνη (adenine=a) & γουανίνη (guanine=g) και οι άλλες δύο παράγωγα της πυριμιδίνης κυτοσίνη (cytosine=c) & θυμίνη (thymine=t) ή ουρακίλη (uracil=u). Η θυμίνη απαντά μόνο στο DNA και η ουρακίλη μόνο στο RNA. Η σχέση μεταξύ αλληλουχίας βάσεων στο DNA (ή τοαντίγραφοστοmrna) και αλληλουχίας αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη είναι καθοριστικής σημασίας γιατί από αυτήν εξαρτάται η ροή γενετικών πληροφοριών.

4 DNA & RNA Νουκλεοτίδια, σάκχαρα και βάσεις πουρίνη πουρίνη πυριμιδίνη πυριμιδίνη πουρίνη πουρίνη πυριμιδίνη πυριμιδίνη

5 DNA & RNA Πορείες Βιοσύνθεσης νουκλεοτιδίων Οι πορείες για την βιοσύνθεση των νουκλεοτιδίων κατατάσσονται σε δύο όμάδες: (α) στις πορείες de novo, και (β) στις πορείες περίσωσης. Στις πορείες de novo (εκ νέου) οι νουκλεοτιδικές βάσεις συναρμολογούνται από απλούστερες ενώσεις. Π.χ. Το πλαίσιο για μια βάση πυριμιδίνης συναρμολογείται πρώτα και στην συνέχεια προσαρτάται στην ριβόζη. Αντίθετα, το πλαίσιο για μια βάση πουρίνης συντίθεται τμηματικά κατευθείαν επάνω σε μια δομή που βασίζεται στη ριβόζη. Στις πορείες περίσωσης, προσχηματισμένες βάσεις ανακτώνται και επανασυνδέονται με μια μονάδα ριβόζης. RNA DNA Τόσο η πορεία de novo όσοκαιηπορεία περίσωσης οδηγούν στη σύνθεση ριβονουκλεοτιδίων. Ωστόσο το DNA δομείται από δεοξυριβονουκλεοτίδια. Σε συμφωνία με την άποψη ότι το RNA προηγήθηκε του DNA κατά την εξέλιξη, όλα τα δεοξυριβονουκλεοτίδια συντίθενται από τα αντίστοιχα ριβονουκλεοτίδια. Το σάκχαρο της δεοξυριβόζης δημιουργείται από την αναγωγή της ριβόζης μέσα σε ένα πλήρως σχηματισμένο νουκλεοτίδιο.

6 Βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων de novo σύνθεση του πυριμιδινικού δακτυλίου Όξινο Ανθρακικό ATP=τριφωσφορική αδενοσίνη Πορεία de novo για την σύνθεση πυριμιδινικών νουκλεοτιδίων Οι πυριμιδινικοί δακτύλιοι συναρμολογούνται από όξινο ανθρακικό, ασπαραγινικό οξύ και αμμωνία (αν και η ΝΗ3 μπορεί να χρησιμοποιηθεί απ ευθείας, συνήθως παράγεται από την υδρόλυση της πλευρικής αλυσίδας της γλουταμίνης). Φωσφορικό Καρβαμΰλιο Ασπαραγινικό Όπως φαίνεται στο σχήμα, τα άτομα C-2 και Ν-3 του πυριμιδινικού δακτυλίου προέρχονται από το φωσφορικό καρβαμοΰλιο, ενώ τα άλλα άτομα του δακτυλίου προέρχονται από το ασπαραγινικό. Τριφωσφορική Ουριδίνη Τριφωσφορική Κυτιδίνη

7 Βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων Συνθετάση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου Το πρώτο βήμα είναι η σύνθεση φωσφορικού καρβαμοϋλίου από όξινο ανθρακικό και ΝΗ3 και η αντίδραση αυτή καταλύεται από την συνθετάση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου (carbamoyl phosphate synthetase, CPS). Το ένζυμο αποτελείται από δύο αλυσίδες. Η μικρότερη αλυσίδα (κίτρινη) διαθέτει το κέντρο υδρόλυσης της γλουταμίνης ( ) για την παραγωγή της ΝΗ3. Ημεγαλύτερη, διαθέτει δύο περιοχές σύλληψης ΑΤΡ (μπλε & κόκκινη). Στημίααπόαυτές (μπλε ), το όξινο ανθρακικό φωσφορυλιώνεται προς καρβόξυ-φωσφορικό και στην συνέχεια αντιδρά με την ΝΗ3 προς δημιουργία καρβαμικού οξέος. Στην άλλη περιοχή σύλληψης ΑΤΡ ( ), το καρβαμικό οξύ φωσφορυλιώνεται για να παράγει φωσφορικό καρβαμοΰλιο. Η μικρότερη αλυσίδα του ενζύμου ( ) διαθέτει το ενεργό κέντρο για την υδρόλυση της καρβοξαμιδικής ομάδας της γλουταμίνης για την παραγωγή ΝΗ3. Τα καθοριστικά κατάλοιπα είναι 1 κυστεΐνη και 1 ιστιδίνη ( ).

8 Βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων Συνθετάση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου Διοχέτευση υποστρώματος στην Συνθετάση του φωσφορικού καρβαμοϋλίου. Τα τρία ενεργά κέντρα του ενζύμου συνθετάσης του καρβαμοϋλίου συνδέονται με έναν δίαυλο (χρωματίζεται με κίτρινο) δια μέσου του οποίου διοχετεύονται τα ενδιάμεσα μόρια. Η γλουταμίνη εισέρχεται στο ενεργό κέντρο και το φωσφορικό καρβαμοΰλιο, το οποίο περιέχει το άτομο αζώτου από την πλευρική αλυσίδας της γλουταμίνης παράγεται σε ένα άλλο σημείο του ενζύμου, στο ενεργό κέντρο... το οποίο απέχει περίπου...80 Å!!! Το ενδιάμεσο κέντρο όπου παράγεται το καρβοξυφωσφορικό ενδιάμεσο απέχει 45 Å από το κέντρο και 35 Å απότοκέντρο. Η διοχέτευση αυτή εξυπηρετεί 2 λόγους: (1) ελαχιστοποιούνται οι απώλειες λογω διάχυσης των παραγόμενων ενδιάμεσων, και (2) προστατεύονται από την υδρόλυση ασταθή ενδιάμεσα όπως το καρβοξυφωσφορικό και το καρβαμικό οξύ τα οποία αποικοδομούνται σε λιγότερο από 1 sec σε ph 7.

9 Βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων de novo σύνθεση του πυριμιδινικού δακτυλίου Το φωσφορικό καρβαμοΰλιο αντιδρά με ασπαραγινικό για να σχηματίσει καρβαμοϋλο-ασπαραγινικό και το ένζυμο που καταλύει την αντίδραση είναι η ασπαραγινική τρανσκαρβαμοϋλάση. Στη συνέχεια το καρβαμοϋλοασπαραγινικό κυκλοποιείται σχηματίζοντας διυδροοροτικό, τοοποίοοξειδώνεταιαπότοναd+ γιανασχηματίσειοροτικό. Στη συνέχεια το οροτικό ενώνεται με την ριβόζη (υπό μορφή 5-φωσφο-1- πυροφωσφορική ριβόζη, PRPP) και σχηματίζεται το οροτιδυλικό. Το ένζυμο που καταλύει την αντίδραση είναι η πυριμιδινική φωσφο-ριβοζυλο-μεταφοράση. Οροτικό Οροτιδυλικό Ουριδυλικό Το οροτιδυλικό στη συνέχεια αποκαρβοξυλιώνεται σε ουριδιλικό (UMP), κύριο πυριμιδινικό νουκλεοτίδιο, πρόδρομος του RNA. Το ένζυμο που καταλύει την αντίδραση είναι η αποκαρβοξυλάση του οροτιδυλικού. Οροτιδυλικό

10 Βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων σύνθεση του πουρινικού δακτυλίου Ασπαραγινικό Γλουταμίνη Γλυκίνη Ν 10 -φορμυλοτετραυδροφυλλικό Ρ-ριβόζη Γλουταμίνη Πορεία de novo για την σύνθεση πουρινικών νουκελοτιδίων Στην πορεία αυτή οι πουρίνες συντίθενται από απλά αρχικά συστατικά όπως αμινοξέα και όξινο ανθρακικό όπως και οι πυριμιδίνες. Σε αντίθεση με τις πυριμιδίνες οι πουρίνες συναρμολογούνται ενώ είναι ήδη προσαρτημένες σε έναν δακτύλιο ριβόζης. Το σύστημα του πουρινικού δακτυλίου συναρμολογείται στη φωσφορική ριβόζη. Στο σχήμα, σημειώνεται η προέλευση των ατόμων του πουρινικού δακτυλίου. Τριφωσφορική Αδενοσίνη Τριφωσφορική Γουανοσίνη Εναλλακτικά, βάσεις πουρίνης οι οποίες απελευθερώνονται από την υδρολυτική αποικοδόμηση νουκλεϊκών οξέων και νουκλεοτιδίων μπορούν να ανακυκλωθούν (πορεία περίσωσης). Οι πορείες περίσωσης μειώνουν την ενδοκυτταρική δαπάνη ενέργειας. Δύο ένζυμα περίσωσης, η φωσφο-ριβοζυλομεταφοράση της αδενίνης (καταλύει τον σχηματισμό αδενυλικού) και η φωσφοριβοζυλο-μεταφοράση της υποξανθίνηςγουνίνης (καταλύει τον σχηματισμό γουανιλικού & ινοσινικού).

11 Βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων de novo σύνθεση του πουρινικού δακτυλίου 1- Η Gly συνδέεται με την -ΝΗ3 της ριβόζης, 2- Το Ν 10 -φορμυλοτετραυδροφυλλικό μεταφέρει φορμυλική ομάδα στην -ΝΗ3 ομάδα της Gly, 3- Φωσφορυλίωση και μετατροπή αμινικής ομάδας σε αμιδίνη με προσθήκη ΝΗ3 από Gln, 4- Ενδομοριακή αντίδραση σύζευξης και σχηματισμός πενταμελούς ιμιδαζολικού δακτυλίου, 5- Προσθήκη [ΗCΟ3] - σε εξωκυκλική αμινική ομάδα και στη συνέχεια σε άτομο C του ιμιδαζολίου, 6- Φωσφορυλίωση της ιμιδαζολικής καρβοξυλικής ομάδας και εκτόπιση του φωσφορικού από την -ΝΗ3 του Asn. Συναρμολόγηση πουρινικού δακτυλίου σε 9 βήματα Το κάθε βήμα περιλαμβάνει την ενεργοποίηση με φωσφορυλίωση ενός ατόμου οξυγόνου δεσμευμένου με άνθρακα (συνήθως ένα καρβονυλικό άτομο οξυγόνου), ακολουθούμενο από την εκτόπιση μιας φωσφορυλικής ομάδας από αμμωνία ή μια αμινική ομάδα που δρα ως πυρηνόφιλο αντιδραστήριο.

12 Βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων de novo σύνθεση του πουρινικού δακτυλίου Σχηματισμός ινοσινικού. Η απομάκρυνση φουμαρικού, η προσθήκη μιας δεύτερης φορμυλικής ομάδας από το Ν 10 -φορμυλο-τετραυδροφυλλικό και η κυκλοποίηση συμπληρώνουν τη σύνθεση ινοσινικού (ΙΜΡ), ενός πουρινικού νουκλεοτίδιου. Asn ΤHF=τετραϋδροφυλλικό Στα επόμενα βήματα συμπληρώνεται ο σχηματισμός του πουρινικού δακτυλίου. Το ιμιδαζολικό παράγωγο του βήματος (6) αποβάλει ένα μόριο φουμαρικού αφήνοντας το N άτομο του Asn συνδεδεμένο με τον ιμιδαζολικό δακτύλιο. Μια φορμυλική ομάδα από το Ν 10 -φορμυλοτετραϋδροφυλλικό προστίθεται σε αυτό το άτομο Ν για να σχηματίσει το τελικό ενδιάμεσο το οποίο κυκλοποιείται με την απώλεια Η2Ο γιανα σχηματίσει το ινοσινικό. Το ινοσινικό είναι η πρόδρομη ένωση του αδενυλικού (ΑΜΡ) και του Γουανυλικού (GMP).

13 Βιοσύνθεση νουκλεοτιδίων de novo σύνθεση του πουρινικού δακτυλίου Παραγωγή Αδενυλικού (ΑΜΡ) και Γουανυλικού (GMP). To ινοσινικό είναι η πρόδρομος ένωση για την σύνθεση του αδενυλικού και του γουανυλικού. Το αδενυλικό σχηματίζεται με την προσθήκη ασπαραγινικού ακολουθούμενη από την ελευθέρωση φουμαρικού. Αδενυλικό Γουανυλικό Το γουανυλικό σχηματίζεται με την προσθήκη Η2Ο, την αφυδρογόνωση από το ΝΑD + και την εκτόπιση του καρβονυλικού οξυγόνου από μια -ΝΗ2 η οποία προέρχεται από την υδρόλυση γλουταμίνης.

14 Από τα ριβονουκλεοτίδια στα δεοξυριβονουκλεοτίδια (RNA DNA) Τα δεοξυριβονουκλεοτίδια είναι οι πρόδρομοι του DNA και σχηματίζονται με την αναγωγή των ριβονουκλεοτιδίων: η 2 -υδροξυλική ομάδα της ριβόζης αντικαθίσταται από ένα άτομο υδρογόνου Το ένζυμο αναγωγάση των ριβονουκλεοτιδίων είναι υπεύθυνο για την αντίδραση της αναγωγής και για τα τέσσερα ριβονουκλεοτίδια. Αποτελείται από δύο υπομονάδες: την R1 (διμερές 87 kd) και R2 (διμερές 43 kd) Η υπομονάδα R1 της αναγωγάσης των ριβονουκλεοτιδίων ηοποίαανάγει τα ριβονουκλεοτίδια σε δεοξυριβονουκλεοτίδια διαθέτει ένα ενεργό κέντρο το οποίο περιέχει τρία κρίσιμα κατάλοιπα κυστεΐνης και ένα κατάλοιπο γλουταμινικού. Η υπομονάδα R2 σχηματίζει μια διακριτή ελεύθερη ρίζα. Κάθε μία από τις αλυσίδες της R2 διαθέτει μια σταθερή τυροσυλική ρίζα με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο απεντοπισμένο στον αρωματικό δακτύλιο της Tyr. Η ελεύθερη ρίζα δημιουργείται από ένα γειτονικό κέντρο Fe, το οποίο αποτελείται από 2 ιόντα Fe 3+ συνδεδεμένα με ένα ιόν O 2-.

15 Από τα ριβονουκλεοτίδια στα δεοξυριβονουκλεοτίδια (RNA DNA) Cys Asp R1 Cys Cys R1 R1 Μηχανισμός της αναγωγάσης των ριβονουκλεοτιδίων Ένα ηλεκτρόνιο μεταφέρεται από μια Cys στην R1 σε μια τυροσιλική ρίζα στην R2 δημιουργώντας ενεργή θειυλοκυστεϊνική ρίζα η οποία προσελκύει ένα άτομο Η από το C-3 της ριβόζης, 3- ΗρίζαστοC-3 προκαλείτηναφαίρεσητουυδροξυλίουαπότοάτομοc-2 σε συνδυασμό με ένα άτομο Η από το δεύτερο κατάλοιπο Cys, το ιόν ΟΗ αποχωρεί ως μόριο Η2Ο, 4- Ένα ιόν ΟΗ- μεταφέρεται στο τρίτο κατάλοιπο Cys, 5- ΗρίζατουC-3 συλλαμβάνει εκ νέου το Η που είχε αποσυρθεί αρχικά. 6- Ένα ηλεκτρόνιο μεταφέρεται από την R2 για να αναγάγει τη θειυλική ρίζα. Το δεοξυριβονουκλεοτίδιο είναι ελεύθερο να αφήσει την R1 και το δισουλφίδιο που σχηματίζεται πρέπει να αναχθεί για να αρχίσει νέο κύκλο αντιδράσεων

16 Βιοσύνθεση θυμιδυλικού Η ουρακίλη, η οποία παράγεται από την πορεία σύνθεσης πυριμιδινών, δεν είναι συστατικό του DNA, στο οποίο αντί της ουρακίλης απαντάται η θυμίνη, η οποία είναι ένα μεθυλιωμένο ανάλογο της ουρακίλης.

17 Βιοσύνθεση θυμιδυλικού Η ουρακίλη, η οποία παράγεται από την πορεία σύνθεσης πυριμιδινών, δεν είναι συστατικό του DNA, στο οποίο αντί της ουρακίλης απαντάται η θυμίνη, η οποία είναι ένα μεθυλιωμένο ανάλογο της ουρακίλης. Το ένζυμο συνθάση του θυμιδυλικού καταλύει την μεθυλίωση (προσθήκη CH3 ομάδας από το Ν 5,Ν 10 - μεθυλενο-τετραυδροφυλλικό) της μονοφωσφορικής δεοξυουριδίνης (dump) ή δεοξυουριδυλικού σε θυμιδυλικό (TMP). Διυδροφυλλικό Ν 5,Ν 10 -μεθυλενο-τετραυδροφυλλικό R Η ενεργοποίηση της μονοφωσφορικής δεοξυουριδίνης (dump) επιτυγχάνεται με την προσθήκη μιας σουλφυδρυλικής ομάδας από το ένζυμο. Το άνοιγμα του πενταμελούς δακτυλίου του τετραϋδροφυλλικού παραγώγου προετοιμάζει την CH2 ομάδα του για πυρηνόφιλη προσβολή από την ενεργοποιημένη dump. Η αντίδραση συμπληρώνεται με τη μεταφορά ενός ιόντος υδριδίου για τον σχηματισμό διυδροφυλλικού και θυμιδιλικού.

18 Βιοσύνθεση θυμιδυλικού & αναγέννηση τετραϋδροφυλλικού Το τετραϋδροφυλλικό αναγεννάται από το διυδροφυλλικό το οποίο παράγεται κατά την σύνθεση του θυμιδυλικού. Η αναγέννηση αυτή επιτυγχάνεται από την αναγωγάση του διυδροφυλλικού με την χρήση NADPH ως αναγωγικού μέσου. R Διυδροφυλλικό Τετραυδροφυλλικό Ένα ιόν υδριδίου μεταφέρεται απ ευθείας από τον νικοτιναμιδικό δακτύλιο του NADPH στον πτεριδινικό δακτύλιο του διυδροφυλλικού. Το δεσμευμένο διυδροφυλλικό και το NADPH συγκρατούνται σε στενή επαφή για να διευκολυνθεί η μεταφορά του υδριδίου.

19 Βιοσύνθεση θυμιδυλικού & αντικαρκινικά φάρμακα Κύτταρα τα οποία διαιρούνται ταχύτατα χρειάζονται μεγάλη ποσότητα μονοφωσφορικής θυμιδίνης (thymidine monophosphate, TMP) ή θυμιδιλικού για τη σύνθεση DNA. Η ευπάθεια των κυττάρων αυτών στην αναστολή σύνθεσης ΤΜΡ έχει αξιοποιηθεί στη χημειοθεραπεία του καρκίνου. Η συνθάση του θυμιδιλικού και η αναγωγάση του διυδροφυλλικού αποτελούν στόχους επιλογής για τη χημειοθεραπεία. Φθορο-δεοξυουριδυλικό δεοξυ-φωσφορική ουριδίνη δεοξυ-φωσφορική θυμιδίνη Η φθορο-oυρακίλη, ένα κλινικά χρήσιμο αντικαρκινικό φάρμακο, μετατρέπεται in vivo σε φθορο-δεοξυουριδυλικό (FdUMP). Το ανάλογο αυτό της dump αναστέλλει μη αντιστρεπτά τη συνθάση του θυμιδυλικού, αφού πρώτα λειτουργήσει ως κανονικό υπόστρωμα μέσω τμήματος του καταλυτικού κύκλου. Υπενθυμίζεται ότι ο σχηματισμός ΤΜΡ απαιτεί την αφαίρεση ενός Η + από το άτομο C-5 του δεσμευμένου νουκλεοτιδίου (βλ. βιοσύνθεση θυμιδυλικού). Διυδροφυλλικό Ωστόσο, το ένζυμο δεν μπορεί να αποσπάσει F + στο F-dUMP παράγωγο, αντί του H + στο φυσικό dump!!!! Συνεπώς, η κατάλυση εμποδίζεται στο στάδιο του ομοιοπολικού συμπλόκου το οποίο σχηματίζεται από το F-dUMP, το μεθυλενοτετραϋδροφυλλικό και τη σουλφυδρυλική ομάδα του ενζύμου. Τετραυδροφυλλικό Παράδειγμα αναστολής αυτοκτονίας: Το ένζυμο μετατρέπει ένα υπόστρωμα σε αναστολέα του.

20 Βιοσύνθεση θυμιδυλικού & αντικαρκινικά φάρμακα Αναστολή Αυτοκτονίας Σύνθεση θυμιδυλικού Η συνθάση του θυμιδυλικού αποσπά ένα Η + προάγοντας τον σχηματισμό της CH3 ομάδας στην ΤΜΡ και αποσπώντας το Η + από τον δακτύλιό της 5 5 Αναστολή αυτοκτονίας Το φθορο-δεοξυουριδυλικό παγιδεύει τη συνθάση του θυμιδυλικού σε μια μορφή η οποία δεν μπορεί να συνεχίσει την αντίδραση

21 Βιοσύνθεση θυμιδυλικού & αντικαρκινικά φάρμακα Η σύνθεση της μονοφωσφορικής θυμιδίνης (thymidine monophosphate, TMP) ή θυμιδιλικού μπορεί επίσης να εμποδιστεί με την αναστολή της αναγέννησης του τετραϋδροφυλλικού. Ανάλογα του διυδροφυλλικού, όπως είναι η αμινοπτερίνη και η μεθοτρεξάτη (αμεθοπτερίνη) είναι ισχυροί συναγωνιστικοί αναστολείς (Κι < 1nM) της αναγωγάσης του διυδροφυλλικού. Φθορο-δεοξυουριδυλικό δεοξυ-φωσφορική ουριδίνη δεοξυ-φωσφορική θυμιδίνη Διυδροφυλλικό Ημεθοτρεξάτηείναι ένα πολύτιμο φάρμακο για τη θεραπεία πολλών ταχύτατα αναπτυσσόμενων όγκων, όπως εκείνων της λευχαιμίας και του χοριοκαρκινώματος (καρκίνος που προέρχεται από κύτταρα του πλακούντα). Ωστόσο η μεθοτρεξάτη θανατώνει με μεγάλη ταχύτητα διαιρούμενα κύτταρα, ανεξάρτητα από το εάν είναι κακοήθη ή όχι...όπως κύτταρα στον μυελό των οστών, του εντερικού σωλήνα και θύλακες τριχών (γεγονός που εξηγεί τις τοξικές παρενέργιές του, όπως εξασθένηση ανοσοποιητικού συστήματος, ναυτία & απώλεια τριχών ). Τετραυδροφυλλικό

22 Καθοριστικά βήματα Βιοσύνθεσης νουκλεοτιδίων & Επανατροφοδοτική Αναστολή Η βιοσύνθεση των νουκλεοτιδίων ρυθμίζεται, όπως και η βιοσύνθεση των αμινοξέων, από επανατροφοδοτική αναστολή. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: Έλεγχος της σύνθεσης πουρινών - Η επανατροφοδοτική αναστολή ελέγχει τόσο τη συνολική ταχύτητα της βιοσύνθεσης πουρινών όσο και την ισορροπία μεταξύ της παραγωγής ΑΜΡ και GMP. Αδενυλικό Ινοσινικό Γουανυλικό Το υποχρεωτικό βήμα στην σύνθεση πουρινών είναι η μετατροπή της 5-φωσφο-1-πυροφωσφορικής ριβόζης (PRPP) σε φωσφο-ριβοζυλ-αμίνη από τη φωσφο-ριβοζυλο-αμιδομεταφοράση της γλουταμίνης. Τόσο η ΑΜΡ όσο και η GMP, τα τελικά προϊόντα αυτής της πορείας δρουν συνεργειακά στην αναστολή της αμιδο-μεταφοράσης. Το ινοσινικό (ΙΜΡ) είναι το σημείο διακλάδωσης στη σύνθεση των AMP & GMP. Οι αντιδράσεις του ινοσινικού προς ΑΜΡ & GMP αποτελούν θέσεις επανατροφοδοτικής αναστολής. -η ΑΜΡ αναστέλλει την μετατροπή του ΙΜΡ σε αδενυλοηλεκτρικό -η GMP αναστέλλει την μετατροπή του ΙΜΡ σε ξανθυλικό ψψψψ..

23 Διαταραχές στον μεταβολισμό νουκλεοτιδίων & φυσιολογία ενός οργανισμού Το κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από: (1) ένα σάκχαρο, (2) μία βάση, και (3) ένα φωσφορικό. Τα νουκλεοτίδια αποικοδομούνται υδρολυτικά προς νουκλεοζίτες από τις νουκλεοτιδάσες... Υποξανθίνη Γουανίνη Ουρικό ιόν Ουρικό οξύ Η ΑΜΡ αποικοδομείται προς την ελεύθερη βάση υποξανθίνη μέσω απαμίνωσης και υδρολυτικής διάσπασης του γλυκοζιτικού δεσμού. Η οξειδάση της ξανθίνης οξειδώνει την υποξανθίνη σε ξανθίνη και στην συνέχεια σε ουρικό οξύ. Το ουρικό οξύ χάνει ένα πρωτόνιο σε συνθήκες φυσιολογικού ph για να σχηματίσει ουρικό ιόν.

24 Διαταραχές στον μεταβολισμό νουκλεοτιδίων & φυσιολογία ενός οργανισμού Στον άνθρωπο το ουρικό ιόν είναι το τελικό προϊόν της αποικοδόμησης πουρινών και απεκκρίνεται με τα ούρα. Υψηλά επίπεδα ουρικού ιόντος στον ορό του αίματος προκαλούν ουρική αρθρίτιδα (ποδάγρα), μια ασθένεια στην οποία άλατα ουρικού κρυσταλλώνονται και καταστρέφουν τις αρθρώσεις και τους νεφρούς. Αλλά... Υψηλά επίπεδα ουρικού (μερικές φορές κοντά στα πρόθυρα ουρικής αρθρίτιδας) έχει δειχθεί ότι σε μερικές περιπτώσεις μπορεί να παρέχει καποιο... «πλεονέκτημα»... Γιατί...??? Το ουρικό έχει αποδειχθεί πως μπορεί να δράσει ως εξαιρετικά αποτελεσματικός συλλέκτης αντιδραστικών ριζών οξυγόνου. Πράγματι, το ουρικό είναι τόσο αποτελεσματικό ως αντιοξειδωτικό όσο και το ασκορβικό (βιταμίνη C). Αυξημένα επίπεδα ουρικού στον άνθρωπο είναι δυνατόν να συμβάλλουν σημαντικά στην μείωση της πιθανότητας ανάπτυξης καρκίνων. Ηλεκτρονιομικρογραφία κρυστάλλων ουρικού Νατρίου

25 Διαταραχές στον μεταβολισμό νουκλεοτιδίων & φυσιολογία ενός οργανισμού Το σύνδρομο Lesch-Nyhan: καταναγκαστική συμπεριφορά αυτοκαταστροφής. Παιδιά ηλικίας 2-3 ετών με σύνδρομο Lesch-Nyhan...αρχίζουν να δαγκώνουν τα δάκτυλα και τα χείλη τους και μπορούν να τα μασήσουν τελείως εάν δεν εμποδιστούν...συμπεριφέρονται βίαια έναντι άλλων...και ακόμα είναι δυνατόν να εμφανίζουν χαρακτηριστικά όπως νοητική καθυστέρηση και/ή σπαστικότητα. Η μοριακή βάση του συνδρόμου Lesch-Nyhan έγκειται στό γεγονός ότι μεταλλάξεις σε γονίδια τα οποία κωδικεύουν ένζυμα βιοσύνθεσης νουκλεοτιδίων μειώνουν τα επίπεδα χρήσιμων νουκλεοτιδίων και την παντελή απουσία του ενζύμου φωσφοριβοζυλομεταφοράση υποξανθίνης-γουανίνης. Οι βιοχημικές επιπτώσεις από την απουσία της φωσφοριβοζυλομεταφοράσης υποξανθίνης-γουανίνης είναι η αυξημένη συγκέντρωση PRPP (5-φωσφο-1-πυροφωσφορικής ριβόζης), η σημαντική αύξηση της ταχύτητας βιοσύνθεσης πουρινών από την de novo πορεία και η υπεραπαραγωγή ουρικού. Στα παιδιά που εμφανίζουν το σύνδρομο Lesch-Nyhan, τα αυξημένα επίπεδα ουρικού στον ορό του αίματος οδηγούν στον σχηματισμό λίθων στους νεφρούς πολύ νωρίς στη ζωή τους, που ακολουθείται από τα συμπτώματα της ουρικής αρθρίτιδας. Η σχέση μεταξύ της απουσίας της μεταφοράσης και των παράδοξων νευρικών συμπτωμάτων παραμένει υπό διερεύνηση...εικάζεται ότι ειδικά κύτταρα του εγκεφάλου μπορεί να εξαρτώνται από την πορεία περίσωσης για τη σύνθεση ΙΜΡ και GMP. Το σύνδρομο Lesch-Nyhan αποκαλύπτει ότι η ανώμαλη συμπεριφορά όπως είναι ο αυτοακρωτηριασμός και η εξαιρετική εχθρικότητα, μπορεί να προκληθούν από την απουσία ενός μόνο ενζύμου...!!!

26 Ανασκόπηση Κεφαλαίου 25 Κατά τη de novo σύνθεση, ο πυριμιδινικός δακτύλιος συναρμολογείται από όξινο ανθρακικό, ασπαραγινικό και γλουταμίνη. Ο πυριμιδινικός δακτύλιος συναρμολογείται πρώτα και στησυνέχειασυνδέεταιμεφωσφορικήριβόζηγιανασχηματίσειέναπυριμιδινικό νουκλεοτίδιο. Πουρινικοί δακτύλιοι μπορούν να συντεθούν de novo ή να ανακυκλωθούν από πορείες περίσωσης. Ο πουρινικός δακτύλιος συναρμολογείται από γλουταμίνη, γλυκίνη, Ν 10 -φορμυλοτετραϋδροφυλλικό και CO2. Ο πουρινικός δακτύλιος συναρμολογείται στη φωσφορική ριβόζη, σε αντίθεση με τη de novo σύνθεση των πυριμιδινικών νουκλεοτιδίων. Στην πορεία περίσωσης, πουρινικά ριβονουκλεοτίδια συντίθενται από μια προσχηματισμένη βάση και PRPP. Tα δεοξυριβονουκλεοτίδια συντίθεται με την αναγωγή ριβονουκλεοτιδίων μέσω ενός μηχανισμού με ενδιάμεση ελεύθερη ρίζα. Τα πρόδρομα μόρια του DNA, σχηματίζονται στην E. coli με αναγωγή διφωσφορικών ριβονουκλεοτιδίων, με ένζυμο την αναγωγάση των ριβονουκλεοτιδίων. Hλεκτρόνια μεταφέρονται από το NADPH σε σουλφυδρυλικές ομάδες στο ενεργό κέντρο του ενζύμου από τη θειορεδοξίνη ή τη γλουταρεδοξίνη. Καθριστικά βήματα στη βιοσύνθεση νουκελοτιδίων ρυθμίζονται από επανατροφοδοτική αναστολή. Ηβιοσύνθεσητωνπυριμιδινών στην E. coli ρυθμίζεται από επανατροφοδοτική αναστολή της ασπαραγινικής τρανσκαρβαμοϋλάσης ενώ η βιοσύνθεση των πουρινών ρυθμίζεται από την επανατροφοδοτική αναστολή της φωσφοριβοζυλοαμιδομεταφοράσης της γλουταμίνης. Διαταραχές στον μεταβολισμό νουκελοτιδίων μπορούν να προκαλέσουν παθολογικές καταστάσεις. Στον άνθρωπο οι πουρίνες αποικοδομούνται προς ουρικό, του οποίου η υπερβολική συγκέντρωση μπορεί να προκαλέσει την ουρική αρθρίτιδα (και στην συνέχεια αρθρίτιδα). Η υπερπαραγωγή του ουρικού που οφείλεται στην απουσία της φωσφοριβοζυλομεταφοράσης της υποξανθίνης-γουανίνης χαρακτηρίζει το σύνδρομο Lesch-Nyhan.