nucleotide acizi nucleici

Post on 22-Jul-2015

110 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

METABOLISMUL NUCLEOTIDELOR B. Stoica (ver. 1.0, necorectat) Nucleotidele sunt compui care ndeplinesc o multitudine de funcii celulare. Cea mai important s-ar prea c este funcia de suport informaional deoarece nucleotidele intr n structura acizlior nucleici. Se pot aminti i alte funcii cum ar fi: depozite energetice, transportori pentru unii intermediari activai din sinteza unor carbohidrai, lipide i proteine, componente eseniale ale unor coenzime (FAD, NAD+, NADP+ i coenzima A), reglatori pentru unele ci din metabolismul intermediar, inhibnd sau activnd enzimele cheie din diferite ci metabolice, etc. Bazele purinice i pirimidinice din nucleotide pot fi sintetizate de novo sau pot fi obinute prin ci de salvare care permit reutilizarea bazelor preformate rezultate din turnoverul celular normal sau din diet. STRUCTURA NUCLEOTIDELOR Nucleotidele sunt formate dintr-o baz azotat (purinic sau pirimidinic), o pentoz (riboza sau 2-deoxiriboza) i una sau mai multe molecule de acid fosforic. Derivaii purinici majori din celul sunt adenina i guanina. Alte baze ntlnite sunt hipoxantina i xantina, intermediari din mettabolismul adeninei i guaninei.

Nucleozidele derivate din aceste molecule conin riboz sau deoxiriboz legat la nucleul purinic printr-o legtur -N-glicozidic la atomul N-1. Ribonucleozidele conin riboz n timp ce deoxiribonucleozidele conin deoxiriboz (o molecul de riboz n care gruparea hidroxil din poziia 2 lipsete, fiind inlocuit cu hidrogen).

Nucleotidele sunt esteri fosforici ai nucleozidelor. 3-nucleotidele ca de exemplu adenozin-3-monofosfatul (3-AMP) se gasesc n celul ca rezultat al degradrii acizilor nucleici. n celulele normale, di i tri fosfat nucleozidele se gsesc n concentraie mai mare dect monofosfat nucleozidele, nucleozidele sau bazele libere.

Nucleotidele pirimidinice gsite n concentraie mare n celul sunt acelea care conin baze azotate cu nucleu pirimidinic (uracil, citozin i timin).

Citozina i uracilul sunt pirimidinele din nucleotidele care intr n structura ARN n timp ce timina i citozina se gsesc n compoziia ADN. Ca i derivaii purinici, nucleozidele sau nucleotidele pirimidinice conin fie riboz, fie deoxiriboz. Glucidul este legat la pirimidin printr-o legtur -Nglicozidic la atomul N-1. Nucleozidele pirimidinice sunt uridina, citidina sau timidina (respectiv deoxiuridina, deoxicitidina sau deoxitimidina). Esterii monofosforici ai nucleotidelor pirimidinice sunt UMP, CMP i TMP. n celul compuii majori

pirimidinici conin 2 sau 3 resturi de fosfat. Grupele fosfat sunt responsabile de ncrcarea negativ a nucleotidelor i a acizilor nucleici.

n concluzie se poate vorbi de mai multe structuri care sunt strns legate unele de altele. Astfel avem 5 baze azotate mai importante (2 cu heterociclu purinic adenina i guanina i 3 cu heterociclu pirimidinic uracil, timina i citozina), 5 nucleozide (care conin pentoze) i 5 nucleotide (care conin 1,2 sau 3 resturi de acid fosforic). De menionat c numrul acestor structuri este de fapt dublu dac inem cont c putem avea ca pentoze i riboza i deoxiriboza. In afara de cele 5 baze azotate numite i majore, se mai cunosc baze azotate minore. Acestea se gasesc ntr-o cantitate relativ mic att n structura ADN-ului ct i a ARN-ului, caracterizndu-se prin mici modificari ale nucleelor purinice sau pirimidinice (metilri, prezena sulfului, izomeri ai nucleelor, etc).

PROPRIETILE NUCLEOTIDELOR Componentele celulare coninnd fie baze purinice, fie pirimidinice pot fi evideniate uor datorit absorbiei puternice n ultraviolet a acestora. Bazele purinice, nucleozidele i nucleotidele corespunztoare au absobie mai puternic dect pirimidinele i derivaii acestora. Lungimea de und la care se afl maximul de absobie a acestor compui este n funcie de baza component, dar n cele mai multe cazuri este n jur de 260 nm. Spectrul de absobie n UV pentru nucleozide sau nucleotide variaz n funcie de pH. Absorbia n UV i diferenele care apar datorit structurii specifice a bazelor reprezint o metod de cercetare pentru acesti compui. Legtura N-glicozidic din nucleozidele purinice sau pirimidinice este stabil fa de alcalii, n timp ce stabilitatea acestor legturi la hidroliza acid difer: legtura Nglicozidic din nucleozidele i nucleotidele purinice este uor hidrolizat de acizi diluai la temperatur ridicat (60C) cnd se elibereaz baza purinic i glucidul sau glucid-fosfatul. Legtura Nglicozidic din nucleozidele i nucleotidele pirimidinice este foarte stabil la acest tratament. Totui, condiii mai severe ca de exemplu acid percloric 60% i 100C hidrolizeaz aceste legturi elibernd pirimidina cu distrugerea complet a pentozei. Datorit naltei polariti a grupului fosfat, nucleotidele purinice sau pirimidinice sunt mult mai solubile n soluii apoase dect nucleozidele i bazele lor

libere. n general nucleozidele sunt mai solubile dect bazele purinice sau pirimidinice libere. Datorit caracterului aromatic al purinelor i pirimidinelor, substituenii oxo sau amino particip la tautomeria: ceto enol i amino imino.

DISTRIBUIA NUCLEOTIDELOR N CELUL Derivaii 5-nucleotidici sunt formele principale ale compuilor purinici i pirimidinici. Concentraia intracelular a nucleotidelor variaz mult i depinde de tipul de celul. ATP ul este nucleotidul cu cea mai mare concentraie intracelular. De exemplu n globulele roii adenin-nucleotidele se gsesc n exces fa de alte nucleotide prezente n concentraii extrem de mici. n ficat i alte esuturi este prezent spectrul complet de mono, di i trifosfonucleotide ca i UDP-glucoza, acidul UDP-glicuronic NAD+ i NADP+. Bazele libere, nucleozidele sau 2 i 3 nucleotidele din fracia acid solubil din celul reprezint produi de degradare ai nucleotidelor endogene i exogene sau acizilor nucleici. Prezena aa numitor baze minore este datorat degradrii acizilor nucleici. Concentraia ribonucleotidelor din celul este de ordin milimolar n timp ce concentraia deoxiribonucleotidelor din celul este de ordin micromolar. Nivelu de deoxiribonucleotidelor este subiectul flutuaiilor majore din timpul ciclului celular, comparativ cu nivelul ribonucleotidelor care rmne relativ constant. n condiii normale, concentraia total a nucleotideor oscileaz n limite foarte stricte, ns concentraia componentelor individuale poate varia. De exemplu concentraia total a adenin-nucleotidelor (AMP, ADPi ATP) este constant dar variaz raportul ATP/AMP+ADP, dependent de starea energertic a celulei. Aceste concentraii fixe se datoreaz faptului c sinteza nucleotidelor este una din cile metabolice cele mai fin reglate din celul. FUNCIILE METABOLICE ALE NUCLEOTIDELOR Toate tipurile de celule (mamifere, bacterii i plante) conin o mare varietatede nucleotide i derivaii lor. Unele din aceste nucleotide se gdsesc n concentraii relativ mari (de ordin milimolar) n celule. Numrul mare de nucleotide i derivate ale acestora din celul este motivat de implicarea acestora ntr-o multitudine de procese metabolice importante pentru dezvoltarea i creterea normal a celulelor. Principalele roluri lae nucleotidelor sunt: - uniti monomerice ale macromoleculelor informaionale, ADN i ARN. n sinteza acizilor nucleici, nucleozid-5-trifosfaii sunt substrate i sunt legai n polimer prin legturi 3,5-fosfodiesterice (cu eliberare de pirofosfat). - mediatori fiziologici: nucleotidele sau nucleozidele servesc ca mediatori ai proceselor metabolice cheie. AMPc este unul dintre cei mai cunoscuti mesageri secunzi (ex:reglarea glicogenolizei mediat de epinefrin i glucagon). - GMPc activeaz ca mediator i alte evenmente celulare. - ADP este indispensabil agregrii plachetare normale i deci coagulrii sngelui. - adenozina produce dilataia vaselor coronare i prin urmare este important pentru reglarea circulaiei coranariene. - GTP este necesar pentru funcii ca: transducerea semnalului de ctre proteinele G care leag GTP n scopul activrii acestora.

-

-

-

componente ale coenzimelor: NAD+, NADP+, FAD, FMN, adenozilcobalamina, S-adenozil-metionina i CoA sunt constitueni celulari implicai direct n multe mecanisme enzimatice. rol n metabolismul energetic: ATP este principala form de stocare a energiei chimice n celulele vii. Sinteza ATP se poate face cu ajutorul reaciilor de fosforilare oxidativ cuplate cu lanul respirator mitocondrial i cu ajutorul reaciilor de fosforilare la nivelul substratului. ATP este utilizat pentru a dirija reaciile metabolice i este implicat n diverse procese consumatoare de energie: contracia muscular, transportul activ prin membrane, generarea potenialelor de aciune n celule specializate, etc. Ca agent de fosforilare ATP servete ca donor de fosfat pentru generarea altor nucleozid-trifosfai (GTP, UTP, CTP i TTP). intermediari activai: nucleotidele servesc ca transportori de intermediari activai necesari pentru o varietate de reacii. Ca exemple se pot da: UDPglucoza este intermediar cheie n sinteza de glicogen, glicoproteine i acid glucuronic; GDP-manoza, GDP-fucoza, UDP-galactoza, acidul CMP-sialic sunt intermediari cheie n reaciile n care restul de zahr este transferat pentru sinteza de glicoproteine; CDP-colina, CDP-etanolamina sau CDPdiacilglicerolul cu rol n metabolismul fosfolipidelor; S-adenozil metionina (SAM) i 3-fosfoadenozin-5-fosfosulfatul (PAPS) sunt compui donori de metil respectiv sulfat n diverse ci metabolice. efectori alosterici: multe trepte reglate din cile metabolice sunt controlate de concentraia intracelular a nucleotidelor.

BIOSINTEZA NUCLEOTIDELOR Nucleotidele sunt sintetizate prin 2 tipuri de reacie: de novo, adic din molecule mici precursoare i de salvare din purinele i pirimidinele care pot fi reutilizate dup catabolismul acizilor nucleici. BIOSINTEZA NUCLEOTIDELOR PURINICE A. Sinteza de novo a nucleului purinic n celulele mamiferelor utilizeaz aminoacizi ca donori de C i N iar CO2 i formiatul ca donor de C. n figura .... sunt indicate sursele de C i N din bazele azotate purinice. S-a demonstrat c nivelul glutaminei i aspartatului influeneaz rata sintezei acestor nucleotide n celulele tumorale. Multe din reaciile acestei ci necesit ATP.

Toate enzimele implicate n sinteza purin-nucleotidelor se gsesc n citoplasma celular dar nu toate celulele sintetizeaz nucleotide. O serie de 10 reacii conduc la sinteza de novo a inozin-monofosfatului (IMP) care servete ca precursor pentru adenozin-5-monofosfat (AMP) i guanozin-5monofosfat (GMP).

CONVERSIA IMP LA AMP I GMP Conversia IMP la GMP necesit ATP ca surs de energie n timp ce conversia spre AMP necesit GTP. Prin urmare, dac n celul exist suficient ATP, IMP va fi convertit la GMP i invers, cnd este suficient GTP n celul IMP este convertit la AMP.

Rata sintezei depinde de disponibilitatea R-5-P i de activitatea PRPP-sintetazei, o enzim sensibil la concentraia de fosfat i la purin-ucleotidele care acioneaz ca reglatori alosterici. Reacia 2 de formare a 5-fosforibozil aminei este trepta de control n cadrul sintezei i este puternic reglat de nucleotidele IMP, GMP i AMP. La punctul de ramificare al cii, cele 2 enzime IMP dehidrogenaza i adenilosuccinat sintetaza au valori ale KM similare pentru IMP, AMP este un inhibitor competitiv al adenilosuccinat sintetazei n timp ce GMP este inhibitor competitiv pentru IMP-dehidrogenaza. Printr-un mecanism de feed-back AMP i GMP inhib PRPPamidotransferaza. Produii finali ai biosintezei de novo acioneaz ca efectuori negativi asupra enzimei care catalizeaz reacia 2. Concentraia PRPP n celul este un determinant major n sinteza nucleotidelor purinice i reflect rata sintezei, utilizarea i degradarea lor. CALEA DE SALVARE Eficiena metabolismului celular n condiii normale se datoreaz aa numitei ci de salvare n care bazele preformate (din surse exogene sau din turn-over-ul acizilor nucleici) pot fi reutilizate, cu economisirea unor mari cantiti de energie pentru celul.

Enzima care catalizeaz ambele reacii este hipoxantin-guanin-fosforiboziltransferaza (HGPRT) i necesit ioni de magneziu. Este reglat de prezena IMP sau GMP care acioneaz ca inhibitori competitivi.

Nucleozid difosfaii sunt sintetizai din NMP corespunztor i ATP care se gsete n concentraie mai mare n celul. Enzimele implicate sunt adenilat chinaza sau guanilat chinaza.

Adenilat chinaza este acctiv n ficat i muchi unde concentraia ATP este mare. NDP i NTP sub aciunea nucleozid difosfat chinazei sunt interconvertibili.

Enzima care catalizeaz aceast reacie este adenin fosforibozil transferaza (APRTaza) i necesit ioni de Mg. Produsul reaciei este AMP care funcioneaz i ca inhibitor al enzimei. Aceste reacii sunt importante nu numai pentru faptul c se conserv energia, dar permit unor celule (ex.: eritrocitul) s formeze nucleotide din baze azotate simple. Aceste celule nu sintetizeaz 5-P-ribozilamin din PRPP din cauza lipsei enzimei PRPP-amidotransferazei, motiv pentru care depind de fosforiboziltransferaze pentru a sintetiza nucleotide. DEGRADAREA PURINELOR Nucleotidele, nucleozidele i bazele purinice parcurg o cale comun de degradare. Produsul final al acestei degradri la om este acidul uric. Enzimele implicate n degradarea acestori compui variaz ca specificitate.

Xantin oxidaza (XO) este o enzim care conine FAD, Fe (III) i Mo (VI) n reaciile catalizate oxigenul este substrat genernduse ap oxigenat ca produs de reacie.

Exist afeciuni clinice n care nivelul seric al acidului uric este crescut. Guta primar este un deficit metabolic de reglare al catabolismului purinelor i se caracterizeaz prin hiperuricemie. Clinic guta se manifest prin crize de artrit acut (atac de gut) legat de inflamaia produs prin depozitarea cristalelor de urat de sodiu greu solubil la nivelul articulaiilor. Prin acelai fenomen precipitarea uratului de sodiu la nivel renal poate produce litiaz renal. Exist i hiperuricemie secundar datorat unei superproducii de acid uric n cadrul unor afeciuni n care catabolismul purinelor este accelerat: cancer, iradiere, boli endocrine, etc. Tratamentul clasic cu alopurinol inhib competitiv xantin oxidaza scznd n acest fel produsul final de catabolism care este greu solubil. Deficiena de adenozin dezaminaz (ADA) cauzeaz imunodeficien, implicnd disfuncia celulelor T i B. Deficiena de purin nucleozid fosforilaza duce la creterea nivelului de purin nucleozide i nucleotide. METABOLISMUL NUCLEOTIDELOR PIRIMIDINICE A. SINTEZA Pirimidinele sunt sintetizate de novo n celulele mamiferelor din aminoacizi. Se folosesc glutamina i aspartatul ca donor de azot i carbon, iar CO2 ca donor de carbon.

Secvena de reacii care duce la sinteza nucleotidelor este: 1. formarea carbamil fosfatului (C-2 i N-3 din nucleu de pirimidin). 2. adiia aspartatului (N-1, C-4, C-5 i C-6). Reacia este considerat treapta de reglare n sinteza de pirimidine. 3. nchiderea nucleului cu formarea acidului dihidroorotic. 4. oxidarea la acid orotic. 5. adiia ribozo-5-fosfatului sub aciunea orotat fosforibozil transferaza. PRPP este donor de ribozo-5-P. 6. decarboxilarea orotidin-monofosfatului. Enzima implicat se numete OMPdecarboxilaza i lipsa acesteia duce la aciduria orotic. 7. sinteza de UTP, CTP sa...