Общая характеристика синтеза дезоксирибонуклеотидов
Дезоксирибонуклеотиды (дНТФ) служат строительными блоками ДНК и образуются не путём самостоятельного синтеза с нуля, а за счёт восстановления готовых рибонуклеотидов. Ключевая реакция — превращение 2′-OH-группы рибозы в 2′-H дезоксирибозы — катализируется одним универсальным ферментом для всех четырёх оснований. Отдельным путём идёт синтез тимидиловых нуклеотидов, поскольку тимин в составе РНК отсутствует и его метильная группа должна быть введена специально.
Рибонуклеотидредуктазный комплекс
Восстановление рибонуклеозиддифосфатов (АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ) до соответствующих дезоксиформ катализирует рибонуклеотидредуктаза (РНР-аза). Реакция требует донора водородов, которым служит белковый кофактор тиоредоксин, содержащий пару остатков цистеина с SH-группами.
Окислённая (дисульфидная) форма тиоредоксина регенерируется системой:
- тиоредоксинредуктаза — фермент, восстанавливающий тиоредоксин;
- НАДФН — конечный донор электронов и водородов.
Таким образом, поток восстановительных эквивалентов идёт по схеме: НАДФН → тиоредоксинредуктаза → тиоредоксин → рибонуклеотидредуктаза → 2′-OH рибозы превращается в 2′-H дезоксирибозы.
Синтез дЦМФ и дУМФ
Дезоксицитидиловые и дезоксиуридиловые нуклеотиды образуются взаимосвязанно. Существует два пути появления дУМФ:
- через дУДФ, получаемый прямым восстановлением УДФ рибонуклеотидредуктазой, с последующим дефосфорилированием;
- через дЦДФ → дЦМФ → дезаминирование до дУМФ.
Полученный дУМФ далее является субстратом для синтеза тимидиловых нуклеотидов.
Синтез дТМФ и роль фолатов
Ключевой фермент пути — тимидилатсинтаза. Она переносит одноуглеродный фрагмент с N5,N10-метилен-Н4-фолата на дУМФ, превращая его в дТМФ. Особенность реакции — донор не только отдаёт метильную группу, но и одновременно окисляется: N5,N10-метилен-Н4-фолат превращается в дигидрофолат (Н2-фолат).
Для непрерывной работы тимидилатсинтазы требуется регенерация активной формы кофактора. В этом участвуют два фермента:
- дигидрофолатредуктаза (ДГФР) — восстанавливает Н2-фолат до тетрагидрофолата (Н4-фолата) за счёт НАДФН;
- серин-гидроксиметилтрансфераза (пиридоксаль-зависимая) — переносит β-углерод серина на Н4-фолат, образуя N5,N10-метилен-Н4-фолат; серин при этом превращается в глицин.
Пути спасения пуриновых оснований
Параллельно с синтезом de novo клетка использует пути реутилизации свободных пуриновых оснований и нуклеозидов с участием 5-фосфорибозил-1-пирофосфата (ФРПФ).
- Гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансфераза (ГГФРТ) присоединяет гуанин или гипоксантин к ФРПФ с образованием ГМФ или ИМФ соответственно; высвобождается пирофосфат.
- Аденинфосфорибозилтрансфераза (АФРТ) образует АМФ из аденина и ФРПФ.
- Аденозинкиназа фосфорилирует аденозин за счёт АТФ, давая АМФ.
Метотрексат: ингибитор дигидрофолатредуктазы
Метотрексат — структурный аналог фолиевой кислоты, конкурентный ингибитор дигидрофолатредуктазы. Блокада фермента останавливает восстановление Н2-фолата до Н4-фолата, истощает пул N5,N10-метилен-Н4-фолата и тем самым прекращает синтез дТМФ. Без тимидиловых нуклеотидов невозможна репликация ДНК. Препарат избирательно поражает быстро делящиеся клетки, что используется в терапии лейкозов, лимфом и ряда солидных опухолей, а также при некоторых аутоиммунных заболеваниях.
5-Фторурацил: ингибитор тимидилатсинтазы
5-Фторурацил (5-ФУ) — аналог урацила, в клетке метаболизируется до 5-фтор-дУМФ, который образует ковалентный тройной комплекс с тимидилатсинтазой и N5,N10-метилен-Н4-фолатом. Фермент необратимо блокируется, синтез дТМФ прекращается, развивается «тимидиновый дефицит» и гибель пролиферирующих клеток. 5-ФУ применяется в химиотерапии рака толстой кишки, желудка, молочной железы и других опухолей.
Стратегия противоопухолевой химиотерапии
Метотрексат и 5-фторурацил иллюстрируют общий принцип цитостатической терапии: воздействие на ферменты синтеза дНТФ. Метотрексат блокирует регенерацию кофактора (Н4-фолата), 5-ФУ — сам фермент тимидилатсинтазу. В обоих случаях нарушается образование дТМФ, страдает синтез ДНК, и клетки с высокой скоростью деления (опухолевые, кроветворные, эпителий слизистых) погибают первыми. С этим связана и типичная токсичность данных препаратов — миелосупрессия и мукозиты.
Ключевые моменты
- Рибонуклеотидредуктаза восстанавливает все четыре рибонуклеозиддифосфата до дезоксиформ.
- Донор водородов — тиоредоксин, регенерируемый тиоредоксинредуктазой и НАДФН.
- дУМФ образуется двумя путями: через дУДФ и через дезаминирование дЦМФ.
- Тимидилатсинтаза превращает дУМФ в дТМФ, используя N5,N10-метилен-Н4-фолат.
- Регенерация фолатного кофактора требует дигидрофолатредуктазы и серин-гидроксиметилтрансферазы.
- Метотрексат ингибирует дигидрофолатредуктазу, истощая пул активных фолатов.
- 5-Фторурацил через 5-фтор-дУМФ необратимо блокирует тимидилатсинтазу.
- Пути спасения пуринов работают через ФРПФ с участием ГГФРТ, АФРТ и аденозинкиназы.