Biosyntéza: 3 fakta, která byste měli vědět

Obsah

Přečtěte si další příklady na Puríny a také Přečtěte si více o Syntéza

Biosyntéza nukleotidů

Cesty pro biosyntézu jsou rozděleny do dvou různých typů: cesta de novo a cesta záchrany. V drahách de novo; nukleotidové báze jsou syntetizovány z některých jednoduchých sloučenin. Nejprve se syntetizuje základní struktura struktury pyrimidinové báze a poté se připojí k ribózovému cukru. Základní struktura purinové báze je však syntetizována po částech přímo na struktuře na bázi ribózového cukru. 

5-fosforibosyl-1-pyrofosfát (PRPP) + aminokyseliny + ATP + CO2 -> nukleotid

V záchranných cestách se získají předem vytvořené báze, přeskupené a přeskupené na jednotce ribózového cukru. 

5-fosforibosyl-1-pyrofosfát (PRPP) + báze -> nukleotid

Záchranné i de novo cesty fungují při syntéze ribonukleotidů. Všechny deoxyribonukleotidy jsou produkovány z jejich odpovídajících ribonukleotidů. Deoxyribózové cukry se vyrábějí procesem redukce ribózového cukru přítomného v plně vytvořeném nukleotidu. Kromě toho je v posledním kroku dráhy zavedena methylová skupina, která odlišuje thymin od uracilu (přítomného v DNA, respektive RNA). 

de novo syntéza pyrimidinu ribonukleotidu

Při syntéze de novo pro pyrimidiny je prvním krokem vznik základního strukturního rámcového kruhu. Poté se kruh připojí k ribózovému cukru a vytvoří pyrimidinový nukleotid. 

Kruh pyrimidinu je syntetizován z aspartátu a karbamoylfosfátu. Bikarbonát a amoniak jsou prekurzory karbamoylfosfátu. Syntéza karbamoylfosfátu probíhá využitím bikarbonátu a amoniaku v vícestupňovém procesu s využitím dvou molekul ATP. Tato reakce je usnadněna cytosolem karbamoylfosfát syntetáza II. 

Karbamoyl fosfát se chová s aspartátem při syntéze karbamoyl aspartátu. Tuto reakci usnadňuje aspartát-transkarbamoyláza. Karbamoylaspartát se později podrobí cyklizaci za vzniku dihydroorotátu, který se potom oxidací oxiduje na orotát.

5-fosforibosyl-1-pyrofosfát (PRPP) + báze -> nukleotid

Záchranné i de novo cesty vedou k syntéze ribonukleotidů

Orotát se poté připojí k ribóze, která je přítomna ve formě PRPP. Toto je aktivovaná forma ribózy, která je k dispozici pro přijímání nukleotidových bází (PRPP se tvoří z ribosy-5-fosfátu sledováním pentózo-fosfátové dráhy po přijetí pyrofosfátu z molekuly ATP). Orotát se kombinuje s PRPP a tvoří pyrimidinový nukleotid orotidylát (OMP). Tuto reakci řídí hydrolýza pyrofosfátu.

Enzym s názvem orotát fosforibosyltransferáza katalyzuje reakci vyžadující produkci orotidylátu. Funkce tohoto enzymu je podobná jako u ostatních fosforibosyltransferáz, které přidávají různé skupiny k PRPP pro tvorbu dalších nukleotidů. Tento orotidylát později dekarboxyláty produkuje uridylát (UMP). UMP je důležitý pyrimidinový nukleotid a předchůdce RNA. K této reakci dochází v přítomnosti enzymu orotidylát dekarboxylázy. 

Syntéza cytidinu (pyrimidinový ribonukleotid)

Cytidin se syntetizuje z uracilové báze UMP. Před tvorbou cytidinu se UMP transformuje na UTP. Nukleosidmonofosfáty (NMP) se převádějí na nukleosid trifosfáty (NTP) v následujících reakčních krocích:

- Nukleosidmonofosfáty (UMP) se převádějí na nukleosiddifosfáty (UDP) a poté nukleosid trifosfáty (UTP).

- Vytvořený UTP lze převést na cytidin trifosfát (CTP) vytěsněním karbonylové skupiny aminoskupinou. 

Redukce ribonukleotidů za vzniku deoxyribonukleotidů

Prekurzory deoxyribonukleové kyseliny (DNA) jsou deoxyribonukleotidy; redukce ribonukleosid difosfátu je tvoří. Tato přeměna je katalyzována ribonukleotidreduktázou. Elektrony jsou později přeneseny z NADPH na sulfhydrylové skupiny nebo thiolové skupiny přítomné v aktivním místě enzymu. Tento přenos elektronů je zprostředkován pomocí proteinů, jako je thioredoxin a glutaredoxin. DUMP se převede na dTMP přidáním methylové skupiny. Methylenovou skupinu a hydrid v této reakci poskytuje N⁵, N¹⁰-methylenetetrahydrofolát. Později tento N⁵, N¹⁰-methylenetetrahydrofolát se transformuje na dihydrofolát. Dále tento dihydrofolát podléhá redukci v přítomnosti NADPH za vzniku tetrahydrofolátu. Tuto reakci usnadňuje enzym známý jako dihydrofolátreduktáza.

Chemoterapeutická činidla, jako je methotrexát (amethopterin) a aminopterin, inhibují aktivitu dihydrofolátreduktázy. Tento folátový analog působil jako kompetitivní inhibitor.

Purinový ribonukleotid

Purinový prsten je sestaven z různých prekurzorů:

- Glutamin (N3 a N9)

- Glycin (C4, C5 a N7)

- Aspartát (N1)

- N10-formyltetra-hydrofolát (C2 a C8)

- CO2 (C6)

de novo syntéza purinu (Biosyntéza purinů)

De novo syntéza purinu (Biosyntéza purinů) začíná jednoduchými látkami, jako je hydrogenuhličitan a aminokyseliny. Purinové báze jsou na rozdíl od pyrimidinů sestaveny na ribózový kruh,

Stejně jako biosyntéza pyrimidinu vyžaduje i de novo purinová biosyntéza PRPP. V případě purinů však PRPP poskytuje platformu, na které jsou dusíkaté báze syntetizovány v několika krocích. V prvním kroku dochází k vytěsnění pyrofosfátu amoniakem místo předem sestavené báze pro výrobu 5-fosforibosyl-1-aminu. 

Glutamin PRPP amidotransferáza katalyzuje tuto reakci, což zabraňuje zbytečné hydrolýze obou substrátů. Enzym amidotransferáza bere v úvahu konformaci aktivní látky pouze pro vazbu PRPP a glutaminu. Aktivita tohoto enzymu je inhibována azaserinovým analogem glutaminu, který ve výsledku potlačuje angiogenezi a malignitu.

Později dojde k přidání glycinu, řadě foremace, aminace a uzavření kruhu. Tato řada reakcí vede k tvorbě 5-aminoimidazolového ribonukleotidu. Tento 5-aminoimidazolový ribonukleotid má dokončený pětičlenný kruh purinového rámce. Přidání oxidu uhličitého a atomu dusíku z aspartátu spolu s formylovou skupinou se účastní uzavírání kruhu nebo cyklizace. Tím se nakonec vytvoří inosinát (IMP), což je purinový ribonukleotid.

Biosyntéza purinu de novo probíhá, jak je uvedeno v následujících krocích:

• Fosforylační proces aktivuje karboxylátovou skupinu glycinu. Glycin se později spojí s aminoskupinou 5-fosforibosyl-1-aminu. V důsledku toho vzniká nová amidová vazba a glycin (aminoskupina) se v následujících reakčních krocích chová jako nukleofil.

• Aktivovaný formiát se poté přidá k aminoskupině glycinu za vzniku formylglycinamid ribonukleotidu. U několika organismů se na katalýze tohoto kroku podílejí dva různé enzymy. Jeden enzym se účastní přenosu formylové skupiny, zatímco jiný enzym iniciuje mravenčan za vzniku formylfosfátu. Formylfosfát se poté přidá k aminoskupině glycinu (zdrojem formylové skupiny je N¹⁰-formyltetrahydrofolát)

• Amidová skupina se poté aktivuje a převede na amidin přidáním amoniaku (zdrojem amoniaku v tomto kroku je glutamin).

• Dochází k cyklizaci formylglycinamid ribonukleotidu za vzniku pětičlenného imidazolového kruhu. Tento imidazolový kruh je charakteristický pro puriny. Tento cyklizační proces je termodynamicky příznivý a proveditelný.

• Ireverzibilita této reakce zajištěná spotřebou jedné molekuly ATP.

• Bikarbonát prochází fosforylací a poté reaguje s exocyklickou aminoskupinou. Produkt vytvořený v předchozí reakci pak přeskupí a přenese svou karboxylátovou skupinu na imidazolový kruh. Savci navíc pro tento krok nepotřebují ATP. Bikarbonát se váže na exocyklickou aminoskupinu, později se přenese na imidazolový kruh.

• Imidazolkarboxylátová skupina je dále fosforylována a aspartátová aminoskupina nahrazuje fosfát. Tato šestistupňová reakční kaskáda spojuje glycin, mravenčan, amoniak, hydrogenuhličitan a aspartát za vzniku reakčního meziproduktu, který obsahuje všechny kromě dvou atomů potřebných pro vznik purinového kruhu.

Další tři kroky dokončují syntézu kruhu. Fumarát, který je meziproduktem v Krebově cyklu, se poté odstraní, což ve výsledku usnadňuje připojení atomu dusíku z aspartátu k imidazolovému kruhu. Aminoskupina darovaná aspartátem a současné odstranění fumarátu stimulují transformaci citrulinu na arginin. K katalýze těchto kroků do dvou drah jsou zapotřebí homologní enzymy. Formylová skupina se přidá k atomu dusíku (zdrojem formylové skupiny je N10-formyltetrahydrofolát) za vzniku terminálního meziproduktu, který spouští proces cyklizace s eliminací molekul vody za vzniku inosinátu.

Tvorba AMP a GMP

Tento IMP se převádí na AMP nebo GMP se provádí ve dvoukrokové cestě dokončené na úkor energie. (Syntéza AMP vyžaduje jako zdroj energie GTP, zatímco syntéza GMP vyžaduje ATP). 

IMP -> XMP -> GMP

IMP se přeměňuje na XMP (xanthosinmonofosfát) působením IMP dehydrogenázy (využití NAD jako kofaktoru)

XMP se dále převádí na GMP (guanosinmonofosfát) působením XMP-glutamin amidotransferázy.

IMP -> Adenylosukcinát -> AMP

IMP je přeměněn na adenylosukcinát působením enzymu adenylosukcinátsyntetázy. Adenylosukcinát se dále působením přeměňuje na AMP (adenosinmonofosfát). enzym Adenylosukcinát lyáza.

Konverze (NMP) nukleosidmonofosfátů na (NDP) nukleosiddifosfáty a trifosfáty (NTP). 

Nukleosiddifosfáty (NDP) jsou syntetizovány z jejich odpovídajících nukleosidmonofosfátů (NMP) za použití bazicky specifického enzym, jako jsou nukleosidmonofosfátkinázy. Tyto kinázy však nerozlišují mezi ribózou a deoxyribózou v substrátech. Obecně je ATP hlavním zdrojem přeneseného fosfátu, protože je dostupný ve vyšších koncentracích uvnitř buněk ve srovnání s jinými nukleosidtrifosfáty.

Například, 

Adenylát kináza

AMP + ATP -> 2 ADP

Guanylát kináza

GMP + ATP -> GDP + ADP

Nukleosiddifosfáty (NDP) se přeměňují na nukleosidtrifosfáty (NTP) působením nukleosiddifosfátkinázy, tento enzym má širokou specificitu. Na rozdíl od nukleosidmonofosfátkinázy (která má úzkou specificitu). 

nukleosid difosfátkináza pomáhá katalyzovat obě následující reakce:

GDP + ATP -> GTP + ATP

CDP + ATP -> CTP + ADP

Záchranné cesty pro biosyntézu purinů

Puriny, které se produkují v důsledku degradace nukleových kyselin uvnitř buňky nebo které se získávají z normální stravy, ale tyto puriny lze znovu převést na (NTP) nukleosid trifosfáty pro opětovné použití tělem. Tento proces je známý jako záchranná cesta pro syntézu purinů. Tato cesta zahrnuje dva hlavní enzymy: (APRT) adenin fosforibosyltransferázu a (HGPRT) hypoxanthin-guanin fosforibosyltransferázu. Oba enzymy využívají PRPP (který funguje jako jejich hlavní zdroj ribosa-5-fosfátu).

APRT katalyzuje reakci zahrnující tvorbu adenylátu:

Adenin + PRPP -> Adenylát + PPi

HGPRT katalyzuje reakci zahrnující tvorbu inosinátu (inosinmonofosfát, IMP). Je to prekurzorová molekula pro syntézu guanylátu a adenylátu.

Guanin + PRPP -> Guanylát + PPi

Hypoxanthin + PRPP -> inosinát + PPi

Podobné záchranné cesty existují i ​​pro pyrimidiny. Pyrimidin fosforibosyl transferáza se znovu připojí k uracilu, ale nepřipojuje cytosin k PRPP.

Závěry

Nukleotidová biosyntéza, která obvykle zahrnuje jak biosyntézu purinů, tak pyrimidinů, probíhá uvnitř buňky, jak je popsáno v článku.

Pokud se chcete dozvědět více o biosyntéze a biotechnologii klikněte zde

Nejčastější dotazy

Q1. Purin vs. pyrimidin (označte některé rozdíly mezi puriny a pyrimidiny)

Odpověď: Dusíkaté báze se obecně dělí do dvou rodin; jmenovitě puriny a pyrimidiny. Jsou to stavební bloky nebo monomerní jednotky deoxyribonukleové kyseliny (DNA) a ribonukleové kyseliny (RNA).

• Puriny jsou struktury s dvojitým kruhem, zatímco pyrimidiny obsahují jeden kruh. Puriny i pyrimidiny jsou heterocyklické struktury (kruh obsahuje více než jeden typ základních atomů).
• Puriny jsou dvou základních typů, jmenovitě adenin a guanin. Zatímco pyrimidiny jsou tří základních typů: tymin, cytosin a uracil (je přítomen pouze v RNA místo tyminu).
• Purin se odbourává za vzniku kyseliny močové, zatímco pyrimidiny se štěpí za vzniku oxidu karbondi, amoniaku a beta aminokyselin.

Q2. Proč purin vždy páruje pár s pyrimidinem

Odpověď: Vzhledem ke strukturním vlastnostem dusíkatých bází se puriny a pyrimidiny párují se specificitou. Adenin (A) se vždy páruje s tyminem (T), zatímco guanin (G) se vždy páruje s cytosinem (C).

Tyto kombinace dusíkatých bází mají tendenci vytvářet mezi nimi vodíkové vazby.

(A) Adenin tvoří dvě vodíkové vazby s (T) tyminem. Zatímco (G) guanin tvoří tři vodíkové vazby s (C) cytosinem.

Také čtení:

• Příklady bioindikátorů
• Je adenin nukleotid
• Opouští DNA jádro
• Fotosyntézní reakce
• Uracil v replikaci DNA
• Mají bakterie bičíky
• Chromatin vs chromatid
• Charakteristika monogenea
• Co ukládá chloroplast
• Mitochondrie a endoplazmatické retikulum

Dr. Abdullah Arsalan

Jsem Abdullah Arsalan, dokončil jsem doktorát z biotechnologie. Mám 7 let zkušeností s výzkumem. Dosud jsem publikoval 6 článků v časopisech mezinárodní pověsti s průměrným impakt faktorem 4.5 a několik dalších je v úvahu. Prezentoval jsem výzkumné práce na různých národních a mezinárodních konferencích. Mým předmětem zájmu je biotechnologie a biochemie se zvláštním důrazem na proteinovou chemii, enzymologii, imunologii, biofyzikální techniky a molekulární biologii.