Nukleotīdu biosintēze: kā top DNS būvbloki

Nukleotīds ir trīs daļu savienojums. Slāpekļa bāze ir vai nu purīns ar diviem saauguši gredzeniem, proti, adenīns vai guanīns, vai pirimidīns ar vienu gredzenu, proti, citozīns, timīns vai uracils. Cukurs ir riboze RNS gadījumā vai dezoksiriboze DNS gadījumā. Trešā daļa ir viena, divas vai trīs fosfātu grupas.

Bāzi kopā ar cukuru, bet bez fosfāta sauc par nukleozīdu. Šī terminoloģiskā nianse ir praktiski svarīga, jo daudzas pretvīrusu un pretvēža zāles tirgū ir tieši nukleozīdu analogi: tie ieiet šūnā kā nekaitīgi izskatīgi būvbloki un tikai iekšpusē tiek fosforilēti par nukleotīdiem.

Purīnu būve sākas ar ribozes fosfātu, kam pievieno aktivētu fosfātu grupu, izveidojot molekulu ar saīsinājumu PRPP. Tā ir kopīgā izejviela abiem nukleotīdu tipiem un tieši tāpēc arī viens no galvenajiem regulācijas punktiem.

Tālāk purīna gredzens tiek uzbūvēts soli pa solim tieši uz cukura, un materiālu tam dod vairākas aminoskābes, oglekļa dioksīds un divi oglekļa atomi, kurus piegādā folijskābes atvasinājumi. Kopumā ceļš ir garš un enerģētiski dārgs: katra purīna izveidošana patērē vairākas augstas enerģijas saites.

Rezultātā vispirms rodas kopīgs starpprodukts inozīnmonofosfāts, no kura divos atzarojumos veidojas gan adenīna, gan guanīna nukleotīdi. Šie atzarojumi ir savstarpēji sabalansēti tā, ka viena galaprodukta pārpalikums kavē savu ceļu un netieši atbalsta otru, kas nodrošina abu bāzu līdzsvaru.

1. No ribozes 5 fosfāta veidojas PRPP, kas ir sākumpunkts abiem ceļiem.
2. PRPP pievieno slāpekļa atomu no glutamīna; šis solis ir ātrumu ierobežojošais un stingri regulētais.
3. Purīna gredzens tiek salikts pakāpeniski uz cukura, izmantojot glicīnu, aspartātu, oglekļa dioksīdu un folijskābes atvasinājumus.
4. Rodas inozīnmonofosfāts, kopīgais starpprodukts.
5. Atsevišķos atzarojumos no tā veidojas adenozīna un guanozīna nukleotīdi.
6. Galaprodukti atgriezeniski nomāc pirmos soļus, novēršot pārprodukciju.

Pirimidīnu ceļš darbojas pēc pretēja principa. Vispirms no karbamoilfosfāta un aspartāta tiek uzbūvēts pats gredzens, un tikai gatavs gredzens tiek pievienots ribozes fosfātam. Pirmais un galvenais regulējamais solis notiek citoplazmā, un to veic ferments, kas cilvēka šūnā ir daļa no vairāku fermentu kompleksa.

Viena šī ceļa reakcija notiek nevis citoplazmā, bet mitohondrija iekšējā membrānā un ir saistīta ar elpošanas ķēdi. Šī detaļa nav akadēmiska: tieši šo fermentu bloķē viena no multiplās sklerozes un reimatoīdā artrīta ārstēšanā lietotajām zālēm, un tieši tāpēc tās iedarbība izpaužas galvenokārt strauji dalīties gribošās imūnšūnās.

Uz izveidotā uridīna nukleotīda pamata pēc tam tiek iegūti gan citozīna, gan, pēc dezoksiribozes iegūšanas, timīna nukleotīdi. Timīna izveide prasa folijskābes atvasinājumu, un tieši šī atkarība padara timīna sintēzi par vienu no jutīgākajām vietām visā vielmaiņā.

Šūna nepārtraukti sadala vecas nukleīnskābes, un atbrīvotās bāzes nav jāmet ārā. Ar īpašu fermentu palīdzību tās vienā solī var savienot ar PRPP un atgriezt apritē kā gatavus nukleotīdus. Šis ceļš ir daudzkārt lētāks nekā būve no nulles.

Tieši šī ceļa nozīmi visspilgtāk parāda tā trūkums. Ja iedzimtas mutācijas dēļ nedarbojas viens no purīnu atgūšanas fermentiem, bāzes vairs netiek izmantotas atkārtoti, tās nonāk sabrukšanas ceļā, un urīnskābes veidojas daudz. Smagā formā tas izpaužas kā reta iedzimta slimība ar izteiktu neiroloģisku bojājumu un ārkārtīgi augstu urīnskābes līmeni jau bērnībā.

Ikdienas medicīnā svarīgāks ir cits aspekts: eritrocīti nespēj sintezēt purīnus no nulles un ir pilnībā atkarīgi no atgūšanas, tāpēc traucējumi šajā ceļā vispirms skar asins šūnas.

• Būve no nulles: dārga, prasa daudz enerģijas un folijskābi, būtiska strauji augošos audos.
• Atgūšana: lēta, vienkārša, dominē lielākajā daļā nobriedušu audu.
• Eritrocīti un smadzenes ir īpaši atkarīgas no atgūšanas ceļa.
• Atgūšanas traucējumi paaugstina urīnskābes līmeni.
• Abu ceļu kopīgais mezgls ir PRPP, tāpēc tā pieejamība ietekmē visu sistēmu.

Regulācijas pamatprincips ir vienkāršs: galaprodukts bremzē pats savu ražošanu. Purīnu ceļā adenozīna un guanozīna nukleotīdi nomāc pirmos soļus, un, turklāt, adenozīna nukleotīdi ir nepieciešami guanozīna nukleotīdu ražošanai un otrādi. Šī savstarpējā atkarība notur abu bāzu attiecību līdzsvarā.

Otrs regulācijas slānis ir šūnas cikls. Tieši pirms DNS replikācijas šūna strauji palielina dezoksiribonukleotīdu ražošanu, un to veic ferments ribonukleotīdreduktāze, kas no ribozes iegūst dezoksiribozi. Šis ferments ir viens no smalkāk regulētajiem visā vielmaiņā, un tas ir arī vairāku pretvēža zāļu mērķis.

Ja regulācija salūst un ražošana notiek pārmērīgi, palielinās purīnu sabrukšanas produktu daudzums. Cilvēkam un cilvēkveidīgajiem pērtiķiem, atšķirībā no vairuma zīdītāju, trūkst fermenta, kas urīnskābi pārvērstu labāk šķīstošā savienojumā, tāpēc tieši urīnskābe ir galaprodukts, kas jāizvada caur nierēm.

Visbiežāk sastopamā nukleotīdu vielmaiņas klīniskā izpausme ir podagra. Urīnskābe slikti šķīst, un, ja tās koncentrācija asinīs ilgstoši ir augsta, tā var izgulsnēties kristālu veidā locītavā. Tipiskā aina ir pēkšņs, nakts laikā sākušies stipras sāpes lielā pirksta pamata locītavā ar pietūkumu, apsārtumu un nepanesamu jutību pret pieskārienu. Ar podagru nodarbojas reimatologs, bet pirmā pieturvieta ir ģimenes ārsts.

Otra grupa ir urīnskābes akmeņi nierēs un urīnceļos, ar ko nodarbojas urologs. Treškārt, strauji sabrūkoša audzēja gadījumā, īpaši ārstēšanas sākumā, vienlaikus atbrīvojas milzīgs daudzums nukleīnskābju, un urīnskābes līmenis strauji ceļas; šis stāvoklis ir bīstams nierēm un prasa profilaksi jau iepriekš.

Atsevišķi jāmin iedzimti fermentu defekti, kas izpaužas bērnībā ar imūndeficītu. Viens no purīnu sabrukšanas fermentiem, ja tas nedarbojas, izraisa toksisku starpproduktu uzkrāšanos tieši limfocītos, un rezultāts ir smags kombinēts imūndeficīts. Ar šādiem stāvokļiem nodarbojas bērnu imunologs un ģenētiķis.

Nukleotīdu vielmaiņa ir viena no biežāk izmantotajām zāļu mērķa vietām. Metotreksāts nomāc folijskābes apriti un tādējādi aptur gan purīnu, gan timīna sintēzi; to lieto gan onkoloģijā, gan mazākās devās reimatoloģijā. Fluoruracils bloķē timīna nukleotīda izveidi. Azatioprīns un merkaptopurīns iejaucas purīnu ceļā un tiek lietoti imūnsupresijā un dažās zarnu slimībās.

Allopurinols darbojas citā vietā, proti, tas nomāc fermentu, kas purīnus pārvērš urīnskābē, un tāpēc tiek lietots podagras profilaksei. Svarīgi, ka to nesāk lēkmes laikā un ka ārstēšanu nosaka ārsts, jo kombinācijās ar dažām citām zālēm nepieciešama devas korekcija.

Pretvīrusu terapijā izmanto nukleozīdu analogus, kas iebūvējas vīrusa nukleīnskābē un pārtrauc tās pagarināšanu. Šī zāļu grupa ir pamatā gan herpes vīrusu, gan B hepatīta, gan cilvēka imūndeficīta vīrusa ārstēšanai.

• Folijskābes ceļa bloķētāji: metotreksāts un radniecīgi līdzekļi.
• Timīna sintēzes bloķētāji: fluoruracils un tā atvasinājumi.
• Purīnu analogi imūnsupresijā: azatioprīns, merkaptopurīns.
• Urīnskābes veidošanās nomācēji: allopurinols un jaunākie līdzekļi.
• Nukleozīdu analogi pretvīrusu terapijā.

Urīnskābe cilvēkam nav tikai atkritums. Evolūcijas gaitā cilvēka un cilvēkveidīgo pērtiķu senči zaudēja fermentu, kas to sadala tālāk, un rezultātā mūsu asinīs urīnskābes koncentrācija ir daudz augstāka nekā vairumam zīdītāju. Pastāv hipotēze, ka šī zaudēšana bija izdevīga, jo urīnskābe darbojas kā antioksidants. Precīzs ieguvuma apjoms joprojām tiek diskutēts, taču pats fakts labi parāda, ka vielmaiņas ceļu nevar vērtēt tikai pēc galaprodukta kaitīguma.

Otrs praktiski svarīgs novērojums attiecas uz uzturu. Sarunās par podagru parasti uzsver gaļu un jūras veltes, jo tajās ir daudz purīnu, taču uztura ieguldījums kopējā urīnskābes līmenī parasti ir mazāks nekā nieru izvadspējas ieguldījums. Tas nozīmē, ka diēta viena pati smagas podagras gadījumā reti ir pietiekama, un tieši tāpēc ārsts vērtē arī nieru darbību un lietotās zāles, piemēram, atsevišķus diurētiskos līdzekļus, kas urīnskābes izvadi samazina.