Nukleotidy a nukleové kyseliny

Biosyntéza pyrimidinových nukleotidů se odehrává v cytosolu a je poměrně jednoduchá. Vychází z malých složek, z karbamoylfosfátu a aspartátu. Na rozdíl od karbamoylfosfátu, který vstupuje do močovinového cyklu, jsou k syntéze pyrimidinových nukleotidů potřebné molekuly syntetizované v cytosolu, a ne v mitochondriích.

Vstupní reakcí je tvorba karbamoylfosfátu. Vzniká reakcí bikarbonátu (HCO₃^-), s glutaminem a ATP. Reakci katalyzuje cytosolová karbamoylfosfátsyntetáza II. Jde o silně endergonní reakci spotřebovávající ATP.

Obr. 3 Syntéza karbamoylfosfátu

Úkol: porovnejte se začátkem syntézy močoviny

Karbamoylfosfát reaguje s aspartátem za vzniku N-karbamoylaspartátu. Odstraněním vody z N-karbamoylaspartátu je uzavřen pyrimidinový kruh a tvoří se L-dihydroorotát. Tato sloučenina se oxiduje na orotát, akceptorem vodíků je NAD⁺. První tři enzymy této dráhy (tedy  karbamoylfosfát syntetáza II, aspartát-transkarbamoyláza a dihydroorotáza – to se prosím neučte) jsou u eukaryot součástí jediného multifunkčního proteinu, označovaného zkratkou CAD.

Až nyní dojde k N-glykosidovému napojení aktivované ribózy ve formě 5´-fosforibosyl-1´-difosfátu (PRPP), čímž vzniká již skutečný nukleotid – orotidin-5´-fosfát (orotidinmonofosfát, OMP). Ten dekarboxylací přejde na základní stavební kámen polynukleotidů – na uridin-5´-fosfát (uridinmonofosfát, UMP). Tyto kroky katalyzují dvě katalytické domény bifunkčního proteinu známého též jako UMP syntáza.

Obr. 4 Syntéza UMP

UMP je dále fosforylován na UDP a UTP. UDP je substrát pro ribonukleotidreduktázu, která vytváří dUDP (ten se využije jako prekurzor pro syntézu dTTP, viz dále).

CTP se vyrábí aminací UTP, dusík poskytuje glutamin. Reakce vyžaduje souběžné štěpení ATP k dodání energie. Část CTP může být defosforylována na CDP, který je substrátem pro ribonukleotidreduktázu, která z něj vytváří dCDP.

DNA obsahuje místo uracilu thymin; de novo cesta k thyminu tak zahrnuje pouze deoxyribonukleotidy. Bezprostředním předchůdcem thymidylátu (dTMP) je dUMP. Přeměna uracilu na thymin je složitější a vyžaduje spolupráci s přenašečem jednouhlíkatých fragmentů – kyselinou listovou. Konverze dUMP na dTMP je katalyzována thymidylátsyntázou. Jednouhlíkatý fragment hydroxymethyl (-CH₂OH) se převede z N5,N10-methylenetetrahydrofolátu na dUMP a zároveň je redukován na methylovou skupinu (-CH₃). K redukci dochází na úkor oxidace tetrahydrofolátu na dihydrofolát, což je u reakcí vyžadujících tetrahydrofolát neobvyklé. Dihydrofolát se redukuje zpět na použitelný tetrahydrofolát dihydrofolátreduktázou. Vyprodukovaný dTMP se může ve dvou krocích fosforylovat na dTTP.

Dělicí se buňky, které musí generovat dTMP pro syntézu DNA, což zároveň vytváří dihydrofolát, jsou obzvláště citlivé jak na inhibitory thymidylátsyntázy, tak na inhibitory dihydrofolátreduktázy. Toho lze využít v léčbě  některých druhů maligních nádorů. K běžně používaným cytostatikům patří analogy thyminu, jako je 5-fluoruracil, který ireverzibilně inhibuje thymidylátsyntázu, či methotrexát – molekula podobná kyselině listové, který působí jako kompetitivní inhibitor dihydrofolátreduktázy.

Další informace o kyselině listové jsou k dispozici v kurzu Vitamíny jako kofaktory enzymů.

Obr. 5 Folát nahoře vs methotrexát dole (wikimedia commons)

Pyrimidinové (deoxy)ribonukleotidy jsou také produkty záchranné cesty. Nukleosidy vznikající rozpadem NA mohou být zachráněny kinázami, které za využití ATP fosforylují nukleosidy na nukleotidy. Samotné pyrimidinové báze však reutilizace v lidském organismu prakticky schopny nejsou.