Образование азотистых оснований и нуклеиновых кислот

В разделе, посвященном нуклеиновым кислотам (см. стр. 57–58), были представлены некоторые антиметаболиты, нарушающие их биосинтез из-за подобия их структур структурам естественных исходных продуктов. Здесь будут рассмотрены отдельные биохимические процессы, которые проясняют механизмы действия этих БАВ. Животные, получающие нуклеиновые кислоты с пищей, менее чувствительны к блокировке их образования, что позволяет синтезировать вещества, которые будут избирательно действовать на растения и на микроорганизмы.

Биосинтез пуриновых оснований начинается с 5-фосфорибозы, которая превращается в 5-фосфорибозил-1-пирофосфат в реакции с АТФ. Если в организм поступает достаточное количество ДНК и РНК, гидролизующихся соответствующими ферментами (в том числе и до азотистых оснований), то активированная форма рибозы по схеме, представленной в гл. 3, взаимодействует с азотистыми основаниями с образованием соответствующих нуклеотидов и пирофосфата (реутилизация пуриновых оснований). Если же пуриновые основания должны образоваться в клетке, то их биосинтез начинается с 5-фосфорибозил-1-пирофосфата, превращающегося в реакции с глютамином в 5-фосфорибозиламин:

Далее следует многостадийный процесс образования гетероциклической системы, начинающийся с ацилирования аминогруппы фосфорибозиламина глицином. После этого в построении пуриновой основы принимают участие два формильных остатка, бикарбонат, глутамин и аспартат. Конечным продуктом на этом этапе является инозиновая кислота (инозинат), которая превращается в аденилат и гуанилат уже путем функционализации пуринового остатка.

В отличие от пуринов, биосинтез которых начинается с фосфорибозы, пиримидиновые основания получают рибозный остаток уже после образования гетероциклической системы. Сначала при катализе аспартат-транскарбамоилазой из карбамоилфосфата (его антиметаболитом может быть карбамоилфосфонат) и аспарагиновой кислоты образуется N‑карбамоиласпартат:

Затем дигидрооротаза катализирует циклизацию этого соединения в дигидрооротовую кислоту:

Дигидрооротовая кислота окисляется с участием кислорода в оротовую кислоту:

После этого в реакции, катализируемой соответствующей трансферазой, образуется оротидилат по реакции с 5-фосфорибозил-1-пирофосфатом:

Декарбоксилирование оротидилата приводит к уридилату, который после превращения в уридинтрифосфат при действии АТФ и аминирования по карбонильной группе в 4‑положении пиримидинового цикла с участием амидного азота глютамина превращается в цитидин-5¢-трифосфат.

Дезоксирибонуклеотиды образуются из соответствующих рибонуклеотидов. Реакция восстановительного отщепления гидроксильной группы в 2‑положении рибозного фрагмента идет на рибонуклеозиддифосфатах с участием водородпереносящего белка тиоредоксина при катализе соответствующей редуктазой, например для аденозиндифосфата, по схеме:

При образовании дезокситимидина из уридина протекает реакция метилирования гетероциклического остатка с участием N⁵,N¹⁰-метилентетрагидрофолата, который образуется из серина и тетрагидрофолата при катализе серингидроксиметилазой (см. стр. 106). Серин относится к заменимым аминокислотам, поскольку он легко образуется из глицеринового альдегида. При взаимодействии N⁵,N¹⁰‑метилентетрагидрофолата (на схеме показан реагирующий участок его молекулы) с дезоксиуридинмонофосфатом образуются тимидинмонофосфат и дигидрофолат:

Дигидрофолат снова восстанавливается в тетрагидрофолат с участием фолатредуктазы.

Биосинтез пуриновых оснований, как отмечалось выше, также протекает с участием одноуглеродного, но уже формильного остатка. В этом процессе снова принимают участие тетрагидрофолат и серин, но при катализе формилтрансферазой в этой реакции образуется N¹⁰-формилтетрагидрофолат:

Эти превращения блокируются метотрексатом (аметоптерином), который очень прочно связывается в активном центре тетрагидрофолатредуктазы, вызывая эффект, аналогичный авитаминозу по фолиевой кислоте. Метотрексат

используется в качестве химиотерапевтического средства для лечения некоторых лейкозов и других видов рака.

При биосинтезе как нуклеиновых кислот, так и их структурных элементов образуются различные моно-, ди- и трифосфаты. Это послужило основой для поиска лекарственных средств среди структурных аналогов пирофосфорной кислоты. Первые опыты в этом направлении были малопродуктивны. Так, например, изостерная пирофосфорной кислоте метилендифосфоновая кислота

не проявила лекарственных свойств. Более успешными оказались производные фосфорилированных карбоновых кислот, в частности, натриевая соль фосфонмуравьиной кислоты (фоскарнет, стабилен только в виде соли) и фосфонацетат:

Фоскарнет применяется для лечения герпесных и цитомегаловирусных инфекций, а производные фосфонуксусной кислоты широко исследуются в качестве противовирусных и противораковых средств. Одним из интересных соединений в этом ряду стал N-фосфонацетил- L -аспарагинат (PALA), который нарушает биосинтез пиримидиновых оснований, занимая, очевидно, в активном центре фермента аспартат-транскарбамоилазы место карбамоилфосфата и L -аспарагиновой кислоты:

и

В модельных опытах PALA проявляет очень интересные виды биологической активности, но ее использованию на практике мешает мутагенный эффект.