Tài liệu Chuyển hóa acid Nucleic pptx

Quá trình dị hóa pyrimidine Trước khi bị phân hủy thì cytidine và deoxycytidine sẽ chuyển hóa tương ứng thành uridine và deoxyuridine nhờ phản ứng khử amin do cytidine deaminase xúc tác.

Chương 16: CHUYỂN HÓA ACID NUCLEIC -Thoái hóa va sth các base purin và pyrimidin

-Quá trình sinh tổng hợp AND

-Quá trình sinh tổng hợp ARN

1 Sự phân giải các acid nucleic

Sơ đồ phân giải chung

Acid nucleic => nucleotid => nucleosid

 Base N + pentose

Purin Pyrimidin

Uric acid NH3, CO2

Urê

- Sự thủy phân nucleic acid thành

mononucleotide được xúc tác bởi các

enzyme thủy phân tương ứng

- DNA nhờ desoxyribonuclease xúc tác biến đổi thành các desoxyribonucleotide còn

RNA do các ribonuclease xúc tác sẽ bị

phân giải thành các ribonucleotide.

-Mononucleotide bị phân giải bởi tác dụng của các

phosphatase hoặc nucleotidase tạo nên các

nucleoside và H3PO4 Các nucleoside lại tiếp tục bị thủy phân bởi các nucleosidase để tạo base nitơ và pentose

-Các sản phẩm của quá trình phân giải trên tiếp tục

1.1 Phân giải các base purin

- Purin ở dạng tự do hoặc liên kết sẽ bị phân giải qua

2 phản ứng chủ yếu là thủy phân và oxy hóa

- Ở người, linh trưởng, chim, một số bò sát, côn

trùng: sản phẩm phân giải cuối cùng của purin là

acid uric

- Đa số động vật có vú, nhuyễn thể, một số loài bò

sát khác: sản phẩm thoái hóa cuối cùng của purin là alanthion

- Các loài không xương ở biển: sp cuối là NH4

Có một số sự sai khác trong những con đường đặc trưng mà

các sinh vật hoặc các mô khác nhau sử dụng để phân hủy AMP Ở cơ, AMP deaminase chuyển AMP thành IMP IMP tiếp tục bị thủy phân thành inosine nhờ 5-nucleotidase Tuy nhiên, ở hầu hết các mô, AMP bị thủy phân bởi 5’-nucleotidase tạo thành adenosine Sau đó, adenosine bị khử amine tạo thành inosine do adenosine deaminase xúc tác

Purine nucleoside phosphorylase chuyển các inosine,

guanosine và xanthosine tương ứng thành hypoxanthine, guanine, xanthine Hypoxanthine bị oxide hóa thành xanthine do xanthine oxidase xúc tác là một enzyme chứa molybden, FAD và hai tâm Fe-S khác nhau Guanine bị aminohydrolase khử amine thành xanthine Các phân tử xanthine bị oxide hóa tiếp thành acid uric nhờ xanthine oxidase

Nhiều động vật phân hủy acid uric sâu hơn

Ở cá xương, urate oxidase chuyển hóa acid uric

thành allantoin để tạo thành allantoate Các loài cá khác cũng như các loài lưỡng thê sinh ra

allantoicase cắt acid allantoic thành glyoxylate và urea

Các động vật có xương sống ở biển phân hủy

urea thành NH4+ và CO2 trong phản ứng do

urase xúc tác.

Sản phẩm cuối của quá trình phân giải purin

Uric acid Các lồi linh trưởng (primate), chim và gia

cầm (birds), bị sát (reptiles), cơn trùng

Allantoin Hầu hết các lồi động vật cĩ vú

Allantoate Các lồi cá xương

Urea Các lồi động vật lưỡng cư (amphibians),

các lồi cá sụn (cartilaginous fishes)

NH4+ Các lồi khơng xương sống ở biển (marine

invertibrates)

- Goutte là một bệnh của khớp xương do sự gia tăng nồng độ uric acid trong máu và trong các

mô bào Sự lắng đọng bất thường của sodium urate làm cho các khớp xương bị sưng, đau và viêm Thận cũng bị ảnh hưởng do nồng độ uric acid cao trong máu sẽ dẫn đến lắng đọng uric acid trong các ống thận nhỏ

- Nguyên nhân: có nhiều nguyên nhân chưa rõ

- Chữa trị: biện pháp dinh dưỡng (tránh ăn thức

ăn giàu nucleotide, acid nucleic) và dùng

thuốc

1.2 Quá trình dị hóa pyrimidine

Trước khi bị phân hủy thì cytidine và deoxycytidine sẽ

chuyển hóa tương ứng thành uridine và deoxyuridine nhờ phản ứng khử amin do cytidine deaminase xúc tác Tương tự, deoxycytidylate (dCMP) bị khử amine

thành deoxyuridylate (dUMP) phân tử dUMP sau đó biến thành deoxyuridine nhờ 5’-nucleotidase

Uridine và deoxyuridine sau đó chuyển hóa tiếp thành

uracil nhờ nucleoside phosphorylase

Thymine được tạo thành từ thymidylate (dTMP) trong

các phản ứng kế tiếp nhờ 5’-nucleotidase và nucleoside phosphorylase

Uracil và thymine bị chuyển hóa tương ứng thành các sản

phẩm cuối của chúng là -alanine và -aminoisobutyrate trong những con đường song song

Trong phản ứng đầu tiên, uracil và thymine bị

dihydrouracil dehydrogenase khử thành các dẫn xuất dihydro tương ứng của chúng Vì ba phân tử sau này bị thủy phân nên vòng mở tạo ra -ureidopropionate và - ureioisobutyrate Cuối cùng, -ureidopropionase xúc tác các phản ứng khử amine sinh ra -alanine và - aminoisobutyrate.

Do tan được nên -aminoisobutyrate không gây ra những

vấn đề trầm trọng như ở bệnh gout.

Con đường phân giải pyrimidine thường dẫn

2 Sinh tổng hợp nucleotide

Nucleotide là các phân tử chứa nitrogen phức tạp cần cho quá trình tăng trưởng và phát triển của tế bào Không chỉ là khối xây dựng của các acid nucleic mà nucleotide còn đóng nhiều vai trò quan trọng trong sự chuyển hóa năng lượng và điều hòa nhiều con đường biến dưỡng

Mỗi nucleotide được cấu tạo gồm ba phần là một base nitrogen, một đường pentose và một hoặc nhiều nhóm phosphate Các bse nitrogen có nguồn gốc từ purine hoặc pyrimidine là các amine thơm dị vòng phẳng Trong tự nhiên, purine thường xuất hiện ở dạng adenine, guanine, xanthine, hydroxanthine còn pyrimidine thì ở dạng thymine, cytosine và uracil

• Khi các base purine hoặc pyrimidine liên kết thông qua nối -N-glycoside ở C1của đường pentose thì

phân tử đó gọi là nucleoside Hai kiểu đường tìm

thấy ở nucleoside là ribose hoặc deoxyribose Các nucleoside chứa ribose với adenine, guanine,

cytosine và urasil thì gọi là adenosine, guanosine,

cytidine và uridine Khi thành phần đường là

deoxyribose thì sử dụng tiếp đầu ngữ deoxy Ví dụ: deoxy nucleoside của adenine gọi là

deoxyadenosine

• Do base thymine thường chỉ ở dạng deoxynucleoside nên deoxythymine được gọi là thymidine

Nguyên liệu để tổng hợp gồm có:

- H3PO4

- Ribose (từ con đường HMP)

- Base nitơ

2.1 Sự tổng hợp purin nucleotide

nucleotide được tổng hợp theo 2 con đường:

- Tổng hợp mới (de novo pathway)

- Sử dụng lại sản phẩm phân giải nucleic acid

(salvage pathway)

Quá trình tổng hợp de novo các purine nucleotide

bắt đầu với phản ứng tạo thành ribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) do ribose-5-phosphate pyrophosphokinase (PRPP synthase) xúc tác Cơ chất của phản ứng này, -D-ribose-5-phosphate là một sản phẩm của quá trình pentose phosphate Trong giai đoạn đầu tiên của con đường thì PRPP bị chuyển hóa thành inosine monophosphate (inosinate) là purine nucleotide đầu tiên Quá trình này bắt đầu bằng sự thay thế nhóm pyrophosphate của PRPP bằng amide nitrogen của glutamine trong phản ứng do glutamine PRPP amidotransferase xúc tác Sản phẩm tạo thành là 5-phospho- -D-ribosylamine

5-phospho--D-• Khi 5-phospho--D-ribosylamine tạo thành thì việc xây dựng cấu trúc vòng purine bắt đầu

Phosphoribosylglycinamide synthase xúc tác sự tạo thành một nối amide giữa nhóm

carboxyl của glycine với nhóm amino của

5-phospho--D-ribosylamine Trong tám phản

ứng liên tiếp nhau thì sẽ tạo thành purine

cucleotide đầu tiên là IMP Các tiền chất khác của thành phần base của IMP (hypoxanthine) gồm có CO2, aspartate, M10-formyl THF Con đường này cần thủy phân bốn phân tử ATP

• Sự chuyển hóa IMP thành adenosine monophosphate (AMP hay adenylate) hoặc guanosine monophosphate (GMP hay

guanylate) cần hai phản ứng AMP chỉ khác với IMP ở một chỗ là nhóm amino thay thế một nhóm keto Nitrogen của

amino do aspartate cung cấp sẽ liên kết với IMP trong một

phản ứng cần GTP do adenylosuccinate synthase xúc tác

Trong phản ứng kế tiếp thì sản phẩm adenylosuccinate loại fumarate tạo thành AMP Enzyme xúc tác phản ứng này cũng xúc tác phản ứng tương tự trong quá tổng hợp IMP Sự chuyển hóa IMP thành GMP bắt đầu khi quá trình khử hydrogen sử dụng NAD + do IMP dehydrogenase xúc tác và sản phẩm tạo thành là xanthosine monophosphate (XMP) Sau đó XMP

chuyển hóa thành GMP nhờ quá trình glutamine cho một

nitrogen của amino trong phản ứng cần ATP do GMP synthase xúc tác

Nguồn gốc các nguyên tử trong nhân purin

Qua trinh tổng hợp purine nucleotide được

khởi đầu bằng phosphoribosyl pyrophosphate (PRPP)

Quá trình diễn tiến qua 10 bước như sau:

Bước 1: glutamine sẽ nhường nhóm amine cho PRPP

và nhóm amine này sẽ được gắn vào C-1 của PRPP Hợp chất 5-phosphoribosylamine (PRA) mới được hình thành không bền, thời gian bán rã của nó là 30 giây ở pH 7,5 Vòng purine được hình thành dựa trên cấu trúc này

Bước 2: gắn thêm ba nguyên tử của glycine để hình thành glycinamide ribonucleotide (GAR), trong quá trình này

có sự tiêu tốn một ATP để hoạt hóa nhóm carboxyl của glycine

• Bước 3:Nhóm amine mới được thêm vào từ glycine sẽ được formyl hóa bởi N10-formyltetrahydrofolate để hình thành

formylglycinamide ribonucleotide (FGAR)

• Bước 4: Tiếp theo một phân tử glutamine nhường nhóm amine cho FGAR để tạo thành formylglycinamidine

ribonucleotide (FGAM), trong quá trình này có sự tiêu tốn một ATP

• Bước 5: FGAM đóng vòng imidazole có 5 cạnh để tạo thành hợp chất có tên gọi là 5-aminoimidazole

ribonucleotide (AIR), trong bước này có sự tiêu tốn một ATP

Bước 6: chuyển 5-aminoimidazole ribonucleotide (AIR) thành carboxyaminoimidazole ribonucleotide (CAIR)

Bước 7 và 8: Aspartate sẽ cung cấp một nhóm amine để hình thành một liên kết amide đồng thời cắt ra bộ khung carbon của aspartate dưới dạng một phân tử fumarate

• Bước 9: Nguyên tử carbon cuối cùng của vòng purine được cung cấp bởi N10-formyltetrahydrofolate

• Bước 10: sự đóng vòng thứ hai diễn ra để hình thành nhân purine

• Chất trung gian đầu tiên có vòng purine đầy đủ là inosine

monophosphate (inosinate,

IMP)

• Sự chuyển đổi inosinate thành adenylate cần

có một nhóm amine từ aspartate Trong phản ứng tạo thành adenylosuccinate từ inosinate, GTP là nguồn phosphate cao năng chứ không phải là ATP Guanylate được tạo thành nhờ phản ứng oxy hóa inosinate tại nguyên tử C-2

có sự tham gia của coenzyme NAD+ và phản ứng gắn nhóm amine từ glutamine

* Điều hòa sinh tổng hợp purin nucleotide

Sinh tổng hợp purine nucleotide được điều hòa bằng cơ chế

ức chế ngược

Các cơ chế ngược phối hợp với nhau để điều hòa tốc độ hình thành hai sản phẩm cuối cùng của tổng hợp purine

nucleotide là adenylate và guanylate

Cơ chế điều hòa ngược thứ 1: xảy ra đối với phản ứng thứ nhất của quá trình tổng hợp purine nucleotide từ PRPP - phản

ứng chuyển một nhóm amine vào PRPP để tạo thành

5-phospho-ribosylamine Phản ứng này được xúc tác bởi

allosteric enzyme glutamine-PRPP amidotransferase,

enzyme này bị ức chế bởi IMP, AMP và GMP

4

2 3

• Cơ chế điều hòa ngược thứ 2: dư thừa GMP trong tế bào

sẽ dẫn đến ức chế sự hình thành xanthylate từ inosinate nhưng không ảnh hưởng đến sự hình thành AMP Ngược lại, sự tích tụ adenylate sẽ ức chế sự hình thành

adenylosuccinate nhưng không ảnh hướng đến sự hình thành GMP

• Cơ chế điều hòa ngược thứ 3: GTP cần thiết để chuyển IMP thành AMP trong khi đó ATP lại cần thiết để

chuyển IMP thành GMP Sự sắp xếp một cách tương hỗ này làm cân đối quá trình tổng hợp hai loại purine

nucleotide

• Cơ chế điều hòa thứ 4: sự ức chế tổng hợp PRPP thông qua cơ chế điều hòa allosteric của ribose

phosphate pyrophosphokinase Enzyme này bị ức chế bởi ADP và GDP

2.2 Tổng hợp Pyrimidine nucleotide

Trong quá trình tổng hợp các pyrimidine nucleotide, vòng pyrimidine sẽ được tổng hợp trước rồi mới liên kết với ribose phosphate Các nguyên tử carbon và nitrogen trong vòng này có nguồn gốc từ bicarbonate, aspartate và glutamine

Quá trình tổng hợp diễn ra theo 2 giai đoạn

Giai đoạn 1: bắt đầu với sự tạo thành carbamoyl phosphate trong một phản ứng cần ATP do phosphate synthase II trong tế bào chất xúc tác Một phân tử ATP cung cấp nhóm phosphate trong khi đó một phân tử ATP khác sẽ điều khiển phản ứng Carbamoyl phosphate phản ứng tiếp với aspartate tạo thành carbamoyl aspartate Sau đó dihydroorotase xúc tác phản ứng đóng vòng pyrimidine Sản phẩm dihydroorotate sau đó bị oxide hóa tạo thành orotate Enzyme xúc tác phản ứng này là dihydroorotate dehydrogenase là một flavoprotein liên kết với màng trong

ty thể

• Giai đoạn 2: Sau khi ra khỏi ty thể, orotate chuyển hóa thành orotidine-5’-phosphate (OMP) bằng cách phản

ứng với PRPP

Phản ứng này do enzyme orotate pyrophosphoribosyl transferase xúc tác OMP chính là nucleotide đầu tiên của con đường này Uridine-5’-phosphate (UMP) tạo

thành khi OMP bị khử carboxyl trong phản ứng do OMP carboxylase xúc tác Hoạt tính của cả hai enzyme

orotate pyrophosphoribosyl transferase và OMP

decarboxylase đều xảy ra trên một protein gọi là UMP synthase UMP là tiền chất cho các pyrimidine

nucleotide khác

-N: carbamoyl aspartate

- H: dihydroorotate

* Điều hòa sinh tổng hợp pyrimidine nucleotide

Sinh tổng hợp pyrimidine nucleotide được điều hòa bằng cơ chế ức chế ngược

Điều hòa tốc độ sinh tổng hợp pyrimidine nucleotide ở

vi khuẩn diễn ra chủ yếu thông qua aspartate

transcarbamoylase (ATCase) là enzyme xúc tác phản ứng đầu tiên và bị ức chế bởi CTP - sản phẩm cuối cùng của chuỗi phản ứng sinh tổng hợp

2.3 Sự chuyển đổi nucleoside monophosphate thành

nucleoside triphosphate

Nucleotide được sử dụng trong sinh tổng hợp thường được chuyển

thành nucleoside triphosphate

Các đường hướng chuyển đổi là chung cho tất cả các tế bào

1 Sự phosphoryl hóa AMP thành ADP diễn ra do sự xúc tác của

adenylate kinase (ATP + AMP ↔ 2 ADP) ADP được chuyển thành ATP nhờ sự xúc tác của các enzyme trong đường phân hoặc trong quá trình phosphoryl hóa bằng cách oxy hóa ATP sẽ tham gia vào phản ứng chuyển các nucleoside monophosphate (NMP) thành nucleoside diphosphate (NDP) với sự xúc tác của nucleoside monophosphate

kinase

2 Nucleoside diphosphate được chuyển thành nucleoside triphosphate

2.4 Tổng hợp deoxyribonucleotide

Deoxyribonucleotide là đơn vị xây dựng của DNA sẽ được tạo thành từ các ribonucleotide tương ứng bằng cách khử trực tiếp ở nguyên tử carbon 2' của đường D-ribose để tạo thành dẫn xuất 2'-deoxy

Ví dụ, adenosine diphosphate (ADP) bị khử thành deoxyadenosine diphosphate (dADP) và GDP bị khử thành dGDP

Enzyme xúc tác là ribonucleotide reductase

Phản ứng khử đường D-ribose của một phân tử

ribonucleoside diphosphate thành 2'-deoxy-D-ribose cần có một cặp nguyên tử hydro (2H)

Cặp hydro này được cung cấp từ NADPH thông qua một phân tử protein vận chuyển hydro trung gian có tên gọi là thioredoxin

Thioredoxin có các nhóm -SH do đó có khả năng vận chuyển các cặp hydro từ NADPH sang ribonucleoside diphosphate Dạng oxy hóa (-S-S-) của thioredoxin sẽ

bị khử bởi NADPH trong một phản ứng được xúc tác bởi thioredoxin reductase

• Thioredoxin dạng khử được sử dụng bởi

ribonucleotide reductase để khử nucleoside

diphosphate (NDP) thành deoxyribonucleoside

diphosphate (dNDP) Một nguồn đương lượng khử thứ hai của ribonucleotide reductase là glutathione (GSH; GSSG: dạng oxy hóa của glutathione)

Glutathione đóng vai trò là chất khử của một

protein có tên gọi là glutaredoxin Sau đó

glutaredoxin dạng khử sẽ nhường hydro cho

ribonucleotide reductase.

• Enzyme ribonucleotide reductase được điều hòa

bởi nồng độ ribonucleotide reductase