Metabolismus nukleových kyselin je soubor biochemických procesů, které zahrnují syntézu (anabolismus) a degradaci (katabolismus) nukleotidů, stavebních bloků DNA a RNA. Tyto procesy jsou nezbytné pro život, protože nukleové kyseliny hrají klíčovou roli v uchovávání a přenosu genetické informace, syntéze proteinů a mnoha dalších buněčných procesech. Tento článek pojednává o trávení, biosyntéze a katabolismu purinových a pyrimidinových nukleotidů.

Purinový metabolismus

Puriny, složité cyklické organické sloučeniny obsahující uhlík i dusík, jsou důležitou částí nukleových kyselin (DNA a RNA). Základními purinovými sloučeninami jsou adenin a guanin a z nich odvozené nukleotidy. Adenin a guanin jsou součástí nukleotidů, které tvoří základní stavební jednotky DNA a RNA. Sloučeniny odvozené od těchto molekul jsou důležitými makroergními sloučeninami (ATP a GTP). Puriny přijímáme v potravě, ale naše tělo je schopno je i syntetizovat.

Biosyntéza purinů

Puriny nejsou esenciální složkou potravy - lidský organismus je dokáže vytvářet de novo. Základem pro jejich syntézu je ribóza-5-fosfát, což je jeden z produktů pentózového cyklu (forma metabolismu glukózy). Puriny jsou syntetizovány v podobě nukleotidů, tj. Syntéza je velice složitý řetězec chemických reakcí, kterých se účastní aminokyselina glutamin, aspartát a glycin. Kromě toho je potřeba přítomnost kyseliny listové (folát). Celý proces je energeticky náročný a vyžaduje ATP. Syntéza purinových nukleotidů vychází z ribosa-5´-fosfátu, který se fosforyluje na 5´-fosforibosyl-1´-difosfát (PRPP). Následuje řada reakcí, kterými vzniká inosinmonofosfát (IMP), což je společný prekurzor pro guanosinmonofosfát (GMP) i adenosinmonofosfát (AMP).

Syntéza AMP: IMP reaguje s aspartátem za přítomnosti adenylsukcinátsyntetasy, spotřebuje se molekula GTP a uvolní se molekula vody. Vzniklý adenylsukcinát účinkem adenylsukcinasy (adenylsukcinátlyasy) odštěpuje molekulu fumarátu a vzniká AMP. To se jednoduše fosforyluje nespecifickými kinázami na ADP a posléze na ATP.

Syntéza GMP: IMP se účinkem IMP-dehydrogenázy (kofaktorem je NAD+) oxiduje na xanthosinmonofosfát (XMP). XMP v následující reakci reaguje s glutaminem za spotřeby ATP. Z XMP vzniká GMP, z glutaminu vzniká glutamát. Prostou fosforylací GMP vzniká GDP a GTP.

Čtěte také: Jak přibrat s rychlým metabolismem

Pro rychlost syntézy je také důležitý negativní a positivní zpětnovazebný mechanismus v některých stupních biosyntézy, které vyvolávají AMP, ADP, GMP a GDP. Výsledkem vzájemné koordinace je to, že když je dostatek GTP, urychlí se přeměna IMP na AMP. Je-li dostatek ATP, urychlí se konverse XMP na GMP.

Záchranná syntéza purinů

Metabolismem se v těle neustále uvolňují purinové báze a nukleosidy. Byla prokázána jejich recyklace, hovoříme o šetřící dráze. Skrze ni jsou hypoxanthin (i adenin) a guanin v játrech enzymaticky převáděny na monofosfáty až trifosfáty.

Syntéza deoxyribonukleotidů

Deoxyribonukleotidy vznikají z ribonukleotidů. Redukcí D-ribosy na druhém uhlíku ribonukleosiddifosfátu (např. ADP) vzniká 2´-deoxyribonukleosiddifosfát (dADP). Tuto reakci katalysují ribonukleotidreduktázy využívající NADPH a thioredoxin. Podobně jako v případech výše, dNTP vzniká fosforylací dNDP nespecifickými kinázami.

Katabolismus purinů

Štěpením nukleových kyselin vznikají volné nukleotidy. Tyto se účinkem nukleotidas mění na nukleosidy. Konečným produktem metabolismu purinů u člověka je kyselina močová, která se vylučuje do moči. U většiny savců se kyselina močová dále štěpí urikasou (urátoxidázou) za tvorby allantoinu.

Degradace purinů je pro běžnou klinickou praxi důležitější, protože souvisí s problematikou kyseliny močové, která nás často zajímá. Adenosinmonofosfát i guanosinmonofosfát procházejí několika reakcemi, které se sbíhají ve vzniku sloučeniny známé jako xanthin. Xanthin je dále oxidován na kyselinu močovou.

Čtěte také: Metabolismus a zdravý život

Enzym xanthinoxidáza umějí různým mechanizmem blokovat sloučeniny allopurinol a febuxostat. Zablokování enzymu vede k poklesu tvorby kyseliny močové. Syntézu purinů cíleně narušují některá imunosupresiva, například azathioprin.

Poruchy metabolismu purinů

Např. deficit hypoxanthin-guaninfosforibosyltransferasy vyvolává genetické onemocnění, Lesch-Nyhanův syndrom. Hyperurikemie způsobuje dnu (arthritis uratica). Toto závažné kloubní onemocnění nemá jednotnou příčinu, bylo prokázáno několik odchylek metabolismu purinů. Nejčastější a nejběžnější příčinou je defekt v syntéze PRPP. U pacientů se hromadí velké množství kyseliny močové v měkkých tkáních, čímž vznikají tzv. tofy. Běžným důsledkem je též nephrolithiasis.

Pyrimidinový metabolismus

Stejně jako u purinů i zde platí, že je syntetizován hotový nukleotid, nikoliv samostatná dusíkatá báze s následným připojením pentózy a fosfátu.

Biosyntéza pyrimidinů

Biosyntéza probíhá v cytosolu a prvním krokem je syntéza karbamoylfosfátu cytosolovou karbamoylfosfátsyntetasou (mitochondriální karbamoylfosfátsyntetasa funguje při syntéze močoviny). Karbamoylfosfát vzniká reakcí glutaminu s CO2 za spotřeby ATP. Několika reakcemi se cyklisací karbamoylfosfátu s aspartátem odštěpí voda a následnou dehydrogenací se vytvoří kyselina orotová (orotát). Následnou reakcí s PRPP vzniká orotidin-5´-fosfát (orotidinmonofosfát, OMP), který se dekarboxylací mění na uridin-5´-fosfát (UMP). Část enzymů je při syntéze pyrimidinů umístěna na jediném proteinovém enzymovém řetězci, což výrazně urychluje chod reakcí. UMP je společným prekurzorem pro TTP, CTP a UTP.

Záchranná syntéza pyrimidinů

V metabolismu pyrimidinů má význam také šetřící dráha.

Čtěte také: Efektivní hubnutí: Průvodce

Katabolismus pyrimidinů

Katabolismus pyrimidinů probíhá převážně v játrech. Jednotlivé pyrimidinové báze vznikají degradací nukleových kyselin podobně, jako purinové. Degradační pochody jednotlivých pyrimidinových basí jsou přibližně obrácenou syntézou. Konečné produkty degradace jsou (na rozdíl od degradace purinů) vesměs dobře rozpustné ve vodě.

Regulace metabolismu nukleotidů

Aktivitu metabolických drah musí organismus neustále měnit. Na úrovni organismu zprostředkovávají regulaci signály, které k buňkám přicházejí zvenčí. Přenášejí se přes buněčnou membránu a uvnitř se spojí s regulačními ději samotné buňky. Regulace mívají řadu kroků, které se řadí do kaskád. Často končí změnou aktivity enzymu, který tak působí jako efektor regulace. Regulaci obvykle podléhá jen jeden enzym metabolické dráhy, tzv. klíčový nebo regulační enzym. Rychlost určité metabolické dráhy jako celku určuje její nejpomalejší krok. Jak jsme už uvedli, právě tento krok obvykle podléhá regulaci. Měnit se může jednak množství molekul klíčového enzymu, jednak jejich aktivita (tj. katalytická účinnost). Klíčové enzymy často katalyzují prakticky nevratné reakce.

Kompartmentace

Eukaryotickou buňku rozdělují semipermeabilní membrány do několika kompartmentů. Ty se od sebe liší například enzymatickým vybavením nebo membránovými transportními přenašeči. Různé bývají i hodnoty pH - enzymy mají totiž často různá pH optima. Kdyby byl v buňce jen jediný prostor, část enzymů by pravděpodobně nebyla funkční nebo by jimi zprostředkovaná katalýza nebyla dostatečně efektivní. V různých oddílech buňky pozorujeme i různou distribuci substrátů a produktů. Ani některé koenzymy nemohou volně přecházet mezi kompartmenty, např. molekuly NADH nebo koenzymu A neprocházejí vnitřní mitochondriální membránou. Mnoho enzymů přitom potřebuje vhodný koenzym pro svou katalytickou funkci. Změnou koncentrace koenzymu v určitém kompartmentu lze určitou metabolickou dráhu zapnout nebo vypnout. Např. syntéza mastných kyselin probíhá v cytoplazmě, zatímco jejich odbourávání v mitochondrii. dodávce substrátů, popř. Např. Krebsův cyklus by se zastavil, kdyby se NADH, které tvoří, nespotřebovávalo v dýchacím řetězci. Někdy v mitochondrii vzniká nadbytek citrátu. Reakce, které na sebe v metabolismu přímo navazují, často probíhají na enzymech, které jsou v těsné blízkosti. Příkladem mohou být reakce již zmíněného Krebsova cyklu nebo dýchacího řetězce. Kompartmentace klade zvýšené nároky na energetickou spotřebu buňky.

Regulace genové exprese

Množství enzymu v buňce se mění zvýšením nebo snížením exprese genu, který tento enzym kóduje. Regulační protein, který ovlivňuje transkripci, se nazývá transkripční faktor - induktor nebo represor. Působení regulačních proteinů je obvykle reverzibilní. Transkripční faktory jsou závislé na některých molekulách (např. hormonech), které působí jako jejich ligandy. Na represor, který je navázán na DNA, se připojí ligand. Ligand se naváže na volný represor. Na induktor, který je navázán na DNA, se připojí ligand. Ligand se naváže na volný induktor. Indukce tvorby enzymu může několikanásobně zvýšit jeho množství. Naopak represe může tvorbu enzymu podstatně snížit. Například hem snižuje tvorbu delta-aminolevulátsyntázy.

Aktivace proenzymů

Mnoho enzymů se tvoří v neaktivní formě (tzv. proenzymy či zymogeny). Částečnou proteolýzou enzymu se molekula mění na aktivní formu a díky ní se zvyšuje koncentrace aktivního enzymu. Vyřazení takto aktivovaných enzymů zařídí jejich proteolytické odbourání.

Interkonverze enzymů

Interkonverze enzymů je rychlé přepínání aktivní a inaktivní formy molekuly enzymu pomocí jiného enzymu. Některé enzymy se fosforylací aktivují (např. glykogenfosforyláza), jiné jsou fosforylací inhibovány (např. glykogensyntáza). Fosforylaci katalyzují enzymy patřící mezi proteinkinázy (fosfotransferázy), defosforylaci zajišťují proteinfosfatázy.

Alosterická regulace

Koncentrace regulačních enzymů metabolických drah je v buňce velmi nízká. Stejně tak je koncentrace substrátů mnohem nižší než je hodnota Michaelisovy konstanty (KM se shoduje s koncentrací substrátu, při níž rychlost enzymem katalyzované reakce dosahuje poloviny maximální rychlosti). Enzymy mají určitou substrátovou specifitu. Přeměňuje-li enzym více různých substrátů, má ke každému substrátu různou afinitu. Pokud mohou stejný substrát přeměňovat např. dva různé enzymy, každý z nich má k danému substrátu jinou afinitu. Pokud je produkt reakce ihned využit, nehromadí se a reakce dále probíhá ve směru jeho další tvorby. Začne-li se nevyužitý produkt hromadit, často pak slouží jako inhibitor reakce nebo sledu reakcí vedoucích k jeho vzniku. Změna pH může také ovlivnit aktivitu enzymu změnou disociace funkčních skupin v aktivním centru enzymu (elektrostatické interakce při vazbě substrátu) i v celé molekule enzymu (změna biologicky aktivní konformace enzymu v konformaci méně aktivní - např.

Aktivitu regulačního enzymu může ovlivnit přímá vazba na nějaké látky (ligandu neboli efektoru či modulátoru) na jeho proteinovou molekulu. Pozitivní efektor slouží jako aktivátor enzymu, negativní efektor je naopak jeho inhibitorem. Nahromadění konečného produktu (či meziproduktu) dané metabolické dráhy často vede k inhibici regulačního enzymu dané dráhy, na nějž se produkt váže - tzv. (Mezi)produkt jedné metabolické dráhy může ovlivňovat (aktivovat nebo inhibovat) aktivitu regulačního enzymu jiné, nějakým způsobem související metabolické dráhy - tzv. Meziprodukt metabolické dráhy může ovlivňovat aktivitu následného enzymu dané metabolické dráhy - tzv.

Modulátory se mohou vázat na enzym buď přímo do aktivního centra (kompetitivní inhibice), nebo se vážou na jiné, tzv. allosterické místo (allosterická regulace). Isosterická modulace enzymové aktivity se týká jednoduchých enzymů, které vykazují hyperbolickou závislost mezi rychlostí reakce a koncentrací substrátu. Jejich aktivitu ovlivňují zejména změny v koncentraci substrátu, snížení nebo zvýšení syntézy enzymu. Dále aktivitu enzymů ovlivňují inhibitory, které se vážou přímo na aktivní centrum namísto substrátu (kompetitivní inhibice).

Allosterická regulace se vyskytuje u enzymů složených z více podjednotek (většina regulačních enzymů metabolických drah). Tyto enzymy vykazují sigmoidální závislost rychlosti reakce na koncentraci substrátu. Allosterické modulátory aktivity se vážou mimo aktivní centrum na jiná místa molekuly enzymu. Vazbou modulátoru se mění konformace molekuly, což se může projevit změnou afinity enzymu k substrátu (tj. dochází ke snížení nebo zvýšení hodnoty KM). Také se může snížit koncentrace aktivního enzymu (část molekul enzymu je inaktivováno), tím se pak vyvolá změna hodnoty maximální rychlosti enzymem katalyzované reakce. Vazbou aktivátoru se méně aktivní tzv. T-forma enzymu („tenzní“) mění na aktivnější R-formu („relaxovanou“). Substráty a efektory obecně pouze ovlivňují rovnováhu mezi konformacemi T a R - obě konformace existují vedle sebe v různých poměrech. Konečné množství aktivních forem enzymu záleží na celkovém účinku různých aktivátorů a inhibitorů vázajících se na enzym, tj. závisí na jejich vzájemném poměru v buňce. Při zvýšení KM může být za fyziologických podmínek reakce úplně vyřazena, neboť fyziologická koncentrace substrátu leží v oblasti, kde je enzym prakticky neúčinný.