Metabolizmus purínov

Puríny sú biologicky syntetizované ako nukleotidy, konkrétne ribotidy, teda bázy naviazané na ribóza-5-fosfát. Adenín aj guanín (respektíve ich nukleotidy, adenozínmonofosfát a guanozínmonofosfát) sú odvodené od nukleotidu inozínmonofosfátu (IMP), čo je prvá zlúčenina v tejto dráhe s celým purínovým kruhovým systémom.^[1]

IMP

Inozínmonofosfát (IMP) sa syntetizuje na už existujúcom ribózafosfátovom kruhu zložitou dráhou. Zdrojom uhlík a dusíka (celkovo 5 C a 4 N) purínového kruhu sú rôzne zlúčeniny. Aminokyselina glycín prispieva dva uhlíkové a jeden dusíkový atóm, ďalšie dusíky pochádzajú z glutamínu (dva atómy dusíka) a aspartátu (jeden atóm dusíka). Uhlíky potom pochádzajú z formylových skupín (dva atómy uhlíka), ktoré sú prenesené z koenzýmu tetrahydrofolátu (THF) v podobe 10-formyltetrahydrofolátu (fTHF), a hydrogénuhličitanu (jeden atom uhlíka). Formylové skupiny tvoria konkrétne uhlíky 2 a 8, ktoré predstavujú mostíkové uhlíkové atómy medzi dvoma dusíkovými atómami.^[1]

Kľúčový regulačný krok je tvorba 5-fosfo-α-D-ribozyl-1-pyrofosfátu (PRPP) enzýmom ribózafosfátpyrofosfokináza (PRPS1), ktorá je aktivovaná anorganickým fosfátom a inaktivovaná purínovými ribonukleotidmi. PRPP sa však využíva i v syntéze pyrimidínov, v recyklačných dráhach a pri syntéze aminokyselín histidínu a tryptofánu,^[1] takže sa nejedná o záväzný krok.

Prvým záväzným krokom je reakcia PRPP, glutamínu a vody za vzniku 5'-fosforibozylamínu (PRA), glutamátu a pyrofosfátu.^[1] Počas reakcie dochádza k inverzii anomérneho uhlíka ribózy z α na β, čím je daná poloha vznikajúcej dusíkatej báze.^[1] Hydrolýza štiepeného pyrofosfátu zaručuje jednosmerný priebeh reakcie.^[1] Túto reakciu katalyzuje PRPP aminotransferáza (PPAT, občas zvaná i amidofosforibozyltransferáza), ktorá je aktivovaná PRPP a inhibovaná AMP, GMP a IMP:

PRPP + L-glutamín + H₂O → PRA + L-glutamát + PP_i

V druhom kroku reaguje PRA s glycínom a ATP a vzniká glycínamidribonukleotid (GAR), ADP a pyrofosfát.^[1] Tento proces katalyzuje fosforibozylamín-glycín ligáza (GAR syntetáza; GARS). PRA je chemicky labilná zlúčenina s polčasom života asi 38 sekúnd pri pH 7,5 a teplote 37 °C. Predpokladá sa, že in vivo je PRA smerované od PPAT priamo ku GARS.^[2]

PRA + glycín + ATP → GAR + ADP + P_i

Glycínamidribonukleotidformyltransferáza (GART) katalyzuje tretiu reakciu, pri ktorej vzniká fosforibozyl-N-formylglycínamid (FGAR). Reakcie sa účastní koenzým fTHF, ktorý prenáša formylovú skupinu na GAR:^[1]

GAR + fTHF → FGAR + THF

Fosforibozylformylglycínamidsyntáza (PFAS) katalyzuje štvrtú reakciu. Vzniká pri nej 5'-fosforibozylformylglycínamidín (FGAM) z FGAR, na ktorý sa prenáša aminoskupina z glutamínu:^[1]

FGAR + L-glutamín + ATP → FGAM + L-glutamát + ADP + P_i

AIR syntetáza (AIRS, známa i ako FGAM cykláza) katalyzuje piatu reakciu, pri ktorej dochádza k uzavretiu päťčlenného kruhu a vzniku 5-aminoimidazolribotidu (AIR).^[1] Reakcia, ktorú AIRS katalyzuje, je nasledovná:

FGAM + ATP → AIR + ADP + P_i + H₂O

Fosforibozylaminoimidazolkarboxyláza (AIRC) katalyzuje šiestu reakciu, kde sa karboxyluje AIR za vzniku 5'-fosforibozyl-4-karboxy-5-aminoimidazolu (CAIR):^[1]

AIR + HCO₃^- → CAIR + 2 H⁺

Fosforibozylaminoimidazolsukcinokarboxamidsyntáza (PAICS) katalyzuje siedmu reakciu, pri ktorej sa z CAIR a L-aspartátu stáva fosforibozylaminoimidazolsukcinokarboxamid (SACAIR).^[1] Dochádza tu k naviazaniu aspartátu za hydrolýzy ATP:

CAIR + L-aspartát + ATP → SACAIR + ADP + P_i

Adenylosukcinátlyáza (ADSL) katalyzuje ôsmu reakciu, pri ktorej sa štiepi fumarát a vzniká 5-aminoimidazol-4-karboxamidribonukleotid (AICAR).^[1] ADSL katalyzuje tú istú reakciu i v cykle purínových nukleotidov:

SACAIR → AICAR + fumarát

Fumarát, ktorý vzniká, sa presúva do citrátového cyklu, kde z neho vzniká malát. Takto sa syntéza purínov spája s citrátovým cyklom.^[3] Druhým produktom je AICAR, ktorý pokračuje ďalej do deviateho kroku tejto dráhy. Fosforibozylaminoimidazolkarboxamidformyltransferáza (nazývaná i ATIC) katalyzuje deviatu reakciu, pri ktorej sa opäť prenáša formylová skupina a vzniká 5-formamidoimidazol-4-karboxamidribotid (FAICAR):^[1]

AICAR + fTHF → FAICAR + THF

Posledným desiatym krokom dráhy je syntéza inozínmonofosfátu (IMP), ktorý katalyzuje enzým inozínmonofosfátsyntáza:^[1]

FAICAR → IMP + H₂O

Posledné dva kroky prebiehajú vďaka jedinému bifunkčnému enzýmu. To isté platí pre reakcie 6 a 7, ktoré takisto katalyzuje bifunkčný enzým, a reakcie 3, 4 a 6, ktoré prebiehajú na jednom proteíne.^[1]

GMP

Guanozínmonofosfát (GMP) je syntetizovaný nasledovne:^[1]

• IMP dehydrogenáza (IMPDH) premieňa IMP na xantozínmonofosfát (XMP)
• GMP syntáza premieňa XMP na GMP

GMP reduktáza prípadne premieňa GMP naspäť na IMP.

AMP

Adenozínmonofosfát (AMP) je syntetizovaný nasledovne:^[1]

• Adenylosukcinátsyntáza (ADSS) premieňa IMP na adenylosukcinát
• Adenylosukcinátlyáza (ADSL) štiepi adenylosukcinát na fumarát a AMP

AMP deamináza je schopná prípadne premeniť AMP naspäť na IMP.

Multifunkčné enzýmy

V rámci tejto metabolickej dráhy existuje niekoľko multifunkčných enzýmov, ktoré katalyzujú viac reakcií:^[1]

• U vyšších eukaryotov, vrátane ľudí,^[4] sú GARS, GART a AIRS súčasťou trifunkčného enzýmového komplexu.^[5]
• AIRC a PAICS sú súčasťou bifunkčného enzýmu.^[1]
• Posledné dva kroky (syntéza FAICAR a IMP) katalyzuje bifunkčný enzým.^[1]
• ADSL je bifunkčný enzým, ktorý katalyzuje štiepenie fumarátu ako zo SAICAR, tak aj z adenylosukcinátu.

Puríny sú metabolizované niekoľkými enzýmami. Hypoxantín, guanín a adenín sa premieňajú pôsobením enzýmov na xantín, ktorý sa následne metabolizuje ďalej. V prvom kroku sa z nukleovej kyseliny štiepia nukleotidy pomocou nukleázy, potom dochádza k štiepeniu fosfátovej skupiny nukleotidázou.^[6] Následne purínnukleozidfosforyláza štiepi nukleozidy na ribóza-1-fosfát a príslušnú purínovú bázu.^[6] Báze sa potom postupne premieňajú nasledovne:

Xantín

• Xantínoxidáza (XO) katalyzuje oxidáciu xantínu na kyselinu močovú, koncový produkt rozkladu purínov u ľudí^[6]

Hypoxantín

• Hypoxantín sa premieňa na xantín pôsobením XO^[6]

Guanín

U guanínu, respektíve guanozínu, existujú dva spôsoby spracovania, ktoré vedú k tomu istému výsledku:^[6]

• Nukleotidáza tvorí guanozín
  • Guanozín sa premieňa pôsobením guanozíndeaminázy na xantozín, z ktorého sa štiepi xantín
  • Alternatívne štiepi purínnukleozidfosforyláza guanín, z ktorého guanozíndeamináza tvorí xantín

Adenín

U adenínu, respektíve adenozínu, existujú dva spôsoby spracovania, ktoré vedú k tomu istému výsledku:^[6]

• Nukleotidáza tvorí adenozín
  • Adenozín sa premieňa pôsobením adenozíndeaminázy na inozín, z ktorého sa štiepi hypoxantín
  • Alternatívne štiepi purínnukleozidfosforyláza adenín, z ktorého adenyláza tvorí hypoxantín

Regulácia biosyntézy purínových nukleotidov

Tvorba 5'-fosforibozylamínu (PRA) z glutamínu a PRPP katalyzovaná PRPP aminotransferázou (PPAT) je regulačným krokom purínovej syntézy. Tento enzým je alostericky regulovaný prítomnosťou metabolitov. Vysoká koncentrácia PRPP tento enzým aktivuje, ale prítomnosť IMP, GMP a AMP vo vysokých koncentráciách inhibuje jeho pôsobenie. IMP, GMP a AMP sú teda inhibítory, zatiaľ čo PRPP je aktivátor.^[1]

Okrem toho je syntéza PRPP inhibovaná prítomnosťou ADP a GDP. AMP a GMP takisto inhibujú svoju syntézu z IMP (AMP inhibuje tvorbu adenylosukcinátu a GMP inhibuje tvorbu XMP).^[1]

Puríny po rozklade bunkových nukleových kyselín alebo z jedla je možné recyklovať a znovu použiť v nových nukleotidoch.^[1]

• Adenínfosforibozyltransferáza (APRT) recykluje adenín.
• Hypoxantín-guanín fosforibozyltransferáza (HGPRT) recykluje guanín a hypoxantín.^[7]

Ak nefunkčný gén spôsobí medzery v metabolickom spracovaní purínov a pyrimidínov, dochádza k ich nedostatočnej metabolizácii a dospelí i deti môžu trpieť jednou z 28 dedičných porúch. Medzi symptómy môže patriť dna, anémia, epilepsia, oneskorený vývoj, hluchota, kompulzívne hryzenie, zlyhanie obličiek alebo obličkové kamene či strata imunity.

Začlenenie škodlivých nukleotidtrifosfátov do DNA a RNA môže viesť k neronováhe purínového metabolizmu, čo môže viesť k ďalším genetickým komplikáciám a mutáciám, čím môžu vznikať ďalšie choroby. Niektoré z nich sú:

• Vážna imunodeficiencia kvôli strate adenozíndeaminázy
• Hyperurikémia a Lesch-Nyhanov syndróm kvôli strate HGPRT^[1]
• Rôzne druhy rakoviny na základe zvýšenia aktivity enzýmov ako je IMPDH^[8]

Modulácia purínového metabolizmu má farmakoterapeutickú hodnotu.

Inhibítory purínovej syntézy inhibujú delenie buniek, hlavne leukocytov. Medzi tieto inhibítory patrí napríklad azatioprín, čo je imunosupresant používaný pri transplantácii orgánov, autoimunitných poruchách ako je reumatoidná artritída alebo zápalových ochorení tráviaceho traktu, ako je Crohnova choroba alebo ulcerózna kolitída.

Mykofenolát mofetil je imunosupresant používaný na predídenie odmietnutia orgánu pri transplantácii. Inhibuje purínovú syntézu blokovaním IMPDH.^[9] Metotrexát nepriamo inhibuje syntézu purínov, pretože blokuje metabolizmus kyseliny listovej (je to inhibítor dihydrofolátreduktázy).

Alopurinol je liek, ktorý inhibuje enzým xantínoxidoreduktázu, čím znižuje hladinu kyseliny močovej v tele. To môže pomôcť pri liečbe dny, ktorá vzniká nadmernou tvorbou kyseliny močovej, z ktorej vznikajú kryštály v kĺboch.

Pre pochopenie vzniku života je nutné poznanie chemických dráh, ktoré umožnili vznik kľúčových stavebných kameňov života pri možných prebiotických podmienkach. Nam a kolektív^[10] ukázali priamu kondenzáciu nukleobáz s ribózou za vzniku ribonukleozidov vo vodných mikrokvapkách, kľúčový krok pre tvorbu RNA. Becker a kolektív ukázali možný prebiotický proces syntézy purínových ribonukleozidov.^[11]

Organizmy všetkých troch domén života, eukaryoty, baktérie i archeóny, sú schopné syntetizovať puríny de novo. Táto schopnosť poukazuje na dôležitosť purínov pre život. Biochemická dráha syntézy je u eukaryotov a baktérií veľmi podobná,^[1] ale u archeónov je rôznorodejšia.^[12] Celá alebo takmer celá sada génov nutná pre biosyntézu purínov bola nájdená u 58 zo 65 študovaných druhoch archeónov.^[12] Bolo však nájdených 7 druhov, ktorým úplne alebo takmer úplne chýbali gény kódujúce puríny. Evidentne sú tieto druhy archeónov, ktoré sú neschopné syntézy purínov, stále schopné získať exogénne puríny pre svoj rast,^[12] čím sa podobajú na purínové mutanty eukaryotov, napríklad purínové mutanty vreckatých húb Neurospora crassa,^[13] ktoré takisto získavajú exogénne puríny pre svoj rast.