Chuyển hóa acid nucleic

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 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 biến đổi -H3PO4 tham gia vào các quá trình trao đổi saccharide hay các quá trình trao đổi chất khác. -Base Nitơ tiếp tục bị phân giải tạo các sản phẩm tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào. 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 Coù moät soá söï sai khaùc trong nhöõng con ñöôøng ñaëc tröng maø caùc sinh vaät hoaëc caùc moâ khaùc nhau söû duïng ñeå phaân huûy AMP. ÔÛ cô, AMP deaminase chuyeån AMP thaønh IMP. IMP tieáp tuïc bò thuûy phaân thaønh inosine nhôø 5-nucleotidase. Tuy nhieân, ôû haàu heát caùc moâ, AMP bò thuûy phaân bôûi 5’-nucleotidase taïo thaønh adenosine. Sau ñoù, adenosine bò khöû amine taïo thaønh inosine do adenosine deaminase xuùc taùc. Purine nucleoside phosphorylase chuyeån caùc inosine, guanosine vaø xanthosine töông öùng thaønh hypoxanthine, guanine, xanthine. Hypoxanthine bò oxide hoùa thaønh xanthine do xanthine oxidase xuùc taùc laø moät enzyme chöùa molybden, FAD vaø hai taâm Fe-S khaùc nhau. Guanine bò aminohydrolase khöû amine thaønh xanthine. Caùc phaân töû xanthine bò oxide hoùa tieáp thaønh acid uric nhôø xanthine oxidase. Nhieàu ñoäng vaät phaân huûy acid uric saâu hôn. ÔÛ caù xöông, urate oxidase chuyeån hoùa acid uric thaønh allantoin ñeå taïo thaønh allantoate. Caùc loaøi caù khaùc cuõng nhö caùc loaøi löôõng theâ sinh ra allantoicase caét acid allantoic thaønh glyoxylate vaø urea. Caùc ñoäng vaät coù xöông soáng ôû bieån phaân huûy urea thaønh NH4+ vaø CO2 trong phaûn öùng do urase xuùc taùc. Saûn phaåm cuoái cuûa quaù trình phaân giaûi purin 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. Quaù trình dò hoùa pyrimidine Tröôùc khi bò phaân huûy thì cytidine vaø deoxycytidine seõ chuyeån hoùa töông öùng thaønh uridine vaø deoxyuridine nhôø phaûn öùng khöû amin do cytidine deaminase xuùc taùc. Töông töï, deoxycytidylate (dCMP) bò khöû amine thaønh deoxyuridylate (dUMP) phaân töû dUMP sau ñoù bieán thaønh deoxyuridine nhôø 5’-nucleotidase. Uridine vaø deoxyuridine sau ñoù chuyeån hoùa tieáp thaønh uracil nhôø nucleoside phosphorylase. Thymine ñöôïc taïo thaønh töø thymidylate (dTMP) trong caùc phaûn öùng keá tieáp nhôø 5’-nucleotidase vaø nucleoside phosphorylase. Uracil vaø thymine bò chuyeån hoùa töông öùng thaønh caùc saûn phaåm cuoái cuûa chuùng laø -alanine vaø -aminoisobutyrate trong nhöõng con ñöôøng song song. Trong phaûn öùng ñaàu tieân, uracil vaø thymine bò dihydrouracil dehydrogenase khöû thaønh caùc daãn xuaát dihydro töông öùng cuûa chuùng. Vì ba phaân töû sau naøy bò thuûy phaân neân voøng môû taïo ra -ureidopropionate vaø -ureioisobutyrate. Cuoái cuøng, -ureidopropionase xuùc taùc caùc phaûn öùng khöû amine sinh ra -alanine vaø -aminoisobutyrate. Do tan ñöôïc neân -aminoisobutyrate khoâng gaây ra nhöõng vaán ñeà traàm troïng nhö ôû beänh gout. Con đường phân giải pyrimidine thường dẫn đến giải phóng NH4+ (hình 11.5 và 11.6) sau đó NH4+ sẽ được sử dụng để tổng hợp urea. Ví dụ: thymine bị phân giải thành methylmalonylsemialdehyde, một chất trung gian của quá trình phân giải valine. Chất này sẽ tiếp tục bị phân giải qua propionyl-CoA và methylmalonyl-CoA để hình thành succinyl-CoA. 2. Sinh tổng hợp nucleotide Nucleotide laø caùc phaân töû chöùa nitrogen phöùc taïp caàn cho quaù trình taêng tröôûng vaø phaùt trieån cuûa teá baøo. Khoâng chæ laø khoái xaây döïng cuûa caùc acid nucleic maø nucleotide coøn ñoùng nhieàu vai troø quan troïng trong söï chuyeån hoùa naêng löôïng vaø ñieàu hoøa nhieàu con ñöôøng bieán döôõng. Moãi nucleotide ñöôïc caáu taïo goàm ba phaàn laø moät base nitrogen, moät ñöôøng pentose vaø moät hoaëc nhieàu nhoùm phosphate. Caùc bse nitrogen coù nguoàn goác töø purine hoaëc pyrimidine laø caùc amine thôm dò voøng phaúng. Trong töï nhieân, purine thöôøng xuaát hieän ôû daïng adenine, guanine, xanthine, hydroxanthine coøn pyrimidine thì ôû daïng thymine, cytosine vaø uracil. Khi caùc base purine hoaëc pyrimidine lieân keát thoâng qua noái -N-glycoside ôû C1cuûa ñöôøng pentose thì phaân töû ñoù goïi laø nucleoside. Hai kieåu ñöôøng tìm thaáy ôû nucleoside laø ribose hoaëc deoxyribose. Caùc nucleoside chöùa ribose vôùi adenine, guanine, cytosine vaø urasil thì goïi laø adenosine, guanosine, cytidine vaø uridine. Khi thaønh phaàn ñöôøng laø deoxyribose thì söû duïng tieáp ñaàu ngöõ deoxy. Ví duï: deoxy nucleoside cuûa adenine goïi laø deoxyadenosine. Do base thymine thöôøng chæ ôû daïng deoxynucleoside neân deoxythymine ñöôïc goïi laø thymidine. Nguyeân lieäu ñeå toång hôïp goàm coù: H3PO4 Ribose (töø con ñöôøng HMP) Base nitô 2.1. Söï toång hôïp 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) Quaù trình toång hôïp de novo caùc purine nucleotide baét ñaàu vôùi phaûn öùng taïo thaønh 5-phospho--D-ribosyl-1-pyrophosphate (PRPP) do ribose-5-phosphate pyrophosphokinase (PRPP synthase) xuùc taùc. Cô chaát cuûa phaûn öùng naøy, -D-ribose-5-phosphate laø moät saûn phaåm cuûa quaù trình pentose phosphate. Trong giai ñoaïn ñaàu tieân cuûa con ñöôøng thì PRPP bò chuyeån hoùa thaønh inosine monophosphate (inosinate) laø purine nucleotide ñaàu tieân. Quaù trình naøy baét ñaàu baèng söï thay theá nhoùm pyrophosphate cuûa PRPP baèng amide nitrogen cuûa glutamine trong phaûn öùng do glutamine PRPP amidotransferase xuùc taùc. Saûn phaåm taïo thaønh laø 5-phospho- -D-ribosylamine. Khi 5-phospho--D-ribosylamine taïo thaønh thì vieäc xaây döïng caáu truùc voøng purine baét ñaàu. Phosphoribosylglycinamide synthase xuùc taùc söï taïo thaønh moät noái amide giöõa nhoùm carboxyl cuûa glycine vôùi nhoùm amino cuûa 5-phospho--D-ribosylamine. Trong taùm phaûn öùng lieân tieáp nhau thì seõ taïo thaønh purine cucleotide ñaàu tieân laø IMP. Caùc tieàn chaát khaùc cuûa thaønh phaàn base cuûa IMP (hypoxanthine) goàm coù CO2, aspartate, M10-formyl THF. Con ñöôøng naøy caàn thuûy phaân boán phaân töû ATP. Söï chuyeån hoùa IMP thaønh adenosine monophosphate (AMP hay adenylate) hoaëc guanosine monophosphate (GMP hay guanylate) caàn hai phaûn öùng. AMP chæ khaùc vôùi IMP ôû moät choã laø nhoùm amino thay theá moät nhoùm keto. Nitrogen cuûa amino do aspartate cung caáp seõ lieân keát vôùi IMP trong moät phaûn öùng caàn GTP do adenylosuccinate synthase xuùc taùc. Trong phaûn öùng keá tieáp thì saûn phaåm adenylosuccinate loaïi fumarate taïo thaønh AMP. Enzyme xuùc taùc phaûn öùng naøy cuõng xuùc taùc phaûn öùng töông töï trong quaù toång hôïp IMP. Söï chuyeån hoùa IMP thaønh GMP baét ñaàu khi quaù trình khöû hydrogen söû duïng NAD+ do IMP dehydrogenase xuùc taùc vaø saûn phaåm taïo thaønh laø xanthosine monophosphate (XMP). Sau ñoù XMP chuyeån hoùa thaønh GMP nhôø quaù trình glutamine cho moät nitrogen cuûa amino trong phaûn öùng caàn ATP do GMP synthase xuùc taùc. Nguoàn goác caùc nguyeân töû trong nhaân 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. 1 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. Toång hôïp Pyrimidine nucleotide Trong quaù trình toång hôïp caùc pyrimidine nucleotide, voøng pyrimidine seõ ñöôïc toång hôïp tröôùc roài môùi lieân keát vôùi ribose phosphate. Caùc nguyeân töû carbon vaø nitrogen trong voøng naøy coù nguoàn goác töø bicarbonate, aspartate vaø glutamine. Quaù trình toång hôïp dieãn ra theo 2 giai ñoaïn Giai ñoaïn 1: baét ñaàu vôùi söï taïo thaønh carbamoyl phosphate trong moät phaûn öùng caàn ATP do phosphate synthase II trong teá baøo chaát xuùc taùc. Moät phaân töû ATP cung caáp nhoùm phosphate trong khi ñoù moät phaân töû ATP khaùc seõ ñieàu khieån phaûn öùng. Carbamoyl phosphate phaûn öùng tieáp vôùi aspartate taïo thaønh carbamoyl aspartate. Sau ñoù dihydroorotase xuùc taùc phaûn öùng ñoùng voøng pyrimidine. Saûn phaåm dihydroorotate sau ñoù bò oxide hoùa taïo thaønh orotate. Enzyme xuùc taùc phaûn öùng naøy laø dihydroorotate dehydrogenase laø moät flavoprotein lieân keát vôùi maøng trong ty theå. Giai ñoaïn 2: Sau khi ra khoûi ty theå, orotate chuyeån hoùa thaønh orotidine-5’-phosphate (OMP) baèng caùch phaûn öùng vôùi PRPP. Phaûn öùng naøy do enzyme orotate pyrophosphoribosyl transferase xuùc taùc. OMP chính laø nucleotide ñaàu tieân cuûa con ñöôøng naøy. Uridine-5’-phosphate (UMP) taïo thaønh khi OMP bò khöû carboxyl trong phaûn öùng do OMP carboxylase xuùc taùc. Hoaït tính cuûa caû hai enzyme orotate pyrophosphoribosyl transferase vaø OMP decarboxylase ñeàu xaûy ra treân moät protein goïi laø UMP synthase. UMP laø tieàn chaát cho caùc pyrimidine nucleotide khaùc. -N: carbamoyl aspartate - H: dihydroorotate N H *. 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 nhờ sự xúc tác của nucleoside diphosphate kinase (NTPD + NDPA ↔ NDPD + NTPA). 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 2'-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 2.5. Tổng hợp Thymidylate DNA chứa thymine chứ không phải uracil và sự tổng hợp thymine chỉ liên quan đến deoxyribonucleotide. Tiền chất trung gian của thymidylate (dTMP) là dUMP . Ở vi khuẩn, sự tổng hợp dUMP từ dUTP. dUTP được hình thành do phản ứng khử amine của dCTP hoặc do sự phosphoryl hóa dUDP. dUTP được chuyển thành dUMP do sự xúc tác của dUTPase Sự chuyển đổi dUMP thành dTMP được xúc tác bởi thymidylate synthase. 2.6. Tổng hợp các base purin và pyrimidin theo hướng tái sử dụng Các base purine và pyrimidine luôn luôn được tạo ra trong tế bào từ quá trình phân giải các nucleotide. Các purine tự do được tái sử dụng để tổng hợp nucleotide. Theo con đường này, adenine phản ứng với PRPP với sự xúc tác của adenosine phosphorybosyltransferase để tạo thành adenine nucleotide. Adenine + PRPP → AMP + PPi Guanine và hypoxanthine (sản phẩm của phản ứng khử amine của adenine) tự do được tái sử dụng tương tự như trên nhờ sự xúc tác của hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase. Đối với các base pyrimidine diễn ra tương tự. 3. Sinh tổng hợp ADN 3.1. Cơ chế bán bảo tồn 3.2. Cấu trúc chạc 3 3.3. Quá trình nhân đôi của ADN 3.4. Tổng hợp ARN 3.5. Phản ứng PCR