NK
1
Nukleové kyseliny
• Nukleové kyseliny hrají v našem těle velice důležitou roli –
molekuly DNA uchovávají genetickou informaci (využívají
k tomu proces zvaný replikace) a molekuly
• RNA zajišťují vyjádření této informace (nejprve pomocí
přepisu a následně pomocí translace). O jednotlivých
procesech se budeme bavit podrobněji v dalších částech
této kapitoly.
• Nejprve se ale zaměříme na strukturu nukleových kyselin.
• Základními stavebními jednotkami nukleových kyselin
jsou nukleotidy. Ty se skládají z pentosy (ribosy nebo
deoxyribosy), fosfátu a báze (purinové nebo
pyrimidinové).
2
Rozdílné pentózy RNA & DNA
RNA
DNA
Uhlíky cukrů mají
hlavní čísla pro
odlišení od atomů
bazí
Biochemie:Nukleové kyseliny-MojeChemie. [online]. [cit. 2014-07-23]. Dostupné z:
http://www.mojechemie.cz/Biochemie:Nukleov%C3%A9_kyseliny
3
Puriny & Pyrimidiny
Note: ring atom #s
Index of /~jbleecker/ETEC533/DNA_Smartboard_Lesson/dna_history_model. [online]. [cit. 2014-
07-23]. Dostupné z:
http://chs.sd57.bc.ca/~jbleecker/ETEC533/DNA_Smartboard_Lesson/dna_history_model/
RNA DNA
4
Spojení cukr - báze
Nucleosid
RNA: adenosin, guanosin, cytidin, & uridin
DNA: deoxyadenosin, deoxyguanosin, deoxycytidin, & thymidin
Nucleotides. [online]. [cit. 2014-07-23]. Dostupné z:
http://homepages.rpi.edu/~bellos/nucleotides.htm
Báze nad rovinou
cukru, vazba je 
5
Základní struktura NK
File:Nucleotide nucleoside general.svg. [online]. 5.9.2013 [cit. 2014-07-23]. Dostupné z:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleotide_nucleoside_general.svg
6
7
Biosyntéza purinových a pyrimidinových
nukleotidů
• Purinové a pyrimidinové báze přijaté
potravou (nukleoproteiny) prakticky
nejsou využívány pro syntézu
• Syntéza purinových a pyrimidinových
nukleotidů je koordinována
• Všechny buňky potřebují
ribonukleosidy, deoxyribonukleosidy a
jejich fosfáty
Látky potřebné pro syntézu
nukleotidů
• Pro tuto syntézu jsou velmi důležité tři sloučeniny:
• tetrahydrofolát (esenciální kys.listová)
• glutamin
• PRPP – fosforibosyldifosfát
8
9
Význam kyseliny listové pro syntézu
bází
Folát
Listová zelenina, játra,
kvasnice, žloutek
Účinnou formou v organismu člověka je tetrahydrofolát
Kyselina listová - ordinace-lekarny.cz. [online]. [cit. 2014-08-27]. Dostupné z:
http://www.ordinace-lekarny.cz/clanky/Kyselina_Listova.html
Vznik tetrahydrofolátu
(dihydro)folát
reduktasa
(u živočichů
a některých
mikroorganismů,
katalyzuje obě
reakce)
DEHYDOGENACE
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 266.
10
11
Methotrexát (protinádorové léčivo)
Inhibitory (dihydro)folátreduktasy:
Trimethoprim (bakteriostatikum)
Enzym (dihydro)folátreduktasa je velice důležitý pro syntézu
tetrahydrofolátu a vznikající tetrahydrofolát je velice důležitý pro
syntézu nukleotidů (bez jeho činnosti nevznikají). Nukleotidy jsou zase
potřeba pro syntézu DNA, která je jedním z procesů probíhajících v
buněčném cyklu (S-fáze). Některé léky inhibují činnost tohoto
enzymu a tím zabraňují množení buněk – toho se využívá:
- v protinádorových léčivech (methotrexát)
- v léčivech antibakteriálních (trimethoprim; inhibuje bakteriální
dihydroflátreduktasu)
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 267.
12
N-5,N-10- methylen H4F - syntéza thyminu
N-10-formyl H4F - syntéza purinů
Využití tetrahydrofolátu
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 267.
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 267.
13
Význam glutaminu pro biosyntézu purinů
a pyrimidinů
- je donorem aminoskupiny při syntéze purinů i
pyrimidinů
Dělící se buňky potřebují hodně glutamátu (aby mohly syntetizovat puriny a
pyrimidiny). Přidáním glutaminu do organismu můžeme usnadnit dělení buněk –
toho se využívá např. v případě, potřebujeme-li zvýšit počet imunitních buněk.
Ovšem přesně opačné činnosti (zamezení příjmu glutamátu) se využívá k
zastavení dělení buněk.
Podobného principu využívají některé léčiva, která slouží jako inhibitory
enzymů, které využívají glutamin (léčiva jsou glutaminu strukturně podobná,
obsadí tak aktivní místa enzymů a neumožní glutaminu vstoupit do kostry purinu,
či pyrimidinu). Příkladem takového látky je azaserin.
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 267.
14
Antagonisté glutaminu inhibují syntézu purinů a
pyrimidinů
azaserin NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 267.
15
Nezbytný pro syntézu:
purinových nukleotidů
pyrimidinových nukleotidů
NAD+, NADP+
PRPP - fosforibosyldifosfát
PRPP je nezbytný pro syntézu
purinových i pyrimidinových
nukleotidů, ale kromě toho také
pro syntézu NAD+ a NADP+.
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 268.
16
Ribosa-5P + ATP  PRPP + AMP
PRPP-synthetasa
Syntéza fosforibosyldifosfátu (PRPP)
Získáme jej reakcí ribosa-5-fosfátu (který jsme získali v
pentosovém cyklu) s ATP. ATP předá molekule ribosa-5-P
dva fosfáty a stane se z něj AMP, ribosa-5-P se přemění na
PRPP. O PRPP můžeme říct, že se jedná o aktivovanou
pentosu.
Reakci katalyzuje enzym PRPP-synthetasa.
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 268.
17
Rozdíly v syntéze purinů a pyrimidinů
Puriny
Základem PRPP, na něj se
postupně navazují další
skupiny
Pyrimidiny
Nejprve syntéza heterocyklu,
po té navázání ribosa-P z
PRPP
Syntéza purinů a pyrimidinů probíhá jako puzzle – do molekuly výsledné báze jsou
postupně přidávány kousky z jiných molekul, aby nakonec vytvořily požadovanou
strukturu.
Rozdíl v syntéze purinů a pyrimidinů je již v začátku. Při syntéze purinů je nejprve
nasyntetizováno PRPP, na které se následně napojí různé skupiny, které dají
základ budoucí bázi, u syntézy pyrimidinů je nejprve vytvořena báze, na kterou se
poté naváže ribosa-5-P z PRPP.
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 268.
BIOSYNTÉZA PYRIMIDINŮ
původ atomů v pyrimidinových derivátech
Orotidinmonofosfát
Dekarboxylací vzniká uridinmonofosfát
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 268.
18
19
CYTOPLASMA
• 1 Glutamin + 2 ATP + HCO3
-  karbamoylfosfát + glutamát + 2 ADP + Pi
Syntéza karbamoylfosfátu
Srovnejte se syntézou
močoviny - mitochondrie
karbamoylfosfátsynhetasa
V cytoplasmě vznikne karbamoylfosfát z glutaminu (zdroj dusíku) a HCO3–.
Reakce je energeticky náročná – pro její průběh je potřeba dodat 2 ATP.
Reakci katalyzuje enzym karbamoylfosfátsynthetasa II1, která je inhibována
pomocí UTP („inhibice produktem“) a aktivována pomocí ATP.
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 75.
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 269.
Další kroky biosyntézy pyrimidinů - podrobněji
WikiSkripta: Poruchy metabolismu pyrimidinu. [online]. [cit. 2014-07-
27]. Dostupné z:
http://www.wikiskripta.eu/index.php/Poruchy_metabolismu_pyrimidinu
20
21
Biosyntéza UTP a CTP
uridin trifosfát cytidin trifosfát
uridinmonofosfát
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 270.
22
Vznik dTMP (methylace)
Na methylaci je potřebný H4F
Methylenová skupina vázaná na H4F je během
svého přenosu na dUMP redukována na
methylovou
deoxythymidintrifosfát
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 270.
Cíle protinádorové léčby
Thymidylátsynthasa
(enzym závislý na folátu)
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 270.
23
Po odštěpení methylenu se
H4F mění na H2F
24
N
N
OH
NH2N
CO NH CH
CH2
CH2
COO-
COOCH2
N
N
H
CH2
N
N
OH
NH2N
CO NH CH
CH2
CH2
COO-
COOCH2
NH
N
N
N
OH
NH2N
CO NH CH
CH2
CH2
COO-
COO-
H
CH2 N
N
H
H
NADPH + H+
NADP+
CH2
CH2-H4F
H2F
H4F
H
H
H
H
25
(Dihydro)folát reduktasa
redukuje dihydrofolát (H2F) zpět na
tetrahydrofolát (H4F)
Proč metotrexát působí jako cytostatikum ?
26
Dihydrofolátreduktasa - cíl protinádorové terapie.
Dihydrofolát reduktasa byla prvním enzymem, na nějž se
zaměřila protinádorová terapie.
První použivaný inhibitor byl aminopterin.
Váže se k enzymu 1000x pevněji než folát, působí jako
kompetitivní inhibitor.
V současné době užíván methotrexát a podobné deriváty.
Všechny léky, které ovlivňují syntézu purinů a pyrimidinů, poškozují rychle
dělící se buňky – to však nejsou pouze buňky nádorové, ale i buňky kostní
dřeně, GI-traktu a např. i buňky vlasových folikulů.
27
Také thymidylát synthasa může být inhibována
Podávání fluorouracilu
v organismu přeměna na
5-fluorodeoxyuridin monofosfát
Kompetitivní inhibice
thymidylátsynthasy
Cytostatický účinek léčiva
Thymidylátsynthasa je jím proto
blokována jako kompetitivním
inhibitorem, což ve výsledku
zabrání vzniku dTMP, což se
projeví zpomalením
(znemožněním) buněčného
dělení.
Wikipedia: Fluorouracil. [online]. [cit. 2014-07-27]. Dostupné z:
http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorouracil
28
2. Způsob vznik pyrimidinových nukleotidů
šetřícím procesem (salvage pathway)
Uracil
Nebo
Cytosin
Ribosa-1-fosfát
Pi
Uridin
Nebo
Cytidin
Thymin
Deoxyribosa-1-fosfát
Pi
Thymidin
1. Tvorba nukleosidů
29
•thymidin + ATP  TMP + ADP
•cytidin + ATP  CMP + ADP
•deoxycytidin + ATP  dCMP + ADP
•uridin + ATP  UMP + ADP
2. Tvorba nukleotidů působením kináz
Salvage pathway hraje významnou roli především v extrahepatálních tkáních.
30
Regulace biosyntézy pyrimidinových nukleotidů
• Karbamoylfosfátsynthetasa:
inhibice UTP, purinové nukleotidy
aktivace PRPP
 Allostericky:
 Závislost na buněčném cyklu
Karbamoylfosfátsynthetasa v S fázi je
senzitivnější k aktivaci PRPP
(zprostředkováno fosforylací)
31
Odbourávaní pyrimidinových
nukleotidů
Pyrimidinové báze jsme schopni v našem těle odbourat na
jednodušší složky, které je možné vyloučit močí. Toho nejsme
schopni u purinových bází!
Odbourávání pyrimidinů v sobě zahrnuje:
a) odštěpení fosfátu
b) odštěpení cukerné složky
c) štěpení dusíkaté báze
Konečné produkty štěpení bází:
NH3, CO2, -alanin, ( -aminoisobutyrát)
rozpustné metabolity – vyloučeny močí
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 272.
32
Biosyntéza purinových nukleotidů
(multienzymový komplex)
Převážně
játra
cytoplasma
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 272.
33
StudyBlue: Biochemistry 153b. [online]. [cit. 2014-07-27]. Dostupné z:
http://www.studyblue.com/notes/note/n/handout-01/deck/7221742
34
35
Inosin-5-P (IMP)
výchozí látka syntézy purinových bází
aspartát, GTP
aminace
AMP
oxidace aminace GMP
Glutamin, ATP
XMP
xantosinmonofosfát
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 274.
XMP
xantosinmonofosfát
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 274.
Syntéza AMP a GMP
(podrobněji)
36
37
Inhibitory syntézy purinů (cytostatika)
• inhibitory dihydrofolátreduktasy
• analogy glutaminu (azaserin)
• 6-merkaptopurin- inhibice přeměny
IMP na AMP a GMP
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 274.
38
Syntéza purinových nukleotidů šetřícími
reakcemi (salvage pathway)
extrahepatální tkáně
Purin + PRPP  purinnukleotidmonofosfát + PP
fosforibosyltransferasy
Recyklace purinových bází fosforibosyltransferasou
39
Vznik purinových
nukleotidů účinkem
fosforibosyltransferasy
fosforibosyltransferasou
AMP adeninfosforibosyltransferasa
Mathews/van Holde/Ahern 3rd edition: Phosphoribosyl Pyrophosphate (PRPP). [online]. [cit.
2014-07-27]. Dostupné z: http://www.pearsonhighered.com/mathews/ch22/prpp.htm
Články a informace z různých oblastí lékařství. [online]. [cit. 2014-07-27]. Dostupné z:
http://www.biology.estranky.cz/clanky/vzorce-sloucenin/pismeno-a.html
40
Deficit fosforibosyltransferasy vyvolává
Lesch-Nyhanův syndrom
• dědičná choroba
• nadprodukce purinových bází
• hromadění kyseliny močové – dna
• mentální retardace, sebepoškozování
41
Syntéza nukleotiddifosfátů a nukleotidtrifosfátů
nukleosidmonofosfát
nukleotiddifosfát
nukleotidtrifosfát
ATP
ADP
ATP
ADP
42
Regulace biosyntézy purinových
nukleotidů
• koncentrace PRPP
Rychlost
syntézy
Rychlost
odbouráníRychlost
spotřeby
• inhibice PRPP-glutamylamidotransferasy AMP
a GMP (konečnými produkty)
IMP
AMP
GMP
GMP

AMP

1.
2.
3.
43
Vznik 2-deoxyribonukleotidů
(purinových i pyrimidinových)
O
CH2O
OH OH
basePP
Nukleotiddifosfát  2-deoxynukleotiddifosfát
redukceje potřeba thioredoxin,
thioredoxinreduktasa,
NADPH H
Thioredoxinreduktasa obsahuje selen deoxygenace
44
ribonukleotidreduktasa
Nukleotiddifosfát  deoxynukleotiddifosfát
kofaktor vázaný na bílkovinu
podrobněji
PURINES AND PYRIMIDINES. [online]. 12.4.1997 [cit. 2014-07-27]. Dostupné z:
http://library.med.utah.edu/NetBiochem/pupyr/pp.htm
Odbourání purinových nukleotidů
AMP,GMP,
IMP,XMP
5-nukleotidasa
guanosin, inosin,
xantosin + Pi
Adenosin + Pi,
odštěpení fosfátu
v játrech
45
46
Odbourání purinových nukleotidů a
deoxynukleotidů
AMP,GMP,
IMP,XMP
5-nukleotidasa
guanosin, inosin,
xantosin + Pi
nukleosidfosforylasa
Adenosin + Pi,
guanin,
hypoxantin,
xantin
+ ribosa-1-P
adenosindeaminasa
inosinnukleosidfosforylasa
47
Deficit adenosindeaminasy
Deficit enzymu vede k nahromadění toxického
deoxyadenosinu, který postihuje
imunokompetentní buňky
Jedna z příčin těžkého kombinovaného
imunodeficitu (severe combined
imunodeficiency disease -SCID).
Odbourání purinů
Inhibice
allopurinolem
Konečný metabolit u primátů,
obojživelníků, ptáků a plazů
(400-600 mg /den)
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 276.
48
49
Poruchy metabolismu purinů
Dna
 zvýšená produkce nebo snížené vylučování kys. močové
 porucha v šetřícím procesu
(deficit hypoxantin-guaninfosforibosyltransferasy) (HGPRT)
hypoxantin + PRPP  IMP + PP
 snížená clearance v ledvinách
ukládání krystalů kyseliny močové ve tkáních
50
Allopurinol – kompetitivní inhibitor
xantinoxidasy
Léčba dny: allopurinol inhibuje oxidaci hypoxantinu na xantin
hypoxantin je rozpustnější a je snadněji vylučován
NOVÁK, Jan. Biochemie I. Brno: Muni, 2009, s. 276.
51
Hypourikemie
deficit xantinoxidasy (vylučování hypoxantinu
a xantinu)