Пуриновый нуклеотидный цикл — это метаболический путь белкового обмена, требующий аминокислот аспартата и глутамата. Цикл используется для регулирования уровня адениновых нуклеотидов, в которых образуются аммиак и фумарат . [2] АМФ превращается в ИМФ и побочный продукт – аммиак. ИМФ превращается в S-АМФ ( аденилсукцинат ), который затем превращается в АМФ и фумарат побочного продукта. Фумарат продолжает производить АТФ (энергию) посредством окислительного фосфорилирования , когда он входит в цикл Кребса , а затем в цепь переноса электронов . Ловенштейн первым описал этот путь и подчеркнул его важность в процессах, включая катаболизм аминокислот и регуляцию потока посредством гликолиза и цикла Кребса . [2] [3] [4]
АМФ вырабатывается после интенсивного мышечного сокращения, когда резервуар АТФ низкий (АДФ > АТФ) в результате аденилаткиназной (миокиназной) реакции. [5] [6] AMP также производится непосредственно из аденина и аденозина; однако АМФ может вырабатываться менее прямыми метаболическими путями, такими как синтез ИМФ de novo или путем утилизации гуанина (пурина) и любых пуриновых нуклеотидов и нуклеозидов . ИМФ синтезируется de novo из глюкозы посредством пентозофосфатного пути , который производит рибозу 5-P , которая затем превращается в PRPP , который с помощью аминокислот глицина, глутамина и аспартата ( см. Пуриновый метаболизм ) может быть дополнительно преобразован в ИМФ. [7]
Цикл включает три реакции , катализируемые ферментами . Первая стадия — дезаминирование пуринового нуклеотида аденозинмонофосфата (АМФ) с образованием инозинмонофосфата (ИМФ), катализируемое ферментом АМФ-дезаминазой :
Вторая стадия — образование аденилсукцината из ИМФ и аминокислоты аспартата , сопряженное с энергетически выгодным гидролизом ГТФ и катализируемое ферментом аденилсукцинатсинтетазой :
Наконец, аденилосукцинат расщепляется ферментом аденилосукцинатлиазой с высвобождением фумарата и регенерацией исходного материала АМФ:
Недавнее исследование показало, что активация HIF-1α позволяет кардиомиоцитам поддерживать потенциал митохондриальной мембраны во время аноксического стресса за счет использования фумарата, продуцируемого аденилосукцинатлиазой, в качестве альтернативного терминального акцептора электронов вместо кислорода. Этот механизм должен помочь обеспечить защиту ишемизированного сердца. [8]
Пуриновый нуклеотидный цикл происходит в цитозоле (желеобразном веществе) саркоплазмы скелетных мышц и в цитозольном компартменте миоцитов цитоплазмы сердечных и гладких мышц . Цикл возникает, когда запасы АТФ истощаются (АДФ > АТФ), например, при напряженных физических нагрузках, голодании или голодании. [5] [9]
Белки катаболизируются до аминокислот, а аминокислоты являются предшественниками пуринов, нуклеотидов и нуклеозидов, которые используются в пуриновом нуклеотидном цикле. [7] Глутамат аминокислоты используется для нейтрализации аммиака, образующегося при превращении АМФ в ИМФ. Другая аминокислота, аспартат , используется вместе с ИМФ для производства S-АМФ в цикле. Скелетные мышцы содержат аминокислоты, используемые при катаболизме, известные как пул свободных аминокислот; однако недостаточное снабжение углеводами и/или напряженные физические упражнения требуют катаболизма белка для поддержания свободных аминокислот. [9]
Когда фосфагенная система (АТФ-ПЦр) истощена фосфокреатином (креатинфосфатом), пуриновый нуклеотидный цикл также помогает поддерживать миокиназную реакцию за счет уменьшения накопления АМФ, образующегося после мышечного сокращения в реакции, указанной ниже. [6]
Во время мышечного сокращения:
Мышца в состоянии покоя:
АМФ может дефосфорилироваться до аденозина и диффундировать из клетки; Таким образом, пуриновый нуклеотидный цикл может также уменьшать потерю аденозина из клетки, поскольку нуклеозиды проникают через клеточные мембраны, тогда как нуклеотиды - нет. [6]
Фумарат , образующийся в цикле пуриновых нуклеотидов, является промежуточным продуктом цикла ТСА и поступает в митохондрии путем превращения в малат и использования малатного челнока , где он превращается в щавелевоуксусную кислоту (ОАА). Во время тренировки ОАА либо входит в цикл ТСА , либо превращается в аспартат в митохондриях. [10]
Поскольку цикл пуриновых нуклеотидов производит аммиак (см. ниже синтез аммиака) , скелетным мышцам необходимо синтезировать глутамат таким образом, чтобы не увеличивать содержание аммиака, и поэтому использование глутаминазы для производства глутамата из глутамина не было бы идеальным. Кроме того, глютамин в плазме (выделяемый почками) требует активного транспорта в мышечные клетки (потребления АТФ). [11] Следовательно, во время тренировки, когда запас АТФ низкий (АДФ>АТФ), глутамат вырабатывается из аминокислот с разветвленной цепью (BCAA) и α-кетоглутарата, а также из аланина и α-кетоглутарата. [12] Затем глутамат используется для производства аспартата. Аспартат вступает в пуриновый нуклеотидный цикл, где используется для превращения ИМФ в S-АМФ. [10] [13]
Когда скелетные мышцы находятся в состоянии покоя (АДФ<АТФ), аспартат больше не нужен для пуринового нуклеотидного цикла и поэтому может использоваться с α-кетоглутаратом для производства глутамата и щавелевоуксусной кислоты (вышеуказанная реакция обратная).
α-кетоглутарат + аспартат ⇌ щавелевоуксусная кислота + глутамат (катализируется аспартатаминотрансферазой )
Во время тренировки, когда запас АТФ низкий (АДФ>АТФ), пуриновый нуклеотидный цикл производит аммиак (NH 3 ), превращая АМФ в ИМФ. (За исключением дефицита АМФ-дезаминазы , при котором аммиак вырабатывается во время физических упражнений, когда аденозин из АМФ превращается в инозин). Во время покоя (АДФ<АТФ) аммиак образуется в результате превращения аденозина в инозин аденозиндезаминазой.
Аммиак токсичен, нарушает функции клеток и проникает через клеточные мембраны. Аммиак превращается в аммоний (NH 4 + ) в зависимости от pH клетки или плазмы. Аммоний относительно нетоксичен и с трудом проникает через клеточные мембраны. [14]
NH 3 + H + ⇌ NH 4 +
Аммиак (NH 3 ) диффундирует в кровь, циркулируя в печени, где нейтрализуется в цикле мочевины . (Nb- мочевина — это не то же самое, что мочевая кислота , хотя обе они являются конечными продуктами пуринового нуклеотидного цикла, состоящими из аммиака и нуклеотидов соответственно.) Когда скелетные мышцы находятся в состоянии покоя (АДФ<АТФ), аммиак (NH 3 ) соединяется с глутаматом. для производства глютамина , что является энергозатратным этапом, и глютамин попадает в кровь. [15] [11]
Глутамат + NH 3 + АТФ → Глутамин + АДФ + P i (катализируется глутаминсинтетазой в покоящихся скелетных мышцах)
Избыток глютамина используется проксимальными канальцами почек для аммиагенеза, что может противодействовать любому метаболическому ацидозу, вызванному анаэробной активностью скелетных мышц. [15] В почках глутамин дважды дезаминируется с образованием глутамата, а затем α-кетоглутарата . Эти молекулы NH 3 нейтрализуют органические кислоты ( молочную кислоту и кетоновые тела ), вырабатываемые в мышцах.
Глютамин + H 2 O → Глутамат + NH 4 + (катализируется глутаминазой в почках)
Некоторые метаболические миопатии связаны с недостаточным или избыточным использованием пуринового нуклеотидного цикла. Метаболические миопатии вызывают низкий уровень АТФ в мышечных клетках (АДФ > АТФ), что приводит к чрезмерному накоплению АМФ в мышцах, вызванному физической нагрузкой, и последующей гиперурикемии, вызванной физической нагрузкой (миогенная гиперурикемия) за счет превращения избыточного АМФ в мочевую кислоту посредством АМФ. → аденозин или AMP → IMP.
Во время напряженных физических упражнений АМФ создается за счет реакции аденилаткиназы (миокиназы) после того, как фосфагенная система истощена креатинфосфатом, а другими путями вырабатывается недостаточно АТФ (см. Реакцию выше в разделе «Происхождение») . Для людей, страдающих метаболическими миопатиями, упражнения, которые обычно не считаются тяжелыми для здоровых людей, однако являются для них напряженными из-за низкого уровня АТФ в мышечных клетках. Это приводит к регулярному использованию миокиназной реакции для нормальной повседневной деятельности.
Помимо миокиназной реакции, высокое потребление АТФ и низкий уровень резервуара АТФ также увеличивают катаболизм белков и утилизацию ИМФ, что приводит к увеличению АМФ и ИМФ. Эти два нуклеотида затем могут войти в цикл пуриновых нуклеотидов с образованием фумарата, который затем будет производить АТФ путем окислительного фосфорилирования. Если цикл пуриновых нуклеотидов блокируется (например, из-за дефицита АМФ-дезаминазы) или если физические упражнения прекращаются и повышенное производство фумарата больше не требуется, то избыток нуклеотидов преобразуется в мочевую кислоту.
Дефицит АМФ-дезаминазы (формально известный как дефицит миоаденилатдезаминазы или MADD) представляет собой метаболическую миопатию , которая приводит к чрезмерному накоплению АМФ, вызванному физической нагрузкой. АМФ-деаминаза необходима для превращения АМФ в ИМФ в пуриновом нуклеотидном цикле. Без этого фермента чрезмерное накопление АМФ первоначально происходит из-за реакции аденилаткиназы (миокиназы), которая возникает после мышечного сокращения. [16] Однако АМФ также используется для аллостерической регуляции фермента миофосфорилазы ( см. § Регуляция гликогенфосфорилазы ), поэтому первоначальное накопление АМФ заставляет фермент миофосфорилазу высвобождать мышечный гликоген в глюкозу-1-P (гликоген → глюкоза-1-). P), [17] что в конечном итоге истощает мышечный гликоген, что, в свою очередь, запускает белковый метаболизм, который затем производит еще больше АМФ. При дефиците АМФ-дезаминазы избыток аденозина превращается в мочевую кислоту в следующей реакции:
Миогенная гиперурикемия , возникающая в результате цикла пуриновых нуклеотидов, когда запасы АТФ в мышечных клетках низкие (АДФ > АТФ), является общей патофизиологической особенностью гликогенозов, таких как GSD-III , GSD-V и GSD-VII , поскольку они метаболические миопатии , которые нарушают способность производства АТФ (энергии) в мышечных клетках. При этих метаболических миопатиях миогенная гиперурикемия вызывается физической нагрузкой; Уровень инозина, гипоксантина и мочевой кислоты увеличивается в плазме после тренировки и снижается в течение нескольких часов во время отдыха. [18] Избыток АМФ (аденозинмонофосфата) превращается в мочевую кислоту . [18]
Гипераммониемия также наблюдается после тренировки при болезни МакАрдла (GSD-V) и дефиците фосфоглюкомутазы (PGM1-CDG, ранее GSD-XIV) из-за цикла пуриновых нуклеотидов, когда резервуар АТФ низкий из-за гликолитического блока. [19] [20] [21] [22] [23] [24]
АМФ + Н 2 О + Н + → ИМФ + NH 3