الخصائص العامة لتخليق الديوكسي ريبونوكليوتيدات
تعمل الديوكسي ريبونوكليوتيدات (dNTPs) كوحدات بناء للحمض النووي (DNA)، ولا تتكون عن طريق التخليق المستقل من الصفر، بل عبر اختزال الريبونوكليوتيدات الجاهزة. التفاعل الرئيسي هو تحويل مجموعة 2′-OH في الريبوز إلى 2′-H في الديوكسي ريبوز، والذي يحفزه إنزيم عالمي واحد لجميع القواعد الأربع. أما تخليق نيوكليوتيدات الثيميدين فيتم عبر مسار منفصل، نظراً لغياب الثيمين في تركيبة الحمض النووي الريبي (RNA) ولزوم إدخال مجموعته الميثيلية بشكل خاص.
معقد الريبونوكليوتيد ريتاز
يتم تحفيز اختزال الريبونوكليوزيد ديفوسفات (ADP، GDP، CDP، UDP) إلى أشكالها الديوكسية المقابلة بواسطة الريبونوكليوتيد ريتاز (إنزيم RNR). يتطلب التفاعل مانحاً للهيدروجين، وهو العامل المساعد البروتيني الثيوريدوكسين، الذي يحتوي على زوج من بقايا السيستين ذات مجموعات SH.
يتم تجديد الشكل المؤكسد (ثنائي السلفيد) من الثيوريدوكسين بواسطة النظام التالي:
- الثيوريدوكسين ريتاز - الإنزيم الذي يعيد اختزال الثيوريدوكسين؛
- NADPH - المانح النهائي للإلكترونات والهيدروجين.
وبالتالي، يتدفق مكافئ الاختزال وفقاً للآلية التالية: NADPH ← ثيوريدوكسين ريتاز ← ثيوريدوكسين ← ريبونوكليوتيد ريتاز ← تحول 2′-OH للريبوز إلى 2′-H للديوكسي ريبوز.
تخليق dCMP و dUMP
يتم تخليق نيوكليوتيدات الديوكسي سيتيدين والديوكسي أوريدين بطريقة مترابطة. يوجد مساران لظهور الـ dUMP:
- عبر الـ dUDP، الناتج عن الاختزال المباشر للـ UDP بواسطة إنزيم ريبونوكليوتيد ريتاز، يليه نزع الفوسفات؛
- عبر الـ dCDP ← dCMP ← نزع الأمين ليتحول إلى dUMP.
يعمل الـ dUMP الناتج بعد ذلك كركيزة لتخليق نيوكليوتيدات الثيميدين.
تخليق dTMP ودور الفولات
الإنزيم الرئيسي في هذا المسار هو ثيميديلات سينثيز. حيث ينقل جزءاً أحادي الكربون من N5,N10-ميثيلين-H4-فولات إلى dUMP، محولاً إياه إلى dTMP. تتميز هذه التفاعلات بأن المانح لا يمنح مجموعة الميثيل فحسب، بل يتأكسد في نفس الوقت: حيث يتحول N5,N10-ميثيلين-H4-فولات إلى دايهايدروفولات (H2-فولات).
تتطلب استمرارية عمل إنزيم ثيميديلات سينثيز تجديد الشكل النشط للعامل المساعد. يشارك في ذلك إنزيمان:
- دايهايدروفولات ريتاز (DHFR) - يعيد اختزال H2-فولات إلى تتراهايدروفولات (H4-فولات) باستخدام الـ NADPH؛
- سيرين هيدروكسي ميثيل ترانسفيراز (المعتمِد على البيريدوكسال) - ينقل ذرة الكربون بيتا للسيرين إلى H4-فولات، مكوناً N5,N10-ميثيلين-H4-فولات؛ ويتحول السيرين نتيجة لذلك إلى جلايسين.
مسارات الإنقاذ للقواعد البيورينية
بالتوازي مع التخليق الحيوي de novo، تستخدم الخلية مسارات إعادة تدوير القواعد البيورينية الحرة والنيوكليوزيدات بمشاركة 5-فوسفوريبوزيل-1-بيروفوسفات (PRPP).
- يقوم إنزيم هيبوكسانثين-جوانين فوسفوريبوزيل ترانسفيراز (HGPRT) بربط الجوانين أو الهيبوكسانثين بـ PRPP لتكوين GMP أو IMP على التوالي، مع انطلاق البيروفوسفات.
- يقوم إنزيم أدينين فوسفوريبوزيل ترانسفيراز (APRT) بتكوين AMP من الأدينين و PRPP.
- يقوم إنزيم أدينوسين كيناز بسلفَتَة (فسفرة) الأدينوسين على حساب الـ ATP لإنتاج AMP.
الميثوتريكسات: مثبط دايهايدروفولات ريتاز
الميثوتريكسات هو نظير هيكلي لحمض الفوليك ومثبط تنافسي لإنزيم دايهايدروفولات ريتاز. يوقف حصار هذا الإنزيم عملية اختزال H2-فولات إلى H4-فولات، ويستنفد مخزون N5,N10-ميثيلين-H4-فولات، ونتيجة لذلك يوقف تخليق dTMP. بدون نيوكليوتيدات الثيميدين، يصبح تضاعف الحمض النووي (DNA) مستحيلاً. يصيب الدواء الخلايا سريعة الانقسام بشكل انتقائي، وهو ما يُستفاد منه في علاج اللوكيميا، والأورام الليمفاوية، وعدد من الأورام الصلبة، فضلاً عن بعض أمراض المناعة الذاتية.
5-فلوروراسيل: مثبط ثيميديلات سينثيز
5-فلوروراسيل (5-FU) هو نظير لليوراسيل، يتم استقلابه داخل الخلية إلى 5-فلورو-dUMP، والذي يشكل معقداً ثلاثياً تساهمياً مع ثيميديلات سينثتاز وN5,N10-ميثيلين-H4-فولات. يُحظر الإنزيم بشكل غير عكوس، ويتوقف تخليق dTMP، مما يؤدي إلى تطور "عجز الثيميدين" وموت الخلايا المتكاثرة. يُستخدَم 5-FU في العلاج الكيميائي لسرطان القولون، والمعدة، والثدي وغيرها من الأورام.
استراتيجية العلاج الكيميائي المضاد للأورام
يوضح الميثوتريكسات والـ 5-فلوروراسيل المبدأ العام للعلاج المثبط للخلايا (السايتوستاتيكي): التأثير على إنزيمات تخليق الـ dNTPs. يثبط الميثوتريكسات تجديد العامل المساعد (H4-فولات)، بينما يثبط الـ 5-FU إنزيم ثيميديلات سينثيز نفسه. في كلا الحالتين، يضطرب تكوين الـ dTMP، ويعاني تخليق الحمض النووي (DNA) من الخلل، وتموت الخلايا ذات معدل الانقسام المرتفع (السرطانية، وخلايا الدم، وظهارة الأغشية المخلوية) أولاً. وترتبط بذلك أيضاً السمية النموذجية لهذه الأدوية والمتمثلة في تثبيط نقي العظم (الميالوسبريسيون) والتهاب الأغشية المخاطية.
النقاط الرئيسية
- الريبونوكليوتيد ريتاز يقوم باختزال جميع الريبونوكليوزيد ديفوسفات الأربعة إلى أشكالها الديوكسية.
- مانح الهيدروجين هو الثيوريدوكسين، الذي يتم تجديده بواسطة الثيوريدوكسين ريتاز و NADPH.
- يتكون الـ dUMP بطريقتين: عبر الـ dUDP وعبر نزع الأمين من الـ dCMP.
- ثيميديلات سينثيز يحول الـ dUMP إلى dTMP باستخدام N5,N10-ميثيلين-H4-فولات.
- تجديد عامل الفولات المساعد يتطلب وجود دايهايدروفولات ريتاز وسيرين هيدروكسي ميثيل ترانسفيراز.
- الميثوتريكسات يثبط إنزيم دايهايدروفولات ريتاز، مما يستنفد مخزون الفولات النشطة.
- 5-فلوروراسيل يثبط ثيميديلات سينثيز بشكل غير رجعي عبر الـ 5-فلورو-dUMP.
- تعمل مسارات إنقاذ البيورينات عبر الـ PRPP بمشاركة HGPRT و APRT وأدينوسين كيناز.