Рибонуклеотидредуктаза и синтез ДНК¶

Рибонуклеотидредуктаза — фермент класса оксидоредуктаз (КФ 1.17.4.1), катализирующий восстановление рибонуклеотидов до соответствующих дезоксирибонуклеотидов. Эта реакция является ключевой стадией синтеза дезоксирибонуклеотидов de novo и, следовательно, необходимым условием репликации ДНК и репарации. Все живые организмы — от бактерий до человека — используют рибонуклеотидредуктазу для получения строительных блоков ДНК, поскольку ни один известный путь не синтезирует дезоксирибозу иначе.

¶Химизм реакции

Субстратами служат четыре рибонуклеозиддифосфата (НДФ) или рибонуклеозидтрифосфаты (НТФ): АДФ/АТФ, ГДФ/ГТФ, ЦДФ/ЦТФ и УДФ/УТФ. Фермент замещает гидроксильную группу при втором углеродном атоме рибозы на атом водорода, восстанавливая углерод. Восстановителем выступает тиоредоксин или глутаредоксин, которые после реакции регенерируются соответствующими редуктазами за счёт НАДФН. Свободные основания и нуклеозиды не являются субстратами — восстановление происходит только на уровне ди- или трифосфатов.

¶Классы ферментов

Рибонуклеотидредуктазы делят на три класса по механизму генерации и хранения радикала, инициирующего реакцию:

• Класс I — аэробные организмы, включая человека, кишечную палочку и дрожжи. Содержит стабильный тирозильный радикал, для работы требует кислорода. У человека фермент состоит из двух субъединиц: R1 (крупная, каталитическая и регуляторная) и R2 (малая, содержит дижелезный центр и тирозиновый радикал).
• Класс II — используется анаэробными бактериями и некоторыми фагами; радикал образуется с участием аденозилкобаламина (производного витамина B12).
• Класс III — анаэробные организмы; задействует глициновый радикал и S-аденозилметионин, чувствителен к кислороду.

Классы различаются также по потребности в металлах и по устойчивости к кислороду, но механизм переноса радикала на субстрат имеет общие черты.

¶Регуляция

Активность фермента тонко регулируется аллостерически, чтобы обеспечить сбалансированный пул дезоксинуклеотидов. Связывание АТФ активирует восстановление пиримидиновых нуклеотидов, а связывание дАТФ — восстановление пуриновых. Избыток одного продукта подавляет собственный синтез и стимулирует синтез других, что предотвращает дисбаланс. Нарушение этой регуляции ведёт к мутациям и геномной нестабильности.

¶Роль в синтезе ДНК

Рибонуклеотидредуктаза поставляет дезоксирибонуклеотиды, из которых затем образуются дНТФ — непосредственные субстраты ДНК-полимераз. Ингибирование фермента останавливает репликацию: клетка не может перейти в S-фазу. У человека экспрессия гена R2 строго приурочена к фазе клеточного цикла, тогда как R1 присутствует постоянно. Это делает фермент мишенью противоопухолевых и противовирусных препаратов.

¶Ингибиторы и применение

Среди ингибиторов известны гидроксимочевина, блокирующая тирозильный радикал в R2, и ряд нуклеозидных аналогов. Гидроксимочевина применяется в химиотерапии при некоторых гемобластозах, поскольку быстро делящиеся клетки особенно чувствительны к дефициту дезоксинуклеотидов. Исследуются также ингибиторы для борьбы с бактериальными и паразитарными инфекциями.

¶Значение

Рибонуклеотидредуктаза связывает метаболизм РНК и ДНК, обеспечивая переход рибонуклеотидов в дезоксиформу. Её изучение раскрыло механизмы радикальной химии в ферментах, аллостерической регуляции и контроля точности репликации. Нарушения работы фермента связаны с рядом заболеваний, включая некоторые формы иммунодефицита и опухолевого роста.