Рибонуклеотидредуктаза

Рибонуклеотидредуктаза (РНРедуктаза, RNR) — ключевой фермент в биосинтезе дезоксирибонуклеотидов, обеспечивающий превращение рибонуклеотидов (NDP) в дезоксирибонуклеотиды (dNDP), необходимых для синтеза ДНК. Активность RNR определяет скорость репликации ДНК, участвующую в росте и делении клеток, а также поддерживает баланс между четырьмя дезоксинуклеотидами.

Структура фермента

RNR является мультисубъединичным ферментом, с различными изоформами у прокариот и эукариот:

  • Класс I: кислородзависимые ферменты, состоящие из двух субъединиц R1 (каталитическая) и R2 (радиокативаторная).
  • Класс II: Аденозилкобаламин-зависимые ферменты, активные в анаэробных условиях.
  • Класс III: ферменты, функционирующие при строгой анаэробной среде, с радикалом глицина.

Каталитическая субъединица (R1) содержит активный центр для восстановления рибонуклеотидов и регулирующие сайты:

  • Сайт специфичности — определяет, какой нуклеотид будет субстратом, обеспечивая баланс dNTP.
  • Сайт активности — связывает АТФ или дАТФ, регулируя общую активность фермента.

Радиокативаторная субъединица (R2) обеспечивает генерацию свободного радикала на тирозине, необходимого для катализа восстановления рибонуклеотида.

Механизм действия

Механизм фермента основан на радикально-инициированном переносе электронов, который позволяет восстанавливать 2’-гидроксильную группу рибонуклеотида до водорода, превращая его в дезоксирибонуклеотид. Процесс можно разделить на несколько ключевых этапов:

  1. Формирование радикала: R2 создает стабильный тирозильный радикал, который инициирует перенос электронов.
  2. Перенос радикала на R1: радикал переходит через цепь аминокислот, активируя активный центр.
  3. Редукция рибонуклеотида: субстрат связывается в каталитическом центре, и 2’-гидроксильная группа восстанавливается с помощью дицистеиновой системы в R1.
  4. Восстановление фермента: фермент возвращается в исходное состояние с участием ферредоксина или тиоредоксина.

Ключевой момент: радикальная природа катализа обеспечивает специфичность и эффективность редукции без разрушения структуры нуклеотида.

Регуляция активности

Активность рибонуклеотидредуктазы строго регулируется для поддержания баланса dNTP и предотвращения мутагенеза.

  • Регуляция по активности: АТФ активирует фермент, дАТФ ингибирует, обеспечивая обратную связь по энергетическому состоянию клетки.
  • Регуляция по специфичности: связывание определенных dNTP на сайте специфичности изменяет конформацию активного центра и направляет фермент на нужный субстрат.

Баланс между dATP, dGTP, dCTP и dTTP является критическим для точной репликации ДНК. Нарушения этого баланса ведут к ошибкам копирования и повышению мутационной нагрузки.

Биологическая роль

  • Обеспечение синтеза дезоксирибонуклеотидов для репликации ДНК.
  • Поддержание геномной стабильности за счет контроля соотношений dNTP.
  • Участие в репарации ДНК, особенно при повреждениях, требующих локального увеличения концентрации dNTP.
  • Контроль клеточного цикла: активность RNR усиливается в S-фазе для удовлетворения потребности в ДНК.

Механизмы ингибирования

RNR является мишенью для противораковых и противовирусных препаратов:

  • Гидроксимочевина ингибирует радикал, блокируя каталитическую активность.
  • Флуродиоксиуридин и аналоги нарушают баланс нуклеотидов, замедляя деление клеток.
  • Нуклеотидные аналоги конкурируют с естественными субстратами, вызывая дефекты ДНК.

Эти свойства делают фермент стратегической мишенью для терапии злокачественных опухолей и вирусных инфекций.

Взаимодействие с другими системами

RNR тесно связана с системами восстановления и метаболизма клеток:

  • Тиоредоксиновая система обеспечивает электроны для восстановления фермента.
  • Глутатионовая система поддерживает редокс-баланс.
  • Метаболизм нуклеотидов: активность RNR напрямую влияет на пути синтеза и катаболизма пуринов и пиримидинов.

Такое взаимодействие гарантирует интегрированную регуляцию клеточного метаболизма нуклеотидов и поддержание жизнеспособности клетки.

Оглавление