 |
Различия в катаболизме пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований.
|
|
|
|
ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Молекулы нуклеиновых кислот заряжены отрицательно, поэтому они образуют с положительно заряженными белковыми компонентами ионные связи.
Нуклеиновые кислоты – линейные (реже – циклические) гетерополимеры, их мономерами являются мононуклеотиды. Мононуклеотид состоит из трех частей: 1) азотистого основания (у всех нуклеиновых кислот), пентозы (рибозы у РНК или дезоксирибозы у ДНК) - вместе они составляют нуклеозид, и остатка фосфорной кислоты. Номенклатура различных мононуклеотидов представлена в таблице, а их строение - на рисунках.
НОМЕНКЛАТУРА НУКЛЕОТИДОВ
| Азотистое основание | Нуклеозид | Нуклеотид |
| Аденин | Аденозин | аденозинмонофосфат(АМФ) |
| Гуанин | Гуанозин | гуанозинмонофосфат(ГМФ) |
| Урацил | Уридин | уридинмонофосфат (УМФ) |
| Тимин | Тимидин | тимидинмонофосфат (ТМФ) |
| Цитозин | Цитидин | цитидинмонофосфат (ЦМФ) |
|
|
ТМФ встречается только в ДНК, а УМФ - только в РНК. Если в составе мононуклеотида имеется дезоксирибоза, то в начало его названия добавляется приставка “дезокси-“.
В составе нуклеиновых кислот мононуклеотиды связаны 3’,5’-фосфодиэфирными связями между рибозами (дезоксирибозами) соседних мононуклеотидов через остаток фосфорной кислоты (смотрите рисунок «фрагмент молекулы РНК»). Поэтому, если молекула нуклеиновой кислоты не является циклической, концы ее различны.
Один из них обозначается как 3'-конец, а другой – 5'-конец. Начальным считается 5’-конец.
Молекулярная масса нуклеиновых кислот сильно варьирует, но в целом очень большая, особенно у ДНК. В ядре клетки человеческого организма содержится 46 молекул ДНК, в составе каждой из них – 3,5 миллиарда пар мононуклеотидов. В митохондриях есть циклическая ДНК, ее молекула содержит 16 тысяч пар мононуклеотидов. Сначала была расшифрована структура митохондриальной ДНК. В ней закодирована информация о строении 13-ти полипептидных цепей, 2-х рибосомальных РНК и 22-х транспортных РНК. Поскольку митохондриальная ДНК не связана с белковыми компонентами, она сильнее подвержена мутациям, по сравнению с ядерной. Известно много митохондриальных генетических заболеваний, связанных с ее мутациями, проявляющихся нарушениями тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. В отличие от ядерной РНК, наследование таких нарушений идет только по материнской линии.
|
|
|
Общее количество белков, закодированных в человеческой ДНК, не превышает 100 тысяч. В настоящее время геном человека полностью расшифрован.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ.
1. ДНК: хранение генетической информации.
2. У РНК функции более многообразны:
а) хранение генетической информации (информосомы, некоторые РНК-вирусы;
б) реализация генетической информации: и-РНК (м-РНК) - информационная (матричная), т-РНК (транспортная), р-РНК (рибосомальная). Все они обслуживают процесс синтеза белка.
в) каталитическая функция: некоторые молекулы РНК способны катализировать реакции гидролиза 3’,5’-фосфодиэфирной связи в самой молекуле РНК. Показано, что некоторые молекулы РНК способны одним своим участком катализировать гидролиз фосфодиэфирных связей другого участка своей молекулы. Такое явление обозначается термином «самосплайсинг». Каталитические РНК называют рибозимами.
ФУНКЦИИ МОНОНУКЛЕОТИДОВ.
1. Структурная.
Из мононуклеотидов построены нуклеиновые кислоты, некоторые коферменты и простетические группы ферментов.
2. Энергетическая.
Мононуклеотиды удерживают макроэргические связи - являются аккумуляторами энергии. АТФ - это универсальный аккумулятор энергии, энергия УТФ используется для синтеза гликогена, ЦТФ - для синтеза липидов, ГТФ - для движения рибосом в ходе трансляции (биосинтез белка) и передачи гормонального сигнала (G-белок).
|
|
|
Синтез АТФ из АДФ происходит двумя способами: окислительное и субстратное фосфорилирование, синтез любых других нуклеотидтрифосфатов (НТФ) из дифосфатных форм - через АТФ путем переноса фосфата:
НМФ + АТФ Û НДФ + АДФ
Фермент: нуклеотидмонофосфокиназа
|
НДФ + АТФ Û НТФ + АДФ
Фермент: нуклеотиддифосфокиназа
Эти переходы протекают очень легко.
3. Регуляторная.
Мононуклеотиды - аллостерические эффекторы многих ключевых ферментов, цАМФ и цГМФ являются посредниками в передаче гормонального сигнала при действии многих гормонов на клетку (аденилатциклазная система), они активируют протеинкиназы.
Азотистое основание аденин является более универсальным, чем остальные: у него такое взаимное расположение аминогруппы с фосфатом, что возможен синтез АТФ из АДФ и неферментативным путем.
ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Нуклеиновые кислоты в организме постоянно обновляются. В норме синтез и распад находятся в состоянии динамического равновесия.
КАТАБОЛИЗМ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Начинается с гидролиза 3',5'-фосфодиэфирной связи под действием ферментов нуклеаз:
- ДНКазы - расщепляют ДНК
- РНКазы - расщепляют РНК
Среди ДНКаз и РНКаз различают:
- экзонуклеазы (5' и 3');
- эндонуклеазы - специфичны к мононуклеотидной последовательности, есть высокоспецифичные: рестриктазы - используются в генной инженерии.
Далее происходит отщепление фосфата от мононуклеотида с участием ферментов нуклеотидаз с образованием нуклеозидов.
Нуклеозид может расщепляться путем гидролиза под действием фермента нуклеозидазы на азотистое основание и пентозу, но чаще происходит фосфоролиз - при этом нуклеозид расщепляется на азотистое основание и фосфорибозу.
Нуклеазы очень многообразны. Различают ДНКазы и РНКазы. Отличаются друг от друга по месту действия. Бывают эндонуклеазы (расщепляют внутренние 3’5'-фосфодиэфирные связи) и экзонуклеазы (отщепляют концевые мононуклеотиды). Встречается 2 типа экзонуклеаз: 3'-экзонуклеазы – отщепляют мононуклеотид с 3'-конца молекулы, и 5'-экзонуклеазы – отщепляют 5'-концевой мононуклеотид.
|
|
|
Нуклеазы могут отличаться друг от друга и по специфичности. Пищеварительные нуклеазы и нуклеазы лизосомальные отличаются низкой специфичностью, у них упрощенное строение активного центра. У высокоспецифичных нуклеаз очень сложное строение активного центра. Они способны «узнавать» целую последовательность нуклеотидов из 4-10 пар и расщеплять одну-единственную связь в строго определенном месте (если «узнаваемый» участок содержит содержит 4 нуклеотидные пары, то расщепляется, в среднем, одна связь из 250 возможных). Такие высокоспецифичные ДНКазы называются рестриктазами. Участки ДНК, «узнаваемые» рестриктазами, называются полиндромными последовательностями. Рестриктазы широко применяются в генной инженерии.
Пентозы, образующиеся в ходе катаболизма нуклеиновых кислот, могут быть утилизированы во II-м этапе ГМФ-пути.
Азотистые основания также подвергаются дальнейшему катаболизму, но по-разному, в зависимости от их типа - пуриновых (аденина, гуанина) или пиримидиновых (тимина, цитозина и урацила).
КАТАБОЛИЗМ ПИРИМИДИНОВЫХ АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ
Различия в катаболизме пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований.
Пиримидиновые азотистые основания подвергаются тотальному разрушению до СО2, Н2О и NH3.
Пуриновые азотистые основания сохраняют циклическую структуру пурина. Конечный продукт: мочевая кислота - вещество пуриновой природы.
Аминогруппа азотистых оснований очень легко могут отщепляться гидролитическим путем. Аминогруппа может отщепляться, когда азотистое основание еще находится в составе нуклеозида, мононуклеотида и даже в составе нуклеиновой кислоты. Но поскольку в организме урацил не входит в состав ДНК, то дезаминирование цитозина и превращение его в урацил воспринимается клеткой как ошибка и исправляется.
|
b-аланин обычно разрушается до CO2, H2O и NH3, но иногда может использоваться для синтеза пептидов карнозина и ансерина в мышечной ткани. У микроорганизмов b-аланин используется и для синтеза HS-КоА. Конечным продуктов распада пиримидиновых азотистых оснований можно считать и мочевину, которая образуется из аммиака по известному механизму, изложенному в теме «Обмен простых белков».
|
|
|
Тимин распадается подобно урацилу, но сохраняется CH3-группа, и вместо b-аланина образуется b-аминоизобутират (a-метил-b-аланин). Поскольку тимин встречается только в ДНК, то по уровню b-аминоизобутирата в моче судят об интенсивности распада ДНК.
b-аминоизобутират выводится из организма и определение его количества в моче может использоваться для оценки катаболизма ДНК.
КАТАБОЛИЗМ ПУРИНОВЫХ АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ
Распад начинается с отщепления аминогруппы (ее отщепление также возможно в составе ДНК).
Фермент аденозиндезаминаза иногда образуется в дефектной мутантной форме, что приводит к врожденному иммунодефициту, так как нуклеотиды являются регуляторами функций лейкоцитов. При СПИДе активность этого фермента также значительно снижена.
Образовавшийся инозин подвергается фосфоролизу, и далее гипоксантин подвергается двукратному окислению путем отнятия водорода с одновременным присоединением воды. Эти две одинаковые реакции катализирует один и тот же фермент – ксантиноксидаза. Ксантиноксидаза может существовать в двух формах:
- D-форма – дегидрогеназная
- O-форма – оксидазная
Формы отличаются друг от друга по способности передавать 2 атома водорода. D-форма передает водород на главную дыхательную цепь митохондриального окисления, а O-форма – сразу на кислород с образованием H2O2. D-форма может переходить в О-форму путем ограниченного протеолиза при отщеплении небольшого участка молекулы.
Генетический дефект ксантиноксидазы проявляется ксантинурией и образованием ксантиновых камней в тканях. В этом случае источник ксантина – гуанин, подвергающийся гидролитическому дезаминированию.
Кроме, как у человека, мочевая кислота является конечным продуктом катаболизма пуринов у приматов, птиц, змей и ящериц.
Для других животных пуриновое кольцо подвергается распаду, за исключением долматской собаки.
Мочевая кислота является одним из нормальных компонентов мочи. За сутки в организме образуется около 1 грамма мочевой кислоты. Мочевая кислота выводится из организма с мочой - это обычный ее компонент, но в почках организма человека происходит ее интенсивная реабсорбция. Концентрация мочевой кислоты в крови поддерживается на постоянном уровне 0.12-0.30 ммоль/л.
В организме мочевая кислота существует, как правило, в лактимной форме.
Функции мочевой кислоты:
|
|
|
1. Является мощным стимулятором центральной нервной системы, ингибируя фосфодиэстеразу, которая служит посредником действия гормонов адреналина и норадреналина. Мочевая кислота пролонгирует (продлевает) действие этих гормонов на ЦНС.
2. Обладает антиоксидантными свойствами – способна взаимодействовать со свободными радикалами.
Уровень мочевой кислоты в организме контролируется на генетическом уровне. Для людей с высоким уровнем мочевой кислоты характерен повышенный жизненный тонус.
Однако повышенное содержание мочевой кислоты в крови (гиперурикемия) небезопасно. Сама мочевая кислота и, особенно, ее соли ураты (натриевые соли мочевой кислоты) плохо растворимы в воде. Даже при незначительном повышении концентрации они начинают начинают выпадать в осадок и кристаллизоваться, образуя камни. Кристаллы воспринимаются организмом как чужеродный объект. В суставах они фагоцитируются макрофагами, сами клетки при этом разрушаются, из них освобождаются гидролитические ферменты. Это приводит к воспалительной реакции, сопровождающейся сильнейшими болями в суставах. Такое заболевание называется подагра. Другое заболевание, при котором кристаллы уратов откладываются в почечной лоханке или в мочевом пузыре, известно как мочекаменная болезнь.
Для лечения подагры и мочекаменной болезни применяются:
· ингибиторы фермента ксантиноксидазы. Например, аллопуринол – вещество пуриновой природы, является конкурентным ингибитором фермента. Действие этого препарата приводит к повышению концентрации гипоксантина. Гипоксантин и его соли лучше растворимы в воде, и легче выводятся из организма.
· диетическое питание, исключающее продукты, богатые нуклеиновыми кислотами, пуринами и их аналогами: икра рыб, печень, мясо, кофе и чай.
· соли лития, поскольку они лучше растворимы в воде, чем ураты натрия.
СИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
СИНТЕЗ МОНОНУКЛЕОТИДОВ
Для синтеза мононуклеотидов de novo необходимы очень простые вещества: CO2 и рибозо-5-фосфат (продукт 1-го этапа ГМФ-пути). Синтез происходит с затратой АТФ. Кроме этого, необходимы заменимые аминокислоты, которые синтезируются в организме, поэтому даже при полном голодании синтез нуклеиновых кислот не страдает.
РОЛЬ АМИНОКИСЛОТ В СИНТЕЗЕ МОНОНУКЛЕОТИДОВ
1) Аспарагин. Является донором амидной группы.
2) Аспарагиновая кислота.
а) Является донором аминогруппы
б) Участвует в синтезе всей молекулой.
Глицин
а) Является донором активного С1.
б) Участвует в синтезе всей молекулой.
4) Серин. Является донором активного С1.
ПЕРЕНОС ОДНОУГЛЕРОДНЫХ ФРАГМЕНТОВ
В организме человека существуют ферменты, которые могут извлекать из некоторых аминокислот С1-группу. Такие ферменты являются сложными белками. В качестве кофермента содержат производное витамина ВС – фолиевой кислоты. Фолиевой кислоты много в зеленых листьях, к тому же, этот витамин синтезируется микрофлорой кишечника. В клетках организма фолиевая кислота (ФК) дважды восстанавливается (к ней присоединяется водород) с участием фермента НАДФ.Н2-зависимой редуктазы, и превращается в тетрагидрофолиевую кислоту (ТГФК).
Активный С1 извлекается из глицина или серина.
В каталитическом центре фермента, содержащего ТГФК, имеются две –NH-группы, которые участвуют в связывании активного С1. Схематически процесс можно представить так:
НАДН2, который образуется в обратной реакции, может быть использован для восстановления пирувата в лактат (гликолитическая оксидоредукция). Реакция катализируется ферментом глицинсинтетазой. После этого метилен-ТГФК отделяется от белковой части фермента, и затем возможны два варианта ее превращений:
1) Метилен-ТГФК может стать небелковой частью ферментов синтеза мононуклеотидов.
2) Метиленовая группировка может видоизменяться до:
Эти группировки связаны только с одним из атомов азота ТГФК, но тоже могут стать субстратами для синтеза мононуклеотидов.
Поэтому любая из группировок, связанная с ТГФК, называется активным С1.
Для синтеза любого из нуклеотидов требуется активная форма рибозо-фосфата - фосфорибозилпирофосфат (ФРПФ), образующаяся в следующей реакции:
Фосфорибозилпирофосфаткиназа (ФРПФ-киназа) является ключевым ферментом для синтеза всех мононуклеотидов. Ингибируется этот фермент по принципу отрицательной обратной связи избытком АМФ и ГМФ. При генетическом дефекте ФРПФ-киназы наблюдается потеря чувствительности фермента к действию своих ингибиторов. В результате возрастает продукция пуриновых мононуклеотидов, а, значит, и скорость их разрушения, что приводит к увеличению концентрации мочевой кислоты – наблюдается подагра.
После образования ФРПФ реакции синтеза пуриновых и пиримидиновых мононуклеотидов различны.
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ РАЗЛИЧИЯ В СИНТЕЗЕ ПУРИНОВЫХ И ПИРИМИДИНОВЫХ МОНОНУКЛЕОТИДОВ:
Особенностью синтеза пуриновых нуклеотидов является то, что циклическая структура пуринового азотистого основания постепенно достраивается на активной форме рибозо-фосфата, как на матрице. При циклизации получается уже готовый пуриновый мононуклеотид.
При синтезе пиримидиновых мононуклеотидов сначала образуется циклическа структура пиримидинового азотистого основания, которая в готовом виде переносится на рибозу – на место пирофосфата.
СИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ МОНОНУКЛЕОТИДОВ (АМФ и ГМФ)
Существует 10 общих и 2 специфических стадии. В результате общих реакций образуется пуриновый мононуклеотид, являющийся общим предшественником будущих АМФ и ГМФ – инозинмонофосфат (ИМФ). ИМФ в качестве азотистого основания содердит гипоксантин.
Пуриновое кольцо строится из СО2, аспарагиновой кислоты, глутамина, глицина и серина. Эти вещества либо полностью включаются в пуриновую структуру, или передают для ее построения отдельные группировки.
Аспарагиновая кислота отдает аминогруппу и превращается в фумаровую кислоту.
Глицин: 1) полностью включается в структуру пуринового азотистого основания; 2) является источником одноуглеродного радикала.
Серин: тоже является донором одноуглеродного радикала.
ФРПФ + глутамин -------> глутамат + ФФ + фосфорибозиламин
Фермент, который катализирует эту реакцию, называется фосфорибозиламидотрансфераза. Он является ключевым ферментом синтеза всех пуриновых мононуклеотидов. Регулируется по принципу отрицательной обратной связи. Аллостерическими ингибиторами этого фермента являются АМФ и ГМФ.
На второй стадии фосфорибозиламин взаимодействует с глицином.
Третья стадия - включение углеродного атома, донором которого является глицин или серин.
Затем достраивается шестичленный фрагмент пуринового кольца:
4-ая стадия - карбоксилирование с помощью активной формы СО2 при участии витамина Н - биотина.
5-ая стадия - аминирование с участием аминогруппы из аспартата.
6-ая стадия - аминирование за счет аминогруппы глутамина.
7-ая, заключительная стадия - включение одноуглеродного фрагмента (с участием ТГФК), и образуется готовый ИМФ.
Затем протекают специфические реакции, в результате которых ИМФ превращается либо в АМФ, либо в ГМФ. При таком превращении в молекуле появляется аминогруппа, причем в случае превращения в АМФ - на месте ОН-группы. При образовании АМФ источником азота является аспарагиновая кислота, а для образования ГМФ необходим глутамин.
Далее из НМФ образуются НДФ и НТФ с помощью АТФ. Затраты АТФ на синтез нуклеотидов de novo очень велики. Этот способ синтеза является энергетически невыгодным.
В некоторых тканях есть альтернативный способ синтеза – реутилизация (повторное использование) пуриновых азотистых оснований, которые образовались при распаде нуклеотидов.
Ферменты, катализирующие реакции реутилизации, наиболее активны в быстроделящихся клетках (эмбриональные ткани, красный костный мозг, раковые клетки), а также в тканях головного мозга. На схеме видно, что фермент гуанингипоксантинФРПФтрансфераза обладает более широкой субстратной специфичностью, чем аденинФРПФтрансфераза – помимо гуанина, может переносить и гипоксантин - образуется ИМФ. У человека встречается генетический дефект этого фермента - “болезнь Леша-Нихана”. Для таких больных характерны выраженные морфологические изменения в головном и костном мозге, умственная и физическая отсталость, агрессия, аутоагрессия. В эксперименте на животных синдром аутоагрессии моделируется путем скармливания им кофеина (пурина) в больших дозах, который ингибирует процесс реутилизации гуанина.
|
|
|
