2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

1.5. Распад пиримидиновых нуклеотидов

Распад пиримидинов осуществляется преимущественно в печени. Основными конечными продуктами этого процесса являются -аланин и -аминоизобутират. Цитозин и урацил разрушаются до -аланина, а тимин – до -аминоизобутирата. В отличие от катаболизма пуринов,

образующиеся при распаде пиримидинов продукты хорошо растворимы в воде и могут разрушаться до СО2 и воды или включаться в синтез

других соединений, таких как ансерин и карнозин. Считают, что эти вещества играют важную роль в работе мышц. Известно, что они увеличивают амплитуду сокращений утомленных мышц, вероятно регулируя рН. В связи с высокой способностью включаться в метаболизм конечные продукты распада пиримидинов в свободном виде обнаруживаются в малых количествах.

Схема распада пиримидиновых нуклеотидов

NH 2

O

N

Цитозин

O N

½ О H

NН3

O

HN

Урацил

O N H

НАДФН2

НАДФ+

O

H HN H

H O N H

H

Дигидроурацил

H N

CH 3

Тимин

O

N

НАДФ H

НАДФ+ O

CH 3

COOH

HN

H

H

H

O

N

Дигидро-

NH 2

H - уреидо-

H

H

тимин

Hпропионат

Н2О

O

N

H

COO -

Н2О

CH 3

Н2О

СО2 NH 3

NH 2

H

O

N

H

NH 2

CH 2

CH 2

COOH

H

H

-Аланин

-ур

зобутират

Н2О

СО2+NН3

NH 2

CH 2

CH

COOH

CH

3

-аминоизобутират

282

Пути регенерации пиримидиновых нуклеотидов

Из образовавшихся пиримидиновых оснований в организме млекопитающих не могут синтезироваться нуклеозиды и нуклеотиды. Единственная возможность вновь синтезировать нуклеотиды – это фосфорилирование ряда нуклеозидов:

ÀÒÔ ÀÄÔ

1) Урйдйм -фйтйдйм кйм взв: срйдйм ÈÌ Ô

	ÀÒÔ ÀÄÔ
	фйтйдйм	ÖÌ Ô
	ÀÒÔ ÀÄÔ
2) Òéí éäéì êéì âçâ:	òéí éäéì	ÒÌ Ô
	ÀÒÔ ÀÄÔ
3) Джзо крйфйтйдйм кйм взв:	джзо крйфйтйдйм	dÖÌ Ô

2. Синтез нуклеотидов 2.1. Биосинтез пуринов

Первая и самая важная (определяющая) стадия в синтезе пуринов

– синтез фосфорибозиламина в реакции 5-фосфорибозилпирофосфата с

глутамином. Эта реакция является ключевой в синтезе и ингибируется по принципу обратной связи конечными продуктами.

CH		OP O		H	2		CH2OPO3H2		ФРПФ-глутамидо-
	2	O	3					O
						ФРПФ-синтаза
ПФП
				OH		АТФ +Mg2	АМФ OH	OH
										O
								N7		6
									5	1NH
								8		2
CH	OP O			H			CH2OPO3H2 N9		4
					2 NH 2					3
2Рн	2	O	3				O			N
					H
								OH
OH				OH			OH

ПФП Ã пентозофосфатный путь Инозиновая кислота

Происхождение атомов пуринового кольца:

3 и 9 атомы Ã из глутамина, 6 Ã СО2, 2 Ã N10-формил-ТГФК,

8 Ã N5,N10-метилен-ТГФК, 4,5,7 Ã глицин, 1 Ã аспартат.

283

Пуриновые нуклеотиды широко представлены в различных биохимических процессах (обмен белков, энергетический обмен…). Нарушение их синтеза приводит к развитию заболеваний. Знание источников, составляющих пуриновый скелет, позволит корректировать течение ряда патологических состояний. Так, нарушение поступления фолиевой кислоты или синтеза ее производных может привести к развитию анемии. Назначение фолиевой кислоты или улучшение продукции ее производных позволяет устранить указанное заболевание.

Гидролиз АМФ ингибируется ГТФ, а восстановительное дезаминирование ГМФ ингибируется АТФ.

Синтез ГМФ и АМФ

Синтез осуществляется из единого предшественника – инозиновой кислоты (ИМФ). АМФ синтезируется в 2 этапа при участии фермента аденилосукцинатсинтаза (1), с затратой энергии ГТФ и использованием аспартата. Процесс происходит через стадию образования аденилосукцината. Отщепление фумарата от аденилосукцината катализирует фермент аденилосукциназа (2). ГМФ синтезируется так же в 2 стадии. В первой реакции при участии НАД+ и Н2О ИМФ-

дегидрогеназа (3) окисляет ИМФ с образованием ксантинмонофосфата. На втором этапе, с затратой энергии АТФ, происходит аминирование ксантинмонофосфата.

O		O-OC CH2		CH COO-
	АСП	Н2О		NH	O-OC CH CH COO-
N	NH					Фумарат		NH2
			N	N			N	N
N	ГТФ, Mg2+					(2)
N	(1)		N	N			N
Рибозо-5-фосфат								N
ИМФ		Рибозо-5-фосфат
		Аденилосукцинат					Рибозо-5-фосфат
НА	2О						АМФ
(3)
НАДН2				O
O	Глн	Глу
			N		NH
N	NH
N	O АТФ	АДФ	N	N		NH2
N
H		+ Рн	Рибозо-5-фосфат
				ГМФ
Рибозо-5-фосфат

Ксантозинмонофосфат

Схема синтеза ГМФ и АМФ

284

2.2. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов

(1)

NH2

COO-

(2)

C O O -

C O

+

CH

N H 2 C H 2 (3)

СО2 + Глн + 2АТФ

O C

C H

2

O

CH

-

Рн

N C O O -

PO3H2 H2N

H

COO

Карбамоил-

Карбамоилфосфат

Аспартат

аспартат

O

НАД+ НАДН2

O

O

O

ФРПФ

Рн

СО2

HN

HN

(4)

HN

(5)

HN

(6)

O

N

COO-

O

N

COO-

O

N

COO- O

N

H

H

Рибозо-5-фосфат

Рибозо-5-фосфат

Дигидрооротовая

Оротовая

кислота

кислота

Оротидиловая ки-

УМФ

слота

(11)

(10)

(7)

dУМФ

dУДФ

УДФ

(12)

N5,N10-Метилен-ТГ

(8)

Глн

УТФ

ДГФК

(13) ТГФ

+ АТФ

(9)

O

NH2

HN

CH3

HN

O

N

ТМФ

ЦМФ

O

N

dРибозо-5-фосфат

Рибозо-5-фосфат

В отличие от синтеза пуринов, синтез пиримидиновых нуклеотидов начинается с построения азотистого основания и лишь затем происходит присоединение фосфорибозилпирофосфата. Синтез начинается реакцией, катализируемой цитозольной карбомоилфосфатсинтазой

(1). Следующая реакция в этом ряду катализируется аспартаткарба-

моилтрансферазой (2) и является ключевой. Последующие реакции осуществляют ферменты: дигидрооротаза(3) – обеспечивает синтез дигидрооротовой кислоты, дигидрооротатдегидрогеназа (4) – с участием НАД окисленного катализирует окисление дигидрооротовой кислоты до оротовой кислоты. Оротатфосфорибозилтрансфераза (5) – присоединяет к оротовой кислоте фосфорибозилпирофосфат (поставляется пентозофосфатным путем). Декарбоксилаза оротидиловой кислоты (6)

285

–завершает синтез первого пиримидинового нуклеотида – УМФ. Все ферменты, обеспечивающие синтез УМФ, располагаются в цитозоле. Исключение составляет дигидрооротатдегидрогеназа, которая локализуется в митохондриях. Из УМФ синтезируются остальные пиримидиновые нуклеотиды (реакции 7–12).

Регуляция синтеза пиримидиновых нуклеотидов осуществляется по принципу отрицательной обратной связи. Избыток тимина ингибирует рибонуклеотидредуктазу (10), а ЦТФ ингибирует ключевой фермент синтеза пиримидиновых нуклеотидов – аспартаткарбомоилтрансферазу (2).

Образование тимидиловой кислоты требует участия тетрагидрофолиевой кислоты (как источника одноуглеродного фрагмента). В ходе переноса метильной группы на dУМФ и образования ТМФ тетрагид-

рофолиевая кислота окисляется и преобразуется в дигидрофолиевую кислоту. Для дальнейшего использования фолиевой кислоты ее необходимо восстановить до тетрагидрофолиевой кислоты. Эта реакция осуществляется ферментом дигидрофолатредуктаза (13). Делящимся клеткам крайне необходим ТМФ, поэтому ингибирование образования тетрагидрофолата прекращает рост клеток. Один из таких ингибиторов

–метотрексат широко используется в качестве противоопухолевого препарата. Напротив, введение предшественника синтеза пиримидиновых нуклеотидов – оротата калия стимулирует обмен нуклеиновых кислот и белков. Таким образом, знание процессов синтеза нуклеотидов позволяет управлять этими процессами в клинической практике.

Нарушения обмена нуклеотидов 1. Нарушения обменов пуринов

Подагра – одно из наиболее часто встречающихся нарушений пуринового обмена. Заболевают 3 человека из 1000. Частота заболеваемости среди мужчин выше, чем среди женщин. Заболевание характеризуется увеличением содержания мочевой кислоты вначале в крови, а затем в синовиальной жидкости. При закислении окружающей среды мочевая кислота выпадает в осадок в виде кристаллов. Эти кристаллы формируют подагрические узлы, локализующиеся, главным образом, в суставных хрящах, синовиальных оболочках... Кристаллы уратов фагоцитируются полиморфно-ядерными лейкоцитами и способствуют

разрушению лизосом и истечению их содержимого в цитоплазму. Структура клетки изменяется и клетка погибает. Многократное повторение этого процесса приводит к развитию воспаления, характеризующегося сильными болевыми приступами. Стабильность лизосомальных мембран увеличивается кортикостероидами и эстрогенами и

286

снижается тестостероном. Это, вероятно, обусловливает более частую заболеваемость подагрой мужчин.

К основным причинам подагры можно отнести:

1)Нарушение функции почек (увеличение реабсорбции мочевой кислоты в канальцах).

2)Увеличение образования уратов:

а) обусловленное массивным разрушением клеток в результате таких заболеваний как псориаз, рак...

б) нарушением активности ряда ферментов (увеличение активности фосфорибозилпирофосфатсинтазы, частичная потеря активности гуанин-гипоксантин-фосфорибозилтрансферазы).

Лечение заболевания осуществляется аллопуринолом – аналогом пуриновых оснований, который способен тормозить активность ксантиноксидазы и, таким образом, снижать уровень синтеза мочевой кислоты. Применение пробенецид р-дипропилсульфанилбензойной ки-

слоты или производных салициловой кислоты приводит к снижению активности реабсорбции мочевой кислоты и к увеличению ее выведения.

Синдром Леша - Нихена

Заболевание наследуется как сцепленный с Х-хромосомой рецессивный признак (полное отсутствие гуанин-гипоксантин-

фосфорибозилтрансферазы). Характеризуется значительной гиперурикемией, корковым параличом, судорогами, стремлением к членовредительству (больной не чувствует боли и может откусить себе губу, палец). Может наблюдаться образование камней мочевой кислоты. В результате мутации соответствующего гена активность фермента может изменяться незначительно, в этих случаях неврологическая симптоматика отсутствует. Механизмы развития неврологической патологии не выяснены.

Ксантинурия

Для данного заболевания характерно снижение концентрации мочевой кислоты в крови и снижение ее выделения с мочой. В крови накапливаются ксантин и гипоксантин, которые выделяются с мочой в повышенных концентрациях. В тяжелых случаях ксантинурия может привести к образованию ксантиновых камней. Заболевание обусловлено снижением активности фермента ксантиноксидазы (либо при тяжелой патологии печени, либо при врожденном дефекте фермента).

2. Нарушения обмена пиримидинов

Оротацидурия

Известно 2 типа наследственной первичной оратоцидурии. I-тип: Утрачивается функция 2-х ферментов:

287

а) оротат-фосфотидилтрансферазы и

б) оротидилатмонофосфатдекарбоксилазы.

В детском возрасте характерно: отставание в развитии, мегалобластическая анемия и оротацидурия. Больные склонны к инфекциям. Патология во многом определяется недостатком синтезирующегося уридина, поэтому введение его в организм предотвращает развитие ряда симптомов.

II-тип: Связан только с недостаточностью ОМФ-декарбокси-

лазы. У таких пациентов с мочой экскретируется, главным образом, оротидин и небольшое количество оротовой кислоты. При лечении подагры аллопуринолом может отмечаться экскреция оротовой кислоты, что обусловлено фосфорибозилированием аллопуринола и, следовательно, снижением активности фосфорибозилирования оротовой кислоты и, как следствие, ее накоплением. Однако, при длительном применении препарата оротацидурия прекращается, поскольку организм адаптируется к работе в данных условиях.

Лекция 30

БИОСИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ. МАТРИЧНЫЕ СИНТЕЗЫ

Виды переноса генетической информации в клетках

ДНК является хранителем генетической информации. Основной постулат молекулярной биологии отражает направление переноса генетической информации (ДНК РНК Белок). Генетическая информация в клетке переносится:

– От ДНК к ДНК (репликация) передача генетической информации по наследству;

	Репликация
ДНК	ДНК
Прямая и обратная
	скрипц
	РНК
РНК	Трансляция
Трансляция
	Белок
	288

–От ДНК к РНК (транскрипция) и от РНК к белку (трансляция)

предназначены для реализации генетической информации.

–От РНК к РНК – встречается не часто (у ряда вирусов).

–От РНК к ДНК (обратная транскрипция).

–Перенос генетической информации от белка к РНК до настоящего времени не описан.

1.Репликация

1.1.Физико-химические механизмы самовоспроизведения

ДНК

Теоретически возможны 3 различных способа удвоения ДНК:

1.Консервативный – одна образовавшаяся молекула ДНК должна состоять из двух «материнских» цепей. Вторая – из двух вновь синтезированных.

2.Полуконсервативный – образовавшиеся молекулы должны включать одну материнскую и вторую вновь синтезированную дочернюю полинуклеотидную цепь.

3.Смешанный – в обеих молекулах ДНК содержатся участки и родительской и дочерних цепей.

Уотсон и Крик предложили не только модель вторичной струк-

туры ДНК, но и считали, что удвоение ее 1 происходит по полу-

консервативному типу.				+
В 1957 году Метью Ме-				Исходная Вновь образованные молекулы ДНК «Ма
зельсон и		Франклин		кая» Д
Сталь	провели		экспе-	2
римент,		доказавший		Репликация
полуконсервативный
				+
способ		репликации
ДНК.	Они выращивали			Исходная Вновь образованные молекулы ДНК «Материнс-
E.Coli на среде с «тя-				кая	К
желым»			азотом	3.
(15NH4Cl). В результате				Репликация
молекулярная			масса
				+
ДНК	становилась при-
мерно	на	1%	больше	Исходная Вновь образованные м улы ДНК «М	ринс-
обычного. Далее E. Coli				кая» ДНК

переносилась на среду с обычным азотом (14NH4Cl) и методом ультра-

центрифугирования оценивалась ДНК трех поколений E. Coli. Установлено, что в первом поколении образовались молекулы ДНК, имею-

289

щие по одной «тяжелой» и одной «легкой» цепи ДНК. Такие молекулы отличаются от «тяжелых» и поэтому после ультрацентрифугирования определяются на меньшем расстоянии от центра вращения, чем «тяжелые». Во втором поколении – появились полностью «легкие» молекулы ДНК и сохранились «смешанные». Поэтому после ультрацентрифугирования идентифицируются 2 границы разделения фаз ДНК/растворитель. В последующих поколениях количество «легких» ДНК увеличивалось, а количество «смешанных» оставалось неизменным и определялись так же 2 границы разделения фаз ДНК/растворитель.

15NH4Cl	«тяжелая» ДНК при ультрацентрифугировании
	«уходит» на большее расстояние
	При денситометрии Ã 1 пик
14NH4Cl	На среде с «легким» азотом Ã молекулярная масса ДНК
I поколение	меньше, «пройденное» при ультрацентрифугировании
	расстояние меньше.
	При денситометрии Ã 1 пик
II поколение	Появляются полностью «легкие» молекулы ДНК и
	остаются «смешанные». После
	ультрацентрифугирования
	две границы ДНК/растворитель.
	При денситометрии Ã 2 пика.
III поколение	Количество «легких» молекул ДНК возрастает. «Cмешанных»
	Ã прежнее количество.
	При денситометрии Ã 2 пика.
При других типах репликации, отличающихся от полуконсерва-
тивного, картина, полученная при ультрацентрифугировании, отлича-
лась бы от указанной. При консервативном типе уже в первом поколе-
нии должно появится 2 границы ДНК/растворитель. При смешанном –
не должно быть разделения на 2 фракции. Таким образом, был сделан
вывод о том, что ДНК удваивается по полуконсервативному типу.

290

1.2. Механизмы репликации

Репликация ДНК у прокариот и эукариот в общих чертах схожа. Однако, у эукариот этот процесс более сложен и менее изучен. Поэтому в изложении материала будем опираться, в основном, на процессы, происходящие у прокариот.

Репликация условно подразделяется на 3 стадии:

1.Инициация

2.Элонгация

3.Терминация

Инициация. Необходимые компоненты: Инициаторный белок, ДНК-хеликаза, ДНК-гираза, ДНК-стабилизирующий белок (SSB-

белок), полный набор рибонуклеотидов, праймаза, АТФ.

Без SSB-белка	ДНК-хеликаза расплетает
образуются	ДНК.

«шпильки»

SSB-белки

бразованию водородных связей

Инициаторный белок обнаруживает на молекуле ДНК точки начала репликации и связывается с ними. Такие точки встречаются по всей длине молекулы ДНК. Для их функционирования необходима определенная последовательность состоящая из 11 нуклеотидов ((А или Т) ТТТАТ (А или Г) ТТТ (А или Т)). Она получила название консенсусной последовательности. К инициаторному белку присоединяется ДНК-хеликаза. Этот фермент обладает АТФ-азной активностью. Он

разрывает водородные связи между комплементарными нуклеотидами и расплетает ДНК. На разрыв водородных связей одной комплемен-

тарной пары

затрачивается

По всей

Репликационные

Реплика-

энергия 2 АТФ. К каждой из

длине

глазки увеличи-

ционный

освободившихся

цепей

при-

зырь

соединяется SSB-белок.

Он

возникают

ваются и превра-

остоит

репликаци-

щаются в репли-

2-х реп-

препятствует образованию во-

нные глазки

кационные пузы-

ликацион Ã

дородных связей между разде-

ДНК

ри.

ных вилок.

лившимися цепями ДНК и в каждой отдельной цепи препятствует образованию «шпилек». В результате по всей длине ДНК возникают,

вначале репликационные глазки, а затем репликационные пузыри. Реп-

ликационный пузырь состоит из 2-х репликационных вилок.

291