Биохимия пособие Коновалова 2012

Схема распада пуриновых нуклеотидов

(у)- обозначает кислотный протон РКЯ=5,4

Пути регенерации пуриновых нуклеотидов

Существует 2 основных механизма регенерации: 1)Фосфорибозилирование свободных пуриновых оснований.

Осуществляется двумя ферментами:

а) аденинфосфорибозилтрансфераза — переносит фосфорибозилпирофосфат на аденин с образованием АМФ.

б) более активный —гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансфе- раза - фосфорилирует ксантин и гуанин до ИМФ и ГМФ.

2) Фосфорилирование пуриновых нуклеозидов. Катализируется

аденозинкиназой.

281

1.5. Распад пиримидиновых нуклеотидов

Распад пиримидинов осуществляется преимущественно в печени Основными конечными продуктами этого процесса являются (3-аланив и Р-аминоизобутират. Цитозин и урацил разрушаются до Р-аланина, а тимин - до Р-аминоизобутирата. В отличие от катаболизма пуринов образующиеся при распаде пиримидинов продукты хорошо растворимы в воде и могут разрушаться до С02и 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 уве­ личивают амплитуду сокращений утомленных мышц, вероятно регу. лируя pH. В связи с высокой способностью включаться в метаболизм конечные продукты распада пиримидинов в свободном виде обнару­ живаются в малых количествах.

	NH,				О
	N'"			HN			сн.
ОА N			оА.
	| [Цитозин
	Н		НАДФН®
	+ ЧЧН3		НАДФ^о
	О						'
	HN	соон
о	Л^ |]у ранил
	N
	н	Д ? 2 Ч ^ И р - у р г и д о -			Н		Н тим”нР°
	ФН2	JJU—Д П П П П И О Н Я Т
НАДФ		р-Аланин	P-			, oo
	N				xt
	Ч						СНз
		У 2°			N H 2		Н
	н[о	c ° 2n h ,					A C 11
		NH3		°		и
	Н	N H j— CHJ -C H J -COOH					H
				уреидоизооутират
	Н Н		Н2°Ч
Дигидроурацнл

/ COJ+NHJ

N H 2— с н г- с н —СООН

Р-аминоизо^?ират

Схема распада пиримидиновых нуклеотидов

282

Пути регенерации пиримидиновых нуклеотидов

Цз образовавшихся пиримидиновых оснований в организме млепцтающих не могут синтезироваться нуклеозиды и нуклеотиды, единственная возможность вновь синтезировать нуклеотиды —это фос-

форилир°вание Ряда нуклеозидов:

	АТФГ	АДФ
1) Уридин-цвтндивкнназа: урвдвв		НИМФ
	АТФ АДФ
	цвтвдвв —	—>- ЦМФ
	АТФ	АДФ
2) Тимндивкнназа:	твмвдвв—	— ►ТМФ
		АТФГ	АДФ
^ Дезокснцнтнднвквваза:	дезокевцвтвдвв — ^		— М Ц М Ф

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.

ПФП —пентозофосфатнын путь

Инозиновая кислота

Происхождение атомов пуринового кольца: 3 и 9 атомы —из глутамина,

6 - со2,

2 - М10-формил-ТГФК, 8- К5,Ы10-метилен-ТТФК,

283

4,5,7 —глицин, 1 - аспартат.

Пуриновые нуклеотиды широко представлены в различных био­ химических процессах (обмен белков, энергетический обмен...). На­ рушение их синтеза приводит к развитию заболеваний. Знание источ­ ников, составляющих пуриновый скелет, позволит корректировать те­ чение ряда патологических состояний. Так, нарушение поступления фолиевой кислоты или синтеза ее производных может привести к раз­ витию анемии. Назначение фолиевой кислоты или улучшение продук­ ции ее производных позволяет устранить указанное заболевание.

Гидролиз АМФ ингибируется ГТФ, а восстановительное дезами­ нирование ГМФ ингибируется АТФ.

Синтез ГМФ и АМФ

Синтез осуществляется из единого предшественника - инозиновой кислоты (ИМФ). АМФ синтезируется в 2 этапа при участии фер­ мента аденилосукцинатсинтаза (1), с затратой энергии ГТФ и исполь­ зованием аспартата. Процесс происходит через стадию образования аденилосукцината. Отщепление фумарата от аденилосукцината ката­ лизирует фермент аденилосукциназа (2). ГМФ синтезируется так же в 2 стадии. В первой реакции при участии НАД+ и Н20 ИМФдегидрогеназа (3) окисляет ИМФ с образованием ксантинмонофосфата. На втором этапе, с затратой энергии АТФ, происходит аминирование ксантинмонофосфата.

Схема синтеза ГМФ и АМФ

284

		2.2. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов
			N H 2			СОО'			СОО'
СОг+ Глн + 2А ТоД ^ С =0					+	с н 2 -Щ-—			1ун2^ н 2 (ЗХн.
				р о 3 н 2 H2N		JCH		к*.	^ о о -
							СОО'		Карбамоил-
		Карбамоилфосфат			Аспартат
									аспартат
	О			О			о		О
		Of НАДН2		Ц ФРПФ		Рн	Ц	С 0 2	JL
О	«	СОО'	OX'^ N		COO	OX- ^ N		СОО’ сХХ° N
	5	(4)		Х ( 5 )				J u 6>
	Н		Л	Н		Рибозо-5-фосфат Рибозо-5-фосфат
Дигвдрооротовая			Оротоваи
	кислота					Оратидилобаяки-			умф
							|(7 )
6УМФ <,-(11)			-аудф-		Д Ш -		УДФ
(12)	,^1Ч5,ГЧ10-Мегилен-ТГФК						1 (8)
					лн		УТФ
	^ДГФК		ХГФК-^		АТ<Ч ( 9 )
	О
1	л

С Г^>ГТМ Ф арибозо1 б-фосфат

В отличие от синтеза пуринов, синтез пиримидиновых нуклеоти­ дов начинается с построения азотистого основания и лишь затем про­ исходит присоединение фосфорибозилпирофосфата. Синтез начинает­ ся реакцией, катализируемой цитозольной карбомоилфосфатсинтазой

(1). Следующая реакция в этом ряду катализируется аспартаткарбамоилтрансферазой (2) и является ключевой. Последующие реакции осуществляют ферменты; дигидрооротаза(3) - обеспечивает синтез дигидрооротовой кислоты, дигидрооротатдегидрогеназа (4) - с участием ЧАД окисленного катализирует окисление дигидрооротовой кислоты До оротовой кислоты. Оротатфосфорибозилтрансфераза (5) - присое­ диняет к оротовой кислоте фосфорибозилпирофосфат (поставляется иентозофосфатным путем). Декарбоксилаза оротидиловой кислоты (6)

285

—завершает синтез первого пиримидинового нуклеотида - УМф. gCe ферменты, обеспечивающие синтез УМФ, располагаются в Цитозоде Исключение составляет дигидрооротатдегидрогеназа, которая локаци зуется в митохондриях. Из УМФ синтезируются остальные пиримищ,' новые нуклеотиды (реакции 7-12).

Регуляция синтеза пиримидиновых нуклеотидов осуществляется по принципу отрицательной обратной связи. Избыток тимина ингибц. рует рибонуклеотидредуктазу (10), а ЦТФ ингибирует ключевой фер. мент синтеза пиримидиновых нуклеотидов - аспартаткарбомоцд. трансферазу (2).

Образование тимидиловой кислоты требует участия тетрагидро, фолиевой кислоты (как источника одноуглеродного фрагмента). В ходе переноса метальной группы на <ЗУМФ и образования ТМФ тетрагид. рофолиевая кислота окисляется и преобразуется в дигидрофолиевую кислоту. Для дальнейшего использования фолиевой кислоты ее необ­ ходимо 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 пиримидино­ вых нуклеотидов —оротата калия стимулирует обмен нуклеиновых ки­ слот 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 заболе­ ваемости среди мужчин выше, чем среди женщин. Заболевание харак­ теризуется 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 Фа' гоцитируются полиморфно-ядерными лейкоцитами и способствуют разрушению лизосом и истечению их содержимого в цитоплазму- Структура клетки изменяется и клетка погибает. Многократное повт°^ рение этого процесса приводит к развитию воспаления, характер1* зующегося сильными болевыми приступами. Стабильность л030®0 мальных мембран увеличивается кортикостероидами и эстрогенами

286

юкается тестостероном. Это, вероятно, обусловливает более частую Саб0леваемость подагрой мужчин.

3К 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 активно­ сти 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 ки­ слоты. Применение пробенецид р-дипропилсульфанилбензойной ки­ слоты или производных салициловой кислоты приводит к снижению активности реабсорбции мочевой кислоты и к увеличению ее выведе­

ния.

Синдром Леша - Нихена

Заболевание наследуется как сцепленный с Х-хромосомой рецес­ сивный признак (полное отсутствие гуанин-гипоксантин- фосфорибозилтрансферазы). Характеризуется значительной гиперурикемией, корковым параличом, судорогами, стремлением к членовреди­ тельству (больной не чувствует боли и может откусить себе губу, па­ лец...). Может наблюдаться образование камней мочевой кислоты. В результате мутации соответствующего гена активность фермента мо­ жет изменяться незначительно, в этих случаях неврологическая сим­ птоматика отсутствует. Механизмы развития неврологической патоло­ гии 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 обусловле- н° снижением активности фермента ксантиноксидазы (либо при тяже­ лой патологии печени, либо при врожденном дефекте фермента).

2. Нарушения обмена пиримидинов

Оротацидурия

Известно 2типа наследственной первичной оратоцидурии. 1-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 ря­ да симптомов.

11-тип: Связан только с недостаточностью ОМФ-декарбокси- лазы. У таких пациентов с мочой экскретируется, главным образом, оротидин и небольшое количество оротовой кислоты. При лечении по­ дагры аллопуринолом может отмечаться экскреция оротовой кислоты, что обусловлено фосфорибозилированием аллопуринола и, следова­ тельно, снижением активности фосфорибозилирования оротовой ки­ слоты и, как следствие, ее накоплением. Однако, при длительном при­ менении 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 гене­ тической информации (ДНК -э РНК -> Белок). Генетическая информа­ ция в клетке переносится:

- От ДНК к ДНК (репликация) передача генетической информа­ ции по наследству;

288

-От ДНК к РНК (транскрипция) и от РНК к белку (трансляция) „оедназначены 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 настоя­

щего 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 долж­ на состоять из двух «материнских» цепей. Вторая —из двух вновь син­ тезированных.

2.Полуконсервативный — образовавшиеся молекулы должны включать одну материнскую и вторую вновь синтезированную дочер­ нюю 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 счита­ ли, что удвоение ее происходит по полуконсервативному типу. В 1957 году Метью Мезельсон и Франклин Сталь провели экспе­ римент, доказавший полуконсервативный способ репликации ДНК. Они выращивали E.Coli на среде с «тя­ желым» азотом (15NH4C1). В результате молекулярная масса ДНК становилась при­ мерно на 1% больше обычного. Далее Е. Coli

переносилась на среду с обычным азотом (14NH4C1) и методом ультрацентрифугирования оценивалась ДНК трех поколений Е. Coli. Уста­ новлено, что в первом поколении образовались молекулы ДНК, имею-

X

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 «тяже­ лые». Во втором поколении —появились полностью «легкие» молеку­ лы ДНК и сохранились «смешанные». Поэтому после ультрацентрифу­ гирования идентифицируются 2 границы разделения фаз ДНК/растворитель. В последующих поколениях количество «легких» ДНК увеличивалось, а количество «смешанных» оставалось неизмен­ ным и определялись так же 2 границы разделения фаз ДНК/растворитель.

“NH^ I	«тяжелая» ДНК при ультрацентрнфугнрованвн
	«уходит» на большее расстояние
	При денситометрни —1 пик
‘^NHUCl	На среде с «легким» азотом - молекулярная масса ДНК
I поколение	меньше, «пройденное» при ультрацеятрифугированни
	расстояние меньше.	[	Ц	"	j
	Прн денснтометрнн - 1 пнк		А

II поколение

X у

РV» о .

Появляются полностью «легкие» молекулы ДНК в

остаются «смешанные». После	--------------------- —
ультрацентрнфугнроваяяя	|______| _______Д

две границы ДНК/растворнтель. Прн девснтометрии —2 пика.

III поколение	Количество «легких» молекул ДНК возрастает. «Смешанных»
у	—прежнее количество.

Лд'ЛХ	О С
	При денситометрии —2 пика.
	JLJV

При других типах репликации, отличающихся от полуконсервативного, 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 еде вывод о том, что ДНК удваивается по полуконсервативному типу-

290