Метаболизм нуклеиновых кислот.

Метаболизм нуклеиновых кислот. 1. Обмен нуклеиновых кислот 2. Распад нуклеотидов 3. распад пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. 4. Синтез нуклеотидов. Обмен нуклеиновых кислот.  Изучение обмена нуклеиновых кислот имеет большое значение. Это имеет важное значение для глубокого понимания процессов жизнедеятельности организмов.  Исследование   молекулярных   механизмов   биосинтеза   пуриновых   и   пиримидиновых оснований позволило открыть ряд важнейших закономерностей в регуляции новообразования этих соединений и сформулировать общие принципы регуляции обмена веществ.  Раскрытие   механизма   специфического   биосинтеза   молекул   полинуклеотидов,   при осуществлении   обеспечивается   порядок   чередования   мононуклеотидных   звеньев,   их составляющих,   привело   к   признанию   ведущей   роли   в   этом   процессе   взаимодействия комплементарных   пуриновых   и   пиримидиновых   оснований.   Это,   в   свою   очередь,   дало возможность   впервые   понять   механизм   обеспечения   специфического   воспроизведения первичной структуры макромолекул при их биосинтезе. Данные о регуляции новообразования нуклеиновых кислот привели к фундаментальным открытиям, позволяющим сделать первые шаги   к   объяснению   закономерностей   не   только   воспроизведения   специфических макромолекул, но также и морфогенеза. Распад   нуклеиновых   кислот   в   организме   идет   достаточно   интенсивно.   (период полужизни молекул ДНК в тканях мыши составляет  от 1 до 5 суток; период полужизни большинства мРНК у эукариот — несколько суток, а у прокариот — несколько секунд). Нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК) распадаются в организме при посредстве особых ферментов — нуклеаз. Они ускоряют реакцию разрыва межнуклеотидных фосфодиэфирных связей в молекулах нуклеиновых кислот и принадлежат, к классу ферментов гидролаз — фосфодиэстераз. Нуклеазы, действующие на внутренние межнуклеотидные связи в молекулах ДНК и РНК, называются эндонуклеазами.  При   их   участии   осуществляется   деполимеризация   нуклеиновых   кислот   до олигонуклеотидов.  Нуклеазы, ускоряющие реакции последовательного отщепления нуклеотидов от РНК, ДНК   или   их   фрагментов,   начиная   с   конца   полинуклеотидной   цепи,   называют экзонуклеазами. Они обеспечивают распад нуклеиновых кислот до свободных нуклеотидов. В зависимости от специфичности действия среди нуклеаз различают рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы.   Первые   ускоряют   реакции   распада   как   внутренних,   так   и   внешних (концевых)   межнуклеотидных   связей   в   молекулах   РНК.   Вторые   выполняют   такую   же функцию   по   отношению   к   ДНК.   Существует   большая   группа   неспецифических   эндо­   и экзонуклеаз, действующих одновременно и на РНК, и на ДНК. По характеру действия на фосфодиэфирные связи в молекулах нуклеиновых кислот нуклеазы делят на две категории. Одни из них ускоряют реакцию гидролиза сложноэфирной связи   межнуклеозидного   фосфата   с   3'­углеродным   атомом   остатка   рибозы   или дезоксирибозы,   а   другие   —   с   5'­углеродным   атомом.   Поэтому   в   названиях   указанных ферментов всегда подчеркивается, гидролиз какой из связей ускоряет данная нуклеаза.  Нуклеазы, расщепляющие связь Ф — 5'С, называются З'­нуклеазами, а расщепляющие связь Р — З'С именуют 5'­нуклеазамн. Под воздействием рибонуклеазы происходит разрыв: 1 Распад нуклеотидов. В результате гидролиза нуклеиновых кислот получается смесь нуклеотидов   3’   или   5’   фосфатов.   Под   действием   фермента   3’   фосфатнуклеотидазы, происходит отщепление остатка фосфорной кислоты: На втором этапе рибоза может быть перенесена на фосфорную кислоту под действием рибозилтрансферазы: В результате такого распада нуклеозидфосфатов выделяются в свободном состоянии рибозо­1­фосфат  и   все   виды   пуриновых   и   пиримидиновых   оснований,   участвующих   в построении нуклеиновых кислот.  Возможны другие пути распада нуклеозидов, например: 2 Далее углевод и азотистые основания видоизменяются.  Рибоза и рибозо­1­фосфат включаются в реакции обмена, характерные для углеводов. Пуриновые   и   пиримидиновые   основания   претерпевают   дальнейший   распад   и превращаются  в  те  или   иные  простейшие  азотсодержащие  продукты,   которые  далее  либо выводятся из организма, либо откладываются в нем. Синтез   нуклеиновых   кислот     в   клетке   осуществляется   в   процессах   репликации   и транскрипции  (см. лекцию 7,8) Распад пуриновых и пиримидиновых оснований. Первая фаза распада пуриновых и пиримидиновых  оснований  заключается в дезаминировании  тех из  них, которые обладают аминогруппами. Этот процесс осуществляется при посредстве специфических аминогидролаз. В результате аденин превращается в гипоксантин: Дальнейшая судьба дезаминированных пуриновых оснований различна. Гипоксантин и ксантин окисляются в мочевую кислоту: Реакция   окисления   гипоксантина   в   ксантин,   а   последнего   ­   в   мочевую   кислоту ускоряется   ксантиноксидазой   ­   оксидоредуктазой   с   широким   спектром   действия, представляющей собой молибденсодержащий флавопротеин. У ряда животных (человекообразные обезьяны, птицы, рептилии, тутовый шелкопряд) и человека конечным продуктом распада пуриновых оснований является   мочевая кислота, которая и выводится из организма.  У   большинства   животных   и   растений   есть   ферменты   и   ферментные   системы, способные ускорять реакции дальнейшего распада мочевой кислоты. От названия мочевой кислоты acidum uricum и по характеру действия, выражающемуся в расщеплении (лизисе) ее, эти   ферменты   получили   наименование   ферментов  уриколиза.  В   одних   случаях (млекопитающие, насекомые) уриколиз сводится к окислению мочевой кислоты в аллантоин; 3 в других (костистые рыбы)— аллантоин превращается в аллантоиновую кислоту, а последняя (амфибии, большинство растений) распадается на мочевину и глиоксиловую кислоту: Распад   пиримидиновых   оснований.  В   отличие   от   гипоксантина   и   ксантина дезаминированные   пиримидиновые   основания   подвергаются   восстановлению.   Так,   урацил переходит   в   дигидроурацил;   донором   атомов   Н   в   этой   реакции   служит   НАДН.   В   свою очередь,   дигидроурацил   претерпевает   гидролиз   и   превращается   в  N­карбамил­ ­аланин, который   далее   гидролизуется   до     ­аланина   и   карбаминовой   кислоты.   Последняя   либо используется   для   синтеза   мочевины,   либо   распадается   до   С02  и  NH3.   Все   перечисленные реакции ускоряются соответствующими ферментами: β β Карбаминовая  кислота и     являются конечными продуктами распада двух пиримидиновых оснований ­ У и Ц. В случае Т, распадающегося по такой же схеме, вместо β ­аланина образуется  β  ­аминоизомасляная кислота. β  ­аланин Синтез   пуриновых   и   пиримидиновых   оснований.    Общие   закономернорности синтеза: 1)   широкое   использование  гли,   асн  и  глн  в   качестве  источников  азота гетероциклических колец;  2) включение  в  состав пуриновых и пиримидиновых циклов атомов  углерода из С02  и формиата;  3) построение пуринового основания и завершение синтеза пиримидинового основания на рибозо­5­фосфате, в результате чего конечными продуктами биосинтеза являются нуклеозид­5'­ фосфаты, а не свободные А, Г, У, Ц и Т;  4 4) ферментативный характер всех реакций, осуществляющихся в процессе новообразования нуклеотидов;  5) возникновение на определенном этапе биосинтеза предшественников, из которых потом формируются уже индивидуальные нуклеозид­5'­фосфаты. Механизм   биосинтеза   пиримидиновых   основании.  Подготовительной   реакцией, открывающей этот синтез, является реакция образования карбамилфосфата из  NH3  и СО2  при участии АТФ: При   участии   специфического   фермента   остаток   карбаминовой  кислоты   (карбамил) переносится на аминогруппу аспарагиновой кислоты с образованием карбамиласпарагиновой кислоты.   Эта   реакцию   является  первой   специфической   реакцией  в   синтезе   пиримидиновых нуклеотидов: При   сближении  NH2­   и  СООН­групп  в   молекуле   карбамиласпарагиновой   кислоты между ними осуществляется взаимодействие с выделением молекул воды.  Эта   реакция   катализируется   ферментом   из   класса   гидролаз   ­  дигидрооротазой, названной   так   от   дигидрооротовой   кислоты,   гидролиз   которой   она   ускоряет   вследствие обратимости данной реакции: Дигидрооротовая   кислота   ферментативно  окисляется.   Снятие   двух   атомов  Н осуществляется первичной дегидрогеназой либо с НАД+  или НАДФ+, либо  с ФАД в качестве кофермента: 5 В молекуле оротовой кислоты, уже предобразована структура одного из пиримидиновых оснований   ­   урацила.   Оротовая   кислота   соединяется   с   рибозой,  образуя   нуклеозид.  Уравнения реакций, приводящих к синтезу оротидин­5'­фосфата Последнее преобразование состоит в декарбоксилировании оротидин­5'­фосфата: В   результате   возникает   один   из   пиримидиновых   нуклеотидов—уридин­5'­фосфат. Уридин­5'­фосфат занимает центральное место в биосинтезе пиримидиновых  нуклеотидов, так как далее может превращаться в другие пиримидиновые нуклеотиды в соответствии со следующей схемой: 6 Пути превращения пиримидиновых нуклеотидов Формирование пуринового кольца сразу идет на рибозо­5­фосфате В   присутствии   АТФ   при   участии   специфической   лигазы   (аминосинтетаза)  к   5­ фосфорибозиламину присоединяется глицин, причем возникает пептидная связь: 7 Схема, включающая главные этапы синтеза: Из   приведенной   схемы   ясно,   что   1­й   атом   азота   пуринового   цикла   ведет  свое происхождение от аспарагиновой кислоты, 3­й и 9­й ­ от глутамина,  а 7­й ­ от глицина. Что касается происхождения  атомов углерода  пуринового  кольца,  то  видно,  что  источниками   их явились формиат (2­й и 8­й атомы углерода), глицин (4­й и 5­й) и СО2 (6­й атом). Химические уравнения, приведенные на схеме 2, показывают детали включения тех или иных атомов N и С из состава перечисленных соединений в пуриновую часть нуклеотида в процессе его биосинтеза. Пиримидиновое   кольцо   пиримидиновых   нуклеотидов   синтезируется   в   организме   из аналогичных соединений: NH3, CО2 и аспарагиновой кислоты.  Таким образом, исходные вещества для биосинтеза пуриновых и пиримидиновых оснований всегда присутствуют в организме: ­ аммиак, формильная группа и оксид углерода (IV) образуются в процессе  деструкции разнообразных органических соединений или поступают в организм извне; глутаминовая и аспарагиновая кислоты и их амиды представляют первичные в большом объеме   синтезируемые   аминокислоты,   что   имеет   большое   значение   для   обеспечения беспрепятственного синтеза этих важнейших для организма соединений. 8