Обмен нуклеиновых кислот

                  ХИМИЯ И ОБМЕН  НУКЛЕИНОВЫХ  КИСЛОТ 

      Нуклеиновые кислоты встречаются в организме  не в свободном виде, а в составе  нуклеопротеинов.

      Молекулы  нуклеиновых кислот заряжены отрицательно. Белковые компоненты нуклеопротеинов - положительно, потому что в них  много аргинина и лизина. Связи между нуклеиновыми кислотами и белками - ионные.

      Нуклеиновые кислоты - гетерополимеры, их мономерами являются мононуклеотиды. Мононуклеотид  состоит из азотистого основания+рибоза у РНК (или дезоксирибоза у  ДНК) - вместе они составляют нуклеозид,  и остатка фосфорной кислоты.

НОМЕНКЛАТУРА  НУКЛЕОТИДОВ

 
 

ТМФ встречается  только в ДНК, а УМФ - только в РНК.

      В составе нуклеиновых кислот мононуклеотиды связаны 3’,5’-диэфирными связями между  рибозами (d-рибозами) соседних мононуклеотидов через остаток фосфорной кислоты.

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ.

      1. ДНК: хранение генетической информации.

      2. РНК:

а) хранение генетической информации у некоторых  вирусов;

б) реализация генетической информации: и-РНК (м-РНК) - информационная (матричная), т-РНК (транспортная), р-РНК (рибосомальная)

в) некоторые  молекулы РНК способны катализировать реакции гидролиза 3’,5’-фосфодиэфирной связи в самой молекуле РНК. Такие  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).

      Синтез  АТФ из АДФ происходит двумя способами: окислительное и субстратное  фосфорилирование, синтез любых других нуклеотидтрифосфатов (НТФ) из дифосфатных форм - через АТФ:

НМФ + АТФ <-----> НДФ + АДФ 

 Фермент:  нуклеотидмонофосфокиназа

НДФ + АТФ <-----> НТФ + АДФ

 Фермент:  нуклеотиддифосфокиназа

      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).

      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. 

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. 

      Далее пентозы могут быть утилизированы  во II-м этапе ГМФ-пути. 

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. 

 

            КАТАБОЛИЗМ ПИРИМИДИНОВЫХ  АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ

      Возможны несколько вариантов катаболизма. Разберем более простой вариант.

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.

 

      Бета-аланин  обычно разрушается до CO₂, H₂O и NH₃, но частично может использоваться для синтеза пептидов карнозина и ансерина в мышечной ткани и для синтеза КоА. Конечным продуктов    распада    пиримидиновых азотистых оснований можно считать и мочевину, которая   образуется   из  аммиака  по  известному механизму, изложенному в лекциях по обмену белков. 
 
 

      Тимин распадается    подобно    урацилу,    но    вместо бета-аланина образуется бета-аминоизобутират (альфа-метил-бета-аланин).

      Бета-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).

 
 

      Такой путь распада характерен для человека. Мочевая кислота образуется еще  у обезьян, ящериц, змей и долматской собаки.

      При наследственном дефиците фермента аденозиндезаминазы наблюдается синдром врожденного иммунодефицита.

      Мочевая кислота выводится из организма  с мочой - это обычный ее компонент, но в почках организма человека происходит ее интенсивная реабсорбция и  концентрация мочевой кислоты в крови поддерживается на постоянном уровне 0.12-0.30 ммоль/л.

            Функции мочевой кислоты  в крови:

      1. Является мощным стимулятором  центральной нервной системы  - ингибирует фосфодиэстеразу цАМФ (посредник действия гормонов  адреналина и норадреналина). Мочевая кислота пролонгирует (продлевает) действие этих гормонов на ЦНС.

      2. Обладает антиоксидантными свойствами.

      В организме  мочевая  кислота  находится  в  основном  в лактимной форме.

      Гуанин  также превращается  в  мочевую  кислоту,  но  под действием гуаназы  сразу  образуется  ксантин,  поскольку в  6-м положении в кольце гуанина находится оксигруппа.

      За 1 сутки в организме образуется около 1 грамма мочевой кислоты. Сама мочевая кислота и ее соли ураты (натриевые соли мочевой кислоты) плохо растворимы в воде и могут выпадать в осадок и откладываться в сосудах. Осадок уратов фагоцитируется макрофагами, которые погибают, и при этом освобождаются гидролитические ферменты, действие этих ферментов на окружающие ткани приводит к воспалению. Даже незначительное повышение  концентрации  уратов  или  мочевой кислоты приводит к образованию осадков. Такие явления наблюдаются при генетически обусловленном повышении содержания мочевой кислоты в крови. Это  ведет к развитию заболеваний -  МОЧЕКАМЕННОЙ БОЛЕЗНИ (при отложении кристаллов в почечной лоханке или в мочевом пузыре) и ПОДАГРЫ (при отложении солей мочевой кислоты в суставах).

      При лечении подагры используются ингибиторы фермента ксантиноксидазы, потому что  гипоксантин лучше растворим  в воде; соли лития, так как ураты лития лучше растворимы в воде: чем ураты натрия. Используется также диетическое питание, исключающее продукты, богатые нуклеиновыми кислотами, пуринами и их аналогами: икра рыб, мясо, кофе и чай.         

АНАБОЛИЗМ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

      Нуклеиновые кислоты (НК) являются полимерами. Поэтому их синтез представляет собой цепочку реакций полимеризации мононуклеотидов. В ходе этих реакций идет постепенное удлинение полинуклеотида.

      Субстратами для синтеза являются мононуклеотиды в трифосфатной форме - нуклеозидтрифосфаты (НТФ).

НТФ + НK_n -------> HК_n+1 + ФФ

      Образующийся  пирофосфат (ФФ) разрушается пирофосфатазой.

      В синтезе РНК в качестве НТФ  используются АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ. Для  синтеза ДНК - dАТФ, dГТФ, dЦТФ, ТТФ (всегда синтезируется с дезоксирибозой).

      Синтез  идет в направлении 5'--->3'.

      Синтез  НК - это матричный процесс, порядок  присоединения мононуклеотидов  определяется строением материнской  НК.

      Фермнты синтеза НК называются полимеразами. Полимеразы относятся к классу синтетаз. Их биосинтез контролируют сами субстраты - НК.

      В организме человека встречаются  следующие полимеразы:

      ДНК-ПОЛИМЕРАЗЫ:

  - альфа-полимеразы отвечают за синтез основной цепи;

      - бета-полимеразы устраняют дефекты,  возникающие при  синтезе ДНК;

      - гамма-полимеразы - митохондриальные ферменты. 

      РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ:

      I - участвуют в синтезе рибосомальной РНК(рРНК);

      II - участвуют в синтезе информационной (матричной) РНК(иРНК,    мРНК);

      III - участвуют в синтезе транспортной РНК (тРНК). 

      Ингибитором РНК-полимеразы-II является пептид L-амонитин. Встречается в ядовитых грибах Amonyta(бледная поганка).

      Синтез  ДНК называется репликацией. Направление фосфодиэфирных связей одной из синтезируемых полинуклеотидных цепей ДНК совпадает с направлением синтеза (5'--->3'), поэтому она синтезируется непрерывно и сразу целиком. А у другой - не совпадает (3'--->5'). Поэтому она синтезируется частями. Эти части  называются "фрагменты Оказаки". Синтезировать фрагменты Оказаки de novo (с нуля) ДНК-полимеразы не могут, поэтому для синтеза каждого фрагмента нужна "затравка" - праймер. Праймер - это кусочек цепи РНК. Синтез праймеров катализируют специальные ферменты - праймазы (это один из вариантов РНК-полимераз). Синтез РНК происходит на определенных участках молекулы ДНК и называется транскрипцией. В цепи ДНК существуют специальные участки: промоторы, которые указывают на начало транскрипции и терминаторы, указывающие на конец транскрипции. При транскрипции образуется высокомолекулярный предшественник РНК - первичный транскрипт. Затем здесь же, в ядре клетки, идет постсинтетическая модификация РНК - сплайсинг. Этот процесс катализируют ферменты эндонуклеазы - из первичного транскрипта вырезаются интроны. Оставшиеся экзоны сшиваются РНК-лигазами. Далее к 5'-концу молекулы РНК присоединяется 7-метил-ГТФ (КЭП-фрагмент) - этот процесс называется "кэпирование". К 3'-концу присоединяется полиадениловый "хвост" (полиАМФ) - реакцию катализирует полиаденилатполимераза.