82. Нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты составляют существенную небелковую часть сложного класса органических веществ, получивших название нуклеопротеинов); последние являются основой наследственного аппарата клетки хромосом. Белковые компоненты нуклеопротеинов подвергаются многообразным превращениям, аналогичным метаболизму белков и продуктов их распада – аминокислот, подробно рассмотренному в главе 12. О нуклеиновых кислотах, их структуре и функциях в живых организмах в последнее время накоплен огромный фактический материал, подробно рассмотренный в ряде специальных руководств и монографий. Помимо уникальной роли нуклеиновых кислот в хранении и реализации наслед-

ственной информации, промежуточные продукты их обмена, в частности моно-, ди- и трифосфатнуклеозиды, выполняют важные регуляторные функции, контролируя биоэнергетику клетки и скорость метаболических процессов. В то же время нуклеиновые кислоты не являются незаменимыми пищевыми факторами и не играют существенной роли в качестве энер-

гетического материала. Далее детально рассматриваются (помимо краткого изложения вопросов переваривания) проблемы метаболизма нуклеиновых кислот и их производных, в частности пути биосинтеза и распада пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, современные представления о биогенезе ДНК и РНК и их роли в синтезе белка. Переваривание нуклеопротеинов и всасывание продуктов их распада осуществляются в пищеварительном тракте. Под влиянием ферментов желудка, частично соляной кислоты, нуклеопротеины пищи распадаются на полипептиды и нуклеиновые кислоты; первые в кишечнике подвергаются

гидролитическому расщеплению до свободных аминокислот. Распад нуклеиновых кислот происходит в тонкой кишке в основном гидролитическим путем под действием ДНК- и РНКазы панкреатического сока. Продуктами реакции при действии РНКазы являются пуриновые и пиримидиновые мононуклеотиды, смесь ди- и тринуклеотидов и резистентные к действию РНКазы олигонуклеотиды. В результате действия ДНКазы образуются в основном динуклеотиды, олигонуклеотиды и небольшое количество мононуклеотидов. Полный гидролиз нуклеиновых кислот до

стадии мононуклеотидов осуществляется, очевидно, другими, менее изученными ферментами (фосфодиэстеразами) слизистой оболочки кишечника. В отношении дальнейшей судьбы мононуклеотидов существует два предположения. Считают, что мононуклеотиды в кишечнике под действием неспецифических фосфатаз (кислой и щелочной), которые гидролизируют фосфоэфирную связь мононуклеотида (≪нуклеотидазное≫ действие), расщепляются с образованием нуклеозидов и фосфорной кислоты и в таком

виде всасываются. Согласно второму предположению, мононуклеотиды всасываются, а распад их происходит в клетках слизистой оболочки кишечника. Имеются также доказательства существования в стенке кишечника нуклеотидаз, катализирующих гидролитический распад мононуклеотидов. Дальнейший распад образовавшихся нуклеозидов осуществляется внутри клеток слизистой оболочки преимущественно фосфоролитическим, а не гидролитическим путем *. Всасываются преимущественно нуклеозиды, и в таком виде часть азотистых оснований может быть использована для синтеза нуклеиновых кислот организма. Если происходит дальнейший распад нуклеозидов до свободных пуриновых и пиримидиновых оснований, то гуанин не используется для синтетических целей. Другие основания, как показывают опыты с меченными по азоту аденином и урацилом, в тканях могут

включаться в состав нуклеиновых кислот. Однако экспериментальные данные свидетельствуют, что биосинтез азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот органов и тканей, протекает преимущественно, если не целиком, de novo из низкомолекулярных азотистых и без-

азотистых предшественников.

В больг=ницу доставлен 2 летний реб.Фенилкетонурия.

Фенилаланин относится к незаменимым аминокислотам, поскольку ткани

животных не обладают способностью синтезировать его бензольное кольцо. В то же время тирозин полностью заменим при достаточном поступлении фенилаланина с пищей. Объясняется это тем, что основной путь

превращения фенилаланина начинается с его окисления (точнее, гидрокси- лирования) в тирозин (рис. 12.6). Реакция гидроксилирования катали- зируется специфической фенилаланин-4-монооксигеназой, которая в качестве кофермента содержит, как все другие гидроксилазы, тетрагидробиоптерин. Блокирование этой реакции, наблюдаемое при нарушении

синтеза фенилаланин-4-монооксигеназы в печени, приводит к развитию тяжелой наследственной болезни – фенилкетонурии (фенилпировиноградная олигофрения). Фенилкетонурия (фенилпировиноградная олигофрения) развивается как результат потери способности организма синтезировать фенилаланин-4-монооксигеназу, катализирующую превращение фенилаланина в тирозин. Характерные особенности болезни – резкое замедление умственного раз-

вития ребенка, а также экскреция с мочой больших количеств фенил- пировиноградной кислоты (до 1–2 г/сут) и фенилацетилглутамина (до 2–3 г/сут). Решающим доказательством метаболического блока при фенил-

кетонурии являются данные о накоплении фенилаланина в тканях. Так, количество его в крови может достигать 600 мг/л (в норме 15 мг/л), в цереброспинальной жидкости – 80 мг/л (в норме 1,5 мг/л). Развитие болезни можно предотвратить, если значител

в клинаку поступил 6 месяч.ребенок.

Галактоза. Основным источником галактозы является лактоза пищи, которая в пищеварительном тракте расщепляется до галактозы и глюкозы Обмен галактозы начинается с превращения ее в галактозо-1-фосфат. Эта реакция катализируется галактокиназой с участием АТФ: В следующей реакции в присутствии УДФ-глюкозы фермент гексо- зо-1 фосфатуридилилтрансфераза катализирует превращение галактозо-1- фосфата в глюкозо-1-фосфат, одновременно образуется уридиндифосфат- галактоза (УДФ-галактоза):

Образовавшийся глюкозо-1-фосфат в дальнейшем либо переходит в глюкозо-6-фосфат и далее подвергается уже известным превращениям, Галактоза В следующей реакции в присутствии УДФ-глюкозы фермент гексо-

зо-1-фосфатуридилилтрансфераза катализирует превращение галактозо-1- фосфата в глюкозо-1-фосфат, одновременно образуется уридиндифосфат- галактоза (УДФ-галактоза) Затем УДФ-глюкоза-пирофосфорилаза катализирует расщепление УДФ-глюкозы с образованием глюкозо-1-фосфата: О дальнейших превращениях глюкозо-1-фосфата см. ранее.

Одно из патологических состояний, возникающих в результате на- рушения обмена углеводов,– это рецессивно наследуемое заболевание галактоземия. При этом заболевании общее содержание моносахаридов в крови повышается главным образом за счет уровня галактозы, достигая 11,1–16,6 ммоль/л. Концентрация глюкозы в крови существенно не изменяется. Кроме галактозы, в крови накапливается также галактозо-1-фос-

фат. Галактоземия приводит к умственной отсталости и катаракте хрусталика. Возникновение данной болезни уноворожденных связано с недостатком фермента гексозо-1-фосфатуридилилтрансферазы. С возрастом наблюдается ослабление этого специфического нарушения обмена углеводов.

Эффект Пастера

Снижение скорости потребления глюкозы и прекращение накопления лак-

тата в присутствии кислорода носит название эффекта Пастера. Впервые

это явление наблюдал Л. Пастер во время своих широко известных иссле-

дований роли брожения в производстве вина. В дальнейшем было показано,

что эффект Пастера наблюдается также в животных и растительных тканях,

где кислород тормозит анаэробный гликолиз. Значение эффекта Пастера,

т.е. перехода в присутствии кислорода от анаэробного гликолиза или

брожения к дыханию, состоит в переключении клетки на наиболее эффек-

тивный и экономичный путь получения энергии. В результате скорость

потребления субстрата, например глюкозы, в присутствии кислорода сни-

жается. Молекулярный механизм эффекта Пастера заключается, по-ви-

димому, в конкуренции между системами дыхания и гликолиза (брожения)

за АДФ, используемый для образования АТФ. Как известно, в аэробных

условиях значительно эффективнее, чем в анаэробных, происходят удаление

Pi и АДФ, генерация АТФ, а также регенерирование НАД+, окисленного из

восстановленного НАДН. Иными словами, уменьшение в присутствии

кислорода количества Рi и АДФ и соответствующее увеличение количества

АТФ ведут к подавлению анаэробного гликолиза.__

Предмет. Биологическая химия – это наука о молекулярной сущности жизни. Она изучает химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения, а также связь этих превращений с деятельностью

клеток, органов и тканей и организма в целом. Из этого определения вытекает, что биохимия занимается выяснением химических основ важней- ших биологических процессов и общих путей и принципов превращений веществ и энергии, лежащих в основе разнообразных проявлений жизни. Таким образом, главной задачей биохимии является установление связи

между молекулярной структурой и биологической функцией химических

компонентов живых организмов. В зависимости от объекта исследования биохимию условно подразделяют на биохимию человека и животных, биохимию растений и биохимию

микроорганизмов. Несмотря на биохимическое единство всего живого, существуют и коренные различия как химического состава, так и обмена

веществ в животных и растительных организмах. Обмен веществ, или метаболизм,– это совокупность всех химических реакций, протекающих в организме и направленных на сохранение и самовоспроизведение живых

систем. Известно, что растения строят сложные органические вещества (углеводы, жиры, белки) из таких простых, как вода, углекислый газ

и минеральные вещества, причем энергия, необходимая для этой синтетической деятельности, образуется за счет поглощения солнечных лучей в процессе фотосинтеза. Современная биохимия как самостоятельная наука сложилась на рубеже XIX и XX вв. До этого времени вопросы, рассматриваемые биохимией, входили в органическую химию и физиологию. XVI–XVII вв. воззрения алхимиков получили дальнейшее развитие в трудах ятрохимиков (от греч. iatros – врач). Одним из виднейших представителей ятрохимии был

немецкий врач и естествоиспытатель Т. Парацельс, который выдвинул

весьма прогрессивное положение о тесной связи химии с медициной. Он считал, что в основе жизнедеятельности человека лежат химические процессы и причинной основой любого заболевания является нарушение ≪хода≫

химических процессов в организме. Русский химик К.С. Кирхгоф в 1814 г. Описал ферментативный процесс осахаривания

крахмала под влиянием вытяжки из проросших семян ячменя. К середине XIX в. были найдены и другие ферменты: амилаза слюны, пепсин желудочного сока, трипсин сока поджелудочной железы. Й. Берцелиус ввел в химию понятие о катализе и катализаторах, к числу последних были отнесены все известные в то время ферменты. В 1839 г. Ю. Либих выяснил, что в состав пищи входят белки, жиры и углеводы, являющиеся главными составными частями животных и растительных организмов. Подлинный расцвет биологической химии относится к XX в., когда важные открытия во многих ее областях следовали одно за другим.

Биохимия открыла новые пути поиска с целью познания сущности биологических процессов, помогла человеку получить множество фактов о самом себе и условиях своего существования.

Последние годы характеризуются развитием методологических принципов и методических приемов исследования живой природы и накоплением фактических данных, позволивших изучать и объяснять метаболические процессы в биологии на молекулярном уровне.

Гликопротеины – сложные белки, содержащие, помимо простого белка или пептида, группу гетероолигосахаридов. В настоящее время их принято называть гликоконъюгатами. В состав гликоконъюгата входит угле-водный компонент (гликановая фракция), ковалентно связанный с неуглеводной частью (агликановая фракция), представленной белком, пептидом,

аминокислотой или липидом. Помимо гликопротеинов, различают также протеогликаны, состоящие из белка и гликозаминогликанов (прежнее название мукополисахариды); последние состоят из цепей сложных углеводов: аминосахаров, уроновых кислот, серной кислоты и отдельных моносахаридов. Типичными гликозаминогликанами являются гиалуроновая кислота, хондроитинсерная кислота и гепарин, химический состав. К типичным гликопротеинам относят большинство белковых гормонов,

секретируемые в жидкие среды организма вещества, мембранные сложные белки, все антитела (иммуноглобулины), белки плазмы крови, молока, овальбумин, интерфероны, факторы комплемента, группы крови, рецеп-

торные белки и др. Из этого далеко не полного перечня гликопротеинов видно, что все они выполняют специфические функции: обеспечивают клеточную адгезию, молекулярное и клеточное узнавание, антигенную активность опухолевых клеток, оказывают защитное и гормональное, а также антивирусное действие.

в отличие от протеогликанов гликопротеины не содержат уроновых кислот и серной

N-ацетилгалактозамин L-фукоза Сиаловая к-та

Коферменты

Большинство природных ферментов относится к классу сложных белков, содержащих, помимо полипептидных цепей, какой-либо небелковый компонент (кофактор), присутствие которого является абсолютно необходимым для ката-

литической активности. Кофакторы могут иметь различную химическую природу и различаться по прочности связи с полипептидной цепью. Под коферментом часто подразумевают дополнительную группу, легко отделяемую от апофермента при диссоциации. Предполагают, что простетическая группа может быть связана с белком ковалентными и нековалентными связями. Так, в молекуле ацетилкоэнзим-А-карбоксилазы ко-фактор биотин ковалентно связан с апоферментом посредством амидной

связи (см. главу 7). С другой стороны, химические связи между кофакто- рами и пептидными цепями могут быть относительно слабыми (например, водородные связи, электростатические взаимодействия и др.). витамины В1, В2, В6, РР, содержащие кофер-

менты. Известно также, что и простетические группы, и коферменты активно включаются в химические реакции, выполняя функции промежутоных переносчиков электронов, атомов водорода или различных функциональных групп (например, аминных, ацетильных,карбоксильных). В подобных случаях кофермент рассматривают в качестве второго субстрата, или косубстрата.

Роль кофермента (Ко) в качестве переносчика, например, атомов водорода может быть представлена в виде схемы, где SH – субстрат, КоЕ – холофермент, А – акцептор протона:

Субстрат подвергается окислению, отдавая электроны и протоны, а КоЕ – восстановлению, принимая электроны и протоны. В следующей

полуреакции восстановленный КоЕН может отдавать электроны и протоны на какой-либо другой промежуточный переносчик электронов и протонов или на конечный акцептор

Коэнзим, кофактор, простетическая группа – двусмысленный биохими- ческий жаргон. До сих пор продолжается терминологический спор, по-

скольку часто определения

≪коэнзим≫,кофактор≫ и ≪простетическая груп-

па≫ рассматриваются через призму их роли в реакциях энзиматического (ферментативного) катализа. Следует, однако, считаться с тем неоспоримым фактом, что во многих случаях небелковые органические молекулы,

как и ионы металлов, абсолютно необходимы белковому компоненту при выполнении определенной биологической функции, не имеющей отношения к биокатализу. Несомненно, имеют значение также тип и характер связи небелкового компонента с молекулой белка. Поэтому очевидно, что ко-

фактором может служить любой фактор, абсолютно необходимый для выполнения белком его каталитической или любой другой биологической роли. С другой стороны, коферментом может быть любой небелковый

фактор, который непосредственно вовлечен в реакцию энзиматического катализа. Кофактор, который непосредственно не участвует в акте катализа, не является коэнзимом. В то же время простетическую группу.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ

Определение количественного содержания ферментов в биологических объектах представляет известные трудности, поскольку, за редким исключением, ферменты в тканях присутствуют в ничтожно малых концент-

рациях. Международного биохимического союза была рекомендована стандартная международная единица (Е или U): за единицу активности любого фермента принимается то количество его, которое в оптимальных условиях катализирует превращение 1 микромоля субстрата или образование 1 микромоля продукта в минуту (мкмоль/мин) *.В связи с введением Международной системы единиц (СИ) предложено новое выражение активности фермента в каталах (кат, kat): 1 кат

есть каталитическая активность, способная осуществлять реакцию со скоростью, равной 1 молю в 1 с (1 моль/с)