Биосинтез нуклеотидов

Поскольку мононуклеотиды состоят из азотистых оснований (аденина, гуанина, урацила, цитозина и тимина), рибозы или дезоксирибозы и фосфорной кислоты, для синтеза отдельных мононуклеотидов

необходимо наличие в клетке этих составных компонентов. Пентозы и фосфорная кислота, поступая с пищевыми продуктами, находятся в организме в достаточном количестве. Основным путем обеспечения организма азотистыми основаниями является их синтез в клетках тканей человека и высших животных.

Предшественники пуриновых и пиримидиновых оснований. Методом меченых атомов установлено, что для синтеза азотистых соединений пуринового ряда необходимы следующие вещества-предшественники; аспарагиновая кислота, глутамин, муравьиная кислота, глицин и СО₂. В нижеприведенной формуле пурина показано, за счет каких перечисленных соединений образуются отдельные части пуринового кольца:

Для синтеза пиримидиновых оснований используются аспарагиновая кислота, углекислый газ и аммиак. На первом этапе из аммиака и углекислого газа с участием АТФ образуется карбамоилфосфорная кислота, которая образует одну из частей пиримидинового кольца. Остальная часть этого кольца образуется за счет аспарагиновой кислоты.

Синтез пиримидиновых оснований осуществляется через промежуточное соединение — оротовую кислоту, которая образует одно из пиримидиновых азотистых оснований — урацил. Ниже показан цикл пиримидина и превращение оротовой кислоты в урацил:

Урацил является азотистым основанием мононуклеотида — уридиловой кислоты, которая путем аминирования превращается в цитидиловую кислоту. Последняя в результате метилирования превращается в тимидиловую кислоту.

Биосинтез мононуклеотидов. Пуриновые мононуклеотиды синтезируются не путем простого соединения их основных компонентов между собой в порядке азотистое основание — пентоза — фосфорная кислота. Их синтез начинается с пирофосфатного фосфорилирования рибозо-5-фосфата за счет энергии АТФ. Затем к полуацетальному гидроксилу пентозы в определенной последовательности присоединяются вещества, участвующие в построении кольца пуринового основания:

В результате этих последовательных реакций образуется инозиновая кислота, которая с участием аспарагиновой кислоты и АТФ превращается в адениловую.

При взаимодействии инозиновой кислоты с глутамином образуется гуаниловая кислота.

Таким образом, при синтезе пуриновых мононуклеотидов кольцо азотистого основания формируется на фосфорилированной пентозе.

Синтез пиримидиновых мононуклеотидов, в отличие от пуриновых, происходит после того как сформируется кольцо пиримидинового основания, а именно, когда из карбамоилфосфата и аспарагиновой кислоты образуется оротовая кислота. К кольцу оротовой кислоты присоединяется рибозо-5-фосфат, в результате чего образуется оротидил-5-фосфат. Последний, декарбоксилируясь, превращается в уридиловую кислоту (пиримидиновый мононуклеотид).

Уридиловая кислота в форме УТФ, образовавшегося за счет энергии АТФ, служит предшественником других пиримидиновых нуклеотидов:

УМФ + АТФ УДФ + АДФ: УДФ + АТФ УТФ + АДФ.

Уридинтрифосфат путем аминирования с участием энергии АТФ образует цитидинтрифосфат:

УТФ + NH₃ ЦТФ.

Путем метилирования уридиловой кислоты образуется тимидиловая кислота.

Биосинтез нуклеиновых кислот

Синтез нуклеиновых кислот осуществляется путем соединения между собой остатков большого количества мононуклеотидов, источником которых служат нуклеозидтрифосфаты. Последние всегда находятся в клетке в достаточном количестве. В синтезе ДНК в качестве нуклеозидтрифосфатов служат следующие дезоксирибонуклеозидтрифосфаты: дАТФ, дЦТФ, дГТФ и дТТФ, в синтезе РНК — рибонуклеозидтрифосфаты: АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ.

Специфический биосинтез нуклеиновых кислот осуществляется при помощи ферментов ДНК- и РНК-полимераз. Для эффективного функционирования этих ферментов необходимо наличие «затравки» в виде уже готовой цепи, которая играет роль матрицы. Последнее обстоятельство имеет принципиальное значение, поскольку благодаря наличию матрицы обеспечивается специфический синтез нуклеиновых кислот со строго заданной последовательностью нуклеотидных остатков в молекуле.

Биосинтез ДНК. Специфический синтез ДНК осуществляется при помощи ДНК-полимеразы в присутствии небольшого количества готовых молекул ДНК.

Общая схема биосинтеза ДНК с помощью ДНК-полимеразы может быть представлена следующей схемой:

Работами А. Корнберга и его сотрудников было обнаружено, что нативная двуспиральная ДНК не способна поддерживать синтез ДНК, в то время как денатурированная ДНК (особенно когда ее цепи разъединены и находятся на большом расстоянии) проявляет максимальную активность. Эти факты являются свидетельством того, что ДНК-полимераза нуждается в одноцепочечной ДНК прежде всего как в матрице для синтеза полинуклеотидной цепи.

Исследования последних лет показали, что ДНК-полимераза функционирует с наибольшей эффективностью в том случае, если ДНК содержит две цепи — матричную и затравочную (рис. 48). При этом присоединение отдельных нуклеозидмонофосфатов и соединение их между собой происходит на затравочной цепи, а порядок, в котором ДНК-полимераза присоединяет новые мононуклеотидные остатки, определяется последовательностью оснований в матричной цепи.

Рис. 48. Матричная и затравочная цепи ДНК.

С помощью ДНК-полимеразы осуществляется химическая реакция, которая заключается в переносе остатка нуклеозидмонофосфата на конечный нуклеотидный остаток затравочной цепи молекулы ДНК, а затем на конечный нуклеотид растущей в процессе биосинтеза полинуклеотидной цепи. Перенос осуществляется на место атома водорода гидроксильной группы, расположенной у третьего атома углерода дезоксирибозы конечного нуклеотида. Свободная гидроксильная группа у третьего углеродного атома дезоксирибозы вновь присоединенного нуклеотидного остатка реагирует с гидроксильной группой в пятом положении следующего нуклеотидного остатка. Таким образом осуществляется ступенчатый биосинтез полинуклеотида путем наращивания его с одного конца. Этот процесс протекает по всей длине матричной цепи в направлении 5→3. Синтез полинуклеотидной цепи обеспечивается за счет энергии расщепления макроэргических связей в трифосфатных группировках при освобождении пирофосфата.

Поскольку матрица представляет собой одноцепочечную структуру, необходимым условием для биосинтеза молекул ДНК, которые характеризуются двуспиральной структурой, является расхождение двуспирального («родительского») полидезоксирибонуклеотида на односпиральные полинуклеотидные цепи (каждая из которых может служить матрицей), на которых и происходит сборка комплементарных им полинуклеотидов. В результате этого из одной двуспиральной молекулы ДНК образуется две («дочерние») двуспиральные молекулы ДНК, абсолютно идентичные как между собой, так и исходной молекуле ДНК.

ДНК-лигазы. Важное место в биосинтезе ДНК занимают реакции, катализируемые ДНК-лигазой. Этот фермент способен ликвидировать разрывы, возникающие в одной из цепей под влиянием эндонуклеаз, путем образования новой 3' → 5'-связи между разъединенными концами. Поэтому ДНК-лигазы называют еще сшивающими ферментами. Кроме того, ДНК-лигаза может соединять концы линейной двухцепочечной молекулы ДНК с образованием кольцевой структуры.

Для проявления своей активности ДНК-лигаза требует наличия интактной комплементарной цепи ДНК, за счет спаривания с которой два соединяемых конца оказываются рядом. Именно в таких условиях между ними возникает новая фосфодиэфирная связь. Образование кольцевых двухцепочечных молекул ДНК с участием ДНК-лигазы происходит благодаря наличию комплементарных «липких» концов в линейной молекуле ДНК-предшественника. ДНК-лигазы обнаружены в самых различных клетках.

Биосинтез РНК. Синтез РНК наиболее интенсивно протекает в ядре. Исследования показали, что в этом синтезе в качестве матрицы выступает одна из цепей ДНК и участвует РНК-полимераза. Процесс синтеза РНК с использованием в качестве матрицы ядерной ДНК получил название транскрипции («списывание» информации). Синтезированную таким способом РНК назвали информационной, поскольку она передает информацию от ДНК к месту синтеза белков.

Синтез РНК, так же как и ДНК, проходит в четыре стадии: присоединение РНК-полимеразы к ДНК-матрице; инициация («списывание» информации с ДНК-матрицы на последовательность нуклеотидов в молекуле РНК); элонгация (удлинение) цепи РНК; терминацин, т.е. окончание синтеза РНК.

Наращивание цепи РНК также происходит в направлении 5' → 3'

Общую схему синтеза РНК, катализируемого РНК-полимеразой, схематически можно изобразить следующим образом:

Так же, как и в синтезе ДНК, источником энергии для этого процесса служит реакция расщепления рибонуклеозидтрифосфатов.

РНК, синтезированная в присутствии ДНК-матрицы, характеризуется нуклеотидным составом, комплементарным нуклеотидному составу использованной в качестве матрицы цепи ДНК. Отличие состоит лишь в том, что остатку тимина в ДНК-матрице соответствует остаток урацила в синтезированной РНК.