14 Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов

Механизм синтеза пиримидиновых нуклеотидов почти полностью расшифрован благодаря исследованиям Рейхарда. Показано, что в клетках животных и микроорганизмов промежуточными продуктами синтеза также не являются свободные пиримидиновые основания и что остаток рибозы присоединяется к уже сформировавшемуся пиримидиновому кольцу. Хотя синтез пиримидиновых нуклеотидов начинается с элементарных уровней (СО₂, NH₃, аспартата и др.), специфическую роль в этом синтезе играет оротовая кислота.

Оказалось, что оротовая кислота, впервые открытая в коровьем молоке, выполняет ключевую роль в синтезе, являясь непосредственным предшественником всех пиримидиновых нуклеотидов. Меченная ¹⁴С и ¹⁵N оротовая кислота открывалась в пиримидиновых основаниях ДНК и РНК тканей животных в опытах in vitro и in vivo. Экспериментами показaно образование оротовой кислоты в срезах печени крыс.

Последовательность химических реакций синтеза пиримидиновых нуклеотидов, в частности уридиловой кислоты, можно представить следующими уравнениями реакций:

Как видно из этих уравнений, первая стадия синтеза уридиловой кислоты включает образование карбамоилфосфата, механизм которого рассмотрен выше (см. Биосинтез мочевины). В клетках печени донатором NH₂-группы являются глутамин и свободный аммиак (NH₃), в то время как во всех остальных клетках организма в синтезе карбамоилфосфата используется только глутамин. Укажем также, что карбамоилфосфатсинтетаза требует для проявления своей активности присутствия N-ацетилглутамата в качестве аллостерического эффектора.

Во второй стадии карбамоилфосфат обратимо реагирует с аспарагиновой кислотой, причем равновесие реакции смещено в сторону синтеза карбамоиласпартата. Последний подвергается циклизации (под действием дигидрооротазы) с отщеплением молекулы Н₂0 и образуется дигидрооротовая кислота, которая, подвергаясь дегидрированию, превращается в оротовую. В этой реакции участвует специфический НАД-содержащий фермент дигидрооротатдегидрогеназа. Оротовая кислота обратимо реагирует с ФРПФ, являющимся донатором рибозо-5-фосфата, с образованием оротидин-5-фосфата (ОМФ). Декарбоксилирование последнего приводит к образованию первого пиримидинового нуклеотида - уридин-5-фосфата (УМФ), т. е. уридиловой кислоты.

Превращение УМФ в УДФ и УТФ осуществляется, как и в случае пуриновых нуклеотидов, путем фосфорилирования:

УМФ + АТФ <--> УДФ + АДФ  УДФ + АТФ <--> УТФ + АДФ

15 Распад белков

Главным путем распада белков в организме является ферментативный гидролиз, называемый протеолизом. Протеолиз белков протекает в любой клетке организма. Протеолитические ферменты локализованы в основном в лизосомах, незначительная часть ферментов, гидролизующих белки, есть в цитозоле клетки. Распад клеточных белков, катализируемый протеолитическими ферментами с различной специфичностью, приводит к образованию аминокислот, которые используются в этой же клетке или выделяются из нее в кровь. Но основным материалом для обновления клеточных белков служат аминокислоты, получаемые из белков пищи.

В желудочно-кишечном тракте локализованы протеолитические ферменты различной специфичности. В желудочном соке находится пепсин. Субстратом пепсина могут быть как нативные, так и денатурированные при термической обработке продуктов белки пищи. Пепсин быстро гидролизует в белках пептидные связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот - фенилаланина, тирозина, триптофана. Медленнее пепсин гидролизует пептидные связи, образованные каробксильными группами лейцина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

Протеолиз в кишечнике обеспечивает ряд ферментов: трипсин, химотрипсин, карбоксипептидазы А и В, дипептидазы и др.

Трипсин гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильными группами аргинина и лизина, химотрипсин - фенилаланина, тирозина и триптофана; действие этих ферментов приводит к более глубокому гидролизу белков по сравнению с гидролизом в желудке. Карбоксипептидаза А быстро отщепляет с С-конца образовавшихся олигопептидов аминокислоты с ароматическими или алифатическими боковыми радикалами. Карбоксипептидаза В действует только на пептиды, имеющие на С-конце остатки аргинина или лизина.

Слизистая кишечника содержит группу аминопептидаз, которые при действии на полипептидные цепи поочередно освобождают N-концевые аминокислоты. Здесь же локализованы и дипептидазы, гидролизующие дипептиды.

Белки пищи при участии перечисленных ферментов гидролизуются до свободных аминокислот. На скорость гидролиза белков пищи указывает тот факт, что через 15 мин после приема человеком белка, содержащего меченые по азоту (¹⁵N) аминокислоты, изотоп ¹⁵N обнаруживается в крови. Максимальная концентрация аминокислот достигается через 30 - 50 мин после приема белка с пищей.

Гидролитическое расщеплением белков можно выразить следующей схемой:

Всасывание аминокислот происходит главным образом в тонком кишечнике, где функционируют специфические системы транспорта аминокислот. Кровотоком аминокислоты транспортируются во все ткани и органы.

Протеазы (пептидгидролазы)

Белок и пептиды расщепляют ферменты, объединяемые в подкласс пептидгидролаз (К.Ф.3.4.). Их называют также протеазами, протеолитическими ферментами.

Основной реакцией, катализируемой протеолитическими ферментами, является гидролиз пептидной связи в молекулах белков и пептидов:

Расщепление пептидной связи в точках, удаленных от конца молекулы, катализируют эндопептидазы. Их делят на четыре группы: сериновые (К.Ф.3.4.21), тиоловые (К.Ф.3.4.22), карбоксильные (К.Ф.3.4.23) и металлосодержащие (К.Ф.3.4.24).

Отщепление концевых аминокислот и дипептидов, а также гидролиз дипептидов катализируют экзопептидазы, которые разделяют на пять групп. Аминопептидазы (К.Ф.3.4.11) катализируют отщепление единичных аминокислот от N-конца полипептидной цепи, карбоксипептидазы (К.Ф.3.4.16, 3.4.17) – от С-конца. Дипептидазы (К.Ф.3.4.13) гидролизуют дипептиды. Дипептидилпептидазы (К.Ф.3.4.14) и пептидилдипептидазы (К.Ф.3.4.15) катализируют отщепление дипептидов соответственно от N-конца и от С-конца полипептидной цепи. Схема классификации дана на рис 7.1

Существующая классификация пептидгидролаз несовершенна, поскольку в ней используются в качестве разграничительных различные признаки: деление пептидаз на группы проведено по характеру действия на субстрат, а протеиназ – по структуре каталитического центра. В настоящее время описано несколько сот пептидгидролаз различного происхождения. На основании этого обширного материала предлагаются новые варианты классификации, в частности, только по структуре каталитического центра.

Скорость ферментативного гидролиза белковых соединений определяется наличием в них пептидных связей, специфичных для действия фермента, а также пространственной структурой субстрата.

На доступность пептидных связей гидролизу влияют вторичная, третичная и четвертичная структура белков. Белки могут иметь один или два типа упорядоченных вторичных структур (α-спиральной и β-складчатой), представленных в различных сочетаниях и охватывающих более или менее значительную часть полипептидной цепи.

В упорядоченных структурах определенные участки полипептидной цепи экранированы и недоступны действию ферментов. Чем выше степень упорядоченности структуры, тем менее белок подвержен протеолизу.

Третичная структура белка, его геометрическая форма определяет соотношение экспонированной и экранированной частей молекулы (то есть доступной и недоступной протеолизу),

Наименее доступны протеолизу молекулы с наименьшей удельной поверхностью, то есть приближающиеся по форме к шару.

Четвертичную структуру имеют белковые молекулы, состоящие из субъединиц. Последние могут быть ассоциированы за счет ковалентных, ионных и водородных связей. Ассоциация субъединиц снижает относительную величину экспонированной части молекулы, увеличивает ее конформационную стабильность за счет внутримолекулярных взаимодействий. Ассоциированные молекулы менее доступны действию ферментов, чем диссоциированные.

Денатурация белков сопровождается развертыванием полипептидной цепи, демаскированием прежде экранированных групп. Снимаются ограничения доступности субстрата, обусловленные вторичной, третичной четвертичной структурой. Денатурированные белки гидролизуются, целом быстрее и полнее нативных.

16 Пути распада аминокислот до конечных продуктов.

й Отщепление NH2-группы:

a. трансаминирование – перенос NH2-группы с аминокислоты на кетокислоту

b. дезаминирование – аминогруппа отщепляется с образованием аммиака.

2-й Декарбоксилирование

3-й Превращение оставшегося углеродного скелета с образованием 5 общих продуктов: ацетил-CoA, сукцинил-CoA, фумарат, оксалоацетат, 2-оксоглутарат.

Дезаминирование аминокислот:

1. внутримолекулярное (для гистидина)

2. гидролитическое

3. восстановительное

4. окислительное:

a. прямое

b. непрямое (трансдезаминирование), - основной путь для человека.

Трансдезаминирование протекает в 2-а этапа:

1-й Трансаминирование – перенос NH2-группы с любой аминокислоты на α-кетокислоту без промежуточного образования аммиака. В конце первого этапа все NH2-группы "собираются" в составе глутамата. Протекает в цитоплазме большинства клеток.

2-й Окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты.

Т.о., термин "трансдезаминирование" отражает оба процесса: "транс" – трансаминирование, "дезаминирование" – собственно дезаминирование глутамата.

Трансаминирование. Оно м.б. представлено следующей схемой:

Источник NH2-группы любая аминокислота, акцептор NH2-группы – три α-кетокислоты: пируват, оксалоацетат, 2-оксоглутарат (чаще):

Реакции катализируются аланинминотрансферазой (АлАТ), и аспартатаминотрансферазой (АсАТ). Оба фермента сложные: в их состав входят пиридоксиновые коферменты ПАЛФ и ПАМФ, обратимо переходящие друг в друга в ходе реакции трансаминирования. Образовавшиеся пируват и оксалоацетат могут вновь идти на "сбор" NH2-групп от новых аминокислот.

Биологический смысл 1-го этапа непрямого окислительного дезаминирования – собрать NH2-группы всех распадающихся аминокислот в составе всего одной – глутаминовой. Глутаминовая кислота поступает в митохондрии, где протекает 2-ой этап трансдезаминирования – собственно дезаминилрование глутамата: NH2-группа отщепляется в виде аммиака с образованием 2-оксоглатарата. Реакция катализируется глутаматдегидрогеназой, коферментом которой может быть НАД+ или НАДФ+:

Обе стадии трансдезаминирования обратимы. Обратный процесс называется трасреаминированием. Сначала протекает восстановительное аминирование 2-оксоглутарата с участием NH3 и НАДФH+H+. Далее аминогруппа с пирувата переносится на любую α-кетокислоту. Т.о. трансреаминиирование является одним из путей синтеза заменимых аминокислот, 1-ый его этап, восстановительное аминирование, - одним из способов обезвреживания токсичного для человека NH3.