БІОСИНТЕЗ ТА КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ ТА ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ. ВИЗНАЧЕННЯ КІНЦЕВИХ ПРОДУКТІВ ЇХ ОБМІНУ. ПОРУШЕННЯ ОБМІНУ НУКЛЕОТИДІВ.

МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ РЕПЛІКАЦІЇ ДНК. ТРАНСКРИПЦІЯ – БІОСИНТЕЗ РНК.

БІОСИНТЕЗ БІЛКА В РИБОСОМАХ. ЕТАПИ ТА МЕХАНІЗМ ТРАНСЛЯЦІЇ, РЕГУЛЯЦІЯ ТРАНСЛЯЦІЇ.

СТРУКТУРНІ КОМПОНЕНТИ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Нуклеїнові кислоти – це високомолекулярні сполуки, що складаються із мономерних одиниць – нуклеотидів, і тому їх також називають полінуклеотидами (табл. 1).

 

Таблиця 1. Компоненти нуклеотидів

НУКЛЕОТИД
азотисті основи					пентоза	фосфорна кислота
пуринові азотисті основи		піримідинові азотисті основи			D-2-дезоксирибоза, або D-рибоза
аденін (А)	гуанін (Г)	урацил (У),	цитозин (Ц),	тимін (Т)

 

Кожний нуклеотид містить три різних компоненти: азотисту основу (пуринову або піримідинову), пентозу і фосфорну кислоту (рис. 1.)

 

Рис. 1. Структура аденозинмононуклеотиду

Головні азотисті основи – компоненти нуклеїнових кислот: пуринові – аденін (А) і гуанін (Г), піримідинові – урацил (У), цитозин (Ц), тимін (Т) (рис. 2).

Рис. 2. Будова азотистих основ.

 

Крім зазначених вище основних п’яти азотистих основ (двох пуринових та трьох піримідинових), до складу деяких нуклеїнових кислот входять у відносно незначних кількостях додаткові (мінорні) азотисті основи та відповідні їм мінорні нуклеотиди. Найбільша кількість мінорних нуклеотидів зустрічається в молекулах транспортних РНК (тРНК) — до 5 % загального нуклеотидного складу. До мінорних нуклеотидів належать метильовані похідні звичайних азотистих основ, зокрема, 1-метиладенін, 2-метиладенін, 6-диметиладенін, 1-метилгуанін, 7-метилгуанін, 1-метилурацил, 5-оксиметилурацил, 3-метилцитозин тощо. ДНК людини містять значну кількість 5-метилцитозину, інформаційні РНК — N-метильовані похідні аденіну та гуаніну. Нуклеотидом незвичайної структури, що входить до складу тРНК, є псевдоуридин — нуклеотид (рис. 3), в якому рибоза приєднана до урацилу в 5-му положенні, тобто не нітроген-карбоновим, а карбон-карбоновим зв’язком.

Такі основи у молекулах нуклеїнових килот у багатьох випадках є специфічними сигналами, які відіграють важливу роль у реалізації генетичної інформації чи забезпеченні її зберігання. Біологічні функції мінорних нуклеотидів до кінця не з’ясовані.

 

Рис. 3. Будова псевдоуридину.

 

Нуклеотиди в складі ДНК містять вуглевод D-2-дезоксирибозу, а в РНК — D-рибозу (рис. 4). Обидві пентози знаходяться у Р-фуранозній формі:

Рис. 4. Будова пентоз: 1 – D-рибоза, 2 – D-2-дезоксирибоза.

 

Атоми карбону в пентозах нумеруються цифрами зі штрихом, щоб відрізнити їх від атомів карбону в азотистих основах. При з'єднанні рибози чи дезоксирибози з азотистою основою утворюється нуклеозид (рис. 5).

Рис. 5. Структура нуклеозиду.

Зв’язок між пентозою і азотистою основою йде від першого атома карбону пентози до першого атома нітрогену піримідину або дев'ятого атома нітрогену пурину. Зв’язок називається глікозидним.

Нуклеотиди – це фосфорні ефіри нуклеозидів. Зв'язок утворюється за рахунок взаємодії фосфату з гідроксилом у положенні С-5' пентози. При гідролізі нуклеїнових кислот можуть утворюватися і нуклеозид-3'-монофосфати (рис. 6).

Рис. 6. Структура нуклеозид-3'-монофосфату.

Залежно від будови пентози, нуклеотиди поділяють на рибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотиди. Наявність залишків фосфорної кислоти в складі нуклеотидів надає їм кислотних влативостей, тому їх вважають кислотами, як і полімери – нуклеїнові кислоти.

Далі наведена номенклатура нуклеозидів і нуклеотидів (табл. 2) і формули чотирьох головних дезоксирибонуклеотидів (структурних одиниць ДНК) (рис. 7) і чотирьох головних рибонуклеотидів (структурних одиниць РНК) (рис. 8).

Таблиця 2. Номенклатура нуклеозидів та нуклеотидів

Основа	Нуклеозид	Нуклеотид	Скорочене позначення
Аденін	Аденозин Дезоксиаденозин	Аденілова кислота, аденозинмонофосфат Дезоксиаденілова кислота, дезоксиаденозинмонофосфат	АМФ   дАМФ
Гуанін	Гуанозин Дезоксигуанозин	Гуанілова кислота, гуанозинмонофосфат Дезоксигуанілова кислота, Дезоксигуанозинмонофосфат	ГМФ   дГМФ
Урацил	Уридин	Уридилова кислота, уридинмонофосфат	УМФ
Цитозин	Цитидин Дезоксицитидин	Цитидилова кислота, цитидинмонофосфат Дезоксицитидилова кислота, дезоксицитидинмонофосфат	ЦМФ   дЦМФ
Тимін	Тимідин	Тимідилова кислота, тимідинмонофосфат	ТМФ

 

Рис. 7. Будова дезоксирибонуклеотидів.

Рис. 8. Будова рибонуклеотидів.

 

В організмі, крім нуклеозидмонофосфатів, знаходяться нуклеозиддифосфати і нуклеозидтрифосфати.

У синтезі нуклеїнових кислот беруть участь саме нуклеозидтрифосфати (рис. 9).

Рис. 9. Будова аденозинтрифосфату.

Система АТФ-АДФ-АМФ відіграє особливу роль у біоенергетиці, у всіх живих організмах АТФ виступає як депо для зберігання і перенесення енергії (табл. 3). Аналогічно до АТФ, інші нуклеозидтрифосфати також містять два високоенергетичні зв'язки між фосфатними залишками і використовуються в обміні речовин.

 

Таблиця 3. Функції нуклеотидів

ФУНКЦІЇ МОНОНУКЛЕОТИДІВ
Входять в склад нуклеїнових кислот	Утворюють макроергічні сполуки	Циклічні мононуклеотиди є месенджерами передачі гормональних сигналів в клітину	Є позитивними і негативними регуляторами метаболічних реакцій в клітині

 

Наприклад, ЦТФ має відношення до біосинтезу фосфоліпідів. УТФ використовується для синтезу і взаємоперетворень різних вуглеводів, ГТФ необхідний для синтезу білків. У склад коферментів НАД, НАДФ, ФАД, КоА, ФАФС входять аденілові нуклеотиди. Окрему групу складають циклічні нуклеотиди, в яких фосфатний залишок утворює складноефірні зв'язки з 3'- і 5'-гідроксильними групами рибози (рис. 10):

Рис. 10. Будова циклічних нуклеотидів.

Циклічні аденозинмонофосфат (цАМФ) і гуанозинмонофосфат (цГМФ) відіграють дуже важливу роль в обміні речовин, через них реалізується регуляторна роль ряду гормонів. цАМФ і цГМФ утворюються із АТФ і ГТФ під дією ферментів аденілатциклази і гуанілатциклази. Відщеплення пірофосфату від нуклеозидтрифосфату призводить до замикання шестичленного кільця. При розщепленні циклічних нуклеотидів під дією фосфодіестерази утворюються відповідні нециклічні нуклеотиди — нуклеозид-5'-монофосфати.

 

Нуклеопротеїни

Нуклеопротеїни — складні білки, комплекси нуклеїнових кислот з білками (табл. 4).

 

Таблиця 4. Складові компоненти нуклеопротеїнів

НУКЛЕОПРОТЕЇНИ
Апопротеїн			Нуклеїнові кислоти (полінуклеотиди)
Протаміни	Гістони	ДНК		РНК

 

Залежно від типу нуклеїнової кислоти, нуклеопротеїни поділяються на дезоксирибонуклеопротеїни та рибонуклеопротеїни.

Стійкість нуклеопротеїнових комплексів забезпечується нековалентною взаємодією. Прикладом специфічної взаємодії можуть служити нуклеопротеїнові комплекси рРНК — субодиниці рибосом; неспецифічна електростатична взаємодія характерна для хромосомних комплексів ДНК — хроматину з гістонами і комплексів ДНК-протаміни головок сперматозоїдів деяких тварин.

Нуклеопротеїни дисоціюють на білки і нуклеїнові кислоти при дії агентів, що руйнують або ослабляють нековалентні зв'язки:

1) підвищені концентрації солей або сечовини, що збільшують іонну силу розчину;

2)  іоногенні поверхнево-активні речовини;

3)             деякі полярні органічні сполуки (формамід і диметилформамід, фенол тощо).

При утворенні нуклеопротеїнів відбуваються істотні конформаційні зміни нуклеїнових кислот і, в деяких випадках, білків, що утворюють нуклеопротеїновий комплекс. Ці зміни істотніші у разі утворення дезоксирибонуклеопротеїнів.

На відміну від одноланцюжкової РНК, здатної утворювати вторинні і третинні структури за рахунок антипаралельного комплементарного спарювання суміжних відрізків ланцюга, дволанцюжкова ДНК такої можливості не має, в порівнянні з компактними глобулами РНК.

Проте взаємодія ДНК з білками (гістонами і протамінами) за рахунок електростатичної взаємодії приводить до утворення значно щільніше упакованих нуклеопротеїнових комплексів — хроматину, що забезпечує компактне зберігання ДНК і, відповідно, спадкової інформації у складі хромосом еукаріот. З іншого боку, велика конформаційна рухливість РНК і її каталітичні властивості пов’язані з великою різноманітністю рибонуклеопротеїнів, що виконують різні функції.

 

Дезоксирибонуклеопротеїни

Хроматин — комплекс ДНК з гістонами в клітинах еукаріот.

За рахунок електростатичної взаємодії нитка ДНК здійснює подвійний оберт навколо октамеру гістонного комплексу H2a, H2b, H3 і H4, утворюючи нуклеосоми, сполучені ниткою ДНК. При приєднанні до комплексу гістону H1 шість нуклеосом утворюють кільцеподібний комплекс, в результаті відбувається конденсація хроматину з утворенням фібрилярної структури, яка далі при приєднанні топоізомерази II і ряду допоміжних білків здатна конденсуватися в гетерохроматин. ДНК, зв'язана в такому нуклеопротеїновому комплексі, не транскрибується.

Окремим важливим класом дезоксирибонуклеопротеїнів є вірусні нуклеопротеїни.

Рибонуклеопротеїни

У клітинах в основному містяться такі типи рибонуклеопротеїнів (РНП):

1) Нуклеопротеїнові комплекси рибосомних РНП (рРНП) — субодиниці рибосом — органел, на яких відбувається трансляція мРНК. Рибосоми є агрегатами з двох різних рРНП-субодиниць.

2)  Малі ядерні рибонуклеопротеїни (мяРНП) — нуклеопротеїнові комплекси малих ядерних РНК.

3)         Нуклеопротеїнові комплекси мРНК — матричні рибонуклеопротеїни (мРНП).