Биоорганическая химия. Учебное пособие

Тема 5. Химия нуклеиновых кислот

Активация синтеза дезоксирибонуклеотидов наблюдается на стадиях, предшествующих делению клетки.

Катаболизм пуриновых нуклеотидов завершается образова нием мочевой кислоты.

На первом этапе АМФ, теряя гидролитически рибозофосфат

иаминогруппу, превращается в гипоксантин, затем— в ксантин. ГМФ, теряя рибозофосфатный остаток и аминогруппу, также пре вращается в ксантин, окисление последнего приводит к образова нию мочевой кислоты, которое катализирует ксантиоксидаза.

Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов. Цитозин в результате дезаминирования превращается в урацил. Затем после гидроли тического раскрытия пиримидинового кольца, дезаминирования

идекарбоксилирования в качестве конечного продукта образуется β аланин. Тимин подвергается тем же превращениям, что и ура цил, конечный продукт его превращений — β аминомасляная кис лота. Нарушение обмена пуриновых и пиримидиновых основа ний: основной конечный продукт пуринового обмена — мочевая кислота — транспортируется кровью в комплексе с уратсвязы вающим протеином и полностью фильтруется в клубочке. Нару шения обмена мочевой кислоты могут быть связаны с ее избыточ ным образованием, снижением содержания уратсвязывающего протеина или нарушением выделения почками. Классическим про явлением патологии является подагра, это результат генетически обусловленных энзимодефектов.

Сндром ЛешаJНихана сопровождается клиническими при знаками подагры у мальчиков от полугода до 16 лет. На первый план выступают неврологические симптомы, в основе чего лежит дефект трансаминазы, превращающей гипоксантин и гуанин в ино зинмонофосфат. В результате гипоксантин и гуанин полностью превращаются в мочевую кислоту, а не используются повторно в синтезе мононуклеотидов.

Вторичные гиперурикемии обусловлены действием лекар ственных средств, замедляющих выведение мочевой кислоты (хлоротиазида, фуросемида), ускоренным распадом нуклеопро теидов или возникают при некоторых заболеваниях (лейкозах). Нарушение пиримидинового обмена проявляется в виде наслед

61

Тема 5. Химия нуклеиновых кислот

ственной оротацидурии: недостаток пиримидинов ведет к отста ванию в физическом и умственном развитии.

2. Биосинтез ДНК и РНК. Различают три основных этапа реа лизации генетической информации

Репликация ДНК является ключевой функцией делящейся клет ки и частью таких биологических процессов, как рекомбинация, транспозиция и репарация. На втором этапе, названном трансJ крипцией, генетическая информация, записанная в первичной структуре ДНК, переписывается в нуклеотидную последователь ность РНК (т. е. синтез молекулы РНК на матрице ДНК). На третьем этапе, называемом трансляцией, генетическая информа ция, содержащаяся уже в нуклеотидной последовательности мо лекулы РНК, переводится в аминокислотную последовательность белка.

ДНК представляет собой две длинные спиральные полину клеотидные цепи, закрученные вокруг одной оси, цепи ориентиро ваны в противоположных направлениях. Сахарофосфатный остов лежит снаружи двойной спирали, а азотистые (пуриновые и пи римидиновые) основания — внутри. Цепи удерживаются вместе водородными связями между парами оснований: аденин — ти мин, гуанин — цитозин, т. е. цепи комплементарны. Генетиче ская информация закодирована последовательностью азотистых оснований вдоль цепи.

Этапы биосинтеза ДНК

Условно механизм синтеза может быть подразделен на 3 этапа. 1. Инициация биосинтеза ДНК является началом синтеза дочер них нуклеотидных цепей и сводится к ферементативному биосин

62

Тема 5. Химия нуклеиновых кислот

тезу на матрице ДНК необычного затравочного олигорибонуклео тида (праймера) со свободной гидроксильной группой у С 3` рибозы. При инициации к цепям ДНК последовательно присоединяются ДНК связывающие и ДНК раскручивающие белки, а затем — комп лексы ДНК полимераз и ДНК полимераза (праймаза).

2.Элонгация синтеза ДНК включает стадию репликации обеих материнских цепей ДНК и стадию связывания друг с другом фрагментов новообразуемых цепей ДНК. Первая стадия осуществ ляется при помощи ДНК полимеразы III, причем синтез на одной цепи идет непрерывно, на другой — фрагментарно. Фрагменты синтезируются раздельно, начиная с праймера, который может переноситься с готового фрагмента при помощи одного из белко вых факторов репликации в точку старта биосинтеза последующе го фрагмента, направляемого противоположно по биспиральной молекуле ДНК. Второй этап завершается отделением олигорибо нуклеотидных праймеров, объединением отдельных фрагментов ДНК при помощи ДНК лигаз и формированием дочерней це пи ДНК.

3.Этап терминации синтеза ДНК наступает скорее всего, ког да исчерпана ДНК матрица и трансферазные реакции прекра щаются. Точность репликации ДНК чрезвычайно высока.

Биосинтез РНК, биогенез мРНК

РНК по структуре напоминает ДНК, отличие заключается

всодержании дезоксирибозы, а не рибозы, а вместо тимина при сутствует урацил. Молекулы РНК, как и ДНК, — это полимерные цепи, состоящие из нуклеотидов, связанные через остатки фос форной кислоты. Степень упорядоченности молекул РНК ниже, чем ДНК. Существуют три основных типа РНК. Три более тяже лые РНК происходят из рибосом и являются рибосомальными (рРНК), две из них принадлежат большей субчастице рибосомы, третья входит в состав малой частицы. В рибосомах молекулы РНК связаны с белком. Информационная, или матричная, РНК (мРНК) служит матрицей для синтеза белка. Каждому работаю щему гену или группе генов соответствует своя молекула мРНК. Транспортная РНК (тРНК) переносит аминокислоты в активиро ванной форме к рибосомам, где они соединяются в пептидные

63

Тема 5. Химия нуклеиновых кислот

цепи в определенной последовательности, которую задает РНК матрица (мРНК). Для каждой из 20 аминокислот имеется по край ней мере 1 тРНК.

На матрице ДНК комплементарно строится полирибонуклео тид, являющийся копией первичной структуры ДНК, с той толь ко разницей, что у тимидилового нуклеотида ДНК в РНК вклю чается УМФ. Процесс образования молекулы мРНК на матрице ДНК — биогенез мРНК — представляется относительно простым и включает главным образом транскрипцию соответствующего гена при участии РНК полимеразы. Последовательность нуклеотидов в молекуле мРНК начинается с пары ГУ (гуанин урацил) и заканчи вается парой АГ (аденин гуанин). Эти последовательности служат сайтами (местами) узнавания для ферментов сплайсинга (созрева ния). Почти во всех эукариотических клетках синтезированные на структурных генах первичные транскрипты подвергаются про цессингу, прежде чем выполнят свои уникальные функции в бел ковом синтезе. Процессинг включает в себя следующие основные процессы:

1)образование шапочки (кэпирование), химический смысл которого — в присоединении остатка 7 метилгуанозина к 5 концу молекулы мРНК;

2)нуклеолитические и лигазные реакции (сплайсинг);

3)терминальные реакции полиаденилирования;

4)химические модификации остатков нуклеозидов (метили рование).

Биогенез тРНК и мРНК, синтез РНК на матрице РНК

Транспортные РНК в клетке выполняют адапторную функ цию при трансляции информационной мРНК в первичную струк туру белка. В процессе модификации происходит образование акцепторного участка на 3` конце молекулы, к которому присое диняется аминокислота. Помимо акцепторного и антикодоново го участков, тРНК содержат специфические участки узнавания ферментов — аминоацил тРНК синтетаз и участки связывания

сбольшими субчастицами рибосом.

Биогенез рибосомных РНК осуществляется из предшествен ника прерибосомной РНК. Под действием специфических нук

64

Тема 5. Химия нуклеиновых кислот

леаз и метилаз из этого общего предшественника в результате про цессинга сначала образуются промежуточные рибосомные РНК, которые, подвергаясь дальнейшей нуклеазной атаке и метилиро ванию, превращаются в зрелые молекулы.

Синтез РНК на матрице РНК

ДНК зависимая РНК полимераза может осуществлять транс крипцию ДНК нормальных клеток и клеток ДНК вирусов. В слу чаях, когда в геноме вируса вместо ДНК содержится РНК, вирусная РНК индуцирует образование в клетках хозяина РНК зависимой РНК полимеразы, которая участвует в репликации вирусной РНК (РНК репликаза). На первой стадии РНК репликаза на матрице РНК вируса специфически строит комплементарную с противопо ложной полярностью цепь РНК. Последняя на второй стадии слу жит матрицей для синтеза РНК, совершенно однотипной исходной вирусной РНК. Обе стадии катализируются одним и тем же фер ментом.

Распад нуклеиновых кислот

Полимерные молекулы нуклеиновых кислот расщепляются

втканях преимущественно гидролитическим путем при участии специфических ферментов, относящихся к нуклеазам. Различают эндонуклеазы, разрывающие внутренние межнуклеотидные связи

вмолекуле ДНК, и РНК, вызывающие деполимерацию нуклеино вых кислот с образованием олигонуклеотидов, а также экзонуклеа зы, катализирующие гидролитическое отщепление концевых мо нонуклеотидов от ДНК и РНК или олигонуклеотидов.

Помимо гидролитических нуклеаз, имеются ферменты, ката лизирующие распад нуклеиновых кислот (например, посредством трансферазной реакции). Дезоксикрибонуклеазы I катализируют разрыв внутренних фосфодиэфирных связей, дезоксирибонуклеазы II вызывают деполимеризацию молекулы ДНК в результате пар ных разрывов фосфодиэфирных связей обеих цепей ДНК. Рибо нуклеазы I катализируют гидролитический распад РНК, они гидролизуют фосфодиэфирные связи внутри молекулы РНК. Группа ДНК гликозидаз участвует в отщеплении модифициро ванных пуриновых и пиримидиновых оснований.

65

Тема 5. Химия нуклеиновых кислот

3. Биосинтез гемоглобина. Он включает в себя:

1)синтез полипептидных цепей глобина, который является общим механизмом синтеза белков: α и β цепи синтезируются

порознь на полисомах, содержащих по 5 рибосом. Особенность процесса состоит в том, что по окончании сборки α цепь высво бождается и присоединяется к β цепи;

2)синтез гема; предшественники гема — глицин и сукци нил КоА, фермент аминолевулинасинтетаза, аминолевулиновая кислота — порфобилиноген — уропофириноген, который моди фицируется в протопорфирин IX. Заключительный этап — при соединение железа — ведет к образованию гема. Гем — регулятор синтеза полипептидных цепей гемоглобина. При низком содержа нии гема в ретикулоцитах активизируется ингибитор инициации синтеза белка этих клеток, и образование глобина замедляется.

Функции гемоглобина — транспорт кислорода и диоксида углерода.

Распад гемоглобина

Средняя продолжительность жизни эритроцитов у человека 120 дней, в нормальных условиях ежедневно 1/120 часть эритроцитов

игемоглобина разрушается и заменяется новыми эритроцитами

имолекулами гемоглобина. Эритроциты разрушаются в ретикуло эндотелиальной системе. Высвободившийся гемоглобин транс портируется при участии гаптоглобина в селезенку, печень, костный мозг, где и разрушается. Последовательность разрушения гемо глобина:

1)раскрытие пирольного кольца с образованием вердоглобина;

2)удаление железа с получением биливердоглобина;

3)отщепление глобина с образованием биливердина;

4)восстановление γ метиновой группы с получением билиру

бина.

Высвободившееся железо поступает в костный мозг и исполь зуется повторно в синтезе гемоглобина.

Билирубин током крови доставляется в печень в составе комп лекса с альбумином и отчасти в комплексе с металлами, аминоки слотами, пептидами. В гепатоцитах билирубин эстерефицируется

66

Тема 6. Требования к синтезу белка

при участии УТФ глюкуронил трансферазы, превращаясь в моно и диглюкурониды. Неэстерифицированный билирубин называет ся свободным, эстерифицированный — связанным или прямым.

Билирубинглюкурониды выделяются гепатоцитами в желчные ходы в составе желчи, в двенадцатиперстной кишке под влиянием микрофлоры и последовательных реакций восстанов ления пре образуются в мезобилиноген, часть которого удаляется с калом

ввиде стеркобилиногена, который окисляется кислородом возду ха в стеркобилин. Остальной мезобилиноген всасывается отчасти

вобщий кровоток и выделяется с мочой в виде уробилиногена, отчасти — в капилляры портальной вены, извлекается гепатоци тами и секретируется в желчные ходы.

ТРЕБОВАНИЯ К СИНТЕЗУ БЕЛКА. ПОСТСИНТЕТИЧЕСКАЯ

Тема 6. МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКА

1.Составные части белоксинтезирующей системы, рибосомы

иаминоацилJтРНКJсинтетазы. В синтезе белка в рибосомах (транс ляции) последовательность расположения нуклеотидов в МРНК определяет первичную структуру белка, т. е. строго упорядочен ную последовательность расположения отдельных аминокислот в молекуле синтезируемого белка. Составляющей частью биосин теза белка является белоксинтезирующая система:

1) 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул;

2) минимум 20 разных тРНК, обладающих специфичностью к определенному ферменту и аминокислоте;

3) набор минимум 20 различных ферментов — аминоацил тРНК синтетаз, также обладающих двойной специфичностью к какой либо определенной аминокислоте и 1 тРНК;

4) рибосомы (полисомы), состоящие из 4—12 монорибосом с присоединенной к ним матричной мРНК;

5) АТФ и АТФ генерирующая система ферментов;

6) ГТФ, принимающий специфическое участие в инициации

иэлонгации синтеза белка в рибосомах иона Mg2+;

67

Тема 6. Требования к синтезу белка

7)мРНК в качестве главного компонента системы, несущей информацию о структуре белка, синтезирующего в рибосоме;

8)белковые факторы, участвующие в синтезе на разных уров нях трансляции.

Рибосомы химически представляют собой нуклеопротеины, состоящие только из РНК и белка, пространственная структура трехмерная, рРНК происходит из общего предшественника всех клеточных РНК, синтезирующегося на матрице ДНК в ядре, ри босомальные белки имеют цитоплазматическое происхождение, затем они транспортируются в ядрышки, где происходит спон танное образование рибосомальных субчастиц.

Аминоацил тРНК синтетазы — специфические ферменты, катализирующие активирование аминокислот и связывание по следних с определенными тРНК.

Ферменты обладают абсолютной специфичностью действия, узнают только одну аминокислоту, в белковом синтезе узнавание аминоацил тРНК основано не на природе аминокислоты, а на химической природе антикодона тРНК. Аминоацил тРНК син тетазы в активном центре содержат гистидин, имидазольное кольцо которого участвует в связывании АТФ посредством ионов магния.

2. Транспортные и матричные РНК, природа генетического коJ да. В настоящее время известно 60 различных тРНК. Для каждой аминокислоты в клетке имеется по крайней мере 1 специфиче ская РНК. Аминокислоты присоединяются к свободной 3` ОН группе концевого аденилового мононуклетида путем образования эфирной связи, имеют первичную структуру.

Тимидин псевдоуридин цитидиловая петля обеспечивает свя зывание аминоацил тРНК с поверхностью рибосомы.

Матричная РНК обеспечивает перенос информации от ДНК в ядре, где она синтезируется под действием ДНК зависимой РНК полимеразы до цитоплазмы, соединяется с рибосомами и служит матрицей, на которой происходит синтез белка.

Природа генетического кода

Генетическая информация, закодированная в первичной струк туре ДНК, переводится еще в ядре в нуклеотидную последова

68

Тема 6. Требования к синтезу белка

тельность мРНК, но каким образом эта информация передается на белковую молекулу, долго было неясно.

В нуклеотидной последовательности молекулы мРНК имеют ся кодовые слова для каждой аминокислоты — генетический код, который заключается в определенной последовательности распо ложения нуклеотидов в молекуле ДНК. Для кодирования всех аминокислот белковой молекулы достаточно взять триплетный код, тогда число возможных комбинаций составит 64. Представле ны не только состав, но и последовательность триплетов всех ко донов, ответственных за включение каждой из 20 аминокислот белковой молекулы. Генетический код для аминокислот — вырож денный, т. е. подавляющее большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами. Генетический код непрерывен. Нет сиг налов, указывающих на конец одного кодона и начало другого,

т.е. код линеен.

3.Синтез белка и его транспорт через мембраны. Синтез белка (трансляция) представляет собой циклический энергозависимый многоступенчатый процесс, в котором свободные аминокислоты полимеризуются в генетически детерминированную последова тельность с образованием полипептидов. Процесс состоит из двух этапов:

1) активирование аминокислот. Аминокислоты для синтеза белка должны располагать своим внутренним запасом энергии, активация свободных аминокислот осуществляется при помощи специфических ферментов аминоацил тРНК интетаз в присут ствии АТФ;

2) собственно процесс трансляции.

Собственная трансляция. Второй этап матричного синтеза бел ка условно разделяется на 3 стадии:

1) инициацию;

2) элонгацию;

3) терминацию.

Инициация трансляции требует наличия в системе, помимо рибосом, инициаторной аминоацил тРНК, инициирующих кодо

69

Тема 6. Требования к синтезу белка

нов в составе мРНК и белковых факторов инициации. N формил метионил тРНК является первой а а тРНК, которая определяет включение N концевого остатка аминокислоты и тем самым — на чало трансляции. Процесс формилирования имеет важный химиче ский и биологический смысл, предотвращая участие NH2 группы аминокислоты в образовании пептидной связи и обеспечивая тем самым синтез белка в направлении NH2—СООР. Образовавшая ся формилметионил тРНк первой связывается в определенном участке с субчастицей рибосомы и с мРНК.

Элонгация начинается со связывания следующей а а тРНК (аминокислотный остаток которой является вторым с конца пос ле формилметионина) с белковыми факторами и присоединения всего комплекса к аминоацильному центру в соответствии с кодо вым триплетом на мРНК, энергия обеспечивается гидролизом ГТФ. В процессе дальнейшей реакции остаток формилметионина переносится на свободную NH2 группу а а тРНК, и замыкается первая пептидная связь в будущей цепи, параллельно высвобож дается тРНК в цитозоль. На стадии элонгации происходит после довательное наращивание полипептидной цепи по одной амино кислоте в строгом соответствии с порядком триплетов (кодонов) в молекуле мРНК.

Терминация трансляции

После того как терминирующий кодон мРНК займет свое место в аминоацильном центре рибосомы, к нему не присоединяет ся тРНК. Отсутствуют антикодоны, узнающие этот терминальный сигнал, а присоединяется один из белковых факторов термина ции, и блокируется дальнейшая элонгация цепи.

4. Транспорт синтезированных белков через мембраны. Экспор тируемые белки, которые функционируют вне клетки, переносятся через клеточную мембрану при помощи особых низкомолекуляр ных пептидов, получивших название сигнальных. Их особенность состоит в преимущественном содержании гидрофобных радикалов, что позволяет им легко проникать через бислойную липидную мем брану или встраиваться в мембрану. Сигнальные последователь

70