Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

матин — містить ДНК, гістонові й негістонові білки, невелику кількість РНК та іонів металів. Близько 50 % хроматину — це прості білки гістони, які за вмістом залишків амінокислот аргініну і лізину поділяються на п’ять груп: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Так, гістон Н1 дуже багатий на лізин, а гістон Н4 — на аргінін.

В організації хромосом виділяють три рівні, які відображають й рівні третинної структури ДНК. Перший рівень — нуклеосомний. Диспергований хроматин виглядає в електронному мікроскопі як ланцюжок намистинок-нуклеосом. Нуклеосома містить ДНК довжиною 160–240 пар нуклеотидів, одну молекулу гістону Н1 і по дві молекули інших груп гістонів (октет гістонів). Гістоновий октамер утворює ядро нуклеосоми, або нуклеосомний кор, на поверхню якого намотується ділянка ДНК довжиною 145–150 нуклеотидних пар.

Рибонуклеїнові кислоти

Первинна структура РНК — кількість, якість і послідовність розташування залишків рибонуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі.

Вторинна структура — це частково спіралі-

зований колінеарний полінуклеотидний ланцюг РНК, якому властива своєрідна спіралізація: ланцюг закручується сам на себе, утворюючи короткі двоспіральні «шпильки», «петлі», у яких між азотистими основами виникають водневі зв’язки, що утворюють комплементарні пари аденіну з урацилом (А–У), гуаніну з цитозином (Г–Ц). Характерною особливістю вторинної структури РНК є те, що полінуклеотидний ланцюг її спіралізований не повністю (від 10 до 70 %).

12.2. БІОСИНТЕЗ І КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ Й ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ. СПАДКОВІ ПОРУШЕННЯ ОБМІНУ СЕЧОВОЇ КИСЛОТИ

Нуклеотиди беруть участь у багатьох біохімічних процесах. Пуринові та піримідинові нуклеотиди є мономерами-попередниками у біосинтезі РНК і ДНК.

АТФ — це універсальне джерело енергії; цАМФ і цГМФ — це вторинні месенджери у передачі гормонального сигналу; коферменти ФАД, НАД+, НАДФ+ входять до складу ферментів; у складі Ѕ-аденозилметіоніну виконують функції переносників метильних груп; у вигляді УДФ-глюкози, УДФ-галактози, ЦДФ-ацилглі- церолу використовуються в метаболічних перетвореннях. Пуринові та піримідинові основи, нуклеотиди, що потрапляють до організму людини з їжею, практично не є джерелом безпосередніх попередників нуклеїнових кислот тканин організму. Клітини людини синтезують попередники нуклеїнових кислот з амфіболічних проміжних сполук (шлях “de novo”). Швидкість син-

тезу пуринових і піримідинових рибота дезоксирибонуклеотидів є об’єктом тонкої регуляції, яка забезпечує такий рівень продукції цих сполук, який задовольняє потреби організму, що весь час змінюються.

У клітинах (як і в травному каналі) нуклеїнові кислоти постійно піддаються атаці з боку різних нуклеаз. Так, важливим фактором у регуляції синтезу білків є швидке руйнування мРНК (рис. 12.1). Хоча ДНК досить стійка до дії нуклеаз, однак вони можуть видаляти ушкоджені фрагменти з одиночних ланцюгів, що необхідно при репарації ДНК. Деякі ферменти ендонуклеаз здійснюють гідроліз ДНК до олігонуклеотидів

— вони називаються ДНК-азами. Відомі ДНКаза I, що активна в нейтральному середовищі і гідролізує ланцюг ДНК між пуриновим і піримідиновим нуклеотидом, причому розрив відбувається між фосфатом і 3-гідроксилом дезоксири-

У кишечнику

ДНК- і РНК-ази

Нуклеїнові кислоти Олігонуклеотиди

Олігонуклеотиди Фосфодіестерази

Мононуклеотиди

Полінуклеотиди

Фосфатази (кисла та лужна)

Нуклеотид Нуклеозид + Рн

У слизовій кишечнику

Нуклеотидаза

Нуклеотид Нуклеозид + Рн

Нуклеозидфосфорилаза

Нуклеозид + РнАзотиста основа + пентозо-1-ф

У клітинах органів

Ендонуклеази

Нуклеїнові кислоти Олігонуклеотиди

Екзонуклеази

Мононуклеотиди

ДНК-ази І

ДНК-ази ІІ

ДНКПарні розриви 2 ланцюгів ДНК

РНК-ази ІІІ

РНК Нуклеозид-3-фосфати

Фосфодіестерази

ДНКНуклеозид-5-фосфат + полінуклеотиди

Полінуклеотид

фосфорилаза

n-РНК + Рн(n-1) РНК + рибонуклеозиддифосфат

Нуклеотидаза

Нуклеотид Нуклеозид + Рн

Нуклеозид

фосфорилаза

Нуклеозид + РнАзотиста основа + пентозо-1-фосфат

Рис. 12.1. Катаболізм нуклеотидів у клітинах і травному каналі

бози, а також ДНК-аза II, що функціонує в кислому середовищі й гідролізує парні зв’язки обох ланцюгів ДНК між фосфатом і 5′-гідроксилом дезоксирибози і локалізована в лізосомах. Фосфодіестерази відокремлюють послідовно нуклеотиди від молекули ДНК. Крім гідролаз, розпад нуклеїнових кислот каталізують трансферази, що забезпечують перенос фосфату від атома Карбону С5 пентози одного нуклеотиду до атома Карбону С2 сусіднього нуклеотиду, що приводить до розриву міжнуклеотидного зв’язку й утворення фосфодіефірного зв’язку між С2 і С3 атомами одного нуклеотиду. Відомі ферменти рестриктази — це ферменти ДНК-азного типу, які каталізують розпад чужорідної ДНК у певних ділянках молекули, що мають структуру паліндромів.

Порівняно з ДНК, РНК менш стійка до гідролізу. Однонормальний луг гідролізує РНК до нуклеотидів. Розрив зв’язків відбувається між фосфатом і 5-гідроксилом рибози, у результаті чого утворюються нуклеозид-3-фосфати. Подібні ендонуклеази називають РНК-азами. Фосфодіестерази належать до екзонуклеаз, що відокремлюють послідовно нуклеозид-5-фосфати, починаючи з кінцевого. До ферментів, що здійснюють гідролітичний розпад ДНК і РНК, належать полінуклеотидфосфорилаза і ДНК-глікозидази. Механізм дії полінуклеотидфосфорилази полягає в переносі нуклеотидних залишків від РНК на неорганічний фосфат і утворенні рибонуклеозиддифосфатів.

Група ДНК-глікозидаз відщеплює модифіковані пуринові й піримідинові основи, ДНК-гліко- зидази беруть участь у репарації молекули ДНК.

Відбувається активне розщеплення полінуклеотидів на мононуклеотиди, що гідролізуються

потім нуклеотидазами до нуклеозидів і неорганічного фосфату. Нуклеозиди перетворюються на вільні основи і фосфопентози під дією нуклеозидфосфорилаз.

Розпад пуринових нуклеотидів

Пуринові нуклеотиди у клітинах гідролітично дезамінуються в оксипурини. Це може відбуватися ще до повного розщеплення молекули нуклеотиду на складові частини, тобто на рівні нуклеотидів і нуклеозидів, або після гідролізу.

Аденозин піддається гідролітичному дезамінуванню і перетворюється на інозин, що під дією нуклеозидфосфорилази утворює гіпоксантин і фосфопентозу. Перетворення гіпоксантину на ксантин і ксантину — на сечову кислоту відбувається під дією ксантиноксидази (молібден- і залізовмісного флавопротеїну). Рибозо-1-фосфат під дією фосфорибозилмутази перетворюється на ри- бозо-5-фосфат, субстрат для синтезу фосфорибо- зил-1-пірофосфату (рис. 12.2). Деякі пуринові основи використовуються для синтезу нуклеотидів (шлях регенерації, або «шлях збереження»).

Сечова кислота — основний кінцевий продукт катаболізму пуринових нуклеотидів в організмі людини і вищих тварин. За добу утворюється до 1 г сечової кислоти, що екскретується з сечею. У крові дорослої людини міститься 0,15– 0,5 ммоль сечової кислоти, пов’язаної з білками крові, причому у чоловіків її на 15–25 % більше, ніж у жінок. Кетоформа сечової кислоти перебуває в рівновазі з енольною формою, що втрачає при фізіологічному значенні рН протон, утворюючи уратіон. При фізіологічних значеннях рН 98 % сечової кислоти перебуває в іонізованому

стані, тобто у вигляді іона урату. У позаклітинній рідині, де основним катіоном є іон натрію, сечова кислота перебуває у вигляді розчину натрієвої солі — урату натрію. Ця сіль має низьку розчинність, насичення позаклітинної рідини відбувається, коли концентрація урату лише незначно перевищує межі норми. Тому у осіб із гіперурикемією є тенденція до утворення кристалів урату натрію.

Найяскравіший клінічний прояв цього процесу — захворювання подагра, при якому утворюються кристали урату натрію в хрящах, синовіальній оболонці й синовіальній рідині суглобів. Вважають, що урати фагоцитуються лейкоцитами, порушуючи при цьому проникність лізосомальних мембран, що веде до вивільнення лізосомальних ферментів, які руйнують клітини і сприяють розвитку запального процесу в суглобах. Крім дрібних суглобів, урати накопичуються в сухожиллях, хрящах, шкірі, деформуючи і порушуючи функцію суглобів. Відкладення уратів у нирках призводить до ниркової недостатності й нефролітіазису (утворення каменів у нирках). Сечова кислота виводиться через шлун- ково-кишковий тракт, ниркова екскреція становить приблизно дві третини від загальної екскреції. Сечова кислота, що виводиться в кишечник, під впливом бактерій перетворюється на СО2 і NH3. Звичайно рівень уратів у плазмі людей обмежується ступенем їхньої розчинності.

Разюче збільшення рівня уратів відбулося при еволюції приматів. Чому ж у людей рівень уратів настільки високий, що балансує на межі виникнення подагри? Виявляється, що урати мають корисну дію, вони дуже ефективні «прибиральники сміття» високоактивних і токсичних похідних кисню: радикалів гідроксилу, супероксиданіону, синглетного кисню та похідних гему. Збільшення рівня уратів у людей порівняно з нижчими приматами може сприяти значному збільшенню тривалості життя і зниженню кількості випадків раку в людей. Приклади урату і білірубіну показують, що деякі кінцеві продукти розпаду в організмі людини відіграють важливу роль як захисні агенти.

Одним з ефективних шляхів боротьби з подагрою є використання структурного аналога гіпоксантину — алопуринолу (атом Нітрогену з 7-го положення переміщений у 8-ме) — конкурентного інгібітора ксантиноксидази, внаслідок чого сечова кислота не утворюється, а нагромадження гіпоксантину не відбувається, тобто він має кращу розчинність і добре виводиться з організму.

Катаболізм піримідинових основ та урацилу

На I стадії відбувається відщеплення пентозофосфату, подальше його відновлення під дією НАДФН і перетворення на дигідроурацил, потім — розрив піримідинового кільця з утворенням СО2, аміаку та β -амінокислот.

NH4+ бере участь у синтезі сечовини; СО2 — виводиться з організму або бере участь у реакціях карбоксилювання. β -Аланін є кінцевим про-

дуктом розпаду урацилу, шляхом окисного розщеплення він може перетворюватися на напівальдегід малонової кислоти і малоніл-КоА, а також може бути використаний для біосинтезу пантотенової кислоти, КоА, карнозину, ансерину, колагену.

Розпад цитозину починається його дезамінуванням в урацил, надалі катаболізм іде по шляху катаболізму урацилу. Катаболізм тиміну аналогічний катаболізму урацилу, але супроводжується утворенням β -аміноізобутирату (рис. 12.3).

1-й етап

Нуклеотид НуклеотидазаНуклеозид + Рн

2-й етап

Розпад нуклеотидів на азотисті основи і пен- тозо-1-фосфат.

дегідрогеназа

+НАДФН + Н+

-НАДФ+

Дигідроурацил Дигідротимін

+НОН

-NH3 - CO2

Рис. 12.3. Розпад піримідинових нуклеотидів

Біосинтез пуринових нуклеотидів (de novo)

Пуринові нуклеотиди, що утворюються в результаті перетравлювання нуклеопротеїнів у шлунково-кишковому тракті, для синтезу нуклеїнових кислот у клітинах органів і тканин практично не використовуються. Синтез їх здійснюється з низькомолекулярних сполук екзогенного або ендогенного походження, які не лімітують утворення пуринових нуклеотидів. Єдиною незамінною сполукою екзогенного походження є тетрагідрофолієва кислота, що постачає формільні групи для синтезу пуринового кільця. Характерною рисою цього синтезу (de novo) є те, що починається він з активації фосфопентози, яка утворюється в пентозофосфатному шляху (ПФШ) (рис. 12.4).

Рибозо-5-Ф + АТФ пірофосфокіназа→

→ 5-фосфорибозил-1-пірофосфат(ФРПФ) + АМФ

Відбувається взаємодія ФРПФ із глутаміном, що є донором аміногрупи, і за участю ФРПФ-амі- дотрансферазиутворюється5-фосфорибозил-1-амін. Цей атом Нітрогену є 9-м атомом пуринової основи, що будується на «фундаменті» з фосфорибози.

Надалі до аміногрупи фосфорибозил-1-аміну за участю АТФ і Mg2+ приєднується молекула гліцину, що формує С4, С5 і N7 пуринового кільця, форміл-тетрагідрофолієвої кислоти, що дає С8, і глутаміну, що утворює N3, а також форміл-тетра- гідрофолієвої кислоти, що утворює С2, і аспаргінової кислоти, що утворює N1. Атом Карбону С6 має джерелом СО2. У результаті утворюється ІМФ

— попередник пуринових нуклеотидів. Перетворення ІМФ на ГМФ і АМФ відбу-

вається в такий спосіб (рис. 12.5): Перетворення АМФ і ГМФ на відповідні нук-

леозидди- і трифосфати перебігає за участю нуклеозидмонофосфат і нуклеозиддифосфаткіназ: