Материал: Курс занятий. Нуклеиновые кислоты

Р аспад нуклеиновых кислот, нуклеазы пищеварительного тракта и тканей.

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)– это биополимеры (полинуклеотиды), состоящие из мононуклеотидов, соединённых фосфодиэфирными связями.

ДНК хранит наследственную информацию, т.е. информацию о первичной структуре белков данного организма, а РНК (мРНК, тРНК и рРНК) её реализуют, т.е. участвуют в синтезе белков

ДНП и РНП чрез пищевод попадает в желудок, там, под действием агрессивных агентов - соляной кислоты и пепсинов расщепляются до полинуклеотидов. Дальше в ход вступают эндонуклеазы, образуются олигонуклеотиды и экзонуклеазы, ура, получили мононуклеотиды. Продукт мигрирует тонкий кишечник, нуклеотидазы синтезируют нуклеозиды.

Парам-пам-пам, в тканях нуклеозидазы образуют строй материалы - азотистые основания и пентозы (а их могут пустить пентозофосфатный путь)

Р аспад пуриновых нуклеотидов.

Образование пуриновых нуклеотидов (адениловой и гуаниловой кислот, АМФ и ГМФ) осуществляется из инозиновой кислоты (ИМФ).

Причем в синтезе обоих мононуклеотидов участвуют по два фермента, отличных по своему механизму действия. Образование ГМФ из ИМФ катализируют ИМФ-дегидрогеназа и ГМФ-синтетаза, а образование АМФ из того же предшественника катализируется последовательным действием аденилосукцинатсинтетазы и аденилосукцинатлиазы.

Общие принципы синтеза мононуклеотидов

1. Синтез идёт из простых предшественников (ак, углекислого газа и т.п.)

2. Синтезируются не отдельные азотистые основания, а нуклеотиды

3. Синтез протекает ферментативно, с затратой энергии

4. Синтезируются общие предшественники (для пуриновых нуклеотидов инозинмонофосфат – ИМФ, для пиримидиновых – уридинмонофосфат – УМФ)

БИОСИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ

П уриновый цикл синтезируется поэтапно путем присоединения необходимых фрагментов к рибозо-5-фосфату. В результате к моменту завершения построения цикла образуется готовый нуклеотид. Иными словами, синтез пуринов de novo не дает свободных пуриновых оснований - сразу образуются пуриновые нуклеотиды. Процесс присоединения к рибозо-5-фосфату называется риботтированием

П роисхождение атомов «с» и «n» в пуриновом кольце

Два атома азота (N-3 и N-9) пуринового кольца входили в состав амидной группы глутамина, третий атом азота (N-1) - аспарагиновой кислоты (аспартата), a (N-7) - глицина. Атомы углерода (С-4, С-5) входили в состав глицина, т. е. молекула глицина дает три атома. Атомы углерода С-2 и С-8 происходят из формиата, а шестой атом углерода из СО2.

Сначала образуются нуклеотиды с открытой цепью, а затем кольцо замыкается и образуется пуриновый нуклеотид.

Инозиновая кислота как предшественник пуриновых мононуклеотидов

Образование пуриновых нуклеотидов (адениловой и гуаниловой кислот, АМФ и ГМФ) осуществляется из инозиновой кислоты (ИМФ). Причем в синтезе обоих мононуклеотидов участвуют по два фермента, отличных по своему механизму действия. Образование ГМФ из ИМФ катализируют ИМФ-дегидрогеназа и ГМФ-синтетаза, а образование АМФ из того же предшественника катализируется последовательным действием аденилосукцинатсинтетазы и аденилосукцинатлиазы.

Распад пиримидиновых нуклеотидов

Р аспад пиримидиновых нуклеотидов происходит в ряде реакций:

1.Отщепление 5'-фосфатной группы от ЦМФ, УМФ и ТМФ фермент 5'-нуклеотидаза.

2.Окислительное дезаминирование цитидина – аденозин-дезаминаза.

3.Дерибозилирование уридина и тимидина – нуклеозид-фосфорилаза.

4.Восстановление урацила и тимина – дегидрогеназа.

5.Гидролитическое расщепление пиримидинового кольца дигидропиримидиназой.

6.Отщепление аммиака и углекислого газа.

7.Вовлечение β-аминокислот в реакции трансаминирования,

изомеризации и далее в ЦТК

Б иосинтез пиримидиновых нуклеотидов .Регуляция биосинтеза пуриновых и пиримидиновых мононуклеотидов.

Регуляция синтеза пиримидиновых нуклеотидов

Регуляторным ферментом в синтезе пиримидиновых нуклеотидов является полифункциональный КАД-фермент. УМФ и УТФ ал-лостерически ингибируют, а ФРДФ активирует его карбамоилсинтетазную активность, тогда как активность аспартаттранскарбамоилазного домена ингибирует ЦТФ, но активирует АТФ

Этот способ регуляции позволяет предотвратить избыточный синтез не только УМФ, но и всех других пиримидиновых нуклеотидов и обеспечить сбалансированное образование всех четырёх основных пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, необходимых для синтеза РНК.

Регуляция синтеза пуиновых нуклеотидов

Основным показателем, от которого зависит синтез пуриновых нуклеотидов, служит концентрация ФРДФ, которая, в свою очередь, зависит от скорости его синтеза, утилизации и разрушения. Количество ФРДФ определяется доступностью рибозо-5-фосфата и активностью ФРДФ синтетазы - фермента, чувствительного к концентрации фосфата и пуриновых нуклеотидов.

Внутриклеточная концентрация ФРДФ строго регулируется и обычно низкая. ФРДФ синтета-за - аллостерический фермент. Он активируется неорганическим фосфатом (P_i) и ингибируется пуриновыми нуклеозидмоно-, ди- и трифосфатами, которые по эффективности ингибирования распределяются в следующем порядке: НМФ > НДФ > НТФ. ФРДФ служит не только субстратом, но и аллостерическим активатором второй реакции синтеза пури-нонуклеотидов de novo, которую катализирует амидофосфорибозилтрансфераза.Пуриновые нуклеотиды, особенно АМФ и ГМФ по механизму отрицательной обратной связи ингибируют амидофосфорибозилтрансфе-разу, которая катализирует первую специфическую реакцию синтеза пуриновых нуклеотидов de novo.

Биосинтез дезоксирибонуклеотидов

С интез дезоксирибонуклеотидов идёт с заметной скоростью только в тех клетках, которые вступают в S-фазу клеточного цикла и готовятся к синтезу ДНК и делению. В покоящихся клетках дезоксинуклеотиды практически отсутствуют. Все дезоксинуклеотиды, кроме тимидиловых, образуются из рибонуклеотидов путём прямого восстановления ОН-группы у второго углеродного атома рибозы в составе рибонуклеозидди-фосфатов до дезоксирибозы.

Реакцию восстановления НДФ в дезокси-про-изводные катализирует рибонуклеотидредуктаз-ный комплекс, в состав которого входят: собственно рибонуклеотидредуктаза (РНР), белок тиоредоксин и фермент тиоредоксинредуктаза, обеспечивающий регенерацию восстановленной формы тиоредоксина Рибонуклеотидредуктаза - олигомерный белок, состоящий из двух В1- и двух В2-субъеди-ниц, и содержит негеминовое железо в качестве кофактора.

Непосредственным донором водорода в реакции восстановления рибозы служит низкомолекулярный белок тиоредоксин. В рабочую часть этого белка входят 2 SH-группы, которые, отдавая водород, окисляются с образованием дисульфидного мостика. Второй фермент комплекса - тиоредоксинредуктаза - катализирует гидрирование окисленного тиоредоксина с использованием NADPH.

Применение ингибиторов синтеза дезоксирибонуклеотидов для лечения злокачественных опухолей

В терапии инфекционных и онкологических болезней, научных исследованиях в области медицины и биологии часто используют синтетические аналоги пуринов и пиримидинов. Введение в организм животного или человека аналога, имеющего изменения в структуре гетероциклического кольца или углеводной компоненты, угнетает активность ферментов, участвующих в метаболизме нуклеотидов, скорость синтеза РНК или ДНК из-за нарушения комплементарных взаимодействий азотистых оснований и роста полинуклеотидных цепей. Аналоги пуринов, пиримидинов и их нуклео-зиды нашли применение в качестве антибактериальных, противовирусных и химиотерапевтических средств.

Синтезировано очень много аналогов дНТФ, которые включаются ДНК полимеразами в ДНК и ингибируют репликацию. К числу мощных противоопухолевых препаратов принадлежит 5-фторурацил (5-FU) - аналог урацила.

Цитозинарабинозид (или цитарабин) представляет собой соединение, в котором остаток рибозы замещён на стериоизомер - арабинозу. Оно используется в химиотерапии рака, в частности, при острой миелоцитарной лейкемии.

В организме препарат может превращаться в дНТФ, ингибировать ДНК полимеразы и снижать скорость репликации.

Аналоги фолиевой кислоты. В обмене нуклеотидов производные Н4-фолата как доноры одноуглеродных групп участвуют в формировании пуринового гетероциклического кольца и в ключевой реакции синтеза дТМФ из дУМФ, катализируемой тимидилатсинтазой.

В последнем случае N5, N10-метилен-Н4-фолат служит донором метильной группы и в ходе реакции превращается в Н2-фолат. Для активного синтеза тимидиловых нуклеотидов Н2-фолат должен повторно использоваться, проходя стадию восстановления в Н4-фолат.

Нарушения обмена нуклеотидов

Нарушение синтеза пиримидинов – оротацидурия – дефект ОМФ-декарбоксилазы (недостаток синтеза пиримидиновых

нуклеотидов, снижение синтеза нуклеиновых кислот)

Нарушения обмена пуринов:

– ксантинурия – дефект ксантиноксидазы (увеличение содержания ксантина в моче, образование ксантиновых камней)

– подагра

– синдром Лёша-Нихана

ОРОТАЦИДУРИЯ

Это нарушение синтеза пиримидинов. Оно вызвано снижением активности УМФ-синтазы, которая катализирует образование и декарбоксилирование ОМФ. Поскольку в эмбриогенезе от образования пиримидинов зависит обеспечение синтеза ДНК субстратами, то жизнь плода невозможна при полном отсутствии активности этого фермента. Очень низкая активность УМФ-синтазы. Установлено, что содержание оротовой кислоты в моче пациентов (1 г/сут и более) значительно превосходит количество оротата, которое ежедневно синтезируется в норме (около 600 мг/сут). Снижение синтеза пиримидиновых нуклеотидов, наблюдающееся при этой патологии, нарушает регуляцию КАД-фермента по механизму ретроингибирования, из-за чего возникает гиперпродукция оротата.

Клинически наиболее характерное следствие оротацидурии - мегалобластная анемия, вызванная неспособностью организма обеспечить нормальную скорость деления клеток эритро-цитарного ряда. Её диагностируют у детей на том основании, что она не поддаётся лечению препаратами фолиевой кислоты. Недостаточность синтеза пиримидиновых нуклеотидов сказывается на интеллектуальном развитии, двигательной способности и сопровождается нарушениями работы сердца и ЖКТ. Нарушается формирование иммунной системы, и наблюдается повышенная чувствительность к различным инфекциям.

КСАНТИНУРИЯ

(xanthinuria; ксантин +греч. uron моча) -- наследственная болезнь, обусловленная недостаточностью фермента ксантиноксидазы и характеризующаяся нарушением пуринового обмена; проявляется рецидивирующей гематурией и болями в поясничной области, повышением содержания ксантина в плазме крови и моче.

Симптомы: Ксантин является непосредственным предшественником мочевой кислоты. Он образуется из некоторых пуринов, в то время как гипоксантин относится к промежуточным продуктам. Окисление гппоксантипа в ксантин, а последнего в мочевую кислоту опосредуется ксантиноксидазой, выявленной в печени и слизистой оболочке кишечника.

Встречаемость: редко. Уровень мочевой кислоты в сыворотке больных (1 - 8 мг/л) обычными методами не выявляется. Низкий уровень гипоксантина отмечается как в крови, так и в моче. При потреблении продуктов, не содержащих пуринов, мочевая кислота прекращает экстретироваться. Ксантин даже менее растворим в моче, чем мочевая кислота; соответственно у некоторых больных с ксантинурией образуются мочевые камни, состоящие из чистого ксантина

ПОДАГРА

Гиперурикемия - увеличение концентрации мочевой кислоты в крови. И вследствие может развиться подагра - заболевание, при котором кристаллы мочевой кислоты и уратов откадываются в суставных хрящах, синовиальной оболочке, подкожной клетчатке, с образование подагрических узлов, или тофусов.

Сопровождается повторением приступов острого воспаления суставов -острого подагрического артрита.

Но это еще не всё! Лейкоциты устраивают ном-ном-ном кристаллам урата. Те, в свою очередь, способны разрушать мембраны лизосом. Лизосомальные ферменты, подобно динозаврам "Мира Юрского Периода", выбираются в цитозоль и начинают разрушение клетки, а продукты клеточного катаболизма вызывает воспаление.

ФРДФ синтетаза - фермент-стахановец, который смутно понимает, что все должно быть в меру. И поэтому он синтезирует мочевую кислоту в ОГРОМНЫХ количествах, не смотря на потребности клетки. И возникает подагра.

Гипоксантин-гуганинфосфорибозилтрансфераза, фермент-инвалид, а вот это звено не справляется со своей работы и происходит накопление мочевой кислоты в клетке, что также вызывает подагру.

Основным препаратом, используемым для лечения гиперурикемии, является аллопуринол - структурный аналог гипоксантина.

Аллопуринол оказывает двоякое действие на обмен пуриновых нуклеотидов:

• ингибирует ксантиноксидазу и останавливает катаболизм пуринов на стадии образования гипоксантина, растворимость которого почти в 10 раз выше, чем мочевой кислоты. Действие препарата на фермент объясняется тем, что сначала он, подобно гипоксантину, окисляется в гидроксипуринол, но при этом

• остаётся прочно связанным с активным центром фермента, вызывая его инактивацию; с другой стороны, будучи псевдосубстратом, аллопуринол может превращаться в нуклеотид по «запасному» пути и ингибировать ФРДФ синтетазу и амидофосфорибозил-трансферазу, вызывая торможение синтеза пуринов de novo. При лечении аллопуринолом детей с синдромом Лёша-Нихена удаётся предотвратить развитие патологических изменений в суставах и почках, вызванных гиперпродукцией мочевой кислоты, но препарат не излечивает аномалии в поведении, неврологические и психические расстройства.