Распад пиримидиновых мононуклеотидов

Распад пиримидиновых мононуклеотидов в клетках начинается с гидролитического отщепления остатка фосфорной кислоты и превращения его в нуклеозид. После этого происходит восстановление пиримидинового кольца нуклеозида с образованием соответствующего дигидропиримидина (рис. 138). Под действием фермента дигидропиримидиндегидрогеназы образуются дигидропиримидиновые производные азотистых оснований (дигидроурацил, дигидротимин, дигидроцитозин). Затем, под действием дигидропиримидингидролазы происходит разрыв пиримидинового кольца с образованием b-уреидопропионовой (в процессе катаболизма уридина и цитидина) или b-уреидоизомасляной кислоты (в процессе катаболизма дезокситимидина).

Рисунок 138 – Распад пиримидиновых нуклеотидов

(уридин-5-монофосфата)

Конечными продуктами распада цитидина и уридина являются b-ала-нин и свободный аммиак, а дезокситимидина – b-аминоизомасляная кислота и аммиак. В дальнейшем аммиак утилизируется в орнитиновом цикле с образованием мочевины.

Распад пуриновых мононуклеотидов

Распад пуриновых мононуклеотидов, также как и пиримидиновых, начинается с их дефосфорилирования под действием неспецифических фосфатаз, в результате чего образуются нуклеозиды.

Образовавшиеся нуклеозиды далее подвергаются дезаминированию с последующим фосфолитическим расщеплением гликозидной связи

(рис. 139). В результате этих превращений происходит образование рибозо-1-фосфата, а также окисленного азотистого основания – ксантина (при распаде ГМФ) или гипоксантина (при распаде АМФ). Впоследствии эти промежуточные продукты распада пуриновых нуклеозидов подвергаются окислительно-восстановительным превращениям под действием фермента ксантиноксидазы. Ксантиноксидаза представляет собой флавиновый энзим.

Рисунок 139 – Образование мочевой кислоты в процессе распада

пуриновых нуклеотидов (аденозин-5-монофосфорной кислоты)

Конечным продуктом окисления пуринов в ксантиноксидазной реакции в организме человека и животных является мочевая кислота. У других представителей животного мира мочевая кислота подвергается дальнейшим превращениям, в результате которых в качестве конечных продуктов распада образуются мочевина и глиоксиловая кислота (рис. 140).

Рисунок 140 – Распад мочевой кислоты до конечных продуктов обмена

Синтез нуклеиновых кислот

Молекулы ДНК и РНК имеют характерные структурные и функциональные различия. По этой причине существенно различаются и процессы их образования в клетке. Вместе с тем образование ДНК и РНК происходит при помощи особого механизма – матричного синтеза, который лежит в основе переноса генетической информации.

Синтез ДНК (репликация)

Как обсуждалось в гл. 4, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, объединенных в единую молекулу за счет многочисленных связей, возникающих между парами комплементарных азотистых оснований мононуклеотидов. ДНК локализуется в ядре клеток в комплексе с определенными ядерными белками, формируя особую субстанцию – хроматин.

Функция ДНК заключается в хранении генетической информации. Процесс ее передачи тесно связан с удвоением (репликацией) ДНК. В процессе репликации происходит построение новых дочерних полинуклеотидных цепей на исходных материнских ”матрицах” ДНК.

Для прохождения процесса репликации необходимо чтобы отдельные нити развернулись и на каждой из них, как на матрице, произошло построение комплементарной дочерней полинуклеотидной цепи. В клетках человека и животных образовавшаяся дочерняя цепь объединяется с материнской. При этом происходит обновление молекулы ДНК наполовину. Подобный тип репликации получил название “полуконсервативный” (рис. 141). Для микроорганизмов характерен консервативный тип репликации.

Рисунок 141 – Типы репликации: а – консервативный, б- полуконсервативный,

(тонкими линиями обозначены дочерние полинуклеотидные цепи ДНК)

Процесс репликации начинается с раскручивания двойной спирали ДНК. В нем принимает участие целый ряд белковых факторов. Особое значение среди них приобретает фермент хеликаза. Этот энзим обеспечивает разрыв водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями в соседних полинуклеотидных цепях ДНК. Разрыв каждой пары азотистых оснований требует затраты энергии, которая покрывается за счет гидролиза двух молекул АТФ (рис. 142).

Рисунок 142 – Строение репликативной вилки

После расплетения небольшого участка молекулы ДНК к каждой освободившейся полинуклеотидной цепи присоединяются молекулы ДНК – связывающего белка, препятствующего обратному соединению комплементарных пар азотистых оснований.

Расплетение цепей ДНК идет с очень большой скоростью. Экспериментально установлено, что угловая скорость вращения расплетающихся полинуклеотидных цепей близка к 4500 об/мин. Настолько большая ее величина создает реальную угрозу для механического повреждения хрупкой молекулы ДНК.

Защита ДНК и всей хромосомы от высокой скорости вращения обеспечивается благодаря ферменту топоизомеразы. Этот энзим производит временный разрыв одной из полинуклеотидных цепей (3'5'-фос-фодиэфирной связи) в непосредственной близости от участка расплетения, после чего вновь сшивает ее.

Процесс раскручивания ДНК начинается сразу в нескольких участках полинуклеотидной цепи. В связи с этим, репликация одновременно происходит в нескольких участках молекулы ДНК.

Синтез дочерней молекулы ДНК обеспечивается ферментом ДНК-зависимой ДНК-полимеразой. Фермент представляет олигомерный белок – металлоэнзим. В состав его активного центра входит атом цинка.

ДНК-полимераза катализирует присоединение дезоксирибонуклеотидных остатков к молекуле ДНК, используя при этом в качестве субстрата дезоксинуклеозидтрифосфаты (dНТФ).

Для осуществления процесса репликации одновременно требуются все входящие в структуру ДНК дезоксирибонуклеотиды в форме дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (dATФ, dГТФ, dЦТФ и dТТФ). В случае отсутствия хотя бы одного из них репликации не происходит.

ДНК-полимераза катализирует реакцию присоединения 2’-дезок-сирибонуклеотидных остатков к свободному 3'-гидроксильному концу предшествующей (затравочной) ДНК. Таким образом, синтез полинуклеотидной цепи идет в направлении 5' —–> 3'. Энергия, необходимая для образования фосфодиэфирной связи, выделяется при расщеплении макроэргической фосфатной связи между а- и b-остатками фосфорной кислоты в дезоксирибонуклеозидтрифосфате (dNTP).

ДНК-полимеразная реакция схематически может быть представлена как

Важным условием для функционирования ДНК-полимеразы является присутствие в среде предшествующей ДНК, имеющей двухцепочную структуру. Эта ДНК выполняет одновременно две функции: она является затравкой для синтеза и матрицей, несущей информацию о строении строящейся дочерней цепи. Обе эти функции выполняют разные цепи. ДНК-полимераза обеспечивает достраивание затравочной цепи в направлении 5' –—> 3' на матричной цепи предшествующей ДНК.

Благодаря тому, что ДНК-полимераза обладает векторным действием, т.е. присоединяет нуклеотидные остатки в строго определенном направлении (5' –—> 3'), а цепи ДНК антипараллельны, репликация одной из цепей идет непрерывно по мере раскручивания ДНК (рис. 143). Эта цепь называется ведущей. Вторая дочерняя цепь синтезируется в направлении противоположном раскручиванию нитей ДНК, и поэтому прерывисто, короткими фрагментами по несколько сотен нуклеотидных остатков. Возникающие полинуклеотидные фрагменты получили название “фрагмент Оказаки”.

Рисунок 143 – Схема направления построения дочерних

цепей ДНК в процессе репликации

Для образования “фрагмента Оказаки” сначала в качестве затравки используются короткие фрагменты РНК, которые строятся комплементарно матричной ДНК с помощью фермента примазы. РНК-затравка имеет небольшие размеры и включает в свой состав лишь несколько нуклеотидных остатков. К 3'-концу образовавшейся затравочной РНК далее при помощи ДНК-полимеразы присоединяются дезоксирибонуклеотиды, комплементарные материнской ДНК. Соединяясь друг с другом в короткие полинуклеотидные цепи они образуют “фрагменты Оказаки”.

После завершения образования “фрагмента Оказаки”, РНК-затравка удаляется с помощью ДНК-полимеразы. Оказывается этот фермент обладает не только полимеразной, но и зкзонуклеазной активностью. ДНК-полимераза последовательно удаляет рибонуклеотидные остатки, отщепляя их от затравочного фрагмента в направлении 5'→ 3'. По мере отщепления рибонуклеотидов происходит их замещение на дезоксирибонуклеотиды.

После образования “фрагментов Оказаки”, происходит их объединение с помощью ДНК-лигазы. Этот фермент катализирует образование 3'-5'-фосфодиэфирной связи между концевыми мононуклеотидами соседних фрагментов. ДНК-лигазная реакция знергозависима. Ее энергетическое обеспечение происходит за счет пирофосфоролитического расщепления АТФ.

По мере того как ликвидируются разрывы в отстающей цепи между фрагментами Оказаки, вновь синтезированные дочерние цепи ДНК соединяются с материнскими цепями – матрицами по принципу комплементарности. При этом возникают две двойные спирали. Каждая из них содержит по одной материнской и одной дочерней цепи. Образование новых спиралей идет спонтанно, без использования ферментов и затраты энергии.

В клетках существует несколько разновидностей ДНК-полимераз, хотя не все они принимают участие в удвоении ДНК. Помимо этих энзимов, в репликации участвует еще больше двух десятков белковых факторов, которые объединяются в единую ДНК-репликазную систему.

Процесс репликации характеризуется высокой степенью точности матричного синтеза. В большей мере это обусловлено многофункциональностью ДНК-полимеразы. Данный энзим не только обеспечивает рост дочерней полинуклеотидной цепи, но и “проверяет” правильность встраивания в нее мононуклеотидов. ДНК-полимераза “обнаруживает” неправильно встроенные мононуклеотиды, вырезает их и встраивать на их место новые, “правильные” мононуклеотиды. Благодаря этому частота ошибок в процессе построения дочерней полинуклеотидной цепи составляет не больше одной на 10¹⁰ нуклеотидных пар, что обеспечивает высокую точность копирования генетической информации, а значит и возможность сохранения вида.