Лекции по "Химии"

1.Структура, классификация и биологическая  роль нуклеотидов. 

Нуклеотиды – это соединения, находящиеся в составе нуклеиновых кислот, многих коферментов и прочих биологических соединениях, находящихся во всех клетках живых организмов и хранят в себе информацию о структуре белка, наследуемых признаках и осуществляют контроль над процессами роста, репродукции и метаболизма. 

Каждый отдельный нуклеотид состоит из пуринового или пиримидинового азотистого основания, остатка фосфорной кислоты и углевода (дезоксирибозы и рибозы). 

Биологическая роль

1. Универсальный  источник энергии (АТФ и его  аналоги).

2. Являются  активаторами и переносчиками  мономеров в клетке(УДФ-глюкоза)

3. Выступают  в роли коферментов (ФАД, ФМН, НАД+, НАДФ+)

4. Циклические  мононуклеотиды являются вторичными  посредниками при действии гормонов  и других сигналов(цАМФ, цГМФ).

5. Аллостерические  регуляторы активности ферментов.

6. Являются  мономерами в составе нуклеиновых  кислот, связанные 3'-5'- фосфодиэфирными связями.

В отличие от рибонуклеотидов (РНК – рибонуклеиновая кислота) для обозначения дезоксирибонуклеотидов (ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота) перед названием нуклеотидов в большинстве случаев ставят букву «д», к примеру, дАМФ. Соединения, которые состоят из остатков двух нуклеотидов, имеют название динуклеотиды, а состоящие из трех нуклеотидов называются тринуклеотидами. Соединения, включающие небольшое число нуклеотидов называют олигонуклеотидами, а состоящие из большого числа остатков – полинуклеотидами, или же нуклеиновыми кислотами.

2.Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов, механизмы их регуляции.

В клетках животных и в микроорганизмах конечными продуктами синтеза также не являются свободные пиримидиновые основания и остаток рибозы присоединяется к уже сформировавшемуся пиримидиновому кольцу. Синтез начинается с элементарных уровней (СО2, NH3, аспартат), и специфическую ключевую роль выполняет оротовая кислота. Последовательность химических реакций синтеза пиримидиновых нуклеотидов, в частности УМФ, можно представить в следующем виде: 
 

I стадия синтеза УМФ включает катализируемое цитолазматической карбамоилфосфатсинтетазой образование карбамоилфосфата из глутамина.

На II стадии карбамоилфосфат реагирует с аспартатом, в результате чего образуется N-карбамоиласпарагиновая кислота. Последняя подвергается циклизации (под действием дигидрооротазы) с отщеплением молекулы воды, при этом образуется дигидрооротовая кислота, которая, подвергаясь дегидрированию, превращается в оротовую кислоту. В этой

реакции участвует специфический НАД-содержащий фермент дигидрооротатдегидрогеназа. Оротовая кислота обратимо реагирует с ФРПФ, являющимся донатором рибозо-фосфата, с образованием оротидин-5'-фосфата (ОМФ).

Декарбоксилирование последнего приводит к образованию первого пиримидинового нуклеотида – уридин-5-фосфата (УМФ).

Превращение УМФ в УДФ и УТФ осуществляется, как и пуриновых нуклеотидов, путем фосфотрансферазных реакций:

УМФ + АТФ <=> УДФ + АДФ;

УДФ + АТФ <=> УТФ + АДФ

ЦТФ образуется из УТФ под действием ЦТФ-синтетазы, которая, используя энергию АТФ, замещает кетогруппу урацила на амидную группу Глн:

УТФ + Глн + АТФ → ЦТФ + Глу + АДФ + Н3РО4

Биосинтез цитидиловых нуклеотидов.

Предшественником цитидиловых нуклеотидов является УТФ, который превращается в ЦТФ:

 У прокариот в этой реакции используется преимущественно свободный аммиак, в то время как в клетках животных ЦТФ-синтетаза катализирует включение амидной группы глутамина в 4-е положение пиримидинового кольца УТФ. Следует отметить, что образующийся ЦТФ служит отрицательным эффектором регуляторного аллостерического фермента ас-партаткарбамоилтрансферазы, ингибируя по типу обратной связи начальную стадию биосинтеза пиридиновых нуклеотидов. АТФ предотвращает это ингибирование.

Биосинтез тимидиловых нуклеотидов.

 Тимидиловые нуклеотиды входят в состав ДНК, содержащей дезоксирибозу. Поэтому сначала рассмотрим механизмы синтеза дезоксирибонуклеотидов. При помощи метода меченых атомов было показано, что этот синтез начинается не со свободной дезоксирибозы, а путем прямого восстановления рибонуклеотидов у 2'-го атома углерода. При инкубации меченых предшественников (рибонуклео-тидов) в бесклеточной системе бактерий метку обнаружили в составе дезоксирибонуклеотидов. По данным П. Рейхарда, у Е. coli все 4 рибо-нуклеозиддифосфата восстанавливаются в соответствующие дезоксиана-логи: dАДФ, dГДФ, dЦДФ, dУДФ – при участии сложной ферментной системы, состоящей по меньшей мере из четырех разных ферментов.

 
Химический смысл превращения рибонуклеотидов в дезоксирибо-нуклеотиды сводится к элементарному акту – восстановлению рибозы в 2-дезоксирибозу, требующему наличия двух атомов водорода. Непосредственным источником последних оказался восстановленный термостабильный белок тиоредоксин, содержащий две свободные SH-группы на 108 аминокислотных остатков. Тиоредоксин легко окисляется, превращаясь в дисульфидную S-S-форму. Для его восстановления в системе имеется специфический ФАД-содержащий фермент тиоредоксинредуктаза (мол. масса 68000), требующая наличия восстановленного НАДФН. Обозначив условно рибонуклеозиддифосфат РДФ, образование дезоксирибонуклеотидов можно представить следующим образом

Обе стадии могут быть представлены в виде схемы:

Для синтеза тимидиловых нуклеотидов, помимо дезоксирибозы, требуется также метилированное производное урацила – тимин. Оказалось, что в клетках имеется особый фермент тимидилатсинтаза, катализирующая метилирование не свободного урацила, а dУМФ; реакция протекает по уравнению: 
 

Донором метильной группы в тимидилатсинтазной реакции является N5,N10-метилен-ТГФК, которая одновременно отдает и водородный протон, поэтому одним из конечных продуктов реакции является не тетра-гидро-, а дигидрофолиевая кислота (ДГФК). Последняя вновь восстанавливается до ТГФК под действием НАДФН-зависимой дигидрофолат-редуктазы. Из образовавшегося ТМФ путем фосфотрансферазных реакций образуются dТДФ и dTТФ. Регенерация N5,N10–СН2–ТГФК, собственно ее биосинтез, представляет определенный интерес. Оказалось, что этот синтез требует участия аминокислоты серина (донатор метильной группы) и пиридоксальфосфат-содержащего фермента сериноксиметилтрансферазы в соответствии с уравнением: 
 

Синтез всех остальных дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфатов, непосредственно участвующих в синтезе ДНК, также осуществляется путем фосфорилирования дезоксирибонуклеозид-5'-дифосфатов в присутствии АТФ:

 АТФ + dАДФ –> АДФ + dATФ; АТФ + dЦДФ –> АДФ + dЦТФ;

 АТФ + dГДФ –> АДФ + dГТФ; АТФ + dТДФ –> АДФ + dТТФ.

 Далее на двух схемах  суммированы данные о взаимопревращениях  пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, а также о связи их с синтезом  нуклеиновых кислот. Как видно  из схем, в образовании пуриновых  и пиримидиновых нуклеотидов  специфическое участие принимает  ФРПФ, являющийся донором фосфорибозильного остатка в биосинтезе как оро-тидин-5'-фосфата, так и ИМФ; последние считаются ключевыми субстратами в синтезе нуклеиновых кислот в клетках 
 

3. Распад пиримидиновых нуклеотидов.

Как видно из приведенной схемы, начальные этапы реакции распада пиримидиновых нуклеотидов катализируются специфическими ферментами; конечными продуктами реакции являются СO2, NH3, мочевина, β-аланин и β-аминоизомасляная кислота. Следует указать, что гидролитический путь распада пиримидинов является, очевидно, главным путем образования β-аланина, который может служить источником для синтеза ансерина и карнозина (см. Биохимия мышц), а также для образования коэнзима А. Известно, кроме того, что β-аланин в животных тканях подвергается дальнейшему распаду. В частности, в тканях животных открыта специфическая трансаминаза, катализирующая трансаминирование между β-аланином и пировиноградной кислотой. В процессе этой обратимой реакции синтезируются β-аланин и формилацетат (полуальдегид малоновой кислоты):

Образовавшийся формилацетат далее подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием углекислоты и ацетил-КоА:

4. СИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ МОНОНУКЛЕОТИДОВ (АМФ и ГМФ)

 

Существует 10 общих и 2 специфических стадии. В результате общих реакций образуется пуриновый мононуклеотид, являющийся общим предшественником будущих АМФ и ГМФ – инозинмонофосфат (ИМФ). ИМФ в качестве азотистого основания содердит гипоксантин.

Пуриновое кольцо строится из СО2, аспарагиновой кислоты, глутамина, глицина и серина. Эти вещества либо полностью включаются в пуриновую структуру, или передают для ее построения отдельные группировки.

Аспарагиновая кислота отдает аминогруппу и превращается в фумаровую кислоту.

Глицин: 1) полностью включается в структуру пуринового азотистого основания; 2) является источником одноуглеродного радикала.

Серин: тоже является донором одноуглеродного радикала.

ФРПФ + глутамин -------> глутамат + ФФ + фосфорибозиламин

Фермент, который катализирует эту реакцию, называется фосфорибозиламидотрансфераза. Он является ключевым ферментом синтеза всех пуриновых мононуклеотидов. Регулируется по принципу отрицательной обратной связи. Аллостерическими ингибиторами этого фермента являются АМФ и ГМФ.

На второй стадии фосфорибозиламин взаимодействует с глицином.

Третья стадия - включение углеродного атома, донором которого является глицин или серин.

Затем достраивается шестичленный  фрагмент  пуринового кольца:

    4-ая стадия - карбоксилирование с помощью активной формы СО2 при участии витамина Н - биотина.

    5-ая стадия - аминирование с участием аминогруппы из аспартата.

    6-ая стадия - аминирование за счет аминогруппы глутамина.

    7-ая, заключительная  стадия - включение одноуглеродного  фрагмента (с участием ТГФК), и  образуется готовый ИМФ.

 Затем протекают специфические реакции, в результате которых ИМФ превращается либо в АМФ, либо в ГМФ. При таком превращении в молекуле появляется аминогруппа, причем в случае превращения в АМФ - на месте ОН-группы. При образовании АМФ источником азота является аспарагиновая  кислота, а для образования ГМФ необходим глутамин.

Далее из НМФ образуются НДФ и НТФ с помощью АТФ. Затраты АТФ на синтез нуклеотидов de novo очень велики. Этот способ синтеза является энергетически невыгодным.

В некоторых тканях есть альтернативный способ синтеза – реутилизация (повторное использование) пуриновых азотистых оснований, которые образовались при распаде нуклеотидов.

 

Ферменты, катализирующие реакции реутилизации, наиболее активны в быстроделящихся клетках (эмбриональные ткани, красный костный мозг, раковые клетки), а также в тканях головного мозга. На схеме видно, что фермент гуанингипоксантинФРПФтрансфераза обладает более широкой субстратной специфичностью, чем аденинФРПФтрансфераза – помимо гуанина, может переносить и гипоксантин - образуется ИМФ. У человека встречается генетический дефект этого фермента - “болезнь Леша-Нихана”. Для таких больных характерны выраженные морфологические изменения в головном и костном мозге, умственная и физическая отсталость, агрессия, аутоагрессия. В эксперименте на животных синдром аутоагрессии моделируется путем скармливания им кофеина (пурина) в больших дозах, который ингибирует процесс реутилизации гуанина.

5. Распад пуриновых оснований

Распад пуриновых оснований происходит путём их гидролитического дезаминирования без разрыва пуринового кольца с образованием мочевой кислоты.

Распад пуриновых оснований происходит не в свободном виде, а в составе нуклеозидов.

У взрослого человека экскретируется 0,5-1,5 г мочевой кислоты в сутки, азот которой составляет 3,5% всего выводимого азота. У детей относительная доля мочевой кислоты выше, чем у взрослых, на её азот приходится до 8,5%. В крови взрослых людей содержание мочевой кислоты равно 0,1-0,3(0,4) ммоль/л, у детей - до 0,47 ммоль/л.Мочевая кислота является антиоксидантом, в детском возрасте стимулирует развитие головного мозга. Мочевая кислота может присутствовать в тканях и в крови как в свободной форме (плохо растворимой в воде), так и в виде солей (более растворимых в воде). Повышение концентрации мочевой кислоты в крови - гиперурекимия. На её фоне могут развиваться подагра и почечнокаменная болезнь. При подагре кристаллы мочевой кислоты откладываются в околосуставных тканях в виде подагрических узлов. При почечнокаменной болезни кристаллы мочевой кислоты формируют камни в мочевыводящих путях.

К нарушениям распада пуриновых оснований относят некоторые иммунодефициты. При отсутствии аденозиндезаминазы развивается Т- и В – иммунодефицит, а отсутствии нуклеозидфосфорилазы возможен В - иммунодефицит.

Для уменьшения гиперурекемии используют препараты – аналоги пуриновых оснований (например, аллопуринол), которые угнетают фермент ксантиноксидазу и блокируют образование мочевой кислоты.

• Распад пуринов происходит в основном в  печени, где в значительных  количествах обнаруживается фермент ксантиноксидаза, участвующая в превращении пуринов в мочевую кислоту – конечный продукт катаболизма пуринов.
• Первоначально от пуриновых нуклеотидов гидролитически отщепляется остаток фосфорной кислоты  и остаются нуклеозиды – аденозин и гуанозин.
• Нуклеозиды дезаминируют (отщепляется NН2 – группа) и далее расщепляются до свободных азотистых оснований  и рибозо – 1 – фосфата.

 

 

 

Ксантиноксидаза используя О2  окисляет пуриновые основания в мочевую кислоту с образованием пероксида водорода.

• Ксантиноксидаза – аэробная оксидоредуктаза, металлоэнзим, простетическая группа которой включает ион  молибдена, железа (Fe3+) и кофермент ФАД.

Мочевая кислота – конечный продукт распада пуринов

• Мочевая кислота плохо растворима в воде,  удаляется главным образом, с мочой и небольшое количество через кишечник.
• В норме содержание мочевой кислоты в сыворотке крови 0,03 – 0,07 г/сутки.
• Если > 0,09 г/л – 100% подагра.
• Из организма в сутки выводится