Обмен нуклеиновых кислот

      Особенностью  посттранскрипционной модификации  рибосомальной РНК (р-РНК) является метилирование азотистых оснований.

      При синтезе транспортной РНК (т-РНК) к  концу каждой молекулы присоединяется последовательность из трех мононуклеотидов: ЦМФ-ЦМФ-АМФ (ЦЦА). Эта последовательность необходима для присоединения аминокислоты к т-РНК.

СИНТЕЗ  МОНОНУКЛЕОТИДОВ

      Для синтеза нуклеотидов требуется  активная форма рибозо-фосфата - фосфорибозилпирофосфат (ФРПФ).

      Особенностью  синтеза пуриновых нуклеотидов является  то, что их структура пуринового азотистого основания постепенно достраивается на рибозофосфате.

      При синтезе пиримидиновых мононуклеотидов сначала образуется циклическа структура азотистого основания, а затем в готовом виде присоединяется к рибозофосфату. 

СИНТЕЗ  ПУРИНОВЫХ МОНОНУКЛЕОТИДОВ

      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.

      Глутамин  отдает амидную группу и превращается в глутаминовую кислоту.

      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 ФРПФ-амин 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).

  Образуется пуриновая структура только на рибозо-фосфате. Предшественник всех пуриновых мононуклеотидов - инозинмонофосфат (ИМФ) или инозиновая кислота. Азотистое основание в ИМФ называется гипоксантин.

      Активный  С₁ извлекается из глицина или серина с помощью фермента, в небелковой части которого содержится производное витамина В_c - фолиевой кислоты. Фолиевая кислота два раза восстанавливается в организме (к ней присоединяется водород).

      ТГФК  является коферментом ферментов, переносящих  одноуглеродные радикалы.

      НАДН₂, который образуется в обратной реакции, может быть использован для восстановления пирувата в лактат (гликолитическая оксидоредукция). Реакция катализируется глицинснтетазой.В составе кофермента метиленовая группировка может видоизменяться до

      Эти группировки связаны только с  одним из атомов азота ТГФК.

Любая из группировок, связанная с ТГФК, называется активным С₁.

      ИМФ превращается в АМФ: вместо ОН-группы появляется NH₂-группа. Источником азота является аспарагиновая кислота, а для бразования ГМФ - глутамин.

      Затем АМФ--->АДФ--->АТФ. Другие монофосфаты  с помощью АТФ превращаются в  дифосфаты и трифосфаты. Этот способ синтеза является энергетически  невыгодным.

      Другой  способ синтеза пуриновых мононуклеотидов - повторная утилизация или реутилизация пуриновых азотистых оснований. 

      Реакции реутилизации аденина  и гуанина, которые  образуются при распаде  нуклеиновых кислот. 

аденин + ФРПФ ---> ФФ + АМФ

Фермент: аденинфосфорибозилпирофосфаттрансфераза 

гуанин + ФРПФ ---> ФФ + ГМФ

Фермент: гуанингипоксантинфосфорибозилпирофосфаттрансфераза. Этот фермент обладает более широкой  субстратной специфичностью, может  переносить гипоксантин - образуется ИМФ. У человека встречается генетический дефект этого фермента - “болезнь Леша-Нихана”. У таких больных наблюдаются выраженные морфологические изменения в головном и костном мозге, умственная отсталость, аутоагрессия.

СИНТЕЗ  ПИРИМИДИНОВЫХ МОНОНУКЛЕОТИДОВ.

 

      Образуется  сначала циклическая структура  азотистого основания, а затем присоединяется рибозо-фосфат.

Первая  реакция синтеза пиримидиновых  монуклеотидов приводит к образованию  карбамоилфосфата.

      Одна  из молекул АТФ является донором  фосфата.

   
 

      Оротидинмонофосфат (ОМФ) является общим предшественником всех пиримидиновых мононуклеотидов. 

      Карбамоиласпартаттрансфераза  является ключевым ферментом синтеза  пиримидиновых мононуклеотидов. Ингибируется по принципу обратной связи ЦТФ, а  активируется - АТФ. Благодаря такой  регуляции достигается необходимый  баланс между пуриновыми и пиримидиновыми мононуклеотидами - то есть происходит перекрестная регуляция.

 

      Тимидиновые мононуклеотиды необходимы для синтеза  ДНК. Они должны содержать дезоксирибозу. В состав тимидина входит дезоксирибоза.  Мононуклеотиды, содержащие дезоксирибозу  синтезируются  из  рибонуклеотидов (содержащих рибозу). Субстратом для синтеза дезоксирибонуклеотидов является  уридиндифосфат.  Происходит восстановление рибозы в дезоксирибозу.

      Фермент, катализирующий реакцию превращения  рибонуклеотида в дезоксирибонуклеотид, обладает специфичностью к дифосфатной форме.

  Источником протонов и электронов является НАДН₂ , а переносятся они специальным белком - тиоредоксином, который затем способен восстанавливаться.

      У тимина имеется дополнительная метильная  группа. Фермент, который переносит метильную группировку, специфичен к мононуклеотиду.

      Источником  метильной группы является метилТГФК. На этот фермент направлено действие некоторых лекарственных препаратов. Ингибиторы этого фермента тормозят синтез ДНК опухолевых клеток. Для  создания эффективных ингибиторов используются антивитамины ТГФК. При ингибировании превращения фолиевой кислоты в тетрагидрофолиевую замедляется синтез ДНК.

СТРОЕНИЕ  И ОБМЕН ХРОМОПРОТЕИНОВ

      Хромопротеины (ХП) - это сложные белки, простетическая группа которых придает им окраску.

      У человека и высших животных большая  часть ХП представлена гемопротеинами,  простетическая  группа,  которых  имеет  геминовую структуру. Имеется  и второй вид ХП - флавопротеины, в составе которых простетическая группа - ФАД или ФМН.

      ГЕМОПРОТЕИНЫ  делят на две группы:

      1. Белки - переносчики кислорода  (гемоглобин и миоглобин)

      2. Белки-ферменты (цитохромы, каталаза, пероксидаза) 

      Все геминовые белки содержат в качестве небелковой группы структурно похожие  порфирины.  Но различаются по структурной организации белковой части молекулы, что обеспечивает разнообразие их функций.

      Гемоглобин (Hb) имеет молекулярную массу 80000 Да. Это сложный белок с четвертичной структурой: состоит из нескольких субъединиц. У Hb 4 субъединицы. Каждая субъединица состоит из небелковой части - гема и белка глобина (всего 4 гема и 4 глобина в молекуле гемоглобина).

      Гем имеет тетрапиррольную структуру,  т.е. состоит из 4-х замещенных пиррольных колец, соединенных между собой  с помощью метиновых мостиков. Эта структура называется порфирином (без железа). Протопорфирин, в который включено железо, называется ГЕМ. 

      Железо  в  Hb имеет степень окисления “+2” и координационное число 6.  Двумя ковалентными связями Fe связано с азотами пиррольных колец.  Две координационные связи идут на связь с остатками гистидина в молекулах глобина.  Белковая часть Hb состоит из 4-х попарно одинаковых протопорфириновых циклов.

    Молекула HbA (Hb взрослого человека) содержит- 2 альфа- и 2 бета-полипептидные цепи. Этот тип гемоглобина составляет приблизительно 95-97% от всего количества гемоглобина в крови.

      HbA₂ (2 альфа- и 2 дельта-цепи) у взрослого примерно 2%.

      HbF (2 альфа и 2 гамма-цепи) - примерно 2% у взрослого. HbF - фетальный гемоглобин. В крови новорожденного такого гемоглобина содержится примерно 80%. В отличие от HbA  этот тип гемоглобина имеет гораздо большее сродство к кислороду.

      Сейчас  установлено 5 видов HbA. Все они имеют 2 альфа- и 2 бета-цепи, но в минорных формах HbA присоединяются остатки простых сахаров (глюкозы) - гликозилированные формы гемоглобина.

      У больных сахарным диабетом гликозилированных  форм гемоглобина больше,  чем  у здоровых людей. Если снизить уровень  сахара крови, то количество гликозилированнных форм снижается.

      В крови человека иногда встречаются аномальные формы гемоглобина,  которые отличаются от  нормального  Hb  по  аминокислотному составу полипептидных цепей.  При этом изменяются изоэлектрическая точка, заряд, форма белковой молекулы.  Заболевания, которые связаны с изменением структуры полипептидных цепей называются гемоглобинопатиями.

      Серповидноклеточная анемия - характеризуется появлением HbS. В бета-цепи глутаминовая кислота заменена на валин вследствие мутации. Это приводит к изменению свойств Hb. Возрастает гидрофобность молекулы. Молекулы агрегируют. Эритроцит под микроскопом выглядит как серп.

      В ряде  случаев наблюдается одно из нарушений синтеза нормальных цепей Hb.  Если нарушается синтез бета-цепей - то заболевание называется: бета-талассемия. Если нарушен синтез альфа-цепи, то альфа-талассемия. 

            РОЛЬ ГЕМОГЛОБИНА  В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА.

      Функция - перенос кислорода. В легких происходит связывание с О₂ - из дезоксигемоглобина (Hb) образуется оксигемоглобин (Hb*O₂):

                     Hb + O₂ ----> HbO ₂

      Присоединение кислорода идет за счет образования координационных связей. Присоединение кислорода не меняет валентности железа.

      Кривая  диссоциации оксигемоглобина отражает зависимость между степенью насыщения  HbO₂ и парциальным давлением О₂: 

    Такой характер кривой означает, что присоединение первой молекулы кислорода к молекуле Hb происходит медленно (низкое сродство к кислороду).  Затем происходят конформационные изменения в молекуле  и присоединение следующих молекул О₂  облегчается - сродство  становится выше.  В данном случае наблюдается положительное кооперационное взаимодействие между отдельными субъединицами Hb.

    Hb способен без изменения степени окисления Fe присоединять и СО₂.  Это соединение называют карбгемоглобином (Hb*CO₂).  Такая форма не является стойкой и поэтому гемоглобин очень легко отдает СО₂. В таком виде из тканей к легким переносится всего от 3 до 10% СО₂.