Раздел Нуклеиновые кислоты

Структура азотистых оснований, нуклеозидов, нуклеотидов

и нуклеиновых кислот

См. Методическое пособие к лабораторным занятиям

Природные нуклеотиды Производные аденина

АТР– 1. основной внутриклеточный переносчик свободной энергии. Продукт гликолиза и окислительного фосфорилирования. Концентрация в клетках млекопитающих – около 1ммоль/л, в тромбоцитах – до 1моль/л;

2. субстрат для синтеза ДНК и РНК.

АDP- субстрат при синтезе АТР.

Циклический АМР(3’, 5’-аденозинмонофосфат, сАМР) – медиатор различных внеклеточных сигналов в клетках (аденилатциклазная система). Образуется из АТР в результате реакции, катализируемойаденилатциклазой. Активность данного фермента чаще всего инициируется через рецепторы гормонов на поверхности клеток. Гидролиз сАМР до 5’-АМР катализируетсясАМР-фосфодиэстеразой.[РИС]

ФАФС(3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфат, «активный сульфат») – используется как донор сульфатных групп в ряде реакций. Например, синтез сульфатированных протеогликанов, сульфатидов, при образовании сульфатных конъюгатов. Образование ФАФС, то есть активация сульфата происходит в реакции с АТР.[РИС]

S-Аденозилметионин– представляет собой «активную» форму метионина. Выполняет функцию донора метильных групп во многих реакциях метилирования.[РИС]

Производные гуанина

GTP– 1. в ряде процессов (реакций) выступает как функциональный аналог АТР. Например, при окислении-кетоглутарата до сукцинил-СоА (синтезируетсяGTPизGDP);

2. необходим для активации аденилатциклазы некоторыми гормонами;

3. выполняет функции как аллостерического регуляьора, так и источника энергии в процессе синтеза белка на рибосомах.

4. субстрат для синтеза ДНК и РНК.

Циклический GМР(3’, 5’-гуанозинмонофосфат, сGМР) – внутриклеточный проводник внеклеточных сигналов. Может выступать антогонистом сАМР. Образуется изGTPпод действиемгуанилатциклазы, гидролизуетсяфосфодиэстеразойдо 5’-монофосфата.

Производные гипоксантина

Азотистое основание – гипоксантин (Hyp), нуклеозид – инозин (Ino).

IМР (инозинмонофосфат) – является предшественником всех пуриновых рибонуклеотидов, синтезируемыхdenovo.

ITPиIDPпредставляют собой аналогиATPиADP. Иногда принимают участие в реакциях фосфорилирования.

Производные урацила

Урациловые нуклеотиды учавствуют в качестве коферментовв реакциях метаболизма гексоз и полимернизации углеводов, напрмер при биосинтезе крахмала, гликогена и олигосахаридных фрагментов гликопротеинов и протеогликанов. Субстратами здесь выступаютуридиндифосфатсахара(UDP-Сахар). Например,UDPGlc– предшественник гликогена.

UTPв ряде процессов выполняет роль макроэрга, как и АТР. Например, в превращении галактозы в глюкозу и наоборот участвуютUDPGlcиUDPGal.

Субстрат при синтезе РНК.

Производные цитозина

СТР – 1. может выступать как макроэрг;

2. предшественник при синтезе ДНК и РНК;

3. Участвует в биосинтезе некоторых фосфоглицеридов. Например, фосфатидил-холина и фосфатидилэтаноламина.

сСТР – как и сАМР и сGТР, может выступать в качестве вторичного месенджера при передаче внеклеточных сигналов внутрь клетки.

Метаболизм

Усвоение

Млекопитающие и большинство низших позвоночных являются «прототрофами»в отношении пуринов и пиримидинов. То есть они способны синтезировать пуриновые и пиримидиновые нуклеотидыde novo. Хотя млекопитающие и потребляют с пищей значительные количества нуклеиновых кислот и нуклеотидов, их жизнедеятельность не зависит от всасывания этих веществ или соответствующих продуктов распада.

Что же происходит с данными соединениями в ЖКТ?

Нуклеиновые кислоты поступают в организм с пищей главным образом в составе нуклеопротеинови высвобождаются в результате действияпротеолитических ферментов кишечника. Панкреатический сок содержитрибонуклеазыидезоксирибонуклеазы, гидролизующие нуклеиновые кислоты до нуклеотидов.Полинуклеотидазыилифосфоэстеразыкишечника, дополняя действие панкреатических нуклеаз, также гидролизуют нуклеиновые кислоты до мононуклеотидов. Далее, под воздействиемнуклеотидазифосфатазпроисходит гидролиз нуклеотидов до нуклеозидов, которые либо всасываются, либо под воздействиемнуклеозидазслизистой кишечника деградируют до пуриновых и пиримидиновых оснований.

Основания могут подвергаться окислению: гуанин окисляется до ксантина, а затем до мочевой кислоты; аденозин превращается в инозин, затем в гипоксантин, ксантин и далее также в мочевую кислоту. [РИС] Мочевая кислота всасывается в кишечнике и затем выделяется с мочой. Таким образом, в организме человека большая часть пуринов, высвободившихся из нуклеиновых кислот, которые поступают с пищей, превращается в мочевую кислоту (при этом не происходит их включения во вновь образующиеся молекулы нуклеиновых кислот).

Свободные пиримидины также в основном катаболизируются и выделяются без включения в нуклеиновые кислоты тканей организма.

Таким образом, нуклеиновые кислоты пищи практически не выступают в роли поставщика непосредственных предшественников нуклеиновых кислот тканей организма.

При парентеральном введении нуклеотидов и нуклеозидов (то есть сразу в кровь) было показано, что в данном случае большинство из них включаются в ДНК без всяких изменений

Пурины

Биосинтез пуриновых нуклеотидов

У человека и других млекопитающих пуриновые нуклеотиды синтезируются главным образом для обеспечения потребностей организма в мономерных предшественниках нуклеиновых кислот, а также в, соединениях, выполняющих ряд другие функций (начало лекции). У некоторых позвоночных (птицы, земноводные, рептилии) синтез пуриновых нуклеотидов несет дополнительную функцию – является частью механизма, с помощью которого выводятся излишки азота в виде мочевой кислоты; такие организмы называют урикотелическими.Организмы, у которых конечным продуктом азотистого обмена является мочевина (как у человека), называют уреотелическими.Поскольку урикотелические организмы удаляют «излишки» азота в виде мочевой кислоты, синтез пуриновых нуклеотидов у них идет более интенсивно, чем у уреотелических.

На рисунке изображена формула пурина и показано происхождение каждого из атомов. Данная информация получена в процессе радиоизотопных исследований, проведенных на птицах, крысах и человеке.

Здесь глициндает атомыС-4, С-5иN-7; атомN-1происходит изаспартата. АтомыN-3иN-9происходят изамидогруппыбоковой цепиглутамина. Активированные производныететрагидрофолатапоставляютС-2иС-8, тогда какСО₂служит источникомС-6.

Первая стадия– образование5-фосфорибозил-1-пирофосфата(ФРПФ). Эта реакция не уникальна для биосинтеза пуриновых нуклеотидов. ФРПФ служит также предшественником в синтезе пиримидиновых нуклеотидов, аминокислот гистидина и триптофана, а так же необходим для синтеза коферментовNADиNADP. ФРПФ синтезируется изАТРирибозо-5’-фосфата, который в свою очередь образуется в реакцияхпентозофосфатного пути.

Вторая стадия– является важнейшим этапом синтеза пуриновых нуклеотидовdenovo– под действием ферментаФРПФ-глутамил-амидотрансферазыамидогруппабоковой цепиглутаминазамещаетпирофосфатную группу, присоединенную к С-1 ФРПФ. В результате образуютсяглутамати5-фосфорибозиламин. (при этом-конфигурация С-1 переходит ви формируетсяN-9пурина)

Третья стадия– 5-фосфорибозиламин вступает в реакцию сглицином– аминогруппа реагирует с карбокси-группой аминокислоты с образованиемамидной связи. Таким образом, мы получаем атомы пуринаС-4, С-5 и N-7.

Четвертая стадия– атом азота N-7формилируется(присоединяется альдегидная группа) под действиемN⁵,N¹⁰-метенилтетрагидрофолата. В результате этой реакции поступающий одно-

углеродный фрагмент занимает положение С-8в формирующемся пуриновом основании.

Тетрагидрофолат

Тетрагидрофолат(тетрагидроптероилглутамат) – многоцелевой переносчик одно-углеродных фрагментов. Он состоит из трех структурных единиц: замещенного птеридина,n-аминобензоата и глутамата. Млекопитающие не способны синтезировать кольца птеридина. Они получают птеридин с пищей или от микроорганизмов кишечной флоры.

Одноуглеродный фрагмент, переносимый тетрагидрофолатом, связывается с атомом азота N⁵илиN¹⁰илис обоими. Этот момент может иметь три степени окисления. Наиболее восстановленная форма –метильная группа, промежуточная –метиленновая. Наиболее окисленные формы –метенильная, формильнаяилиформимино-группа. (фрагментСО₂, то есть с максимальной степенью окисления, переноситсябиотином)

Пятая стадия– в ней снова участвуетглутамин, как донорамидной группы. Данная группа замещаеткето-группуу атомаС-4и присоединенный атом азота займет в молекуле пурина положениеN-3.

Шестая стадия- замыкании имидазольного кольца. Полученный промежуточный продукт содержит полное пятичленное кольцо пуринового остова.

Теперь начинается образование второго – то есть шестичленного кольца.

Седьмая стадия–карбоксилированиеатомаС-5, то есть присоединение к нему карбокси-группы, источником которой служитСО₂, образующийся в процессе дыхания. Мы получаем атом пуринаС-6.

Восьмая и девятая стадии– образование атомаазотав положении1. Он происходит из-аминогруппы аспартата. Сначалакарбокси-группа, полученная в прошлой реакции, реагирует с-аминогруппой аспартата. В этой реакции затрачивается энергия АТР. Мы получаемамидную группус присоединенным к ней органическим фрагментом –сукцинильной группировкой. В следующей реакции данная сукцинильная группа удаляется в видефумарата. Остается свободным атом пуринаN-1.

Десятая стадия– здесь атомN-3, образовавшийся в стадии 5,формилируется(присоединяется альдегидная группа) под действиемN¹⁰-формилтетрагидрофолата(донора атома углерода). В результате образуется атомС-2.

Одиннадцатая стадия– замыкание шестичленного кольца. В результате образуется первый пуриновый нуклеотид –инозинмонофосфат (инозиновая кмслота, IМР).

Образование АМР и GМР из IMP

АМР из IMPобразуется вследствие реакции замещения кето-группы в 6-ом положении пурина на амино-группу с использованием амино-группы аспартата. Промежуточной стадией является образование аденилосукцината. Данная реакция протекает с участиемGТР. Сукцинильная группировка затем удаляется в виде фумарата. Образуется АМР.

GМР изIMPтакже образуется в две реакции. В 1-ой - при участииNADи Н2О происходит окислениеIMPс образованием ХМР (ксантинмонофосфата). Затем ХМР аминируется амидо-группой глутамина. Данная реакция протекает с участиемGТР (перекрестная регуляция!).