Материал: 6 занятие бх

1.Структура, классификация и биологическая роль нуклеотидов.

Определение. Нуклеиновые кислоты (НК) – высокомолекулярные линейные гетерополимеры, мономерами которых являются мононуклеотиды, соединенные между собой 3',5'-фосфодиэфирной связью.

Нуклеотид состоит из:

• азотистого основания (пуринового или пиримидинового),

• углеводного компонента (пентозы – рибозы или дезоксирибозы),

• остатка фосфорной кислоты (от 1 до 3).

В зависимости от типа пентозы НК подразделяются на ДНК или РНК. 

Общая характеристика азотистых оснований:

- по строению подразделяются на пуриновые и пиримидиновые;

- по распространению и степени встречаемости – мажорные (основные, преобладающие) и минорные (редко встречающиеся). Из пуриновых преобладают аденин (А) и гуанин (Г), из пиримидиновых – цитозин (Ц) и урацил (У) в РНК и цитозин (Ц) и тимин (Т) – в ДНК. Для всех азотистых оснований характерна лактим-лактамная таутомерия.

• Мажорные пуриновые основания: аденин гуанин (лактимная форма) гуанин (лактамная форма

• Мажорные пиримидиновые: урацил (лактим-лактамные формы) цитозин (лактим-лактамные формы)

• Минорные азотистые основания. Как правило, они по строению являются производными мажорных или могут быть нетипичными для данной кислоты. Например, в РНК обычно нет тимина, он входит в состав ДНК, но в одной из петель тРНК обнаруживают тимин.

Минорные азотистые основания могут быть продуктами реакций:

• восстановления (например, дигидроурацил, входит в состав D-петли тРНК),

• метилирования (метилирование может происходить у атомов, входящих:

- в циклическую структуру пурина или пиримидина (например, 7-метилгуанин),

- его заместителей (чаще по атомам водорода аминогруппы),

- реже по гидроксильным группам углеводного компонента.

• нетипичного соединения (например, псевдоуридиловая кислота, в тРНК).

Биологическая роль минорных азотистых оснований:

• необходимы для формирования вторичной структуры НК (например, формирования петель в тРНК),

• выполняют защитную функцию (например, метилированные участки в мРНК),

• метилированные участки могут выполнять роль маркеров, по которым специальные регуляторные белки распознают участки повреждения в ДНК, участки начала матричных синтезов,

• метилирование используется также для распознавания вновь синтезированной ДНК и родительской (во время деления клетки и синтеза ДНК).

Вопрос 2. Биосинтез и распад пиримидиновых оснований, механизм регуляции

Синтез пиримидиновых оснований происходит во всех клетках организма. В реакциях синтеза участвует глутамин, СО2, аспартат, затрачивается 2 молекулы АТФ. Условно можно выделить этапы синтеза:

1. Образование карбамоилфосфата, эта реакция идет в цитозоле. Источником аминогруппы выступает глутамин.

2. Образование пиримидинового кольца после присоединения аспарагиновой кислоты и реакции дегидратации. Первым пиримидиновым основанием является оротовая кислота.

3. Синтез оротидилмонофосфата и уридинмонофосфорной кислоты (УМФ). В реакции с фосфорибозилдифосфатом (ФРДФ) к оротовой кислоте присоединяется рибозо-5-фосфат и образуется оротидилмонофосфат, непосредственный предшественник УМФ.

4. Синтез УТФ осуществляется в 2 стадии посредством переноса макроэргических фосфатных групп от АТФ

5. Синтез ЦТФ происходит из УТФ с затратой энергии АТФ при участии глутамина, являющегося источником NH2-группы.

Распад 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 -аминокислот в реакции трансаминирования, изомеризации и далее в ЦТК.

Регуляция синтеза пиримидинов

Физиологическая регуляция

Регуляция синтеза пиримидинов происходит по механизму обратной отрицательной связи, т.е. продукт реакции (совокупности реакций) ингибирует начальные этапы процесса. Для синтеза пиримидинов такими ингибиторами являются УТФ и ЦТФ. ЦТФ ингибирует аспартаткарбамоилтрансферазу, УТФ – карбамоилфосфатсинтетазу.

Синтез пиримидинов отрицательно регулируется также пуриновыми нуклеотидами АМФ и ГМФ.

Тимидилатдифосфат (ТДФ), в свою очередь, блокирует синтез ФРДФ ферментом ФРДФ-синтетазой (см "Синтез пуриновых оснований и нуклеотидов"), который используется как при синтезе пиримидинов, так и при синтезе пуринов.

Лекарственная регуляция

Исключительная роль тимидилатсинтазы в синтезе ТМФ обусловила поиск и использование ее ингибиторов для прекращения синтеза тимидилового нуклеотида и, как следствие, блока синтеза ДНК, что нашло применение в противоопухолевой терапии ("бестиминовая смерть").

Фторурацил – противоопухолевое (цитостатическое) средство, механизм его действия определяется превращением в 5-фтор-производные dУМФ и dУТФ, конкурентно ингибирующих фермент тимидилатсинтазу, что ведет к блокированию репликации ДНК.

Метотрексат, аминоптерин, триметоприм являются ингибиторами дигидрофолатредуктазы, что препятствует ресинтезу ТГФК и лишает реакцию кофермента.

Вопрос 3. Биосинтез и распад пуриновых оснований, механизм регуляции

Синтез пуриновых оснований происходит во всех клетках организма, главным образом в печени. Исключение составляют эритроциты, полиморфноядерные лейкоциты, лимфоциты.

Условно все реакции синтеза можно разделить на 4 этапа:

1. Синтез 5'-фосфорибозиламина

Первая реакция синтеза пуринов заключается в активации углерода в положении С₁ рибозо-5-фосфата, это достигается синтезом 5-фосфорибозил-1-дифосфата (ФРДФ). Фосфорибозил-дифосфат является тем якорем, на основе которого синтезируется сложный пуриновый цикл.

Вторая реакция – это перенос NH₂-группы глутамина на активированный атом С₁ с образованием 5'-фосфорибозиламина. Указанная NH₂-группа фосфорибозиламина уже принадлежит будущему пуриновому кольцу и ее азот будет атомом номер 9.

Реакции синтеза 5'-фосфорибозиламина

2. Синтез инозинмонофосфата

5-фосфорибозиламин вовлекается в девять реакций, и в результате образуется первый пуриновый нуклеотид – инозинмонофосфорная кислота (ИМФ). В этих реакциях источниками атомов пуринового кольца являются глицин, аспартат, еще одна молекула глутамина, углекислый газ и производные тетрагидрофолиевой кислоты (ТГФК). В целом на синтез пуринового кольца затрачивается энергия 6 молекул АТФ.

Источники атомов пуринового кольца

3. Синтез аденозинмонофосфата и гуанозинмонофосфата

1. Гуанозинмонофосфат (ГМФ) образуется в двух реакциях – сначала ИМФ окисляется ИМФ-дегидрогеназой до ксантозилмонофосфата, источником кислорода является вода, акцептором водорода – НАД. После этого работает ГМФ-синтетаза, она использует универсальный клеточный донор NH₂-групп – глутамин, источником энергии для реакции служит АТФ.

2. Аденозинмонофосфат (АМФ) также образуется в двух реакциях, но в качестве донора NH₂-группы выступает аспарагиновая кислота. В первой, аденилосукцинат-синтетазной, реакции на присоединение аспартата используется энергия распада ГТФ, во второй реакции аденилосукцинат-лиаза производит удаление части аспарагиновой кислоты в виде фумарата.

4. Образование нуклеозидтрифосфатов атф и гтф.

Синтез ГТФ осуществляется в 2 стадии посредством переноса макроэргических фосфатных групп от АТФ. Синтез АТФ происходит несколько иначе. АДФ из АМФ образуется также за счет макроэргических связей АТФ. Для синтеза же АТФ из АДФ в митохондриях есть фермент АТФ-синтаза, образующий АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования.

Реакции синтеза атф и гтф

Реакции синтеза амф и гмф

Вопрос 4. Биосинтез дезоксирибонуклеотидов.

Особенностью обмена пуринов и пиримидинов является то, что они могут образовывать не только рибонуклеотиды, но и дезоксирибонуклеотиды. Дезоксирибонуклеотидтрифосфаты необходимы клетке для синтеза ДНК. Их образование протекает в три реакции:

1. В начале процесса происходит дефосфорилирование рибонуклеозидтрифосфатов с образованием АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ

2. Далее фермент рибонуклеотид-редуктаза восстанавливает АДФ, ГДФ, ЦДФ, УДФ до дезоксирибонуклеозиддифосфатов dАДФ, dГДФ, dЦДФ, dУДФ. Донором водорода для восстановления рибозы является белок тиоредоксин, его SH-группы окисляются кислородом рибозы и образуется вода. Последующее восстановление тиоредоксина в рабочее состояние обеспечивается за счет НАДФН. 3. После образования dАДФ, dГДФ, dЦДФ фосфорилируются, а dУДФ используется для синтеза тимидилового нуклеотида.

Синтез тимидилтрифосфата.

Три дезоксинуклеотида – dАТФ, dГТФ, dЦТФ сразу после синтеза используются для синтеза ДНК. Однако известно, что в составе ДНК нет уридиловых нуклеотидов, поэтому dУДФ не превращается в dУТФ, а идет на образование тимидилового нуклеотида. Участие в этом принимает фермент тимидилатсинтаза. Донором метильной группы является N 5 ,N 10 -метилен-ТГФК.

Вопрос 5. Нарушение обмена пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов: орататцидурия, подагра, болезнь Леша-Нихана Оротатацидурия (или оранжевая кристаллоурия) может быть наследственной и приобретенной.

Наследственная форма

Наследственная форма оротатацидурии весьма редка связана с одновременным дефектом оротатфосфорибозилтрансферазы и оротидилдекарбоксилазы, так как эти ферменты являются двумя активными центрами одного белка. Заболевание проявляется на втором полугодии жизни гипохромной мегалобластической анемией, лейкопенией, отставанием умственного и физического развития. Диагноз ставится при обнаружении в охлажденной моче оранжевых игольчатых кристаллов оротовой кислоты. Болезнь осложняется тем, что при недостатке УТФ и ЦТФ активируются первые реакции синтеза оротовой кислоты. При отсутствии лечения гибель наступает в первые годы жизни.

Однако, так как первопричиной заболевания является "пиримидиновый голод", его можно достаточно успешно корректировать с помощью приема уридина, при этом серьезно не опасаясь передозировки. Приобретенная форма

Эта более частая форма оротатацидурии может наблюдаться:

• при дефекте каких-либо ферментов синтеза мочевины, кроме карбамоилфосфат-синтетазы. При этом карбамоилфосфат митохондрий (в норме используемый для образования мочевины) выходит из них и используется для избыточного синтеза оротовой кислоты. Заболевание обычно сопровождается гипераммониемией.

• при лечении подагры аллопуринолом, который превращается в оксипуринолмононуклеотид, являющийся ингибитором оротатдекарбоксилазы, что опять же ведет к накоплению оротата.