Обмен нуклеиновых веществ
План
1. Распад нуклеиновых кислот
2. Распад нуклеотидов и нуклеозидов
3. Обмен минеральных веществ
Литература
1. Распад нуклеиновых кислот
Распад нуклеиновых кислот до более простых соединений происходит в несколько стадий и катализируется рядом ферментов, которые содержатся в растениях. При определенных условиях распад нуклеиновых кислот идет довольно быстро.
Распад РНК и ДНК. В нуклеиновых кислотах единственными связями, доступными действию ферментов, являются связи фосфорных эфиров, через которые нуклеотиды соединяются между собой в цепи. Эти связи и расщепляются в первую очередь на начальной стадии распада нуклеиновых кислот. Рибонуклеиновая кислота расщепляется под действием специфического фермента рибонуклеазы с участием воды на мононуклеотиды и фосфорную кислоту. ДНК расщепляется до нуклеотидов под действием дезоксирибонуклеазы, которая является высокоспецифичным ферментом, на РНК и рибонуклеотиды она не действует. ДНК может расщепляться до дезоксирибонуклеозидтрифосфатов также под действием ДНК-нуклеотидилтрансферазы. Образовавшиеся под действием ферментов нуклеотиды могут использоваться для образования новых молекул нуклеиновых кислот или подвергаться дальнейшим превращениям.
2. Распад нуклеотидов и нуклеозидов
нуклеиновый кислота минеральный распад
Распад нуклеотидов. Отщепление фосфорной кислоты от нуклеотидов может происходить под действием многих фосфатаз. Фосфатазы проявляют активность и по отношению к другим моноэфирам фосфорной кислоты, и их действие малоспецифично. В этой группе ферментов есть специфические фосфатазы, так называемые нуклеотидазы, которые расщепляют только нуклеотиды, образовавшиеся при распаде ДНК и РНК. 5-нуклеотидазы - специфичные фосфатазы, катализирующие отщепление фосфорной кислоты, присоединенной к пятому углеродному атому рибозы в нуклеотиде, 3-нуклеотидазы отщепляют минеральный фосфат, присоединенный к третьему углеродному атому рибозы. В результате действия нуклеотидаз образуются соответствующие нуклеозиды и минеральная Н3РО4.
Распад нуклеозидов. Нуклеозиды могут подвергаться дальнейшим превращениям. Основной путь этих превращений - расщепление гликозидной связи между основанием и пентозой, которое катализируется ферментом, относящимся к группе нуклеозидаз. В большинстве случаев распад нуклеозидов идет по следующей схеме и носит гидролитический характер:
В результате действия нуклеозидаз образуются свободные пуриновые или пиримидиновые основания и рибоза или дезоксирибоза.
Распад пуриновых оснований. Пуриновые основания в свободном состоянии в тканях содержатся в небольшом количестве и, в зависимости от физиологического состояния ткани, обычно используются для образования нуклеотидов и нуклеиновых кислот или подвергаются дальнейшему распаду. Аденин под действием адениндезаминазы подвергается гидролитическому дезаминированию с образованием гипоксантина, который под действием фермента ксантиноксидазы окисляется до ксантина, а затем до мочевой кислоты. Другое пуриновое основание - гуанин дезаминируется под действием фермента гуаниндезаминазы, превращается в ксантин, который, в свою очередь, также окисляется до мочевой кислоты. Мочевая кислота - конечный продукт пуринового обмена у человека. В организме более низкоорганизованных животных мочевая кислота превращается в аллантоин, который является у них конечным продуктом обмена пуринов. При распаде пуриновых оснований у растений конечными продуктами их превращений являются аммиак, углекислота и глиоксиловая кислота. На первой стадии мочевая кислота под действием уратоксидазы превращается в аллантоин. Вероятно, уратоксидаза представляет собой комплекс ферментов. Аллантоин превращается в аллантоиновую кислоту под действием фермента аллантоиназы. Аллантоиновая кислота расщепляется далее при участии аллантоиназы с присоединением воды до глиоксиловой кислоты и мочевины, а мочевина под действием уреазы гидролизуется, и образуется аммиак и углекислый газ.
Таким образом, азот пуриновых оснований превращается в конечном счете в аммиак и может вновь использоваться для органического синтеза. Пути распада пиримидиновых оснований изучены в меньшей степени, чем превращение пуриновых оснований.
Цитозин и 5-метилцитозин могут подвергаться гидролитическому дезаминированию под действием цитозиндезамининазы с образованием соответственно урацила и тимина. Тимин и урацил затем окисляются; ферменты, катализирующие их окисление, выделены из экстрактов ряда почвенных микроорганизмов. При окислении тимина образуется 5-метилбарбитуровая кислота, а при окислении урацила - барбитуровая кислота. Предполагается, что оба пиримидиновых основания окисляются под действием одного и того же фермента - урацилдегидрогеназы. Механизм взаимных превращений 5-метилбарбитуровой и барбитуровой кислот выяснен недостаточно, однако возможно, что эти превращения происходят в результате переноса метильной группы. Барбитуровая кислота подвергается гидролитическому расщеплению до малоновой кислоты и мочевины. Эта реакция катализируется барбитуразой - высокоспецифичным ферментом, катализирующим распад только барбитуровой кислоты и не действующим на ее производные. Мочевина затем может расщепляться до аммиака и углекислоты под действием уреазы. Конечными продуктами распада пиримидиновых оснований также являются простые соединения: аммиак, углекислый газ и малоновая кислота.
Пути распада нуклеиновых кислот выяснены лишь в самых общих чертах. При расщеплении нуклеиновых кислот в организмах, так же как и при распаде сложных углеводов, белков и других соединений, должно выделяться большое количество энергии, которая может быть запасена в виде макроэргических соединений и использована организмом. Однако на каких этапах распада нуклеиновых кислот выделяется энергия и в каком количестве, еще не ясно. Детализация путей распада нуклеиновых кислот и выяснение энергетической роли этих процессов - дело ближайшего будущего.
3. Обмен минеральных веществ
Минеральным веществам принадлежит важная роль в организме, так как при их участии осуществляется ряд физиологических функций:
1. Опорная функция - в состав костной ткани в основном входят минеральные вещества, не растворимые в воде.
2. С минеральными веществами связаны явления осмотического давления, ионной силы и буферных свойств раствора.
3. Они - важная составная часть клеток всех биологических систем, так как входят в состав ферментов, витаминов, белков и т.д.
В зависимости от количественного содержания и потребности в них организма все минеральные вещества делят на макро- и микроэлементы.
К макроэлементам относятся натрий, калий, кальций, магний, хлор, фосфор, сера; к микроэлементам - железо, медь, цинк, марганец, кобальт, молибден, йод.
Натрий, калий, хлор содержатся в составе пищевых рационов совместно. Роль этих элементов в основном сводится к тому, что они - главная составная часть ионных осмотических структур жидких сред организма. Кроме того, натрий и калий обладают специфическим физиологическим действием на возбудимость нервной и мышечной тканей. У некоторых ферментных систем они выполняют функцию кофактора (например, пируваткиназа, для деятельности которой требуются калий и натрий).
Около половины от общего содержания натрия в организме найдено в составе внеклеточной жидкости, 1/3 - в составе костной и хрящевой тканей. Калий, в противоположность натрию, находится преимущественно внутри клеток. Ион хлора локализован в основном внеклеточно.
Потребность в ионах хлора составляет 1,5 г/сут., для натрия и калия - 1 г/сут.
Фосфор, магний и кальций также находятся совместно в составе пищевых продуктов и в организме человека. Эти элементы сосредоточены в костной ткани.
Фосфор находится как в виде неорганических ионов, так и в виде эфиров различных органических соединений. Содержание фосфора в плазме значительно колеблется в зависимости от возраста. У детей - 5 мг/100 мл крови, у взрослых снижается до 3 мг. Суточная потребность в фосфоре примерно равна 1 г, недостаточность фосфора ведет к развитию рахита. Под влиянием кальциферола всасывание фосфатов усиливается.
Магний в организме находится в виде ионов, не связанных ковалентной связью. Для многих ферментных систем он является кофактором. Половина магния, содержащегося в организме, падает на долю костной ткани. Среднесуточная потребность в магнии не превышает 300 мг.
Кальций, так же как и магний, находится в организме в виде ионов. Его содержание достигает 2% от общего веса тела, и 99% его локализовано в костной ткани, остальная доля находится во внеклеточной жидкости. Часть кальция связана с белками. Потребность в кальции - в среднем от 0,5 до 1 г. Нехватка кальция в пище приводит к недостаточному окостенению и недоразвитости скелета. Из продуктов питания важнейший источник кальция - молоко, в котором содержится около 120 мг% Са, молочные продукты (творог, сыр и другие). Овощи также являются источником органического кальция.
Железо содержат все известные биологические системы. В каждой клетке оно содержится в форме дыхательных ферментов и как катализатор переноса электронов, не связанных с кислородом. У многоклеточных организмов железо выполняет функцию переноса кислорода, т.е. обратимого связывания молекулярного кислорода. После гемоглобина большая часть железа связана с ферментами, гемосидерином, трансферрином. Потребность организма в железе составляет окло 1 мг. В продуктах питания животного и растительного происхождения железо содержится в большем или меньшем количестве. Много его в шпинате, яйцах и печени.
Микроэлементы имеют жизненно важное значение для человека.
Медь найдена в составе двух ферментов - цитохромоксидазы и дефенилоксидазы, в составе некоторых белков плазмы, печени, головного мозга и эритроцитов. Суточная потребность в ней - 2 мг.
Цинк входит в состав примерно 80 ферментов, обнаружен в комплексе с белками. Суточная потребность - 5 мг.
Марганец в ряде ферментов действует как кофактор и интенсифицирует обменные процессы. Суточная потребность - 25 мг.
Йод является составной частью гормонов щитовидной железы - тиреоглобулина, трийодтиронина, тироксина. Суточная потребность в йоде - 0,2-0,3 мг.
Литература
1. Казаков Е.Д., Биохимия зерна и хлебопродуктов. [Текст] / Е.Д. Казаков, Г.П Карпиленко - СПб: ГИОРД, 2005.- 512 с.
2. Комов В.П., Биохимия. [Текст] /В,П. Комов. - СПб.: ГИОРД, 2004. - 465с
3. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. М.: Мир, 1987. 980 с.
4. Луценко Н.Г. Начала биохимии: Кур лекций / РХТУ им. Менделеева Д.И. . - М.: МАЙК «Наука/Интерпериодика» , 2002 - 125 с
5. Рис Э.., Введение в молекулярную биологию: от клеток к атомам: Пер. с англ. [Текст] / Э. Рис, М. Стернберг.- М.: Мир, 2002. - 142с.
6. Уайт А., Фендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. В 3 т. - М.: Мир, 1981.
7. Щербаков В.Г., Биохимия. [Текст] / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова, А.Д. Минакова - СПб.: ГИОРД, 2003. - 440 с.
8. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: НИИ биомед. химии РАМН, 1999. - 372 с