Биологический каталог




Основы биохимии

Автор Ю.Б.Филиппович

>РНК+Н3Р04 Ме" ¦ РНК+НДФ

Полинуклеотид. фосфорилаза

(л+1 нуклеотидных (и нуклеотидных

остатков) остатков)

Фермент открыт М. Грюнберг-Монаго и С. Очоа (1955) и выделен из многих источников. Он сосредоточен главным образом в микросомальной и рибосомальной фракциях клеточного содержимого. По грубой оценке его молекулярная масса близка к 230 ООО. Скорость реакции фосфоролиза зависит от конформации и нуклеотидного состава РНК: двухцепочечные и метилированные участки устойчивы к действию фермента. Предполагают, что in vivo полинуклеотидфосфорилаза обеспечивает деградацию клеточных РНК, особенно мРНК, до нуклеозиддифосфатов, регулирует концентрацию неорганического фосфата в клетке и поставляет необходимое количество НДФ для превращения их в дезоксиНДФ.

Фермент обладает замечательной особенностью: из нуклеозиддифосфатов и их смесей in vitro он обеспечивает синтез полирибонуклеотидов с соотношением в их составе мономерных звеньев в той же пропорции, как в исходном растворе. Поэтому полинуклеотидфосфорилазу широко применяли для синтеза полирибонуклеотидов того или иного состава, что сыграло выдающуюся роль в расшифровке кода белкового синтеза.

Урацил-ДНК-гликозидаза ускоряет реакцию отщепления остатка У от поврежденной ДНК, где произошло дезаминирование остатка Ц. На возникшем

230

апиримидиновом участке одной из цепей ДНК фосфодиэфирная связь гидролизуется с элиминированием дезоксирибозы, З'-фосфат отщепляется при участии экзодезоксирибонуклеазы III и вместо отсутствующего нуклеотидного остатка встраивается новый, в данном случае остаток цитидиловой кислоты, при посредстве ДНК-полимеразной и ДНК-лигазной реакции (см. с. 251 и рис. 84).

ДНК-гликозидазы представляют новую группу ферментов, участвующих в обмене ДНК. При их посредстве удаляются и иные модифицированные пуриновые и пиримидиновые основания, после чего в серии последующих реакций восстанавливается исходная структура ДНК, т. е. эта группа ферментов имеет существенное значение в репарации (восстановлении структуры) ДНК. Это происходит, в частности, при замене метилированных пуриновых и пиримидиновых оснований, так как наряду с урацил-ДНК-гликозидазой изучена 3-метиладенин-ДНК-гликозидаза. Всего открыто уже 8 ДНК-гликозйдаз.

Обмен нуклеозидфосфатов. Дезоксирибонуклеозидфосфаты и рибонукле-озидфосфаты, представляющие собой конечные продукты ферментативной деструкции нуклеиновых кислот, распадаются далее до еще более простых соединений. Первая ступень этого распада состоит в отщеплении остатка фосфорной кислоты:

он

hocHj/x

Гуаноэин-31-фосфат (нуклеотид)

HsO

3* -Нуклеотидава

+ Н3РО„

Гуанозин (нуклеозид)

На второй ступени распада осуществляется перенос остатка рибозы от нуклеозида на фосфорную кислоту. Эта реакция ускоряется специфическими для каждого вида нуклеозидов рибозилтрансферазами. Примером может служить фосфоролиз уридина:

но о он

XII '

носн

Урвдинфосфорнлаза

(уридяи-ортофосфат-

рибозидтраасфераэа)

Уридии

hochwx 9

н

Урацил

ОН ОН Рибозо-1-фосфат

Уридинфосфорилаза имеет М = 165кДа, содержит 6 субъединиц по 27,5 кДа, каждая из которых составлена из 253 аминокислотных остатков, в том числе из семи остатков гистидина; два из них (8-ой и 122-ой) входят в активный центр фермента.

231

Следовательно, в результате распада нуклеозидфосфатов выделяются в свободном состоянии рибозо-1-фосфат и все виды пуриновых и пиримидиновых оснований, участвующих в построении нуклеиновых кислот. Приведенная схема распада нуклеозидов не является единственной. Возможны и другие пути распада нуклеозидов. Один из них состоит в гидролизе нуклеозидов, например:

Нуклеоэидаза

+ н2о '-->-

(N- рибозилпурин- у рибогидролаза)

В свою очередь, и углевод и азотистые основания видоизменяются далее. Рибоза и рибозо-1-фосфат включаются в реакции обмена, характерные для углеводов. Эти реакции будут рассмотрены ниже. Пуриновые и пиримидиновые основания претерпевают дальнейший распад и превращаются в те или иные простейшие азотсодержащие продукты, которые далее либо выводятся из организма, либо откладываются в нем.

Распад пуриновых и пиримидиновых оснований. Первая фаза распада пуриновых и пиримидиновых оснований заключается в дезаминировании тех из них, которые обладают аминогруппами. Этот процесс осуществляется при посредстве специфических аминогидролаз. В результате аденин превращается в гипоксантин:

он

+ н,о

Аденин-амино; гидролаза

NH3

Аденин

Гипоксантин

Гуанин переходит в ксантин: ОН

H2N НО |

н н

Гуанин

NH,

Ксантин

Цитозин преобразуется в урацил:

232

Дезаминирование идет не только на уровне свободных пуриновых и пиримидиновых оснований, но и на уровне нуклеозидов и нуклеотидов, причем во втором случае с большей интенсивностью, так как соответствующие нукле-озид- и нуклеотид-аминогидролазы более активны, чем пурин- или пиримидин-аминогидролазы. Так, аденозин и аденозинфосфат более энергично превращаются в инозин и инозинфосфат, чем аденин в гипоксантин:

Аденозин Инозин

При дальнейшем распаде дезаминированных нуклеозидов и нуклеотидов из их состава освобождаются гипоксантин, ксантин или урацил.

Дальнейшая судьба дезаминированных пуриновых и пиримидиновых оснований различна. Гипоксантин и ксантин окисляются в мочевую кислоту:

о о 9

В I Я

н н Й н н

Mi

Реакция окисления гипоксантина в ксантин, а последнего—в мочевую кислоту ускоряется ксантиноксидазой—оксидоредуктазой с широким спектром действия, представляющей собой молибденсодержащий флавопротеин.

Фермент из разных источников обладает молекулярной массой от 280 тыс. до 360 тыс. Да и при действии диссоциирующих агентов распадается на две идентичные субъединицы, каждая из которых содержит одну молекулу ФАД, один атом Мо и 4 атома негеминового железа, связанных с лабильными атомами серы в кластеры типа Fe2S2. Активированные гипоксантин и ксантин восстанавливают молибден, последний быстро восстанавливает F2S2-^acrep и, наконец, флавин восстанавливает молекулярный кислород.

У ряда животных (человекообразные обезьяны, птицы, рептилии, тутовый шелкопряд) и человека конечным продуктом распада пуриновых оснований является мочевая кислота, которая и выводится из организма. Однако

233

у большинства животных и растений есть ферменты и ферментные системы, способные ускорять реакции дальнейшего распада мочевой кислоты. От названия мочевой кислоты acidum uricum и по характеру действия, выражающемуся в расщеплении (лизисе) ее, эти ферменты получили наименование ферментов уриколиза. В одних случаях (млекопитающие, насекомые) уриколиз сводится к окислению мочевой кислоты в аллантоин; в других (костистые рыбы)— процесс более сложен: аллантоин превращается в аллантоиновую кислоту, а последняя (амфибии, большинство растений) распадается на мочевину и гли-оксиловую кислоту:

hn

VaOj + н20 "nh \Х

o^S^Nr^ н н

Мочевая кислота

С=0 Уратоксидаэв

nh

2 с=0 I

nh2

=о + Т

С02 О?

Аллаитоиказа

н.о

Мочевина Глиоксилевая кислота

\А.

Н Н \Аллантонназа H.O'v Наллантоии-Аллаитион \1 аындо-

I гидролаза)

nh.

он

nh„

I V I н н

Аллаитоииовая кислота

В отличие от гипоксантина и ксантина дезаминированные пиримидиновые основания подвергаются восстановлению. Так, урацил переходит в дигидроура-цил; донором атомов Н в этой реакции служит НАДН. В свою очередь, дигидроурацил претерпевает гидролиз и превращается в N-карбамил-р-аланин, который далее гидролизуется до Р-аланина и карбаминовой кислоты. Послед-

гид р оу ради л дег н дроген аза

°| НАДН+Н+ НАД+

hn/cvch _^х. ^У*_

U Днги

н

Урацил

Дигидроурацил

соон

h3n—соон + Г4* «рн.

N-Карбаынл-р-алаиии-аындогидролаза

Карбамииовая

кислота

А

а

р-Алаиин

н,0

NH.

со2

nh^ch,.

н

N-Карбамил-р-аланин

234

няя либо используется для синтеза мочевины, либо распадается до С02 и NH3. Все перечисленные реакции ускоряются соответствующими ферментами:

Карбаминовая кислота и Р-аланин являются конечными продуктами распада двух пиримидиновых оснований—У и Ц. В случае Т, распадающегося по такой же схеме, вместо Р-аланина образуется Р-аминоизомасляная кислота. .

Итак, огромные, сложные молекулы полидезоксирибонуклеотидов и по-лирибонуклеотидов в процессе распада в организмах животных и растений превращаются в очень простые соединения—главным образом фосфорную кислоту, СОа и NH3. У организмов, расположенных на нижних ступенях эволюционной лестницы, представлен всегда полный набор ферментов, обеспечивающих распад нуклеиновых кислот именно до этих простейших продуктов. При переходе к более высокоорганизованным формам ряд ферментов, участвующих в превращении пуриновых и пиримидиновых оснований, выпадает и конечными продуктами обмена нуклеиновых кислот у некоторых групп организмов являются более сложные соединения, чем NH3 и С02; это мочевина, аллантоиновая кислота, аллантоин и мочевая кислота.

Механизм биосинтеза нуклеозидфосфатов. Для обеспечения биосинтеза нуклеиновых кислот организм должен располагать полным набором дезоксири-бо- и рибонуклеозидтрифосфатов. Поэтому в любой клетке любого организма независимо от положения его на эволюционной лестнице беспрепятственно осуществляется процесс новообразования всех видов нуклеозндтрифосфатов, нуклеозиддифосфатов и нуклеозидмонофосфатов.

Из трех основных частей нуклеотида—азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты—последняя в норме всегда присутствует в клетках, а вторая неминуемо возникает в процессе распада углеводов. Таким образом, только первая составная часть нуклеотида—пуриновое или пиримидиновое основание, должна создаваться специфическим путем.

Пути возникновения пуриновых и пиримидиновых оснований различны. Но есть некоторые черты сходства в механизмах их синтеза. К их числу относятся: 1) широкое использование гли, асн и глн в качестве источников азота гетероциклических колец; 2) включение в состав пуриновых и пиримидиновых циклов атомов углерода из С02 и формиата; 3) построение пурино-вого основания и завершение синтеза пиримидинового основания на рибозо-5-фосфате, в результате чего конечными продуктами биосинтеза являются сразу нуклеозид-5'-фосфаты, а не свободные А, Г, У, Ц и Т; 4) ферментативный характер всех реакций, осуществляющихся в процессе новообразования нуклеотидов; 5) возникновение на определенном этапе биосинтеза предшественников, из которых потом формируются уже индивидуальные нуклеозид-5'-фосфаты.

Рассмотрим сначала механизм биосинтеза пиримидиновых основании. Подготовительной реакцией, открывающей этот синтез, является реакция образования карбамилфосфата из NH3 и С02 при участии АТФ:

КН3+С02+АТФ

Карбаматкиназа

АДФ+Н21\Г—С II

О

он

\

о—р=о

/

ОН

Карбамнлфосфат

235

Далее при участии специфического фермента остаток карбаминовой кислоты (карбамил) переносится на аминогруппу аспарагиновой кислоты с образованием карбамиласпарагиновой кислоты. Эту реакцию рассматривают как первую специфическую реакцию в синтезе пиримидиновых нуклеотидов:

NH2 „— СООН

I / \ I.. ми COOH

С .-'/ ОН \ CH2 NH2 |

X' 1 ' Аспартат-карбамил- I ги + ц рп

ох V 0-^=0 + H.N-CH-COOH > с сн2 + Н3Р04

ч^ ОН ^ NH—СН—СООН

Карбаыйл^ Аспарагиновая Карбамиласпарагиновая

фосфат кислота кислота

При сближении NH2- и СООН-групп в молекуле карбамиласпарагиновой кислоты между ними осуществляется взаимодействие с выделением молекул воды. Эта реакция катализируется ферментом из класса гидролаз—дигидрооротазой, названной так от дигидрооротовой кислоты, гидролиз которой она ускоряет вследствие обратимости данной реакции:

NH9 СНа

н,0

о**

- jj

^хн—соон

I

н

Днгидрооротаэа

"~*hV>

Карбамиласпараги-новая кислота

hnt "сн2

н

Дигидрооротовая кислота

Дигидрооротовая кислота ферментативно окисляется. Снятие двух атомов Н осуществляется первичной дегидрогеназой либо с НАД+ или НАДФ+, либо с ФАД в качестве кофермента:

о о п над+ надн+н+ й

HN^ "^CHj V J HN^ ^СН

Оротатредуктаэа I П

хн—соон - Л с—соон

о^ y ° 1

н н

Оротовая кислота

В молекуле оротовой кислоты, как видно из ее формулы, уже пред-образована структура одного из пиримидиновых оснований, а именно урацила. Достаточно осуществить реакцию декарбоксилирования, и оротовая кислота превратится в урацил. Однако этот процесс происходит лишь после того, как оротовая кислота 'соединится с рибозой, образуя нуклеозид, где агликоном является остаток оротовой кислоты. Нуклеозид такого строения называется

236

оротидином (по аналогии с цитидином и уридином). Так как реакция идет непосредственно между оротовой кислотой и 5-фосфорибозилпирофосфатом, то в ее результате возникает оротидин-5'-фосфат. Процесс ускоряется соответствующей трансгликозидазой. Уравнения реакций, приводящих к синтезу оротидин-5'-фосфата, таковы:

он он о—р—о—р—он о 0

он он

5-Фосфорибозил-1-пирофосфат

i?

,с—соон

Орот т-фосфорибозил-трансфераза

н

Оротовая кислота

HN3 * sCH

он , оА^00» =Р-о-сн2 ,оч

он

он он

Оротидии-51- фосфат

+ но

он он —р—о—р-

II

о

р—он

II

о

Пирофосфат

Последнее преобразование состоит в декарбоксилировании оротидин-5'-фосфата:

i?

HIjT СН

ОН

0=р—О—СН, .0

I

ОН

.С. С—СООН

С02

ОН ОН

Оротидии-5'-фосфат-декарбокснлаэа

.Уриани-5 - фосфат

В результате возникает один из пиримидиновых нуклеотидов—ури-дин-5'-фосфат. Уридин-5'-фосфат занимает центральное место в биосинтезе пиримидиновых нуклеотидов, так как далее может превращаться в другие пиримидиновые нуклеотиды в соответствии со следующей схемой:

237

дУДФ СД эоксиуридин-5'-дифосфат)

УМФ

Фосфорилированис

УДФ

Фосфорилирование

УТФ

(У ридин-5 -монофосфат)

(Уридин-5'-дифосфат)

Дефосфорнлироявнно

ЦМФ

(Цнтидин-5'-монофосфат

ЦДФ

(Уридин-5'-трифосфат) |анмнйро»мм

ЦТФ

дЦМФ

(Цитидин-5'-дифосфат) |Вос становление Дефосфорилиро ание тт тт а Фосфорилиромние

(Цитндин-5'-трифосфат)

дЦДФ

дЦТФ

СДезоксицитидин-¦ S'-монофосфат)

(Дезоксицитидин-5'-ДИфосфат)

(Дезоксицитидии-S'-трифосфат)

(Дезамиии-рованне

л УТФ (Де'окснурндин-трифосфат)

дУМФ (Деэокснуриднн-S'-монофосфат)

Метилирование

дТМФ

Фосфорилироваин

дТДФ

Фосфорилироваиие

дТТФ

(Д эокситимидин-S'-монофосфат)

СДезокситимидин-З'-дифосфат)

(Д эокситимидии-5'-трифосфат)

Схема 2. Пути превращений пиримидиновых нуклеотидов

Эти превращения пиримидиновых нуклеотидов осуществляются путем реакций восстановления, аминирования и метилирования моно-, ди- и трифос-форных эфиров нуклеозидов. Последние образуются при взаимодействии нуклеозидмонофосфатов с АТФ, запасы которой в клетках непрерывно пополняются за счет реакции окислительного фосфорилирования. Например:

Нуклеозидмонофосфатгинаэа

УМФ+АТФ -. УДФ+АДФ

(уридилаткиназа)

УДФ+АТФ

Нуклеозид-

дифосфат-киназа

УТФ+АДФ

Восстановление протекает по гидроксильной группе при 2-м углеродном атоме рибозы, благодаря чему остаток рибозы переходит в остаток дезок-сирибозы. Эта реакция свойственна нуклеозиддифосфатам:

он он

но-р—о-р—о—сн. п п о о<

страница 39
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

Скачать книгу "Основы биохимии" (16.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(13.12.2017)