Розщеплення нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти потрапляють вррганізм з їжею у складі складних білків — нуклеопротеїдів. Внаслідок послідовної дії ферментів, які знаходяться у шлунковому і кишковому соках, нуклеопротеїди розщеплюються на прості білки, переважно протаміни і гістони, і нуклеїнові кислоти. Прості білки далі розщеплюються до амінокислот, які всмоктуються.

Розщеплення нуклеїнових кислот до нуклеотидів. Нуклеїнові кислоти, які утворились при розщепленні нуклеопротеїдів, розщеплюються під впливом комплексу ферментів, що мають загальну назву нуклеа-зи. Оскільки ні ферменти кагалі п'ють реакції розриву фосфодіефірних зв'язків у молекулах нуклеїнових кислот, то їх часто відносять до групи ферменті в-фосфодіестераз.

Відомо два види нуклеаз: ендонуклеази й екзонуклеази. Перші каталізують процеси гідролізу фосфодіефірних зв'язків усередині молекул нуклеїнових кислої. Під їх впливом нуклеїнові кислоти розщеплюються переважно на олігонуклеотиди і велику кількість мононук-леотидів. Екзонуклеази каталізують реакції послідовного відщеплення моионуклеотидів від одного з кінців полінуклеотидиого ланцюга нуклеїнових кислот.

Нуклеази, що розщеплюють РНК, називають рибонуклеазами, а ті, що розщеплюють ДНК,— дезоксирибонуклеазами. Крім цього, є велика група неспецифічних нуклеаз, які здатні каталізувати реакції розщеплення і РНК, і ДНК-

Більшість нуклеаз є гідролазами, однак частина із них належить до групи фосфотрансфераз. Прикладом нуклеаз, які каталізують розщеплення нуклеїнових кислот за участю трансферазної реакції, є гру-

па ендорибонуклеаз. Вони каталізують реакцію перенесення залишку фосфорної кислоти від п'ятого вуглецевого атома рибози одного нуклео-тиду до другого вуглецевого атома рибози наступного нуклеотиду. За цих умов полінуклеотидний ланцюг розривається і на одному з його кінців утворюється фосфодіефірний зв'язок між другим і третім вуглецевими атомами рибози:

Отже, внаслідок послідовної дії різних видів нуклеаз нуклеїнові кислоти розщеплюються до рибо- і дезоксирибонуклеозид-3' і 5'-фос-фатів. Частина моїюиуклеотидів під впливом ферментів тонкої кишки нуклеотидаз (фосфатаз) відщеплює фосфорну кислоту і перетворюється на нуклеозиди, які за участю нуклеозидаз можуть розкладатися на азотисті основи і пентозу.

Основними продуктами, які всмоктуються з кишок у кров, є моно-нуклеотиди і нуклеозиди. Кров'ю вони переносяться до різних органів і тканин, де частина з них використовується для пластичних потреб, а інша частина розщеплюється далі і перетворюється на кінцеві продукти.

У тканинах нуклеїнові кислоти також розщеплюються до мононук-леотидів при каталітичній дії тканинних нуклеаз, дезоксорибо-нуклеаз і рибонуклеаз, які в основному зосереджені в мітохондріях клітин.

Розщеплення нуклеотидів. Нуклеотиди, що утворилися, далі розщеплюються під впливом комплексу ферментів на простіші сполуки.

Початковою стадією їх розщеплення є відщеплення фосфорної кис-

лоти з утворенням відповідних нуклеозидів. Реакцію каталізують фосфатази (нуклеотидази).

Далі залишок рибози від аденозину переноситься до фосфорної кислоти під впливом ферменту фосфорилази, специфічного для кожного нуклеозиду:

Рибозо-Г -фосфат

Є дані, які свідчать, що нуклеозиди здатні розщеплюватись і гідролітично при каталітичній дії нуклеозидаз:

Аналогічно відбувається розщеплення інших нуклеотидів.

Отже, внаслідок розщеплення нуклеотидів утворюються пуринові, або піримідинові, основи, рибоза і дезоксирибоза у вигляді фосфорних ефірів або у вільному стані і фосфорна кислота. Фосфорна кислота широко використовується в організмі при утворенні кісткової тканини, для фосфор клювання органічних сполук та в багатьох інших процесах.

Пентози та їх фосфорні ефіри беруть участь у реакціях, характерних для обміну вуглеводів.

Перетворення пуринових і піримідинових основ до кінцевих продуктів. Початковою стадією перетворення пуринових основ (аденіну і гуаніну) є дезамінування їх під впливом ферментів пуриндезаміназ (адеиази або гуанази). Під час дезамінування аденіну і гуаніну утворюються відповідно гіпоксантин і ксантин:

Далі гіпоксантин і ксантин окислюються до сечової кислоти; реакцію каталізує фермент ксантиноксидаза;

Сечова кислота є кінцевим продуктом обміну пуринових основ в організмах людини і приматів.

У більшості тварин (коней, собак, кролів тощо) кінцевимпродуктом перетворення пуринових основ є алантоїн, який утворюється внаслі-

39*2

док окислення сечової кислоти за участю ферменту уриказиі о

А В окремих бактерій та морських безхребетних алантоїн перетворюється на алантоїнову кислоту, яка далі розщеплюється на сечовину і гліоксилову кислоту:

8 NH, NH.,

H₂N С------- NH Алантоіназа І |

JfjQl ------------------- * 0 = C COOH C=0 +

<Г\Я}~\4 % ^ HN-C-------- NH

H A

Алантоїн Алантоінова кислота

О

Алантоіназа ,^NHa г^-u

₊ н₂о ------------------ . _2C=0 ■ ₊ і ^H

\jH, ^COOH

Сечовина Гліоксилова кислота

Перетворення піримідинових основ у кінцеві продукти відбувається так. Урацил під дією ферменту дегідрогенази дигідроурацилу відновлюється до дигідроурацилу:

Далі за участю ферменту гідрази дигідропіримідинів відбувається розрив кільця дигідроурацилу з утворенням р-уреїдопропіонової кислоти, яка частково виділяється з сечею. Інша частина цієї кислоти під впливом ферменту N-карбаміл-Р-аланінамідогідролази розщеплюється до р-аланіну, NH₃ і С0₂:

■ і ^ Гідрзза дигідропіримідинів H^N СН

+ Н ₂ О —------------------------------------------

(З -Аланін

Перетворення другої основи піримідинового ряду — цитозину—
розпочинається з дезамінування за участю ферменту цитозинаміногід-
ролази: ^к

5 0

₊ н_а0 Цнтозннам_Іногиролаза_[ N= ₊ ^

N HO N

Цитозин Урацил

Під час дезамінування цитозину утворюється урацил, який перетво-' рюється на кінцеві продукти вже відомим>способом.

Перетворення тиміну відбувається за такою самою схемою, що й урацилу. Проте утворюються дещо інші проміжні й кінцеві продукти:

X /СН₃ X /*•

HN С Дегідрогеназа дигідротиміну НІЧ СН

Тимін Дигідротиміч

Я-Уреідоізомасляна З-Аміноізомасляна / \
кислота кислота / \

NH₃ C0₂

Слід зазначити, що перетворення пуринових і піримідинових основ може розпочинатись і тоді, коли вони входять до складу мононук-леотидів.

СИНТЕЗ НУКЛЕТНОВИХ КИСЛОТ

Одночасно з розщепленням нуклеїнових кислот у тканинах організму постійно відбувається їх синтез. Уже з'ясовано основні етапи біосинтезу нуклеїнових кислот. Доведено, що біосинтез молекул

РНК і ДНК розпочинається з біосинтезу рибонуклеозид-5'-трифосфа-тів і дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфатів, тобто з відповідних піринових і піримідинових трифосфонуклеотидів.

Біосинтез пуринових нуклеотидів. Процес розпочинається з формування пуринових основ на рибозо-5'-фосфаті, який під впливом ферменту рибозофосфатпірофосфокінази взаємодіє з АТФ, внаслідок чого утворюється 5'-фосфорибозил- 1-пірофосфату:

Далі 5'-фосфорибозил-1-пірофосфат взаємодіє з глутаміном з утворенням 5'-фосфорибозиламіну. Реакцію каталізуєфермент амідофосфо-рибозилтрансфераза:

5'-Фосфорибозиламін, що утворився, за участю АТФ і ферменту фосфорибозилгліцинамідсиптетази вступає в реакцію з гліцином, утворюючи 5'-фосфорибозилгліцинамід (див. с 396).

Далі 5'-фосфорибозилгліцинамід взаємодіє з мурашиною кислотою з утворенням 5'-фосфорибозилформілгліцинаміду. Реакцію каталізує фермент фосфорибозилгліцинамідформіл-трансфераза, коферментом

5-Фосфорибозилформілгліцинамід за участю ферменту фосфорибо-зилформілгліцинамідин-синтетази реагує з амідом глутамінової кислоти, який є донором для його аміногрупи, з утворенням 5-фосфорибо-зилформілгліцинамідину:

5'-Фосфорибозилформілгліцииамідин містить усі необхідні структурні компоненти імідазольного кільця пуринів. Тому під час дегідратації він ішклізується з утворенням 5'-фосфорибозил-5-аміноімідазолу:

Доведено, що 5-фосфорибозил-5-аміноімідазол під впливом каталітичної дії ферменту фосфорибозиламіноімідазол-синтетази карбоксн-люетьсл, тобто приєднує С0₂. Продуктом цієї реакції є 5-фосфорибо-зил-5-аміиоімідазол-4-карбонова кислота:

Ця сполука перетворюється у відповідний амід. Реакція відбувається у дві стадії. На першій стадії 5-фосфорибозил-5-аміноімідазол-4-карбоиова кис.юта, взаємодіючи з аспарагіновою кислотою, перетворюється на 5-фосфорибозил-5-аміноімідазол-4-М-сукцинокарбоксамід. На другій стадії від продукту реакції відщеплюється фумарова кислота і утворюється 5'-фосфорибозил-5-аміноімідазол-4-карбоксамід:

Далі 5'-фосфорибозил-5-амідоімідазол-4-карбоксамід взаємодіє з
мурашиною кислотою, яка сполучена з тетрагідрофолієвою кислотою,
тобто міститься у вигляді формілтетрагідрофолієвої кислоти. Внаслі
док реакції вводиться ще один атом вуглецю — останній елемент, не
обхідний для утворення кільцевої системи пуринів, і утворюється 5-
фосфорибознл-5-формамідімідазол-4-карбоксамід, який піддається де
гідратації і циклізації. На цьому завершується синтез кільцевої систе
ми пуринів і утворюється інозин-5'-монофосфорна кислота (ІМФ):
Hfciy-OC, H,N-OC

Отже, в результаті протікання послідовних реакцій утворюється скелет пуринових основ. У синтезі беруть участь моноамінодикарбоно-ва (аспарагінова) кислота, амід глутамінової кислоти, гліцин, мурашина кислота й оксид вуглецю (IV):

Слід пам'ятати, що інозинова кислота крім біосинтезу з простих речовин може утворюватись також шляхом дезамінування АМФ і при взаємодії гіпоксантину з 5-фосфорибозил-1-пірофосфатом:

Н4Р,07.

Пі;и>фосфО[)На КИСЛОТ»

Інозинова кислота є попередником пуринових нуклеотидів. Так під час її амінування утворюється аденозинмонофосфорна кислота. Процес відбувається в кілька стадій:

нооон₂о си - соон он

Якщо інозинова кислота спочатку окислюється, а потім піддається дезамінуванню, то утворюється гуанозинмонофосфорна кислота.

Внаслідок окислення інозинової кислоти утворюється ксантозинова

кислота, під час амінування якої за участю глутамшу утворюється іуанозинмонофосфорна кислота (ГМФ):

Ум он

XXI

он Hcr^N^N^ о=р-о-н^с _а +

Встановлено, що АДФ у результаті окислювального фосфорилго-вання перетворюється на АТФ:

АДФ + /?Ф -*■ АТФ + R. де ЯФ — сполука, що містить активний фосфат.

Отже, ми ознайомились з біосинтезом пуринових нуклеотидів, що містять у своєму складі рибозу. Відомо, що в біосинтезі ДНК. на відміну від РНК, використовуються не рибонуклєозидтрифосфати, а дезок-сирибонуклеозидтрифосфати, які утворюються внаслідок відновлення гідроксильної групи рибози, розташованої біля другого атома вуглецю в рибонуклеотидах. Процес відбувається на рівні рибонуклеотид-дифосфатів:

ГДФ

Відновлення

ДГДФ.

Далі гуанозиндифосфати перетворюються на гуанозинтрифосфати: дГДФ -f- АТФ -+ дГТФ + АДФ.

Зауважимо, що в організмі має місце саморегуляція біосинтезу пуринових нуклеотидів. Вона полягає в тому, що кінцеві продукти біосинтезу нуклеотидів (АМФ, АДФ, АТФ, ГМФ, ГДФ, ГТФ) пригнічують дію амідофосфорибозилтрансферази—фермеиту, який каталізує одну з перших реакцій процесу утворення пуринового циклу.

Біосинтез пі римі липових нуклеотидів. В організмах людини і тварин подібно пуриновим нуклеотидам синтезуються також піриміди-нові нуклеотиди, які утворюються з карбамоїлфосфату й аспарагінової кислоти. Проміжним продуктом є оротрва кислота.

Розпочинається реакція з утворення карбамоїлфосфату з NH₃ і С0₂ за участю АТФ:

ОН

ГШ, + СО, + АТФ ^{Карбаматкі}"^аза > Н₂Ы-С-0-Р=0 + АДФ.

ОН

Далі карбамоїлфосфат реагує з аспарагіновою кислотою з утворенням карбамоїласпарагінової (уреїдоянтарної) кислоти, яка внаслідок дегідратації перетворюється на дигідрооротову кислоту:

соон І

о"Ч/^К~^СО°^Н ^^н-соон

Карбамоїласпарагінова Дигідрооротова

кислота кислота

Дигідрооротова кислота Оротова кислота

Дигідрооротова кислота окислюється за участю ферменту дигід^го-оротатдегідрогенази, коферментом якої є НАД+. Продуктом реакції є оротова кислота:

Оротова кислота, взаємодіючи з 5'-фосфорибозил-1-пірофосфатом, утворює оротодин-5'-фосфат, який внаслідок декарбоксилювання перетворюється на уридин-5-фосфат (УМФ):

Уридин-5'-фосфат, що утворився, займає центральне місце в біосинтезі піримідинових нуклеотидів. Це зумовлено тим, що він внаслідок реакції амінування або метилювання перетворюється на ци-тидиновий або тимідиновий нуклеотид.

У біосинтезі нуклеїнових кислот піримідинові нуклеотиди, як і пуринові, використовуються у вигляді нуклеотидтрифосфатів. Фос-форилювання їх відбувається за участю АТФ:

Перетворення піримідинових рибонуклеотидів у дезоксирибонук-леотиди відбувається аналогічно пуриновим:

ТДФ ^ВІД"^0ВЛЄ,,"^Я^ дТДФ; дТДФ -*і дТТФ.