Основы биологической химии предисловие

• Название: Основы биологической химии предисловие
• Анкор: Biokhimia.doc
• Дата: 20.05.2017
• Размер: 7.85 Mb.
• Имя файла: Biokhimia.doc
• Тип: Документы; #8022
• страница: 11 из 15

Глава 11. ОБМЕН ЛИПИДОВ

Среди липидов пищевых веществ в наибольшем количестве представлены жиры (триацилглицерины) - около 99%.

Суточная потребность человеческого организма в жирах 50-100 граммов. Жиры так же, как и углеводы, служат формой запасания энер­гии.

11.1. Переваривание липидов

Липиды не изменяются под действием слюны. В результате ме­ханического измельчения в ротовой полости образуется тонкодиспергированная в слюне смесь липидов, которая поступает в желудок, где рН=1-1,5 за счет образования НСl, а оптимальное значение рН для желудочной липазы, расщепляющей жиры, равно 5,5-7,5. Липаза гидролизует только эмульгированные жиры, но в желудке нет условий для эмульгирования. Переваривание жиров в желудке происходит только у грудных детей, имеющих рН в желудке примерно 5,0.

В желудке взрослых людей происходит лишь частичное разру­шение жиров, появляются свободные жирные кислоты, которые уже вжелудке способствуют эмульгированию жиров. После этого пищевая ка­шица попадает в двенадцатиперстную кишку, куда одновременно из желчного пузыря поступают соли желчных кислот, эмульгирующие жиры. Кроме того, происходит нейтрализация жировой кашицы, содержащей НСI из желудка, бикарбонатами поджелудочного и кишечного сока. При этом выделяется СО₂, способствующий хорошему перемешиванию пище­вой кашицы с пищеварительными соками. Эмульгированные желчными солями жиры гидролизуются в двенадцатиперстной кишке и в тонких кишках под действием липазы поджелудочной железы при рН 5,5-7,5 по следующей схеме:

Триглицерид

Диглицерид

Моноглицерид

Глицерин

В результате образуется смесь глицерина, различных моно- и диглицеридов, жирных кислот. Так как жиры нерастворимы в воде, а липаза нерастворима в жирах, то гидролиз происходит на поверхности раздела фаз и скорость его зависит от площади этой поверхности.

Фосфоглицериды клеточных мембран гидролизуются с помощью фосфолипаз, локализованных преимущественно в лизосомах, а также и в других органоидах клетки. Продуктами гидролиза фосфоглицеридов яв­ляются: глицерин, жирные кислоты, азотистые спирты, фосфорная ки­слота.

Имеются специфические ферменты гидролиза сфинголипидов и гликолипидов, которые участвуют в их обновлении. Холестерин же почти не изменяется, а лишь эмульгируется желчными солями перед всасыванием в кровь:

Переваривание липидов завершается через 4-5 часов после приема пищи.

Глицерин и жирные кислоты с коротким радикалом проходят через кишечные стенки и попадают в кровь. Нерастворимые в воде глицериды и жирные кислоты с длинной цепью сначала эмульгируются жел­чью и только после этого всасываются через лимфокапилляры.

В клетках слизистых оболочек кишечника происходит частично ресинтез новых, специфичных для данного организма, триглицеридов из продуктов гидролиза пищевых жиров. Вновь синтезированные жиры так­же попадают в лимфокапилляры. Лимфокапилляры вливаются в более крупные лимфатические сосуды, которые связаны с общей системой кро­вообращения.

Таким образом, липиды поступают в клетки тканей или в печень, где подвергаются различным превращениям или откладываются в жир (в жировой ткани). В печени происходит полный гидролиз глицеридов; жирные кислоты также подвергаются самым различным превращениям: радикал их может укорачиваться или удлиняться, возможны взаимопере­ходы насыщенных и ненасыщенных кислот, образование кетонов, окис­ление кислот и др.

Известно, что гидролиз внутриклеточных липидов не приводит к накапливанию глицерина и жирных кислот. Это говорит о том, что ско­рость гидролиза сбалансирована со скоростью их окисления внутри клет­ки. В жировой ткани образующийся в результате гидролиза глицерин и жирные кислоты не подвергаются окислению, а поступают в кровь, из которой потребляются другими органами.
11.2. Метаболизм глицерина

Обмен глицерина тесно связан с гликолизом, в который вовле­каются метаболиты глицерина по следующей схеме:

Глицерин

Фосфоглицерат

Диоксиацетонфосфат

Превращение одной молекулы глицерина дает одну молекулу АТФ в анаэробных условиях и 19 молекул АТФ в аэробных. Глицерин как энергетический материал используется практически всеми органами и тканями.
11.3. Метаболизм жирных кислот

В триацилглицеринах (жирах) жировой ткани человека в основ­ном содержатся следующие жирные кислоты: миристиновая (3%), паль­митиновая (20%), стеариновая (5%), пальмитоолеиновая (5%), олеино­вая (55%), линолевая (10%), арахидоновая (0,2%). В значительных ко­личествах эти жирные кислоты содержатся и в других липидах, но жирнокислотный состав гликолипидов и фосфолипидов клеточных мембран гораздо более разнообразен. Особенно много характерных жирных ки­слот найдено в сложных липидах нервных клеток.

Источниками жирных кислот организма служат липиды пищи (главным образом жиры) и синтез жирных кислот из углеводов.

Расходуются жирные кислоты в основном по трем направлениям (рис.33):

- включаются в состав резервных жиров;

- включаются в состав структурных липидов;

- окисляются до углекислого газа и воды с использованием вы­деляющейся при этом энергии для синтеза АТФ.



Рис. 33. Метаболизм жирных кислот

Все превращения сложных жирных кислот в клетках начинаются с образования Ацил-КоА (активация жирных кислот):

СН₃-(СН₂)_n-СН₂-СН₂-СООН + HSKoA + АТФ _

Жирная кислота

Коэнзим А

О

||

СН₃-(СН₂)_n-СН₂-СН₂-С SKoA + АМФ + Н₄Р₂О₇

Ацил-КоА

Содержащаяся в Ацил-КоА связь CS является макроэргической, поэтому данный процесс и рассматривают как активацию кислоты.

Дальнейший катаболизм жирных кислот можно разделить на три стадии:

1) β-окисление - специфический для жирных кислот путь мета­болизма, завершающийся превращением молекулы жирной кислоты в несколько молекул Ацетил-КоА;

2) цикл Кребса, в котором окисляются ацетильные остатки;

3) Митохондриальная дыхательная цепь.

Процесс активации жирных кислот протекает в цитоплазме, а β-окисление активированных кислот происходит в матриксе митохондрий при участии мультиферментного комплекса. Мембрана митохондрий не­проницаема для жирных кислот; их перенос происходит при участии карнитина:



При действии карнитин-ацилтрансферазы к спиртовой группе карнитина присоединяется ацильный остаток жирной кислоты (сложно-эфирной связью):



Ацилкартинин

Образующийся ацилкарнитин может диффундировать в мито­хондрию, где происходит обратная реакция с образованием Ацил-КоА.

В матриксе митохондрий происходит β-окисление поступившего Ацил-КоА. При β-окислении окисляется группа –СН₂ - в β-положении по отношению к группе -СО-:



Ацил-КоА



(Ацил-КоА) Ацетил-КоА

Новый Ацил-КоА вновь подвергается β-окислению. Многократное повторение этого процесса приводит к полному распаду жирной кислоты до Ацетил-КоА. Напиример, молекула пальмитиновой кислоты, содержащая 16 атомов углерода, превращаясь в 8 молекул Ацетил-КоА за 7 циклов β-окисления:



Пальмитин-КоА



Окисление кислот с нечетным числом атомов углерода и нена­сыщенных кислот имеет свои особенности.

В случае кислот с нечетным количеством атомов углерода наря­ду с обычными продуктами окисления образуется одна молекула пропионил-КоА (CH₃-CH₂-COSKoA) на молекулу окисленной жирной кислоты. Пропионил-КоА окисляется по особому пути:

Пропионил-КоА

Метилмалонил-КоА

Сукцинил-КоА

Образующийся сукцинил-КоА поступает в цикл Кребса.

Особенности окисления ненасыщенных жирных кислот опреде­ляются положением и числом двойных связей в их молекулах. Окисление идет обычным путем, если каждая двойная связь имеет транс­конфигурацию. В противном случае в реакциях участвует дополнитель­ный фермент, изменяющий конфигурацию групп атомов относительно двойной связи из цис- в транс-, далее окисление идет так же, как у на­сыщенных кислот. Следует отметить, что скорость окисления ненасы­щенных жирных кислот выше, чем насыщенных. Например, по сравнению с окислением стеариновой кислоты скорость окисления олеиновой выше в 11 раз, линолевой - в 114, линоленовой - в 170 раз, а арахидоновой - почти в 200 раз.

Энергетическая ценность жирной кислоты с четным числом ато­мов углерода рассчитывается следующим образом. Если жирная кислота содержит 2n атомов углерода, то при полном ее окислении образуется n молекул ацетил-КоА и по ( n-1 ) молекул ФАД(Н₂) и (НАД.Н + Н⁺). Окисление ФАД(Н₂) дает 2 АТФ, а (НАД.Н+Н⁺)-3 АТФ, то есть вместе - 5 АТФ или, в общем виде, 5(n-1) АТФ. Полное сгорание одной молекулы ацетил-КоА дает 12 АТФ, значит n молекул обеспечивают образование 12n АТФ. Учитывая, что 1 АТФ тратится на активирование кислоты, пол­ный баланс АТФ при окислении жирной кислоты с четным числом атомов углерода можно выразить формулой:

5(n-l)+(12n-l)=(17n-6) молекул АТФ,

где n=m/2 (m- число атомов углерода в кислоте).

Например, полный выход АТФ при окислении одной молекулы пальмитиновой кислоты составляет 130 молекул.

Энергетическая ценность жирных кислот выше, чем, например, глюкозы. Так, полное окисление капроновой кислоты, имеющей то же число атомов углерода, что и глюкоза, дает 45 молекул АТФ (глюкоза дает 38 молекул АТФ). Однако для сгорания в цикле Кребса образующих­ся при β-окислении молекул ацетил-КоА требуется достаточное количе­ство оксалоацетата. В этом отношении углеводы имеют преимущество перед жирными кислотами, так как при их распаде образуется пируват, являющийся источником образования не только ацетил-КоА, но и окса­лоацетата, то есть облегчается превращение ацетил-КоА в цикле Кребса. Не случайно в биохимической литературе бытовало выражение: "жиры сгорают в пламени углеводов", поскольку образующийся уже в гликолизе АТФ может использоваться для активирования жирных кислот в цитоплазме, а образующийся из пирувата оксалоацетат обеспечивает включение ацетил-КоА в цикл Кребса.

β-Окисление жирных кислот происходит во многих тканях, но особенно значительна роль этого источника энергии в скелетных мышцах при большой физической нагрузке, а также в сердечной мышце и в поч­ках. Сердечная мышца около 70% поглощаемого кислорода использует для окисления жирных кислот, а нервная ткань, например, вообще не использует этот источник энергии.

Часть Ацетил-КоА минует цикл Кребса и расходуется на синтез стероидов, прежде всего холестерина, и жирных кислот в цитоплазме клеток различных органов и тканей. Холестерин в наибольшей степени синтезируется в печени (80%), а также в стенках тонкого кишечника (10%)и в клетках кожи (5%). За сутки образуется 1 г холестерина в ор­ганизме, тогда как с пищей в организм поступает 0,1-0,3 г холестерина, всего 8 тканях организма холестерина приблизительно 140 г, на втором месте группа стероидов желчных кислот - приблизительно 5 г.
11.4. Биосинтез жиров

Биосинтез жиров осуществляется наиболее активно в печени и менее активно - в жировой ткани. Глюкоза является строительным мате­риалом для синтеза жирных кислот и глицерина, которые затем превра­щаются в триглицериды (рис.34). Общая схема образования жиров из глюкозы изображена ниже:



Рис. 34. Общая схема образования жиров из глюкозы

Синтез триглицеридов (жиров) из α-фосфоглицерата и Ацил-КоА осуществляется в цитозоле клеток (рис.35).

Фосфатидная кислота

Триглицерид

11.5. Регуляция обмена липидов

Интенсивность обмена липидов зависит от поступления липидов с пищей и от нервно-гормональной регуляции. Большая часть пищевых и синтезируемых в печени жиров депонируется в жировой ткани. У челове­ка нормальной упитанности жиры составляют 15% от массы. При пол­ном голодании этот запас расходуется за 5-7 недель. При нормальном питании и нормальном обмене веществ жиры постоянно обновляются, но их количество в организме не меняется, то есть скорости депонирования и мобилизации жира равны.

При избыточном поступлении углеводов и жиров, несоответст­вующем потребностям, и при гиподинамии возможно ожирение и избы­точное образование холестерина. Экзогенный холестерин тормозит син­тез эндогенного холестерина.

Большую роль в обмене липидов в организме играет соотноше­ние различных липидов в пище. Так, растительные масла: кукурузное, хлопковое, подсолнечное, содержащие много фосфолипидов и ненасы­щенных кислот, - препятствуют накоплению и отложению холестерина в сосудах и других тканях, способствуют выведению его из организма.

Ненасыщенные кислоты пищи способствуют синтезу эндогенных фосфолипидов и ускоряют процессы окисления в митохондриях и тем самым регулируют избыточное отложение триглицеридов.

Нервно-гормональная регуляция (см. главу 16) липидного обме­на заключается во влиянии на мобилизацию и синтез триглицеридов в жировой ткани. Все регуляторы, способствующие переходу неактивной (нефосфорилированной) липазы в активную (фосфорилированную), сти­мулируют липолиз и выход жирных кислот в кровь. Стимуляторами этого процесса являются следующие гормоны: адреналин и норадреналин (надпочечники), глюкагон (поджелудочная железа), тироксин и трийодтиронин (щитовидная железа), соматотропин - гормон роста и кортикотропин (гипофиз).

Инсулин (поджелудочная железа) и простагландины, наоборот, угнетают липолиз жиров и способствуют отложению липидов в жировой ткани и образованию холестерина. Гормоны щитовидной железы способ­ствуют окислению боковой цепи холестерина и выведению его с желчью в кишечник.

Стресс, физическая нагрузка, голодание, охлаждение стимули­руют секрецию адреналина, норадреналина и угнетают секрецию инсу­лина, вызывая тем самым усиление липолиза и похудание.

Глава 12. ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

12.1. Пути распада РНК и ДНК

Нуклеиновые кислоты входят в состав нуклеопротеидов, которые распадаются (перевариваются) в желудочно-кишечном тракте. Под влия­нием ферментов желудка и частично соляной кислоты нуклеопротеиды пищи разлагаются на полипептиды и нуклеиновое кислоты. Полипептиды в кишечнике подвергаются гидролитическому расщеплению до свобод­ных аминокислот.

Нуклеиновые кислоты распадаются под действием ферментов сока поджелудочной железы - нуклеаз, а именно рибонуклеаз и дезоксирибонуклеаз. Различают эндонуклеазы и экзоиуклеазы.

Эндонуклеазы разрывают внутренние межнуклеотидные связи в молекулах ДНК и РНК, вызывая деполимеризацию нуклеиновых кислот с образованием олигонуклеотидов. Экзонуклеазы катализируют отщеп­ление концевых мононуклеотидов от ДНК и РНК или от олигонуклеоти­дов.

Эндонуклеазы и экзонуклеазы относятся к гидролазам, т. е. вы­зывают гидролитическое расщепление фосфодиэфирных межмолекулярных связей. Помимо гидролаз имеются нуклеазы класса трансфераз, ка­тализирующие распад нуклеиновых кислот с одновременным трансфор­мированием молекулы.

Большинство рибонуклеаз (РНК-азы) - трансферазы, а именно фосфотрансферазы - они ускоряют реакцию перекоса остатка фосфорной кислоты от 5-го углеродного атома рибозы одного мононуклеотида ко второму углеродному атому рибозы соседнего мононуклеотида. В резуль­тате межнуклеотидная связь разрывается и образуется фосфодиэфирная связь между вторым и третьим углеродными атомами рибозы одного и того же мононуклеотида.

В результате действия различных рибонуклеаз молекулы РНК в конечном итоге распадаются до мононуклеотидов, содержащих цикличе­ски присоединенную фосфатную группировку, которая гидролизуется по схеме:



Рибонуклеозид-3´-фосфат

Кроме того, если гидролиз катализируют 5'-нуклеазы, могут образоваться и рибонуклеозид - 5' - фосфаты.

Дезоксирибонуклеазы (ДНК - азы) относят, как правило, к гидро­лазам. Различают два типа ДНК - аз:

1) ускоряющие реакцию гидролиза ДНК до олигонуклеотидов:



2) ускоряющие гидролиз ДНК и олигодезоксирибонуклеотидов до дезоксирибонуклеозид - 3'(или 5´) - фосфатов:



Таким образом, в результате последовательного действия разно­образных экзо- и эндонуклеаз РНК и ДНК распадаются до рибо- или дезоксирибонуклеозид - 3'(или 5´)-фосфатов, подвергающихся следующим превращениям.

1-я стадия - распад под действием соответствующих 3'- или 5'-нуклеаз с образованием фосфорной кислоты и нуклеозида, например:

Аденозин-5'-монофосфат (АМФ, мононуклеотид)

Аденозин (нуклеозид)

2-я стадия - перенос остатка рибозы или дезоксирибозы от нуклеозида на свободную фосфорную кислоту с образованием рибозо-(или дезоксирибозо) - 1-фосфата и свободного азотистого основания, например:

Уридин

Рибозо-1-фосфат

Урацил

Эта реакция катализируется специфическими для каждого вида нуклеозидов нуклеотрансферазами.

Далее рибозо-1-фосфат участвует в обмене углеводов. Пуриновые и пиримидиновые основания распадаются до простейших азотсодер­жащих продуктов, которые выводятся из организма либо откладываются в нем.
12.2. Распад пуриновых и пиримидиновых оснований

1-й этап - дезаминирование под действием специфических аминогидролаз азотистых оснований, имеющих аминогруппы, а также нуклеотидов и нуклеозидов, в состав которых эти основания входят, напри­мер:

Аденин

Гипоксантин

Гуанин

Ксантин

Цитозин

Урацил

Аденозин

Инозин

Дезаминированные нуклеозиды и нуклеотиды распадаются дальше, осво­бождая в конечном итоге гипоксантин, ксантин или урацил.

2-й этап - дальнейшие превращения дезаминированных пуриновых и пиримидиновых оснований.

Дезаминированные пуриновые основания (гипоксантин и ксан­тин) окисляются в мочевую кислоту:

Гипоксантин

Ксантин

Мочевая кислота

Мочевая кислота у человека и ряда животных (приматы, птицы и некото­рые рептилии) является конечным продуктом распада пуриновых основа­ний и выводится из организма. Образование мочевой кислоты происходит главным образом в печени. Мочевая кислота - основной продукт распада нуклеотидов у человека. В организме ежесуточно образуется 0,5-1 г мо­чевой кислоты, которая выводится через почки. В крови здорового чело­века содержится 3-7 мг/дл мочевой кислоты. Хроническое повышение концентрации мочевой кислоты (гиперурикемия) часто приводит к разви­тию подагры - отложение малорастворимой мочевой кислоты (и ее солей уратов) а виде кристаллов в крови и в тканях. Это заболевание носит наследственный характер и связано с дефектом фермента, катализирую­щего реакцию превращения гипоксантина и гуанина в инозиновую кисло­ту - ИМФ (см. раздел 12.3 "Биосинтез нуклеотидов") и ГМФ соответственно. Вследствие этого гипоксантин и гуанин не используются повторно для синтеза нуклеотидов, а целиком превращаются в мочевую кислоту, что и ведет к гиперурикемии.

У большинства животных и растений есть ферменты, вызываю­щие дальнейший распад мочевой кислоты до мочевины (1) и глиоксалевой кислоты (2):

(1)

(2)

Дезаминированные пиримидиновые основания, в отличие от пуриновых, восстанавливаются под действием специфических ферментов; при этом донором атомов водорода служит восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида (НАД.Н+Н⁺) (см главу 7).

Карбаминовая кислота

β-аланин

β-изомасляная кислота

Карбаминовая кислота далее либо используется для синтеза мочевины, либо распадается до углекислого газа и аммиака:

H₂N-COOH → NH₃ + СО₂.

Как правило, продукты распада нуклеиновых кислот выводятся из организма. Всасываются преимущественно нуклеозиды, и в таком виде часть азотистых оснований может быть использована для синтеза нук­леиновых кислот организма. Если же происходит распад нуклеозидов до свободных оснований, то гуанин не используется для синтетических це­лей, а остальные в незначительном количестве могут участвовать в синтезе нуклеиновых кислот.

12.3. Биосинтез нуклеотидов

Синтез нуклеиновых кислот определяется скоростью синтеза мононуклеотидов, при этом синтез последних зависит от наличия всех их трех компонентов. Пентозы являются продуктами обмена глюкозы, фос­форная кислота в достаточном количестве поступает с пищей. Лими­тирующим фактором является биосинтез азотистых оснований.

Биосинтез пурииовых нуклеотидов

Методом меченых атомов в 30-е годы двадцатого века доказа­но, что пуриновые основания, образующиеся в процессе превращения, нуклеиновых кислот в кишечнике, в дальнейшем практически не исполь­зуются. Поэтому пуриновая структура образуется из мелких фрагментов, поставляемых из низкомолекулярных соединений. Можно выделить сле­дующие стадии синтеза пуриновых нуклеотидов:

1-я стадия - синтез β-5-фосфорибозил-1-амина на основе про­дукта пентозофосфатного цикла α-рибозо-5-фосфата:

α-рибозо-5-фосфат

α-рибозо-5-фосфорибозил-1-дифосфат (ФРДФ)

β-5-фосфорибозил-1-амин

2-я стадия - серия реакций, приводящая к формированию пуринового цикла и образованию инозиновой кислоты (ИМФ), пуриновая часть которой представлена гипоксантином:



Инозинмонофосфат (ИМФ, инозиновая кислота)

3-я стадия - синтез на основе ИМФ пуриновых нуклеотидов - АМФ и ГМФ, которые затем под действием соответствующих ферментов могут превращаться в нуклеозидди- и три фосфаты:



Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов

Пиримидиновое ядро пиримидиновых нуклеотидов так же, как и пуриновый цикл, образуется из низкомолекулярных предшественников. В результате ряда последовательных реакций синтезируется уридиловая кислота (УМФ), которая, в свою очередь, является предшественником других пиримидиновых нуклеотидов - цитидиловых и тимидитиловых. Биосинтез уридиловой кислоты можно разделить на две стадии.

На первой стадии образуется карбомоилфосфат из глутамина и СО₂ при действии цитоплазматической карбамоилфосфатсинтетазы; на второй стадии карбамоилфосфат реагирует с аспартатом и в конечном итоге образуется уридиловая кислота (УМФ):

карбамоилфосфат

Дигидрооротовая кислота

Оротовая кислота

Уридиновая кислота

Превращение УМФ в УДФ и УТФ осуществляется, как и вслучае пуриновых нуклеотидов, путем фосфорилирования:

УМФ + АТФ ↔УДФ + АДФ;

УДФ + АТФ ↔ УТФ + АДФ.

Предшественником цитидиловых нуклеотидов является УТФ, который превращается в ЦТФ по схеме

УТФ + GIn + АТФ _ ЦТФ + Glu + АДФ + Н₃Р0₄

Биосинтез дезоксирибонуклеотидов

Дезоксирибонуклеотиды - предшественники ДНК - образуются из рибонуклеотидов путем восстановления гидроксогруппы у второго углеродного атома рибозы при участии фермента - рибонуклеозидредуктазы. Субстратами фермента являются дифосфаты нуклеотидов, донором водорода служит низкомолекулярный белок тиоредоксин, содержащий две свободные SH - группы на 108 аминокислотных остатков:



Рибонуклеозиддифосфат



Дезоксирибонуклеозиддифосфат

В состав дезоксирибонуклеотидов вместо уридиловых нуклеоти­дов входят тимидиловые. Тимидиловая кислота (дТМФ) образуется из дезоксиуридиловой кислоты (дУМФ) путем метилирования урацила.

Непосредственные предшественники ДНК: дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ образуются путем фосфорилирования дезоксирибонуклеозид - 5´-дифосфатов с помощью АТФ:

АТФ + дАДФ → АДФ + дАТФ;

АТФ + дГДФ → АДФ + дГТФ;

АТФ + дЦДФ →АДФ + дЦТФ;

АТФ + дТДФ → АДФ + дТТФ.

дТТФ получается также по схеме:

дУДФ → дУТФ → дУМФ → дТМФ → дТДФ → дТТФ.

Синтез дезоксирибонуклеотидов в покоящихся клетках практически не происходит и активируется на стадиях, предшествующих клеточному де­лению.
12.4. Биосинтез нуклеиновых кислот

Первичную структуру важнейших биополимеров - белков и нук­леиновых кислот можно сравнить с буквенной записью: и в том, и в дру­гом случае имеется не произвольное, а строго определенное, имеющее смысл, чередование элементов - мономеров или «букв». На этом основании нуклеиновые кислоты и белки называют информационными молеку­лами.

До сих пор не раскрыты в деталях молекулярные механизмы пе­редачи генетической информации, записанной (закодированной) в нуклеотидной последовательности ДНК.

Но однозначно, что при биосинтезе новых молекул нуклеиновых кислот и белков носителями информационной программы являются нук­леиновые кислоты; в этой роли их называют матрицами. Матрица в ходе матричного синтеза не расходуется и может использоваться многократно; в этом отношении она сходна с катализатором.

Различают три основных этапа реализации генетической инфор­мации (три основных типа матричных биосинтезов).

1-й этап - биосинтез ДНК (репликация) с использованием в каче­стве матрицы уже существующих молекул ДНК. Репликация ДНК является ключевой функцией делящейся клетки.

2-й этап - транскрипция - генетическая информация, записанная в первичной структуре ДНК, переписывается в нуклеотидную последова­тельность РНК (т. е. биосинтез РНК на матрице ДНК).

3-й этап - трансляция - генетическая информация, содержащаяся в нуклеотидной последовательности молекулы мРНК, переводится в ами­нокислотную, последовательность белка (биосинтез белков на матрице мРНК).

В данном разделе рассматриваются первые два этапа, третий этап будет рассмотрен в главе 13 «Обмен белков».

Биосинтез ДНК (репликация)

Для биосинтеза ДНК прежде всего необходимо наличие всех че­тырех видов дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ). Кроме того, известно, что для любого синтеза полимерной орга­нической молекулы, осуществляемого в живой или неживой природе, требуется большое количество энергий. Источником энергии в реакциях полимеризации мононуклеотидов служит энергия, освобождаемая всеми четырьмя типами дезоксирибонуклеозидтрифосфатов, участвующих в синтезе ДНК. Образующийся пирофосфат (Н₄Р₂О₇) под действием пирофосфатазы также расщепляется на две молекулы ортофосфата (Н₃РО₄), давая дополнительную энергию для биосинтеза ДНК, который требует кроме того наличия специфических ферментов.

Ферментная система ДНК до конца не расшифрована, она вклю­чает более 20 ферментов и белковых факторов, объединенных в единую ДНК - репликационную систему.

Общая схема биосинтеза ДНК может быть представлена в сле­дующем виде:

m(дАТФ + дТГФ) + n(дГТФ +дЦТФ) _ ДНК +(m+n) + Н₄Р₂О₇

Химический смысл полимеризации состоит в том, что 3'-гидроксильная группа матрицы атакует α - атом фосфора соответствую­щего нуклеозидтрифосфата (определяемого матрицей по комплементар­ному механизму); при этом происходит отщепление остатка пирофосфата. Далее 3'-гидроксил вновь образованного мононуклеотида атакует α-атом фосфора следующего нуклеозидтрифосфата, и таким путем про­должается процесс полимеризации, идущий в направлении 5'→3', в про­тивоположность матрице, оканчивающейся 5'-фосфатом. Реакция требу­ет присутствия в качестве матрицы одноцепочной ДНК или в крайнем случае небольших полинуклеотидов.

В настоящее время механизм репликации ДНК представляется следующим образом. Первоначально с помощью ферментов происходит раскручивание двойной спирали ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка - цепи ДНК расходятся в стороны. Затем при участии ДНК-полимеразы (репликазы) образуются новые полинуклеотидные цепи, комплементарные исходным матричным; в результате получаются две двухцепочечные молекулы ДНК, полностью идентичные исходной моле­куле:



Такой способ репликации: получил название полуконсервативного (в принципе возможен и другой механизм - консервативный, при котором вновь синтезируемая нуклеотидная цель образуется прямо на двойной спирали ДНК, без ее раскручивания).

Сложность процесса репликации ДНК объясняется тем, что обе цепи реплицируются одновременно, хотя имеют разное направление (5'→3' и 3´→5'), кроме того рост (элонгация) дочерних цепей также должен происходить в противоположных направлениях. С другой стороны, как уже выше было сказано, элонгация каждой дочерней цепи может идти только в направлении 5'→ 3'. Поэтому ученым Р. Оказаки было высказано предположение, что синтез одной из дочерних цепей происходит непре­рывно в одном направлении, а в это время синтез второй дочерней цепи идет прерывисто путем соединения коротких фрагментов (фрагментов Оказаки), синтезируемых в противоположном направлении (рис. 36). По мере роста новых цепей репликативная вилка перемещается по ДНК.



Рис 36. Синтез ДНК: а - на одной ветви репликативной вилки синтезируется непрерывная нуклеотидная цепь, на другой - фрагменты Оказаки; 6 - фрагменты Оказаки соединяются друг с другом в результате действия ДНК-лигазы

Биосинтез РНК (транскрипция)

Синтез РНК можно представить схемой:

ДНК-матрица

кАТФ + IУТФ + т ГТФ + п ЦТФ РНК + (к+I+т+п)Н₄Р₂О₇

Субстратами реакции служат трифосфаты рибонуклеозидов, синтез РНК требует энергетических затрат. Реакция идет только в присутст­вии ДНК, одна из цепей которой служит матрицей. Все синтезированные молекулы РНК имеют структуру, комплементарную матрице. Поскольку РНК являются одноцепочечными молекулами, то стехиометрические ко­эффициенты для всех четырех субстратов различны. Транскрипция ката­лизируется ферментом РНК-полимеразой. Сущность действия его заклю­чается в следующем. Фермент присоединяется к матрице на определен­ном участке, называемом промоторным. В результате этого происходит локальное расхождение нуклеотидных цепей ДНК в данном участке; одна из цепей служит матрицей.

Биосинтез молекулы РНК осуществляется в результате переме­щения РНК-полимеразы вдоль ДНК и происходит путем присоединения очередного рибонуклеотида, комплементарного тому дезоксирибонуклеотиду ДНК, который в данный момент находится в области активного цен­тра РНК-полимеразы. В участке ДНК, где заканчивается ген, имеется по­следовательность нуклеотидов (терминирующий кодон), достигнув ко­торого РНК-полимераза и синтезированная РНК отделяются от ДНК. Та­ким образом получаются молекулы РНК, каждая из которых содержит информацию одного гена. Синтез РНК идет в направлении 5'→3´, и РНК имеет противоположную ДНК полярность цепи. По мере освобождения промоторного участка к нему могут присоединяться новые молекулы РНК-полимеразы, так что ген может транскрибироваться одновременно боль­шим количеством молекул фермента. Все образующиеся молекулы РНК, синтезируемые на одной и той же матрице, комплементарны этой матри­це и идентичны друг другу.

Все типы РНК (рРНК, тРНК, мРНК) синтезируются сходным обра­зом. Поэтому для любой молекулы РНК, имеющейся в организме, можно найти участок ДНК, которому она комплементарна. Все типы РНК участ­вуют в биосинтезе белков, но их функции в этом процессе различны (см. табл. 5). Роль матрицы, определяющей первичную структуру белков, вы­полняют матричные РНК (мРНК).

Любопытно, что в ДНК эукариот (организмы, клетки которых содержат ядро, в том числе и человека) имеется большое количество нетранскрибируемых участков: на их долю приходится более половины всей ДНК; их роль в организме пока неизвестна.

В результате транскрипции образуются предшественники тРНК, рРНК и мРНК, затем в ядре происходит их доработка (созревание, процессинг), и получаются функционально активные РНК. Предшественники обычно имеют избыточные участки по концам нуклеотидной цепи, кото­рые при созревании отщепляются специфическими РНК-азами.

Созревание мРНК имеет ряд особенностей. Оказалось, что ген (представленный ДНК) имеет мозаичную структуру, содержащую наряду с кодирующими участками (экзоны) участки, не несущие структурной ин­формации (интроны). При транскрипции образуется РНК, которая содер­жит участки, комплементарные как экзонам, так и интронам. Далее этот первичный транскрипт в ходе созревания удаляет фрагменты, соответст­вующие интронам, а структурные части, соответствующие экзонам, со­единяются (сплайсинг) и образуется мРНК.

Безматричный синтез РНК

Помимо РНК-полимеразы в клетках есть другой фермент, с по­мощью которого можно синтезировать РНК in vitro (в неживой природе) - это полинуклеотифосфорилаза. В живой клетке этот фермент ката­лизирует фосфоролиз 3',5'-фосфодиэфирных связей в молекуле РНК, продуктами реакции являются нуклеозиддифосфаты:

РНК + (k + I + m+n)Н₃Р0₄ ↔ kАДФ + I УДФ + mГДФ + nЦДФ.

Реакция обратима, поэтому при проведении ее in vitro в условиях избытка нуклеозиддифосфатов она идет в направлении синтеза РНК. При этом не требуется никакой матрицы, а последовательность соединения нуклео­тидных остатков в цепь РНК является случайной. В этом состоит прин­ципиальное отличие матричных синтезов от безматричных.

12.5. Путь информации от генотипа к фенотипу

Еще на рубеже 19-го и 20-го веков было выяснено, что ответст­венными за передачу признаков по наследству являются хромосомы, а именно определенный участок их, называемый геном и определяющий некоторый наследственный признак. Всему набору признаков организма соответствует набор генов всех хромосом - генотип.

Гены наряду с белками содержат ДНК, которые и осуществляют передачу наследственной информации от поколения к поколению в про­цессе репликации.

Существует механизм, который регулирует периодичность реп­ликации ДНК и фазы клеточного цикла. До конца этот механизм еще не выяснен. Синтез ДНК происходит во время фазы, предшествующей деле­нию клетки, после того как синтезируются все необходимые нуклеозидтрифосфаты. До этого клетки диплоидны, т.е. содержат две копии гено­типа. В результате репликации каждая из копий удваивается, и клетка становится тетраплоидной. Во время деления происходит конденсация хроматина и образование хромосом (тетраплоидный набор) с последую­щим делением родительской клетки на две дочерние диплоидные клетки.

Каждому генотипу соответствует определенный фенотип - набор фенотипических признаков организма (проявляющихся как внешне, так и внутренне).

Путь информации от генотипа к фенотипу можно выразить про­стой схемой: ДНК→РНК→белок.

1-я и 2-я стадии этой схемы уже рассмотрены. Таким образом, ген определяет первичную структуру белков: информация, записанная с помощью определенного чередования нуклеотидных остатков, перево­дится в информацию, записанную чередованием аминокислотных остатков. Иначе говоря, ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а РНК - мат­рицей для синтеза белков. Это положение - основной постулат молеку­лярной биологии.

Основы генетической инженерии. Целью генетической ин­женерии является получение организмов (животных и растений) с новы­ми наследственными свойствами с помощью чисто лабораторных прие­мов. Осуществить эту цель чрезвычайно сложно, что обусловлено недос­таточностью знаний о структуре и функционировании генов.

Для достижения поставленной цели в организм необходимо вве­сти соответствующий ген или гены. Поэтому первым этапом является синтез гена химическим или биологическим путем либо выделение его из другого организма.

Следующий этап генетической инженерии - перенос генов в клетку - осуществляется тремя способами: трансформацией (перенос генов посредством выделенной и очищенной от примесей ДНК), трансдукцией (перенос генов посредством вирусов) или гибридизацией клеток, полученных из разных организмов.

Заключительный этап сводится к адаптации введенного гена в организме хозяина и уже не зависит от искусства экспериментатора.

Казалось бы, довольно простая схема, но тем не менее в на­стоящее время в генетической инженерии наблюдается некоторый спад. Переход от исследования на клетках прокариот (организмы, клетки кото­рых не имеют ядра как такового) к исследованиям на клетках эукариот встретил ряд технических трудностей из-за мозаичной структуры генов последних. В частности, открытие экзонов и интронов в генотипе ДНК, открытие явления сплайсинга во время формирования матричной РНК указывают на необходимость соблюдения высочайшей точности процеду­ры вырезания необходимого гена из ДНК генотипа соответствующими ферментами (рестриктазами). Иначе могут быть получены не гены, несу­щие информацию, а участки интронов, не кодирующие белок.

После открытия методов искусственного синтеза и сшивки от­дельных участков молекулы ДНК, появилась возможность создания но­вых, неизвестных ранее организмов с заранее заданными свойствами. Сложилось новое направление - биотехнология, занимающаяся решением практических задач здравоохранения и сельского хозяйства. Полученные в лаборатории гены широко используются в микробиологической про­мышленности для приготовления лекарственных препаратов белковой природы (гормонов, ферментов и др.), а также все больше попыток при­менить их при лечении многих наследственных заболеваний (всего их более 2000), генетический дефект которых точно известен пока только для 50 болезней.