131
на синтез ацетоновых тел.
Окисление тирозина
При нарушении активности ферментов синтеза меланинов развивается альбинизм, при котором снижается фотопротекторная, антиоксидантная, иммуномодулирующая функция меланинов.
Трансаминирование тирозина
При врожденном дефекте трансаминазы, гидроксилазы, гидролазы развиваются различные виды тирозинозов. При отсутствии оксидазы гомогентизиновой кислоты наблюдается алкатонурия, характеризующаяся повышенным выделением с мочой гомогентизиновой кислоты, которая при контакте с воздухом переходит в продукты тёмного цвета.
8.11. Регуляция белкового обмена Авторегуляция проявляется в том, что при увеличении в рационе белковой
пищи происходит постепенная активация ферментов желудочно – кишечного тракта, активация тканевых ферментов, участвующих в катаболизме белков и аминокислот.
Нервная регуляция подтверждается тем, что денервация мышечной ткани резко снижает синтез белков в ней, а при интенсивной мышечной работе происходит усиление синтеза мышечных белков.
Эндокринная регуляция осуществляется при участии гормонов гипофиза, щитовидной, поджелудочной, половых желез, надпочечников. К гормонам,
132
которые уменьшают распад тканевых белков и активируют их синтез, относятся соматотропин, физиологические концентрации гормонов щитовидный, андрогены, инсулин. Распад тканевых белков активируют высокие концентрации гормонов щитовидной железы. В соединительной, лимфоидной ткани распад белков усиливают глюкокортикоиды.
У новорожденных развивается физиологическая транзиторная гипопротеинемия -снижение концентрации белка в плазме крови. Она связана с усиленным распадом белков и использованием их на энергетические нужды в период неонатальной адаптации.
8.12.Патология белкового обмена
Впредыдущих разделах изложены нарушения обмена серосодержащих аминокислот (обмен серосодержащих аминокислот), нарушения обмена фенилаланина, тирозина (обмен фенилаланина и тирозина), нарушения синтеза мочевины (биосинтез мочевины).
Белковое голодание может наблюдаться при недостатке белков в рационе, недостатке витаминов, заболеваниях желудочно–кишечного тракта. При белковом голодании усиливается распад собственных тканевых белков, особенно в таких тканях как мышцы, печень и плазма крови. Развивается отрицательный азотистый баланс, дистрофия мышц, нарушение антитоксической функции печени, гипопротеинемия и как следствие, «голодные» отёки. Происходит уменьшение подкожной клетчатки, страдают иммунные процессы. Тяжелая форма белкового голодания носит название квашиоркор (красный ребёнок).
9. ОБМЕН И ФУНКЦИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
9.1. Химический состав и строение нуклеиновых кислот Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные полимерные соединения,
мономером которых являются мононуклеотиды.
Мононуклеотиды включают в свой состав три вещества: пуриновые (аденин, гуанин) и пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин) азотистые основания, углевод (рибоза или дезоксирибоза), фосфорную кислоту.
Гуанин, содержащий в шестом положении кольца ОН группу, всоставе нуклеиновых кислот находится в лактамной форме (=О). При образовании лактамной формы атом водорода перемещается от кислорода к рядом расположенному первому атому азота.
133
Пиримидиновые нуклеотиды в составе нуклеиновых кислот находятся в лактамной форме, позволяющей пиримидиновым основаниям включаться в состав нуклеотидов и участвовать в образовании водородных связей в ДНК.
Азотистые основания соединяются с углеводом β - N- гликозидной связью. Пуриновое основание соединяется с углеводом за счёт 9 атома азота, а пиримидиновое - за счёт 1 атома азота. К углеводу фосфоэфирной связью присоединяется фосфорная кислота.
В зависимости от количества остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты (цикло-АМФ, ФАФС, S-аденозилметионин), нуклеозиддифосфаты (УДФ-глюкоза, ЦДФ-холин), нуклеозидтрифосфаты (макроэрги).
134
Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепь фосфодиэфирными связями, образованными фосфорной кислотой и рибозой соседних нуклеотидов (к рибозе одного нуклеотида фосфорная кислота присоединяется в третьем положении, а к рибозе соседнего нуклеотида - в пятом положении).
Рибонуклеиновые кислоты (РНК)
Все виды РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи. Азотистые основания в РНК представлены аденином, гуанином, урацилом, цитозином. Углевод представлен рибозой. Различают несколько видов РНК.
Транспортные РНК (тРНК) осуществляют транспорт аминокислот на рибосомы, к месту синтеза белка. Молекулярная масса тРНК составляет около 30 000 д. Полинуклеотидная цепь тРНК включает в свой состав 70-80 нуклеотидов. На долю тРНК приходится около 15% всего запаса РНК клетки. В тРНК содержится большое количество минорных нуклеотидов (модифицированные формы обычных оснований).
Между комплементарными нуклеотидами участков тРНК возникают водородные связи, и формируется её вторичная структура в виде трилистника (форма «клеверного листа»). В составе тРНК выделяют 2 важных функциональных участка. На средней петле располагается антикодон, комплементарный кодонам
иРНК, на открытом конце – акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота. Для переноса каждой аминокислоты в клетках имеется «своя»
135
тРНК.
тРНК имеет 3-ю структуру, которая представляет собой компактное наложение петель друг на друга.
Различают изоакацепторные тРНК, которые переносят одну и ту же аминокислоту, но отличаются структурой и одним нуклеотидом в антикодоне.
Рибосомальные РНК (рРНК) составляют до 80% всей РНК клетки. Рибосомальная РНК локализована в рибосомах и обеспечивает биосинтез белка. Рибосома человека имеет молекулярную массу 80S, включает большую субъединицу массой 60S (включает РНК с массой 5S, 5,8S, 25S) и малую субъединицу с массой 40S (включает РНК массой 18S). Вторичная структура рРНК представляет компактную укладку, формирующую овальный каркас большой и малой субъединиц, соединённый с белками.
Информационная РНК (иРНК) имеет большую молекулярную массу около 106 д. На её долю приходится около 3% РНК клетки. В первичной структуре иРНК представлены кодоны, среди которых различают инициирующие (в них первый нуклеотид А), терминирующие (в них первый нуклеотид У) и кодоны, определяющие порядок аминокислот в синтезируемом белке. На одном конце иРНК имеется «шапочка - кеп», необходимая для связывания иРНК с малой субъединицей рибосомы в начале синтеза белка. На другом конце полинуклеотидной цепи располагается полиадениловый «хвост», выполняющий защитную функцию.
Дезоксирибонуклеиновая кислота
Азотистые основания в ДНК представлены аденином, гуанином, тимином, цитозином, углевод - дезоксирибозой. ДНК играет важную роль в хранении генетической информации. В отличие от РНК в ДНК присутствуют две полинуклеотидные цепи. Молекулярная масса ДНК около 109 д. Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК объединяются по принципу комплементарности, известному как «правила Чаргафа» (1939 г.). Правила Э. Чаргафа включают несколько положений.
1.Количество остатков аденина равно количеству остатков тимина (А=Т). Количество остатков гуанина равно количеству остатков цитозина (Г=Ц).
2.Сумма пуриновых оснований (А + Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т + Ц).
3.В комплементарных позициях количество оснований с аминогруппой равно количеству оснований с кетогруппой (Г + Т = А + Ц).
4.Для всех видов ДНК существует коэффициент видовой специфичности –
отношение Г + Ц/А + Т < 1.
На основании данных правил и результатов рентгеноструктурного анализа Д. Уотсон и Ф. Крик создали модель структуры ДНК, согласно которой в
136
молекуле ДНК две полинуклеотидные цепи располагаются антипараллельно и соединяются водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями. В паре А-Т возникают 2 водородные связи, в паре Г - Ц формируются 3 водородные связи.
Вторичная структура наиболее распространённой В - формы ДНК представляет собой правозакрученную двойную спираль, в одном витке которой уложено 10 пар нуклеотидов. Шаг спирали равен 3,4 нм. В фагах присутствует Z форма (зигзагообразная) и кольцевая форма ДНК.
Для ДНК характерна более компактная укладка в виде суперспирали. ДНК формирует надмолекулярную структуру, объединяясь с ядерными белками и формируя полинуклеосомы.
ДНК образует вязкие водные растворы с двойным лучепреломлением, поглощающие УФЛ в интервале 260-280 нм. Под действием концентрированных растворов кислот, мочевины, физических факторов возможна денатурация ДНК, при которой происходит разрыв водородных связей и расхождение цепей молекулы ДНК. Денатурация может носить обратимый характер и переходить в ренативацию – восстановление водородных связей и структуры ДНК после удаления денатурирующего фактора. При ренативации возможно явление гибридизации – объединение комплементарных цепей ДНК из разных организмов. Возможна гибридизация нитей ДНК с РНК.
9.2. Обмен нуклеиновых кислот
9.2.1. Переваривание нуклеиновых кислот Нуклеиновыми кислотами богаты мясо, икра, дрожжи. Поджелудочная
железа выделяет ферменты РНК - азу и ДНК - азу, которые деполимеризуют нуклеиновые кислоты до полинуклеотидов. В кишечном соке содержатся ферменты полинуклеотидазы, диэстеразы, фосфатазы, нуклеотидазы, нуклезидазы, эстеразы, осуществляющие распад нуклеотидов. Всасыванию
137
подвергаются нуклеозиды, азотистые основания, пентозы и фосфорная кислота. 9.2.2. Распад нуклеиновых кислот в тканях
Распад нуклеиновых кислот в тканях идентичен процессу их распада в желудочно-кишечном тракте. Углеводы и фосфорная кислота используются стандартно, а азотистые основания подвергаются распаду до конечных продуктов: мочевой кислоты (пуриновые основания) и мочевины (пиримидиновые основания).
9.2.2.1. Распад пуриновых нуклеотидов и его нарушения Распад пуриновых оснований происходит путём их гидролитического
дезаминирования без разрыва пуринового кольца с образованием мочевой кислоты.
Распад пуриновых оснований происходит не в свободном виде, а в составе нуклеозидов.
У взрослого человека экскретируется 0,5-1,5 г мочевой кислоты в сутки, азот которой составляет 3,5% всего выводимого азота. У детей относительная доля мочевой кислоты выше, чем у взрослых, на её азот приходится до 8,5%. В крови взрослых людей содержание мочевой кислоты равно 0,1-0,3(0,4) ммоль/л, у детей - до 0,47 ммоль/л. Мочевая кислота является антиоксидантом, в детском возрасте стимулирует развитие головного мозга. Мочевая кислота может присутствовать в тканях и в крови как в свободной форме (плохо растворимой в воде), так и в виде солей (более растворимых в воде). Повышение концентрации мочевой кислоты в крови - гиперурекимия. На её фоне могут развиваться подагра и почечнокаменная болезнь. При подагре кристаллы мочевой кислоты откладываются в околосуставных тканях в виде подагрических узлов. При почечнокаменной болезни кристаллы мочевой кислоты формируют камни в мочевыводящих путях.
К нарушениям распада пуриновых оснований относятся некоторые иммунодефициты. При отсутствии аденозиндезаминазы развивается Т- и В – иммунодефицит, а отсутствии нуклеозидфосфорилазы возможен В -
138
иммунодефицит.
Для уменьшения гиперурекемии используют препараты – аналоги пуриновых оснований (например, аллопуринол), которые угнетают фермент ксантиноксидазу и блокируют образование мочевой кислоты. Образующиеся при этом в крови и тканях лучше растворимые в воде ксантин, гипоксантин, , хорошо выделяются в составе мочи.
9.2.2.2. Распад пиримидиновых нуклеотидов Распад пиримидиновых оснований происходит путём их гидролитического
дезаминирования с разрывом кольца и образования мочевины.
При распаде тимина образуется бета - аминоизомасляная кислота.
9.2.3. Биосинтез пуриновых нуклеотидов и его нарушения Существует 2 способа синтеза пуриновых нуклеотидов в тканях: основной
путь (синтез из простых предшественников) и дополнительный путь (синтез из готовых азотистых оснований).
Основной путь синтеза пуриновых нуклеотидов
Исходным веществом для синтеза пуриновых нуклеотидов является активная форма рибозы – 5-фосфорибозил – 1 -пирофосфат, которая образуется из рибозо – 5 - фосфата (из пентозофосфатного пути) и АТФ под действием фермента фосфорибозилкиназы
Особенностью многоэтапного синтеза пуриновых нуклеотидов является постепенное формирование пуринового цикла в составе 5-фосфорибозильного производного с вовлечением в процесс синтеза целого ряда метаболитов, Ключевая реакция:
139
Азот аминогруппы 5 – фосфорибозил - 1-амина займёт 9 положение в пуриновом основании.
Источники атомов углерода и азота в пуриновом кольце:
Первым нуклеотидом - предшественником является инозиновая кислота (инозинмонофосфат - ИМФ), состоящая из гипоксантина, рибозы и фосфорной кислоты.
Из ИМФ в последующем образуются АМФ, ГМФ. При синтезе АМФ к ИМФ присоединяется аспарагиновая кислота, расходуется энергия ГТФ и через промежуточную стадию в 6 положении ОН - группа заменяется на NH2 –группу. В последующем происходят последовательные реакции АМФ →АДФ→АТФ.
Синтез ГМФ включает окисление у 2 углеродного атома, с образованием ксантиловой кислоты с последующим замещением ОН - группы на NН2 – группу глютамина. В синтезе ГМФ используется энергия АТФ. В последующем происходят реакции ГМФ→ ГДФ→ГТФ.
Авторегуляция синтеза пуриновых нуклеотидов
Регуляторным ферментом синтеза пуриновых нуклеотидов является амидотрансфераза. Активность этого фермента по аллостерическому механизму подавляются высокими концентрациями пуриновых нуклеотидов. На конечных стадиях синтеза ГТФ активирует синтез адениловых нуклеотидов, а АТФ – гуаниловых нуклеотидов.
140
Дополнительный путь синтеза пуриновых нуклеотидов
Возможен синтез пуриновых нуклеотидов из готовых пуриновых оснований и активной формы рибозы.
Аналогично протекает синтез ГМФ. При врождённом дефекте гипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансферазы развивается заболевание Леш Нихана,при котором наблюдается гиперурикемия, нарушение психики.
9.2.4. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов Основной путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов происходит из
исходных простых веществ. Особенностью синтеза пиримидиновых нуклеотидов является предварительный синтез пиримидинового кольца и включение его в состав нуклеотида только на завершающих стадиях.
При дефекте оротатфосфорибозилтрансферазы развивается – оротатацидурия. ОМФ является предшественником уридиловых, цитидиловых и тимидиловых нуклеотидов
Синтез уридилового нуклеотида:
Синтез цитидилового нуклеотида: