n1

Гемолітична жовтяниця виникає при посиленому розпаді (ге- молізі) еритроцитів у клітинах ретикулоендотеліальної системи. Гі- пербілірубінемія виникає, в основному, внаслідок утворення непря- мого (некон’югованого) білірубіну. Печінка стає неспроможною утворювати настільки велику кількість білірубінглюкуронідів, що призводить до накопичення вільного білірубіну в крові і тканинах. Фекалії через надлишок стеркобіліну інтенсивно забарвлюються і набувають темного кольору, а сеча забарвлюється в інтенсивний оранжево-жовтий колір.

Паренхіматозна (печінкова) жовтяниця виникає внаслідок де- струкції клітин печінки. Пошкодження може бути обумовлене ді- єю вірусів, гепатотропних отрут тощо. При цьому знижується зда- тність печінкових клітин синтезувати білірубінглюкуроніди, вна- слідок чого кількість непрямого білірубіну в сироватці крові збі- льшується, але не так виразно, як за гемолітичної жовтяниці. Екс- креція прямого білірубіну в жовчні капіляри порушується, і він надходить безпосередньо в кров; його вміст значно збільшується. Фекалії через невелику кількість стеркобіліну, що виділяється, слабко забарвлені. Однак у сечі з'являється невелика кількість не- кон’югованого білірубіну, відсутнього в нормі, і виділяється під- вищена кількість уробіліногену (мезобілірубіногену), через що се- ча набуває темного кольору.

Обтураційна (обтурація – закупорка) жовтяниця виникає як ре- зультат порушення жовчовиділення, що призводить до різкого збі- льшення вмісту прямого білірубіну в крові. Різко знижується вміст стеркобіліногену (стеркобіліну) у калі. Він стає сірувато-білого гли- нястого кольору (ахолічний кал). Із сечею у великих кількостях виді- ляється кон’югований білірубін, через що вона набуває кольору пива із яскраво-жовтою піною.

Окрім того, розрізняють жовтяницю новонароджених. Вона вва- жається фізіологічною і виникає внаслідок вікової нестачі ферменту кон'югації білірубіну – глюкуронілтрансферази. Минає фізіологічна жовтяниця через два тижні внаслідок фізіологічного посилення син- тезу зазначеного ферменту. У недоношених дітей вона триває довше.

Порушення пігментного обміну спостерігається також при дисбактеріозі кишечника, який виникає як результат пригнічення його нормальної мікрофлори (наприклад, при тривалому лікуван- ні антибіотиками).

Обмін нуклеопротеїнів у нормі і при патології

Перетравлювання нуклеопротеїнів і всмоктування продуктів їх розпаду здійснюється в шлунково-кишковому тракті. Під впливом ферментів шлунка, частково й соляної кислоти, нуклеопротеїни їжі розпадаються на поліпептиди й нуклеїнові кислоти; перші в кишеч- нику зазнають розщеплення до амінокислот. Розпад нуклеїнових кислот відбувається в тонкому кишечнику гідролітичним шляхом під дією панкреатичних нуклеаз. Рибонуклеаза гідролізує тільки

351

РНК, вивільнюючи мононуклеотиди й олігонуклеотиди. Дезоксири- бонуклеаза працює в присутності Mg2+ або Mn2+ і специфічно гідро- лізує ДНК, в основному, до динуклеотидів, олігонуклеотидів і мо- нонуклеотидів. Повний гідроліз нуклеїнових кислот до мононукле- отидів відбувається, ймовірно, під дією диестераз, які утворюються в слизовій оболонці кишечника.

Звільнені мононуклеотиди розщеплюються під впливом неспе- цифічних фосфатаз або нуклеотидаз до нуклеозидів і фосфорної кис- лоти. Є також докази існування в стінці кишечника нуклеотидаз, що каталізують гідролітичний розпад мононуклеотидів. Подальший розпад утворених нуклеозидів здійснюється всередині клітин слизо- вої оболонки кишечника переважно фосфоролітичним, а не гідролі- тичним шляхом, так званими нуклеозидазами. Проте всмоктуються нуклеозиди переважно в нерозщепленому вигляді і так використо- вуються для синтезу нуклеїнових кислот організму. Якщо ж відбувся розпад нуклеозидів з вивільненням пуринових і піримідинових основ, встановлено, що гуанін не використовується для синтетичних цілей.

Утканинах організму нуклеїнові кислоти розщеплюються пере- важно гідролітичним шляхом за участю специфічних нуклеаз – рибо- нуклеаз (РНКази) і дезоксирибонуклеаз (ДНКази).

Розрізняють ендонуклеази, котрі розривають внутрішні міжнук- леотидні зв'язки в молекулі ДНК та РНК, викликаючи деполімери- зацію нуклеїнових кислот з утворенням олігонуклеотидів, і екзонук- леази, які каталізують гідролітичне відщіплення кінцевих мононук- леотидів від ДНК або РНК.

Мононуклеотиди розпадаються до кінцевих продуктів обміну гід- ролітичним або фосфоролітичним шляхом (у першому випадку для розривузв'язків використовується вода, у другому– фосфорна кислота).

Уклітині відбувається постійний обмін нуклеотидів. Нуклеотидази гідролітично розщеплюють мононуклеотиди до нуклеозидів. Фосфоро- літичне розщеплення нуклеозидів до вільних азотистих основ і рибозо- 1-фосфату (або дезоксирибозо-1-фосфату) каталізується нуклеозидфос- форилазою. Рибозо-1-фосфат ізомеризується під дією фосфорибомутази, перетворюючись на рибозо-5-фосфат, що є субстратом синтезу фосфо- рибозилпірофосфатів. Деякі азотисті основи використовуються вдруге для синтезу мононуклеотидів у реакціях синтезу з готових залишків.

При розщепленні аденозину під дією аденозиндезамінази утво- рюється інозин, а потім під дією нуклеозидфосфорилази –гіпоксан- тин. Ксантиноксидаза – флавопротеїн, що містить молібден і за-

лізо, окислює гіпоксантин у ксантин і далі в сечову кислоту. В обох реакціях як окислювач використовується молекулярний кисень. Він відновлюється до H2O2, а каталаза розкладає утворений пере-

кис на H2O та O2.

Гуанозин під дією нуклеозидфосфорилази перетворюється на гуанін, а потім під дією гуаніндезамінази – на ксантин. Потім ксантин окисляється в сечову кислоту (рис. 73).

352

В організмі людини сечова кислота є кінцевим продуктом роз- щеплення пуринів; вона виділяється із сечею.

Удеяких видів живих організмів відбувається подальше розщеп- лення пуринів. Ссавці, крім приматів, виділяють алантоїн – продукт окислення сечової кислоти. Кісткові риби виділяють алантоєву кис- лоту, яка утворюється шляхом гідратування алантоїну. В амфібій та більшості риб розщеплення йде ще далі: алантоєва кислота гідролі- зується до двох молекул сечовини й однієї молекули гліоксилату. Можливо, ферменти, котрі каталізують усі ці реакції, відсутні в при- матів, поступово втрачалися в ході еволюції останніх.

Утворення та екскреція сечової кислоти в людини відбуваються приблизно з однаковими швидкостями за відсутності пуринів у їжі. Таким чином, вміст сечової кислоти в крові й сечі відображає інтен- сивність розщеплення нуклеїнових кислот в організмі.

Сечова кислота – погано розчинна у воді сполука, тому норма- льні концентрації її в рідких середовищах організму наближаються до межі розчинності. Підвищений вміст її в крові – гіперурикемія – викликає відкладення урату натрію у вигляді кристалів у тканинах, особливо в суглобах та хрящах. Це призводить до захворювання, що зветься подагрою. Протікає подагра за типом артритів. Відкладення сечової кислоти утворюють також камені в нирках, що призводить до пошкодження нирок. Більша частина всіх ниркових каменів скла- дається з погано розчинних кристалів сечової кислоти. Подагра най- частіше вражає дорослих чоловіків. Тільки в 5% випадків подагра виявлена в жінок.

Убільшості випадків первинною причиною подагри є гіперпро- дукція сечової кислоти. Проте гіперурикемія може бути зумовлена й іншими факторами, такими, як порушення функції печінки, токсемія вагітності, підвищений кров'яний тиск, лейкемія. Окрім того, подаг- ричні симптоми спостерігаються й у пацієнтів із синдромом Леш- Ніхана. При цій хворобі, пов'язаній з Х-хромосомою, відбувається надлишкове утворення сечової кислоти. Цей розлад супроводжується розумовою недостатністю, агресивною поведінкою, нирковою недо- статністю, каменями в нирках тощо.

Піримідинові азотисті основи зазнають більш складних хімічних перетворень, пов'язаних із руйнуванням піримідинового кільця.

Кінцевими продуктами розпаду піримідинових азотистих основ

єCO2, NH3, β-аланін и β-аміноізомасляна кислота. β-Аланін може використовуватися в організмі як джерело для синтезу ансерину та

карнозину, а також для утворення коензиму А.

β-Аміноізомасляна кислота може перетворюватись на метил- малонат: доля KоА-похідної цієї сполуки в організмі відома. β-Амі- ноізомасляна кислота виділяється в підвищених кількостях після го- дування їжею, багатою на ДНК. Підвищений рівень її виявляється також у хворих на рак.

353

Рис.73. Схема перетворень пуринових нуклеозидів

Біосинтез пуринів. Шлях біосинтезу пуринів був розшифрова- ний у 50-х роках у роботах Джона Б’юкенена, Дж.Роберта Грінбер- га та ін. Основні попередники пуринового ядра були встановлені за допомогою ізотопно мічених сполук. Ці сполуки додавали до корму голубів, у яких відпрацьований азот екскретується у вигляді

354

сечової кислоти. Хімічне руйнування екскретованої сечової кисло- ти дало можливість авторам прийти до загальної схеми утворен- ня пуринового ядра:

Джерелом атомів вуглецю в положеннях 2 і 8 є форміл. Джере- лом атома C-6 є CO2. Гліцин дає атоми C-4 та C-5 і азот N-7; атом N-1 постачається аспарагіновою кислотою, а амідна група глутаміну постачає атоми N-3 та N-9.

Загальний шлях біосинтезу пуринів de novo однаковий для бага- тьох досліджених видів (ссавців, птиць, дріжджів та бактерій).

Біосинтез піримідинів. Відомості про попередників біосинтезу піримідинів були спочатку одержані під час досліджень на мікроор- ганізмах. Попередниками піримідинового кільця є карбамоїлфосфат та аспартат.

Карбамоїлфосфат, який використовується для синтезу піримі- динів, утворюється в цитозолі, тоді як карбамоїлфосфат, що викори- стовується для синтезу сечовини, – у мітохондріях. Відповідно існу- ють і дві різні карбамоїлфосфатсинтетази.

Вирішальний етап у біосинтезі піримідинів – утворення N-кар- бамоїласпартату. Каталізується ця реакція аспартаткарбамоїлтранс-

феразою.

Піримідинове кільце утворюється в такій реакції, коли карба- моїласпартат циклізується з відщепленням води й утворенням дигі- дрооротату. Потім при дегідратації дигідрооротату утворюється оротат. Оротат реагує з фосфорибозилфосфатом з утворенням оро- тидилнуклеотиду, а потім після декарбоксилювання – уридинмоно- нуклеотиду – головного піримідиннуклеотиду.

355

ГЛАВА 11. ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ І БІОСИНТЕЗ БІЛКА У КЛІТИНАХ

Живим організмам властива унікальна здатність до передачі ге- нетичної інформації від покоління до покоління зі збереженням своїх спадкових властивостей. Матеріальним носієм відтворення спадкової інформації є нуклеїнова кислота, яка має для цього відповідну хімічну будову й біологічні властивості. У більшості організмів цю функцію виконує ДНК. Виняток становлять окремі віруси, в яких носієм інфор- мації є РНК. За участю нуклеїнових кислот відбувається утворення всіх білків, які є матеріальною основою життєвих процесів. Кожний живий організм містить свої специфічні білки, якими він відрізняється від інших організмів. Інформація, що визначає особливості структури біл- ків, закодована в ДНК і передається в ряді поколінь її молекулами.

Процес переносу генетичної інформації (однієї з форм біологі- чної пам'яті) є визначальним і дуже важливим для розвитку і нор- мальної життєдіяльності клітин організму. Спрощено його можна зобразити такою схемою:

Види переносу генетичної інформації

Перш ніж розглянути види переносу генетичної інформації, слід підкреслити, що вони ґрунтуються на матричному механізмі синтезу (відтворення) нових молекул. Це означає, що для синтезу нової ДНК чи РНК необхідні відповідні матриці. Точність копіювання забезпе- чується правилом комплементарності азотистих основ, згідно з яким відбувається спарювання А з Т у ДНК (або з У в РНК) і Г з Ц. Завдя- ки цьому порядок чергування нуклеотидів у кожному новому поліну- клеотидному ланцюзі є комплементарним матриці. Матричний син-

356

тез дозволяє дуже швидко, економно і з великою точністю (а це дуже важливо, оскільки мова йде про спадкові властивості) відтворювати генетичну інформацію, яка властива клітині.

Варто відзначити три види переносу генетичної інформації, які наявні на різних рівнях організації живої матерії:

1. Реплікація (самоподвоєння, копіювання). Це перенесення ге- нетичної інформації в межах одного класу нуклеїнових кислот: в ос- новному від ДНК до ДНК або в деяких вірусів від РНК до РНК. Має місце тільки під час ділення клітини (на стадії S-фази мітотичного циклу) і розмноження вірусів і супроводжується реплікацією всієї мо- лекули ДНК чи РНК. Молекула ДНК розплітається, і на її одиночних ланцюгах у результаті реплікації утворюються точні копії вихідної ДНК, тобто синтезовані ДНК схожі одна на одну і на вихідну мате- ринську; отже спадкова інформація зберігається.

Таким чином, унаслідок реплікації з однієї молекули утворю- ються дві нові цілком однакові молекули ДНК: одна з них залиша- ється в материнській клітині, а інша переходить у дочірню.

Можлива також реплікація окремих фрагментів ДНК, яка нази-

вається ампліфікацією.

2. Транскрипція (переписування). Це перенесення генетичної ін- формації між різними класами нуклеїнових кислот: ДНК → РНК. На відміну від реплікації відбувається копіювання не всієї молекули ДНК, а тільки її окремих фрагментів (цистронів). Під час транскрипції утво- рюються різні види РНК (мРНК, тРНК, рРНК), які беруть участь у біо- синтезі білка. Цистрони ДНК містять інформацію про структуру всіх типів РНК і про структуру всіх білків даного виду організму.

Розрізняють транскрипцію пряму (від ДНК до РНК) і зворотну (від РНК до ДНК). Детальніше пряма транскрипція розглядатиметься далі. Зворотну транскрипцію вперше було встановлено для РНК-вмісних он- когенних вірусів, і забезпечується вона спеціальним ферментом – зво- ротною транскриптазою, або ревертазою. Спочатку до матриці РНК вірусу за допомогою цього ферменту приєднуються комплементарно дезоксирибонуклеозидтрифосфати і синтезується один ланцюг ДНК. При цьому утворюється гібридна об'єднана молекула РНК–ДНК. Потім фермент РНКаза Н видаляє рибонуклеотидний ланцюг із гібридної мо- лекули, а на ланцюзі ДНК комплементарно в присутності ферменту ДНК-полімеразиздійснюється синтез другого ланцюгаДНК:

357

Утворена ДНК (копія вірусної РНК) вбудовується в ДНК кліти- ни-хазяїна і викликає пухлинну трансформацію клітини.

3. Трансляція (переклад) здійснюється між різними класами ма- кромолекул – генетична інформація передається від мРНК до білка, тобто відбувається переклад інформації з «мови» нуклеотидної по- слідовності нуклеїнових кислот на «мову» амінокислотної послідов- ності білка. Трансляція може бути тільки прямою.

Перенесеннягенетичноїінформаціїможназобразитиувиглядісхеми:

Напрямок переносу генетичної інформації від ДНК через РНК до білка називається центральним постулатом молекулярної гене-

тики. Згідно з ним не може бути перенесення інформації від білка до РНК, але можливе від РНК до ДНК.

Реплікація ДНК

Реплікація– це подвоєння ДНК. Кожна з новоутворених молекул містить один ланцюг вихідної ДНК (материнської) і один знов синтезо- ваний ланцюг (дочірній). Інакше кажучи, реплікація напівконсерватив- на– половина материнської молекули зберігається в дочірній молекулі.

Спочатку процес реплікації уявлявся просто: на ланцюгах ДНК, які розплітаються, вишиковуються за принципом комплементарності нуклеотиди, а потім вони зшиваються один з одним фосфодиефірни- ми зв'язками за допомогою спеціального ферменту ДНК-полімерази. Виявилося, що цей процес набагато складніший, у ньому беруть участь численні ферменти й регуляторні білки. Найкраще процеси реплікації вивчені для найпростіших організмів – бактерій, бактеріофагів.

Для реплікації ДНК необхідна наявність:

1)чотирьох видів дезоксирибонуклеозид-5′-трифосфатів;

2)матриці у вигляді дволанцюжкової ДНК;

3)затравки (праймера);

358

4)ферментів і регуляторних факторів;

5)іонів металів (Mg2+, Mn2+).

Механізм реплікації в прокаріотів. Процес реплікації склада-

ється із трьох основних стадій: ініціація (початок), елонгація (по- довження ланцюга) і термінація (кінець утворення дочірніх ДНК). Кожна стадія реплікації відбувається за участю відповідних фер- ментів і білкових факторів.

1. Розплітаючі білки розривають водневі зв'язки між комплемен- тарними основами подвійної спіралі ДНК. Останнім часом з’ясовано, що ланцюги ДНК розкручуються не повністю, а на короткій ділянці під впливом розплітаючих ферментів. Тут утворюється розплетена ділян- ка, яка нагадує своєю формою латинську літеру V і отримала назву «ре- плікативної вилки». Характерним є й те, що подальше переміщення ре- плікативної вилки можливе тільки при розкручуванні материнської ДНК і одночасному синтезіобохновихланцюгівДНК(рис. 72).

2. Затравочна ДНК-залежна РНК-полімераза (РНК-полімераза або праймаза) – утворює невелику РНК-затравку (приблизно 10 нук- леотидів) на одному з розплетених ланцюгів ДНК у напрямку 5′ → 3′. Склад і порядок нуклеотидів у затравці задається ДНК-матрицею, а зшивка їх 3′, 5′-фосфодиефірними зв'язками здійснюється РНК- полімеразою. Необхідність синтезу РНК-затравки обумовлена тим, що основний фермент реплікації – ДНК-полімераза – не здатна са- мостійно почати синтез нової ДНК у напрямку 5′ → 3′ без затравки; вона може тільки подовжувати новий полінуклеотидний ланцюг.

3. ДНК-полімерази. У прокаріотів у процесі реплікації беруть

участь три форми ДНК-полімераз (I, II, III). Усі вони проявляють два види активності: полімеразну– зшивають дезоксирибонуклеотиди 3′, 5′- фосфодиефірними зв'язками і нуклеазну – гідролізують фосфодиефір- ні зв'язки в разі утворення помилок у полінуклеотидному ланцюзі.

ДНК-полімераза I діє як РНК-аза, розщеплюючи РНК-затрав- ку, і синтезуючи на її місці комплементарний фрагмент ДНК, яко- го не вистачає.

ДНК-полімераза II проявляє дуже низьку полімеразну актив- ність. Її функції в реплікації мало вивчені.

ДНК-полімераза III відіграє провідну роль у процесі реплікації. Для того, щоб вона могла почати синтез, необхідне існування вже готового невеликого фрагмента ДНК або РНК (затравки), що є ком- плементарним до матриці ДНК і містить вільну 3′-OH-групу, яка на- далі бере участь у полімеразній реакції. ДНК-полімераза III прояв- ляє також 5′→3′ і 3′→5′-ендонуклеазну активність.

4.Рибонуклеаза Н. Бере участь у гідролізі РНК-затравки разом із ДНК-полімеразою I.

5.ДНК-лігази – зшиваючі ферменти. Вони беруть участь у про-

цесі сполучення одне з одним новосинтезованих фрагментів ДНК, утворюючи фосфодиефірні зв'язки.

Згідно з електронно-мікроскопічними та радіоавтографічними даними, у реплікативній вилці з великою швидкістю здійснюється синтез двох протилежно спрямованих полінуклеотидних ланцюгів ДНК. Напрямок одного ланцюга 5′ → 3′ співпадає з напрямком ру-

359

ху реплікативної вилки (рис. 73). Цей ланцюг називають лідирую- чим, провідним. Другий ланцюг називається відстаючим (або який запізнюється) – його синтез також йде в напрямку 5′ → 3′. Щоб останнє здійснилося, на другому ланцюзі ДНК у напрямку, проти- лежному рухові реплікативної вилки, будуються короткі фрагмен- ти, які потім зшиваються з утворенням ланцюга, що запізнюється. Це було показано в 1968 р. Р.Оказакі, який встановив, що частина синтезованої ДНК знаходиться у вигляді фрагментів, які склада- ються з 1000–2000 нуклеотидів. У подальшому ці фрагменти отри- мали назву фрагментів Оказакі. Припускають, що провідний ланцюг росте безперервно, поступово пересуваючись по реплікативній вилці.

Рис. 72. Схема реплікації ДНК

Починається реплікація (стадія ініціації) з утворення в декількох місцях ДНК (найчастіше на внутрішніх її ділянках) реплікативних вилок під впливом розплітаючих білків (рис. 73). Як уже зазначалося, необхідною умовою є наявність на початку нового ланцюга затравки (праймера), яка містить на кінці вільну 3′-ОН-групу.

360