Обмен нуклеопротеинов

Нуклеопротеины - это сложные белки, небелковым компонентом которых являются нуклеиновые кислоты - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) или РНК (рибонуклеиновая кислота). В живом организме нуклеиновые кислоты находятся в диссоциированном состоянии. В составе белковых компонентов очень много положительно заряженных аминокислот - аргинина и лизина, поэтому их можно отнести к поликатионам (гистоны). Белковые компоненты подвергаются обмену, как простые белки.

ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Нуклеиновые кислоты в организме постоянно обновляются. В норме синтез и распад находятся в состоянии динамического равновесия.

КАТАБОЛИЗМ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Начинается с гидролиза 3',5'-фосфодиэфирной связи под действием ферментов нуклеаз:

- ДНКазы - расщепляют ДНК

- РНКазы - расщепляют РНК

Среди ДНКаз и РНКаз различают:

- экзонуклеазы (5' и 3');

эндонуклеазы - специфичны к мононуклеотидной последовательности, есть высокоспецифичные: рестриктазы - используются в генной инженерии.

Далее происходит отщепление фосфата от мононуклеотида с участием ферментов нуклеотидаз с образованием нуклеозидов.

Нуклеозид может расщепляться путем гидролиза под действием фермента нуклеозидазы на азотистое основание и пентозу, но чаще происходит фосфоролиз - при этом нуклеозид расщепляется на азотистое основание и фосфорибозу.

Нуклеазы очень многообразны. Различают ДНКазы и РНКазы. Отличаются друг от друга по месту действия. Бывают эндонуклеазы (расщепляют внутренние 3’5'-фосфодиэфирные связи) и экзонуклеазы (отщепляют концевые мононуклеотиды). Встречается 2 типа экзонуклеаз: 3'-экзонуклеазы - отщепляют мононуклеотид с 3'-конца молекулы, и 5'-экзонуклеазы - отщепляют 5'-концевой мононуклеотид.

Нуклеазы могут отличаться друг от друга и по специфичности. Пищеварительные нуклеазы и нуклеазы лизосомальные отличаются низкой специфичностью, у них упрощенное строение активного центра. У высокоспецифичных нуклеаз очень сложное строение активного центра. Они способны «узнавать» целую последовательность нуклеотидов из 4-10 пар и расщеплять одну-единственную связь в строго определенном месте (если «узнаваемый» участок содержит содержит 4 нуклеотидные пары, то расщепляется, в среднем, одна связь из 250 возможных). Такие высокоспецифичные ДНКазы называются рестриктазами. Участки ДНК, «узнаваемые» рестриктазами, называются полиндромными последовательностями. Рестриктазы широко применяются в генной инженерии.

Пентозы, образующиеся в ходе катаболизма нуклеиновых кислот, могут быть утилизированы во II-м этапе ГМФ-пути.

Азотистые основания также подвергаются дальнейшему катаболизму, но по-разному, в зависимости от их типа - пуриновых (аденина, гуанина) или пиримидиновых (тимина, цитозина и урацила).

Синтез и катаболизм пуриновых оснований

Последовательность реакций, которая ведет к образованию пуриновых нуклеотидов, начинается с синтеза 5-фосфорибозил-1-дифосфата — ФРДФ (он же пирофосфат — ФРПФ), являющегося общим предшественником фосфорибозы в синтезе пурино­вых и пиримидиновых нуклеотидов (рис.8).

Перенос амидной группы глицина на ФРДФ с обра­зованием 5-фосфорибозил-1-амина катализирует регуляторный фермент синтеза пуриновых нуклео­тидов ФРДФ-амидотрансфераза.

В синтезе пуриновых нуклеотидов не образу­ется свободное азотистое основание, а пуриновое кольцо формируется на остатке рибозо-5-фосфата при участии молекулы глицина, амидного азота глутамина, -NH₂-группы аспарагина, СО₂ и одноуглеродных производ­ных: метенил- и формил-Н₄-фолата .

Синтезируется первый пуриновый нуклеотид — инозиновая кислота (IMP), которая двумя последо­вательными реакциями может превращаться в AMФ или в ГМФ.

Рисунок 8

Печень является основным местом образования пуриновых нуклеотидов. Она снабжает пуринами ткани, не способные к их синтезу: эритроциты, по­лиморфно-ядерные лейкоциты и частично мозг.

Синтез нуклеозиддифосфатов (НДФ) и нуклеозидтрифосфатов (НТФ) происходит при участии АТР и ферментов: нуклеозидмонофосфат (НМФ)- и НДФ-киназ. Например, АМР-киназа (миокиназа) катализирует реакцию:

AMP+ATФ  2AДФ

ГМФ-киназа катализирует: ГМФ + АТР  ГДФ +ADP

НДФ-киназа превращает НДФ в НТФ:

НДФ +ATФ  НТФ +АДФ

AMФ, ГМФ и ИМФ ингибируют ключевые реак­ции своего синтеза по механизму отрицательной об­ратной связи. Первые 2 фермента от­вечают за скорость синтеза пуриновых нуклеотидов по основному пути, и их ингибирование происхо­дит лишь при одновременном повышении концент­рации

AMФ, ГМФ

Скорость синтеза ФРДФ зависит от 2 факторов: доступности рибозо-5-фосфата и активности ФРДФ-синтетазы, регуляция активности которой имеет большее физиологическое значение, чем ре­гуляция активности ФРДФ-амидотрансферазы.

Аденилосукцинатсинтетаза и IMP-дегидрогеназа являются регуляторными ферментами на пути превра­щения IMP в AMФ и ГМФ. AMФ снижает превра­щение IMP в аденилосукцинат, а ГМФ — превраще­ние IMP в ксантозин –5 монофосфат, поэтому от них зависит сбалансированное содержание адениловых и гуаниловых нуклеотидов. Превращение IMP в аденило­сукцинат в ходе синтеза AMФ требует ГТФ, а превра­щение ксантозин –5 монофосфата в ГМФ - АТФ. Перекрестная регуляция между путями использования IMP служит для того, чтобы снизить синтез одного пуринового нуклеотида при дефиците другого.

Пуриновые нуклеотиды синтезируются «запасньм путем» из азотистых оснований и нуклеозидов. Этот путь имеет вспомогательное значение, давая от 10 до 20% общего количества нуклеотидов. При этом используются азотистые основания, образующиеся процессе катаболизма нуклеиновых кислот («путь спасения»). Два фермента катализируют эти реакции:

i) аденинфосфорибозилтрансфераза, отвечающая и образование AMФ из аденина и ФРДФ:

Аденин + ФРДФ  AMP + Н₄Р₂О₇

i) гипоксантингуанинфосфорибозилтрансфераза, которая использует в качестве субстратов гипоксантин и гуанин:

Гуанин + ФРДФ  ГМФ

Гипоксантин + ФРДФ  IMP

В результате совместного действия этих ферментов снижается выход конечного продукта обмена пуринов - мочевой кислоты.

Другой «запасной путь» включает фосфорилирование пуриновых нуклеозидов с помощью АТР. Так, аденозинкиназа катализирует фосфорилирование аденозина до AMФ или дезоксиаденозина до dAMФ:

Аденозин + АТФ  AMФ + AДФ

Катаболизм пуриновых нуклеотидов приводит к образованию мочевой кислоты. Мононуклеотиды теряют фосфатный остаток гидролитически под действием фосфатаз или нуклеотидаз с образованием нуклеозидов.

Дальнейшие превращения аденозина и иозина в мочевую кислоту показаны на рисунке

Фермент аденозиндезаминаза иногда образуется в дефектной мутантной форме, что приводит к врожденному иммунодефициту, так как нуклеотиды являются регуляторами функций лейкоцитов.

Последним ферментом, участвующим в превращении азотистых оснований в мочевую кислоту, является ксантиноксидаза. Она окисляет гипоксантин в ксантин и ксантин в мочевую кислоту с участием молекулярного кислорода. У человека мочевая кислота является конечным продуктом обмена и вы­водится из организма с мочой.

Мочевая кислота является одним из нормальных компонентов мочи. За сутки в организме образуется около 1 грамма мочевой кислоты. Мочевая кислота выводится из организма с мочой - это обычный ее компонент, но в почках организма человека происходит ее интенсивная реабсорбция. Концентрация мочевой кислоты в крови поддерживается на постоянном уровне 0.12-0.30 ммоль/л.

Функции мочевой кислоты: 1. Является мощным стимулятором центральной нервной системы, ингибируя фосфодиэстеразу, которая служит посредником действия гормонов адреналина и норадреналина. Мочевая кислота пролонгирует (продлевает) действие этих гормонов на ЦНС; 2. Обладает антиоксидантными свойствами - способна взаимодействовать со свободными радикалами.

Уровень мочевой кислоты в организме контролируется на генетическом уровне. Для людей с высоким уровнем мочевой кислоты характерен повышенный жизненный тонус

Полиморфизм ферментов, участвующих в синтезе пуриновых нуклеотидов de novo, сопровож­дается образованием белков с низкой ферментатив­ной активностью или нечувствительных к действию аллостерических эффекторов. При этом нарушает­ся регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов по механизму отрицательной обратной связи. Избыточ­но синтезирующиеся нуклеотиды подвергаются ка­таболизму, и образование мочевой кислоты повыша­ется. Тот же результат получается при снижении активности «путей спасения» пуринов. Аденин, гуа­нин и гипоксантин не используются повторно, пре­вращаются в мочевую кислоту, и возникает гипер-урикемия. Гиперурикемия – это состояние организма, при котором содер­жание мочевой кислоты в сыворотке крови превышает уровень растворимости.

Сама мочевая кислота и, особенно, ее соли ураты (натриевые соли мочевой кислоты) плохо растворимы в воде. Даже при незначительном повышении концентрации они начинают начинают выпадать в осадок и кристаллизоваться, образуя камни. Кристаллы воспринимаются организмом как чужеродный объект. В суставах они фагоцитируются макрофагами, сами клетки при этом разрушаются, из них освобождаются гидролитические ферменты. Это приводит к воспалительной реакции, сопровождающейся сильнейшими болями в суставах. Такое заболевание называется подагра. Другое заболевание, при котором кристаллы уратов откладываются в почечной лоханке или в мочевом пузыре, известно как мочекаменная болезнь.

Наследственное нарушение пути реутилиза­ции пуринов вызывает развитие у мальчиков синд­рома Леша—Нихена, при котором отмечается резкое снижение активности гипоксантингуанинфосфорибо-зилтрансферазы или она полностью отсутствует. Эта патология сопровождается 3—6-кратной гиперпро­дукцией уратов, образованием камней в почках, ум­ственной отсталостью, агрессивным поведением и нанесением себе увечий.