14.3. Биосинтез нуклеиновых кислот

Субстратом для синтеза нуклеиновых кислот в клетках и тканях могут служить продукты гидролиза ДНК и РНК, а также продукты обмена белков и углеводов.

Пуриновые нуклеотиды синтезируются из диоксида углерода, глицина, муравьиной и аспарагиновой кислот и глутамина. В ре­зультате поэтапного синтеза из этих компонентов (всего 11 реак­ций) образуется инозиновая кислота, из которой затем — АМФ и ГМФ. Из указанных монофосфатов затем синтезируются соответ­ствующие ди- и трифосфаты.

Синтез пиримидиновых нуклеотидов происходит также по­этапно. Вначале образуется карбомоилфосфат из NH₃, СО₂, АТФ. Затем с участием аспарагиновой кислоты образуется дигидрооротовая, затем оротовая кислоты.

Оротовая кислота далее взаимодействует с 5'-фосфорибозил-1- пирофосфатом, при этом синтезируется оротидин-5-фосфат, ко­торый затем декарбоксилируется с образованием уридинмонофосфата. Из уридиловой кислоты при аминировании углеродов за счет глутамина образуется цитидинмонофосфат, а при метилиро­вании — тимилиловая кислота :

Эти монофосфаты затем фосфорилируются с участием АТФ до образования трифосфатов.

Синтез (или репликация) ДНК. В клетках животных синтез (реп­ликация) ДНК происходит только в определенный период жизни клетки — в синтетической S-фазе. Эта фаза отделена от митоза (М) предсинтетическим (G,) и постсинтетическим (G₂) периода­ми (рис. 14.3).

Репликация ДНК осуществляется в строго определенное время в клетках, готовящихся к делению. В S-фазе происходит полная и строго однократная репликация ядерной ДНК, по времени это за­нимает примерно 9 ч; за этот срок удваивается генетический ма­териал диплоидной делящейся клетки. Репликация начинается сразу на многих участках молекулы ДНК, называемых точками начала репликации, обозначаемых ori (от англ. origin — начало). Биосинтез ДНК происходит с участием всех четырех дезоксирибо- нуклеозидтрифосфатов — АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ; ферментов син­теза ДНК: ДНК-полимераз, хеликазы — фермента, обеспечиваю­щего раскручивание (расплетение) двойной спирали ДНК в реп- ликативной вилке, топоизомеразы — фермента, способствующего расщеплению спирали ДНК в области репликативной вилки, фер­ментов, «редактирующих» ДНК, т. е. вызывающих и удаляющих ошибочно включенные нуклеотиды или репарирующих поврежде­ния ДНК.

Все этапы синтеза ДНК эукариот осуществляются при помощи репликативного мультиферментного комплекса (праймасомы), состоящего из ферментов и белковых факторов, который узнает точки ori, расплетает родительский дуплекс, удерживает материн­ские цепи ДНК на достаточном расстоянии друт от друга, осуще­ствляет инициацию новых дочерних цепей, закручивание цепей в спираль и, наконец, выполняет терминацию репликации ДНК. В составе комплекса присутствуют вновь синтезированная ДНК, не менее 30 белков с молекулярной массой от 15 000 до 30 000, ДНК-полимеразы, праймаза, 3'...5'-экзонуклеаза, ДНК-лигаза I, РНКаза Н, ДНК-топоизомераза I, ДНК-хеликаза, белок ЯАПК (ядерный антиген пролиферирующих клеток) и другие факторы.

В праймасоме репликативный белок А (РБА) связывается с однонитевой ДНК и существует в виде комплекса из трех белков с молекуляр­ной массой 70 000, 34 000 и 11 000. Репликативный фактор РФС состоит из пяти белковых единиц и играет важную роль при свя­зывании репликативных полимераз во время образования репли- кативной вилки. Белок ЯАПК, так называемый ДНК-полимеразный зажим, функционирует как кофактор ДНК-полимеразы, об­разуя закрытое кольцо, окружающее ДНК, с каналом в центре. Репликативный фактор С совместно с ЯАПК продвигается вдоль ДНК по репликативной вилке. С участием праймасомы и других ферментов образуются новые полинуклеотидные цепи. Синтез новых цепей всегда идет в направлении от 5'-конца к 3'- концу. Поэтому на одной из ветвей репликативной вилки новая цепь наращивается непрерывно по мере раскручивания ДНК-мат­рицы, а на другой ветви образуются короткие фрагменты новой цепи ДНК, называемые фрагментами Оказакщ затем концы этих фрагментов соединяются между собой в результате действия фер­мента ДНК-лигазы (рис. 14.4).

На одной ветви репликативной вилки нуклеотидная цепь син-

тезируется непрерывно, на другой — прерывисто, с образованием фрагментов Оказаки, которые соединяются между собой в резуль­тате действия ДНК-лигазы. По мере роста новых цепей реплика- тивная вилка перемещается по ДНК и в результате происходит репликация (удвоение) молекулы ДНК. Последовательности нук­леотидов новой цепи ДНК строго комплементарны последова­тельностям родительской цепи, благодаря этому соблюдается пе­редача наследственной информации из поколения в поколение. Точность репликации очень высока — возможна одна ошибка на десять трансферазных реакций.

Синтез ДНК на матрице РНК. Этот процесс происходит под действием фермента ревертазы, или обратной транскриптазы (РНК-зависимой ДНК-полимеразы), входящей в состав онкови­русов. Доказано, что во многих РНК-содержащих онкогенных ви­русах (онковирусы) этот фермент находится в составе покровных белков. При этом механизм синтеза ДНК на матрице РНК вклю­чает три этапа: на первом этапе фермент ревертаза синтезирует на матрице вирусной РНК комплементарную цепь ДНК, что приво­дит к формированию гибридной молекулы; на втором этапе ис­ходная молекула РНК отделяется от ДНК и только после этого (на третьем этапе) на матрице ДНК синтезируется комплементарная цепь ДНК.

Биосинтез РНК. Происходит в клетках на матрице ДНК, т. е. синтезируемая РНК комплементарна к одной из цепей этой ДНК. Если при репликации ДНК происходит удвоение всей молекулы ДНК, то при синтезе РНК (транскрипции) копия с молекулы ДНК снимается лишь с отдельных генов, с отдельных участков од­ной из цепей ДНК. Синтез различных форм РНК осуществляется с участием соответствующих РНК-полимераз, которые катализи­руют синтез информационной (иРНК), рибосомальной (рРНК) и транспортной (тРНК) рибонуклеиновых кислот. В природе суще­ствует фермент РНК-зависимая РНК-полимераза, который обес­печивает в клетке репликацию РНК у РНК-содержащих вирусов. При этом РНК вируса выполняет две функции: роль носителя ге­нетической информации (вместо ДНК) и информационной РНК. Вирусная РНК одноцепочечная. Эту цепь обозначают «плюс»- цепь РНК, а синтезируемую в присутствии РНК-полимеразы ком­плементарную ей цепь РНК — «минус»-цепь. Поступившая в клетку вирусная РНК выполняет роль информационной РНК, связывается с рибосомами клетки-хозяина и обеспечивает образо­вание фермента репликазы и белков вирусной оболочки. После этого при помощи фермента репликазы синтезируется вирусная РНК на матрице исходной РНК. В свою очередь молекула «ми- нус»-цепи РНК является матрицей для синтеза «плюс»-цепей РНК.