Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

240

численных и сложных преобразований превращаются в итоге в семь различ-

ных продуктов деградации: пируват, ацетил-СоА, ацетоацетил-СоА, a-

кетоглутарат, сукцинил-СоА, фумарат и оксалоацетат.

Пять из семи перечисленных метаболитов (пируват, a-кетоглутарат, сук-

цинил-СоА, фумарат и оксалоацетат) могут служить субстратами для глюко-

неогенеза, поэтому аминокислоты, распадающиеся с образованием этих про-

дуктов, называются глюкогенными. К глюкогенным относятся все протеи-

ногенные аминокислоты, за исключением лейцина и лизина. Следует отме-

тить, что все перечисленные продукты деградации аминокислот могут окис-

ляться в ЦТК, являясь его промежуточными соединениями, либо (как пиру-

ват) способны включаться в цикл после превращения в ацетил-СоА или окса-

лоацетат.

Остальные продукты распада углеродных скелетов аминокислот —

ацетил-СоА и ацетоацетил-СоА — не способны превращаться в глюкозу в

организмах животных. Они используются для синтеза кетоновых тел (ацето-

ацетат, ацетон, 3-оксибутират), жирных кислот и изопреноидов. Аминокисло-

ты, разрушение которых связано с образованием ацетил-СоА и ацетоацетил-

СоА, называются кетогенными. К ним относятся лейцин и лизин.

Четыре аминокислоты (фенилаланин, тирозин, триптофан и изолейцин) явля-

ются и глюкогенными, и кетогенными, поскольку при их распаде образуются ве-

щества, способные превращаться в глюкозу и кетоновые тела.

16.8. Метаболизм нуклеотидов

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды — мономеры нуклеиновых ки-

слот — представляют собой одни из наиболее сложно организованных мета-

болитов. Их синтез de novo требует участия большого количества ферментов

и затрат энергии, однако может осуществляться всеми организмами, за ис-

ключением некоторых ауксотрофных мутантов микроорганизмов. Ввиду осо-

бой сложности синтеза нуклеотидов их разрушение (например, при расщеп-

лении ненужных нуклеиновых кислот) обычно происходит не полностью, а до

определенных составных частей. Эти составные части (в первую очередь,

пуриновые азотистые основания) могут снова участвовать в образовании нук-

леозидмонофосфатов. Такое явление носит название ресинтез.

При полном расщеплении пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов об-

разуются фосфорная кислота, углекислота и аммиак, при неполном —рибоза

(или рибозо-5-фосфат), азотистые основания, мочевина, аллантоиновая ки-

слота, аллантоин и мочевая кислота. Как правило, самые низкоорганизован-

ные формы живого (например, бактерии) обладают способностью к полному

расщеплению нуклеотидов, а организмы, занимающие более высокие ступени

эволюционной лестницы, расщепляют нуклеотиды и входящие в их состав

азотистые основания до менее простых соединений.

Биосинтез нуклеотидов. В этом процессе принимают участие амино-

кислоты, которые служат источниками большинства атомов углерода и всех

атомов азота в составе азотистых оснований. Синтез пуриновых и пиримиди-

новых нуклеотидов происходит различными путями.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

241

Биосинтез пуриновых нуклеотидов de novo начинается с постепенного на-

ращивания кольца азотистого основания на молекуле 5-фосфорибозил-1-

пирофосфата, который также участвует в биосинтезе гистидина и триптофана

(рис. 16.10). Вначале к фосфорибозилпирофосфату в реакции трансаминиро-

вания присоединяется аминогруппа (N-9), донором которой является глута-

мин. Затем в состав пятичленного кольца включается два атома углерода (C-

4, C-5) и атом азота (N-7), берущие происхождение из глицина, а также атом

углерода (C-8) от формилтетрагидрофолиевой кислоты. После этого последо-

вательно присоединяются компоненты шестичленного кольца: атом азота (N-

3) из глутамина, атом углерода (C-6) из СО

, атом азота (N-1) из аспартата и

атом углерода (С-2) из формилтетрагидрофолиевой кислоты. На последнем

этапе замыкается шестичленное кольцо и формируется молекула основного

промежуточного продукта биосинтеза пуринов — инозин-5`-монофосфата

(IMP). Этот метаболит затем превращается в АМР и GMP (рис. 16.14).

Синтез пуриновых нуклеозидмонофосфатов регулируется аллостерически:

ADP и GDP тормозят процесс образования фосфорибозилпирофосфата, а

AMP и GMP ингибируют активность первого фермента, катализирующего

образование кольца азотистого основания —амидофосфорибозилтранс-

феразы (реакция трансаминирования). Таким образом происходит саморегу-

ляция образования пуриновых нуклеотидов, не допускающая их «перепроиз-

водства». Кроме этого, регулируется соотношение между двумя пуриновыми

нуклеотидами, образующимися из инозинмонофосфата, с помощью перекре-

стного активирования (рис. 16.14).

Пуриновые нуклеозидмонофосфаты превращаются в нуклеозиддифосфаты

с участием нуклеозидмонофосфаткиназ:

АМР + АТР ® 2ADP

GMP + ATP ® GDP + ADP

Образующийся в этих реакциях ADP может превращаться в АТР в про-

цессах субстратного и окислительного фосфорилирования, а также фотофос-

форилирования. Гуанозиндифосфат превращается в гуанозинтрифосфат при

участии нуклеозиддифосфаткиназы:

GDP + ATP ® GTP + ADP

Рибонуклеотиды превращаются в дезоксирибонуклеотиды на стадии нук-

леозиддифосфатов в реакции восстановления. Эта многоступенчатая реакция

катализируется двумя ферментами: тиоредоксинредуктазой и нуклеозидди-

фосфатредуктазой (рибонуклеотид-редуктаза). Донором водорода для восста-

новления остатка рибозы служит NADPH, который, однако, не переносит во-

дород непосредственно на рибозу, а восстанавливает особый белок —

тиоредоксин. В составе молекулы тиоредоксина при этом расщепляется ди-

сульфидный мостик, и образуются 2 сульфгидрильные группы, которые и

участвуют в восстановлении атомов углерода рибозы (рис. 16.15). Нуклео-

зиддифосфат-редуктаза катализирует от-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

242

из глицина

из глутамина

из СО

из глутамина

из аспартата

из формилтетра

гидрофолата

из формилтетра

гидрофолата

ATP

ADP

Аденилосукцинат

Фумарат

АМР

NAD

NADH

Инозинмонофос

фатдегидрогеназа

Ксантинмонофосфат

АТР

Глутамин

Глутамат

ADP

GMP

Аспартат

Регуляция синтеза AMP и GMP из IMP:

IMP

AMP

GMP

GTP

ATP

Активирование

5-Фосфорибозил-1-пирофосфат

Инозин-5'-монофосфат

HO OH

Аденилосукци-

нат-синтаза

Аденолосук-

цинат-лиаза

GMP-синтаза

Рис. 16.14. Схема биосинтеза пуриновых нуклеотидов и перекрестное ак-

тивирование в регуляции соотношения AMP и GMP. В составе азотистого

основания инозинмонофосфата — гипоксантине показано

происхождение атомов углерода и азота

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

243

отщепление молекулы воды от остатка рибозы с помощью образующегося в

ее активном центре тирозин-радикала. В результате субстрат превращается в

радикал-катион, который восстанавливается в дезоксирибонуклеотид при

участии тиоредоксина, а в активном центре фермента регенерируется тирози-

новый радикал.

Рибонуклеотид-редуктаза аллостерически активируется АТР и ингибиру-

ется dАТР (дезоксиаденозинтрифосфат), что позволяет регулировать соотно-

шение окисленных и восстановленных форм нуклеозиддифосфатов.

Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов de novo осуществляется так: вна-

чале синтезируется пиримидиновое кольцо, а затем к нему присоединяется

рибозо-5-фосфат. Синтез пиримидинового кольца происходит с участием

карбамоилфосфата и аспартата. В свою очередь, карбамоилфосфат образует-

ся в цитоплазме из углекислоты и глутамина (донор аминогруппы) и катали-

зирует эту реакцию карбамоилфосфат-синтаза, гидролизующая глутамин.

При конденсации карбамоилфосфата и аспартата (фермент — аспартат-

карбамоилтрансфераза) формируется шестичленное кольцо — дигидрооротат.

Его окисление в оротат и присоединение фосфорибозилпирофосфата приво-

дит к образованию оротидин-5- монофосфата, декарбоксилирование которого

дает основное промежуточное соединение биосинтеза пиримидинов —

уридин-5-монофосфат

OPP OHO

Азотистое

основание

Нуклеозиддифосфат

Азотистое

основание

HO OP P O

Дезоксинуклеозиддифосфат

Тиоредоксин

[ ]

Тиоредоксин

[ ]

H H

NADPH

NADP

тиоредоксинредуктаза

нуклеозиддифосфат редуктаза (рибонуклеотид редуктаза)

-S-S-

-S S-

- -

Рис. 16.15. Схема реакций восстановления рибонуклеотидов (объ-

яснения в тексте)

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

244

(UMP). UMP затем превращается в другие пиримидиновые нуклеотиды

(рис. 16.16) довольно сложным образом.

COOH

H H

Оротат

Карбамоилфосфат

Аспартат

из карбамоилфосфата

из аспартата

Фосфорибозил

пирофосфат

HO P O

UDP

UTP

[NH

]

CTP

CDP

dCDP

dCTP

dUDP

dUMP

Тимидилат

синтаза

THF

dTMP

dTDP

dTTP

Оротат-фосфорибо-

зилтрансфераза

Оротидин-5-фосфат-

декарбоксилаза

Уридин-5-фосфат (UMP)

СТР-син-

таза

2[H]

Рис. 16.16. Схема этапов биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов: M-TGF —

метилентетрагидрофолиевая кислота; TGF — тетрагидрофолиевая кислота

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

245

Пиримидиновые нуклеозидтрифосфаты образуются из нуклеозидмоно-

фосфатов при участии АТР, как это описано выше для пуриновых нуклеоти-

дов. Цитидилат образуется из уридилата на уровне нуклеозидтрифосфатов

(рис. 16.16) при участии цитидинтрифосфат-синтазы. Дезокситимидилат воз-

никает из уридилата на уровне нуклеозидмонофосфата при метилировании

дезоксиуридинмонофосфата. Эту реакцию катализирует тимидилат-синтаза

при участии донора метильных групп —метилентетрагидрофолата. Восста-

новление рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды осуществляется по опи-

санному ранее (для пуринов) механизму (рис. 16.15).

Регуляция биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов у бактерий описана

ранее (глава 6), и она осуществляется в ходе аллостерической регуляции ак-

тивности фермента — аспартат-карбамоилтрансферазы. У животных ключе-

вым ферментом биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов является карбамо-

илфосфатсинтаза, которая аллостерически активируется АТР и фосфорибо-

зилпирофосфатом, а ингибируется UTP.

Итак, рассмотрен синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов de

novo. Однако это не единственный способ их образования, в целях экономии

ресурсов клетки часто образуют нуклеотиды в ходе так называемого ресинте-

за. Этот путь предполагает использование свободных пуриновых и пирими-

диновых азотистых оснований, которые образуются при расщеплении нук-

леиновых кислот, и фосфорибозилпирофосфата. Реакции образования нуклео-

зидмонофосфатов катализируются соответствующими фосфорибозилтранс-

феразами. Такой способ синтеза нуклеотидов особенно характерен для клеток

злокачественных опухолей.

Расщепление нуклеотидов. Данный процесс обычно завершает расщеп-

ление нуклеиновых кислот, которое катализируется нуклеазами. Различают

два типа нуклеаз — экзонуклеазы (атакуют полинуклеотидные цепи с кон-

цов) и эндонуклеазы (осуществляют расщепление ковалентных связей внут-

ри молекулы, не нуждаясь в свободных 3`- и 5`-концах). Результатом дея-

тельности нуклеаз является образование свободных нуклеотидов.

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды расщепляются разными путя-

ми: пуриновое кольцо остается незатронутым и превращается в мочевую ки-

слоту либо продукты ее преобразования, которые выводятся из организма;

пиримидиновые азотистые основания разрушаются до небольших фрагмен-

тов, которые способны снова включаться в метаболизм или могут выводиться

из организма.

У приматов, в том числе человека, птиц и рептилий распад пуриновых

нуклеотидов сопровождается образованием рибозо-фосфата (участ-вует в ме-

таболизме) и мочевой кислоты (выводится с мочой). У других млекопитаю-

щих и моллюсков мочевая кислота окисляется в аллантоин, который выво-

дится из организма. У костистых рыб аллантоин гидратируется в аллантои-

нат, а у амфибий и хрящекостных рыб аллантоинат расщепляется до мочеви-

ны и глиоксилата. Наконец, в клетках микроорганизмов пуриновые нуклеотиды

могут расщепляться до простейших соединений — аммиака, углекислоты, глици-

на, муравьиной кислоты. На рис. 16.17 показаны упрощенные схемы расщепления

пуриновых нуклеотидов.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

246

Инозинмонофосфат

Рибозо Р

Инозин

Гипоксантин

GMP

Гуанозин

Рибозо Р

Гуанин

Ксантин

Мочевая кислота

Возможность

дальнейших

превращений

(см. текст)

Рис. 16.17. Упрощенные схемы расщепления пуриновых нуклеотидов

Важно отметить, что превращения гипоксантина в ксантин и ксантина в

мочевую кислоту катализирует один и тот же фермент — ксантин-оксидаза, и

на каждой из этих стадий в субстрат вводится оксогруппа в ходе окисления

молекулярным кислородом. При этом в качестве другого продукта образуется

перекись водорода (рис. 16.17), токсичное действие которой нейтрализуется

ферментами пероксидазами.

Мочевая кислота, в составе которой пуриновые азотистые основания вы-

водятся из организма человека, в отличие от мочевины плохо растворима в

воде. Поэтому при некоторых нарушениях метаболизма, в том числе отдель-

ных наследственных заболеваниях, а также при чрезмерном употреблении

мясных продуктов, содержащих высокие концентрации пуринов, в крови по-

вышается концентрация мочевой кислоты (гипер-урикемия). Следствием

этого может являться отложение мочевой кислоты в суставах (подагра) и дру-

гих органах.

При расщеплении пиримидиновых нуклеотидов вначале происходит от-

щепление остатка фосфорной кислоты и образование нуклеозида, а затем ти-

мидин и уридин расщепляются до более простых соединений (рис. 16.18) в

ходе нескольких, общих для этих нуклеозидов реакций. Важными промежу-

точными соединениями этих путей являются урацил и тимин, которые могут

участвовать в ресинтезе пиримидиновых нуклеотидов или расщепляться оди-

наковым способом: пиримидиновое кольцо вначале восстанавливается, а за-

тем гидролитически расщепляется.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

247

Следует отметить, что одна из аминогрупп пиримидиновых азотистых ос-

нований отщепляется в процессе гидролитического дезаминирования, а вто-

рая — в ходе трансаминирования, при котором акцептором аминогруппы

служат a-кетоглутарат (превращается в глутамат) или пируват (превращается

в аланин). Кроме ацетата и пропионата, продуктами расщепления пиримиди-

новых нуклеотидов являются СО

и NH

dTMP

UMP

CMP

Дезокситимидин

Рибозо

Тимин

Восстановление,

гидратация,

дезаминирование,

декарбоксилирование,

трансаминироание,

деакрбоксилирование

Пропионат

Ацетат

Уридин

Рибозо

Урацил

Цитидин

Рис. 16.18. Упрощенные схемы расщепления пиримидиновых нуклеотидов

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

247

Глава 17. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ

И БИОСИНТЕЗ ВИТАМИНОВ

17.1. Общая характеристика витаминов

К витаминам относят группу низкомолекулярных органических веществ,

требующихся организму в следовых количествах, но выполняющих в нем

жизненно важные функции, чаще каталитические и регуляторные. Витами-

нами считаются вещества, чьи химические и физические свойства, а также

физиологическая роль зачастую совершенно различны, но общим для всех

них можно считать то, что без их присутствия невозможно нормальное разви-

тие и жизнедеятельность человека и животных, в то же время большинство

витаминов этими организмами самостоятельно не синтезируются.

Таким образом, витамины должны поступать в организм с пищей или вы-

рабатываться кишечной микрофлорой. При несбалансированном питании или

гибели кишечной микрофлоры (например, в результате антибиотикотерапии)

может наступать витаминная недостаточность, тяжелая форма которой носит

название авитаминоз. Проявлениями авитаминозов являются поражения

кожных покровов и слизистых оболочек, отставание в росте, нарушения

нервной и гуморальной систем, хрупкость сосудов, искривления костей, вы-

падения волос, зубов и др. Большинство витаминов не может накапливаться в

организмах человека и животных, поэтому важно регулярно восполнять их

дефицит. Синтезируются витамины в клетках растений и микроорганизмов,

кроме того, некоторые животные сохранили способность самостоятельно син-

тезировать те или иные витамины. Считается, что потребность в витаминах у

человека и большинства животных связана с утратой отдельных ферментов в

результате мутаций. На это указывает восстановление способности к синтезу

некоторых витаминов при добавлении в рацион определенных предшествен-

ников или в особых условиях. Например, витамин А может синтезироваться в

организме человека из каротина (провитамин), а витамин D — только под

воздействием ультрафиолетового облучения.

Открыты витамины русским ученым Н.И. Луниным в 1880 г., а свое на-

звание получили позже, в 1912 г., благодаря исследованиям польского био-

химика К. Функа, который выделил в виде чистого вещества витамин В

, ока-

завшийся амином. С тех пор подобные вещества, в том числе не принадле-

жащие к аминам, называют витаминами, что в переводе означает «жизнен-

ные амины» (от лат. vita — жизнь). В настоящее время известно более 30

витаминов и их изучает особый раздел биохимии —витаминология.

Для системного изучения структуры, свойств и биосинтеза витаминов

следует обратиться к их классификации. Классифицируют витамины в соот-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

248

ветствии с их химическими свойствами (растворимость в воде и липидах), с

химической структурой, а также с основными функциями в организме. Но-

менклатура витаминов допускает использование тривиальных названий

(обычно связаны с симптомами авитаминозов), химических наименований и

буквенных обозначений.

В соответствии со способностью растворяться в воде или жировых рас-

творителях витамины принято делить на две группы: водорастворимые и жи-

рорастворимые. Большинство водорастворимых витаминов относятся к груп-

пе В и обладают коферментными функциями (входят в состав коферментов и

простетических групп). Некоферментные свойства витаминов характеризуют-

ся способностью участвовать в регуляции метаболизма, выполнять структур-

ную функцию, служить пластическим материалом, проявлять антимутагенное

действие, участвовать в зрительном цикле, усиливать защитные свойства ор-

ганизма, повышать свертываемость крови, регулировать проницаемость сосу-

дов и др.

Кроме витаминов, выделяют еще одну категорию веществ витаминной

природы — витаминоподобные вещества, однако между этими группами от-

сутствует четкая граница.

17.2. Жирорастворимые витамины

К жирорастворимым витаминам относятся витамины A, D, E, K, а также

Q и F. Последние два часто относят к витаминоподобным веществам. По хи-

мической структуре все эти витамины, кроме F, являются изопреноидами.

Изопреноиды (терпены) представляют собой обширную группу соедине-

ний, имеющих общие начальные стадии биосинтеза, в которых участвует в

качестве предшественника пятиуглеродный разветвленный ненасыщенный

углеводород — изопрен (2-метилбутадиен-1,3). К изопреноидам, кроме пере-

численных витаминов, относятся каротиноиды, стеролы, каучук, фитол (вхо-

дит в состав хлорофилла) и многие другие соединения.

Жирорастворимые витамины выполняют в организме некоферментные

функции.

Витамин А (ретинол). Этот витамин существует в форме двух витаме-

ров (сходные по химическому строению формы витамина, обладающие раз-

ным физиологическим действием) — А

(ретинол) и А

(дегид-роретинол).

Дегидроретинол отличается от ретинола наличием двойной связи между 3-м

и 4-м атомами углерода в шестичленном кольце (рис. 17.1). Кроме этого, ви-

тамин А (спирт), легко окисляясь, дает начало группе ретиноидов, к которой

принадлежит ретиналь и ретиноевая кислота (рис. 17.1). Известно, что рети-

наль выполняет роль зрительного пигмента (глава 13), а ретиноевая кислота

служит ростовым фактором, участвуя в развитии костной ткани и поддержи-

вая нормальную секреторную функцию слизистых оболочек.

Биологическая роль витамина А и его форм состоит в регуляции диффе-

ренцировки клеток, предупреждении ороговения эпителиальных

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)