Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия

Подождите немного. Документ загружается.

Распад пиримидиновых нуклеозидов

Последовательность ферментативных реакций гидролиза пиримидиновых

нуклеозидов можно представить в виде схемы:

501

рибоза

Аденозин

Аденозин-

дезаминаза

рибоза

Инозин

Рибозо

Нуклеозидфос-

форилаза

Гипоксантин

Ксантиноксидаза

рибоза

Гуанозин

Нуклеозидфос-

форилаза

Рибозо

Гуанин

Гуаниндез-

аминаза

Ксантин

Ксантин-

оксидаза

Мочевая кислота

Уриказа

Аллантоин

Аллан-

тоиназа

Аллантоиновая

кислота

Аллантоиказа

Мочевина

Глиоксиловая

кислота

O + O

СО

2Н

502

Цитидин

Рибоза

Цитидиндезаминаза

Рибоза

Уридин

Уридинфосфорилаза

Уридиннук-

леозидаза

Рибозо

Рибоза

Урацил

Дигидроурацил

N-карбамоилпропионовая

кислота

β-Аланин

Дезоксирибоза

Тимидин

Уридиннук

леозидаза

2'-Дезок-

сирибоза

Тимидинфос-

форилаза

2'-Дезокси

рибозо-1

Тимин

Дигидроурацилде-

гидрогеназа

Дигидротимин

Дигидропиримидиназа

N-карбамоилизомасляная

кислота

Мочевина

β-Аминоизомасляная

кислота

РO

+ НАДФН

НАДФ

НАДФН + Н

НАДФ

СO

Начальные этапы реакции распада пиримидиновых нуклеотидов ка-

тализируются специфическими ферментами. Конечными продуктами реак-

ции являются СО

, NH

, мочевина, β-аланин и β-аминоизомасляная кис-

лота. Следует указать, что гидролитический путь распада пиримидинов

является, очевидно, главным путем образования β-аланина, который может

служить источником для синтеза ансерина и карнозина (см. главу 20),

а также для образования КоА. Известно, что β-аланин в животных тканях

подвергается дальнейшему распаду. В тканях животных открыта специ-

фическая аминотрансфераза, катализирующая трансаминирование между

β-аланином и пировиноградной кислотой. В процессе этой обратимой

реакции синтезируются α-аланин и формилацетат (полуальдегид малоновой

кислоты):

Образовавшийся формилацетат далее подвергается окислительному

декарбоксилированию с образованием углекислоты и ацетил-КоА.

ОБМЕН ХРОМОПРОТЕИНОВ

Проблемы синтеза и распада хромопротеинов привлекают внимание как

исследователей, так и практических врачей по двум основным причинам.

Во-первых, вследствие широкого разнообразия биологически важных

функций гемоглобина, хлорофилла и цитохромов, в молекулах которых

центральную роль играет ядро порфирина, обладающее способностью

координационно связываться с ионами металлов (см. главу 2). Во-вторых,

изменения синтеза или распада порфиринов и соответственно их комплек-

сов с белками приводят к нарушению жизненно важных функций и раз-

витию болезней у человека и животных.

В данном разделе будут рассмотрены современные представления о

синтезе и распаде железопорфиринов, в частности гемоглобина – наиболее

изученного хромопротеина.

В организме человека содержится около 4,5–5,0 г железа. На долю

гемоглобина крови из этого количества (если принять за 100% все железо

в организме) приходится 60–70%, миоглобина – 3–5%, ферритина – 20% (от

17 до 23%), трансферрина – около 0,18%, функционального железа тканей –

до 5%. Содержание железа в организме регулируется главным образом

интенсивностью всасывания в кишечнике поступающего с пищей железа.

Избыток его не всасывается. Потребность в железе резко возрастает при

анемиях различного происхождения. Железо всасывается в кишечнике

в виде неорганического двухвалентного иона Fe

после освобождения его

из комплексов с белками. В клетках слизистой оболочки кишечника железо

уже в трехвалентной форме Fe

соединяется с белком апоферритином

с образованием стабильного комплекса ферритина. Дальнейший транспорт

железа к местам кроветворения осуществляется в комплексе с β

-глобу-

503

β-Аланин

ПВК

α-Аланин

Формилацетат

линами сыворотки крови (комплекс получил название трансферрина)

или железо соединяется с апоферритином тканей, где и депонируется

в виде ферритина. При некоторых заболеваниях (например, при гемо-

хроматозе) избыток железа откладывается в клетках системы макро-

фагов в виде гемосидерина – метаболически инертного соединения желе-

за с белком.

Источниками железа для синтетических целей являются пищевые про-

дукты, а также железо, освобождающееся при постоянном распаде эритро-

цитов в клетках печени и селезенки (около 25 мг в сутки). Простетические

группы пищевых хромопротеинов (гемоглобин, миоглобин), включая хло-

рофиллпротеины, не используются для синтеза железопротеинов орга-

низма, поскольку после переваривания небелковый компонент гем под-

вергается окислению в гематин, который, как и хлорофилл, не всасывается

в кишечнике. Обычно эти пигменты выделяются с содержимым толстой

кишки в неизмененной форме или в виде продуктов распада под действием

ферментов кишечных бактерий. Следовательно, гемсодержащие соединения

пищи не используются в качестве источника порфиринового ядра, а синтез

сложного пиррольного комплекса в организме протекает из низкомоле-

кулярных предшественников de novo.

Биосинтез гемоглобина

Учитывая, что белковая часть молекулы гемоглобина (глобин) синте-

зируется, как и все остальные белки, далее подробно рассмотрен биосинтез

его простетической группы, т.е. синтез тетрапиррольного соединения – гема

(см. главу 2).

К настоящему времени почти полностью выяснены основные пути

образования порфиринов и протопорфиринов, являющихся непосредствен-

ными предшественниками гема и хлорофилла. Благодаря исследованиям

Д. Шемина и др. выяснены основные пути синтеза гема. С помощью

меченых предшественников было показано, что в синтезе гема в бес-

клеточных экстрактах эритроцитов птиц специфическое участие принимают

глицин, уксусная и янтарная кислоты. Источником всех 4 атомов азота

и 8 атомов углерода тетрапиррольного кольца оказался глицин, а ис-

точником остальных 26 из 34 атомов углерода – янтарная кислота (сук-

цинат), точнее ее производное сукцинил-КоА. Последовательность хими-

ческих реакций синтеза тетрапирролов в организме животных можно

условно разделить на несколько стадий.

На I стадии, протекающей в 2 этапа, сукцинил-КоА взаимодействует

с глицином и образованием δ-аминолевулиновой кислоты (δ-АЛК).

504

Сукцинил-КоА

Глицин

δ-Аминолевулинатсинтаза

δ-АЛК

HS-KoA

Эту стадию катализирует специфический пиридоксальфосфатзависимый

фермент δ-аминолевулинатсинтаза – ключевой, аллостерический фермент

синтеза тетрапирролов.

Впервые эта синтаза была обнаружена в эндоплазматической сети

клеток печени. Фермент индуцируется стероидами и другими факторами

и ингибируется по типу обратной связи конечным продуктом биосинтеза –

гемом.

На II стадии происходит конденсация 2 молекул δ-аминолевулиновой

кислоты с образованием первого монопиррольного соединения – порфо-

билиногена (ПБГ).

Фермент, катализирующий эту стадию,– порфобилиногенсинтаза также

является регуляторным ферментом, подвергаясь ингибированию конеч-

ными продуктами синтеза. Предполагают, что механизм этой сложной

реакции дегидратации включает образование кетиминной связи (шиффово

основание) между кетогруппой одной молекулы δ-аминолевулиновой

кислоты и δ-аминогруппой лизина молекулы фермента. В следующей

многоступенчатой стадии, катализируемой соответствующими фермента-

ми, из 4 монопиррольных молекул порфобилиногена синтезируется тетра-

пиррольный комплекс протопорфирин IX, являющийся непосредственным

предшественником гема. Некоторые этапы сложного пути синтеза окон-

чательно не установлены.

В заключительной стадии протопорфирин IX присоединяет молеку-

лу железа при участии феррохелатазы (гемсинтазы), и образуется гем.

Последний используется для биосинтеза всех гемсодержащих хромопро-

теинов.

Источником железа для этой реакции является ферритин, который

считается резервным гемопротеином, откладывающимся в клетках кост-

ного мозга, печени и селезенки.

Имеются указания, что, помимо железа, в синтезе гема участвуют

некоторые кофакторы, в частности витамин В

, ионы меди, хотя конкрет-

ная их роль не раскрыта.

Таким образом, весь путь синтеза гема может быть представлен в виде

схемы, в которой даны полные и сокращенные обозначения промежуточных

метаболитов и ферментов.

505

Порфобилиногенсинтаза

δ-АЛК

Порфобилиноген

2Н

Распад гемоглобина в тканях (образование желчных

пигментов)

Продолжительность жизни эритроцитов составляет 120 дней, затем они

разрушаются и освобождается гемоглобин. Главными органами, в которых

происходят разрушение эритроцитов и распад гемоглобина, являются

печень, селезенка и костный мозг, хотя в принципе оба процесса могут

происходить и в клетках других органов. Распад гемоглобина в печени

начинается с разрыва α-метиновой связи между I и II кольцами пор-

фиринового кольца. Этот процесс катализируется НАДФ-содержащей ок-

сидазой и приводит к образованию зеленого пигмента вердоглобина (хо-

леглобина):

506

Глицин

Сукцинил~S-KoA

δ-Аминолевулинат-

синтаза

СO

, KoA-SH

2 δ-Аминолевулиновая кислота (δ-АЛК)

Порфобилиноген-

синтаза

2Н

4 Порфобилиноген (ПБГ)

УПГ-синтаза

4NH

УПГ-косинтаза

Уропорфириноген I

Уропорфириноген III (УПГ)

УПГ-декарбоксилаза

4СO

Копропорфириноген III (КПГ)

КПГ-декарбоксилаза

2СO

КПГ-оксидаза

4Н

Протопорфириноген IХ (ППГ)

6Н

Протопорфирин IX

Феррохелатаза

ГЕМ

В приведенных структурных формулах здесь и далее в желчных пиг-

ментах М – метильная СН

-группа, В – (—СН=СН

) – винильная группа

и П – (—СН

—СН

—СООН) – остаток пропионовой кислоты.

Как видно из приведенных формул, в молекуле вердоглобина еще

сохраняются атом железа и белковый компонент. Имеются эксперимен-

тальные доказательства, что в этом окислительном превращении гемо-

глобина принимают участие витамин С, ионы Fe

и другие кофакторы.

Дальнейший распад вердоглобина, вероятнее всего, происходит спонтанно

с освобождением железа, белка-глобина и образованием одного из желчных

пигментов – биливердина. Спонтанный распад сопровождается перераспре-

делением двойных связей и атомов водорода в пиррольных кольцах

и метиновых мостиках. Образовавшийся биливердин ферментативным

путем восстанавливается в печени в билирубин, являющийся основным

желчным пигментом у человека и плотоядных животных:

Основное место образования билирубина – печень, селезенка и, по-

видимому, эритроциты (при распаде их иногда разрывается одна из

метиновых связей в протопорфирине). Образовавшийся во всех этих клет-

ках билирубин поступает в печень, откуда вместе с желчью попадает

в желчный пузырь (см. главу 16). Билирубин, образовавшийся в клетках

системы макрофагов, называется свободным, или непрямым, билирубином,

поскольку вследствие плохой растворимости в воде он легко адсорбируется

на белках плазмы крови и для его определения в крови необходимо

предварительное осаждение белков спиртом. После этого билирубин всту-

пает во взаимодействие с диазореактивом Эрлиха.

В крови взрослого здорового человека содержится относительно по-

стоянное количество общего билирубина – от 4 до 26 мкмоль/л, в среднем

507

Гемоксигеназа

(дециклизующая)

Гем (в составе гемоглобина)

Гем (в составе вердоглобина)

Биливердин

Биливердинредуктаза

НАДФН + Н

НАДФ

Билирубин

15 мкмоль/л. Около 75% этого количества приходится на долю непрямого

билирубина. Повышение его концентрации в крови до 35 мкмоль/л при-

водит к желтухе. Более высокий уровень билирубина в крови вызывает

явления тяжелого отравления. Непрямой билирубин, поступая с током

крови в печень, подвергается обезвреживанию путем связывания с глюку-

роновой кислотой. В этом процессе принимают участие особый фермент

УДФ-глюкуронилтрансфераза и УДФ-глюкуроновая кислота, являющаяся

донором глюкуроновой кислоты. При этом к билирубину присоединяются

2 остатка глюкуроновой кислоты с образованием сравнительно индиф-

ферентного комплекса – билирубин-диглюкуронида, хорошо растворимого

в воде и дающего прямую реакцию с диазореактивом. В желчи всегда

присутствует прямой билирубин. В крови количество прямого и непрямого

билирубина, а также соотношение между ними резко меняются при по-

ражениях печени, селезенки, костного мозга, болезнях крови и т.д., поэтому

определение содержания обеих форм билирубина в крови имеет существен-

ное значение при дифференциальной диагностике различных форм желтухи.

При желчнокаменной болезни в составе желчных камней наряду с основным

их компонентом – холестерином всегда обнаруживается непрямой били-

рубин. Вследствие плохой растворимости в воде он выпадает в осадок

в желчном пузыре в виде билирубината кальция, участвующего в фор-

мировании камней.

Дальнейшая судьба желчных пигментов, точнее билирубина, связана

с их превращениями в кишечнике под действием бактерий. Сначала глю-

куроновая кислота отщепляется от комплекса с билирубином и осво-

бодившийся билирубин подвергается восстановлению в стеркобилиноген,

который выводится из кишечника. В сутки человек выделяет около 300 мг

стеркобилиногена. Последний легко окисляется под действием света и

воздуха в стеркобилин. Механизм бактериальных превращений билирубина

до стеркобилина до конца еще не расшифрован. Имеются данные, что

промежуточными продуктами восстановления являются последовательно

мезобилирубин и мезобилиноген (уробилиноген). После всасывания не-

большая часть мезобилиногена поступает через воротную вену в печень, где

подвергается разрушению с образованием моно- и дипиррольных соеди-

нений. Кроме того, очень небольшая часть стеркобилиногена после вса-

сывания через систему геморроидальных вен попадает в большой круг

кровообращения, минуя печень, и в таком виде выводится с мочой.

Однако называть его уробилиногеном не совсем точно (см. главу 18).

Суточное содержание стеркобилиногена в моче составляет около 4 мг, и,

пожалуй, именно стеркобилиноген является нормальной органической

составной частью мочи. Если с мочой выделяется повышенное содержание

уробилиногена (точнее, мезобилиногена), то это является свидетельством

недостаточности функции печени, например, при печеночной или гемо-

литической желтухе, когда печень частично теряет способность извлекать

этот пигмент из крови воротной вены. Химически уробилиноген (мезо-

билиноген) неидентичен стеркобилиногену (уробилиногену) мочи. Исчезно-

вение стеркобилиногена (уробилиногена) из мочи при наличии билирубина

и биливердина является свидетельством полного прекращения поступления

желчи в кишечник. Такое состояние часто наблюдается при закупорке

протока желчного пузыря (желчнокаменная болезнь) или общего желчного

протока (желчнокаменная болезнь, раковые поражения поджелудочной

железы и др.).

Таким образом, количественный и качественный анализ желчных пиг-

ментов в моче может представлять большой клинический интерес.

508

Глава 14

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

Целое есть нечто большее,

чем простая сумма его частей.

Платон

Одной из глобальных задач современной биологии и ее новейших разделов:

молекулярной биологии, биоорганической химии, физико-химической био-

логии – является выяснение молекулярных основ и тонких механизмов

синтеза белка, содержащего сотни, а иногда и тысячи остатков L-амино-

кислот. Последние располагаются, как это установлено, не хаотично,

а в строго заданной последовательности, обеспечивая тем самым уни-

кальность структуры синтезированной белковой молекулы, наделенной

уникальной функцией. Другими словами, механизм синтеза должен об-

ладать весьма тонкой и точной кодирующей системой, которая авто-

матически программирует включение каждого аминокислотного остатка

в определенное место полипептидной цепи. Установлено, что кодирующая

система однозначно определяет первичную структуру, в то время как

вторичная и третичная структуры белковой молекулы определяются фи-

зико-химическими свойствами и химической структурой радикалов амино-

кислот в полипептиде.

Первоначально представляли, что синтез белка могут катализировать те

же протеолитические ферменты, которые вызывают и его гидролиз, но

путем обратимости химической реакции. Однако оказалось, что синте-

тические и катаболические реакции протекают не только различными

путями, но даже в разных субклеточных фракциях. Не подтвердилась также

гипотеза о предварительном синтезе коротких пептидов с последующим их

объединением в одну полипептидную цепь. Более правильным оказалось

предположение, что для синтеза белка требуются источники энергии,

наличие активированных свободных аминокислот и нескольких типов

клеточных нуклеиновых кислот.

В выяснение молекулярных механизмов синтеза белка определенный

вклад внесли российские биохимики. Так, в лаборатории А.Е. Браунштейна

было впервые указано на участие АТФ в синтезе квазипептидных связей (на

примерах гиппуровой кислоты, глутамина, глутатиона и ацетанилида).

В.Н. Орехович еще в 50-е годы установил, что перенос аминоацильных или

пептидильных группировок на NH

-группу аминокислот может осуществ-

ляться не только с амидной или пептидной, но и со сложноэфирной связи.

Как будет показано далее, именно этот механизм лежит в основе реакции

транспептидирования в 50S рибосоме в стадии элонгации синтеза белка.

Значительно позже были получены доказательства, что в синтезе белка,

протекающем в основном в цитоплазме, решающую роль играют нуклеи-

новые кислоты, в частности ДНК. После того как было установлено, что

ДНК является носителем и хранителем наследственной информации, был

поставлен вопрос о том, каким образом эта генетическая информация,

записанная (зашифрованная) в химической структуре ДНК, трансформи-

509

Рис. 14.1. Принципиальная схе-

ма биосинтеза белка (по

А.С. Спирину).

Красные кружочки - свободные

аминокислоты и их остатки в соста-

ве полипептидной цепи.

руется в фенотипические признаки и функциональные свойства живых

организмов, передающиеся по наследству. В настоящее время можно дать

однозначный ответ на этот вопрос: генетическая информация програм-

мирует синтез специфических белков, определяющих в свою очередь спе-

цифичность структуры и функции клеток, органов и целостного организма

(рис. 14.1). В природе, как известно, существует два типа биополимерных

макромолекул: так называемые неинформативные биополимеры (они

представлены повторяющимися мономерными единицами и/или разветв-

ленными структурами, например полисахариды, поли-АДФ-рибоза, пеп-

тидогликаны, гликопротеины) и информативные биополимеры, несущие

первичную генетическую информацию (нуклеиновые кислоты) и вторичную

генетическую, точнее фенотипическую, информацию (белки). Эти общие

представления могут быть выражены следующей последовательностью

событий (поток информации):

ДНК –> РНК –> Белок –> Клетка –> Организм

Значительный вклад в современные представления о месте, факторах

и механизме синтеза белка внесли исследования Т. Касперсона, М. Хоглан-

да, П. Берга, П. Замечника, С. Очоа, М. Ниренберга, Н. Горовица,

Ф. Гауровица, С. Вейсса и российских биохимиков А.А. Баева, А.Н. Бело-

зерского, А.С. Спирина и др.

Не останавливаясь на всех исторических аспектах развития этой важ-

нейшей проблемы, следует напомнить, что еще в 40-х годах было уста-

510

Ген

ДНК

мРНК

Ядро

Рибосома

тРНК

Белок

Цитоплазма