Биологическая химия - часть 116

Глава 13

ОБМЕН СЛОЖНЫХ БЕЛКОВ

В данной главе будут рассмотрены современные представления о био-

синтезе и распаде простетических групп только двух классов сложных

белков – нуклеопротеинов и хромопротеинов, белковые компоненты ко-

торых подвергаются превращениям, свойственным всем белкам.

ОБМЕН НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Нуклеиновые кислоты составляют существенную небелковую часть слож-

ного класса органических веществ, получивших название нуклеопротеинов

(см. главу 2); последние являются основой наследственного аппарата клетки

хромосом. Белковые компоненты нуклеопротеинов подвергаются много-

образным превращениям, аналогичным метаболизму белков и продуктов

их распада – аминокислот, подробно рассмотренному в главе 12. О нук-

леиновых кислотах, их структуре и функциях в живых организмах в

последнее время накоплен огромный фактический материал, подробно

рассмотренный в ряде специальных руководств и монографий. Помимо

уникальной роли нуклеиновых кислот в хранении и реализации наслед-

ственной информации, промежуточные продукты их обмена, в частности

моно-, ди- и трифосфатнуклеозиды, выполняют важные регуляторные

функции, контролируя биоэнергетику клетки и скорость метаболических

процессов. В то же время нуклеиновые кислоты не являются незаменимыми

пищевыми факторами и не играют существенной роли в качестве энер-

гетического материала. Далее детально рассматриваются (помимо крат-

кого изложения вопросов переваривания) проблемы метаболизма нук-

леиновых кислот и их производных, в частности пути биосинтеза и распада

пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, современные представления

о биогенезе ДНК и РНК и их роли в синтезе белка.

Переваривание нуклеопротеинов и всасывание продуктов их распада

осуществляются в пищеварительном тракте. Под влиянием ферментов

желудка, частично соляной кислоты, нуклеопротеины пищи распадаются на

полипептиды и нуклеиновые кислоты; первые в кишечнике подвергаются

гидролитическому расщеплению до свободных аминокислот. Распад

нуклеиновых кислот происходит в тонкой кишке в основном гидроли-

тическим путем под действием ДНК- и РНКазы панкреатического сока.

Продуктами реакции при действии РНКазы являются пуриновые и пи-

римидиновые мононуклеотиды, смесь ди- и тринуклеотидов и резистентные

к действию РНКазы олигонуклеотиды. В результате действия ДНКазы

образуются в основном динуклеотиды, олигонуклеотиды и небольшое

количество мононуклеотидов. Полный гидролиз нуклеиновых кислот до

стадии мононуклеотидов осуществляется, очевидно, другими, менее изу-

ченными ферментами (фосфодиэстеразами) слизистой оболочки кишечника.

469

В отношении дальнейшей судьбы мононуклеотидов существует два

предположения. Считают, что мононуклеотиды в кишечнике под действием

неспецифических фосфатаз (кислой и щелочной), которые гидролизируют

фосфоэфирную связь мононуклеотида («нуклеотидазное» действие), рас-

щепляются с образованием нуклеозидов и фосфорной кислоты и в таком

виде всасываются. Согласно второму предположению, мононуклеотиды

всасываются, а распад их происходит в клетках слизистой оболочки

кишечника. Имеются также доказательства существования в стенке ки-

шечника нуклеотидаз, катализирующих гидролитический распад моно-

нуклеотидов. Дальнейший распад образовавшихся нуклеозидов осуществ-

ляется внутри клеток слизистой оболочки преимущественно фосфороли-

тическим, а не гидролитическим путем *.

Всасываются преимущественно нуклеозиды, и в таком виде часть

азотистых оснований может быть использована для синтеза нуклеиновых

кислот организма. Если происходит дальнейший распад нуклеозидов до

свободных пуриновых и пиримидиновых оснований, то гуанин не ис-

пользуется для синтетических целей. Другие основания, как показывают

опыты с меченными по азоту аденином и урацилом, в тканях могут

включаться в состав нуклеиновых кислот. Однако экспериментальные

данные свидетельствуют, что биосинтез азотистых оснований, входящих

в состав нуклеиновых кислот органов и тканей, протекает преимуществен-

но, если не целиком, de novo из низкомолекулярных азотистых и без-

азотистых предшественников.

Таким образом, синтез нуклеиновых кислот, мономерными единицами

которых являются мононуклеотиды, будет определяться скоростью синтеза

пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов; синтез последних в свою оче-

редь зависит от наличия всех составляющих из трех компонентов. Ис-

точником рибозы и дезоксирибозы служат продукты превращения глюкозы

в пентозофосфатном цикле. Пока не получены доказательства существен-

ной роли пищевых пентоз в синтезе нуклеиновых кислот. Фосфорная

кислота также не является лимитирующим фактором, поскольку она

поступает в достаточном количестве с пищей. Следовательно, биосинтез

нуклеиновых кислот начинается с синтеза азотистых оснований (точнее,

мономерных молекул – мононуклеотидов).

Биосинтез пуриновых нуклеотидов

Пуриновые основания, образующиеся в процессе переваривания нуклеино-

вых кислот в кишечнике, в дальнейшем практически не используют-

ся, поэтому их синтез осуществляется из низкомолекулярных предшест-

венников, продуктов обмена углеводов и белков. Впервые работами

Дж. Бьюкенена, Дж. Гринберга экспериментально доказано включение ря-

да меченых атомов, в частности

 15

N- и

 14

С-глицина,

 15

N-аспартата,

15

N-глутамина и др., в пуриновое кольцо мочевой кислоты. Скармливая

птицам эти и другие меченые соединения, Дж. Бьюкенен анализировал

места включения метки в пуриновое кольцо; полученные данные были

в дальнейшем уточнены и подтверждены рядом других исследователей.

Результаты этих исследований можно представить в виде схемы:

* В животных тканях открыты специфические нуклеозидфосфорилазы, действующие на

нуклеозиды.

470

Из схемы видно, что 4-й и 5-й атомы углерода и 7-й атом азота в ядре

имеют своим источником глицин. Два атома азота (N-3 и N-9) происходят

из амидной группы глутамина, один атом азота (N-1) – из азота аспара-

гиновой кислоты; углеродный атом (С-2) происходит из углерода N

10

-фор-

мил-ТГФК, атом углерода в 8-м положении – из N

5

,N

10

-метенил-ТГФК и,

наконец, углерод С-6 имеет своим источником СО

2

.

В настоящее время благодаря исследованиям Дж. Бьюкенена, Дж. Грин-

берга, А. Корнберга и сотр. полностью расшифрована последовательность

включения перечисленных веществ в пуриновое кольцо, установлена при-

рода всех промежуточных соединений и ферментных систем, катализи-

рующих химические реакции синтеза. Интересным оказался факт почти

полного совпадения путей синтеза пуриновых оснований в печени животных

и у микроорганизмов, в частности у Е. coli и Neurospora crassa. Следует,

однако, отметить, что конечным результатом синтеза оказалось не сво-

бодное пуриновое основание, а рибонуклеотид – инозиновая кислота

(ИМФ), из которой далее синтезируются АМФ и ГМФ. На схеме пред-

ставлена последовательность всех 11 химических реакций этого синтеза

с указанием ферментных систем, коферментов, источников энергии и других

известных к настоящему времени кофакторов (см. с. 472).

Как видно из приведенной схемы, синтез инозиновой кислоты на-

чинается с D-рибозо-5-фосфата, который, как известно, является продуктом

пентозофосфатного цикла и на который переносится в необычной реакции

пирофосфатная группа АТФ. Образовавшийся 5-фосфорибозил-1-пирофос-

фат (ФРПФ) взаимодействует с глутамином, являющимся донором

NH

2

-группы, в результате чего образуется β-5-фосфорибозил-амин, причем

в процессе реакции наряду с освобождением пирофосфата и свободной

глутаминовой кислоты происходит изменение его конфигурации (из α- в β-).

Таким образом, данная стадия становится ключевой реакцией в синтезе

пуринов. На следующей стадии присоединяется вся молекула глицина

к свободной NH

2

-группе β-5-фосфорибозил-амина (реакция нуждается в

доставке энергии АТФ) с образованием глицинамидрибонуклеотида. Затем,

на следующей стадии, цепь удлиняется за счет присоединения формильной

группы из N

5

,N

10

-метенил-ТГФК с образованием формилглицинамид-

рибонуклеотида. На формильную группу последнего переносится далее

амидная группа глутамина и синтезируется формилглицинамидинрибо-

нуклеотид (реакция также идет с потреблением энергии АТФ). На сле-

дующей стадии замыкается пятичленное имидазольное кольцо и образуется

5-аминоимидазолрибонуклеотид, который способен акцептировать СО

2

с образованием рибонуклеотида 5-аминоимидазол-4-карбоновой кислоты.

471

Аспартат

N

10

–

СНО–ТГФК

СО

2

Глицин

N

5

, N

10

=СН–ТГФК

Амидный

 азот

глутамина

В последующем двухступенчатом процессе, в котором участвуют аспа-

рагиновая кислота и АТФ, образуется 5-аминоимидазол-4-карбоксамид-

рибонуклеотид и освобождается фумаровая кислота. В этих реакциях азот

аспарагиновой кислоты включается в 1-е положение будущего пуринового

ядра. Последний углеродный атом пиримидинового остатка кольца пурина

вводится в виде формильного остатка (источник N

10

-формил-ТГФК), ко-

торый присоединяется к 5-NH

2

-группе. После этого отщепляется молекула

воды и второе кольцо замыкается. В результате образуется первый пу-

риновый нуклеотид – инозиновая кислота (ИМФ), которая является пред-

шественником пуриновых нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот.

АМФ и ГМФ образуются из ИМФ, причем в синтезе обоих моно-

нуклеотидов участвуют по два фермента, различных по своему механизму

472

Рибозо-5-фосфат

5-Фосфорибозил-

-1-пирофосфат (ФРПФ)

5-Фосфорибозиламин

Глицинамидрибо-

нуклеотид

N-формилглицинамид-

рибонуклеотид

N-формилглицин-

амидинрибонуклеотид

5-Аминоимидазол-

рибонуклеотид

Рибонуклеотид-5-ами-

ноимидазол-4-карбо-

новой кислоты

5-Аминоимидазол-4-N-сукцино-

карбоксамидрибонуклеотид

5-Аминоимидазол-4-кар-

боксамидрибонуклеотид

5-Формамидоимидазол-

-4-карбоксамидрибонуклеотид

Инозиновая

кислота (ИМФ)