Биологическая химия - часть 118

аминокислоты серина (донатор метильной группы) и пиридоксальфосфат-

содержащего фермента сериноксиметилтрансферазы в соответствии с урав-
нением:

Синтез всех остальных дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфатов, непо-

средственно участвующих в синтезе ДНК, также осуществляется путем

фосфорилирования дезоксирибонуклеозид-5'-дифосфатов в присутствии

АТФ:

АТФ + dАДФ –> АДФ + dATФ; АТФ + dЦДФ –> АДФ + dЦТФ;

АТФ + dГДФ –> АДФ + dГТФ; АТФ + dТДФ –> АДФ + dТТФ.

Далее на двух схемах суммированы данные о взаимопревращениях

пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, а также о связи их с синтезом

нуклеиновых кислот. Как видно из схем, в образовании пуриновых и

пиримидиновых нуклеотидов специфическое участие принимает ФРПФ,

являющийся донором фосфорибозильного остатка в биосинтезе как оро-

тидин-5'-фосфата, так и ИМФ; последние считаются ключевыми субстра-

тами в синтезе нуклеиновых кислот в клетках.

477

Серин

Глицин

ТГФК

Сериноксиметилтрансфераза

Аденилоянтарная

кислота

Фумарат

5-Фосфорибозил-

-1-пирофосфат

Ксантиловая

кислота

Оротовая

кислота

Оротидин-5-фосфат

CH

2

(OH)—CH(NH

2

)—COOH

CH

2

(NH

2

)—COOH

N

5

,N

10

—

CH

2

—

TГФK

Acп

ИМФ

НАД

+

НАДН+Н

+

Глн

Глу

РР

i

ТТФ

ТДФ

ТМФ

dУМФ

АМФ

dAMФ

АДФ

АТФ

dАДФ

dАТФ

ГМФ

dГМФ

ГДФ

dГДФ

ГТФ

dГТФ

dУТФ

dУДФ

УТФ

УДФ

УМФ

ЦТФ

ЦДФ

ЦМФ

dЦТФ

dЦДФ

dЦМФ

Биосинтез нуклеиновых кислот

Проблема биосинтеза нуклеиновых кислот является предметом присталь-

ного внимания многих исследователей и целых научных коллективов.

Следует прежде всего отметить исключительную трудность решения этой

важнейшей проблемы, связанную с неполными представлениями о природе

белковых факторов и механизмах регуляции синтеза нуклеиновых кислот.

До сих пор не раскрыты в деталях молекулярные механизмы передачи

генетической информации, закодированной в нуклеотидной последователь-

ности ДНК. Различают три основных этапа реализации генетической

информации. На первом этапе – этапе  р е п л и к а ц и и происходит обра-

зование дочерних молекул ДНК, первичная структура которых идентична

родительской ДНК (копирование ДНК). Репликация ДНК является клю-

чевой функцией делящейся клетки и частью таких биологических процессов,

как рекомбинация, транспозиция и репарация. На втором этапе, названном

т р а н с к р и п ц и е й , генетическая информация, записанная в первичной

структуре ДНК, переписывается в нуклеотидную последовательность РНК

(синтез молекулы РНК на матрице ДНК). На третьем этапе – этапе

т р а н с л я ц и и генетическая информация, содержащаяся уже в нуклеотидной

последовательности молекулы РНК, переводится в аминокислотную по-

следовательность белка. Далее представлены основные итоги исследований

и наши представления о биосинтезе полимерных молекул ДНК, РНК

и белка, полученные к середине 1996 г.

Биосинтез ДНК

Прежде чем изложить современные представления о механизме биосинтеза

ДНК, следует представить сведения о синтезе этого соединения в бес-

478

ФРПФ

 + Глн

ТГФК

Гли

СО

2

Глн

N

10

-CHO—ТГФК

Асп

ИМФ

АМФ

АДФ

dАДФ

dАТФ

ГМФ

ГДФ

dГДФ

dГТФ

АТФ

ГТФ

Карбамоилфосфат + Асп

N-карбамоиласпартат

Оротовая кислота

УМФ

УДФ

УМФ

УТФ

УТФ

ЦТФ

ЦТФ

РНК

ДНК

ЦДФ

dЦДФ

dЦТФ

ЦМФ

dТМФ

dTДФ

dТТФ

клеточной системе, которыми располагает биохимия. Известно, что для

любого синтеза полимерной органической молекулы, осуществляемого in

vitro или in vivo, требуется энергия. Источником энергии в реакциях

полимеризации мононуклеотидов является энергия, освобождаемая всеми

четырьмя типами дезоксирибонуклеозидтрифосфатов, участвующих в син-

тезе ДНК. Образующийся пирофосфат под действием пирофосфатазы

также расщепляется на две молекулы ортофосфата, давая дополнительную

энергию для биосинтеза ДНК.

Помимо энергии, биогенез ДНК требует наличия специфических фер-

ментов, катализирующих отдельные этапы синтеза, и множества белковых

факторов, абсолютно необходимых для регулирования процесса репли-

кации и проявления каталитической активности ферментов.

Ферментные системы синтеза ДНК у про- и эукариот до конца не

выяснены. По имеющимся данным, в репликации ДНК, включающей

узнавание точки начала процесса, расплетение родительских цепей ДНК

в репликационной вилке, инициацию биосинтеза дочерних цепей и даль-

нейшую их элонгацию и, наконец, окончание (терминация) процесса,

участвует более 40 ферментов и белковых факторов, объединенных в

единую ДНК-репликазную систему, называемую реплисомой.

После открытия в 1958 г. А. Корнбергом у Е. coli фермента, катали-

зирующего биосинтез ДНК и названного ДНК-полимеразой I, в течение

почти 10 лет считалось, что этот фермент является единственной по-

лимеразой, принимающей участие в репликации ДНК in vitro *. Однако

позже был открыт мутант Е. coli, лишенный ДНК-полимеразы I, но спо-

собный синтезировать ДНК с нормальной скоростью. Оказалось, что для

репликации ДНК Е. coli необходимо участие нескольких ферментов.

ДНК-полимераза I не наделена способностью инициировать синтез цепей

ДНК de novo. Одним из хорошо изученных ферментов, участвующих

в стадии инициации репликации ДНК, является специфическая клеточная

РНК-полимераза, названная  п р а й м а з о й , которая катализирует синтез

короткого олигорибонуклеотида (от 10 до 60 нуклеотидов), т.е. праймера,

с которого затем начинается синтез ДНК. Праймазы различаются как по

структуре, так и по специфичности действия. Получены новые данные

о существенной роли  п р а й м а с о м ы в каталитическом действии фермента.

Праймасома представлена ансамблем из 7 различных субъединиц, вклю-

чающих около 20 полипептидов общей мол. массой 70000. При помощи

белка n' праймасома подвергается быстрому перемещению к отстающей

цепи ДНК за счет энергии, генерируемой АТФазной активностью белка n'.

В состав праймасомы входит также комплекс белков dna В и dna С,

который вблизи репликационной вилки периодически участвует в фор-

мировании специфической вторичной структуры ДНК, подходящей для

узнавания праймазой.

Основным ферментом, катализирующим биосинтез новообразованной

ДНК (точнее, стадию элонгации репликации ДНК), является ДНК-поли-

мераза III, представляющая собой мультимерный комплекс собственно

ДНК-полимеразы (мол. масса около 900000) и ряда других белков.

ДНК-полимераза III из Е. coli состоит минимум из 10 субъединиц. Одна из

них – β-субъединица получена в кристаллическом виде, и выяснена ее тре-

тичная структура. Имеются доказательства, что в димерной форме

* За выдающийся вклад в решение проблем биосинтеза ДНК и РНК А. Корнберг

и С. Очоа были удостоены Нобелевской премии в 1959 г.

479

ДНК-полимераза III катализирует сопряженный синтез ведущей (лиди-

рующей) и отстающей цепей ДНК при репликации (см. далее). Более точно

выяснена также роль ДНК-полимеразы I: она катализирует отщепление

затравочного олигорибонуклеотидного праймера и заполнение образу-

ющихся после этого пробелов (ниш) дезоксирибонуклеотидами. Известно,

что ДНК-полимеразы II из Е. coli (мол. масса 88000) выполняет «ре-

монтные» функции, исправляя повреждения цепей ДНК. Укажем также, что

ДНК-полимераза I в качестве матрицы использует одноцепочечные участ-

ки, в то время как ДНК-полимераза III – двухцепочечные ДНК, в которых

имеются короткие одноцепочечные последовательности.

Важную функцию соединения двух цепей ДНК или замыкания двух

концов одной цепи ДНК в процессе репликации либо репарации ДНК

выполняет особый фермент – ДНК-лигаза, катализирующая за счет энер-

гии АТФ образование фосфодиэфирной связи между 3'-ОН-группой де-

зоксирибозы одной цепи и 5'-фосфатной группой другой цепи ДНК.

Функцию раскручивания (расплетения) двойной спирали ДНК в репли-

кационной вилке, происходящего за счет энергии гидролиза АТФ, вы-

полняет специфический rep-белок, названный  х е л и к а з о й (мол. масса

300000). Образовавшиеся на определенное время одноцепочечные участки

ДНК служат в качестве матрицы при репликации и стабилизируются при

помощи особых белков, связывающихся с одноцепочечной ДНК (ДНК-

связывающие белки) и препятствующих обратному комплементарному

взаимодействию цепей ДНК (мол. масса 75600). В связи с этим их иногда

называют дестабилизирующими двойную спираль белками. Имеются, кро-

ме того, особые ферменты  т о п о и з о м е р а з ы (у прокариот одна из них

названа ДНК-гиразой), которые играют особую роль в сверхспирализации,

обеспечивая как репликацию, так и транскрипцию ДНК. Эти ферменты

наделены способностью не только создавать супервитки, но и уничтожать

суперспирализацию путем сшивания образующихся разрывов или раз-

резания ДНК. Наконец, открыты специальные ферменты, «редактиру-

ющие» ДНК, т.е. осуществляющие вырезание и удаление ошибочно вклю-

ченных нуклеотидов или репарирующие повреждения ДНК, вызванные

физическими или химическими факторами (рентгеновское излучение, УФ-

лучи, химический мутагенез и др.).

Из клеток животных выделено несколько ДНК-полимераз, и в разных

лабораториях они получили различные наименования.

К настоящему времени у эукариот, как и у бактерий (см. ранее),

открыто несколько ДНК-полимераз. В репликации ДНК эукариот

участвуют два главных типа полимераз – α и δ. Показано, что ДНК-

п о л и м е р а з а α состоит из 4 субъединиц и является идентичной по

структуре и свойствам во всех клетках млекопитающих, причем одна из

субъединиц оказалась наделенной праймазной активностью. Самая крупная

субъединица ДНК-полимеразы а (мол. масса 180000) катализирует реак-

цию полимеризации, преимущественно синтез отстающей цепи ДНК, яв-

ляясь составной частью праймасомы. ДНК-полимераза δ состоит из

2 субъединиц и преимущественно катализирует синтез ведущей цепи ДНК

(см. далее). Открыта также ДНК-полимераза ε, которая в ряде случаев

заменяет δ-фермент, в частности при репарации ДНК (исправление на-

рушений ДНК, вызванных ошибками репликации или повреждающими

агентами). Следует отметить, что в эукариотических клетках открыты два

белковых фактора репликации, обозначаемых RFA и RFC. Фактор репли-

кации А выполняет функцию белка – связывание одноцепочечной ДНК

(наподобие белковых факторов связывания разъединенных цепей ДНК при

480