Биосинтез нуклеиновых кислот (биосинтез ДНК)

Во время деления клетки содержание ДНК должно удвоиться (реплицироваться). Репликация происходит полуконсервативным способом. Две исходные цепи, называемые родительскими, отделяются друг от друга: каждая служит матрицей для синтеза новой цепи, каждая новая двойная спираль содержит одну старую и одну новую цепь.

В основе образования новой цепи лежит принцип комплементарности оснований (Г с Ц и А с Т), так что последовательность оснований в родительской цепи однозначно определяет последовательность оснований в новой – дочерней – цепи.

Поскольку в ДНК пары оснований образуют водородные связи, синтез новых цепей может произойти только при расхождении цепей, что делает основания доступными для взаимодействия с комплементарными основаниями. Раскручивание или расплетание цепей осуществляется под действием фермента ДНК-геликазы. Цепи расходятся в определенной точке, называемой точкой начала репликации.

У прокариот образуются две репликативные вилки, которые движутся в противоположных направлениях. ДНК синтезируются со скоростью 500 пар оснований в секунду. Две вилки встречаются на противоположной стороне кольцевой хромосомы.

У эукариот синтез ДНК в репликативной вилке идет со скоростью 50 пар оснований в секунду, но начинается одновременно во многих точках (их, вероятно, более тысячи).

Цепи ДНК инициируются при помощи РНК. Специальная РНК-полимераза (праймаза) синтезирует небольшой участок РНК-праймера (затравочный олигонуклеотид, праймер) со свободной группой у С-3^/ рибозы. Затем подключается ДНК-полимераза и продолжает наращивать цепь. Синтез ДНК всегда протекает в направлении 5^/ ® 3^/ растущей цепи. Это означает, что растущая цепь элонгирует (наращивается) в направлении 5^/ ® 3^/; нуклеотиды добавляются к свободному 3^/-ОН-концу предшествующего нуклеотида. Синтез цепей в обратном направлении не происходит, поэтому синтезируемые цепи в каждой репликативной вилке должны расти в противоположных направлениях (рис. 19).

Рис. 19. Основные этапы репликации ДНК

 

При биосинтезе к цепям ДНК последовательно присоединяются ДНК-раскручивающие и ДНК-связывающие белки, а затем комплексы ДНК-полимераз и праймаз.

Синтез одной цепи (ведущей, лидирующей) происходит непрерывно, а другой (отстающей, запаздывающей) – импульсами (фрагментами Оказаки). Рост отстающей цепи идет то же от 5^/ ® 3^/, но в направлении, противоположном репликационной вилке. По мере движения репликативной вилки концы соседних фрагментов Оказаки соединяются при помощи ДНК-лигаз с образованием непрерывной отстающей цепи.

Этапы синтеза ДНК. Синтез ДНК может быть подразделен на три этапа: инициацию (начало синтеза), элонгацию (продолжение) и терминацию (завершение, прекращение синтеза). Каждый из этапов требует участия специфических ферментов и белковых факторов.

Инициация – первый этап в биосинтезе ДНК, является началом синтеза дочерних нуклеотидных цепей. В инициации участвуют минимум восемь различных ферментов и белков. Участок молекулы ДНК, в котором начинается репликация, называется репликатором, или областью начала репликации. Молекула ДНК, способная к автономной репликации, называется репликоном.

Раскручивание или расплетание цепей осуществляется под действием фермента ДНК-геликазы. В точке начала репликации образуется репликативная вилка.

Первоначально происходит ферментативный биосинтез на матрице ДНК необычного затравочного олигорибонуклеотида (праймера) со свободной группой у С-3^/ рибозы. При инициации к цепям ДНК последовательно присоединяются ДКН-раскручивающие и ДНК-связывающие белки, а затем комплексы ДНК-полимераз и праймаз.

Элонгация – второй этап синтеза ДНК. Включает в себя синтез лидирующей и отстающей цепей. Синтез лидирующей цепи начинается у точки начала репликации. После синтеза праймера к нему присоединяются дезоксирибонуклеотиды под действием ДНК-полимеразы, далее синтез протекает непрерывно, следуя шагу репликационной вилки. Синтез отстающей цепи протекает в направлении, обратном движению репликационной вилки и начинается фрагментарно. Фрагменты Оказаки каждый раз синтезируются раздельно, начиная с синтеза праймера, который может переноситься с готового фрагмента при помощи одного из белковых факторов репликации в точку старта биосинтеза последующего фрагмента противоположно направлению синтеза фрагментов. Элонгация завершается отделением праймеров, объединением отдельных фрагментов ДНК при помощи ДНК-лигаз и формированием дочерней цепи ДНК.

Терминация – третий этап синтеза ДНК. Наступает, когда исчерпана ДНК-матрица и трансферазные реакции прекращаются. По завершении репликации образуются две молекулы двухспиральной ДНК, каждая из которых содержит одну материнскую и одну дочернюю, вновь синтезированную цепь. В результате митоза они поступают в дочерние клетки. Репликация обеспечивает воспроизведение генотипа в новых поколениях.

 

Распад нуклеиновых кислот

Полимерные молекулы нуклеиновых кислот расщепляются в тканях преимущественно гидролитическим путем при участии специфических ферментов, относящихся к нуклеазам. Различают эндонуклеазы, разрывающие внутренние межнуклеотидные связи в молекулах ДНК и РНК, вызывающие деполимеризацию нуклеиновых кислот с образованием олигонуклеотидов, и экзонуклеазы, катализирующие гидролитическое отщепление концевых мононуклеотидов от ДНК и РНК или олигонуклеотидов. Имеются также ферменты, катализирующие распад нуклеиновых кислот, например, посредством трансферазной реакции.

Известно несколько групп нуклеаз. Дезоксирибонуклеазы I катализируют разрыв внутренних фосфодиэфирных связей в одной из двух цепей молекулы ДНК между
3^/-м углеродным атомом дезоксирибозы и остатком фосфата с образованием низкомолекулярных олигодезоксирибонуклеотидов.

Дезоксирибонуклеазы II вызывают деполимеризацию молекулы ДНК в результате парных разрывов фосфодиэфирных связей обеих цепей ДНК с образованием более крупных олигодезоксирибонуклеотидов.

Рестриктазы – ферменты ДНК-азного типа действия – катализируют распад чужеродной (в основном фаговой) ДНК в строго определенных участках молекулы. Рестриктазы оказывают строго специфическое действие, поэтому они используются для расшифровки последовательности нуклеотидных остатков в ДНК фагов и вирусов и находят широкое применение в генетической инженерии при создании рекомбинантных геномов.

Распад пуриновых нуклеозидов. Образовавшиеся при гидролизе пуриновые нуклеозиды – аденозин и гуанозин – подвергаются ферментативному распаду в организме животных. Распад активно протекает в печени, почках, слизистой кишечника. Конечным продуктом пуринового обмена у человека, приматов, большинства животных является мочевая кислота.

У части рептилий и некоторых млекопитающих мочевая кислота расщепляется до аллонтаина и у рыб – до аллантоиновой кислоты и мочевины.

 

 

Распад пиримидиновых нуклеозидов. Распад пиримидиновых нуклеотидов начинается с превращения нуклеотидов в нуклеозиды, а затем в свободные азотистые основания – урацил и тимин. Распад тимина и урацила приводят к образованию b-аланина и b-аминоизомасляной кислоты. Конечными продуктами реакции распада являются также СО₂, NH₃, мочевина.

 

Вопросы и задачи

1. Какие ферменты участвуют в гидролизе нуклеиновых кислот?

2. С какого соединения начинается пуриновый цикл?

3. Напишите реакции синтеза пуриновых нуклеотидов.

4. Какое соединение образуется на первой стадии синтеза пиримидиновых нуклеотидов?

5. Что необходимо для превращения GDP в GTP?

6. Репликация ДНК происходит полуконсервативным способом. Что это означает?

7. Какие ферменты участвуют в синтезе ДНК?

Рекомендуемая литература

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия: Учебник. – М.: Медицина, 1998. – 704 с.

2. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та: Сиб. унив. изд-во, 2002. – 459 с.

3. Коничев А.С. Молекулярная биология: Учеб. для студ. пед. вузов / А.С. Коничев, Г.А. Севастьянова. – М.: Изд. центр «Академия», 2003. – 400 с.

4. Комов В.П. Биохимия. – М.: Дрофа, 2004. – 640 с.

5. Сингер М., Берг П. Гены и геномы: В 2 т.– Т.1. – Пер. с англ. – М.: Мир, 1998. – 373с.

6. Филлипович Ю.Б. Основы биохимии: Учебник для хим. и биол. спец. ун-тов и ин-тов. – М.: Изд-во «Агар», 1999. – 512 с.

7. Чиркин А.А. Практикум по биохимии: Учеб. пособие. – Мн.: Новое издание, 2002. – 512 с.

8. Эллиот В. Биохимия и молекулярная биология / В. Эллиот, Д. Эллиот; Под ред. А.И.Арчакова, М.П. Кирпичникова, А.Е. Медведева, В.П. Скулачева. – Пер. с англ. О.В. Добрыниной, И.С. Севериной, Е.Д. Скоцеляс и др. – М.: МАИК «Наука / Интерпериодика», 2002. – 446 с.

ГЛАВА 11. ОБМЕН БЕЛКОВ

Обмен белков – один из главных обменных процессов организма, обеспечивающий непрерывность воспроизводства и обновления белков.

Направление и интенсивность обмена белков определяются множеством факторов, как экзогенных (окружающая среда, характер питания и др.), так и эндогенных (физиологическое состояние, ферментная оснащенность и др.).

Более интенсивно обмен белков протекает в детском возрасте, при активной мышечной работе, беременности, лактации. На белковый обмен оказывает влияние количественный и качественный состав пищи. При недостаточном поступлении белков с пищей происходит распад собственных белков ряда тканей с образованием свободных аминокислот, обеспечивающих синтез необходимых ферментов, гормонов и других биологически активных соединений.

Для организма человека большое значение имеет биологическая ценность белков. Биологическая ценность белков зависит от степени его усвоения организмом, что определяется соответствием между аминокислотным составом потребляемого белка и аминокислотным составом белков организма.

Отсутствие и недостаток хотя бы одной какой-либо аминокислоты может стать лимитирующим фактором синтеза всех белков в организме человека и животных. Растения, напротив, способны синтезировать все необходимые для белкового синтеза аминокислоты. Микроорганизмы обладают разной способностью синтезировать аминокислоты.

Пути распада белков

Белки животного и растительного происхождения в пищеварительном тракте гидролизуются до стадии получения свободных аминокислот, или пептидов небольшого размера. Около 95-97% белков пищи всасывается в виде свободных аминокислот. Из полученных свободных аминокислот происходит синтез белков, специфичных для данного вида.

Гидролиз происходит под влиянием протеолитических ферментов (протеиназ/пептидаз), которые катализируют гидролитический разрыв пептидных связей (-СО-NН-) молекул белка. Протеолитические ферменты секретируются железами, расположенными в слизистой оболочке различных участков пищеварительного тракта и поджелудочной железы. Известны две группы пептидаз: 1) экзопептидазы, катализирующие разрыв концевой пептидной связи с освобождением одной какой-либо аминокислоты; 2) эндопептидазы, гидролизующие пептидные связи внутри полипептидной цепи.

Процесс переваривания белков начинается на уровне желудка. Желудочный сок (рН 1,5-2,5) содержит пепсин, который вырабатывается в главных клетках слизистой оболочки желудка в неактивной форме (пепсиноген). Превращение пепсиногена в пепсин происходит, по-видимому, в присутствии соляной кислоты, вырабатываемой обкладочными клетками слизистой оболочки желудка.

В желудочном соке детей грудного возраста и новорожденных телят содержится фермент реннин (химозин). Ренин вызывает свертывание молока и активен при рН 4,5-5,0, что соответствует рН желудочного сока новорожденных.

Основные процессы переваривания и всасывания белков происходят в тонком кишечнике (рН 7,2-7,8). Сок поджелудочной железы богат проферментами экзо- и эндопептидаз, которые активируются при их поступлении в просвет кишечника. Поджелудочная железа продуцирует такие ферменты, как трипсин, химотрипсин, карбоксипептидазы, аминопептидазы, дипептидазы, эластаза, коллагеназа.

Трипсин – эндопептидаза, вырабатывается в виде трипсиногена. Под влиянием энтеропептидазы 12-перстной кишки трипсиноген превращается в трипсин, активный при рН= 8. Трипсин расщепляет в молекулах белка примерно 1/3 пептидных связей, образованных основными аминокислотами – лизином и аргинином.

Химотрипсин – эндопептидаза поджелудочной железы, также вырабатывается в виде неактивного предшественника – химотрипсиногена. Под влиянием трипсина химотрипсиноген превращается в активный химотрипсин, который гидролизует около 50% пептидных связей остатков ароматических и гидрофобных аминокислот. В поджелудочной железе синтезируется ряд химотрипсинов (a-, b- и p- химотрипсины), различающихся как физико-химическими свойствами, так и ферментативной активностью.

Эластаза – эндопептидаза синтезируется в виде проэластазы; превращается в эластазу под действием трипсина. Эластаза имеет широкую специфичность и активнее гидролизует пептидные связи, образованные аминокислотами с небольшими гидрофобными радикалами, такими как глицин, аланин, серин. Название фермент получил от субстрата эластина, который он гидролизует.

Коллагеназа вырабатывается поджелудочной железой и гидролизует пептидные связи коллагена костной и хрящевой ткани. По строению и свойствам блика к эластазе и a-химотрипсину.

Среди экзопептидаз – карбоксипептидазы синтезируются в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидазы и активируются трипсином в кишечнике; аминопептидазы секретируются в клетках слизистой оболочке кишечника и также активизируются трипсином.

Карбоксипептидазы разрывают пептидные связи белковых молекул со стороны свободной (концевой) карбоксильной группы, причем радикалом для этого концевого аминокислотного остатка должна служить объемная ароматическая или алифатическая группа.

Аминопептидазы расщепляют пептидные связи полипептидных цепей со стороны свободных (концевых) аминогрупп. Аминопептидазы активнее действуют на белки и пептиды, в которых радикалы концевого аминокислотного остатка представлены аланином или лейцином.

Процесс переваривания белков завершают трипептидазы и дипептидазы, действие которых приводит к получению отдельных аминокислот из трипептидов и дипептидов соответственно.

Аминокислоты, продукты гидролиза белков, всасываются в тонком кишечнике. Под действием микрофлоры кишечника невсосавшиеся аминокислоты подвергаются разнообразным превращениям (гниению, брожению) с образованием продуктов распада: СО₂, аммиака, водорода, азота, сероводорода и др. Образующиеся токсические вещества обезвреживаются защитными механизмами организма.