БІОСИНТЕЗ ТА КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ ТА ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

БІОСИНТЕЗ nТА КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ ТА ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ. ВИЗНАЧЕННЯ КІНЦЕВИХ nПРОДУКТІВ ЇХ ОБМІНУ. ПОРУШЕННЯ ОБМІНУ НУКЛЕОТИДІВ.

МОЛЕКУЛЯРНІ nМЕХАНІЗМИ РЕПЛІКАЦІЇ ДНК. ТРАНСКРИПЦІЯ – БІОСИНТЕЗ РНК.

БІОСИНТЕЗ БІЛКА В РИБОСОМАХ. nЕТАПИ ТА МЕХАНІЗМ ТРАНСЛЯЦІЇ, РЕГУЛЯЦІЯ ТРАНСЛЯЦІЇ.

СТРУКТУРНІ КОМПОНЕНТИ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Нуклеїнові кислоти – це високомолекулярні сполуки, що nскладаються із мономерних одиниць – нуклеотидів, і тому їх також називають полінуклеотидами n(табл. 1).

 

Таблиця n1. Компоненти нуклеотидів

 

Кожний нуклеотид містить три різних компоненти: азотисту nоснову (пуринову або піримідинову), пентозу і фосфорну кислоту (рис. 1.)

 

Рис. 1. Структура аденозинмононуклеотиду

Головні азотисті основи n– компоненти нуклеїнових кислот: пуринові – аденін (А) і гуанін (Г), nпіримідинові – урацил (У), цитозин (Ц), тимін (Т) (рис. 2).

Рис. 2. nБудова азотистих основ.

 

Крім зазначених вище основних п’яти азотистих основ (двох пуринових та трьох nпіримідинових), до складу деяких нуклеїнових кислот входять у відносно nнезначних кількостях додаткові (мінорні) азотисті основи та відповідні їм nмінорні нуклеотиди. Найбільша nкількість мінорних нуклеотидів зустрічається в молекулах транспортних РНК (тРНК) n— до 5 % загального нуклеотидного складу. До мінорних нуклеотидів належать nметильовані похідні звичайних азотистих основ, зокрема, 1-метиладенін, n2-метиладенін, 6-диметиладенін, 1-метилгуанін, 7-метилгуанін, 1-метилурацил, n5-оксиметилурацил, 3-метилцитозин тощо. ДНК людини містять значну кількість n5-метилцитозину, інформаційні РНК — N-метильовані похідні аденіну та гуаніну. Нуклеотидом незвичайної структури, що входить до складу тРНК, є псевдоуридин — нуклеотид (рис. 3), в якому nрибоза приєднана до урацилу в 5-му положенні, тобто не нітроген-карбоновим, а nкарбон-карбоновим зв’язком.

Такі основи у молекулах nнуклеїнових килот у багатьох випадках є специфічними сигналами, які відіграють nважливу роль у реалізації генетичної інформації чи забезпеченні її зберігання. Біологічні функції мінорних нуклеотидів до кінця не з’ясовані.

 

Рис. 3. Будова псевдоуридину.

 

Нуклеотиди nв складі ДНК містять вуглевод D-2-дезоксирибозу, а в РНК — D-рибозу (рис. 4). nОбидві пентози знаходяться у Р-фуранозній формі:

Рис. 4. nБудова пентоз: 1 – D-рибоза, 2 – D-2-дезоксирибоза.

 

Атоми карбону в пентозах nнумеруються цифрами зі штрихом, щоб відрізнити їх від атомів карбону в nазотистих основах. При з’єднанні рибози чи дезоксирибози з азотистою основою nутворюється нуклеозид (рис. 5).

Рис. 5. nСтруктура нуклеозиду.

Зв’язок між пентозою і nазотистою основою йде від першого атома карбону пентози до першого атома nнітрогену піримідину або дев’ятого атома нітрогену пурину. Зв’язок називається nглікозидним.

Нуклеотиди n– це фосфорні ефіри нуклеозидів. Зв’язок утворюється за рахунок взаємодії nфосфату з гідроксилом у положенні С-5′ пентози. При гідролізі нуклеїнових nкислот можуть утворюватися і нуклеозид-3′-монофосфати (рис. 6).

Рис. 6. nСтруктура нуклеозид-3′-монофосфату.

Залежно від будови пентози, нуклеотиди поділяють на nрибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотиди. Наявність залишків фосфорної кислоти в nскладі нуклеотидів надає їм кислотних влативостей, тому їх вважають кислотами, nяк і полімери – нуклеїнові кислоти.

Далі наведена nноменклатура нуклеозидів і нуклеотидів (табл. 2) і формули чотирьох головних nдезоксирибонуклеотидів (структурних одиниць ДНК) (рис. 7) і чотирьох головних nрибонуклеотидів (структурних одиниць РНК) (рис. 8).

Таблиця 2. Номенклатура нуклеозидів та нуклеотидів

 

Рис. 7. nБудова дезоксирибонуклеотидів.

Рис. 8. nБудова рибонуклеотидів.

 

В організмі, крім нуклеозидмонофосфатів, nзнаходяться нуклеозиддифосфати і нуклеозидтрифосфати.

У синтезі нуклеїнових кислот беруть участь саме nнуклеозидтрифосфати (рис. 9).

Рис. 9. nБудова аденозинтрифосфату.

Система АТФ-АДФ-АМФ відіграє особливу роль у біоенергетиці, nу всіх живих організмах АТФ виступає як депо для зберігання і перенесення nенергії (табл. 3). Аналогічно до АТФ, інші нуклеозидтрифосфати також містять nдва високоенергетичні зв’язки між фосфатними залишками і використовуються в nобміні речовин.

 

Таблиця 3. Функції нуклеотидів

 

Наприклад, ЦТФ має nвідношення до біосинтезу фосфоліпідів. УТФ використовується для синтезу і nвзаємоперетворень різних вуглеводів, ГТФ необхідний для синтезу білків. У склад nкоферментів НАД, НАДФ, ФАД, КоА, ФАФС входять аденілові нуклеотиди. Окрему nгрупу складають циклічні нуклеотиди, в яких фосфатний залишок утворює nскладноефірні зв’язки з 3′- і 5′-гідроксильними групами рибози (рис. 10):

Рис. 10. Будова циклічних нуклеотидів.

Циклічні nаденозинмонофосфат (цАМФ) і гуанозинмонофосфат (цГМФ) відіграють дуже важливу nроль в обміні речовин, через них реалізується регуляторна роль ряду гормонів. nцАМФ і цГМФ утворюються із АТФ і ГТФ під дією ферментів аденілатциклази і гуанілатциклази. nВідщеплення пірофосфату від нуклеозидтрифосфату призводить до замикання nшестичленного кільця. При розщепленні циклічних нуклеотидів під дією nфосфодіестерази утворюються відповідні нециклічні нуклеотиди — nнуклеозид-5′-монофосфати.

 

НУКЛЕОПРОТЕЇНИ

Нуклеопротеїни n— складні білки, комплекси нуклеїнових кислот з білками (табл. 4).

 

Таблиця 4. Складові компоненти нуклеопротеїнів

 

Залежно nвід типу нуклеїнової кислоти, нуклеопротеїни поділяються на nдезоксирибонуклеопротеїни та рибонуклеопротеїни.

Стійкість nнуклеопротеїнових комплексів забезпечується нековалентною взаємодією. Прикладом nспецифічної взаємодії можуть служити нуклеопротеїнові комплекси рРНК — nсубодиниці рибосом; неспецифічна електростатична взаємодія характерна для nхромосомних комплексів ДНК — хроматину з гістонами і комплексів ДНК-протаміни nголовок сперматозоїдів деяких тварин.

Нуклеопротеїни дисоціюють nна білки і нуклеїнові кислоти при дії агентів, що руйнують або ослабляють nнековалентні зв’язки:

1) підвищені концентрації солей або сечовини, що nзбільшують іонну силу розчину;

2)  іоногенні nповерхнево-активні речовини;

3)             nдеякі полярні органічні сполуки n(формамід і диметилформамід, nфенол тощо).

При утворенні нуклеопротеїнів відбуваються істотні конформаційні зміни нуклеїнових nкислот і, в деяких випадках, білків, що утворюють нуклеопротеїновий комплекс. Ці зміни істотніші у разі утворення nдезоксирибонуклеопротеїнів.

На відміну від одноланцюжкової nРНК, здатної утворювати вторинні і третинні структури за рахунок nантипаралельного комплементарного спарювання суміжних відрізків ланцюга, nдволанцюжкова ДНК такої можливості не має, в порівнянні з компактними глобулами nРНК.

Проте взаємодія ДНК з nбілками (гістонами і протамінами) за рахунок електростатичної взаємодії nприводить до утворення значно щільніше упакованих нуклеопротеїнових комплексів n— хроматину, що забезпечує компактне зберігання ДНК і, відповідно, спадкової nінформації у складі хромосом еукаріот. З іншого боку, велика конформаційна nрухливість РНК і її каталітичні властивості пов’язані з великою різноманітністю nрибонуклеопротеїнів, що виконують різні функції.

 

Дезоксирибонуклеопротеїни

Хроматин — комплекс ДНК з гістонами в клітинах еукаріот. n

За рахунок nелектростатичної взаємодії нитка ДНК здійснює подвійний оберт навколо октамеру nгістонного комплексу H2a, nH2b, H3 і H4, утворюючи нуклеосоми, сполучені nниткою ДНК. При приєднанні до комплексу гістону H1 шість нуклеосом утворюють кільцеподібний nкомплекс, в результаті відбувається конденсація хроматину з утворенням nфібрилярної структури, яка далі при приєднанні топоізомерази II і ряду допоміжних білків здатна nконденсуватися в гетерохроматин. ДНК, зв’язана в такому нуклеопротеїновому nкомплексі, не транскрибується.

Окремим важливим класом nдезоксирибонуклеопротеїнів є вірусні нуклеопротеїни.

Рибонуклеопротеїни

У клітинах в основному містяться такі типи рибонуклеопротеїнів (РНП):

1) Нуклеопротеїнові комплекси рибосомних nРНП (рРНП) — субодиниці рибосом — органел, на яких відбувається трансляція nмРНК. Рибосоми є агрегатами з двох різних рРНП-субодиниць.

2)  Малі nядерні рибонуклеопротеїни (мяРНП) — нуклеопротеїнові комплекси малих ядерних nРНК.

3)         nНуклеопротеїнові nкомплекси мРНК — матричні рибонуклеопротеїни (мРНП).

 

Травлення нуклеопротеїнів

У процесі травлення нуклеїнові кислоти їжі розпадаються до nнуклеотидів і нуклеозидів, які всмоктуються клітинами слизової кишечника.

Але наявність їх у їжі не nобов’язкова, оскільки майже всі клітини організму можуть синтезувати nнуклеотиди. Нуклеїнові кислоти гідролізуються під дією нуклеаз підшлункового nсоку (табл. 5).

 

Таблиця 5. Ферменти, які беруть участь у процесі nтравлення нуклеопротеїнів

 

Розрізняють nрибонуклеази (РНКази) і дезоксирибонуклеази (ДНКази). Продуктами гідролізу є оліго- nі мононуклеотиди. Фосфодіестерази слизової кишечника розщеплюють nолігонуклеотиди до мононуклеотидів. Вільні нуклеотиди гідролізуються кишковими nфосфатазами до нуклеозидів і фосфорної кислоти. Нуклеозиди абсорбуються і в nклітинах слизової кишечника можуть розщеплюватись до вільних азотистих основ.

Тканинні nнуклеази, нуклеотидази, нуклеозидази і нуклеозидфосфорилази поетапно nрозщеплюють клітині нуклеїнові кислоти до вільних азотистих основ, які nперетворюються далі у кінцеві продукти – сечову кислоту із пуринів та сечовину nі бета-амінокислоти із піримідинів.

 

БІОСИНТЕЗ nПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

Біосинтез пуринових нуклеотидів de novo

Дослідження сполук, що містять мічені ізотопи 14С і 15N, nдозволили виявити попередники нуклеотидів. Встановлено, що пуринове ядро nнуклеотидів (рис. 11) синтезується із атомів амінокислот гліцину, глутаміну, nаспартату, СО₂ і одновуглецевих груп, які також утворюються із nамінокислот і переносяться тетрагідрофолієвою кислотою.

Рис. 11. nПуринове кільце.

 

На рисунку 12 показано походження атомів, які nутворюють пуринове ядро.

Рис. 12. Походження атомів пуринового ядра.

 

Другий nкомпонент нуклеотидів — рибозофосфат — утворюється в пентозо-фосфатному циклі nіз глюкози. Пуринове кільце синтезується на рибозо-5-фосфаті шляхом поступового nнарощування атомів нітрогену і карбону і замикання кілець. Біосинтез пуринових nнуклеотидів у загальному однаковий як для ссавців, так і для птахів, дріжджів і nбактерій. Весь шлях біосинтезу включає 11 послідовних реакцій, у ході яких здійснюється nпоступове включення попередників нуклеотидів і нарощування циклічної структури, nщо завершується утворенням інозинової кислоти (табл. 6).

З останньої в наступних nреакціях утворюються аденілова і гуанілова кислоти.

Таблиця 6. Реакції, що призводять до утворення ІМФ

 

Першою реакцією на шляху nутворення пуринових нуклеотидів є утворення 5-фосфорибозил-1-пірофосфату (ФРПФ). nСубстратами цієї реакції є АТФ і рибозо-5-фосфат:

 

Утворений nфосфорибозилпірофосфат взаємодіє із глутаміном

 

На стадії 3 відбувається nреакція між рибозофосфатаміном та гліцином. Вона каталізується рибозофосфатгліцинамідсинтетазою. nНаслідком цієї реакції є гліцинамідрибонуклеотид. На утворення амідного зв’язку nвикористовується одна молекула АТФ:

Нарощування ланцюга nвідбувається в трансформілазній реакції, яка проходить між альфа-аміногрупою nзалишку гліцину та N-метилентетра-гідрофолієвою кислотою. Реакція nсупроводжується утворенням форміл-гліцинамідрибонуклеотиду (стадія 4):

У наступній реакції (5) nутворений амідний зв’язок рибонуклеотиду при наявності АТФ перетворюється в nамідинову групу. Продуктом цієї реакції є N-формілгліцинамідинрибонуклеотид:

Перетворення одержаного nпродукту призводить до формування циклічного імідазольного кільця n5-аміноімідазолрибонуклеотиду (6 реакція):

 

Подальші перетворення nцього напівпродукту супроводжуються формуванням 6-членного піримідинового nкільця, з’єднаного з імідазольним, тобто утворенням пуринового скелета. Цей nпроцес відбувається таким чином: спочатку в результаті карбоксилювання n5-аміноімідазолрибонуклеотиду утворюється 5-аміноімідазол-4-карбоксинуклеотид (7 nстадія):

 

У восьмій реакції nкарбоксильна група цього продукту реагує із NH₂ аспарагінової nкислоти з утворенням 5-аміноімідазол-4-ГЧ-сукциніл-арбоксиамідрибонуклеотиду. nЦя реакція вимагає енергії АТФ і здійснюється під впливом специфічної nсинтетази:

 

 

У наступній реакції nвуглецевий скелет аспарагінової кислоти відокремлюється у вигляді фумарової nкислоти й утворюється 5-аміноімідазол-4-карбоксиамідрибонуклеотид (реакція 9), nтобто із аспарагінової кислоти в пуринове кільце входить тільки атом азоту.

 

 

Останній атом вуглецю nпуринового кільця буде у вигляді формілу, що походить із nN 10-формілтетрагідрофолієвої кислоти (реакція 10).

 

 

Утворений n5-формілімідоімідазол-4-карбоксиамідрибонуклеотид зазнає дегідратації, циклізується nі перетворюється в пуриновий нуклеотид — інозинову кислоту (реакція 11).

 

 

Донором аміногрупи при nсинтезі АМФ служить аспартат, а для ГМФ — глутамін (рис. 13). Реакції nамінування вимагають затрати енергії; при синтезі АМФ використовується ГТФ, при nутворенні ГМФ — АТФ (табл. 7).

Розглянутий nшлях утворення пуринових нуклеотидів із простих ациклічних попередників nназивається синтезом de novo. На іншому шляху, названому запасним, nвикористовуються вільні пуринові основи, які утворюються при розпаді nнуклеїнових кислот чи нуклеотидів.

 

 

Таблиця 7. Синтез пуринових нуклеотидів із інозинової nкислоти

 

 

Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів

Біосинтез пуринових нуклеотидів nрегулюється за принципом зворотного зв’язку (рис. 13). Регуляторною є рання nреакція взаємодії 5-фосфорибозил-1-дифосфату з глутаміном. Активність ферменту nалостерично гальмується кінцевими продуктами ланцюга реакій — ІМФ, АМФ і ГМФ.

 

Рис. 13. nРеакції синтезу АМФ і ГМФ із інозинової кислоти. Пунктирними лініями позначено гальмування синтезу.

 

Другий регуляторний nмеханізм діє на пізніших стадіях. АМФ гальмує реакцію синтезу із ІМФ nаденіло-сукцинату, а ГМФ — ксантилової кислоти.

Таким чином, за цим nмеханізмом надлишок АМФ чи ГМФ пригнічує власний синтез із ІМФ, але не впливає nна синтез іншого нуклеотиду (табл. 8).

 

Таблиця 8. Регуляція синтезу nпуринових нуклеотидів

 

Біосинтез nпуринових нуклеотидів із азотистих основ

 

Розглянутий біосинтез пуринових нуклеотидів із простих nпопередників — синтез de novo — потребує значних витрат метаболічної енергії у формі макроергічних nзв’язків АТФ і ГТФ і відбувається не у всіх тканинах. Синтез пуринових nнуклеотидів de novo відбувається, головним чином, у печінці, а запасний шлях – у позапечінкових nтканинах, де економно повторно використовуються вільні пуринові основи. Зокрема nв еритроцитах, лейкоцитах, клітинах головного мозку відбувається утворення nнуклеотидів із “готових” вільних пуринових основ — аденіну, гуаніну та n6-оксипурину (гіпоксантину). Джерелом пуринових основ для такого синтезу є nпурини, які утворюються з нуклеотидів, синтезованих у печінці, та нуклеотидів, nякі постійно вивільняються в результаті катаболізму (гідролітичного nрозщеплення) нуклеїнових кислот і нуклеотидів власних тканин та таких, що nнадходять у складі харчових продуктів. Цей механізм більш швидкого біосинтезу nпуринових нуклеотидів шляхом повторного включення в метаболізм вільних nазотистих основ отримав назву “шлях реутилізації”.

Цей шлях включає реакції, nпід час яких основи аденін, гуанін чи гіпоксантин взаємодіють із n5-фосфорибозил-1-дифосфатом. Аденінфосфорибозил-транфераза каталізує утворення nАМФ:

Гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансфераза nкаталізує дві реакції

Перетворення пуринових nнуклеозидмонофосфатів у три фосфати каналізують специфічні кінази:

Ці реакції відбуваються в nцитоплазмі і відрізняються від синтезу АТФ у ході окиснювального фосфорилюваня.

 

КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

Розпад nпуринових нуклеотидів включає реакції відщеплення фосфатного залишку, рибози й nаміногрупи у вигляді аміаку, що призводить до утворення із АМФ гіпоксантину, а nіз ГМФ — ксантину (рис. 14).

 

Рис. 14. nКатаболізм пуринових нуклеотидів.

 

Фермент nксантиноксидаза каталізує окиснення гіпоксантину в ксантин і ксантину в сечову nкислоту (рис. 15):

Рис. 15. nРеакції окиснення гіпоксантину в сечову кислоту.

 

Сечова кислота є кінцевим продуктом розпаду пуринів у людей n(а також приматів, птахів, змій, ящірок) і виводиться з організму.

У більшості інших видів nтварин пуринове кільце розкривається під час подальшого окиснення сечової nкислоти з утворенням алантоїну. У риб і амфібій алантоїн розщеплюється далі до nалантоїнової кислоти чи сечовини. У птахів і деяких рептилій майже весь азот nамінокислот виводиться у вигляді сечової кислоти, оскільки вони не утворюють nсечовину. Ці реакції можуть служити ілюстрацією відмінностей обміну речовин у nрізних видів тварин. Примати у процесі еволюції втратили ферменти розщеплення nпуринового ядра.

І.Я. nГорбачевський запропонував теорію утворення сечової кислоти в організмі nссавців, обґрунтувавши положення, що сечова кислота є кінцевим продуктом nокислення пуринів як складових компонентів нуклеїнових кислот.

 

 

В організмі nлюдини щоденно утворюється 0,5-1г сечової кислоти, яка виводиться головним чином через nнирки. У нормі в людини з сечею виділяється 1,6 – 3,54 ммоль/добу n(270-600 мг/добу) сечової кислоти.

Метод визначення сечової кислоти в сечі грунтується на здатності nсечової кислоти відновлювати фосфорно-вольфрамовий реактив у nфосфорно-вольфрамову синю, інтенсивність забарвлення якої пропорційна вмісту nсечової кислоти. Кількість фосфорно-вольфрамової синьої визначається шляхом nтитрування червоною кров’яною сіллю. Остання окиснює фосфорно-вольфрамову синю nі синє забарвлення зникає.

Із сечею виділяються також проміжні продукти nпуринового обміну (20-50 мг на добу): ксантин, гіпоксантин та інші. Застосування деяких лікарських речовин (теобромін, nкофеїн), а також споживання значної кількості кави, какао, чаю призводять до nпояви в сечі метилпохідних пуринових основ.

Кліренс сечової кислоти характеризує об’єм крові, здатний очиститися в nнирках від сечової кислоти за 1 хв. У нормі цей показник дорівнює 9 мл/хв. У nнормі метаболізм уратів в нирках визначається 4 механізмами: клубочковою фільтрацією, nреабсорбцією, канальцевою секрецією та постканальцевою реабсорбцією. На відміну nвід нирок реабсорбція уратів у шлунково-кишковому тракті пасивна й залежить від nконцентрації уратів в nпросвіті кишечника .

 

ПОДАГРА

Подагра – це спадкова хвороба. У хворих на подагру виявлено nпідвищення активності фосфорибозил-пірофосфат-синтетази, недостатність nглюкозо-6-фосфатази, гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансферази (ГГФТ).

Сечова nкислота і її солі (урати) погано розчинні у воді. Навіть нормальна концентрація nсечової кислоти в крові (чоловіки — 0,24-0,50 ммоль/л, жінки — n0,16-0,40 ммоль/л) і у міжклітинній рідині наближується до межі nрозчинності. Тому незначне збільшення вмісту сечової кислоти в крові призводить nдо перенасичення розчину. Підвищення концентрації сечової кислоти в крові nназивається гіперурикемією.

Білки nплазми стабілізують перенасичений розчин сечової кислоти, але місцева дія nпевних факторів (розпад білків чи інших стабілізувальних чинників) призводить nдо кристалізації сечової кислоти і її солей у суглобах, хрящах, сечовивідних nшляхах.

Кристалізація nуратів у суглобах призводить до типової картини подагри. Хвороба nсупроводжується гострим запаленням суглобів, найчастіше дрібних (рис. 16).

 

Рис. 16. nПодагричний артрит.

 

Надлишок nуратів зумовлює утворення каменів у нирках (рис. n17).

Рис. 17. Камінці nу нирках при подагрі.

 

Утворенню nкристаликів сечової кислоти і відкладанню їх у тканинах сприяють зниження nмісцевого рН та травми.

На подагру частіше хворіють чоловіки (співвідношення nчоловіки/жінки становить 20:1). У чоловіків у нормі спостерігається більш nвисокий рівень сечової кислоти в плазмі крові. Пік захворюваності в чоловіків припадає nна вік 35–50 років, у жінок — 55–70 років, проте подагра може розвиватися і в більш молодому nвіці та спостерігається навіть у дітей.

З літературних джерел відомо, що в жінок репродуктивного віку високий nрівень естрогенів сприяє підтриманню в нормі ниркового кліренсу уратів. У nпостменопаузальному періоді рівень сечової кислоти в них такий самий, як і в nчоловіків відповідного віку, тому вивчення особливостей розвитку гіперурикемії nв даної категорії жінок набуває все більшої актуальності.

Незважаючи на те що подагра є одним із найдавніших захворювань людини, nчастота діагностичних помилок при її встановленні залишається дуже високою. nОскільки одним із проявів подагри є гіперурикемія, що виникає і при інших nпатологічних станах, ця патологія потребує детального вивчення.

 

Короткі історичні відомості

Вперше патологічний стан, що nнагадував подагру, був описаний Гіпократом у V ст. до н.е. Цей nдавньогрецький лікар та реформатор античної медицини називав дане захворювання n«хворобою багатих людей». Перший випадок сімейної подагри описав Сенека в І ст. до н.е., а в ІІІ nст. Гален подає перші відомості про тофуси. Термін «подагра» був запропонований nВільгардуеном у ХІІІ ст. З давніх часів відомі й інші назви подагри: «хвороба nкоролів» та «хвороба геніїв».

Англійський лікар Е. Orowan (1956) намагався пояснити розвиток подагри у nгеніїв, оскільки ще в давнину було відмічено, що на подагру хворіють великі nполководці та правителі, зокрема Олександр Македонський, Карл ХІІ, Петро І, а nтакож такі відомі особистості, як Мікеланджело, Рубенс, Рембрандт, Стендаль, nГалілей, Дарвін, Ньютон, Лейбніц, Ренуар… Загадковий зв’язок між досягненнями nгеніїв та подагрою пояснювали тим, що сечова кислота за своєю хімічною nструктурою близька до стимуляторів розумової діяльності кофеїну та теоброміну, nтому накопичення сечової кислоти в крові (гіперурикемія) сприяє покращенню nроботи мозку людини.

Класичний клінічний опис подагри здійснив у 1685 році англійський лікар Т. nSydenham у книзі «Трактат про подагру». Даючи характеристику больовому синдрому nпри даній патології, він порівняв ці відчуття з болями від зажиму в пресі.

Дані щодо поширеності подагри та nгіперурикемії суперечливі. Поширеність подагри в різних регіонах варіює в широких межах — від 0,01 % nдо 0,37 % і багато в чому пов’язана з особливостями харчування населення. nВисокий рівень захворюваності характерний для індустріально розвинутих країн, nпроте в них відзначається неоднакова частота подагри в популяції: 0,05% в nЯпонії; 0,15–0,17 % у Китаї; 0,65 % у Німеччині. Поширеність nгіперурикемії становить 5–12 % .

За даними інших науковців, поширеність подагри становить від 0,06 до 3 % nдорослого населення; поширеність гіперурикемії — від 2 до 20 %. При цьому nвиявлено регіони з найбільш високою частотою гіперурикемії — 60 % (Філіппіни, nНова Зеландія, острови Тихого океану) .

В Україні поширеність подагри становить 0,4 % дорослого населення, nпоширеність гіперурикемії — 15–20 %. У результаті епідеміологічного обстеження nшахтарів віком від 18 до 62 років, які проживають у східному регіоні України, подагру nдіагностовано у 2,3 %. Прогностично несприятливим вважається розвиток хвороби у nвіці до 30 років.

Виділяють три форми порушення пуринового обміну: 1) метаболічна nформа; 2) ниркова форма; 3) змішана форма. При метаболічній формі підвищується nсинтез сечової кислоти, оскільки в організм з їжею надходить велика кількість nсубстратів утворення пуринів. Первинна гіперпродукція пов’язана з дефектом nферментів. nВторинна гіперпродукція зумовлена підвищеним розпадом клітин при алкоголізмі, nгемобластозах, хронічному гемолізі. При нирковій формі зменшена екскреція nсечової кислоти пов’язана з порушеною канальцевою реабсорбцією. Дефекти nекскреції можуть бути зумовлені порушенням функції нирок, зменшенням об’єму nпозаклітинної рідини, дією алкоголю та лікарських засобів, артеріальною nгіпертензією. При змішаній формі одночасно підвищується синтез сечової кислоти nта знижується її екскреція.

За типом порушення обміну nсечової кислоти та пуринів подагра класифікується таким чином: 1) первинне nпорушення обміну сечової кислоти та пуринів (нормальна екскреція сечової nкислоти відзначається в 80–90% випадків первинної подагри; підвищена екскреція n— 10–20 %; ідіопатична подагра становить 99 % первинної подагри); 2) вторинне nпорушення обміну сечової кислоти та пуринів (дефіцит глюкозо-6-фосфатази — nхвороба Гірке; хронічний гемоліз, лімфопроліферативні захворювання); 3) nнирковий механізм порушення (ендогенні метаболіти, хронічна ниркова nнедостатність, тривалий прийом медикаментів) .

Гіперурикемія nможе бути спадкова, що проявляється у вигляді подагри або хвороби Леш-Ніхана n(це так звані первинні гіперурикемїї), і набута (вторинна).

На nсьогодні в літературі існує велика кількість наукових джерел, присвячених nвивченню гіперурикемії, зокрема, існує взаємозв’язок між рівнем сечової кислоти nта розвитком метаболічного синдрому, ожирінням, інсулінорезистентністю, nартеріальною гіпертензією, прийомом діуретиків і низьких доз ацетилсаліцилової nкислоти, надлишковим уживанням алкоголю, літнім віком та нирковою недостатністю n(табл. 9).

Надмірне nнадходження в організм продуктів, що містять багато пуринів (кава, чай, nзалозисті тканини, дріжджі), викликає аліментарну гіперурикемію.

 

Таблиця 9. Причини змін концентрації сечової кислоти

у крові та сечі

 

При гіперурикемії nпідвищується концентрація сечової кислоти в синовіальній рідині, виникає її nкристалізація та проникнення в хрящ і синовіальну оболонку, де сечова кислота nвідкладається у вигляді голкових кристалів сечокислого натрію. Синовіальні nклітини продукують цитокіни (інтерлейкін-1, -6, -8, фактор некрозу пухлини). nІмуноглобуліни та компоненти комплементу обволікають урати, стимулюючи nфагоцитарну активність нейтрофілів. Кристали пошкоджують нейтрофіли, а nлізосомальні ферменти, що виділяються в синовіальну порожнину, сприяють nрозвитку запалення.

Безсимптомна гіперурикемія — стан, що супроводжується nпідвищенням рівня сечової кислоти в крові за відсутності симптомів організації nкристалів у будь-якому органі (без ознак подагри). Результати  досліджень засвідчують, що в кожного шостого nчоловіка та кожної третьої жінки при гіперурикемії (сечова кислота в межах n7–7,9 мг%) розвивалась подагра, а при гіперурикемії понад 8 мг% частота nрозвитку подагри у чоловіків досягала 36,7 % .

 

Клініка та діагностика подагри

Гострий nподагричний артрит найчастіше розпочинається з ураження одного або декількох nсуглобів нижніх кінцівок переважно першого плюснефалангового, nсередньотарзальних або колінних суглобів. Найчастіше в ранкову пору виникає біль, набряк, які з nчасом наростають і сягають піку протягом 24–48 годин. Больовий синдром при nподагричному артриті різко виражений (рис. 18).

 

Рис. 18. nВиражений артрит малих суглобів при подагрі.

 

Гостра полісуглобова форма подагри трапляється рідше, але характеризується nтяжкою клінічною картиною. Загострення хвороби часто супроводжується nпідвищенням температури тіла та лейкоцитозом, тому в цей період необхідно nпроводити диференціальну діагностику. Часті рецидивуючі гострі приступи nзумовлюють розвиток хронічної вузликової подагри.

Відкладання nуратів можливе під шкірою, при цьому утворюються подагричні вузлики — тофуси, nякі є нешкідливими, але спотворюють хворого (рис. 19).

Рис. 19. nПодагричні тофуси.

 

Тофуси nможуть з’являтися на завитку вуха, над ліктьовими та міжфаланговими суглобами, nнад остеоартритичними вузликами Гебердена або Бушара відповідно в дистальних і nпроксимальних міжфалангових суглобах, особливо в жінок літнього віку, внаслідок nвідкладення кристалів моноурату натрію.

Вузликова подагра при тяжкому перебігу призводить до nрозвитку ерозій та деструкції суглобів.

 

Лікування та профілактика подагри й nгіперурикемії

На сьогодні ще немає одностайної думки nекспертів про необхідність лікування «асимптомної» гіперурикемії або nбезтофусної подагри. Це знайшло відображення в останніх рекомендаціях nЄвропейської протиревматичної ліги (EULAR) щодо лікування подагри, де показаннями до nзниження рівня сечової кислоти в плазмі крові є рецидивуючі суглобові атаки, nнаявність артропатії, тофусів або типових рентгенографічних змін у кістках. nЛікування при гіперурикемії полягає у відновленні балансу між продукцією nсечової кислоти та її виведенням. Базисна терапія передбачає застосування nурикодепресивних і урикозуричних засобів, а в разі наявності уролітіазу — nуриколітичних препаратів. До нефармакологічних методів, які доповнюють, але не nзамінюють базисне лікування подагри, належать заходи щодо зменшення маси тіла, nдотримання низькопуринової дієти, обмеження вживання алкоголю (особливо пива та вина, які nмістять молібден, що є кофактором ксантиноксидази), фіто-, бальнео-, nфізіотерапія.

Відповідно до nрекомендацій EULAR алопуринол є основним урикодепресивним препаратом для зниження рівня nсечової кислоти при хронічній гіперурикемії (рис. 20). nЦей препарат структурний аналог гіпоксантину, що є конкурентним nінгібітором ксантиноксидази.

 

Рис. 20. nАлопуринол.

Прийом алопуринолу викликає зниження рівня сечової кислоти в крові й сечі. Алопуринол, інгібуючи ксантиноксидазу, пригнічує утворення сечової nкислоти. За цих умов збільшується утворення ксантину і гіпоксантину, які мають nкращу розчинність і виводяться з сечею.

Фебуксостат — новий непуриновий антагоніст ксантиноксидази, що застосовують nдля зниження рівня сечової кислоти. Його ефективність порівнюють з nалопуринолом. Вважають, що фебуксостат може бути корисним пацієнтам із nхронічною нирковою недостатністю, у яких утримується підвищений рівень сечової nкислоти, оскільки він переважно виділяється печінкою.

Приблизно в 60 % пацієнтів, які перенесли приступ подагри, протягом 12 nмісяців розвивається рецидив захворювання, тому в міжприступний період пацієнти nповинні особливу увагу приділити дієтичному харчуванню, зокрема, обмежити споживання nчервоного м’яса та морепродуктів, алкогольних напоїв, збільшити вживання nмолочних продуктів. У багатьох хворих заміна діуретиків іншими гіпотензивними nпрепаратами дозволяє знизити рівень гіперурикемії.

Сприяють розчинності nуратів солі літію та препарат антуран.

При подагрі із дієти nвиключають продукти з високим вмістом нуклеотидів, наприклад печінку, а також nчай і каву, що містять пурини теобромін і кофеїн. Мало пуринів містять молоко, nсир, яйця.

Літературні дані свідчать nпро те, що є ще дуже багато аспектів даної проблеми, які на сьогодні не nдосліджено.

 

СИНДРОМ ЛЕШ-НІХАНА

Синоніми синдрому Леш-Ніхана:

·                     nДефіцит nгіпоксантингуанінфосфорибозілтрансферази

·                     nПервинна Х–зчеплена гіперурікемія

 

Діагностичні критерії

Синдром nЛеш–Ніхана обумовлений порушенням метаболізму пуринових основ в результаті nгенетично обумовленого дефіциту ферменту nгіпоксантин-гуанінфосфорибозілтрансферази (ГФРТ).

ГФРТ здійснює nперетворення пуринових основ – гуаніну і гіпоксантину в відповідні мононуклеотиди- nІМФ і ГМФ при участі 5-фосфорибозил-1-пірофосфату (рис. 21).

Ці реакції вважаються nальтернативними шляхами метаболізму для гіпоксантину і гуаніну, що приводить до nутворення сечової кислоти, кінцевого продукту пуринового обміну, яка надалі nвиділяється незміненою з сечею.

Субстрати і продукти nреакції є регуляторами інших ферментів пуринового обміну, отже ГФРТ nбагатоступінчато впливає на пуриновий метаболізм.

 

Рис. 21. nСхема метаболізму пуринових нуклеотидів.

 

Повну втрату nактивності гена ГФРТ зазвичай знаходять у хлопчиків з виразним синдромом nЛеш-Ніхана (рис. 22), хоча неврологічна симптоматика присутня приблизно в 20 % nпацієнтів з частковим дефіцитом гена ГФРТ.

В інших осіб з частковим nдефіцитом виявляють тільки гіперурикемію і подагру.

 

Рис. 22. Хлопчик із синдром Леш-Ніхана.

 

Крім того, внаслідок блокування запасного шляху синтезу ГМФ nі ІМФ зменшується їх вміст, а значить, сповільнюється гальмування біосинтезу nпуринових нуклеотидів de novo. Таким nчином, при відсутності ГГФТ у хворих підвищуються біосинтез і безперервний nпотік пуринів через ксантин до сечової кислоти.

Для дітей з таким генетичним дефектом характерні не тільки nподагричні симптоми, але й розумова відсталість, агресивність, часто спрямована nна самого себе (табл. 10).

Причини нейрофізіологічних порушень у дітей з хворобою nЛеш-Ніхана невідомі.

Нейрохімічні дослідження виявили наполовину знижений рівень дофаміну. Цей nспецифічний дефіцит в системі базальних ядер дофаміну може бути причиною розвитку поведінкових nпорушень. Ця зона мозку є високозалежною від активності ГФРТ в підтриманні nфункції синапсів і є регулятором пуринових нуклеотидів.

 

Таблиця 10. Сипмтоми синдрому Леш-Ніхана

 

У пацієнтів з дефіцитом ГФРТ також розвивається подагра. Це прямо пов’язано з активацією de novo nпуринового синтезу. Надлишок пуринів перетворюється в сечову кислоту. Наявний nчастковий дефект адренокортикальної 11ß-гідроксилази.

 

Клінічні ознаки

При народженні зріст нормальний, але після nдругого року життя одночасно з неврологічними змінами з’являється затримка nзросту. Може траплятись затримка кісткового віку, статевого розвитку, nмікроцефалія.

Неврологічна симптоматика. nПацієнти не розпізнаються клінічно, доки не з’являється неврологічна nсимптоматика. Помірна затримка моторного розвитку і гіпотонія стають помітними nприблизно з 4-6-місячного віку. Деякі діти мають вивих кульшових суглобів. Також виявляють неспецифічні nневрологічні ознаки, включаючи опістотонус (89%), клонус стоп (58%), виражену nдистонію (21%). Хоча самопошкодження є присутнє у всіх випадках, винятки nможливі. Середній вік прояву для аутоагресії з пошкодженнями є приблизно n2 роки, можлива широта розходжень (4 місяці – 4 роки). Самопошкодження nнайчастіше проявляються укусами губ, язика, пальців рук. Біль є відчутним, але nушкодженням можна перешкоджати фізичними обмеженнями. Інші порушення поведінки nвключають удари головою і підборіддям, які приводять до ушкоджень вух і носа, і nагресивну поведінку по відношенню до інших людей (кусання, биття, брикання, nщипання). Розумова відсталість nпроявляється інтелектуальним недорозвитком різного ступеню (IQ 40-80), але nописані випадки нормального інтелекту.

Самопошкоджуюча поведінка зустрічається не тільки при синдромі Леш-Ніхана, nале й при інших станах, які включають неспецифічну розумову відсталість, nаутизм, синдром Ретта, синдром Корнелії деЛанге, Туретта синдром, сімейну nдизавтономію, нейроакантоз і деякі психічні стани. Але кусання пальців та губ більш nхарактерне для синдрому Леш-Ніхана. Описані особи з станами, подібними за nклінічними ознаками до синдрому Леш-Ніхана, але без дефекту ферменту. Протилежно, в nудавано здорових пацієнтів з гематурією, епізодами олігурії і азотемії nзнаходять варіанти гена ГФРТ. Повідомлено про незвичайні варіанти з легкою nрозумовою відсталістю, спастичною ходою, ознаками пірамідальної недостатності, nзатримкою зросту, проксимальним розташуванням великого пальця.

Дослідження гена ГФРТ ферменту в фібробластах шкіри, лізаті волосяних стержнів чи nклонах лімфоцитів можна використати для ідентифікації гетерозиготних і nгемізиготних станів.

Підвищення співвідношення сечова кислота/креатинін в ранковій сечі в 2-5 nразів використовують як скринінг-тест для виявлення осіб з недиференційованими nневрологічними ознаками. Це співвідношення сечі є важливим для підтвердження nЛеш-Ніхана синдрому і інших гіперурикемічних станів.

Сироваткові урати підвищені, але не вище 10 % в nперіоді дитинства.

Синдром Леш-Ніхана є Х–зчепленим захворюванням, в більшій мірі обмеженим nчоловічою статтю.

Мутації гена є гетерогенні і можуть впливати на вираження ферменту, каталізуючи nактивність чи стабільність протеїну. Більшість виявлених мутацій (71 %) є міссенс, nнонсенс і фрамшіфт мутації, малі делеції і інсерції. Будь-яка виявлена мутація nпідтверджена в геномній ДНК ампліфікацією полімеразної ланцюгової реакції і nсеквенуванням екзона, в якому мутація розміщена.

 

БІОСИНТЕЗ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

Піримідинові нуклеотиди, як і пуринові, синтезуються із nпростих сполук, а саме з СО₂, глутаміну, аспартату і nрибозо-5-фосфату. Але у nцьому випадку спочатку утворюється шестичленне піримідинове кільце (рис. 23), а nпотім до нього приєднується рибозофосфат.

 

Рис. 23. nПіримідинове кільце.

 

Реакції біосинтезу піримідинових нуклеотидів

У першій реакції шляху nпід дією карбамоїлфосфатсинтетази II із амідної групи глутаміну, СО2 і АТФ nутворюється карбамоїлфосфат.

Фермент локалізований у цитоплазмі nклітин різних тканин. Карбамоїлфосфат утворюється як проміжний продукт і у nпроцесі біосинтезу сечовини під дією карбамоїлфосфатсинтетази І. Цей фермент nлокалізований тільки у мітохондріях печінки і використовує як субстрат вільний nаміак, а не глутамін. Карбамоїлфосфатсинтетаза II є регуляторним ферментом на nметаболічному шляху синтезу піримідинових нуклеотидів і активність її nгальмується кінцевим продуктом — уридинмонофосфатом (УМФ). На активність nкарбамоїлфосфатсинтетази І УМФ не впливає. Таким чином, особливості nвнутрішньоклітинного розподілу ферментів і регуляторних механізмів дозволяють nпроцесам синтезу сечовини і піримідинових нуклеотидів функціонувати незалежно і nпаралельно один одному, відповідно до потреб організму.

 

Утворення УМФ

1. Цитоплазматичний nкарбамоїлфосфат взаємодіє з аспартатом під дією аспартаткарбамоїлтрансферази. nАктивність цього ферменту регулюється ЦТФ за механізмом зворотного зв’язку в nпрокаріотів, але не у тварин.

 

2. Утворення nдигідрооротової кислоти в результаті дегідратації уреїдосукцинату (фермент —дигідрооротаза).

3. Утворення оротової nкислоти в результаті дегідрування дигідрооротату (фермент – НАД-залежна дигідрооротатдегідрогеназа).

 

4. Сполучення оротової кислоти з 5-фосфорибозил-1-пірофосфатом з утворенням nоротидилової кислоти (оротидин-5′-монофосфату, ОМФ); фермент, що каталізує nреакцію, — оротатфосфорибозилтрансфераза.

 

5. Декарбоксилювання nоротидилової кислоти до уридилової кислоти (уридин-5′-монофосфату, УМФ) — nфермент ОМФ-декарбоксилаза:

 

Утворення УДФ, УТФ та ЦТФ

Із nУМФ шляхом фосфорилювання утворюються УДФ і УТФ.

УМФ, що синтезувався, використовується для утворення інших піримідиннуклеотидів, зокрема піримідинових нуклеозидтрифосфатів (УТФ, ЦТФ) та дезоксирибонуклеозидтрифосфатів (дЦТФ, ТТФ), що використовуються в синтезі РНК і ДНК:

1.  Утворення УДФ та УТФ відбувається в результаті послідовного фосфорилювання УМФ нуклеозидмонофосфокіназами та нуклеозиддифосфокіназами (аналогічно розглянутому вище фосфорилюванню пуринових нуклеотидів):

2.  Утворення ЦТФ відбувається в результаті амінування УТФ — реакції, в якій беруть участь глутамін (донор аміногрупи) та АТФ:

 

Регуляція синтезу піримідинових нуклеотидів

Контроль швидкості біосинтезу піримідинових нуклеотидів забезпечується на рівні nдвох регуляторних ферментів (табл. 11):

1) карбамоїлфосфатсинтетази, яка забезпечує nпостачання біосинтетичного шляху одним із перших субстратів — карбамоїлфосфатом n(цей пункт регуляції є основним у вищих тварин (ссавців), включаючи організм nлюдини); алостеричним інгібітором ферменту є УТФ — кінцевий продукт nбіосинтетичного шляху; разом з тим, ФРПФ — інтермедіат пуринового синтезу — nзбільшує активність ферменту, що є одним з механізмів забезпечення nкоординованого синтезу пуринів та піримідинів;

2) аспартаткарбамоїлтрансферази, яка каталізує nсинтез уреїдоянтарної кислоти (цей механізм регуляції має місце переважно у E.Coli та інших бактерій); алостеричним nінгібітором ферменту є ЦТФ, активатором — АТФ.

 

Таблиця 11. Регуляторні ферменти nсинтезу піримідинових нуклеотидів

 

УТФ приєднує аміногрупу nвід глутаміну, перетворюючись у цитидинтрифосфат. Цю реакцію стимулює ГТФ. Крім nвказаного ланцюга реакцій, може мати місце пряме включення вільних nпіримідинових основ у склад нуклеотидів за аналогічним механізмом, як для nпуринових нуклеотидів.

Спадкове порушення синтезу піримідинів, відоме як nоротацидурія, характеризується утворенням надлишку оротової кислоти і nвиведенням її з сечею (табл. 12).

Кількість виведеної nоротової кислоти при цьому може сягати 1,0-1,5 г, що в 1000 разів більше, nніж у нормі.

Причиною є низька активність ферментів nоротат-фосфорибозилтрансферази і декарбоксилази, які каталізують дві останні nреакції синтезу УМФ.

Нестача nпіримідинових нуклеотидів буде сприяти підвищеному утворенню оротової кислоти, nоскільки не відбуватиметься гальмування синтезу піримідинів кінцевим продуктом. nСпостерігаються затримка росту і розумового розвитку дітей у ранньому віці, nмегалобластична анемія. Вказані порушення розвиваються внаслідок нестачі nпіримідинових нуклеотидів, необхідних для синтезу нуклеїнових кислот.

Таблиця 12. Причини та симптоми nоротацидурії

 

Прийом nуридину чи цитидину призводить до зниження утворення й екскреції оротової nкислоти, відновлює нормальний ріст і розвиток. Таке лікування повинно nпродовжуватись протягом усього життя людей із цим спадковим дефектом.

В таблиці 13 наведено відмінності біосинтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів:

 

Таблиця 13. Відмінності біосинтезу пуринових nі піримідинових нуклеотидів

 

КАТАБОЛІЗМ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

Розпад піримідинових nоснов, на відміну від пуринових, супроводжується розкриттям кільця (табл. 14).

 

Таблиця 14. Відмінності катаболізму nпуринових і піримідинових нуклеотидів

 

Цитозин (рис. 24) на nпершій стадії дезамінується, перетворюючись в урацил.

Рис. 24. nПіримідинова основа (цитозин).

 

Далі йде відновлення урацилу nв дигідроурацил, розщеплення кільця і гідроліз до СО₂, NH₃ nі бета-аланіну (рис. 25).

Розпад тиміну за таким же nмеханізмом призводить до утворення бета-аміноізомасляної кислоти.

Рис. 25. nМетаболізм піримідинових нуклеотидів.

 

Аміак і СО₂ nвикористовуються для синтезу сечовини. Бета-аланін може включатись у структуру nкоферменту А (рис. 26). Гама-аміноізомасляна кислота перетворюється через метилмалонову nкислоту в сукциніл-КоА.

 

Рис. 26. nПродукти катаболізму піримідинових нуклеотидів.

 

БІОСИНТЕЗ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДІВ

 

Біосинтез РНК різних nкласів вимагає наявності пуринових (АТФ, ГТФ) та піримідинових (ЦТФ, УТФ) nрибонуклеотидів, тоді як для біосинтезу генетичних ДНК необхідні nдезоксирибонуклеотиди пуринового — дАТФ, дГТФ — та піримідинового — дЦТФ, дТТФ n(ТТФ) ряду. Попередниками дезоксирибонуклеотидів у клітинах є рибонуклеотиди у nформі нуклеозиддифосфатів (НДФ) (переважно) та нуклеозидтрифосфатів (НТФ).

 

Механізм перетворення рибонуклеотидів nна дезоксирибонуклеотиди

Перетворення НДФ на nвідповідні дНДФ досягається шляхом відновлення гідроксильної групи при С-2′ nрибози з утворенням 2′-дезоксирибози. Донором відновлювальних еквівалентів у nцьому процесі є відновлений НАДФ (НАДФН + Н⁺):

Вказана реакція є nскладним біохімічним процесом, в якому беруть участь: низькомолекулярний (м.м. n– 12 кД) SH-вмісний білок тіоредоксин і два окислювально-відновлювальні nферменти — тіоредоксинредуктаза та рибонуклеотидредуктаза, шо складають в nсукупності електроно-транспортний ланцюг відновлення НДФ до дНДФ (рис. 27).

Рис. 27. Схема переносу nвідновлювальних еквівалентів від (НАДФН + Н⁺) на nрибонуклеозиддифосфати.

 

Процес відновлення НДФ до nдНДФ за рахунок протонів та електронів (НАДФН + Н+) складається з таких nреакцій:

1) переносу гідрогену від n(НАДФН + Н⁺) на ФАД флавінового ферменту тіоредоксинредуктази;

2) переносу гідрогену від nвідновленої тіоредоксинредуктази на SH-групи тіоредоксину;

3) переносу гідрогену від nвідновленого тіоредоксину на SH-групи рибонуклеотидредуктази;

4) переносу гідрогену від nвідновлених сульфгідрильних груп рибонуклеотидредуктази на НДФ з утворенням nдНДФ.

 

Утворення дАТФ, дГТФ та дУТФ

За розглянутим механізмом іде утворення пуринових nдезоксирибонуклеотидів:

АДФ → дАДФ

ГДФ → дГДФ

та піримідинового дезоксирибонуклеотиду дУДФ:

УДФ → дУДФ

дНДФ, які утворилися в цих реакціях, перетворюються nна відповідні дНТФ (попередники в біосинтезі ДНК) в реакціях, що каталізуються нуклеозиддифосфокіназами:

дАДФ + АТФ → дАТФ,

дГДФ + АТФ → дГТФ,

дУДФ + АТФ → дУТФ.

Але до складу ДНК входить не уридиловий нуклеотид, а тимідиловий.

Утворення тимідилових нуклеотидів

Біосинтез тимідилових nнуклеотидів, що також містять 2′-дезоксирибозу, починається з тимідилату n(тимідин-5′-монофосфату, дТМФ, ТМФ). Безпосереднім попередником дТМФ є дезоксиуридин-5′-монофосфат n(дУМФ), який утворюється з дезоксиуридин-5′-дифосфату (дУДФ) внаслідок його nдефосфорилювання:

 

Перетворення дУМФ на дТМФ n— заключний крок в утворенні нуклеотиду, що потрібний для біосинтезу ДНК — відбувається nшляхом метилювання дУМФ у такій реакції:

Процес каталізується nферментом тимідилатсинтазою, коферментом якої є N⁵,N¹⁰-метилен-Н4-фолат, nщо в результаті реакції окислюється до дигідрофолату. Подальше функціонування nфолату як коферменту вимагає регенерації тетрагідрофолату в реакції, що nкаталізується дигідрофолатредуктазою:

 

Н₂-фолат n+ НАДФН + Н⁺ → Н₄-фолат + НАДФ⁺.

 

Утворення тимідилових nнуклеозидди- і трифосфатів – дТДФ (ТДФ), дТТФ (ТТФ) відбувається за рахунок їх nфосфорилювання АТФ у кіназних реакціях:

дТМФ + АТФ → nдТДФ + АДФ,

дТДФ + АТФ → nдТТФ + АДФ.

Регуляція синтезу nдезоксирибонуклеотидів здійснюється на рівні ферменту рибонуклеотидредуктази, nактивність якої стимулюють АТФ, дТТФ і дГТФ, гальмує дАТФ. Регуляторні nмеханізми забезпечують біосинтез дезоксирибонуклеотидів у потрібних nспіввідношеннях для синтезу ДНК. Велика кількість дезоксирибонуклеотидів nсинтезується при розмноженні клітин, а в стані спокою процес сповільнюється. nРяд структурних аналогів піримідинів і пуринів, а також фолієвої кислоти є nінгібіторами синтезу дезоксирибонуклеотидів. Тим самим вони блокують реплікацію nДНК і поділ клітин.

Великою швидкістю nпроліферації вирізняються ракові клітини, тому інгібітори синтезу нуклеотидів nвикористовуються у хіміотерапії злоякісних пухлин. Зокрема, протипухлинну дію nпроявляють 5-фторурацил і 5-фтордезоксиуридин – інгібітори тимідилатсинтетази; nструктурні аналоги фолієвої кислоти аміноптерин і метотрексат – інгібітори nдигідрофолатредуктази.

 

Дезоксирибонуклеї́нова nкислота́ (ДНК) — один із двох типів природних нуклеїнових кислот, який забезпечує зберігання, nпередачу з покоління в покоління і реалізацію генетичної програми розвитку й nфункціонування живих організмів. Основна роль ДНК в клітинах — довготривале зберігання інформації про nструктуру РНК nі білків.

 

У клітинах еукаріотів (наприклад, тварин, рослин або грибів) nДНК знаходиться в ядрі клітини в складі хромосом, а також в деяких клітинних органелах (мітохондріях і пластидах). У клітинах прокаріотів (бактерій і архей) nкільцева або лінійна молекула ДНК, так званий нуклеоїд, знаходиться в цитоплазмі і прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У них і у нижчих еукаріот n(наприклад дріжджів) зустрічаються також невеликі автономні кільцеві nмолекули ДНК, так звані плазміди. Крім того, одно- або дволанцюжкові молекули ДНК nможуть утворювати геном nДНК-вірусів.

З хімічної точки зору, ДНК — це довга полімерна молекула, що складається з nпослідовності блоків — нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з nазотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи (або гомологічної арсеноїдної). Зв‘язки між нуклеотидами в ланцюжку утворюються за nрахунок дезоксирибози і фосфатної групи. У переважній більшості випадків (окрім деяких вірусів, що містять одноланцюжкові ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків, орієнтованих азотистими основами один проти одного. Ця дволанцюжкова молекула утворює спіраль. В цілому структура молекули ДНК отримала назву «подвійної спіралі».

У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ (аденін, гуанін, тимін nі цитозин) (виняток становлять випадки пізніших модифікацій нуклеотидів, наприклад метилювання). Азотисті основи одного з ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв‘язками згідно з принципом комплементарності: аденін з‘єднується тільки з тиміном, гуанін — тільки з цитозином. Послідовність нуклеотидів дозволяє «кодувати» інформацію про різні типи РНК, найважливішими з яких є nінформаційні, або матричні (мРНК), рибосомальні (рРНК) і транспортні (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються на матриці ДНК (тобто за рахунок копіювання послідовності ДНК у послідовність макромолекули, що синтезується) у процесі транскрипції і беруть участь у біосинтезі білків (процесах сплайсингу і nтрансляції). Крім кодуючих послідовностей, ДНК клітини містить послідовності, що виконують регуляторні і nструктурні функції. Ділянки кодуючої послідовності разом із регуляторними ділянками називаються генами.

 

 

 

Як виняток, наприклад, у бактеріофага PBS1, в ДНК зустрічається п‘ятий тип основ — урацил (U), піримідинова основа, що зазвичай входить до складу РНК замість тиміну і відрізняється від тиміну відсутністю метильної групи на кільці. Слід зазначити, що тимін і урацил не так строго приурочені до ДНК і РНК відповідно, як це вважалося раніше. Так, після синтезу деяких молекул РНК значне число урацилів у цих молекулах метилюєтся за допомогою спеціальних ферментів, перетворюючись на тимін. Це відбувається в транспортних і рибосомних РНК.

 

Нуклеотиди n— трикомпонентні сполуки, які побудовані з азотистої основи пуринового чи nпіримідинового ряду, залишків пентоз (рибози або дезоксирибози) та фосфату.

 

 

 

 

 

Хімічна структура подвійної спіралі ДНК.

Полімер ДНК має досить складну структуру. Нуклеотиди nковалентно сполучені між собою в довгі полінуклеотидні ланцюжки. Ці ланцюжки в переважній nбільшості випадків (окрім деяких вірусів, що мають одноланцюжковий ДНК-геном), nу свою чергу, попарно об’єднуються за допомогою водневих зв’язків у структуру, nщо отримала назву подвійної спіралі. Фосфатні групи формують фосфодіестерні зв’язки між третім і п’ятим nатомами вуглецю сусідніх молекул дезоксирибози, в результаті взаємодії між n3-гідроксильною (3 —ОН) групою однієї молекули дезоксирибози і 5-фосфатною nгрупою (5 —РО₃) іншої. Асиметричні кінці ланцюжка ДНК називаються 3′ n(три-прайм) і 5′ (п’ять-прайм). Полярність ланцюжка грає важливу роль при синтезі nДНК (подовження ланцюжка можливе тільки шляхом приєднання нових нуклеотидів до nвільного 3′ кінця).

Кожна основа на одному з ланцюжків зв’язується з nоднією певною основою на іншому ланцюжку. Таке специфічне зв’язування nназивається комплементарним. Пуринові основи комплементарні nпіримідиновим (тобто, здатні до утворення водневих зв’язків з ними): аденін nутворює зв’язки тільки з тиміном, а цитозин — з гуаніном. У подвійній nспіралі ланцюжки також зв’язані за допомогою гідрофобної взаємодії і стекінгу, які не залежать від послідовності основ ДНК.

 

 

Комплементарність подвійної спіралі означає, що інформація, що міститься в одному ланцюжку, міститься і в іншому ланцюжку. Оборотність і специфічність взаємодій між комплементарними парами основ важлива для реплікації ДНК і решти всіх функцій ДНК в живих організмах.

Оскільки водневі зв’язки нековалентні, вони легко розриваються і відновлюються. nЛанцюжки подвійної спіралі можуть розходитися як замок-змійка під дією nферментів (гелікази) або при високій температурі.

Різні пари основ утворюють різну кількість водневих зв’язків. A-T зв’язані nдвома, G-C — трьома водневими зв’язками, тому на розрив GC потрібно більше nенергії. Відсоток GC пар і довжина молекули ДНК визначають кількість енергії, nнеобхідної для дисоціації ланцюжків: довгі молекули ДНК з великим вмістом GC більш «тугоплавкі».

 

 

 

 

 

 

 

ДНК в клітині знаходиться в складі хроматину. Хроматин n– ДНК плюс різні білки

Гістони – основні білки хроматину. ДНК упаковується nзакручуючись в соленоїдну структуру

 

 

Будова хроматину.

 

РНК (рибонуклеїнова кислота) — клас нуклеїнових nкислот, nлінійних полімерів нуклеотидів, до складу яких входять залишок фосфорної nкислоти, рибоза (на відміну від ДНК, що містить дезоксирибозу) і азотисті основи — аденін, цитозин, гуанін і урацил (на відміну від ДНК, що містить замість урацила містить тимін). РНК містяться nголовним чином в цитоплазмі клітин. Ці молекули синтезуються в клітинах всіх клітинних nживих організмів, а також містяться в віроїдах та деяких вірусах. nОсновні функції РНК в клітинних організмах — шаблон для трансляції генетичної інформації в білки nта поставка відповідних амінокислот до рибосом. В вірусах є носієм генетичної інформації (кодує nбілки оболонки та ферменти вірусів). Віроїди складаються з кільцевої молекули РНК та не містять в nсобі інших молекул. Існує гіпотеза світу РНК, згідно з якою, РНК виникли nдо білків й були першими формами життя.

Клітинні РНК утворюються в ході процесу, що зветься nтранскрипцією, тобто синтезу РНК на матриці ДНК, що здійснюється спеціальними nферментами – РНК-полімерази. Потім матричні РНК (мРНК) беруть участь у процесі, nщо називається трансляцією. Трансляція – це синтез білка на матриці мРНК за nучастю рибосом. Інші РНК після транскрипції піддаються хімічним модифікаціям, і nпісля утворення вторинної та третинної структур виконують функції, що залежать nвід типу РНК.

Для одноланцюжкових РНК характерні різноманітні nпросторові структури, в яких частина нуклеотидів одного і того ж ланцюга nспарені між собою. Деякі високо структуровані РНК беруть участь у синтезі білка nклітини, наприклад, транспортні РНК служать для впізнавання кодонів та доставки nвідповідних амінокислот до місця синтезу білка, а матричні РНК служать nструктурною і каталітичною основою рибосом.

Однак функції РНК в сучасних клітинах не обмежуються nїх роллю в трансляції. Так малі ядерні РНК беруть участь у сплайсингу nеукаріотичних матричних РНК та інших процесах.

Крім того, що молекули РНК входять до складу деяких nферментів (наприклад, теломерази) у окремих РНК виявлена власна ензиматична nактивність, здатність вносити розриви в інші молекули РНК або, навпаки, n«склеювати» два РНК-фрагмента. Такі РНК називаються рибозимами. Геноми ряду nвірусів складаються з РНК, тобто у них вона відіграє роль, яку у вищих nорганізмів виконує ДНК. На підставі різноманітності функцій РНК в клітині була nвисунута гіпотеза, згідно з якою РНК – перша молекула, здатна до nсамовідтворення в добіологічних системах.

Нуклеотиди nРНК складаються з цукру – рибози, до якої в положенні 1 ‘приєднана одна з nоснов: аденін, гуанін, цитозин або урацил. Фосфатна група поєднує рибози в nланцюжок, утворюючи зв’язок з 3 ‘атомом вуглецю однієї рибози і атомом вуглецю nв 5’ положенні іншого. Фосфатні групи при фізіологічному рН негативно nзаряджені, тому РНК – поліаніон. РНК транскрибується як полімер чотирьох основ (аденіну (A), nгуаніну (G), урацилу (U) і цитозину (C)), але в «зрілої» РНК є багато nмодифікованих основ і nцукрів. Всього в РНК налічується близько 100 різних видів модифікованих nнуклеозидів, з яких 2′-О-метилрибоза nнайбільш часта модифікація цукру, а псевдоуридин – модифікована основа , що найбільш часто nзустрічається.

 У псевдоуридину (Ψ) зв’язок між урацилом nі рибозою не C – N, а C – C, цей нуклеотид зустрічається в різних положеннях у nмолекулах РНК. Зокрема, псевдоуридин важливий для функціонування тРНК. Інша nмодифікована основа – гіпоксантин, дезамінований гуанін, нуклеозид якого носить nназву інозину. Інозин відіграє важливу роль у забезпеченні виродженності nгенетичного коду. Роль багатьох інших модифікацій не до кінця вивчена, але в nрибосомальної РНК багато посттранскрипційних модифікацій знаходяться у важливих nдля функціонування рибосоми ділянках. Наприклад, на одному з рибонуклеотидів, nщо беруть участь в утворенні пептидного зв’язку.

 

Будова РНК на прикладі тетрануклеотиду,

що містить аденін(A), цитозин (C), гуанін(G) і урацил (U).

 

Особливості nбудови РНК

Нуклеотиди РНК nскладаються з цукру – рибози, до якої в положенні 1 ‘приєднана одна з основ: nаденін, гуанін, цитозин або урацил. Фосфатна група поєднує рибози в ланцюжок, nутворюючи зв’язок з 3 ‘атомом вуглецю однієї рибози і атомом вуглецю в 5’ nположенні іншого. Фосфатні групи при фізіологічному рН негативно nзаряджені, тому РНК – поліаніон. РНК транскрибується як полімер чотирьох основ (аденіну (A), nгуаніну (G), урацилу (U) і цитозину (C)), але в «зрілої» РНК є багато nмодифікованих основ і nцукрів. Всього в РНК налічується близько 100 різних видів модифікованих nнуклеозидів, з яких 2′-О-метилрибоза nнайбільш часта модифікація цукру, а псевдоуридин – модифікована основа , що найбільш часто nзустрічається. У псевдоуридину (Ψ) nзв’язок між урацилом і рибозою не C – N, а C – C, цей нуклеотид зустрічається в nрізних положеннях у молекулах РНК. Зокрема, псевдоуридин важливий для nфункціонування тРНК. Інша nмодифікована основа – nгіпоксантин, дезамінований гуанін, nнуклеозид якого носить назву інозину. Інозин відіграє важливу роль у nзабезпеченні виродженності nгенетичного коду. Роль багатьох інших модифікацій не до кінця вивчена, але в nрибосомальної РНК багато посттранскрипційних модифікацій знаходяться у важливих nдля функціонування рибосоми ділянках. Наприклад, на одному з рибонуклеотидів, nщо беруть участь в утворенні пептидного зв’язку.

Азотисті основи у складі РНК можуть утворювати водневі зв‘язки між цитозином і гуаніном, аденін і nурацилом, а також між гуаніном і урацилом. Однак можливі й інші взаємодії, наприклад, кілька аденінів можуть утворювати петлю, або петля, що складається з nчотирьох нуклеотидів, в якій є nпара основ аденін – гуанін.

Важлива структурна nособливість РНК, що відрізняє її від ДНК – наявність гідроксильної групи в 2 ‘положенні nрибози, яка дозволяє молекулі РНК існувати в А, а не В-конформації, що nнайчастіше спостерігається у ДНК. У А-форми глибока і вузька велика борозенка і nнеглибока і широка мала борозенка. Другий наслідок наявності 2 ‘гідроксильної nгрупи полягає в тому, що конформаційної пластичні, тобто не беруть участь в nутворенні подвійної спіралі, ділянки молекули РНК можуть хімічно атакувати інші nфосфатні зв’язку та їх розщеплювати. «Робоча» форма одноланцюжкові молекули nРНК, як і у білків, часто володіє третинною структурою. Третинна структура nутворюється на основі елементів вторинної структури, що утворюється за nдопомогою водневих зв’язків усередині однієї молекули. Розрізняють декілька nтипів елементів вторинної структури – стебло-петлі, петлі і псевдовузли. У силу nвеликої кількості можливих варіантів спарювання підстав передбачення вторинної nструктури РНК – набагато складніше завдання, ніж передбачення вторинної nструктури білків, але в наш час є ефективні програми, наприклад, mfold.

Прикладом залежності функцій молекул РНК від їх вторинної структури є nділянки внутрішньої посадки рибосоми (IRES). IRES – структура на 5 ‘кінці інформаційної РНК, яка забезпечує приєднання рибосоми в обхід звичайного механізму ініціації синтезу білка, що вимагає наявності особливого модифікованого підстави (кепа) на 5′ кінці і nбілкових факторів ініціації. Спочатку IRES були виявлені у вірусних РНК, але зараз накопичується все більше даних про те, що клітинні мРНК також використовують IRES–залежний механізм ініціації в умовах стресу. Багато типів РНК, наприклад, рРНК і мяРНК (малі ядерні РНК) в клітині функціонують у nвигляді комплексів з білками, які ассоціюють з молекулами РНК після їх синтезу або (у еукаріотів) експорту з ядра в nцитоплазму. Такі РНК–білкові комплекси називаються рибонуклеопротеїновими комплексами або рибонуклеопротеїдами.

Матрична nрибонуклеїнова кислота (мРНК, синонім – інформаційна РНК, іРНК) відповідає за nперенесення інформації про первинну структуру білків від ДНК до місць синтезу nбілків мРНК синтезується на основі ДНК в ході транскрипції, після чого, у свою nчергу, використовується під час трансляції як матриця для синтезу білків. Тим nсамим мРНК грає важливу роль в «прояві» (експресії) генів.

 

 

 

Транспортні (тРНК) – малі, що складаються з nприблизно 80 нуклеотидів, молекули з консервативною третинною структурою. Вони nпереносять специфічні амінокислоти до місця синтезу пептидного зв’язку в nрибосомі. Кожна тРНК містить ділянку для приєднання амінокислоти і антикодон nдля пізнавання та приєднання до кодону мРНК. Антикодон утворює водневі зв’язки nз кодоном, що поміщає тРНК в положення, що сприяє утворенню пептидного зв’язку nміж останньою амінокислотою утвореного пептиду і амінокислотою, приєднаною до nтРНК.

Рибосомальні РНК (рРНК) – каталітична складова nрибосом. Еукаріотичні рибосоми містять чотири типи молекул рРНК: 18S, 5.8S, 28S nі 5S. Три з чотирьох типів рРНК синтезуються в полісом.

У nцитоплазмі рибосомальні РНК з’єднуються з рибосомальними білками і формують nнуклеопротеїн, званий рибосомою. Рибосома приєднується до мРНК і синтезує nбілок. рРНК складає до 80% РНК, що виявляється в цитоплазмі еукаріотичної nклітини.

Схема будови транспортної РНК

А, Б, В, Г – ділянки, у яких nкомплементарні нуклеотиди сполучаються за допомогою водневих зв ‘язків; Ґ – антикодон; Д – ділянка, до якої прикріплюється nамінокислота
n
n

Незвичайний тип РНК, який nдіє в якості тРНК і мРНК (тмРНК) виявлений у багатьох бактеріях і пластидах. При nзупинці рибосоми на дефектних мРНК без стоп-кодонів тмРНК приєднує невеликий nпептид, що направляє білок на деградацію.

Мікро-РНК (21-22 нуклеотиду в довжину) знайдені в еукаріот і впливають nчерез механізм РНК-інтерференції. При цьому комплекс мікро-РНК і ферментів може nпризводити до метилювання нуклеотидів в ДНК промотора гена, що служить сигналом nдля зменшення активності гена. При використанні іншого типу регуляції мРНК, nкомплементарна мікро-РНК, деградує. Однак є й міРНК, які збільшують, а не nзменшують експресію генів. Малі інтерферуючі РНК (міРНК, 20-25 нуклеотидів) часто утворюються в nрезультаті розщеплення вірусних РНК, але існують і ендогенні клітинні міРНК. nМалі інтерферуючі РНК також діють через РНК-інтерференцію за схожими з nмікро-РНК механізмам.

БІОСИНТЕЗ НУКЛЕЇНОВИХ nКИСЛОТ

Проблема nбіосинтезу білка і нуклеїнових кислот надзвичайно цікава не тільки для медицини nй біохімії, але й для молекулярної генетики зокрема. Під час біосинтезу білка nвідбувається реалізація генетичної (спадкової) інформації, закладеної в ДНК, nяка проявляється у вигляді відтворення відповідних білкових та небілкових nструктур, їх властивостей та поведінки цілого організму.

 

 

 Вже в кінці XIX ст. генетичні та цитологічні nдослідження довели, що за передачу ознак за спадковістю відповідають хромосоми. nВелика заслуга в розкритті механізму передачі спадкових ознак від покоління до покоління nналежить чеському природодосліднику, монаху Грегору Менделю. Роль біохімії у nвирішенні цього питання в минулому столітті була другорядною. Можна згадати nлише двох німецьких учених: професор Гоппе-Зейлер доручив своєму учневі Мішеру n(1866) дослідити бинти, що знімали із гнійних ран. Мішер, виконавши завдання, nповідомив, що в гної ран є кисла речовина, яку він назвав нуклеїном. Пізніше ці nречовини були названі нуклеїновими кислотами. Пройшло більш як півстоліття, nпоки вчені почали пов’язувати з нуклеїновими кислотами спадкові властивості nорганізму. Оскільки хромосоми складаються з ядерних білків та ДНК, то виникло nпитання, яка роль кожного з цих компонентів у передачі спадкових ознак.

 Експериментально було доведено, що основна nроль в передачі спадкової інформації належить ДНК, а білок виконує захисну та nстабілізувальну функцію для ДНК. Наочним доведенням цього послужило вивчення nрозмноження бактеріофага (вірус, що уражає бактерії) у кишковій паличці. nВстановлено, що бактеріофаг складається із ДНК та білкової оболонки. Під час nзараження кишкової палички фат прикріплюється до стінки бактерії і всередину її nвпорскує ДНК, білкова оболонка при цьому залишається зовні на поверхні. Через nкілька хвилин в бактерії виявляють сотні фагових частинок, що мають нову nбілкову оболонку і ДНК всередині. Звідси ясно, що вся інформація про структуру nфата міститься в ДНК. Генетична інформація, тобто пам’ять про структуру білків, nхарактерних для даної клітини, закодована в нуклеотидній послідовності ДНК (або nРНК для РНК-вмісних вірусів). При поділі клітин відбувається точне відтворення nмолекул ДНК із наступним рівним розподілом інформаційного матеріалу клітини між nдочірніми клітинами.

 У процесі реалізації генетичної інформації ДНК nслужить матрицею для синтезу РНК, а РНК — матрицею для синтезу білків. Цю тезу називають центральною догмою n(постулатом) молекулярної біології:

 

Стрілки nпоказують напрями перенесення генетичної інформації, а цифри — конкретні nметаболічні процеси.

 

Існують nтри різновиди передачі генетичної інформації:

1. nРеплікація — синтез дочірніх молекул ДНК, ідентичних материнській ДНК (ДНК n-> ДНК).

 

http://www.youtube.com/watch?v=teV62zrm2P0

 

2. nТранскрипція — синтез на матриці ДНК молекул РНК, нуклеотид-на послідовність nяких комплементарна певній ділянці матриці (ДНК—> РНК).На ДНК-матрицях nутворюються всі три типи РНК — мРНК, рРНК, тРНК.

http://www.youtube.com/watch?v=ztPkv7wc3yU

 

 

3. Трансляція n— синтез білків, амінокислотна послідовність якихвизначається нуклеотидною nпослідовністю мРНК (мРНК —> білок).

У nклітинах, інфікованих РНК-вмісними вірусами, відбуваються ще такі процеси, як nзворотна транскрипція (4) і реплікація РНК (5). Зворотна транскрипція — синтез nДНК, нуклеотидна послідовність якої комплементарна послідовності молекули РНК n(РНК —> ДНК). Реплікація РНК — синтез молекул РНК на матриці вірусної РНК nдля утворення нових вірусних частинок (РНК -> РНК).

 

http://www.youtube.com/watch?v=5bLEDd-PSTQ

http://www.youtube.com/watch?v=-zb6r1MMTkc&feature=related

 

Загальна nсхема биосинтезу білків в клітині (ДНК РНК білок)

Важливими процесами у nпередачі генетичної інформації є репарація, рекомбінація і транспозиція ДНК.

1.     Репарація — ферментативне видалення і nповторний синтез ділянок ДНК, що отримали пошкодження під дією фізичних та nхімічних агентів.

2.     Рекомбінація — обмін генетичним nматеріалом між різними молекулами ДНК. За цих умов утворюються так звані nрекомбінантні ДНК.

3.     Транспозиція — переміщення гена чи nгрупи генів із одного місця геному в інше. Такі гени називаються транспозонами, nабо стрибаючими генами. Вони можуть викликати перебудову тих ділянок ДНК, поряд nз якими вони розміщуються, впливають на мінливість організмів і їх еволюцію.

 

РЕГУЛЯЦІЯ БІОСИНТЕЗУ nБІЛКІВ

Припускають, що геном людини містить nвід 50 до 100 тисяч генів (геном Е. coli – більше n3000). Кожна клітина організму містить nповний набір генів, але ніколи не синтезує всі закодовані білки. Деякі білки nнаявні у клітині у великій кількості, а інші – у малій. Так, у більшості клітин nнаявні набори основних ферментів, що каталізують реакції головних шляхів nметаболізму. Але клітини різних типів містять спеціалізовані білки, що nреалізують характерні для даних клітин функції. Наприклад, еритроцити містять nвеличезну кількість гемоглобіну, фібробласти – колагену, клітини скелетних nм’язів – актину і міозину, але еритроцити не містять колагену, актину і nміозину, а фібробласти – білків м’язів, печінки – гемоглобіну і т.п. Таким nчином, кожна клітина має здатність контролювати біосинтез білків.

Зараз nпорівняно мало відомо про регуляцію експресії генів у тварин і більша частина nрезультатів отримана в дослідженнях мікроорганізмів. Залежно від складу nживильного середовища, бактерії синтезують багато ферментів з різною швидкістю. nНаприклад, клітини Е. coli, які ростуть на середовищі, де єдиним джерелом nвуглецю служить лактоза, містять фермент b-галактозидазу (лактазу) у кількості, nщо складає близько 3 % загального клітинного білка. Якщо ж середовище містить nдруге джерело вуглецю (глюкозу, фруктозу та ін.), то ця кількість зменшується у n1000 раз (до декількох молекул на клітину). Таким чином, внесення лактози в nживильне середовище індукує синтез b-галактозидази; лактоза називається nіндуктором, а фермент – індукованим (індуцибельним). Кінцеві продукти певних nланцюгів реакцій (наприклад, реакцій синтезу амінокислот чи нуклеотидів) nвикликають репресію (гальмування) синтезу відповідних ферментів, що називаються nрепресованими (репресибельними). Такі кінцеві продукти ферментативних реакцій nназиваються корепресорами.

Синтез ферментів у бактерій регулюється, головним чином, на рівні nтранскрипції за рахунок зміни швидкості утворення мРНК. Для пояснення механізму nконтролю Ф. Жакоб і Ж. Моно розробили теорію індукції-репресії активності nгенів, або, інакше, теорію оперона. Встановлено, що експресія структурних nгенів, які кодують білки чи РНК, контролюється регуляторними генами. В nрезультаті транскрипції регуляторних генів утворюються мРНК, які служать nматрицею для синтезу білків-репресорів. Останні зв’язуються з певною ділянкою nмолекул ДНК (оператором) і, перешкоджаючи зв’язуванню РНК-полімерази з nпромоторною ділянкою ДНК, блокують ініціацію транскрипції відповідних nструктурних генів.

 

Регуляція експресії Lac—оперону E.Coli

Сукупність одного чи декількох функціонально зв’язаних структурних генів і nрегуляторних ділянок ДНК (оператора і промотора) складає оперон. Регуляторний nген не обов’язково розміщений поряд з опероном, який він контролює.

 

Схема регуляції nсинтезу білків шляхом індукції:

ГР – nген-регулятор, П – промотор, ГО – ген-оператор,

білки 1, 2, 3 n–віцдповідно, бета-галактозидаза, пермеаза і трансацетилаза

 

Схема регуляції nсинтезу білків шляхом репресії:

ГР – nген-регулятор, П – промотор, ГО – ген-оператор,

білки 1, 2, 3 n–відповідно, бета-галактозидаза, пермеаза і трансацетилаза

 

На рисунку схематично зображений лактозний оперон. Він включає 3 nрозміщені поряд структурні гени, що кодують білки, необхідні для засвоєння nлактози (b-галактозидазу, пермеазу і nтрансацетилазу). Перед ними розміщені регуляторні nділянки – промотор (П) і оператор (О). За відсутності лактози активний nбілок-репресор зв’язаний з оператором і транскрипція структурних генів nзаблокована. В результаті із-за відсутності мРНК синтез b-галактозидази і nзв’язаних з нею ферментів пригнічується (репресується). Якщо у живильному nсередовищі є лактоза, вона зв’язується з білком-репресором і переводить його в nнеактивний стан, коли репресор втрачає здатність зв’язуватись з оператором. nВід’єднання комплексу індуктор-репресор від оператора робить можливим зв’язування nРНК-полімерази з промотором і транскрипцію мРНК структурних генів. Тим самим nіндукується синтез ферментів для засвоєння лактози.

У бактерій nвідкрито велику кількість оперонів. У частини оперонів білок-репресор, на nвідміну від лактозного, не може зв’язуватись з оператором, якщо в клітині nвідсутня низькомолекулярна речовина-корепресор. Такими оперонами є гістидиновий nі триптофановий, які регулюють синтез ферментів, необхідних для біосинтезу nбактеріями амінокислот гістидину і триптофану.

При відсутності цих амінокислот у nживильному середовищі має місце транскрипція структурних генів відповідних nоперонів, а значить, і синтез ферментів, необхідних для утворення амінокислот. При наявності гістидину чи триптофану вони зв’язуються з nбілком-репресором – продуктом регуляторного гена, комплекс репресор-корепресор nприєднується до оператора, внаслідок чого транскрипція структурних генів не nвідбувається. Таким чином, при наявності амінокислот синтез ферментів, nнеобхідних для їх утворення, репресується.

Приклад дії негативного зворотнього nтриптофанового репресора

Гістидиновий nоперон включає 10 структурних генів, що кодують 10 ферментів, необхідних для nбіосинтезу гістидину. Триптофановий оперон контролює синтез 5 поліпептидів.

Отже, двома важливими особливостями контролю активності генів шляхом nіндукції і репресії є:

1) під безпосереднім контролем знаходиться процес транскрипції (синтез nмРНК), а контроль трансляції – тільки наслідок;

2) контроль здійснюється завдяки переходу білка-репресора з неактивного в nактивний стан і навпаки під дією індуктора та корепресора.

Крім nрегуляції експресії генів шляхом взаємодії білка-репресора з індукторами чи nкорепресорами, відкриті й інші регуляторні сигнали. Так, на процес транскрипції nвпливають надспіралізація ДНК, наявність специфічних нуклеотидних nпослідовностей ДНК, які служать регуляторними елементами різних типів, nметилювання цитозину в ДНК. Вірогідно, що ці регуляторні сигнали також впливають nна взаємодію між ДНК і білками.

Біологічне значення регуляції біосинтезу білків шляхом індукції і репресії nгенів полягає в тому, що вона дозволяє бактеріям пристосуватись до змін nнавколишнього середовища. Експресуються тільки ті гени, продуктів яких потребує nклітина в даний момент згідно з зовнішніми умовами. У багатоклітинних nорганізмах рослин і тварин також має місце адаптивна регуляція експресії генів nшляхом індукції і репресії при зміні концентрації певних метаболітів, гормонів. nТа основна проблема регуляції дії генів в вищих організмах зв’язана з тим, що nвсі клітини містять одну і ту ж ДНК, але повинні виконувати різні функції, а nдля цього синтезувати різні білки. Вибір білків, які повинні синтезуватись в nтій чи іншій клітині, здійснюється основним чином на рівні транскрипції. Кожна nклітина характеризується специфічною комбінацією активних і неактивних генів, nяка поступово змінюється у процесі розвитку. Таким чином, відмінності клітин nпри диференціації виникають внаслідок стабільної репресії одних генів і nдерепресії інших. Безперечно, експресія ДНК у вищих організмів регулюється nнабагато досконалішими механізмами, ніж у бактерій, і зараз інтенсивно nвивчається.

 

Кількість структурних генів в опероні nзалежить від складності біохімічних перетворень того чи іншого субстрату. nРегуляція генної активності у вищих організмів набагато складніше, ніж у nбактерій. У еукаріот поряд з регуляторними процесами, які впливають на nфункціонування окремої клітини, існують системи регуляції організмів як цілого. nГормони утворюються в спеціалізованих клітинах залоз внутрішньої секреції і з nкровю розносяться по всьому тілу.

В еукаріотів регуляція біосинтезу білка nвідбувається за участю хромосомних білків і так званої малої ядерної РНК.

Хромосомні білки (гістони і негістонові nбілки), таким чином, виконують не тільки структурну, але і регуляторну функцію, nполегшуючи або утруднюючи транскрипцію певних генів хроматину. Гістони виступають у ролі негативного регулятора nбіосинтезу білка (подібно до репресорів у бактерій). Вони своїм позитивним nзарядом зв’язуються з негативно зарядженими фосфатами ДНК і блокують nтранскрипцію. За цих умов транскрипція може відбуватись тільки при послабленні nзв’язку гістонів з ДНК. Отже, зменшення позитивного заряду гістонів або nмодифікація їх структури буде призводити до деблокування транскрипції. Цьому nсприяють такі перетворення гістонів, як фосфорилювання, ацетилювання і nметилювання. Внаслідок таких модифікацій полегшується транскрипція і nзбільшується синтез РНК. В той же час можна припустити, що гістони не можуть nзабезпечувати специфічності регуляції генів, тому що їх число дуже обмежене n(всього 5 різновидів). Вірогідніше, що регуляторна функція гістонів nнеспецифічна або специфічна для якихось однотипних транскриптонів.

Більш nважлива роль в регуляції синтезу білка повинна належати негістоновим білкам nядра, яких нараховується понад 500 фракцій. Ці білки, як правило, містять nнегативний заряд і можуть зв’язуватись з певними специфічними ділянками ДНК. nТому вони відіграють роль позитивних регуляторів синтезу білка, полегшуючи nтранскрипцію в місцях зв’язування ДНК. Найбільш активно підсилюють транскрипцію nфосфорильовані негістонові білки. Не виключено, що своїм значним негативним nзарядом вони утворюють комплекс з позитивно зарядженими гістонами і відтягують nїх від ДНК, що приводить до полегшення транскрипції. Регулятором транскрипції nвиступає і низькомолекулярна ядерна РНК (мала ядерна РНК), яка перебуває в ядрі nу комплексі з білком (РНП). Такий рибонуклеопротеїн може вибірково включати nгени шляхом комплементарної взаємодії з акцепторними ділянками транскриптону. nРегуляторна функція малої ядерної РНК вивчається.

Регуляція синтезу білка в еукаріотів здійснюється на рівні транскрипції і nтрансляції. В першому випадку це проявляється у вибірковості дії різних nрегуляторів на окремі гени. Регуляція на рівні трансляції більше проявляється nна швидкості синтезу окремих білків в рибосомах і менше на їх амінокислотному nскладі, бо під час трансляції лише механічно відтворюється програма мРНК. nРечовини, що прискорюють синтез білка, називаються індукторами, а ті, що nсповільнюють його, – інгібіторами. Індуктори (наприклад, гормони), потрапляючи nв ядро клітини, взаємодіють з молекулами-регуляторами транскрипції або nвикликають їх модифікацію. Індуктори можуть включати “свої” гени в різних nділянках хромосом шляхом інактивації репресорної дії гістонів, зв’язуючись з nними або активуючи ферменти, які здійснюють їх фосфорилювання чи ацетилювання. nІндуктори можуть також викликати модифікацію негістонових білків або діяти nопосередковано через малу ядерну РНК. В кінцевому рахунку індуктор полегшує nзв’язування РНК-полімерази з промотором і утворення копій nтранскриптонів-транскриптів.

Після nприпинення дії індуктора відбувається від’єднання модифікованих груп від nгістонів, останні знову з’єднуються з ДНК, що призупиняє транскрипцію. nАналогічних змін зазнають і негістонові білки, які знову зв’язуються з nхроматином.

Регуляція синтезу білка на рівні nтранскрипції може здійснюватись і шляхом впливу речовин на білкові фактори, що nконтролюють в рибосомах ініціацію, елонгацію і термінацію, і на різні nфункціональні ділянки рибосом. Індуктори застосовують з метою стимуляції nсинтезу білка в пошкоджених або атрофованих (внаслідок бездіяльності) органах, nдля стимуляції росту дітей, котрі погано фізично розвиваються. Крім гормонів, nіндукторами можуть виступати негормональні речовини, що одержані синтетично, nабо похідні гормонів. Як індуктори синтезу білків застосовують і деякі nречовини, які стимулюють синтез азотових основ нуклеїнових кислот, наприклад nоротат калію.

Інгібітори nсинтезу білка використовують для пригнічення поділу і росту клітин.