БІОСИНТЕЗ ТА КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ ТА ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

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

МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ РЕПЛІКАЦІЇ ДНК. ТРАНСКРИПЦІЯ – БІОСИНТЕЗ РНК.

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

СТРУКТУРНІ КОМПОНЕНТИ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

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

 

Таблиця 1. Компоненти нуклеотидів

 

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

 

Рис. 1. Структура аденозинмононуклеотиду

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

Рис. 2. Будова азотистих основ.

 

Крім зазначених вище основних п’яти азотистих основ (двох пуринових та трьох піримідинових), до складу деяких нуклеїнових кислот входять у відносно незначних кількостях додаткові (мінорні) азотисті основи та відповідні їм мінорні нуклеотиди. Найбільша кількість мінорних нуклеотидів зустрічається в молекулах транспортних РНК (тРНК) — до 5 % загального нуклеотидного складу. До мінорних нуклеотидів належать метильовані похідні звичайних азотистих основ, зокрема, 1-метиладенін, 2-метиладенін, 6-диметиладенін, 1-метилгуанін, 7-метилгуанін, 1-метилурацил, 5-оксиметилурацил, 3-метилцитозин тощо. ДНК людини містять значну кількість 5-метилцитозину, інформаційні РНК — N-метильовані похідні аденіну та гуаніну. Нуклеотидом незвичайної структури, що входить до складу тРНК, є псевдоуридин — нуклеотид (рис. 3), в якому рибоза приєднана до урацилу в 5-му положенні, тобто не нітроген-карбоновим, а карбон-карбоновим зв’язком.

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

 

Рис. 3. Будова псевдоуридину.

 

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

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

 

Атоми карбону в пентозах нумеруються цифрами зі штрихом, щоб відрізнити їх від атомів карбону в азотистих основах. При з'єднанні рибози чи дезоксирибози з азотистою основою утворюється нуклеозид (рис. 5).

Рис. 5. Структура нуклеозиду.

Зв’язок між пентозою і азотистою основою йде від першого атома карбону пентози до першого атома нітрогену піримідину або дев'ятого атома нітрогену пурину. Зв’язок називається глікозидним.

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

Рис. 6. Структура нуклеозид-3'-монофосфату.

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

Далі наведена номенклатура нуклеозидів і нуклеотидів (табл. 2) і формули чотирьох головних дезоксирибонуклеотидів (структурних одиниць ДНК) (рис. 7) і чотирьох головних рибонуклеотидів (структурних одиниць РНК) (рис. 8).

Таблиця 2. Номенклатура нуклеозидів та нуклеотидів

 

Рис. 7. Будова дезоксирибонуклеотидів.

Рис. 8. Будова рибонуклеотидів.

 

В організмі, крім нуклеозидмонофосфатів, знаходяться нуклеозиддифосфати і нуклеозидтрифосфати.

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

Рис. 9. Будова аденозинтрифосфату.

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

 

Таблиця 3. Функції нуклеотидів

 

Наприклад, ЦТФ має відношення до біосинтезу фосфоліпідів. УТФ використовується для синтезу і взаємоперетворень різних вуглеводів, ГТФ необхідний для синтезу білків. У склад коферментів НАД, НАДФ, ФАД, КоА, ФАФС входять аденілові нуклеотиди. Окрему групу складають циклічні нуклеотиди, в яких фосфатний залишок утворює складноефірні зв'язки з 3'- і 5'-гідроксильними групами рибози (рис. 10):

Рис. 10. Будова циклічних нуклеотидів.

Циклічні аденозинмонофосфат (цАМФ) і гуанозинмонофосфат (цГМФ) відіграють дуже важливу роль в обміні речовин, через них реалізується регуляторна роль ряду гормонів. цАМФ і цГМФ утворюються із АТФ і ГТФ під дією ферментів аденілатциклази і гуанілатциклази. Відщеплення пірофосфату від нуклеозидтрифосфату призводить до замикання шестичленного кільця. При розщепленні циклічних нуклеотидів під дією фосфодіестерази утворюються відповідні нециклічні нуклеотиди — нуклеозид-5'-монофосфати.

 

НУКЛЕОПРОТЕЇНИ

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

 

Таблиця 4. Складові компоненти нуклеопротеїнів

 

Залежно від типу нуклеїнової кислоти, нуклеопротеїни поділяються на дезоксирибонуклеопротеїни та рибонуклеопротеїни.

Стійкість нуклеопротеїнових комплексів забезпечується нековалентною взаємодією. Прикладом специфічної взаємодії можуть служити нуклеопротеїнові комплекси рРНК — субодиниці рибосом; неспецифічна електростатична взаємодія характерна для хромосомних комплексів ДНК — хроматину з гістонами і комплексів ДНК-протаміни головок сперматозоїдів деяких тварин.

Нуклеопротеїни дисоціюють на білки і нуклеїнові кислоти при дії агентів, що руйнують або ослабляють нековалентні зв'язки:

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

2)  іоногенні поверхнево-активні речовини;

3)             деякі полярні органічні сполуки (формамід і диметилформамід, фенол тощо).

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

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

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

 

Дезоксирибонуклеопротеїни

Хроматин — комплекс ДНК з гістонами в клітинах еукаріот.

За рахунок електростатичної взаємодії нитка ДНК здійснює подвійний оберт навколо октамеру гістонного комплексу H2a, H2b, H3 і H4, утворюючи нуклеосоми, сполучені ниткою ДНК. При приєднанні до комплексу гістону H1 шість нуклеосом утворюють кільцеподібний комплекс, в результаті відбувається конденсація хроматину з утворенням фібрилярної структури, яка далі при приєднанні топоізомерази II і ряду допоміжних білків здатна конденсуватися в гетерохроматин. ДНК, зв'язана в такому нуклеопротеїновому комплексі, не транскрибується.

Окремим важливим класом дезоксирибонуклеопротеїнів є вірусні нуклеопротеїни.

Рибонуклеопротеїни

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

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

2)  Малі ядерні рибонуклеопротеїни (мяРНП) — нуклеопротеїнові комплекси малих ядерних РНК.

3)         Нуклеопротеїнові комплекси мРНК — матричні рибонуклеопротеїни (мРНП).

 

Травлення нуклеопротеїнів

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

Але наявність їх у їжі не обов'язкова, оскільки майже всі клітини організму можуть синтезувати нуклеотиди. Нуклеїнові кислоти гідролізуються під дією нуклеаз підшлункового соку (табл. 5).

 

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

 

Розрізняють рибонуклеази (РНКази) і дезоксирибонуклеази (ДНКази). Продуктами гідролізу є оліго- і мононуклеотиди. Фосфодіестерази слизової кишечника розщеплюють олігонуклеотиди до мононуклеотидів. Вільні нуклеотиди гідролізуються кишковими фосфатазами до нуклеозидів і фосфорної кислоти. Нуклеозиди абсорбуються і в клітинах слизової кишечника можуть розщеплюватись до вільних азотистих основ.

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

 

БІОСИНТЕЗ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

Біосинтез пуринових нуклеотидів de novo

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

Рис. 11. Пуринове кільце.

 

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

Рис. 12. Походження атомів пуринового ядра.

 

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

З останньої в наступних реакціях утворюються аденілова і гуанілова кислоти.

Таблиця 6. Реакції, що призводять до утворення ІМФ

 

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

 

Утворений фосфорибозилпірофосфат взаємодіє із глутаміном

 

На стадії 3 відбувається реакція між рибозофосфатаміном та гліцином. Вона каталізується рибозофосфатгліцинамідсинтетазою. Наслідком цієї реакції є гліцинамідрибонуклеотид. На утворення амідного зв'язку використовується одна молекула АТФ:

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

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

Перетворення одержаного продукту призводить до формування циклічного імідазольного кільця 5-аміноімідазолрибонуклеотиду (6 реакція):

 

Подальші перетворення цього напівпродукту супроводжуються формуванням 6-членного піримідинового кільця, з'єднаного з імідазольним, тобто утворенням пуринового скелета. Цей процес відбувається таким чином: спочатку в результаті карбоксилювання 5-аміноімідазолрибонуклеотиду утворюється 5-аміноімідазол-4-карбоксинуклеотид (7 стадія):

 

У восьмій реакції карбоксильна група цього продукту реагує із NH₂ аспарагінової кислоти з утворенням 5-аміноімідазол-4-ГЧ-сукциніл-арбоксиамідрибонуклеотиду. Ця реакція вимагає енергії АТФ і здійснюється під впливом специфічної синтетази:

 

 

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

 

 

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

 

 

Утворений 5-формілімідоімідазол-4-карбоксиамідрибонуклеотид зазнає дегідратації, циклізується і перетворюється в пуриновий нуклеотид — інозинову кислоту (реакція 11).

 

 

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

Розглянутий шлях утворення пуринових нуклеотидів із простих ациклічних попередників називається синтезом de novo. На іншому шляху, названому запасним, використовуються вільні пуринові основи, які утворюються при розпаді нуклеїнових кислот чи нуклеотидів.

 

 

Таблиця 7. Синтез пуринових нуклеотидів із інозинової кислоти

 

 

Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів

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

 

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

 

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

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

 

Таблиця 8. Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів

 

Біосинтез пуринових нуклеотидів із азотистих основ

 

Розглянутий біосинтез пуринових нуклеотидів із простих попередників — синтез de novo — потребує значних витрат метаболічної енергії у формі макроергічних зв’язків АТФ і ГТФ і відбувається не у всіх тканинах. Синтез пуринових нуклеотидів de novo відбувається, головним чином, у печінці, а запасний шлях – у позапечінкових тканинах, де економно повторно використовуються вільні пуринові основи. Зокрема в еритроцитах, лейкоцитах, клітинах головного мозку відбувається утворення нуклеотидів із “готових” вільних пуринових основ — аденіну, гуаніну та 6-оксипурину (гіпоксантину). Джерелом пуринових основ для такого синтезу є пурини, які утворюються з нуклеотидів, синтезованих у печінці, та нуклеотидів, які постійно вивільняються в результаті катаболізму (гідролітичного розщеплення) нуклеїнових кислот і нуклеотидів власних тканин та таких, що надходять у складі харчових продуктів. Цей механізм більш швидкого біосинтезу пуринових нуклеотидів шляхом повторного включення в метаболізм вільних азотистих основ отримав назву “шлях реутилізації”.

Цей шлях включає реакції, під час яких основи аденін, гуанін чи гіпоксантин взаємодіють із 5-фосфорибозил-1-дифосфатом. Аденінфосфорибозил-транфераза каталізує утворення АМФ:

Гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансфераза каталізує дві реакції

Перетворення пуринових нуклеозидмонофосфатів у три фосфати каналізують специфічні кінази:

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

 

КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

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

 

Рис. 14. Катаболізм пуринових нуклеотидів.

 

Фермент ксантиноксидаза каталізує окиснення гіпоксантину в ксантин і ксантину в сечову кислоту (рис. 15):

Рис. 15. Реакції окиснення гіпоксантину в сечову кислоту.

 

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

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

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

 

 

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

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

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

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

 

ПОДАГРА

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

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

Білки плазми стабілізують перенасичений розчин сечової кислоти, але місцева дія певних факторів (розпад білків чи інших стабілізувальних чинників) призводить до кристалізації сечової кислоти і її солей у суглобах, хрящах, сечовивідних шляхах.

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

 

Рис. 16. Подагричний артрит.

 

Надлишок уратів зумовлює утворення каменів у нирках (рис. 17).

Рис. 17. Камінці у нирках при подагрі.

 

Утворенню кристаликів сечової кислоти і відкладанню їх у тканинах сприяють зниження місцевого рН та травми.

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

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

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

 

Короткі історичні відомості

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Таблиця 9. Причини змін концентрації сечової кислоти

у крові та сечі

 

При гіперурикемії підвищується концентрація сечової кислоти в синовіальній рідині, виникає її кристалізація та проникнення в хрящ і синовіальну оболонку, де сечова кислота відкладається у вигляді голкових кристалів сечокислого натрію. Синовіальні клітини продукують цитокіни (інтерлейкін-1, -6, -8, фактор некрозу пухлини). Імуноглобуліни та компоненти комплементу обволікають урати, стимулюючи фагоцитарну активність нейтрофілів. Кристали пошкоджують нейтрофіли, а лізосомальні ферменти, що виділяються в синовіальну порожнину, сприяють розвитку запалення.

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

 

Клініка та діагностика подагри

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

 

Рис. 18. Виражений артрит малих суглобів при подагрі.

 

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

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

Рис. 19. Подагричні тофуси.

 

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

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

 

Лікування та профілактика подагри й гіперурикемії

На сьогодні ще немає одностайної думки експертів про необхідність лікування «асимптомної» гіперурикемії або безтофусної подагри. Це знайшло відображення в останніх рекомендаціях Європейської протиревматичної ліги (EULAR) щодо лікування подагри, де показаннями до зниження рівня сечової кислоти в плазмі крові є рецидивуючі суглобові атаки, наявність артропатії, тофусів або типових рентгенографічних змін у кістках. Лікування при гіперурикемії полягає у відновленні балансу між продукцією сечової кислоти та її виведенням. Базисна терапія передбачає застосування урикодепресивних і урикозуричних засобів, а в разі наявності уролітіазу — уриколітичних препаратів. До нефармакологічних методів, які доповнюють, але не замінюють базисне лікування подагри, належать заходи щодо зменшення маси тіла, дотримання низькопуринової дієти, обмеження вживання алкоголю (особливо пива та вина, які містять молібден, що є кофактором ксантиноксидази), фіто-, бальнео-, фізіотерапія.

Відповідно до рекомендацій EULAR алопуринол є основним урикодепресивним препаратом для зниження рівня сечової кислоти при хронічній гіперурикемії (рис. 20). Цей препарат структурний аналог гіпоксантину, що є конкурентним інгібітором ксантиноксидази.

 

Рис. 20. Алопуринол.

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

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

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

Сприяють розчинності уратів солі літію та препарат антуран.

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

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

 

СИНДРОМ ЛЕШ-НІХАНА

Синоніми синдрому Леш-Ніхана:

·                     Дефіцит гіпоксантингуанінфосфорибозілтрансферази

·                     Первинна Х–зчеплена гіперурікемія

 

Діагностичні критерії

Синдром Леш–Ніхана обумовлений порушенням метаболізму пуринових основ в результаті генетично обумовленого дефіциту ферменту гіпоксантин-гуанінфосфорибозілтрансферази (ГФРТ).

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

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

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

 

Рис. 21. Схема метаболізму пуринових нуклеотидів.

 

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

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

 

Рис. 22. Хлопчик із синдром Леш-Ніхана.

 

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

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

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

Нейрохімічні дослідження виявили наполовину знижений рівень дофаміну. Цей специфічний дефіцит в системі базальних ядер дофаміну може бути причиною розвитку поведінкових порушень. Ця зона мозку є високозалежною від активності ГФРТ в підтриманні функції 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 пуринового синтезу. Надлишок пуринів перетворюється в сечову кислоту. Наявний частковий дефект адренокортикальної 11ß-гідроксилази.

 

Клінічні ознаки

При народженні зріст нормальний, але після другого року життя одночасно з неврологічними змінами з'являється затримка зросту. Може траплятись затримка кісткового віку, статевого розвитку, мікроцефалія.

Неврологічна симптоматика. Пацієнти не розпізнаються клінічно, доки не з’являється неврологічна симптоматика. Помірна затримка моторного розвитку і гіпотонія стають помітними приблизно з 4-6-місячного віку. Деякі діти мають вивих кульшових суглобів. Також виявляють неспецифічні неврологічні ознаки, включаючи опістотонус (89%), клонус стоп (58%), виражену дистонію (21%). Хоча самопошкодження є присутнє у всіх випадках, винятки можливі. Середній вік прояву для аутоагресії з пошкодженнями є приблизно 2 роки, можлива широта розходжень (4 місяці – 4 роки). Самопошкодження найчастіше проявляються укусами губ, язика, пальців рук. Біль є відчутним, але ушкодженням можна перешкоджати фізичними обмеженнями. Інші порушення поведінки включають удари головою і підборіддям, які приводять до ушкоджень вух і носа, і агресивну поведінку по відношенню до інших людей (кусання, биття, брикання, щипання). Розумова відсталість проявляється інтелектуальним недорозвитком різного ступеню (IQ 40-80), але описані випадки нормального інтелекту.

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

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

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

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

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

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

 

БІОСИНТЕЗ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

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

 

Рис. 23. Піримідинове кільце.

 

Реакції біосинтезу піримідинових нуклеотидів

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

Фермент локалізований у цитоплазмі клітин різних тканин. Карбамоїлфосфат утворюється як проміжний продукт і у процесі біосинтезу сечовини під дією карбамоїлфосфатсинтетази І. Цей фермент локалізований тільки у мітохондріях печінки і використовує як субстрат вільний аміак, а не глутамін. Карбамоїлфосфатсинтетаза II є регуляторним ферментом на метаболічному шляху синтезу піримідинових нуклеотидів і активність її гальмується кінцевим продуктом — уридинмонофосфатом (УМФ). На активність карбамоїлфосфатсинтетази І УМФ не впливає. Таким чином, особливості внутрішньоклітинного розподілу ферментів і регуляторних механізмів дозволяють процесам синтезу сечовини і піримідинових нуклеотидів функціонувати незалежно і паралельно один одному, відповідно до потреб організму.

 

Утворення УМФ

1. Цитоплазматичний карбамоїлфосфат взаємодіє з аспартатом під дією аспартаткарбамоїлтрансферази. Активність цього ферменту регулюється ЦТФ за механізмом зворотного зв'язку в прокаріотів, але не у тварин.

 

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

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

 

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

 

5. Декарбоксилювання оротидилової кислоти до уридилової кислоти (уридин-5'-монофосфату, УМФ) — фермент ОМФ-декарбоксилаза:

 

Утворення УДФ, УТФ та ЦТФ

Із УМФ 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 двох регуляторних ферментів (табл. 11):

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

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

 

Таблиця 11. Регуляторні ферменти синтезу піримідинових нуклеотидів

 

УТФ приєднує аміногрупу від глутаміну, перетворюючись у цитидинтрифосфат. Цю реакцію стимулює ГТФ. Крім вказаного ланцюга реакцій, може мати місце пряме включення вільних піримідинових основ у склад нуклеотидів за аналогічним механізмом, як для пуринових нуклеотидів.

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

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

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

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

Таблиця 12. Причини та симптоми оротацидурії

 

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

В таблиці 13 наведено відмінності біосинтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів:

 

Таблиця 13. Відмінності біосинтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів

 

КАТАБОЛІЗМ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

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

 

Таблиця 14. Відмінності катаболізму пуринових і піримідинових нуклеотидів

 

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

Рис. 24. Піримідинова основа (цитозин).

 

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

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

Рис. 25. Метаболізм піримідинових нуклеотидів.

 

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

 

Рис. 26. Продукти катаболізму піримідинових нуклеотидів.

 

БІОСИНТЕЗ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДІВ

 

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

 

Механізм перетворення рибонуклеотидів на дезоксирибонуклеотиди

Перетворення НДФ на відповідні дНДФ досягається шляхом відновлення гідроксильної групи при С-2' рибози з утворенням 2'-дезоксирибози. Донором відновлювальних еквівалентів у цьому процесі є відновлений НАДФ (НАДФН + Н⁺):

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

Рис. 27. Схема переносу відновлювальних еквівалентів від (НАДФН + Н⁺) на рибонуклеозиддифосфати.

 

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

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

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

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

4) переносу гідрогену від відновлених сульфгідрильних груп рибонуклеотидредуктази на НДФ з утворенням дНДФ.

 

Утворення дАТФ, дГТФ та дУТФ

За розглянутим механізмом іде утворення пуринових дезоксирибонуклеотидів:

АДФ → дАДФ

ГДФ → дГДФ

та піримідинового дезоксирибонуклеотиду дУДФ:

УДФ → дУДФ

дНДФ, які утворилися в цих реакціях, перетворюються на 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 нуклеотидів, що також містять 2'-дезоксирибозу, починається з тимідилату (тимідин-5'-монофосфату, дТМФ, ТМФ). Безпосереднім попередником дТМФ є дезоксиуридин-5'-монофосфат (дУМФ), який утворюється з дезоксиуридин-5'-дифосфату (дУДФ) внаслідок його дефосфорилювання:

 

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

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

 

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

 

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

дТМФ + АТФ → дТДФ + АДФ,

дТДФ + АТФ → дТТФ + АДФ.

Регуляція синтезу дезоксирибонуклеотидів здійснюється на рівні ферменту рибонуклеотидредуктази, активність якої стимулюють АТФ, дТТФ і дГТФ, гальмує дАТФ. Регуляторні механізми забезпечують біосинтез дезоксирибонуклеотидів у потрібних співвідношеннях для синтезу ДНК. Велика кількість дезоксирибонуклеотидів синтезується при розмноженні клітин, а в стані спокою процес сповільнюється. Ряд структурних аналогів піримідинів і пуринів, а також фолієвої кислоти є інгібіторами синтезу дезоксирибонуклеотидів. Тим самим вони блокують реплікацію ДНК і поділ клітин.

Великою швидкістю проліферації вирізняються ракові клітини, тому інгібітори синтезу нуклеотидів використовуються у хіміотерапії злоякісних пухлин. Зокрема, протипухлинну дію проявляють 5-фторурацил і 5-фтордезоксиуридин – інгібітори тимідилатсинтетази; структурні аналоги фолієвої кислоти аміноптерин і метотрексат – інгібітори дигідрофолатредуктази.

 

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

 

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

З хімічної точки зору, ДНК — це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків — нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з азотистої основи, цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи (або гомологічної арсеноїдної). Зв'язки між нуклеотидами в ланцюжку утворюються за рахунок 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 і 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 інформаційні, 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 трансляції). Крім кодуючих послідовностей, ДНК клітини містить послідовності, що виконують регуляторні і структурні 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 — трикомпонентні сполуки, які побудовані з азотистої основи пуринового чи піримідинового ряду, залишків пентоз (рибози або дезоксирибози) та фосфату.

 

 

 

 

 

Хімічна структура подвійної спіралі ДНК.

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

Кожна основа на одному з ланцюжків зв'язується з однією певною основою на іншому ланцюжку. Таке специфічне зв'язування називається комплементарним. Пуринові основи комплементарні піримідиновим (тобто, здатні до утворення водневих зв'язків з ними): аденін утворює зв'язки тільки з тиміном, а цитозин — з гуаніном. У подвійній спіралі 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. Ланцюжки подвійної спіралі можуть розходитися як замок-змійка під дією ферментів (гелікази) або при високій температурі.

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

 

 

 

 

 

 

 

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

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

 

 

Будова хроматину.

 

РНК (рибонуклеїнова кислота) — клас нуклеїнових кислот, лінійних полімерів нуклеотидів, до складу яких входять залишок фосфорної кислоти, 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 головним чином в цитоплазмі клітин. Ці молекули синтезуються в клітинах всіх клітинних живих організмів, а також містяться в віроїдах та деяких вірусах. Основні функції РНК в клітинних організмах — шаблон для трансляції генетичної інформації в білки та поставка відповідних амінокислот до рибосом. В вірусах є носієм генетичної інформації (кодує білки оболонки та ферменти вірусів). Віроїди складаються з кільцевої молекули РНК та не містять в собі інших молекул. Існує гіпотеза світу РНК, згідно з якою, РНК виникли до білків й були першими формами життя.

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

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

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

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

Нуклеотиди РНК складаються з цукру - рибози, до якої в положенні 1 'приєднана одна з основ: аденін, гуанін, цитозин або урацил. Фосфатна група поєднує рибози в ланцюжок, утворюючи зв'язок з 3 'атомом вуглецю однієї рибози і атомом вуглецю в 5' положенні іншого. Фосфатні групи при фізіологічному рН негативно заряджені, тому РНК - поліаніон. РНК транскрибується як полімер чотирьох основ (аденіну (A), гуаніну (G), урацилу (U) і цитозину (C)), але в «зрілої» РНК є багато модифікованих основ і цукрів. Всього в РНК налічується близько 100 різних видів модифікованих нуклеозидів, з яких 2'-О-метилрибоза найбільш часта модифікація цукру, а псевдоуридин - модифікована основа , що найбільш часто зустрічається.

 У псевдоуридину (Ψ) зв'язок між урацилом і рибозою не C - N, а C - C, цей нуклеотид зустрічається в різних положеннях у молекулах РНК. Зокрема, псевдоуридин важливий для функціонування тРНК. Інша модифікована основа - гіпоксантин, дезамінований гуанін, нуклеозид якого носить назву інозину. Інозин відіграє важливу роль у забезпеченні виродженності генетичного коду. Роль багатьох інших модифікацій не до кінця вивчена, але в рибосомальної РНК багато посттранскрипційних модифікацій знаходяться у важливих для функціонування рибосоми ділянках. Наприклад, на одному з рибонуклеотидів, що беруть участь в утворенні пептидного зв'язку.

 

Будова РНК на прикладі тетрануклеотиду,

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

 

Особливості будови РНК

Нуклеотиди РНК складаються з цукру - рибози, до якої в положенні 1 'приєднана одна з основ: аденін, гуанін, цитозин або урацил. Фосфатна група поєднує рибози в ланцюжок, утворюючи зв'язок з 3 'атомом вуглецю однієї рибози і атомом вуглецю в 5' положенні іншого. Фосфатні групи при фізіологічному рН негативно заряджені, тому РНК - поліаніон. РНК транскрибується як полімер чотирьох основ (аденіну (A), гуаніну (G), урацилу (U) і цитозину (C)), але в «зрілої» РНК є багато модифікованих основ і цукрів. Всього в РНК налічується близько 100 різних видів модифікованих нуклеозидів, з яких 2'-О-метилрибоза найбільш часта модифікація цукру, а псевдоуридин - модифікована основа , що найбільш часто зустрічається. У псевдоуридину (Ψ) зв'язок між урацилом і рибозою не C - N, а C - C, цей нуклеотид зустрічається в різних положеннях у молекулах РНК. Зокрема, псевдоуридин важливий для функціонування тРНК. Інша модифікована основа - гіпоксантин, дезамінований гуанін, нуклеозид якого носить назву інозину. Інозин відіграє важливу роль у забезпеченні виродженності генетичного коду. Роль багатьох інших модифікацій не до кінця вивчена, але в рибосомальної РНК багато посттранскрипційних модифікацій знаходяться у важливих для функціонування рибосоми ділянках. Наприклад, на одному з рибонуклеотидів, що беруть участь в утворенні пептидного зв'язку.

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

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

Прикладом залежності функцій молекул РНК від їх вторинної структури є ділянки 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 білкових 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 вигляді комплексів з білками, які ассоціюють з молекулами РНК після їх синтезу або (у еукаріотів) експорту з ядра в цитоплазму. Такі РНК-білкові комплекси називаються рибонуклеопротеїновими комплексами або рибонуклеопротеїдами.

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

 

 

 

Транспортні (тРНК) - малі, що складаються з приблизно 80 нуклеотидів, молекули з консервативною третинною структурою. Вони переносять специфічні амінокислоти до місця синтезу пептидного зв'язку в рибосомі. Кожна тРНК містить ділянку для приєднання амінокислоти і антикодон для пізнавання та приєднання до кодону мРНК. Антикодон утворює водневі зв'язки з кодоном, що поміщає тРНК в положення, що сприяє утворенню пептидного зв'язку між останньою амінокислотою утвореного пептиду і амінокислотою, приєднаною до тРНК.

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

У цитоплазмі рибосомальні РНК з'єднуються з рибосомальними білками і формують нуклеопротеїн, званий рибосомою. Рибосома приєднується до мРНК і синтезує білок. рРНК складає до 80% РНК, що виявляється в цитоплазмі еукаріотичної клітини.

Схема будови транспортної РНК

А, Б, В, Г - ділянки, у яких комплементарні нуклеотиди сполучаються за допомогою водневих зв 'язків; Ґ - антикодон; Д - ділянка, до якої прикріплюється амінокислота

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

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

БІОСИНТЕЗ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

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

 

 

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

 Експериментально було доведено, що основна роль в передачі спадкової інформації належить ДНК, а білок виконує захисну та стабілізувальну функцію для ДНК. Наочним доведенням цього послужило вивчення розмноження бактеріофага (вірус, що уражає бактерії) у кишковій паличці. Встановлено, що бактеріофаг складається із ДНК та білкової оболонки. Під час зараження кишкової палички фат прикріплюється до стінки бактерії і всередину її впорскує ДНК, білкова оболонка при цьому залишається зовні на поверхні. Через кілька хвилин в бактерії виявляють сотні фагових частинок, що мають нову білкову оболонку і ДНК всередині. Звідси ясно, що вся інформація про структуру фата міститься в ДНК. Генетична інформація, тобто пам'ять про структуру білків, характерних для даної клітини, закодована в нуклеотидній послідовності ДНК (або РНК для РНК-вмісних вірусів). При поділі клітин відбувається точне відтворення молекул ДНК із наступним рівним розподілом інформаційного матеріалу клітини між дочірніми клітинами.

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

 

Стрілки показують напрями перенесення генетичної інформації, а цифри — конкретні метаболічні процеси.

 

Існують три різновиди передачі генетичної інформації:

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

 

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

 

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

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

 

 

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

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

 

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

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

 

Загальна схема биосинтезу білків в клітині (ДНК РНК білок)

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

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

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

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

 

РЕГУЛЯЦІЯ БІОСИНТЕЗУ БІЛКІВ

Припускають, що геном людини містить від 50 до 100 тисяч генів (геном Е. coli – більше 3000). Кожна клітина організму містить повний набір генів, але ніколи не синтезує всі закодовані білки. Деякі білки наявні у клітині у великій кількості, а інші – у малій. Так, у більшості клітин наявні набори основних ферментів, що каталізують реакції головних шляхів метаболізму. Але клітини різних типів містять спеціалізовані білки, що реалізують характерні для даних клітин функції. Наприклад, еритроцити містять величезну кількість гемоглобіну, фібробласти – колагену, клітини скелетних м'язів – актину і міозину, але еритроцити не містять колагену, актину і міозину, а фібробласти – білків м'язів, печінки – гемоглобіну і т.п. Таким чином, кожна клітина має здатність контролювати біосинтез білків.

Зараз порівняно мало відомо про регуляцію експресії генів у тварин і більша частина результатів отримана в дослідженнях мікроорганізмів. Залежно від складу живильного середовища, бактерії синтезують багато ферментів з різною швидкістю. Наприклад, клітини Е. coli, які ростуть на середовищі, де єдиним джерелом вуглецю служить лактоза, містять фермент b-галактозидазу (лактазу) у кількості, що складає близько 3 % загального клітинного білка. Якщо ж середовище містить друге джерело вуглецю (глюкозу, фруктозу та ін.), то ця кількість зменшується у 1000 раз (до декількох молекул на клітину). Таким чином, внесення лактози в живильне середовище індукує синтез b-галактозидази; лактоза називається індуктором, а фермент – індукованим (індуцибельним). Кінцеві продукти певних ланцюгів реакцій (наприклад, реакцій синтезу амінокислот чи нуклеотидів) викликають репресію (гальмування) синтезу відповідних ферментів, що називаються репресованими (репресибельними). Такі кінцеві продукти ферментативних реакцій називаються корепресорами.

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

 

Регуляція експресії Lac—оперону E.Coli

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

 

Схема регуляції синтезу білків шляхом індукції:

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

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

 

Схема регуляції синтезу білків шляхом репресії:

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

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

 

На рисунку схематично зображений лактозний оперон. Він включає 3 розміщені поряд структурні гени, що кодують білки, необхідні для засвоєння лактози (b-галактозидазу, пермеазу і трансацетилазу). Перед ними розміщені регуляторні ділянки – промотор (П) і оператор (О). За відсутності лактози активний білок-репресор зв'язаний з оператором і транскрипція структурних генів заблокована. В результаті із-за відсутності мРНК синтез b-галактозидази і зв'язаних з нею ферментів пригнічується (репресується). Якщо у живильному середовищі є лактоза, вона зв'язується з білком-репресором і переводить його в неактивний стан, коли репресор втрачає здатність зв'язуватись з оператором. Від'єднання комплексу індуктор-репресор від оператора робить можливим зв'язування РНК-полімерази з промотором і транскрипцію мРНК структурних генів. Тим самим індукується синтез ферментів для засвоєння лактози.

У бактерій відкрито велику кількість оперонів. У частини оперонів білок-репресор, на відміну від лактозного, не може зв'язуватись з оператором, якщо в клітині відсутня низькомолекулярна речовина-корепресор. Такими оперонами є гістидиновий і триптофановий, які регулюють синтез ферментів, необхідних для біосинтезу бактеріями амінокислот гістидину і триптофану.

При відсутності цих амінокислот у живильному середовищі має місце транскрипція структурних генів відповідних оперонів, а значить, і синтез ферментів, необхідних для утворення амінокислот. При наявності гістидину чи триптофану вони зв'язуються з білком-репресором – продуктом регуляторного гена, комплекс репресор-корепресор приєднується до оператора, внаслідок чого транскрипція структурних генів не відбувається. Таким чином, при наявності амінокислот синтез ферментів, необхідних для їх утворення, репресується.

Приклад дії негативного зворотнього триптофанового репресора

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

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

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

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

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

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

 

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

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

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

Більш важлива роль в регуляції синтезу білка повинна належати негістоновим білкам ядра, яких нараховується понад 500 фракцій. Ці білки, як правило, містять негативний заряд і можуть зв'язуватись з певними специфічними ділянками ДНК. Тому вони відіграють роль позитивних регуляторів синтезу білка, полегшуючи транскрипцію в місцях зв'язування ДНК. Найбільш активно підсилюють транскрипцію фосфорильовані негістонові білки. Не виключено, що своїм значним негативним зарядом вони утворюють комплекс з позитивно зарядженими гістонами і відтягують їх від ДНК, що приводить до полегшення транскрипції. Регулятором транскрипції виступає і низькомолекулярна ядерна РНК (мала ядерна РНК), яка перебуває в ядрі у комплексі з білком (РНП). Такий рибонуклеопротеїн може вибірково включати гени шляхом комплементарної взаємодії з акцепторними ділянками транскриптону. Регуляторна функція малої ядерної РНК вивчається.

Регуляція синтезу білка в еукаріотів здійснюється на рівні транскрипції і трансляції. В першому випадку це проявляється у вибірковості дії різних регуляторів на окремі гени. Регуляція на рівні трансляції більше проявляється на швидкості синтезу окремих білків в рибосомах і менше на їх амінокислотному складі, бо під час трансляції лише механічно відтворюється програма мРНК. Речовини, що прискорюють синтез білка, називаються індукторами, а ті, що сповільнюють його, – інгібіторами. Індуктори (наприклад, гормони), потрапляючи в ядро клітини, взаємодіють з молекулами-регуляторами транскрипції або викликають їх модифікацію. Індуктори можуть включати "свої" гени в різних ділянках хромосом шляхом інактивації репресорної дії гістонів, зв'язуючись з ними або активуючи ферменти, які здійснюють їх фосфорилювання чи ацетилювання. Індуктори можуть також викликати модифікацію негістонових білків або діяти опосередковано через малу ядерну РНК. В кінцевому рахунку індуктор полегшує зв'язування РНК-полімерази з промотором і утворення копій транскриптонів-транскриптів.

Після припинення дії індуктора відбувається від'єднання модифікованих груп від гістонів, останні знову з'єднуються з ДНК, що призупиняє транскрипцію. Аналогічних змін зазнають і негістонові білки, які знову зв'язуються з хроматином.

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

Інгібітори синтезу білка використовують для пригнічення поділу і росту клітин.