Биосинтез пуриновых и пиримидиновых.

Синтез начинается с образования 5-фосфорибозил-1 -амина из рибозо-5-фосфат (АТФ-АМФ) получается 5-фосфорибозил- 1-дифосфат (гпутамин-глутомат\Н4Р2О7) 5-фосфорибозиламин.

затем к аминогруппе присоединяется остаток глицина и далее; последовательно протекают реакции ооразования пуринового ядра с использованием метешгаьной группы метенил-Н4фолата, еще одной амидной группы пгутамина, диоксида углерод, аминогруппы аспарагиновой кислоты, формнльного остатка формил-Н4-фолата. Результатом этой серии реакций является образование инозиновой кислоты (ИМФ).

Инозиновая кислота - это нуклеотид, пуриновая часть которого представлена гипоксантином: она встречается

в составе тРНК в качестве одного из минорных нуклеотидов. Кроме того, инозиновая кислота служит предшественником основных пуриновых нукпеотидов - АМФ и ГМФ, схема синтеза которых представлена. При действии специфических киназ эти нуклеозидмонофосфаты превращаются в нуюгеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты.Следуюшим образом а)инозиновая к-та (аспартат/ ГТФ-ГДФ+ НЗРО4) аленилоянтарная к-та (-фумарат) адениловая к-та (АТФ-АДФ) АДФ-АТФ б) инозиновая к-та (НЮ/ НАД+-НАДН+Н+) ксантиловая к-та (Н2О/ глутомин -глутомат, АТФ-АМФ+Н4Р2О7) гуаниловая к-та (АТФ-АДФ) ГДФ (АТФ-АДФ) ГТФ.

Пиримидиновое ядро пиримидиновых пуклеогидов образуется из диоксида углерода, амидной группы глутамина, аспарагиновой кислоты. В результате цепи реакций из этих веществ синтезируется уридинмонофосфорная кислота, которая в свою очередь служит предшественником других пиримидиновых нуклеотидов — цитидиловых и тимидиловых.

Биосинтез уридиловон кислоты. Первая реакция пути синтеза УМФ — это образование карбамоилфосфата при действии кар бамоилфосфатсинтетазы II (точнее, при действии карбамоилфосфатсинтетазного активного центра 1юлиф>нкцнон!ии>жмх> фермеша). Б зтой реакции ЫН2-1рушш кароамиилфисфт'а образуется за счет амидной lyyjuibj пгутамина:

СО2 + Глутамин + 2АТФ + Н2О-» H2N-CO-OPO3H2 + Глутамат + 2АДФ + НЗРО4

Напомним, что при синтезе мочевины в реакции, катализируемой карбамоилфосфатсинтетазой 1, используется аммиак, а не глутамин. Эти ферменты различаются также локализацией:

карбамоилфосфатсинтетаза 1 содержится в митохондриях, главным образом в печени, а карбамоилфосфатсинтетаза II—в цитозоле, практически во всех клетках организма.

Далее карбамоилфосфат в реакции с аспарагиновой кислотой образует карбамоиласпарагиновую кислоту, которая денатурируется с образованием пиримидинового цикла дигидрооротовой кислоты:

Первые три реакции—образование карбамоилфосфата, карбамоиласпартата и дигидрооротовой кислоты— катализируются одним белком, содержащим активные центры для катализа каждой из реакций, Карбамоилфосфат и карбамоиласпартат не освобождаются из фермент-субстратного комплекса; освобождающимся продуктом действия

этого белка является дигидрооротовая кислота, Следовательно, Карбамоилфосфат, образующийся при синтезе УМФ,

не может быть использован для синтеза мочевины.

Дигидрооротовая кислота при действии отдельного фермента (дегидрогеназы) превращается в оротовую кислоту. Две следующие реакции—образование оротидиловой кислоты и ее декарбоксилирование—катализируются также одним белком. Таким образом, шесть активных каталитических центров, необходимых для синтеза пиримидиновых нуклеотидов, кодируются только тремя структурными генами.

Биосинтез цитидиловых иуклеотндов. Из УМФ при действии специфических киназ образуются УДФ и УТФ: УМФ + АТФ -» УДФ + АДФ УДФ + АТФ -> УТФ + АДФ Путем аминирования УТФ образуется цнтидинтрифосфорная кислота, в этой

Более сложным путем из уридиловой кислоты (а также из цитидиловой кислоты) образуются тимидиловые нуклеотиды.

Синтез УМФ регулируется по механизму отрицательной обратной связи: УТФ является аллостерическим ингибитором первого фермента этой метаболической цепи — карбамоилфосфат-синтетазы II. Этот механизм предотвращает избыточный синтез не только УМФ, но и всех других пиримидиновых нуклеотидов, поскольку они образуются из УМФ.

 

Билет №28

Макроэргические соединения

Макроэргические соединения – это особая группа активированных биомолекул, которые участвуют в накоплении и трансформации энергии в биосистемах.

Биохимические превращения молекул происходят в полном соответствии с химическим законами. Принципиальная возможность протекания биохимических реакций, их направление и полнота осуществления зависят от количества энергии получаемой биохимической системой. Законы термодинамики вполне применимы к биологическим системам и на основе расчетных количественных параметров позволяют предсказать направление биохимических реакций, возможность использования определенной реакции для совершения полезной работы или определить количество внешней энергии, которая необходима для протекания биохимической реакции. Основные положения термодинамики формулируются с помощью термодинамических функций, к числу которых относится свободная энергия G и ее изменение в результате биохимической реакции (ΔG). Величина ΔG любой реакции может быть рассчитана и выражается в джоулях или калориях на моль. При стремлении биохимической системы к равновесию изменение свободной энергии характеризует энергию, которая при определенных условиях может стать доступной для совершения полезной работы. Следовательно, неравновесные системы самопроизвольно изменяются при условии уменьшения свободной энергии, т.е. если величина ΔG отрицательная. В состоянии равновесия самопроизвольное изменение свободной энергии не происходит. При условии доступности свободной энергии биохимическую систему можно вывести из равновесного состояния. Таким образом, если величина ΔG отрицательна, биохимическая реакция может происходить самопроизвольно (экзергоническая реакция), а если величина ΔG положительна, реакция может происходить только при условии поступления извне доступной свободной энергии (эндергоническая реакция). На этих термодинамических принципах по существу основана вся биохимия.

Среди биохимических реакций к числу экзергонических относятся реакции окисления. Например, ΔG полного аэробного окисления глюкозы по схеме С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О составляет около 2000000 кал/моль. У всех живых организмов эта энергия преобразуется путем сопряжения процесса окисления с синтезом 38 молекул универсального макроэргического соединения АТФ по реакции АДФ + Фн Û АТФ (ΔG~35000 Дж/моль). Запасенная энергия АТФ в свою очередь может трансформироваться в другие макроэргические соединения клетки и может утилизироваться в эндергонических биосинтетических реакциях (большинство природных соединений самопроизвольно не реагируют друг с другом и требуют активации), в транспорте ионов и молекул, в мышечном сокращении и др. Следовательно, с точки зрения термодинамики генерируемая в процессах биологического окисления энергия служит для поддержания живого организма в неравновесном состоянии.

Макроэргические соединения содержат особые высокоэнергетические связи (макроэргические связи) с ΔG гидролиза > 20000 Дж/моль, которые обозначают знаком ~. Макроэргические соединения живых организмов весьма разнообразны по химической структуре и классифицируются следующим образом:

 

Важнейшие макроэргические соединения перечислены в таблице. Среди них особая роль принадлежит высокоэнергетическим фосфатам (О ~ Р). В молекуле АТФ только две последние фосфоангидридные связи являются макроэргическими. Величина гидролиза макроэргических связей АТФ занимает промежуточное положение среди макроэргических соединений. Именно в этом заключается уникальность и универсальность АТФ, как макроэрга. Другие макроэргические нуклеотиды выполняют специализированные функции – ГТФ в биосинтезе белков, ЦТФ в синтезе липидов (в виде цитидиндифосфатхолина), УТФ - в биосинтезе олиго- и полисахаридов (в виде например, уридиндифосфатглюкозы). Четыре дНТФ (дАТФ, дГТФ, дЦТФ, ТТФ) используются в биосинтезе ДНК, а АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ – в биосинтезе РНК. Фосфоенолпируват и 1,3-дифосфоглицерат являются метаболитами гликолиза и участвуют в субстратном фосфорилировании АДФ до АТФ. Креатинфосфат используется как источник для мышечного сокращения при недостатке кислорода. У насекомых эту функцию выполняет L-аргининфосфат. Ацилкарнитин служит для переноса жирных кислот через мембрану митохондрий. S-Аденозилметионин выполняет роль донора метильных групп в биосинтетических реакциях. Донором остатков серной кислоты является 3’-фосфоаденозин-5’-фосфосульфат. В биосинтезе нуклеотидов используется активированная форма рибозы - 5-фосфорибозил-1-пирофосфат. Ацетил-КоА – это активированный двууглеродный продукт окисления моносахаридов и жирных кислот, подвергающийся полному окислению в цикле Кребса. Ацетилфосфат используется у микроорганизмов для фосфорилирования моносахаридов. Аминоацил-тРНК - это активированные формы аминокислот, вступающих в биосинтез белков. Карбамоилфосфат - это активированная форма аммиака для синтеза аргинина и мочевины, а также участник биосинтеза пиримидинов. Все эти макроэргические соединения образуются при прямом или опосредованном участии АТФ.

Гидролазы, роль

ГИДРОЛАЗЫ, класс ферментов, катализирующих гидролиз. Могут действовать на сложноэфирные и гликозидные связи, на связи С—О в простых эфирах, С—S в сульфидах, С—N в пет идах, и др.

Гидролазы, катализирующие гидролиз сложноэфирных связей (эстеразы), действуют на сложные эфиры карбоновых и тио-карбоновых к-т, моноэфиры фосфорной к-ты и др. К этому подклассу относятся, в частности, ферменты, играющие важную роль в метаболизме липидов, нуклеиновых к-т и нуклеозидов, напр. арилсульфатазы, ацетилхолинэстераза, дезоксирибонуклеазы, липазы, фосфатазы, фосфолипазы и эндодезоксирибонуклеазы.

Наиб. группу ферментов, расщепляющих гликозидные связи, представляют те, к-рые катализируют гидролиз олиго- и полисахаридов, напр. амилазы, лизоцим и нейраминидаза. Многие гидролазы этого подкласса специфичны к положению гликозидной связи и к конфигурации аномерного атома С углевода.

Ферменты, катализирующие гидролиз связи С—N в пептидах и белках (пептидгидролазы),- самая многочисленная группа гидролаз. К ним относятся ферменты, отщепляющие одну или две аминокислоты с N- или С-конца полипептидной цепи (напр., аминопептидазы, карбоксипептидазы), а также эндопептидазы, или протеиназы, расщепляющие цепь вдали от концевых остатков. Последние классифицируют не по специфичности к субстрату, как остальные гидролазы, а по типу каталитически активных групп в активном центре. В соответствии с этим различают сериновые, тиоловые, карбоксильные и металлзависимые протеиназы. Пептидгидролазы играют важную роль не только в катаболизме белков и пептидов, но и в биол. регуляции (гормональной регуляции, активации проферментов, регуляции кровяного давления и солевого обмена и т.д.).

Ферменты, катализирующие гидролиз связей С—N в амидах, амидинах и нитрилах, играют важную роль в метаболизме амидов аминокислот (напр., аспарагина и глутамина), мочевины и ее производных (напр., барбитуратов), пуринов и пиримидинов и др. К гидролазам этого подкласса относятся, напр., аспарагиназы и уреаза.

Гидролазы, расщепляющие связь элемент-кислород в ангидридах неорг. к-т, действуют гл. обр. на фосфоангидридные связи в нуклеозиддифосфатах и нуклеозидтрифосфатах. В эту группу входят, напр., аденозилтрифосфатазы.

Разрыв связи С—С в 3-оксокарбоновых к-тах катализируется, напр., оксалоацетазой, превращающей ацетилщавелевую к-ту в щавелевую и уксусную. Др. подклассы гидролаз известны своими очень немногочисленными представителями.

Гидролазы-белки с мол. м. от 10-15 тыс. до 200-300 тыс. Они проявляют свою каталитич. активность, как правило, в отсутствие к.-л. кофакторов; лишь в нек-рых случаях необходимы ионы металлов-гл. обр. Zn²⁺, Co²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺. Для небольшого числа гидролаз известна первичная, а для нек-рых и пространств. структура молекулы (напр., для лизоци-ма, пепсина, трипсина, химотрипсина). Отмечено значит. сходство структуры ферментов одного подкласса, особенно в области активного центра. Так, мн. протеиназы имеют в активном центре одинаковую последовательность аминокислот: Gly Asp Ser Gly Gly Pro (обозначения см. в ст. Аминокислоты). Близкое строение имеет и активный центр ряда эстераз.

Каталитически активными группами в гидролазах являются: группа ОН остатка серина в химотрипсине, панкреатич. липазе, щелочной фосфатазе, аспарагиназе и др.; группа SH остатка цистеина, напр. в папаине; группа СООН остатков аспарагиновой и глутаминовой к-т в пепсине, лизоциме, карбоксипептидазе и др.; имидазольная группа остатка гистидина, напр. в рибонуклеазе, глюкозо-6-фосфатазе. Эти группы могут функционировать как нуклеоф. катализаторы, образуя с субстратом ковалентное промежут. соед., или как кислотно-основные катализаторы, способствуя отщеплению протона от молекулы Н₂О, атакующей расщепляемую связь, и протонируя уходящую группу субстрата. Атомы металла в металлсодержащих гидролазах поляризуют расщепляемую связь, включая в свою координац. сферу молекулу Н₂О, способствуя ее ионизации. Активность гидролаз подавляется многими специфич. ингибиторами. Так, сериновые протеиназы и эстеразы инактивируются фосфорорг. соед. (напр., диизопропилфторфосфатом, зарином, зоманом), тиоловые гидролазы - реагентами на SH-группу (напр., N-этилимидом малеиновой к-ты), металлсодержащие ферменты - хелатообразующими реагентами (напр., этилендиаминтетрауксусной к-той).

Гидролазы находят применение в пром-сти, медицине и с. х-ве, напр. для получения сахарных сиропов из крахмала и целлюлозы, осветления и стабилизации соков и виноматериалов, лечения ожогов, заболеваний желудочно-кишечного тракта, тромбозов.