Функции мононуклеотидов

Структурная.

Из мононуклеотидов построены нуклеиновые кислоты, некоторые коферменты и простетические группы ферментов.

Энергетическая.

Мононуклеотиды удерживают макроэргические связи - являются аккумуляторами энергии. АТФ - это универсальный аккумулятор энергии, энергия УТФ используется для синтеза гликогена, ЦТФ - для синтеза липидов, ГТФ - для движения рибосом в ходе трансляции (биосинтез белка) и передачи гормонального сигнала (G-белок).

Синтез АТФ из АДФ происходит двумя способами: окислительное и субстратное фосфорилирование, синтез любых других нуклеотидтрифосфатов (НТФ) из дифосфатных форм - через АТФ путем переноса фосфата: НМФ + АТФ (НДФ + АДФ).

Фермент: нуклеотидмонофосфокиназа: НДФ + АТФ (НТФ + АДФ).

Фермент: нуклеотиддифосфокиназа.

Эти переходы протекают очень легко.

Регуляторная.

Мононуклеотиды- аллостерические эффекторы многих ключевых ферментов, цАМФ и цГМФ являются посредниками в передаче гормонального сигнала при действии многих гормонов на клетку (аденилатциклазная система), они активируют протеинкиназы.

Азотистое основание аденин является более универсальным, чем остальные: у него такое взаимное расположение аминогруппы с фосфатом, что возможен синтез АТФ из АДФ и неферментативным путем.

Обмен нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты в организме постоянно обновляются. В норме синтез и распад находятся в состоянии динамического равновесия.

Катаболизм нуклеиновых кислот.

Начинается с гидролиза 3, 5-фосфодиэфирной связи под действием ферментов нуклеаз.

1. ДНКазы - расщепляют ДНК.
   
   
2. РНКазы - расщепляют РНК.
   

Среди ДНКаз и РНКаз различают:

1. экзонуклеазы (5 и 3);
   
   
2. эндонуклеазы - специфичны к мононуклеотидной последовательности, есть высокоспецифичные: рестриктазы - используются в генной инженерии.
   

Далее происходит отщепление фосфата от мононуклеотида с участием ферментов нуклеотидаз с образованием нуклеозидов.

Нуклеозид может расщепляться путем гидролиза под действием фермента нуклеозидазы на азотистое основание и пентозу, но чаще происходит фосфоролиз - при этом нуклеозид расщепляется на азотистое основание и фосфорибозу.

Нуклеазы очень многообразны. Различают ДНКазы и РНКазы. Отличаются друг от друга по месту действия. Бывают эндонуклеазы (расщепляют внутренние 3, 5-фосфодиэфирные связи) и экзонуклеазы (отщепляют концевые мононуклеотиды). Встречается 2 типа экзонуклеаз: 3-экзонуклеазы - отщепляют мононуклеотид с 3-конца молекулы, и 5-экзонуклеазы - отщепляют 5-концевой мононуклеотид.

Нуклеазы могут отличаться друг от друга и по специфичности. Пищеварительные нуклеазы и нуклеазы лизосомальные отличаются низкой специфичностью, у них упрощенное строение активного центра. У высокоспецифичных нуклеаз очень сложное строение активного центра. Они способны "узнавать" целую последовательность нуклеотидов из 4-10 пар и расщеплять одну-единственную связь в строго определенном месте (если "узнаваемый" участок содержит содержит 4 нуклеотидные пары, то расщепляется, в среднем, одна связь из 250 возможных). Такие высокоспецифичные ДНКазы называются рестриктазами. Участки ДНК, "узнаваемые" рестриктазами, называются полиндромными последовательностями. Рестриктазы широко применяются в генной инженерии.

Пентозы, образующиеся в ходе катаболизма нуклеиновых кислот, могут быть утилизированы во II-м этапе ГМФ-пути.

Азотистые основания также подвергаются дальнейшему катаболизму, но по-разному, в зависимости от их типа - пуриновых (аденина, гуанина) или пиримидиновых (тимина, цитозина и урацила).

Катаболизм пиримидиновых азотистых оснований

Различия в катаболизме пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований. 

Пиримидиновые азотистые основания подвергаются тотальному разрушению до СО₂, Н₂О и NH₃.

Пуриновые азотистые основания сохраняют циклическую структуру пурина. Конечный продукт: мочевая кислота - вещество пуриновой природы.

Аминогруппа азотистых оснований очень легко могут отщепляться гидролитическим путем. Аминогруппа может отщепляться, когда азотистое основание еще находится в составе нуклеозида, мононуклеотида и даже в составе нуклеиновой кислоты. Но поскольку в организме урацил не входит в состав ДНК, то дезаминирование цитозина и превращение его в урацил воспринимается клеткой как ошибка и исправляется.

• аланин обычно разрушается до CO₂, H₂O и NH₃, но иногда может использоваться для синтеза пептидов карнозина и ансерина в мышечной ткани. У микроорганизмов -аланин используется и для синтеза HS-КоА. Конечным продуктов распада пиримидиновых азотистых оснований можно считать и мочевину, которая образуется из аммиака.
  Тимин распадается подобно урацилу, но сохраняется CH₃-группа, и вместо -аланина образуется -аминоизобутират (-метил--аланин). Поскольку тимин встречается только в ДНК, то по уровню -аминоизобутирата в моче судят об интенсивности распада ДНК.
  
  
• аминоизобутират выводится из организма и определение его количества в моче может использоваться для оценки катаболизма ДНК.
  

Катаболизм пуриновых азотистых оснований

Распад начинается с отщепления аминогруппы (ее отщепление также возможно в составе ДНК).

Фермент аденозиндезаминаза иногда образуется в дефектной мутантной форме, что приводит к врожденному иммунодефициту, так как нуклеотиды являются регуляторами функций лейкоцитов. При СПИДе активность этого фермента также значительно снижена.

Образовавшийся инозин подвергается фосфоролизу, и далее гипоксантин подвергается двукратному окислению путем отнятия водорода с одновременным присоединением воды. Эти две одинаковые реакции катализирует один и тот же фермент - ксантиноксидаза.

Ксантиноксидаза может существовать в двух формах:

1. D-форма - дегидрогеназная;
   
   
2. O-форма - оксидазная.
   

Формы отличаются друг от друга по способности передавать 2 атома водорода. D-форма передает водород на главную дыхательную цепь митохондриального окисления, а O-форма - сразу на кислород с образованием H₂O₂. D-форма может переходить в О-форму путем ограниченного протеолиза при отщеплении небольшого участка молекулы.

Генетический дефект ксантиноксидазы проявляется ксантинурией и образованием ксантиновых камней в тканях. В этом случае источник ксантина - гуанин, подвергающийся гидролитическому дезаминированию.

Кроме, как у человека, мочевая кислота является конечным продуктом катаболизма пуринов у приматов, птиц, змей и ящериц.

Для других животных пуриновое кольцо подвергается распаду, за исключением долматской собаки.

Мочевая кислота является одним из нормальных компонентов мочи. За сутки в организме образуется около 1 г мочевой кислоты. Мочевая кислота выводится из организма с мочой - это обычный ее компонент, но в почках организма человека происходит ее интенсивная реабсорбция. Концентрация мочевой кислоты в крови поддерживается на постоянном уровне 0,12-0,30 ммоль/л.

В организме мочевая кислота существует, как правило, в лактимной форме.

Функции мочевой кислоты

1. Является мощным стимулятором центральной нервной системы, ингибируя фосфодиэстеразу, которая служит посредником действия гормонов адреналина и норадреналина. Мочевая кислота пролонгирует (продлевает) действие этих гормонов на ЦНС.
   
   
2. Обладает антиоксидантными свойствами - способна взаимодействовать со свободными радикалами.
   

Уровень мочевой кислоты в организме контролируется на генетическом уровне. Для людей с высоким уровнем мочевой кислоты характерен повышенный жизненный тонус.

Однако повышенное содержание мочевой кислоты в крови (гиперурикемия) небезопасно. Сама мочевая кислота и, особенно, ее соли ураты (натриевые соли мочевой кислоты) плохо растворимы в воде. Даже при незначительном повышении концентрации они начинают начинают выпадать в осадок и кристаллизоваться, образуя камни. Кристаллы воспринимаются организмом как чужеродный объект. В суставах они фагоцитируются макрофагами, сами клетки при этом разрушаются, из них освобождаются гидролитические ферменты. Это приводит к воспалительной реакции, сопровождающейся сильнейшими болями в суставах. Такое заболевание называется подагра. Другое заболевание, при котором кристаллы уратов откладываются в почечной лоханке или в мочевом пузыре, известно как мочекаменная болезнь.

Для лечения подагры и мочекаменной болезни применяются:

1. ингибиторы фермента ксантиноксидазы. Например, аллопуринол - вещество пуриновой природы, является конкурентным ингибитором фермента. Действие этого препарата приводит к повышению концентрации гипоксантина. Гипоксантин и его соли лучше растворимы в воде, и легче выводятся из организма.
   
   
2. диетическое питание, исключающее продукты, богатые нуклеиновыми кислотами, пуринами и их аналогами: икра рыб, печень, мясо, кофе и чай.
   
   
3. соли лития, поскольку они лучше растворимы в воде, чем ураты натрия.
   

Синтез нуклеиновых кислот

Для синтеза мононуклеотидов de novo необходимы очень простые вещества: CO₂и рибозо-5-фосфат (продукт 1-го этапа ГМФ-пути). Синтез происходит с затратой АТФ. Кроме этого, необходимы заменимые аминокислоты, которые синтезируются в организме, поэтому даже при полном голодании синтез нуклеиновых кислот не страдает.

Роль аминокислот в синтезе мононуклеотидов.

1. Аспарагин. Является донором амидной группы.
   
   
2. Аспарагиновая кислота;
   
   
3. является донором аминогруппы;
   
   
4. участвует в синтезе всей молекулой.
   

Глицин:

1. является донором активного С₁;
   
   
2. участвует в синтезе всей молекулой; может видоизменяться до серина. Является донором активного С₁.