Распад нуклеиновых кислот

Полимерные молекулы нуклеиновых кислот расщепляются в тканях преимуще­ственно гидролитическим путем при участии специфических ферментов, относящихся к нуклеазам. Различают эндонуклеазы, разрывающие внутренние межнуклеотидные связи в молекуле ДНК и РНК, вызывающие деполимерацию нуклеиновых кислот с образованием олигонуклеотидов, и экзонуклеазы, катализирующие гидролитическое отщепление концевых мононуклеотидов от ДНК и РНК или олигонуклеотидов.

Помимо гидролитических нуклеаз, имеются ферменты, катализирующие распад нуклеиновых кислот, например посредством трансферазной реакции. Они катализи­руют перенос остатка фосфорной кислоты от 5'-го углеродного атома рибозы одного мононуклеотида ко 2'-му углеродному атому соседнего мононуклеотида, сопровож­дающийся разрывом межнуклеотидной связи и образованием фоефодиэфирной связи между 2'-м и З'-м углеродным атомами рибозы одного и того же мононуклеотида. Сейчас открыты следующие группы нуклеаз, катализирующие распад ДНК и РНК.

Дезоксирибонуклеазы I катализируют разрыв внутренних фосфодиэфирных свя­зей в одной из двух цепей молекулы ДНК между З'-м углеродным атомом дезокси-рибозы и остатком фосфата с образованием низкомолекулярных олигодезоксирибо-нуклеотидов:

ДНК + (п — 1)Н₂О -► п-Олигодезоксирибонуклеотиды

Среди продуктов реакции открываются также моно- и динуклеотиды. Типичными представителями этих ферментов является ДНКазы поджелудочной железы. Одна из них была получена в чистом виде, расшифрована последовательность всех ее 257 аминокислот. Фермент наиболее активен при рН 6,8 — 8,0, активируется двух­валентными ионами Mg²* и Мп²⁺ и ингибируется конечными продуктами фермен­тативной реакции — олигонуклеотидами.

Дезоксирибонуклеазы II вызывают деполимеризацию молекулы ДНК в резуль­тате парных разрывов фосфодиэфирных связей обеих цепей ДНК с образованием более крупных олигодезоксирибонуклеотидов. Представителем их является ДНКаза II, выделенная из селезенки, имеющая молекулярную массу 38 000 Да и состоящая из 343 аминокислотных остатков. В составе этой ДНКазы открыт глюкозамин. Фермент также активируется ионами металлов, ингибируется анионами; его оптимум рН ко­леблется между 5,5 и 5,8.

Помимо этих ферментов, открыты (преимущественно у микроорганизмов) еще экзодезоксирибонуклеазы, гидролизующие фосфодиэфирные связи молекулы ДНК с отщеплением концевых 5'-дезоксирибонуклеотидов; например, из Е. coli выделено 4 таких фермента, обозначенных экзодезоксирибонуклеазами I, II, III и IV.

Рестриктазы — ферменты ДНКазного типа действия, катализируют распад чуже-

родной (в основном фаговой) ДНК в строго определенных участках молекулы, имеющих структуру палиндромов. Из Е. coli выделены и охарактеризованы две такие рестриктазы, обозначаемые EcoRI и EcoRII соответственно. Рестриктазы обладают строгой специфичностью действия, поэтому они используются для расшифровки последовательности нуклеотидных остатков в ДНК фагов и вирусов. Кроме этого, уникальное свойство рестриктаз находит все большее практическое применение в гене­тической инженерии при «вырезании» определенных фрагментов ДНК и «встраива­нии» их в геном бактериальной ДНК (получение рекомбинантных ДНК), способствуя тем самым передаче клетке ряда не свойственных ей прежде наследственных свойств. Теоретическое и главным образом практическое значение подобных исследований трудно переоценить. Свидетельством огромного интереса к проблемам генетической инженерии является создание и успешное выполнение в рамках АН СССР комплексной программы — проекта «Рестриктазы». Многие сотни рекстриктаз выделены в очищен­ном состоянии и уже являются коммерческими препаратами.

Из ферментов, катализирующих гидролитический распад РНК, наиболее изучены рибонуклеазы I. Они гидролизуют фосфодиэфирные связи внутри молекулы РНК. Выделенная из поджелудочной железы многих животных РНКаза состоит из 124 ами­нокислот во всех случаях, хотя ферменты несколько различаются по последователь­ности аминокислотных остатков; выяснена третичная структура ряда РНКаз (см. гла­ву 4). Получен в гомогенном состоянии из плесневого гриба аспергилла фермент — гуанилрибонуклеаза, катализирующая эндонуклеолитическое расщепление РНК.

Из ферментов, осуществляющих распад ДНК и РНК не по гидролитическому пути, следует назвать полинуклеотид-фосфорилазу и группу ДНК-гликозидаз. В на­стоящее время подробно изучены физико-химические свойства и биологическая роль микробной полинуклеотид-фосфорилазы в лаборатории С. С. Дебова; в той же лабо­ратории фермент открыт в животных тканях. Механизм действия фермента сводится к переносу нуклеотидных остатков с РНК на неорганический фосфат; при этом обра­зуется рибонуклеотиддифосфат (РДФ):

РНН + Н₃РО₄ ------- (РНН)_П_, + РДФ

Предполагают, что in vivo фермент катализирует распад клеточных РНК, пред­почтительнее мРНК, до нуклеозиддифосфатов, участвуя тем самым в регуляции кон­центрации клеточного неорганического фосфата. Следует указать еще на одну не менее важную, уникальную функцию полинуклеотид-фосфорилазы — способность фер­мента катализировать в опытах in vitro синтез из свободных нуклеозиддифосфатов полирибонуклеотидов с заданной последовательностью. Этот фермент сыграл выдаю­щуюся роль в расшифровке кода белкового синтеза в лабораториях лауреатов Нобе­левской премии С. Очоа и М. Ниренберга (см. главу 13).

Группа ДНК-гликозидаз участвует в реакциях отщепления модифицированных пуриновых и пиримидиновых оснований (например, урацила, образующегося при дезаминировании остатка цитозина в одной из цепей ДНК). ДНК-гликозидазы вы­полняют важную функцию в процессах репарации (восстановления структуры) моле­кулы ДНК. В результате последовательного действия разнообразных клеточных экзо-и эндонуклеаз нуклеиновые кислоты подвергаются распаду до стадии рибо- и дезоксирибонуклеозид-3' и 5'-фосфатов. Дальнейший распад образовавшихся про­дуктов связан с ферментативными превращениями мононуклеотидов¹, нуклеозидов и далее свободных азотистых оснований. На первом этапе гидролиза действуют 3'-и 5'-нуклеотидазы, катализирующие гидролитический распад мононуклеотидов до свободных нуклеозидов с отщеплением неорганического фосфата, соответственно от С-3' или С-5' атомов углеводного остатка. На втором этапе распада происходит перенос остатка рибозы от нуклеозида на свободную фосфорную кислоту с обра­зованием рибозо-1-фосфата и свободного азотистого основания.

Распад пуриновых нуклеозидов

Образовавшиеся при гидролизе пуриновые нуклеозиды — аденозин и гуанозин — подвергаются ферментативному распаду в организме животных вплоть до образо­вания конечного продукта — мочевой кислоты, которая выводится с мочой из орга­низма. У человека, приматов, большинства животных, птиц и некоторых рептилий мочевая кислота является конечным продуктом пуринового обмена; у других реп­тилий и некоторых млекопитающих мочевая кислота расщепляется до аллантоина, а у рыб — до аллантоиновой кислоты и мочевины. Последовательность всех этих превращений, катализируемых специфическими ферментами, можно представить на следующей схеме:

Распад пиримидиновых нуклеозидов

Начальные этапы реакции распада пиримидиновых нуклеозидов катализируются специфическими ферментами; конечными продуктами реакции являются COj, NH3, мочевина, (3-аланин и (3-аминоизомасляная кислота. Следует указать, что гидролити­ческий путь распада пиримидинов является, очевидно, главным путем образования (3-аланина, который может служить источником для синтеза ансерина и карнозина (см. главу 19), а также для образования коэнзима А. Известно, кроме того, что Р-ала-нин в животных тканях подвергается дальнейшему распаду. В тканях животных от­крыта специфическая аминотрансфераза, катализирующая трансаминирование между Р-аланином и пировиноградной кислотой. В процессе этой обратимой реакции син­тезируются ос-аланин и формилацетат (полуальдегид малоновой кислоты):

Образовавшийся формилацетат далее подвергается окислительному декарбоксили-рованию с образованием углекислоты и ацетил-КоА.

Дата добавления: 2014-12-27