Синтез нуклеопротеидов и нуклеиновых кислот

Установлено, что исходным веществом для синтеза нуклеиновых кислот являются нуклеозид-5'-трифосфаты. Из трех основных частей нуклеозид-5'-трифосфатов (азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты) азотистые основания (пуриновые или пиримидиновые) создаются специфическим путем.

Пути возникновения пуриновых и пиримидиновых оснований различны. Однако существуют и некоторые черты сходства в механизме их образования. Это:

1) широкое использование глицина, аспарагина и глутамина в качестве
источников азота гетероциклических колец;

2) включение в состав пуриновых и пиримидиновых циклов атомов
углерода из двуокиси углерода и формиата;

3) построение пуринового основания и завершение синтеза пиримидинового основания на рибозо-5-фосфате, в результате чего конечными продуктами биосинтеза являются сразу нуклеозид-5’-фосфаты, а не свободные аденин, гуанин, урацил или тимин;

4) ферментативный характер всех реакций, осуществляющихся в процессе синтеза нуклеотидов.

Рассмотрим сначала путь биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов. На первом этапе происходит биосинтез карбамил-фосфата из NH3, и СО2 при участии АТФ.

Далее при участии специфического фермента (аспартаткарбамил-трансферазы) карбамил переносится на аминогруппу аспарагиновой кислоты с образованием карбамиласпарагиновой кислоты и фосфорной кислоты.

При сближении аминной и карбоксильной групп карбамиласпарагиновой кислоты происходит взаимодействие между ними с выделением молекулы воды и образованием дигидрооротовой кислоты. Реакция катализируется ферментом дигидрооротазой, относящейся к классу гидролаз.

Образовавшаяся дигидрооротовая кислота окисляется при участии
дегидрогеназы с флавинадениндинуклеотидом (ФАД) или

никотинамиддинуклеотидом (НАД) в качестве кофермента в оротовую кислоту.

Оротовая кислота вступает в реакцию с 5'-фосфорибозил-Г-пиро-фосфатом при участии фермента, относящегося к группе трансгликозидаз. Образуется нуклеотид оротидин-5'-фосфат и пирофосфат.

Далее происходит декарбоксилирование оротидин-5'-фосфата с образованием пиримидиннуклеотида уридин-5'-фосфата.

Уридин-5'-фосфат занимает центральное место в биосинтезе пиримидиннуклеотидов, так как может превращаться в другие пиримидиновые нуклеотиды, что осуществляется путем реакций восстановления, аминирования, фосфорилирования и метилирования.

В результате всех этих реакций обеспечивается создание фонда свободных пиримидиннуклеозидтрифосфатов (УТФ, ЦТФ, дЦТФ, дТТФ), используемых в последующем для биосинтеза ДНК и РНК.

Из пиримидиновых нуклеотидов образуются дезоксирибонуклеотиды путем прямого восстановления рибонуклеотидов у 2-го атома углерода при участии сложной ферментной системы. Источником атомов водорода для восстановления рибонуклеотидов служит особый белок - восстановленный тиоредоксин.

В отличие от пиримидиновых оснований формирование пуриновых сразу совершается на 5'-фосфорибозил-Г-пирофосфате, причем, в построение пуринового кольца путем последовательных реакций вовлекается азот дикарбоновых аминокислот, амидный азот глутамина, одноуглеродные фрагменты (СО₂) и атомы азота и углерода глицина. Важным промежуточным продуктом при синтезе пуриновых нуклеозидфосфатов является инозиновая кислота, образование которой происходит в результате последовательных 11-ти ферментативных реакций с использованием пяти молекул АТФ. Инозиновая кислота далее может превращаться в адениловую и гуаниловую кислоты путем окисления и аминирования. Превращение адениловой и гуаниловой кислот соответственно в АТФ и ГТФ происходит в двух последовательных фосфокиназных реакциях.

Из пуриновых нуклеотидов, наряду с рибонуклеозидтрифосфатами, возникают также соответствующие дезоксирибонуклеозидтрифосфаты.

Из возникших пуриновых и пиримидиновых дезокси- и рибонуклеозидтрифосфатов могут образовываться нуклеиновые кислоты.

Установлено, что генетическая программа закладывается и хранится в ДНК хромосом ядер и митохондрий клеток. Передача генетической информации осуществляется от ДНК через РНК к белку, который является главным носителем жизни (центральный постулат молекулярной биологии). Перенос генетической информации от ДНК к ДНК (т.е. биосинтез ДНК в клетке) получил название репликация или редупликация или самоудвоение. Репликация происходит во время деления клеток и размножения вирусов, когда необходимо целиком передать информацию от одного организма к другому. Перенос генетической информации от ДНК к РНК называется транскрипцией или переписыванием, при этом копируется информация только отдельных участков ДНК, в которых закодировано строение определенного белка. Перенос генетической информации от РНК к белку называется трансляцией или переводом, при этом транслируется только и-РНК (м-РНК) и происходит перевод информации с нуклеотидного алфавита на аминокислотный алфавит, что приводит к синтезу определенного белка.

Синтез ДНК (репликация) характеризуется рядом особенностей.

При биосинтезе ДНК первой характерной чертой специфического биосинтеза является то, что он протекает только при участии всех четырех видов дезоксирибонуклеозид-5’-трифосфатов (дАТФ, дГТФ, дЦТФ , дТТФ). Вторая особенность состоит в том, что биосинтез ДНК идет при каталитическом воздействии комплекса ферментов: ДНК-репликазной системы или реплисомы, включающей более 40 т.н. репликативных ферментов и белковых факторов, в том числе ДНК-полимеразы I, II и III, РНК-полимеразы, ДНК-лигазы, ДНК‑связывающего, ДНК‑закручивающего и ДНК‑раскручивающего белка и др. Наконец, третьей чертой биосинтеза ДНК является необходимость для его осуществления «затравки» в виде олигорибонуклеотида и ДНК‑матрицы, что обеспечивает специфический биосинтез нуклеиновых кислот со строго заданной последовательностью нуклеотидных остатков в синтезируемой молекуле по механизму комплементарности азотистых оснований дочерней ДНК и ДНК‑матрицы.

Детали синтеза пока не ясны. Считается, что биосинтез ДНК начинается с раскручивания биспиральной цепи ДНК с образованием т.н. репликативных вилок, двух репликативных вилок в фиксированной точке родительской ДНК под влиянием ДНК‑раскручивающего белка у прокариот или сразу множества репликативных вилок у эукариот. Инициация синтеза дочерней ДНК предварительно требует синтеза на одной из одноцепочечных цепей (т.н. ведущей цепи) необычного затравочного олигорибонуклеотида (т.н. праймера – затравки) со свободной ОН‑группой у 3’-углеродного атома рибозы. С этой ОН‑группы праймера начинается затем истинный синтез дочерней ДНК по принципу комплементарности азотистых оснований под влиянием ДНК‑полимеразы III в направлении 5’ à 3’, обратному направлению исходной цепи ДНК. На второй цепи ДНК-матрицы (т.н. отстающей цепи) также идет синтез ДНК, но в виде фрагментов (т.н. фрагментов Оказаки) в направлении 5’ à 3’. В последующем фрагменты ДНК объединяются при участии ДНК-лигаз в единую полинуклеотидную цепь. Праймер разрушается рибонуклеазой Н с последующей заменой на фрагмент ДНК с помощью ДНК-полимеразы I.

В процессе синтеза строго соблюдается принцип комплементарности, т.е. против аденина матрицы становится тимин, против гуанина матрицы – цитозин нуклеозидтрифосфатов. Между комплементарными азотистыми основаниями матрицы и вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи образуются водородные связи. Вновь синтезированная цепь не только комплементарна матричной цепи, но и имеет противоположную полярность, т.е. антипараллельна.

Таким образом, в результате реакции синтеза ДНК на одной биспиральной молекуле ДНК-матрицы синтезируются две биспиральные молекулы ДНК, причем как качественное, так и количественное содержание нуклеотидных остатков в матричной и вновь синтезируемой нуклеиновой кислоте совпадают. Каждая образовавшаяся двухспиральная молекула ДНК имеет одну старую (родительскую) и одну новую (дочернюю) цепь.

При синтезе ДНК происходит прямое копирование структуры матрицы, и поэтому этот процесс получил название редупликации (или репликации).

Кроме синтеза ДНК на ДНК-матрице открыта система биосинтеза ДНК на РНК при посредстве фермента, названного обратной транскриптазой или ревертазой или РНК‑зависимой ДНК-полимеразой. Этот фермент был обнаружен в 1970 году Д. Балтимором, Г. Теминым и С. Мизутани в составе различных вирусов.Фермент в последующее время был открыт также во многих клетках прокариотов и эукариотов. Новый путь синтеза ДНК получил название обратная транскрипция.

Особенность обратной транскрипции состоит в том, что в качестве матрицы выступает РНК. В этом случае синтез ДНК на РНК протекает в три этапа. Вначале на одноцепочечной РНК-матрице с помощью фермента РНК‑зависи­мой-ДНК-полимеразы (ревертазы) синтезируется одноцепочечная ДНК. В результате образуется биспиральная (т.е. двухцепочечная) РНК‑ДНК-молекула, в которой затем расщепляется РНК-цепь, а оставшаяся цепь ДНК служит матрицей для синтеза двухцепочной ДНК. Третий этап катализируется ферментом ДНК-зависимой-ДНК-полимеразой.

Предполагают, что дополнительный механизм синтеза ДНК может быть использован для внесения в геном новой информации.

Синтез РНК на матричной ДНК получил название транскрипции (переписывания). В отличие от синтеза ДНК синтез РНК на матричной ДНК идет, как правило, только на отдельных участках одной из цепей ДНК. Специфичность синтеза РНК во многом определяется РНК-полимеразой, состоящей из большого числа субъединиц и наделенной механизмом узнавания начальной точки синтеза, выбора соответствующей цепи ДНК и завершения процесса синтеза. Полагают, что у Е. coli имеется единственная ДНК-зависимая-РНК-полимераза, которая катализирует синтез всех типов клеточных РНК. У эукариотов открыты три разные РНК-полимеразы (І,ІІ,ІІІ) с большой молекулярной массой и специфическими функциями. РНК-полимераза І- ответственна только за синтез р-РНК; РНК-полимераза ІІ – за синтез и-РНК; РНК-полимераза ІІІ – за синтез т-РНК. У эукариотов работу РНК-полимеразы обеспечивает множество регуляторных белков – это факторы транскрипции. Транскрипция требует наличия всех четырех видов рибонуклеозидтрифоофатов: АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ. Отрезок ДНК подвергавшийся транскрипции, получил название транскриптона (или оперона у прокариот). Транскриптон включает несколько зон, имеющих разную функцию: промотор, оператор, структурные гены, терминатор.

Биосинтез РНК начинается с зоны молекулы ДНК, получившей название промотора. Между промотором и информативной последовательностью нуклеотидных остатков ДНК располагается зона оператора. Если оператор не занят белком-репрессором, РНК-полимеразная реакция осуществляется путем транскрибирования (переписывания) вначале неинформативной зоны оператора, а затем информативной зоны гена (цистрона), в котором закодирована структура индивидуального белка или р-РНК или т-РНК. Образуются первичные транскрипты (пре-и-РНК, пре-р-РНК, пре-т-РНК). В дальнейшем происходит видоизменение синтезированной пре-РНК, сопровождающееся разрушением ее неинформативной части и модификацией информативной части.

Помимо матричного синтеза РНК известен и другой путь – неспецифический синтез РНК. В этом случае исходными соединениями служат рибонуклеозиддифосфаты. Реакция идет с выделением фосфорной кислоты и образованием фосфодиэфирного мостика от 5’-го к 3’-му углеродному атому остатков рибозы. Реакция ускоряется специфическим ферментом – полинуклеотидфосфорилазой, причем без участия полинуклеотида ДНК-матрицы и не обязательного одновременного присутствия в сфере реакции всех четырех видов рибонуклеотидов (АДФ, ГДФ, УДФ и ЦДФ). Синтез РНК идет в этом случае даже из одного и того же вида или из различных видов нуклеозиддифосфатов. Реакция обратима. Биологическое значение образования в организме неспецифической РНК не ясно. Полагают, что синтетическая активность полинуклеотидфосфорилазы в клетке, вероятно, не используется и биологическая функция фермента заключается в фосфоролитическом разложении и-РНК с сохранением макроэргических связей за счет образования рибонуклеозид-5'-дифосфатов.

Изучение закономерностей биосинтеза нуклеиновых кислот привело к открытию важнейшего механизма воспроизведения специфичности структуры при их новообразовании. Этот механизм сводится к взаимодействию комплементарных пуриновых и пиримидиновых оснований матрицы и нуклеозидтрифосфатов, из которых указанный синтез осуществляется.

Таким образом, комплементарный синтез по матрице оказался ведущим механизмом воспроизведения специфичности структуры при новообразовании нуклеиновых кислот. Этот же принцип имеет огромное значение и при специфическом воспроизведении первичной структуры белковых молекул, осуществляемом с помощью нуклеиновых кислот (т.н. матричный синтез белка).

Матричный биосинтез белков является фундаментом современных представлений о механизме синтеза белков в организме.