Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

ГЛАВА 14

МЕТАБОЛИЗМ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Основными представителями нуклеиновых кислот в клетках растений являются ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

Отличительной особенностью ДНК растений служит то, что в растительных клетках присутствуют три вида ДНК (см. п. 4.1): ядерная (яДНК), митохондриальная (мДНК) и хлоропластная (хлДНК). Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, в составе которых последовательно связанные нуклеотиды. В состав нуклеотидов входят азотистые гетероциклические основания — производные пиримидина или пурина,

атакже углеводы (рибоза или дезоксирибоза) и остатки фосфорной кислоты. В структуре ДНК хранится информация о всех белках клетки, закодированная в виде триплетов, каждый из которых соответствует определенной аминокислоте. ДНК эукариот представлены в фрагментированном виде, в составе которых присутствуют различные белки и липиды. Эти индивидуальные образования (нуклеопротеины) называются хромосомами. Каждый вид растений имеет отличительные особенности в строении и составе хромосом.

Информация от ДНК к белкам передается через РНК (см. п. 4.2). Различают несколько видов РНК: матричная (мРНК), рибосомальная (рРНК), транспортная (тРНК) и др. Эукариотические РНК синтезируются в виде предшественников и для приобретения функциональной активности проходят стадии созревания, или процессинга. В результате мРНК становится способной передавать информацию об упорядоченном расположении аминокислот в структуре полипептидной цепочки. Кроме того, мРНК содержит информацию о количестве синтезируемых на рибосомах белков,

атакже об условиях и месте их синтеза в клетке.

ВДНК митохондрий содержится информация только о части митохондриальных белков и РНК. Так, митохондриальный геном кодирует 13 субъ-

233

Глава 14. Метаболизм нуклеиновых кислот

единиц комплексов системы окислительного фосфорилирования. При этом информация об остальных белках электронтранспортной системы содержится в ядерной ДНК. Кроме того, некоторые митохондриальные гены представлены в виде копий в составе ядерного и хлоропластного геномов.

Знания о структуре и функционировании нуклеиновых кислот позволяют понять особенности строения и адаптационные возможности живых организмов, а также выявить причины возникновения заболеваний и разработать меры, предотвращающие их проявление. Исследования в области нуклеиновых кислот привели к появлению новых направлений, которые реализовались в дисциплинах «Молекулярная биология», «Генная инженерия», «Биотехнология» и др.

Работы по генетической модификации растений начались в 1980-е годы в США. В начале 1990-х годов первые трансгенные культуры появились на американском рынке и быстро завоевали популярность у сельхозпроизводителей благодаря своей дешевизне, быстрому росту, устойчивости к всевозможным заболеваниям и высокой урожайности. В настоящее время во всем мире трансгенные растения занимают 58 млн гектаров; львиная доля посевов приходится на США и Канаду, где выращивается более 70 видов трансгенных культур.

14.1.БИОСИНТЕЗ ПУРИНОВЫХ И ПИРИМИДИНОВЫХ НУКЛЕОТИДОВ

Все живые организмы способны синтезировать пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды из простых соединений: глицина, аспартата, глутамина, рибозы, СО2 и NH3. При этом в клетках функционируют два разных метаболических процесса. В процессе синтеза пуринов реализуются действия 11 ферментативных реакций, которые протекают при участии коферментов и энергетических молекул. Данные исследования были выполнены в лабораториях Дж. Бьюкенена, Дж. Гринберга и А. Корнберга.

Установлено, что конечным результатом синтеза пуринов является рибонуклеотид инозиновая кислота (ИМФ), из которой впоследствии синтезируются АМФ и ГМФ (рис. 14.1). Синтез инозиновой кислоты начинается с реакции фосфорилирования D-рибозо-5-фосфата, который образуется в пентозофосфатном цикле. Реакция протекает при участии пирофосфорилазы и АТФ. Образовавшийся 5-фосфорибозил-1-пирофосфат взаимодействует с глутамином, в результате чего образуется β-5-фосфорибозил- амин. Причем в процессе реакции наряду с освобождением пирофосфата и свободной глутаминовой кислоты происходит изменение конфигурации β-5-фосфорибозил-амина из α-формы в β-форму. Данная реакция является лимитирующей в синтезе пуринов.

234

14.1. Биосинтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов

Рис. 14.1. Процесс синтеза инозиновой кислоты (1 — пирофосфокиназа, 2 — 5-фосфорибозил-1-пирофосфатамидотрансфераза, 3 — фосфорибозил- глицин-амидсинтетаза, 4 — глицинамидрибонуклеотидтрансформилаза,

5 — формилглицинамидинрибонуклеотидамидолигаза, 6 — амидоимидазолрибонуклеотидсинтетаза, 7 — аминоимидазолрибонуклеотидкарбоксилаза,

8 — аминоимидазол-N-сукцинокарбоксамидрибонуклеотидсинтетаза, 9 — аденилосукцинатлиаза, 10 — аминоимидазол-4-карбоксамидрибонуклеотид- трансформилаза, 11 — инозиниказа)

235

Глава 14. Метаболизм нуклеиновых кислот

На следующей стадии происходит присоединение молекулы глицина

ксвободной NH2-группе β-5-фосфорибозил-амина с образованием глицинамидрибонуклеотида. Для протекания реакции требуется АТФ. Затем, на следующей стадии, происходит удлинение радикала за счет присоединения формильной группы из N5,N10-метенил-ТГФК с образованием формилглицинамидрибонуклеотида. На формильную группу последнего переносится амидная группа глутамина и синтезируется формилглицинамидинрибонуклеотид. Реакция протекает также в присутствии АТФ. Далее замыкается пятичленное имидазольное кольцо и образуется 5-ами-

ноимидазолрибонуклеотид, который способен акцептировать СО2 с образованием рибонуклеотида 5-аминоимидазол-4-карбоновой кислоты.

Впоследующем двухступенчатом процессе, в котором участвуют аспарагиновая кислота и АТФ, образуется 5-аминоимидазол-4-карбоксамид- рибонуклеотид и освобождается фумаровая кислота. В этих реакциях азот аспарагиновой кислоты включается в 1-е положение будущего пуринового ядра. Последний углеродный атом пиримидинового остатка кольца пурина вводится в виде формильного остатка, который присоединяется

к5-NH2-группе. После этого отщепляется молекула воды и второе кольцо замыкается. В результате образуется первый пуриновый нуклеотид — инозиновая кислота (ИМФ), которая является предшественником пуриновых нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот.

АМФ и ГМФ образуются из ИМФ, причем в синтезе обоих мононуклеотидов участвуют по два фермента, отличающихся по механизму действия. Образование ГМФ из ИМФ катализируют ИМФ-дегидрогеназа и ГМФсинтетаза, а образование АМФ из того же предшественника катализируется последовательным действием аденилосукцинатсинтетазы и аденилосукцинатлиазы. Механизм двухэтапного синтеза АМФ и ГМФ можно представить в виде нескольких ферментативных реакций (рис. 14.2).

Вферментативном синтезе АМФ из ИМФ участие принимают аспа-

рагиновая кислота, являющаяся донором NH2-группы, и ГТФ в качестве источника энергии. Промежуточным продуктом реакции является аденилоянтарная кислота. Биосинтез ГМФ, напротив, начинается с дегидрогеназной реакции ИМФ с образованием ксантозиловой кислоты; в аминировании последней используется только амидный азот глутамина.

Превращение АМФ и ГМФ в соответствующие нуклеозидди- и нуклеозидтрифосфаты также протекает в 2 стадии при участии киназ (нуклеозидмонофосфаткиназа и нуклеозиддифосфаткиназа). В клетках синтез пуриновых нуклеотидов регулируется конечными продуктами ферментативных реакций по принципу обратной связи. Регуляторное действие оказывается на фермент, катализирующий первую стадию процесса — перенос аминогруппы глутамина на 5-фосфорибозил-1-пирофосфат. При этом проявляется аллостерический механизм регуляции. Кроме того,

236

14.1. Биосинтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов