VII. Обмен нуклеиновых кислот

Обмен любой группы веществ биогенного происхождения связан с двумя противоположными процессами: распадом и синтезом.

Распад нуклеиновых кислот в организме происходит достаточно энергично. Период полужизни молекул ДНК в тканях мышей составляет 5 суток, этот же параметр для большинства мРНК составляет несколько суток у эукариот и несколько секунд у прокариот.

Нуклеиновые кислоты в организме распадаются при посредстве особых ферментов – нуклеаз. Они ускоряют реакцию гидролиза межнуклеотидных фосфодиэфирных связей в молекулах НК и принадлежат к подподклассу фосфодиэстераз. В зависимости от того, какие межнуклеотидные связи – внутренние или внешние – гидролизуют нуклеазы, они подразделяются на экзонуклеазы, отщепляющие нуклеотиды от ДНК или РНК, начиная с конца нуклеотидной цепи, и эндонукелазы, действующие на внутренние межнуклеотидные связи и расщепляющие НК до олигонуклеотидов.

В зависимости от объекта расщепления, нуклеазы подразделяются на рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы. Помимо них существует также небольшая группа неспецифических нуклеаз, действующих на обе нуклеиновые кислоты.

По характеру действия на фосфодиэфирные связи в молекулах НК нуклеазы делят на две категории: 3¢- и 5¢-нуклеазы. 3¢-Нуклеазы ускоряют реакцию гидролиза сложноэфирной связи P–5¢С, а 5¢-нуклеазы – связи P–3¢C. Определяющую роль в этой классификации играет не положение расщепляемой связи, а характер образующегося продукта:

Нуклеазы в настоящее время интенсивно исследуются. Их объединяют в несколько больших групп:

1. Де­зок­си­ри­бо­нук­леа­зы I (де­зок­си­ри­бо­нук­леи­нат-5¢-оли­го­нук­ле­о­тид­гид­ро­ла­зы). Ускоряют реакцию гидролиза связи P–3¢C по схеме:

ДНК + (n–1)H₂O ® n олигодезоксирибонуклеотидов

Представителем ДНКаз I являются панкреатические ДНКазы с М_r» 31000. Продуктом её деятельности являются четырёхзвенные олигодезоксирибонуклеотиды.

2. Дезоксирибонуклеазы II (де­зок­си­ри­бо­нук­леи­нат-3¢-оли­го­нук­ле­о­тид­гид­ро­ла­зы). Ускоряют реакцию гидролиза связи P–5¢C. Предположительно ДНКазы II являются димерами. Типичным представителем является ДНКаза II селезёнки с М_r = 38000. Продуктом деятельности ДНКаз II являются дезоксирибонуклеозид-3¢-фосфаты со средней длиной молекул в 6 звеньев.

3. Экзодезоксирибонуклеазы гидролизуют молекулы ДНК с образованием дезоксирибонуклеозид-5¢-фосфатов. Выделены из кишечной палочки.

4. Рестриктазы принадлежат к ДНКазам бактериального происхождения. Расщепляют фаговую ДНК в зонах, имеющих палиндромную структуру. В настоящее время выделено более 250 рестриктаз, многие из которых стали применяться для определения первичной структуры ДНК. Важной областью их применения является генная инженерия. С их помощью из ДНК выщепляются фрагменты, отвечающие за синтез конкретных белков: интерферона, инсулина и др. Далее эти фрагменты встраивают в бактериальные ДНК, где они начинают функционировать, производя нужные нам вещества. Фрагменты ДНК, выщепленные рестриктазами, очень легко встраиваются в бактериальные ДНК, потому что имеют «липкие» комплементарные концы.

5. Ри­бо­нук­леа­зы I (ри­бо­нук­леи­нат-3¢-пи­ри­ми­ди­но-оли­го­нук­ле­о­тид­гид­ро­ла­зы). Это эн­до­нук­леа­зы, ус­ко­ряю­щие ре­ак­цию гид­ро­ли­за РНК по пи­ри­ми­ди­но­вым нук­лео­тид­ным ос­тат­кам. При этом на пер­вой ста­дии гид­ро­ли­за об­ра­зу­ют­ся 2¢,3¢-цик­ло­фос­фа­ты, ко­то­рые за­тем гид­ро­ли­зу­ют­ся до 3¢-фос­фа­тов:

Представители РНКаз I – панкреатические РНКазы, выделенные из множества биологических объектов: быка, свиньи, овцы, северного оленя, мыши, нутрии и т.д. Это говорит об универсальности их действия на молекулы РНК.

6. Гуа­нил­ри­бо­нук­леа­зы (ри­бо­нук­леи­нат-3¢-гуа­ни­ло-оли­го­нук­ле­о­тид­гид­ро­ла­зы). Ускоряют гидролиз связей по 5¢-углеродному атому рибозы остатка гуаниловой кислоты, образуя гуанозин-3¢-фосфат и олигонуклеотиды с остатком гуанозин-3¢-фосфата в качестве концевого нуклеотида.

7. По­ли­нук­лео­тид­фос­фо­ри­ла­за (по­ли­нук­лео­тид: ор­то­фос­фат-нук­лео­ти­дил­транс­фе­ра­за). Переносит нуклеотидные остатки с 3¢-конца РНК на фосфорную кислоту с образованием нуклеозиддифосфата:

РНК + H₃PO₄ nАДФ + mГДФ + aЦДФ + bУДФ

Молекулярная масса этого фермента 230000. Особенностью полинуклеотидфосфорилазы является его способность in vitro синтезировать полирибонуклеотиды, что широко применяется на практике.

В результате действия всех этих ферментов полинуклеотидные цепочки разрушаются на отдельные фрагменты, часть из которых подвергается деструкции до нуклеотидов. Нуклеотиды также в дальнейшем подвергаются разрушению.