Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

259

используют для окраски в оранжево-желтые тона пищевых продуктов. Очень

важно присутствие рибофлавина в кормах животных.

Витамин В

(пантотеновая кислота). Это соединение состоит из ос-

татка пантоевой кислоты (a,g-дигидрокси-b,b-диметилбутирата) и b-аланина

(рис. 7.8). Пантотеновая кислота является составной частью СоА —

чрезвычайно важного для клетки кофактора, а также входит в состав просте-

тической группы ацилпереносящего белка (глава 15). Таким образом, без ви-

тамина В

не может осуществиться синтез названных кофакторов, что приво-

дит к невозможности осуществления обмена жирных кислот, взаимопревра-

щения углеводов, ЦТК и других процессов. Поэтому пантотеновая кислота

присутствует в клетках всех организмов: от бактерий до высших животных,

однако сами животные ее не синтезируют и получают с пищей. Наибольшее

количество пантотеновой кислоты содержится в печени, сердце и почках жи-

вотных, в дрожжах, яичном желтке, горохе, молоке. Бактерии группы кишеч-

ной палочки, обитающие в кишечнике, снабжают витамином В

своих хозяев.

Таким образом, В

-авитаминозы очень редки, однако связаны с тяжелыми

нарушениями: поражением кожных покровов и слизистых оболочек, дегене-

ративными изменениями органов и тканей, потерей волосяного покрова и др.

Суточная потребность в витамине составляет 7 мг.

Витамин В

(никотиновая кислота, никотинамид, вита-

мин РР). Этот витамин необходим для синтеза двух коферментов — NAD и

NADP. Структура никотинамида представлена на рис. 7.1 (в составе NAD). В

молекуле никотиновой кислоты, которая, как и никотинамид, может исполь-

зоваться для синтеза никотинамидных коферментов, аминогруппа в радикале

замещена на гидроксил. Небольшие количества никотиновой кислоты могут

синтезироваться из триптофана, однако этот процесс характеризуется низким

выходом, к тому же протекает при участии другого витамина — В

. Поэтому

-авитаминозы обычно связаны с недостатком триптофана и витамина В

, а

их проявление характеризуется заболеванием кожи (пеллагра), воспалением

слизистой желудочно-кишечного тракта, депрессией.

Значение витамина В

для организма связано со значением для клетки

никотинамидных переносчиков восстановительных эквивалентов (глава 7).

Суточная потребность в нем составляет 20 мг или 1,2 г триптофана. Витами-

ном богаты дрожжевые продукты, мясо, фрукты и овощи.

Витамин В

(пиридоксин). Под витамином В

, строго говоря, подразу-

мевают три производных пиридина: пиридоксаль, пиридоксин и пиридокса-

мин (рис. 17.6). Каждое из этих соединений способно превращаться в клетках

в активную форму — пиридоксальфосфат, который является простетической

группой более 50 ферментов, принимающих участие в синтезе аминокислот,

их распаде, в фосфорилировании углеводов, метаболизме жирных кислот и

липидов. Одна из наиболее важных функций пиридоксальфосфата заключа-

ется в переносе аминогруппы от аминокислоты к кетокислоте в реакциях

трансаминирования, описанных в главе 16. При этом пиридоксальфосфат

переходит в пиридоксаминфосфат (рис. 17.6).

Витамин В

поступает в организм из кишечника благодаря деятельности

кишечной микрофлоры, он также содержится во многих продуктах, в первую

очередь в говядине, рыбе, горохе, овощах, яичном желтке, в зеленых частях

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

260

растений, в продуктах переработки зерновых. В

-авитаминозы встречаются

редко. Их симптомами служит анемия, дерматиты, судороги, а у молодых

особей — задержка роста. Суточная потребность в витамине — 2 мг.

Витамин В

(фолиевая кислота). Под этим названием известно не-

сколько форм птероилглутаминовой кислоты, различающихся количеством

остатков глутамата (от 1 до 6). На рис. 17.6 представлена структура молекулы

птероилмоноглутаминовой кислоты, которая состоит из трех структурных

компонентов: остатка птеридина, остатка парааминобензойной кислоты и

одного остатка глутаминовой кислоты. В восстановленной форме (тетрагид-

рофолиевая кислота) это соединение выполняет функции кофермента, осуще-

ствляя перенос одноуглеродных фрагментов. Такие реакции осуществляются

при биосинтезе метионина и тимина (перенос метильных групп), при биосин-

тезе серина (перенос оксиметильной группы), при синтезе пуринов и фор-

милметионил-тРНК (перенос формильной группы) и т. п. Присоединение

фрагментов осуществляется к атому азота, находящемуся в 5 и/или 10 поло-

жении (рис. 17.6).

В клетках животных и человека фолиевая кислота не синтезируется, од-

нако поступает в организм с пищей и всасывается из кишечника, где образу-

ется микроорганизмами. Микроорганизмы не используют готовый витамин

, а синтезируют его de novo, при этом включение парааминобензойной

кислоты в состав фолиевой кислоты блокируется в присутствии сульфанила-

мидных препаратов, на чем основано их терапевтическое действие. Параами-

нобензойную кислоту называют витамином В

(Н

-авитаминозы связаны с нарушением функций кроветворения и прояв-

ляются как анемия, множественные нарушения органов пищеварения. Суточ-

ная потребность в этом витамине составляет 0,2 мг. Фолиевыми кислотами

богаты свежие зеленые овощи, особенно шпинат и цветная капуста, печень

животных, зерновые.

Витамин В

(кобаламины). Группа кобаламинов представляет собой

сложные соединения, состоящие из следующих частей: планарной, в основе

которой лежит тетрапиррольное кольцо коррина, стабилизованное атомом

кобальта; двух лигандов — верхнего (Х) и нижнего, а также аминопропано-

лового мостика (рис. 17.8). В свою очередь, верхний лиганд в витамине В

может быть представлен цианид-ионом, гидроксильной группой, ионами нит-

рита, нитрата, хлора и др. Нижний лиганд представлен нуклеотидным ядром,

состоящим из остатка фосфорибозы и 5,6-диметилбен-зимидазола. Нуклео-

тидное ядро через аминопропаноловый мостик связано в цикл с заместителем

атома углерода одного из пиррольных колец.

Кобаламины в организме человека и животных превращаются в кофер-

мент В

-кобамамид (аденозилкобаламин), у которого верхний лиганд

представлен остатком дезоксиаденозина, связанного с атомом кобальта не-

обычной кобальт-углеродной связью. Биохимические функции аденозилкоба-

ламина состоят в изомеризации соединений, которая имеет место в углевод-

ном, азотистом, нуклеиновом и липидном обмене, в биосинтезе метионина из

гомоцистеина (участвует также витамин В

), в восстановлении рибонуклеоти-

дов до дезоксирибонуклеотидов (у бактерий) и других процессах.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

261

Витамин В

синтезируется только микроорганизмами, в том числе теми,

которые населяют желудочно-кишечный тракт человека и животных. Однако

для всасывания этого витамина слизистой желудка и кишечника необходим

особый протеин — так называемый «внутренний фактор». Таким образом,

-авитаминозы могут развиваться не только при недостатке витамина в

пище, но главным образом при отсутствии внутреннего фактора. Следствием

авитаминоза является развитие пернициозной (от лат. perniciosus —

гибельный) анемии.

Источниками витамина В

могут служить продукты животного происхо-

ждения: мясо, печень, яйца, молоко, а также бобовые растения, где его про-

дуцентами являются клубеньковые бактерии. Небольшие количества этого

витамина могут накапливаться у человека (животных) в печени. Суточная

потребность в нем составляет 0,002 мг.

Промышленное получение витамина В

и аденозилкобаламина основано

на микробном синтезе. Продуцентами витамина являются бактерии следую-

щих родов: Pseudomonas, Propionibacterium, Streptomyces,

Rhodopseudomonas, Bacillus, Achromobacter, Aerobacter, Agrobacterium, Rhi-

zobium, Flavobacterium, Nocardia, а также метанообразующие бактерии. Этот

витамин чрезвычайно важен для животноводства и находит широкое приме-

нение в медицине.

Биосинтез каждой из составных частей аденозилкобаламина происходит

независимо. Предшественниками для биосинтеза корринового макроцикла

служат глицин и сукцинил-СоА, которые взаимодействуют с образованием 5-

аминолевулиновой кислоты (рис. 17.8). Две молекулы аминолевулиновой

кислоты в ходе нескольких стадий димеризуются в порфобилиноген. Четыре

молекулы порфобилиногена поэтапно конденсируются с образованием уро-

порфириногена. Это соединение является также предшественником гема и

хлорофилла, на этапе его структурных перестроек расходятся пути биосинте-

за названных соединений.

При синтезе кобаламинов уропорфириноген подвергается последователь-

ным реакциям метилирования, восстановления, декарбоксилирования и дру-

гим указанным на рис. 17.8 превращениям. В результате образуется простей-

шее корриноидное соединение, не содержащее нуклеотида, — кобириновая

кислота, которая в ходе нескольких стадий амидируется в кобинамид.

Источником верхнего лиганда кобинамидов — аденозила служит АТР, и

образование аденозильного производного кобинамида происходит при непо-

средственном взаимодействии атома кобальта, связанного с корриновым

циклом, и АТР.

Аминопропанол, играющий роль мостика между нуклеотидным ядром и

одним из заместителей у корринового кольца, образуется при декарбоксили-

ровании L-треонина. Нуклеотидное ядро синтезируется из рибофлавина, при-

чем рибитильный остаток рибофлавина не включается в состав ядра, а со-

держащаяся в нем a-рибоза происходит из никотинамидмононуклеотида. В

присоединении нуклеотидного ядра к молекуле корриноида принимают уча-

стие АТР и GTP.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

262

COO

SCoA

COO

Сукцинил СоА Глицин

COO

+ CoA CO

COO

Альдольная конденсация

двух молекул, дегидрата

ция, замыкание кольца,

таутомеризация

COO

Порфобилиноген

Конденсация четырех

молекул, таутомери

зация, разрыв и воссо

единение цикла

Уропорфириноген

Кобириновая кислота

Декарбоксилирование, включение

метильных групп, элиминирование

метиленового мостика между кольцами

А и D, восстановление, включение

центрального атома кобальта

Витамин В

5-Аминолевулиновая

кислота

Амино-

пропа-

ноло-

вый

мостик

Рис. 17.8. Структура и биосинтез витамина В

. Обозначения:

А — -СН

СООН; Р — -СН

-СН

-СООН; R — -CH

;

Y — -CH

CONH

; X — верхний лиганд

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

263

Витамин С (аскорбиновая кислота). Об этом витамине знают, пожа-

луй, все, что можно связать с его многосторонними функциями в организме, в

том числе терапевтическим и профилактическим эффектом при простудах, а

также мощными антиоксидантными свойствами.

Аскорбиновая кислота представляет собой g-лактон 2,3-дегидро-

гулоновой кислоты. Это соединение содержит группировку «редуктона»

(рис. 17.9), которая легко окисляется, в результате чего образуется дегидро-L-

аскорбиновая кислота. Обе гидроксильные группы аскорбиновой кислоты

имеют кислотный характер, и при потере протона может образовываться тре-

тья активная форма витамина С — аскорбат-анион. L-аскорбиновая кислота

является самым сильным восстановителем в живом организме, и это важ-

нейшее свойство лежит в основе ее физиологической активности: она участ-

вует во многих окислительно-восстано-вительных процессах, а образующаяся

при этом дегидроаскорбиновая кислота легко восстанавливается с помощью

редуктазы. Среди множества биохимических реакций, протекающих с уча-

стием витамина С, можно упомянуть синтез коллагена, расщепление тирози-

на и лизина, синтез желчных кислот, обмен липидов, гидроксилирование

предшественников некоторых гормонов и др. Установлено участие аскорби-

новой кислоты в предохранении SH-групп белков от окисления, что среди

прочего влияет на стабилизацию ферментативной активности. Аскорбиновая

кислота служит мощным антиоксидантом, предохраняющим биологически

активные вещества клетки от действия радикалов. Наконец, витамин С участ-

вует в поддержании высокой концентрации в клетке сАМР —важного регуля-

торного вещества, оказывающего, например, обратное действие на развитие

раковой опухоли.

С-авитаминозы выражаются в развитии цинги (скорбута), что положено в

основу названия витамина. Болезнь выражается в повышении проницаемости

и хрупкости кровеносных сосудов, вследствие чего возникают спонтанные

кровоизлияния, а также в разрушении костных тканей (выпадение зубов).

Происходит атрофия соединительных тканей, расстройство системы крове-

творения. Суточная потребность в витамине С составляет 60 мг, (довольно

много для витаминов). Большие количества аскорбиновой кислоты содержат-

ся в свежих овощах и фруктах, особенно богаты витамином шиповник, крас-

ный сладкий перец, лимоны, черная смородина, капуста.

Синтезируют витамин С все растения и большинство животных, за ис-

ключением беспозвоночных, насекомых, рыб, некоторых птиц, морской

свинки, многих приматов и человека. У этих организмов отсутствует фермент

гулонолактон-оксидаза, который катализирует одну из стадий превращения

глюкозы в аскорбиновую кислоту (рис. 17.9).

Среди микроорганизмов лишь некоторые виды способны синтезировать

аскорбиновую кислоту из глюкозы. Это, в первую очередь, дрожжи Lipomyces

starkeryi, грибы Aspergillus niger и некоторые виды рода Fusarium, , бактерии

Streptococcus thermophilus. Крупномасштабное производство аскорбиновой

кислоты основано на химическом синтезе, в котором одну стадию (окисление

D-сорбита в L-сорбозу) осуществляют уксуснокислые бактерии.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

264

Уридиндифосфат

глюкоза

UDP

NADH

NAD

NADH

UDP

COO

Уридиндифосфат

глюкуроновая кислота

UDP

COO

Глюкуроновая

кислота

NADH

NAD

COO

Енолизация

Уридиндифосфатглюкоза

дегидрогеназа

Глюкуронат

редуктаза

Альдоно

лактоназа

Глюкозо-6-

-фосфат

Глюкозо-1-

фосфат

L-Гулоновая

кислота

L-Гулонолактон

Гулонолактон-

оксидаза

+ O

-2H

, -2e

+2H

, +2e

2-Кето-1-гулоно-

лактон

g-Лактон 2,3-дегидро-L-

гулоновой кислоты

(L-аскорбиновая кислота)

L-Дегидро-

аскорбиновая

кислота

- -

Рис. 17.9. Биосинтез аскорбиновой кислоты из глюкозы. Структурные форму-

лы соединений, участвующих в первых трех реакциях, и сами

реакции представлены на рис. 14.3. В пунктирную рамку в молекуле

аскорбиновой кислоты заключена группировка «редуктона»

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

265

Витамин Н (биотин). Структура и функции этого витамина в составе

кофактора N

-карбоксибиотина описаны в главе 7 (рис. 7.7). Биотин прини-

мает участие в реакциях переноса карбоксильной группы, которые лежат в

основе биосинтеза жирных кислот (рис. 15.2), синтеза пуриновых оснований,

превращения пирувата в щавелевоуксусную кислоту, синтеза аминокислот и

других процессах. Недостаток витамина Н в организме приводит к депигмен-

тации кожи, нервным расстройствам, воспалению кожных покровов, себорее

(усиленное выделение жира сальными железами).

Н-авитаминозы встречаются нечасто, поскольку биотин синтезируется

кишечной микрофлорой и содержится во многих продуктах: яичном желтке,

печени и почках крупного рогатого скота (в их организм биотин поступает в

основном благодаря деятельности микроорганизмов-симбионтов), дрожже-

вых продуктах, бобовых растениях, орехах, молоке, овсяной крупе, томатах,

сое и др. Суточная потребность человека в биотине составляет 0,1 мг.

Завершая этот, далеко не полный обзор свойств витаминов, следует доба-

вить, что большинство данных соединений являются нестойкими, и разру-

шаются при воздействии определенных факторов. Так, витамины E, K, B

, B

теряют активность и разрушаются под действием света; витамины К,

, С быстро разрушаются в щелочных растворах; витамины К, В

, С особо

чувствительны к нагреванию; витамины D, H легко расщепляются при дейст-

вии окислителей и минеральных кислот. Кроме этого, в природе существует

большое количество антивитаминов —веществ, конкурирующих с витами-

нами в соответствующих биохимических процессах или инактивирующих

витамины. Таким действием обладают уже описанные выше сульфамидные

препараты, блокирующие образование фолиевой кислоты; яичный альбумин

служит антивитамином по отношению к биотину — связывает его в нерас-

творимый биологически неактивный комплекс; фермент тиаминаза расщеп-

ляет молекулу тиамина; D-аскорбиновая кислота — биологически неактивное

соединение, конкурирует с L-аскорбиновой кислотой и является ее антивита-

мином. Остановимся на этих примерах.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

266

Глава 18. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ

БИОСИНТЕЗА АНТИБИОТИКОВ

К антибиотикам относят специфические продукты обмена организмов и

их химические модификации, обладающие высокой физиологической актив-

ностью (биостатической или биоцидной) по отношению к определенным

группам микроорганизмов или к злокачественным опухолям.

Подавляющее большинство известных антибиотиков продуцируется ми-

целиальными грибами и актиномицетами, хотя открыты также антибиотики

растительного и животного происхождения. Важной отличительной особен-

ностью антибиотиков является их высокая активность по отношению к чувст-

вительным клеткам (вирусам), в результате чего они действуют даже в очень

низких концентрациях, чаще 1—100 мкг/мл. При воздействии антибиотика

на чувствительные клетки может наблюдаться торможение их роста (биоста-

тическая активность) или гибель (биоцид-ная активность). Действие наиболее

распространенных антибиотиков направлено на бактерии, по отношению к

которым они проявляют бактериостатический или бактерицидный эффект,

но существует множество антибиотиков, чье действие направлено на грибы,

простейшие, вирусы, а также раковые клетки.

Характерной особенностью антибиотиков, отличающей их от других ан-

тимикробных веществ, является избирательность действия, которая состоит в

том, что каждый антибиотик оказывает действие на строго определенные ор-

ганизмы, не затрагивая другие. Кроме того, в клетках существуют определен-

ные «мишени», которые повреждаются в соответствии со специфическим

механизмом действия, характерным для каждого антибиотика.

Классифицируют антибиотики в соответствии с разными критериями: по

химической структуре, типу воздействия (биостатическое, биоцидное), груп-

пам организмов, на которые оказывается воздействие (противобактериаль-

ные, противовирусные, противоопухолевые и т. д.), мишени воздействия в

клетке (клеточная стенка, плазматическая мембрана, аппараты репликации,

транскрипции и трансляции ДНК, ферменты и др.), типу организма-

продуцента (актиномицеты, мицелиальные грибы, растения, простейшие и

др.)

В соответствии с химической структурой молекул антибиотики можно

разделить на следующие группы: пептиды и производные аминокислот, поли-

еновые соединения, вещества углеводной природы, алифатические, полицик-

лические, ароматические соединения, кислородсодержащие и азотсодержа-

щие гетероциклы. Уже этот перечень позволяет заметить, что природа анти-

биотиков весьма разнообразна, так же как разнообразны их биологические

функции.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

267

В настоящее время известно более 6000 разных антибиотиков, и поиск

новых форм, а также химическая модификация известных не прекращается.

Это объясняется, с одной стороны, широкой функциональностью антибиоти-

ков — они применяются в терапии заболеваний человека и животных, в про-

филактических мерах, как средства для борьбы с заболеваниями растений,

стимуляторы роста сельскохозяйственных животных и птицы, консерванты и

др. С другой стороны, у микроорганизмов, против которых в основном и на-

правлено действие антибиотиков, со временем развивается устойчивость к

ним, обусловленная разными механизмами, в том числе генетическим обме-

ном факторами лекарственной устойчивости (см. ниже). Наконец, антибиоти-

ки используются в исследовательских целях для выяснения механизмов раз-

личных клеточных процессов.

Поскольку в рамках данного издания обстоятельное рассмотрение струк-

туры и свойств всех известных антибиотиков невозможно, логично остано-

виться на механизмах действия антибиотиков на клеточные мишени, что по-

зволит еще раз коснуться и лучше понять взаимосвязь метаболических про-

цессов.

18.1. Механизмы действия антибиотиков на клеточные мишени

Ингибиторы синтеза клеточной стенки. Таким действием обладают

b-лактамные антибиотики, к числу которых относятся пенициллины, цефа-

лоспорины, нокардицин А, сульфазецин, тиенамицин и др. Все перечислен-

ные соединения имеют в своем составе b-лактамное кольцо (рис. 18.1). Ми-

шенью этих антибиотиков является бактериальный фермент гликопептид-

транспептидаза, который катализирует формирование поперечных сшивок в

молекуле муреина. b-Лактамные антибиотики имеют структурное сходство с

фрагментом субстрата этого фермента

(-D-Аla-D-Аla-OH) и связываются в активном центре транспептидазы таким

образом, что b-лактамное кольцо оказывается в непосредственной близости

от остатка серина. Гидроксильная группа серина участвует в формировании

устойчивой ковалентной связи с атомом углерода нестабильного b-

лактамного кольца (рис. 18.1). В результате образуется неактивная ацилиро-

ванная форма транспептидазы, которая не способна катализировать реакцию

транспептидирования (глава 14). Такое ингибирование фермента является

необратимым, а действие антибиотиков носит бактерицидный характер: де-

фектная клеточная стенка не обладает должным запасом прочности и при

увеличении клетки в процессе роста или осмотического поступления в нее

воды разрушается.

Кроме b-лактамных антибиотиков, нарушение процесса синтеза клеточ-

ных стенок бактерий вызывает полипептидный антибиотик бацитрацин А.

Показано, что молекула бацитрацина может связывать в тройной комплекс с

ионами двухвалентных металлов молекулу фосфорилированного липидного

переносчика. В результате не происходит дефосфорилирование липидного

переносчика, т. е. регенерация его свободной формы. В таком случае не могут

осуществиться все стадии синтеза муреина, в ко-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

268

N H

HOOC

Пенициллины

CONH

Пенициллин G:

Пенициллин V: = R

OCH

CONH

Ампициллин:

C CONH

H HN

(CH

)

COO

COOH

O C CH

Цефалоспорин С

OOC

C N

остаток серина

в составе активного

центра фермента

Ацилированный фермент

Взаимодействие

с активным центром

транспептидазы

Рис. 18.1. Структура и механизм действия некоторых b-лактамных ан-

тибиотиков: L — b-лактамное кольцо

торых задействован липидный переносчик, и не формируется клеточная стен-

ка (бактерицидный эффект).

Следует добавить, что перечисленные антибиотики наиболее активны

против грамположительных бактерий, поскольку именно их клеточные стен-

ки содержат большое количество муреина. Для эукариот эти антибиотики

малотоксичны, что объясняется отсутствием в их клетках основной мише-

ни — ферментов и других компонентов синтеза муреина.

Антибиотик циклосерин — производное аминокислоты серин подавляет

активность двух ферментов, участвующих в синтезе муреина: аланинрацема-

зы и D-аланил-D-аланинсинтетазы. Он активен против широкого круга бак-

терий, малотоксичен, но у людей может вызывать расстройства нервной сис-

темы.

Мембрано-активные антибиотики. Мишенью этих антибиотиков явля-

ется, в первую очередь, плазматическая мембрана бактерий. Полимиксины

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)