Структура нуклеиновых кислот. Обмен нуклеотидов. Подагра

1. ГУ «Луганский государственный медицинский университет имени Святителя Луки» Кафедра медицинской химии

СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
ОБМЕН НУКЛЕОТИДОВ. ПОДАГРА
Доц. Соловьева И.В. 2021

2. 21 февраля 1953 года молодые ученые ДЖЕЙМС УОТСОН (James Dewey Watson) и ФРЕНСИС КРИК (Francis Crick) в небольшом пабе «The

Eagle» в Кембридже объявили об открытии «секрета
жизни» - структуре молекулы ДНК (двойной спирали).
• Месяцем позже Уотсон и Крик
создали и представили
общественности трехмерную
модель молекулы ДНК,
сделанную из шариков, кусочков
картона и проволоки.
• Джеймс Уотсон, Френсис Крик и
Морис Х. Ф. Уилкинс были
удостоены Нобелевской премии
по физиологии и медицине 1962
года «за открытия, касающиеся
молекулярной структуры
нуклеиновых кислот и их
значения для передачи
информации в живой материи».

3. Нуклеиновые кислоты

• Нуклеиновые кислоты (НК) – это
высокомолекулярные нерегулярные биополимеры,
состоящие из нуклеотидов, соединенных в цепи с
помощью фосфодиэфирных связей (нерегулярные –
означает, что несколько типов мономеров составляют
самые разнообразные неповторяющиеся
последовательности).
• Два основных вида НК:
ДНК - ДезоксирибоНуклеиновая Кислота
РНК – РибоНуклеиновая Кислота
Различаются особенностями строения нуклеотидов, а
также укладкой вторичной структуры.

4. Нуклеиновые кислоты: функции

• Функция полимерных НК (ДНК и РНК) – хранение и реализация генетической
информации, а также передача ее из поколения в поколение. Это выражается в
управлении всеми матричными биосинтезами в клетках, о чем мы поговорим в
следующей лекции.
• Функции отдельных моно- и ди- нуклеотидов также важны и разнообразны
Перенос химической энергии с помощью макроэргических
нуклеозидтрифосфатов (АТФ, ГТФ)
Коферменты (производные витаминов и АМФ) : НАД, НАДФ, ФАД, ФМН
Вторичные мессенджеры внутриклеточной передачи гормонального сигнала
(цАМФ, цГМФ)
Медиатор в нервной системе – аденозин.
Коньюгаты-активаторы: УДФ (в синтезе гликогена и др), S-аденозил-метионин

5. Нуклеозиды, нуклеотиды

• Нуклеозид - азотистое основание + углеводный
компонент
• Нуклеотид - азотистое основание + углеводный
компонент + фосфорная кислота (1,2,3
остатка)
Нуклеозид
Нуклеотид

6. Нуклеотид состоит из трех компонентов

1. Азотистое гетероциклическое основание
2. Пентоза
3. Фосфат

7. Нуклеотиды

• В нуклеотидах ДНК используется пентоза – дезоксирибоза,
пурины – Аденин и Гуанин и пиримидины – Тимин и Цитозин
• В нуклеотидах РНК используется пентоза – рибоза,
пурины – Аденин и Гуанин и пиримидины – Урацил и Цитозин
ДНК
Примеры
РНК
N-гликозидная связь
Фосфоэфирная связь
дАМФ
ТМФ
АМФ
УМФ

8.

• Структура АТФ
Макроэргические связи
• Структура цАМФ
(вторичный мессенджер)
3’,5’-циклический
аденозин монофосфат
5’
3’

9.

ДНК содержится в ядре и митохондриях клеток,
имеет три структурных уровня организации.
ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК
•Представляет собой последовательность
дезоксирибо-нуклеотидов, соединенных между
собой 3 ',5'-фосфо-диэфирными связями.
•Свободный 3 '-конец содержит свободную
гидроксильную группу и называется ОН-концом,
а 5 '-конец содержит фосфатную группу и
называется Р-концом.
•Направление цепи в первичной структуре 5‘ 3‘ .
•Первичная структура имеет уникальную
последовательность нуклеотидов,
представляющих собой генетическую
информацию.
•Остов цепи ДНК всегда постоянен на протяжении
и представляет собой чередование групп:
пентоза-фосфат-пентоза. Вариабельными
группами служат азотистые основания.

10. ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК

•Пространственная структура ДНК,
представляет собой двухцепочечную
правозакрученную спираль.
•В каждой цепи мономерами
выступают дезоксирибонуклеотиды –
дАМФ, дГМФ, дЦМФ, дТМФ.
•Цепи ДНК антипараллельны, т.е.
одна из них имеет направление
5'
3‘, а другая 3’
5‘.
•Одна цепь ДНК, считывается при
транскрипции для последующего синтеза
белка, и называется кодирующей или
матричной, другая – некодирующей.
•Цепочки ДНК соединены между собой
непрочными водородными связями,
которые, удерживают их вместе
благодаря своей многочисленности (по
типу застежки-«молнии»)

11. ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК

• Водородные связи образуются
между пуриновыми и
пиримидиновыми азотистыми
основаниями по принципу
комплементарности:
Аденину соответствует Тимин
(две водородные связи),
а Гуанину – Цитозин (три
водородные связи)
• Две цепи соединяются между
собой таким образом, что все
азотистые основания обращены
вовнутрь двойной спирали, а
пентозофосфатный остов
расположен кнаружи.
•Последовательность
нуклеотидов одной цепи
полностью комплементарна
последовательности второй цепи

12. Комплиментарные пары оснований

Комплиментарное взаимодействие азотистых оснований связано с
уникальным расположением функциональных групп,
обеспечивающих образование водородных связей, определяя тем
самым специфическое узнавание комплиментарных пар
Правила Чаргаффа
о соотношении содержания нуклеотидов в ДНК (с двойной спиралью):
А = Т, Г = Ц, А + Г (пурины) = Т + Ц (пиримидины)

13. Формы вторичной структуры ДНК

A
B
Z

14. ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК

Представляет собой суперспираль.
Длина молекул ДНК очень большая. Суммарная
длина ДНК в каждой клетке около 1,8 метра.
Суперспирализация ДНК необходима для ее
компактной упаковки в ядре клетки и
формирования хромосом. Хроматин уложен в
виде сферических частиц – нуклеосом,
соединенных друг с другом нитью ДНК.
Нуклеосома представляет собой комплекс участка
молекулы ДНК и восьми молекул белков гистонов.
В составе нуклеосомы находятся по 2 молекулы
каждого типа гистонов Н2α, Н2β, Н3, Н4.
Нить ДНК, последовательно контактируя с
гистонами Н2α, Н2β, Н4, Н3, Н3, Н4, Н2β, Н2α,
наматывается в 1,75 оборота на гистоновое ядро,
которое "маскирует" 146 пар оснований ДНК.
Гистон Н1 связывается с нуклеосомой на участке
входа и выхода ДНК так называемый линкерном
участоке), "склеивая" и "маскируя" еще 20 пар
оснований. Гистон Н1 защищает ДНК в этом месте
от действия нуклеаз. Таким образом, с помощью
одной нуклеосомы замаскировано 166 пар
оснований, формируя структуру по типу «нитки
бус».

15. ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА ДНК

Кроме нуклеосом, существует еще несколько уровней
укладки ДНК, показанных на предыдущем слайде,
например фибриллы диаметром 30 нм, образующиеся
при закручивании в суперспираль. Участок ДНК между
нуклеосомами называется спейсерным (англ: space –
пространство), его длина варьирует в зависимости от
вида организма и типа клеток. У человека она
составляет около 50-60 пар нуклеотидов.
Максимально плотная укладка хромосомы происходит
перед митозом и во время его. Тогда-то хромосомы и
могут быть видны в микроскоп.
В покоящихся клетках хромосомный материал
выглядит нечетко и распределен по всему ядру. В
таком состоянии он получил название "хроматин". В
составе хроматина выделяют 60% белка (гистоны и
кислые белки), 35% ДНК и около 5% РНК.
У человека в ядрах клеток по 46 хромосом: 23 от мамы
и 23 от папы. 22 пары идентичны и называются
аутосомные. 1 пара различается – это половые
хромосомы: X (женская) и Y (мужская).
Все хромосомы выглядят х-образно, так как они видны
перед митозом, а перед этим произошла репликация, то
есть это 2 дочернии копии, соединенные в центромере.

16. МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ДНК

Митохондрии имеют собственный уникальный
геном, представленный одной кольцевой
молекулой ДНК, которая кодирует синтез 13
белков.
Митохондриальная ДНК наследуется по
материнской линии, так как митохондрии
происходят из цитоплазмы яйцеклетки.
(сперматозоиды не передают митохондрий при
слиянии).
Имеет некоторые особенности:
• Отсутствие свободных концов
• Отсутствие участков- интронов (процесс
сплайсинга отсутствует)
• Отсутствие процесса кэпирования
• Отсутствие в митохондриях ферментов
репарации (и как следствие большое число
ошибок в ДНК )
• ДНК митохондрий не метилируется
• Наличие отклонений от универсального
генетического кода

17. РИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА (РНК)

Рибонуклеиновая кислота (РНК)
представляет собой
последовательность рибонуклеозидмонофосфатов – АМФ, ГМФ,
ЦМФ, УМФ, связанных друг с
другом 5'-3'-фосфодиэфирными
связями.
Основной функцией РНК является
«переписывание» генетической
информации с ДНК и реализация
ее в биосинтезе белка трансляция),
путем участия ее в формировании
белок-синтезирующей системы
рибосом.

18. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ РНК

Первичный уровень организации РНК, также как и ДНК, представляет
собой одноцепочечную молекулу биополимера, состоящего из мономеровнуклеотидов, содержащих в себе рибозу (вместо дезоксирибозы) и пиримидиновое
основание урацил (вместо тимина), остальные основания те же самые.
Вторичная структура представлена одноцепочечной
последовательностью нуклеотидов, формирующей отдельные участки
спирализации за счет возникновения водородных связей между
комплементарными азотистыми основаниями. Это так называемые «шпильки»
РНК. При этом участки цепи в этих спирализованых структурах
антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны. Правила Чаргаффа к
ним не применимо. Спирализованные участки характерны для всех типов РНК.
Третичный уровень организации РНК представляет собой компактную
структуру, возникающую за счет взаимодействия спирализованных элементов
вторичной структуры. В стабилизации принимают участие ионы магния

19. ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА РНК

20. ВИДЫ РНК

Транспортная
тРНК (15%)
Рибосомальная
рРНК (80%)
Матричная
мРНК (4%)
Некодирующая
нкРНК (1%)

21. ВИДЫ РНК

Матричные РНК (мРНК)
Представляют собой линейную последовательность нуклеотидов. К 5'-концу
молекулы присоединен метилгуанозиндифосфат, на 3'-конце имеется
полиадениловая последовательность. Образуются в процессе транскрипции
(переписывания) с кодирующей цепи ДНК.
Их функция – информационная, т.е. перенос информации о структуре белков
от ДНК к месту их синтеза.
Малые РНК используются для созревания мРНК и некоторых других
клеточных процессов.
Рибосомальные РНК (рРНК)
У прокариот и эукариот различны и отличаются величиной седиментации
(скорости оседания молекулы при центрифугировании). Они участвуют в
построении рибосом.
У прокариот три разновидности рРНК: 5S, 16S и 23S. Малую (30S)
субчастицу рибосом образуют белки и 16S-рРНК; большую (50S)
субъединицу – белки, 23S-рРНК и 5S-рРНК.
У эукариот в составе рибосом четыре типа рРНК: 5S, 5,8S, 18S и 28S.
Малую (40S) субъединицу образуют белки и 18S-рРНК, большую (60S) –
белки и 5S-, 5,8S-, 28S-рРНК.

22. ТРАНСПОРТНЫЕ РНК (тРНК)

Транспортные РНК (тРНК) бактерий и эукариот включают 73-93 нуклеотида. Они переносят аминокислоты
из цитозоля к рибосомам. Схема вторичной структуры тРНК напоминает клеверный лист, а модель
третичной – латинскую букву L. На 5'-конце тРНК находится гуаниловый нуклеотид,
на 3'-конце – триплет Ц-Ц-А – это место прикрепления специфиеской аминокислоты.
В "клеверном листе" выделяют четыре участка (ветви), каждый из которых имеет собственную функцию:
• антикодоновый – соединяется с кодоном матричной РНК в рибосоме,
• псевдоуридиловый – отвечает за связывание с рибосомой,
• дигидроуридиловый – отвечает за связывание с аминоацил-тРНК-синтазой,
акцепторный – связывает переносимую аминокислоту.

23. Обмен нуклеотидов

• ДНК и РНК поступающие с пищей
перевариваются на отдельные нуклеотиды
• Часть нуклеотидов используется для синтеза
собственных ДНК и РНК
• Большая часть пищевых нуклеотидов
подвергается дальнейшему распаду
• Основная масса нуклеотидов для синтеза
собственных ДНК и РНК синтезируются заново.

24. Пуриновые основания

Пуриновые азотистые основания, образующиеся в
процессе переваривания нуклеиновых кислот в
кишечнике, в дальнейшем практически не
используются.
Поэтому их синтез осуществляется de novo из
низкомолекулярных предшественников,
продуктов обмена углеводов и белков.
Основное место синтеза – печень. В
эритроцитах, лейкоцитах и мозге синтез не
происходит.

25. Биосинтез пуринов

На основе 5-фосфорибозил-1-пирофосфата строится
имидазольное кольцо, затем – пуриновое.
Общий предшественник пуриновых нуклеотидов –
инозинмонофосфат (ИМФ).
Из ИМФ синтезируеся АМФ и ГМФ.
Для синтеза ГМФ необходимы НАД+, АТФ, глутамин
Для синтеза АМФ необходимы аспарагиновая
кислота, ГТФ, Mg2+
10-20% аденина и гуанина используются в готовом
виде (в эмбриогенезе, у взрослых –
в нервной ткани).

26. Происхождение атомов пуринового кольца

Глицин
СО2
N5,N10-метенилтетрагидрофолиевая
N7 5
кислота
6
8
N9 4 N
3
H
N1
2
Глутамин
Аспартат
N10-формилтетрагидрофолиевая
кислота

27. Схема синтеза пуриновых нуклеотидов

28. Регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов

Синтез пуриновых нуклеотидов тормозится
конечными продуктами АМФ и ГМФ по
принципу обратной связи путем
ингибирования амидотрансферазной
реакции.
Для синтеза АМФ необходим ГТФ, для
синтеза ГМФ – АТФ, что обеспечивает
баланс синтеза этих нуклеотидов.

29. Синтез пиримидиновых нуклеотидов

Особенностью синтеза пиримидиновых
нуклеотидов является то, что вначале
происходит синтез пиримидинового
основания, а затем к нему присоединяется
остаток рибозы.

30. Биосинтез пиримидинов

• Биосинтез пиримидинов начинается с построения
гетероцикла с участием NH3,,СО2, глутаминовая
кислота, аспарагиновая кислота.
• Общий предшественник пиримидинов - оротовая
кислота - соединяется с
1-фосфорибозил-5-пирофосфатом, образуя ОМФ
(оротидин-5'-фосфат) УМФ (уридинмонофосфат).
• УМФ + глутамин ЦМФ (цитидинмонофосфат).
• Тимидиловый нуклеотид образуется только на базе
дезоксирибозы из дУДФ или дЦДФ.

31. Происхождение атомов азота пиримидинового кольца

32. Синтез дезоксинуклеотидов

Все нуклеотиды образуются с участием
фосфорибозилпирофосфата.
Дезоксирибонуклеотиды образуются при
восстановлении рибозы до дезоксирибозы
в составе готовых нуклеотидов.
Ферменты
рибонуклеотидредуктаза (Fe2+),
тиоредоксин редуктаза (глутатион, НАДФH).

33. Катаболизм пиримидинов

ЦМФ УМФ урацил
ТМФ тимин
Восстановление и гидролиз пиримидинов
раскрытие кольца отщепление NH3 и CO2 с
образованием b-аланина, а в случае
распада тимина –b-аминобутирата.
Нарушение распада пиримидиновых
нуклеотидов накопление НТФ
(нуклеозидтрифосфат) в эритроцитах
гемолиз; нарушения нервной системы.

34. Катаболизм пуринов

АМФ аденозин инозин гипоксантин
ксантин мочевая кислота
ГМФ гуанозин гуанин
ксантин мочевая кислота
Ключевой фермент – ксантиноксидаза (кофакторы
– ФМН+, Мо2+, Fe2+),
конкурентный ингибитор – аллопуринол
Накопление мочевой кислоты – камни
мочевыводящих путей; подагра.

35. Катаболизм пуриновых оснований – основа патогенеза подагры

Превращение гипоксантина в
ксантин и ксантина в мочевую
кислоту происходит под действием
одного фермента ксантиноксидазы, с использованием
кислорода и выделением перекиси
водорода.
Образование мочевой кислоты
происходит главным образом в
печени. Мочевая кислота основной продукт катаболизма
пуринов у человека. В организме
ежесуточно образуется 0,5-1 г
мочевой кислоты, которая
выводится через почки с мочой.
(не путать названия "мочевина" и
"мочевая кислота" - это разные
вещества)

36.

ПОДАГРА
хроническое
заболевание,
обусловленное
нарушением
обмена
пуриновых
оснований,
накоплением
в
организме мочевой кислоты, клинически
проявляющееся рецидивирующим артритом,
образованием подагрических узлов (тофусов) и
поражением внутренних органов
Эпидемиология подагры :
чаще у мужчин в соотношении 5: 1
у лиц старше 40 лет
распространенность у мужчин подагры на 100000
населения составляет 0,2, заболеваемость у мужчин 1 на
1000 населения
Диагноз подагры ставится на 8м году болезни
51% подагры - тофусные формы с артритом более 3
месяцев

37. Этиология подагры

1.
2.
3.
Этиология подагры
Увеличение образования уратов - прием алкоголя, пива,
мясных продуктов
Снижение почечной экскреции уратов - поликистоз,
гломерулонефрит, ХПН.
Злокачественные новообразования, продуцирующие
пурины (лимфомы, миэлопролиферативные
заболевания, эритремия).

38. Клинические проявления подагры

Клинические проявления подагры
• острый подагрический артрит,
• хроническая подагрическая артропатия,
• формирование тофусов.
Развиваются в связи с отложением кристаллов моноурата
натрия (мочевой кислоты) в суставных, околосуставных
тканях и в подкожной клетчатке.
Подагрический тофус (подагрический узел) — отложение
кристаллов мочевой кислоты в мягких тканях в виде гранулём.
Тофусы обычно локализуются в подкожной клетчатке над
суставами кисти и стопы, локтевых суставах и ушных раковинах,
на разгибательной поверхности предплечий, бедер,
голеней, ахилловых сухожилий, на лбу

39.

40.

41. Характерный признак подагры – периодически возникающие острые приступы.

Факторы, провоцирующие развитие острого приступа
подагры (триггеры):
Прием алкоголя
Употребление пищи, богатой пуриновыми основаниями
Физическая нагрузка
Травма
Хирургическое вмешательство
Кровотечения
Различные острые процессы в организме, включая
инфекционные заболевания
Приеме некоторых лекарственных средств
Лучевая терапия

42. Характерные черты острого приступа подагры

• Внезапное начало суставной атаки, в любое
время суток, но чаще ночью или рано утром
• Чрезвычайно высокая интенсивность боли
• Быстрое нарастание местных симптомов
воспаления , достигающее максимума через
несколько часов ;
• Значительное ограничение движений в
пораженном суставе
• Полное спонтанное обратное развитие
симптомов через 3-7-10 дней

43.

44. Диагностика подагры

рентгенография обоих стоп
мочевая кислота крови
исследование синовиальной жидкости –
кристаллы мочевой кислоты, лейкоцитоз
и нейтрофилез.
УЗИ – почек
поляризационная микроскопия
синовиальной жидкости и других тканей
(кристаллы уратов с характерной
иглообразной формой и отрицательным
двойным преломлением луча)

45. Стандарт обследования

Лабораторное исследование
• Определение сывороточного уровня мочевой
кислоты (в норме : мужчины до 60 лет - 0,48
ммоль\л женщины до 60 лет - 0,38 ммоль\л)
• Исследование синовильной жидкости
• Общий анализ крови
• Биохимический анализ крови (креатинин,
глюкоза, ферменты -АЛТ, ACT)
• Рентгенография пораженных суставов

46.

47. Рентгенологические признаки хронического артрита при подагре

• Эрозии с каймой склероза ( в основном на краях
эпифизов костей) – симптом «пробойника», или
краевая эрозия с нависающими краями ( в виде
«свешивающейся губы»)
• Относительная сохранность суставной щели
вплоть до поздних стадий заболевания
• Наиболее характерное поражение – І ПФС стопы,
достаточно часто определяются изменения в
проксимальных и дистальных МФ суставов стоп
• Типичными считаются ассиметричные артриты с
чередованием внутрикостных и мягкотканых
тофусов.

48.

Лечение
1. Купировние острого приступа : медикаментозная
терапия – НПВП, колхицин, ГК; покой, голод ,
ощелачивающее питье
2. Внеприступная подагра :
антигиперурикемическая терапия (аллопуринол),
урикозурические средства (лозартан)
диета, обильное питье (более 1,5 л/сутки)
коррекция веса

49. Лечение острого подагрического артрита

НПВП:
• Нимесулид 100 мг 2 раза в день
• Индометацин 50 мг 4 раза в день
• Диклофенак 50 мг 3-4 раза в день
Колхицин 0,5-1,5 мг\сутки
Глюкокортикоиды (при наличии противопоказаний к
назначению
НПВП
и
колхицина)
–в\суставно
метилпреднизолон (40-80 мг в крупные суставы, 20-40 мг
в мелкие)

50. Антигиперурикемическая терапия

Антигиперурикемическая терапия показана больным с
повторными
атаками,
хроническим
артритом
и
тофусными
формами.
Состоит
из
комбинации
немедикаментозных ( снижение веса, диета, отказ от
приема
алкоголя,
диуретической
терапии)
и
медикаментозных методов лечения.
Медикаментозную терапию следует начинать только после
полного купирования приступа острого артрита и для
профилактики обострений в течение первых нескольких
месяцев после окончания приступа сочетать с приемом
небольших доз колхицина или НПВП.
Целевой уровень мочевой кислоты ниже 0,36 ммоль/л ( 6 мг/дл)

51. Абсолютные показания к назначению аллопуринола

Частые атаки острого подагрического артрита ( 4 атаки и
более в год)
Клинические и рентгенологические признаки хронического
подагрического артрита
Образование тофусов в мягких тканях и субхондральной
кости
Сочетание подагры с почечной недостаточностью
Нефролитиаз
Увеличение уровня мочевой кислоты более 0,78 ммоль/л у
мужчин и 0,6 ммоль/л у женщин
Проведение цитостатической терапии или
рентгенотерапии по поводу лимфопролиферативных
опухолей для профилактики уратного криза.

52.

Аллопуринол внутрь 50 - 100 мг/сут с
постепенным увеличением по 50-100 мг
каждые 2-4 недели до достижения
целевого уровня мочевой кислоты.
Пожилым пациентам со сниженной
клубочковой фильтрацией (менее 50
мл/мин) доза аллопуринола - не более
100 мг/сут.

53. Урикозурические препараты

• Сульфинпиразон - 50 мг 3 р\сут, с титрованием до
нормализации уровня в сыворотке. Во время лечения
следует выпивать не менее 2 л жидкости в день.
Противопоказания : нефролитиаз, язвенная болезнь
• Бензбромарон (Дезурик) - 50-200 мг 1 раз в сутки на фоне
большого количества жидкости. Противопоказания :
мочекаменная болезнь, гиперурикемия, обусловленная
заболеваниями крови.
• Лозартан (при сочетании с АГ ) – 50 -100 мг\сутки

54.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!