биохимия. 11. Фосфопротеины механизм образования, роль в регуляции обмена веществ
 Скачать 0.6 Mb.
|
|
11. Фосфопротеины: механизм образования, роль в регуляции обмена веществ. Фосфопротеины – это сложные белки,у которых остаток фосфорной кислоты соединен эфирной связью с гидроксильной группой серина, треонина (т.е. тех аминокислот, которые содержат ОН-группу).   12. Структура и функции гемоглобина. Основные производные гемоглобина, характеристика и биологическая роль. Физиологические и аномальные типы гемоглобина Гемпротеины – это сложные белки, состоящие из небелковой части – гема и белковой - глобина. В молекуле гема 4 пиррольных кольца, лежащих в одной плоскости, соединены между собой метинильными мостиками, а атомы азота пиррольных колец связаны с атомом железа. Железо имеет степень окисления «+2» и координационное число 6. Четыре связи используются для связи с атомами азота пиррольных колец, одна связь идет для связывания с остатком гистидина глобина и еще одна - для связывания с лигандом, например О2, Присоединение О2 за счет образования координационной связи не изменяет валентности железа. Основным гемпротеином является гемоглобин. Гемоглобин имеет четвертичную структуру. Гемоглобин находится в эритроцитах, транспортирует кислород из легких в ткани, а из тканей в легкие переносит углекислый газ и протоны водорода. Подразделяется на неферментативные белки ( гемоглобин , миоглобин) Ферменты : цитохромы каталаза пероксидаза Небелковая часть Гем – структура, включающая в себя порфириновое кольцо (состоит из 4 пиррольных колец) и иона Fe 2+ Железо связывается с порфириновым кольцом двумя координационными и двумя ковалентными связями. Гемоглобин представляет собой белок включающий 4 гемсодержащие белковые субъединицы Связи:гидрофобные,ионные,водородные Взаимодействует контактной поверхностью,контакт происходит по принципу комплементарности Белковые субъединицы в нормальном гемоглобине могут быть представлены различными типами полипептидных цепей альфа,бетта и гамма. В состав молекулы гемоглобина входят по 2 цепи двух разных типов Гем соединен с белковой субъединицей через остаток гистидина координационной связью железа и через гидрофобные связи пиррольных колец и гидрофобных аминокислот Синтез Гема идет в предшественниках эритроцитов в клетках печени,почек,слизистой кишечника Физиологические типы гемоглобина. 1.HbP (primitive) примитивный гемоглобин Соединён 2 кси и 2 эпсилон цепи Встречается у эмбриона между 7-12 неделями 2. HbF (fetal) фетальный гемоглобин содержит 2 альфа и 2 гамма цепи Появляется после 12 недель внутриутробного развития и является основным после 3 недель. 3.HbA (adult) гемоглобин взрослых Содержит 2 альфа и 2 бетта цепи ( у плода появляется через 3 месяца жизни и к рождению составляет 80 % всего гемоглобина) 4.HbA2 Содержит 2 альфа и 2 дельта цепи 5. HbO2 оксигемоглобин 6.HbCO2 карбоксигемоглобин Патологические формы гемоглобина 1.HbS гемоглобин серповидно-клеточной анемии 2. MetHb метгемоглобин – форма гемоглобина включающая трехвалентный ион железа При отравлении цианидами используется как антидот 3. HbCO образуется при наличии угарного газа во вдыхаемом воздухе. 4.HbA1C – гликозилированный при хронической гипергликемии В организме человека существует несколько типов гемоглобина, отличающихся первичной структурой полипептидных цепей, обозначаемых как α-,β-,γ-,δ-. В крови взрослого человека преобладает гемоглобин HbА, содержащий две α-и две β-цепи, он составляет 96-98%, 2-3% составляет гемоглобин А2 (α2δ2). Концентрация гемоглобина в норме в крови взрослых людей: у женщин – 120 -140 г/л, у мужчин – 130 – 160 г/л. 13.Нуклеопротеины. Строение нуклеиновых кислот. Первичная структура ДНК и РНК. Видовые различия первичной структуры нуклеиновых кислот. Нуклеопротеины – сложные белки, включающие нуклеиновые кислоты. Они формируют в рибосомы, хроматин, вирусы. Тип связи электростатические взаимодействия Нуклеиновая кислота — высокомолекулярное органическое соединение, полинуклеотид, образованный остатками нуклеотидов. В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые - аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые - цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). Уровни структурной организации: 1. первичная структура. РНК и ДНК построены однотипно – представлены полинуклеотидной цепью, состоящей из отдельных мононуклеотодов, соединённых между собой 3’→5’-фосфодиэфирными связями. 2. вторичная структура. Представляет собой двойную спираль, состоящую из 2 полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг одной общей оси. Эти цепи антипараллельны, т.е. одна идет в направлении 5’→3’, а другая 3’→5’. Пуриновому основанию одной цепи соответствует пиримидиновое основание другой цепи – эти основания комплиментарны друг другу. Вторичная структура стабилизируется водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Видовые различия первичной структуры: Существуют два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты(РНК). те, и другие представляют собой полимерные молекулы, построенные из мономерных блоков – нуклеотидов: ДНК – из дезоксирибонуклеотидов, а РНК – из рибонуклеотидов. 14.Вторичная и третичная структура ДНК, строение хроматина. Денатурация и ренативация ДНК. Вторичная структура Вторичная структура ДНК-двойная спираль. Эта структура образуется из двух взаимно комплементарных антипараллельных полидезоксирибонуклеотидных цепей, закрученных относительно друг друга и общей оси в правую спираль. При этом азотистые основания обращены внутрь двойной спирали, а сахарофосфатный остов — наружу. В формировании вторичной структуры ДНК участвуют: а)водородные связи между комплементарными основаниями; б)электростатические взаимодействия; в)Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия(связи между положительными и отриц. ионами). Третичная структура Третичная структура(клубок) — пространственное строение всей молекулы белка или другой макромолекулы, состоящей из единственной цепи. В формирование этой цепи участвуют: а)ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики); б)ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков; в)водородные связи; г)гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. На поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы. Хроматин-это вещество хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков. Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК. Основную массу хроматина составляют белки гистоны. Гистоны являются компонентом нуклеосом, — надмолекулярных структур, участвующих в упаковке хромосом. Нуклеосомы располагаются довольно регулярно, так что образующаяся структура напоминает бусы. Нуклеосома состоит из белков четырех типов: H2A, H2B, H3 и H4. В одну нуклеосому входят по два белка каждого типа. Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную структуру (фибриллу). Если хроматин упакован плотно-гетерохроматин, ДНК, находящаяся в гетерохроматине не транскрибируется. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки. Если хроматин упакован неплотно-эухроматином. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов — ацетилированием и фосфорилированием. Физико-химические свойства ДНК: Денатурация: Различные факторы, нарушающие водородные связи: повышение температуры выше 80 градусов,изменение pH, действие мочевины. Двойная спираль ДНК частично или полностью разделяется на составляющие ее цепи Ренатурация Восстановление двухспиральной структуры. 15. Типы РНК: рибосомальные, транспортные, матричные. Характеристика структуры и функции. Строение рибосом. Транспортная РНК Пространственную структуру любых тРНК, независимо от различий в последовательности нуклеотидов, описывают универсальной моделью «клеверного листа». В т-РНК есть участки, взаимодействующие с рибосомой, места для связывания с аминокислотами и ферментами, а также специфическая последовательность трех нуклеотидов (триплет), называемая антикодоном. В каждой молекуле тРНК есть участки цепи, не участвующие в образовании водородных связей между нуклеотидными остатками. К ним, в частности, относят участок, ответственный за связывание с аминокислотой на 3'-конце молекулы и антикодон - специфический триплет нуклеотидов, взаимодействующий комплементарно с кодоном мРНК.В состав нуклеотидов тРНК входят минорные основания (в среднем 10-12 оснований на молекулу). Они представлены метилированными основаниями, изомерами и аналогами пиримидинов Минорные основания выполняют 2 функции: они делают тРНК устойчивыми к действию нуклеаз цитоплазмы и поддерживают определённую третичную структуру молекулы, так как не могут участвовать в образовании комплементарных пар, и препятствуют спирализации определённых участков в полинуклеотидной последовательности тРНК. Матричная РНК.Перенос информации от ДНК на белоксинтезирующую систему клетки осуществляет м-РНК, выполняющая роль матрицы, у м-РНК на 5΄-конце содержится определенная последовательность рибонуклеотидов – шапочки (кэп), на другом 3΄-конце в м-РНК содержится полиадениловая последовательность (поли-А). Кэп необходим для специфического узнавания в процессе трансляции, а поли-А является фактором стабилизации всей молекулы м-РНК. Первичная структура всех мРНК, независимо от уникальности их кодирующей последовательности, имеет одинаковое строение 5'- и З'-концов. Так, на 5'- конце присутствует модифицированный нуклеотид 7-метилгуанозин-5'-трифосфат (кэп). Несколько десятков нуклеотидов отделяют кэп от инициирующего кодона, обычно это триплет -AUG-. За кодирующим участком следует один из терминирующих кодонов - -UGA-, -UUA-, -UAG-. На З'-конце большинства мРНК присутствует последовательность нуклеотидов из 100-200 аденозинмо-нофосфатных остатков. Рибосомальная РНК.Рибосома эукариот включает 2 субъединицы, при этом большая субчастица (60S) содержит 3 разного размера РНК и около 49 белков; малая субчастица (40S) содержит 1 молекулу р-РНК и около 33 белков. Рибосомальные РНК имеют многочисленные спирализованные участки. Различают рРНК - 5S, 5,8S, 28S и 18S (S - коэффициент седиментации). Рибосомальные РНК содержат несколько модифицированных нуклеотидов, чаще всего это метилированные производные азотистых оснований или рибозы (2'-метилрибоза). рРНК образуют комплексы с белками, которые называют рибосомами. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - малой (40S) и большой (60S). Субъединицы рибосом различаются не только набором рРНК, но и количеством и структурой белков 16. Структурная организация и функции ДНК. Хроматин. Репликация Структурная организация ДНК в хромосомах. На первом уровне: Нуклеосомная нить, которая формируется при взаимодействии ДНК с белками – гистонами. Нуклеосома содержит 8 молекул гистонов,на них накручен отрезок двуспиральной ДНК. Связь между ними – ионная. Свободные от контакта с белками части ДНК называются линкерными. Двойная спираль ДНК укорачивается в 7 раз Вторичный уровень пространственной организации хромосом: Из нуклеосомной цепи хромативной фибриллы , что обеспечивает уменьшение еще в 6-7 раз. Третичный уровень организации хромосом: Укладка хроматинового волокна в петли. В этом процессе принимают участие негистоновые белки. Функции ДНК: 1 Хранение наследственной информации и её передача из поколения в поколениепри делении клеток. 2 Участвует в качестве матрицы в реализации генетической информации,регулирует во времени и пространстве биосинтез компонентов клетки. 3 Определяет деятельность клетки и организма в течение жизненного цикла. 4 Обеспечивает индивидуальность данного организма. Эти функции ДНК обусловлены тем, что молекулы ДНК служат матрицей для репликации и транскрипции. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином. Репликация ДНК осуществляется ДНК-зависимыми ДНК-полимеразами. Субстратами и источниками энергии для синтеза продукта служат 4 макроэргических соединения - дезоксирибонуклеозидтрифосфаты дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ, для активации которых необходимы ионы магния. Нейтрализуя отрицательный заряд нуклеотидов, они повышают их реакционную способность. Ферменты проявляют каталитическую активность только в присутствии предварительно раскрученной матричной двухцепочечной ДНК. Синтез цепей ДНК происходит в направлении 5'-3' растущей цепи, т.е. очередной нуклеотид присоединяется к свободному З'-ОН-концу предшествующего нуклеотидного остатка. Синтезируемая цепь всегда антипараллельна матричной цепи. В ходе репликации образуются 2 дочерние цепи, представляющие собой копии матричных цепей. В синтезе эукариотических ДНК принимают участие 5 ДНК-полимераз (α, β, γ, δ, ε). ДНК-полимеразы различают по числу субъединиц, молекулярной массе, ассоциации с разными вспомогательными белками, ускоряющими процесс биосинтеза ДНК, и функциональному назначению. ДНК-полимеразы α (альфа), β (бета), δ (дельта), ε (эпсилон) участвуют в синтезе ДНК в ядре клеток, ДНК-полимераза γ (гамма) - в репликации митохондриальной ДНК. 17.Структурная организация и биологические функции РНК. Структура т-РНК и участие в процессах трансляции. Рекогниция. Первичная структура РНК представляет собой линейную последовательность нуклеотидов, связанных между собой 3', 5' – фосфодиэфирной связью. Вторичная структура РНК в отличие от ДНК образуется из одной полинуклеотидной цепи, между участками которой формируются короткие комлементарные друг другу участки, за счет образования водородных связей между комплементарными основаниями. Характерным примером этого может служить вторичная структура тРНК, напоминающая вид клеверного листа. В тРНК выделяют следующие структурные участки: 1) акцепторный участок – к свободной –ОН группе аденозина присоединяется аминокислота и доставляется к рибосоме, к месту синтеза белка; 2) Антикодоновая петля, на вершине которой располагается антикодон – специфический триплет нуклеотидов, который комплементарен кодону мРНК, кодирующему соответствующую аминокислоту; 3) псевдоуридиновая петля; 4) дигидроуридиновая петля, их роль еще мало изучена. Функции РНК: 1 Хранение наследственной генетической информации у некоторых вирусов. 2 Передача генетичекой информации для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки и организма. 3 Регуляторная: взаимодействие мРНК и тРНК регулирует начало синтеза белка и др. 4 Ферментативная. В 1980 г. были обнаружены и охарактеризованы молекулы РНК, обладающие ферментативной активностью, которые были названы рибозимы.  18,Структурная организация и биологические функции РНК:и-РНК,р-РНК.Трансляция. Рибосомальные РНК (рРНК) Рибосомальные РНК имеют многочисленные спирализованные участки. Различают рРНК - 5S, 5,8S, 28S и 18S (S - коэффициент седиментации). Рибосомальные РНК содержат несколько модифицированных нуклеотидов, чаще всего это метилированные производные азотистых оснований или рибозы (2'-метилрибоза). рРНК образуют комплексы с белками, которые называют рибосомами. Трансляция (англ. translation – перевод) – это биосинтез белка на матрице мРНК. После переноса информации с ДНК на матричную РНК начинается синтез белков. Каждая зрелая мРНК несет информацию только об одной полипептидной цепи. Если клетке необходимы другие белки, то необходимо транскрибировать мРНК с иных участков ДНК. Биосинтез белков или трансляция происходит на рибосомах, внутриклеточных белоксинтезирующих органеллах, и включает 5 ключевых элементов:матрица – матричная РНК,растущая цепь – полипептид,субстрат для синтеза – 20 протеиногенных аминокислот,источник энергии – ГТФ,рибосомальные белки, рРНК и белковые факторы. Выделяют три основных стадии трансляции: инициация, элонгация, терминация. Инициация Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, три белковых фактора инициации (ИФ-1, ИФ-2, ИФ-3), метионин и тРНК для метионина. В начале этой стадии формируются два тройных комплекса: первый комплекс – мРНК + малая субъединица + ИФ-3, второй комплекс – метионил-тРНК + ИФ-2 + ГТФ. После формирования тройные комплексы объединяются с большой субъединицей рибосомы. В этом процессе активно участвуют белковые факторы инициации, источником энергии служит ГТФ. После сборки комплекса инициирующая метионил-тРНК связывается с первым кодоном АУГ матричной РНК и располагается в П-центре (пептидильный центр) большой субъединицы. А-центр (аминоацильный центр) остается свободным, он будет задействован на стадии элонгации для связывания аминоацил-тРНК. После присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации. Элонгация Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот, белковые факторы элонгации, ГТФ. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 аминокислот в секунду. Элонгация представляет собой циклический процесс. Первый цикл (и следующие циклы) элонгации включает три шага: Присоединение аминоацил-тРНК (еще второй) к кодону мРНК (еще второму), аминокислота при этом встраивается в А-центр рибосомы. Источником энергии служит ГТФ. Фермент пептидилтрансфераза осуществляет перенос метионина с метионил-тРНК (в П-центре) на вторую аминоацил-тРНК (в А-центре) с образованием пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. При этом уже активированная СООН-группа метионина связывается со свободной NH2-группой второй аминокислоты. Здесь источником энергии служит макроэргическая связь между аминокислотой и тРНК. Фермент транслоказа перемещает мРНК относительно рибосомы таким образом, что первый кодон АУГ оказывается вне рибосомы, второй кодон (на рисунке ) становится напротив П-центра, напротив А-центра оказывается третий кодон (на рисунке ). Для этих процессов необходима затрата энергии ГТФ. Так как вместе с мРНК перемещаются закрепленные на ней тРНК, то инициирующая первая тРНК выходит из рибосомы, вторая тРНК с дипептидом помещается в П-центр. Второе повторение цикла – начинается с присоединения третьей аминоацил-тРНК к третьему кодону мРНК, аминокислота-3 становится в А-центр. Далее трансферазная реакции повторяется и образуется трипептид, занимающий А-центр, после чего он смещается в П-центр в транслоказной реакции.. В пустой А-центр входит четвертая аминоацил-тРНК и начинается третий цикл элонгации. Цикл элонгации (реакции 1,2,3) повторяется столько раз, сколько аминокислот необходимо включить в полипептидную цепь. Терминация Синтез белка продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет на мРНК особых терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА, УАГ, УГА. Данные триплеты не кодируют ни одной из аминокислот, их также называют нонсенс-кодоны. При вхождении этих кодонов внутрь рибосомы происходит активация белковых факторов терминации, которые последовательно катализируют: Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК. Отделение от П-центра последней, уже пустой, тРНК. Диссоциацию рибосомы. Источником энергии для завершения трансляции является ГТФ. |