Биохимия и ее задачи

• Название: Биохимия и ее задачи
• Дата: 24.09.2021
• Размер: 1.3 Mb.
• Имя файла: biokhimia_shpora.doc
• Тип: Документы; #236548
• страница: 12 из 28

Функции ЦТК:

1. катаболическая – распад белков, жиров, углеводов;

2. интегративная – взаимосвязь обменов Б, Ж, У;

3. анаболическая – использование метаболитов ЦТК в синтезе необходимых организму соединений (напр., альфа-КГ  глу ; ЩУК  асп);

4. энергетическая – выделение АТФ.

5. водород-генерирующая – образование восстановленных форм коферментов (3 НАД·Н₂ + ФАД·Н₂  4 Н₂)

III. Биологическое окисление.

Биологическое окисление – это совокупность реакций окисления, протекающих в живом организме.

Лавуазье сравнивал биологическое окисление с «медленным горением», но это ограниченная аналогия, так как биологическое окисление:

а) протекает при низкой температуре,

б) протекает без появления пламени,

в) протекает в присутствии воды.

Существует несколько теорий биологического окисления:

1. Теория “активации” кислорода (Бах)

Образуются пероксиды: а) О=О–О–О–

б) –О–О– + S  SOO [треугольник, в углах которого три указанные буквы; S = субстрат; над стрелочкой реакции надпись “оксигеназы”]

в) SOO + S’  SO + S’O [фермент пероксидаза]

Эта теория не объясняет окисление в животных тканях.

2. Теория активирования водорода (Палладин)

В клетках животных окисление идет благодаря дегидрированию:

А·Н₂ + Ко А + Ко·Н₂ [фермент дегидрогеназа]

Ко·Н₂ + ½О₂  Ко + Н₂О

3. Современные представления (Палладин и Бах)

Биологическое окисление – это процесс переноса электронов. Если акцептором электронов выступает молекулярный кислород, то его называют “тканевым дыханием”:

RH₂  R + 2H⁺ + 2e^--

2H⁺ + 2e^-- + ½ O₂  H₂O + 210 кДж

Биологическое окисление – многоступенчатый полиферментативный процесс, заключающийся в многократной передаче протонов и электронов по цепи ферментов. При этом химическая энергия выделяется небольшими порциями (постепенно, без взрывов).

Дыхательная цепь (ДЦ)

(или Цепь Переноса Электронов – ЦПЭ, или Электрон-Транспортная Цепь – ЭТЦ)

ДЦ – это конвейер по переносу электронов и протонов от восстановленного субстрата к кислороду.

Компоненты ДЦ:

1. Пиридинзависимые ДГ (НАД-, НАДФ-зависимые)

Рабочая часть – витамин РР (никотинамид)



НАД + 2Н⁺ + 2е ↔ НАД·Н₂

2. ФАД-зависимые ДГ (кофермент в ДЦ – ФМН, а акцептор электронов непосредственно от субстрата – ФАД. Рабочая часть – изоалоксазин.



[При восстановлении к атомам азота при двойных связях, отмеченных стрелками, присоединяется по атому водорода, а двойная связь перемещается на общую грань колец В и С.]

3. Убихинон (Ko Q). Обладает о/в-свойствами благодаря кето-енольной таутомерии.

4. Цитохромы. Относятся к гемопротеинам, содержат атомы железа, переход степени (2↔3) окисления которого и обеспечивает транспорт электронов (протоны ими не транспортируются !!! ).

В ДЦ цитохромы расположены в следующей последовательности: b - c₁ - c - a - a₃ .

Совокупность цитохромов b и c₁ называют КоQH-дегидрогеназой, т.к. они отщепляют атом водорода от убихинона (KoQ).

Цитохромы а и а₃ – цитохромоксидазой (т.к. способствуют переносу электронов на молекулярный кислород).

Функционирование ДЦ

Субстрат·Н₂ → НАД → ФМН → КоQ → 2b → 2c₁ → 2c → 2a → 2a₃ → O₂ .

[До KoQ включительно переносятся 2 протона и 2 электрона, а по цепи цитохромов – только 2 электрона]

Существует и укороченная ДЦ, в которой субстрат окисляется ФАД-зависимой ДГ, отдающей затем 2 протона и 2 электрона непосредственно на убихинон.

Необходимо отметить, что АТФ выделяется на этапах: НАД→ФМН (в укороченной ДЦ эта молекула АТФ не выделяется!), b→c₁ , a→a₃.

Вообще, молекула АТФ синтезируется если разница потенциалов между соседними компонентами цепи превышает 0,2 В, т.е. может выделиться энергия не менее 50 кДж/моль.

Окислительное фосфорилирование

(хемиосмотическая теория Митчелла, 1961)

1. Мембраны митохондрий непроницаемы для протонов.

2. В результате процессов окисления в митохондрии формируется протонный потенциал (электрохимический градиент протонов).

3. Диффузия протонов обратно на внутреннюю поверхность мембраны сопряжено с фосфорилированием, которое осуществляется АТФ-синтетазой.

Сам процесс выглядит так:

1. НАД·Н-ДГ отдает пару электронов на ФМН-ДГ. Это позволяет ФМН принять пару протонов из матрикса с образованием ФМН·Н₂. Пара протонов, принадлежащих НАД, выталкивается на цитоплазматическую поверхность внутренней мембраны митохондрий.

2. ФМН·Н₂-ДГ выталкивает пару протонов на цитоплазматическую поверхность мембраны, а пару электронов отдает на убихинон (KoQ), который при этом получает способность присоединить пару электронов из матрикса с образованием KoQ·H₂.

3. KoQ·H₂ выталкивает пару протонов в цитоплазму, а электроны перебрасываются на кислород в матриксе с образованием воды. В итоге при переносе пары электронов из матрикса в межмембранное пространство перекачивается 6 протонов, что и ведет к созданию разницы потенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны.

4. Разница потенциалов и разница рН обеспечивают движение протонов через протонный канал в обратном направлении.

5. Движение протонов ведет к активации АТФ-синтетазы и синтезу АТФ из АДФ и фосфата.
Окислительное фосфорилирование – это процесс образования АТФ из АДФ и Ф_Н за счет энергии транспорта электронов в дыхательной цепи

Возможно разобщение окислительного фосфорилирования, например, при повреждении внутренней мембраны митохондрий. При этом происходит свободное окисление без фосфорилирования (т.е. без синтеза АТФ), сопровождающееся пирогенным эффектом (локальным повышением температуры). Таким образом на митохондиальную мембрану действует, например, 2,4-динитрофенол.
Альтернативные варианты биологического окисления

К ним относят оксигеназный путь окисления. Он не относится к энергоснабжающим клетку процессам, а используется для деградации (разрушения) метаболитов. Ферменты оксигеназного пути катализируют включение кислорода в субстрат.

Различают ди- и монооксигеназный пути.

Диоксигеназный путь содержит ферменты, которые включают в молекулу субстрата оба атома кислорода. Этот вариант встречается очень редко.

S + O₂ → S·O₂

Монооксигеназный путь – в молекулу субстрата включается один из атомов кислорода, а другой восстанавливается до воды. Для этого необходим еще косубстрат (донор электронов).

A-H + O₂ + ZH₂ → A-OH + Z + H₂O

Для примера рассмотрим систему микросомального окисления. Она содержит цитохромы Р-450 и b₅. Эта система играет большую роль в обезвреживании многих токсинов и лекарств путем их гидроксилирования.

R-H → R-OH

При этом часто образуется пероксид водорода, который разрушается каталазой.
Матричный биосинтез

Генетический код

Понятие о генетическом коде было введено в середине 50-х гг. Гамовым. Генетически код - это информация об аминокислотах (АК), записанная в виде последовательности нуклеотидов. Посредством 4-х нуклеотидов кодируется 20 основных АК.

Свойства генетического кода:

1. генетический код триплетный, т.е. одна последовательность состоит из 3-х нуклеотидов. Имеется 4³ (64) варианта, а необходимо 20, поэтому генетический код имеет квазидуплетность – смысловую нагрузку для большинства АК несут первые 2 нуклеотида, а третий нуклеотид для некоторых АК не важен вообще, а для других имеет значение пуриновый он или пиримидиновый. И только для ТРИ и МЕТ важен 3 нуклеотид;

2. однозначность - один код (триплет) несет информацию только об одной АК;

3. вырожденность - одной АК соответствует несколько кодонов. Это происходит вследствие того, что кодонов 64, а АК - 20. Так, СЕР соответствует 6 кодонов, ГЛИ и АЛА - по 4 кодона. Большей части АК соответствует по 2 кода, только ТРИ и МЕТ кодируются 1 кодоном;

Также имеются кодоны, которые не несут смысловой нагрузки - нонсенс (бессмысленные) кодоны – терминирующие кодоны;

4. неперекрещиваемость - считывание информации идет от одного триплета к другому триплету последовательно;

5. универсальность - для всего живого генетический код един.
Т.о., в виде генетического кода записана информация об одной АК, а последовательность нуклеотидов (в виде триплетов) несет информацию о последовательности АК в полипептидной цепи.

Отрезок ДНК, несущий информацию о последовательности АК в одной полипептидной цепи, называется геном.

Функции гена:

1. хранение информации об одной полипептидной цепи;

2. передача информации из поколения в поколение клеток;

3. передача информации с ДНК на РНК - транскрипция (синтез РНК);

4. передача информации с РНК на последовательность АК в последовательность полипептидной цепи - трансляция (декодирование информации РНК в последовательность АК) - биосинтез белка.
Репликация (самоудвоение, биосинтез) ДНК

В 1953 г. Уотсон и Крик открыли принцип комплементарности (взаимодополняемости). Так, А=Т, а ГЦ.
Условия, необходимые для репликации:

1. строительный материал - дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дЦТФ ТТФ);

2. энергия, которая выделяется из вышеперечисленных трифосфатов: дАТФ дАМФ + ФФ_н +Q;

3. ионы Мg²⁺, играющие стабилизирующую роль;

4 матрица - расплетенная двойная спираль ДНК. Это расплетение называется репликативной вилкой [рис. расплетенной ДНК и образовавщейся репликативной вилки];

5. репликативный комплекс ферментов:

- ДНК-раскручивающие белки;

- ДНК-полимераза;

- ДНК-лигаза.
Основные этапы репликации:

1. образование репликативных вилок при участии ДНК-раскручивающих белков, вызывающих разрыв водородных связей между комплементарными основаниями [рис. репликативной вилки, на одном краю которой сплошная линия, а на другом – фрагментами – это фрагменты Оказаки. Помечены 5’ и 3‘ концы];

2. синтез новых нитей ДНК при участии ДНК-полимеразы, катализирующей образование фосфодиэфирной связи между новыми нуклеотидами. Присоединение нуклеотидов идет в соответствии с принципом комплементарности. Синтез идет 5’-конца к 3’-концу. На одной цепи синтез происходит непрерывно, а на другой - прерывается с образованием коротких фрагментов. В результате на одной цепи образуются короткие фрагменты - фрагменты Оказаки;

3. соединение коротких фрагментов с помощью ДНК-лигазы с образованием дочерних нитей.
В результате репликации на одной материнской нити синтезируются 2 комплементарных дочерних ДНК. Т.е. из одной молекулы ДНК образуются 2 копии ДНК.

Репликация протекает в ядре и частично в митохондриях в синтетическую фазу митотического цикла (S фаза). Значение репликации состоит в передаче информации от ДНК матери к дочерней ДНК.
Транскрипция (передача информации с ДНК на РНК) или биосинтез РНК

При транскрипции, в отличие от репликации, информации передается с небольшого участка ДНК. Элементарной единицей транскрипции является оперон (транскриптон)- участок ДНК, подвергающийся транскрипции.

В опероне выделяют информативные участки - экзоны и неинформативные участки - интроны. В начале оперона выделяют промотор (P) - это начальный участок оперона, к которому присоединяется РНК-полимераза. Рядом с промотором располагается оператор (О) - регуляторная зона, место присоединения генов-регуляторов. В конце оперона располагается терминатор (Т) - участок, содержащий стоп-сигнал. [рис. нескольких последовательных квадратиков: в начале помечаем Р, затем О, а следом экзоны и интроны (какие-то закрашиваем). В конце - Т]
Необходимые условия для трансляции:

1. расплетенный участок ДНК – одна нить ДНК;

2. строительный материал, представленный нуклеотидами - рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ);

3. энергия, которая выделяется из вышеперечисленных трифосфатов: АТФ АМФ + ФФ_н +Q;

4. ферменты - ДНК-зависимая РНК-полимераза.
Этапы трансляции:

1. инициация (начало);

2. элонгация (продолжение);

3. терминация (окончание).

После транскрипции идет процессинг (созревание) РНК.
1. Инициация - заключается в присоединении ДНК-зависимой РНК-полимеразы к промотору, что приводит к разрыву водородных связей между комплементарными нуклеотидами и расхождение нитей ДНК.

2. Элонгация - это передвижение РНК-полимеразы вдоль нити ДНК, сопровождающееся образованием фосфодиэфирных связей между рибонуклеотидами. Присоединение рибонуклеотидов происходит в соответствии с принципом комплементарности.

Этот синтез идет от 5’ конца к 3’ концу со скоростью 40- 50 нуклеотидов в секунду. Данная фаза протекает до тех пор, пока ДНК-полимераза не достигнет стоп-сигнала, после чего происходит терминация. В результате процессов транскрипции образуется транскрипт (пре-иРНК). Он почти полностью соответствует транскриптону.
Начинается следующий этап - процессинг - посттранскриптационное созревание РНК. Заключается в:

- удаление излишков - вырезаются неинформативные участки;

- сплайсинг - сшивка, соединение информативных участков. При этом иРНК укорачивается. Из пре-иРНК образуется иРНК. Далее иРНК соединяется с белком-информером, в результате чего образуется комплекс иРНК+ белок =информосома, который может выходить из ядра и транспортироваться в цитоплазму к рибосоме, где начинается следующий этап передачи информации – трансляция.

Центральный постулат генетики (Уотсон и Крик): ДНКРНКбелок. В 70-е годы был обнаружен фермент – ревертаза (обратная транскриптаза), который позволяет по иРНК синтезировать участок ДНК (РНКДНК). Этот процесс называется обратной транскрипцией.
Трансляция (биосинтез белка)

Трансляция - перевод генетического текста иРНК в последовательность АК в белке.

Необходимый комплекс факторов:

1. строительный материал (20 АК);

2. молекулы тРНК (61 вид тРНК). 61 кодону соответствует 20 АК. 1 тРНК распознает более 1 кодона;

3. ферменты: аминоацил-тРНК-синтетаза - обеспечивают узнавание и связывание АК со своей тРНК (20);

4. молекула мРНК. У эукариот иРНК имеет так называемый 'кэп' (от англ.- кепка, шапка) в области 5^'-конца. Кэп представлен метил-ГТФ, необходимой для узнавания иРНК рибосомой и участвует в трансляции;

5. рибосомы, как место синтеза белка. Каждая рибосома состоит из малой и большой субъединиц. У прокариот они более мелкие - 70S: малая субъединица - 30S, большая - 50S. (S- скорость осаждения). У эукариот- 80S: малая - 40S, большая- 60S. Рибосома содержит рРНК, а также около 80 различных белков, в том числе и ферментов.

6. энергия АТФ и ГТФ;

7. ионы Мg^2+, необходимые для активации ферментов;

8. белковые факторы трансляции – специфические белки различных этапов трансляции.
Этапы трансляции:

1. рекогниция – «распознавание»;

2. инициация – «начало»;

3. эллонгация – «продолжение, удлинение»;

4. терминация - «прекращение»;

5. процессинг – «созревание».
1. Рекогниция. Происходит связывание АК со своей тРНК: АК+тРНК(над стрелкой – аминоацил-тРНК-синтетаза, АТФ) аминоацил-тРНК +АМФ+2Ф_н Количество этих реакций зависит от количества АК.
2. Инициация. Состоит из 7 фаз:

а) подготовка рибосомы к трансляции. Рибосома (30S) взаимодействует с фактором инициации 3 (ФИ-3), в результате разделяется на малую и большую субъединицы. Малая субъединица находится в комплексе с ФИ-3;

б) подготовка РНК-матрицы к трансляции. мРНК эукариот в области 5’-конца имеет особую структуру – КЭП, представленную метил-ГТФ. В этой фазе происходит присоединение к КЭПу КЭП-связываемых белков. Они обозначают на мРНК место прикрепления рибосомы;

в) подготовка инициаторной аминоацил-тРНК. Кодон, с которого начинается считывание генетической информации, представлен триплетом АУГ – метионин. В качестве инициаторной будет выступать МЕТ-тРНК: МЕТ-тРНК+ГТФ+ФИ-2 инициаторный метионин-тРНК;

г) образование инициирующего комплекса. При этом инициаторная МЕТ-тРНК взаимодействует с малой субъединицей рибосомы с образованием инициирующего комплекса. Этому процессу способствует белковый ФИ-3, связанный с рибосомой;

д) связывание мРНК с инициирующим комплексом: инициирующий комплекс+ ФИ-1+ 5’-конец мРНК. При этом АТФАДФ+Ф_н;

е) поиск и комплементарное взаимодействие со стартовым кодоном. При этом происходит скольжение малой субъединицы рибосомы до момента обнаружения кодона АУГ и комплементарного взаимодействия с ним антикодона МЕТ-тРНК;

ж) формирование 80S-рибосомы. Большая субъединица присоединяется к комплексу, образующемуся на 6 стадии, что сопровождается затратой энергии ГТФ (ГТФГДФ+Ф_н). Для этой реакции используется ГТФ, находящаяся в составе инициирующего комплекса. В образовавщейся рибосоме выделяют 2 участка:

- Р-участок, в котором находится МЕТ-тРНК. Здесь будет происходить образование пептидных связей – сайт Р;

- А-участок (аминоацильный участок) – служит для присоединения аминоацильной-тРНК.

В завершении этой фазы происходит высвобождение белковых факторов ФИ-1, ФИ-2, ФИ-3 и КЭП-связанных белков.
3. Элонгация. Состоит из 3-х фаз:

а. присоединение следующей аминоацил-тРНК в соответствии со смыслом следующего кодона матрицы. Процесс требует энергии ГТФ ГДФ + Ф_н+Q и белкового фактора - фактор элонгации-1 (ФЭ-1);

б. пептизация. Между АК-остатками образуются пептидные связи (между АК-1 и АК-2). Данную реакцию катализирует пептидил-трансфераза. Этот фермент разрушает связь между первой АК и ее тРНК. Первая тРНК покидает рибосому. В результате в амино-ацильном участке рибосомы находится растущий пептид, а Р-участок освобождается;

в. транслокация или перемещение. Рибосома перемещается на 1 кодон в направлении 3’-конца тРНК. При этом пептдтл-тРНК остается на месте и происходит внутририбосомный переход растущего пептида из А-участка рибосомы в Р-участок. Для данного процесса необходимы энергия ГТФ ГДФ + Ф_н+Q и белковый фактор - ФЭ-2. Основным результатом является освобождение А-участка рибосомы, в который может поступить следующая аминоацил-тРНК.

Процесс элонгации протекает циклически с 1 по 3 фазу до момента обнаружения стоп-кодона. При достижении рибосомой нонсенс-кодона элонгация прекращается и наступает терминация.
4. Терминация.

Нонсенс-кодон распознается белковыми R-факторами (факторы освобождения) в А-участке рибосом. В результате действия R-факторов обеспечивается диссоциация элементов трансляционного аппарата и в цитоплазму высвобождаются рибосома, иРНК, полипептид. СЭС между пептидом и тРНК гидролизуется с затратой энергии ГТФ ГДФ + Ф_н+Q. иРНК в дальнейшем может использоваться повторно для трансляции (до разрушения ее иРНКазами).

Собственно трансляция включает 3 этапа: инициация, элонгация, терминация.
5. Процессинг белка.

Это совокупность изменений в структуре белка (полипептида), которые заканчиваются формированием структурно и функционально зрелой белковой молекулы. Процессинг может быть 2-х видов:

- котрансляционный, протекающий во время трансляции;

- посттрансляционный – химическая можификация белка происходит после трансляции.

Включает несколько видов химической модификации:

- ограниченный протеолиз - это отщепление либо пептидного фрагмента, либо N-концевой АК (МЕТ);

- реакция ацетилирования - присоединение ацетильного остатка;

- фосфорилирование - присоединение остатка фосфорной кислоты с образованием сложных белков (фосфопротеины);

- гликозилирование АК с образование гликопротеинов и протеогликанов;

- гидроксилирование АК – присоединение –ОН группы. Наиболее часто данному процессу подвергаются ПРО и ЛИЗ с образованием гидроксипролина (ОПР) и гидроксилизина (ОЛИ). Этот процесс необходим при образовании коллагена;

- окисление АК;

- образование вторичной, третичной и четвертичной структур – характерно для олигомерных белков. При образовании данных структур белок сворачивается - процесс фолдинга. Для этого необходимы специализированные белки - шапероны. Они ускоряют сворачивание белков, исправляют некорректные формы вторичной, третичной структур. Может наблюдаться патология фолдинга: существуют т.н. отрицательные шапероны. Их присутствие в клетке приводит к неправильному фолдингу, что выражается в гибели клеток.