Шпоры по БХ. Истмэнергии. Катаболизм, анаболизм. Осне разделы и направления в биохимии. Значение биохимии для биологии и мед
 Скачать 0.75 Mb.
|
|
фосфорелирование, дефосфорелирование, роль протеинкиназ и проинфосфатаз. Примеры метаболических путей, регулируемых такими способами. Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. В каждом метаболическом пути есть ключевые ферменты, которые регулируют скорость всего пути. Эти ферменты называются регуляторными. Метаболические пути – последовательность превращения одних соединений в другие. Метаболизм – совокупность всех метаболических путей, протекающих в организме. Регуляция каталитической активности фермента -Аллостерическая регуляция(ферменты регулируют скорость метаболических путей, которые представляют собой последовательность взаимосвязанных реакций, катализируемых разными ферментами. Например, катаболизм глюкозы до СО и НО регулируется аллостерически.) Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий Регуляция путем фосфорилирования/дефосфорилирования фермента Регуляция протеолизом . Широко распространенный способ химической модификации ферментов фосфорилирование/дефосфорилирование белков осуществляют ферменты протеинкиназы (класс трансферазы). Они катализируют образование сложноэфирной связи между фосфатной группой и ОН-группой аминокислотных остатков серина, треонина и тирозина. Донором фосфатной группы является АТФ. В результате фосфорилирования происходит изменение заряда, конформации фермента, конформации активного центра фермента. повышается сродство фермента к субстрату и возрастает скорость ферментативной реакции. Например – триацилглицерол-липаза (ТАГ- липаза) – внутриклеточный фермент жировой ткани. В дефосфорилированной форме фермент неактивен. Под действием специфической протеинкиназы А фермент фосфорилируется и переходит в активную форму. Для некоторых ферментов, обеспечивающих метаболизм глюкозы, холестерола, гликогена, фосфорилированная форма является неактивной. Например, фермент пируваткиназа, участвующая в катаболизме глюкозы, переходит в активную форму только после отщепления фосфорного остатка. Поэтому в этом случае фосфорилирование вызывает снижение активности, а дефосфорилирование – повышение активности фермента. Дефосфорилирование осуществляют протеинфосфатазы класс гидролазы. Регуляция активности фермента путем ассоциации-диссоциации протомеров. Т.е. это регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий. В тканях присутствуют ферменты, которые в неактивной форме представлены отдельными комплексами, состоящими из нескольких протомеров. При увеличении в клетке концентрации специфических регуляторных молекул они присоединяются к определенным центрам протомеров. Изменение их конформации, вызванное присоединением лигандов, повышает их сродство друг к другу и стимулирует ассоциацию, те. образование активной формы фермента. Веществом, которое изменяет конформацию комплексов, является цитрат. При повышении его концентрации в цитозоле клетки 3 тетрамера объединяются в олигомер из 12 протомеров – активную форму ацетил-СоА карбоксилазы. Другим примером этого типа регуляции может служить активация протеинкиназы А. В неактивной форме фермент состоит из 4 протомеров – 2 каталитических и 2 регуляторных. Регуляторные протомеры имеют по 2 центра связывания для молекул регуляторного лиганда – циклического АМФ. Молекулы цАМФ при повышении их концентрации в клетке присоединяются к специфическим центрам регуляторных протомеров. Это приводит к изменению их конформации и потере сродства к каталитическим протомерам. Отделившиеся каталитические протомеры (протеинкиназы А) проявляют протеинкиназную активность и фосфорилируют белки по аминокислотным остаткам серина и треонина. В отсутствие цАМФ регуляторные протомеры взаимодействуют с каталитическими протомерами, образуя неактивный комплекс. Синтез молекул цАМФ из АТФ катализирует фермент аденилатциклаза, а превращение цАМФ в АМФ – фосфодиэстераза. Применение ферментов в медицине. Энзимодиагностика и энземотерапия. Важная особенность ферментов, используемых в диагностике, состоит в том, что активность каждого из них можно определить в природном материале без предварительного фракционирования в крови, в моче, в спинномозговой жидкости, в слюне.К ферментам, используемым в энзимологии предъявляют следующие требования Органоспецифичность (тканеспецифичность) Выход фермента в кровь при повреждении органа или ткани Низкая активность фермента в крови в норме При этом различают Неспецифические ферменты, которые присутствуют во всех тканях в разных количествах Тканеспецифические ферменты, которые присутствуют только в данной конкретной ткани Весьма существенным в энзимодиагностике является знание особенностей внутриклеточной локализации ферментов. Внутри клетки они, как правило, локализованы в определенном ее отделе (компартменте). Различают цитоплазматические, митохондриальные, ядерные, лизосомные ферменты. Например, при воспалительных процессах повышается проницаемость клеточных мембран ив крови обнаруживаются цитоплазматические ферменты. Энзимотерапия – использование ферментов в качестве лечебных средств. Для лечения очень широко используются протеазы. Трипсин и химотрипсин практически не атакуют живые клетки, а легко расщепляют белки мертвых клеток. На этом основано их применение для очистки гнойных ран, лечения ожогов, отморожений. Ферменты крови плазмин, урокиназу применяют для предотвращения тромбообразования, т.к. они быстро разрушают тромб.Энзимотерапию пепсином, трипсином, химотрипсином, амилазой проводят при отсутствии этих ферментов в организме. Ферменты используют ив онкологии, для замедления развития лейкозов. В лейкозных клетках на фоне дефицита аспарагина замедляется синтез белков, приводящий к нарушению метаболизма этих клеток. Совр. представления о строении ДНК, комплементарность оснований. Правила Чаргаффа. Видовая специфичность ,коэф-т специфичности ДНК Участие белков в компактизации ДНК. Биологическая роль ДНК. ДНК и РНК представляют собой линейные полимеры, построенные из нуклеотидов. Каждый нуклеотид в свою очередь состоит из трех компонентов азотистого основания, являющегося производным пурина или пиримидина, пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. В состав нуклеиновый кислот входят два производных пурина – аденин и гуанин и три производных пиримидина – цитозин, урацил (в РНК) и тимин (в ДНК. Первичная структура нуклеиновых кислот – это порядок чередования нуклеотидов, связанных друг с другом в линейной последовательности 3’,5’-фосфодиэфирной связью. В результате образуются полимеры с фосфатным остатком на конце и свободной – ОН-группой пентозы на 3’- конце. Вторичная структура ДНК-в 1953 году Уотсоном и Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, вторичная структура ДНК представлена двойной правозакрученной спиралью, в которой две полинуклеотидные цепи расположены антипараллельно одна в направлении к 5’, вторая в направлении 5’ к 3’) и удерживаются относительно друг друга за счет взаимодействия между комплементарными азотистыми основаниями. Третичная структура ДНК формируется при ее взаимодействии с белками. Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому, в составе которой разнообразные белки связываются с отдельными участками ДНК и обеспечивают суперспирализацию и компактизацию молекулы. В период покоя комплексы ДНК с белками равномерно распределены по объему ядра, образуя хроматин. Белки хроматина делят на две группы гистоны и негистоновые белки. Гистоны - это небольшие белки с высоким содержанием положительно заряженных аминокислот лизина и аргинина. Они взаимодействуют с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК длиной 146 нуклеотидных пар, образуя нуклеосомы. Негистоновые белки представлены разными ферментами и белками, участвующими в синтезе ДНК и РНК, в регуляции этих процессов, а также структурными белками, обеспечивающими компактизацию ДНК. Правило Чаргаффа- в молекуле ДНК количество адениловых нуклеотидов равно количеству тимидиловых нуклеотидов (АТ, а количество гуаниловых – количеству цитидиловых (С. Соотношение АТС величина постоянная и является видоспецифической характеристикой организма. ДНК выполняет следующие функции -хранение наследственной информации происходит с помощью гистонов. Молекула ДНК сворачивается, образуя вначале нуклеосому, а после гетерохроматин, из которого состоят хромосомы передача наследственного материала происходит путем репликации ДНК реализация наследственной информации в процессе синтеза белка. Биосинтез ДНК(репликация).Биологический генетический код. Синтез ДНК протекает в ядре в фазу клеточного цикла и предшествует делению клеток. Первоначально клетка из состояния покоя Go вступает в фазу, входе которой синтезируются ферменты и белки, необходимые для синтеза ДНК. Затем в фазу протекает репликация и диплоидная клетка превращается в тетраплоидную, а входе митоза делится, образуя 2 дочерние диплоидные клетки. В эукариотических клетках репликация начинается одновременно во многих участках ДНК, которые имеют специфическую нуклеотидную последовательность и называются ориджинами репликации. От каждого ориджина синтез новых цепей ДНК идет в двух противоположных направлениях, образуя две репликативные вилки. Процесс является полуконсервативным, так как по завершении репликации каждая дочерняя молекула ДНК содержит одну родительскую нить и одну вновь синтезированную. Матрицей служат обе нити ДНК. Репликация включает стадии инициации, элонгации и терминации. Входе инициации образуются две репликативные вилки при участии ферментов ДНК- топоизомеразы, ДНК-хеликазы и белков, связывающихся с одноцепочечными участками ДНК (SSВ-белки). ДНК-топоизомераза 1 присоединяется к участку ориджина, расщепляет одну из цепей ДНК и связывается с фосфатным остатком в точке разрыва, происходит локальное раскручивание двухцепочечной нити ДНК. Две молекулы ДНК-хеликазы, используя энергию АТФ, разрывают водородные связи между комплементарными основаниями и разделяют цепи ДНК. Одновременно ДНК-топоизомераза восстанавливает фосфодиэфирную связь и освобождается из связи с ДНК. SSВ-белки присоединяются к одноцепочечным участками препятствуют их повторному скручиванию в двойную спираль. На стадии элонгации образуются дочерние цепи ДНК на материнской ДНК. Этот процесс катализирует ДНК-полимераза.Сначала ДНК- полимераза синтезирует РНК –праймер, которым начинается лидирующая цепь и каждый фрагмент Оказаки в отстающей нити ДНК. Лидирующая нить растет непрерывно, а отстающая – в виде фрагментов Оказаки, каждый их которых включает включает РНК- праймер (10 нуклеотидов) и участок ДНК, примерно равный длине ДНК в составе нуклеосомы (примерно 150 нуклеотидов. Когда следующий фрагмент Оказаки достигает праймера предыдущего фрагмента, ДНК-полимераза отделяется от синтезированной цепи, а праймер предыдущего фрагмента удаляют эндонуклеаза и РНКаза, образуется брешь. ДНК-полимераза удлиняет последний фрагмент Оказаки, заполняя брешь. ДНК-лигаза сшивает предыдущий и вновь синтезированный фрагменты между собой. Новые цепи синтезируются неодинаково. Одна цепь на матрице ДНК с направлением от 3’- к 5’- концу растет непрерывно походу движения репликативной вилки и называется лидирующей.Вторая на матрице с направлением от 5’- к 3’- концу синтезируется против движения репликативной вилки в виде коротких фрагментов – фрагментов Оказаки, ее называют запаздывающей или отстающей. ДНК-лигаза объединяет фрагменты в полинуклеотидную цепь, затрачивая молекулу АТФ на образование каждой 3’, 5’- фосфодиэфирной связи. Кофактором всех стадий репликации являются ионы Mg 2+ . В результате образуются дочерние цепи, комплементарные и антипараллельные нитям материнской ДНК. После деления каждая дочерняя клетка получает диплоидный набор хромосом, идентичный материнской клетке.Завершение синтеза ДНК в процессе репликации происходит на стадии терминации. Существует система репарации- система восстановления поврежденной молекулы ДНК,которая включает специфическая эндонуклеаза(обнаруживает нарушение комплементарности и гидролизует 3’,5’-фосфодиэфирную связь в поврежденной нити ДНК экзонуклеаза(удаляет от 20 до 30 нуклеотидных остатков в области разрыва к 3’- концу образовавшейся бреши и заполняет брешь ДНК – лигаза(используя АТФ как источник энергии, соединяет 3’,5’-фосфодиэфирной связью место разрыва между вновь синтезированной и основной нитями ДНК. Генетический код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Свойства генетического кода -триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон. непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. -неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки. однозначность специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодону кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)[1] -вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии есть ряд исключений, показанный в таблице раздела Вариации стандартного генетического кода ниже. Биосинтез РНК(транскрипция). РНК- полимеразы. Типы РНК, их роль. Транскрипция – это синтез РНК на матрице ДНК. Процесс катализируют РНК-полимеразы, которые подобно ДНК-полимеразам, образуют фосфодиэфирные связи между рибонуклеотидами в соответствии с принципами комплементарности к одной из нитей ДНК, которую обозначают как матричную. У эукариот синтез РНК происходит в ядре и митохондриях практически постоянно вне зависимости от фаз клеточного цикла. В ядре РНК синтезируют 3 фермента РНК-полимераза I катализирует образование рРНК, РНК- полимераза II синтез мРНК, РНК-полимераза III – образование тРНК. Нуклеотидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ) выполняют функции субстратов синтеза и источников энергии. Входе транскрипции матрицей является нить ДНК, имеющая направление от 3’ к концу, так как все РНК-полимеразы осуществляют рост новых цепей РНК в направлении от 5’ к концу антипараллельно матрице. Процесс транскрипции включает стадии инициации, элонгации и терминации. РНК-полимеразы узнают место начала транскрипции - промотер, имеющий специфическую последовательность нуклеотидов ТАТА. На стадии инициации к – ТАТА-последовательности матричной цепи ДНК присоединяется белок –ТАТА-фактор, который стимулирует присоединение к ДНК РНК- полимеразы и белковых факторов инициации транскрипции. Образующийся комплекс вызывает расплетение двойной нити ДНК длиной в один виток спирали (около 10 нуклеотидных пар).На этапе элонгации происходит удаление факторов инициации и присоединение фактора элонгации. Синтез РНК осуществляется на матричной нити ДНК по принципу комплементарновти. При этом в активном центре РНК-полимеразы каждый последующий нуклеотид связывается с концом предыдущего нуклеотида. По мере движения РНК-полимеразы по нити ДНК к освободившемуся промотору присоединяются новые молекулы фермента, поэтому один ген может одновременно транскрибироваться несколькими молекулами РНК- полимеразы.Стадия терминации начинается, когда РНК-полимераза достигает специфической последовательности нуклеотидов – сайта терминации. При этом фактор элонгации отделяется от РНК- полимеразы, а фактор терминации присоединяется. Он облегчает отделение синтезированной молекулы пре-РНК и фермента от матрицы ДНК. Молекулы РНК, которые синтезируются РНК- полимеразами, функционально неактивны и являются молекулами- предшественниками - пре-РНК. Они превращаются в зрелые молекулы только после соответствующих посттранскрипционных модификаций – созревания молекул РНК. Установлено, что эукариотические ДНК состоят из участков, кодирующих последовательность аминокислот в отдельных доменах молекулы белка – экзонов и участков, не содержащих информацию о строении белка – интронов. Входе транскрипции получаются пре-РНК, содержащие участки, комплеменарные экзонам и интронам. В процессе созревания мРНК интроны удаляются, а экзоны соединяются между собой с высокой точностью при помощи комплексов из малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП) – сплайсосом. Этот процесс получил название сплайсинга.В клетках синтезируется около 20 семейств тРНК.Представители каждого семейства способны связываться только с одной из 20 аминокислот, входящих в состав белков. Виды РНК - матричная (информационная) РНК(служит посредником при передаче информации, закодированной в ДНК к рибосомам - рибосо мные РНК(рРНК) –( несколько молекул РНК, составляющих основу рибосомы. Основной функцией рРНК является осуществление процесса трансляции — считывания информации с мРНК при помощи адапторных молекул тРНК и катализ образования пептидных связей между присоединёнными к тРНК аминокислотами - транспортная РНК, тРНК(функцией является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка Современные представления о синтезе белка. Регуляция биосинтеза белка. Трансляция (биосинтез белка) – это процесс, входе которого информация о структуре белка, записанная в виде линейной последовательности нуклеотидов в молекуле зрелой мРНК, переводится на язык аминокислот при участии тРНК и рибосом. В результате образуется молекула белка со строго определенной первичной структурой. В состав мРНК входят 4 нуклеотида, а в состав белков – 20 аминокислот. Из этого следует, что должен существовать способ кодирования аминокислот последовательностью нескольких нуклеотидов. Способ кодирования, согласно которому в мРНК зашифрована последовательность аминокислот в белке, получил название генетического биологического или аминокислотного) кода. Свойства генетического кода -триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон. непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно. -неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки. однозначность специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодону кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)[1] -вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии есть ряд исключений, показанный в таблице раздела Вариации стандартного генетического кода ниже. Декодирование информации о структуре белка, записанной в виде последовательности кодонов мРНК, возможно благодаря тРНК, выполняющим функции адапторов («приспособителей» аминокислот к кодонам мРНК). В центре полинуклеотидной цепи этих молекул имеется антикодоновая петля, в которой находится триплет нуклеотидов – антикодон, способный связываться с кодоном мРНК по принципу комплементарности и антипараллельности. На конце молекулы все тРНК имеют акцепторный триплет – ССА, к которому аминокислоты присоединяются карбоксильной группой. Каждой аминокислоте соответствует своя тРНК. В цитозоле связывание аминокислот с тРНК катализируют ферменты аминоацил-тРНК- синтетазы (аа-тРНК-синтетазы). Образование полипептидных цепей белка требует участия большого числа компонентов, основными из которых являются аминокислоты – субстраты синтеза белка -мРНК – матрица, содержащая информацию о первичной структуре белка в виде линейной последовательности кодонов -тРНК – адапторы аминокислот к кодоном мРНК -аа-тРНК-синтетазы, катализирующие связывание аминокислот с соответствующими тРНК рибосомы – субклеточные структуры, на которых происходит сборка аминокислот в полипептидные цепи АТФ и ГТФ – источники энергии -Mg 2+ - кофактор, стабилизирующий структуру рибосом факторы инициации, элонгации, терминации – внерибосомные белки, облегчающие и ускоряющие процесс трансляции После образования аа-тРНК дальнейшие события по сборке аминокислот в полипептидные цепи белка происходят на рибосомах и включают инициацию, элонгацию и терминацию. Инициация начинается с присоединения к зрелой мРНК в области кэпа малой субъединицы рибосомы 40S, инициирующей аа-тРНК (у эукариотов это всегда, факторов инициации и молекулы ГТФ. Формируется полная 80S рибосома с двумя активными центрами Р-центром (пептидильным), с которым оказывается связанной Мет-тРНК мет , и А- центром (аминоацильным), в область которого попадает первый смысловой кодон мРНК. На рибосоме формируются Аи Р-центры Элонгация включает 3 последовательные стадии связывание аа-тРНК в А-центре. В свободный А-центр присоединяется аа-тРНК, у которой антикодон комплементарен кодону мРНК, находящемуся в области этого центра. Для того чтобы это событие стало возможным, требуются затрата энергии ГТФ и участие фактора элонгации EF1. образование пептидной связи. Между группой аминокислоты, находящейся в А-центре в составе аа-тРНК, и карбоксильной группой метионина или другой аминокислоты, входящей в растущую полипептидную цепь и присоединенной к тРНК Р-центра, возникает пептидная связь. Катализирует эту реакцию пептидилтрансфераза. Продуктом реакции становится удлиненная на одну аминокислоту пептидил-тРНК в А-центре рибосомы. перемещение рибосомы по мРНК (транслокация. Рибосома перемещается по мРНК на один кодон в направлении от и концу с использованием энергии ГТФ и при участии фактора элонгации EF2. В результате передвижения рибосомы пептидил-тРНК (Мет- тРНК мет ) из А-центра попадает в Р-центр, а в А-центре оказывается следующий кодон мРНК. тРНК, которая передала Метили растущий пептид) на аминокислоту аа-тРНК (Вал-тРНК вал ) на этом этапе теряет связь с Р-центром и уходит в цитозоль клетки. Терминация. Этот этап наступает, когда в А-центр рибосомы попадает один из стоп-кодонов мРНК - UAA, UAG, UGA. По мере продвижения рибосомы по мРНК к концу молекулы конец высвобождается и к нему могут присоединяться новые рибосомы. При попадании в А-центр стоп-кодона вновь синтезированный пептид высвобождается из связи с тРНК и рибосомой с участием факторов терминации и энергии ГТФ. Регуляция синтеза белка в эукариотических клетках набор и количество белков могут регулироваться на разных уровнях реализации генетической информации в фенотипическую. На ДНК имеются короткие специфические последовательности, которые обеспечивают регуляцию экспрессии генов, именно к ними присоединяются регуляторные белки. Индукторами или корепрессорами, стимулирующими присоединение регуляторных белков к ДНК, могут быть гормоны, ионы металлов, субстраты или продукты метаболических путей. У белков-регуляторов имеется 3 важнейших участка участок, по которому белки взаимодействуют с энхансерами или сайленсерами участок, к которому присоединяются индукторы или корепрессоры участок, взаимодействующий с белками-посредниками или транскрипционными факторами и изменяющий сродство промотора к РНК-полимеразе. Пример стероидные гормоны кортизол, альдостерон легко проходят плазматическую мембрану ив цитозоле клеток-мишеней присоединяются к белку-рецептору. Образуется комплекс, который проходит ядерную мембрану и связывается с регуляторным участком определенного гена. При присоединении к к энхансеру, изменение конформаци ДНК вызывает индукцию транскрипции. |