Лекции по биохимии тверь,2012 1 модуль. Строение и свойства белков и ферментов Вводная лекция

• Название: Лекции по биохимии тверь,2012 1 модуль. Строение и свойства белков и ферментов Вводная лекция
• Анкор: lektsiiBiokh.doc
• Дата: 22.03.2018
• Размер: 0.64 Mb.
• Имя файла: lektsiiBiokh.doc
• Тип: Лекции; #17046
• страница: 7 из 10

Катаболизм пуриновых нуклеотидов.

Распад нуклеопроитеидов и нуклеиновых кислот в тканях происходит в результате деполимеризации ДНК, РНК под влиянием ДНК-аз и РНК-аз с образованием олиго- и мононуклеотидов. Распад пуриновых мононуклеотидов АМФ и ГМФ происходит по схеме:

АМФ→аденозин → гипоксантин

ксантин→мочевая кислота.

ГМФ →гуанозин →гуанин

Превращение гипоксантина в ксантин и ксантина в мочевую кислоту происходит под действием фермента ксантиноксидазы. Конечным продуктом распада пуринов является мочевая кислота. Это слабая кислота, содержание ее диссоциированной формы и солей (уратов) зависит от рН раствора и концентрации самой кислоты. В сыворотке крови в норме содержится 0,15-0,47 ммоль/л мочевой кислоты. Ежесуточно из организма выводится от 0,4-0,6 г мочевой кислоты и уратов. Когда в плазме крови содержание мочевой кислоты превышает норму, возникает гиперурикемия. В следствие гиперурикемии может развиться подагра. Как правило, подагра вызвана нарушением в работе фермента ФРДФ-синтетазы или ферментов «запасного пути»: гипоксантингуанинфосфорибозилтрансферазы или аденинфосфорибозилфосфо-рибозилтрансферазы. Наследственное нарушение пути реутилизации пуринов вызывает развитие у мальчиков синдрома Леша-Нихана, при котором отмечается резкое снижение активностигипоксантин-гуанинфосфорибозилтрансферазы или она полностью отсутствует. Эта патология сопровождается гиперпродукцией уратов (в 3-6 раз), образованием камней в почках, умственной отсталостью, агрессивным поведением и нанесением себе увечий. Основным препаратом для лечения гиперурикемий является аллопуринол – структурный аналог пурина. Ксантиноксидаза окисляет его в оксипуринол, который прочно связывается активным центром фермента. При этом продукты катаболизма пуринов выделяются в виде гипоксантина, растворимость которого выше чем у мочевой кислоты.

Распад пиримидинов. До образования пиримидиновых азотистых оснований пиримидиновые нуклеотиды (УМФ, ЦМФ, ТМФ) расщепляются аналогично пуриновым. Конечными продуктами распада пиримидиновых азотистых оснований является углекислый газ, β-аланин, β-аминоизомасляная кислота, аммиак (идущий на синтез мочевины или аммонийных солей).

Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов.

Фонд пиримидиновых нуклеотидов, подобно пуриновым нуклеотидом, в основном синтезируется из простых предшественников de novo. В отличие от синтеза пуринов, где формирование пуринового кольца осуществляется на остатке рибозо-5-фосфата, пиримидиновое кольцо синтезируется из простых предшественников: глутамина, СО₂, и аспарагиновой кислоты, а затем связывается с фосфорибозилпирофосфатом (ФРПФ). Регуляторной реакцией в синтезе пиримидиновых нуклеотидов является синтез карбамоилфосфата из глутамина, СО₂ и АТФ, катализируемой карбамоилсульфатсинтетазой-II, которая протекает в цитозоле клеток. Далее карбамоилфосфат в реакции с аспарагиновой кислотой образует карбомоиласпарагиновую кислоту, которая дегидратируется с образованием цикла дигидрооротовой кислоты. Дегидрооротавая кислота под действием НАД-зависимой дегидрогеназы превращается в оротовую кислоту. Взаимодействие которой с ФРДФ и дальнейшее декарбоксилирование приводит к синтезу УМФ (родоначальника пиримидиновых мононуклеотидов).

Синтез УМФ регулируется по механизму отрицательной обратной связи: УТФ является аллостерическим ингибитором пускового фермента этой метаболической цепи – карбамоилфосфатсинтетазы-II. Этот механизм предотвращает избыточный синтез УМФ и всех других пиримидиновых мононуклеотидов (ЦМФ, ТМФ) поскольку они образуются из УМФ. Редкое наследственное заболевание оротацидурия, при котором в результате мутации в гене фермента, катализирующего превращение оротата в УМФ, нарушается синтез УМФ. С мочой выделяется 1,5 г оротата (в 1000 раз больше чем норме) и развивается недостаточность пиримидиновых нуклеотидов, что проявляется отставанием в росте и развитии. Для лечения оротацидурии используется уридин и лецитидин, которые превращаются в УМФ и ЦМФ в обход нарушенной реакции. УМФ и ЦмФ ингибируют регуляторные ферменты синтеза пиримидиновых нуклеотидов de novo и снижают синтез и выведение оротата с мочой.

Для адаптации к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды организму понадобились механизмы межклеточной коммуникации и координации различных видов обмена веществ. С этой целью в ходе эволюции у животных сформировались две ос­новные системы, выполняющие эти функции: а) нервная, обеспечивающая проведение электрических импульсов по нервному волокну; б) эндокринная, которая использует с этой целью разнооб­разные химические соединения - гормоны. Гормон - вещество органи­ческой природы, которое синтезируется в микроколичествах в железах эн­докринной системы, секретируется в кровь, доставляется ею к органам-ми­шеням, где контролирует обмен веществ и физиологические функции.

Биосинтез ДНК, РНК и белка. Регуляция биосинтеза

При делении клетки (дифференцировка тканей, рост и развитие организма в онтогенезе, репарация тканей) происходит репликация (удвоение ДНК). При биосинтезе ДНК образуются две новые (дочерние) двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные родительской ДНК. Причем, каждая из этих молекул содержит одну неизменную цепь родительской ДНК и другую – новообразованную. При этом двухцепочечная (материнская) ДНК расплетается, и на каждой материнской цепи формируются дочерние комплементарные цепочки полинуклеотидов. Этапы репликации: инициация, элонгация и терминация. Инициация синтеза новых дочерних цепей: узнавание точки начала репликации, расплетение нитей ДНК (ДНК-расплетающий белок), удержание цепей в расплетенном состоянии (ДНК-связывающий белок). Элонгация – удлинение цепи, полимеризация, образование ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и фосфорной кислотой другого (ДНК-полимеразы). Субстраты и источники энергии для образования полимерных цепей из мононуклеотидов – дезоксирибонкулеозидтрифосфаты: д-ГТФ, д-АТФ, д-ТТФ, д-ЦТФ. При их гидролизе образуются мономеры (м-ГТФ, м-АТФ, м-ТТФ, м-ЦТФ) для формирования полинуклеотидов, а также энергия для образования ковалентной связи между этими мономерами. Терминация – окончание синтеза ДНК. Поскольку в молекуле ДНК нуклеотидные остатки образуют пары А^…Т и Г^…Ц в реакции расходуются одинаковые количества д-АТФ и д-ТТФ и одинаковое количества д-ГТФ и д-ЦТФ (правила Чаргаффа). Синтез новых цепей всегда идет в направлении от 5′-конца к 3′-концу. Поэтому на одной из ветвей репликативной вилки новая цепь наращивается непрерывно, на другой же ветви по мере раскручивания ДНК образуются короткие фрагменты новой цепи – фрагменты Оказаки. Необходимым условием начала синтеза дочерней цепи ДНК и каждого фрагмента Оказаки является образование сравнительно короткого (≈ 200 нуклеотидов) фрагмента РНК (затравки, праймера). При хранении и биосинтезе ДНК в ней могут возникать различные повреждения: отрыв азотистых оснований, разрыв нуклеотидной цепи (при воздействии различных физических, химических и биологических факторов). В клетке функционируют системы репарации ДНК: эндонуклеазы, ДНК-полимеразы репарирующие, ДНК-лигазы и др. Они «узнают» место дефекта, гидролитически выщепляют неправильный нуклеотид, встраивают нужный и «сшивают» концы разорванной цепи. Если репарирующая система не заметила дефекта в гене, это ведет к мутации (к нерепарированному наследуемому изменению первичной структуры ДНК). В таких случаях в клетке будет продуцироваться белок с измененными функциональными свойствами и развивается наследуемое заболевание. В других случаях это ведет к гибели организма или к образованию новых видов.

Основной постулат молекулярной биологии: ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а РНК – матрицей для синтеза белков. Синтез РНК (транскрипция) идет только в присутствии ДНК (матрицей служит одна из цепей ДНК – транскрибируемая нить). Все синтезированные молекулы РНК имеют структуру комплементарную матрице (т.е. одной из цепей ДНК). Субстратами реакций служат рибонуклеозидтрифосфаты: АТФ, УТФ, ГТФ и ЦТФ: при гидролизе из них получаются мономеры (АМФ, УМФ, ГМФ и ЦМФ) и энергия для образования РНК. При транскрипции возможно образование 3-х видов РНК – транспортной, матричной и рибосомальной. Этапы биосинтеза РНК: инициация (процесс узнавания точки начала транскрипции, расплетение ДНК и удержание нитей в расплетенном состоянии), элонгация и терминация. Ферменты – ДНК-зависимые РНК-полимеразы I, II, III.
Биосинтез белка (трансляция). Процесс требует наличия в клетке нескольких десятков ферментов, свыше 70 различных рибосомальных белков, около 100 различных видов РНК, факторов инициации, элонгации и терминации. Всего в процессе биосинтеза одной молекулы белка «работают» согласованно более 300 различных типов молекул. Этапы: активация аминокислот (образование аминоациладенилата и затем аминоацил-т-РНК), инициация (возможна при наличии в клетке инициирующих факторов, м-РНК, инициаторной метионил-т-РНК, ГТФ и рибосомальных субъединиц). Начало полипептидной цепи инициируют кодоны АУГ и ГУГ. Присоединиться к первой аминокислоте инициирующего комплекса (к метионину) может только аминокислота в составе аминоацил-т-РНК, антикодон которой (т-РНК) комплементарен кодону м-РНК. Элонгация осуществляется путем удлинения полипептидной цепи за счет последовательного присоединения аминокислот). Фермент – пептидилтрансфераза. Далее, за счет энергии гидролиза ГТФ, следует передвижение (фермент транслоказа) рибосомы вдоль м-РНК. При этом от м-РНК отсоединяется и освобождается из рибосомы первая т-РНК которая доставила метионин. На ее месте (в П-участке) оказывается аминоацил-т-РНК, которая принесла вторую аминокислоту и теперь несет дипептид в рибосоме. В А-участке оказывается м-РНК с третьим кодоном. К нему по принципу комплементарности присоединяется третья аа-т-РНК, несущая третью аминокислоту. Описанные реакции повторяются столько раз, сколько в белке аминокислот.

Терминация. На м-РНК, вслед за кодоном, кодирующим последнюю аминокислоту, располагается один из триплетов УАА, УАГ, УГА, который не кодирует ни одной аминокислоты (бессмысленные кодоны). Вместе с терминирующими факторами они вызывают гидролитическое отсоединение полипептида, отделение последней т-РНК от м-РНК, диссоциацию рибосомы на субъединицы и распад м-РНК.

Посттрансляционная модификация синтезированной полипептидной цепи: формирование пространственных структур (вторичной, третичной и четвертичной) белка, присоединение небелковых компонентов и образование фосфо-, метало-, глико-, нуклео-, липопротеинов, гемоглобина, ферментов, содержащих коферменты и т.д.

Регуляция скорости биосинтеза белков. На уроне транскрипции: гипотеза Жакоба и Моно о наличии в ДНК, помимо структурных генов, специальных участков (гена-регулятора, промотора и оператора), регулирующих скорость транскрипции, т.е. скорость синтеза м-РНК. На уровне трансляции биосинтез белка могут ингибировать антибиотики, которые блокируют работу рибосом, ингибируют активность ферментов и т.д. При этом в бактериях нарушается биосинтез различных белков, и они погибают.

Антитела (АТ, иммуноглобулины) – группа белков с особенностями строения и функций. С ними связана невосприимчивость к инфекционным болезням (иммунитет). Антитела синтезируются в лимфоцитах-В и выделяются в кровь, образуя фракцию иммуноглобулинов плазмы. Структурную основу иммуноглобулинов составляют 4 пептидные цепи, соединенные друг с другом дисульфидными связями: 2 тяжелые (цепи Н) с ММ 50000 и 2 легкие (цепи L) с ММ 25000. Такую структуру называют мономером. В пептидных цепях различают вариабельные (V) и постоянные, или константные (С), области. По различиям первичной структуры постоянных областей легкие цепи делятся на 2 типа (χ и λ), тяжелые – на 5 типов. По типу тяжелых цепей, входящих в мономеры, все иммуноглобулины делятся на 5 классов (IgА, IgМ, IgG, IgЕ, IgD) . Каждый класс включает огромное множество индивидуальных иммуноглобулинов различающихся по первичной структуре вариабельных областей; общее число иммуноглобулинов всех классов равно ≈ 10⁷. Синтез антител начинается в ответ на попадание во внутреннюю среду организма чужеродных макромолекул, например, белков бактериальной клетки. Вещества, индуцирующие синтез антител, называются антигенами (АГ). Антитела способны связывать антиген, вызвавший их образование, и тем самым защищать организм от возможного вредного действия чужеродных макромолекул, бактерий или других частиц. В результате связывания АГ и АТ возникают сложные молекулярные комплексы. Они могут выпадать в осадок, на этом основана реакция преципитации для обнаружения АТ или АГ. Иммуноглобулины и синтезирующие их В-лимфоциты - это часть иммунной системы, обеспечивающей гуморальный иммунитет. Другая часть представлена Т-лимфоцитами. Эти клетки в ответ на введение АГ тоже синтезируют белки рецепторы АГ. Они не выделяются в кровь, а остаются в клеточной мембране Т-лимфоцитов. Т-лимфоциты присоединяются к клеткам, в мембранах которых содержатся АГ к белкам-рецепторам, и разрушают эти клетки (клеточный иммунитет). Клеточный иммунитет лежит в основе отторжения чужеродного трансплантата (тканевая несовместимость). Кроме того, Т-лимфоциты ответственны за защиту от небактериальных инфекций – вирусной, грибковой, паразитарной. Система клеточного и гуморального иммунитета, а также белки комплемента и пропердиновой системы тесно связаны и функционируют как единая иммунная система организма.

Вирус иммунодефицита человека. ВИЧ–инфекция

Источники ВИЧ–инфекции – кровь, сперма, секреты половых желез, спиномоз­говая жидкость, грудное молоко. Строение вируса: мембрана вируса, фосфолипидный бислой и белки (gр–41, gp–120), матрикс вируса (р–17, р–18), нуклеокапсид (р–24, р–25), содержимое нуклеокапсида (РНК, обратная транскриптаза, эндонуклеаза), геном ВИЧ–I (3 структурных, кодируют выше названные белки, и 5 регуляторных генов.) Этапы ВИЧ инфицирования: связывание ВИЧ с гликопротеинами (рецепторами) на поверхности мембран клеток хозяина, слияние мембран ВИЧ и клетки хозяина. Проникновение нуклеокапсида вируса в цитоплазму клетки хозяина, высвобождение вирусной РНК с помощью протеаз, биосинтез провирусной ДНК на матрице вирусной РНК с помощью обратной транскриптазы, мононуклеотидов и макроэргов клетки хозяина, встраивание генома провирусной ДНК в геном (ДНК) клетки хозяина, провоцирование (повышение температуры, алкогольная интоксикация, изменения гормонального статуса) и активация транскрипции с провирусной ДНК. Образование большого числа вирусной РНК, продукция на вирусной РНК всех компонентов вируса и сборка дочерних вирусов, цитолиз мембран клеток — высвобождение вирусов из клетки и заражение ими других клеток хозяина, повышение в крови антигенов вируса и антител к ним, клинические проявления заболевания.

7 модуль. Биохимия специализированных органов и тканей

Г О Р М О Н Ы

ДЛЯ АДАПТАЦИИ ТКАНЕВЫХ ОТВЕТОВ НА ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ И ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ, СОХРАНЕНИЯ ГОМЕОСТАЗА ОРГАНИЗМУ ПОНАДОБИЛИСЬ МЕХАНИЗМЫ МЕЖКЛЕТОЧНОЙ КОММУНИКАЦИИ И КООРДИНАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ. В ХОДЕ ЭВОЛЮЦИИ У ЖИВОТНЫХ СФОРМИРОВАЛИСЬ ДВЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛЯЦИИ: НЕРВНАЯ И ЭНДОКРИННАЯ.

В организме животных функционируют, как источники гормонов железы эндокринной системы, а так же высокоспециализирован­ные клетки нейроэндокринной системы, расположенные в отдельных органах и тканях, Эту разновидность клеток и выра­батываемые ими гормоны (более 40) названли АПУД-системой.

Классификация гормонов. Механизм действия гормонов. Гипоталамо-гипофизарная система.

В биохимии гормоны классифицируют по химической природе на 4 класса:

I. Белково-пептидные гормоны. Они, в свою очередь, подразделяются на: а) гормоны-олигопептиды и пептиды (вазопрессин, окситоцин - 9, глю­кагон – 29, кальцитонин – 32 остатка аминокислот); б) гормоны - простые белки (инсулин, ГР); в) гормоны - сложные белки, чаще гликопротеины (ФСГ, ЛГ и др.).

II. Гормоны - производные отдельных аминокислот (катехоламины, Т₃ и Т₄ - образуются из тирозина).

III. Стероидные гормоны: гормоны коры надпочечников (кортикостероиды); половые гормоны (андрогены, эстрогены и прогестины).

IV. Эйкозаноиды (простагландины, тромбоксаны и лейкотриены) – производные ненасыщенных жирных кислот.

Гормоны эндокринных желёз секретируются в кровь и переносятся ею (кроме гормоноидов АПУД системы, которые действуют ауто- или паракринно) к органам-мишеням. Растворимые в воде гормоны I и II класса (гидрофильные) циркулируют в свободном виде. Не растворимые в воде гормоны (липофильные -стероидные и тиреоидные) находятся в сыворотке крови в комплексе со специфическими белками. Но в этом случае они неактивны. Биологическая активность присуща только свободному, не связанному с белком гормону.

Мишенями для каждого гормона, чаще всего являются одна или несколько тканей. Биологический эффект действия гормонов чаще всего начинается с их связывания со спе­цифическими рецепторами, расположенными либо на поверхности мембран (для гидрофильных), либо в цитоплазме клеток (для липофильных), и завершается, как правило, диссоциацией комплекса на гормон и его рецептор. Все рецепторы гормонов имеют, по меньшей мере, два функцио­нально разных домена (участка). Домен узнавания, который присоединяет специфи­ческий ему гормон, а второй домен генерирует сигнал в определенные внутриклеточные химические процессы.

Количество рецепторов, участвующих в связывании гормона составля­ет несколько тысяч на клетку. Свя­зывание гормона и рецептора обеспечивается гидрофобными и электростатическими механизмами, и потому оно легко обратимо.Количеством рецепторов связанных с гормоном регулируется чувствительность тканей к гормону.

Механизм действия липофильных гормонов (стероидных, тиреоидных). Эти гормоны диффундируют сквозь плазматическую мембрану клеток, и в цитоплазме связываются с специфичес­лим для этого гормона рецептором. Далее комплекс гормон-рецептор перемещается в область ДНК и либо активирует, либо ингибирует экспресию генов. В клетке от этого изменяется содержание соответствующих мРНК, содержание белков-ферментов, что изменяет в ней обмен веществ.