ХИМИЯ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ ИЛЛЮСТРИРОВАННАЯ БИОХИМИЯ (формулы, схемы, термины и алгоритм познавания предмета). Учебное пособие для конспектирования лекций и самостоятельной подготовки
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
БЕЛКОВ) БИОСИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Биосинтез ДНК (репликация) Виды переноса генетической информации 41 Что служит матрицей? (материнская ДНК). Дочерние молекулы ДНК: сколько их? Состав новообразованных молекул ДНК (материнская цепь и новообразованная дочерняя). Этапы репликации: - узнавание точки начала репликации и расплетение нитей ДНК (ДНК- топоизомеразы, ДНК-раскручивающий и ДНК-связывающий белки), - инициация синтеза дочерних цепей (праймаза, РНК–затравка), - лидирующая (ведущая) и запаздывающая (отстающая) цепи; объясните различия. - элонгация (d-АТФ, d-ГТФ, d-ЦТФ, d-ТТФ, ДНК-полимеразы α, β, γ, δ, ε; фрагменты Оказаки, лигазы), - закручивание нитей в двойную спираль - терминация (исчерпание матрицы ДНК, метилирование дочерних ДНК). - формирование на конце ДНК теломерной последовательности (100-1000 мононуклеотидов) для сохранения генетической информации. Скорость формирования дочерних цепей(50-60 встроенных мононуклеотидов в минуту). ДНК – репликационная система (ДНК–полимераза и др. ферменты). Частота ошибок при репликации (10 -10 ), т.е. одна на 10 5 -10 6 пар встроенных мононуклеотидов. Повреждение и репарация (исправление ошибок) ДНК — Причины повреждения (УФ–облучение, радиация, ксенобиотики, лекарственные препараты и другие химические повреждения). — Механизмы повреждения ДНК (покажите, используя схему первичной структуры ДНК): - отрыв групп атомов от пуринового или пиримидинового ядра - отщепление азотистых оснований (депуринизация и образование АП- сайта); - склеивание пуриновых или пиримидиновых оснований (образование димеров), - удаление из цепи отдельных мононуклеотидов и сдвиг рамки, - замена отдельных мононуклеотидов, — Репарация ДНК – (если повреждена одна цепь на базе второй, по принципу комплиментарности, восстанавливается другая). 42 - Репаративная система: эндонуклеаза(E1), экзонуклеаза(Е 2 ), ДНК– полимераза репарирующая(E 3 ), ДНК–лигаза(E 4 ). Объясните их роль по схеме. — Генные мутации (нерепарированные наследуемые изменения первичной структуры ДНК, их накопление). Если они произошли не в соматических, а в половых клетках, то передаются по наследству, и вызывают наследственное заболевание. - мутации по типу замены мононуклеотида в составе кодогена; - мутации по типу вставки или делеции (утраты) мононуклеотида; - биологические последствия мутаций: нейтральные, отрицательные (наследственная патология на примере серповидно–клеточной анемии), положительные (фактор эволюции). Биосинтез РНК (транскрипция) Информация считывается с фрагмента ДНК (транскриптона), ограниченного с одного конца промотором, а с другого сайтом терминации. 43 — Различия между процессами репликации и транскрипции Репликация Транскрипция Биосинтез ДНК Биосинтез РНК Тимин, дезоксирибоза Урацил, рибоза Копируется вся хромосома Переписывание информации с отдельных фрагментов хромосомы (транскриптонов) Образуется новая дочерняя копия ДНК Образуются т-РНК, м-РНК, р-РНК Двухцепочечные молекулы дочерних ДНК, идентичные материнской Одноцепочечные молекулы РНК — Ферменты транскрипции (ДНК–зависимые–РНК–полимеразы I (синтез пре-р- РНК), II (синтез пре-м-РНК), III (синтез пре-т-РНК)). — Этапы транскрипции: - узнавание точки начала транскрипции (промотор ДНК-матрицы, δ- субединица РНК-полимеразы) и расплетение фрагмента ДНК (δ- субединица РНК-полимеразы) - инициация (α-субъединица РНК-полимеразы) - элонгация (β-субъединица РНК-полимеразы, АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ) - терминация (терминирующий участок гена, белок-фактор терминации) Процессинг пре-м-РНК — посттранскрипционная модификация её структуры и образование пригодной для трансляции «зрелой» молекулы м-РНК: сплайсинг — удаление некодирующих интронных последовательностей из м-РНК и сшивание (компановка) экзонов 44 кэпирование — химическая модификация 5 -концевой последовательности м- РНК (защита от ферментов распада) с помощью N 7 -метилгуанозина. полиаденилирование — химическая модификация 3 -концевой последовательности м-РНК (формирование “хвоста” из 100-1000 остатков адениловой кислоты и защита от ферментов распада). Процессинг пре-р-РНК и пре-т-РНК: Пре-т-РНК содержит 100 нуклеотидов, в ходе процессинга остается 70-90 и формируется вторичная и третичная структуры с антикодоном, акцепторным и другим функциональными участками. Пре-р-РНК ( 13000 нуклеотидных остатков), после процессинга образуются малая и большая субъединицы рибосом. - транскрипцию проводят сразу 80 – 100 молекул РНК–полимеразы — Обратная транскриптаза (РНК–зависимая–ДНК–полимераза). — Вирусы, содержащие обратную транскриптазу и биологические последствия их действия (онкология, вирусный гепатит, ВИЧ–инфекция и др. заболевания). Вирус иммунодефицита человека. ВИЧ–инфекция (AIDS) — Источники ВИЧ–инфекции – кровь, сперма, секреты половых желез, спиномозговая жидкость, грудное молоко. 45 — Наиболее опасные пути передачи инфекции (гемотранфузия и половые контакты). — Гипотезы происхождения ВИЧ–инфекции человека (мутации генов вируса обезьян). Строение вируса ВИЧ–инфекции: - 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 вышеназванные белки, и 5 регуляторных генов.) — Этапы ВИЧ инфицирования: - связывание ВИЧ с гликопротеидами (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, - латентный период (нет транскрипции с ДНК–провируса). Диагностика ВИЧ–инфекции сомнительна, - 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, 46 - повышение в крови антигенов вируса и антител к ним, - клинические проявления заболевания. — Лабораторная диагностика ВИЧ–инфекции. Цель: - установление факта инфицированности, - определение стадии развития патологии, - установление прогноза заболевания и эффективности лечения. — Наличие инфицированности доказывается обнаружением в плазме крови: - антигенов ВИЧ, - антител к ВИЧ, - ДНК–провируса. — Методы анализа: - иммуноферментный анализ, - метод гибридизации нуклеиновых кислот со специфическими ДНК– зондами, - метод полимеразной цепной реакции (ПЦР). — Сомнительные результаты диагностики (через 3-6 месяцев повторное обследование). — Окончательный диагноз ВИЧ–инфекции (клиника + эпидемиология + лабораторная диагностика). Биосинтез белка (трансляция) и его регуляция — Последовательность аминокислот в будущей полипептидной цепи зашифрована в м-РНК (последовательностью кодонов в м-РНК). — Вырожденность кодонов – это избыточность кодонов для каждой аминокислоты, что повышает устойчивость клетки к повреждающим воздействиям внешней и внутренней среды. — Универсальность кодонов – в цитоплазме и митохондрии один и тот же кодон может кодировать разные аминокислоты. — Основные компоненты белок-синтезирующей системы: 1. 20 протеиногенных аминокислот; 2. ≈60 т-РНК; 3. специфичная молекула м-РНК; 4. специфичные для каждой аминокислоты аминоацил-т-РНК-синтетазы 5. белковые факторы инициации, элонгации, терминации; 6. рибосомы 7. АТФ и ГТФ как источники энергии (4 макроэрга на присоединение к полипептидной цепи одной аминокислоты). — Этапы трансляции: I. Активация аминокислот, II. Инициация трансляции, III. Элонгация, 47 IV. Терминация, V. Посттрансляционная модификация. — Участники трансляции (ферменты, аминокислоты, т–РНК, р–РНК, м–РНК, факторы инициации, элонгации, терминации, макроэрги и др.) I. Активация аминокислот. Участники: — аминокислота — 2 АТФ — аминоацил(аа)–т–РНК–синтетаза, тРНК II. Инициация (образование инициирующего комплекса): III. Элонгация: 1) аа–аденилат 2) аа–т–РНК 48 Участники: - аа 1 –т–РНК, аа 2 –т–РНК… и т.д. - пептидилтрансфераза, - м–РНК, - рибосома, - ГТФ – транслоказа, - факторы элонгации (EF–1 , EF–1 , EF–2); — Включение каждой аминокислоты в синтезируемый белок происходит в 3 стадии: аа-т-РНК вносится в участок А-рибосомы в соответствии с принципом комплементарности кодона и антикодона м-РНК и т-РНК. пептид с участка П переносится (пептидилтрансферазой) в участок А и присоединяется к аминокислоте в участке А; в результате полипептидная цепь удлиняется на 1 аминокислоту; перемещения рибосомы (транслокация – энзим транслоказа) вдоль м-РНК на один кодон, в результате полипептид закрепленный на последней т-РНК, оказывается в участке П рибосомы, а в участке А – следующий кодон м-РНК. Процесс повторяется столько раз, сколько аминокислот закодировано в м-РНК. IV. Терминация. 49 Участники: - терминирующие стоп-кодоны м–РНК (УАА, УАГ, УГА), для них нет соответствующих т-РНК; - факторы терминации (RF–1, RF–2, RF–3), которые катализируют: отщепление полипептидной цепи от последней т–РНК, отделение последней т–РНК от м–РНК, диссоциация рибосомы на субъединицы, распад м–РНК; скорость биосинтеза белка (полисомы – до 80 рибосом); каждая рибосома способна в минуту удлинять на ≈100 аминокислот полипептидную цепь. V. Посттрансляционная модификация: - формирование пространственной структуры белка молекула, содержащая информацию о структурах белка (ДНК); “Фолдинг” белков – формирование структур молекул белка, протекает при участии специальных белков “шаперонов”, которые препятствуют повреждению незрелой структуры формирующейся полипептидной цепи. Белки теплового шока (БТШ) – шапероны, которые появляют ся при стрессе (изменении рН, t 0 , появлении токсинов и др.) препятствуют денатурации белков. - модификация белка: присоединение простетической группы - образование фосфопротеидов, нуклеопротеидов, липопротеидов, хромопротеидов, гликопротеидов, металлопротеидов, химическая модификация аминокислот (гидроксипролин, гидроксилизин – биосинтез коллагеновых белков); ограниченный протеолиз и активация белка (пепсиноген пепсин, препроинсулин проинсулин инсулин). — Механизм перемещения белка к месту функционирования – лидерные последовательности аминокислот («почтовый индекс», рецепторы). Механизмы регуляции матричных синтезов. Механизмы регуляции репликации и экспрессии генов. Изменением количества генов (амплификация - увеличение генов антител – утрата генетического материала в эритроцитах). Перестройкой генов (генетическая рекомбинация): - при половом слиянии яйцеклетки и сперматозоида - в лимфоцитах формирование “библиотеки генов” в ответ на внедрение в организм новых антигенов. Ингибиторы репликации (антибиотики и противоопухолевые препараты – дауномицин, доксорубицин, новобиоцин и др.) – взаимодействуя с ДНК, изменяют её структуру и ингибируют репликацию, а также транскрипцию. 50 Регуляция скорости биосинтеза белка на уровне транскрипции (гипотеза Жакоба и Моно – гипотеза оперона) Оперон – это участок ДНК, который содержит группу структурных генов и сайты регуляции, контролирующие транскрипцию этих генов. —Транскрипция структурных генов зависит от способности ДНК-зависимой-РНК- полимеразы присоединяться к промотору; контролирует этот процесс белок репрессор, образуемый с помощью гена-регулятора. — Участники: - структурные гены, - регуляторные гены, - промотор, - оператор, - ДНК–зависимая–РНК–полимераза, - м–РНК, - белок–репрессор, - белки–ферменты, - субстраты, - гормоны, - конечные продукты. — Гипотезу оперона Жакоба и Моно подтвердите на примере инкубации бактерий на среде, содержащей глюкозу () или аминокислоты (): - белок–репрессор соединяется с субстратом () инкубационной среды, 51 - белок репрессор меняет конформацию и покидает оператор, - РНК-полимераза перемещается на структурные гены и обеспечивает списывание информации со структурных генов (образование м-РНК), - на основе м-РНК синтезируются белки-энзимы, необходимые для метаболизма субстратов () инкубационной среды, - по исчерпании этих субстратов белок-репрессор, снова соединяясь с оператором, блокирует работу РНК-полимеразы, списывание информации со структурных генов прекращается и заканчивается синтез ненужных бактерии белков. Лиганды – индукторы и репрессоры транскрипции (стероидные гормоны, кальцитриол, Т 3 и Т 4 , конечные продукты определенного пути метаболизма и др.) Энхансеры, сайленсеры – участки ДНК (10-20 мононуклеотидов) прикрепление к которым регуляторных белков повышает или снижает скорость транскрипции. — Биологическая рольрегуляции скорости биосинтеза белка на уровне транскрипции — адаптация к изменяющимся условиям среды. Индукторы синтеза белка (анаболические средства) гормональные: анаболические стероиды (производные мужских и женских половых гормонов); инсулин; негормональные: предшественники нуклеотидов (оротат калия, инозин). Регуляция скорости биосинтеза белка на уровне трансляции - Скорость синтеза сложных белков (трансляция) зависит от количества простетических групп, например синтез глобина зависит от количества гема. - Токсины бактерий, вирусов, ядовитых грибов, рицин, дифтерийный энтеротоксин и другие инактивируют факторы элонгации, подавляют образование белков и нуклеиновых кислот. — Антибиотики и антибактериальные препараты специфично ингибируют разные стадии белкового синтеза: Актиномицины — действуют на уровне транскрипции, связываясь с кодирующий цепью ДНК; Тетрациклины — нарушают связывание аминокислот и аминоацил–т–РНК в А–центре рибосомы: Эритромицин — ингибирует активность транслоказ в 70S рибосомах; 52 Пуромицин — благодаря структурному сходству с концевым АМФ в т-РНК действует как акцептор ППЦ пептидил–т–РНК (связанной с П–участком), в результате терминация белкового синтеза ингибируется. Левомицетин — подавляет пептидилтрансферазную активность; Стрептомицин — ингибирует инициацию синтеза белка; Рифамицин — действует только на бактериальную ДНК-зависимую-РНК- полимеразу и препятствует образованию инициирующего комплекса. Полиморфизм белков У каждого человека имеется только два аллеля одного гена (у гомозиготов они одинаковы, у гетерозиготов они отличаются, и потому у последних синтезируется 2 белка с разной аминокислотной последовательностью, но с равной функцией). В популяции людей существует большое число аллелей одного гена, это объясняет полиморфизм белков (индивидуальность и даже биохимическую уникальность каждого человека). Изобелки – варианты белков, выполняющих одну и ту же функцию в организме одного вида. - 300 вариантов гемоглобина НbA. - 3 варианта энзима гликозилтрансферазы (А, В, О), катализирующего присоединение к поверхности эритроцитов разных олигосахаридов (А: N- ацетилгалактозамин; В: галактозу; О: блокируется присоединение этих сахаров), что предопределяет индивидуальную группу крови (О-I ; А-II ; В-III ;АВ-IV) в организме человека. - Изоферменты ЛДГ 1-5 ; КФК 1-3 Изофункциональные белки (например Hb-P, Hb-F, Hb-A – функция одна, но разное сродство к О 2 .) Гомологичные белки (например, инсулин человека, коровы, свиньи – функция одна, но обладают антигенными свойствами.) Изменения белкового состава организма в ходе: - онтогенеза (Hb-P, Hb-F, Hb-A); - наследственные (серповидно-клеточная анемия) и приобретенные протеинопатии. Приобретенные протеинопатии: — снижение или увеличение содержания белков при различных заболеваниях; — нарушения физико-химических и функциональных свойств молекул белков при изменении рН, t o , содержания микроэлементов, витаминов, коферментов, и других лигандов, способных присоединиться к молекуле белка. Лекарственные препараты как модуляторы белковых фракций. Присоединяясь к белку, они либо усиливают (агонисты), либо снижают (антагонисты) эффект действия природных лигандов. Болезни, индуцируемые нарушением фолдинга белков α-конформации трансформируются в β-складчатые структуры, при этом формируются плохорастворимые, способные к агрегации молекулы белков. Из них далее образуются фибриллярные отложения (амилоиды) и соединительно- тканные структуры, которые стимулируют дегенеративные изменения в клетках: - Болезнь Альцхаймера (β-амилоидоз белков нервной системы) – расстройство памяти и полная деградация личности. 53 - Прионовые болезни (Куру, Кройтцфельда-Якоба) – причиной их развития является особый класс белков, обладающих инфекционными свойствами. Попадая в организм, они стимулируют образование прионовых белков. В прионовом белке возникает много β- слоев, из них формируется “ядро полимеризации”, которое стимулирует дальнейшее β-повреждение белков ЦНС. |