Сложные белки. Биле Сложные белки. Классификация. Характеристика отдельных классов. Представители
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
Сложные белки. Билет1. 1.Сложные белки. Классификация. Характеристика отдельных классов. Представители. Сложные белки кроме полипептидных цепей содержат в своем составе небелковую (простетическую) часть, представленную различными веществами. Классификация сложных белков: Хромопротеины – это сложные белки, простетическая часть которых представлена окрашенным компонентом .К ним относятся биологически важные белки гемоглобин, миоглобин, а также некоторые ферменты: каталаза, пероксидаза, цитохромы, все они являются гемпротеинами, так как простетическая часть их содержит гем. Гемоглобины - родственные белки, находящиеся в эритроцитах человека и позвоночных животных. Эти белки выполняют 2 важные функции:
Гемоглобины, так же как миоглобин, относят к гемопротеинам, но они имеют четвертичную структуру (состоят из 4 полипептидных цепей), благодаря которой возникает возможность регуляции их функций. В эритроцитах взрослого человека гемоглобин составляет 90% от всех белков данной клетки.
Гемоглобины, синтезирующиеся в период внутриутробного развития плода:
Первая молекула кислорода изменяет конформацию протомера, к которому она присоединилась. Поскольку этот протомер соединен многими связями с другими протомерами, изменяется конформация и сродство других протомеров к лигандам. Это явление называют кооперативностью изменения конформации протомеров. Изменение конформации таковы, что сродство гемоглобина ко 2-й молекуле кислорода увеличивается. В свою очередь присоединение 2-ой, а затем и 3-ей молекулы кислорода, так же изменяет конформацию и облегчает присоединение следующих молекул кислорода. Сродство гемоглобина к 4-ой молекуле кислорода примерно в 300 раз больше чем к 1-ой. Кроме кислорода, молекула гемоглобина может быть связана с другими лигандами. Например, при соединении Hb с оксидом углерода (II) (угарный газ СО), образуется карбоксигемоглобин (НвСО). Причем гемоглобин имеет большее сродство к угарному газу чем к кислороду. Поэтому если в воздухе содержится угарный газ, гемоглобин легче с ним связывается и теряет способность связывать кислород. Наступает смерть от удушья, от недостаточного снабжения тканей кислородом. Возможно образование еще одного производного гемоглобина - карбгемоглобина, когда гемоглобин связывается с СО2 . Однако СО2 связывается не с гемом, а присоединяется к NH2 – группам глобина. Образование карбгемоглобина используется для выведения СО2 из тканей к легким. Этим путем выводится 10-15% СО2. Аномальные гемоглобины. Их обнаружено более 200 и отличаются они составом цепей или заменой аминокислот в полипептидных цепях. Из аномальных гемоглобинов часто встречается HвS или серповидно-клеточный Нв. Он обнаруживается у больных серповидно-клеточной анемией. При этой патологии эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода принимают форму серпа. Гемоглобин S отличается по ряду свойств от нормального гемоглобина. После отдачи кислорода в тканях он превращается в плохо растворимую форму и начинает выпадать в осадок в виде веретенообразных кристаллоидов. Последние деформируют клетку и приводят к массивному гемолизу. Миоглобин также относится к хромопротеинам. Это белок, имеющий третичную структуру. Вторичная и третичная структура миоглобина и протомеров гемоглобина очень сходны. Функции миоглобина и гемоглобина одинаковы. Оба белка участвуют в транспорте кислорода. Миоглобин присоединяет кислород, доставленный гемоглобином и служит промежуточным звеном в транспорте кислорода внутри клетки к митохондриям, а также для запасания кислорода в тканях, создавая кислородный резерв, который расходуется по мере необходимости. В условиях интенсивной мышечной работы, когда парциальное давление кислорода в тканях падает, кислород освобождается из комплекса с миоглобином и используется в митохондриях клеток для получения энергии, необходимой для работы мышц. Миоглобин содержит небелковую часть (гем) и белковую часть (апомиоглобин).
Гликопротеины. Простетические группы этих белков представлены углеводами и их производными. Углеводы подразделяются на три группы:
Гомополисахариды построены из моносахаридов только одного типа, а гетерополисахариды содержат разные мономерные звенья. Гомополисахариды по функции бывают структурными и резервными. Крахмал — резервный гомополисахарид растения. Построен из остатков -глюкозы соединенными между собой -гликозидными связями. Гликоген — главный резервный гомополисахарид человека и высших животных. Построен из остатков -глюкозы. Содержится во всех органах и тканях. Наибольшее его количество обнаружено в печени и мышцах. Его молекула сильно разветвлена. Функции гликопротеинов:
Протеогликаны. Углевод в этих белках составляет основную часть молекулы (до 95 %).Углеводы представлены высокомолекулярными гетерополисахаридами. Их называют гликозаминогликанами — это линейные неразвлетвленные полимеры. Они построены из повторяющихся дисахаридных единиц. Углеводы и белки в молекулах протеогликанов связаны гликозидными связями через гидрокси-группы серина, треонина и NH2-лизина, аспарагина и глутамина. Липопротеины — сложные белки. Их простетическая группа представлена разнообразными липидами. Существует несколько классов липидов. Каждый из них выполняет специфическую биологическую функцию. Обязательным структурным компонентом всех классов липидов (кроме холестерина) являются жирные кислоты. Все жирные кислоты — это длинноцепочечные органические кислоты. Содержат одну карбоксильную группу СООН и длинный неполярный гидрофобный хвост. Поэтому липиды нерастворимы в воде. Они бывают насыщенными и ненасыщенными. Насыщенные: пальмитиновая, стеариновая, цереброновая. Ненасыщенные: олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая. Функциональная классификация липидов:
Транспортные и плазменные липопротеины. В плазме крови присутствуют свободные липопротеины. Они в отличие от остальных липидов растворимы в воде. Это объясняется строением их комплексов. Строение плазменных липопротеинов напоминает мицеллу. Ядро их состоит из неполярных гидрофобных липидов. Наружный слой — из полярных частей молекул фосфолипидов и белков. Такое строение обеспечивает растворимость липопротеинов в плазме. Различают 4 класса плазменных липопротеинов:
Классификация липопротеинов зависит от их плотности. Плотность — от содержания в них липидов. Чем больше липидов, тем ниже плотность. В настоящее время доказана роль фракций липопротеинов в патогенезе атеросклероза – они называются атерогенными ЛП. К ним относятся ЛПНП и ЛПОНП, а фракцию ЛПВП называют антиатерогенной, так как её увеличение препятствует развитию атеросклероза. Функции транспортных липопротеинов. Все липопротеины выполняют транспортную роль. Они переносят экзогенные, всосавшиеся из кишечника триаглицериды и холестерин к жировым депо и печени. От печени, где синтезируются эндогенные фосфолипиды и холестерин, они транспортируются ко всем внутренним органам, где используются. Поэтому липопротеины плазмы называют транспортными формами липидов. Каждый класс липопротеинов транспортирует ту фракцию липидов, которая в нем преобладает. В стабилизации молекул структурных и свободных липопротеинов участвуют нековалентные силы.
Нуклепротеины – это сложные белки, небелковая часть которых представлена нуклеиновыми кислотами. Поскольку нуклеиновые кислоты бывают двух типов, нуклеопротеины делятся по составу на 2 группы: рибонуклеопротеины и дезоксирибонуклеопротеины. Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные соединения, состоящие из мононуклеотидов, т.е. их структурной единицей является мононуклеотид (нуклеотид). Каждый нуклеотид включает 3 химически различных компонента: моносахарид, азотистое основание, остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды, входящие в РНК и ДНК, отличаются друг от друга по составу. Соединение основания и пентозы называют нуклеозидом, связь между пентозой и азотистым основанием (b - гликозидная) образована - первым атомом углерода пентозы с первым атомом азота в пиримидиновых нуклеозидах и девятым атомом азота в пуриновых нуклеозидах. Нуклеотиды представляют собой соединения нуклеозидов с фосфорной кислотой (связь сложно – эфирная). В составе РНК и ДНК по 4 нуклеозидмонофосфата (нуклеотида). Биологическая роль НК: ДНК – основная часть её локализуется в ядре в виде ДНП в составе хроматина или хромосом делящихся клеток. Главная роль – хранение генетической информации, участие в процессе транскрипции в качестве матрицы для построения молекулы РНК. Все РНК по функции делятся на: - рРНК (рибосомальные), составляют до 80% в составе рибосом. Играют роль каркаса для объединения рибосом белков; - мРНК (иРНК) – образуется в ядре (ядрышке). Переносит информацию из ядра в цитоплазму, является матрицей в процессе трансляции белка. последний кодон иРНК соответствует последней АК в белке; - тРНК по своей форме напоминает форму клеверного листа и представляет собой полинуклеотидную цепь, которая составляет 3 петли и отдельные участки могут быть спирализованы. тРНК активирует аминокислоты и транспортирует их к месту биосинтеза белков, также участвует в трансляции. Имеет антикодоновый триплет – место, с помощью которого тРНК связывается с комплиментарным кодоном мРНК. Фосфопротеины – это сложные белки, содержащие в своем составе в качестве простетической части фосфорную кислоту. Фосфорная кислота связана сложно – эфирной связью с белковой частью молекулы через гидроксильные группы оксиаминокислот (серин, треонин). Установлено, что фосфопротеины в клетках синтезируются в результате фосфорилирования при участии протеинкиназ. К фосфопротеинам относится казеиноген молока, который представляет собой белок с сильно выраженными гидрофильными свойствами. Казеиноген в молоке находится в виде кальциевой соли. Поэтому организм получает с молоком необходимые аминокислоты, кальций, лабильно связанный фосфор, находящиеся в казеиногене. Металлопротеины кроме белка содержат ионы одного или нескольких металлов. Ионы металлов соединены координационными связями с функциональными группами белка. Как правило, металлопротеины — ферменты. Ионы металлов выполняют следующие функции:
2) Биосинтез белка. Основные этапы. Регуляция. (Транскрипция трансляция ДНК → РНК → Белки → Регуляция метаболизма Транскрипция – это синтез молекулы РНК или это процесс переписывания нуклеотидов гена с ДНК в РНК, всегда происходит на стадии двунитевой молекулы ДНК, при этом матрицей служит одна нить, которая называется антикодирующей. Основные характеристики процесса транскрипции 1. РНК – копия содержит в себе весь объем информации определенного участка ДНК. 2. РНК сохраняет способность к образованию водородных связей между комплементарными основаниями (так как урацил, присутствующий в РНК вместо тимина спаривается с аденином) 3. Транскрипция отличается от репликации, при этом РНК-копия, после завершения ее синтеза освобождается от ДНК-матрицы, после чего происходит восстановление исходной двойной спирали ДНК. 4. Синтезирующие молекулы РНК имеют одноцепочечную структуру, она короче ДНК и соответствует длине участка ДНК, который достаточен для кодирования одного или нескольких белков. Особенности данного процесса 1. В клетках эукариот – прежде чем превратится в и-РНК и попасть в цитоплазму, РНК претерпевает химические изменения. 2. В цитоплазме на каждой и-РНК синтезируются тысячи копий. Скорость этого процесса очень высока. Генетический код Генетический код – это аминокислотная последовательность белков. Он был расшифрован в 1961 году учеными Миренберпом и Маттеи. Они установили: Кодирование аминокислот осуществляется триплетами нуклеотидов (кодонами) Из 4-х азотистых оснований можно составить 64 различные комбинации, которых достаточно для кодирования 20 аминокислот. Кодон – это последовательность трех нуклеотидов, в результате которой кодируется определенная аминокислота. Необходимо помнить, что: Точность синтеза полипептидной цепи достигается за счет комплементарного узнавания азотистых оснований двух компонентов: кодона информационной РНК антикодона транспортной РНК Последовательность аминокислот в любом белке зависит от последовательности азотистых оснований в ДНК, содержащихся в той клетке, где синтезируется данный белок. Заложенная в ДНК информация считывается в процесс транскрипции матричной РНК (м-РНК) и переносится в белоксинтезирующую систему на рибосомы. Ученый Крик доказал триплетную теорию кодона, которая и объясняет способ перевода четырехбуквенного языка нуклеиновых кислот на 20-буквенный язык белковых молекул. Кодон-антикодоновое взаимодействие – это способ узнавания триплетом (которым является м-РНК) комплементарного триплета (им является антикодон), входящего в состав соответствующей т-РНК. Кодон и антикодон спариваются антипараллельным образом (теорий качаний Крика): 1. Два первых основания кодонов образуют прочные пары с соответствующими азотистыми основаниями антикодона. 2. Находящиеся в третьем положении азотистые основания кодонов образуют слабые водородные связи с антикодоном. 3. Вывод Крика: находящиеся в третьем положении основания большинства кодонов имеют некоторую степень свободы при образовании пары с соответствующими азотистым основанием антикодона – это и есть качающиеся основания. 4. Именно такое взаимодействие кодона с антикодоном обеспечивает включение аминокислоты в соответствующие участки полипептидной цепи синтезирующегося белка.) Этапы биосинтеза белка 1 этап – этап активации аминокислот Компоненты: 1. 20 аминокислот 2. 20 ферментов аминоацил-т-РНК-синтетаз 3. 20 и более т-РНК, а также АТФ и ионы магния Мg²+ На этом этапе осуществляется АТФ-зависимые превращения аминокислот в аминоацил-т-РНК. 1 стадия – из аминокислоты и АТФ образуется аминоацил-аденилат – это активированное соединение (ангидрид), в котором карбоксильная группа аминокислоты соединена с фосфатной группой адениновой кислоты. 2 стадия – аминоацидная группа аминоацил-аденилата переносится на молекулу соответствующей т-РНК. В результате образуется аминоацил-т-РНК – это активированное соединение, участвующее в биосинтезе белка. Этот процесс активизируется аминоцаил-т-РНК-синтетазами. Во всех случаях на 2-ой стадии активированная аминокислота присоединяется к остатку адениловой кислоты, или адениловому нуклеотиду в триплете ЦЦА (ССА) на третьем конце молекулы т-РНК (3’-Т-РНК). Молекулы т-РНК переводят информацию, заключенную в и-РНК на язык белка. Таким образом, генетический код расшифровывается с помощью двух адаптаров: это т-РНК и аминоцаил-т-РНК-синтетаза, в результате чего каждая аминокислота может занять место, определенное ей триплетной нуклеотидной последовательностью в и-РНК, т. е. своим кодоном. Для дальнейшего синтеза необходимы рибосомы. Синтез белков, входящих в состав рибосомной структуры, происходит в цитоплазме, самосборка – в ядрышке за счет взаимодействия молекул белков и рибосомной РНК при участии ионов Мg²+. р-РНК выполняет роль каркасов для упорядоченного расположения рибосомных полипептидов. Суб-частицы в рибосоме расположены несимметрично, имеют неправильную форму, и соединены друг с другом так, что между ними остается бороздка, через которую проходит молекула и-РНК в процесс синтеза полипептидной цепи, а также 2-ая бороздка, удерживающая растущую полипептидную цепь. 2 этап – Инициация полипептидной цепи Компоненты: 1. и-РНК, гуанозинтрифосфат (ГТФ), ионы Мg²+ 2. N-формилметионил-т-РНК 3. Инициирующий кодон в и-РНК 4. Рибосомные субчастицы (30S, 50S) 5. Факторы инициации (IF 1;2;3) У E. coli и других прокариот N-концевой аминокислотой при сборке полипептидной цепи всегда является остаток N-формилметианила. Стадии образования инициирующего комплекса 1 стадия A) В результате взаимодействия 30S субъединицы (субчастицы) и фактора инициации образуется структура, в которой белок препятствует ее ассоциации с 50S субчастицей. B) Присоединение к 30S субчастице и-РНК достигается с помощью инициирующего сигнала, представляющего собой богатую пуриновыми основаниями последовательность, центр которой находится на расстоянии 10 нуклеотидов от 5’-конца инициирующего кодона и-РНК. C) Первый транслируемый кодон расположен на расстоянии 25 нуклеотидов от 5’ конца. D) Инициирующий сигнал, представленный коротким участком и-РНК, в результате взаимодействия с комплементарной последовательностью нуклеотидов, расположенных с 3-го конца 30S субчастицы, способствует фиксированию и-РНК в нужном для инициации положении. E) Это взаимодействие обеспечивает правильное положение инициирующего кодона на 30S субчастице. 2 стадия A) К комплексу, состоящему из 30S субчастицы, фактора инициации и и-РНК, присоединяются ранее связавшиеся с N-формилметионилом т-РНК, второй фактор инициации и гуанозин-трифосфат (ГТФ). B) Возникновение функционально активной 70S рибосомы а результате присоединения 50S-рибосомной субчастицы к ранее образовавшейся комплексной структуре. 3 стадия – приготовление инициирующего комплекса к продолжению процесса трансляции. 3 этап – Элонгация На этой стадии происходит синтез полипептидной цепи. Компоненты: 1. Инициирующий комплекс – 70S рибосома. 2. Набор аминоацил-т-РНК 3. Фактор элонгации, цианозинтрифосфат (ГТФ) 4. Пептидилтрансфераза, ионы Мg²+ Элонгация – это циклический процесс. Стадии элонгации 1 стадия – образование аминоацил-т-РНК, которая является комплементарным кодон-антикодоновым взаимодействием, а также специфической связью между участками молекул т-РНК и р-РНК. 2 стадия - подготовка для вступления остатков аминокислот в реакцию образования пептидной связи. 3 стадия (транслокация) – это перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один кодон. На образование однопептидной связи затрачивается энергия гидролиза 2-х молекул ГТФ. A) Свободная т-РНК отделяется и уходит в цитоплазму. B) В дальнейшем аминоацильный участок вновь подготовлен для связывания очередной аминоацил-т-РНК, антикодон который комплементарен следующему кодону и-РНК – начинается новый цикл элонгации. 4 этап – Терминация. Компоненты: АТФ Терминирующий кодон и-РНК Факторы освобождения полипептида 1) Рост полипептидной цепи продолжается, пока один из 3-х терминирующих кодонов (УАА, УГА, УАГ) не поступит в рибосому. В этом случае кодон-антикодо-нового взаимодействия не происходит. 2) К терминирующему кодону присоединяется ответственный за терминацию фактор, в результате прекращается дальнейший рост белковой цепи. 3) Синтезируемый белок, и-РНК и т-РНК определяются от рибосомы. 4) И0РНК распадается до свободных рибонуклеидов, а т-РНК и рибосомы, распавшись на две субъединицы, участвуют в новых циклах трансляции. 5 этап – Процессинг Компоненты: 1. Специфические ферменты 2. Кофакторы Образующиеся полипептидные цепи формируют более сложные белки или управляют процессами метаболизма в качестве ферментов. На одной молекуле и-РНК работает несколько и более (до 100) рибосом. Они образуют полисому, и на каждой рибосоме строится своя полипептидная цепь (в биосинтезе гемоглобина участвуют полсомы из 5-6 рибосом). Отличие биосинтеза белка 1. У прокариот – транскрипция и трансляция связаны между собой и синтез белка начинается сразу же на продолжающей синтезироваться молекуле и-РНК. 2. У эукариот – сначала на ДНК синтезируется и-РНК, затем она созревает и только зрелая участвует в трансляции. Регуляция синтеза белка В процессе эволюции был создан механизм регуляции действия генов. Геном каждой клетки приобрел характер комплекса, состоящего из: Структурных генов, которые кодируют синтез белковых молекул (т-РНК и и-РНК); и Генов-регуляторов, которые обеспечивают упорядоченность в действии структурных генов. Регуляция экспрессии (выражения) генов осуществляется на нескольких уровнях: Генный – обусловлен изменением количества и локализации генов, контролирующих тот или иной признак. Транскрипционный – отвечает за то, какие и когда включать гены для наработки и-РНК. Трансляционный – обеспечивает отбор и-РНК, транслирующихся на рибосомах. Функциональный – связан с регуляцией активности ферментов. |