Звягина Учебное пособие

6. Пути образования и обезвреживания аммиака. Биосинтез мочевины: химизм и биологическая роль.

7. Декарбоксилирование аминокислот и образование биогенных аминов (гистамина, серотонина, ГАМК, таурина), их биологическая роль. 8. Антигистаминные препараты.

9. Заменимые и незаменимые аминокислоты. Биосинтез заменимых аминокислот из промежуточных продуктов распада углеводов, из метаболитов цикла Кребса, из незаменимых аминокислот.

10. Биосинтез катехоламинов и их биологическая роль.

11. Нарушения обмена фенилаланина и тирозина. Фенилкетонурия (биохимический дефект, проявления, диагностика и лечение), алкаптонурия, альбинизм.

12. Роль биогенных аминов, их инактивация. Аминооксидазы, ингибиторы аминооксидаз как фармакопрепараты.

13. Характеристика биосинтеза пуриновых нуклеотидов, нуклеозидов, оснований. Источники образования пуриновых оснований.

14. Реутилизация аденина и гуанина в процессе биосинтеза нуклеотидов.

15. Распад пуриновых нуклеотидов, нуклеозидов, азотистых оснований. Гиперурикемия и подагра. Аллопуринол как конкурентный ингибитор ксантиноксидазы.

16. Характеристика биосинтеза пиримидиновых оснований, нуклеозидов, нуклеотидов. Источники образования пиримидиновых оснований.

17. Распад пиримидиновых нуклеотидов, нуклеозидов, азотистых оснований.

18. Обмен гемпротеинов. Распад гемоглобина. Образование билирубина и других желчных пигментов. Обезвреживание билирубина. Понятие о свободном («непрямом») и связанном («прямом») билирубине.

19. Нарушения обмена билирубина. Биохимическая характеристика желтух.

II.Вопросы для тестового самоконтроля:

1.Непрямое окислительное дезаминирование катализируется ферментами…

а) оксидазами б) трансаминазами и глутаматдегидрогеназой

в) декарбоксилазой и метилтрансферазой г) каталазой и оксигеназой

141

2. Биогенные амины образуются из аминокислот в результате реакции…

а) декарбоксилирования б) дезаминирования в) аминирования г) карбоксилирования

3.Инактивацию биогенных аминов осуществляет… а) глутаматдегидрогеназа б) каталаза в) моноаминооксидаза

г) оксидаза аминокислот 4.Аммиак не образуются при распаде…

а) пуриновых оснований б) пиримидиновых оснований в) биогенных аминов г) кетокислот

5.Основным путем обезвреживания аммиака является… а) дезаминирование аминокислот б) восстановительное аминирование в) образование аммонийных солей г) синтез мочевины

6.Заменимые аминокислоты могут синтезироваться у млекопитающих из…

а) промежуточных продуктов распада углеводов б) метаболитов цикла Кребса в) незаменимых аминокислот

г) всех перечисленных ранее веществ

7.К тиоловым протеиназам относятся ферменты, содержащие в активном центре…

а) аспарагиновую кислоту б) цистеин в) серин

г) глутаминовую кислоту

8.К функциям тканевых протеиназ не относится…

а) обновление белков б) активация неактивных проферментов

в) обезвреживание биогенных аминов г) мобилизация белка для энергетических нужд

9. Биогенный амин – серотонин образуется из аминокислоты…

142

а) гистидина б) триптофана в) глутамата г) лизина

10. Таурин … а) участвует в синтезе желчных кислот

б) повышает частоту и силу сердечных сокращений в) является тормозным медиатором центральной нервной систе-

мы

г) ингибирует образование мочевой кислоты 11. При разрыве α-метинового мостика порфиринового кольца образуется…

а) биливердин б) вердоглобин в) билирубин

г) мезобилирубин 12.Превращение биливердина в билирубин катализирует фермент…

а) гемоксигеназа б) моноаминооксидаза

в) биливердинредуктаза г) билирубинредуктаза

13.Прямой билирубин… а) образуется в клетках РЭС

б) дает прямую реакцию с диазореактивом в) обезвреживается в печени г) не поступает в кровь в норме

14. Обезвреживание билирубина в печени происходит под действием фермента…

а) билирубинредуктазы

б) цитохрома Р450 в) сульфотрансферазы

г) УДФ-глукуронозилтрансферазы

15.При накапливании билирубина в тканях организма развивается… а) фенилкетонурия б) желтуха в) подагра г) альбинизм

16.Нуклеотиды расщепляются ферментами…

а) нуклеазами

143

б) нуклеотидазами в) нуклеозидазами

г) нуклеозидфосфорилазами

17.Конечный продукт распада пуринов… а) мочевая кислота б) мочевина в) β-аланин г) ксантин

18.Инозиновая кислота является предшественником… а) урацила и тимина б) пиримидиновых оснований в) оротовой кислоты г) АМФ и ГМФ

19.Конечным продуктом распада пиримидиновых оснований является…

а) мочевая кислота б) мочевина в) β-аланин г) ксантин

20.Причиной развития подагры является…

а) активация синтеза пиримидиновых нуклеотидов б) дефицит фермента фенилаланингидроксилаза в) избыточное образование мочевой кислоты г) повышение синтеза билирубина

III. Контрольные задания для самостоятельной работы А. Решите следующие ситуационные задачи:

1.Обсудите возможную клиническую ситуацию: биохимическое исследование крови и мочи больного показало, что суточная экскреция мочевины с мочой составляет 180 ммоль/сут, а её концентрация в крови - 1,5 ммоль/л. Оцените полученные результаты. Имеются ли отклонения от нормы? Каковы возможные причины этих нарушений?

2.Токсическое действие аммиака на клетки мозга объясняется, в частности, нарушением образования нейромедиаторов. Синтез какого нейромедиатора будет нарушен в первую очередь?

3.Когда человек переходит на рацион с высоким содержанием белка, у него повышается потребность в витамине В6. Почему?

144

4.Лекарственный препарат аллопуринол испльзуется для лечения хронической подагры. Какова биохимическая основа такого лечения?

5.В клинику поступил больной с ярко выраженной желтушностью кожи, склер, слизистых оболочек. Моча цвета темного пива, окраска кала ослаблена. В крови повышено содержание билирубина, в моче определяется билирубин. О каком типе желтухи идет речь?

Общий модуль 2.

Регуляция основных биохимических процессов в различных тканях и органах человека.

Частный модуль 2.1. Биосинтез ДНК, РНК и белка

После изучения частного модуля 2.1. студент должен:

Знать: Виды переноса генетической информации. Молекулярные механизмы репликации, транскрипции, трансляции. Регуляция биосинтеза белка.

Уметь: объяснять механизмы возникновения наследственных болезней как результат дефектов в генотипе.

Владеть: навыками применения в медицинской практике генной терапии.

Виды переноса генетической информации. Молекулярные основы репликации. Механизм репликации ДНК у прокариотов и у эукариотов.

Существует три варианта переноса генетической информации:

1) перенос генетической информации в пределах одного класса нуклеиновых кислот, т.е от ДНК к ДНК (у некоторых вирусов возможен перенос от РНК к РНК) называется репликацией. Живые организмы в течение S-фазы, которая предшествует делению клетки, удваивает содержание ДНК, для того чтобы после деления каждая дочерняя клетка имела набор хромосом идентичный родительской клетке. 2) Перенос информации между разными классами нуклеиновых кислот: ДНК – РНК называется транскрипцией. Транскрипция бывает прямая (от ДНК к РНК) и обратная (от РНК к ДНК - часто встречается при опухолевой трансформации клеток). 3) Перенос генетической информации от мРНК к белку называется трансляцией. В ходе трансляции осуществляется перевод информации, заключенной в мРНК на "язык" аминокислот.

145

Перенос генетической информации от ДНК через РНК к белку называется центральным постулатом молекулярной биологии.

	2	3
ДНК	РНК	БЕЛОК

1

ДНК Репликация — процесс удвоения ДНК (синтез ДНК на матрице

ДНК), основанный на принципе комплементарности азотистых оснований (А=Т; Г=Ц).

Механизм репликации – полуконсервативный. В результате репликации образуются 2

новые молекулы ДНК, в каждой из них – одна цепь «материнская», вторая – «дочерняя», вновь синтезированная.

Синтез каждой дочерней цепи ДНК идет антипараллельно матричной цепи и всегда в направлении 5/ 3/(!).

Инициацию репликации регулируют специальные сигнальные белковые молекулы – факторы роста. В определенном участке ДНК происходит частичная денатурация, цепи расходятся и образуются 2 репликативные вилки, движущиеся в противоположные стороны. В образовании репликативной вилки принимают участие ряд белков и ферментов (их > 40).

ДНК-топоизомераза — участвует в регуляции спирализации ДНК; разрывает фосфодиэфирную связь в одной из цепей ДНК. ДНК-хеликаза — катализирует разрыв водородных связей в двухцепочечной молекуле ДНК, используя энергию АТФ.

SSB-белки - препятствуют скручиванию цепи ДНК. ДНК-полимераза — главный фермент процесса.

У прокариот есть три ДНК-полимеразы — ДНК-полимераза III (непосредственно ведет репликацию), ДНК-полимераза II (участвует в репарации), ДНК-полимераза I (отвечает за удаление праймеров и достройку на их месте ДНК).

146

У эукариот одновременно с репликацией идет синтез гистонов. Ферменты: ДНК-полимераза α (участвует в синтезе РНК-затравки), β (репаративная), γ (митохондриальная), δ (синтезирует лидирующую цепь), ε (участвует в синтезе фрагментов Оказаки). На концах линейных хромосом эукариот имеются теломеры (неинформативные повторяющиеся последовательности нуклеотидов). В соматических клетках с каждым актом репликации теломеры укорачиваются из-за невозможности достроить ДНК на месте 5/-праймера. Это своеобразные «счетный механизм» деления клетки.

ДНК-лигаза — сшивает фрагменты, об- Рисунок 19. Репликативная вилка

разующиеся после удаления праймеров и достройки ДНК.

Компоненты, необходимые для репликации: матрица (цепь ДНК), затравочный олигонуклеотид (праймер), субстраты (активированные нуклеотиды — дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ), ионы магния.

Общую схему репликации можно представить следующим образом: сначала в определенных участках ДНК образуются репликативные вилки, затем на каждой из цепей формируются короткие (до 10 рибонуклеотидов) фрагменты РНК (РНКзатравки или праймеры) при участии

ДНК-полимеразы α, после чего фермент отщепляется от ДНК и дальнейшее присоединение дезоксирибонуклеотидов катализирует ДНКполимераза δ.

Поскольку цепи ДНК антипараллельны, а синтез идет только от 5/- конца к 3/-концу, одна из дочерних цепей синтезируется прерывисто, образуются фрагменты Оказаки. Каждый фрагмент начинается также с РНК-затравки, необходимой для работы ДНК-полимеразы ε.

Впоследствии праймеры (участки РНК) из дочерней цепи удаляются, на их месте достраивается ДНК. Остающиеся разрывы в отстающей цепи «сшиваются» при участии ДНК-лигазы.

После окончания репликации ДНК подвергается метилированию (защита от нуклеаз).

147

Молекулярные основы транскрипции. Характеристика транскриптона. Механизм транскрипции и образование м-РНК. Посттраскрипционная модификация пре-м-РНК.

Строение гена эукариот

Ген - участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК. ДНК одной хромосомы может содержать несколько тысяч генов, которые располагаются в линейном порядке. Место гена в определенном участке хромосомы называется локусом. Особенностями строения гена эукариот являются: 1) наличие достаточно большого количества регуляторных блоков, 2) мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими). Экзоны (Э) — участки гена, несущие информацию о строении полипептида. Интроны (И) — участки гена, ненесущие информацию о строении полипептида. Число экзонов и интронов различных генов разное; экзоны чередуются с интронами, общая длина последних может превышать длину экзонов в два и более раз. Промотор (П) — участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, представляет собой особое сочетание нуклеотидов. Перед единицей транскрипции, после нее, иногда в интронах находятся регуляторные элементы (РЭ), к которым относятся энхансеры и сайленсеры. Энхансеры ускоряют транскрипцию, сайленсеры тормозят ее.

Транскрипция — биосинтез РНК на матрице ДНК. В отличие от репликации, транскрипции подвергается не вся молекула ДНК, а только одна из ее цепей. Единицей транскрипции является оперон (у прокариот)

Рисунок 20.

или транскриптон (у эукариот). У эукариот в состав транскриптона входит обычно один ген.

Ферменты транскрипции — РНК-полимеразы I (синтезируют прерРНК), II (пре-мРНК) и III (пре-тРНК). РНК-полимеразы состоят из нескольких субъединиц: 2α,β,β',σ. Субъединица σ выполняет регуля-

148

торную функцию, это один из факторов инициации транскрипции. Синтезируется РНК в направлении от 5/-конца к 3/-концу, комплементарно и антипараллельно матричной цепи ДНК. Субстратами для синтеза РНК являются активированные нуклеотиды (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ).

Инициация транскрипции: РНК-полимераза II связывается с матрицей в области промотора, который содержит последовательность, обогащенную нуклеотидами Т и А (ТАТА - бокс) с которыми взаимодействует специальный белок – ТАТА-фактор. Присоединение ТА- ТА-фактора облегчает взаимодействие промотора с РНКполимеразой. Связывание РНК-полимеразы с промотором приводит к конформационным изменениям и повышению сродства к специальным факторам инициации. Присоединение которых вызывает локальную денатурацию ДНК и начинается процесс синтеза РНК.

Элонгация: После того как σ-субъединица отделяется от РНКполимеразы, вместо нее к молекуле фермента присоединяется несколько факторов элонгации и происходит наращивание цепи РНК.

Терминация: Завершается синтез РНК в специальных участках матрицы – терминаторах, где становится возможным присоединение специальных факторов терминации, которые облегчают отделение первичного транскрипта (пре-мРНК) и РНК-полимеразы от матрицы.

Все виды РНК синтезируются в виде предшественников и нуждаются в процессинге (созревании). После процессинга РНК транспортируется из ядра в цитоплазму.

Посттранскрипционная модификация мРНК. Во время синтеза пре-мРНК происходит модификация концов молекулы — кэпирование на 5/-конце и полиаденилирование на 3/-конце. Кэп («шапочка» из трифосфометилгуанозина) и полиадениловый «хвост» защищают мРНК от действия нуклеаз. Следующим этапом созревания РНК является сплайсинг — удаление интронов (неинформативных вставок) и сшивание экзонов (информативных участков). В сплайсинге участвует малая ядерная РНК, которая содержит последовательности, комплементарные интронам.

Созревание тРНК. От предшественника тРНК отщепляются дополнительные олигонуклеотиды на 3/- и 5/- концах, вырезаются интроны, достраивается акцепторный участок (ЦЦА), формируется петля антикодона, проводится модификация нуклеотидов (образуются псевдоуридин, дигидроуридин и т. п.).

149

Созревание рРНК. рРНК синтезируется в виде крупных предшественников, из которых затем удаляются интроны, молекулы разрезаются на фрагменты разного размера, метилируются, объединяются с белками (образуются малая и большая субъединицы рибосом).

Ингибиторы транскрипции:

▪актиномицинД — препятствует раскручиванию ДНК и продвижению РНК-полимеразы;

▪рифампицин — ингибирует РНК-полимеразу прокариот на этапе инициации;

▪α-аманитин (токсин бледной поганки) — ингибирует РНК полимеразу II эукариот.

Биосинтез белков (трансляция). Инициация, элонгация, терминация, характеристика процессов. Свойство генетического кода.

Трансляция — биосинтез белка на матрице мРНК. Участники трансляции: мРНК, рибосомы, белковые факторы инициации, элонгации и терминации, ГТФ, аминоацил-тРНК.

Последовательность нуклеотидов мРНК определяет последовательность включения аминокислот в синтезируемый белок. При этом

одну аминокислоту кодирует последовательность из трех нуклеотидов (триплет, кодон). Существует 43 = 64 кодона (3 из них не кодируют аминокислоты — бессмысленные или нонсенс-кодоны). Общий набор кодонов составляет генетический код. Свойства генетического

кода: триплетность; специфичность (1 кодон — 1 аминокислота); вырожденность (или избыточность, 61 кодон для 20 аминокислот); однонаправленность; неперекрываемость; отсутствие знаков препинания; универсальность.

Роль тРНК в биосинтезе белка: 1) транспорт аминокислот на рибосомы; 2) адапторная функция, т. е. тРНК является посредником при переводе с языка нуклеиновых кислот (последовательность нуклеотидов) на язык белков (последовательность аминокислот). Адапторная функция осуществляется благодаря наличию в структуре тРНК акцепторного участка для аминокислоты и антикодона для связи с мРНК.

Рекогниция — процесс узнавания аминокислотой своей тРНК. Специфичность связывания обеспечивает фермент АРСаза (аминоацил - тРНК - синтетаза), который катализирует 2 реакции:

150