Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Всякое / биохимия(методичка)

.pdf
Скачиваний:
3550
Добавлен:
17.06.2017
Размер:
4.04 Mб
Скачать

Инозинмонофосфат

Синтетаза

+асп

ДГ (НАД+)

 

+ГТФ

 

Аденилоянтарная кислота

Ксантиловая кислота

Лиаза

фумарат

+глн

 

 

+АТФ Синтетаза

АМФ

ГМФ

АДФ

 

ГДФ

АТФ

 

ГТФ

Рис. 19.3. De novo синтез пуриновых нуклеотидов

Ключевой фермент синтеза пуринов: амидотрансфераза. Регуляция:

1)аллостерическая: избыток конечных продуктов (АТФ, ГТФ) ингибирует ключевой фермент; избыток пиримидиновых нуклеотидов его активирует;

2)ГМФ ингибирует образование ксантиловой кислоты, а АМФ — аденилоянтарной;

3)перекрестная: для синтеза АМФ требуется ГТФ, а для синтеза ГМФ требуется

АТФ.

Наиболее распространенной формой нарушения обмена пуринов является подагра. Основная причина — повышение уровня мочевой кислоты в крови (гиперурикемия) и ее отложение в суставах и почках. Причины:

а) избыточный синтез пуриновых нуклеотидов (нечувствительность ферментов к регуляторам);

б) дефект ферментов реутилизации пуринов; в) патология почек (недостаточное выведение). Способствует избыточное потребление пу-

ринов с пищей. В лечении подагры используется аллопуринол — ингибитор ксантиноксидазы.

De novo синтез пиримидиновых нуклеотидов

В отличие от пуринов, при биосинтезе пиримидинов de novo (рис. 19.4) вначале образуется пиримидиновое кольцо, а лишь затем к нему присоединяется рибозо-5-фосфат. Источниками атомов для пиримидинового кольца являются глутамин, аспартат и СО2. Синтез начинается с образования карбамоилфосфата:

Глутамин + СО2 + 2 АТФ Карбамоилфосфат + Глутамат + 2 АДФ + Фн

Карбамоилфосфатсинтетаза II

В отличие от карбамоилфосфатсинтетазы I, фермент синтеза пиримидинов использует амидный азот глутамина (а не свободный аммиак), локализован в цитоплазме и присутствует во всех органах и тканях.

79

Карбамоилфосфат + Аспартат

 

Карбамоиласпарагиновая

 

 

Аспартаткарбамоил-

к-та

 

 

 

трансфераза

 

Дигидрооротаза

 

 

 

Дигидрооротовая к-та

 

 

 

 

ДГ(НАД+)

 

 

 

Оротовая к-та

 

 

 

+ФРПФ

Трансфераза

 

 

Оротидин-5/-мономофосфат

ДГФК

метилен-ТГФК

-СО2

Декарбоксилаза

дТМФ

 

дУМФ

УМФ

 

 

Тимидилат

 

 

 

 

дТДФ

синтаза

дУДФ

 

УДФ

 

дТТФ

 

 

 

УТФ

 

 

 

 

+NH2 (Глн)

ЦТФ-синтетаза

 

 

 

+АТФ

ЦТФ

 

Рис. 19.4. De novo синтез пиримидиновых нуклеотидов

Ключевой фермент — аспартаткарбамоилтрансфераза.

Регуляция: избыток пиримидиновых нуклеотидов ингибирует ключевой фермент, а избыток пуриновых — активирует.

Образование дезоксирибонуклеотидов

Образование дезоксирибонуклеотидов, необходимых для биосинтеза ДНК, происходит на уровне нуклеозиддифосфатов (рис. 19.5). С участием специального белка тиоредоксина фермент редуктаза восстанавливает 2/-ОН группу в рибозе и образуется дезоксирибоза. Затем: дНДФ дНТФ синтез ДНК.

Н2О

Рис. 19.5. Образование дезоксирибонуклеотидов

Тема 20. БИОСИНТЕЗ ДНК, РНК И БЕЛКА

Центральная догма молекулярной биологии отражает поток информации в клетке: ДНК РНК БЕЛОК

ДНК

80

БИОСИНТЕЗ ДНК

Репликация — процесс удвоения ДНК (синтез ДНК на матрице ДНК) (рис. 20.1). Принципы репликации:

1)комплементарность;

2)антипараллельность;

3)однонаправленность;

4)потребность в праймере (затравке);

5)прерывистость;

6)полуконсервативность.

Первые 3 принципа можно сформули-

 

ровать одной фразой: синтез каждой дочер-

 

ней цепи ДНК идет комплементарно и анти-

 

параллельно матричной цепи и всегда в

 

направлении 5/

3/.

Рис. 20.1. Репликация ДНК

Ферменты и белки, участвующие в ререпликации (их > 40), объединены в единый комплекс — реплисому.

Хеликаза — раскручивает двойную спираль ДНК в репликационной вилке. Топоизомераза — снимает напряжение, возникающее в репликационной вилке, и

предотвращает обратное скручивание цепей.

Праймаза — синтезирует праймеры. Праймаза является РНК-полимеразой, поэтому образующиеся праймеры представляют собой олигорибонуклеотиды.

ДНК-полимераза — главный фермент процесса. Компоненты, необходимые для еѐ работы: матрица, затравочный олигонуклеотид (праймер), субстраты (активированные нуклеотиды — дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ), ионы магния. ДНК-полимераза катализирует реакцию образования фосфодиэфирной связи:

Для образования фосфодиэфирной связи используется энергия макроэргического субстрата. Большинство ДНК-полимераз обладают способностью исправлять ошибки, допущенные при синтезе, путем отщепления неправильно присоединенного нуклеотида и замены его на нужный.

81

Поскольку цепи ДНК антипараллельны, а

 

синтез идет только от 5/-конца к 3/-концу, одна из

 

дочерних цепей синтезируется прерывисто, обра-

 

зуются фрагменты Оказаки (рис. 20.2). Впослед-

 

ствии праймеры (участки РНК) из дочерней цепи

 

удаляются, на их месте достраивается ДНК.

 

ДНК-лигаза — сшивает фрагменты, обра-

 

зующиеся после удаления праймеров и достройки

 

ДНК.

 

После окончания репликации ДНК под-

 

вергается метилированию (защита от нуклеаз).

 

У прокариот есть три ДНК-полимеразы

 

— ДНК-полимераза III (непосредственно ведет

 

репликацию), ДНК-полимераза II (участвует в

 

репарации), ДНК-полимераза I (отвечает за уда-

 

ление праймеров и достройку на их месте ДНК).

 

У эукариот одновременно с репликацией

 

идет синтез гистонов. Ферменты: ДНК-полиме-

 

раза α (синтезирует праймеры), β (репаративная

 

и достраивает ДНК на месте удаленнных прай-

Рис. 20.2. Репликативная вилка

меров), γ (митохондриальная), δ (синтезирует

 

лидирующую цепь), ε (синтезирует отстающую цепь). 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 «молекулярные часы» клетки.

БИОСИНТЕЗ РНК

Транскрипция — биосинтез РНК на матрице ДНК. В отличие от репликации, транскрипции подвергается не вся молекула ДНК. Единицей транскрипции является оперон (у прокариот) (рис. 20.3) или транскриптон (у эукариот).

Рис. 20.3. Строение оперона

Фермент транскрипции — РНК-полимераза — не требует праймера, синтезирует 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). Структура РНК-полимеразы прокариот и функции ее субъединиц представлены в таблице 20.1.

Инициация транскрипции: холофермент РНК-полимеразы связывается с матрицей в области промотора, вызывает локальное плавление ДНК и начинает синтез РНК. Одна из субъединиц фермента (ζ-фактор) отвечает только за узнавание промотора и после инициации синтеза отсоединяется от других субъединиц.

 

 

Таблица 20.1

 

Структура РНК-полимеразы прокариот

 

 

 

 

Субъединица

К-во

Функция

 

α

2

Взаимодействие с регуляторными белками, инициация синтеза

 

β

1

Образование фосфодиэфирных связей (инициация и элонгация)

 

β/

1

Связь с ДНК-матрицей

 

σ

1

Узнавание промотора

 

 

 

 

 

82

Рис. 20.4. Созревание иРНК

Элонгация: наращивание цепи РНК осуществляет коровая полимераза.

Терминация: в гене имеются терминирующие последовательности; белковый ρ (ро)-фактор вызывает отсоединение РНКполимеразы от матрицы. Образовавшаяся молекула РНК у прокариот содержит информацию о нескольких белках (полицистронный транскрипт) и сразу же подвергается трансляции.

В ядре у эукариот имеется 3 типа РНК полимераз (I — синтезирует рРНК, II — для иРНК, III — для тРНК). Все виды РНК синтезируются в виде предшественников и нуждаются в процессинге (созревании). После процессинга РНК транспортируется из ядра в цитоплазму.

Созревание иРНК (рис. 20.4). Во время синтеза пре-иРНК происходит модификация концов молекулы — кэпирование на 5/-конце и полиаденилирование на 3/- конце. Кэп («шапочка» из трифосфометилгуанозина) и полиадениловый «хвост» защищают иРНК от действия нуклеаз. Следую-

щим 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.).

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-поли- меразы;

рифампицин — ингибирует РНК-полимеразу прокариот на этапе инициации; α-аманитин (токсин бледной поганки) — ингибирует РНК полимеразу II эукариот.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

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

Последовательность нуклеотидов иРНК 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 —

83

1 аминокислота); вырожденность (или избыточность, 61 кодон для 20 аминокислот); однонаправленность; неперекрывае-мость; 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 иРНК.

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

 

Собственно трансляция проходит в три

 

этапа: инициация, элонгация и терминация.

 

Инициация: иРНК поступает на малую

 

субъединицу рибосомы 5/-концом, к иниции-

 

рующему кодону (АУГ) присоединяется первая

 

аминоацил-тРНК (мет-тРНК), и комплекс «за-

 

крывается» большой субъединицей рибосомы.

 

В образовании

инициирующего комплекса

 

(рис. 20.5) участвуют белковые факторы ини-

 

циации (IF-1, 2, 3) и используется энергия ГТФ.

 

Элонгация: в аминоацильный участок

Рис. 20. 5. Инициирующий комплекс

поступает следующая аминоацил-тРНК. Фер-

мент пептидилтрансфераза образует пептидную

 

связь между активированной карбоксильной группой

 

первой аминокислоты и аминогруппой второй амино-

 

кислоты (рис. 20.6). Образованный при этом дипептид

 

«зависает» в аминоацильном центре. Затем с помощью

 

транслоказы и энергии ГТФ рибосома перемещается по

 

иРНК на один кодон, аминоацильный участок освобож-

 

дается, туда поступает новая аминокислота.

 

 

Терминация наступает тогда, когда в аминоа-

 

цильном участке оказывается один из терминирующих

 

(нонсенс) кодонов. К таким кодонам присоединяются

 

специальные белки (рилизинг-факторы), которые вы-

 

свобождают синтезированный пептид и вызывают дис-

 

социацию субъединиц рибосомы.

 

 

Многие белки синтезируются в неактивном ви-

 

де (в виде предшественников) и после схождения с ри-

 

босом подвергаются постсинтетической модификации.

 

Виды модификации белков:

 

 

1) частичный протеолиз (удаление N-концевого

 

мет и сигнального пептида, образование активных форм

Рис. 20.6. Образование

ферментов и гормонов);

 

пептидной связи

 

 

2) объединение протомеров и формирование четвертичной структуры белков;

84

3)образование внутри- и межцепочечных S–S связей;

4)ковалентное присоединение кофакторов к ферментам (пиридоксальфосфат, биотин);

5)гликозилирование (гормоны, рецепторы);

6)модификация остатков аминокислот:

гидроксилирование про и лиз (коллаген); йодирование тир (тиреоидные гормоны); карбоксилирование глу (факторы свертывания крови);

7)фосфорилирование (казеин молока, регуляция активности ферментов);

8)ацетилирование (гистоны);

9)пренилирование (G-белки).

Регуляция биосинтеза белка в клетке

Синтез белка в клетке можно регулировать на этапе транскрипции, созревания иРНК, транспорта ее из ядра в цитоплазму, изменяя стабильность иРНК, в процессе трансляции и посттрансляционной модификации. Регуляция на самых ранних этапах (на уровне экспрессии генов) является наиболее выгодной и потому широко используется.

Примером регуляции экспрессии генов является работа lac-оперона у E. coli. Lac-опе- рон содержит 3 структурных гена ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. В отсутствие лактозы оперон заблокирован белком репрессором (рис. 20.7).

Рис. 20.7. Работа lac-оперона в отсутствие лактозы

В присутствии индуктора (лактозы) репрессор меняет свою конформацию и отсоединяется от ДНК. Однако если в этот момент в среде имеется глюкоза (более доступный источник энергии), транскрипция не идет. В том случае, если глюкоза отсутствует, в клетке увеличивается уровень цАМФ (сигнал «голода») и цАМФ в комплексе со специальным белком (catabolite activator protein) связывается с промотором. Только в присутствии этого белка РНК-полимераза может образовать прочную связь с промотором и начать транскрипцию

(рис. 20.8).

Белковые факторы, которые способствуют связыванию РНК-полимеразы с промотором, называются факторами транскрипции.

Рис. 20.8. Работа lac-оперона при наличии лактозы и в отсутствие глюкозы

85

Регуляторная часть генов эукариот устроена более сложно. Имеются энхансеры (элементы, усиливающие транскрипцию), сайленсеры (ослабляющие), адапторные элементы. Факторы транскрипции могут связываться с любым из этих элементов, тем самым регулировать функции генов. В качестве индукторов биосинтеза белка на генетическом уровне могут выступать не только субстраты (лактоза для лактазы), но и стероидные гормоны, витамин Д, тиреоидные гормоны, ионы металлов и др.

Тема 21. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Основными инструментами в работе молекулярного биолога с нуклеиновыми кислотами являются ферменты. Используют рестриктазы (эндонуклеазы, которые узнают специфические последовательности в ДНК и разрезают молекулу ДНК в этом месте), ДНК-

полимеразы, ДНК-лигазы, экзонуклеазы и др.

В настоящее время в основе большинства методов ДНК-диагностики лежит полимеразная цепная реакция (ПЦР). Она позволяет быстро получить большое количество копий молекул ДНК (или их фрагментов), достаточное для их дальнейшего анализа (рис. 21.1).

Этапы проведения:

1.Нагревание до 90 С (денатурация ДНК).

2.Добавление праймера и охла-

ждение до 55 С (присоединение или «отжиг» праймера).

3. Добавление нуклеотидов (субстратов для синтеза) и ДНК-полимеразы, которая проводит удвоение ДНК; затем цикл повторяется.

Метод широко используется для диагностики инфекционных заболеваний (туберкулез, хламидиоз, цитомегаловирусная инфекция, СПИД и др.). ПЦР позволяет обнаружить возбудителя в биологическом материале даже тогда, когда другие методы оказываются неэффективны. Второе направление использования

метода ПЦР — генетическое тестирова- ние (обнаружение мутаций в генах и диа- Рис. 21.1. Полимеразная цепная реакция (ПЦР)

гностика наследственной патологии).

Клонирование — способ получения большой популяции идентичных молекул, клеток, организмов — потомков одного предка.

Проводятся эксперименты по клонированию стволовых клеток человека и их использованию в стоматологической практике (заместительная клеточная терапия).

Для клонирования отдельных генов используются технологии рекомбинантных ДНК: нужный ген на специальном носителе вводят в бактериальную клетку. В процессе размножения бактерий получают огромное число копий гена.

Вектор — носитель (плазмида или бактериофаг), в который может быть введена чужеродная ДНК с целью клонирования.

Плазмида — небольшая кольцевидная двухцепочечная ДНК, которая реплицируется независимо от ДНК хозяина.

86

Принципиальный подход к клонированию генов: в плазмиде создают дефект (разрез) с помощью рестриктазы. С помощью этой же рестриктазы вырезают участок ДНК с нужным геном. Благодаря «липким концам» происходит включение чужеродной ДНК в вектор, ДНК-лигаза восстанавливает целостность плазмиды и образованная гибридная молекула помещается в бактериальную клетку (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Генная инженерия. Полу-

чение рекомбинантной ДНК

Экспрессия гена, закодированного в чужеродной ДНК, приводит к образованию бактериями нужного белка, его можно выделить и использовать. Технологии рекомбинантных ДНК позволяют получать для медицинской практики вакцины, инсулин, соматотропный гормон, интерфероны, эритропоэтин, белки эмали и др.

Тема 22. ГОРМОНЫ. ОБЩИЙ МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ

Гормоны — это класс регуляторных молекул, синтезируемых специальными клетками.

Особенности биологического действия:

1)низкая концентрация в крови (10–6–10–12 М);

2)обязательная связь с рецептором — (R), включающим каскадный механизм усиления гормонального сигнала;

3)изменение скорости синтеза ферментов или их активности;

4)регуляция секреции по принципу прямой и (или) обратной связи.

Взаимодействие гормона и рецептора характеризуется высокой специфичностью, которая обеспечивается комплементарностью между структурой гормона и активного центра рецептора. В результате эффекта кооперативности, возникающего при взаимодействии гормона и рецептора, существенно изменяется активность последнего это есть феномен амплификации (усиления) гормонального сигнала. Механизм амплификации включает участие специальных ферментов и молекул — вторичных посредников. Гормональный сигнал способен «выключаться» в результате инактивирования рецептора путѐм фосфорилирования, либо удаления его с поверхности клетки (эндоцитоз) и т. д. Множество разных сигналов, воспринимаемых клеткой, суммируется в один определѐнный ответ.

Клеточные рецепторы в зависимости от их локализации делятся на 2 большие группы: 1) плазматической мембраны; 2) внутриклеточные.

Рецепторы плазматической мембраны клеток обеспечивают узнавание, связывание

ипередачу регуляторного сигнала внутрь клетки. Среди них различают:

1.7-ТМС-(R) — это интегральные мембранные белки с семью трансмембранными спиральными сегментами, соединенными гидрофильными внеклеточными и внутриклеточными петлями. Внутриклеточные петли содержат центры связывания G-белка.

87

Рис. 22.1. Строение гетеротримерного G-белка

2.1-TMС-(R) — это интегральные мембранные белки с одним трансмембранным сегментом и глобулярными доменами на вне- и внутриклеточной поверхностях мембраны. Внеклеточный домен содержит участок узнавания и связывания гормона, а внутриклеточный обладает каталитической активностью. Когда он активируется гормоном, его внутриклеточный домен катализирует образование внутриклеточных вторичных посредников.

3.Каналообразующие рецепторы — состоят из белковых субъединиц, каждая из которых содержит несколько трансмембранных сегментов.

Внутриклеточные рецепторы расположены в цитозоле или ядре клетки. После связывания с гормоном они изменяют скорость транскрипции и трансляции определѐнных генов.

По химической природе гормоны делят на:

1)пептиды (глюкагон, кортикотропин) и белки (сложные белки — тиреотропин, гонадотропины; простые белки — соматотропин, инсулин);

2)производные аминокислот (адреналин, серотонин, тироксин);

3)стероиды (альдостерон, кортизол, половые гормоны, витамин Д3) и ретиноевая

кислота;

4)производные липидов (эйкозаноиды).

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ГОРМОНОВ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С 7-ТМС-РЕЦЕПТОРАМИ

Первый этап действия гормона заключается во взаимодействии гормона с 7-ТМС-(R) (к ним относятся α- и β-адренергические рецепторы, рецепторы гистамина, серотонина, соматостатина, гликопротеиновых гормонов, глюкагона, паратирина, кальцитонина, гормонов гипоталамуса).

Второй участник передачи гормонального сигнала — G-белки. Обнаружены:

1)большие, состоящие из нескольких субъединиц G-белки (связаны с мембранами);

2)низкомолекулярные, состоящие из одной полипептидной цепи (цитозольные).

Все G-белки обладают ГТФазной активностью, и их конформация зависит от того, связаны ли они в данный момент с ГДФ или ГТФ. Мембранный G-белок состоит из 3 субъ-

единиц: α, β и γ (рис. 22.1).

В неактивном состоянии три субъединицы соединены вместе, и α-субъединица связана с ГДФ. После присоединения гормона к 7-ТМС-(R) и взаимодействия гормонрецепторного комплекса с G-белком в последнем происходит замена ГДФ на ГТФ, вследствие чего G-белок диссоциирует с образованием свободной α-субъединицы и димера субъединиц β, γ. Затем α-субъединица перемещается по мембране и взаимодействует с мембраносвязанными ферментами (аденилатциклазой или фосфолипазой С), катализирующими образование низкомолекулярных вторичных посредников. Продол-

жительность эффекта G-белка определяется ГТФазной активностью его α-субъединицы: после гидролиза ГТФ до ГДФ действие субъединицы прекращается и G-белок возвращается в исходное тримерное состоя

Аденилатциклаза. Различные типы аденилатциклаз реагируют с α-субъединицами, выполняющими разные функции: если связывание осуществляется с αs-субъединицей G-белка, то фермент активируется, если с αI-cубъединицей, то ингибируется. Аденилатциклаза катализирует образование цАМФ из АТФ. Уровень цАМФ в клетках очень низок, но при активировании аденилатциклазы он может быстро и значительно увеличиваться. Однако это повышение кратковременно. Распад цАМФ катализируется цАМФ-фосфодиэстеразами (ФДЭ), гидролизующими фосфодиэфирную связь в молекуле цАМФ. ФДЭ — регули-

руемый фермент (его ингибирует кофеин, что приводит к повышению уровня цАМФ).

88