Денисенко 4 сем (билеты)

Раскручивание двойной спирали ДНК в области сайта терминации делает его доступным для фактора терминации. Завершается синтез РНК в строго определенных участках матрицы - терминаторах (сайты терминации). Фактор терминации облегчает отделение первичного транскрипта (пре-мРНК), комплементарного матрице, и РНК-полимеразы от матрицы. РНК-полимераза может вступить в следующий цикл транскрипции.

19.Процесс трансляции.

20.Регуляция экспрессии генов.

Регуляция экспрессии генов

Экспрессия генов — это реализация заложенной в них информации, то есть синтез РНК и белков. Другими словами, под экспрессией генов понимают их активность.

В клетках живых организмов экспрессия генов регулируется: одни гены могут быть реализованы, другие — нет. Причем регуляция может осуществляться на разных этапах: может выполняться или нет транскрипция, из пре-мРНК в результате альтернативного сплайсинга могут образовываться разные мРНК, может блокироваться трансляция и др.

У эукариот, обладающих отграниченным от цитоплазмы ядерным содержимым и более сложным геномом, регуляция экспрессии генов намного разнообразнее и сложнее, чем у прокариот.

Регуляция экспрессии генов у прокариот

У прокариот пока молекула РНК синтезируется на участке ДНК, она тут же может транслироваться (начиная с уже синтезированного конца). Поэтому у них регуляция экспрессии (активности) генов осуществляется почти исключительно на уровне ДНК, так как в РНК часто невозможно внести какие-нибудь изменения до ее трансляции.

В 1961 г. Жакобом и Моно была предложена модель оперона как системы регуляции генов у бактерий. Оперон состоит из промотора, оператора, структурных генов оперона (их может быть разное количество) и терминатора. В области промотора прикрепляется фермент РНК-полимераза. В области оператора присоединяется белок-репрессор, который кодируется отдельно отстоящим от оперона геном-регулятором (может быть сцеплен со своим опероном, а может находиться на расстоянии).

Если белок-репрессор соединяется с оператором, то транскрипция всех структурных генов оперона становится невозможной, так как РНК-полимераза не может перемещаться по цепи ДНК.

В свою очередь активность белка-репрессора может блокироваться определенным для него низкомолекулярным соединением — индуктором (тем или иным питательным веществом бактерий). В результате взаимодействия с индуктором белок-репрессор видоизменяется и уже не может присоединиться к оператору своего оперона. В этом случае гены оперона экспрессируются (т. е. на них идет синтез).

Бывает обратная ситуация, когда индуктор активирует белок-репрессор.

Таким образом, в зависимости от того, какие индукторы находятся в цитоплазме, у прокариот экспрессируются те или иные генные группы.

Вышеописанный механизм экспрессии генов относится к негативной регуляции, так как гены транскрибируются, если они не выключены репрессором. И наоборот: не транскрибируются, если выключены.

Кроме негативной регуляции у бактерий существует также позитивная. В этом случае вместо белка-репрессора действие оказывает белок-активатор. На эти белки также действуют индукторы, активируя или инактивируя их.

Также у прокариот были выявлены опероны, которые актируются двумя регуляторными белками, соединенными друг с другом.

Регуляция экспрессии генов у эукариот

Умногоклеточных организмов в клетках разных тканей экспрессируются разные гены, т. е. для эукариот характерна дифференциальная экспрессия.

Уэукариот, также как и у прокариот, существуют регуляторные белки с похожим механизмом действия. При этом для эукариот не характерна регуляция по типу оперона. Цистроны (транскрибируемые участки) эукариот обычно содержат по одному гену. (Это не касается геномов хлоропластов и митохондрий.)

Кроме регуляторных белков, взаимодействующих с ДНК, у эукариот существуют и другие способы регуляции экспрессии генов.

Конденсация и деконденсация хроматина. Это наиболее универсальный метод регуляции транскрипции. Когда нужно экспрессировать определенные гены, хроматин в этом месте деконденсируется.

Альтернативные промоторы. У гена может быть несколько промоторов, каждый из которых начинает транскрипцию с разных его экзонов в зависимости от типа клетки. В конечном итоге будут синтезированы разные белки.

Метилирование и деметилирование ДНК. Метилирование ДНК происходит в регуляторных областях гена. Метилируется цитозин в последовательности ЦГ, после чего ген инактивируется. При деметилировании активность гена восстанавливается. Процесс регулируется ферментом метилтрансферазой.

Гормональная регуляция. При гормональной регуляции гены активируются в ответ на внешний химический сигнал (поступление в клетку определенного гормона). Этот гормон запускает те гены, которые имеют специфические последовательности нуклеотидов в регуляторных областях.

Геномный импринтинг. Это малоизученный способ регуляции экспрессии генов у эукариот. Он возможен только у диплоидных организмов и выражается в том, что активность генов зависит, от какого из родителей они были получены. Выключение генов осуществляется путем метилирования ДНК.

Альтернативный сплайсинг. Это регуляция на уровне процессинга. При альтернативном сплайсинге порядок сшивки экзонов может быть различным. Отсюда следует, что на

основе одной и той же нуклеотидной последовательности ДНК могут быть синтезированы разные белки. Хотя их отличие друг от друга будет в основном заключаться лишь в разных сочетаниях одних и тех же аминокислот.

Тканеспецифическое редактирование РНК также протекает на уровне процессинга. Выражается в замене отдельных нуклеотидов в РНК в определенных тканях организма.

Кроме того, у эукариот иРНК часто не подвергается процессингу вообще (а распадается) или подвергается с задержкой. Это токже можно рассматривать как способ регуляции экспрессии генов.

Регуляция стабильности иРНК. У эукариот существует регуляция и на уровне трансляции, когда готовые иРНК не «допускаются» к рибосомам или разрушаются. Другие же иРНК могут дополнительно стабилизироваться для многократного использования.

Посттрансляционная модификация белка. Чтобы молекула полипептида превратилась в активную молекулу белка, в ней должны произойти различные модификации определенных аминокислот, должны быть сформированы вторичная, третичная и возможно четверичная структуры. На этом этапе также можно повлиять на реализацию генетической информации, например, не дав молекуле сформироваться.

Риборегуляторы. Были обнаружены РНК, выполняющие регуляторные функции путем ослабления работы отдельных генов.

Для высокоорганизованных животных отмечается существование надклеточного уровня регуляции экспрессии генов.

V.Энергетический обмен (4)

21.Цикл лимонной кислоты: локализация, регуляция, функции.

Цикл лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) - заключительный этап катаболизма, в котором углерод ацетильного остатка ацетил-КоА окисляется до 2 молекул СО2. Атомы водорода, освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях, доставляются в ЦПЭ при участии NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ, в результате чего происходят синтез воды и окислительное фосфорилирование АДФ. Связь между атомами углерода в ацетил-КоА устойчива к окислению. В условиях организма окисление ацетильного остатка происходит в несколько этапов, образующих циклический процесс из 8 реакций.

Цикл лиммоной кислоты открыт Х.Кребсом и У.Джонсоном (1937). Этот цикл явлляется основой метаболизма и выполняет две важных функции – снабжения организма энергией и интеграции всех главных метаболических потоков, как катаболических (биорасщепление), так и анаболических (биосинтез).

Цикл Кребса состоит из 8 стадий (в двух стадиях на схеме выделены промежуточные продукты), в ходе которых происходит:

1)полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО2,

2)образуются три молекулы восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и одна восстановленного флавинадениндинуклеотида (ФАДН2), что является главным источником энергии, производимой в цикле и

3)образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) в результате так называемого субстратного окисления.

цикл Кребса, локализованный в митохондриях, начинается с лимонной кислоты (цитрат) и заканчивается образованием щавелевоуксусной кислоты (оксалоацетата

– ОА). К субстратам цикла относятся трикарбоновые кислоты – лимонная, цисаконитовая, изолимонная, щавелевоянтарная (оксалосукцинат) и дикарбоновые кислоты – 2-кетоглутаровая (КГ), янтарная, фумаровая, яблочная (малат) и щавелевоуксусная. К субстратам цикла Кребса следует отнести и уксусную кислоту, которая в активной форме (т.е. в виде ацетилкофермента А, ацетил-SКоА) участвует в конденсации с щавелевоуксусной кислотой, приводящей к образованию лимонной кислоты. Окисляется именно ацетильный остаток, вошедший в структуру лимонной кислоты, подвергается окислению; атомы углерода окисляются до CO2, атомы водорода частично акцептируются коферментами дегидрогеназ, частично в протонированной форме переходят в раствор, то есть в окружающую среду.

Как исходное соединение для образования ацетил-КоА обычно указывается пировиноградная кислота (пируват), образующаяся при гликолизе и занимающая одно из центральных мест в перекрещивающихся путях обмена веществ. Под влиянием фермента сложной структуры – пируватдегидрогеназы (КФ1.2.4.1 – ПДГаза) пирувата окисляется с образованием CO2 (первое декарбоксилирование), ацетил-КоА и восстановливается НАД (см. схему). Однако окисление пирувата – далеко не единственный путь образования ацетил-КоА, который также является характерным продуктом окисления жирных кислот (фермент тиолаза или синтетаза жирных кислот) и других реакций разложения углеводов и аминокислот. Все ферменты, участвующие в реакциях цикла Кребса, локализованы в митохондриях,

причем большинство из них растворимы, а сукцинатдегидрогеназа (КФ1.3.99.1) прочно связана с мембранными структурами.

Основная метаболическая роль ЦТК:

1)серия окислительно-восстановительных реакций, в результате которых ацетильная группа ацетил–СоА (в ней 2 атома углерода) окисляется до двух молекул СО2;

2)четырехкратное дегидрирование, ведущее к образованию 3 молекул НАДН+Н+ и 1 молекулы ФАДН2, доставляющих затем атомы водорода в ЦПЭ (цепь переноса электронов, встроенную во внутреннюю мембрану митохондрий, если кто забыл);

3)интегративная функция - цикл является связующим звеном между реакциями анаболизма и катаболизма (то есть реакциями синтеза и распада вещест Реакции цикла Кребса

Все ферменты цикла Кребса локализованы в митохондриях.

1.Цикл лимонной кислоты начинается с взаимодействия ацетил-СоА со оксалоацетатом (ОА или щавелевоуксной кислотой - ЩУК) с образованием цитрилСоА, гидролиз которого приводит к образованию цитрата (лимонной кислоты). Энергия разрыва тиоэфирной связи идет на образование С-С- связи. Данный процесс катализирует цитратсинтетаза.

2.Под действием фермента цис-аконитазы происходит дегидратация и гидратация лимонной кислоты с образованием изоцитрата (изолимонной кислоты).

3.Изолимонная кислота под действием фермента изоцитратдегидрогеназы дегидрируется с образованием восстановленного NADН+Н+ и декарбоксилируется с образованием альфа-кетоглутаровой килоты.

4.Альфа-кетоглутаровая кислота является субстратом для альфакетоглутаратдегидрогеназной мультиферментой системы, которая работает по принципу пируватдегидрогеназной. Продуктом служит сукцинил-СоА.

5.В составе сукцинил-СоА имеется одна макроэргическая связь, гидролиз которой приводит к образованию ГТФ. Фермент катализирующий этот процесс - сукцинаттиокиназа.

6.Сукцинат (янтарная кислота) под действием фермента сукцинатдегидрогеназы дегидрируется с образованием фумарата (фумаровой кислоты).

7.Фумаровая кислота с отщеплением воды под действием фумаразы образует малат (яблочную кислоту).

8.Малат под действием фермента малатдегидрогеназы переходит в оксалоацетат

(щавелевоуксусную кислоту) и цикл возобновляется.

Регуляция цикла трикарбоновых кислот

Все реакции ЦТК протекают согласованно в одном направлении. Основное значение для регуляции ЦТК имеет синтез и распад АТФ.

Кроме того, важнымрегулятором ЦТК является доступность оксалоацетата. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-СоА и запускает процесс. Обычно в клетке имеется балансмежду образованием ацетил-СоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источникомоксалоацетата является глюкоза (синтез из пирувата в анаплеротической реакции), поступление из фруктовых кислот самого цикла (яблочной, лимонной), образование из

аспарагиновой кислоты в результате трансаминирования.

Примером существенной роли оксалоацетата служит активация синтеза кетоновых тел и кетоацидоз плазмы крови при недостаточном количестве оксалоацетата в печени. Такое состояние наблюдается при инсулинзависимом сахарном диабете, при голодании, алкогольном отравлении или длительной физической нагрузке. Входная реакция в цикл - взаимодействие ацетил-СоА с окалоацетатом - важная регуляторная реакция. Ее скорость находится в тесной связи с количеством АТФ (уровень АТФ, в свою очередь, определяется количеством и скоростью окисления НАДН+Н+). Так, при увеличении количества АТФ в клетке происходит уменьшение сродства цитратсинтазы к ацетил-СоА, поэтому скорость синтеза цитарата снижается. Подобным образом уменьшает сродство цитратсинтазы к ацетил-СоА избыток сукцинил-СоА.

В зависимости от соотношения изменяется скорость ЦТК: при увеличении соотношения НАДН+Н+/НАД, АТФ/АДФ, Ацетил-СоА/HS-CoA, Сукцинил-СоА/HS-CoA скорость ЦТК замедляется.

Цикл Кребса активируется под влиянием катехоламинов, глюкагона и йодтиронинов.

В норме скорости гликолиза и цикла трикарбоновых кислот тесно связаны: в пируват превращается лишь такое количество глюкозы, которое обеспечит цикл достаточным количеством «топлива» — ацетил-СоА. Концентрации пирувата, лактата и ацетил-СоА в норме поддерживаются постоянными. Скорость гликолиза связана со скоростью цикла трикарбоновых кислот не только через ингибирование гликолиза высокими уровнями ATP и NADH+Н+, которое характерно и для гликолиза, и для дыхательного этапа окисления глюкозы, но также и концентрацией цитрата. Цитрат, первый продукт цикла трикарбоновых кислот, является важным аллостерическим ингибитором фосфофруктокиназы.

а каждый цикл с участием одной молекулы ацетил – КоА образуется 3(NADН+Н+), 1 FADН2 и 1 ГТФ (что соответствует 1 АТФ). Так как одна молекула NADН+Н+ в дыхательной цепи дает 3 АТФ, то в сумме получается 9АТФ. Каждая молекула FAD дает 2 АТФ, в сумме 2АТФ. Общий энергетический баланс = 12 АТФ.

Энергетическая роль общего пути катаболизма.

1. Окислительное декарбоксилирование 1 молекулы пирувата - 3 АТФ.

2. В ЦТК и сопряженных дыхательных цепях - 12 АТФ (в том числе 1 ГТФ в реакции субстратного фосфорилирования в ЦТК).

Под воздействием ряда важных вспомогательных ферментов некоторые промежуточные продукты цикла лимонной кислоты (α-кетоглутарат, сукцинат и оксалоацетат) могут удаляться из цикла и использоваться в качестве молекулпредшественников аминокислот.

22.Строение митохондрий и организация электрон-транспортной цепи.

За счёт своих довольно крупных размеров органеллы хорошо различимы в световом микроскопе. Максимальная длина – 10 мкм, диаметр не превышает 1 мкм.

Митохондрии присутствуют во всех эукариотических клетках. Это двумембранные органоиды обычно бобовидной формы. Также встречаются митохондрии сферической, нитевидной, спиралевидной формы.

Количество митохондрий может значительно варьировать. Например, в клетках печени их насчитывается около тысячи, а в ооцитах – 300 тысяч. Растительные клетки содержат меньше митохондрий, чем животные.

Каждая митохондрия отделена от цитоплазмы двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая. Строение внутренней мембраны более сложное. Она образует многочисленные складки – кристы, которые увеличивают функциональную поверхность. Между двумя мембранами находится пространство в 10-20 нм, заполненное ферментами. Внутри органеллы располагается матрикс – гелеобразное вещество.

остав	Описание	Функции

		Состоит из липидов. Содержит большое
		количество белка порина, который образует
	Внешняя	гидрофильные канальцы. Вся наружная	Защищает органеллу,
		мембрана пронизана порами, через которые в	способствует транспорту
	мембрана
		митохондрию попадают молекулы веществ.	веществ
		Также содержит ферменты, участвующие в
		синтезе липидов
		Располагаются перпендикулярно оси
		митохондрии. Могут иметь вид пластинок или
		трубочек. Количество крист варьирует в
		зависимости от типа клеток. В клетках сердца их
		в три раза больше, чем в клетках печени.	Осуществляет вторую
		Содержат фосфолипиды и белки трёх типов:	стадию дыхания с помощью
	Кристы	– катализирующие – участвуют в окислительных	дыхательной цепи.
			Происходит окисление
		процессах;	водорода, образование 36
		– ферментативные – участвуют в образовании	молекул АТФ и воды
		АТФ;
		– транспортные – переносят молекулы из
		матрикса наружу и обратно
			Осуществляет первую
		Состоит из смеси ферментов, жирных кислот,	стадию дыхания – цикл
	Матрикс	белков, РНК, митохондриальных рибосом. Здесь	Кребса, в результате
		находится собственная ДНК митохондрий	которого образуется 2
			молекулы АТФ

Главная функция митохондрии – генерация энергии клетки в виде молекул АТФ за счёт реакции окислительного фосфорилирования – клеточного дыхания. Некоторые подобные реакции идут с участием кислорода, а после других выделяется углекислый газ. И реакции эти происходят, как внутри самой митохондрии, то есть в ее матриксе, так и на кристах.

Если сказать иначе, то роль митохондрии в клетке заключается в активном участии в «клеточном дыхании», к которому относится множество химических реакций окисления органических веществ, переносов протонов водорода с последующим выделением энергии и т. д.

Помимо митохондрий в клетках растений присутствуют дополнительные полуавтономные органеллы – пластиды.

В зависимости от функционального назначения различают три вида пластид:

хромопласты – накапливают и хранят пигменты (каротины) разных оттенков, придающих окраску цветков растений;

лейкопласты – запасают питательные вещества, например, крахмал, в виде зерён и гранул;

хлоропласты – наиболее важные органеллы, содержащие зелёный пигмент (хлорофилл), придающий окраску растениям, и осуществляющие фотосинтез.

Ферменты транслоказы внутренней мембраны митохондрий осуществляют транспортировку АДФ в АТФ. На головках, что состоят из ферментов АТФазы идет синтез АТФ. АТФаза обеспечивает сопряжение фосфорилирования АДФ с реакциями дыхательной цепи. В матриксе находится большая часть ферментов цикла Кребса и окисления жирных кисло

Организация электронно-транспортной цепи

Электрон-транспортные цепи

АТФ может синтезироваться в любой точке клетки в ходе самых разнообразных реакций. Однако эффективность фосфорилирования наиболее велика при аэробном дыхании, фотосинтезе и хемосинтезе. Эта эффективность достигается с помощью упорядоченного перемещения через мембраны электронов и протонов.

Источником энергии при переносе протонов против градиента концентрации является энергия электронов - поэтому цепи переноса называются электрон-транспортными цепями. Источником энергии для электронов служит энергия света (при фотосинтезе) или энергия химических связей (в остальных случаях).

Источниками электронов (донорами электронов, или восстановителями) служат: вода (при фотосинтезе), сероводород и водород (при бактериальном фотосинтезе), органические вещества (при дыхании и некоторых видах фотосинтеза), неорганические вещества (H2S, S, Fe2+, NH3 - при хемосинтезе). В конце электрон-транспортных цепей электроны поступают на акцепторы. Окончательными акцепторами служат органические вещества (НАДФ - при фотосинтезе), неорганические вещества (NO3-, SO42-, S0, Fe3+ - при хемосинтезе), кислород (при аэробном дыхании).

Свободные протоны образуются при электролитической диссоциации воды, при фотолизе воды (при фотосинтезе), при разложении сероводорода и других веществ (при хемосинтезе и бактериальном фотосинтезе), при разложении органических веществ (при дыхании и некоторых видах фотосинтеза и хемосинтеза).

Важнейшие переносчики протонов и электронов. Атомы водорода, протоны и электроны всегда связаны с неорганическими или органическими переносчиками. Все переносчики делятся на две группы: мембранные и немембранные.

Мембранные переносчики электронов и протонов можно разделить на три большие группы: цитохромы, хиноны и прочие.

Цитохромы - это хромопротеиновые комплексы, простетической группой которых является гем - порфириновое ядро, связанное с атомом железа с переменной степенью окисления: +2 или +3. Одна молекула цитохрома способна принимать или отдавать один электрон. Большинство цитохромов - это малоподвижные молекулы, зафиксированные на одной из сторон мембраны. Хиноны (убихинон в митохондриях; пластохинон и филлохинон в хлоропластах) - это группа коферментов, в основе которых лежит низкомолекулярное органическое вещество, которое называется KoQ (коэнзим Q, или

кофермент Q). Особенностью КоQ является способность переносить до двух электронов и до двух протонов. Хиноны свободно перемещаются в толще мембраны. К прочим мембранным переносчикам электронов относятся: флавопротеины (гигантские белки мембран митохондрий), пластоцианин (белок мембран хлоропластов), ферредоксин (железосодержащий белок мембран хлоропластов) и другие.

Важнейшими немембранными переносчиками электронов и протонов являются коферменты НАД, НАДФ и ФАД. Каждый из этих переносчиков способен принимать и отдавать два электрона, а также переносить по одному протону.

Электронтранспортная цепь митохондрий.В рассмотренных реакциях цикла Кребса и при гликолизе молекулярный кислород не участвует. Потребность в кислороде возникает при окислении восстановленных переносчиков НАД-Н и ФАДН2, в которых заключена значительная энергия. Процесс высвобождения энергии, осуществляемый постепенно, заключается в передаче электронов от НАД-Н и ФАДН2 по ЭТЦ митохондрий на свободный кислород, который, таким образом, служит терминальным акцептором электронов. Таким образом, ЭТЦ митохондрий (как и тилакоидов) выполняет функцию окислительновосстановительной Н+-помпы.

ЭТЦ растений состоит из четырех мультибелковых комплексов и двух небольших компонентов - убихинона и цитохрома с, расположенных как на внутренней мембране митохондрий, так и внутри нее. Комплексы I, III и IV представляют собой пункты сопряжения транспорта электронов с фосфорилированием. Компоненты дыхательной цепи (переносчики электронов) в определенной мере мобильны, поскольку они как бы представляют собой составную часть жидкого липидного бислоя и, по данным Б. Чанса, расположены в определенном порядке.

Следовательно, ЭТЦ представляет сложное образование, состоящее из нескольких десятков белковых молекул и лежащее между метаболитами ЦТК с одной стороны и кислородом воздуха с другой. Белки выполняют в основном структурную функцию, входят в состав сопрягающего фактора, а также являются переносчиками электронов. Простетическими группами белков-переносчиков служит, как отмечалось, наряду с флавином и гемом железо, имеющее переменную валентность и, следовательно, легко переходящее из одной формы в другую. Например, в гемсодержащих цитохромах поступающие к ним по ЭТЦ электроны восстанавливают железо, переводя его из Fe3+ в Fe2+. Каждый такой переносчик находится на несколько более низком уровне восстановленности, чем его предшественник, и в соответствии с этим содержит меньше энергии. Зная окислительно-восстановительный потенциал отдельных компонентов ЭТЦ, их можно расположить в порядке его убывания - от -0,32 у дыхательного субстрата до +0,82 у кислорода.

Электроны скатываются с этой «энергетической» горки благодаря разности потенциалов не сразу, а постепенно, что позволяет, во-первых, избежать неэффективного выброса энергии и, во-вторых, связать энергию в форме химических связей АТФ, образуемых из АДФ и Рн. В этом, по существу, и заключается физиологический смысл транспорта электронов.