Биохимия.ру полный курс лекций

Лекарственная регуляция

Ингибирование

1.Гетероциклические соединения доксорубицин, дауномицин и актиномицин D об-

ладают способностью интеркалировать (встраиваться между нитей молекулы ДНК) между двумя соседними парами оснований Г-Ц. В результате возникает препятствие для движения РНК-полимеразы ("заедание молнии") и остановка транскрипции.

2.Рифампицин связывается с -субъединицей РНК-полимеразы прокариот и ингибирует ее. Благодаря такой избирательности действия рифампицин действует только на бактерии и является препаратом для лечения туберкулеза.

3.-Аманитин, октапептид бледной поганки (Amanita phalloides) блокирует РНК-полимеразу II эукариот и предотвращает продукцию мРНК.

Активация

Активация транскрипции используется в клинике намного реже и заключается в применении аналогов стероидных гормонов для достижения анаболического эффекта в органемишени (см "Гормоны"/"Механизм действия стероидных гормонов").

Г Е Н Е Т И Ч Е С К И Й К О Д

Генетический (биологический) код – это способ перевода четырехзначного (А, Г, У, Ц) языка нуклеотидов в двадцатизначный язык аминокислотной последовательности.

Свойства биологического кода

Триплетность – три нуклеотида формируют кодон, кодирующий аминокислоту. Всего насчитывают 61 смысловой кодон.

Специфичность (или однозначность) – каждому кодону соответствует только одна аминокислота.

Вырожденность – одной аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. Универсальность – биологический код одинаков для всех видов организмов на Земле

(однако в митохондриях млекопитающих есть исключения).

Колинеарность – последовательность кодонов соответствует последовательности аминокислот в кодируемом белке.

Неперекрываемость – триплеты не накладываются друг на друга, располагаясь рядом. Отсутствие знаков препинания – между триплетами нет дополнительных нуклеоти-

дов или каких-либо иных сигналов.

Однонаправленность – при синтезе белка считывание кодонов идет последовательно, без пропусков или возвратов назад.

АД АП Т О Р Н АЯ Р О Л Ь ТР АН С П О Р Т Н Ы Х Р Н К

Транспортные РНК являются единственным посредником между 4-х буквенной последовательностью нуклеиновых кислот и 20-ти буквенной последовательностью белков. Именно от наличия того или иного антикодона в тРНК зависит, какая аминокислота включится в белковую молекулу, т.к. ни рибосома, ни мРНК не узнают аминокислоту. Таким образом, адапторная роль тРНК заключается: 1) в специфичном связывании с аминокислотами, 2) во включении аминокислот в белковую цепь в соответствии с матрицей мРНК.

Избирательное присоединение аминокислоты к тРНК осуществляется ферментом ами- ноацил-тРНК-синтетазой, имеющей специфичность одновременно к двум соединениям: какой-либо аминокислоте и соответствующей ей тРНК. Для реакции требуется две макроэргические связи АТФ. Аминокислота присоединяется к 3'-концу акцепторной петли тРНК че-

рез -карбоксильную группу, и связь между аминокислотой и тРНК становится макроэргической. -Аминогруппа остается свободной.

Так как существует около 60 различных тРНК, то некоторым аминокислотам соответствует по две или более тРНК. Различные тРНК, присоединяющие одну аминокислоту, назы-

вают изоакцепторными.

Т Р АН С Л Я Ц И Я

Трансляция (англ. translation – перевод) – это биосинтез белка на матрице мРНК. После переноса информации с ДНК на матричную РНК начинается синтез белков.

Каждая зрелая мРНК несет информацию только об одной полипептидной цепи. Если клетке необходимы другие белки, то необходимо транскрибировать мРНК с иных участков ДНК.

Биосинтез белков или трансляция происходит на рибосомах, внутриклеточных белоксинтезирующих органеллах, и включает 5 ключевых элементов:

o матрица – матричная РНК,

o растущая цепь – полипептид,

o субстрат для синтеза – 20 протеиногенных аминокислот, o источник энергии – ГТФ,

o рибосомальные белки, рРНК и белковые факторы.

Выделяют три основных стадии трансляции: инициация, элонгация, терминация.

ИНИЦИАЦИЯ

Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, три белковых фактора инициации (ИФ-1, ИФ-2, ИФ-3), метионин и тРНК для метионина.

В начале этой стадии формируются два тройных комплекса: o первый комплекс – мРНК + малая субъединица + ИФ-3, o второй комплекс – метионил-тРНК + ИФ-2 + ГТФ.

После формирования тройные комплексы объединяются с большой субъединицей рибосомы. В этом процессе активно участвуют белковые факторы инициации, источником энергии служит ГТФ. После сборки комплекса инициирующая метионил-тРНК связывается с первым кодоном АУГ матричной РНК и располагается в П-центре (пептидильный центр) большой субъединицы. А-центр (аминоацильный центр) остается свободным, он будет задействован на стадии элонгации для связывания аминоацил-тРНК.

После присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации.

ЭЛОНГАЦИЯ

Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот, белковые факторы элонгации, ГТФ. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 аминокислот в секунду.

Элонгация представляет собой циклический процесс. Второй цикл (и следующие циклы) элонгации включает три шага:

1. Присоединение аминоацил-тРНК (еще второй) к кодону мРНК (еще второму), аминокислота при этом встраивается в А-центр рибосомы. Источником энергии служит ГТФ.

2.Фермент пептидилтрансфераза осуществляет перенос метионина с метионил-тРНК (из П-центра) на вторую аминоацил-тРНК (в А-центре) с образованием пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. При этом уже активированная

СООН-группа метионина связывается со свободной NH2-группой второй аминокислоты. Здесь источником энергии служит макроэргическая связь между аминокислотой и тРНК.

3.Фермент транслоказа перемещает мРНК относительно рибосомы таким образом, что первый кодон АУГ оказывается вне рибосомы, второй кодон становится напротив П-центра, напротив А-центра оказывается третий кодон. Для этих процессов необходима затрата энергии ГТФ. Так как вместе с мРНК перемещаются закрепленные на ней тРНК, то инициирующая первая тРНК выходит из рибосомы, вторая тРНК с дипептидом помещается в П-центр.

4.Второе повторение цикла – начинается с присоединения третьей аминоацил-тРНК к третьему кодону мРНК, аминокислота-3 становится в А-центр. Далее трансферазная реакции повторяется и образуется трипептид, занимающий А-центр, после чего он смещается в П-центр в транслоказной реакции..

5.В пустой А-центр входит четвертая аминоацил-тРНК и все повторяется.

Цикл элонгации (реакции 1,2,3) повторяется столько раз, сколько аминокислот необходимо включить в полипептидную цепь.

ТЕРМИНАЦИЯ

Синтез белка продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет на мРНК особых терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА, УАГ, УГА. Данные триплеты не кодируют ни одной из аминокислот, их также называют нонсенс-кодоны. При вхождении этих кодонов внутрь рибосомы происходит активация белковых факторов терминации, которые последовательно катализируют:

1.Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК.

2.Отделение от П-центра последней, уже пустой, тРНК.

3.Диссоциацию рибосомы.

Источником энергии для завершения трансляции является ГТФ.

П О Л И Р И Б О С О М Ы

По причине того, что продолжительность жизни матричной РНК невелика, перед клеткой стоит задача использовать ее максимально эффективно, т.е. получить максимальное количество "белковых копий". Для достижения этой цели на каждой мРНК может располагаться не одна, а несколько рибосом, встающих последовательно друг за другом и синтезирующих пептидные цепи. Такие образования называются полирибосомы.

ПО С Т Т Р А Н С Л Я Ц И О Н Н А Я М О Д И Ф И К А Ц И Я

БЕ Л К О В

Чаще всего в результате трансляции полипептидные цепи образуются в неактивной форме, поэтому необходимы дополнительные изменения – процессинг.

Креакциям процессинга относятся:

1.Удаление с N-конца метионина или даже нескольких аминокислот специфичными аминопептидазами.

2.Образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина.

3.Частичный протеолиз – удаление части пептидной цепи, как в случае с инсулином или протеолитическими ферментами ЖКТ.

4.Присоединение химической группы к аминокислотным остаткам белковой цепи:

o фосфорной кислоты – например, фосфорилирование по Сер, Тре, Тир используется при регуляции активности ферментов или для связывания ионов кальция,

o карбоксильной группы – например, при участии витамина К происходит-карбоксилирование глутамата в составе протромбина, проконвертина, фактора Стюарта, Кристмаса, что позволяет связывать ионы кальция при инициации свертывания крови,

o метильной группы – например, метилирование аргинина и лизина в составе гистонов используется для регуляции активности генома,

o гидроксильной группы – например, образование гидроксипролина и гидроксилизина необходимо для созревания молекул коллагена при участии витамина С,

o йода – например, в тиреоглобулине присоединение йода необходимо для образования предшественников тиреоидных гормонов йодтиронинов,

5. Включение простетической группы:

o углеводных остатков – например, гликирование требуется при синтезе гликопротеинов.

o гема – например, при синтезе гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы,

oвитаминных коферментов – биотина, ФАД, пиридоксальфосфата и т.п.

6.Объединение протомеров в единый олигомерный белок, например, гемоглобин, лактатдегидрогеназа, креатинкиназа.

Ф О Л Д И Н Г Б Е Л К О В

Фолдинг – это процесс укладки вытянутой полипептидной цепи в правильную трехмерную пространственную структуру. Для обеспечения фолдинга используется группа вспомогательных белков под названием шапероны (chaperon, франц. – спутник, нянька). Они предотвращают взаимодействие новосинтезированных белков друг с другом, изолируют гидрофобные участки белков от цитоплазмы и "убирают" их внутрь молекулы, правильно располагают белковые домены. В целом шапероны способствуют переходу структуры белков от первичного уровня до третичного и четвертичного.

При нарушении функции шаперонов и отсутствии фолдинга в клетке формируются белковые отложения – развивается амилоидоз. Насчитывают около 15 вариантов амилоидоза.

ЛЕ К А Р С Т В Е Н Н А Я Р Е Г У Л Я Ц И Я Т Р А Н С Л Я Ц И И

1.Инактивация факторов инициации

oинтерферон активирует внутриклеточные протеинкиназы, которые, в свою очередь, фосфорилируют белковый фактор инициации ИФ-2 и подавляют его активность.

2.Нарушение кодон-антикодонового взаимодействия

oстрептомицин присоединяется к малой субъединице и вызывает ошибку считывания первого основания кодона.

3.Блокада стадии элонгации

oтетрациклины блокируют А-центр рибосомы и лишают ее способности связываться

с аминоацил-тРНК,

o левомицетин связывается с 50S-частицей рибосомы и ингибирует пептидилтрансферазу,

o эритромицин связывается с 50S-частицей рибосомы и ингибирует транслоказу,

o пуромицин по структуре схож с тирозил-тРНК, входит в А-центр рибосомы и участвует в пептидилтрансферазной реакции, образуя связь с имеющимся пептидом. После этого комплекс пуромицин-пептид отделяется от рибосомы, что останавливает синтез белка.

ГЕ Н О Т И П И ЧЕ С К АЯ Г Е Т Е Р О Г Е Н Н О С Т Ь

Врезультате того, что каждый ген у человека имеется в двух копиях (аллелях) и может подвергаться мутациям (замена, делеция, вставка) и рекомбинациям, серьезно не затрагивающим функцию кодируемого белка, то возникает полиморфизм генов, и, соответственно, полиморфизм белков. Возникают целые семейства родственных белков, обладающих схожими, но неодинаковыми свойствами и функцией.

Например, существует около 300 разных типов гемоглобина, часть из них является необходимой на разных этапах онтогенеза: например, HbE – эмбриональный, образуется в первые месяцы развития, HbF – фетальный, необходим на более поздних сроках развития плода, HbA и HbA2 – гемоглобин взрослых. Разнообразие обеспечивается полиморфизмом глобино-

вых цепей: в гемоглобине E присутствуют 2 и 2 цепи, в HbF – 2 - и 2 - цепи, в HbА – 2 -

и 2 -цепи, в HbА2 – 2 - и 2 -цепи.

Группы крови АВ0 зависят от строения особого углевода на мембране эритроцитов. Лица с группой крови А0 на эритроците имеют олигосахарид с присоединенным к нему N-ацетилгалактозамином, с группой крови В0 – олигосахарид с галактозой, 00 – имеют только "чистый" олигосахарид, с группой крови АВ – олигосахарид и с N-ацетилгалактозамином, и с галактозой. Такие различия обусловлены разной специфичностью и активностью фермента гликозил-трансферазы, способного модифицировать исходный олигосахарид.

Белки главного комплекса гистосовместимости обеспечивают трансплантационную несовместимость тканей. Они обладают чрезвычайно высоким полиморфизмом, в целом насчитывают несколько миллионов аллелей этих белков. Благодаря такому разнообразию каждый человек обладает практически уникальным набором аллелей.

СТРОЕНИЕ И ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Углеводы являются наиболее распространенным классом органических соединений природы.

Ф У Н К Ц И И У Г Л Е В О Д О В

o Энергетическая – преимущество углеводов состоит в их способности окисляться как в аэробных, так и в анаэробных условиях (глюкоза),

o Защитно-механическая – основное вещество трущихся поверхностей суставов, находятся в сосудах и слизистых оболочках (гиалуроновая кислота и другие гликозаминогликаны),

o Опорно-структурная – целлюлоза в растениях, гликозаминогликаны в составе протеогликанов, например, хондроитинсульфат в соединительной ткани,

o Гидроосмотическая и ионрегулирующая – гетерополисахариды обладают высокой гидрофильностью, отрицательным зарядом и, таким образом, удерживают Н2О, ионы Са2+, Mg2+, Na+ в межклеточном веществе, обеспечивают тургор кожи, упругость тканей,

o Кофакторная – гепарин является кофактором липопротеинлипазы плазмы крови и ферментов свертывания крови (инактивирует тромбокиназу).

К Л АС С И Ф И К АЦ И Я

Согласно современной классификации углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды подразделяются на альдозы и кетозы в зависимости от наличия альдегидной или кетогруппы. Альдозы и кетозы, в свою очередь, разделяются в соответствии с числом атомов углерода в молекуле: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.

Олигосахариды делятся по числу моносахаридов в молекуле: дисахариды, трисахариды

и т.д.

Полисахариды подразделяют на гомополисахариды, т.е. состоящие из одинаковых моносахаров, и гетерополисахариды, состоящие из различных моносахаров.

М О Н О С А Х А Р И Д Ы

Моносахариды – это углеводы, которые не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов. В свою очередь они подразделяются:

o на стереоизомеры по конформации асимметричных атомов углерода – например, L- и D-формы,

o в зависимости от расположения НО-группы первого атома углерода – - и -формы, o в зависимости от числа содержащихся в их молекуле атомов углерода – триозы, тет-

розы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы,

o в зависимости от присутствия альдегидной или кетоновой группы – кетозы и альдозы.

Триозы

Тетрозы

Пентозы