Добавил:
krasanya
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биохимия-экзамен-1-курс-пед
.pdf
1. Предмет и задачи биологической химии. Биохимия как молекулярный уровень изучения
структурной организации, анаболизма и катаболизма живой материи. Основные классы
биомолекул и их биологическое значение.
Биохимия - биологическая наука, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав
живых организмов, их превращения и связь этих превращений с деятельностью органов и
тканей. Наука о химическом составе живых клеток и организмов и о лежащих в основе их
жизнедеятельности химических процессах.
Главным для биохимии является выяснение функционального, то есть биологического
назначения всех химических веществ и физико-химических процессов в живом организме, а
также механизм нарушения этих функций при разных заболеваниях.
Современная биохимия решает следующие задачи:
1. Биотехнологическую, т.е. создание фармацевтических препаратов (гормонов, ферментов),
регуляторов роста растений, средств борьбы с вредителями, пищевых добавок.
2. Проводит разработку новых методов и средств диагностики и лечения наследственных
заболеваний, канцерогенеза, природы онкогенов и онкобелков.
3. Проводит разработку методов генной и клеточной инженерии для получения принципиально
новых пород животных и форм растений с более ценными признаками.
4. Изучает молекулярные основы памяти, психики, биоэнергетики, питания и целый ряд других
задач.
Биологическая химия изучает молекулярные процессы, лежащие в основе развития и
функционирования организмов. Биохимия использует методы «молекулярных» наук — химии,
физической химии, молекулярной физики, и в этом отношении биохимия сама является
молекулярной наукой.
Биомолекулы – органические соединения, входящие в состав организмов, образующие
клеточные структуры и участвующие в биохимических реакциях обмена веществ.
Основные классы биомолекул:
1. Углеводы – молекулы, состоящие из моносахаридов и их производных (дисахаридов,
гомо- и гетерополисахаридов). В животных организмах моносахариды и
гомополисахарид гликоген в основном исполняют энергетические функции, а
гетерополисахариды принимают участие в образовании мембран, гликокаликса,
соединительной ткани и т.д.
2. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) – биологические полимеры, элементарными
звеньями (мономерами) которых являются нуклеотиды. Выполняют функции хранения и
передачи наследственной информации, а также являются основой (матрицей) для
биосинтеза молекул белка.
3. Белки — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислотных
остатков, соединённых пептидной связью. Они играют важную роль в жизнедеятельности
всех организмов, выполняя многочисленные функции. Например, структурная (входят в
состав клеточных мембран), транспортная (переносят вещества из одних тканей в другие
или из межклеточного пространства в клетку (гемоглобин)), двигательная (обеспечивают
сокращение мышц, движение жгутиков), ферментативная, энергетическая.
4. Липиды – молекулы, особенностью которых является гидрофобная природа. Липиды
выступают как энергетический материал (нейтральные жиры), являются структурными
компонентами мембран (фосфолипиды, гликолипиды) и биорегуляторами (стероидные
гормоны, эйкозаноиды, жирорастворимые витамины).
2. Строение и функции нуклеиновых кислот. Первичная, вторичная (Комплементарность.
Правило Чаргаффа. Полярность. Антипараллельность.) и третичная структура (Роль
гистоновых и негистоновых белков в компактизации ДНК. Организация хроматина.
Ковалентная модификация гистонов и ее роль в регуляции структуры и активности
хроматина) ДНК. Основные отличия ДНК и РНК.
Нуклеиновые кислоты — это линейные нерегулярные полимеры.
Мономерами РНК служат рибонуклеотиды, а мономерами ДНК - дезоксирибонуклеотиды.
Каждый нуклеотид (рибонуклеотид или дезоксирибонуклеотид) состоит из трех частей:
1) остатка фосфорной кислоты,
2) пятиуглеродного моносахарида в циклической форме - D-рибозы (в случае РНК) или 2-
дезокси-D-рибозы (в случае ДНК),
3) азотистого основания.
В состав РНК входят только четыре типа рибонуклеотидов, азотистые основания которых
представлены аденином (A), урацилом (U), гуанином (G) и цитозином (C), а в состав ДНК -
дезоксирибонуклеотиды четырех видов, азотистыми основаниями которых являются аденин (A),
тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C).
Последовательно расположенные нуклеотиды в молекулах ДНК и РНК ковалентно связаны
между собой в цепь через остаток фосфорной кислоты: 5'-гидроксильная группа моносахарида
одного нуклеотида присоединена к 3'-гидроксильной группе моносахарида соседнего
нуклеотида с помощью ФОСФОДИЭФИРНОЙ СВЯЗИ.
Особенности химического строения нуклеиновых кислот обеспечивают возможность хранения,
переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых
молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этапе индивидуального
развития.
Первичная структура нуклеиновых кислот — это последовательность нуклеотидов в
молекуле ДНК или РНК.
Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили гипотетическую модель вторичной структуры ДНК на
основе логического анализа имевшихся на тот момент научных сведений (правила Чаргаффа).
Они выдвинули принцип антипараллельности, согласно которому вторичная структура
ДНК представляет собой сближенные антипараллельные полинуклеотидные цепи, закрученные
друг относительно друга и вокруг общей оси по часовой стрелке, образуя правозакрученную
спираль. Сахарофосфатный остов цепей ДНК образует внешнюю часть спирали, в то время как
азотистые основания находятся внутри и образуют пары, связанные водородными связями,
которые удерживают две цепочки ДНК вместе.
а-Спираль: Данная структура является правозакрученной спиралью, образуется при помощи
водородных связей между пептидными группами 1-го и 4-го, 4-го и 7-го, 7-го и 10-го и так далее
аминокислотных остатков.
Принцип комплементарности означает, что напротив каждого нуклеотида в одной нити всегда
находится строго определенный нуклеотид из второй нити.
Аденин комплементарен тимину, между ними 2 водородные связи. Гуанин комплементарен
цитозину, между ними 3 водородные связи.
Из правила Чаргаффа:
1. Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А=Т, Г=Ц.
2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц.
Полярность: Дело в том, что сахарофосфатный остов молекул ДНК заряжен отрицательно и
поэтому цепи ДНК двигаются от катода, заряженного отрицательно, к положительному аноду.
Антипараллельность означает, что две цепи ДНК в двойной спирали ориентированы в
противоположных направлениях: одна цепь идёт от 5' к 3', а вторая — от 3' к 5'. Эта ориентация
необходима для правильного формирования водородных связей между комплементарными
азотистыми основаниями и для всех процессов, связанных с ДНК, включая репликацию,
транскрипцию и репарацию.
Третичная структура ДНК (нуклеосомная нить) формируется в результате ее взаимодействия с
белками. Упакованная при помощи гистонов ДНК имеет вид бусин, называемых нуклеосомами.
200 пар нуклеотидов идет на одну нуклеосому, 146 пар накручиваются на гистоны, а остальные 54
висят в виде линкерных (связывающих нуклеосомы) ДНК.
Гистоны — обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они
участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных
процессов, как транскрипция, репликация и репарация. Формируют нуклеосому,
представляющую собой белковую глобулу, вокруг которой накручена нить ДНК
Негистоновые белки — одна из большой группы кислых ядерных белков эукариот.
Они выполняют различные функции: ферментативные (ДНК- и РНК-полимеразы, ДНК-
метилазы, ферменты процессинга РНК), транспортные РНК-связывающие белки), регуляторные
(факторы транскрипции) и структурные (ядерные ламины).
Посттрансляционные модификации гистонов могут определять дальнейшую судьбу клетки. В
целом, предполагается, что множественные модификации, имеющие место в определенных
местах гистонов, представляют собой код, который влияет на то, какие белки способны
взаимодействовать с комплексами гистонов и ДНК и, следовательно, какие гены
регулируются этими белками. При нарушении передачи информации гистонового кода или при
сбое в его реализации могут возникать тяжелые нарушения не только на клеточном уровне, но и
серьезные патологии на организменном уровне.
Модификации гистонов влияют на:
● Регуляцию экспрессии генов
● Поддержание структуры хроматина
● Дифференциацию клеток
● Развитие различных генетических заболеваний
● Репарацию ДНК
● Транскрипци, Репликацию
Отличия РНК и ДНК
РНК содержит рибозу, у которой есть дополнительная, по сравнению с дезоксирибозой,
гидроксильная группа. Эта группа увеличивает вероятность гидролиза молекулы, то есть
уменьшает стабильность молекулы РНК.
Нуклеотид комплементарный аденину не тимин, а урацил.
ДНК существует в форме двойной спирали, состоящей из двух отдельных молекул.
Молекулы РНК, в среднем, гораздо короче и преимущественно одноцепочечные.
Функция ДНК хранение и передача ген.информации, у РНК реализация этой
информации.
3. Репликация. Принципы репликации ДНК. Стадии репликации. Инициация. Элонгация и
терминация репликации. Ферменты. Асимметричный синтез ДНК. Фрагменты Оказаки.
Роль ДНК-лигазы в формировании непрерывной и отстающей цепи.
Репликация - процесс создания двух дочерних молекул ДНК на основе родительской молекулы в S
фазе (синтетический период)
Механизм: полуконсервативный (на каждой нити материнской ДНК синтезируется
дочерняя копия)
Принципы репликации:
Комплементарность
Антипараллельность (две цепи ДНК)
Униполярность (ДНК-полимеразы могут передвигаться вдоль матричных цепей и
считывать информацию лишь в одном направлении - от их 3'-концов к 5'-концам.
При этом синтез комплементарных нитей всегда ведется в 5'→ 3' направлении)
Потребность в затравке (РНК-праймер)
Прерывистость (фрагменты Оказаки)
Полуконсервативность (одна из цепей матричная, вторая - новая)
Стадии репликации:
Инициация (создание репликативной вилки)
Элонгация (синтез ДНК)
Терминация (выход всех ферментов, сшивание цепочек)
Инициация:
Синтез ДНК начинается в определенных участках, получивших название точка ori. Репликация
распространяется от этих участков в обе стороны по нитям ДНК с образованием репликативных
"пузырей" - репликонов. В каждом репликоне имеются две репликативные "вилки", в которых
происходит расплетание, раскручивание и непосредственный синтез ДНК. При этом репликативные
вилки удаляются друг от друга.
1. ДНК-топоизомеразы, находясь перед репликативной вилкой, разрезают молекулу ДНК для
облегчения ее расплетания и раскручивания.
2. ДНК-хеликазы, следуя за топоизомеразами, раскручивают и расплетают молекулу ДНК.
3. ДНК-связывающие белки (ДСБ) связывают расплетенные нити ДНК и стабилизируют их, не
допуская обратного "слипания" друг с другом.
Элонгация:
1. ДНК-полимераза δ (греч. дельта) осуществляет синтез ведущей цепи дочерней ДНК в
направлении 5'→3' на матрице материнской нити ДНК по направлению от ее 3'-конца к 5'-концу
2. Сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней
присоединяется другая ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5'→3' синтезирует праймер
РНК-затравку – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов.
После этого фермент удаляется с нити ДНК. Вместо ДНК-полимеразы α (или III) к 3'-концу
праймера присоединяется ДНК-полимераза ε.
3. ДНК-полимераза ε (греч. ε – эпсилон) как бы продолжает удлинять праймер, но в качестве
субстрата встраивает дезоксирибонуклеотиды (в количестве 150-200 нуклеотидов). В результате
образуется цельная нить из двух частей – РНК (т.е. праймер) и ДНК. ДНК-полимераза ε работает
до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего фрагмента Оказаки (синтезированный чуть
ранее). После этого этот фермент удаляется с цепи.
4. ДНК-полимераза β (греч. β – бета) встает вместо ДНК-полимеразы ε, движется в том же
направлении (5'→3') и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая
дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, т.е. пока
на его пути не встанет дезоксирибонуклеотид (еще более ранее синтезированный ДНК-
полимеразой ε). Связать результат свой работы и впереди стоящую ДНК фермент не в состоянии,
поэтому он сходит с цепи. В результате на матрице материнской нити «лежит» фрагмент
дочерней ДНК. Он называется фрагмент Оказаки.
5. ДНК-лигаза производит сшивку двух соседних фрагментов Оказаки, т.е. 5'-конца отрезка,
синтезированного ДНК-полимеразой ε, и 3'-конца цепи, встроенного ДНК-полимеразой β.
Терминация:
Терминация происходит, когда репликативная вилка достигает соседнего участка ДНК, на
котором также осуществлялась репликация. В результате ферменты завершают свою работу, и
образуются две молекулы ДНК, идентичные друг другу и исходной материнской молекуле.
4. Повреждения и репарация ДНК. Виды повреждений. Способы репарации. Дефекты
репарационных систем и наследственные болезни.
Репарация - функция клеток, позволяющая исправлять химические повреждения и разрывы в
молекулах ДНК, повреждённых при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате
воздействия физических или химических реагентов.
Основные типы повреждения ДНК: повреждение одиночных нуклеотидов, повреждение пары
нуклеотидов, двухцепочечные и одноцепочечные разрывы цепи ДНК, образование поперечных
сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК.
Типы репараций:
Прямая репарация. Это наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором
обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро устранять соответствующее
повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. Обычно такая репарация
направлена на устранение повреждений, не требующее вырезание цепи. Например, на
отщепление модифицирующих групп. Так действует, например, O6-метилгуанин-ДНК-
метилтрансфераза, которая удаляет метильную группу с азотистого основания на один из
собственных остатков цистеина.
Эксцизионная репарация. От англ. excision – вырезание. Включает удаление повреждённых
азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы
по комплементарной цепи. Ферментативная система удаляет короткую однонитевую
последовательность двунитевой ДНК, содержащей ошибочно спаренные или поврежденные
основания, и замещает их путём синтеза последовательности, комплементарной оставшейся нити.
Эксцизионная репарация является наиболее распространённым способом репарации
модифицированных оснований ДНК. Она базируется на распознавании модифицированного
основания различными гликозилазами, расщепляющими N-гликозидную связь этого основания с
сахарофосфатным остовом молекулы ДНК. При этом существуют гликозилазы, специфически
распознающие присутствие в ДНК определенных модифицированных оснований. Другой тип
эксцизионной репарации – эксцизионная репарация нуклеотидов, предназначенная для более
крупных повреждений, таких как образование пиримидиновых димеров.
Пострепликативная репарация. Tип репарации, имеющей место в тех случаях, когда процесс
эксцизионной репарации недостаточен для полного исправления повреждения: после репликации
с образованием ДНК, содержащей повреждённые участки, образуются одноцепочечные бреши,
заполняемые в процессе гомологичной рекомбинации при помощи специального белка (RecA).
Пострепликативная репарация была открыта в клетках E. coli, не способных выщеплять
тиминовые димеры. Это единственный тип репарации, не имеющий этапа узнавания
повреждения.
Mismatch представляет собой систему обнаружения и репарации вставок, пропусков и
ошибочных спариваний нуклеотидов. Суть этого процесса заключается в распознавании дефекта,
определении исходной и дочерней нити ДНК, удалении ошибочно включённого нуклеотида и его
замена правильным нуклеотидом. Удаляется обычно не только неправильный нуклеотид, но и
часть нити ДНК вокруг него, после чего дочерняя нить восстанавливается, используя основную
нить как матрицу.
SOS-репарация активируется в ответ на повреждения ДНК, вызванные УФ-излучением или
действием химических агентов, а также при подавлении репликации и под действием некоторых
лекарств. SOS-ответ заключается в усилении работы путей репарации при помощи индукции
экспрессии белков, задействованных в эксцизионной репарации или рекомбинационной
репарации (например, белка RecA, упоминаемого в пострепликативной репарации).
Дефекты репарационных систем и наследственные болезни:
Пигментная ксеродерма
У больных в системе репарации снижена активность ферментов, ответственных за удаление
неправильных оснований, "застройку" бреши и другие функции. Дефект репарационной системы
проявляется в сверхчувствительности к УФ-свету, что приводит к появлению красных пятен на
коже, переходящих в незаживающие коросты и нередко в рак кожи.
Трихотиодистрофия
Заболевание связано с повышенной фоточувствительностью ДНК, вызванной снижением
активности фермента, участвующего в удалении димеров тимина. Симптомы заболевания:
ломкость волос вследствие нехватки серы в белках волос и их луковиц; часто умственная д
физическая отсталость; аномалии кожи и зубов.
5. Транскрипция. Характеристика компонентов системы синтеза РНК. Инициация
процесса. Элонгация, терминация транскрипции. Посттранскрипционные модификации
РНК.
Транскрипция - биосинтез РНК на матрице ДНК.
Биосинтез РНК происходит в участке ДНК, который называется транскриптон, с одного края он
ограничен промотором (начало), с другого – терминатором (конец).
Выделяют три стадии транскрипции:
1. Инициация
2. Элонгация
3. Терминация
Инициация
Промотор содержит стартовый сигнал транскрипции – ТАТА-бокс (определенная
последовательность нуклеотидов ДНК, связывающая первый фактор инициации ТАТА-фактор).
ТАТА-фактор обеспечивает присоединение РНК-полимеразы к той нити ДНК, которая будет
использоваться в качестве шаблона для транскрипции (матричная нить ДНК). Так как промотор
ассиметричен ("ТАТА"), то он связывает РНК-полимеразу только в одной ориентации, что
определяет направление транскрипции от 5'-конца к 3'-концу (5'→3').
Другие факторы инициации раскручивают спираль ДНК перед РНК-полимеразой.
Элонгация
Белковые факторы элонгации обеспечивают продвижение РНК-полимеразы вдоль ДНК и
расплетают молекулу ДНК на протяжении примерно 17 нуклеотидных пар. РНК-полимераза
продвигается со скоростью 40-50 нуклеотидов в секунду в направлении 5'→3'. Фермент
использует АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ одновременно в качестве субстрата и в качестве источника
энергии.
Терминация
РНК-полимераза остановится, когда достигнет терминирующих кодонов. С помощью белкового
фактора терминации, так называемого ρ-фактора (греч. ρ – "ро"), от матрицы ДНК отделяются
фермент и синтезированная молекула РНК, которая является первичным транскриптом,
предшественником мРНК или тРНК или рРНК.
Процессинг предшественника матричной РНК
Незрелая РНК включают в себя информативные (экзоны) и неинформативные (интроны)
участки.
1. Сплайсинг – особый процесс, в котором при участии малых ядерных РНК происходит
удаление интронов и сохранение экзонов.
2. Кэпирование – происходит еще во время транскрипции. Процесс состоит в присоединении к
5'-трифосфату концевого нуклеотида пре-мРНК 5'-углерода N7-метил-гуанозина.