33 Вопрос

Биосинтез белков. Активация аминокислот, субстратная специфичность аминоацил-т-РНК-синтетаз, адапторная функция т-РНК. Трансляция, этапы (инициация, элонгация, терминация, трансляция). Энергетические источники.

Трансляция - перевод информации, заключённой в полинуклеотидной последовательности мРНК, в аминокислотную последовательность белка требует определённого способа кодирования или шифрования, т.е. существования определённого закона, по которому чередование четырёх нуклеотидов в мРНК задаёт специфическую последовательность аминокислот в белке.

Аминоацил-тРНК синтетазы (аминоацил-тРНК лигазы)

В цитозоле клеток 20 различных аминокислот присоединяются α-карбоксильной группой к 3'-гидроксильному акцепторному концу соответствующих тРНК с образованием сложноэфирной связи. Эти реакции катализирует семейство ферментов, носящее название аминоацил-тРНК синтетаз (аа-тРНК-синтетаз). Каждый член этого семейства узнаёт только одну определённую аминокислоту и те тРНК, которые способны связываться с этой аминокислотой. Из этого следует, что в группу тРНК синтетаз входит 20 различных ферментов. Они осуществляют активацию аминокислот в 2 стадии: на первой стадии аминокислота присоединяется к ферменту и реагирует с АТФ с образованием богатого энергией промежуточного соединения - аминоацил-АМФ. На второй стадии аминоацильный остаток аминоациладенилата, оставаясь связанным с ферментом, взаимодействует с молекулой соответствующей тРНК с образованием аминоацил-тРНК.

Суммарную реакцию, катализируемую аминоацил-тРНК синтетазами в присутствии ионов Mg²⁺, можно представить следующим образом:

Аминокислота +тРНК + АТФ -" аминоацил - тРНК + АМФ + PP_i.

Энергия, заключённая в макроэргической сложноэфирной связи аминоацил-тРНК, впоследствии используется на образование пептидной связи в ходе синтеза белка.

Пирофосфат, выделяющийся в ходе этой реакции, гидролитически расщепляется с образованием двух молекул ортофосфата и выделением энергии, что делает реакцию активации аминокислот необратимой.

Чрезвычайно высокая специфичность аа-тРНК синтетаз в связывании аминокислоты с соответствующими тРНК лежит в основе точности трансляции генетической информации. В активном центре этих ферментов есть 4 специфических участка для узнавания: аминокислоты, тРНК, АТФ и четвёртый - для присоединения молекулы Н₂О, которая участвует в гидролизе неправильных аминоациладенилатов. За счёт существования в активном центре этих ферментов корректирующего механизма, обеспечивающего немедленное удаление ошибочно присоединённого аминокислотного остатка, достигается поразительно высокая точность работы: на 1300 связанных с тРНК аминокислот встречается только одна ошибка.

Аминокислота, присоединяясь к тРНК, в дальнейшем не определяет специфических свойств аа-тРНК, так как её структуру не узнаёт ни рибосома, ни мРНК. Участие в синтезе белка зависит только от структуры тРНК, а точнее, от комплементарного взаимодействия антикодона аминоацил-тРНК с кодоном мРНК.

тРНК. У человека около 50 различных тРНК обеспечивают включение аминокислот в белок. тРНК называют " адапторные молекулы", так как к акцепторному концу этих молекул может быть присоединена определённая аминокислота, а с помощью антикодона они узнают специфический кодон на мРНК. В процессе синтеза белка на рибосоме связывание антикодонов тРНК с кодонами мРНК происходит по принципу комплементарности и антипараллельности. Однако оказалось, что число тРНК для каждой аминокислоты не совпадает с числом кодирующих её кодонов в мРНК, и, следовательно, некоторые тРНК способны связываться больше чем с одним кодоном.

И Н И Ц И А Ц И Я

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: первый – мРНК, малая субъединица, ИФ-3; второй – мет-тРНК, ИФ-2, ГТФ. После их объединения и присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации. 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.

Э Л О Н Г А Ц И Я

Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот, белковые факторы элонгации, ГТФ. Элонгация представляет собой циклический процесс, повторяющийся столько раз, сколько аминокислот необходимо включить в полипептидную цепь. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 аминокислот в секунду. Элонгация представляет собой циклический процесс. Первый цикл (и следующие циклы) элонгации включает три шага:

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

Фермент пептидилтрансфераза осуществляет перенос метионина с метионил-тРНК (в П-центре) 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.

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.

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.

В пустой А-центр входит четвертая аминоацил-тРНК и начинается третий цикл элонгации. Цикл элонгации (реакции 1,2,3) повторяется столько раз, сколько аминокислот необходимо включить в полипептидную цепь.

Т Е Р М И Н А Ц И Я

Синтез белка будет продолжаться 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.

Кроме стоп-кодонов для окончания синтеза белка требуются ГТФ и белковые факторы терминации, которые последовательно катализируют

1. Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК

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

3. Диссоциацию рибосомы.

34 вопрос

Посттрансляционное созревание молекулы белков. Процесс фолдинга. Ферменты фолдинга, шапероны, белки теплового шока. Прионы и прионовые заболевания.

При посттрансляционном созревании у многих белковудаляются части пептидной цепи или присоединяются дополнительные группы, напримеролигосахаридыилилипиды. Эти процессы происходят в эндоплазматическом ретикулуме и в аппарате Гольджи. Наконец,белкидолжны транспортироваться в соответствующуютканьили орган. Происходит фолдинг полипептидных цепей и формирование уникальной 3 и 4 структуры белка.

Процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную пространственную структуру получил название "фолдинг белков"

В процессе синтеза полипептидных цепей, транспорта их через мембраны, при сборке олигомерных белков возникают промежуточные нестабильные конформации, склонные к агрегации. На вновь синтезированном полипептиде имеется множество гидрофобных радикалов, которые в трёхмерной структуре спрятаны внутри молекулы. Поэтому на время формирования нативной конформации реакционно-способные аминокислотные остатки одних белков должны быть отделены от таких же групп других белков.

Во всех известных организмах от прокариотов до высших эукариотов обнаружены белки, способные связываться с белками, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии. Они способны стабилизировать их конформацию, обеспечивая фолдинг белков. Эти белки получили название "шапероны".

Классификации шаперонов (Ш)

В соответствии с молекулярной массой все шапероны можно разделить на 6 основных групп:

высокомолекулярные, с молекулярной массой от 100 до 110 кД;

Ш-90 - с молекулярной массой от 83 до 90 кД;

Ш-70 - с молекулярной массой от 66 до 78 кД;

Ш-60;

Ш-40;

низкомолекулярные шапероны с молекулярной массой от 15 до 30 кД.

Среди шаперонов различают: конститутивные белки (высокий базальный синтез которых не зависит от стрессовых воздействий на клетки организма), и индуцибельные, синтез которых в нормальных условиях идёт слабо, но при стрессовых воздействиях на клетку резко увеличивается. Индуцибельные шапероны относят к "белкам теплового шока", быстрый синтез которых отмечают практически во всех клетках, которые подвергаются любым стрессовым воздействиям. Название "белки теплового шока" возникло в результате того, что впервые эти белки были обнаружены в клетках, которые подвергались воздействию высокой температуры.

Ферменты фолдинга

1. Протеиндисульфидизомераза катализирует перемещение в белках дисульфидных связей

2. Пептидилпролилизомераза катализирует переход радикалов в области пептидной связи пролина из транс-конфигурации в цис-конфигурацию и обратно

Прионовые болезни

Прионы - особый класс белков, обладающих инфекционными свойствами. Попадая в организм человека или спонтанно возникая в нём, они способны вызывать тяжёлые неизлечимые заболевания ЦНС, называемые прионовыми болезнями.

Прионовый белок кодируется тем же тленом, что и его нормальный аналог, т.е. они имеют идентичную первичную структуру. Однако два белка обладают различной конформацией: прионовый белок характеризуется высоким содержанием β-слоёв, в то время как нормальный белок имеет много α-спиральных участков. Кроме того, прионовый белок обладает устойчивостью к действию протеаз и, попадая в ткань мозга или образуясь там спонтанно, способствует превращению нормального белка в прионовый в результате межбелковых взаимодействий. Образуется так называемое "ядро полимеризации", состоящее из агрегированных прионовых белков, к которому способны присоединяться новые молекулы нормального белка. В результате в их пространственной структуре происходят конформационные перестройки, характерные для прионовых белков.

Известны случаи наследственных форм прионовых болезней, вызванных мутациями в структуре данного белка. Однако возможно и заражение человека прионовыми белками, в результате чего возникает заболевание, приводящее к гибели больного. Так, куру - прионовая болезнь аборигенов Новой Гвинеи, эпидемический характер которой связан с традиционным каннибализмом в этих племенах и передачей инфекционного белка от одной особи к другой. В связи с изменением образа их жизни данное заболевание практически исчезло.

прионные инфекции человека, связанные с поражением головного мозга:

• болезнь Крейтцфельдта — Якоба

• фатальная семейная бессонница

• болезнь Куру связана с ритуальным каннибализмом

• синдром Герстманна — Штройслера — Шейнкера

35 вопрос

Концепция один ген - один белок. Основной постулат молекулярной биологии. Генетический код, его важнейшие свойства. Механизмы мутации, типы. Мутагенные факторы. Разновидности точечных мутаций. Молекулярные механизмы возникновения наследственных болезней: серповидно-клеточной анемии, врожденная непереносимости сахарозы, гликогенозы и др.

-теория (гипотеза) “один ген - один полипептид (белок)”.

Концепция, возникшая на базе теории “один ген - один фермент”, предполагающая, что каждый ген можеткодировать только одну полипептидную цепь, которая, в свою очередь, может входить как субъединица вболее сложный белковый комплекс; теория выдвинута Г.Бидлом и Э.Татумом в 1941 на основании генетико-биохимического анализа нейроспоры, они обнаружили выключение в экспериментальных условиях поддействием различных мутаций каждый раз только одной какой-либо цепи биохимических реакций (в 1958Г.Бидл и Э.Татум были удостоены за эти работы Нобелевской премии);  Основной постулат молекулярной биологии. В подавляющем большинстве случаев передача наследственной информации от материнской клетки к дочерней осуществляется при помощи ДНК (репликация). Для использования генет. Инф. Самой клеткой необходимы РНК, образуемые на матрице ДНК (транскрипция). Далее РНК непосредственно участвует на всех этапах синтеза белковых молекул (трансляция), обеспечивающих стр-ру и деятельность клетки.

Центральная догма молекулярной биологии, согласно котор. Перенос генетической инф. Осущ. Только от нуклеиновой кислоты ( ДНК и РНК). Получателем инф. Может быть другая нукл. Кислота. (ДНК или РНК) и белок. Генетический код – система записи генетической информации в ДНК (РНК) в виде определенной последовательности нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов определяет последовательность включения АК в синтезируемый белок. 3 нуклеотида – триплет – кодон – кодируют 1 АК. Совокупность триплетов и составляет генетический код.

Генетический код и его свойства

способ кодированияаминокислотнойпоследовательностибелковпри помощи последовательностинуклеотидов.

Генетический код позволяет шифровать аминокислоты, входя­щие в состав белков, с помощью определённой последовательности нуклеотидов в ДНК и мРНК. Для него характерны определённые свойства:

Триплетность. значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов(триплет, иликодон). Специфичность. Каждому кодону соответствует только одна аминокислота.

Вырожденность. В мРНК и ДНК имеет смысл 61 триплет, каж­дый из которых кодирует включение в белок одной из 20 аминокислот.

Линейность. В ходе трансляции кодоны мРНК «читают­ся» с фиксированной стартовой точки последо­вательно и не перекрываются. В записи инфор­мации отсутствуют сигналы, указывающие на конец одного кодона и начало следующего.

Универсальность. код универсален, т.е. смысл кодовых слов одинаков для всех изученных организмов.

Таблица 4-7. Классификация мутаций

Тип мутаций	Характер мутационных изменений	Примеры последствий
Геномный	Изменение числа хромосом	Болезнь Дауна (появление дополнительной хромосомы 21)
Хромосомные	Общее число хромосом не меняется. Наблюдают перестройки хромосом, обычно видимые при микроскопическом исследовании.	Мышечная дистрофия Дюшенна (делеции Х-хромосомы)
Генные	Изменения затрагивают один кодон или небольшой отрезок гена и не обнаруживаются цитогенетически	Серповидно-клеточная анемия, вызванная заменой одного нуклеотида в гене β-цепи глобина

 Основные виды генных ( точечных) мутаций

Виды мутаций	Изменения в структуре ДНК	Изменения в структуре белка
ЗАМЕНА
Без изменения смысла кодона	Замена одного нуклеотида в кодоне	Белок не изменён
С изменением смысла кодона (миссенс-мутация)		Происходит замена одной аминокислоты на другую
С образованием терминирующего кодона (нонсенс-мутация)		Синтез пептидной цепи прерывается, и образуется укороченный продукт
ВСТАВКА
Без сдвига «рамки считывания»	Вставка фрагмента ДНК из 3 нуклеотидов или с числом нуклеотидов, кратным 3	Происходит удлинение полипептидной цепи на одну или несколько аминокислот
Со сдвигом «рамки считывания»	Вставка одного или нескольких нуклеотидов, не кратных 3	Синтезируется пептид со «случайной» последовательностью аминокислот, так как изменяется смысл всех кодонов, следующих за местом мутации
ДЕЛЕЦИЯ
Без сдвига «рамки считывания»	Выпадение фрагмента ДНК из 3 нуклеотидов или с числом нуклеотидов, кратным 3	Происходит укорочение белка на одну или несколько аминокислбт
Со сдвигом «рамки считывания»	Выпадение одного или нескольких нуклеотидов, не кратных 3	Синтезируется пептид со «случайной» последовательностью аминокислот, так как изменяется смысл всех кодонов, следующих за местом мутации

К мутагенным факторам относят некоторые физические воздействия на организм.

ионизирующее излучение — электромагнитные волны с маленькой длиной волны, но с очень высокой энергией квантов. Такие кванты проникают в ткани организма, повреждая различные молекулы, и, в частности, молекулы ДНК.

Ультрафиолетовое излучение также относится к коротковолновым, но его кванты не проникают глубоко и разрушают только поверхностные слои тканей. Вот почему светлокожим людям нельзя долго находиться летом на солнце — это приводит к увеличению риска возникновения рака и некоторых других заболеваний.

повышенная температура. Например, при выращивании мушек-дрозофил при температуре на 10 °С выше обычной число мутаций увеличивается втрое.

соединения из многих классов химических веществ. Например, мутации вызывают соли свинца и ртути, формалин, хлороформ, препараты для борьбы с сельскохозяйственными вредителями. Некоторые красители из класса акридинов приводят к делециям и транслокациям в процессе репликации ДНК.

вирусы. Размножаясь в клетках хозяина, вирусные частицы встраивают «хозяйские» гены в свою ДНК, а при заражении следующей клетки вносят в нее чужеродные гены.

Серповидноклеточная анемия — это наследственная гемоглобинопатия, связанная с таким нарушением строениябелкагемоглобина, при котором он приобретает особое кристаллическое строение — так называемыйгемоглобин S.Эритроциты, несущие гемоглобин S вместо нормальногогемоглобина А, под микроскопом имеют характерную серпообразную форму (форму серпа), за что эта форма гемоглобинопатии и получила название серповидноклеточной анемии. Заболевание связано с мутацией гена HBB, вследствие чего синтезируется аномальный гемоглобин S, в молекуле которого вместо глутаминовой кислоты в b-цепи находится валин. В условия гипоксии гемоглобин S полимеризуется и выпадает во внутриклеточный осадок в виде "серпа" эритроцита. Врожденная непереносимость сахарозы. Этиология и патогенез. Наследственная болезнь. Встречается чаще врожденной непереносимости лактозы. Наследуете по аутосомно-рецессивному типу. Заболевание связано с дефектом фермента сахаразы (инвертазы) в слизистой оболочке толстой кишки, вследствие чего нарушаете» пристеночное расщепление сахарозы на глюкозу и фруктозу. Гликогеноз (гликогеновая болезнь) Этиология и патогенез. Наследственная болезнь. Наследуется по рецессивному типу. В результате недостаточности ферментов происходит накопление гликогена в тканях, наиболее интенсивно в печени, скелетных и сердечной мышцах.

Наиболее изучены 6 типов:

I тип (гепатонефромегалический гликогеноз, болезнь Гирке) проявляется гепатомегалией, отставанием роста, гипогликемией и гиперлипидемией. Наследственны дефект глюкозо- 6 – фосфотазы- фермент, обеспечивающий выход глюкозы кровоток после ее высвобождения из гликогена клеток печени.

При II типе (болезнь Помпе, генерализованный гликогеноз) гликогеноза гликоген откладывается в основном в мышцах и миокарде. В клинической картине преобладает сердечная и нервно-мышечная симптоматика..

III тип (лимитдекстриноз) имеет варианты А, В, С. Клинические проявления при этой форме очень разнообразны: гепатомегалия, мышечная дистрофия, поражение миокарда. Дефект фермента амило-1,6- глюкозида, гидролизирующий гликозидные связи в местах разветвлений.

Ведущим признаком IV типа (амилопектиноз) является диффузный гликогеноз с циррозом печени.

Дефект ветвящегося фермента – амило-1,4-1,6-глюкозилтрансферазы

V тип — миофосфорилазная недостаточность.

VI тип (гепатофосфорилазная недостаточность) характеризуется отставанием роста, выраженной гепатомегалией. Дефект гликогенфосфорилазы.