Рнк строение функции разновидности. Строение молекулы РНК. Виды РНК, роль в клетке. Строение молекулы рибонуклеиновой кислоты

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) и Динуклеотиды

Рибонуклеиновые кислоты (РНК). Строение и функции РНК

РНК состоит, как правило, из одной цепи, закрученной в спираль. У вирусов есть двухцепочные РНК. РНК содержится в ядрышке, ядре, цитоплазме, рибосомах. Молекулы РНК менее короткие, чем молекулы ДНК.

Типы РНК

Различают три типа РНК: рибосомную, матричную (информационную – иРНК), транспортную (тРНК). Они отличаются между собою местонахождением в клетке, размерами, нуклеотидным составом и функциональными свойствами.

Синтезируется РНК с участием ферментов РНК-полимераз на молекуле ДНК. Последовательность нуклеотидов участка молекулы ДНК определяет порядок расположения нуклеотидов в молекуле РНК.

У большинства клеток содержание РНК значительно большее (от 5 до 10 раз), чем содержание ДНК. Наибольшая часть РНК приходится на рибосомную.

Функции РНК

Функции РНК : реализует наследственную информацию, принимает участие в синтезе белков.

Информационная (матричная) РНК (иРНК) представляет собой копию участка ДНК, то есть одного или нескольких генов. Она переносит генетическую информацию к месту синтеза полипептидной цепи и принимает в нем непосредственное участие. Соответственно длине участка ДНК, которое и РНК копирует, она состоит из 300-30 000 нуклеотидов. Часть и РНК в клетке составляет около 5 % общего количества. Молекулы и РНК относительно нестабильные – быстро распадаются на нуклеотиды. Срок их жизни составляет в клетках эукариот до нескольких часов, у микроорганизмов – несколько минут.

Подобно молекуле ДНК, и РНК имеет вторичную и третичную структуры, которые формируются с помощью водородных связей, гидрофобных, электростатических взаимодействий и т. п.

Рибосомная РНК составляет 60 % массы рибосом, около 85 % общего количества РНК клетки. Включает 3000-5000 нуклеотидов. Она не принимает участия в передаче наследственной информации. Входит в состав рибосомы и взаимодействует с ее белками, которых у эукариот около 100. У эукариот есть четыре типа рибосомной РНК, у прокариот - три. Выполняет структурную функцию: обеспечивает определенное пространственное расположение иРНК и тРНК на рибосоме.

Транспортная (тРНК) - переносит аминокислоты к месту синтеза белка. По принципу комплементарности узнает участок иРНК, отвечающий аминокислоте, которая транспортируется. К месту синтеза белка каждая аминокислота транспортируется своей тРНК. тРНК транспортируются элементами цитоскелета клетки.

Имеет форму трехлистника (листка клевера) - постоянную вторичную структуру, которая обеспечивается водородными связями. На верхушке тРНК расположен триплет нуклеотидов, соответствующий кодону иРНК и называющийся антикодоном . Возле основания есть участок, к которому благодаря ковалентной связи молекула аминокислоты прикрепляется. Содержит тРНК 70-90 нуклеотидов. Составляет до 10 % общего количества РНК. Известно около 60 видов тРНК.

тРНК может иметь довольно компактную L-подобной неправильной формы третичную структуру.

Динуклеотиды

Состоят из двух нуклеотидов, но имеют особенности в строении. Наиболее известными являются: никотинамидадениндинуклеотид (НАД +), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ +). Главной функцией является перенесение электронов (2) и иона водорода (1). Могут восстанавливаться:

НАД + + 2е — + Н + →НАДН;

НАДФ + + 2е — + Н + →НАДФН.

На определенном участке для некоторых реакций эти соединения отдают протон водорода, электроны:

НАДН →НАД + + 2е — + Н + ;

НАДФН → НАДФ + + 2е — + Н +

Биологическая роль РНК связана с процессом реализации наследственной информации с ДНК при синтезе белка. Информационная РНК является посредником между информацией о структуре белка на ДНК ядра и местом синтеза белковых молекул в цитоплазме на рибосомах. РНК не имеет двойной спирали, она представлена одной полинуклиотидной цепью (за исключением двуцепочечных РНК-содержащих вирусов). Содержание РНК в клетке колеблется в зависимости от вида. Существует три вида РНК: рибосомальная, информационная, транспортная. Все виды синтезируются на молекуле ДНК в ядре путём транскрипции.

Р-РНК - рибосомальная входит в состав рибосом (3000-5000 нуклеотидов) (80% от общей массы РНК клетки). Из неё построен каркас рибосом, участвует в инициации, окончании синтеза и отделения готовых молекул белка от рибосом.

И-РНК - информационная (матричная) несет генетическую информацию, транскрибируемую с ДНК о структуре полипептидной цепи в виде кодонов (триплетов нуклеотидов). Молекула включает от 300 до 3000 нуклеотидов и составляет 3-5%.

Т-РНК - транспортная – обеспечивает транспорт активированных аминокислот к рибосомам (тройной комплекс аминоацил т-РНК синтетаза, аминокислота, АТФ). Имеет вторичную структуру в виде листка клевера, на верхушке которого – антикодон.

Молекула ДНК разделена на участки, содержащие информацию о структуре белка, которые называются генами и неинформативные отрезки спейсеры, которые разделяют гены. Спейсеры бывают различной длины и регулируют транскрипцию соседнего гена. Транскрибируемые спейсеры копируются при транскрипции вместе с геном, и их комплементарные копии появляются на про-и-РНК. Нетранскрибируемые спейсеры - встречаются между генами гистоновых белков ДНК.

Синтез и-РНК идёт с одной нити двуцепочечной молекулы ДНК по принципу комплементарности. и-РНК является копией не всей молекулы ДНК, а только части её - одного гена или группы генов одной функции. Такая группа генов называется оперон. Оперон – единица генетической регуляции. Он включает структурные гены, несущие информацию о структуре белков, регуляторные гены, управляющие работой структурных. К регуляторным генам относят: промотор, оператор, терминатор. Промотор находится в начале каждого оперона. Это посадочная площадка для РНК - полимеразы (специфический носитель нуклеотидов ДНК, которую фермент узнаёт благодаря химическому сродству). Оператор управляет транскрипцией. Терминатор включает стоп-кодоны, заканчивающие синтез и-РНК.

У эукариот структурные гены разделены на экзоны и интроны. Экзоны – участки, несущие информацию, а интроны – не несущие информацию.

При синтезе и-РНК сначала образуются:

1) Первичный транскрипт - длинный предшественник и-РНК с полной информацией с молекулы ДНК (про-и-РНК).

2) Процессинг - укорочение первичного транскрипта путем вырезания неинформативных участков ДНК (интронов).

3) Сплайсинг - сшивание информативных участков и образование зрелой и-РНК.

Транскрипция начинается со стартовой точки молекулы ДНК с участием фермента РНК - полимераза, для эукариот - адениловый нуклеотид. Синтез и-РНК проходит в 4 стадии:

1) Связывание РНК-полимеразы с промотором.

2) Инициация - начало синтеза (первая диэфирная связь между АТФ и ГТФ и вторым нуклеотидом и-РНК.

3) Элонгация- рост цепи и-РНК.

4) Терминация - завершение синтеза и-РНК.

Рис. 17. Составные части зрелой мРНК

1. «Колпачок» (кэп) – нуклеотидная последовательность на 5′-конце мРНК, состоящая из одного-четырех модифицированных нуклеотидов. Такая структура защищает 5′-конец мРНК от действия экзонуклеаз.

2. 5′-нетранслируемый участок – последовательность из нескольких десятков нуклеотидов, которые комплементарны нуклеотидам рРНК, входящим в состав малой субъединицы рибосомы. За счет этого 5′-нетранслируемый участок выполняет функцию первичного связывания мРНК с рибосомой, но сам не транслируется.

3. Инициирующий кодон – кодон, с которого начинается трансляция мРНК. Во всех мРНК он один и тот же – АУГ (кодирует метионин).

4. Кодирующая часть содержит информацию о последовательности аминокислот в белке. В зрелой мРНК она лишена интронов – вставочных некодирующих последовательностей, т. е. имеется непрерывная последовательность смысловых кодонов, которая должна считываться в направлении 5′®3′.

5. Терминирующий кодон – один из трех «бессмысленных» кодонов: УАА, УАГ или УГА.

6. 3′-нетранслируемый участок содержит последовательности нуклеотидов, которые называют элементами нестабильности мРНК. Определенные белки клетки узнают эти последовательности, связываются с ними и стабилизируют мРНК.

7. Поли (А)-фрагмент содержит от 50 до 400 адениловых нуклеотидов. Эти фрагменты отсутствуют в молекулах гистоновых мРНК. Полагают, что поли (А)-фрагмент имеет отношение к регуляции продолжительности жизни мРНК. Согласно одной из гипотез, после того как очередная рибосома заканчивает трансляцию мРНК, от поли (А)-фрагмента отщепляются 10-15 нуклеотидов. Когда данный фрагмент исчерпывается, начинает разрушаться кодирующая часть мРНК (если отсутствует 3′-нетранслируемый участок).

Общее количество нуклеотидов в мРНК составляет обычно несколько тысяч. При этом на кодирующую часть приходится лишь 60-70% нуклеотидов.

Рис. 18. Структура тРНК (на примере тРНК Phe)

Транспортные РНК (тРНК) – короткие молекулы (70-90 нуклеотидов), главной функцией которых является присоединение аминокислот и перенос их в белоксинтезирующий аппарат клетки. Количество различных тРНК в клетке – несколько десятков: от одного до шести видов для каждой из 20 аминокислот. Виды тРНК, способные связывать одну и ту же аминокислоту, называются изоакцепторными. Специфичность тРНК обознается верхним индексом, например тРНК Ала.

Среди нуклеотидов тРНК высоко содержание минорных нуклеотидов (около 10%). Благодаря образованию участков вторичной структуры, цепь тРНК имеет характерную форму «клеверного листа» (рис. 18).

В этой структуре четыре двухцепочечных и пять одноцепочечных участков. Поскольку минорные нуклеотиды, как правило, не способны к комплементарным взаимодействиям, они содержатся в основном в одноцепочечных локусах.

Для одноцепочечных участков приняты следующие названия:

· акцепторная ветвь – участок на 3′-конце тРНК из четырех нуклеотидов, место присоединения аминокислоты;

· антикодоновая петля – участок из 7 нуклеотидов в середине цепи; три из них выполняют функцию антикодона, который комплементарно взаимодействует с соответствующим кодоном мРНК;

· дигидроуридиловая, псевдоуридиловая и не всегда имеющаяся добавочная петли способствуют формированию специфичной для данной тРНК третичной структуры.

Особенность тРНК – наличие стабильной третичной структуры. Четыре двухцепочечных участка, попарно сближаясь, образуют примерно два витка двойной спирали, расположенные почти перпендикулярно друг другу – так, что молекула приобретает Г-образную форму (рис. 16Б).

Рибосомные РНК являются структурной основой для формирования субъединиц рибосом. Среди азотистых оснований в рРНК выше, чем обычно, содержание гуанина и цитозина. Встречаются также минорные азотистые основания, но не столь часто, как в тРНК – примерно 1%. Во вторичной структуре рРНК много двухцепочечных участков и петель (рис. 19).

Рис. 19. Структура 16S-рРНК прокариотической и 18S-рРНК эукариотической клеток

Рибосомные РНК, а также образуемые ими субъединицы рибосом принято обозначать по их константе седиментации (S). Седиментация (от лат. sedimentum – осадок) – оседание частиц, взвешенных в жидкости, при центрифугировании. Под действием центробежных сил, намного превосходящих силу тяжести, даже сравнительно небольшие макромолекулы, такие как тРНК, разделяются и распределяются в строгом соответствии со своими размерами. Измерение коэффициента седиментации макромолекулярных комплексов обычно используют для определения их общей массы и количества входящих в их состав субъединиц.

Рис. 20. Состав цитоплазматической рибосомы эукариот (в скобках указано
количество нуклеотидов в цепи рРНК)

Размеры молекул рРНК в рибосомных субъединицах у разных организмов варьируют (рис. 20), но сложная ее структура остается относительно постоянной. Кроме рРНК в состав рибосомы входит значительное число белков, но многие из них, по-видимому, не являются необходимыми для функционирования рибосом. Можно предположить, что именно молекулы РНК, а не белковые молекулы катализируют многие реакции, протекающие на рибосомах. Рибосомные белки при этом лишь усиливают функции рРНК.

РНК - нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания - аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, содержащей вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах. РНК принимают участие во всех стадиях процесса генной экспрессии и биосинтеза белка

Структура и функции РНК.В цитоплазме клеток содержатся три основных вида РНК:  матричная РНК (мРНК) выполняет роль матрицы при синтезе белка. Имеет сложную вторичную структуру. В целом линейная молекула мРНК имеет несколько двухспиральных шпилек, на концах которых располагаются «знаки» инициации и терминации трансляции  транспортная РНК (тРНК) выполняет функцию посредника в ходе трансляции мРНК, транспортирует аминокислоту на рибосому. Вторичная структура имеет форму клеверного листа;  рибосомная РНК (рРНК) формируют основу, с которой связываются специфические белки при образовании рибосомы.

Также в ядре клетки обнаружена ядерная РНК (яРНК), являющаяся предшественницей мРНК и тРНК.

Синтез РНК (транскрипция).1. Инициация. σ-Субединица РНК-полимеразы связывается с промотором – специальным участком ДНК. К σ-субединице присоединяется кофермент, цепи ДНК раскручиваются и образуется открытый транскрипционный комплекс. Первым нуклеотидом с 5’-конца является гуанин, который метилируется (кэпируется), эта стартовая точка гена называется кэп-сайт. 2. Элонгация. Происходит синтез комплементарной цепи. При этом пройденные участки из 15-20 нуклеотидов вновь спирализуются. 3. Терминация. Синтез РНК замедляется по достижении стоп-сигнала. Затем синтезируется цепь по коду дополнительного сигнала и еще 15 следующих за ним нуклеотидов. В процессе отделения РНК от матрицы экзонуклеаза отщепляет терминальные 15 нуклеотидов, а полиА-полимераза достраивает 150-200 полиА-нуклеотидов. 4. Процессинг РНК.

В отличие от ДНК, РНК не образуют двойных спиралей, но содержат короткие участки со спаренными основаниями. Это приводит к образованию субструктур, которые при двумерном изображении напоминают «шпильки» и петли, образующие фигуру типа «кленового листа». В таких структурах двухцепочечные участки соединены петлями.
Матричная РНК переносит генетическую информацию из клеточного ядра в цитоплазму. Так как мРНК считывается на рибосоме кодон за кодоном она не должна складываться в стабильную третичную структуру. Спариванию оснований препятствуют белки, ассоциированные с мРНК. Для мРНК характерно короткое время жизни, так как они быстро распадаются после трансляции. В сплайсинге предшественников мРНКпринимают участие малые ядерные РНК

Транспортные РНК участвуют в процессе трансляции в качестве промежуточного связующего звена между нуклеиновыми кислотами и белками. Это небольшие молекулы РНК из 70-90 нуклеотидов, которые с помощью своих антикодонов "узнают" за счет спаривания оснований определенные кодоны на мРНК.
По функциональному значению РНК делят на следующие виды:
1. транспортные РНК (тРНК) осуществляют кодирование аминокислот и перенос их в рибосомальный аппарат клетки в процессе биосинтеза белка. ТРНК локализованы в ядерном соке, митохондриях.
2. рибосомальные РНК (рРНК) являются структурной основой рибосом и выполняют в них разнообразные функции.
3. информационные или матричные РНК (мРНК) выполняют роль матрицы в процессе сборки полипептидных цепей в рибосомальном аппарате клетки.
4. вирусные РНК являются составными частями вирусных и фаговых рибонуклеопротеинов и несут всю информацию, необходимую для размножения вируса в клетках хозяина.

29. Рибосомы. Генетический код и его свойства. Трансляция.
Рибосома состоят из двух частей и представляют собой нуклеопротеины, состоящие из рРНК и белка в соотношении 1:1. Биологическая роль рРНК – являются структурной основой рибосом, взаимодействует с мРНК и тРНК в процессе биосинтеза белка, принимает участие в процессе сборки полипептидной цепи. У эукариот обнаружено 4 типа рРНК с различным коэф. седиментации: 18S(в малой части рибосомы), а 28S, 5,8S и 5S (сведбергов) – в большой части рибосомы.. Они различаются молекулярной массой (35 000-1 600 000) и локализацией в рибосомах. Вторичная структура рРНК характеризуется спирализацией цепи самой на себя, третичная – ее компактной укладкой. Рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (трансляция). Нередко с одной молекулой мРНК ассоциировано несколько рибосом, такая структура называется полирибосомой. Синтез рибосом у эукариот происходит в специальной внутриядерной структуре - ядрышке.

Генети́ческий код - свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. Информация о строении белка закодирована в ДНК с помощью генетического кода, который является линейным, непрерывным, триплетным, выражденным. Он является универсальным. В ДНК используется четыре нуклеотида - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой U. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв. Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а, следовательно, все его биологические свойства. Набор аминокислот также универсален почти для всех живых организмов.Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам.
Свойства:1Триплетность - значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).2Непрерывность - между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.3Неперекрываемость - один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).4Однозначность (специфичность) - определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты - цистеин и селеноцистеин)5Вырожденность (избыточность) - одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.7Универсальность - генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности - от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).8Помехоустойчивость - мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

30. Регуляция синтеза белка у прокариотМутации, их виды и последствия.

Оперон – это функциональная единица ДНК прокариот. Строение:

1. Промотор – участок, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза

2. Оператор – участок, которому присоединяется репрессор, который не дает РНК-полимеразе двигаться по ДНК

3. Структурные гены – содержат информацию о структуре белка. У прокариот в одном опероне находятся гены нескольких белков, необходимых для осуществления какой-либо биохимической реакции.

4. Терминатор – участок, в котором РНК-полимераза отсоединяется от ДНК.

Лактозный оперон открыли Жакоб, Моно и Львов в 1961 г. Его работа:

1. Когда в среде нет лактозы, кишечная палочка не вырабатывает ферменты, необходимые для ее расщепления, потому что к оператору присоединен репрессор, который не дает происходить транскрипции.

2. Когда в среде появляется лактоза, то она соединяется с белком-репрессором, он денатурирует и отсоединяется от оператора. Теперь ничто не мешает РНК-полимеразе делать иРНК, на которой рибосомы тут же делают белки.

3. Белки-ферменты расщепляют лактозу, в том числе и ту, что была присоединена к репрессору, он возвращается на место, транскрипция прекращается.

Мута́ция - стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменениегенотипа, происходящее под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза.

Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды

Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям. В современной учебной литературе используется и более формальная классификация, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом. В рамках этой классификации различают следующие виды мутаций:

 геномные;  хромосомные;  генные.

Геномные : - полиплоидизация (образование организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя (3n, 4n, 6n и т. д.) наборами хромосом) и анеуплоидия (гетероплоидия) - изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация)

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точечных мутациях.

Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций: 1) сохранение смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида), 2) изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация), 3) образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер - UAG, охр - UAA и опал - UGA

4) обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон).

31.Ферментативный гидролиз белков.Протеолитические ферменты, их специфичность, активация.

Переваривание белков пищи начинается в желудке. Здесь в кислой среде белок денатурирует и подвергается действию пепсина – эндонуклеазы желудочного сока, которая гидролизует внутренние связи, образованные карбоксильной группой ароматических аминокислот (Phe +, Tyr+, Thr+).

Образовавшиеся полинуклеотиды поступают в просвет тонкого кишечника. Здесь на них действуют четыре фермента панкреатического секрета: трипсин, химотрипсин, эластаза и карбоксипептидаза. Трипсин и химотрипсин гидролизуют связи, образованные аминогруппами основных (+Lys, +Arg) и ароматических аминокислот (+Phe, +Tyr, +Thr). Эластаза – эндонуклеаза широкого спектра действия. Карбоксипептидаза – экзонуклеаза, гидролизующая связь С-концевой аминокислоты.+N-CH(R)-COOH

В пристеночной области кишечника олигонуклеотиды гидролизуются до свободных аминокислот ферментами кишечного сока – аминопептидазой, ди- и трипептидазой. Образовавшиеся свободные аминокислоты всасываются и поступают в кровоток.

ПРОТЕОЛИТИЧЕСКИЕ ФЕРМЕНТЫ (протеазы), ферменты класса гидролаз, катализирующие гидролиз (протео-лиз) пептидных связей. Место расщепления пептидной связи в полипептидной цепи определяется позиционной и субстратной специфичностью фермента и пространств. структурой гидролизуемого субстрата (белка или пептида).

Различают экзопептидазы, расщепляющие связи вблизи С- или N-конца цепи (соотв. карбоксипептидазы и аминопеп-тидазы)и эндопептидазы (протеиназы), гидролизующие связи, удаленные от концевых остатков (напр., трипсин). Лишь ограниченное число протеолитических ферментов обладает строгой субстратной специфичностью. К ним относят, напр., ренин, гидроли-зующий связь между остатками лейцина в положениях 10 и 11 в ангиотензиногене (предшественник ангиотензина пептида, участвующего в регуляции кровяного давления).

В зависимости от локализации фермента протеолиз происходит при разл. рН. Так, протеолитические ферменты желудка (напр., пепсин, гастриксин) функционируют при рН 1,5-2, лизосомные ферменты-при рН 4-5, а протеолитические ферменты сыворотки крови, тонкого кишечника и др.-при нейтральных или слабощелочных значениях рН. Нек-рые протеолитические ферменты используют в качестве кофактора ионы металлов-Са2+, Mg2+ и др.

Дефектные и чужеродные белки деградируют в клетке при участии АТФ-зависимой системы протеолиза. У эукариот (все организмы, кроме бактерий и синезеленых водорослей) эта система включает низкомол. белок убикитин, образующий с белками-субстратами конъюгат, и протеазы, расщепляющие этот конъюгат.

32.Общая схема источников и расходования аминокислот в организме. Незаменимые аминокислоты. Общие пути катаболизма аминокислот.

Доставленные с кровотоком аминокислоты в печень имеют несколько основных путей метаболизма:

1. Биосинтеза белка – протекает как в самой печени, так и в других тканях.

2. Трансаминирование и использование углеродного скелета для биосинтеза глюкозы, жирных кислот и кетоновых тел, биосинтеза АТФ.

3. Декарбоксилирование с образованием биологически активных биогенных аминов (дофамин, норадреналин и адреналин (синтезируются изначально из аминокислоты тирозина), серотонин, мелатонин и триптамин (синтезируются из триптофана).

4. Биосинтез нуклеотидов, порфиринов, гормонов.

Трансаминирование и дезаминирование аминокислот

В процессе трансаминирования аминогруппа переносится на кетокислоту, в роли которой выступает 2-кетоглутарат, пируват или оксалоацетат, которые образуют глутамат, аланин и аспартат соответственно. Далее аминогруппа аланина и аспартата переносится на 2-кетоглутарат с образованием глутамата (непрямое дезаминирование). Глутамат – единственная аминокислота подвергающаяся окислительному дезаминированию.

Глюкогенные аминокислоты образуют одно из пяти соединений, которые через оксалоацетат вовлекаются в глюконеогенез. Кетогенные аминокислоты образуют ацетоацетат или ацетил-КоА. Ряд аминокислот дают метаболиты обоих видов и являются одновременно кетогенныи и глюкогенными.

Декарбоксилирование аминокислот

В результате отщепления карбоксильной группы аминокислоты образуют биогенные амины, многие из которых выполняют важные биологические функции.

Так, серин образует этанолмаин, включаемый в состав фосфолипидов; глутамат – нейромедиатор γ-аминомасляную кислоту (ГАМК); гистидин – медиатор гистамин.

Дезактивация биогенных аминов происходит путем их окислительного дезаменирования и дальнейшего окисления в карбоновые кислоты.

Двенадцать из двадцати аминокислот могут быть синтезированы de novo в организме. При этом цистеин и тирозин образуются из незаменимых метионина и фенилаланина, а аргинин и гистидин синтезируются в незначительных количествах. Оставшиеся восемь получаются в результате переноса аминогруппы глутамата на кетокислоты-предшественники

реакция в обмене аминок-т 11рис

Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови, на втором этапе обычно превращаются в пировиноградную кислоту, ацетильную группу (в составе ацетил-S-КоА) и в некоторые другие мелкие органические молекулы. Локализация второго этапа – цитозоль и митохондрии. Часть энергии рассеивается в виде тепла и примерно 13% энергии вещества усваивается, т.е. запасается в виде макроэргических связей АТФ Ацетил-SКоА включается в реакции цикла трикарбоновых кислот и окисляется до углекислого газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД и восстанавливают их. После этого НАДН и ФАДН2 переносят водород в цепь дыхательных ферментов, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Здесь в результате процесса под названием "окислительное фосфорилирование" образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ.

33.ПЕРЕАМИНИРОВАНИЕ (трансаминирование), обратимый перенос аминогруппы из молекулы одного орг. соед. в молекулу другого . Наиб. роль переаминирование играет в биохимии в процессах метаболизма азотистых оснований. Переаминирование аминокислот может происходить и вне клетки в присут. пиридоксаль-5"-фосфата, однако скорость р-ции в 106 раз меньше.

Часть аминокислот, поступивших в избыточном количестве с пищей, либо образовавшиеся в результате распада тканевых белков, теряют аминогруппу и превращаются в кетокислоту.

В процессе трансаминирования (рис.10) аминогруппа переносится на кетокислоту, в роли которой выступает 2-кетоглутарат, пируват или оксалоацетат, которые образуют глутамат, аланин и аспартат соответственно. Далее аминогруппа аланина и аспартата переносится на 2-кетоглутарат с образованием глутамата (непрямое дезаминирование). Глутамат – единственная аминокислота подвергающаяся окислительному дезаминированию.

В результате дезаминирования аминогруппа отщепляется в виде аммиака, который метаболизируется печенью.

Углеродные скелеты аминокислот могут быть вовлечены в ЦТК и окислены до конечных продуктов, либо использованы для биосинтеза глюкозы (глюкогенные аминокислоты), жирных кислот или кетоновых тел (кетогенные аминокислоты).

Глюкогенные аминокислоты образуют одно из пяти соединений, которые через оксалоацетат вовлекаются в глюконеогенез.

Кетогенные аминокислоты образуют ацетоацетат или ацетил-КоА. Ряд аминокислот дают метаболиты обоих видов и являются одновременно кетогенныи и глюкогенными (пролин, лейцин и др).

Нарушение нормального течения переаминирования в организме наблюдается при патологич. состояниях, напр. при инфаркте миокарда, заболеваниях печени. Контроль концентрации аминотрансфераз используется в этих случаях как ср-во диагностики.
ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ (деаминирование), удаление группы NH2 из молекул орг. соединений. Сопровождается замещением аминогруппы на др. группу или образованием кратной связи. Осуществляется под действием HNO2, нитрозилсерной к-ты, N2O3, N2O4, H2O, H2, а также ферментов.

34. Образование аммиака. Транспорт аммиака.Восстановительное аминирование. Амиды и их физиологическое значение.

БИОГЕННЫЕ АМИНЫ Образуются при декарбоксилировании аминокислот. Биогенные амины (БА) являются непептидными азотсодержащими производными аминокислот. К ним относятся гормоны надпочечников (адреналин, норадреналин), щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин), медиаторы ЦНС (ацетилхолин, ГАМК, дофамин), медиатор воспаления (гистамин), этаоламин, аминопропанол и др. Некоторые из этих соединений являются составными частями других биомолекул.

Амины, образовавшиеся при декарбоксилировании аминокислот, часто являются биоактивными веществами.

Серотонин – нейромедиатор проводящих путей. Образуется в надпочечниках и ЦНС.

Аминомасляная кислота (ГАМК). В нервных клетках декарбоксилирование глутамата приводит к образованию ГАМК, которая служит основным тормозным медиатором высших отделов мозга.

Гистамин выполняет в организме человека следующие функции: --стимулирует секрецию желудочного сока, слюны; --повышает проницаемость капилляров, вызывает отеки, снижает АД; --сокращает гладкую мускулатуру легких, вызывает удушье; --участвует в формировании воспалительной реакции – вызывает расширение сосудов, покраснение кожи, отечность ткани; – вызывает аллергическую реакцию; -выполняет роль нейромедиатора; -является медиатором боли.

реакция в обмене аминок-т рис13

Восстановительное аминирование - это превращение кетонов в соответствующие им амины.

35. Особенности обмена отдельных аминокислот и их роль в образовании важнейших биологически активных веществ.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПУТИ ОБМЕНА ОТДЕЛЬНЫХ АМИНОКИСЛОТ. Эти пути обмена определяются различиями в строении радикалов аминокислот, поэтому они разнообразны и многочисленны. Вступая в эти специфические реакции, АК-ты принимают участие во многих важных процессах:а) в синтезе гормонов и нейромедиаторов, б) в синтезе простетических групп сложных белков - хромопротеинов и нуклеопротеинов, в) в синтезе сложных липидов, г) синтезе веществ, содержащих макроэргическую связь и являющихся источником энергии для клеток, д) в обезвреживании токсических веществ.
ОБМЕН ГЛИЦИНА И СЕРИНА.Это заменимые аинокислоты, которые превращаются друг в друга.Основным путем распада глицина является его распад на СО2, Н2О и метилен-ТГФК (активный С1):
Активный С1, образовавшийся из глицина участвует в синтезе пуриновых азотистых оснований. Кроме того, глицин всей своей молекулой участвует в синтезе гема гемоглобина и других гемопротеинов, в синтезе пуриновых азотистых оснований, в синтезе парных желчных кислот (гликохолевая кислота), в синтезе креатина, в синтезе трипептида глютатиона. Также глицин в печени участвует в обезвреживании бензойной кислоты, которая превращается в гиппуровую кислоту:

ОБМЕН СЕРУСОДЕРЖАЩИХ АМИНОКИСЛОТ: МЕТИОНИНА И ЦИСТЕИНА.Метионин - это незаменимая аминокислота, а цистеин - заменимая.S-аденозил-метионин участвует в реакциях трансметилирования. Наиболее важный из них синтез фосфатидилхолина из фосфатидилэтаноламина, обезвреживание биогенных аминов с участием О-метилтрансфераз, синтез адреналина из норадреналина, синтез ацетилхолина из холина и Ацетил-КоА, синтез креатина, который в виде креатинфосфата является резервной формой макроэргических связей и участвует в обеспечении нервной ткани и работающей мышцы АТФ.
Синтез креатина. В синтезе креатина участвуют и другие аминокислоты - аргинин и глицин. В почках из аргинина и глицина образуется гуанидинацетат, который метилируется в печени с участием S-аденозил-метионина и в результате образуется креатин:
Гомоцистеин участвует в синтезе амикислот - цистеина (гомоцистеин + серин). Креатин подвергается фосфорилированию с участием АТФ, в результате образуется соединение с макроэргической связью - креатинфосфат. Это обратимая реакция, которая катализируется ферментом креатинфосфокиназой (КФК).
ОБМЕН ЦИСТЕИНА.Это заменимая аминокислота, она синтезируется из серина, гидроксильная группа которого замещается SН-группой, которую поставляет гомоцистеин. Цистеин в составе белков-ферментов своей -SН группой участвует в образовании каталитического центра (тиоловые протеазы), а также участвует в образовании дисульфидных связей, которые принимают участие в формировании третичной и четвертичной структуры белков. Также цистеин необходим для синтеза трипептида глютатиона, который состоит из цистеина и глютаминовой кислоты. Молекула глутатиона условно обозначается как (Г-SН). Глютатион способен легко окисляться и восстанавливаться:Окисляясь, глютатион предохраняет от окисления другие вещества, например, двухвалентное железо гемоглобина в эритроцитах:Цистеин подвергается и распаду, при этом он окисляется и декарбоксилируется, в результате образуется таурин, который участвует в образовании парных желчных кислот (таурохолевая и др.) в печени. Серная кислота, которая образуется из таурина, участвует в обезвреживании токсических веществ в печени.
ОБМЕН АРГИНИНА Аргинин - частично незаменимая аминокислота. Она образуется в ходе синтеза мочевины в печени из карбомоилфосфата при участии аспарагиновой кислоты и орнитина. Аргинин участвует в синтезе креатина в почках, являясь донором гуанидиновой группы в образовании гуанидинацетата. В составе белков аргинин как полярная положительно заряженная аминокислота участвует в образовании ионных связей и в формировании гидратной оболочки белков.
КОНКРЕТНАЯ РОЛЬ КАЖДОЙ АМИНОКИСЛОТЫ:Глутаминовая кислотаа) подвергается прямому окислительному дезаминированиюс образованием альфа-кетоглутарата,б) вступает в реакции трансаминирования, которые катализируют специфические трансаминазы,в) является субстратом для синтеза глютамина, который является транспортной формой аммиака и участвует в синтезе мочевины в печени, также глютамин участвует в синтезе пуриновых оснований нуклеотидов и нуклеиновых кислот, аминосахаров и аминопроизводных липидов.г) принимает участие в косвенном дезаминировании АК-т,д) участвует в синтезе трипептида глютатиона,е) является субстратом для образования гамма- аминомасляной кислоты.
Аспарагиновая кислотаа) участвует в реакциях трансаминирования,б) в синтезе мочевины, как донор NН2-группы,в) в синтезе пиримидиновых оснований (всей молекулой) и как донор NН2-группы - в синтезе пуриновых оснований,г) в синтезе аспарагина.
Обе аминокислоты участвуют в формировании третичной и четвертичной структур белков, так как являются полярными заряженными аминокислотами и в образовании гидратной оболочки белков, а также эти аминокислоты принимают участие в формировании активных центров ферментов. Амидирование аспарагиновой и глутаминовой кислот приводит к образованию глутамина и аспарагина, необходимых для синтеза белков.

ОБМЕН ЦИКЛИЧЕСКИХ АМИНОКИСЛОТ ФЕНИЛАЛАНИНА И ТИРОЗИНАФенилаланин является незаменимой аминокислотой, а тирозин - заменимая аминокислота.Тирозин вступает в многочисленные реакции в различных тканях. В результате этих превращений тирозин не только распадается до конечных продуктов, но и дает промежуточные метаболиты, из которых образуются ряд важных соединений, некоторые из которых являются биологически активными веществами. Из тирозина образуются:а) гормоны мозгового слоя надпочечников адреналин и норадреналин,б) меланины - пигменты кожи, волос, радужной оболочки глаза,в) йодсодержащие гормоны щитовидной железы - тироксин и трийодтиронин.

фенилкетонурия - нарушен синтез фенилаланин-гидроксилазы, поэтому фенилаланин превращается в фенилпируват, который оказывает токсическое воздействие на развитие некоторых отделов головного мозга.2) альбинизм - нарушен синтез ферментов, превращающих ДОФА в ДОФА-хром, поэтому нарушается синтез меланинов. 3) алкаптонурия - нарушен синтез диоксигеназы гомогентизиновой кислоты, она выделяется с мочой, моча приобретает черный цвет.4) кретинизм - нарушен синтез йодиназы, что приводит к нарушению синтеза йодсодержащих гормонов щитовидной железы.5) может быть нарушен синтез фермента тирозиназы, который катализирует превращение тирозина в ДОФА, следовательно будет нарушаться синтез гормонов мозгового слоя надпочечников и меланина.Из всех этих заболеваний в настоящее время удается лечить фенилкетонурию, для этого из рациона ребенка исключают фенилаланин и увеличивают в пище количество тирозина. Если ребенка держать на этой диете до 6-7 лет, тогда не возникает умственная отсталость, т.к. к 6-7 годам успевают развиться отделы головного мозга, развитие которых задерживается при избытке в ткани мозга фенилпирувата.

36.Биосинтез мочевины. Орнитиновый цикл мочевинообразования.

Образующийся в результате реакций дезаминирования аммиак является токсичным для организма. Его дезактивация с образованием нетоксичных мочевины и креатина происходит в печени, куда он предварительно должен быть транспортирован кровью. Трансортными формами аммиака являются аспарагин и глутамин, образующиеся амидированием аспартата и глутамата. Реакции катализируются аспарагин- и глутаминсинтетазой. В печени аспарагиназа и глутаминаза отщепляют амидную группу в виде аммиака.

В печени аммиак карбоксилируется с образованием карбамоилфосфата, который вовлекается в орнитиновый цикл. На последнем этапе этого процесса образуется аргинин, который распадается на орнитин и мочевину, либо преобразуется в креатин. В мышцах креатин фосфорилируется и используется в качестве донора фосфатной группы при регенерировании АТФ из АДФ. Образовавшиеся креатинин и мочевина выводятся из организма.

В карте обмена АК-т от аммиака до карбамоил-фосфата к мочеине.

По химическому строению РНК (рибонуклеиновая кислота) является нуклеиновой кислотой, во многом схожей с ДНК . Важными отличиями от ДНК является то, что РНК состоит из одной цепи, сама цепь более короткая, вместо тимина в РНК присутствует урацил, вместо дезоксирибозы - рибоза.

По строению РНК является биополимером, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, рибозы и азотистого основания.

Обычными для РНК азотистыми основаниями являются аденин, гуанин, урацил и цитозин. Аденин и гуанин относятся к пуринам, а урацил и цитозин - к пиримидинам. Пуриновые основания состоят из двух колец, а пиримидиновые из одного. Кроме перечисленных азотистых оснований в РНК встречаются и другие (в основном различные модификации перечисленных), в том числе и характерный для ДНК тимин.

Рибоза - это пентоза (углевод, включающий пять атомов углерода). В отличие от дезоксирибозы имеет дополнительную гидроксильную группу, что делает РНК более активной в химических реакциях по сравнению с ДНК. Также как и во всех нуклеиновых кислотах пентоза в РНК имеет циклическую форму.

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь ковалентными связями между остатками фосфорной кислоты и рибозой. Один остаток фосфорной кислоты связан с пятым атомом углерода рибозы, а другой (от соседнего нуклеотида) связан с третьим атомом углерода рибозы. Азотистые основания связаны с первым атом углерода рибозы и располагаются перпендикулярно фосфатно-пентозному остову.

Ковалентно связанные нуклеотиды формируют первичную структуру молекулы РНК. Однако по своему вторичному и третичному строению РНК бывают весьма различными, что связано со множеством выполняемых ими функций и существованием различных типов РНК .

Вторичная структура РНК формируется за счет водородных связей возникающих между азотистыми основаниями. Однако, в отличие от ДНК, у РНК эти связи возникают не между разными (двумя) цепями полинуклеотида, а за счет различных способов складывания (петли, узлы и др.) одной цепи. Таким образом, вторичная структура молекул РНК бывает куда разнообразнее, чем у ДНК (где это почти всегда двойная спираль).

Строение многих молекул РНК также подразумевает третичную структуру, когда сворачиваются уже спаренные за счет водородных связей участки молекулы. Например, молекула транспортной РНК на уровне вторичной структуры сворачивается в форму, напоминающую клеверный лист. А на уровне третичной структуры сворачивается так, что становится похожа на букву Г.

Рибосомальная РНК образует комплексы с белками (рибонуклеопротеиды).