reforef.ru 1
25. Нуклеотиды. Строение. Распад.

Нуклеотиды – фосфорные эфиры нуклеозидов. Названия индивидуальных рибо- и дезоксирибонуклеотидов принимаются по характерному пуриновому или пиримидиновому основанию, а наличие дезоксирибозы отмечается приставкой «дезокси». Существует 2 типа нуклеотидов:



Аденозии-З'-фосфат Аденозин -5'- фосфат

Распад нуклеозидфосфатов. Первая ступень состоит в отщеплении остатка фосфорной кислоты:



3'-нуклеотидазы отщепляют остаток фосфорной кислоты на 3'-конце, 5'-нуклеотидазы – на 5'-конце

На второй ступени распада осуществляется перенос остатка рибозы от нуклеозида на фосфорную кислоту. Эта реакция ускоряется специфическими для каждого вида нуклеозидов рибозилтрансферазами:



В результате распада нуклеозидфосфатов выделяются в свободном состоянии рибозо-1-фосфат и все виды пуриновых и пиримидиновых оснований. Возможны другие пути распада нуклеозидов. Один из них состоит в гидролизе нуклеозидов:

Аденозин +Н2О = аденин+ рибоза

Рибоза и рибозо-1-фосфат включаются в реакции обмена углеводов. Пуриновые и пиримидиновые основания претерпевают дальнейший распад и превращаются в простейшие азотсодержащие продукты, которые далее либо выводятся из организма, либо откладываются в нем.

Распад пуриновых оснований. Этот процесс осуществляется при посредстве специфических аминогидролаз. В результате аденин превращается в гипоксантин:


Гуанин переходит в ксантин:



Гипоксантин и ксантин окисляются в мочевую кислоту:



Реакцию окисления гипоксантина в ксантин, и ксантина в мочевую кислоту катализируется ксантиноксидазой—оксидоредуктазой, коферментом которой явл. молибденсодержащий флавопротеин.

У ряда животных (человекообразные обезьяны, птицы, рептилии, тутовый шелкопряд) и человека конечным продуктом распада пуриновых оснований является мочевая кислота. У большинства животных и растений есть ферменты и ферментные системы, способные ускорять реакции дальнейшего распада мочевой кислоты. У млекопитающих и насекомых уратоксидаза окисляет мочевую кислоту в аллантоин; у костистыех рыб аллантоин под действием фермента аллантоиноидаза превращается в аллантоиновую кислоту, а последняя под действием аллантоиназы (амфибии, большинство растений) распадается на мочевину и глиоксиловую кислоту:

Распад пиримидиновых оснований: Цитозин преобразуется в урацил



Далее подвергаются восстановлению. Урацил переходит в дигидроурацил; донором атомов Н в этой реакции служит НАДН. В свою очередь, дигидроурацил претерпевает гидролиз и превращается в М-карбамил-р-аланин, который гидролизуется до ?-аланина и карбаминовой кислоты. Последняя используется для синтеза мочевины иди распадается до С02 и NН3.




26. Биосинтез ДНК. Репликация… Обратная транскрипция

Перед делением клетки в S период интерфазы происходит удвоение ДНК – репликация – ДНК-зависимый биосинтез ДНК. ДНК-матрица определяет структуру образующейся дочерней молекулы ДНК. Синтез идет по принципу комплементарности на одиночных цепях ДНК.


Для репликации необходимо наличие готовой ДНК, 4 типов нуклеотидов (дГТФ, дАТФ, дЦТФ, дТТФ), они являются субстратами и выполняют энергетическую ф-цию. Ферменты – ДНК-полимеразы, хеликаза, топоизомеразы, ДНК-лигазы, праймаза.

Впервые ДНК-полимераза была выделена из кишечной палочки.
ДНК-полимераза I—белок (М = 109 000), содержащий 1 атом Zп и представленный 1 полипептидной цепью. хорошо связывается с одноцепочечной ДНК или с зонами разрыва фосфодиэфирных связей в биспиральной ДНК. обладает ясно выраженной ДНК-полимеразной и экзодезоксирибонуклеазной активностью

ДНК-полимераза II (М=90000) представлена одной полипептидной цепью. ДНК-полимераза II плохо соединяется с одноцепочечными ДНК, но отлично оккупирует точки разрыва в одной из цепей биспиральной ДНК. Основной функцией ДНК-полимеразы II является репарация ДНК.

ДНК-полимераза III. Это—сложный, термолабильный белок (М = 300 ООО), состоящий из 6 субъединиц ?, ?, ?, ?, ? и ?; ответственна у кишечной палочки за процесс репликации ДНК. работает в клетке в комплексе с белковыми факторами.

У эукариот ДНК-полимераза-? впервые обнаружена у млекопитающих (М = 150000 — 200000). Фермент, полученный из тимуса теленка, содержит каталитическую и регуляторную субъединицы. кислый белок.

ДНК-полимераза-? (М=45000) характеризуется хорошо выраженной способностью при рН 8,4 ускорять реакцию копирования ДНК.

ДНК-полимераза-?—кислый белок с М = 180000, тетрамер из идентичных субъединиц; локализована в митохондриях, обеспечивает репликацию митохондриальной ДНК.

ДНК-лигаза. белок с М = 96000. Функция - обеспечение каталитического ускорения реакции образования фосфодиэфирной связи между 3'- и 5'-концами цепей ДНК, сближенных на расстояние одного нуклеотидного звена и закрепленных на комплементарной им, но непрерывной другой цепи ДНК. («сшивание» фрагментов между собой)


Хеликаза—фермент, расплетающий двойную спираль ДНК. пространственно организована так, что может охватывать биспиральную молекулу ДНК, расплетая ее за счет энергии распадающейся АТФ.

Белковые факторы, необходимые для биосинтеза ДНК. ДНК-связывающий белок представлен одной полипептидной цепью и обладает ярко выраженной способностью связываться с одно-цепочечной ДНК или дефектными участками биспиральной ДНК. Активирует ДНК-полимеразы II и III. Сейчас он выделен и из клеток эукариот.

ДНК-раскручиваюший белок обладает нуклеазной активностью и, присоединяясь к ДНК, разрывает фосфодиэфирную связь одной из ее цепей, вследствие чего обеспечивается свободное вращение вокруг фосфодиэфирной связи другой цепи и раскручивание суперспиральной молекулы ДНК. ДНК-закручивающий белок вызывает суперспирализацию ДНК.

Этапы биосинтеза ДНК: инициация, элонгация и терминация.

Инициация биосинтеза ДНК. Включает в себя раскручивание спирализованной ДНК. В точке начала репликации (точка-ori) происходит образование репликативной вилки. В раскручивании участвует хеликаза, она рвет водородные связи, в результате чего цепи расходятся. Топоизомераза идет впереди, работает со сверхскрученными участками. Чтобы образующиеся одиночные нити не скручивались, ДНК-связывающие белки присоединяются к цепям. Начало биосинтеза дочерних полидезоксирибонуклеотидных цепей на материнских, сводится к созданию на материнской цепи ДНК затравочного олигонуклеотида со свободной гидроксильной группой на З'-конце. Этот короткий олигорибонуклеотид, заканчивающийся пиримидиновым нуклеозидом, является праймером, т. е. предшественником будущей цепи ДНК, и синтезируется при участии фермента типа РНК-полимеразы, получившего название праймазы. После его создания в синтез включается ДНК-полимераза III, при посредстве которой синтезируется далее на материнской цепи ДНК дочерняя цепь ДНК.


Элонгация биосинтеза ДНК-полимераза наращивает 3'-конец по принципу комплементарности. На одной цепи синтез идет непрерывно – это лидирующая цепь. На второй цепи (отстающая) синтез идет фрагментами – фрагменты Оказаки. Затравки уничтожаются при помощи нуклеаз. Когда фрагменты Оказаки оказываются на расстоянии 1 нуклеотида в дело вступает ДНК-лигаза.

Терминации биосинтеза. Предполагают, что прекращение репликации ДНК программируется особой нуклеотид-ной последовательностью, в том числе в виде специальных палиндромовна конце хромосомы. Само собой разумеется, что репликация прекращается, когда встречаются две репликационные вилки при удвоении как кольцевых, так и линейных ДНК.

Биосинтез ДНК на РНК в качестве матрицы. Кроме рассмотренного выше механизма биосинтеза ДНК на матрице ДНК открыта система биосинтеза ДНК на матрице РНК при помощи фермента обратной транскриптазой или ревертазой (РНК-зависимой ДНК-полимеразой). ревертаза нуждается в праймере, роль которого может играть тРНК. Ревертаза используется в генной инженерии. Схема: Вирусная РНК+дАТФ+дЦТФ+дТТФ+дГТФ ? (ревертаза – nH4P2O7) ?гибрид вирусной РНК и цепи ДНК – (ревертаза –АМФ-УМФ-ГМФ-ЦМФ) ? 1 цепь ДНК ? 2 цепочечная ДНК – (лигаза)? встраивание в ДНК хозяина

27. Биосинтез РНК. Транскрипция…

«Переписывание» нуклеотидной последовательности с ДНК на РНК. Синтез идет на одной из цепей ДНК – матричная цепь, другая наз. смысловой (нематричной). Т.о. РНК является копией смысловой цепи с заменой Т на У. Синтез идет на определенном участке, к-ый наз. транскриптон. Транскриптон ограничен определенными последовательностями. Различают промотор – участок ДНК, содержащие последовательности нуклеотидов (сайты), на которых начинается инициация транскрипции. Терминатор – участок ДНК, содержащий стоп-сигналы (сигналы остановки синтеза).


Промотор содержит консервативные последовательности, расположенные -10 (ТАТАА-последовательность – ящик Прибнова) и -35 (ТТГАЦА последовательность) нуклеотидов от начала биосинтеза. Служат сигналами для присоединения РНК-полимеразы, взаимодействуют с ?-субъединицей.

РНК-полимераза – фермент, осуществляющий транскрипцию. У прокариот 1 РНК-полимераза, отвечающая за синтез всех типов РНК. Состоит из 5 субъединиц: 2?,?,?’,?. 2? образуют кор-фермент, при присоединении ? образуется холофермент. У эукариот 3 типа: РНК-полимераза I – синтез рРНК, II – мРНК, III – тРНК.

3 этапа: инициация, элонгация, терминация.

Инициация. РНК-полимераза, присоединяясь к ДНК, расплетает двойную спираль, разрывая водородные связи. Элонгация: после образования нескольких пар снований ?-субъед. отделяется от транскрипционного комплекса, а кор-фермент продолжает процесс наращивания цепи РНК. По мере продвижения РНК-полимеразы водородные связи вновь восстанавливаются. Субстратами для синтеза РНК явл. рибонуклеозидфосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ). Цепь растет ступенчато. Терминация: у прокариот область терминации богата Г-Ц парами, в результате образуется РНК, на которой образуется «шпилька». – ?-независимая терминация. Возможна ?-зависимая терминация: ?-фактор – белок, который присоединяется к транскриптону, движется за РНК-полимеразой, когда она достигает шпильки ?-белок догоняет РНК-полимеразу, обеспечивая окончание синтеза.

У прокариот по мере синтеза иРНК происходит присоединение рибосом и начинается трансляция, т.о. транскрипция и трансляция практически не разделены во времени и пространстве. У эукариот РНК синтезируется в виде предшественников – первичных транскриптов. Далее идет процесс превращения в зрелую функционально активную РНК – процессинг. Включает в себя кэпирование, сплайсинг и полиаденилирование.

Кэпирование. Заключается во взаимодействии с ГТФ и присоединении ГМФ к концевому нуклеотиду. Т.о. на 5’-конце образуется «шапочка» из 3’-метилгуанозинфосфат. Полиаденилирование. От 3’-конца отщепляется около 15 нуклеотидов, затем синтезируются полиадениловые нуклеотиды (фермент – полиаденилат-полимераза). Образуется хвост длиной до 100-400 А. Эта последовательность имеет значение при переносе через ядерную мембрану и присоединении рибосомы. Эти модификации защищаю РНК от действия экзонуклеаз.


Сплайсинг – вырезание интронов и сшивание экзонов. Связан с мозаичной структурой генов (ген имеет экзоны – несут информацию о структуре белка, и интроны – не несут такой информации, должны быть вырезаны, а экзоны сшиты). Основные инструменты сплайсинга – малые ядерные РНК, обладающие ферментативной активностью – рибозимы.

Процессинг рРНК. у эукариот рРНК синтезируется в виде предшественников 45S, происходит вырезание неинформативных участков, модификация азотистых оснований. В итоге образуется 18S, 5,8S и 28S рРНК..

У прокариот тРНК и рРНК синтезируется в виде предшественника 30S (16S, 23S и 5S рРНК и тРНК), далее происходит разрезание и метилирование.


28. Биосинтез белков. Матричная теория биосинтеза белков…

Трансляция – матричный синтез. Матрицей служит иРНК, для синтеза необходимы тРНК и рРНК, белковые факторы, ферменты и источники Е (АТФ и ГТФ). синтез идет на рибосомах, субстратами являются аминокислоты. Складывается из 3 подготовительных процессов: переноса вещества, энергии и информации в рибосому, и центрального процесса – сборки полипептидной цепи в рибосоме. В процессе трансляции выделяют 2 стадии: 1) активация аминокислот 2) непосредственно синтез, 3 стадии: инициация, элонгация и терминация

Структура белка генетически предопределена, информация закодирована в ДНК, но она сама непосредственно в синтезе белка не участвует, посредником между ДНК и рибосомой является иРНК. Информация, заложенная в ДНК и переписанная на матрицу РНК, реализуется в процессе биосинтеза белка. В ДНК аминокислоты закодированы последовательностями из 3 нуклеотидов – триплетами. 20 аминокислот кодируются 61 триплетом, 3 триплета являются стоп-кодонами.

Св-ва генетического кода:

1) код триплетен 2) код вырожден – одну и ту же а/к-ту кодируют 2-6 кодонов, только мет и трп закодированы 1 триплетом. 3) код универсален – характерен для всех живых организмов 4) код однозначен – 1 триплет кодирует только 1 а/к-ту 5) код непрерывен – код линейный, однонаправенный и непрерывный


Активирование аминокислот. А/к-ты не способны самостоятельно присоединяться, адаптером служит тРНК. Каждая а/к-та имеет свою тРНК. тРНК, переносящие одну и ту же а/к-ту, наз. изоакцепторными. (тРНКлей1, тРНКлей2).

Схема реакции активирования: А/к-та + тРНК+ АТФ – аминоацилтРНКсинтетаза – РР ?Аминоацил-тРНК

Реакция активирования сверхспецифична, для каждой а/к-ты и тРНК существует свой фермент. Активирование происходит в 2 этапа. 1 этап: взаимодействие а/к-ты с АТФ, в результате возникает аминоациладенилат и выделяется пирофосфат. Гидролитический распад последнего при участии пирофосфатазы обеспечивает необратимость реакции образования аминоациладенилата.

А/к-та+ АТФ ? аминоациладенилат + H4P2O7

Второй этап сводится к переносу аминокислоты с образовавшегося аминоациладенилата на концевой аденозин акцептирующего стебля тРНК:

+ АМФ


Активирование аминокислот сопровождается их кодированием: после присоединения к соответствующей тРНК аминокислота получает код в виде строго специфичного только для данной аминокислоты чередования трех нуклеотидных остатков в антикодоновой петле тРНК. Этот триплет оснований называется антикодоном. Ему соответствует комплементарный кодон.


29. Трансляция и её этапы. Посттрансляционные изменения белков.

У прокариот 70S рибосомы: 30S (16 S рРНК+21 белок) и 50S (23S+5S рРНК+ 34 белка) субчастицы. У эукариот 80S: 40S (18S рРНК+34 белка) и 60S (28S+ 5S +5,8S+ 50 белков). В рибосоме различают центр связывания мРНК (на малой субчастице), аминоацильный центр – А-центр, Р-центр – связывания пептидил-тРНК.

Выделяют 3 этапа: инициация, элонгация и терминация.


Инициация биосинтеза белка у бактерий происходит при участии трех белковых факторов инициации—IF-1, IF-2 и IF-3. IF-3 присоединяется первым и вызывает конформационные изменения в 30S субчастице рибосомы, способствует созданию мРНК-связывающего центра.

IF-1 стимулирует процесс связывания фактора IF-2 с 30S субчастицей рибосомы и способствует присоединению к ней мРНК. IF-2 играет роль в связывании формилметиониновой тРНК и в гидролизе ГТФ.

Присоединение IF-1, IF-2, формилметионил-тРНК и ГТФ к 30S субчастице осуществляется в виде комплекса. Как только это произойдет, присоединяется мРНК. Инициаторной является формилметиониновая тРНК (метиониновая тРНК у эукариот), она открывает полипептидную цепь любого белка, синтезированного у бактерий.

В мРНК имеется последовательность Шайна—Дальгарно, она богата пиримидиновыми основаниями, а субчастицы богаты пуриновыми, они взаимодействуют по принципу комплементарноси, обеспечивая сборку рибосомы.

Присоединение мРНК к комплексу (30S субчастица+ факторы инициации + ГТФ) сопровождается высвобождением фактора инициации IF-3. Образовавшийся комплекс притягивает 50S, образуя 70S рибосому, причем IF-1 в этот момент покидает рибосому. Сохранившийся еще в возникшей 70S рибосоме IF-2, связанный с ГТФ, обеспечивает ускорение реакции распада ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат и высвобождается из рибосомы вместе с продуктами гидролиза ГТФ. Образуется транслирующая (активная) рибосома, в которой идет процесс элонгации белкового синтеза.

Элонгация в бактериальной клетке обслуживается элонгационными факторами трансляции трех типов—и, s и G. Процесс элонгации начинается со связывания аминоацил-тРНК, содержащей аминокислотный остаток, который должен быть вторым с N-конца молекулы белка. У бактерий эта аминоацил-тРНК образует комплекс с U и ГТФ, в виде которого она присоединяется к А- центру рибосомы в соответствии с кодом белкового синтеза.


Благодаря расщеплению ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат амино-ацил-тРНК сближается с формилметионил-тРНК, локализованной в Р- центре рибосомы, a U в комплексе с ГДФ и неорганический фосфат выносятся из рибосомы. UГДФ-комплекс при взаимодействии с S и ГТФ преобразуется в UГТФ-комплекс, способный соединяться со следующей молекулой аминоацил-тРНК.

В Р центре между формилметионил-тРНК и аминоацил-тРНК происходит реакция, благодаря которой остаток формилметионина переносится на свободную NH2-rpynny аминокислотного остатка, являющегося составной частью аминоацил-тРНК. В результате возникает дипептидил-тРНК, т. е. замыкается первая пептидная связь в будущей молекуле белка. Этот процесс получил название реакции транспептидирования.

Пептидил-тРНК на следующей фазе элонгации переносится на место тРНКфмет в Р- центре рибосомы, а последняя удаляется из него.

Эта ступень элонгации называется транслокацией и происходит при участии G у бактерий и сопровождается гидролизом еще одной молекулы ГТФ. В результате транслокации дипептидил-тРНК занимает место в Р- центре рибосомы, тогда как ее аминоацильный центр полностью освобождается и готов теперь принять новую аминоацил-тРНК. При транслокации пептидил-тРНК перемещается в Р-центр рибосомы вместе с молекулой мРНК, с которой она связана благодаря антикодон-кодоновому взаимодействию. Это перемещение идет точно на один триплет нуклеотидных остатков, т. е. напротив аминоацильного центра оказывается следующий по порядку кодон молекулы мРНК.

Терминация белкового синтеза в рибосоме осуществляется тоже при участии трех белковых факторов. Они способны распознавать в молекуле мРНК стоп-кодоны.

Как только в А- центре рибосомы после очередной транслокации терминирующий кодон молекулы мРНК займет соответствующее место, к нему присоединяется один из факторов терминации. Этим блокируется возможность присоединения молекулы аминоацил-тРНК. Затем сложноэфирная связь между новообразованным полипептидом и тРНК гидролизуется. В результате синтезированный в рибосоме белок отделяется от нее. Одновременно освобождаются тРНК и мРНК, а рибосома 70S распадается на субчастицы 30S и 50S.

У эукариот отсутствует последовательность Шайна-Дальгарно, имеется другой набор белковых факторов, отличается от трансляции у прокариот меньшей скоростью сборки полипептидной цепи и разделением транскрипции и трансляции во времени и пространстве.
Перенос белков через мембраны. Значительная часть синтезируемых клеткой белков в зависимости от их функционального назначения либо переносится через мембраны, либо встраивается в них. Перенос белков через биологические мембраны может осуществляться либо одновременно с трансляцией белка в рибосоме (котрансляционно), либо по завершении трансляции и отделения белка от рибосомы (посттрансляционно). Проникновение белков через биологические мембраны и их встраивание в мембраны осуществляется с помощью сигнальных пептидов. Эта гипотеза подтверждена экспериментально.

Сигнальные пептиды представлены фрагментами полипептидных цепей белков в их N-концевой части протяженностью 15—30 аминокислотных остатков. Центральная часть сигнальных пептидов содержит остатки гидрофобных аминокислот, а концевые последовательности обогащены гидрофильными аминокислотными радикалами. Такая структура обеспечивает, при наличии не менее 7 гидрофобных радикалов подряд, беспрепятственное внедрение сигнальных пептидов в липопротеиновую мембрану в зоне рецептора сигнального пептида и последующий перенос белка через нее или закрепление в ней.

Имеются также специальные белки—порины, обеспечивающих перенос макромолекул. изучена группа белков, заякориваюших новообразованные белки в мембране; обнаружены рибонуклеопротеиновые частицы, узнающие сигнальные последовательности в белках.

Посттрансляционная модификация белка. Не все образовавшиеся белки обладают полностью завершенной структурой. Во многих случаях они синтезируются в виде предшественников и лишь после протеолитического отщепления пептидного фрагмента приобретают законченную форму. Примерами такого рода посттрансляционной модификации белков может служить отщепление сигнальных пептидов по завершении переноса белков через биологические мембраны, фрагментирование белковых предшественников при образовании из них функционально активных белков, например трипсина из трипсиногена, инсулина из проинсулина, или биологически активных пептидов, например гормонов. Аналогичный характер носит посттрансляционная модификация белков, сводящаяся к протеолитическому отщеплению N -концевого формилметионина или метионина, с которых начинается сборка полипептидных цепей в процессе рибосомального синтеза белков.


Широко представлена посттрансляционная модификация белков по аминокислотным радикалам. К их числу относятся: гидроксилирование радикала пролина при переходе проколлагена в коллаген; ацетилирование N -концевой аминокислоты в белковой молекуле - при биосинтезе яичного альбумина; метилирование радикалов лизина и аргинина – у гистонов, негистоновых ядерных белков и рибосомальных белков; присоединение олигосахаридных фрагментов к радикалам аспарагина, серина и треонина при биосинтезе гликопротеинов; амидирование радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислоты; карбоксилирование радикалов глутаминовой кислоты по ?-углеродному атому; аденилирование и уридилирование радикалов тирозина. К посттрансляционным процессам, имеющим важнейшее значение для регуляции метаболической активности генома, относится фосфорилирование гистонов и негистоновых белков хроматина.


30. Регуляция биосинтеза белка.

У прокариот – оперонный уровень регуляции.

Франсуа Жакоб и Жак Моно в 1961 г. сформулировали гипотезу оперона, её ещё называют контролем синтеза белка на уровне транскрипции.

Опероном называется совокупность генов, способных включаться и выключаться в зависимости от метаболических потребностей клетки. Оперон состоит из: Промотор – участок ДНК, с которым происходит связывание РНК-полимеразы и который определяет точку начала транскрипции. Оператор - участок связывания регуляторного белка. Располагается в непосредственной близости к промотеру или перекрывается с ним. Структурные гены. Терминатор транскрипции, где заканчивается синтез мРНК. Не входит в оперон, но является важной частью регуляторной системы – ген-регулятор, кодирующий регуляторный белок, связывающийся с оператором.


Индукция синтеза белков. Lас-оперон. Лактозный оперон программирует производство трех белков. Клетки Е. coli обычно растут на среде, используя в качестве источника углерода глюкозу. Если в среде культивирования глюкозу заменить на дисахарид лактозу, то клетки адаптируются к изменившимся условиям.

В отсутствие индуктора (аллолактозы) белок-репрессор связан с оператором, что препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором, и транскрипция структурных генов оперона не идёт. Когда в среде появляется индуктор -аллолактоза, то он присоединяется к белку-репрессору, изменяет его конформацию и снижает сродство к оператору. РНК-полимераза связывается с промотором и транскрибирует структурные гены.

lac-оперон находится также под влиянием позитивной регуляции. перед промотером lac-оперона располагается сайт связывания с активаторным белком САР. Связывание этого белка со своим оператором приводит к усилению транскрипции оперона. САР является апоиндуктором, и для связывания с ДНК должен образовать комплекс с цАМФ.

Репрессия синтеза белков. Триптофановый и гистидиновый опероны.. Когда клетки Е. соli растут на среде, содержащей в качестве единственного источника азота соль аммония, то им приходится синтезировать все азотсодержащие вещества. Такие клетки, в частности, должны содержать все ферменты, необходимые для синтеза 20 различных аминокислот. Однако если добавить в среду культивирования одну из аминокислот (триптофан или гистидин), то клетка перестанет вырабатывать весь набор ферментов, необходимых для синтеза этих аминокислот из аммиака и источника углерода. - репрессия конечным продуктом.

При отсутствии в среде Гис или Трп регуляторный белок-репрессор не имеет сродства к оператору и происходит синтез ферментов, осуществляющих образование этих аминокислот. Когда в среду добавляют, например, Гис, то эта небольшая молекула, получившая название «корепрессор», присоединяется к белку-репрессору. В результате конформационных изменений в молекуле репрессора комплекс белка-репрессора и корепрессора (Гис) приобретает сродство к оператору, присоединяется к нему, и транскрипция оперона прекращается, т.е. прекращается считывание информации о строении 10 ферментов, участвующих в синтезе этой аминокислоты.


Между промоторной областью и первым структурным геном оперона имеется достаточно протяженный участок ДНК (140-150 нуклеотидов), кодирующий небольшой пептид. Эта последовательность ДНК называется лидером, а пептид лидерным, который необходим для ещё одного механизма регуляции – аттенуации. За лидерным пептидом располагается шпилечная структура, являющаяся терминатором, на котором в условиях избытка конечного продукта (например, триптофана) транскрипция заканчивается, не достигнув структурных генов. Лидерный пептид богат триптофановыми кодонами. В условиях недостатка триптофана концентрация нагруженных триптофаном аминоацил-тРНК не высока, и рибосома «притормаживает» на триптофановых кодонах, не давая возможности образовываться терминаторной шпильке. В результате транскрипция продолжается и со структурных генов считывается РНК.

У эукариот – более сложный процесс, т.к. транскрипция и трансляция происходят в разных компартментах. Для клеток эукариот харктернаамплификация генов и их перестройка. Это увеличивает число копий белков. ДНК упаковано в нуклеосомы, для экспрессии генов их необходимо разрушить. В результате действия белковых гормонов происходит опосредованное фофорилирование гистонов и разрушение нуклеосом. Начинается транскрипция. При прекращении действия гормона нуклеосома восстанавливается.

Ацетилирование и деацетилирование гистонов – важный фактор регуляции генной активности. Ацетилирование проходит по терминальному остатку лиз в полипептидной цепи гистона. В результате «+» заряд уменьшается?снижается сродство гистона к «-» заряженной ДНК, это может привести к разрушению нуклеосомы. Деацетилирование приводит к обратному эффекту.

Регуляторы транскрипции – энхансеры и сайленсеры. Энхансеры – последовательности длиной 73 пары нуклеотидов, они повышают эффективность транскрипции, находясь на расстоянии от гена и действуя как усилители. Сайленсеры выключают транскрипцию, изменяя структуру хроматина.


Образование зрелых мРНК зависит от скорости кэпирования, образования полиА, а также скорости сплайсинга. Играет роль и скорость транспорта РНК в цитоплазму.

31. Пути распада белков. Протеолитические ферменты…

Пути распада белков. Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма в основном в лизосомах, где сосредоточены гидролитические ферменты . В ряде органов и тканей (пищеварительная система животных, запасающие органы растений и т. п.) гидролиз белков осуществляется с огромной интенсивностью и в большом масштабе.

Выяснено, что время полужизни белка в клетке детерминировано природой его N-концевой аминокислоты. Если она легко соединяется с небольшим белком—убиквитином, то такой убиквитинированный белок атакуется протеиназами и разрушается. Наиболее подвержены убиквитинированию арг, лиз, асп, асн, три, лей, фен, гис, глу, тир, глн, иле. N-концевые аминокислоты, менее подверженные реакции с убиквитином (мет, сер, ала, тре, вал, гли, цис), относят к стабилизирующим гидролитический распад белков.

Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до аминокислот). При частичном (неполном) гидролизе в белковой молекуле распадаются лишь некоторые пептидные связи, как правило, по соседству со строго определенными аминокислотными радикалами. Этот процесс ускоряется специфическими ферментами—протеиназами (пептидил-пептидгидролазами). В свою очередь, пептиды гидролизуются до аминокислот, что происходит при участии ряда пептидаз.

Таким образом, в результате деятельности разнообразных пептидгидролаз (протеиназы и пептидазы) из белков в процессе их гидролиза сначала образуются сложные смеси различных пептидов, а затем смесь свободных белковых аминокислот. Последние являются конечным продуктом гидролиза белков.


Роль протеиназ в организме не сводится лишь к фрагментированию белковых молекул до пептидов для обеспечения дальнейшего гидролиза последних до свободных аминокислот. В последнее время все большее значение придают именно способности протеиназ селективно расщеплять полипептидные цепи, в результате чего из белковых предшественников возникают функционально активные белки и многие биологически активные пептиды, в том числе гормоны, рилизинг-факторы. Это имеет огромное значение для регуляции обмена веществ. Протеолиз выступает как особая форма биологического контроля, однонаправленно обеспечивающего инициацию определенного физиологического процесса.

В последние годы привлекли внимание протеиназы, действие которых активируется Са2 + . Их называют кальпаинами. Они расщепляют белки по границам их доменов, связывая минеральный обмен с регуляцией метаболизма. Их действие ингибируется кальпостатином.

Пептид-гидролазы. Ферменты этого подкласса ускоряют гидролиз пептидных связей в белках и пептидах, а при определенных условиях также и образование пептидных связей. Среди пептид-гидролаз различают протеиназы или пептндил-пептидогидролазы, катализирующие гидролиз небольшого числа внутренних пептидных связей в белковой молекуле, в результате чего последняя распадается до пептидов. Они являются, следовательно, эндопептидазами. В отличие от этого пептид-гидролазы, называемые пептидазами, обеспечивают отщепление от пептидной цепи свободных аминокислот, будучи экзопептидазами.

Протеиназы в зависимости от механизма их действия на внутренние пептидные связи в белковой молекуле делят на 4 подподкласса: 1) сериновые протеиназы, несущие в активном центре радикалы сер и гис; представителями их являются химотрипсин и трипсин, выделяемые поджелудочной железой, субтилизин, продуцируемый бактериями, и др.; 2) тиоловые (цистеиновые) протеиназы, имеющие в активном центре остаток цис; к их числу принадлежат папаин из дынного дерева, фицин из фикуса 3) кислые (карбоксильные) протеиназы, имеющие оптимум рН ниже 5 и содержащие радикалы дикарбоновых аминокислот в активном центре; сюда относятся пепсин, выделяемый слизистой желудка; 4) металлопротеиназы, каталитическое действие которых зависит от присутствия ионов металлов (Са2+, Zn2+) в активном центре; примерами их могут служить коллагеназа и ряд протеиназ микробного происхождения.


Пепсин, трипсин и химотрипсин выделяются железистыми клетками в виде неактивных проферментовзимогенов: пепсиногена, трипсиногена и химотрипсиногена, так как их активные центры блокированы фрагментами полипептидной цепи, после гидролитического отщепления которых фермент приобретает активность.

Очень важной особенностью протеиназ является выборочный (селективный) характер их действия на пептидные связи в белковой молекуле. Так, пепсин избирательно ускоряет гидролиз пептидных связей, образованных фен и лей; трипсин—арг и лиз; химотрипсин—ароматическими аминокислотами. В результате индивидуальный белок под действием определенной пептидил-пептидогидролазы расщепляется всегда на строго ограниченное число пептидов. Это находит практическое использование при определении первичной структуры белков и имеет огромное значение для регуляции обмена веществ, так как многие продукты селективного гидролиза белков обладают высочайшей биологической активностью: именно этим путем из проферментов возникают ферменты, из предшественников гормонов—гормоны и рилизинг-факторы и т. п. Причина избирательного действия пептидпептидогидролаз заключается в том, что радикал аминокислоты, по соседству с которой гидролизуется пептидная связь, служит для образования фермент-субстратного комплекса.
32. Обмен а/к-т. Превращение а/к-т по аминогруппе, по карбоксильной группе и боковому R.

Превращения аминокислот. Известны 3 типа реакций аминокислот в организме: по аминогруппе, карбоксильной группе и радикалу аминокислоты.

Реакции по ?-аминогруппе однотипны у всех аминокислот, это в основном реакции дезаминирования и переаминирования. По карбоксильной группе: декарбоксилирование и образование аминоациладенилатов. Преобразования в радикалах аминокислот разнообразны, многочисленны и уникальны для каждой отдельной аминокислоты. Есть тип превращений аминокислот, который состоит в образовании пептидной связи. Он осуществляется сложным путем и приводит к синтезу пептидов и белков.


Реакции по аминогруппе. Наиболее распространенной и важной реакцией аминокислот по а-аминогруппе является дезаминирование. Оно может идти четырьмя путями:





Преобладающим является окислительное дезаминирование, остальные три встречаются крайне редко, лишь у отдельных групп организмов. Процесс этот осуществляется в две стадии. Сначала аминокислота окисляется в иминокислоту при участии специфической дегидрогеназы, коферментом которой является НАД+ или НАДФ+. Затем иминокислота гидролизуется на кетокислоту и аммиак:



В некоторых случаях дегидрогеназы аминокислот представлены флавопротеинами. Главным продуктом дезаминирования аминокислот являются ?-кетокислоты. Серосодержащие аминокислоты (цистеин и метионин) дезаминируются путем отщепления аммиака и сероводорода или метилмеркаптана (СНзSН); оксиаминокислоты (серии и треонин)—путем отщепления аммиака и воды; гетероциклические аминокислоты—путем дегидрирования по кольцу (пролин) с дальнейшим преобразованием продукта дегидрирования и т. д. Однако и в этих случаях конечными продуктами дезаминирования остаются кетокислоты и непредельные кислоты.

Переаминирования с ?-кетоглутаровой кислотой по уравнению:



Реакции по карбоксильной группе. сводятся в основном к декарбоксилированию и образованию амино-ациладенилатов. Декарбоксилирование аминокислот осуществляется сравнительно легко в тканях животных и растений, но особенно широко оно представлено у микроорганизмов. идет по одной и той же схеме:


Простетической группой декарбоксилаз служит пирндоксальфосфат.

В подавляющем большинстве случаев продуктами декарбоксилирования аминокислот являются амины. Так как они образуются в качестве продуктов жизнедеятельности и обладают высокой физиологической активностью, их называют биогенными аминами. При декарбоксилировании гистидина возникает гистамин. Он вызывает усиление деятельности желез внутренней секреции и снижает кровяное давление.



При декарбоксилировании тирозина и триптофана образуются соответственно тирамин и триптамин, который легко переходит в серотонин, имеющее отношениек возникновению болевых ощущений при воспалительных процессах.

Декарбоксилирование лизина приводит к образованию кадаверина. При декарбоксилировании глу образуется ?-аминомаслянная кислота, она накапливается в мозговой ткани и представляет собой нейрогуморальный ингибитор.



Из асп получается ?-аланин, который принимает участие в синтезе пантотеновой кислоты.

Превращения аминокислот, связанные с реакциями по радикалу. Напомним прежде всего, что радикалом аминокислоты принято называть ту часть ее молекулы, которая не принимает участия в формировании хребта полипептидной цепи. По своей химической природе радикалы аминокислот исключительно разнообразны, что служит материальной основой для многообразия присущих им химических реакций.

Важнейшим типом превращений аминокислот, протекающих с видоизменением радикалов, является переход одних аминокислот в другие. Благодаря этому в организме значительно усиливаются возможности для синтеза аминокислот. При окислении фенилаланина образуется тирозин. Гидролиз аргинина приводит к образованию аминокислоты—орнитина, из которого возникает либо глутаминовая кислота, либо пролин




Большое распространение имеет реакция диметилирования метионина. Она осуществляется при каталитическом воздействии метилтрансферазы. Метионин—универсальный поставщик метальных групп в реакциях трансметилирования. При этом он переходит сначала в «активный метионин», соединяясь с АТФ:

Кроме реакций, приводящих к синтезу одних аминокислот из других, по радикалам аминокислот известно много других превращений (окисление, метилирование и т. п.). Часто эти реакции сочетаются с процессами декарбоксилирования и дезаминирования аминокислот. В результате возникают разнообразные вещества, многие из которых обладают сильным физиологическим действием. Так, например, из тирозина образуется гормон адреналин. Триптофан служит источником образования никотиновой кислоты (витамин РР) и индолилуксусной кислоты (ростовое вещество); аргинин—аргининфосфата и других гуанидин-фосфатов (макроэргические соединения).

Таким образом, в процессе превращений аминокислот возникает серия соединений, принимающих участие в регуляции обмена веществ в организме.