Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1.Молекуля́рная биоло́гия — комплекс биологических наук, изучающих механизмы хранения, передачи и реализации генетической информации, строение и функции нерегулярных биополимеров (белков и нуклеиновых кислот). Отличительная черта М. б. - изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые примитивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; далее - системы, стоящие на границе живой и неживой природы, - вирусы, в том числе и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой материи - нуклеиновых кислот и белков. Медицинская генетика (или генетика человека, клиническая генетика, генопатология) — область медицины, наука, которая изучает явления наследственности и изменчивости в различных популяциях людей, особенности проявления и развития нормальных и патологических признаков, зависимость заболеваний от генетической предрасположенности и условий окружающей среды. Задачей медицинской генетики является выявление, изучение, профилактика и лечение наследственных болезней, разработка путей предотвращения воздействия негативных факторов среды на наследственность человека.
2.Молекулярная биология исторически появилась как раздел биохимии. Датой рождения молекулярной биологии принято считать апрель 1953 года, когда в английском журнале «Nature» появилась статья Джеймса Д. Уотсона и Фрэнсиса Крика с предложением пространственной модели молекулы ДНК. В 1928 году Фредерик Гриффит впервые показал, что экстракт убитых нагреванием болезнетворных бактерий может передавать признак патогенности неопасным бактериям. Исследование трансформации бактерий в дальнейшем привело к очистке болезнетворного агента, которым, вопреки ожиданиям, оказался не белок, а нуклеиновая кислота. В 50-х годах XX века было показано, что у бактерий существует примитивный половой процесс, они способны обмениваться внехромосомной ДНК, плазмидами. Открытие плазмид, как и трансформации, легло в основу распространённой в молекулярной биологии плазмидной технологии. Ещё одним важным для методологии открытием стало обнаружение в начале XX века вирусов бактерий, бактериофагов. Фаги тоже могут переносить генетический материал из одной бактериальной клетки в другую. Заражение бактерий фагами приводит к изменению состава бактериальной РНК. Если без фагов состав РНК сходен с составом ДНК бактерии, то после заражения РНК становится больше похожа на ДНК бактериофага. Тем самым было установлено, что структура РНК определяется структурой ДНК. В свою очередь, скорость синтеза белка в клетках зависит от количества РНК-белковых комплексов. Так была сформулирована центральная догма молекулярной биологии: ДНК ↔ РНК → белок. Дальнейшее развитие молекулярной биологии сопровождалось как развитием её методологии, в частности, изобретением метода определения нуклеотидной последовательности ДНК
3. Микроско́п — прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом. Микроскопирование - Рассматривание, исследование чего-л. под микроскопом.
В микроскопе выделяют две системы: оптическую и механическую (рис. 1). К оптической системе относят объективы, окуляры и осветительное устройство (конденсор с диафрагмой и светофильтром, зеркало или электроосветитель).
Устройство микроскопа включается себя штатив, который является основным конструктивно-механическим блоком микроскопа Чисто механическим узлом микроскопа является предметный столик, предназначенный для крепления или фиксации в определенном положении объекта наблюдения. Объективы микроскопа
— представляют собой оптические системы, предназначенные для построения микроскопического изображения в плоскости изображения с соответствующим увеличением, разрешением элементов, точностью воспроизведения по форме и цвету объекта исследования. Конденсор. Оптическая система конденсора предназначена для увеличения количества света, поступающего в микроскоп. Конденсор располагается между объектом (предметным столиком) и осветителем (источником света). Окуляры
Оптические системы, предназначенные для построения микроскопического изображения на сетчатке глаза наблюдателя. В общем виде окуляры состоят из двух групп линз: глазной — ближайшей к глазу наблюдателя — и полевой — ближайшей к плоскости, в которой объектив строит изображение рассматриваемого объекта.
4.Клетка - это открытая, ограниченная активной мембраной, структурированная система биополимеров (белков и нуклеиновых кислот) и их макромолекулярных комплексов, участвующих в единой совокупности метаболических и энергетических процессов, осуществляющих поддержание и воспроизведение всей системы в целом. Клетке принадлежит роль элементарной структурной, функциональной и генетической единицы. Клетка составляет основу строения, жизнедеятельности и развития всех живых форм - одноклеточных, многоклеточных и даже неклеточных. Благодаря заложенным в ней механизмам клетка обеспечивает обмен веществ, использование биологической информации, размножение, свойства наследственности и изменчивости, обусловливая тем самым присущие органическому миру качества единства и разнообразия.
Занимая в мире живых существ положение элементарной единицы, клетка отличается сложным строением. При этом определенные черты обнаруживаются во всех без исключения клетках, характеризуя наиболее важные стороны клеточной организации как таковой.
На Земле существует две группы организмов. Первая представлена вирусами и фагами, не имеющими клеточного строения. Вторая группа, самая многочисленная, имеет клеточное строение. Среди этих организмов выделяют два типа организации клеток: прокариотический (бактерии и сине-зеленые водоросли) и эукариотический (все остальные).
Клетка - основная структурная, функциональная и генетическая единица организации живого, элементарная живая система. Клетка может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) или в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов. Исследование клетки стало возможно после изобретения первого светового микроскопа в 1590г братьями Янсен. Световой, или оптический микроскоп оставался практически единственным инструментом для изучения клетки на протяжении 350 лет.
Термин «клетка» был предложен английским исследователем Робертом Гуком в 1665 г. Впервые используя микроскоп для изучения срезов пробки, он заметил множество мелких образований, похожих на ячейки пчелиных сот. Роберт Гук дал им название ячейки или клетки. Работы Р. Гука вызвали интерес к дальнейшим микроскопическим исследованиям организмов. Возможности светового микроскопа в XVII-XVIII веках были ограничены. Накопление материала о клеточном строении растений и животных, о структуре самих клеток шло медленно. Открытие ядра и органоидов клетки, выяснение основных функций и структурных особенностей протопласта, т.е. живого содержимого клетки, было осуществлено главным образом в 19 веке и первой половине 20 века усилиями многих ученых. В конечном итоге сложилась особая наука о клетке - цитология.
На рубеже 30-40 годов 19 века немецкими ученым зоологом Т.Шванном и ботаником М.Шлейденом была сформулирована клеточная теория. В 1858 году немецкий ученый Р.Вирхов обосновал принцип преемственности клеток путем деления: "каждая клетка от клетки". У современных и ископаемых организмов известны 2 важнейших типа клеток: прокариотическая и эукариотическая. Различия в их строении послужили основанием для выделения двух подимперий живого мира - прокариот, т.е. доядерных , или предъядерных организмов, и эукариот, т.е. настоящих ядерных.
5. Клеточная теория — одно из общепризнанных биологических обобщений, утверждающих единство принципа строения и развития мира растений, животных и остальных живых организмов с клеточным строением, в котором клетка рассматривается в качестве единого структурного элемента живых организмов. Клеточная теория — основополагающая для биологии теория, сформулированная в середине XIX века, предоставившая базу для понимания закономерностей живого мира и для развития эволюционного учения. Маттиас Шлейден и Теодор Шваннсформулировали клеточную теорию, основываясь на множестве исследований о клетке (1838). Рудольф Вирхов позднее (1858) дополнил её важнейшим положением (всякая клетка происходит от другой клетки).
Шлейден и Шванн, обобщив имеющиеся знания о клетке, доказали, что клетка является основной единицей любого организма. Клетки животных, растений и бактерии имеют схожее строение. Позднее эти заключения стали основой для доказательства единства организмов. Т. Шванн и М. Шлейден ввели в науку основополагающее представление о клетке: вне клеток нет жизни. Клеточная теория дополнялась и редактировалась с каждым разом.
Клетка - единая система, она включает множество закономерно связанных между собой элементов, представляющих целостное образование, состоящее из сопряжённых функциональных единиц - органоидов. Клетки всех организмов гомологичны. Клетка происходит только путём деления материнской клетки. Многоклеточный организм представляет собой сложную систему из множества клеток, объединённых и интегрированных в системы тканей и органов, связанных друг с другом. Клетки многоклеточных организмов тотипотентны.
6 Органоиды — постоянные, обязательно присутствующие, компоненты клетки, выполняющие специфические функции
Эндоплазматическая сеть
Эндоплазматическая сеть (ЭПС), илиэндоплазматический ретикулум (ЭПР), — одномембранный органоид. Представляет собой систему мембран, формирующих «цистерны» и каналы, соединенных друг с другом и ограничивающих единое внутреннее пространство — полости ЭПС. Мембраны с одной стороны связаны с цитоплазматической мембраной, с другой — с наружной ядерной мембраной. Различают два вида ЭПС: 1) шероховатая (гранулярная), содержащая на своей поверхности рибосомы, и 2) гладкая (агранулярная), мембраны которой рибосом не несут. Функции: 1) транспорт веществ из одной части клетки в другую, 2) разделение цитоплазмы клетки на компартменты ( «отсеки»), 3) синтез углеводов и липидов (гладкая ЭПС), 4) синтез белка (шероховатая ЭПС), 5) место образования аппарата Гольджи.
Аппарат Гольджи, или комплекс Гольджи, — одномембранный органоид. Представляет собой стопки уплощенных «цистерн» с расширенными краями. С ними связана система мелких одномембранных пузырьков (пузырьки Гольджи). Каждая стопка обычно состоит из 4-х–6-ти «цистерн», является структурно-функциональной единицей аппарата Гольджи и называется диктиосомой. Число диктиосом в клетке колеблется от одной до нескольких сотен. В растительных клетках диктиосомы обособлены. Функции аппарата Гольджи: 1) накопление белков, липидов, углеводов, 2) модификация поступивших органических веществ, 3) «упаковка» в мембранные пузырьки белков, липидов, углеводов, 4) секреция белков, липидов, углеводов, 5) синтез углеводов и липидов, 6) место образования лизосом. Секреторная функция является важнейшей, поэтому аппарат Гольджи хорошо развит в секреторных клетках.
Лизосомы — одномембранные органоиды. Представляют собой мелкие пузырьки (диаметр от 0,2 до 0,8 мкм), содержащие набор гидролитических ферментов. Ферменты синтезируются на шероховатой ЭПС, перемещаются в аппарат Гольджи, где происходит их модификация и упаковка в мембранные пузырьки, которые после отделения от аппарата Гольджи становятся собственно лизосомами. Лизосома может содержать от 20 до 60 различных видов гидролитических ферментов. Расщепление веществ с помощью ферментов называют лизисом. Различают: 1) первичные лизосомы, 2) вторичные лизосомы. Первичными называются лизосомы, отшнуровавшиеся от аппарата Гольджи. Первичные лизосомы являются фактором, обеспечивающим экзоцитоз ферментов из клетки. Вторичными называются лизосомы, образовавшиеся в результате слияния первичных лизосом с эндоцитозными вакуолями. В этом случае в них происходит переваривание веществ, поступивших в клетку путем фагоцитоза или пиноцитоза, поэтому их можно назвать пищеварительными вакуолями.
Автофагия — процесс уничтожения ненужных клетке структур. Сначала подлежащая уничтожению структура окружается одинарной мембраной, затем образовавшаяся мембранная капсула сливается с первичной лизосомой, в результате также образуется вторичная лизосома (автофагическая вакуоль), в которой эта структура переваривается. Продукты переваривания усваиваются цитоплазмой клетки, но часть материала так и остается непереваренной. Вторичная лизосома, содержащая этот непереваренный материал, называется остаточным тельцем. Путем экзоцитоза непереваренные частицы удаляются из клетки. Автолиз — саморазрушение клетки, наступающее вследствие высвобождения содержимого лизосом. В норме автолиз имеет место при метаморфозах (исчезновение хвоста у головастика лягушек), инволюции матки после родов, в очагах омертвления тканей. Функции лизосом: 1) внутриклеточное переваривание органических веществ, 2) уничтожение ненужных клеточных и неклеточных структур, 3) участие в процессах реорганизации клеток.
Вакуоли — одномембранные органоиды, представляют собой «емкости», заполненные водными растворами органических и неорганических веществ. В образовании вакуолей принимают участие ЭПС и аппарат Гольджи. Молодые растительные клетки содержат много мелких вакуолей, которые затем по мере роста и дифференцировки клетки сливаются друг с другом и образуют одну большую центральную вакуоль. Центральная вакуоль может занимать до 95% объема зрелой клетки, ядро и органоиды оттесняются при этом к клеточной оболочке. Мембрана, ограничивающая растительную вакуоль, называется тонопластом. Жидкость, заполняющая растительную вакуоль, называется клеточным соком. В состав клеточного сока входят водорастворимые органические и неорганические соли, моносахариды, дисахариды, аминокислоты, конечные или токсические продукты обмена веществ (гликозиды, алкалоиды), некоторые пигменты (антоцианы... Функции вакуоли: 1) накопление и хранение воды, 2) регуляция водно-солевого обмена, 3) поддержание тургорного давления, 4) накопление водорастворимых метаболитов, запасных питательных веществ, 5) окрашивание цветов и плодов и привлечение тем самым опылителей и распространителей семян, 6) см. функции лизосом.
Эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы и вакуоли образуют единую вакуолярную сеть клетки, отдельные элементы которой могут переходить друг в друга.
Митохондрии Форма, размеры и количество митохондрий чрезвычайно варьируют. По форме митохондрии могут быть палочковидными, округлыми, спиральными, чашевидными, разветвленными. Длина митохондрий колеблется в пределах от 1,5 до 10 мкм, диаметр — от 0,25 до 1,00 мкм. Количество митохондрий в клетке может достигать нескольких тысяч и зависит от метаболической активности клетки. Митохондрия ограничена двумя мембранами. Наружная мембрана митохондрий (1) гладкая, внутренняя (2) образует многочисленные складки — кристы (4). Кристы увеличивают площадь поверхности внутренней мембраны, на которой размещаются мультиферментные системы (5), участвующие в процессах синтеза молекул АТФ. Внутреннее пространство митохондрий заполнено матриксом (3). В матриксе содержатся кольцевая ДНК (6), специфические иРНК, рибосомы прокариотического типа (70S-типа), ферменты цикла Кребса. Митохондриальная ДНК не связана с белками («голая»), прикреплена к внутренней мембране митохондрии и несет информацию о строении примерно 30 белков. Для построения митохондрии требуется гораздо больше белков, поэтому информация о большинстве митохондриальных белков содержится в ядерной ДНК, и эти белки синтезируются в цитоплазме клетки. Митохондрии способны автономно размножаться путем деления надвое. Между наружной и внутренней мембранами находится протонный резервуар, где происходит накопление Н+. Функции митохондрий: 1) синтез АТФ, 2) кислородное расщепление органических веществ. Согласно одной из гипотез (теория симбиогенеза) митохондрии произошли от древних свободноживущих аэробных прокариотических организмов, которые, случайно проникнув в клетку-хозяина, затем образовали с ней взаимовыгодный симбиотический комплекс. В пользу этой гипотезы свидетельствуют следующие данные. Во-первых, митохондриальная ДНК имеет такие же особенности строения как и ДНК современных бактерий (замкнута в кольцо, не связана с белками). Во-вторых, митохондриальные рибосомы и рибосомы бактерий относятся к одному типу — 70S-типу. В-третьих, механизм деления митохондрий сходен с таковым бактерий. В-четвертых, синтез митохондриальных и бактериальных белков подавляется одинаковыми антибиотиками.
Пластиды характерны только для растительных клеток. Различают три основных типа пластид: лейкопласты — бесцветные пластиды в клетках неокрашенных частей растений, хромопласты — окрашенные пластиды обычно желтого, красного и оранжевого цветов, хлоропласты — зеленые пластиды. Хлоропласты. В клетках высших растений хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы. Длина хлоропластов колеблется в пределах от 5 до 10 мкм, диаметр — от 2 до 4 мкм. Хлоропласты ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана (1) гладкая, внутренняя (2) имеет сложную складчатую структуру. Наименьшая складка называется тилакоидом (4). Группа тилакоидов, уложенных наподобие стопки монет, называется граной (5). В хлоропласте содержится в среднем 40–60 гран, расположенных в шахматном порядке. Граны связываются друг с другом уплощенными каналами — ламеллами (6). В мембраны тилакоидов встроены фотосинтетические пигменты и ферменты, обеспечивающие синтез АТФ. Главным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл, который и обусловливает зеленый цвет хлоропластов. Внутреннее пространство хлоропластов заполнено стромой (3). В строме имеются кольцевая «голая» ДНК, рибосомы 70S-типа, ферменты цикла Кальвина, зерна крахмала (7). Внутри каждого тилакоида находится протонный резервуар, происходит накопление Н+. Хлоропласты, также как митохондрии, способны к автономному размножению путем деления надвое. Они содержатся в клетках зеленых частей высших растений, особенно много хлоропластов в листьях и зеленых плодах. Хлоропласты низших растений называют хроматофорами. Функция хлоропластов: фотосинтез. Полагают, что хлоропласты произошли от древних эндосимбиотических цианобактерий (теория симбиогенеза). Основанием для такого предположения является сходство хлоропластов и современных бактерий по ряду признаков (кольцевая, «голая» ДНК, рибосомы 70S-типа, способ размножения). Лейкопласты. Форма варьирует (шаровидные, округлые, чашевидные и др.). Лейкопласты ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя образует малочисленные тилакоиды. В строме имеются кольцевая «голая» ДНК, рибосомы 70S-типа, ферменты синтеза и гидролиза запасных питательных веществ. Пигменты отсутствуют. Особенно много лейкопластов имеют клетки подземных органов растения (корни, клубни, корневища и др.). Функция лейкопластов: синтез, накопление и хранение запасных питательных веществ. Амилопласты — лейкопласты, которые синтезируют и накапливают крахмал, элайопласты — масла, протеинопласты — белки. В одном и том же лейкопласте могут накапливаться разные вещества. Хромопласты. Ограничены двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, внутренняя или также гладкая, или образует единичные тилакоиды. В строме имеются кольцевая ДНК и пигменты — каротиноиды, придающие хромопластам желтую, красную или оранжевую окраску. Форма накопления пигментов различная: в виде кристаллов, растворены в липидных каплях (8) и др. Содержатся в клетках зрелых плодов, лепестков, осенних листьев, редко — корнеплодов. Хромопласты считаются конечной стадией развития пластид. Функция хромопластов: окрашивание цветов и плодов и тем самым привлечение опылителей и распространителей семян. Все виды пластид могут образовываться из пропластид. Пропластиды — мелкие органоиды, содержащиеся в меристематических тканях. Поскольку пластиды имеют общее происхождение, между ними возможны взаимопревращения. Лейкопласты могут превращаться в хлоропласты (позеленение клубней картофеля на свету), хлоропласты — в хромопласты (пожелтение листьев и покраснение плодов). Превращение хромопластов в лейкопласты или хлоропласты считается невозможным.
Рибосомы — немембранные органоиды, диаметр примерно 20 нм. Рибосомы состоят из двух субъединиц — большой и малой, на которые могут диссоциировать. Химический состав рибосом — белки и рРНК. Молекулы рРНК составляют 50–63% массы рибосомы и образуют ее структурный каркас. Различают два типа рибосом: 1) эукариотические (с константами седиментации целой рибосомы — 80S, малой субъединицы — 40S, большой — 60S) и 2) прокариотические (соответственно 70S, 30S, 50S). В составе рибосом эукариотического типа 4 молекулы рРНК и около 100 молекул белка, прокариотического типа — 3 молекулы рРНК и около 55 молекул белка. Во время биосинтеза белка рибосомы могут «работать» поодиночке или объединяться в комплексы — полирибосомы (полисомы). В таких комплексах они связаны друг с другом одной молекулой иРНК. Прокариотические клетки имеют рибосомы только 70S-типа. Эукариотические клетки имеют рибосомы как 80S-типа (шероховатые мембраны ЭПС, цитоплазма), так и 70S-типа (митохондрии, хлоропласты). Субъединицы рибосомы эукариот образуются в ядрышке. Объединение субъединиц в целую рибосому происходит в цитоплазме, как правило, во время биосинтеза белка. Функция рибосом: сборка полипептидной цепочки (синтез белка).
Цитоскелет образован микротрубочками и микрофиламентами. Микротрубочки — цилиндрические неразветвленные структуры. Длина микротрубочек колеблется от 100 мкм до 1 мм, диаметр составляет примерно 24 нм, толщина стенки — 5 нм. Основной химический компонент — белок тубулин. Микротрубочки разрушаются под воздействием колхицина. Микрофиламенты — нити диаметром 5–7 нм, состоят из белка актина. Микротрубочки и микрофиламенты образуют в цитоплазме сложные переплетения.Функции цитоскелета: 1) определение формы клетки, 2) опора для органоидов, 3) образование веретена деления, 4) участие в движениях клетки, 5) организация тока цитоплазмы.
Клеточный центр включает в себя две центриоли и центросферу. Центриоль представляет собой цилиндр, стенка которого образована девятью группами из трех слившихся микротрубочек (9 триплетов), соединенных между собой через определенные интервалы поперечными сшивками. Центриоли объединены в пары, где они расположены под прямым углом друг к другу. Перед делением клетки центриоли расходятся к противоположным полюсам, и возле каждой из них возникает дочерняя центриоль. Они формируют веретено деления, способствующее равномерному распределению генетического материала между дочерними клетками. В клетках высших растений (голосеменные, покрытосеменные) клеточный центр центриолей не имеет. Центриоли относятся к самовоспроизводящимся органоидам цитоплазмы, они возникают в результате дупликации уже имеющихся центриолей. Функции: 1) обеспечение расхождения хромосом к полюсам клетки во время митоза или мейоза, 2) центр организации цитоскелета.
7 .Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды[1]) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью . В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций создают молекулы белков с большим разнообразием свойств. Кроме того, аминокислотные остатки в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул разных белков образуют сложные комплексы, например, фотосинтетический комплекс.
Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров — полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и вклеточном цикле.
Белки — важная часть питания животных и человека (основные источники: мясо, птица, рыба, молоко, орехи, бобовые, зерновые; в меньшей степени: овощи, фрукты, ягоды и грибы), поскольку в их организмах не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть должна поступать с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются для биосинтеза собственных белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.
Определение аминокислотной последовательности первого белка — инсулина — методом секвенирования белков принесло Фредерику Сенгеру Нобелевскую премию по химии в 1958 году. Первые трёхмерные структуры белковгемоглобина и миоглобина были получены методом дифракции рентгеновских лучей, соответственно, Максом Перуцем и Джоном Кендрю в конце 1950-х годов[2][3], за что в 1962 году они получили Нобелевскую премию по химии.
8.особенности пространственной структуры белка
Макромолекулы: белки и нуклеиновые кислоты играют выдающуюся роль в построении живой материи и осуществлении процессов жизнедеятельности, так как белки - это структура и функционирование живой материи, а нуклеиновые кислоты – потенциальные возможности организма (наследственная информация и её реализация с помощью РНК и белков). В основе каждого белка лежит полипептидная цепь. Она не просто вытянута в пространстве, а организована в трехмерную структуру. Поэтому существует понятие о 4-х уровнях пространственной организации белка, а именно - первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах белковых молекул. Первичная структура белка - последовательность аминокислотных фрагментов, прочно (и в течение всего периода существования белка) соединенных пептидными связями. Существует период полужизни белковых молекул - для большинства белков около 2-х недель. Если произошел разрыв хотя бы одной пептидной связи, то образуется уже другой белок. Для первичной структуры характерна последовательность аминокислотных остатков и пептидная связь между аминокислотами(в виде линии). Первичная- чередование аминокислот в полипептидной цепи. Вторичная структура - это пространственная организация стержня полипептидной цепи. Вторичная- полипептидная цепь в виде спирали и связывается благодаря водородной связи. (пептидная и водородная связи).Существуют 3 главнейших типа вторичной структуры:
1) Альфа-спираль - имеет определенные характеристики: ширину, расстояние между двумя витками спирали. Для белков характерна правозакрученная спираль. В этой спирали на 10 витков приходится 36 аминокислотных остатков. У всех пептидов, уложенных в такую спираль, эта спираль абсолютно одинакова. Фиксируется альфа-спираль с помощью водородных связей между NH-группами одного витка спирали и С=О группами соседнего витка. Эти водородные связи расположены параллельно оси спирали и многократно повторяются, поэтому прочно удерживают спиралеобразную структуру. Более того, удерживают в несколько напряженном состоянии (как сжатую пружину).
2) Бета-складчатая структура - или структура складчатого листа. Фиксируется также водородными связями между С=О и NH-группами. Фиксирует два участка полипептидной цепи. Эти цепи могут быть параллельны или антипараллельны. Если такие связи образуются в пределах одного пептида, то они всегда антипараллельны, а если между разными полипептидами, то параллельны.
3) Нерегулярная структура - тип вторичной структуры, в котором расположение различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет регулярного (постоянного) характера, поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную конформацию.
Третичная структура - это трехмерная архитектура полипептидной цепи – особое взаимное расположение в пространстве спиралеобразных, складчатых и нерегулярных участков полипептидной цепи. Третичная – спирализованная молекула белка образует клубок благодаря дисульфидной связи(пептидная, водородная и дисульфидная связи).У разных белков третичной структуры различна. В формировании третичной структуры участвуют дисульфидные связи и все слабые типы связей.
Выделяют два общих типа третичной структуры:
1) В фибриллярных белках (например, коллаген, эластин) молекулы которых имеют вытянутую форму и обычно формируют волокнистые структуры тканей, третичная структура представлена либо тройной альфа-спиралью (например, в коллагене), либо бета-складчатыми структурами.
2) В глобулярных белках, молекулы которых имеют форму шара или эллипса (латинское название: GLOBULA - шар), встречается сочетание всех трех типов структур: всегда есть нерегулярные участки, есть бета-складчатые структуры и альфа-спирали.
Обычно в глобулярных белках гидрофобные участки молекулы находятся в глубине молекулы. Соединяясь между собой, гидрофобные радикалы образуют гидрофобные кластеры (центры). Формирование гидрофобного кластера вынуждает молекулу соответствующим образом изгибаться в пространстве. Обычно в молекуле глобулярного белка бывает несколько гидрофобных кластеров в глубине молекулы. Это является проявлением двойственности свойств белковой молекулы: на поверхности молекулы - гидрофильные группировки, поэтому молекула в целом - гидрофильная, а в глубине молекулы - спрятаны гидрофобные радикалы.
Четвертичная структура встречается не у всех белков, а только у тех, которые состоят из двух или более полипептидных цепей. Четвертичная- состоит из нескольких соединенных между собой клубков. (пептидная, водородная, дисульфидная и 4ый вид связи). Каждая такая цепь называется СУБЪЕДИНИЦЕЙ данной молекулы (или ПРОТОМЕРОМ). Поэтому белки, обладающие четвертичной структурой, называют ОЛИГОМЕРНЫМИ белками. В состав белковой молекулы могут входить одинаковые или разные субъединицы. Например, молекула гемоглобина «А» состоит из двух субъединиц одного типа и двух субъединиц другого типа, то есть является тетрамером. Фиксируются четвертичные структуры белков всеми типами слабых связей, а иногда еще и дисульфидными связями.
9)свойства и функции белка
Пластическая, строительная функция: белки - строительный материал живого, основа любой клетки, мембраны, субклеточных частиц.
Регуляторная функция:
а) ферменты- биокатализаторы белковой природы, регулирующие скорость химических реакций организма;
б) гормоны белковой природы – регуляторы обмена веществ организма;
в) специфические белки регуляторы, например белки тропонинового комплекса – регуляторы мышечного сокращения.
Транспортная функция: белки плазмы крови транспортируют липиды крови, типичным примером белка транспортера является гемоглобин, ацилпереносящий белок и т.д.
Защитная функция: примерами является иммуноглобулины, белки свертывающей системы крови, интерфероны и т.д.
Белки обеспечивают видовую и индивидуальную специфичность ( например : белки групп крови).
Другие специфические функции:
а) опорно-механическая (белок- коллаген); б) сократительная (миозин, актин); в) белки памяти;г) белки вкуса; д) токсикогенная функция (ботулинический токсин является белком); е) генно-регуляторная – регуляция матричной активности и перенос генетической информации; ж) рецепторная (составляет основу структуры мембранных и цитозольных рецепторов); Резервная (альбумин яйца – запасной материал для развивающихся клеток).
Энергетическая (неспецифическая функция: при распаде 1 г. белка выделяется 17,1 кДж энергии).
По количественному содержанию в организме белки занимают второе место после воды, по значимости – первое место. В среднем принимают, что в сухом веществе организма содержится до 40-50% белка.
Только детально изучив строение белков и их свойства можно понять как перечисленные особенности белков, так и их функции.
Денатурация белков
Белковые структуры очень чувствительны к изменениям среды, особенно третичная и четвертичная. Белки с неизмененными структурами и свойствами, присущими природным молекулам, называются нативными белками. Любое негидролитическое изменение структуры белка, приводящее к изменению его биологических и физико-химических свойств – называется денатурацией (негидролитическое, т.е. не затрагивающее пептидную связь, первичную структуру).
Факторы денатурации:
физические: температура, давление, ультразвук:
химические: кислоты, щелочи, детергенты, тяжелые металы, мочевина;
биологические: протеолитические ферменты.
Денатурированные белки отличаются по свойствам от нативных белков.
Признаки денатурации:
Т.о. при денатурации белки теряют все свои свойства и в первую очередь биологические, а также физико-химические свойства.
Денатурация – процесс обратимый, если воздействие кратковременно и денатурирующий агент удален раньше, чем оказалась затронутой вторичная структура.
Денатурация находит широкое применение в медицине, промышленности, в лабораторной практике, быту.
Ренатурация – восстановление структуры белка . когда не произошло разрушения первичной структуры молекулы и восстановились нормальные условия среды.
10.строение ДНК
Открытие ДНК молекулы произошло в 1953 году. Френсис Крик и Джеймс Уотсон открыли структуру двойной спирали ДНК, их работа впоследствии была отмечена Нобелевской премией.
ДНК представляет собой двойную нить, скрученную в спираль. Каждая нить состоит из «кирпичиков» — из последовательно соединенных нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК содержит одно из четырёх азотистых оснований — гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин (T) и цитозин (C) (пиримидины), связанное с дезоксирибозой, к последней, в свою очередь, присоединена фосфатная группа. Между собой соседние нуклеотиды соединены в цепи фосфодиэфирной связью, образованной 3’-гидроксильной (3’-ОН) и 5’-фосфатной группами (5’-РО3). Это свойство обуславливает наличие полярности в ДНК, т. е. противоположной направленности, а именно 5’- и 3’-концов: 5’-концу одной нити соответствует 3’-конец второй нити.
11.особенности пространственной организации ДНК
Первичная структура ДНК — это линейная последовательность нуклеотидов ДНК в цепи. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК записывают в виде буквенной формулы ДНК: например — AGTCATGCCAG, запись ведется с 5’- на 3’-конец цепи ДНК.
Вторичная структура ДНК образуется за счет взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, водородных связей. Классический пример вторичной структуры ДНК — двойная спираль ДНК. Двойная спираль ДНК — самая распространенная в природе форма ДНК, состоящая из двух полинуклеотидных цепей ДНК. Построение каждой новой цепи ДНК осуществляется по принципу комплементарности, т. е. каждому азотистому основанию одной цепи ДНК соответствует строго определенное основание другой цепи: в комплементарной паре напротив A стоит T, а напротив G располагается C и т.д.
Первичная структура ДНК фосфодиэфирной связью между остатком фосфорной кислоты (отщепляется водород)с 5* конца на 3* конец.
Вторичная структура ДНК – это две комплиментарные антипараллельные полинуклеотидные цепи . вторичная структура ДНК образуется водородной связью. Между аденином и тимином двойная водородная связь, а между гуанином и цитозином тройная.
Третичная структура ДНК – закручивание полинуклеотидной цепи вокруг своей оси , образование пространственной структуры молекулы ДНК со своими характеристиками . диаметр спирали молекулы ДНК=2нм, шаг спирали = 3,4 нм, в 1 шаг входит 10 нуклеотидных пар.
12.свойства и функции ДНК
Функция ДНК в клетке – хранение наследственной информации. Функциональной единицей является ген. Ген – определенная последовательность нуклеотидов (500 – 2000 нуклеотидных единиц) с помощью которых закодирован определенный признак (морфогенез, старение, устойчивость к антибиотикам, половая дифференциация, цвет кожи, глаз).
Структурный ген – закодированный признак. Для его функционирования необходимо 2 регуляторных гена: ген – регулятор и ген – оператор (они могут быть рядом, могут быть удалены). Ген – оператор, ген – регулятор и структурный ген вместе составляют оперон. Оперон – функциональная надструктура генетического аппарата. Сколько признаков, сколько оперонов, например, к структурным генам относится гены, ответственные за синтез белка и если белков- 5 миллионов, то оперонов – 5 миллионов.
Свойства ДНК:
1)репликация – синтез молекулы ДНК из одной образуется вторая.
2)репарация- восстановление молекулы ДНК.
13.особенности строения митохондриальной ДНК
митохондриальная ДНК (мтДНК) находится внутри митохондрий, небольших образований, располагающихся в цитоплазме клетки, в отличие от ядерной ДНК, упакованной в хромосомы внутри ядра. Митохондрии имеются у большинства эукариот и имеют единое происхождение, как считается, от одной древней бактерии, когда-то на заре эволюции поглощенной клеткой и превратившейся в ее составную часть, которой были "поручены" очень важные функции. Митохондрии часто называют "энергетическими станциями" клеток по той причине, что внутри них вырабатывается аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), химическую энергию которой клетка может расходовать практически везде, подобно тому как человек использует в своих целях энергию топлива или электричества. И точно так же, производство топлива и электричества требует немалых затрат человеческого труда и слаженной работы большого количества специалистов, получение АТФ внутри митохондрии (или "клеточное дыхание", как его называют) использует огромную массу клеточных ресурсов, включая "топливо" в виде кислорода и некоторых органических веществ, и конечно предполагает участие в этом процессе сотен белков, каждый из которых выполняет свои специфические функции.
Митохондриальная ДНК – находятся на митохондриях , есть свои митохондриальные рибосомы и синтезирует митохондриальные белки( 15-20 штук). Если происходят мутации- митохондриальные болезни, наследуется только по женской линии, так как в женском организме много митохондрии.митохонриальные ДНК напоминают ДНК прокариот.
14. Передача генетической информации осуществляется с помощью трех механизмов: репликации, транскрипции, трансляции. Репликация (досл. «удвоение» ДНК) – это многоэтапный, упорядоченный процесс, идущий по матрице ДНК в направлении 5`à3`, в результате которого из каждой молекулы ДНК образуется 2 абсолютно идентичные, «дочерние» ДНК. С репликации ДНК начинается процесс деления клетки. Репликация ДНК начинается на многих участках (репликативных единицах) и идет одновременно по обеим цепям. Репликация идет полуконсервативным путем: у каждой дочерней ДНК одна из цепей – исходная (материнская), а вторая вновь образованная (дочерняя) . В процессе репликации участвует около 30 белков и ферментов, образующих репликативный комплекс: расплетающие ферменты (геликаза и ДНК-топоизомеразы), ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы, ДНК-зависимые РНК-полимеразы. В геноме человека репликация происходит в течение 9 часов. Это необходимо для образования тетраплоидного генома из диплоидного в реплицирующейся клетке. Для репликации необходимо наличие множественных мест репликации (репликативных единиц – их около 100). Этапы репликации
Идентификация места начала репликации: оно находится вблизи регионов, богатых А-Т (ori-сайты). Таких сайтов должно быть не менее 100. В каждом сайте к ДНК присоединяются 4 молекулы особого белка – O-белка.
Раскручивание ДНК: в местах присоединения О-белков начинается локальное раскручивание ДНК, при этом образуются репликативные пузыри. В этом процессе участвуют хеликаза и ДНК-связывающий белок, обозначаемый как SSB-белок (от англ. single-strandbindingprotein). SSB-белок стабилизирует связь хеликазы с ДНК и поддерживает ДНК в раскрученном состоянии.
Образование репликативной вилки: при раскручивании происходит разрыв водородных связей между азотистыми основаниями полинуклеотидных цепей, при этом происходит расхождение цепей и образуется репликативная вилка. 2 и 3 этапы ускоряет АТФ-зависимый комплекс ферментов, названный геликазой . На разделение каждой пары оснований требуется 2 АТФ. Кроме этого в раскручивании участвуют ДНК-топоизомеразы – АТФ-независимые ферменты. Каждая из разделенных цепей ДНК соединяется с ДНК-связывающим белком (SSB-белок), который препятствует обратному восстановлению цепей
Комплиментарная подстройка дНТФ к освободившимся пуриновым и пиримидиновым основаниям материнских цепей ДНК. При этом происходит отщепление от дНТФ молекул пирофосфатов (РР), а выделяющаяся энергия идет на образование фосфорнодиэфирных связей между дезоксирибозами и остатками фосфорной кислоты. Эту стадию ускоряет ДНК-полимеразы. У человека имеется 5 видов ДНК-полимераз: альфа (участвует в заполнении пробела и синтезе ретроградной (отстающей цепи), бета (участвует в репарации ДНК), эпсилон (обеспечивает правильность считывания информации и в репарации ДНК), гамма (участвует в синтезе митохондриальных ДНК), сигма (участвует в синтезе ведущей (лидирующей) цепи). Синтез новых цепей идет в направлении 5-3, поэтому на одной из цепей материнской ДНК новая цепь наращивается непрерывно. На другой цепи образуются короткие фрагменты новой цепи – фрагменты Оказаки. Затем концы этих фрагментов соединяются (сшиваются) между собой под действием ДНК-лигазы.
Респирализация полинуклеотидных цепей и образование третичной и четвертичной структур ДНК.
Таким образом, происходит образование дочерней молекулы ДНК. Затем делится ядро, цитоплазма, другие клеточные структуры. Заканчивается процесс образованием 2-х дочерних клеток, ядра которых получили совершенно идентичные ДНК. Таким образомо, вся генетическая информация, хранящаяся в ДНК материнских клеток, передается в ДНК дочерних клеток. В этом заключается передача и сохранение наследственных признаков.
Вторая роль ДНК заключается в кодировании первичной структуры белков, синтезируемых клеткой. При этом в синтезе специфических белков ДНК принимает косвенное, а не прямое участие. Оно состоит в том, что на ДНК происходит синтез всех РНК, которые уже непосредственно участвуют в процессе образования клеточных белков. Синтез молекул РНК называется транскрипцией.
Транскрипция - «переписывание» информации с ДНК на РНК
При транскрипции идет синтез молекул РНК всех типов, т.к. на молекуле ДНК имеются участки, кодирующие первичную структуру каждого вида РНК. Участок ДНК, где записана информация о строении РНК, называется оперон. Транскрипция – это переписывание генетической информации с определенного оперона ДНК. Этот процесс имеет как сходства, так и различия с репликацией.
Сходства: 1) оба процесса начинаются с деспирализации ДНК; 2) после деспирализации разрываются водородные связи между азотистыми основаниями обеих цепей ДНК и образуется репликативная вилка; 3) за счет разрыва макроэргических связей при отщеплении пирофосфатов идет образование фосфодиэфирных связей между азотистыми основаниями.
Отличия: 1) при репликации ДНК деспирализуется на всем протяжении, а при транскрипции только определенный ее участок, который называется транскриптоном. В транскриптоне различают ген-оператор, ген-промотор, структурные гены и терминирующие гены; 2) при транскрипции используются НТФ (в отличие от дНТФ в них рибоза вместо дезоксирибозы; урацил вместо тимина); 3) при транскрипции списывание информации идет только с определенноготранскриптона; 4) полимеразная реакция при транскрипции катализируется РНК-полимеразой. Различают три вида РНК-полимеразы, которые обозначаются римскими цифрами. Каждый вид фермента катализирует синтез одного из трех видов РНК. РНК-полимераза присоединяется к гену-промотору. Для активности этого фермента необходим дополнительный белковый фактор (сигма-фактор), который способствует более прочному связыванию РНК-полимеразы с промотором. Синтез РНК происходит в направлении 5`-3`. По мере освобождения промотора к нему могут присоединяться новые молекулы РНК-полимеразы, так что ген может транскрибироваться одновременно большим количеством молекул фермента. При достижении ферментом терминирующего кодона, синтезированная пре-РНК отделяется от ДНК. В этом процессе участвует особый белковый фактор – ро-фактор; 5) посттранскрипционная модификация молекул пре-РНК (процессинг РНК).
Для нормального функционирования любой РНК необходимо, чтобы ее первичная структура состояла только из участков, списанных с экзонов ДНК. Первоначально образованные РНК еще незрелые и называются пре-м-РНК, пре-т-РНК, пре-р-РНК. Эти пре-РНК подвергаются процессингу. Вначале с участием специальных ферментов вырезаются «молчащие» участки, а затем информативные участки «сшиваются», образуя целую полинуклеотидную цепь. «Сшивание» называется сплайсингом. Последующие превращения специфичны для каждого вида РНК.
Для м-РНК – это кэпирование или «надевание шапочки», т.е присоединение к начальному концу (к 5’) участку 7-метилгуанозина через три остатка фосфорной кислоты, это «голова» м-РНК. К конечному участку (к 3’) в ядре или в цитоплазме присоединяется полиаденилат (состоит из 100-200 остатков АМФ), образуется «хвост» м-РНК. Такая маркировка необходима для обозначения направления считывания информации в процессе биосинтеза белка.
Для т-РНК Молекулы т-РНК вначале образуются в виде больших предшественников, которые часто содержат более одной молекулы т-РНК, подвергающихся нуклеолитическому процессингу. После освобождения от неинформативных участков в т-РНК происходит модификация оснований – появляются минорные основания (в результате метилирования и др. реакций). К 3` концу т-РНК в цитоплазме присоединяется ЦЦА-триплет. Он служит местом прикрепления соответствующей аминокислоты.
Для р-РНК Процессинг этого вида РНК происходит в ядрышке. Пре-рРНК в ядрышке подвергается метилированию.
Все типы зрелых РНК затем соединяются с белком, который защищает их от разрушения, улучшает транспортировку в цитоплазму.
Трансляция - «перевод» информации, записанной на иРНК в последовательность аминокислот синтезируемых молекул белка
Это перевод генетической информации, хранящейся в и-РНК в виде определенной последовательности кодонов в линейную последовательность аминокислот п/п цепи белка. Этот процесс можно разделить на 5 стадий:
1) узнавание и активация аминокислоты (происходит в цитоплазме клеток);
2) образование инициирующего комплекса;
3) элонгация, т.е. удлинение п/п цепи;
4) терминация (окончание роста п/п цепи) и отделение ее от рибосомы.
5) Образование нативной структуры белка.
Узнавание аминокислоты. Происходит в цитозоле постоянно, необходимы: набор аминокислот, т-РНК, связанные с ними специфические для каждой аминокислоты АРС-азы и ионы магния как активаторы этих ферментов. Процесс активации состоит из 2-х реакций: 1) образование аминоациладенилата за счет энергии АТФ
2) образование транспортно-активной формы аминокислоты – аминоацил-т-РНК
Такая активная форма аминокислоты с помощью т-РНК доставляется к рибосоме, где идет биосинтез белка. Место каждой аминокислоты в этой цепи определяется с помощью антикодона т-РНК.
Второй этап, или стадия – образование инициирующего комплекса
Для образования инициирующего комплекса необходимы: м-РНК, рибосома, метионил-т-РНК, ГТФ, ионы магния, факторы инициации.
(1) Вначале рибосома диссоциирует на малую и большую субъединицы. Это происходит при участии факторов инициации-1 и 3.
(2) Затем к малой субъединице присоединяется тройной комплекс, состоящий из метионил-т-РНК, ГТФ и фактора инициации-2, при этом образуется преинициаторный комплекс.
(3) К преинициаторному комплексу при участии факторов инициации-4 присоединяется м-РНК, полученный комплекс при участии фактора инициации-5 соединяется с большой субъединицей и образуется инициаторный комплекс.
Таким образом, создается условие, необходимое для биосинтеза белка – целостность рибосомы. Структура, включающая обе субъединицы рибосомы, м-РНК с инициирующим кодоном и связанную с ним метионил-т-РНК, называется инициаторным комплексом.
Третий этап – элонгация
Эта стадия протекает столько раз, сколько нужно присоединить остатков аминокислот. В элонгации участвуют факторы элонгации, ГТФ. Эта стадия включает: а) присоединение аминоацил-т-РНК к “А”-участку рибосомы; б) образование пептидной связи; в) транслокация.
Ко второму кодону, находящемуся в участке “А”, подходит комплементарная аминоацил-т-РНК. Антикодон т-РНК присоединяется ко второму кодону. Затем происходит образование пептидной связи за счет разрыва макроэргической связи между т-РНК и мет. Затем рибосома делает один шаг по м-РНК и в участке “Р” оказывается дипептид. Свободная т-РНК оказывается за пределами рибосомы и может снова использоваться для транспорта своей аминокислоты. К участку “А” подходит очереднаяаминоацил-т-РНК и если ее антикодон соответствует кодону в этом участке, то происходит присоединение аминоацил-т-РНК к антикодону. Так, рибосома делает шаг за шагом по м-РНК пока не будет считана вся информация данной м-РНК.
Четвертый этап – терминация
Для терминации необходимы высвобождающие факторы и ГТФ. Терминация наступает тогда, когда в участке “А” устанавливается стоп-кодон (УАА, УАГ, УГА). Эти кодоны не соответствуют ни одной из аминокислот. При этом происходит отщепление синтезированного полипептида от конечной т-РНК. Если клетке необходимо несколько белков с одинаковой структурой, то на одну м-РНК нанизывается несколько рибосом, образуя полисому. М-РНК, отделившись от рибосомы, гидролизуетсярибонуклеазами, поэтому продолжительность жизни у м-РНК невелика, но они энергично работают, соединяя за 1 секунду около 20 аминокислот.
Пятый этап – образование нативной структуры белка (фолдинг). Синтезированный полипептид подвергается фолдингу (приобретение вторичной, третичной и четвертичной структуры).
Помимо фолдинга, если синтезируется сложный белок, то при этом происходят реакции гликозилирования, сульфатирования, присоединения металлов, витаминов, гидроксилирование и т.п. Менее известны реакции фарнезилирования остатков цистеина ряда белков: белка G, группы белков ядерного матрикса, белков-онкогенов ras и протоонкогенов. Получены доказательства, что блокирование фарнезилирования приводит к потере канцерогенной активности онкогена ras.
Помимо использования белков для нужд клетки, где они синтезировались, многие белки (секретируемые) функционируют вне клетки и подвергаются переносу через клеточную мембрану при помощи особых низкомолекулярных пептидов (состоят из 15-30аминокислот), получивших название лидирующих, или сигнальных пептидов. Кроме них в переносе синтезированных белков через мембраны клеток участвуют особые белки – порины.
Фолдинг (факультативный материал) В этом процессе участвуют особые белки – шапероныи 2 фермента – изомераза и пептидил. Белки-шапероны – кальнексин, кальретикулин и др. проявляют АТФ-азную активность. При связывании с такими белками, АДФ замещается на АТФ. АТФ-шаперон-комплекс позволяет фрагменту белка подвергаться фолдингу. Белки-шапероны участвуют в фолдинге также посредством выполнения защитной функции: Шапероны представляют собой двойные кольцевые молекулы, в центре которых создаются благоприятные условия для фолдинга, т.к. Шапероны защищают молекулы синтезированного белка от температурных перепадов, создавая антишоковую среду.
Дисульфидные связи (- S-S-) стабилизируют как вторичную так и третичную структуры белка. Фермент дисульфидизомераза ускоряет процесс перегруппировки этих связей до тех пор, пока они не установятся там, где должны находится в зрелой молекуле белка.
Пептидная связь, образованная при биосинтезе белка имеет транс-конфигурацию. Известно, что в молекулах зрелых белков 10% этих связей находятся в цис-конфигурации, т.е. при фолдинге белка должно происходить изменение транс-конфигурации в цис-конфигурацию этой связи. Этот процесс, а значит и сам фолдинг белка ускоряет фермент – пролил-цис-транс-изомераза.
Таким образом, для шаперонов характерно: 1) находятся во многих живых организмах – от бактерий до человека, 2) многие шапероны имеют название “термошоковые белки”, 3) шапероны связывают преимущественно гидрофобные регионы полипептидов, 4) шапероны выступают в роли качественного контроля за выходом из ЭПР полипептидов, 5) большинство шаперонов обладает АТФ-азной активностью, 6) шапероны находятся не только в ЭПР, но в цитоплазме и в митохондрия
15)Поскольку ДНК является молекулой наследственности, то для реализации этого качества она должна точно копировать саму себя и таким образом сохранять всю имеющуюся в исходной молекуле ДНК информацию в виде определенной последовательности нуклеотидов. Это обеспечивается за счет особого процесса, предшествующего делению любой клетки ррганизма, который называется репликацией ДНК. Суть репликации днк заключается в том, что специальный фермент разрывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи ДНК разъединяются, и из каждой цепи «торчат» свободные азотистые основания (возникновение так называемой вилки репликации). Особый фермент ДНК-полимераза начинает двигаться вдоль свободной цепи ДНК от 5'- к З'-концу (лидирующая цепь), помогая присоединиться свободным нуклеотидам, постоянно синтезируемым в клетке, к З'-концу вновь синтезируемой цепи ДНК. На второй нити ДНК (отстающая нить) новая ДНК образуется в виде небольших сегментов, состоящих из 1000—2000 нуклеотидов (фрагменты Оказаки). Рис. 3.5. Репликация ДНК. А. Вилка репликации. Новая нить ДНК синтезируется только в направлении от 5'- к З'-концу. Каждая из двух нитей ДНК служит матрицей для синтеза новой нити. Так как родительские нити антипараллельны, то непрерывная репликация ДНК происходит в направлении 5' -> 3' только на одной нити, которая называется ведущей (лидирующей). Б. Синтез новой цепи на отстающей нити требует постоянного образования новых затравок для начала репликации и осуществляется небольшими сегментами по 1000—2000 нуклеотидов в каждом (фрагменты Оказаки). Заправки представляют собой короткие последовательности РНК, которые синтезируются при участии РНК-полимеразы (праймазы). Затравки деградируют после завершения синтеза следующего фрагмента Оказаки. Образованные соседние фрагменты ДНК соединяются ДНК-лигазой. В. Показано, как происходит движение репликативной вилки. Топоизоме-раза удаляет супервитки спирали, хеликаза обеспечивает раскручивание двойной спирали, белок SSB обеспечивает стабильность одноцепочечной ДНК Для начала репликации днк фрагментов этой нити требуется синтез коротких фрагментов РНК (о характерных особенностях РНК будет сказано ниже) как затравок, для чего используется особый фермент — РНК-полимераза (праймаза). Впоследствии праймеры РНК удаляются, в образовавшиеся бреши встраивается ДНК с помощью ДНК полимеразы I. Таким образом, каждая цепь ДНК используется как матрица или шаблон для построения комплементарной цепи и репликация ДНК является полуконсервативной (т.е. одна нить в новой молекуле ДНК — «старая», а вторая — новая). Для репликации лидирующей и отстающей цепей клеткой используют разные ферменты. В результате репликации образуются две новые абсолютно идентичные молекулы ДНК, идентичные также исходной молекуле ДНК до начала ее редупликации (более подробно процесс репликации ДНК показан на рис. 3.5). ДНК-полимераза, как и любой другой фермент, существенно ускоряет процесс присоединения комплементарных нуклеотидов к свободной цепи ДНК, однако химическое сродство аденина к тимину, а цитозина к гуанину столь велико, что они соединяются друг с другом и в отсутствие ДНК-полимеразы в простой реакционной смеси1. Можно сказать, несколько упрощая, что феномен точного удвоения молекулы ДНК, в основе которого лежит компле-ментарность оснований этой молекулы, составляет молекулярную основу наследственности. Скорость репликации ДНК у человека относительно низкая и для того, чтобы обеспечить репликацию ДНК любой хромосомы человека, требовались бы недели, если бы репликация начиналась из одной точки. На самом деле в молекуле ДНК любой хромосомы, а-каждая хромосома человека содержит только одну молекулу ДНК, имеется множество мест инициации репликации (репликонов). От каждого репликона репликация идет в обоих направлениях до тех пор, пока соседниерепликоны не сливаются. Поэтому репликация ДНК в каждой хромосоме протекает относительно бысtro
pепликативный комплекс, осуществляющий синтез ведущей цепи ДНК, включает в себя минимальный (кор-) фермент ДНК-полимеразы III ( белок 43 в случае фага Т4 ), подвижный связывающий бета-белок с молекулярной массой 41 кДа ("slidingclamp", белок 45 у фага Т4 ) и белки гамма-комплекса , состоящего из пяти полипептидов ( скрепляющие белки - braceproteins ).
Функциональным аналогом белков гамма-комплекса у бактериофага Т4 служит комплекс белковых продуктов генов 44/62. При облучении клеток E. coli УФ-светом в них индуцируется синтез укороченного бета*-белка (26 кДа), который является продуктом того же гена, что и бета-субъединица холофермента ДНК-полимеразы III . По-видимому, функциональная роль бета*-белка заключается в обеспечении репликации ДНК на матрице, поврежденной УФ-светом.
Роль гамма-комплекса заключается в распознавании РНК- затравок (праймеров) на матричной ДНК. Гамма-комплекс связывается с единственным праймером ведущей цепи ДНК или с каждым из праймеров фрагментов Оказаки отстающей цепи, что, в свою очередь, делает возможным присоединение к промаркированным таким образом праймерам минимального фермента ДНК-полимеразы и бета-белка
Две молекулы бета-белка входят в состав репликативного комплекса вслед за белками гамма-комплекса , связываясь с ДНК позади белков гамма-комплекса и оставляя 3'-конец праймера доступным для ДНК-полимеразы. Димер бета-белка образует кольцо вокруг молекулы ДНК и стимулирует АТРазную активность белков гамма-комплекса. Функциональный аналог бета-белка ( белок гена 45 бактериофага Т4 ) образует такую же пространственную структуру, охватывающую молекулу ДНК тремя молекулами. Молекулярная масса белка 45 составляет 2/3 от таковой бета-мономера, и их аминокислотные последовательности негомологичны друг другу. Тем не менее, четвертичные структуры этих полипептидов и механизмы их функционирования обладают большим сходством.
Бета-белки и белки гамма-комплекса, будучи связанными с дуплексом праймер-матрица, обеспечивают присоединение к этому комплексу минимального фермента ДНК-полимеразы . Затем ДНК- полимераза при наличии доступных четырех дезоксирибонуклеозидтрифосфатов, используя праймер для инициации синтеза ДНК, с высокой эффективностью синтезирует цепь ДНК, комплементарную ДНК-матрице. Те же самые белки участвуют и в синтезе отстающей цепи ДНК . В этом случае прерывистый синтез ДНК многократно инициируется на большом количестве праймеров, и ДНК синтезируется в виде фрагментов Оказаки длиной около 1000 нт. Синтез затравок, представляющих собой короткие последовательности РНК, обеспечивает продукт гена dnaG( белок 61 фага Т4 ). ДНК- полимераза начинает элонгацию цепей ДНК, присоединяя первый дезоксирибонуклеозидмонофосфат к 3'-концевому нуклеотиду РНК- затравки. В процессе элонгации участвуют бета-белок и белки гамма-комплекса, которые перемещаются вдоль молекулы ДНК вместе с каталитической субъединицей ДНК-полимеразы.
Ведущая и отстающая цепи ДНК реплицируются координированно, что обеспечивается димеризацией ДНК-полимеразных комплексов. В таком димере, который образуется при участии тау-белка, один ДНК- полимеразный комплекс осуществляет непрерывный синтез ведущей цепи ДНК, а другой - фрагментов Оказаки отстающей цепи. Для димеризации ДНК-полимеразы III E. coli необходим тау-белок, в то время как продукт гена 43 бактериофага Т4 , по-видимому, изначально находится в виде димера. Другое различие репликативных комплексов E. coli и фага Т4 заключается в том, что холофермент ДНК-полимеразы E. coli сохраняется в виде стабильного комплекса и в отсутствие ДНК, тогда как холофермент Т4-ДНК-полимеразы существует только в присутствии матрицы.
Во время синтеза ДНК в репликативной вилке один и тот же белковый комплекс осуществляет как высоко процессивный непрерывный синтез ведущей цепи ДНК, так и прерывистый синтез фрагментов Оказаки отстающей цепи, претерпевая во втором случае периодическую диссоциацию от матрицы для инициации синтеза ДНК с каждого нового праймера. Для объяснения этого предположили, что холофермент ДНК-полимеразы способен узнавать 5'-конец каждого РНК-праймера, встречающегося после завершения синтеза очередного фрагмента Оказаки во время образования отстающей цепи ДНК в процессе репликации. Для проверки этого предположения в участок полипептидной цепи бета-белка, контактирующий с минимальным ферментом ДНК-полимеразы III, методами генной инженерии ввели аминокислотную последовательность, узнаваемую и фосфорилируемуюпротеинкиназой. Измеряя скорость фосфорилирования этих сайтов в условиях избытка протеинкиназы во время синтеза ДНК invitro, определили кинетику ассоциации и диссоциации комплексов бета- белок-ДНК-полимераза по изменению уровня защищенности сайтов фосфорилирования от действия протеинкиназы. Оказалось, что во время связанного с синтезом фрагментов Оказаки перемещения минимального фермента ДНК-полимеразы и гамма-комплекса вдоль одноцепочечной ДНК-матрицы, покрытой SSB-белком , оба белка прочно связаны с бета-белком и матрицей. При встрече репликативного белкового комплекса с дуплексом, образованным матричной ДНК и РНК-затравкой, бета-белок остается связанным с вновь синтезированной ДНК, а у отделившихся ДНК-полимеразы и белков гамма-комплекса появляется возможность вступить в новый цикл синтеза фрагмента Оказаки путем взаимодействия с очередным дуплексом РНК-затравка-матрица. При этом вхождение ДНК-полимеразы в новый репликативный комплекс облегчается наличием в нем бета- белка и белков гамма-комплекса, ассоциированных с очередным РНК- праймером.
Таким образом, холофермент ДНК-полимеразы III обладает способностью распознавать молекулярное окружение, создаваемое матричной ДНК, осуществлять терминацию синтеза ДНК при наличии сигнала в виде дуплекса ДНК-затравка и реинициировать синтез ДНК на следующем праймере. Одна и та же молекула ДНК-полимеразы III в составе реплицирующего комплекса способна проводить синтез всех фрагментов Оказаки отстающей цепи реплицируемой ДНК, последовательно осуществляя инициацию, терминацию и реинициацию синтеза каждого из них.
После очередной терминации синтеза ДНК отстающей цепи 3'- конец вновь синтезированной ДНК оказывается вплотную приближенным к 5'-концу праймера следующего фрагмента Оказаки. Для соединения двух фрагментов с помощью ДНК-лигазы необходимы предварительное удаление РНК-праймера и достройка цепи ДНК в образующейся бреши. РНК-затравка удаляется с помощью РНКазы H, нуклеазы, специфически расщепляющей РНК в ДНК-РНК-гибридах, и(или) с участием 5'->3'- экзонуклеазы ДНК-полимеразы I. Во втором случае одновременно с удалением праймера происходит застройка образующейся бреши той же ДНК-полимеразой. В итоге два соседних фрагмента Оказаки вплотную приближаются друг к другу и оказываются отделенными лишь одноцепочечным разрывом, который может репарироваться ДНК-лигазой. Механизмы координации удаления РНК-праймеров из фрагментов Оказаки с самим процессом репликации ДНК пока не известны.
Кроме дуплексов праймеры-ДНК, холоферменты бактериальных и фаговых ДНК-полимераз, по-видимому, способны адекватно реагировать на другие стерические препятствия, возникающие на пути следования вдоль реплицируемой молекулы ДНК. В частности, ДНК-полимераза фага Т4 в процессе репликации может расходиться с транскрибирующими ту же ДНК молекулами РНК-полимеразы, не диссоциируя из репликативного комплекса и не вытесняя РНК- полимеразу с матрицы. Кроме того, репликативный комплекс может распознавать повреждения ДНК, возможно, маркированные специфическими белками, и прекращать репликацию соответствующего участка, останавливаясь или диссоциируя от матрицы. Репликация таких участков ДНК возобновляется после ликвидации повреждений ферментами репаративной системы. Для диссоциировавшей ДНК- полимеразы это становится возможным благодаря тому, что 3'-конец вновь синтезированной цепи ДНК в месте остановки репликации остается связанным с бета-белком, который облегчает повторное вхождение диссоциировавшей ДНК-полимеразы в репликативный комплекс.
При синтезе ведущей цепи ДНК репликативный комплекс E. coli функционирует с высокой процессивностью. Мерой процессивности является длина фрагмента вновь синтезированной макромолекулы, которую комплекс способен образовывать в одном цикле, не диссоциируя от матрицы. Установлено, что холофермент ДНК-полимеразы III синтезирует ведущую цепь ДНК длиной в 50000 нуклеотидов со скоростью >500 нуклеотидов в секунду в одномцикле.
17 вопрос. Биологические макромолекулы – РНК. Виды РНК.
Рибонуклеи́новая кисло́та (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.
Так же, как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.
Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами. Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией. Трансляция — это синтез белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.
Для одноцепочечных РНК характерны разнообразные пространственные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.
Однако функции РНК в современных клетках не ограничиваются их ролью в трансляции. Так, малые ядерные РНК принимают участие в сплайсинге эукариотических матричных РНК и других процессах.
Помимо того, что молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (например, теломеразы), у отдельных РНК обнаружена собственная ферментативная активность: способность вносить разрывы в другие молекулы РНК или, наоборот, «склеивать» два РНК-фрагмента. Такие РНК называются рибозимами.
Геномы ряда вирусов состоят из РНК, то есть у них она играет роль, которую у высших организмов выполняет ДНК. На основании разнообразия функций РНК в клетке была выдвинута гипотеза, согласно которой РНК — первая молекула, которая была способна к самовоспроизведению в добиологических системах.
Нуклеотиды РНК состоят из сахара — рибозы, к которой в положении 1' присоединено одно из оснований: аденин, гуанин, цитозин или урацил. Фосфатная группа соединяет рибозы в цепочку, образуя связи с 3' атомом углерода одной рибозы и в 5' положении другой. Фосфатные группы при физиологическом рН отрицательно заряжены, поэтому РНК — полианион. РНК транскрибируется как полимер четырёх оснований (аденина (A), гуанина (G), урацила (U) и цитозина (C), но в «зрелой» РНК есть много модифицированных оснований и сахаров. Всего в РНК насчитывается около 100 разных видов модифицированных нуклеотидов, из которых 2'-О-метилрибоза наиболее частая модификация сахара, а псевдоуридин — наиболее часто встречающееся модифицированное основание.
У псевдоуридина (Ψ) связь между урацилом и рибозой не C — N, а C — C, этот нуклеотид встречается в разных положениях в молекулах РНК. В частности, псевдоуридин важен для функционирования тРНК. Другое заслуживающее внимания модифицированное основание — гипоксантин, деаминированный гуанин, нуклеозид которого носит название инозина. Инозин играет важную роль в обеспечении вырожденности генетического кода.
Роль многих других модификаций не до конца изучена, но в рибосомальной РНК многие пост-транскрипционные модификации находятся в важных для функционирования рибосомы участках. Например, на одном из рибонуклеотидов, участвующем в образовании пептидной связи.
Азотистые основания в составе РНК могут образовывать водородные связи между цитозином и гуанином, аденином и урацилом, а также между гуанином и урацилом. Однако возможны и другие взаимодействия, например, несколько аденинов могут образовывать петлю, или петля, состоящая из четырёх нуклеотидов, в которой есть пара оснований аденин — гуанин.
Важная структурная особенность РНК, отличающая её от ДНК — наличие гидроксильной группы в 2' положении рибозы, которая позволяет молекуле РНК существовать в А, а не В-конформации, наиболее часто наблюдаемой у ДНК[17]. У А-формы глубокая и узкая большая бороздка и неглубокая и широкая малая бороздка. Второе последствие наличия 2' гидроксильной группы состоит в том, что конформационно пластичные, то есть не принимающие участие в образовании двойной спирали, участки молекулы РНК могут химически атаковать другие фосфатные связи и их расщеплять.
«Рабочая» форма одноцепочечной молекулы РНК, как и у белков, часто обладает третичной структурой. Третичная структура образуется на основе элементов вторичной структуры, образуемой с помощью водородных связей внутри одной молекулы. Различают несколько типов элементов вторичной структуры — стебель-петли, петли и псевдоузлы. В силу большого числа возможных вариантов спаривания оснований предсказание вторичной структуры РНК — гораздо более сложная задача, чем предсказание вторичной структуры белков, но в настоящее время есть эффективные программы, например, mfold.
Примером зависимости функции молекул РНК от их вторичной структуры являются участки внутренней посадки рибосомы (IRES). IRES — структура на 5' конце информационной РНК, которая обеспечивает присоединение рибосомы в обход обычного механизма инициации синтеза белка, требующего наличия особого модифицированного основания (кэпа) на 5' конце и белковых факторов инициации. Первоначально IRES были обнаружены в вирусных РНК, но сейчас накапливается всё больше данных о том, что клеточные мРНК также используют IRES-зависимый механизм инициации в условиях стресса.
Многие типы РНК, например, рРНК и мяРНК в клетке функционируют в виде комплексов с белками, которые ассоциируют с молекулами РНК после их синтеза или (у эукариот) экспорта из ядра в цитоплазму. Такие РНК-белковые комплексы называются рибонуклеопротеиновыми комплексами или рибонуклеопротеидами.
Типы РНК
Матричная (информационная) РНК — РНК, которая служит посредником при передаче информации, закодированной в ДНК к рибосомам, молекулярным машинам, синтезирующим белки живого организма. Кодирующая последовательность мРНК определяет последовательность аминокислот полипептидной цепи белка. Однако подавляющее большинство РНК не кодируют белок. Эти некодирующие РНК могут транскрибироваться с отдельных генов (например, рибосомальные РНК) или быть производными интронов. Классические, хорошо изученные типы некодирующих РНК — это транспортные РНК (тРНК) и рРНК, которые участвуют в процессе трансляции. Существуют также классы РНК, ответственные за регуляцию генов, процессинг мРНК и другие роли. Кроме того, есть и молекулы некодирующих РНК, способные катализировать химические реакции, такие, как разрезание и лигирование молекул РНК. По аналогии с белками, способными катализировать химические реакции — энзимами (ферментами), каталитические молекулы РНК называются рибозимами.
18 вопрос. Особенности строения и функции мРНК, тРНК, рРНК.
тРНК /Транспортная РНК, тРНК — рибонуклеиновая кислота, функцией которой является транспортировка аминокислот к месту синтеза белка. Имеет типичную длину от 73 до 93 нуклеотидов и размеры около 5 нм. тРНК также принимают непосредственное участие в наращивании полипептидной цепи, присоединяясь — будучи в комплексе с аминокислотой — к кодону мРНК и обеспечивая необходимую для образования новой пептидной связи конформацию комплекса.
Для каждой аминокислоты существует своя тРНК.
тРНК является одноцепочечной РНК, однако в функциональной форме имеет конформацию «клеверного листа». Аминокислота ковалентно присоединяется к 3'-концу молекулы с помощью специфичного для каждого типа тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. На участке C находится антикодон, соответствующий аминокислоте.
тРНК синтезируются обычной РНК-полимеразой в случае прокариот и РНК-полимеразой III в случае эукариот. Транскрипты генов тРНК подвергаются многостадийному процессингу, который в конце концов приводит к формированию типичной для тРНК пространственной структуры. Процессинг тРНК включает 5 ключевых этапов[1]:
удаление 5'-лидерной нуклеотидной последовательности;
удаление 3'-концевой последовательности;
добавление последовательности CCA на 3'-конец;
вырезание интронов (у эукариот и архей);
модификации отдельных нуклеотидов.
По окончании созревания эукариотические тРНК должны быть перенесены в цитоплазму, где они участвуют в биосинтезе белка. Транспорт тРНК осуществляется по Ran-зависимому пути при участии транспортного фактора экспортина t (Los1 у дрожжей), который распознаёт характерную вторичную и третичную структуру зрелой тРНК: короткие двуспиральные участки и правильно процессированные 5'- и 3'-концы. Такой механизм обеспечивает экспорт из ядра только зрелых тРНК. Предположительно, экспортин 5 может быть вспомогательным белком, способным переносить тРНК через ядерные поры наряду с экспортином t.
этот вид т-РНК изучен лучше всего, составляет 10% всей клеточной РНК. Содержится в цитоплазме, мол.масса небольшая (20тыс.Da) состоит из 70-80 нуклеотидов. Основная роль – транспорт и установка аминокислот на комплиментарном кодоне м-РНК. т-РНК специфичны к аминокислотам, что обеспечивается ферментом аминоацилсинтетазой. В неактивном состоянии она свернута в клубочек, а в активном имеет вид трилистника (клеверного листа). В молекуле т-РНК различают несколько участков: а) акцепторный стебель с последовательностью нуклеотидов АЦЦ, к нему присоединяется аминокислота. Б) участок для присоединения к рибосоме; в) антикодон – участок, комплиментарный кодону м-РНК, который кодирует аминокислоту, присоединенную к данной т-РНК . Особенностью первичной структуры т-РНК является то, что они содержат минорные, или модифицированные основания (7-метилгуанин, гипоксантин, дигидроурацил, псевдоурацил, 4-тиоурацил), которые способны к неклассическому спариванию. Это ускоряет белковый синтез. Т.о., т-РНК «метит» аминокислоту, придавая ей специфичность и способствует установлению аминокислоты на определенный участок м-РНК.
мРНК
Ма́тричная рибонуклеи́новая кислота́ (мРНК, синоним — информацио́нная РНК, иРНК) — РНК, содержащая информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков[1]. мРНК синтезируется на основе ДНК в ходе транскрипции, после чего, в свою очередь, используется в ходе трансляции как матрица для синтеза белков. Тем самым мРНК играет важную роль в «проявлении» (экспрессии) генов.
Длина типичной зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов. Самые длинные мРНК отмечены у (+)оц РНК-содержащих вирусов, например пикорнавирусов, однако следует помнить, что у этих вирусов мРНК образует весь их геном.
ДНК нередко сравнивают с чертежами для изготовления белков. Развивая эту инженерно-производственную аналогию, можно сказать, что, если ДНК — это полный набор чертежей для изготовления белков, находящийся на хранении в сейфе директора завода, то мРНК — временная рабочая копия чертежа, выдаваемая в сборочный цех. Следует отметить, что ДНК не содержит чертежи взрослого организма, а больше похожа на «рецепт» по его изготовлению.
Жизненный цикл молекулы мРНК начинается её «считыванием» с матрицы ДНК (транскрипция) и завершается её деградацией до отдельных нуклеотидов. Молекула мРНК в течение своей жизни может подвергатся различным модификациям перед синтезом белка (трансляцией). Эукариотические молекулы мРНК часто требуют сложной обработки и транспортировки из ядра — места синтеза мРНК, на рибосомы, где происходит трансляция, в то время как прокариотические молекулы мРНК этого не требуют и синтез РНК у них сопряжён с синтезом белка.
мРНК называют моноцистронной, если она содержит информацию, необходимую для трансляции только одного белка (один цистрон). Полицистронная мРНК кодирует несколько белков. Гены (цистроны) в такой мРНК разделены интергенными, некодирующими последовательностями. Полицистронные мРНК характерны для прокариот и вирусов, у эукариот большая часть мРНК является моноцистронной. Полицистронные мРНК встречаются у эукариот и в митохондриях.
рРНК
На долю этого вида РНК приходится более 80% от всей массы РНК клетки. Она входит в состав рибосом. Рибосомы – это РНП, состоящие на 65% из р-РНК и на 35% из белка. Полинуклеотидная цепь р-РНК легко изгибается и укладывается вместе с белком в компактные тельца. Рибосома состоит из 2-х субъдиниц – большой и малой (соотношение их 2,5:1). В рибосоме различают 2 участка – А (аминокислотный, или участок узнавания) и Р – пептидный, здесь присоединяется п/п цепь. Эти центры расположены на контактирующих поверхностях обеих субъдиниц. Рибосомы могут свободно перемещаться в клетке, что дает возможность синтезировать белки в клетке там, где это необходимо. Рибосомы мало специфичны и могут считывать информацию с чужеродных м-РНК, вместе с м-РНК рибосомы образуют матрицу. Роль р-РНК – обуславливает количество синтезируемого белка.
19. Генетический код. Свойства и функции. ГК— единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Генетический код основан на использовании алфавита, состоящего всего из четырех букв-нуклеотидов, отличающихся азотистыми основаниями: А, Т, Г, Ц.свойства: Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.Неперекрываемость — 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).Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.Универсальность — 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).Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными. 61 триплет кодирует аминокислоты, а три триплета не соответсвуют никакой аминокислоте.
20. Способ записи генетической инфы. способ записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности образующих эти кислоты нуклеотидов. Определённой последовательности нуклеотидов в ДНК и РНК соответствует определённая последовательность аминокислот в полипептидных цепях белков. Код принято записывать с помощью заглавных букв русского или латинского алфавита. Каждый нуклеотид обозначается буквой, с которой начинается название входящего в состав его молекулы азотистого основания: А (А) – аденин, Г (G) – гуанин, Ц (С) – цитозин, Т (Т) – тимин; в РНК вместо тимина урацил – У (U). Каждую аминокислоту кодирует комбинация из трёх нуклеотидов – триплет, или кодон. Кратко путь переноса генетической информации обобщён в т.н. центральной догме молекулярной биологии: ДНК ` РНК f белок.В особых случаях информация может переноситься от РНК к ДНК, но никогда не переносится от белка к генам.Реализация генетической информации осуществляется в два этапа. В клеточном ядре на ДНК синтезируется информационная, или матричная, РНК (транскрипция). При этом нуклеотидная последовательность ДНК «переписывается» (перекодируется) в нуклеотидную последовательность мРНК. Затем мРНК переходит в цитоплазму, прикрепляется к рибосоме, и на ней, как на матрице, синтезируется полипептидная цепь белка (трансляция). Аминокислоты с помощью транспортной РНК присоединяются к строящейся цепи в последовательности, определяемой порядком нуклеотидов в мРНК.Из четырёх «букв» можно составить 64 различных трёхбуквенных «слова» (кодона). Из 64 кодонов 61 кодирует определённые аминокислоты, а три отвечают за окончание синтеза полипептидной цепи. Так как на 20 аминокислот, входящих в состав белков, приходится 61 кодон, некоторые аминокислоты кодируются более чем одним кодоном (т. н. вырождённость кода). Такая избыточность повышает надёжность кода и всего механизма биосинтеза белка. Другое свойство кода – его специфичность (однозначность): один кодон кодирует только одну аминокислоту.
21) Биосинтез белка — сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул мРНК и тРНК. Процесс биосинтеза белка требует значительных затрат энергии.
Биосинтез белка происходит в два этапа. В первый этап входит транскрипция и процессинг РНК, второй этап включает трансляцию. Во время транскрипции фермент РНК-полимераза синтезирует молекулу РНК, комплементарную последовательности соответствующего гена (участка ДНК). Терминатор в последовательности нуклеотидов ДНК определяет, в какой момент транскрипция прекратится. После синтеза РНК на матрице ДНК происходит транспортировка молекул РНК в цитоплазму. В процессе трансляции информация, записанная в последовательности нуклеотидов переводится в последовательность остатков аминокислот.Процессинг РНК .Между транскрипцией и трансляцией с молекулоймРНКпроисходит ряд последовательных изменений, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипептидной цепочки. К 5΄-концу присоединяется кэп. С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможно комбинирование экзонов гена для получения большего разнообразия белков. Трансляция мРНК может считываться рибосомами в аминокислотную последовательность белков сразу после транскрипции, а уэукариот она транспортируется из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы. Процесс синтеза белка на основе молекулы мРНК называется трансляцией. Во время начальной стадии биосинтеза белков, инициации, обычно метиониновый кодон узнаётся малой субъединицей рибосомы, к которой при помощи белковы присоединена метиониновая транспортная РНК (тРНК). После узнавания стартового кодона к малой субъединице присоединяется большая субъединица и начинается вторая стадия трансляции — элонгация. При каждом движении рибосомы от 5' к 3' концу мРНК считывается один кодон путём образования водородных связей между тремя нуклеотидами (кодоном) мРНК и комплементарным ему антикодоном транспортной РНК, к которой присоединена соответствующая аминокислота. Синтез пептидной связи катализируется рибосомальной РНК (рРНК).Рибосомальная РНК катализирует образование пептидной связи между последней аминокислотой растущего пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК. Третья и последняя стадия трансляции, терминация, происходит при достижении рибосомой стоп-кодона, после чего белковые факторы терминациигидролизуют последнюютРНК от белка, прекращая его синтез. Таким образом, в рибосомах белки всегда синтезируются от N- к C-концу.
2) Синтез информационной РНК (и-РНК) происходит в ядре. Он осуществляется по одной из нитей ДНК с помощью ферментов и с учетом принципа комплиментарности азотистых оснований. Процесс переписывания информации, содержащейся в генах ДНК на синтезируемую молекулу и-РНК называется транскрипцией.дно, что информация переписывается в виде последовательности нуклеотидов РНК. Нить ДНК в этом случае выступает в качестве матрицы. В молекулу РНК в процессе ее образования вместо азотистого основания – тимина включается урация.Молекулы РНК индивидуальны, каждая из них несет информацию об одном гене. Далее молекулы и-РНК выходят из ядра клетки через поры оболочки ядра и направляются в цитоплазму к рибосомам. Сюда же с помощью транспортных РНК (т-РНК) доставляются аминокислоты.Общий вид молекулы напоминает лист клевера. На «верхушке» листа расположен атикодон (кодовый триплет нуклеотидов), который соответствует определенной аминокислоте.
22 Процессинг РНК (посттранскрипционные модификации РНК) — совокупность процессов в клетках эукариот, которые приводят к превращению первичноготранскрипта РНК в зрелую РНК.
Процессинг матричных РНК, подвергается модификациям: кэпированию, сплайсингу и полиаденилированию. Сплайсинг. мРНК подвергается сплайсингу, в ходе процесса которого удаляются интроны (участки, которые не кодируют белки), а экзоны (участки, кодирующие белки) сшиваются и образуя единую молекулу. Сплайсинг катализируется крупным нуклеопротеидным комплексом — сплайсосомой, состоящей из белков и малых ядерных РНК. Многие пре-мРНК могут быть подвергнуты сплайсингу разными путями, при этом образуются разные зрелые мРНК, кодирующие разные последовательности аминокислот
23) Биосинтез белка — сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислот, происходящий на рибосомах с участием молекул мРНК и тРНК. Процесс биосинтеза белка требует значительных затрат энергии.
Биосинтез белка происходит в два этапа. В первый этап входит транскрипция и процессинг РНК, второй этап включает трансляцию. Во время транскрипции фермент РНК-полимераза синтезирует молекулу РНК, комплементарную последовательности соответствующего гена (участка ДНК). Терминатор в последовательности нуклеотидов ДНК определяет, в какой момент транскрипция прекратится. После синтеза РНК на матрице ДНК происходит транспортировка молекул РНК в цитоплазму. В процессе трансляции информация, записанная в последовательности нуклеотидов переводится в последовательность остатков аминокислот.Процессинг РНК .Между транскрипцией и трансляцией с молекулоймРНКпроисходит ряд последовательных изменений, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипептидной цепочки. К 5΄-концу присоединяется кэп. С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможно комбинирование экзонов гена для получения большего разнообразия белков. Трансляция мРНК может считываться рибосомами в аминокислотную последовательность белков сразу после транскрипции, а уэукариот она транспортируется из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы. Процесс синтеза белка на основе молекулы мРНК называется трансляцией. Во время начальной стадии биосинтеза белков, инициации, обычно метиониновый кодон узнаётся малой субъединицей рибосомы, к которой при помощи белковы присоединена метиониновая транспортная РНК (тРНК). После узнавания стартового кодона к малой субъединице присоединяется большая субъединица и начинается вторая стадия трансляции — элонгация. При каждом движении рибосомы от 5' к 3' концу мРНК считывается один кодон путём образования водородных связей между тремя нуклеотидами (кодоном) мРНК и комплементарным ему антикодоном транспортной РНК, к которой присоединена соответствующая аминокислота. Синтез пептидной связи катализируется рибосомальной РНК (рРНК).Рибосомальная РНК катализирует образование пептидной связи между последней аминокислотой растущего пептида и аминокислотой, присоединённой к тРНК. Третья и последняя стадия трансляции, терминация, происходит при достижении рибосомой стоп-кодона, после чего белковые факторы терминациигидролизуют последнюютРНК от белка, прекращая его синтез. Таким образом, в рибосомах белки всегда синтезируются от N- к C-концу.
2) Трансляция (от лат. translatio — перевод) — процесс синтеза белка из аминокислот на матрице информационной (матричной) РНК, осуществляемый рибосомой. Функция рибосом заключается в узнавании трёхбуквенных (трехнуклеотидных) кодонов мРНК, сопоставлении им соответствующихантикодонов тРНК, несущих аминокислоты, и присоединении этих аминокислот к растущей белковой цепи. Двигаясь вдоль молекулы мРНК, рибосома синтезирует белок в соответствии с информацией, заложенной в молекуле мРНК.
Для узнавания аминокислот в клетке имеются специальные «адаптеры», молекулы транспортной РНК (тРНК). Эти молекулы, имеющие форму клеверного листа, имеют участок (антикодон), комплементарный кодону мРНК, а также другой участок, к которому присоединяется аминокислота, соответствующая этому кодону. Процесс трансляции разделяют на:
инициацию — узнавание рибосомой стартового кодона и начало синтеза.
элонгацию — собственно синтез белка.
терминацию — узнавание терминирующего кодона (стоп-кодона) и отделение продукта.
ИнициацияСинтез белка в большинстве случаев начинается с кодона, кодирующего метионин. Этот кодон обычно называют стартовым или инициаторным. Инициация трансляции предусматривает узнавание рибосомой этого кодона и привлечение тРНК. Для инициации трансляции необходимо также наличие определённых нуклеотидных последовательностей в районе стартового кодона. Немаловажная роль в защите 5'-концамРНК принадлежит 5'-кэпу. Механизмы инициации трансляции у про- и эукариот существенно отличаются: прокариотические рибосомы способны находить стартовый кодон и инициировать синтез на любых участках мРНК, в то время как эукариотические рибосомы обычно присоединяются к мРНК в области кэпа и сканируют её в поисках стартового кодона.
ЭлонгацияВ процессе наращивания полипептидной цепи принимают участие два белковых фактора элонгации. Первый переносит аминоацилированную («заряженную» аминокислотой) тРНК в А (аминоацил)-участок рибосомы. Рибосома катализирует перенос пептида, связанного с тРНК в Р-участок, в А-участок и образование пептидной связи с находящимся там аминокислотным остатком. Таким образом растущий пептид удлиняется на один аминокислотный остаток. Затем второй белок катализирует так называемуютранслокацию.Транслокация — перемещение рибосомы по мРНК на один триплет), в результате которого пептидил-тРНК оказывается вновь в Р-участке, а «пустая» тРНК из P-участка переходит в Е-участок .тРНК из E-участкадиссоциирует спонтанно, после чего рибосома готова к новому циклу элонгации.
Терминация — окончание синтеза белка, осуществляется, когда в А-участке рибосомы оказывается один из стоп- кодонов . Из-за отсутствия тРНК , соответствующих этим кодонам, пептидил-тРНК остаётся связанной с Р-участком рибосомы. Здесь в действие вступают специфические белки, которые катализируют отсоединение полипептидной цепи от мРНК, а также который вызывает диссоциацию мРНК из рибосомы
24Общая схема трансляции.
Процесс трансляции разделяют на
инициацию — узнавание рибосомой стартового кодона и начало синтеза.
элонгацию — собственно синтез белка.
терминацию — узнавание терминирующего кодона (стоп-кодона) и отделение продукта.
Инициация
Синтез белка в большинстве случаев начинается с AUG-кодона, кодирующего метионин. Этот кодон обычно называют стартовым или инициаторным. Инициация трансляции предусматривает узнавание рибосомой этого кодона и привлечение инициаторнойаминоацил-тРНК. Для инициации трансляции необходимо также наличие определённых нуклеотидных последовательностей в районе стартового кодона (последовательность Шайна — Дальгарно у прокариот и последовательность Козак у эукариот). Немаловажная роль в защите 5'-конца мРНК принадлежит 5'-кэпу. Существование последовательности, отличающей стартовый AUG от внутренних совершенно необходимо, так как в противном случае инициация синтеза белка происходила бы хаотично на всех AUG-кодонах.
Процесс инициации обеспечивается специальными белками — факторами инициации (англ. initiationfactors, IF; инициаторные факторы эукариот обозначают eIF, отангл. eukaryotes).
Механизмы инициации трансляции у про- и эукариот существенно отличаются: прокариотические рибосомы потенциально способны находить стартовый AUG и инициировать синтез на любых участках мРНК, в то время как эукариотические рибосомы обычно присоединяются к мРНК в области кэпа и сканируют её в поисках стартового кодона.
Элонгация
Схема РНК-связывающих участков рибосомы. Буквами обозначены участки связывания тРНК. А — аминоацил-тРНК-связывающий участок, Р — пептидил-тРНК-связывающий участок, Е — участок отсоединения тРНК от рибосомы (англ. exit)
В процессе наращивания полипептидной цепи принимают участие два белковых фактора элонгации. Первый (EF1a у эукариот, EF-Tu — у прокариот) переносит аминоацилированную («заряженную» аминокислотой) тРНК в А (аминоацил)-сайт рибосомы. Рибосома катализирует перенос пептида, связанного с тРНК в Р-сайте, в А-сайт и образование пептидной связи с находящимся там аминокислотным остатком. Таким образом растущий пептид удлиняется на один аминокислотный остаток. Затем второй белок (EF2 у эукариот, EF-G — у прокариот) катализирует так называемуютранслокацию. Транслокация — перемещение рибосомы по мРНК на один триплет (примерно 20 ангстрем), в результате которого пептидил-тРНК оказывается вновь в Р-сайте, а «пустая» тРНК из P-сайта переходит в Е-сайт (от слова exit).тРНК из E-сайта диссоциирует спонтанно, после чего рибосома готова к новому циклу элонгации[15].
Терминация
Терминация — окончание синтеза белка, осуществляется, когда в А-сайте рибосомы оказывается один из стоп- кодонов — UAG, UAA, UGA. Из-за отсутствия тРНК , соответствующих этим кодонам, пептидил-тРНК остаётся связанной с Р-сайтом рибосомы. Здесь в действие вступают специфические белки RF1 или RF2, которые катализируют отсоединение полипептидной цепи от мРНК, а также RF3, который вызывает диссоциацию мРНК из рибосомы. RF1 узнаёт в А-участке UAA или UAG; RF-2 — UAA или UGA. С UAA терминация эффективнее, чем с другими стоп-кодонами.
25Рибосома — важнейший органоид живой клетки сферической или слегка эллипсоидной формы, диаметром 100—200 ангстрем, состоящий из большой и малой субъединиц. Рибосомы служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК, или мРНК. Этот процесс называется трансляцией.
В эукариотических клетках рибосомы располагаются на мембранах эндоплазматическогоретикулума, хотя могут быть локализованы и в неприкрепленной форме в цитоплазме. Нередко с одной молекулой мРНК ассоциировано несколько рибосом, такая структура называется полирибосомой. Синтез рибосом у эукариот происходит в специальной внутриядерной структуре — ядрышке.
Схема синтеза рибосом в клетках эукариот.
1. Синтез мРНКрибосомных белков РНК полимеразой II. 2. Экспорт мРНК из ядра. 3. Узнавание мРНК рибосомой и 4. синтез рибосомных белков. 5. Синтез предшественника рРНК (45S — предшественник) РНК полимеразой I. 6. Синтез 5S pРНК РНК полимеразой III. 7. Сборка большой рибонуклеопротеидной частицы, включающей 45S-предшественник, импортированные из цитоплазмы рибосомные белки, а также специальные ядрышковые белки и РНК, принимающие участие в созревании рибосомныхсубчастиц. 8. Присоединение 5S рРНК, нарезание предшественника и отделение малой рибосомнойсубчастицы. 9. Дозревание большойсубчастицы, высвобождение ядрышковых белков и РНК. 10. Выход рибосомныхсубчастиц из ядра. 11. Вовлечение их в трансляцию.
Рибосомы представляют собой нуклеопротеид, в составе которого отношение РНК/белок составляет 1:1 у высших животных и 60-65:35-40 у бактерий. Рибосомная РНК составляет около 70 % всей РНК клетки. Рибосомы эукариот включают четыре молекулы рРНК, из них 18S, 5.8S и 28S рРНК синтезируются в ядрышке РНК полимеразой I в виде единого предшественника (45S), который затем подвергается модификациям и нарезанию. 5S рРНК синтезируется РНК полимеразой III в другой части генома и не нуждаются в дополнительных модификациях. Почти вся рРНК находится в виде магниевой соли, что необходимо для поддержания структуры; при удалении ионов магния рибосома подвергается диссоциации на субъединицы.
Константа седиментации (скорость оседания в ультрацентрифуге) рибосом эукариотических клеток равняется 80S (большая и малая субъединицы 60S и 40S, соответственно), бактериальных клеток (а так же митохондрий и пластид) — 70S (большая и малая субъединицы 50S и 30S, соответственно).
26. Понятие о фолдинге. Роль шаперонов.
Белки — это биологические молекулы, выполняющие тысячи специфических функций внутри каждой клетки живого организма. Белки синтезируются в рибосомах в виде длинной полипептидной нити, но затем быстро сворачиваются в свою естественную («нативную») пространственную структуру. Этот процесс называется фолдинг белка. ШАПЕРОН-класс белков, главная функция которых состоит в восстановлении правильной нативной третичной или четвертичной структуры белков, а также образование и диссоциация белковых комплексов. Термин «молекулярный шаперон» впервые был использован в 1978 году в работе Рона Ласкей. Многие шапероны являются белками теплового шока, то есть белками, экспрессия которых начинается в ответ на рост температуры или другие клеточные стрессы.[2] Тепло сильно влияет на фолдинг белка, а некоторые шапероны участвуют в исправлении потенциального вреда, который возникает из-за неправильного сворачивания белков. Другие шапероны участвуют в фолдинге только что созданных белков в тот момент, когда они «вытягиваются» из рибосомы. И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие.Другие типы шаперонов участвуют в транспортировке веществ сквозь мембраны(ЭПС и т.п.)