Биохимия и ее задачи

S + O₂ → S·O₂

Монооксигеназный  путь – в молекулу субстрата включается один из атомов кислорода, а другой восстанавливается до воды. Для этого необходим еще косубстрат (донор электронов).

A-H + O₂ + ZH₂ → A-OH + Z + H₂O

Для примера  рассмотрим систему микросомального окисления. Она содержит цитохромы Р-450 и b₅. Эта система играет большую роль в обезвреживании многих токсинов и лекарств путем их гидроксилирования.

R-H → R-OH

При этом часто  образуется пероксид водорода, который  разрушается каталазой.

 

Матричный биосинтез

Генетический код

Понятие о генетическом коде было введено в середине 50-х  гг. Гамовым. Генетически код - это информация об аминокислотах (АК), записанная в виде последовательности нуклеотидов. Посредством 4-х нуклеотидов кодируется 20 основных АК.

Свойства  генетического кода:

1. генетический  код триплетный, т.е. одна последовательность состоит из 3-х нуклеотидов. Имеется 4³ (64) варианта, а необходимо 20, поэтому генетический код имеет квазидуплетность – смысловую нагрузку для большинства АК несут первые 2 нуклеотида, а третий нуклеотид для некоторых АК не важен вообще, а для других имеет значение пуриновый он или пиримидиновый. И только для ТРИ и МЕТ важен 3 нуклеотид;

2. однозначность - один код (триплет) несет информацию только об одной АК;

3. вырожденность - одной АК соответствует несколько кодонов. Это происходит вследствие того, что кодонов 64, а АК - 20. Так, СЕР соответствует 6 кодонов, ГЛИ и АЛА - по 4 кодона. Большей части АК соответствует по 2 кода, только ТРИ и МЕТ кодируются 1 кодоном;

Также имеются  кодоны, которые не несут смысловой  нагрузки - нонсенс (бессмысленные) кодоны – терминирующие кодоны;

4. неперекрещиваемость - считывание информации идет от одного триплета к другому триплету последовательно;

5. универсальность - для всего живого генетический код един.

 

Т.о., в виде генетического  кода записана информация об одной  АК, а последовательность нуклеотидов (в виде триплетов) несет информацию о последовательности АК в полипептидной цепи.

Отрезок ДНК, несущий информацию о последовательности АК в одной полипептидной цепи, называется геном.

Функции гена:

1. хранение информации  об одной полипептидной цепи;

2. передача информации  из поколения в поколение клеток;

3. передача информации  с ДНК на РНК - транскрипция (синтез РНК);

4. передача информации  с РНК на последовательность  АК в последовательность полипептидной  цепи - трансляция (декодирование информации РНК в последовательность АК) - биосинтез белка.

 

Репликация (самоудвоение, биосинтез) ДНК

В 1953 г. Уотсон и Крик открыли  принцип комплементарности (взаимодополняемости). Так, А=Т, а ГºЦ.

 

Условия, необходимые для репликации:

1. строительный материал - дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дЦТФ ТТФ);

2. энергия, которая  выделяется из вышеперечисленных  трифосфатов: дАТФ ®дАМФ + ФФ_н +Q;

3. ионы Мg²⁺, играющие стабилизирующую роль;

4 матрица - расплетенная  двойная спираль ДНК. Это расплетение  называется репликативной вилкой [рис. расплетенной ДНК и образовавщейся репликативной вилки];

5. репликативный  комплекс ферментов:

- ДНК-раскручивающие  белки;

- ДНК-полимераза;

- ДНК-лигаза.

 

Основные  этапы репликации:

1. образование репликативных  вилок при участии ДНК-раскручивающих  белков, вызывающих разрыв водородных связей между комплементарными основаниями [рис. репликативной вилки, на одном краю которой сплошная линия, а на другом – фрагментами – это фрагменты Оказаки. Помечены 5’ и 3‘ концы];

2. синтез новых  нитей ДНК при участии ДНК-полимеразы, катализирующей образование фосфодиэфирной связи между новыми нуклеотидами. Присоединение нуклеотидов идет в соответствии с принципом комплементарности. Синтез идет 5’-конца к 3’-концу. На одной цепи синтез происходит непрерывно, а на другой - прерывается с образованием коротких фрагментов. В результате на одной цепи образуются короткие фрагменты - фрагменты Оказаки;

3. соединение коротких  фрагментов с помощью ДНК-лигазы  с образованием дочерних нитей.

 

В результате репликации на одной материнской нити синтезируются 2 комплементарных дочерних ДНК. Т.е. из одной молекулы ДНК образуются 2 копии ДНК.

Репликация протекает  в ядре и частично в митохондриях в синтетическую фазу митотического  цикла (S фаза). Значение репликации состоит  в передаче информации от ДНК матери к дочерней ДНК.

 

Транскрипция (передача информации с  ДНК на РНК) или биосинтез РНК

При транскрипции, в отличие от репликации, информации передается с небольшого участка  ДНК. Элементарной единицей транскрипции является оперон (транскриптон)- участок ДНК, подвергающийся транскрипции.

В опероне выделяют информативные участки - экзоны и неинформативные участки - интроны. В начале оперона выделяют промотор (P) - это начальный участок оперона, к которому присоединяется РНК-полимераза. Рядом с промотором располагается оператор (О) - регуляторная зона, место присоединения генов-регуляторов. В конце оперона располагается терминатор (Т) - участок, содержащий стоп-сигнал. [рис. нескольких последовательных квадратиков: в начале помечаем Р, затем О, а следом экзоны и интроны (какие-то закрашиваем). В конце - Т]

 

Необходимые условия для трансляции:

1. расплетенный участок  ДНК – одна нить ДНК;

2. строительный  материал, представленный нуклеотидами - рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ,  ГТФ, ЦТФ, УТФ);

3. энергия, которая  выделяется из вышеперечисленных трифосфатов: АТФ ®АМФ + ФФ_н +Q;

4. ферменты - ДНК-зависимая  РНК-полимераза.

 

Этапы трансляции:

1. инициация  (начало);

2. элонгация  (продолжение);

3. терминация (окончание).

После транскрипции идет процессинг (созревание) РНК.

 

1. Инициация - заключается в присоединении ДНК-зависимой РНК-полимеразы к промотору, что приводит к разрыву водородных связей между комплементарными нуклеотидами и расхождение нитей ДНК.

2. Элонгация - это передвижение РНК-полимеразы вдоль нити ДНК, сопровождающееся образованием фосфодиэфирных связей между рибонуклеотидами. Присоединение рибонуклеотидов происходит в соответствии с принципом комплементарности.

Этот синтез идет от 5’ конца к 3’ концу  со скоростью 40- 50 нуклеотидов в секунду. Данная фаза протекает до тех пор, пока ДНК-полимераза не достигнет стоп-сигнала, после чего происходит терминация. В результате процессов транскрипции образуется транскрипт (пре-иРНК). Он почти полностью соответствует транскриптону.

 

Начинается следующий  этап - процессинг - посттранскриптационное созревание РНК. Заключается в:

- удаление излишков - вырезаются неинформативные участки;

- сплайсинг - сшивка, соединение информативных  участков. При этом иРНК укорачивается.  Из пре-иРНК образуется иРНК. Далее  иРНК соединяется с белком-информером, в результате чего образуется комплекс иРНК+ белок =информосома, который может выходить из ядра и транспортироваться в цитоплазму к рибосоме, где начинается следующий этап передачи информации – трансляция.

Центральный постулат генетики (Уотсон и Крик): ДНК®РНК®белок. В 70-е годы был обнаружен фермент – ревертаза (обратная транскриптаза), который позволяет по иРНК синтезировать участок ДНК (РНК®ДНК). Этот процесс называется обратной транскрипцией.

 

Трансляция (биосинтез белка)

Трансляция - перевод генетического текста иРНК в последовательность АК в белке.

Необходимый комплекс факторов:

1. строительный  материал (20 АК);

2. молекулы тРНК (61 вид тРНК). 61 кодону соответствует  20 АК. 1 тРНК распознает более 1 кодона;

3. ферменты: аминоацил-тРНК-синтетаза - обеспечивают узнавание и связывание АК со своей тРНК (20);

4. молекула мРНК. У эукариот иРНК имеет так  называемый 'кэп' (от англ.- кепка,  шапка) в области 5^'-конца. Кэп представлен метил-ГТФ, необходимой для узнавания иРНК рибосомой и участвует в трансляции;

5. рибосомы, как  место синтеза белка. Каждая  рибосома состоит из малой  и большой субъединиц. У прокариот  они более мелкие - 70S: малая субъединица  - 30S, большая - 50S. (S- скорость осаждения). У эукариот- 80S: малая - 40S, большая- 60S. Рибосома содержит рРНК, а также около 80 различных белков, в том числе и ферментов.

6. энергия АТФ  и ГТФ;

7. ионы Мg^2+, необходимые для активации ферментов;

8. белковые факторы  трансляции – специфические белки  различных этапов трансляции.

 

Этапы трансляции:

1. рекогниция – «распознавание»;

2. инициация  – «начало»;

3. эллонгация  – «продолжение, удлинение»;

4. терминация - «прекращение»;

5. процессинг  – «созревание».

 

1. Рекогниция. Происходит связывание АК со своей тРНК: АК+тРНК®(над стрелкой – аминоацил-тРНК-синтетаза, АТФ) аминоацил-тРНК +АМФ+2Ф_н Количество этих реакций зависит от количества АК.

 

2. Инициация. Состоит из 7 фаз:

а) подготовка рибосомы к трансляции. Рибосома (30S) взаимодействует  с фактором инициации 3 (ФИ-3), в результате разделяется на малую и большую субъединицы. Малая субъединица находится в комплексе с ФИ-3;

б) подготовка РНК-матрицы  к трансляции. мРНК эукариот в области 5’-конца имеет особую структуру  – КЭП, представленную метил-ГТФ. В  этой фазе происходит присоединение  к КЭПу КЭП-связываемых белков. Они обозначают на мРНК место прикрепления рибосомы;

в) подготовка инициаторной аминоацил-тРНК. Кодон, с которого начинается считывание генетической информации, представлен триплетом АУГ –  метионин. В качестве инициаторной будет выступать МЕТ-тРНК: МЕТ-тРНК+ГТФ+ФИ-2® инициаторный метионин-тРНК;

г) образование  инициирующего комплекса. При этом инициаторная МЕТ-тРНК взаимодействует  с малой субъединицей рибосомы с  образованием инициирующего комплекса. Этому процессу способствует белковый ФИ-3, связанный с рибосомой;

д) связывание мРНК с инициирующим комплексом: инициирующий комплекс+ ФИ-1+ 5’-конец мРНК. При  этом АТФ®АДФ+Ф_н;

е) поиск и  комплементарное взаимодействие со стартовым кодоном. При этом происходит скольжение малой субъединицы рибосомы до момента обнаружения кодона АУГ и комплементарного взаимодействия с ним антикодона МЕТ-тРНК;

ж) формирование 80S-рибосомы. Большая субъединица  присоединяется к комплексу, образующемуся  на 6 стадии, что сопровождается затратой энергии ГТФ (ГТФ®ГДФ+Ф_н). Для этой реакции используется ГТФ, находящаяся в составе инициирующего комплекса. В образовавщейся рибосоме выделяют 2 участка:

- Р-участок, в  котором находится МЕТ-тРНК. Здесь  будет происходить образование  пептидных связей – сайт Р;

- А-участок (аминоацильный  участок) – служит для присоединения аминоацильной-тРНК.

В завершении этой фазы происходит высвобождение белковых факторов ФИ-1, ФИ-2, ФИ-3 и КЭП-связанных  белков.

 

3. Элонгация. Состоит из 3-х фаз:

а. присоединение следующей аминоацил-тРНК в соответствии со смыслом следующего кодона матрицы. Процесс требует энергии ГТФ ®ГДФ + Ф_н+Q и белкового фактора - фактор элонгации-1 (ФЭ-1);

б. пептизация. Между АК-остатками образуются пептидные связи (между АК-1 и АК-2). Данную реакцию катализирует пептидил-трансфераза. Этот фермент разрушает связь между первой АК и ее тРНК. Первая тРНК покидает рибосому. В результате в амино-ацильном участке рибосомы находится растущий пептид, а Р-участок освобождается;

в. транслокация или перемещение. Рибосома перемещается на 1 кодон в направлении 3’-конца тРНК. При этом пептдтл-тРНК остается на месте и происходит внутририбосомный переход растущего пептида из А-участка рибосомы в Р-участок. Для данного процесса необходимы энергия ГТФ ®ГДФ + Ф_н+Q и белковый фактор - ФЭ-2. Основным результатом является освобождение А-участка рибосомы, в который может поступить следующая аминоацил-тРНК.

Процесс элонгации протекает  циклически с 1 по 3 фазу до момента обнаружения  стоп-кодона. При достижении рибосомой  нонсенс-кодона элонгация прекращается и наступает терминация.

 

4. Терминация.

Нонсенс-кодон  распознается белковыми R-факторами (факторы  освобождения) в А-участке рибосом. В результате действия R-факторов обеспечивается диссоциация элементов трансляционного  аппарата и в цитоплазму высвобождаются рибосома, иРНК, полипептид. СЭС между пептидом и тРНК гидролизуется с затратой энергии ГТФ ®ГДФ + Ф_н+Q. иРНК в дальнейшем может использоваться повторно для трансляции (до разрушения ее иРНКазами).

Собственно трансляция включает 3 этапа: инициация, элонгация, терминация.

 

5. Процессинг белка.

Это совокупность изменений в структуре белка (полипептида), которые заканчиваются формированием  структурно и функционально зрелой белковой молекулы. Процессинг может  быть 2-х видов: