Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
Ферменты, катализирующие распад нуклеиновых кислот – нуклеазы. Ферменты, расщепляющие ДНК, называются дезоксирибонуклеазами (ДНК–азы), а те, что гидролизуют РНК, рибонуклеазами (РНК–азы). Распад экзогенных нуклеиновых кислот в процессе пищеварения осуществляется в основном гидролитическим путем в тонком кишечнике под действием ДНК–аз и РНК–аз, секретируемых поджелудочной железой до олиго-, ди– и мононуклеотидов. Полная деполимеризация нуклеиновых кислот до мононуклеотидов может завершаться под действием других ферментов, например фосфодиэстераз.
По специфичности действия различают следующие нуклеазы:
§ действующие на внутренние межнуклеотидные связи – эндонуклеазы и на концевые – экзонуклеазы;
§ узнающие 3'– или 5'– концы;
§ разрушающие одно– и (или) двухцепочечные нуклеиновые кислоты;
§ узнающие пуриновые или пиримидиновые основания.
Образовавшиеся под действием нуклеаз нуклеотиды расщепляются нуклеотидазами и нуклеозидазами.
Пуриновые нуклеотиды подвергаются ферментативному расщеплению у человека, высших животных и птиц до мочевой кислоты, которая выводится с мочой. У других надземных животных конечным продуктом является аллантоин, у амфибий и рыб аллантоин далее расщепляется до аллантоиновой кислоты. Во многих микроорганизмах аллантоиновая кислота превращается в глиоксилат и мочевину.
Продукты катаболизма пиримидинов либо выводятся из организма, либо повторно утилизируются в других метаболических процессах. Так, β–аланин используется при синтезе витамина В3 (пантотеновая кислота), который, в свою очередь, необходим для синтеза коэнзима А и ацилпереносящего белка – компонента, участвующего в синтезе жирных кислот.
Синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов
Почти все организмы способны синтезировать пиримидиновые и пуриновые нуклеотиды de novo из простых соединений.
Предшественниками биосинтеза пуриновых нуклеотидов являются аминокислоты: аспарагиновая, глутамин, глицин; тетрогидрофолиевая кислота, гидрокарбонат ионы. В результате 11 ферментативных реакций образуется рибонуклеотид – инозиновая кислота, из которой в дальнейшем синтезируются АМФ и ГМФ. Синтез этих нуклеотидов осуществляется в две ферментативные стадии с образованием различных промежуточных метаболитов и участием различных ферментов. При синтезе АМФ работает аллостерический фермент – сукциниладенилатсинтетаза, который активируется ГТФ, а подавляется АМФ, т.е. АМФ контролирует синтез самой себя (регуляция конечным продуктом). Аналогичная ситуация нвблюдается при синтезе ГМФ, в этом случае работает аллостерический фермент ГМФ-синтетаза, который активируется АТФ, а подавляется ГМФ.
Пути синтеза пуриновых оснований в печени животных и у микроорганизмов полностью совпадают.
Синтез пиримидиновых нуклеотидов начинается со сборки пиримидинового кольца, а затем это кольцо присоединяется к рибозофосфату. Донором рибозофосфата является ФРПФ (5-фосфорибозил-α-D-пирофосфат). Само пиримидиновое кольцо синтезируется из карбамоилфосфата и аспартата. Синтез карбамоилфосфата аналогичен его синтезу в цикле мочевины. Однако в обоих случаях синтез компартментализован: пиримидиновый карбамаил–фосфат синтезируется в цитоплазме; карбамаилфосфат, идущий на синтез мочевины– в митохондриях. Конечным продуктом синтеза является УМФ, который является предшественником для синтеза цитидиловых и тимидиловых нуклеотидов.
Таким образом, в клетках синтезируются все виды нуклеозидтрифосфатов, которые необходимы для биосинтеза новых молекул ДНК и РНК.
Репликация
( биосинтез ДНК на ДНК матрице)
В большинстве случаев синтез ДНК представляет собой репликацию – удвоение количества молекул ДНК. В итоге из одной биспиральной материнской молекулы ДНК образуются две биспиральные дочерние молекулы ДНК идентичные друг другу и материнской ДНК. Такую репликацию называют гомологической репликацией.
В этом сложном процессе выделяют несколько этапов. Вначале особые ферменты хеликазы обеспечивают расхождение двух цепей биспиральной молекулы ДНК. В результате возникает структура, называемая репликативной вилкой. Ее протяженность составляет около 1000 нуклеотидов.
В роли матрицы выступают обе разъединенные цепочки нуклеотидов, вдоль которых осуществляется синтез «дочерних» ДНК. Этот синтез возможен только в направлении 5' → 3', а так как цепи материнской ДНК являются антипараллельными, то и синтез называется антипараллельным.
1. Инициация репликации заключается в переносе первых нуклеотидов с соответствующих нуклеозидтрифосфатов на предварительно синтезированный праймер – затравку, состоящую из 10–60 рибонуклеотидов. Синтез затравки обеспечивает специальный фермент праймаза. Впоследствие затравка удаляется из дочерней молекулы ДНК при ее созревании.
2. Элонгация выражается в наращивании цепочки нуклеотидов благодаря их последовательному переносу с молекул нуклеозидтрифосфатов на растущую полинуклеотидную цепь. Этот процесс обслуживается комплексом ферментов, среди которых ведущую роль выполняет ДНК – полимераза III.
Благодаря принципу комплементарности нуклеотидов обеспечивается точное воспроизведение дочерними молекулами ДНК структуры материнской ДНК. По мере продвижения репликативной вилки по молекуле материнской ДНК синтезируются фрагменты дочерних ДНК, которые впоследствии объединяются в единую цепь. Такой синтез получил название прерывистого синтеза. Объединение дочерних фрагментов осуществляется с помощью ферментов ДНК – лигаз.
3.Терминация (прекращение) репликации программируется особой последовательностью нуклеотидов, располагающихся на конце материнской ДНК.
В результате такого синтеза в составе биспиральной молекулы ДНК оказывается одна цепь – материнская, а другая – вновь синтезированная –дочерняя. Поэтому репликация ДНК носит полуконсервативный характер.
Таким образом, репликация ДНК является гомологической, антипараллельной, прерывистой и полуконсервативной.
Биосинтез ДНК исследуется более четырех десятилетий. Уже многое известно о ферментных системах, обеспечивающих протекание этого сложного процесса, тем не менее расшифровка целого ряда его деталей требует кропотливого труда. Это особенно относится к ДНК – синтезирующему аппарату высших организмов. Решение этой задачи будет иметь важное значение для контроля роста опухолей, процесса старения организма, борьбы с вирусной инфекцией.
Транскрипция
(биосинтез РНК на ДНК матрице)
Следующий этап в передаче генетической информации – транскрипция. В этом процессе с помощью ферментной системы происходит синтез цепи РНК на одной из нитей матричной ДНК. В результате транскрипции образуется РНК – точная копия нити ДНК по последовательности азотистых оснований в полинуклеотидной цепи. Транскрипция осуществляется избирательно лишь на отдельном участке молекулы ДНК – гене (или группе генов). Участок ДНК, подлежащий переписыванию, называют транскриптоном.
Синтезу РНК предшествует соединение фермента РНК – полимеразы с особым участком молекулы ДНК, называемым промотором. РНК - полимераза распознает место своей посадки на особой последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК (ТАТААТ – в клетках бактерий, ТАТА – в клетках эукариот). Процесс транскрипции включает несколько этапов.
1. Инициации синтеза предшествует расхождение цепей ДНК на ограниченном участке под воздействием РНК – полимеразы. В результате возникает структура, называемая транскрипционной вилкой. Линейная цепь ДНК транскрипционной вилки используется в качестве матрицы для синтеза РНК. Вдоль этой цепи выстраиваются нуклеозидтрифосфаты – предшественники будущей РНК. Соединение между собой двух первых нуклеотидов является началом синтеза РНК – инициацией.
2.Элонгация, или рост цепи РНК, осуществляется благодаря реакции переноса фрагментов нуклеотидов с молекул АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ на растущую полинуклеотидную цепь. Эту реакцию катализирует фермент РНК – полимераза. Синтез идет с использованием энергии гидролиза высокоэнергетических связей нуклеозидтрифосфатов. Специфическая последовательность матричной ДНК задает структуру молекулы РНК благодаря принципу комплементарности.
3.Терминация синтеза наступает в тот момент, когда движущаяся по транскриптону РНК– полимераза встречается с терминирующим кодоном. Появление терминатора служит сигналом для разъединения синтезированной РНК с ДНК – матрицей и прекращения транскрипции. В результате синтезированная РНК переходит к самостоятельному существованию.
На матрице ДНК с помощью фермента РНК – полимеразы синтезируются предшественники всех типов молекул РНК – информационных, рибосомальных, транспортных, которые подвергаются дальнейшим модификациям (биогенез) и созревшие молекулы могут выполнять свои биологические функции.
Задания для самостоятельного изучения
1. Синтез предшественника пуриновых нуклеотидов – ИМФ.
2. Синтез АМФ из ИМФ, ферменты, катализирующие процесс.
3. Синтез ГМФ из ИМФ, ферменты, катализирующие процесс.
4. Синтез дифосфо- и трифосфонуклеозидов, ферменты, катализирующие эти процессы.
5. Пути регенерации пуриновых нуклеотидов.
6. Регуляция синтеза пуриновых нуклеотидов.
7. Механизм биосинтеза УМФ.
8. Биосинтез цитидиновых нуклеозидов.
9. Биосинтез тимидиновых нуклеозидов.
10. Синтез дифосфо- и трифосфонуклеозидов, ферменты, катализирующие эти процессы.
11. Пути регенерации пиримидиновых нуклеотидов.
12. Регуляция синтеза пиримидиновых нуклеотидов
13. Молекулярный механизм биосинтеза ДНК.
14. Механизм биосинтеза РНК на ДНК-матрице.
15. Биогенез т-РНК, р-РНК, м-РНК.
.
Тема: «ОБМЕН БЕЛКОВ»
Белки являются основными функциональными молекулами всех видов живых организмов. Белки, попадающие в организм с пищей, никогда не включаются в состав органов и тканей без предварительного расщепления. Распад белковых веществ на более простые происходит путем гидролиза в присутствии гидролаз. Гидролиз белков может быть либо частичным (до пептидов), либо полным (до аминокислот). Процесс неполного гидролиза белков ускоряется специфическими ферментами – протеиназами (пептидилпептидогидролазами), важнейшими из которых являются трипсин, пепсин, химотрипсин.
Пептиды, образовавшиеся в результате действия на белки протеиназ, подвергаются дальнейшему расщеплению до аминокислот в присутствии пептидаз: карбоксипептидаз (отщепляют аминокислоты с С – конца пептида), аминопептидаз (отщепляют аминокислоты с N – конца пептида) и дипептидгидролаз (расщепляют дипептиды). В результате совместного действия протеолитических ферментов (протеиназ и пептидаз) белки пищи расщепляются до аминокислот. Свободные аминокислоты претерпевают в организме человека и животных различные превращения: часть их используется для синтеза белков органов и тканей, часть на синтез гормонов, витаминов и т.п.; часть же, подвергаясь полному распаду, используется в качестве энергетического материала.
В организме осуществляется три типа превращений аминокислот: по α- аминогруппе, по α- карбоксильной группе и по радикалу.
Реакции по α- аминогруппе – это, в основном, реакции дезаминирования и переаминирования. Дезаминирование может быть: окислительным, восстановительным, гидролитическим, внутримолекулярным. В результате дезаминирования образуется аммиак, который для большинства живых организмов является ядом, поэтому происходит его обезвреживание. Одним из путей обезвреживания является связывание его с аминокислотами глутаминовой и аспарагиновой, которые превращаются в глутамин и аспарагин в любом месте, где бы аммиак не выделился. Этот процесс характерен для растений. У животных основной транспортной формой NH3 в организме служит глутамин крови, доставляющий его в почки или печень, где осуществляется синтез мочевины с участием углекислого газа. Этот механизм связывания аммиака называется орнитиновый цикл Кребса. Заключительной реакцией в цикле биосинтеза мочевины является гидролиз аргинина на орнитин и мочевину. Суть функционирования орнитинового цикла заключается в том, что из каждых двух молекул аммиака и одной молекулы углекислого газа получается одна молекула мочевины.
Реакции переаминирования лежат в основе синтеза новых аминокислот из кетокислот.
Реакции по карбоксильным группам аминокислот сводятся в основном к двум процессам: декарбоксилированию и образованию аминоациладенилатов.
Декарбоксилирование аминокислот ведет к образованию физиологически активных аминов – предшественников еще более физиологически активных соединений – алкалоидов.
Важное значение имеет превращение аминокислот по радикалам. Так, например, пролин легко превращается в оксипролин, фенилаланин – в тирозин, аргинин – в орнитин.
Новообразование аминокислот
Пути биосинтеза заменимых аминокислот хотя и разнообразны, но достаточно просты. Первичный синтез аминокислот в природе осуществляется, главным образом, путем восстановительного аминирования кетокислот и прямого аминирования непредельных кислот.
Прямое аминирование непредельных кислот – реакция, характерная для растений и бактерий.
Восстановительное аминирование, представляющее собой обращение окислительного дезаминирования аминокислот, является одним из главных путей синтеза аминокислот.
Важную роль в этом синтезе играют глутаминовая кислота и глутамин – доноры NH2 – групп. Глутаминовая кислота образуется в реакции восстановительного аминирования 2 – оксоглутарата; он является предшественником глутамина, пролина и карбамоилфосфата – важного звена цикла мочевины. В реакциях переаминирования образуются аланин из пировиноградной кислоты и аспарагиновая кислота из оксалоацетата. Предшественником серина является 3 – фосфоглицерат, а сам серин – предшественник глицина и цистеина. Пути биосинтеза незаменимых аминокислот у растений и бактерий гораздо длиннее и сложнее, чем заменимых. Они образуются из некоторых заменимых аминокислот, а также из других метаболитов. Синтез как заменимых, так и незаменимых аминокислот регулируется по механизму обратной связи, в котором решающая реакция ингибируется конечными продуктами – аминокислотами.
Растительные и животные организмы отличаются друг от друга по уровню и способности синтезировать аминокислоты. В растениях осуществляется биосинтез более 100 различных аминокислот, входящих в природные белки, а также редких аминокислот, свойственных определенным видам.
Животные организмы синтезируют только заменимые аминокислоты, остальные (незаменимые) должны поступать с пищей. Недостаток каждой из незаменимых аминокислот приводит к нарушению обмена веществ, замедлению роста и развития организма. Пищевая ценность белка определяется содержанием незаменимых аминокислот и степенью усвоения. Чем выше показатели, тем лучше качество белка.
Биосинтез белка
Проблема биосинтеза белка – важнейшего биополимера – одна из центральных в современной биологии.
Основная теория, объясняющая синтез белков – это матричная теория. Она включает следующие этапы:
1. Перенос информации из ядра (от ДНК) в цитоплазму к рибосомам в виде нуклеотидной последовательности матричной (информационной) м– РНК в процессе транскрипции;
2. Активацию аминокислот и перенос активированных аминокислот на рибосомы (полисомы) с помощью транспортных РНК;
3. Синтез пептидных связей – трансляцию.
Процесс переноса информации из ядра заключается в том, что синтезированная в процессе транскрипции цепь м–РНК точно копирует нуклеотидную последовательность одной из двух цепей ДНК на основе принципа комплементарности. «Переписывание сочетания» нуклеотидов в цепи м–РНК в виде кодонов – троек нуклеотидов. Или триплетов, непосредственно определяют расстановку соответствующих, кодируемых ими аминокислот в цепи белковой молекулы.
Таким образом, в м–РНК содержится код белкового синтеза в виде сочетаний уникальных для каждой аминокислоты триплетов нуклеотидов. ДНК в этом процессе не расходуется и не изменяется, сохраняясь в прежнем виде и будучи готовой для «переписывания» с нее неограниченного количества молекул м–РНК. Расшифровка биологического кода явилась одним из наиболее крупных достижений молекулярной биологии. В настоящее время имеется полная таблица, содержащая 64 возможных триплета нуклеотидов, из которых 61 – «смысловые» кодоны, т.е. кодирующие какую либо аминокислоту. Триплеты УАГ, УАА и УГА оказались «бессмысленными», т.е. не кодируют ни одну из белковых аминокислот. Генетический код обладает следующими свойствами: триплетный (каждая аминокислота кодируется последовательностью трех нуклеотидов в кодоне м–РНК); непрерывный (код считывается непрерывно); универсальный (одинаковый для всех живых организмов); неперекрывающийся; вырожденный (положение одной аминокислоты в полипептидной цепи определяется несколькими кодонами).
Мономерами белковых молекул служат аминокислоты. Их последовательность определяет первичную структуру белка и все многообразие этих важнейших биологических полимеров. Поэтому важнейшим условием синтеза белка является наличие в клетке всех необходимых аминокислот, входящих в его состав. В клетках всех организмов «фабриками» белка служат рибосомы.
Доставку аминокислот к месту синтеза белка осуществляют т–РНК. Кроме того, т–РНК при участии АТФ обеспечивают энергией синтез полипептидной цепочки.
Информацию о структуре белковой молекулы в рибосому переносит информационная РНК. Она служит матрицей, на которой в рибосомах осуществляется синтез белковой молекулы.
Синтез белка – это ключевой и весьма сложный биохимический процесс, требующий согласованной работы множества ферментов.
Подготовительный этап белкового синтеза активирование аминокислот и их взаимодействие с транспортными РНК.
Активирование происходит в цитоплазме клетки за счет энергии АТФ. Этот процесс обеспечивают ферменты аминоацил-т-РНК-синтетазы, которые ускоряют реакцию фосфорилирования аминокислот:
Аминокислота + АТФ → [аминокислота-АМФ] +пирофосфат
Образуется аминоациладенилат (ААА), который взаимодействует с соответствующей т-РНК благодаря энергии АТФ.
[аминокислота-АМФ] + т-РНК → [аминокислота-т-РНК] + АМФ
В результате этих превращений комплекс [аминокислота–т–РНК] обогащается энергией, которая позднее будет использоваться для синтеза полипептидной цепочки из аминокислот.
Трансляция, т.е. преобразование информации, содержащейся в и–РНК, в специфическую для каждого белка последовательность аминокислот, осуществляется в рибосомах клетки. По своей химической природе рибосомы – это нуклеопротеины, состоящие из белков и РНК. Каждая рибосома состоит из двух субчастиц – большой и малой, причем, эти частицы до начала синтеза белка находятся в цитоплазме раздельно. Их соединение в единую рибосому – необходимое условие синтеза белка.
1.Инициация белкового синтеза начинается с присоединения к малой субчастице рибосомы информационной РНК и первой т–РНК, несущей остаток аминокислоты метионина (т–РНКмет). Образовавшийся биохимический комплекс притягивает к себе вторую большую субчастицу рибосомы; в результате рибосома становится активной. В таком состоянии рибосомы называются транслирующими рибосомами.
2.Элонгация синтеза происходит в транслирующей рибосоме. Она заключается в последовательном взаимодействии т–РНК, несущих аминокислоты в рибосому, с уже находящейся в ней информационной РНК.
Это взаимодействие двух нуклеиновых кислот осуществляется благодаря принципу комплементарности нуклеотидов: антикодон т–РНК распознает комплементарный кодон и–РНК и химически связывается с ним посредством водородных связей. В результате такого взаимодействия доставленная в рибосому аминокислота покидает т–РНК и присоединяется к растущей полипептидной цепочке.
В результате, на этапе элонгации последовательность кодонов и-РНК преобразуется в последовательность аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Основой такого преобразования служит генетический код. Благодаря генетическому коду информация, первоначально закодированная в молекуле ДНК посредством и–РНК, переносится в рибосому, а здесь она с помощью т-РНК преобразуется в информацию об аминокислотном составе белковой молекулы. Так возникает уникальная, специфичная для каждого белка последовательность аминокислот, т.е. первичная структура белковой молекулы.
В рибосоме имеются два важных центра: пептидильный и аминоацильный. т–РНК мет попадает сразу в пептидильный центр, все остальные аминокислоты с помощью т–РНК доставляются в аминоациальный центр, из которого аминокислота попадает в пептидильный центр, где из аминокислот синтезируется полипептидная цепочка.
3.Терминация (прекращение) синтеза белковой молекулы происходит в тот момент, когда в рибосоме появляются кодоны и–РНК, сигнализирующие о прекращении синтеза белка. Такие триплеты нуклеотидов (УАГ, УАА, УГА) называются терминирующими кодонами.
Терминация трансляции приводит к разрыву связей между рибосомой,
т–РНК, и–РНК. Рибосома при этом распадается на две субчастицы – большую и малую, которые пополняют фонд свободных рибосомальных частиц, готовых к новым циклам биосинтеза белка. Распад рибосомы сопровождается переходом синтезированной полипептидной цепочки в цитоплазму, где она подвергается разнообразным превращениям. Эти превращения называются посттрансляционной модификацией. Они придают белковой молекуле специфическую конформацию – вторичную, третичную, а иногда и четвертичную.
Скорость синтеза белка существенно зависит от уровня организации клетки. Наибольшей скоростью сборки полипептидной цепи отличаются бактерии, имеющие простое строение. В рибосомах этих микроорганизмов за 1 секунду объединяются 15– 20 аминокислот. В клетках дрожжей не более 7–10 аминокислот, а в клетках млекопитающих – лишь 3–5 аминокислот в секунду.
Одну и ту же цепь м–РНК могут транслировать одновременно множество рибосом. Рибосомы, расположенные на одной молекуле м–РНК, образуют полирибосому или полисому. Полисомы, активно синтезирующие белки, либо находятся в цитоплазме, либо могут быть прикреплены к мембранам эндоплазматического ретикулума.
Транспорт белков к месту их назначения осуществляется благодаря наличию на их концах сигнальных последовательностей, специфически узнаваемых Синтез белка подвержен тонкой регуляции на этапах транскрипции и трансляции.
Регуляция синтеза белков находится под контролем генетической системы клетки и осуществляется с помощью механизмов, известных под названием индукции и репрессии. Эти механизмы регулируются на уровне транскрипции и трансляции. Стимуляция синтеза либо одного белка, либо группы белков, вызываемая прибавлением к среде специфического вещества, получила название индукции, а вещество, стимулирующее синтез белка – индуктором. Помимо индуцируемых белков, в клетке синтезируются и другие белки без внесения в питательную среду индуктора; они получили название конструктивных (конститутивных). Конструктивные белки присутствуют в бактериальных клетках в постоянных количествах, независимо от потребности в них (например, ферменты катаболизма - гликолиза).
Классические работы Жакоба и Моно с Е. coli позволили разработать механизм регуляции на уровне транскрипции, в основу которого положено функционирование структурной единицы – оперона. В состав оперона входят промоторный участок, являющийся местом связывания ДНК с РНК-полимеразой, оператор и структурные гены. Функция оператора заключается в выключении структурных генов из процесса синтеза мРНК. Это выключение осуществляется репрессором, блокирующим оператор. Белок– репрессор кодируется геном– регулятором, существующим автономно от оперона. Оперон включается в работу в том случае, когда репрессор блокирован специфическим веществом– индуктором.
Задания для самостоятельного изучения
1. Орнитиновый цикл Кребса.
2. Основные биосинтетические семейства, их характеристика.
3. Биосинтез незаменимых аминокислот.
4. Регуляция биосинтеза аминокислот.
5. Синтез незаменимых аминокислот и белков для практических целей.
6. . Строение т-РНК, ее роль в активации аминокислот.
7. Генетический код, его особенности, биологическая роль.
8. Преобразование вновь синтезированных белков, их перенос через мембрану.
9. Индукция репрессии синтеза белков. Конструктивные и индуцируемые ферменты.
10. Гипотеза Жакоба и Моно.
11. Мультиэнзимный механизм синтеза пептидов, его биологическая роль.
12. Энергетические затраты биосинтеза белка.
Тема: «ОБМЕН УГЛЕВОДОВ»
Распад углеводов обеспечивает организм энергией, заключенной в этих соединениях. В этом проявляется энергетическая функция углеводов в организме. Энергия, которая высвобождается, запасается в форме АТФ. Позднее она расходуется для осуществления синтетических и других процессов жизнедеятельности организма.
Наряду с энергетической функцией важна и метаболическая функция; их распад сопровождается появлением большого числа веществ, необходимых для синтеза липидов, белков, нуклеиновых кислот. Углеводы служат источником этих важнейших биоорганических соединений.
Дата: 2019-07-30, просмотров: 386.