Краткая история развития биохимии

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОХИМИИ

Биохимия – это сравнительно молодая наука, она возникла на рубеже 19 в. Впервые в научной литературе термин «биохимия» использовал в 1903 году немецкий химик Карл Нойберг.

Как наука биохимия сформировалась относительно недавно, однако корни ее уходят в глубокую древность. Так на основе биохимических процессов развивались такие производства как сыроварение, хлебопечение, виноделие, выделка кожи и т.д.

Необходимость борьбы с болезнями заставляла задумываться о преврщении веществ в организме, искать объяснение целебным свойствам растений.

Авиценна (980-1037) – разработал первую химическую классификацию веществ, применяемых в медицине, и изложил ее в труде «Канон врачебной науки».

Средние века, период «алхимии» – это попытки создания химическим путем «панацеи» от всех болезней.

16-17 вв. – появилось особое направление «ятрохимия» от греч. «ятрос» – врач). Немецкий врач-ятрохимик Парацельс выдвинул прогрессивное по тем временам предположение о тесной связи химии и медицины.

Ван-Гель-Монт высказался о наличии в живых организмах факторов, участвующих в различных химических процессах.

17-18 вв. – немецкий химик и врач Шталь сформулировал теорию горючего начала – теорию «флогистона»: якобы в процессе горения из горючего вещества выделяется особое невесомое вещество – флогистон. Эти метафизические воззрения были опровергнуты работами Ломоносова и Лавуазье, которые открыли законы сохранения массы. Лавуазье показал, что при горении, также как и при дыхании поглощается О₂ и выделяется СО₂.

К концу 18 в. был накоплен большой практический материал и выделено огромное количество органических соединений растительного и животного происхождения. Работы Реомюра и Спалланцони положили начало изучению ферментов пищеварительных соков.

1814 г. – русский ученый Кирхгофф описал осахаривание крахмала под действием фермента амилазы. Либих (1839) выяснил, что главные компоненты животных и растений – это белки, жиры, углеводы.

Бертло (1854) – провел синтез жиров; Бутлеров (1861) – синтез углеводов.

Накопление большого числа сведений о химическом составе животных и растений, химических превращениях, которые в них происходят, привело к систематизации уже имеющихся данных в учебных руководствах Либиха – в Европе, Ходнева – в России. Повсеместно в медицинских институтах открывались соответствующие кафедры.

Таким образом, в конце 19 в., появилась новая отрасль химии – биологическая химия, т.е. химия жизни, химия жизненных процессов. При этом: были заложены главные направления биохимии; открыты основные классы соединений, содержащиеся в живых организмах; были выделены белки из многих животных и растительных организмов; изучение продуктов гидролиза белков привело к открытию аминокислот (АК).

Открытие швейцарским ученым Мишером в 1869 г. ДНК привело к изучению нуклеиновых кислот (НК). Были поставлены первые опыты по взаимопревращению жиров, белков, углеводов. Возникло учение о витаминах (Лунин, Эйкман, Функ и другие), о ферментах (Манасеина, Павлов), гормонах (Бернар).

В 20 в. биохимия достигла подлинного расцвета: Фишером была обоснована пептидная теория строения белков; Кноопом, Ленинджером – окисление и биосинтез жирных кислот; Кребсом, Мейергофом – созданы схемы биохимических превращений углеводов и образования АТФ. К середине 20-го столетия были заложены серьезные основы к развитию таких направлений как биоэнергетика, генная инженерия, молекулярная биология и др. Достижения биохимии широко применяются в медицине, фармации, народном хозяйстве.

 

Элементный состав белков

В белках содержится до 55% – С; 20-25% – О; 16% – N, а также S, P, Mg и др. Доля азота в отличие от других элементов примерно одинакова и составляет 16% и содержание белка в материале часто определяют по количеству азота (сжигание по Къельдалю). Исключение составляет белки-протамины, которые содержат ~30% N.

Mr – относительная молекулярная масса белков. Она очень велика: от ≈ 6000Да до нескольких миллионов Да.

Например, Mr инсулина = 5733 Да, а вируса табачной мозаики – 40 млн.Да

Мономеры или структурные звенья белков.

Их можно определить путем кислотного гидролиза белков. Мономерами белков являются α-АК L-ряда. Соединение АК в полипептидную цепь (ППЦ) происходит посредством ковалентных пептидных связей –CO–NH–.

Сложная структурная организация.

Некоторые природные, а также искусственно полученные полипептиды могут иметь большую Mr, но отнести их к белкам нельзя. Отличает их от белков уникальный признак, присущий только белкам – денатурация. При действии определенных веществ, так называемых детергентов, происходит потеря белком физико-химических свойств, а главное – биологической активности, при этом пептидные связи не разрываются. Таким образом, белки обладают сложной пространственной организацией.

Таковы характерные признаки белков.

Форма белковых молекул.

В природе белки встречаются как в виде нитей – фибрилл, так и в виде шариков – глобул. Иногда глобулярные и фибриллярные формы встречаются в виде комплексов (в мышечной ткани комплекс актина с миозином; в плазме крови содержится фибрилл белка – фибриноген, а также глобулы белка – альбумины и глобулины).

Функции белков.

1. Каталитическая – более 99% ферментов или биологических катализаторов являются белками; например каталаза, аспартат-аминотрансфераза. К 90-м годам 20 в. идентифицировано более 2000 ферментов белковой природы.

2. Питательная (или резервная) – казеин – белок молока, овальбумины – белки яйца.

3. Транспортная – дыхательная функция крови, в частности, перенос О₂ осуществляется гемоглобином (Нв) - белком эритроцитов.

4. Защитная – специфические защитные белки-антитела нейтрализуют действие чужеродных белков-антигенов.

5. Сократительная – специфические белки мышечной ткани актин и миозин обеспечивают мышечные сокращения и расслабления, т.е. движение.

6. Структурная – такую функцию выполняют белки – коллаген соединительной ткани, кератин – в волосах, ногтях, коже.

7. Гормональная – регуляция обмена веществ осуществляется за счет гормонов – белков или полипептидов гипофиза, поджелудочной железы.

 

Цвиттер-ион

В зависимости от рН–среды АК могут быть в виде анионов, катионов, нейтральных биполярных ионов или в виде смеси их форм.

В сильнокислой среде АК присутствуют в виде катионов (q +)

в сильнощелочной среде – в виде анионов (–q)

Величина рН, при которой в водном растворе преобладает цвиттер-ион, т.е. равновесная концентрация «+» и «–» q аминокислот, а также белков, называется изоэлектрической точкой (pI). При достижении такой рН белок становится неподвижным в электрическом поле и выпадает в осадок, что используется в электрофоретических методах анализа белков и аминокислот.

Стереохимия аминокислот.

Важным свойством АК является их оптическая активность в водных растворах. Это свойство АК обусловлено наличием в их структуре хирального атома С. Хиральным атомом или хиральным центром называется атом, у которого все связи замещены различными радикалами (R):

Оптически неактивной является только АК глицин, которая не имеет хирального центра.

Существуют два вида изомеров – структурные и стереоизомеры.

Структурные изомеры – это вещества с одинаковой Mr, но различной последовательностью связывания атомов в молекуле.

Стереоизомеры – это изомеры с одинаковой последовательностью соединения атомов, но с различным их расположением в пространстве.

Если 2 стереоизомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное отражение, их называют энантиомерами.

Энантиомеры всегда проявляют одинаковые химические и физические свойства за исключением одного – направления вращения плоскости поляризованного луча. Энантиомер, вращающий плоскость поляризации по часовой стрелке, называется правовращающим («+»), а против часовой стрелки – л евовращающим («–»). Природные аминокислоты являются как «+», так и «–».

Смесь равного количества молекул правого и левого энантиомеров называется рацемической смесью.

Рацематы не обладают оптической активностью. По пространственному расположению атомов и радикалов вокруг хирального центра различают аминокислоты Д– и L–ряда. Для определения принадлежности АК к Д– или L–ряду сравнивают конфигурацию ее хирального центра с энантиомером глицеральдегида (ГА).

По аналогии, в аминокислотах если NH₂–группа расположена справа от оси СООН-R, то это Д–АК, а если слева – L–АК.

Все аминокислоты природных белков являются α–АК.

Классификация белков

В зависимости от химического состава белки делятся на 3 группы:

1) простые (протеины);

2) пептиды;

3) сложные (протеиды).

1. Простые белки построены из аминокислот и при гидролизе распадаются только на аминокислоты.

Протамины и гистоны – содержат до 85% аргинина, поэтому имеют выраженные основные свойства.

Белок сальмин, полученный из молок семги; клупеин – из молок сельди, скорее относятся к пептидам, т.к. имеют Mr не более 5000 Да.

Протамины в основном являются белковой частью нуклеотидов (ДНК). Гистоны сосредоточены главным образом в ядре и представляют белковую часть РНК.

Проламины и глютелины – белки растительного происхождения: зеин получают из кукурузы, глютенин - из пшеницы. Содержат до 25% глу, 10-15% про.

Альбумины и глобулины – содержатся в сыворотке крови, молоке, яичном белке, мышцах и т.д. Это глобулярные белки, отличающиеся различной растворимостью (альбумины растворяются лучше), по Mr (альбумины имеют молекулярную массу, равную 69000 Да, глобулины - 150000Да).

2. Пептиды – это низкомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из остатков аминокислот и имеющие молекулярную массу менее 5000 Да.

а) с гормональной активностью (АКТГ, окситоцин, вазопрессин и др.);

б) участвующие в процессах пищеварения (секретин, гастрин);

в) содержащиеся в α₂-глобулярной фракции сыворотки крови (брадикинин, ангиотензин);

г) нейропептиды (рилизинг-факторы гормонов, например нейрофизины I и II гипоталамуса, способствуют выделению гормонов окситоцина и вазопрессина).

3. Сложные белки или протеиды – состоят из двух частей: белковой и небелковой. Небелковую часть называют простетической группой, а белковую часть, утратившую простетическую группу, называют апобелком.

 

Название сложных белков	Простетическая группа
1. Хромопротеиды в т.ч. гемопротеиды, флавопротеиды	окрашенный небелковый компонент гемовое железо производное изоаллоксазина ФАД, ФНН
2. Нуклеопротеиды	РНК, ДНК
3. Липопротеиды	липиды
4. Гликопротеиды	олигосахариды, простые сахара
5. Протеогликаны	полисахариды
6. Металлопротеиды	негемовое железо, другие атомы металлов

Подробно рассмотрим группу гемопротеидов – это Hb и его производное миоглобин (белок мышечной ткани), хлорофиллсодержащие белки и ферменты (цитохромы b, С, С₁, каталаза, пероксидаза). Все они в качестве простетических групп содержат Fe (или Mg)– порфирины, а отличаются белковой частью.

Структуру гема впервые раскрыл Ненцкий, а его синтез провел Фишер.

HbA₁ – основной представитель Hb крови взрослого человека;

Фетальный HbF – в крови новорожденного содержится до 80%, к концу 1-го года жизни он почти полностью заменяется на HbA₁.

HbA состоит из 4 ППЦ: 2α–субъединиц и 2b–субъединиц. Четыре субъединицы или протомера ППЦ гемоглобина связаны друг с другом гидрофобными взаимодействиями. Молекула гемоглобина диссоциирует на два димера - ab и a₁b₁. Каждый протомер содержит гем, находящийся в гидрофобной «нише», защищающей его от окисления в ферри-форму. Mr ППЦ гемоглобина равна 64458 (64500) Да.

В основе простетической группы Нbлежит протопорфирин, у которогоимеются: в положении 1,3,5,8-СН₃– метильный R; в положении 2,4 СН₂=СН– винильнный R; в положении 6,7 СООН–СН₂–СН₂ – остатки пропионовой кислоты. Железо, входящее в состав гемоглобина, имеет 2 ковалентные и 4 координационные связи; четыре связи образуют связи с атомами азота, пятая координационная связь присоединяет кислород к гему, шестая – связывает гем и ППЦ.

Определение первичной структуры белка (ПСБ).

ПСБ белков можно определить с помощью фенилтиогидантоиновогометода. Этот метод основан на реакции взаимодействия фенилизотиоцианата (ФИТЦ) с α-АК. В результате образуется комплекс этих двух соединений – ФИТЦ -АК. Например, рассмотрим пептид с целью определения его ПСБ, то есть последовательности соединения аминокислотных остатков.

ФИТЦ взаимодействует с концевой аминокислотой (а). Образуется комплекс ФТГ-а, его отделяют от смеси и определяют подлинность аминокислоты а. Например, это – асн и т.д. Последовательно отделяют и идентифицируют все остальные аминокислоты. Это трудоемкий процесс. Определение ПСБ белка среднего размера занимает несколько месяцев.

Приоритет в расшифровке ПСБ принадлежит Сенджеру (1953), который открыл ПСБ инсулина (Лауреат Нобелевской премии). Молекула инсулина состоит из 2х ППЦ – A и B.

А-цепь состоит из 21 аминокислоты, цепь В – из 30. Между собой ППЦ соединяются дисульфидными мостиками. Число белков, ПСБ которых определена, к настоящему времени достигает 1500. Даже небольшие изменения первичной структуры могут существенно изменить свойства белка. В эритроцитах здоровых людей содержится HbA – при замене в b-цепи HbA, в 6-м положении глу на вал возникает тяжелейшее заболевание серповидно-клеточная анемия, при которой дети, родившиеся с этой аномалией, погибают в раннем возрасте. С другой стороны, возможны варианты изменения ПСБ, которые не сказываются на его физико-химических и биологических свойствах. Например, HbC содержит в 6-м положении b-цепи вместо глу – лиз, HbС почти не отличается по своим свойствам от HbA, а люди, имеющие в эритроцитах такой Hb, практически здоровы.

Стабильность ПСБ обеспечивается в основном прочными ковалентными пептидными связями и, во вторую очередь, дисульфидными связями.

Вторичная структура белка (ВСБ).

ППЦ белков обладают большой гибкостью и приобретают определенную пространственную структуру или конформацию. В белках различают 2 уровня такой конформации – это ВСБ и третичная структура (ТСБ).

ВСБ – это конфигурация ППЦ, то есть способ ее укладки или скручивания в какую-нибудь конформацию, в соответствии с программой, заложенной в П СБ.

Известны три основных типа ВСБ:

1) a-спираль;

2) b-структура (складчатый слой или складчатый листок);

3) беспорядочный клубок.

a-спираль.

Ее модель предложена В. Полингом. Она наиболее вероятна для глобулярных белков. Для любой системы наиболее устойчивым является состояние, соответствующее минимуму свободной энергии. Для пептидов такое состояние имеет место, когда CO– и NH– группы соединяются между собой слабой водородной связью. В a-спирали NH– группы 1-го аминокислотного остатка взаимодействует с CO–группой 4-ой по счету аминокислотой. В результате пептидный остов образует спираль, на каждый виток которой приходится 3,6 АК-остатка.

1 шаг спирали (1 виток) = 3,6 АК = 0,54 нм, угол подъема – 26°

Закручивание ППЦ происходит по часовой стрелке, то есть у спирали – правый ход. Через каждые 5 витков (18 АК; 2,7 нм) конфигурация ППЦ повторяется.

Стабилизируется ВСБ в первую очередь водородными связями, и во вторую – пептидными и дисульфидными. Водородные связи в 10-100 раз слабее обычных химических связей; однако за счет их большого количества они обеспечивают определенную жесткость и компактность ВСБ. Боковые R-цепи a-спирали обращены к наружи и расположены по разные стороны от ее оси.

 

b-структура.

Это складчатые участки ППЦ, по форме напоминающие листок, сложенный в гармошку. Слои ППЦ могут быть параллельными, если обе цепи начинаются с N– или С–конца.

Если смежные цепи в слое ориентированы противоположными концами N–С и С–N, то они называются антипараллельными.

паралельные

антипараллельные

Образование водородных связей происходит, как и в a-спирали, между CO– и NH– группами.

Содержание a-спирали и b-структуры в разных белках неодинаково. Не вся ППЦ уложена в спирали или складчатые слои.

 

Беспорядочный клубок

Некоторые участки вообще не имеют какой-либо правильной периодической пространственной конфигурации. Их обозначают как беспорядочный клубок, однако такие участки имеют свою фиксированную конформацию, которая определяется аминокислотным составом этого участка, а также ВСБ и ТСБ смежных областей, окружающих беспорядочный клубок. В областях беспорядочного клубка ППЦ могут легко изгибаться и изменять свою конфигурацию, в то время как a-спираль и b-структуры представляют собой довольно жесткие структуры.

Встречаемость a-спирали и b-структуры в различных белках.

	a-спираль	b-структура
Рибонуклеаза	26%	35%
Миоглобин	80%	0%
Трипсин	14%	45%

Третьичная структура белка (ТСБ).

По форме своих молекул и особенностям пространственной структуры белки делятся на две группы – глобулярные и фибриллярные белки.

Форма глобулярных белков близка к сферической или эллипсоидной, короткая и длинная ось которых может относиться как 1:50. Фибриллы белков более удлиненной формы. Такой белок может образовывать многомолекулярные нитевидные агрегаты – фибриллы. Фибриллярные белки выполняяют в основном опорную функцию. Функции глобулярных белков более разнообразны. ТС глобулярных белков образуется путем дополнительного скручивания ППЦ, содержащей a-спираль, b-структуру и беспорядочные клубки. ТСБ образуется, главным образом за счет взаимодействия R, основную роль при этом играют дисульфидные связи, слабые водородные, ионные связи и особенно гидрофобные.

Дисульфидные связи приводят к тому, что удаленные друг от друга области ППЦ сближаются и образуют фиксированные петли.

Гидрофобные взаимодействия осуществляются за счет сближения R аминокислот с молекулой воды. Неполярные гидрофобные R, отталкиваясь от водного окружения, как бы втягиваются внутрь белковой молекулы, образуя там так называемые «сухие зоны». А гидрофильные R обращены к наружи образующейся глобулы и ориентированы в сторону воды. Все образующиеся химические связи определены аминокислотным составом и их чередованием в ППЦ.

Таким образом, ТСБ – это компактное расположение или упаковка в пространстве одной или нескольких ППЦ в определенном объеме.

Все биологические свойства белковой молекулы связаны с сохранностью их ТС, которая называется нативной конфигурацией белка.

Глобулярная молекула (глобула) не является абсолютно жесткой структурой. Небольшие изменения конфигурации белковых молекул происходят как внутри самой молекулы (как бы пульсация), так и при взаимодействии с другими молекулами и напоминает изменение формы резинового мяча при надавливании.

Гемоглобинозы

Биологическая активность белков находится в прямой зависимости от сохранности ПСБ. При замене хотя бы одной аминокислоты могут возникнуть различные патологии. Например, при даже незначительных изменениях в ППЦ Hb возникают аномальные гемоглобинозы. Их около 200. Гемоглобинозы делятся на две основные группы:

1) гемоглобинопатии;

2) талассемии.

Гемоглобинопатии – в их основе наследственное изменение структуры какой-либо цепи Hb. Например, серповидно-клеточная анемия (в основном в странах Южной Америки, Африки, Юго-Восточной Азии). Эритроциты в условиях низкого парциального давления принимают форму серпа. HbS после отдачи О₂ (Полинг и авт.) превращается в плохо растворимую и выпадает в осадок в виде веретенообразных кристаллов, которые деформируют клетку и приводят к массивному гемолизу. Болезнь протекает остро и дети погибают в раннем возрасте. Причиной данной патологии является мутация в молекуле ДНК, кодирующей синтез b-цепи Hb, где происходит замена только 1-ой аминокислоты – глу на вал в 6-м положении. Ежегодно погибает около 1 млн. человек.

Талассемии – в основе – генетическое нарушение синтеза какой либо ППЦ Hb. При нарушении синтеза b-цепи возникают b-талассемии. Наряду с HbА₁ обр. до 15% HbА₂ и до 60% HbF – происходит гиперплазия и разрушение костного мозга, поражение печени, селезенки, деформация черепа, тяжелая гемолитическая анемия. Эритроциты приобретают форму мишени.

 

ЛЕКЦИЯ 3

Виды электрофореза

а) Изоэлектрическое фокусирование. Разделение происходит на вертикальной колонке в град. как рН, так и напряжения. С помощью специальных носителей амфолитов в колонке устанавливается град. рН от 0 до 14. В колонку помещают смесь веществ, подключаю электроток. Каждый из компонентов движется к той части колонки, где значение рН соответствует его изоэлектрической точке и там останавливается, то есть фокусируется.

Достоинство: происходит разделение, очистка и идентификация белков в один прием. У метода высокая разрешительная способность (0,02 pI).

б) Изотахофорез – это электрофорез на поддерживающих средах. После включения электротока ионы с самой высокой подвижностью движутся к соответствующему электроду первыми, с самой низкой – последними, обладающие промежуточной подвижностью – располагаются посередине.

в) Диск-электрофорез – прибор состоит из двух сосудов с буфером – верхнего и нижнего, соединенных вертикальными трубками, содержащими разнопористый гель. По мере движения ионизированных частиц под действием электротока. Более высокая пористость – в верхней части геля.

г) Иммуноэлектрофорез – метод сочетающий электрофорез с иммунодиффузией (для обнаружения антигенов в сложных физиологических смесях). На специальный носитель перпендикулярно друг другу помещают смесь антигенов и смесь антител. При включении электротока они разделяются на индивидуальные вещества и диффундируют на гелевом носителе. В месте встречи антигена с соответствующим антителом происходит специфическая реакция преципитации в форме дуги. Количеств образовавшихся дуг соответствует количеству антигенов.

Методы определения Mr белков

У большого числа белков химический состав и последовательность аминокислот не установлена (10¹⁰–10¹² белков), поэтому у таких белков определяют Mr. При этом используются различные методы.

а) Седиментационный метод – определение Mr проводят в специальных центрифугах (первая центрифуга была предложена шведским биохимиком Сведбергом), в которых удается создать центробежное ускорение, которое больше в 200 тыс. и более раз ускорения земного притяжения. Mr определяют по V седиментации молекул. По мере перемещения молекул от центра к периферии образуется резкая граница белок-растворитель. Скорость седиментации выражают через константу седиментации (S):

где V – скорость перемещения границы белок-растворитель (см/с);

w – угловая скорость ротора (рад/с);

i – расстояние от центра ротора до середины ячейки с раствором белков (см).

Величина константы седиментации S, которая равна 1´10^–13 С условно принята за 1 и называется 1 Сведбергом (S). S для белков лежит в пределах 1-50 S, иногда до 100 S.

Mr белков определяется по уравнению Сведберга:

где R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура по Кельвину;

S – константа седиментации;

Д – коэффициент диффузии;

r – плотность растворителя;

V – парциальный удельный объем газа.

Этот метод дорогостоящий из-за применения аппаратуры.

Более просты и дешевы:

б) Гель-фильтрация в тонком слое сефадекса.

Длина пробега белка (в мм) находится в логарифмической зависимости от Mr. Х – Mr искомого белка на калибровочном графике.

в) Диск-электрофорез в полиакриламидном слое – также существует зависимость между логарифмом Mr калибровочных белков и длиной их пробега.

Методы определения гомогенности белков

Степень чистоты выделенного белка определяется:

ü ультрацентрифугированием;

ü методом диск - электрофореза;

ü различными иммунохимическими методами;

ü определением растворимости белка (метод Нортропа) основан на правиле фаз, согласно которому растворимость чистого вещества при данных условиях опыта зависит только от температуры, но не зависит от концентрации вещества в твердой фазе.

Если белок гомогенный, то на графике получается один перегиб (а), если есть примеси белков (б, в), то получим несколько перегибов кривой насыщения. У всех белков свои индивидуальные кривые растворимости.

ЛЕКЦИЯ 4

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

В 1868 г. швейцарский ученый Ф. Мишер выделил из ядер лейкоцитов вещество, названное им нуклеином (от греч. nucleus – ядро). В 20-м столетии стало известно химическое строение нуклеина – его назвали ДНК. Позднее открыли и РНК. Мишер определил, что нуклеин содержит большое количество Р, нуклеин обладал выраженными кислыми свойствами. К середине 20 в. было обнаружено, что нуклеиновые кислоты в организме находятся в комплексе с белками, то есть в виде нуклеопротеидов и участвуют в передаче наследственных признаков.

Состав нуклеиновых кислот

АО
производные пурина	производные 2-оксопиримидина
Аденин А (6-аминопурин) Гуанин Г (G) (2-амино-6-оксопурин)	Цитозин Ц, С (2-оксо-4-аминопиримидин) Урацил У, (U) (2,4-диоксопиримидин) Тимин Т (5-метил-2,4-диоксопиримидин)

Кроме главных АО, в нуклеиновых кислотах встречаются минорные пуриновые и пиримидиновые АО (гидроксилированные и метилированные) – до 10% всех нуклеотидов – Т-РНК. В ДНК они встречаются реже.

дигидроурацил	псевдоуридин

Углеводная часть

рибоза (b-Д-рибофураноза) – в составе РНК	дезоксирибоза (b-Д-2¢-дезоксирибофураноза) – в составе ДНК

Нуклеиновые кислоты (НК) бывают двух типов: ДНК и РНК.

Мономерным звеном нуклеиновых кислот являются мононуклеотиды, которые состоят из 3-х компонентов: азотистого основания (АО), углеводной части и остатка фосфорной кислоты.

Состав нуклеиновых кислот

 

Дезоксирибоза

 

Таким образом, звеном нуклеиновых кислот являются мононуклеотиды, состоящие из трех химически связанных компонентов. Соединение АО с сахаром называется нуклеозидом. Он образуется из мононуклеотида путем отщепления Н3РО4 при гидролизе или под воздействием специфических факторов.

Соединение этих трех компонентов происходит за счет b-N-гликозидной связи N¹- пиримидинового или N⁹ пуринового азотистого основания с С^1¢ атома пентозы и за счет сложноэфирной связи С^5¢ атома пентозы и фосфорной кислотой.

5^¢-цитидиловая кислота цитидин-5¢-фосфат (5¢-дезоксицитидиловая) 5¢-уридиловая 5¢-адениловая 5¢гуаниловая	ЦМФ (5¢-дезоксицитидиловая) (5¢-дезоксиадениловая) (5¢-дезоксигуаниловая)

 

Если нуклеозид соединяется 1, 2 или 3 атомами Фн, то мононуклеозид называется соответственно цитидинмонофосфат – ЦМФ, цитидиндифосфат – ЦДФ, цитидинтрифосфат – ЦТФ

Первичная структура нуклеиновых кислот – это порядок, последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидные цепи ДНК или РНК, соединенных между собой 3¢5¢-фосфодиэфирной связью.

 

К сед. Mr число м/н

1) 28-S-р-РНК ~ 1,5 млн. до 4000

2) 18-S-р-РНК ~ 700 тыс. до 2000

3) 5-S-р-РНК ~ 30 тыс. ~ 100

Вторичная структура р-РНК – это спиралевидные участки, соединенные изогнутой одиночной цепью.

Третичная структура р-РНК является скелетом рибосомы.

Рибосомы – это субклеточные частицы с Ксед. 80S и Mr~1,5 млн. Они состоят из 2 субъединиц – большой (60S) и малой (40S); при снижении концентрации ионов Mg⁺² до 0,1 мМоль 80S-частица распадается на субъединицы. Каждая из субъединиц содержит р-РНК и белки. р-РНК выполняет роль каркаса для объединения белков в определенном объеме.

м(и)-РНК – образуется в цитоплазме клетки из предшественника – пре-м-РНК. Последняя имеет копии палиндромов ДНК, поэтому ее вторичная структура содержит «шпильки» и линейные участки. При созревании пре-м-РНК «шпильки» отсекаются ферментами и образуется м-РНК. Кодовым элементом м-РНК является триплет нуклеотидов – кодон. Каждый кодон соответствует определенной аминокислоте. Вторичная структура м-РНК – это изогнутая цепь, а третичная – подобна нити, намотанной на катушку, роль которой играет особый транспортный белок – информофер. м-РНК составляет ~ 2-5% всей РНК-клетки.

т-РНК – составляет ~ 15% всей РНК клетки, имеется несколько десятков видов т-РНК, отличаются они ПС. Mr т-РНК ~ 25 000 ДА. Находятся в цитоплазме.

ВС т-РНК имеет форму «клеверного листа». т-РНК построено из одной полинуклеотидной цепи. Но в этой цепи имеются участки в виде двойной спирали, образованные комплементарными нуклеотидными парами А…V и G…С, они чередуются с неспирализованными участками. Все т-РНК имеют схожую ВС, отличаются ПС.

«Клеверный лист» содержит 5 спирализованных стеблей, 4 из которых заканчиваются петлями из неспирализованных нуклеотидов. В центре молекулы находится неспирализованная часть

1. Акцепторный участок – состоит их 4-х линейных нуклеотидов, три из которых имеют одинаковую последовательность ССА. Гидроксил 3′-ОН аденозина свободен. К нему присоединяется СООН-группа аминокислоты. Связанную с 3′-концом аминокислоту т-РНК доставляет к рибосомам, где происходит синтез белка.

2. Антикодоновая петля – образуется 7 нуклеотидами. Содержит специфический для каждой т-РНК триплет нуклеотидов – антикодон. Он по принципу комплементарности спаривается с кодоном м-РНК. Кодон-антикодоновое взаимодействие определяет порядок расположения аминокислот в ППЦ во время ее сборки на рибосоме.

3. Ψ-петля (псевдоуридиловая) – состоит из 7 нуклеотидов и обязательно содержит минорный компонент – остаток псевдоуридиловой кислоты (до 15% минор нуклеотидов). Полагают, что именно этой петлей т-РНК взаимодействует с рибосомой.

4. Д-петля (дигидроуридиловая) – состоит из 8-12 нуклеотидов, в ней всегда соединяются несколько остатков минорного компонента дигидроуридила. Участвует в узнавании аминокислотой своей т-РНК.

5. Во всех т-РНК имеется добавочная петля разной длины и размеров у разных т-РНК. Функции ее мало изучены. Полагают, что с ее помощью уравнивается длина т-РНК.

6. Третичная структура т-РНК – изучена у т-РНК^фен и т-РНК^асп полученных из дрожжей. Она очень компактна, образуется путем сближения отдельных частей «клеверного листа», имеет форму локтевого сгиба, при этом лепестки петель заворачиваются на тело молекулы, удерживаясь дополнительно Ван-дер-Ваальсовыми силами. Доказано, что т-РНК остаются неизменными вот уже на протяжении 500 млн. лет.

 

 

ЛЕКЦИЯ 5

СИНТЕЗ БЕЛКА

Сборка полипептидной цепи – это сложный процесс, в котором участвуют:

1. АК
2. т-РНК
3. аминоацил-т-РНК-синтетаза (активирующий фермент)
4. м-РНК
5. рибосомы
6. факторы инициации, элонгации и терминации
7. АТФ, ГТФ
8. ионы Mg 2+

 

Процесс синтеза белка называется трансляцией (от английского translation- перевод) т.к. информация, записанная на 4-х буквенном языке НК, переводится на язык белка, состоящий из 20 букв. Этот сложный процесс происходит в субклеточных структурах – рибосомах. Это частицы сферической формы имеющие в диаметре 250 - 350°А и состоит из белка (1/3) и р-РНК 92/3). Рибосомы имеют Ксед 80S и могут диссоциировать в присутствии ионов Mg на большую (60S) и малую (40S) субчастицы. Во всех типах клеток 1-й стадией трансляции является АТФ-зависимое превращение каждой аминокислоты в аминоацил-т-РНК

Аминоацил-т-РНКсинтетаза

АК + АТФ + т-РНК аминоацил-т-РНК + АМФ + РР(пирофосфат)

 

Этим достигается две цели:

1. происходит актив