Виды передачи генетической информации

ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: изучить механизмы хранения и передачи генетической информации, а также патогенез некоторых наследственных и приобретенных заболеваний, связанных с нарушением обмена нуклеиновых кислот.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАНЯТИЮ:

1. Виды передачи генетической информации. Молекулярная догма.

1. Биосинтез ДНК- репликация. Общий принцип матричного синтеза: сущность полуконсервативного механизма репликации: условия, ферменты. Представление о молекулярном механизме биосинтеза ДНК.
2. Ошибки репликации. Репарация. Дефекты репарационных систем и наследственные болезни.
3. Биосинтез РНК – транскрипция: условия, Особенности РНК-полимеразы.
4. Понятие о транскриптоне. Процессинг РНК. «Издержки» транскрипции.

 

Домашнее задание:

1. Написать схему репликативной вилки, при этом обращать внимание:

- на наличие 3¢ -5¢ –концов

- указать лидирующую и отстающую цепи, уметь пояснить, почему.

- указать главный фермент репликации, а также субстраты для него.

2. Написать участок траскриптона, назвать его функциональные участки и отметить их биологическую роль.

3. Показать схему процессинга, обратить внимание на ферментную систему этого процесса.

Решить ситуационные задачи

1.Что определяется соотношением Г+Ц и А+Т в составе ДНК? Почему этот показатель может характеризовать филогенетические особенности различных видов животных (коэффициент специфичности дДНК)?

2.Уотсон и Крик установили, что спираль ДНК имеет следующее строение: две полинуклеотидных цепи уложены в правильную спираль диаметром,примерно 20 А, которая делает полный оборот каждые 3 А. Расстояние

между нуклеотидами 3-4 А (на виток 10 нуклеотидов). Какой из перечисленных пораметров позволил прийти к выводу, что между пуриновыми и пиримидиновыми нуклеотидами двух цепочек ДНК существуют комплементарные отношения?

3.Клетки содержат больше различных видов мРНК или тРНК?

4.Какие особенности рРНК позволили исключить возможность их участия в синтезе белка в качестве матрицы?

5.Известно, что тРНК содержат большое количество минорных нуклеотидов. Зная структуру тРНК, можно ли предположить вероятное расположение необычных нуклеотидов?

6.Сведения о том, что формилметионин является инициатором сборки липидной цепи, были использованы и для уточнения направления синтеза белка. К какому выводу о направлении синтеза белка можно прийти, исходя из строения формилметионина?

7.Известны ли Вам заболевания, в основе которых лежит индукция выборки фермента?

8.Какое, по Вашему мнению, использование могут найти ингибиторы синтеза белка в клинике?

9.Какие конкретно изменения и со стороны каких соединений нуклеиновых кислот или белков - лежат в основе серпидноклеточной анемии?

 

СПИСОК ОСНОВНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Лекции по биохимии

2. Северин Е.С. Биохимия. М. 2003

3. Северин Е. С. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами. М. 2001

4. Северин Е.С. Биохимия. М. 2003

5. Березов Т.Т., Коровкин В.Ф. Биологическая химия, 1982.

6. Строев В.А. Биологическая химия. 1986.

7. Николаев А.Я. Биологическая химия.1989.

СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Мак-Мюррей У. Обмен веществ у человека. М. 1980

2. Мецлер Д. Биохимия. М. 1980

3. Альбертс с соавт. Молекулярная биология клетки. М.1994.

 

 

Занятие 14

Обмен белков

Цель занятия изучить физиологическую роль белков, источники и потребность в белках; ферментный состав пищеварительных соков, участвующих в переваривании белков (желудочного, дуоденального и кишечного), химизм процессов переваривания белков. Изучить особенности биосинтеза белка и его регуляцию

ПЕРЕВАРИВАНИЕ, ПИЩЕВАЯ ЦЕННОСТЬ, СИНТЕЗ БЕЛКА

1. 1. Протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта (пепсин, химотрипсин, трипсин, эластаза, карбоксипептидазы, аминопептидаза, дипептидаза).

2. Механизмы выработки, активации и действия выше перечисленных ферментов.

3. Промежуточные и конечные продукты переваривания белков и их всасывание.

4. Гниение белков в кишечнике и обезвреживание продуктов гниения.

5. Биосинтез белка.

А) Цитозольный этап:

- активация аминокислот, образование ацил-т-РНК, двойная специфичность ферментов АРС- аз;

- характеристика т- РНК, м-РНК, р-РНК;

- современные представления о структуре рибосом.

Б) Рибосомальный этап синтеза белка:

- механизм инициации, сборка инициирующего комплекса;

- фаза элонгации;

- фаза терминации;

В) Посттрансляционная модификация полипептидов,(процессинг).

6. Регуляция биосинтеза белка на уровне транскрипции (индукция и репрессия) на примерах лактозного и гистидинового оперона

7. Генетический код.

8. Молекулярные болезни, классификация.

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ЗАНЯТИЯ

I. Семинар

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. В тетради нарисовать схему регуляции биосинтеза белка:

а) по типу репрессии

б) по типу индукции

 

Решить ситуационные задачи и ответить на вопросы:

1- У больного резко угнетена секреция желудочного сока. Что должен предпринять врач, чтобы усилить секрецию? (введение ацедилпепсина или гистамина. При наличии рака желудка секреция не усилится, но при ахилическом гастрите может быть получен положительный результат.

2- При клиническом обследовании больного установлено снижение активности уропепсина, нормальные цифры общей кислотности желудочного сока и отсутствие соляной кислоты. Опишите возможный механизм развития описанного комплекса симптомов и свяжите его с одной из известных форм патологии желудка.

3- При обследовании грудного ребенка обнаружено, что рН желудочного сока 5,0. Имеет ли смысл попытка коррекции рН в более кислую сторону?

4- При приготовлении сыра для быстрого створаживания молока к нему добавляют очищенный желудочный сок телят. Почему?

5- При обследовании панкреатического сока обнаружено резкое снижение общей протеолитической активности. Укажите возможные причины данного явления.

6- С помощью каких анализов сыворотки крови можно диагностировать острый панкреатит? Ответ обоснуйте.

7- При снижении секреторной функции желудка у больного с мочой выделяется повышенное количество индикана. Почему это происходит?

8- При составлении пищевого рациона было предложено блюдо из рыбы заменить горохом, т.к. содержание белка в них почти одинаково. Ваша точка зрения?

9- Заболевания поджелудочной железы могут сопровождаться возникновением инфекционных заболеваний. Что может быть причиной их возникновения?

 

ПРИЛОЖЕНИЕ ДЛЯ ПЕДИАТРИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА

Нарушение функции гена при некоторых талассемиях несмотря на наличие нормального гена синтез иРНК не происходит (отсутствие фактора транскрипции).

Нарушение локализации иРНК.

В случае врожденного зоба с гипотиреоидизмом выявили как уменьшение количества иРНК тиреоглобулина, так и нарушение ее распределения в клетках щитовидной железы. При зобе отсутствовали информасомы, которые всегда обнаруживаются в нормальной щитовидной железе.

 

Шапероны

Функции шаперонов.

Функции, приписываемые шаперонам, весьма широки.

1)Прежде всего это, обеспечение правильного фолдинга новообразованных белков.

В данной функции есть несколько аспектов.

а) Так, до того, как большинство гидрофобных аминокислотных радикалов уйдет внутрь белковой частицы, они могут вступить во взаимодействие с аналогичными радикалами других пептидных цепей. Иначе говоря, до окончания фолдинга возможна агрегация новосинтезированных белковых молекул. Случившись же, такая агрегация и воспрепятствовала бы дальнейшему фолдингу этих молекул, и создала бы ненужный баласт в клетке.

Предупреждение агрегации новых белков, т.е. предупреждение «неправильных» внешних взаимодействий в ходе фолдинга — одна из важнейших задач шаперонов.

б) Другая сопряженная задача — предупреждение «неправильных» внутренних (в пределах одной пептидной цепи) взаимодействий.

в) Третий аспект той же функции — лабилизация «неправильных» слабых связей (если они все-таки образовались) с тем, чтобы пептидная цепь не оказывалась зафиксирована в «неправильной» конформации, а могла достичь наиболее оптимальной. Очевидно, здесь — прямое сходство с функциям обеих фолдаз, но только речь идет о лабилизации не ковалентных, а слабых связей.

Все вместе это и означает «обеспечение правильного фолдинга». Говоря это, под фолдингом понимают не только сворачивание пептидной цепи, но и (в случае олигомерных белков) свя­зывание друг с другом субъединиц в четвертичную структуру.

2) Следующая функция шаперонов — контроль за рефолдингом. Имеется в виду, что под действием самых разных причин (перегрева, облучения, действия оксидантов и т. д.) белки, относительно давно синтезированные и до того успешно функционировавшие, могут терять свою нативную конформацию. Иначе говоря, частично или полностью денатурировать, что, как мы уже отмечали, сопровождается склонностью к агрегации.

Так вот, видимо, такие белки в клетке могут подвергаться рефолдингу (или ренатурации)— при активной помощи шаперонов.

Причем синтез шаперонов значительно возрастает, если клетка относительно долго пребывает в стрессовых условиях. Это показано, в частности, для бактерий (Е.coli): инкубация их (температуре 42°С приводит к резкому увеличению т. н. белков теплового шока, которые являются ничем иным как шаперонами.

Аналогичный эффект наблюдается и у эукариот. Поэтому у тех и у других шапероны часто обозначаются буквами Hsp (от английского: heat

shock proteins — белки теплового шока).

Что нужно для обеспечения этими белками рефолдинга?— практически то же, что и для обеспечения фолдинга: предупреждение агрегации и лабилизация связей пространственной структуры. Тогда пептидная цепь получит возможность вновь найти нативную (и энергетически наиболее выгодную) конформацию.

3) Третья функция шаперонов—участие в некоторых видах внутриклеточного транспорта белков: в частности, в лизосомы (для белков, «отслуживших» свой срок и не поддающихся рефолдингу) и в митохондрии.Чем вызвано участие шаперонов в переносе «старых» белков в лизосомы? Очевидно, опять-таки необходимостью предупредить агрегацию.

В митохондрии переносятся, напротив, новосинтезированные белки, за счет собственной активности митохондрий синтезируется только 5% их белков; остальные белки поступают из цитозоля, где образуется на видных рибосомах.

Фолдинг же этих остальных (95 %) белков откладывается до момента, пока они не окажутся внутри митохондрий.

 

Это объясняется тем, что пептидной цепи гораздо легче проникнуть через липидные слои мембран (а у митохондрий мембран целых две), если она находится в развернутом состоянии и гидрофобные радикалы не спрятаны внутрь частицы.

Что же делают шапероны? — Те из них, которые находятся вне митохондрий, сразу связываются с продуктами трансляции поддерживают их в развернутом состоянии (в состоянии пребелков) до контакта с митохондриальными мембранами. Иначе говоря, эти шапероны предупреждают преждевременный рефолдинг.

Другие же шапероны (находящиеся внутри митохондрий) принимают «гостей» и помогают им принять нативную форму.

4)Четвертая функция — поддержание ряда белков в oпределенной конформации, в состоянии как бы незавершенного фолдинга. В этом случае, очевидно, шапероны не теряют связи с соответствующим белком после его сворачивания.

Примером может служить локализующийся в цитоплазме белковый рецептор к гликокортикоидным гормонам. В отсутствие этих гормонов он связан с комплексом шаперонов (Hsp- белков теплового шока). В таком состоянии у рецептора закрыта (экранирована) т. н. ядерная метка — та часть пептидной цепи, которая необходима для проникновения белка внутрь ядра.

После же связывания гликокортикоидов белки Hsp, диссоциируют, фолдинг завершается и ядерная метка оказывается на поверхности. Поэтому рецептор проникает в ядро, переходит в димерную форму и связывается с определенным участком ДНК.

Второй пример — содержащиеся в ядре рецепторы к другим стероидным гормонам — эстрогенам и прогестерону. Эти белки тоже связаны с шаперонами (Hsp). Но теперь незавершенность фолдинга приводит не к блокированию ядерной мембраны (комплекс, как сказано, находится в ядре), а к неспособности связываться с ДНК.

Опять-таки, присоединение соответствующего гормона вызывает диссоциацию шаперонов, изменение структуры рецептора и связывание последнего с нужным локусом ДНК.

Как же выполняют шапероны все эти многочисленные функции? Надо думать, механизмы действия шаперонов различны — как разнообразны, вероятно, и сами шапероны.

Рассмотрим некоторые наиболее изученные системы, ответственные за выполнение, по крайней мере, двух первых вышеперечисленных функций, т. е. за фолдинг новообразованных и рефолдинг поврежденных белков.

 

Прионы как антишапероны

Из предыдущего изложения можно представить, что фолдинг— особенно с участием фолдаз и шаперонов — всегда приводит полипептидную цепь к «правильной», наиболее оптимальной в энергетическом и функциональном отношениях. К сожалению, это не так. Существует группа тяжелых неврологических болезней, которые обусловлены закономерно повторяющимся «неправильным» фолдингом одного, вполне определенного белка.

Данный белок, если он находится в нормальной конформации, называется прионовым белком и обозначается буква РгР^с (от prion protein, constitutive). Обнаруживается он в мозгу функция его неизвестна.

При ряде же заболеваний тот же полипептид оказывается в другой конформации. В последней преобладают участки с β-структурой, почти отсутствующие в нативной форме, а молекулы белка имеют повышенную склонность к агрегации. Такой белок называется прионом (от proteinaceous infection particle-белковая инфекционная частица) и обозначается буквами РгP^sc В данной форме он, видимо, не способен к выполнению обычной функции.

Но самое худшее заключается в том, что «неправильная» форма белка вызывает переход в такую же форму и «правильных» форм.

Как это происходит, неясно. Возможно, имеет место захват «правильных» молекул агрегатами приона, в результате чего эти молекулы разворачиваются и организуются заново по подобию прионов.

Таким образом, прионы в отношении своих исходных молекул играют роль антишаперонов, осуществляющих как бы фолдинг наоборот. Более того, процесс, очевидно, является автока-талитическим: вновь образовавшиеся порции «испорченного» белка начинают «портить» очередные порции нативного белка — и так далее, пока весь белок не оказывается «испорченным». Процесс происходит относительно медленно — болезнь развивается в течение нескольких лет, но неотвратимо приводит к гибели животного или человека.

Как возникают в организме первые порции приона?

а) Иногда, чрезвычайно редко, это происходит спонтанно — в результате ошибки фолдинга.

б) Несколько чаще встречаются мутации гена РгР —такие, которые способствуют неправильному сворачиванию белка. Тогда болезнь передается по наследству.

в) Но наиболее часто болезнь возникает в результате потребления в пищу тех тканей животного, в которых содержатся прионы. Потому-то данные белки и названы инфекционными частицами. Их отличает еще одна очень важная особенность — устойчивость к протеазам. Именно благодаря ей отдельным молекулам прионов удается проникать в неизмененном виде из желудочно-кишечного тракта в нервную ткань, где и запускается вышеизложенный автокаталитический процесс.

Все вместе это делает прионы уникальным инфекционным агентом:это, видимо, единственный случай, когда подобный агент лишен нуклеиновой кислоты.

Как же называются вызываемые прионами болезни?

У коров это т.н. губчатая энцефалопатия (BSE — bovine spongiform encephalopathy), или коровье бешенство.

Потребление человеком мяса таких коров вызывает болезнь Крейнцфельда-Якоба. Кроме того, среди туземцев Новой Гвинеи известна еще одна болезнь той же природы — куру, при которой на лице человека и дело появляются гримасы, как при смехе. Считают, что передается в результате каннибализма.

Наконец, у овец болезнь называется почесухой:постоянный зуд заставляет животных все время тереться о твердые предметы. Таким образом, фолдинг — важный этап в образовании белков.

 

.

Занятие 15