Биохимия и ее задачи

Теория Фишера: фермент подходит к субстрату как ключ к замку.

Теория Котланда: фермент и субстрат взаимодействуют между собой по принципу рука-перчатка. Истинная комплементарность фермента к субстрату достигается после изменения конформации и субстрата и фермента.

Теория кислотно-основного катализа

В составе активного центра фермента имеются как кислые, так и основные функциональные группы. В результате этого фермент проявляет в ходе катализа кислотно-основные свойства, т.е. играет как роль донора, так и роль акцептора протонов. Кислотно-основной катализ характерен для гидролаз, лиаз, изомераз.

При закреплении субстрата в активном центре на его молекулу влияют электрофильные и нуклеофильные группы каталитического участка, что вызывает перераспределение электронной плотности в субстрате. Такое перераспределение облегчает перестройку и разрыв связей в молекуле субстрата.

Пр.: Реакция превращения ацетилхолина в холин. На первом этапе между СОО- глутамина и N ацетилхолина возникает ионная связь, и возникает фермент-субстратный комплекс. Начинается вторая стадия.

После образования фермент-субстратного комплекса в действие вступают остальные аминокислоты, остатки активного центра. Между углеродом С=О группы ацетилхолина и кислородом ОН-группы серина возникает взаимодействие, т.е. возникает водородная связь между кислородом ацетилхолина и ОН-группы тирозина - эффект «дыбы».

Затем гистидин оттягивает протоны от ОН-группы серина. Вследствие этого упрочняется сложноэфирная связь между серином и остатком уксусной кислоты. Одновременно происходит разрыв другой сложноэфирной связи в молекуле ацетилхолина и переход протона от тирозина к остатку холина.

На третьем этапе холин высвобождается из активного центра. Его место занимает вода. Эта вода располагается между карбонильным кислородом ацетильной группы и кислородом тирозина. Фермент освобождён от продуктов реакции и готов к следующему циклу. На первом и последнем этапе продолжительность этапа зависит от скорости диффузии субстрата к ферменту или от фермента соответственно. Вторая стадия очень часто является лимитирующей весь процесс. Именно на этой стадии происходит снижение энергии активации реагирующих веществ.

Также существует ковалентный катализ - когда субстрат ковалентно связывается в активном центре фермента перед его превращением.

Регуляция активности ферментов

Ферменты являются регулируемыми катализаторами. В качестве регуляторов могут выступать метаболиты, яды. Различают:

- активаторы - вещества, увеличивающие скорость реакции;

- ингибиторы - вещества, уменьшающие скорость реакции.

Активация ферментов. Различные активаторы могут связываться либо с активным центром фермента, либо вне его. К группе активаторов, влияющих на активный центр, относятся: ионы металла, коферменты, сами субстраты.

Активация с помощью металлов протекает по различным механизмам:

- металл входит в состав каталитического участка активного центра;

- металл с субстратом образуют комплекс;

- за счет металла образуется мости между субстратом и активным центром фермента.

Субстраты также являются активаторами. При увеличении концентрации субстрата скорость реакции повышается, по достижению концентрации насыщения субстрата эта скорость не изменяется.

Если активатор связывается вне активного центра фермента, то происходит ковалентная модификация фермента:

1) частичный протеолиз (ограниченный протеолиз). Таким образом активируются ферменты пищеварительного канала: пепсин, трипсин, химотрипсин. Трипсин имеет состояние профермента трипсиногена, состоящего из 229 АК остатков. Под действием фермента энтерокиназы и с добавлением воды он превращается в трипсин, при этом отщепляется гексапептид. Изменяется третичная структура белка, формируется активный центр фермента и он переходит в активную форму.

2) фосфорилирование - дефосфорилирование. Пр.: липаза+АТФ= (протеинкиназа) фосфорилированная липаза+АДФ. Это трансферная реакция, использующая фосфат АТФ. При этом осуществляется перенос группы атомов от одной молекулы к другой. Фосфорилированная липаза является активной формой фермента.

Таким же путем происходит активация фосфорилазы: фосфорилаза B+ 4АТФ= фосфорилаза А+ 4АДФ

Также при связывании активатора вне активного центра происходит диссоциация неактивного комплекса «белок-активный фермент». Например, протеинкиназа - фермент, осуществляющий фосфорилирование (цАМФ-зависимое). Протеинкиназа - это белок, имеющий четвертичную структуру и состоящий из 2-х регуляторный и 2-х каталитических субъединиц. R2C2+2цАМФ=R2цАМФ2+ 2С. Такой тип регуляции называется аллостерической регуляцией (активацией).

Ингибирование ферментов. Ингибитор - это вещество, вызывающее специфическое снижение активности фермента. Следует различать ингибирование и инактивацию. Инактивация - это, например, денатурация белка в результате действия денатурирующих агентов.

По прочности связывания ингибитора с ферментом ингибиторы делят на обратимые и необратимые.

Необратимые ингибиторы прочно связаны и разрушают функциональные группы молекулы фермента, которые необходимы для проявления его каталитической активности. Все процедуры по очистке белка не влияют на связь ингибитора и фермента. Пр.: действие фосфорорганических соединений на фермент - холинэстеразу. Хлорофос, зарин, зоман и др. фосфорорганические соединения связываются с активным центром холинэстеразы. В результате происходит фосфорилирование каталитических групп активного центра фермента. В следствии молекулы фермента, связанные с ингибитором, не могут связываться с субстратом и наступает тяжелое отравление.

Также выделяют обратимые игнибиторы, например прозерин для холинэстеразы. Обратимое ингибирование зависит от концентрации субстрата и ингибитора и снимается избытком субстрата.

По механизму действия выделяют:

- конкурентное ингибирование;

- неконкурентное ингибирование;

- субстратное ингибирование;

- аллостерическое.

1) Конкурентное (изостерическое) ингибирование - это торможение ферментативной реакции, вызванное связыванием ингибитора с активным центром фермента. При этом ингибитор имеет сходство с субстратом. В процессе происходит конкуренция за активный центр: образуются фермент-субстратные и ингибитор-ферментные комплексы. E+SES EP E+P; E+I E. Пр.: сукцинатдегидрогеназная реакция [рис. COOH-CH2-CH2-COOH(над стрелкой СДГ, под ФАДФАДН2) COOH-CH=CH-COOH]. Истинным субстратом этой реакции является сукцинат (янтарная к-та). Ингибиторы: малоновая к-та (COOH-CH2-COOH) и оксалоацетат (COOH-CO-CH2-COOH). [рис. фермента с 3 дырками+ субстрат+ ингибитор= комплекс ингибитора с ферментом]

Пр.: фермент холинэстераза катализирует превращение ацетилхолина в холин: (CH3)3-N-CH2-CH2-O-CO-CH3 (над стрелкой ХЭ, под - вода) CH3СOOH+(CH3)3-N-CH2-CH2-OH. Конкурентными ингибиторами являются прозерин, севин.

2) Неконкурентное ингибирование - торможение, связанное с влиянием ингибитора на каталитическое превращение, но не на связывание фермента с субстратом. В этом случае ингибитор может связываться и с активным центром (каталитический участок) и вне его.

Присоединение ингибитора вне активного центра приводит к изменению конформации (третичной структуры) белка, вследствие чего изменяется конформация активного центра. Это затрагивает каталитический участок и мешает взаимодействию субстрата с активным центром. При этом ингибитор не имеет сходства с субстратом и это ингибирование нельзя снять избытком субстрата. Возможно образование тройных комплексов фермент-ингибитор-субстрат. Скорость такой реакции не будет максимальной.

К неконкурентным ингибиторам относят:

- цианиды. Они связываются с атомом железа в цитохромоксидазе и в результате этого фермент теряет свою активность, а т.к. это фермент дыхательной цепи, то нарушается дыхание клеток и они гибнут.

- ионы тяжёлых металлов и их органические соединения (Hg, Pb и др.). Механизм их действия связан с соединением их с различными SH-группами. [рис. фермента с SH-группами, иона ртути, субстрата. Все это соединяется в тройной комплекс]

- ряд фармакологических средств, которые должны поражать ферменты злокачественных клеток. Сюда же относятся ингибиторы, использующиеся в сельском хозяйстве, бытовые отравляющие вещества.

3) Субстратное ингибирование - торможение ферментативной реакции, вызванное избытком субстрата. Происходит в результате образования фермент-субстратного комплекса, неспособного подвергаться каталитическому превращению. Его можно снять и уменьшить концентрацию субстрата. [рис. связывания фермента сразу с 2 субстратами]

4) Аллостерическое ингибирование - торможение ферментативной реакции, вызванное присоединением аллостерического ингибитора в аллостерическом центре аллостерического фермента. Такой тип ингибирования характерен для аллостерических ферментов, имеющих четвертичную структуру. В качестве ингибиторов могут выступать метаболиты, гормоны, ионы металлов, коферменты.

Механизм действия:

а) присоединение ингибитора к аллостерическому центру;

б) изменяется конформация фермента;

в) изменяется конформация активного центра;

г) нарушается комплиментарность активного центра фермента к субстрату;

д) уменьшается число молекул ES;

е) уменьшается скорость ферментативной реакции.

[рис. фермент с 2 дырками, к одной аллостерический ингибитор и вторая меняет форму]

К особенностям аллостерических ферментов относят ингибирование по отрицателтной обратной связи. A(E1)B(E2) C(E3) D (от D стрелочка к стрелке между А и В). D - метаболит, действующий как аллостерический ингибитор на фермент Е1.

Обмен веществ

Обмен веществ (метаболизм) - это совокупность физиологических и биохимических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма во взаимосвязях с внешней средой, направленных на самовоспроизведение и самосохранение.

К физиологическим процессам относятся пищеварение, всасывание, внешнее дыхание, выделение и др.; к биохимическим - химические превращения белков, жиров, углеводов, поступающих в организм в виде пищевых веществ. Особенностью биохимических процессов является то, что они осуществляются в ходе ряда ферментативных реакций. Именно ферменты обеспечивают определенную последовательность, места и скорость реакций.

По направленности все химические превращения делят на:

а) диссимиляция (катаболизм) - распад веществ до более простых с переходом энергии связей вещества в энергию макроэргических связей (АТФ, НАД·Н, др.);

б) ассимиляция (анаболизм) - синтез более сложных веществ из более простых с затратой энергии.

Биологическое значение этих двух процессов состоит в том, что при расщеплении веществ освобождается заключенная в них энергия, которая обеспечивает все функциональные возможности организма. В то же время, при распаде веществ образуются "строительные материалы" (моносахариды, АК, глицерин и др.), которые затем используются в синтезе специфических организму веществ (белков, жиров, углеводов и др.).

[СХЕМА] Над горизонтальной линией (во внешней среде) - "белки, жиры, углеводы", от них стрелка вниз под линию (внутри организма) к надписи "диссимиляция", от последней четыре стрелки: две вверх к надписям над линией "теплота" и "конечные продукты"; одна стрелка вправо к надписи "промежуточные вещества (метаболиты)", от них к "ассимиляция", затем к "собственные белки, жиры, углеводы"; одна стрелка вниз к надписи "энергия АТФ", от нее - к "мышечное сокращение, проведение нервного импульса, секреция и др." а также наверх к "теплота" и "ассимиляция".

Диссимиляция белков, жиров и углеводов протекает по-разному, но в разрушении этих веществ есть ряд общих этапов:

1) Этап переваривания. В ЖКТ белки распадаются до АК, жиры - до глицерина и ВЖК, углеводы - до моносахаридов. Нарабатывается большое количество неспецифических веществ из специфических, поступающих извне. За счет переваривания в ЖКТ выделяется около 1% химической энергии веществ. Этот этап необходим для того, чтобы вещества, поступившие с пищей, смогли всосаться.

2) Этап межуточного обмена (тканевой обмен веществ, метаболизм). На клеточном уровне он распределяется на анаболизм и катаболизм. Образуются и превращаются промежуточные вещества обмена веществ - метаболиты. При этом мономеры, образовавшиеся на этапе переваривания, распадаются с образованием небольшого (до пяти) ключевых промежуточных продуктов: ЩУК, альфа-КГ, ацетил-КоА, ПВК, альфа-глицерофосфат. Выделяется до 20% энергии веществ. Как правило, межуточный обмен происходит в цитоплазме клеток.

3) Окончательный распад веществ с участием кислорода до конечных продуктов (СО2, Н2О, азотсодержащие вещества). Выделяется около 80% энергии веществ.

Все рассмотренные этапы отражают лишь главные формы обменных процессов. Как на втором, так и на третьем этапах выделяющаяся энергия накапливается в виде энергии химических связей макроэргических соединений (это вещества, имеющие хотя бы одну макроэргическую связь, напр., АТФ, ЦТФ, ТТФ, ГТФ, УТФ, АДФ, ЦДФ, …, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицериновая кислота). Так, энергия связи последнего фосфата в молекуле АТФ составляет около 10-12 ккал/моль.

Биологическая роль обмена веществ:

1. аккумуляция энергии при распаде химических соединений;

2. использование энергии для синтеза собственных веществ организма;

3. распад обновляемых структурных компонентов клетки;

4. происходит синтез и распад биомолекул специального назначения.

Обмен белков

Переваривание и всасывание белков

Функции белков многообразны, но особенно выделяются структурная, каталитическая и энергетическая функции. Энергетическая ценность белка около 4,1 ккал/г.

Среди всех веществ, поступающих в организм, при недостатке какого-либо из них, например, углеводов, их могут в некоторой степени заменить белки и липиды, а при недостатке липидов - белки и углеводы. Белки же практически незаменимы - они содержат 10 незаменимых АК: ВАЛ, ЛЕЙ, ИЛЕ, ЛИЗ, МЕТ, ТРЕ, ТРИ, ФЕН, ГИС, АРГ. При недостатке незаменимых АК лимитируется (ограничивается) синтез белков организма. Причем, примерно 50% поступающих белков должны составлять белки растительного и 50% - животного происхождения; максимально подходит по аминокислотному составу белок куриного яйца, он содержит около 34% незаменимых АК.

Взрослый мужчина нуждается в ежедневном употреблении 80-100 г белка. В 100 г белка содержится около 16 г азота, поэтому 1 г азота - в 6,25 г белка.

Для характеристики белкового (азотного) обмена веществ используется понятие «азотистый баланс» - это разность между азотом пищи и азотом мочи. В норме азотистый баланс равен нулю; положителен в растущем организме, во время активной регенерации, беременности; отрицателен - в старческом возрасте, при патологии, голодании.

Превращение белков в органах пищеварения

Все белки подвергаются действию гидролаз (третий класс ферментов), а именно пептидаз - они, как правило, вырабатываются в неактивной форме, а затем активируются путем частичного протеолиза.

> Ротовая полость. Гидролиза нет.

> Желудок. Действуют ферменты:

1) Пепсин (вырабатывается в виде пепсиногена, который активируется соляной кислотой и своей активной формой - пепсином). Пепсин имеет одну полипептидную цепь. Под действием HCl или в результате аутокатализа происходит частичный протеолиз пепсиногена: от его N-конца отщепляется 42-АК фрагмент. После этого формируется третичная структура с полноценным активным центром.

Роль соляной кислоты:

активирует пепсиноген (пепсин);

создает оптимальную рН для действия пепсина (рН=1,5-2,5);

бактерицидное действие (напр., при снижении кислотности желудочного сока - гниение, брожение, выделяются сероводород, органические кислоты);

денатурирует белки пищи, и они становятся более доступными для действия пептидаз;

способствует эвакуации желудочного содержимого.

Пепсин - эндопептидаза (т.е. разрывает внутренние пептидные связи), действующая на пептидные связи, образованные СООН-группой ароматических АК (ГИС, ТРИ, ТИР, ФЕН).

2) Гастриксин (рНоптим.=3,5) - эндопептидаза, рвет связи, образованные дикарбоновыми АК (ГЛУ, АСП).

В желудке образуются достаточно крупные пептиды - пептоны, или альбумозы.

> Кишечник. Действуют ферменты: трипсин, химотрипсин, эластаза, карбоксипептидаза, аминопептидаза, дипептидазы, энтеропептидаза. Процесс начинается с превращения трипсиногена в трипсин под действием энтеропептидазы. Затем трипсин катализирует активацию:

химотрипсиноген > химотрипсин,

прокарбоксипептидазы > карбоксипептидазы,

проэластаза > эластаза.

В результате действия указанных ферментов происходит полный гидролиз белков пищи.

1) химотрипсин вырабатывается в ПЖЖ (поджелудочной железе), активируется частичным протеолизом трипсином. Действует в кишечнике (рН=7,5-8,5) как эндопептидаза; рвет связи, образованные СООН-группой ароматических АК.

2) трипсин вырабатывается в ПЖЖ, активируется частичным протеолизом (отщепление 6 АК-фрагмента с N-конца. Действует в тонкой кишке как эндопептидаза, рвет связи, образованные СООН-группами диаминомонокарбоновыми кислотами (ЛИЗ, АРГ).

3) эластаза вырабатывается в ПЖЖ, активируется частичным протеолизом трипсином. Действует в кишечнике как эндопептидаза; рвет связи, образованные АК пролином (ПРО).

4) карбоксипептидазы А и В вырабатываются в ПЖЖ, активируются частичным протеолизом трипсином. Действуют в кишечнике как экзопептидазы; рвут связи, образованные СООН-группами: А- ароматических и алифатических АК, В- ЛИЗ и АРГ.

5) аминопептидаза вырабатывается слизистой кишечника, активируется ионами Zn2+ и Mn2+. Действует в кишечнике как экзопептидаза; отщепляет по одной АК с N-конца.

6) дипептидазы вырабатываются слизистой кишечника, активируются ионами Co2+ и Mn2+. Действуют в кишечнике как экзопептидазы; расщепляют дипептиды.

7) эндопептидаза вырабатывается в кишечнике, активирует трипсиноген.

В кишечнике происходит полный гидролиз белков.

Переваривание сложных белков и их катаболизм

1. Гликопротеины гидролизуются с помощью гликозидаз (амилолитических ферментов).

2. Липопротеины - с помощью липолитических ферментов.

3. Гемсодержащие хромопротеины: порфириновое кольцо не расщепляется, а выводится из организма с калом.

4. Нуклеопротеины. В кишечнике полинуклеотиды гидролизуются с помощью специфических нуклеаз до мононуклеотидов, которые под действием нуклеотидаз разрушаются до нуклеозидов и Фн. Затем под действием нуклеозидаз они распадаются до азотистых оснований и пентоз (рибоза или дезоксирибоза). Пуриновые азотистые основания разрушаются до мочевой к-ты, а пиримидиновые - до бета-аланина, аммиака NH3, углекислоты CO2.

Транспорт АК через цитолемму является активным и требует градиента Na+. Такой градиент создается ферментом Na+,K+-АТФ-азой, расположенным в цитолемме эпителиоцитов. Существует более пяти переносчиков АК:

для нейтральных алифатических АК (ЛЕЙ, ИЛЕ),

для ароматических АК,

для основных АК,

для кислых АК,

для АК пролина (ПРО).

А также имеется гамма-глутаминовый цикл (шунт), содержащий гамма-глутамилтранспептидазу (ГТТП, иначе гамма-глутамилтрансфераза - ГТТФ). Он имеет большое значение в определении функции печени, характеризуя степень усвоения АК гепатоцитами.

Гниение белков и обезвреживание его продуктов

Гниение белков - это бактериальный распад белковых веществ и АК под действием микрофлоры кишечника. Идет в толстой кишке, однако может наблюдаться и в желудке - при снижении кислотности в нем.

Образуются такие продукты:

а) токсичные: сероводород H2S, углекислота CO2, аммиак NH3, метан CH4, меркаптаны (CH3SH и его гомологи), бензол C6H6, крезол, индол, скатол и др.

б) нетоксичные: спирты (в т.ч. этиловый), амины, жирные к-ты, кетокислоты, витамины (напр., витамин B6).

Основные процессы гниения:

1. Декарбоксилирование (-СО2) обычно характерно для диаминомонокрбоновых кислот.

Напр., орнитин COOH-CH(NH2)-CH2-CH2-CH2-NH2 превращается в путресцин (то же, но без СООН-группы). Или лизин (ЛИЗ) - в кадаверин (это вроде первой реакции, но в цепи на одну CH2-группу больше).

Путресцин, кадаверин входят в состав трупных ядов. Они всасываются и частично выводятся с мочой и обезвреживаются в печени диаминооксидазой.

2. Дезаминирование. При гниении главным образом протекает восстановительное дезаминирование. Напр., аланин (АЛА) NH2-CH(CH3)-COOH + 2Н > СН3-СН2-СООН (пропионовая к-та) +NH3.

3. Десульфирование (тоже восстановительное).

Напр., цистеин (ЦИС) NH2-CH(CH2SH)-COOH + 2Н > АЛА + H2S.

Напр., метионин (МЕТ) NH2-CH(CH2-СН2-S-CH3)-COOH + 2Н > NH2-CH(CH2-CH3)-COOH (альфа-аминомасляная к-та) + НS-CH3 (метил-меркаптан).

4. Разрушение боковой цепи АК (ТИР, ТРИ).

Напр., тирозин (ТИР) + 4Н > крезол (пара-метилфенол) + NH3 + CO2 + CH4; крезол + 2Н > фенол + СН4.

Напр., триптофан (ТРИ) + 4Н > скатол (метилиндол) + NH2 + CO2 + CH4. Скатол +2Н> индол + СН4.

Т.о., в процессе гниения АК образуются различные токсичные вещества, которые должны быть обезврежены в печени. В обезвреживании участвуют две системы:

1) УДФГК - уридиндифосфоглюкуроновая к-та (активная форма глюкуроновой к-ты)

2) ФАФС - 3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфат (активная форма серной к-ты) [рис. этого соединения].

Механизм обезвреживания - конъюгация (связывание) токсина с активной формой серной или глюкуроновой к-ты. Продукты конъюгации - нетоксичные вещества, которые могут выделяться с мочой.

Напр., обезвреживание фенола под действием УДФ-глюкуронил-трансферазы: фенол + УДФГК > (ТФ) фенилглюкуронид (фенил присоединяется по первому положению) + R-OH.

Напр., обезвреживание индола: Индол окисляется кислородом по 7-му положению, получается индоксил (это типа 7-оксииндол). Индоксил взаимодействует с ФАФС под действием арилссульфо-трансферазы с образованием индоксилсерной к-ты, которая с ионами калия дает индикан (калиевая соль индоксилсульфата).



Определение индола и индикана в моче имеет диагностическое значение. Так, если отсутствует индол, то обезвреживающая функция печени в норме, а если при этом обнаруживается индикан, то в кишечнике активное гниение. Если же есть индол в моче, то имеется нарушение обезвреживающей функции печени.

Метаболизм аминокислот

Фонд АК организма пополняется за счет процессов:

1) гидролиза белков пищи,

2) гидролиза тканевых белков (под действием катепсинов лизосом).

Расходуется АК-фонд на процессы:

синтез заменимых АК,

синтез собственных белков,

синтез азотсодержащих веществ (урины, пиримидины, холин, креатин и т.д.),

синтез углеводов (глюконеогенез),

синтез липидов из кетогенных АК,

распад до NH3, NH2-CO-NH2, мочевой к-ты и др.

Условно метаболизм АК в тканях можно распределить на общие пути и индивидуальные пути обмена АК.

Общие пути обмена веществ

1. Переаминирование (открыто в 1937 г. Браунштейном и Крицмом).

Роль: синтез заменимых АК, участие в непрямом дезаминировании АК. Определение АлАТ и АсАТ в крови имеет большое диагностическое значение. Так, через 5 часов после инфаркта миокарда АсАТ увеличивается в 20-30 раз, через 48 часов - АлАТ и АсАТ снижаются до нормы, еще через 24 часа повышается АлАТ. Также АлАТ повышается при патологии печени.

2. Дезаминирование (ДА) АК:

восстановительное ДА - под действием микрофлоры кишечника,

гидролитическое ДА - с участием воды,

внутримолекулярное ДА - с образованием непредельной к-ты,

окислительное ДА - характерно для тканей организма. Оно бывает прямым и непрямым.

Прямое ДА идет с участием дезаминаз (оксидаз). NH2-CHR-COOH > NH=CR-COOH (иминокислота), при этом ФМН>ФМН·Н2, который затем восстанавливает кислород до пероксида водорода; последний расщепляется каталазой. А иминокислота гидролизуется до альфа-кетокислоты и аммиака.

Непрямое ДА (или транс-ДА) идет в два этапа: 1) переаминирование (см. выше); 2) дезаминирование ГЛУ б-КГ + NH3, над стрелочкой глутамат-ДГ, под стрелочкой - НАД>НАД·Н2.

3. Декарбоксилирование АК - процессы образования биогенных аминов, обладающих биологической активностью:

ГИС > (гистидил-ДК, ПФ) гистамин,



ТИР > (оксигеназа, +1/2О2) ДОФА (диоксифенилаланин) > (ДК, ПФ, -СО2)дофамин,

ТРИ > (оксигеназа, +1/2О2) 5-окситриптофан > (ДК, ПФ, -СО2) серотонин,

ГЛУ > гамма-аминомасляная к-та (ГАМК).

Дофамин и ГАМК - тормозные нейромедиаторы, гистамин - тканевой гормон. Серотонин является местным регулятором в функции периферических органов.

Образование конечных азотистых продуктов

В сутки распадается около 1-2% всех белков организма, что составляет в среднем 500 г. Из них 80% (400 г) идут на ресинтез организм-специфичных белков, а 20% (100 г) подвергаются непрямому дезаминированию с образованием конечных продуктов - кетокислот и аммиака (они содержат 10-16 г азота).

Временное обезвреживание аммиака

Аммиак токсичен (50 мг аммиака убивает кролика, при этом [NH3]=0,4-0,7 мг/л). Поэтому в тканях аммиак обезвреживается временными путями:

1) в основном - образованием амидов дикарбоновых кислот. Напр., ГЛУ + NH3 > ГЛН (над стрелочкой "глутаминсинтетаза", под стрелочкой - АТФ > АДФ + Фн). Аналогично АСП > АСН.

> >

2) восстановительное аминирование кетокислот. Этот путь и дает токсичность аммиака (из-за уменьшения кол-ва кетокислот).

Такой азот (в виде конъюгатов аммиака) посупает в печень, где происходит окончательное обезвреживание аммиака - образование мочевины. Небольшое количество аминов отдают аммиак в почках, где он сразу синтезируется в мочу, где соединяется с протонами, образуя ионы аммония, которые выводятся с мочой. (В крови NH4+ нет!)

Орнитиновый цикл мочевинообразования

Мочевина содержит 80-90% всего азота мочи. В сутки образуется 25-30 г мочевины NH2-CO-NH2.

1. NH3 + CO2 + 2АТФ + Н2О > H2N-CO-OPO3H2 + 2АДФ + Н3РО4 (над стрелочкой карбамоилфосфатсинтетаза). Образуется карамоилфосфат.

2. NH2-(CH2)3-CH(NH2)-COOH (это орнитин) + H2N-CO-OPO3H2 (это карбамоилфосфат) (орнитинкарбамоил-ТФ, - Н3РО4) NH2-CO-NH-(CH2)3-CH(NH2)-COOH (это цитруллин)

Далее: NH2-CO-NH-(CH2)3-CH(NH2)-COOH (это цитруллин) +COOH-CH(NH2)-CH2-COOH (это АСП) аргининосукцинатсинтетаза, АТФ>АМФ+ФФн) СООН-СН2-СН(СООН)-NH-C(=NH)-NH-(CH2)3-CH(NH2)-COOH (это аргининосукцинат) (аргининосукцинатлиаза) СООН-СН=СН-СООН (это фумарат, который идете в ЦТК)) +NH2-C(=NH)-NH-(CH2)3-CH(NH2)-COOH (это аргинин).

Затем: NH2-C(=NH)-NH-(CH2)3-CH(NH2)-COOH (это аргинин) (аргиназа, +Н2О) NH2-C(=O)-NH2 (это мочевина) + NH2-(CH2)3-CH(NH2)-COOH (это орнитин)

Т.о., для синтеза мочевины необходимо два азота - один из АСП и один из ГЛУ, ГЛН, АЛА; а также 3 АТФ и 1 СО2.

Синтез и распад нуклеотидов

Особенности обмена нуклеотидов:

1. Ни сами нуклеотиды, ни азотистые основания, поступающие с пищей, не включаются в синтез нуклеиновых кислот и нуклеотидов организма. Т.е., нуклеотиды пищи всегда распадаются до конечных продуктов.

2. Нуклеотиды синтезируются клетками организма заново, при этом не используются нуклеотиды пищи.

Биосинтез пуриновых оснований - из аминокислот: ГЛИ, АСП, ГЛН, два атома углерода - из производного фолиевой к-ты, один - из углекислоты.

Пиримидиновые основания также образуются из АК.

Распад нуклеотидов аналогичен в тканях и в ЖКТ:

нуклеопротеины нуклеиновые к-ты + АК (над стрелкой - протеазы); ДНК / РНК (ДНК-аза / РНК-аза, +вода) полинуклеотиды (полинуклеотидазы) мононуклеотиды (нуклеотидазы, -Фн) нуклеозиды

Распад нуклеозидов сходен в тканях и в ЖКТ, но имеются различия в окислении пуриновых и пиримидиновых нуклеозидов.

А. Окисление пуриновых нуклеозидов

Аденозин (аденозиндезаминаза, +Н2О, -NH4+) инозин (пуриннуклеозидфосфорилаза, +Фн -рибозил-1-Ф) гипоксантин (6-оксопурин) (ксантиноксидаза, +О2, +Н2О > Н2О2) ксантин (или 2,6-диоксопурин) (ксантиноксидаза, +О2, +Н2О > Н2О2) мочевая к-та (или 2,6,8-триоксопурин)

Мочевая к-та - конечный продукт распада пуриновых оснований.

Б. Распад пиримидиновых нуклеозидов

Они распадаются до бета-аланина, который окисляется до СО2 и NH3. А также до бета-амилоизобутирата. Аммиак, образующийся при распаде, обезвреживается с образованием мочевины.

Повышение содержания мочевой к-ты в крови (гиперурикемия) наблюдается при повышенном распаде пуриновых нуклеотидов (как поступающих с пищей, так, возможно, и собственных).

Однако, мочевая к-та плохо растворима в кислой среде, поэтому может кристаллизоваться и осаждаться в суставах (подагра), в мочевыводящих путях (мочекаменная болезнь). Лечение - растворение с помощью содового питья (образуются хорошо растворимые ураты).

Образование креатинина

Креатинин образуется из креатина - азотистого соединения мышечной ткани. Креатин синтезируется в печени из АК: АРГ, МЕТ, ГЛИ. Затем креатин поступает в мышцу, где связывает фосфат с образованием креатинфосфата.

Иногда креатинфосфат "теряет" фосфат, тогда образуется креатинин - конечный продукт распада креатина (в креатинине образуется связь между азотом аминогруппы и углеродом карбокси-группы).



Количество креатинина в моче определяется как показатель клубочковой фильтрации почек (он не реабсорбируется). Также определяют клиренс креатинина - сравнение содержания его в крови и в моче.

Все конечные продукты, содержащиеся в крови, составляют остаточный азот крови - это азот, остающийся в растворе после осаждения белков. В норме остаточный азот 14-28 ммоль/л. Он состоит из азота промежуточных продуктов (пептиды, АК, билирубин, нуклеотиды, креатин, индол) и азота конечных продуктов (мочевина, мочевая кислота, креатинин, индикан).

Образование конечных безазотистых продуктов

I. Превращение ПВК

В результате непрямого дезаминирования из АК образуются аммиак и кетокислоты.

ЛЕЙ кетокислоты жиры.

ИЛЕ, ЛИЗ, ФЕН, ТРИ, ТИР углеводы и жиры.

АЛА, ЦИС, СЕР, ГЛИ, ТРЕ ПВК.

ГЛУ альфа-КГ.

АСП оксалоацетат (ЩУК).

Пировиноградная к-та (ПВК) подвергается окислительному декарбоксилированию (Ох-ДК), протекающему в четыре реакции. При этом молекула ПВК [СН3-СО-СООН] превращается в ацетил-КоА [СH3-CO-S-KoA] и углекислоту [СО2]. Пируват-дегидрогеназный комплекс ферментов: пируватДК, ацетилТФ, ДГ липоевой к-ты. Коферменты: НАД, ФАД, ТДФ, HSKoA, липоевая к-та. НАД переходит в восстановленную форму НАД·Н2, который поступает в дыхательную цепь митохондрий, где дает 3 АТФ.

Ацетил-КоА вступает в ЦТК (цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты).

II. Цикл Кребса:

[НАД·Н2 поступает в дыхательную цепь митохондрий, где каждая молекула дает три АТФ; ФАД·Н2 - аналогично, но дает две АТФ]

Суммарно ЦТК выглядит так:

СН3-СО-SКoA + 2H2O + Фн + АДФ 2СО2 + 3НАД·Н2 + ФАД·Н2 + АТФ + HSКоА

Функции ЦТК:

1. катаболическая - распад белков, жиров, углеводов;

2. интегративная - взаимосвязь обменов Б, Ж, У;

3. анаболическая - использование метаболитов ЦТК в синтезе необходимых организму соединений (напр., альфа-КГ глу ; ЩУК асп);

4. энергетическая - выделение АТФ.

5. водород-генерирующая - образование восстановленных форм коферментов (3 НАД·Н2 + ФАД·Н2 4 Н2)

III. Биологическое окисление.

Биологическое окисление - это совокупность реакций окисления, протекающих в живом организме.

Лавуазье сравнивал биологическое окисление с «медленным горением», но это ограниченная аналогия, так как биологическое окисление:

а) протекает при низкой температуре,

б) протекает без появления пламени,

в) протекает в присутствии воды.

Существует несколько теорий биологического окисления:

1. Теория “активации” кислорода (Бах)

Образуются пероксиды:

а) О=О-О-О-

б) -О-О- + S SOO [треугольник, в углах которого три указанные буквы; S = субстрат; над стрелочкой реакции надпись “оксигеназы”]

в) SOO + S' SO + S'O [фермент пероксидаза]

Эта теория не объясняет окисление в животных тканях.

2. Теория активирования водорода (Палладин)

В клетках животных окисление идет благодаря дегидрированию:

А·Н2 + Ко А + Ко·Н2 [фермент дегидрогеназа]

Ко·Н2 + ЅО2 Ко + Н2О

3. Современные представления (Палладин и Бах)

Биологическое окисление - это процесс переноса электронов. Если акцептором электронов выступает молекулярный кислород, то его называют “тканевым дыханием”:

RH2 R + 2H+ + 2e--

2H+ + 2e-- + Ѕ O2 H2O + 210 кДж

Биологическое окисление - многоступенчатый полиферментативный процесс, заключающийся в многократной передаче протонов и электронов по цепи ферментов. При этом химическая энергия выделяется небольшими порциями (постепенно, без взрывов).

Дыхательная цепь (ДЦ)

(или Цепь Переноса Электронов - ЦПЭ, или Электрон-Транспортная Цепь - ЭТЦ)

ДЦ - это конвейер по переносу электронов и протонов от восстановленного субстрата к кислороду.

Компоненты ДЦ:

1. Пиридинзависимые ДГ (НАД-, НАДФ-зависимые)

Рабочая часть - витамин РР (никотинамид)

НАД + 2Н+ + 2е - НАД·Н2

2. ФАД-зависимые ДГ (кофермент в ДЦ - ФМН, а акцептор электронов непосредственно от субстрата - ФАД. Рабочая часть - изоалоксазин.

[При восстановлении к атомам азота при двойных связях, отмеченных стрелками, присоединяется по атому водорода, а двойная связь перемещается на общую грань колец В и С.]

3. Убихинон (Ko Q). Обладает о/в-свойствами благодаря кето-енольной таутомерии.

4. Цитохромы. Относятся к гемопротеинам, содержат атомы железа, переход степени (2-3) окисления которого и обеспечивает транспорт электронов (протоны ими не транспортируются !!! ).

В ДЦ цитохромы расположены в следующей последовательности: b - c1 - c - a - a3 .

Совокупность цитохромов b и c1 называют КоQH-дегидрогеназой, т.к. они отщепляют атом водорода от убихинона (KoQ).

Цитохромы а и а3 - цитохромоксидазой (т.к. способствуют переносу электронов на молекулярный кислород).

Функционирование ДЦ

Субстрат·Н2 > НАД > ФМН > КоQ > 2b > 2c1 > 2c > 2a > 2a3 > O2 .

[До KoQ включительно переносятся 2 протона и 2 электрона, а по цепи цитохромов - только 2 электрона]

Существует и укороченная ДЦ, в которой субстрат окисляется ФАД-зависимой ДГ, отдающей затем 2 протона и 2 электрона непосредственно на убихинон.

Необходимо отметить, что АТФ выделяется на этапах: НАД>ФМН (в укороченной ДЦ эта молекула АТФ не выделяется!), b>c1 , a>a3 .

Вообще, молекула АТФ синтезируется если разница потенциалов между соседними компонентами цепи превышает 0,2 В, т.е. может выделиться энергия не менее 50 кДж/моль.

Окислительное фосфорилирование

(хемиосмотическая теория Митчелла, 1961)

1. Мембраны митохондрий непроницаемы для протонов.

2. В результате процессов окисления в митохондрии формируется протонный потенциал (электрохимический градиент протонов).

3. Диффузия протонов обратно на внутреннюю поверхность мембраны сопряжено с фосфорилированием, которое осуществляется АТФ-синтетазой.

Сам процесс выглядит так:

1. НАД·Н-ДГ отдает пару электронов на ФМН-ДГ. Это позволяет ФМН принять пару протонов из матрикса с образованием ФМН·Н2. Пара протонов, принадлежащих НАД, выталкивается на цитоплазматическую поверхность внутренней мембраны митохондрий.

2. ФМН·Н2-ДГ выталкивает пару протонов на цитоплазматическую поверхность мембраны, а пару электронов отдает на убихинон (KoQ), который при этом получает способность присоединить пару электронов из матрикса с образованием KoQ·H2.

3. KoQ·H2 выталкивает пару протонов в цитоплазму, а электроны перебрасываются на кислород в матриксе с образованием воды. В итоге при переносе пары электронов из матрикса в межмембранное пространство перекачивается 6 протонов, что и ведет к созданию разницы потенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны.

4. Разница потенциалов и разница рН обеспечивают движение протонов через протонный канал в обратном направлении.

5. Движение протонов ведет к активации АТФ-синтетазы и синтезу АТФ из АДФ и фосфата.

Окислительное фосфорилирование - это процесс образования АТФ из АДФ и ФН за счет энергии транспорта электронов в дыхательной цепи

Возможно разобщение окислительного фосфорилирования, например, при повреждении внутренней мембраны митохондрий. При этом происходит свободное окисление без фосфорилирования (т.е. без синтеза АТФ), сопровождающееся пирогенным эффектом (локальным повышением температуры). Таким образом на митохондиальную мембрану действует, например, 2,4-динитрофенол.

Альтернативные варианты биологического окисления

К ним относят оксигеназный путь окисления. Он не относится к энергоснабжающим клетку процессам, а используется для деградации (разрушения) метаболитов. Ферменты оксигеназного пути катализируют включение кислорода в субстрат.

Различают ди- и монооксигеназный пути.

Диоксигеназный путь содержит ферменты, которые включают в молекулу субстрата оба атома кислорода. Этот вариант встречается очень редко.

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 ГЦ.

Условия, необходимые для репликации:

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

2. энергия, которая выделяется из вышеперечисленных трифосфатов:

дАТФ дАМФ + ФФн +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 + ФФн +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): ДНКРНКбелок. В 70-е годы был обнаружен фермент - ревертаза (обратная транскриптаза), который позволяет по иРНК синтезировать участок ДНК (РНКДНК). 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 Мg2+, 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+2Фн 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 АТФАДФ+Фн;

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 (ГТФГДФ+Фн). 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 + Фн+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 + Фн+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 + Фн+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:

- котрансляционный, протекающий во время трансляции;

- посттрансляционный - химическая можификация белка происходит после трансляции.

Включает несколько видов химической модификации:

- ограниченный протеолиз - это отщепление либо пептидного фрагмента, либо N-концевой АК (МЕТ);

- реакция ацетилирования - присоединение ацетильного остатка;

- фосфорилирование - присоединение остатка фосфорной кислоты с образованием сложных белков (фосфопротеины);

- гликозилирование АК с образование гликопротеинов и протеогликанов;

- гидроксилирование АК - присоединение -ОН группы. Наиболее часто данному процессу подвергаются ПРО и ЛИЗ с образованием гидроксипролина (ОПР) и гидроксилизина (ОЛИ). Этот процесс необходим при образовании коллагена;

- окисление АК;

- образование вторичной, третичной и четвертичной структур - характерно для олигомерных белков. При образовании данных структур белок сворачивается - процесс фолдинга. Для этого необходимы специализированные белки - шапероны. Они ускоряют сворачивание белков, исправляют некорректные формы вторичной, третичной структур. Может наблюдаться патология фолдинга: существуют т.н. отрицательные шапероны. Их присутствие в клетке приводит к неправильному фолдингу, что выражается в гибели клеток.

Адресование белков

После синтеза и процессинга белки должны быть правильно размещены в клетке либо правильно выделены на экспорт. Этим управляют особые механизмы адресования белков.

В структуре белка имеется т.н. сигнальный участок, содержащий информацию о принадлежности данного белка к определенной органелле клетки или о выделение белка на экспорт. Функцию сигнального участка выполняет фрагмент аминокислотной последовательности либо углеводный компонент.

Принципы адресования заключаются в процессе распознавания белков определенными органеллами. При этом распознание сигнального участка происходит только в случае, если он «пришел» в правильное место.

Гидрофобные АК сигнального участка направляет белок в ЭПР (мембранная структура); гидрофильные АК - в жидкие среды клетки (цитоплазма) или во внутренне пространство органелл; углеводный компонент адресует белок в кровь или лимфу.

Регуляция биосинтеза белка

Клетки многоклеточного организма содержат одинаковый набор ДНК, но белки синтезируются разные. Например, соединительная ткань активно синтезирует коллаген, а в мышечных клетках такого белка нет. В эритроцитах содержится Нb, и информация о Нb содержится во всех клетках. С возрастом скорость синтеза изменяется.

...