Классификация сложных белков

Экз №__

Кафедра клинической биохимии и лабораторной диагностики

«УТВЕРЖДАЮ»

ИО начальника кафедры

клинической биохимии и

лабораторной диагностики

полковник медицинской службы

В.ПАСТУШЕНКОВ

«___» _____________ 2008 г.

доцент кафедры клинической биохимии и лабораторной диагностики

доктор медицинских наук В.АНТОНОВ

_____________________________________________________________________

должность, ученая степень, ученое звание, воинское звание, инициал имени, фамилия автора (авторов)

ЛЕКЦИЯ № 4

по дисциплине: «Биохимия»

___________________________________________________________

(наименование учебной дисциплины)

на тему: «Биохимия простых и сложных белков. Структура и функция нуклеиновых кислот. Молекулярная биология гена. Генная инженерия»

________________________________________________

(наименование темы занятий по тематическому плану изучения дисциплины)

с курсантами и студентами 2 курса факультетов подготовки врачей

(военно-медицинских специалистов иностранных армий)

Обсуждена и одобрена на заседании кафедры

Г.

Протокол №______

Уточнено (дополнено):

«____» ____________ 200___ г.

_____________________________________

(воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия)

Лекция на тему: «Биохимия простых и сложных белков. Структура и функция нуклеиновых кислот. Молекулярная биология гена. Генная инженерия»

Учебные групп: курсанты и слушатели II курса ФПВ

Цель лекции: Рассмотреть вопросы строения, функции, классификации простых и сложных белков, структуру и функцию нуклеиновых кислот. Молекулярные аспекты биологии гена. Дать представление о генной инженерии

Время лекции: 2 часа

План лекции.

Введение.

Классификация сложных белков, общая характеристика структуры и функции.

Нуклеиновые кислоты

Ген

Генная инженерия

Заключение

Введение

Простые белки построены только из аминокислот. Сложные белки построены из двух компонентов - простой белок и небелковое вещество, называемое простетической группой. Простетические группы прочно связаны с белковой частью молекулы.

Классификация сложных белков

Классификация сложных белков зависит от строения простетической группы.

Гликопротеины (содержат углеводы).

Липопротеины (содержат липиды).

Фосфопротеины (содержат фосфорную кислоту).

Хромопротеины (содержат окрашенную простетическую группу).

Металлопротеины (содержат ионы различных металлов).

Нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты).

Гликопротеины. Простетические группы этих белков представлены углеводами и их производными.

Гликопротеины содержат от 1 до 30 % углеводов, которые прочно связаны с белковой частью молекулы. Они представлены различными моносахаридами, их ацетил-амино-производными, дезоксисахаридами, нейраминовыми и сиаловыми кислотами. Они могут быть также представлены линейными или разветвленными олигосахаридами.

Функции гликопротеинов:

большинство белков на внешней поверхности животных клеток (рецепторы);

большая часть синтезируемых клеточных белков (интерфероны);

большая часть белков плазмы крови (кроме альбуминов):

иммуноглобулины;

групповые вещества крови;

фибриноген, протромбин;

гаптоглобин, трансферин;

церулоплазмин;

мембранные ферменты;

гормоны (гонадотропин, кортикотропин).

Связь между углеводными компонентами и белковой частью в гликопротеинах ковалентно-гликозидная, через ОН группы серина, треонина, или NH группу лизина, аспарагина, глутамина.

Липопротеины - сложные белки. Их простетическая группа представлена разнообразными липидами. Существует несколько классов липидов. Каждый из них выполняет специфическую биологическую функцию:

- структурную (например в составе цитоскелета);

- транспортную (например транспортные и плазменные липопротеины).

Фосфопротеины - сложные белки. Их простетическая группа представлена фосфорной кислотой. Остатки фосфата соединяются с белковой частью молекулы сложноэфирными связями через гидрокси-группы аминокислот серина и треонина.

К фосфопротеинам относятся казеины - белки молока, вителлины - яичного желтка, овальбумин - белок куриного яйца. Большое количество их содержится в ЦНС. Многие важные ферменты клетки активны только в фосфорилированной форме. Фосфопротеины являются источником энергетического и пластического материала.

Металлопротеины кроме белка содержат ионы одного или нескольких металлов. Ионы металлов соединены координационными связями с функциональными группами белка.

Пример металлопротеинов:

ферритин, трансферрин - Fe;

алкогольдегидрогеназа - Zn;

цитохромоксидаза - Cu;

протеиназы - Mg, К;

АТФ-аза - Na, К, Са, Мg.

Как правило, металлопротеины - ферменты. Ионы металлов выполняют следующие функции:

являются активным центром фермента;

служат мостиком между активным центром фермента и субстратом, сближают их;

служат акцепторами электронов на определенной стадии ферментативной реакции.

Нуклеопротеины - это сложные белки, небелковым компонентом которых являются нуклеиновые кислоты - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) или РНК (рибонуклеиновая кислота).

Нуклеиновые кислоты

Молекулы нуклеиновых кислот заряжены отрицательно, поэтому они образуют с положительно заряженными белковыми компонентами ионные связи.

Нуклеиновые кислоты - линейные (реже - циклические) гетерополимеры, их мономерами являются мононуклеотиды. Мононуклеотид состоит из трех частей:

азотистого основания (у всех нуклеиновых кислот);

пентозы (рибозы у РНК или дезоксирибозы у ДНК) - вместе они составляют нуклеозид;

остатка фосфорной кислоты. Номенклатура различных мононуклеотидов представлена в таблице.

Номенклатура нуклеотидов.

Мономеры, из которых потом строятся нуклеиновые кислоты, состоят из азотистого основания, остатка сахара (дезоксирибоза или рибоза) и фосфата. Сахара вместе с азотистым основанием называются нуклеозидами (аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин). Если к ним присоединены 1-, 2-, или 3-фосфорных остатка, то вся эта структура называется Соответственно, нуклеотизид монофосфатом, дифосфатом или трифосфатом или нуклеотидом (аденин, гуанин, тимин, цитозин).

Модель АТФ в плоскости и пространстве.

ТМФ встречается только в ДНК, а УМФ - только в РНК. Если в составе мононуклеотида имеется дезоксирибоза, то в начало его названия добавляется приставка "дезокси".

В составе нуклеиновых кислот мононуклеотиды связаны 3, 5-фосфодиэфирными связями между рибозами (дезоксирибозами) соседних мононуклеотидов через остаток фосфорной кислоты. Поэтому, если молекула нуклеиновой кислоты не является циклической, концы ее различны.

Один из них обозначается как 3-конец, а другой - 5-конец. Начальным считается 5-конец.

Первичная структура ДНК

Как любой полимер, молекула ДНК обладает пер­вичной структурой, образованной уникальной после­довательностью чередования 4 видов мономеров: азо­тистых оснований, 2 из которых являются пуринами, а 2 — пиримидинами, соединенными гомополимерной сахарофосфатной цепью. Фосфоэфирные связи после­довательно соединяют З'-атом углерода остатка дезоксирибозы каждого предыдущего нуклеотида с 5'-ато­мом углерода последующего, создавая непрерывный ковалентно-связанный остов молекулы. Последова­тельность азотистых оснований и является собственно генетической матрицей, на которой при помощи триплетного кода записана вся наследственная информация организма. Весьма условно можно провести аналогию между такого типа кодировкой и буквами алфавита, в определенной очередности образующих слова и фра­зы. Хотя в генетическом словаре всего четыре буквы, но их оказывается достаточно для шифрования после­довательности 20 различных аминокислот, из которых состоят все будущие белковые молекулы — конечные продукты функционирующих генов. Таким же обра­зом закодированы регуляторные участки генома -промоторы и энхансеры, старт- и стоп-кодоны и др.

Стабильность первичной структуры молекулы ДНК позволяет клеткам из поколения в поколение со­хранять уникальную для каждого организма наслед­ственную информацию (генотип). Изменения в после­довательности чередующихся азотистых оснований (мутации) могут приводить к возникновению ошибок в наследственной информации, различные возможные последствия которых описаны ниже.

Строго говоря, первичная структура ДНК, обладая значительным консерватизмом, все же не является по­стоянной. Открытие мобильных диспергированных генов, транспозонов показало, что отдельные участки молекулы способны перемещаться вдоль цепи в про­цессе нормального функционирования и дифференци-ровки клеток, меняя при этом первичную структуру молекулы. Особенно такие перестройки характерны для клеток лимфоидной ткани: с ними связана терми­нальная дифференцировка наивных лимфоцитов, при­водящая к появлению клонов узко специализирован­ных иммунокомпетентных клеток. Неслучайность таких участков и дискретность генетической информа­ции позволяют в ходе подобных перемещений сохра­нить целостность генома.

С другой стороны, некоторые вирусы (ретро-, аде­новирусы и др.) способны встраивать в ДНК-клетки хозяина дополнительные элементы, а также перетас­кивать участки генов или целые гены из одного локу-са молекулы ДНК в другие. Действие ионизирующей радиации, химических канцерогенов и мутагенов, ошибки в процессе репликации ДНК также приводят к изменениям в первичной структуре молекулы. Такие изменения носят, как правило, случайный характер и потому изменяют целостность генома и представля­ют собой соматические мутации. Последствия таких изменений не однозначны.

Если мутация возникла в «бессмысленном» участ­ке ДНК, она, как правило, носит безразличный харак­тер. Такой же характер имеют мутации, возникающие в конститутивно репрессированных генах. Понятие конститутивной репрессии тканеспецифично и связа­но с особенностями клеточной дифференцировки, в связи с чем ген, репрессированный в клетках опреде­ленного типа, может оказаться функционально значи­мым в клетках другого гистогенеза. К примеру, терми­нальная (унаследованная, т. е. присутствующая во всех клетках данного организма) мутация генов BRCA1/2 обусловливает чрезвычайно высокий риск раннего развития рака молочной железы или яичника, но никак не проявляется в клетках прочих тканей.

Если мутация затронула функционирующий ген, то ее последствия не могут носить безразличного ха­рактера, однако они и в этом случае не однозначны: при изменении последовательности оснований в регуляторных участках гена может наблюдаться как ослаб­ление его экспрессии вплоть до полного отключения (нокаут гена), так и аномальная активация (гипер- или, оверэкспрессия) вплоть до приобретения постоянной нерегулируемой активности. Наконец, мутация в «смысловой» части гена, кодирующей определенный белковый продукт (миссенс-мутация), может вызвать появление измененного белка. В свою очередь, измененный белковый продукт по функциональным свойствам может полностью соответствовать белку «дикого» типа: либо иметь сниженную специфическую ак-| тивность; либо, напротив, гиперактивность; либо, наконец, приобретать иной, не свойственный белку «дикого» типа, вид активности. Таким образом, в зависимости от совокупности многих факторов соматические мутации могут приво-I дить как к снижению жизнеспособности клетки, оста-I новке ее деления и гибели, так и, напротив, к ее усиленному росту и делению вплоть до опухолевой транс формации.

Вторичная структура ДНК

Вторичная структура ДНК представлена двойной спиралью, модель которой была открыта более полувека назад будущими Нобелевскими лауреатами (премия присуждена именно за это открытие) Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком. Согласно этой модели молекула нативной ДНК представляет собой две зеркально отраженные (в отношении комплементарных друг другу пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований) антипараллельные (5'-конец одной цепи соседствует с 3'-концом другой) цепи, соединенные друг с другом силами комплементарного взаимодействия. Важнейшее свойство ДНК — избирательность в образовании связей (комплементарность). Размеры оснований и двойной спирали подобраны в природе таким образом, что тимин (Т) образует водородные связи только с аденином (А), а цитозин (С) — только с гуанином (G).

Водородные связи не являются ковалентными, а потому могут быть относительно легко разрушены, что приводит к расхождению обеих нитей — денатурации в молекулы.ДНК. Этот процесс (локальная денатурация) абсолютно необходим для выполнения молекулой ДНК матричных функций, а также репликации самой молекулы.

В составе 2-нитевой (2-цепочечной) молекулы обе нити ДНК являются правозакрученными спиралями с общей осью: азотистые основания обращены внутрь молекулы, образуя гидрофобную зону, а обе сахаро-фосфатные цепи расположены периферически (плектонемическая спираль). Хорошо известны несколько канонических форм двойной спирали, различающихся геометрическими размерами. Классическая В-форма, модель которой предложена Уотсоном и Криком в 1953 г., имеет следующие характеристики: один ви­ток правозакрученной молекулы содержит 10 пар нук-леотидов, длина его проекции на ось составляет 34 А (ангстрем), диаметр (по атомам фосфора) — 18 А; мо­лекула имеет большую и малую боковые бороздки с поперечником 17 и 11 А соответственно.

Три представления двунитевой молекулы ДНК:

а и б — классические изображения двуспиральной ДНК;

в — ДНК как двухцепочечная структура с неопре­деленными физическими параметрами, но с цепями, комплементарными друг другу;

А, С, G, Т — мономерные звенья полимерной мо­лекулы ДНК;

C-G, Т-А — комплементарные пары оснований, связывающие две цепи

Та­кая форма молекулы существует в препаратах, уровень влажности которых близок к физиологическому. При частичном обезвоживании ДНК переходит в А-форму, в которой один виток содержит уже 11 пар ос­нований, проекция витка на ось составляет 28 А, диа­метр уменьшается на 1 А, а ширина обеих бороздок сравнивается. С-форма, образующаяся в присутствии солей лития, напротив, является более рыхлой, чем В-форма: виток содержит 9 нуклеотидньгх пар. Абсолют­но уникальна открытая относительно недавно левоза-крученная Z-форма ДНК, содержащая 12 нуклеотидов на 1 виток. В пределах канонических форм воз­можно существование определенных промежуточных вариантов, переходы между которыми осуществляют­ся не кооперативно, в отличие от кооперативных пере­ходов от одной канонической формы к другой.

Конформационные переходы на отдельных участках гигантской молекулы ДНК важны для выс­ших уровней организации и функционирования хро­матина и будут обсуждаться в соответствующем раз- деле. Здесь же следует отметить, что наличие двой­ной спирали в любой из канонических форм возмож­но не только при участии 2 нитей, но и на отдельном участке 1-нитевой молекулы, однако при условии, что этот участок будет нести палиндромную после­довательность, т. е. симметрично отраженную после­довательность комплементарных оснований, напри­мер «...ATCAG...CTGAT...». В таком участке 2-нитевой молекулы ДНК может образовываться «шпилька» или «крест», представляющие собой сим­метричный дуплексный отросток, ось которого пер­пендикулярна основной оси молекулы. Обратимое образование «шпилек», «креста» и конформационные пе­реходы молекулы, играет определенную роль в регу­лировании активности отдельных генов.