Презентация на тему Биосинтез белков

роль играют полимерные макромолекулы - белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.

Синтезированные

белки выполняют многообразные функции:

ускоряют химические реакции,
выполняют транспортную,
структурную,
защитную функции,
участвуют в передаче сигналов от одних клеток другим

и таким образом реализуют наследственную информацию. Поэтому белки называют также протеинами (от греч. proteos - первый).

Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью .

Пептид – соединение, в котором количество аминокислотных остатков не превышает 10.

Полипептид – если в соединении содержится от 10 до 40 АК остатков.

Белок - более 40 АК остатков.

первичная структура; 2 - вторичная структура;
3 - третичная

структура; 4 - четвертичная структура.

Линейная последовательность аминокислот в белке уникальна для каждого индивидуального белка; информация о ней содержится в участке молекулы ДНК, называемой геном.

Линейная последовательность аминокислот в белке содержит информацию о построении трёхмерной пространственной структуры.

Полипептидные цепи за счёт внутримолекулярных взаимодействий образуют пространственные структуры - конформации белков.

На определённом участке белковой молекулы из радикалов аминокислот формируется активный центр, который может специфично (комплементарно) связываться с молекулами-лигандами.

полинуклеотидной последовательности мРНК, в аминокислотную последовательность белка.

А. Генетический

код и его свойства

Генетический, биологический, нуклеотидный, или аминокислотный код - своеобразный "словарь", позволяющий выяснить, какая последовательность нуклеотидов мРНК обеспечивает включение в белок аминокислот в заданной последовательности.

по три равно 43 = 64.

Кодоны - кодирующими элементами при

шифровании аминокислотной последовательности являются тройки нуклеотидов (триплеты).

61 триплет шифрует включение аминокислот в синтезирующуюся полипептидную цепь, а 3 остальных - UAA, UAG, UGA* - сигнализируют о завершении трансляции (терминирующие, или стоп-кодоны).

Специфичность

Каждому кодону соответствует только одна определённая аминокислота. В этом смысле генетический код строго однозначен.

*Примечания: U - урацил; А - аденин; G - гуанин.

той же аминокислоты определяют несколько кодонов.

Линейность записи информации

Универсальность

Смысл

кодовых слов одинаков для всех изученных организмов, но митохондриальная мРНК содержит 4 триплета, имеющих другое значение, чем в мРНК ядерного происхождения. Так, в мРНК митохондрий триплет UGA кодирует Три, AUA - Мет, а АСА и AGG прочитываются как дополнительные стоп-кодоны.

Колинеарность гена и продукта

У прокариотов обнаружено линейное соответствие последовательности кодонов гена и последовательности аминокислот в белковом продукте.

В эукариотических клетках аминокислотная последовательность белка колинеарна последовательности экзонов в гене или зрелой мРНК после посттранскригщионного удаления интронов.

Свойства генетического кода

факторы инициации; eEF (eukaryotic elongation factors) - факторы элонгации;

eRF (eukaryotic releasing factors) - факторы терминации.

активируется, образуя аминоациладенилат, который, не освобождаясь из связи с

ферментом (Е), отдаёт активированную аминокислоту тРНК с образованием аминоацил-тРНК (аа-тРНК).

Аминокислота + тРНК + АТФ →
аминоацил - тРНК + АМФ + PPi.

Суммарная реакцию, катализируемая аминоацил-тРНК синтетазами в присутствии ионов Mg2+:

Рис. 2

Аминоацил-тРНК синтетазы

сборка аминокислот в белки.

Белки, входящие в состав субъединиц

рибосомы в количестве одной копии выполняют структурную функцию, обеспечивая взаимодействие между мРНК и тРНК, связанными с аминокислотой или пептидом.

Центр А (аминоацильный) связывает аа-тРНК, строение которой определяет кодон, находящийся в области этого центра. В структуре этого кодона зашифрована природа аминокислоты, которая будет включена в растущую полипептидную цепь.

Центр Р (пептидильный) занимает пептидил-тРНК, т.е. тРНК, связанная с пептидной цепочкой, которая уже синтезирована.

инициации, элонгации и терминации участвует разный набор внерибосомных белковых

факторов.

Эти белки связываются с рибосомой или её субъединицами на определённых стадиях процесса и
стабилизируют или
облегчают
функционирование белоксинтезирующей машины.

Специфические внерибосомные белки, необходимые для процесса трансляции (12 факторов инициации: eIF; 2 фактора элонгации: eEFl, eEF2, и факторы терминации: eRF)

аминокислоты в растущую полипептидную цепь клетка затрачивает 4 макроэргические

связи:
2 из АТФ в ходе реакции, катализируемой аа-тРНК синтетазой (в процессе активации аминокислот АТФ расщепляется на АМФ и пирофосфат)

2 молекулы ГТФ: одна используется на связывание аа-тРНК в А-центре рибосомы, а вторая затрачивается на стадию транслокации.

2 макроэргические связи молекул АТФ и ГТФ используются на инициацию и терминацию синтеза полипептидной цепи.

прочтение информации мРНК идёт в направлении от 5'- к

З'-концу, обеспечивая синтез пептида от N- к С-концу.
Эукариотические мРНК кодируют строение только одной полипептидной цепи (т.е. они моноцистронны)
Прокариотические мРНК часто содержат информацию о нескольких пептидах (т.е. они полицистронны).
На полицистронных мРНК синтез белка начинается до того, как заканчивается их собственный синтез.
У эукариотов трансляция протекает в цитоплазме, куда из ядра поступают уже "зрелые" мРНК.

терминация.
Инициация
тРНКiМет -инициирующая метиониновая тРНК ;
eIF (от англ. eukaryotic initiation

factors) - факторы инициации;
Кэпсвязывающий белок - один из факторов инициации (eIF-4F), который узнаёт и присоединяется к участку "кэп" на молекуле мРНК;

белка у эукариотов. Мет-тРНКМет объединяется с малой субъединицей рибосомы в

форме тройного комплекса: Мет-тРНКМет, elF-2 и ГТФ. Образовавшийся более сложный четырёхкомпонентный комплекс присоединяется к 5'-концу мРНК с помощью нескольких дополнительных факторов, и малая субъединица начинает скользить по мРНК до тех пор, пока антикодон Мет-тРНКМет не свяжется с инициирующим кодоном AUG. При этом в комплексе происходит изменение состава инициирующих факторов, и ускоряется присоединение 60S субъединицы рибосомы, сопровождающееся гидролизом ГТФ. Мет-тРНКiМет занимает на рибосоме Р-центр.

помощью аа-тРНК последовательно "читает" мРНК в виде триплетов нуклеотидов,

следующих за инициирующим кодоном в направлении от 5' к 3'-концу, наращивая полипептидную цепочку за счёт последовательного присоединения аминокислот.

Включение каждой аминокислоты в белок происходит в 3 стадии, в ходе которых:

аа-тРНК каждой входящей в белок аминокислоты связывается с А-центром рибосомы;

пептид от пептидил-тРНК, находящейся в Р-центре, присоединяется к α-NH2-гpyппe аминоацильного остатка
аа-тРНК А-центра с образованием новой пептидной связи;

удлинённая на один аминокислотный остаток пептидил-тРНК перемещается из А-центра в Р-центр в результате транслокации рибосомы.

в рибосому. aа1-тРНКaa1 взаимодействует с рибосомой в виде тройного

комплекса, состоящего из фактора элонгации EF-1I, аа1-тРНKaa1 и ГТФ. Антикодон аа-тРНКаа1 комплементарен и антипараллелен кодону мРНК в А-центре. Связывание аа1-тРНКaa1 происходит за счёт энергии гидролиза ГТФ до ГДФ и Рi

в Р-центре, присоединяется к α-NН2 -группе аминоацильного остатка аа1-тРНКaa1

А-центра с образованием новой пептидной связи.

2.2 Образование пептидной связи

присоединяется фактор элонгации EF-2, и за счёт энергии ГТФ

продвигает рибосому по мРНК на один кодон к 3'-концу. Пептидил-тРНК, не меняя своего положения относительно мРНК, из А-центра перемещается в Р-центр.

высвобождающих фактора RF (от англ, releasingfactor).

том, что последовательность поступления аминоацил-тРНК в рибосому для синтеза

белка строго детерминирована мРНК.

Малая и большая субъединицы рибосомы в процессе трансляции выполняют разные функции:

малая субъединица присоединяет мРНК и декодирует информацию с помощью тРНК и механизма транслокации,

большая субъединица ответственна за образование пептидных связей.

Как правило, много рибосом одновременно участвует в синтезе белка на одной и той же мРНК, образуя комплекс, который называют полирибосомой, или полисомой, что значительно увеличивает эффективность использования матрицы.

структурные изменения полипептидных цепей.
Полипептидные цепи могут подвергаться структурным модификациям

будучи ещё связанными с рибосомами,
после завершения синтеза.

Посттрансляционные изменения:
удаление части полипептидной цепи,
ковалентное присоединение одного или нескольких низкомолекулярных лигандов,
приобретение белком нативной конформации.

В ЭР происходят фолдинг полипептидных цепей и формирование уникальной третичной или четвертичной структуры белков.
Для поддержания нативной конформации молекул огромное значение имеет правильное формирование дисульфидных связей.

первоначально секретируемые из клеток .

К образованию активных молекул приводит

удаление части полипептидной цепи специфическими эндопротеазами.

Некоторые белки-предшественники расщепляются в ЭР или аппарате Гольджи, другие - после секреции.

может происходить в результате присоединения различных химических групп:
фосфатных,

ацильных,
метальных,
олигосахаридных
и некоторых других.
Фосфорилирование белков осуществляется по гидроксильным группам серина, треонина и, реже, тирозина ферментами из группы протеинкиназ, тогда как дефосфорилирование катализируют гидролитические ферменты фосфопротеинфосфатазы.

Гликозилирование. Белки, входящие в состав плазматических мембран или секретирующиеся из клеток, подвергаются гликозилированию. Углеводные цепи присоединяются по гидроксильным группам серина или треонина (О-гликозилирование) либо аспарагина (N-гликозилирование). Последовательное наращивание углеводного фрагмента происходит в ЭР и аппарате Гольджи.

Многочисленным модификациям подвергаются боковые радикалы некоторых аминокислот: в тиреоглобулине йодируются остатки тирозина; в факторах свёртывания крови карбоксилируются остатки глутамата; в ЭР фибробластов гидроксилируются остатки пролина и лизина в цепях тропоколлагена.

аминокислотных остатков в полипептидной цепи (рис.1).

Первичная структура каждого индивидуального

белка закодирована в участке ДНК, называемом геном.

Все молекулы индивидуального белка имеют одинаковое чередование аминокислотных остатков в белке, что в первую очередь отличает данный индивидуальный белок от любого другого.

приобретают линейные полипептидные цепи индивидуальных белков за счёт взаимодействия

функциональных групп аминокислот.

Все молекулы индивидуальных белков (т.е. имеющих одинаковую первичную структуру) образуют в растворе одинаковую конформацию.

Вся информация, необходимая для формирования пространственных структур, находится в первичной структуре белков.

В белках различают 2 основных типа конформации полипептидных цепей:
вторичную структуру
третичную структуру.

образующаяся в результате взаимодействий между функциональными группами, входящими в

состав пептидного остова.

Пептидные цепи могут приобретать регулярные структуры двух типов:

α-спираль и
β-структура.

α-спирализованного участка полипептидной цепи и образование водородных связей, участвующих

в формировании α-спирали.

В данном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счёт образования водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами азота аминогрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка.

Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали (рис. 9).

На один виток α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка.

Большое количество слабых водородных связей обеспечивает максимально возможную стабильность α-спирали.

α-Спиральная структура - наиболее устойчивая конформация пептидного остова, отвечающая минимуму свободной энергии.

наружной стороне α-спирали и направлены от пептидного остова в

стороны.
Они не участвуют в образовании водородных связей, характерных для вторичной структуры, но некоторые из них могут нарушать формирование α-спирали.

К ним относят:

пролин. Обычно в этом месте пептидной цепи возникает петля или изгиб;

участки, где последовательно расположены несколько одинаково заряженных радикалов, между которыми возникают электростатические силы отталкивания;

участки с близко расположенными объёмными радикалами, механически нарушающими формирование α-спирали, например метионин (1), триптофан(2).

1

2

пролин

слоя.
β-Структура формируется за счёт образования множества водородных связей между

атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи, делающей изгибы, или между разными полипептидными цепями,
β-Структура образует фигуру, подобную листу, сложенному "гармошкой", - β-складчатый слой (рис. 10).

В β-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи.

Как α-спираль, так и β-структуры обнаружены в глобулярных и фибриллярных белках.

с нерегулярной вторичной структурой.

Они представлены

петлеобразными и
кольцеобразными

структурами,

имеющими меньшую регулярность укладки, чем α-спираль и β-структура.

В каждом индивидуальном белке они имеют свою фиксированную конформацию, определяемую аминокислотным составом данного участка цепи и окружающих его участков.

структура, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые

могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.

Рис. 11. Типы связей, возникающих между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка.
1 - ионные связи;
2 - водородные связи;
3 - гидрофобные связи;
4 - дисульфидные связи.

водородные связи относят к числу слабых.

Поддержание характерной для белка

конформации возможно благодаря возникновению множества слабых связей между различными участками полипептидной цепи.

Белки обладают конформационной лабильностью - склонностью к небольшим изменениям конформации за счёт разрыва одних и образования других слабых связей.

Конформация белка может меняться при изменении химических и физических свойств среды, а также при взаимодействии белка с другими молекулами.

При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка, контактирующего с другой молекулой, но и конформации белка в целом. Конформационные изменения играют огромную роль в функционировании белков в живой клетке.

связей в молекуле белка с потерей нативной конформации и

утратой специфической функции.

При денатурации белков первичная структура белка не нарушается.

При достаточно высокой концентрации белка и отсутствии сильного отталкивающего заряда молекулы денатурированного белка могут объединяться друг с другом гидрофобными взаимодействиями, при этом растворимость белка снижается и происходит образование осадка.

Компактная, плотная пространственная структура нативного белка при денатурации резко увеличивается в размерах и становится легко доступной для расщепления пептидных связей протеолитическими ферментами.

разрыву гидрофобных, водородных и ионных связей, стабилизирующих конформацию белков:
высокая

температура (более 50 °С);
интенсивное встряхивание раствора;
органические вещества (например, этиловый спирт, фенол и его производные);
кислоты и щелочи;
соли тяжёлых металлов (такие как медь, ртуть, серебро, свинец и др.);
детергенты - вещества, содержащие гидрофобный углеводородный радикал и гидрофильную функциональную группу (такие вещества называют амфифильными). К наиболее известным детергентам относят различные мыла (рис. 12).

Рис. 12. Денатурация белков с помощью детергентов.

белка, выполняющих одинаковые или очень сходные функции (изобелки).

Изобелки -

множественные формы белка, обнаруживаемые в организмах одного вида. Белки, выполняющие одинаковые функции в организмах разных биологических видов, носят название "гомологичные белки".

Многие ферменты имеют несколько изоформ и носят название изоферментов.

Изоферменты, или изоэнзимы — это различные по аминокислотной последовательности изоформы или изотипы одного и того же фермента, существующие в одном организме, но, как правило, в разных его клетках, тканях или органах.

у них разная первичная структура и разные свойства, но

они катализируют одну и ту же реакцию.

Виды изоферментов:

Органные — ферменты гликолиза в печени и мышцах.

Клеточные — малатдегидрогеназа цитоплазматическая и митохондриальная (ферменты разные, но катализируют одну и ту же реакцию).

Гибридные — ферменты с четвертичной структурой, образуются в результате нековалентного связывания отдельных субъединиц (лактатдегидрогеназа — 4 субъединицы 2 типов).

Мутантные — образуются в результате единичной мутации гена.

Аллоферменты — кодируются разными аллелями одного и того же гена.

специфическими каталитическими свойствами, то есть каждый фермент катализирует одну

или несколько сходных реакций.

Субстраты – молекулы, которые присоединяются к ферменту и изменяются в результате реакции.

Активный центр - часть молекулы фермента, которая обеспечивает связывание субстрата и катализ.

химическую реакцию, а только ускоряют реакцию, которая протекает и

без них;

Не влияют на энергетический итог реакции;

В обратимых реакциях ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, причем в одинаковой степени.

Общие свойства ферментов

Высокая эффективность действия — ускоряют реакцию в 108–1012 раз;

Высокая избирательность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (специфичность действия);

Высокая чувствительность к неспецифическим физико-химическим факторам среды — температуре, рН, ионной силе раствора;

Высокая чувствительность к химическим реагентам;

Высокая и избирательная чувствительность к физико-химическим воздействиям тех или иных химических веществ, которые благодаря этому могут взаимодействовать с ферментом, улучшая или затрудняя его работу (активаторы и ингибиторы).