Презентация на тему "Биосинтез белков"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Биосинтез белков. Построение и денатурация белков. Полиморфизм белков, аллоферменты, изоферменты. Ферметы: катализаторы и регуляторы

  Выполнил: магистрантка 1-го курса специальности «Микробиология и биотехнология» Борзова Оксана

• 
  Слайд 2

  Строение, свойства и функции белков

  В живых клетках главную 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. 2

• 
  Слайд 3

  Белки

  Рис. 1. Этапы формирования конформации белков. 1 - 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. 3

• 
  Слайд 4

  Биосинтез белков (трансляция)

  Трансляция - перевод информации, заключённой в 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. 4

• 
  Слайд 5

  Свойства генетического кода

  Триплетность Числокодирующих последовательностей из четырёх нуклеотидов 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. 5

• 
  Слайд 6
  

  Вырожденность Винформационных молекулах включение в белок одной и той же аминокислоты определяют несколько кодонов. Линейность записи информации Универсальность Смысл кодовых слов одинаков для всех изученных организмов, но митохондриальнаямРНК 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. 6

• 
  Слайд 7

  Основные компоненты белоксинтезирующей системы

  Примечания: eIF (eukaryoticinitiationfactors) - факторы инициации; eEF (eukaryoticelongationfactors) - факторы элонгации; eRF (eukaryoticreleasingfactors) - факторы терминации. 7

• 
  Слайд 8
  

  Образование аминоацил-тРНК (рис.2). Аминокислота взаимодействует с АТФ и 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-тРНКсинтетазами в присутствии ионов Mg2+: Рис. 2 8 Аминоацил-тРНКсинтетазы

• 
  Слайд 9

  Рибосомы

  Рибосомы представляют собой рибонуклеопротеиновые образования. На рибосомах идёт 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. 9

• 
  Слайд 10

  Белковые факторы

  В каждой стадии белкового синтеза на рибосоме: 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) 10

• 
  Слайд 11

  АТФ и ГТФ как источники энергии

  На включение одной аминокислоты в растущую полипептидную цепь клетка затрачивает 4 макроэргические связи: 2 из АТФ в ходе реакции, катализируемой аа-тРНКсинтетазой (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. 11

• 
  Слайд 12

  Синтез полипептидной цепи на рибосоме

  В ходе синтеза белка прочтение информации мРНК идёт в направлении от 5'- к З'-концу, обеспечивая синтез пептида от N- к С-концу. ЭукариотическиемРНК кодируют строение только одной полипептидной цепи (т.е. они моноцистронны) ПрокариотическиемРНК часто содержат информацию о нескольких пептидах (т.е. они полицистронны). На полицистронныхмРНК синтез белка начинается до того, как заканчивается их собственный синтез. У эукариотов трансляция протекает в цитоплазме, куда из ядра поступают уже "зрелые" мРНК. 12

• 
  Слайд 13
  

  События на рибосоме включают этапы: инициация, элонгация и терминация. Инициация тРНКiМет -инициирующая метиониноваятРНК; eIF (от англ. eukaryoticinitiationfactors) - факторы инициации; Кэпсвязывающий белок - один из факторов инициации (eIF-4F), который узнаёт и присоединяется к участку "кэп" на молекуле мРНК; 13

• 
  Слайд 14
  

  Рис. 3. Образование инициирующего комплекса в ходе синтеза белка у эукариотов. Мет-тРНКМетобъединяется 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. 14

• 
  Слайд 15

  2. Элонгация

  это процесс, в ходе которого рибосома с 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-тРНКА-центра с образованием новой пептидной связи; удлинённая на один аминокислотный остаток пептидил-тРНК перемещается из А-центра в Р-центр в результате транслокации рибосомы. 15

• 
  Слайд 16

  2.1 Связывание аминоацил-тРНК в А-центре

  Рис. 4. Включение аа1-тРНКaa1 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 16

• 
  Слайд 17
  

  Рис. 5. Реакция транспептидации. Метионин от Мет-тРНКiМет, находящегося в Р-центре, присоединяется к α-NН2 -группе аминоацильного остатка аа1-тРНКaa1 А-центра с образованием новой пептидной связи. 2.2 Образование пептидной связи 17

• 
  Слайд 18

  2.3 Транслокация

  третья стадия элонгации. Рис. 6. Стадия транслокации. К рибосоме 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. 18

• 
  Слайд 19

  3. Терминация синтеза белка

  Факторы терминации- 2 белковых высвобождающих фактора RF (от англ, releasingfactor). 19

• 
  Слайд 20
  

  Таким образом, матричная природа процесса трансляции проявляется в 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. 20

• 
  Слайд 21

  Посттрансляционныемодификации полипептидной цепи

  Посттрансляционные изменения- конформационные и структурные изменения полипептидных цепей. Полипептидные цепи могут подвергаться структурным модификациям будучи ещё связанными с рибосомами, после завершения синтеза. Посттрансляционныеизменения: удаление части полипептидной цепи, ковалентное присоединение одного или нескольких низкомолекулярных лигандов, приобретение белком нативнойконформации. В ЭР происходят фолдинг полипептидных цепей и формирование уникальной третичной или четвертичной структуры белков. Для поддержания нативнойконформации молекул огромное значение имеет правильное формирование дисульфидных связей. 21

• 
  Слайд 22

  Частичный протеолиз

  Молекулы-предшественники- функционально неактивные молекулы многих белков, 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. 22

• 
  Слайд 23

  Ковалентные модификации

  Активирование или инактивирование структурных белков и ферментов может происходить в результате присоединения различных химических групп: фосфатных, ацильных, метальных, олигосахаридных и некоторых других. Фосфорилированиебелков 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 тиреоглобулинейодируются остатки тирозина; в факторах свёртывания крови карбоксилируются остатки глутамата; в ЭР фибробластов гидроксилируются остатки пролина и лизина в цепях тропоколлагена. 23

• 
  Слайд 24

  Структура белков.Первичная структура

  Первичная структура белка- линейная последовательность 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. 24

• 
  Слайд 25

  Конформация белков

  Конформация- определённая пространственная трёхмерная структура, которую 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. 25

• 
  Слайд 26

  Вторичная структура белков

  Вторичная структура белков- пространственная структура, 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. 26

• 
  Слайд 27

  α-Спираль

  Рис. 9. α-Спираль. На рисунке показаны пространственное строение 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. 27

• 
  Слайд 28

  Радикалы аминокислот, нарушающие формирование α-спирали

  Радикалы аминокислот находятся на 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 28

• 
  Слайд 29

  β-Структура

  Рис. 10. Вторичная структура белков в виде β-складчатого 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. 29

• 
  Слайд 30

  Нерегулярные вторичные структуры

  Беспорядочные клубки - области в 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. 30

• 
  Слайд 31

  Третичная структура белков

  Третичная структура белков- трёхмерная пространственная 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. 31

• 
  Слайд 32

  Конформационная лабильность белков

  Гидрофобные взаимодействия, а также ионные и 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. 32

• 
  Слайд 33

  Денатурация белков

  Денатурация белков- разрыв большого количества слабых связей в молекуле белка с потерей нативнойконформации иутратой 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. 33

• 
  Слайд 34

  Факторы, вызывающие денатурацию белков

  Денатурацию белков вызывают факторы, способствующие 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. 34

• 
  Слайд 35

  Полиморфизм белков

  Полиморфизм белков — существование разных форм 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. 35

• 
  Слайд 36

  Изоферменты

  — это ферменты, синтез которых кодируется разными генами, 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. 36

• 
  Слайд 37

  Ферменты: катализаторы и регуляторы

  Ферменты— это белки, обладающие 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. 37

• 
  Слайд 38

  Общие свойства катализаторов и ферментов

  Сами не вызывают 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 108–1012раз; 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). 38

• 
  Слайд 39

  Регуляторныебелки

  К регуляторным белкам относят большую группу белковых гормонов, участвующих в поддержании постоянства внутренней среды организма, которые воздействуют на специфические клетки-мишени. Например, гормон инсулин выделяется в кровь при повышении концентрации глюкозы в крови после еды и, стимулируя использование глюкозы клетками, снижает концентрацию глюкозы до нормы, т.е. восстанавливает гомеостаз. К регуляторным относят белки, присоединение которых к другим белкам или иным структурам клетки регулирует их функцию. Например, белок кальмодулин в комплексе с четырьмя ионами Са2+ может присоединяться к некоторым ферментам, меняя их активность. Регуляторные ДНК-связывающие белки, присоединяясь в определённые моменты к специфичным участкам ДНК, могут регулировать скорость считывания генетической информации . Белки регулируют продвижение клетки по клеточному циклу, транскрипцию, трансляцию, сплайсинг, активность других белков и многие другие процессы. Важнейшую роль в регуляции внутриклеточных процессов играют протеинкиназы и протеинфосфатазы — ферменты, которые активируют или подавляют активность других белков путём присоединения к ним или отщепления фосфатных групп. 39