Властивості амінокислот та генів

Размещено на http://allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Сумський національний аграрний університет

Самостійна робота

З дисципліни «Біохімія»

Властивості амінокислот та генів

Виконав: Студентка Галета Ю.С.

Перевірив : Доцент Божко Н.В.

Суми 2015

План

1. Виділення та ідентифікація протеїнових амінокислот

1.1 Шляхи отримання амінокислот

1.2 Шляхи отримання b-амінокислот

1.3 Ідентифікація а-амінокислот

2.Біохімія гену і передача генетичної інформації

2.1 Функціональна структура

2.4 Транскрипція

2.7 Особливі гени

Список використаної літератури

1. Виділення та ідентифікація протеїнових амінокислот

Амінокислоти - органічні сполуки, в молекулі яких одночасно містяться карбоксильні і аміно групи. Амінокислоти є мономерними одиницями білків, у складі яких залишки амінокислот з'єднані пептидними зв'язками.

Більшість білків побудовані із комбінації дев'ятнадцяти «первинних» амінокислот, тобто таких, що містять первинну аміногрупу, і однієї «вторинної» амінокислоти або імінокислоти (містить вторинну аміногрупу) проліну, що кодуються генетичним кодом. Їх називають стандартними або протеїногенними амінокислотами. Крім стандартних в живих організмах зустрічаються інші амінокислоти, які можуть входити до складу білків або виконувати інші функції.

У залежності від того, до якого атому вуглецю приєднана аміно- група, амінокислоти поділяються на б-, в-, г- і тощо. б-атомом вважається той атом карбону, до якого приєднана карбоксильна група, якщо біля нього ж розташована й аміногрупа, така амінокислота називається б-амінокислотою. Якщо аміногрупа приєднана до наступного (в) атома карбону, це буде в-амінокислота і так далі. Всі протеїногенні амінокислоти є б-амінокислотами.

Білки поділяються на протеїни (прості білки), до складу яких входять тільки залишки амінокислот і протеїди (складні білки). Останні дають при гідролізі амінокислоти і будь-які інші речовини, наприклад, фосфорну кислоту, глюкозу, гетероциклічні сполуки і т. д.

Прості білки або протеїни -- білки, які побудовані тільки із залишків б-амінокислот (при гідролізі розпадаються тільки на амінокислоти) та не вимагають для функціонування наявності небілкових простетичних груп

Протеїни поділяються на групи залежно від їх розчинності і положення ізоелектричної точки.

Альбуміни. Розчиняються у воді, при нагріванні згортаються. Осідають насиченими розчинами солей. Мають порівняно невелику молекулярну касу. амінокислота генетичний мутація інформація

При гідролізі дають мало глікокол, Входять до складу білка яйця, крові, молока.

Глобуліни. Нерозчинні у воді. Розчиняються в розведених розчинах солей і осідають концентрованими розчинами солей. Згортаються при нагріванні. Входять до складу м'язових волокон, яйця, молока, крові, рослинних насінь (коноплі, горох).

Проламіни. Нерозчинні у воді. Розчиняються в 60-80%-ном спирті. Містять багато проліну. Входять до складу рослинних білків (гліадин пшениці, ячменю гордеін, зерин кукурудзи).

Протаміни. Не містять сірки. Мають простий амінокислотний склад і низьку молекулярну масу, Входять до складу сперми та ікри риб.

Гістони., Входять до складу багатьох і складних білків.

Склеропротеіни. Нерозчинні у воді, розчинах солей, кислот і лугів. Стійкі до гідролізу. До цієї групи належать білки опорних і покривних тканин організму: коллаген'костей і шкіри, еластин зв'язок, кератину вовни, волос, роги, нігтів, фиброин шовку, Характеризуються високим вмістом сірки.[1]

1.1 Шляхи отримання амінокислот

Розроблено багато шляхів отримання a-амінокислот. Найважливіші з них три:

1.Дія аміака на солі хлорзамісних кислот:

NH₂-H+CL-CH₂-COONH₄-----^-HCL---®NH₂-CH₂COOHNH₄

2. Дією аміака та ціанової кислоти на альдегіди(реакція Штрекера). Ціановодень приєднується до аміду що утворюється спершу, утворений нітрил a-амінокислоти омилюють та отримують a-амінокислоту:

3.a-Амінокислоти також можна синтезувати з аміномалинового ефіра за наступною схемою:

NO-CH(COOR)₂

CH₂(COOR)₂--^R*ONO--_-R*OH®Ї --^+H₂-^[Ni]®NH₂-CH(COOR)₂--^C₆^H₅^OCL-_-HCL®

HON=C(COOR)₂

ЮC6H5CO-NH-CH(COOHR)2--^+RONa--_-ROH-®[C6H5CO-NH-C(COOR)₂]Na⁺--^R*I--_-NaI--®C₆H₅CONH-CR*(COOR)₂--^{H+, HOH}--_C6H5COOH-®NH-CR*(COOH)₂ ---_-CO2-®NH₂-CHR*-COOH

При гідролізі білків отримано близько 25 різноманітних амінокислот.

1.2 Шляхи отримання b-амінокислот

Найбільш важливими є наступні два способи отримання цих кислот:

1.Приєднання аміака до відповідних кислот. Аміак до олефінів без каталізаторів не приєднується. Приєднання тут проходить так як і інші реакції a,b-ненасичених кислот, а не за правилом Марковникова:

CH2=CH-COOH --^+2NH₃®NH₂-CH₂-CH₂-COONH₄

2. Велика кількість амінокіслот була синтезована В.М.Родіоновим з малинової кислоти:

CH₂-CHO+CH₂(COOH)₂--^+NH₃®CH₃-CH-NH₂-CH₂COOH+H₂O+CO₂

Ця реакція схожа з реакцією отримання b-оксикислот з альдегидів. Можливо, що проміжними продуктами тут є оксисполуки, проте механізм цієї реакції до кінця ще не з'ясовано.[2]

1.3 Ідентифікація а-амінокислот

Нінгідриниа реакція. Для виявлення б-амінокислот використовується реакція з нінгідрином, в результаті котрої утворюється продукт, забарвлений в синьо-фіолетовий колір з максимумом поглинання при 570 нм

Нінгідриновий реактив застосовується в хроматографічному аналізі для проявлення хроматограм на папері та в тонкому шарі сорбенту, а також для кількісного колориметричного визначення б-амінокислот.

Ксаптопротеїпова реакція. Це реакція з концентрованою азотною кислотою на б-амінокислоти, що містять у своїй молекулі ароматичні цикли. В результаті останньої відбувається нітрування ароматичного циклу з утворенням нітропохідного, забарвленого на жовтий колір.

Реакція Міллона -- специфічна якісна реакція, що використовується в біохімічному аналізі для визначення присутності тирозину. Метод названо на честь французького хіміка Августа Міллона (1812--1867).

Визначення проводиться шляхом додавання до досліджуваного розчину нітрату ртуті(II) у нітратній кислоті, що містить сліди нітритної кислоти. В ході взаємодії іони Hg²⁺утворюють фенолят і координують довкола себе нітрозогрупи, що приєдналися внаслідок нітрозилювання бензенового кільця[4]

Ерліха реакція - кольорова реакція на індол, який утворюється за рахунок розкладання бактеріями триптофану. Індол, реагуючи з диметиламінобензальдегідом, утворює сполуку, забарвлену в червоний колір. Реакцію проводять наступним чином: у бульйонну культуру бактерій вносять 1-2 мл ефіру, сильно струшують і обережно по стінках пробірки доливають 2 мл розчину № 1 (4 р р-диметиламинобензальдегида + 380 мл 96%етилового спирту + 80 мл концентрованої соляної кислоти) і 2 мл розчину № 2 (насичений розчин персульфата калію). У тому випадку, якщо не пізніше ніж через 5 хвилин ефірний шар червоніє, реакція вважається позитивною.[3]

Реамкція Сакагумчі -- якісна реакція на визначення речовин, що містять гуанідинову групу, зокрема амінокислоту аргініну. Полягає у взаємодії цих сполук із гіпохлоритом або гіпобромітом натрію та б-нафтолом (або 8-гідроксихіноліном) у лужному середовищі з утворенням речовин, що мають червоне забарвлення.[4]

Реакція Паулу -кольорова реакція на білки, що містять залишки тирозину і (або) гістидину,яку здійснюють змішуванням розчину білка зі свіжозробленим розчином n-діазобензолсульфокіслотой у присутності. Na2CO3. [5]

Реакція Саллівана - хімічний тест, який використовується для виявлення присутності цистину в білках. Червоний колір з'являється, коли білок з цистеїном нагрітий з натрієм 1,2 сульфоната.[6]

2. Біохімія гену і передача генетичної інформації

Ген -- одиниця спадкового матеріалу, що відповідає за формування певної елементарної ознаки. Ген є ділянкою молекули ДНК, що містить інформацію для синтезуРНК. Процес зчитування гену і синтезу РНК називається транскрипцією. У деяких вірусів геном може вважатись також ділянка РНК. Існують різноманітні типи РНК, найвідоміші з яких матрична рибонуклеїнова кислота (мРНК), з якої в процесі трансляції зчитується інформація амінокислотної послідовності білку. Білки відіграють в організмі специфічну роль, яка може проявлятись в характерній ознаці. З цієї точки зору гени розглядаються як носії спадкової інформації, яка передається в результатірозмноження від батьків до нащадків. Експресія генів -- це прояв активного стану гену в окремій клітині. Але не тільки мРНК закодовані в генах -- існує багато видів некодуючі РНК, які не несуть інформацію про білок, але тим не менш вони представлені в ДНК у вигляді генів.

Наука, що вивчає структуру, функцію та спадкову передачу генів називається генетикою. Наука, що вивчає сукупність всіх генів, що локалізовані в геномі окремого організму, називається геномікою.

У переважної більшості живих організмів гени закодовані в ланцюгах ДНК. ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) є полімером з чотирьох типів нуклеотидів, кожен з яких складається з моносахариду класу пентоз (2'-дезоксирибози), фосфатної групи, і одного з чотирьох азотистих основ: аденіну (А), цитозину (Ц), гуаніну (Г)і тиміну (Т).

Найпоширенішою формою ДНК в клітині є структура у формі правої подвійної спіралі з двох окремих ниток ДНК. Азотисті основи одного з ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності: аденін з'єднується тільки з тиміном (два водневих зв'язки), гуанін -- тільки з цитозином (три водневих зв'язки).

Завдяки хімічним особливостям зв'язку між пентозними залишками нуклеотидів, ДНК мають полярність. Один кінець ДНК-полімеру закінчується 3-гідроксильною (3 --ОН) групою дезоксирибози і називається 3' (три-прайм), а інший - 5-фосфатною групою (5 --РО3) і називається 5' (п'ять-прайм). Полярність ланцюжка грає важливу роль в клітинних процесах. Наприклад, при синтезі ДНК подовження ланцюжка можливе тільки шляхом приєднання нових нуклеотидів до вільного 3' кінця.

2.1 Функціональна структура

На молекулярному рівні ген складається з двох структурних ділянок:

1. ДНК ділянки, з якої внаслідок транскрипції зчитується одноланцюгова РНК-копія.

2. Додаткові ДНК ділянки, які задіяні в регуляції копіювання. Наприклад, промотор та енхансери.

Комбінація і послідовність цих ділянок можуть бути особливими для кожного конкретного гену, а також структура гомологічних генів у різних організмів можуть суттєво відрізнятись. Типовому гену еукаріотів передує регуляторна ДНК-ділянка - промотор, до якого приєднуються ензим РНК-полімераза та фактори транскрипції і забезпечують процес транскрипції. Типовий транскрипт гену (пре-мРНК) містить некодуючі ділянки інтрони, які вирізаються під час сплайсингу, а екзони зшиваються один з одним в зрілу мРНК. Варіації під час альтернативного сплайсингу можуть призводити до зшивання різних ділянок екзонів і утворення різних варіантів мРНК, яка зчитана з однієї ділянки ДНК. Відношення довжини і кількості інтронів в генах дуже різноманітне. Є гени як з одним інтроном, в той час, як існують гени, у яких інтрони складають до 95% всієї нуклеотидної послідовності. Найдовший людський ген білку дистрофіну має довжину 2,5 мільйона нуклеотидів (це 0,08% всього людського геному) і кодує пептид довжиною 3685 амінокислот. Частка кодуючої послідовності становить 0,44 %.

Зріла мРНК містить відкриту рамку зчитування, а також некодуючі елементи: 5'-нетрансльовану ділянку, та 3'-нетрансльовану ділянку. Ці ділянки задіяні в регуляції процесу трансляції, а також регулють активність специфічних ензимів, що руйнують мРНК - РНКаз.

Гени прокаріотів відрізняються від генів еукариотів тим, що не містять в своїй структурі інтронів. При цьому окремі кодуючі ділянки можуть бути розташовані щільно одна до одної (поліцистронний кластер) так, що регулються спільним структурним елементом - промотором. В такому випадку подібний генний кластер зчитується спільним транскриптом, але транслюється в різні білки. Така спільна генна структура називається опероном. Оперони - типові генні кластери у прокаріотів.

Гени кодують не тільки мРНК, яка транслюється в білок, а також структурну рибосомну РНК, транспортну РНК, рибозими, мікроРНК, міРНК та піРНК, які відіграють регуляторну функцію. Послідовність ДНК, з якої зчитується некодуюча РНК часто називається РНК геном.

2.2 Геномна організація

Загальна сукупість генів в організмі або клітині називається геномом. У прокаріотів переважна більшість генів, розташовані на одній хромосомі, що має вигляд кільцевої ДНК. У еукаріот зазвичай кілька окремих лінійних спіралей ДНК упаковані в щільні комплекси ДНК-білок, що називаються хромосомами. Гени, які розташовані на одній хромосомі у одного виду, у іншого виду можуть бути розташовані на різних хромосомах.

Місце на хромосомі, де розташований ген, називається локусом. Гени також не рівномірно розподілені по хромосомах, а частково згруповані в так звані кластери. Генний кластер може містити як випадкові гени, розташовані у безпосередній близькості один до одного, так і групи генів, які кодують білки, що перебувають у функціональній залежності. Гени, білки яких мають схожі функції, також можуть бути розташовані на різних хромосомах.

Багато видів можуть містити декілька копій одного і того ж гену в геномі соматичної клітини. Клітини або організми з однією копією гену на кожній хромосомі - називаються гаплоїдними; з двома копіями - диплоїдними, з більш як двома - поліплоїдними. Копії гену на парних хромосомах можуть бути не ідентичними. Під час статевого розмноження одна копія гену успадковується від одного батька, інша - від іншого.

За попередніми оцінками, кількість людських генів становить 50 000-100 000. Лише невелика їх кількість транслюється в білок (~20 000 у людини, мишей та дрозофіл, ~13 000 у круглих червів, >46 000 у рису). Таким чином, лише 1-2% геному кодує білки . Велика частина геному транскрибується у вигляді інтронів, ретротранспозонів та в некодуючу РНК.

2.3 Експресія та регуляція роботи генів

Процес синтезу біологічно функціональної молекули РНК або білку називається експресією генів, і в результаті сама молекула називається генним продуктом.

Експресія генів, закодованих в ДНК, починається з розшифровки генів в РНК (транскрипція), інший тип нуклеїнової кислоти, яка дуже схожа на ДНК, але її мономери містять цукор рибозу, а не дезоксирибозу. РНК також містить нуклеотид урацил замість тиміну. Молекули РНК менш стабільні, ніж ДНК і, як правило, одноланцюгові.Генетичний код вказує на відповідність певній амінокислоті в переказі з тринуклеотидної послідовності - кодону. Існує 64 можливих кодони і тільки 20 стандартних амінокислот. Це означає, що генетичний код вироджений, або надмірний і декілька різних кодонів можуть кодувати одну і ту ж амінокислоту. Відповідність між кодонами і амінокислотами майже універсальна між всіма відомими організмами.

2.4 Транскрипція

В процесі генетичної транскрипції синтезується одноланцюгова молекула матричної РНК, послідовність нуклеотидів якої є комплементарною до шаблонної ДНК, з якої вона зчитується. Транскрипція здійснюється ферментом РНК-полімеразою, що читає шаблонну послідовність в 3'- 5' напрямку і синтезує РНК в 5' - 3'напрямку. Для початку транскрипції, полімераза спочатку розпізнає і зв'язується з промоторною ділянкою гена. Таким чином основним механізмом регуляції роботи генів на рівні транскрипції є блокування промоторної області сильним зв'язком з репрессорними молекулами, які фізично блокують полімеразу, або шляхом організації ДНК таким чином, щоб промоторний регіон не був доступним.

У прокаріотів транскрипція відбувається в цитоплазмі. У випадку дуже довгих транскриптів трансляція в білок може початися на 5 'кінці РНК , в той час як транскрипція 3' кінця все ще буде тривати. У еукаріотів транскрипція завжди відбувається у ядрі, первинні транскрипти РНК повинні спочатку пройти пост-транскрипційні зміни, перш ніж експортуються в цитоплазму для трансляції. Альтернативний сплайсинг є додатковою формою регуляції роботи генів на рівні процесингу.

2.5 Трансляція

Трансляція це процес, при якому зрілі молекули мРНК використовується в якості шаблону для синтезу нових білків. Трансляція здійснюється рибосомами, великими комплексами РНК і білку, що відповідальні за проведення хімічних реакцій додавання нових амінокислот до поліпептидного ланцюга з утворенням пептидного зв'язку.

Генетичний код зчитується трьох нуклеотидів одночасно, за допомогою взаємодії зі спеціалізованими молекулами РНК, які називаються транспортною РНК (тРНК). Кожна тРНК має три неспарених основи, відомі як антикодон і які є комплементарними до кодону, що зчитується. тРНК також ковалентно пов'язані з амінокислотою, відповідно до кодону. Коли тРНК зв'язується зі своїм комплементарним кодоном в мРНК ланцюзі, рибосоми передають з нього амінокислоту до карбоксильного кінця нового поліпептидного ланцюга. Під час і після синтезу, новий білок повинен скластись в активну тривимірну структуру, перш ніж він зможе виконувати свої клітинні функції.Постртрансляційні модифікації складають ще один етап регуляції роботи генів.

2.6 Успадкування генів

Ріст, розвиток і розмноження організмів базується на поділі клітин, тобто процесі, під час якого одна клітина ділиться на дві зазвичай ідентичні дочірні клітини. Цьому передує подвоєння кожного гена в геномі в процесі, що називається реплікацією ДНК. Копії створюються за допомогою ферментів ДНК-полімераз, які "читають" шаблонний ланцюг подвійної спіралі ДНК і синтезують новий комплементарний ланцюг.

Оскільки подвійна спіраль ДНК тримається разом завдяки спаровуванню комплементарних нуклеотидів, послідовність одного ланцюга повністю визначає послідовність іншого, тому тільки один ланцюг повинен бути прочитаний ферментом, щоб створити точну копію. Процес реплікації ДНК напівконсервативной, тобто копії геному, який успадковує кожна дочірня клітина, містить один оригінал і один ново синтезований ланцюг ДНК .

Після того, як реплікація ДНК завершилась, клітина повинна фізично розділити дві копії геному і розподілити їх по двох клітинах. У прокаріотів - бактерій і архей - це, як правило, відбувається за допомогою відносно простого процесу бінарного поділу, при якому кожен з кільцьових геномів чіпляється до клітинної мембрани і розподіляється по дочірнім клітинам в момент, коли мембрани вигинаються, щоб розділити цитоплазму на дві обмежені мембраною порції.

Бінарний поділ відбувається дуже швидко в порівнянні з показниками клітинного поділу у еукаріотів. У еукаріотів поділ клітин є складнішим процесом, відомий як клітинний цикл. Реплікація ДНК відбувається під час S фази цього циклу, в той час як процес поділу хромосом і розподілу цитоплазми відбувається під час фази М. У багатьох одноклітинних еукаріотів, таких як дріжджі, розмноження брунькуванням є звичайним явищем, що призводить до асиметричного поділу цитоплазми по двох дочірніх клітинах.

У організмів, що розмножуються статевим шляхом, спеціалізована форма клітинного поділу мейоз продукує клітини, які називаються гаметами або зародковиими клітинами, які є гаплоїдними, або містять лише одну копію кожного гена. Гамети, що виробились в жіночих статевих органах, називаються яйцеклітинами, а ті, що виробляються в чоловічих - спермою. Дві гамети зливаються, утворюючи запліднену яйцеклітину, що містить диплоїдний набір генів: одну копію від матері та одну від батька.

У процесі мейотичного поділу клітин, може інколи траплятись генетична рекомбінація або кросинговер, в якому ділянка ДНК на одній хроматиді міняється місцями з гомологічною ДНК ділянкою на сестринській хроматиді. Це не має жодного ефекту, якщо алелі на хроматидах ті самі, але в іншому випадку призводить до пересортування пов'язаних між собою різних алелів. Менделевський принцип незалежного розподілення стверджує, що кожен із двох батьківських генів для кожної ознаки сортується незалежно в гамети: ті алелі, які організм успадковує для однієї ознаки, не мають стосунку до алелів, які він успадковує для іншої ознаки. Це насправді вірно тільки для генів, які не розміщені на тій же хромосомі, або принаймні розташовані дуже далеко один від одного на одній хромосомі. Чим ближче два гени лежать на одній хромосомі, тим більше вони будуть пов'язані в гаметах і найчастіше вони успадкуються разом. Гени, які розташовані дуже близько на хромосомі успадковуються разом, тому що вкрай малоймовірно, що точка перетину під час кросинговеру трапиться між ними. Це називається зчепленим успадкуванням.

2.7 Особливі гени

РНК гени: Хоча у всіх клітинних живих організмів гени закодовані в послідовності ДНК, існують деякі віруси, генетична інформація котрих закодована у формі РНК. РНК-віруси вражають клітину, після чого одразу починається синтез білків безпосередньо з РНК за допомогою клітинного трансляційного апарату господаря. Процесу транскрипції ДНК в РНК не відбувається. Натомість ретровіруси під час інфекції спочатку "перечитують" РНК в ДНК за участю ферменту зворотної транскриптази.

Псевдогени: Геном, в строгому сенсі слова, вважають нуклеотидну послідовність, яка містить інформацію про функціональний білок. Натомість псевдогени є копіями генів, що не кодують функціональних білків. Поява таких генів часто викликана генними дуплікаціями та/або мутаціями, які накопичились без будь-якого відбору і втратили свою первісну функцію. Деякі, здається, все ж відіграють певну роль у регуляції активності інших генів. Геном людини містить близько 20000 псевдогенів.

2.8 Генетична мінливість

Під генетичною спадковою мінливістю розуміють виникнення генетичних варіантів (алелей, генів або генотипів) у окремих організмів. Це може бути обумовлено мутаціями (мутаційна мінливість), або подіями під час мейозу (комбінативна мінливість). Спадкова мінливість приймається синтетичною теорією еволюції як субстрат природного добору.[4]

Список використаної літератури

1. Білки: Довідкові матеріали. М.: Харчове виробництво, 2004.

2. http://medical-enc.com.ua/ehrlich-reaction.htm

3. https://uk.wikipedia.org

4. http://himenc.narod.ru/base/RP/020003.html

5. http://ru.knowledgr.com/18294753/РеакцияСалливана

Размещено на Allbest.ru